/
Автор: Безверхий С.Ф. Яценко Н.Н.
Теги: техника средств транспорта автомобилестроение испытания
ISBN: 5-7050-460-5
Год: 1996
Текст
Я ИЯ
ЖйК1€©я
С.Ф. Безверхий
Н.Н. Яценко
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛИГОННЫХ
ИСПЫТАНИЙ
И СЕРТИФИКАЦИЯ
АВТОМОБИЛЕЙ
Москва
ИПК Издательство стандартов
1996
УДК 629.113/. 115.001.4
Безверхий С.Ф., Яценко Н.Н.
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
И СЕРТИФИКАЦИЯ АВТОМОБИЛЕЙ.
М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. - 600 с.
В монографии рассмотрены полигонные испытания продукции одной из наиболее крупных
отраслей машиностроения - производства легковых и грузовых автомобилей, автобусов,
автопоездов. Приведены основные организационные и технические положения системы
обязательной и добровольной сертификации и ее эффективность при использовании новой
технологии полигонных испытаний автомобильной техники. Изложена теория формирования
повреждающих воздействий при полигонных испытаниях и методы их оптимизации
для разработки нормативов ускоренных и форсированных испытаний.
Даны теоретические обоснования эффективного использования созданного банка данных
и информационно-расчетной автоматизированной системы по результатам полигонных
испытаний для повышения достоверности оценки эксплуатационных и потребительских
свойств и качества изготовления автомобилей.
Для научных, инженерно-технических работников автомобилестроения, автомобильного
транспорта, вузов автомобильного профиля.
Табл. 79. Ил. 217. Библиогр.: 66 назв.
Рецензенты:
д-р техн, наук, профессор В.С.Лукинский;
21 НИМИ (АТ) МО РФ
2705140200-040
085(02)-96
Без объявл.
ISBN 5-7050-460-5
© С.Ф.БЕЗВЕРХИЙ, Н.Н.ЯЦЕНКО, 1996
©ДИЗАЙН. ИГОРЬ МОСИН. 1996
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1 ОРГАНИЗАЦИЯ И СОДЕРЖАНИЕ
ИСПЫТАНИЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ________________________________________Il
I I Ниды и порядок испытаний 11
1 } < пчщовые испытания и исследования агрегатов и полнокомплектных машин 19
I I /I и ии.порно-дорожные, полигонные и эксплуатационные испытания 31
I । оиенные и форсированные пробеговые испытания 36
I ’ Сертификация и сертификационные испытания 39
Hi Мп । дологическое обеспечение испытаний 58
Глава 2 ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА
ИСПЫТАНИЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ 67
I Дне концепции создания базы испытаний - автополигонов 67
. ? Комплексная испытательная трасса 76
I Центральный автополигон 86
4 Сопоставительный анализ технического уровня испытательной базы Центрального автополигона 121
Глава 3 ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОВРЕЖДАЮЩЕГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АВТОМОБИЛЬ
НЕРОВНОЙ ДОРОГИ
В ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПРОБЕГЕ 133
I Характеристики микропрофиля дорог и его воздействия на автомобиль 133
I ? I >ощие зависимости реакции автомобиля от воздействия неровной дороги______155
i .< Основные эквивалентные динамические системы формирования переменных нагрузок
м i>u> пмобиле 159
I эщения эквивалентных колебательных систем для инженерных расчетов переменных нагрузок 178
< ’• Расчет характеристик процессов переменного нагружения конструкции 190
Глава 4 ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ
И НАГРУЖЕННОСТЬ
КОНСТРУКЦИИ В ПРОБЕГОВЫХ
ИСПЫТАНИЯХ 208
I I Систематизация повреждений, их причин и оценки состояния автомобиля 209
4 . , эвреждаемость и нагруженность несущих систем автомобилей 217
I * 1 Повреждаемость и нагруженность трансмиссии 234
4 4 Сопоставительное оценивание нагруженности деталей автомобиля в пробеговых испытаниях 247
Глава 5 РЕЖИМЫ НОРМАЛЬНЫХ
ПРОБЕГОВЫХ ИСПЫТАНИЙ
НА АВТОПОЛИГОНЕ 269
I Номинальные показатели режима пробеговых испытаний_________________________270
Приближение пробеговых испытаний к эксплуатации прокладкой специальных маршрутов
и |кч улированием движения на испытательных дорогах 291
5.3 Подгонка испытательного пробега на автополигоне по вероятностям состояний автомобиля
в эксплуатации 312
Глава 6 ФОРСИРОВАНИЕ
ПОВРЕЖДАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
И ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ
ПРОБЕГОВ НА АВТОПОЛИГОНЕ 323
6.1 Форсирование механических нагрузок 323
6.2 Форсирование коррозии 335
6.3 Запыленность воздуха и форсирование абразивного изнашивания 352
6.4 Планирование оптимального пробега при форсированных испытаниях 363
Глава 7 ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ
АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ ПОЛИГОННЫХ
ИСПЫТАНИЯХ 377
7.1 Показатели ЭТ и их влияние на безотказность и долговечность 377
7.2 Методы оценки трудоемкости ТО и ТР при полигонных испытаниях 383
7 3 Оптимизация режимов ТО и ТР при полигонных испытаниях______________398
7 4 Оценка влияния типовых конструктивных решений на уровень ЭТ по результатам полигонных
испытаний ( на примере крепежных операций)410
Глава 8 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ДИНАМИЧЕСКИХ (ХОДОВЫХ)
ИСПЫТАНИЙ СВОЙСТВ,
ПОДЛЕЖАЩИХ
ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ КОНТРОЛЮ 420
8.1 Активная безопасность 421
8.2 Пассивная безопасность 438
8.3 Испытания динамичности и топливной экономичности 446
8.4 Выброс загрязняющих веществ 457
8.5 Испытания и оценка шумности 470
Глава 9 НАКОПЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ 482
9.1 Автоматизированная информационно-расчетная система 483
9.2 Основы повышения достоверности оценки результатов полигонных испытаний 490
9.3 Анализ результатов с привлечением наблюдений в эксплуатации 513
Глава 10 АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
РАЗВИТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИГОННЫХ
ИСПЫТАНИЙ 526
10.1 Оптимизация доводочных полигонных испытаний 528
10.2 Технология полигонных испытаний и стандартизация в автомобилестроении 537
10.3 Инженерные задачи надежности и технология полигонных испытаний 549
10.4 Некоторые итоги внедрения технологии ускоренных полигонных испытаний 557
Список литературы 563
ВВЕДЕНИЕ
Основными элементами жизнен-
ной) цикла автомобильного транспортного средства (АТС), как и других
. ножных технических систем, считаются научно-исследовательские рабо-
н.| (НИР), опытно-конструкторские работы (ОКР), серийное производство,
Ж) нлуагация, списание и утилизация. В последовательном прохождении
..... каждого из этих элементов или этапов жизненного цикла
ко шикают специфические задачи, решение которых в конечном счете на-
нр.шлено на непрерывное повышение качества объекта, его эксплуатаци-
онных и потребительских свойств.
Принятие таких решений, как известно, требует соответствующей дан-
ному этапу информации. Принимаемые решения при располагаемой ин-
формации могут быть удачными или не вполне удачными, оптимальными
или не оптимальными. Но решения будут, как правило, плохими, если не-
обходимая информация отсутствует.
В самих названиях элементов жизненного цикла автомобиля очевидно,
•по для решения конкретных задач на каждом этапе необходимая инфор-
мация состоит прежде всего из сведений о фактическом состоянии, пове-
дении, свойствах конструкции в определенных условиях ее функциониро-
П.1НИЯ. Такую информацию можно получить только в испытаниях. Потреб-
ность в испытаниях пронизывает каждый этап жизненного цикла и стано-
вится самостоятельным элементом, основополагающим для совершенст-
пования работы в каждом из них.
