Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по обеспечению надежной работы систем автомобиля 9
1.1. Анализ научно-технической литературы по обеспечению надежной работы систем автомобиля 9
1.2. Анализ методов и подходов по определению потребности в производственных и технологических мощностях при ТО и ремонте автомобилей 15
1.3. Диагностирование технического состояния автомобилей и средства диагностики 17
1.4. Общая характеристика бортовых компьютерных систем, применяемых на автомобилях. 22
1.5. Системы управления работой двигателя и их эволюция. 24
1.6. Основные факторы, определяющие обеспечение надежной работы бортовых компьютерных систем в процессе эксплуатации 32
1.6.1. Методологическая база для обеспечения надежной работы компьютерных систем 32
1.6.2. Обеспечения надежной работы компьютерных систем управления работой двигателя 34
1.7. Характеристика отказов компьютерной и микропроцессорной автомобильной техники 40
1.8. Основные принципы обеспечения надежной работы компьютерных систем 45
1.9. Конструкционная надежность компьютерных систем подвижного состава автомобильного транспорта 48
1.10. Технологическая надежность компьютерных систем 54
1.11. Эксплуатационная надежность компьютерных систем 55
1.12. Методы определения параметров обеспечения технического состояния автомобилей 59
1.13. Цель, задачи и методика исследований 62
2. Теоретические исследования режимов контроля бортовой компьютерной системы управления рабочими процессами двигателя
2.1. Описание объекта исследований 66
2.2. Режимы обеспечения работоспособности автомобиля и его БКС 67
2.3. Целевая функция исследований 69
2.4. Базовые теоретические подходы к исследовак и принимаемые гипотезы 70
2.5. Теоретические исследования параметров надежности БКС 72
2.6. Расчет погрешности исследований 81
3. Экспериментальные исследования характеристик надежности систем управления работой двигателей легковых автомобилей 83
3.1. Общее назначение и цели выполнения экспериментальных исследований 83
3.2. Характеристика объекта исследований 84
3.3. Методы проведения исследований 86
3.4. Анализ статистических данных по отказам элементов БКС при эксплуатации автомобилей в условиях России 87
3.5. Анализ статистических данных по отказам элементов БКС при эксплуатации автомобилей в условиях Швеции. 94
3.6. Сравнительный анализ результатов эксперимента, ІЬІХ исследований, полученных в Москве и Стокгольме 96
3.7. Обработка экспериментальных данных. 104
3.8. Определение показателей надежности работы всей бортовой компьютерной системы. 107
3.9. Определение оптимальной периодичности контроля технического состояния БКС
3.10. Расчет стоимостей выявления отказа в системе работы двигателя. 111
4. Разработка предложений по совершенствованию системы диагностирования, технического обслуживания и ремонта БКС управления работой двигателя 116
4.1. Определение рациональной периодичности выполнения контрольно-диагностических работ в процессе ТО 116
4.2. Оценка экономической эффективности применения принудительной системы диагностирования БКС УРД 121
4.3. Исследование современных средств диагностики для выявления отказов в системе управления работой двигателя 126
4.4. Возможность использования статистических материалов диссертационной работы для определения необходимых объемов запасных частей для станций технического обслуживания и ремонта автомобилей Saab 131
4.5. Апробация результатов диссертационной работы 132
Литература 137
Приложения
- Анализ методов и подходов по определению потребности в производственных и технологических мощностях при ТО и ремонте автомобилей
- Режимы обеспечения работоспособности автомобиля и его БКС
- Анализ статистических данных по отказам элементов БКС при эксплуатации автомобилей в условиях России
- Оценка экономической эффективности применения принудительной системы диагностирования БКС УРД
Введение к работе
Быстрое развитие автомобильного транспорта в последние годы сопровождалось использованием в конструкции автомобилей новых сложных систем, основанных на микропроцессорной и компьютерной технике. Современные автомобили содержат от двух до десяти и более различных электронных систем управления работой агрегатов, а также позволяющих получить необходимые параметры экономичности, экологичности, безопасности и другие.
