РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ДАТЧИКА СОСТОЯНИЯ ТРАНСМИССИОННОГО МАСЛА

Введение

На сегодняшний день контроль состояния трансмиссионного масла в автомобильных агрегатах производится человеком вручную, и, как правило, вместе с его заменой. Чаще всего, масло приходит в негодность гораздо раньше, чем производится его смена, что усугубляется заявлениями производителей о неограниченном межсервисном интервале для узлов трансмиссий. В колесных машинах повышенной проходимости трансмиссия подвержена еще большей нагрузке и часто оказывается погруженной в воду при преодолении брода. Эти факторы могут приводить к деградации масла, появлению в масле водяной эмульсии, что ведет к преждевременному износу зубчатых колес и подшипников [1]. В виду этого постоянный телеметрический контроль состояния масла в автомобильных трансмиссионных агрегатах представляется наиболее оптимальным решением описанной проблемы.

Целью данной работы является создание устройства для анализа состояния масла и оповещения пользователя в случаях наличия нежелательных включений в составе масла, а также его критической деградации.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. анализ существующих аналогов;
2. формулировка требований, предъявляемых к будущему устройству;
3. выявление и исследование методов анализа масла, наиболее подходящих в соответствии с предъявляемыми требованиями;
4. разработка устройства, позволяющего вести телеметрический контроль состояния смазочного материала в агрегатах транспортных средств.

В качестве примесей, которые необходимо определять, были выбраны: металлическая стружка и вода, как приносящие наибольший вред агрегату при наличии их в масле.

Анализ аналогов

Принцип действия датчика состояния масла может быть основан на различных физических эффектах: поглощении энергии микроволнового излучения масляной средой; изменении электрического сопротивления масляной среды; изменении емкости конденсатора, в качестве диэлектрика которого выступает масляная среда.

В ходе анализа статей, опубликованных по данной тематике, было найдено два возможных метода анализа масла: измерение вязкости [2] и анализ косвенных параметров, в частности измерение диэлектрической проницаемости [3]. Измерение вязкости представляется как технически более сложный метод, а также нуждающийся в большем объеме пространства для измерений. Измерение косвенных параметров позволяет сделать датчики наиболее компактными и простыми по конструкции. Поэтому дальнейший поиск аналогов был ориентирован преимущественно на способы определения состояния масла, основанные на измерении различных косвенных параметров. В данной работе не рассматривались лабораторные системы и датчики определения состояния масла, поскольку из-за высокой стоимости и больших размеров они неприменимы на транспортных средствах.

На рисунке 1 представлен датчик состояния моторного масла, разработанный компанией BMW. Работа датчика основана на измерении диэлектрической проницаемости масла. Диэлектрические свойства масла изменяются в процессе его работы и деградации. В результате изменения диэлектрических свойств масла изменяется емкость конденсатора, в котором масло служит изолятором между его электродами. Конструктивно датчик представляет собой два концентрических цилиндра различного диаметра, между боковыми стенками которых находится масло.

Рисунок 1. Датчик анализа масла, разработанный компанией BMW

Помимо измерения состояния масла данный датчик контролирует уровень масла в двигателе, при его уменьшении ниже нормы, также происходит сигнализация. Сам датчик имеет приблизительные размеры 50×50×140 мм и предназначен для установки в картер двигателя. Геометрические параметры датчика и принцип измерения не позволяют ему быть установленным в узких каналах и создают сложности при установке в агрегаты небольших размеров. Стоимость датчика составляет около 5000 руб.

На рисунке 2 показан датчик состояния масла, разработанный компанией Ford. Принцип действия датчика также заключается в измерении емкости конденсатора, в котором изолятором между его электродами является исследуемое масло, но форма электродов конденсатора используется отличная от датчика, разработанного в BMW. Чувствительный элемент датчика представляет собой диэлектрическую подложу толщиной 5 мм с нанесёнными на неё полосками меди в виде зубцов. Эти зубцы образуют множество пар электродов. Такая конструкция позволяет до минимума снизить уровень электромагнитного шума при работе и разместить датчик качества масла между двумя поверхностями, где есть расход масла, например, между масляным фильтром и блоком двигателя.