Применительно к автомобильной технике следует отметить, что инфор-
м 1ция в виде результатов испытаний эффективно используется на каждом
и । перечисленных этапов для принятия оптимальных решений, опираясь
на теоретические положения таких сложившихся системных научных дис-
циплин, как теория автомобиля, конструкция и расчет автомобиля, техно-
логия металлов и материалов, техническая эксплуатация автотранспорт-
ных средств и др.
Испытания же, доставляющие фактический материал и основания со-
вершенствования работы на каждом этале жизненного цикла, не раслола-
1.1ЮТ приемлемой теорией для оптимального построения и организации,
планирования, обработки, анализа, накопления результатов, несмотря на
го, что затраты людских, временных, материальных ресурсов на их прове-
дение достигают 70% общих затрат на создание новых моделей автомо-
билей. Такое положение характерно для машиностроения Пополнены раз-
работки теории испытаний лишь применительно к конкретным видам уст-
ройств: радиоэлектронной аппаратуры, электрических машин, двигатель-
ных установок самолетов, космических аппаратов и некоторых других.
Прямое применение этих разработок теории к испытаниям автомобильной
н'хники встречает часто почти непреодолимые трудности. Это связано
прежде всего с огромным разнообразием конструкций, функциональных
назначений, огромным различием в условиях эксплуатации, сложностью и
изменчивостью взаимодействия с внешней средой, множеством разно-
5
родных задач, решения которых основываются на результатах испытаний
автомототехники.
В предлагаемой книге рассмотрены некоторые положения теории испыта-
ний автомобилей, отчасти восполняющие дефицит общей теории испытаний.
Недостаток теории, позволяющей оптимизировать построение испыта-
ний, отчасти пополняется развитой классификацией их по различным при-
знакам, что облегчает составление программы получения информации на
каждом этале жизненного цикла по возможности экономичнее и даже по-
зволяет выработать определенную систему испытаний.
Состав такой системы испытаний автомобильной техники, ее содержание
и обеспечение рассмотрены в гл. 1. Хотя с изменением производственных
отношений при переходе к рыночной экономике эта система утратила адми-
нистративно обязательный характер (за исключением испытаний в системе
обязательной сертификации), ее содержательная часть сохраняет свое зна-
чение для всех участников рыночных отношений: изготовителей, потребите-
лей и независимых от них испытателей автомобильной техники.
В основе системного подхода к выбору видов и объемов испытаний ле-
жит знание способов, методов получения информации в различных испы-
тательных операциях.
Каждый объект автомобильной техники, поступающий на испытания, в
сущности представляется как своего рода информационная "заготовка"
для обработки путем испытаний, продуктом которой является оценка фак-
тических параметров, характеристик, свойств или состояний объекта.
Изучение, научно-техническое обоснование и применение операций и
методов получения такой информации и составляет предмет технологии
испытаний автомобиля.
Вследствие сложности и разнородности рабочих процессов в объектах
автомобильной техники, многомерности задач оценки их качества по-
строение технологии испытаний основывается на сведениях и положениях
разных фундаментальных и прикладных наук. Однако есть одно обобщаю-
щее основание для разработки технологии испытаний автомобилей как
научной дисциплины. Таким основанием является общий для всех типов,
видов, классов, категорий автомобилей процесс функционирования —
транспортная работа, перевозка пассажиров и грузов по наземной дорож-
ной сети и местности.
С самого начала становления мирового и отечественного автомобиле-
строения на этом общем основании строились испытания автомобилей, по-
лучившие название пробеговых, ходовых на дорогах общего пользования.
Нельзя не вспомнить в этой связи знаменитый автопробег Москва—Караку-
мы—Москва, сыгравший решающую роль в выборе прототипов автомобилей
при строительстве первых отечественных автомобильных заводов.
Но несмотря на то, что источник информации в таких испытаниях стре-
мились приблизить по воздействию внешних факторов к условиям экс-
плуатации, получаемые результаты в виде обнаруживаемых в пробеге де-
фектов, свойств, поведения автомобиля связывались с конструктивными
параметрами лишь экспертными заключениями, по инженерной интуиции.
6
Причина лежала в неопределенности, случайной изменчивости факторов
внешних воздействий, технологической неопределенности условий и
оценки результа.ов.
Первым шагом в преодолении этих недостатков, по-видимому, можно
< чи 1.пь обоснование и введение в технологию получения информации ла-
бе ip.it орно-дорожных испытаний, в которых условия воздействия внешних
<|>.1К1(>ров, прежде всего дороги, на автомобиль в движении регламентиро-
валось на разных уровнях вплоть до государственных стандартов.
Но это далеко не решало проблемы получения всесторонней, достовер-
ной и воспроизводимой информации об эксплуатационных и потребитель-
< ких свойствах, проявляющихся в пробеге автомобиля при достаточно
продолжительной эксплуатации. Более того, технология испытаний хотя и
и регламентированных условиях, но на дорогах общего пользования всту-
пила в противоречие с потребностями технического прогресса в автомо-
билестроении.
Так, информация о надежности автомобильной техники, ставшая стерж-
невым свойством оценки качества, получалась ценой все более увеличи-
вающихся испытательного пробега, затрат труда и, что самое главное, не-
померно длительного времени, тогда как для непрерывного усовершенст-
вования конструкции, быстрой смены моделей на более надежные требо-
вались результаты оценки надежности во все более короткие сроки.
Возникшие проблемы и противоречия разрешались созданием автопо-
лигонов где прежде всего пробеговые, как наиболее информативные, а
ыкже и лабораторно-дорожные испытания осуществляются в стабильных
условиях, и, следовательно, их результаты удовлетворяют главным требо-
ваниям: воспроизводимости и сопоставимости. Как известно, к началу
>0-х годов почти все крупные автомобилестроительные фирмы за рубе-
жом располагали развитыми испытательными полигонами.
В отечественном автомобилестроении создание испытательного поли-
юна было определено правительственным решением еще в 1936 г. Но
Великая Отечественная война и последующее восстановление разрушен-
ного народного хозяйства помешали технически подготовленной реализа-
ции этого решения.
Новым решением правительства в 1958 г. было намечено создание
крупного автополигона Центрального научно-исследовательского автомо-
бильного и автомоторного института — Центрального автополигона НАМИ.
В это же время создавались специальные дорожные сооружения для
у< коренных испытаний новой автомобильной техники военного назначения
в целях укрепления обороноспособности страны, получившие впоследст-
вии условное название Комплексной испытательной трассы (КИТ).
Создание испытательных автополигонов и разработка технологии поли-
। онных испытаний неразрывно объединяются по крайней мере двумя глав-
ными требованиями, достоверности оценки эксплуатационных свойств ав-
томобиля по результатам испытаний и повышения темпов их получения.
Достоверность оценки достигается стабильным воспроизведением
внешних воздействий, характерных для эксплуатации, для чего требуется
7
большое количество специальных сооружений. Ускорение испытаний, кро-
ме специальных сооружений, требует включения в технологию испытаний
обоснованных методов регулирования и нормирования внешних воздейст-
вий, метрологического обеспечения, интерпретации результатов.
В гл. 2 показана наиболее сложная и дорогостоящая часть обеспечения
достоверности оценки качества автомобильной техники путем создания
для испытаний технической базы. Подробному описанию этой технической
базы отведено значительное место по следующей причине.
После ввода в эксплуатацию КИТ (1963 г.) и Центрального автополигона
НАМИ (1964 г.) все основные виды испытаний автомобильной техники были
сконцентрированы. В течение более 25 лет функционирования автополигона
НАМИ при централизованном плановом управлении автомобильной про-
мышленностью была создана отраслевая система обязательных полигонных
испытаний. В административно управляемой системе все базовые модели
автомобильной техники, выпускаемой отечественной автомобильной про-
мышленностью, подвергались длительным контрольным испытаниям на
Центральном автополигоне ежегодно и ресурсным испытаниям через каж-
дые пять лет. По результатам этих испытаний планомерно осуществлялись
мероприятия сохранения стабильности качества продукции и ее совершен-
ствования. На Центральном автополигоне концентрировались также дово-
дочные, приемочные и другие виды испытаний новых и модернизируемых
моделей, а также образцов зарубежного производства. Это стимулировало
исследования и разработку прогрессивных, научно обоснованных методик,
руководств, нормативов испытательных операций, в совокупности состав-
ляющих технологию испытаний автомобильной техники, на базе Централь-
ного автополигона. На Центральном полигоне накапливалась информация
по результатам испытаний в стабильных, единообразных и регламентируе-
мых условиях автомобилей, автобусов, прицепов, запасных частей к ним,
мотоциклов и специальных автотранспортных средств всех выпускаемых ти-
пов и категорий. В этом отношении Центральный автополигон стал уникаль-
ным источником информации о свойствах и характеристиках автомобильной
техники, обнаруживаемых в испытаниях, так как автополигоны даже круп-
нейших в мире изготовителей ограничиваются преимущественно сведения-
ми об испытаниях моделей собственного производства.