Применение на автомобилях компьютерных систем управления работой двигателя создало условия для того, чтобы полностью отказаться от карбюраторного смесеобразования. Это обеспечило снижение расхода топлива на 25-40%, уменьшило токсичность отработавших газов с применением нейтрализатора в 2,0 - 2,5 раза, а по некоторые компонентам и более. Однако при этом средняя стоимость автомобилей использующих компьютерное управление работой двигателя, увеличилась на 10-12 процентов. На примере автомобилей зарубежного производства увеличение их стоимости в среднем составило 1700 -2000 долларов США.
Изменившиеся в России экономические условия привели к быстрому росту общего парка автомобилей и его насыщению автомобилями зарубежного производства. Российские автомобилестроители в условиях применения государством таможенных пошлин на ввозимые автомобили зарубежных фирм, потеряли конкурентную способность своей продукії). f даже по сравнению с подержанными зарубежными моделями. Это обеспечило условия модернизации выпускаемых в России автомобилей, привело к использованию на них двигателей с электронным впрыском топлива.
В начальный период на автомобилях с впрыском топлива в качестве элементной базы для управления работой двигателей использовались
импортные изделия, в дальнейшем были созданы совместные и собственные разработки.
Среди эксплуатирующегося в настоящее время парка автомобилей, особенно легковых, доля автомобилей зарубежных фирм составляет в среднем по России более 8 %, а для Москвы, крупных
индустриальных регионов, городов и портов достигает 13 - 17 и более процентов.
Основной парк зарубежных автомобилей представляет собой подержанные автомобили (автомобили "second hand"), однако около третьей части автомобилей зарубежных фирм имеют возраст менее трех-четырех лет, и они пользуются услугами предприятий автосервиса. Одновременно происходит пополнение парка автомобилей России продукцией собственных и совместных сборочных автомобильных заводов, где доля автомобилей с электронными системами управления работой двигателей и других элементов конструкции автомобилей быстро увеличивается.
По этой причине большую роль в эксплуатации современного автомобиля играет работоспособность бортовой компьютерной системы управления работой двигателя, которая одновременно выполняет функцию смесеобразования, поджигания топливно-воздушной смеси в цилиндрах и некоторые другие. В электронную систему заложена возможность резервирования, т.е. обеспечения работоспособности при возникновении неисправностей и отказав в ее элементах. Однако при этом ухудшаются экономические и экологические показатели автомобиля.
Существующая система фирменного технического обслуживания и ремонта автомобилей, к сожалению, не предусматривает выполнение в принудительном порядке диагностирования системы управления работой двигателя. Это в свою очередь приводит к накапливанию отказов элементов бортовой компьютерной системы в процессе эксплуатации, что
увеличивает простои при их выявлении и устранении, и ведет к повышению стоимости выполнения работ.
В диссертационной работе с использованием экономико-вероятностного метода теоретически обоснована рациональная и изменяющаяся в процессе эксплуатации периодичность проведения технических обслуживании с использованием средств диагностики предложена система проведения контрольно-диагностических воздействий по бортовой компьютерной системе управления работой двигателя с впрыском бензинового топлива.
Экспериментальные исследования, выполненные автором диссертационной работы, проводились на фирменных дилерских станциях технического обслуживания автомобилей Москвы и Стокгольма. Они позволили провести сравнение полученных данных по эксплуатации автомобилей в двух странах, выявить похожий характер получена ^ результатов и с использованием теоретических исследований разработать систему проведения технического обслуживания и ремонта Тортовой компьютерной системы управления работой двигателя.
В работе предложены режимы прс. дения технических
обслуживании с диагностированием бортовых компьютерных систем
управления работой двигателя автомобилей применительно к
современным легковым автомобилям SAAB, что позволяет в конечном итоге экономить время и финансы владельцев автомобилей ; посещении станций технического обслуживания автомобилей.