Также датчик может иметь форму цилиндра, что позволяет устанавливать его в масляных каналах и агрегатах, небольших размеров. Стоимость датчика составляет около 5000 руб.

Рисунок 2. Схематическое устройство датчика масла от компании Ford

Вывод: ни один из уже существующих аналогов не подходит в связи с имеющимися недостатками. Необходимо разработать устройство, отвечающее следующим требованиям:

1. возможность непрерывной диагностики масла;
2. возможность адаптировать форму датчика под конкретные задачи, не изменяя физического принципа работы;
3. простота технической реализации;
4. доступная цена.

Исходя из анализа аналогов, можно сказать, что наиболее часто для данной задачи используются датчики, в основе которых лежат конденсаторы, средой заполнения которых является исследуемое масло.

Варианты реализации устройства

Вариант №1: Датчик, основанный на изменении диэлектрической проницаемости масла в результате попадания примесей.

Было изготовлено три типа конденсаторов с различной формой электродов для проверки работоспособности физического принципа и выявления наиболее эффективного типа конденсатора для решения поставленных задач.

В конденсаторе первого типа электроды были выполнены круглой формы из Стали 3. Электроды содержат расположенные по окружности зубцы, позволяющие увеличить рабочую площадь электродов конденсатора (см. рисунок 3). Электроды приклеены к подкладке из оргстекла.

Рисунок 3. Круглый конденсатор

Еще два конденсатора были изготовлены на печатной плате с различной плотностью расположения дорожек и представляют собой набор прямых, объединённых на концах (см. рисунок 4), так чтобы две соседние линии являлись различными обкладками конденсатора.

Рисунок 4. Плоские конденсаторы

Для снятия показаний была собрана электрическая RC цепочка (R = 390 Ом), на вход которой подавался периодический сигнал с прямоугольными импульсами напряжением 5 В. Предполагалось, что при появлении посторонних примесей (например, металлической стружки) должно происходить изменение диэлектрической проницаемости масла, вследствие чего должно изменяться реактивное сопротивление конденсатора, и соответственно падение напряжение на конденсаторе.

Проведенные опыты (см. рисунок 5) с частотой следования импульсов в диапазоне от 1 Гц до 10 МГц показали, что на основе данного физического эффекта возможно определять различные среды, но выявление примесей, например, незначительное количество металлической стружки, практически невозможно.

Рисунок 5. Проведение опытов с конденсаторами

Вариант №2: предлагается использовать физический принцип, основанный на явлении изменения индуктивности катушки при введении в неё сердечника.

Как известно из курса физики, индуктивность катушки определяется её конструктивными параметрами и магнитной проницаемостью сердечника:

где L – индуктивность катушки, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки,  - магнитная проницаемость вакуума,  – относительная магнитная проницаемость материала сердечника, l – длина катушки. Магнитная проницаемость чистого масла на несколько порядков меньше, чем у железа. Следовательно, можно предположить, что, при наличии металлической стружки в масле его магнитная проницаемость будет увеличиваться, что будет влиять на индуктивность, а соответственно, на реактивное сопротивление катушки:

X_L = ωL,

 где X_L – реактивное сопротивление, ω – частотой следования импульсов.

Для проведения опытов было изготовлено 4 типа катушек индуктивности, отличающихся конструктивными параметрами, и собрана электрическая RL цепь (R = 390 Ом), на вход которой подавался синусоидальный сигнал с различной частотой. Обмотки катушек были выполнены из эмалированной проволоки диаметром 0,4 мм. Параллельно катушке включался один из каналов осциллографа, на экране которого проводилось наблюдение за изменением напряжения.