По созданному капитальному оборудованию, оснащенности, объемам ис-
пытаний Центральный автополигон занял место одного из крупнейших в мире.
В соответствии с масштабами и содержанием испытательной деятель-
ности Центральный автополигон НАМИ преобразован в Научно-исследова-
тельский центр по испытаниям и доводке автомототехники — НИЦИАМТ.
Созданное оборудование и технология испытаний Центрального автополи-
гона получили международное признание, в частности, официальной ак-
кредитацией НИЦИАМТ в качестве технической службы в системе серти-
фикации механических транспортных средств Европейской экономической
комиссии ООН
Подробное описание технической базы современной технологии испы-
таний оправдано также и тем, что испытания на Центральном автополиго-
8
не по-прежнему остаются и, по-видимому, будут оставаться еще долгое
время единственным источником достоверной, воспроизводимой, сопос-
1.ШИМОЙ информации о качестве автомобиля в решающем звене уже сло-
жившейся схемы испытаний технических систем: деталь — узел — агрегат
машина, а именно — в лробеговых испытаниях полнокомплектного авто-
мобиля на специальных испытательных дорогах. Подтверждением этому
< вужит, например, повсеместное использование в развивающихся и во
многих случаях необходимых стендовых испытаниях автомобиля и его час-
ти имитации факторов внешнего воздействия, нормированных по услови-
ям испытаний на Центральном автополигоне и прежде всего воздействия
< нециальных испытательных дорог в испытательном пробеге.
Полигонные испытания автомобиля в прямом собственном смысле как
нробеговые, ходовые на Центральном автополигоне не утрачивают своей
ценности и в новых экономических условиях, когда просматривается тен-
денция самостоятельных автомобилестроительных предприятий к авто-
номному построению испытаний своих машин. Простые расчеты показы-
вают, что для отдельной автомобилестроительной или экспортно-импорт-
ной фирмы гораздо дешевле использовать для необходимых испытаний
хорошо развитую базу и признанную технологию на Центральном автопо-
лигоне, чем развертывать строительство собственной испытательной ба-
ял, создавать нормативно-техническую и технологическую документацию
.ю использования, добиваться признания для завоевания доверия потре-
оителеи Это подтверждается опытом схожего по организации, оснащен-
ности и функционированию испытательного центра автомобильной про-
мышленности Великобритании — MIRA.
Сложившиеся условия развития массовых испытаний в отечественном
.ипомобилестроении обусловили связь их проведения с технической ба-
юи НИЦИАМТ. Поэтому и разработка основ технологии испытаний авто-
мобильной техники в значительной части ориентирована на условия этой
передовой технической базы, что отражается в содержании всех после-
дующих разделов данной книги. Приводимые материалы исследований,
опыта, нормативно-техническая документация относятся главным образом
к испытаниям на Центральном автополигоне. Но это не ограничивает воз-
можности дальнейшего развития технологии полигонных испытаний, так
как теория и практика привлекались во всех случаях таким образом, чтобы
но возможности исключались препятствия применения основ технологии и
на иной, отличной от Центрального автополигона, базе.
Исходя из первоначальной и остающейся главной сущности полигонных
испытаний автомобильной техники, центральное место основ их техноло-
ги занимают лробеговые или ходовые испытания. Для достижения упо-
мянутых выше целей получения достоверной, сопоставимой, воспроизво-
димой информации о качестве испытываемых автомобилей в короткие
( роки в основу технологии полигонных пробеговых испытаний кладется
прежде всего оценка и регулирование факторов внешнего воздействия,
среди которых для наземных транспортных средств воздействие дороги
является первостепенным. Теории повреждающего воздействия на авто-
9
мобиль неровной поверхности дорог отводится место ведущей предпо-
сылки рационального планирования и проведения полигонных лробеговых
испытаний. Это обосновано в гл. 3 И последующих главах. Вместе с тем
для отражения в технологии полигонных испытаний условий реальной экс-
плуатации привлекаются разработки по Оценке и регулированию других
факторов внешнего воздействия на автомобиль в испытательном пробеге.
Вопросы теории оптимального планирования, оценки повреждаемости,
долговечности, безотказности испытываемых объектов, решаемые в осно-
вах технологии полигонных испытаний, — все отнесено к главному, изна-
чальному предназначению автополигона — пробеговым испытаниям. Ис-
ключение сделано лишь для части лабораторно-дорожных испытаний, яв-
ляющихся обязательными в системе сертификации механических транс-
портных средств, основы которых приведены в гл. 8. Такое ограничение
изложения основ технологии полигонных испытаний автомобильной техни-
ки стержневой их частью — пробеговыми испытаниями — неизбежно, так
как на современном этапе всесторонними испытаниями автомобилей ох-
ватывается оценка более 50 эксплуатационных свойств, различных по фи-
зической природе, проявлению и восприятию потребителями, для числен-
ного выражения которых используется более 2000 измерителей. Даже
бегло очертить такой объем испытаний в одной книге невозможно
Несмотря на принятое ограничение при отборе материалов для воз-
можно более полного освещения основ технологии полигонных испытаний
автомобилей постоянно возникали вопросы рациональной глубины теоре-
тических обоснований и объема привлекаемых опытных наблюдений. Это
объясняется тем, что технология испытаний динамично развивается, ус-
ложняется с привлечением все более обширного математического аппа-
рата, накопленных опытных данных, использования все более совершен-
ной измерительной аппаратуры и метрологического обеспечения.
При ограниченных объемах книги в разрешении этих вопросов предпоч-
тение отдано; в теоретических обоснованиях — изложению существенной
части в форме первоначальной разработки, имея в виду, что последующие
более полные теоретические исследования заинтересованные читатели
смогут найти в литературе, на которую даны ссылки; в рассмотрении ос-
нов практических операций при испытаниях — изложению их так, как это
зафиксировано в нормативно-технической документации с необходимыми
пояснениями; в предложениях перспективных направлений развития тех-
нологии полигонных испытаний и расширении ее применения — изложе-
нию постановки соответствующих исследований.
В книге учтен опыт многолетней работы авторов в НИЦИАМТ, 21 НИИ
(АТ) МО, с коллективами ученых и специалистов автомобильной про-
мышленности, вузов автомобильной специальности.
Авторы выражают признательность своим коллегам за активное участие
в решении задач создания технологии полигонных испытаний автомобиль-
ной техники, совместная работа над которыми отмечена в ссылках на пуб-
ликации и примечаниях по тексту.
Глава 1. ОРГАНИЗАЦИЯ И СОДЕРЖАНИЕ
ИСПЫТАНИЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ
1.1. Виды и порядок
испытаний
Испытания являются источником поч-
1и всех достоверных сведений о свойствах и качестве автомобильной техники на
пг.ем протяжении ее жизненного цикла - от разработки проектов и до истечения сро-
ка службы — и служат основанием совершенствования конструкции, технологии изго-
юнления, планирования снабжения запасными частями, технического обслуживания в
жснлуатации. Синонимом понятия "испытания" во всех случаях является экспери-
мент. Полностью подпадая под обобщенное понятие продукции по ГОСТ 16504^ 81,
испытания автомобильных транспортных средств (АТС) рассматриваются как экспе-
риментальное определение значений параметров и показателей качества в процессе
Функционирования или при имитации условий эксплуатации, а также при воспроизве-
дении воздействий по заданной программе.