Использованные в работе методы и подходы по определению рациональной для конкретного пробега автомобиля с начала эксплуатации могут быть распространены в использовании ^ для других моделей автомобилей, как российского, так и зарубежного производства.
Автор выражает глубокую благодарность Московскому государственному автомобильно-дорожному институту (техническому
университету), выдавшему ему диплом инженера-механика; кафедре эксплуатации автомобильного транспорта, на которой была выполнена данная диссертационная работа; коллегам по кафедре - молодым преподавателя, а раннее сокурсникам, научному руководителю, освоившему техническое обслуживание автомобилей с бортовыми компьютерными системами и оказавшему помощь в выполнении работы, а также фирмам «Гемма» и «Трейд Инвест» за возможность выполнить экспериментальные исследования в Москве.
Анализ методов и подходов по определению потребности в производственных и технологических мощностях при ТО и ремонте автомобилей
Вопросы определения необходимых производственных мощи, : гей для выполнения различных работ в исследованиях операций обычно относят к вопросам планировки и размещения объектов. При этом слово «объект» может быть трактовано достаточно широко. В теоретических исследованиях объекты могут рассматриваться как стационарные, так и передвижные, и научному изучению проблем определения оптимального или рационального количества потребных объектов посвящены труды большого количеств зарубежных и отечественных ученых [60,61,41]. Первые попытки анализа подобных задач с целью нахождения приемлемого решения относ;. ..я еще к семнадцатому веку. Однако очень быстро и бурно вопросы определения производственных мощностей получили развитие начиная с 1960 года. Анализирую многочисленные исследования, нетрудно заметить, что формулировка почти каждой задачи сводилась к одинаковым показателям, которые могут быть использованы для классификации этих задач. К таким показателям относятся характеристики новых объектов и размещенк существующих, взаимодействие новых и существующих объектов, пространство решений, а также мера расстояния между объектами.
Для характеристики новых объектов обычно используется основной показатель - число объектов, для которого молено рассматривать такі; характеристики, как занимаемое пространство - точечный или протяженный объект (пост, группа постов - применительно к выполнению работ по диагностированию, ТО и ремонту автомобилей). Кроме того, размещение каждого нового объекта может зависеть или не зависеть от размещения других объектов.
Размещение объектов может быть статическим или динамическим, детерминированным или стохастическим.
Кроме того, при формулировке задач размещения объектов учитывается мера расстояния между ними. В некоторых случаях д .? приближенного определения расстояний вычисляются евклидовы расстояния. В других случаях при решении задач планировки и размещения объектов необходимо учитывать к какому сектору относятся объекты -частному или государственному.
Для частного сектора при решении рассматриваемых задач необходимо учитывать минимизацию затрат, а для государственного - максимизацию выгоды. Большинство задач планировки и размещения сводится к минимизации взвешенной суммы расстояний или минимизации максимального взвешенного расстояния между объектами [84].
В настоящее время используется несколько классов задач размещения и планировки объектов. К ним относятся задачи создания новых объектов, задачи размещения объектов, задачи взаимодействия новых и существующих объектов, пространство решения задач, метрика пространства решений и перемещений при размещении и плппировании объектов, т.е. расстояния между объектами, их площади, конфигурация и т.п., а также задачи поставленной цели при планировании и размеще? и объектов. Для предприятий автомобильного транспорта и автосервиса описанные выше задачи можно применять при постановке и решении большого числа задач организационно-управленческого, производственного и технологического плана.
Наиболее важной с позиции обеспечения города, региона г ти другой территории местности является задача размещения объектов на плоскости. Задачи такого порядка получили название - размещение объектов на плоскости с метрикой Минковского [29].
Для группы автомобилей (одного типажа, одной модели и т.д.) при обеспечении их работоспособности очень важно иметь на известной или заданной территории необходимое количество средств обслуживания.