Предварительные эксперименты показали, что поскольку магнитные проницаемости масла и воздуха близки, то индуктивность катушки при пропускании через неё чистого масла изменяется незначительно по сравнению с её индуктивностью на воздухе. Также было замечено, что изменение индуктивности при прохождении через катушку масла со стружкой эквивалентно изменению индуктивности при введении в катушку тонкой стальной проволоки (диаметром 0,9 мм). Для повышения точности измерений была собрана измерительная схема (см. рисунок 6), включающая в себя две одинаковые RL цепи. Катушка индуктивности в одной из цепей является эталонной, а в другой – измерительной. Таким образом, выходным сигналом данной измерительной схемы является дифференциальный сигнал, представляющий собой разность напряжений на эталонной и измерительной катушке индуктивности.

Рисунок 6. Схема измерительной цепи: L1 – измерительная катушка индуктивности; L2 – эталонная катушка индуктивности

Результаты проведенных экспериментов для катушек индуктивности различной конструкции при различной частоте входного сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Исследование катушек индуктивности

Как видно из Таблицы 1, при большом внутреннем диаметре катушки её чувствительность к тонкой стальной проволоке сильно уменьшается, при этом с уменьшением диаметра катушки чувствительность к мелким объектам возрастает.

На рисунке 7 представлены графики снимаемых напряжений с катушек индуктивности, полученные с помощью осциллографа RIGOL MSO1104. На рисунке 7а обе катушки находятся на воздухе, дифференциальный сигнал (кривая 3) практически равен 0. На рисунке 7б в одной из катушек, которой соответствует кривая 1, находилась тонкая стальная проволока. При этом кривая 3 приобретает форму синусоидального сигнала амплитудой около 10 мВ. Это демонстрирует пригодность катушки для выявления мелкой металлической стружки в масле.

Рисунок 7. Результаты эксперимента №4: а – измерительная катушка находится на воздухе; б – в измерительную катушку введена тонкая стальная проволока. 1 – напряжение на измерительной катушке индуктивности; 2 – напряжение на эталонной катушке индуктивности; 3 – дифференциальный сигнал

Также проводились опыты, приближенные реальным условиям с использованием катушки индуктивности с параметрами, приведенными в 4-ой строке Таблицы 1. Через измерительную катушку пропускалось масло со стальной стружкой, находящейся в состоянии взвеси (см. рисунок 8), при этом на экране осциллографа визуально наблюдается изменение дифференциального сигнала в диапазоне 10 – 20 мВ, что подтверждает возможность использования данного физического эффекта для создания датчика состояния масла.

Рисунок 8. Общий вид установки для экспериментов с катушками и маслом: 1 – измерительная катушка; 2 – эталонная катушка; 3 – маслопровод; 4 – исследуемое масло со стружкой

Выводы

1. В ходе работы было опробовано два физических принципа, на основе которых возможно создание датчика телеметрического контроля масла. Для определения содержания воды в качестве чувствительного элемента может использоваться конденсатор, а для определения наличия стружки – катушка индуктивности.
2. В дальнейшем планируется продолжить исследование, собрать дифференциальную схему для снятия сигнала на основе электронных компонентов (на данный момент она была реализовано средствами осциллографа) для реализации рабочей модели конечного устройства.

Список литературы:

1. Бутарович Д.О., Вахитов А.Р. Приборы диагностирования технического состояния главных передач и межколесных дифференциалов автомобилей. Инженерный вестник, №12, 2016, с. 501-513.
2. Pérez A.T., Hadfield M. Low-Cost Oil Quality Sensor Based on Changes in Complex Permittivity // Sensors ­ 2011, 11, pp. 10675-10690 [электронный ресурс] ­ Режим доступа. ­ URL: http://www.mdpi.com/1424-8220/11/11/10675 (дата обращения 26.05.2018).
3. Markova L.V., Makarenko V.M., Semenyuk M.S., Zozulya A.P. On-line monitoring of the viscosity of lubricating oils // Journal of Friction and Wear ­ December 2010, Volume 31, Issue 6, pp. 433-442 [электронный ресурс] ­ Режим доступа. ­ URL: https://link.springer.com/article/10.3103/S106836661006005X (дата обращения 26.05.2018).