При создании новых моделей и модернизации выпускаемых, при организации
к-хнической эксплуатации действующего парка по результатам испытаний оцени-
пают технико-экономические показатели функционирования АТС в различных усло-
виях, их соответствие требованиям стандартов, технических условий, нормалям,
ц>ебованиям потребителей и соответствие технического уровня конструкции дости-
жениям в мировом производстве аналогов.
Множество задач и целей испытаний, сложность и высокая стоимость их прове-
дения для все более усложняющихся конструкций требуют тщательной классифи-
кации видов испытаний с тем, чтобы каждый раз при их организации сделать опти-
мальный выбор назначения, объема, ответственности и других обстоятельств. Ви-
ды испытаний АТС классифицируются по таким признакам: цель испытаний, этапы
разработки, уровень проведения, периодичность, номенклатура оцениваемых
свойств, продолжительность и степень интенсификации, применяемое оборудова-
ние и место проведения, вид воздействия. Разделение испытаний по этим призна-
кам не исключает повторения в них схожих по формулировкам целей, поскольку во
псех случаях последовательных испытаний необходимо сохранить преемственность
и возможность эффективного использования данных предыдущих испытаний в по-
< ледующих, их сопоставление.
Совокупность испытаний на разных этапах жизненного цикла конструкции - раз-
работки, производства, эксплуатации - составляет систему испытаний, отражаю-
щую как специфические особенности автомобильной техники в ряду различной
продукции машиностроения, так и специфичность условий их функционирования и
использования.
Сложившаяся система испытаний макетных и опытных образцов и образцов се-
рийного и массового производства АТС народнохозяйственного и многоцелевого
назначения в процессе их разработки, производства, эксплуатации и модерниза-
ции приведена в табл. 1.1.
Все виды испытаний, представленных как система в табл. 1.1 (за исключением
жсплуатационных), могут быть нормальными, ускоренными, форсированными, со-
кращенными в зависимости от складывающихся требований к срокам, стоимости,
11
Таблица 1.1
Виды (категории) испытаний Объекты испытаний Цели испытаний
1. Исследовательские 1 1 Поисковые 1.2 Доводочные Макетные и опытные образцы Опытные образцы Выбор и обоснование оптимальных значений по- казателей эксплуатационных свойств, проверка и подтверждение конструктивных схем и пара- метров, конструкционных материалов и т.п., от- работка технических требований для включения в техническое задание (ТЗ) на разработку Определение и оценка влияния вносимых в опытные образцы изменений для достижения заданных значений показателей ТЗ и качества, приведение конструкции в соответствие с тре- бованиями технических условий (ТУ), техниче- ского проекта, конструкторской документации (КД), стандартов, правил и норм безопасности, санитарно-гигиенических норм и других норма- тивных документов, в том числе международных правил и национальных норм и правил стран, в которые планируется экспорт машин. Примечание. Исследовательские испыта- ния в необходимых случаях могут проводиться на любом этапе разработки, производства и эксплуатации машин для нахождения (поиска) оптимальных конструктивных решений, углуб- ленного изучения рабочих процессов полно- комплектных машин, их частей, агрегатов, уз- лов и деталей с целью оценки эффективности и целесообразности вносимых изменений в конструкцию, технологические процессы изго- товления и правила эксплуатации.
2. Предварительные Опытные образцы Проверка соответствия опытных образцов ТЗ и требованиям нормативно-технической и другой документации, перечисленной в п.1 2. Определение предварительных значений показа- телей надежности полнокомплектной машины, ее частей, агрегатов, узлов и деталей в процес- се функционирования. Определение предвари- тельной номенклатуры запасных частей. Опреде- ление необходимой конструкторской доработки и внесение изменений в образцы машины для приемочных испытаний. Определение возможности предъявления образ- цов на приемочные испытания.
3. Приемочные Опытные образцы Определение соответствия опытных образцов ТЗ, требованиям стандартов, в том числе междуна- родных, национальных (при необходимости) и КД. Оценка технического уровня. Определение целесообразности постановки ма- шины на производство и использования по на- значению.
4. Квалификационные (установочные) Образцы установочной серии (первой промышлен- ной партии) Проверка эффективности мероприятий по устра- нению недостатков, обнаруженных в приемочных испытаниях. Оценка соответствия образцов установочной се- рии техническим условиям и другим докумен- там, перечисленным в пп.1-3.
12
Продолжение
Виды (категории) испытаний Объекты испытаний Цели испытаний
Проверка отработанности (освоения) технологии изготовления основных агрегатов, узлов, дета- лей и полнокомплектной машины путем ком- плексной оценки качества.
5 Приемо-сдаточные Образцы серийного и массового производства Проверка соответствия машин серийного и массового производства требованиям техниче- ских условий, конструкторской документации и инструкциям по технической эксплуатации, а также условиям поставки, предусмотренным документами о порядке приемки и поставки машин, их агрегатов, узлов и деталей, догово- рами или другими двусторонними обязательст- вами между предприятием-изготовителем и заказчиком.
6 Периодические (краткие контрольные - ККИ) Образцы серийного и массового производства Проверка соответствия машины ТУ, требованиям стандартов и КД в объеме, предусмотренном нормативно-технической документацией на дан- ный вид испытаний. Проверка стабильности качества изготовления, в том числе сборки, регулировки, отделки и др. Подтверждение уровня качества изготовления машин, выпущенных в течение контролируемого периода. Подтверждение возможности продолжения изго- товления по действующей конструкторско-техно- логической документации.
7. Инспекционные (длительные контрольные испытания - ДКИ) Образцы серийного и массового производства Проверка соответствия образцов серийного и массового производства ТУ и стандартам в объ еме, предусмотренном НТД на данный вид ис- пытаний. Проверка стабильности качества изготовления. Проверка надежности (безотказности) в преде- лах не менее гарантийного пробега (наработки). Проверка эффективности конструктивных и тех- нологических мероприятий, проведенных на про- изводстве для устранения недостатков, выявлен- ных в предыдущих ДКИ, оценка эффективности корректирующих воздействий.
8 Испытания на надежность (ресурсные испытания) Образцы серийного и массового производства Подтверждение (определение) заданного или объявленного ресурса до капитального ремонта полнокомплектной машины или основных (базо- вых) ее агрегатов. Определение и оценка значений показателей на- дежности и изменения значений показателей других эксплуатационных свойств машины за пе- риод испытаний. Определение фактического расхода и уточнение предварительной номенклатуры запасных частей и расхода эксплуатационных свойств в зависи- мости от величины пробега (наработки). Проверка эффективности изменений, внедрен- ных в конструкцию и (или) технологию изготов- ления машины.
13
Продолжение
Виды (категории) испытаний Объекты испытаний Цели испытаний
9 Эксплуатационные Образцы серийного и массового производства Оценка соответствия машин условиям и требо- ваниям эксплуатации (оценка приспособленно- сти к заданным функциям) машины, исходя из ее типа и назначения, указанных в ТЗ и (или) ТУ. Определение ресурса до капитального ремонта и накопление данных по надежности машины и ее агрегатов (узлов) по результатам опытной и подконтрольной эксплуатации в опорных экспе- риментально-производственных предприятиях, по данным специализированных предприятий технического обслуживания и ремонта. Уточнение показателей эксплуатационной техно- логичности и ремонтопригодности. Определение и уточнение расходов запасных частей, эксплуатационных материалов, стоимо- сти ремонтных воздействий в зависимости от величины пробега (наработки) и условий экс- плуатации. Проверка в условиях эксплуатации эффективно- сти изменений, внесенных в конструкцию и тех- нологию изготовления машины. Примечания. 1. При включении эксплуата- ционных испытаний в качестве этапов доводоч- ных. приемочных и квалификационных испыта- ний цели их устанавливаются в соответствии с предусмотренными в пп. 1.2; 2; 3. 2. Эксплуатационные испытания опытных образ- цов могут проводиться только после положи- тельных результатов проверки (испытаний) их активной и пассивной безопасности.