Применительно к автомобилям, оборудованным бортовы: і компьютерными системами, данная задача определяется в следующем виде: - определить потребное количество постов диагностирования и ремонта БКС на заданной территории; - определить количество постов, необходимое при расположении вместе в группу; - определить расстояния между постами для обеспечения их равномерной загрузки с учетом концентрации в том или ином регионе известного количества автомобилей; - определить потребное количество средств диагностирования, ин функциональные возможности и номенклатуру для оснащения постов диагностирования автомобилей, оснащенных компьютерными системами управления. - определение и уточнение режимов технического обслуживания БКС в изменившихся условиях эксплуатации, в том числе с учетов возраста автомобилей и стоимости выполнения работ.
Обобщенные задачи размещения объектов на плоскости, получившие название как задачи Ферма или Вебера формализуются в работах [30].
Режимы обеспечения работоспособности автомобиля и его БКС
Существующая система технического обслуживания и текущего ремонта автомобилей Volvo и Saab в условиях дилерских станций технического обслуживания и ремонта характеризуется планово-предупредительным характером для всего автомобиля в целом, с учетом особенностей СТО и техническими воздействиями по возникновении отказов для бортовой компьютерной системы управления работой двигателя. Периодичность ТО по основным агрегатам и узлам автоі\ млей для Швеции и других стран составляет 15 тыс. км и кратна данному пробегу для некоторых других систем и агрегатам. Для условий Москвы, а также некоторых других регионов России дилерские СТО рекомендует владельцам автомобилей использовать "усиленную" систему технического обслуживания, при которой периодичность ТО кратна 10 тыс. км.
Отказы и неисправности, связанные с нарушением работы бортовой компьютерной системы, выполняются по дополнительной заявке рдадельца автомобиля. Их проявления, как правило, субъективно выявляются в процессе эксплуатации при появлении задьр шия, трудном пу s двигателя, неравномерности работы двигателя на различных режимах, снижении мощности, динамических характеристик, увеличенном расходе топлива и др. Диагностирование БКС требует специального, сложного и дорогостоящего оборудования, поэтому проведение данного вида работ в объеме ТО с установленной периодичностью не предусматривается в связи с относительно высокой стоимостью. Кроме этого, "принудительное" проведение диагностирования БТГС, как показывают опытные исследования, в большом количестве случаев не приводит к обнаружению отказов и неисправностей. Следовательно, применение диагностирования бортовой компьютерной системы управления работой двигателя с периодичностью 15 тыс. км (10 тыс. км в условиях Москвы при «усиленной» системе ТО) приведет к необоснованному увеличению стоимости работ на СТО. С другой стороны, длительная эксплуатация БКС без контроля ее работоспособности ведет к накапливанию от; лов и неисправно й отдельных элементов и к нарушению работы всего автомобиля. В данном случае значительно возрастает стоимость диагностирования и выявления неисправностей, и еще более дорогостоящим становится устранение неисправностей и восстановление работоспособности БКС. Опытные проверки исследуемых автомобилей на СТО ука .вают, что в процессе эксплуатации БКС накапливает 5-6 и более неисправное! ей, приводящих к отказу всей системы.