10. Сертификационные Образцы серийного (мелко- серийного) и массового производства Определение и официальное подтверждение со- ответствия показателей эксплуатационных свойств и качества машины требованиям и нор- мативам международных и (или) национальных стандартов, норм и правил. (Подробнее см.разд. 15)
условиям и других обстоятельств их постановки и проведения. Они включают стен-
довые исследования агрегатов и полнокомплектных машин, лабораторные и поли-
гонные (полевые) испытания на специальном оборудовании и сооружениях. В соот-
ветствии с установленными при их организации целями допускается совмещение
испытаний различных видов (категорий), например, доводочных с предварительны-
ми, квалификационных с приемочными и т.п.
Организация испытаний разных видов отличается порядком их проведения и
уровнем регламентации.
Исследовательские испытания (если они частично не совмещаются с предвари-
тельными) являются самыми первыми на стадии разработки машины и отличаются
тем, что проводятся на макетном образце, включают сравнение различных конст-
рукторских решений и вариантов. Обычно испытываются те составные части маши-
ны, для которых оптимальные решения не ясны или условия применения незнако-
мы. Исследовательские испытания не регламентированы официальными докумен-
тами, проводятся непосредственно разработчиками или под их наблюдением, а ре-
зультаты фиксируются в рабочих документах
14
Организация испытаний опытных образцов (образцов установочных серий) и об-
разцов серийного и поточно-массового производства по уровню проведения разделя-
ется на государственные, межведомственные, ведомственные, сертификационные.
Предварительные испытания опытных образцов организует и проводит предпри-
ятие-разработчик с привлечением, при необходимости, изготовителей и соиспол-
нителей, участвующих в создании машины.
Приемочные испытания, как правило, проводятся головными организациями по
। осударственным испытаниям закрепленных за ними типов машин (например, Цен-
тральный автополигон НАМИ - по испытаниям автомототехники) при участии раз-
работчиков, изготовителей. Результаты испытаний передаются приемочной комис-
сии. Испытания отдельных типов машин могут проводиться с участием приемочной
комиссии. Приемочные комиссии включают представителей заказчика (основного
потребителя), представителей головной организации по испытаниям, организации-
разработчика, предприятия-изготовителя и, в зависимости от типа и назначения
машины, представителей государственного надзора и (или) технической инспекции
1руда профсоюзов. Приемочную комиссию утверждают в порядке, установленном
разработчиком (иногда заказчиком или основным потребителем совместно с раз-
работчиком). Председателем комиссии назначается представитель заказчика (ос-
новного потребителя).
Испытания образцов серийного и массового производства проводят: квалифи-
кационные - изготовитель при участии разработчика с привлечением, при необхо-
димости, заказчика; приемо-сдаточные - служба технического контроля предпри-
ятия-изготовителя с участием представителя заказчика; периодические - предпри-
ятие-изготовитель, головная организация по государственным испытаниям с при-
влечением, по необходимости, представителей разработчика, заказчика (основного
потребителя)
Сертификационные испытания проводят аккредитованные для этого испытатель-
ные центры, лаборатории, технические службы Системы сертификации механиче-
ских транспортных средств.
Эксплуатационные испытания осуществляются на образцах как опытных (устано-
вочных серий), так и серийно выпускаемых В первом случае эксплуатационные ис-
пытания, как правило, включаются отдельным этапом общей программы, во втором
случае организуются в виде эксплуатационных наблюдений или подконтрольной
.жсплуатации значительного количества образцов на базе экспериментально-про-
изводственных хозяйств специально подготовленным персоналом. Реже практику-
ются эксплуатационные испытания как рядовая эксплуатация. Эксплуатационные
испытания проводятся организациями и разработчика, и изготовителя, и заказчика
(основного потребителя).
Виды испытаний, перечисленные в табл. 1.1, отражают сложившуюся комплекс-
ную систему получения информации о создаваемых вновь и эксплуатируемых ма-
шинах. Фактическую основу этой информации доставляют стендовые испытания
(исследования) агрегатов и полнокомплектных машин, лабораторно-дорожные, по-
лигонные (полевые), ускоренные и форсированные испытания в заданных условиях,
на специальном оборудовании и сооружениях с привлечением всех средств извле-
чения возможно более полных и достоверных данных о свойствах и характеристи-
ках объекта при сокращенных сроках и затратах на обработку получаемых данных.
В организации испытаний выделяются следующие этапы: планирование, прове-
дение, обработка результатов и выработка заключений и рекомендаций.
15
Планирование испытаний должно обоснованно определить что, когда и как де-
лать для достижения сформулированных целей. Планирование любых видов испы-
таний АТС отражается в рабочей программе, являющейся организационно-методи-
ческим документом.
В обязательную к выполнению программу испытаний, как правило, включаются
следующие разделы.
1 . Объект испытаний с указанием полного наименования машины, индекса и
обозначения, количества испытываемых образцов и их пробег (наработка) до нача-
ла испытаний, описания конструктивных особенностей, влияющих на измеряемые
показатели, и других сведений, в том числе и об аналоге для сопоставления.
2 . Цель испытаний с указанием конкретных задач, которые должны быть решены
как в процессе проведения, так и по их завершении при анализе результатов.
3 . Общие положения с указанием:
- перечня документов на проведение испытаний;
- места и сроков проведения испытаний;
- перечня ранее проведенных испытаний, в том числе стендовых и поагрегат-
ных, поясняющих состояние отработки конструкции;
- перечня руководящих документов, используемых при проведении испытаний;
- обоснования выбранного метода испытаний (при необходимости)
4 . Условия и порядок проведения испытаний, где указывается:
- характеристика места и оборудования (специальные испытательные сооруже-
ния, дороги) для испытаний;
- метеорологические условия проведения и допустимые отклонения условий ис-
пытаний от заданных в ТУ или тактико-технических заданиях (ТТЗ, ТЗ) или другой
нормативно-технической документации (НТД);
- требования к загрузке, техническому обслуживанию, хранению испытываемой
машины;
- взаимодействие организаций, участвующих в испытаниях;
- материально-техническое обеспечение, в том числе вспомогательные техниче-
ские средства, расходуемые материалы и запасные части, транспортное обслужи-
вание, необходимая конструкторская и технологическая документация на машину;
- метрологическое обеспечение, включая применяемые измерительные приборы
и аппаратуру, необходимые для достижения требуемой точности эксперименталь-
ных оценок параметров;
- требования к квалификации персонала, выполняющего испытания и обслуживание;
- требования по технике безопасности.
5 Объем испытаний, где предусматривается:
- перечень этапов испытаний и экспериментов (проверок) и последовательность
их проведения,
- перечень количественных и качественных показателей эксплуатационных
свойств машины, подлежащих определению и оценке;
- продолжительность, в том числе посезонную;
- общая наработка (пробег) машины в процессе испытаний;
- цикличность испытаний (при необходимости).
6 Методы испытаний где указывается:
- методика выполнения экспериментов по пунктам программы для определения
и оценки эксплуатационных свойств и характеристик машины;
- порядок и способы регистрации, обработки, анализа и оценки результатов
испытаний;
16
требования к достоверности и точности обработки получаемой информации;
- требования по технике безопасности эксперимента и охране окружающей среды.
7 Отчетность с указанием:
- перечня отчетных документов, оформляемых в процессе испытаний и после их
завершения, порядок их согласования и утверждения и сроки представления;
- перечня рассылки или предъявления отчетных документов.
8 Приложение, где указываются: перечень нормативно-технических документов,
применяемых при испытаниях, и другие поясняющие или справочные материалы.
Разработка рабочих программ испытаний основывается на ТЗ или ТУ на данную
машину с использованием стандартов на испытания, типовых программ и типовых
методик, в которых отражен накопленный опыт располагаемые материальные и
(ехнические возможности, направление научно-технического прогресса как в раз-
витии данного типа машин, так и способов их оценки, контроля качества. В спе-
циализированных испытательных организациях (научно-исследовательские полиго-
ны, испытательные подразделения научно-исследовательских и проектных институ-
тов, управлений главных конструкторов на предприятиях-изготовителях и т.п.) ти-
повые программы, типовые программы-методики, типовые методики и инструкции
по организации испытаний разрабатываются и аттестуются как руководящие доку-
менты (РД), методические указания (МУ).