Из указанного выше следует, что с целью снижения стоимости выявления накапливаемых отказов в системе управления работой двигателя и их последующего устранения требуется определить оптимальную или рациональную периодичность данных воздействий, связанную с существующей системой проведения технических обслуживании. Это позволит не только снизить стоимость восстановления работоспособности БКС, но и уменьшить потери при эксплуатации автомобилей за счет экономии топлива и хлинимизации влияь .: автомобилей на окружающую природную среду при контролируемой токсичности отработавших газов с помощью надежной работы самой БКС двигателя. Ст0,тр - стоимость выполнения ТО с использованием средств диагностики и ТР по устранению выявленных отказов и неисправностей; Сэ - стоимость эксплуатации автомобиля; С„ - стоимость воздействия автомобиля на окружающую природную среду. Принимая во внимание, что отказы элементов и самой компьютерной системы управления работой двигателя имеют случайный характер, то, в соответствии с теоретическими исследованиями Е.С. Кузнецова, оптимальная периодичность технического обслуживания может с ...,, определена из выражения: Учитывая, что выполнение работ по техническому обслуживак ю предусматривает использование средств диагностики, то при проведении исследований целесообразно воспользоваться экономико-вероятностным методом определения оптимальной периодичности технических воздействий, рассматривающим как стоимость самой диагностики, так и стоимость устранения отказа. Kn = dc/Cc - коэффициент, определяющий отношение стоимости диагностирования (dc) к стоимости устранения отказа (Сс); vc- коэффициент вариации отказов контролируемой системы. В классической теории при использовании экономико-вероятностного метода определения оптимальной периодичности выполнения технических воздействий стоимость диагностирования и стоимость устранения отказа принимаются постоянным- т.е. не изменяющимися по мере возрастания пробега автомобиля с начала эксплуатации. В отличие от ранее используемых теоретических подходов в настоящих исследованиях выдвигается гипотеза, что по мере увеличения пробега с начала эксплуатации стоимость диагностирования выбранного объекта исследования и стоимость устранения отказа изменяются, т.е. увеличиваются.
Анализ статистических данных по отказам элементов БКС при эксплуатации автомобилей в условиях России
Собранные статистические материалы позволили выявить, что значительная часть отказов, по своим проявлениям и диагностическим показателям указывает на отказы и неисправности в БКС. Вместе с тем более детальная обработка материалов и проведенные работы по диагностированию и выявлению причин неисправностей позволила сделать заключение, что 64% отказов действительно относятся к отказам БКС, а 36% - отказы механические, которые по своим проявлениям очень похожи на отказы системы управления работой двигателя.
Так, например, практика работы с автомобилями Saab и Volvo на СТОА позволила выявить, что ослабление крепления датчика положения дроссельной заслонки и неправильное натяжение троса привода дроссельной заслонки могут при диагностировании указать на неисправности блока управления или датчиков. Однако эти неисправности устраняются небольшими регулировочными воздействиями и не требуют технических воздействий по бортовой системе управления работой двигателя.
Так называемые отказы "электрического характера" в очень большой степени связаны с условиями эксплуатации и пробегом автомобилей. Анализ отказов и их распределение по элементам системы управления работой двигателя позволили выявить (Рис. 3.3), что около 40% отказов приходится на неисправности, связанные с окислением и нарушением контактов и соединений; более 30% -выход из строя одного из элементов (датчика или исполнительного устройства); более 20% - перегорание подсистемы БКС по обеспечению зажигания рабочей смеси и 10% другие отказы (в системах электрообеспечения и пуска двигателя).
Учитывая, что количество отказов возрастает с увеличением пробега автомобиля с начала эксплуатации, был проведен специальный анализ имеющихся статистических данных, который позволил установить зависимость нарастания отказов БКС от года эксплуатации автомобиля и пробега (Рис. 3.4). Исходные данные были получены в результате обработки статистической информации, собранной в Москве и Стокгольме, а также с учетов обработки многолетних данных научно-исследовательских организаций Швеции, выполняющих контроль автомобилей и анкетирование их владельцев при ежегодном прохождении технического осмотра автомобилей. Данные о техническом осмотре и научных исследованиях в Швеции публикуются с отставанием от проведенных исследований в 6-8 месяцев.
Углубленный анализ отказов элементов системы управления работой двигателя дал возможность получить их распределение (Рис. 3.5). При этом в процессе эксплуатации автомобилей наиболее часто наблюдаются отказы электрических насосов подачи топлива (24%). Наибольшее их количество (2/3) вызвано засорением фильтра из-за механических примесей, находящихся в бензиновом топливе, а остальные отказы связаны с износом элементов.
На втором месте по количеству отказов находится клапан холостого хода, обеспечивающий пуск холодного двигателя (18%). Обычно отказы данного элемента происходят либо из-за обрыва и нарушения контактов, либо из-за неисправностей в самом клапане, которые не обеспечивают открытие клапана для создания требуемого состава топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя после впрыскивания бензина инжектором.
Далее на третьей позиции находятся отказы датчика токсичности отработавших газов (А,-зонда). Его отказы составляют 16% от общего числа отказов и неисправностей системы управления работой двигателя. При этом 35% отказов данного элемента вызваны нарушениями в контактах и его электрической цепи, а оставшиеся - отказом самого датчика токсичности.
Кассета зажигания, представляющая в современных БКС единый узел системы зажигания и помещаемая непосредственно на свечах, состоит из коммутаторов и индивидуальных (для каждой свечи, выполненных в свечных наконечниках) катушек зажигания дает 13% отказав от отказов всей системы компьютерного управления рабочими процессами двигателя. Данные отказы чаще всего происходят при выходе из строя одного из коммутаторов или одной из катуше;;, что бывает значительно реже.
Клапан управления турбонаддувом воздуха дает 11% отказов. Далее следуют менее численные отказы всех датчиков (7%), реле системы (5%), а сам компьютерный блок управления вызывает всего 6% отказов.
Оценка экономической эффективности применения принудительной системы диагностирования БКС УРД
Для оценки экономической эффективности проведения контрольно-диагностических работ по бортовой компьютерной системе управления работой двигателя автомобилей Saab рассмотрим затраты владельца автомобиля на выполнение диагностирования, восстановление работоспособности БКС и дополнительные затраты, связанные с эксплуатацией неисправного автомобиля.
Полученные характеристики надежности элементов БКС указывают, что отказы в системе будут как с проведением диагностирования, так и без него. Следовательно, выполнение диагностирования на первый взгляд будто бы приводит к увеличению затрат на эксплуатаг о. Однако устранение неисправностей БКС в случае длительной эксплуатации автомобиля без диагностирования требует высоких разовых оплат, т.к. в системе, как правило, имеется несколько неисправностей и отказов, что также приводит к дополнительному простою автомобиля в ремонте.
С другой стороны, как отмечалось выше, около 30% отказов и неисправностей в БКС не связаны с отказами элементов системы, а представляют собой обрывы проводов, окисление контактов, механические разрегулировки, негерметичность детале" и другое. При этом двигатель автомобиля продолжает работать, но компьютерный блок управления не может обеспечить оптимальные режимы его работы. Двигатель имеет «плавающие» обороты холостого хода, труднее запускается, имеет увеличенный расход топлива, ухудшенный экологические показатели.
С увеличением расхода топлива и повышением токсичности отработавших газов в более тяжелых условиях работает нейтрализатор отработавших газов, что снижает срок его службы. При этом нужно учитывать, что стоимость нейтрализотора достаточна высокая и вставляет для автомобиля на фирменных СТО Москвы автомобилей Saab 324 доллара США. Дополнительно владельцу автомобиле потребуется иметь затраты на его замены - около 90 долларов США.
Из приведенных экспериментальных исследований видно, что не все отказы элементов БКС ухудшают экономические и экологические показатели работы двигателя, а только те отказы элементов, которые не вызывают полный отказ системы.
Сбор статистической информации ча СТОА г. Стокгс ма и использование базы данных по автомобиля, проходящим в Швеции техни ческий осмотр позволили выявить влияние элементов системы Trionic автомобилей Saab-9000 на топливные характеристики в процессе эксплуатации (табл. 4.3).
Из перечисленных раннее отказов элементов БКС на топливную экономичность не влияют отказы, связанные с работоспособностью топливного насоса, клапана холостого хода, клапана турбонаддува, полным отказом кассеты зажигания и блока управления. Дополнительно на расход топлива влияет правильность работы регулятора давления впрыска топлива. Поэтому для определения влияния работоспособности значимых на топливную экономичность элементов в таблице произведен перерасчет количества отказов элементов системы.