Разрабатывают рабочие программы предприятия-разработчики, изготовители и
испытательные организации в сроки, указываемые в планах или приказах (распо-
ряжениях) об организации и проведении испытаний.
Программа испытаний будет наиболее эффективной, если ее разработка будет
проводиться одновременно с разработкой конструкции и учитываться всеми под-
разделениями разработчика машины на стадии проектирования. Более того, в кон-
струкции машины должны учитываться требования и условия ее будущих испыта-
ний и оценки.
Общими требованиями к программам и методикам испытаний являются: приме-
нение прогрессивных, экономически обоснованных методов их организации и про-
ведения, достоверных методов измерений с использованием результатов теорети-
ческих и экспериментальных работ по созданию данной машины, применение уско-
ренных или форсированных испытаний тех видов, которые имеют большую продол-
жительность (например, ресурсных).
Этап проведения испытаний является реализацией разработанной программы
во времени и пространстве.
Основным условием успешной реализации программы является строгая дисцип-
лина исполнения предусмотренных пунктов и составленных рабочих расписаний.
Непосредственные руководители испытаний должны принимать активные меры
против небрежного или невнимательного выполнения экспериментов, а персонал
всегда должен сознавать важность порученной работы и необходимость ее тща-
тельного выполнения. При проведении испытаний необходима эффективная и сис-
тематическая проверка качества работы и выявление случаев отступлений от тре-
бований программы, установленных сроков и предусмотренных затрат
Обеспечивается высокое качество проведения испытаний рядом организацион-
ных мероприятий, к числу которых относятся:
- установление независимости и беспристрастности непосредственных руково-
дителей испытаний при их высокой компетентности;
17
- четкое установление полномочий, прав и ответственности руководителя испы-
таний и порядок исполнения поступающих от него заявок на проведение работ от-
дельными подразделениями и службами организации, проводящей испытания;
- привлечение современной техники для управления процессом испытаний и
контроля;
- своевременная поверка, калибровка измерительной аппаратуры и подготовка
испытательного оборудования и сооружений (очистка дорог автополигона, измери-
тельных площадок, бассейнов, стендов, весов и т.п.);
- разработка инструкций и рациональных форм регистрации проводимых экспе-
риментов и их результатов, своевременное обеспечение соответствующими блан-
ками и журналами с облегченными формами регистрации наблюдений персоналом
испытаний;
- установление порядка регистрации изменений или отклонений от програм-
мы (вынужденных или по ошибке) с целью исключения скрытых отступлений от
предусмотренных условий, могущих повлиять на анализ результатов проводимых
испытаний;
- организация инспекции выполнения пунктов программы, соблюдения методик,
поверки и калибровки аппаратуры, качества осмотров и хранения испытываемых
образцов, ведения текущей и отчетной документации, диагностики отказов и неис-
правностей испытываемых машин, выяснения их причин и других обстоятельств
проведения испытаний.
На этапе проведения испытаний особо важное значение имеет полнота и свое-
временность материального обеспечения. Повсеместный опыт показывает, что при
испытаниях такой сложной техники как автомобильные транспортные средства и в
опытных, и в серийных образцах срывы хорошо отработанной программы происхо-
дят чаще всего из-за несвоевременного материального обеспечения, в особенно-
сти запасными частями и материалами.
Возникают и иные непредвиденные отклонения от намеченных программой ус-
ловий (выход из строя испытательного оборудования, изменение погодных усло-
вий. поставка иного количества образцов против планировавшегося), которые при
системном подходе к проведению испытаний могут рассматриваться как "возму-
щения" программы. Поэтому испытатели должны быть подготовлены к необходи-
мости принятия обоснованного оперативного решения по корректировке програм-
мы или компенсации влияния возмущающего воздействия с соблюдением установ-
ленного порядка согласования и утверждения таких решений. Оптимальность при-
нимаемых решений в значительной мере определяется располагаемыми времен-
ными, людскими и материальными ресурсами которые необходимо предусматри-
вать как резервы.
Этап обработки и анализа результатов испытаний включает получение прямых
результатов измерений и их преобразование. Обработку результатов часто опреде-
ляют как первичную, когда производится исключение из рассмотрения явно оши-
бочных измерений, отклонений, произошедших в результате сбоя аппаратуры, ухо-
да нулей, незамеченных поломок или разрегулировок испытываемой машины и т.п.
Затем обработка результатов включает получение и представление статистических
характеристик прямых измерений параметров, получаемых при испытаниях. Такими
характеристиками могут быть математические ожидания, дисперсии, среднеквад-
ратические оценки измеряемых параметров, корреляционные функции или спек-
тральные плотности рабочих процессов, законы распределения, показатели, отра-
жающие свойства точечных или интервальных оценок статистических характери-
18
t । ик. Все эти характеристики представляются в виде массивов численных значе-
нии, которые могут быть введены в память ЭВМ, нанесены на графики или поме-
щены в таблицы.
Обработанные результаты испытаний используются далее для анализа характе-
ристик машины, процесса ее функционирования в заданных условиях, качества, со-
шветствия назначению, эффективности использования. В процессе анализа может
осуществляться вторичная обработка полученных результатов для оценки характе-
ристик, связанных с измеряемыми определенными соотношениями. Примером та-
кой обработки является расчет показателей надежности, комплексных показателей
качества и т.п.
На основании проведенного анализа результатов испытаний вырабатываются
рекомендации, заключения, предложения для принятия решений на распоряди-
юльном уровне по достижению целей, предусматриваемых в организации испыта-
ний данной модели машины.
Отчетность по проведенным испытаниям имеет значение не только как офици-
альный документ о выполнении задач испытаний, но и как важнейший источник на-
копления информации. Регулярность проведения испытаний, расширение эксплуа-
тационных наблюдений (испытаний) создают возможность отчетливого представле
ния тенденций развития новых, ранее неизвестных, закономерностей, влияния зо-
нальных особенностей на функционирование отдельных типов машин и других важ-
ных особенностей, выявляемых только при обобщении накопленных данных.
В связи с этим приобретает значение унификация формы отчетных документов.
В ряде специализированных испытательных организаций, где систематически про-
водятся разного вида испытания однотипных машин, форма отчетности разработа-
на с учетом возможности ввода результатов испытаний в память ЭВМ и включения
их в автоматизированную систему (например, подсистема "Надежность" или под-
система ЛДИ - лабораторно-дорожные испытания - на Центральном автополиго-
не). Эффективность создания таких систем с банком данных по результатам раз-
личных видов испытаний подтверждается пользователями разного уровня и на всех
этапах жизненного цикла.
Для последующего краткого описания содержательной части испытаний удобнее
воспользоваться иной, отличной от представленной в табл. 1.1, "внесистемной"
классификацией, традиционно сложившейся в автомобилестроении, в частности,
по признакам используемого оборудования, места, способов проведения.
1.2. Стендовые испытания
и исследования агрегатов
и полнокомплектных машин
Испытания на стендах отличаются от
других видов испытаний (полигонных, полевых, эксплуатационных) высокой ста-
бильностью задаваемых и поддерживаемых условий нагружения, температуры,
влажности, запыленности и других обстоятельств, влияющих на функционирование
конструкции, точностью регулирования их, возможностями углубленных наблюде-
ний за рабочими процессами, в том числе и в труднодоступных частях, повышен-
ной точностью их измерения и регистрации. На стендах может быть получена ин-
формация, которую не могут дать никакие иные испытания, например, кривые ус-
талости, показатели прочности деталей, мощность нетто и др.
19
Стендовые испытания классифицируются по различным признакам и в основном
разделяются на следующие группы:
- испытания отдельных деталей, узлов и агрегатов;
- испытания полнокомплектных машин;
- испытания отдельных деталей, узлов и агрегатов на полнокомплектной машине
(или ее части), установленной на стенде;
- испытания статические (квазистатические) и динамические;
- с разрушением и без разрушения;
- на универсальных или уникальных стендовых установках;
- прочностные, усталостные, износные, вибрационные и др.
Роль и место стендовых испытаний и исследований АТС определяются следую-
щими технико-экономическими ограничениями.
Даже при наличии большого количества стендов по объему получаемой инфор-
мации испытания на них не могут конкурировать с полигонными или полевыми, где
возможно испытывать одновременно десятки и сотни машин. Взаимодействие ис-
пытываемой машины с дорогой сложного профиля, климатические, атмосферные и
прочие внешние воздействия хотя и возможно имитировать на стендах, но в огра-
ниченных объемах и диапазонах.
Имитационные стенды для испытаний комплектных машин с высоким значением
ресурса сами должны располагать ресурсом работы и надежностью во много раз
большими, что требует больших затрат на изготовление, использование высоко-
прочных материалов, больших производственных площадей. Поэтому стендовые
испытания, как правило, сочетаются с полигонными (полевыми) и превалируют на
стадии доводки конструкции, используются для контроля номинальных характери-
стик агрегатов (в том числе и надежности), а также контроля за качеством ком-
плектующих изделий.
На стендах испытываются все основные агрегаты АТС.
Испытания двигателей проводятся на стендах с тормозными установками гид-
равлическими, электрическими и индукторными. Испытания на стендах с электри-
ческим приводом реверсивного действия выгодно отличаются тем, что позволяют
оценить работу двигателя в режимах принудительного холостого хода, определить
механические потери в нем, осуществить пуск без стартера, провести холодную
приработку после сборки.
При стендовых испытаниях определяются:
1) рабочие показатели при регулировках и комплектации, указанных заводом-
изготовителем. Испытания проводят при полном открытии дроссельной заслонки
карбюратора (при полной подаче топлива в дизелях) и при частичных подачах; до-
полнительно - без подачи топлива на режимах принудительного холостого хода. По
результатам испытаний строятся: характеристики индикаторной мощности, скоро-
стные характеристики эффективной мощности — внешняя, с регуляторной ветвью,
частичные, принудительного холостого хода, условная механических потерь; нагру-
зочные характеристики мощности и расхода топлива при постоянных частотах вра-
щения коленчатого вала, частичные при фиксированной подаче топлива, а также
при заданных законах изменения частоты и нагрузки;
2) предельные показатели мощности и момента при исключении влияния несо-
вершенства изготовления, регулировок приборов систем питания, зажигания, заво-
дских допусков на их изготовление. Такие показатели получают при изменении од-
ного параметра (например, опережения зажигания) в области устойчивой работы
20
двигателя с полной нагрузкой, за пределами которой происходит падение мощно-
с in и увеличение расхода топлива;
3) детонационные характеристики;
4) надежность, включая безотказность, износостойкость;
5) токсичность, включая пробы на разных режимах и в работе по циклу движе-
ния машины, а также дымность;
6) шумность и вибрации двигателя.
Правила и методы испытаний двигателей АТС определяются стандартами и тех-
ническими условиями.
Международной организацией по стандартизации (ИСО) разработаны и реко-
мендованы всем странам единые правила стендовых испытаний двигателей. В Рос-
сии они регламентированы государственным стандартом, который по методике оп-
ределения мощностных и экономических показателей соответствует рекомендаци-
ям ИСО и дополнительно включает методы оценки безотказности и некоторые дру-
гие подробности.
В некоторых странах используются национальные стандарты, отличающиеся
предусматриваемой комплектностью двигателя и его систем, формулами приведе-
ния результатов к стандартным (нормальным) условиям. В международных катало-
гах встречаются результаты стендовых испытаний с показателями, определенными
по методикам стандартов DIN (ФРГ) и SAI (США), на что необходимо обращать
внимание при сопоставительных оценках.
Стендовые испытания и исследования трансмиссий включают определение
статической прочности, жесткости, долговечности, внутренних энергетических по-
терь, шума и вибраций, температурных характеристик, специальных показателей
работы узлов и агрегатов В большинстве случаев испытания проводятся на уни-
версальных стендах для оценки одновременно нескольких показателей. Для испы-
таний отдельных узлов и механизмов трансмиссии используются стенды прямого
нагружения (с разомкнутым потоком мощности), с замкнутым контуром, с динами-
ческой нагрузкой, с нагрузкой от маховых масс.
Испытания сцеплений включают определение момента трения, коэффициента
надежности при повышенных частотах вращения, термостойкости фрикционных на-
кладок, исследования балансировки, характеристик демпфера крутильных колеба-
ний, надежности механизмов включения, нажимных пружин, износостойкости фрик-
ционных накладок, их намокаемости в воде и масле, некоторых других свойств.
Программы комплексных испытаний предусматривают циклическую повторяемость
процессов включения и выключения сцеплений с различными режимами.
Испытания механических коробок передач регламентируются отраслевыми стан-
дартами (для автомобилей и колесных тягачей) или ТУ и включают: определение
статической прочности (по нагрузкам, разрушающим наиболее слабое звено), ус-
тановление величины и положения пятен контактов зубьев шестерен всех передач
под нагрузкой, построение температурной характеристики (по времени непрерыв-
ной работы в режиме максимальной мощности двигателя), оценку уровня вибрации
и шума, качества работы синхронизаторов и механизма управления, коэффициента
полезного действия (КПД).
При испытаниях надежности коробок передач определяют долговечность шесте-
рен (по изгибной и контактной усталости зубьев), подшипников качения (по кон-
тактной усталости и износу), подшипников скольжения, муфт переключения пере-
дач (синхронизаторов, торцевых поверхностей зубьев шестерен), сальников, карте-
21
ра коробки передач. Исследуется влияние различных конструктивных и технологи-
ческих факторов на работу коробки передач и ее механизмов.
При испытаниях автоматических коробок передач дополнительно исследуются:
зависимость момента переключения от скорости движения АТС и нагрузки на ве-
домом валу, характеристики управляющих систем, моменты трения в тормозах и
фрикционах коробки.
Гидродинамические передачи трансмиссии подвергаются контрольным и прие-
мочным испытаниям на стендах. Методика их регламентирована ГОСТ 12118—75.
Определяется безразмерная характеристика гидротрансформатора, включая зави-
симости коэффициента трансформации, КПД и коэффициента входного момента от
передаточного числа. Испытания при этом ведут на режиме постоянного крутящего
момента на ведущем валу, равном 0,5 — 0,9 максимального эффективного момен-
та двигателя (Меп|ах). Статическую прочность гидропередачи определяют при пере-
даточном числе, равном нулю, и моменте на входе большем Л4етах. Испытывается
также герметичность, прочность и долговечность уплотнений стыков, а также дол-
говечность муфт свободного хода.
Стендовые испытания карданных передач начинают с определения прочности
под статической нагрузкой крутящим моментом до разрушения слабого звена. За-
тем исследуются вибрации и производится балансировка при динамических испы-
таниях на специальных стендах, оценивается критическая частота вращения до по-
явления изгибных колебаний, а также КПД передачи. При испытаниях долговечно-
сти карданной передачи программируется изменение нагружения по четырем па-
раметрам: крутящему моменту, частоте вращения, углу между валами, осевому пе-
ремещению в шлицевом соединении. Контрольные и приемочные испытания кар-
данных передач регламентированы ГОСТ 14023—68.
Ведущие мосты испытывают на стендах в сборе и поэлементно основные его
узлы: главную передачу, дифференциал, полуоси, балку, поворотные кулаки
(управляемых ведущих мостов полноприводных автомобилей). Методически испы-
тания ведущих мостов схожи с испытаниями коробок передач. При испытаниях ста-
тической прочности и жесткости ведущих мостов соблюдается схема нагружения,
соответствующая приложению вертикальных нагрузок от рессор или несущей сис-
темы (при безрессорной подвеске).
В сварных конструкциях картер ведущего моста доводят до разрушения скручи-
вающей нагрузкой с целью определения качества сварных швов.
В динамических испытаниях определяют КПД ведущего моста, коэффициент
блокировки дифференциала, долговечность зубьев шестерен главной передачи,
подшипников, деталей дифференциала, сальников и уплотнений, полуосей и балки.
Основной причиной отказов ведущих мостов являются повреждения шестерен
главной передачи, режим работы которых в трансмиссии наиболее тяжелый вследст-
вие частого изменения нагрузки, при том в широких пределах, приложенного крутя-
щего момента и скорости вращения. Поэтому при составлении программ испытаний
учитывается, что питтинговые разрушения происходят при легких и средних режимах
отслоение цементованного слоя - при средних и тяжелых, усталостные поломки зубь-
ев - при тяжелых режимах нагружения. Режимы нагружения составляются на основа-
нии изучения и обобщения опытных наблюдений, сравнительного анализа рабочих
процессов в конструкции аналогов, прототипов, фактических данных их эксплуатации.
Долговечность полуосей определяют на стендах циклического знакопеременного
нагружения крутящим моментом по программам, включающим блоки низко- и вы-
сокочастотных нагрузок со ступенчатым изменением амплитуды.
22
Испытания несущих систем, рам, кузовов и кабин производятся на стендах
<: эпического и динамического нагружения раздельно или совместно в различной
комплектации, а также на машине, установленной на стенде.
Цель статических испытаний несущих систем - проверка прочности и жестко-
сти. При этом выявляются ослабленные или перегруженные участки и соедине-
ния, деформации под действием устанавливаемых агрегатов и груза, разных ви-
дов внешнего нагружения. Преимущественно при испытаниях используется два
вида нагружения:
изгиб в вертикальном направлении под действием сил и реакций, приложен-
ных в местах реального воздействия (опоры рессор, двигателя, кабины, кузова и
других агрегатов) с перегрузкой, например, для легковых автомобилей в 2...2,5
раза, для грузовых— 2,5.. 4 раза;
- закручивание моментом, соответствующим предельному перекосу при преодо-
лении экстремальных препятствий, например, соответствующему вывешиванию од-
ного из колес автомобиля.
Напряжения в любом сечении элементов конструкции при этих испытаниях не
должны превышать предела текучести материала, а деформации - допустимых ве-
личин для сохранения зазоров между силовыми элементами, в дверных и оконных
проемах, иных показателей форм и допусков на геометрические размеры, преду-
смотренных конструкторско-технологической документацией.
Важной задачей статических стендовых испытаний является изучение напряжен-
ного состояния всех элементов несущей системы под нагрузкой путем, например,
тензометрирования во многих точках, результаты которого служат основанием су-
щественного сокращения объемов измерений в последующих динамических испы-
таниях. Эффективным в этих целях является и использование хрупких покрытий.
Статические стендовые испытания используются также в программах и методиках
оценки пассивной безопасности. Например, вертикальное нагружение крыши каби-
ны, соответствующее двойному весу снаряженного автомобиля, используется как
норматив стойкости при опрокидывании.
Стендовые испытания с динамическим нагружением выполняются при тех же
схемах установки несущих систем, кабин и кузовов, что и при статических испыта-
ниях или на тех же стендах, если в их конструкции предусмотрено непрерывное из-
менение внешних воздействий На современных стендах с гидропульсаторами ди-
намическое нагружение регулируется в широких пределах и диапазонах частот,
причем одновременно на изгиб и кручение, что приближает условия испытаний к
условиям эксплуатации.
Применяется также динамическое локальное нагружение на отдельных участках
конструкции с помощью различных вибраторов направленного воздействия для
оценки отдельных деталей и сочленений, частоты собственных колебаний (напри-
мер, панелей кузова), форм частотных резонансов.
На стендах с динамическим нагружением оценивается долговечность конструк-
ций в целом (рам, кузовов, кабин) их частей (например, лонжеронов рамы) и от-
дельных узлов (например, сочленения лонжерона и поперечины рамы). В послед-
нем случае испытывается вырезка из конструкции. При этом необходимо тщатель-
ное согласование вычленения и нагружения испытываемого элемента на основании
предварительного изучения его напряженного состояния.
Динамические стендовые испытания кузовов, кабин и комплектных машин явля-
ются основным способом оценки пассивной безопасности. При этом имитируются
условия опрокидывания, лобовое столкновение, наезды сзади или сбоку. Исполь-
23
зуются стенды с платформой для установки испытываемого объекта, его разгона и
наезда с заданной скоростью на массивное препятствие под разными углами
(стенды-катапульты), а также стенды с массивным маятником (копровые стенды)
для ударных нагрузок в определенные места конструкции. Например, удар спереди
по верхнему углу кабины имитирует падение машины с откоса, удар по задней
стенке - воздействие незакрепленного груза при резкой остановке. Схожими мето-
дами испытываются на стендах силовые каркасы кузовов, бамперы, оперение.
Стендовые испытания подвески включают определение характеристик упруго-
сти при вертикальных и поперечно-угловых деформациях, демпфирующих свойств
и ее кинематики. Испытания отдельных элементов и деталей включают также оцен-
ку надежности.
Исследования упругости подвески с торсионами, листовыми рессорами и пру-
жинами (в целом и поэлементно) ограничиваются обычно статической тарировкой.
Пневматические и гидропневматические рессоры испытываются на стендах как
при квазистатическом (медленном) сжатии при разных начальных давлениях упру-
гой среды, так и в режиме динамического нагружения по гармоническому закону с
различной частотой.
Амортизаторы испытывают на стендах для определения зависимости развивае-
мой силы сопротивления от скорости перемещения поршня. При контрольных и
приемочных испытаниях амортизаторов определяется герметичность, шумность,
плавность работы. Проверяется также стабильность рабочей диаграммы и оцени-
вается зависимость поглощаемой энергии за цикл сжатия и отбоя от температуры
заполняющей жидкости.
Стендовые испытания долговечности как правило, проводятся поэлементно: рес-
сор, деталей направляющих устройств (шарниров, кронштейнов, креплений), аморти-
заторов при динамических нагружениях по различным программам. Испытываются
также комплекты сопряженных узлов, например, листовые рессоры совместно с шар-
нирами и кронштейнами крепления к раме. Получают распространение также стендо-
вые испытания с одновременным нагружением на изгиб и кручение.
Испытания шин на стендах проводятся для определения геометрических пара-
метров (радиусов свободного, статического, динамического, качения, площади кон-
такта с опорной поверхностью по выступам рисунка протектора, по контуру отпе-
чатка), характеристик упругости и демпфирования при нагружении нормальной, бо-
ковой и окружной силами, характеристик бокового увода, сцепных свойств, долго-
вечности (в основном по износу протектора и расслоению каркаса).
Характеристики упругости и демпфирования определяются на стендах в режи-
мах квазистатического и динамического нагружения.
В последнем случае при возбуждении и регистрации свободных колебаний
опирающейся на шину массы и невращающемся колесе или при вынужденных
колебаниях массы на катящемся колесе. Искомые характеристики получаются
после обработки зарегистрированных колебаний согласно теории малых колеба-
ний диссипативной системы, эквивалентной стендовой установке, с учетом из-
вестных ее параметров
Преобладающими при стендовых испытаниях шин являются режимы качения
преимущественно по внешним поверхностям вращающихся опорных барабанов.
Исследуются на стендах также температурные состояния, эпюры давлений, снос
реакций и другие показатели рабочих процессов шин.
Массовые испытания шин проводятся на шинообкатных станках различной кон-
струкции, на которых значительно ускоряется наступление предельных состояний.
24
Колеса и ступицы на стендах испытываются на прочность под действием вер-
икальной и боковой сил (окружная нагрузка обычно опускается). Под действием
них же сил испытываются колеса на усталость. При этом колеса монтируются на
। 1ендах неподвижно, что дает возможность наблюдения зарождающихся трещин.
Рулевое управление испытывается на стендах главным образом на надежность
рулевых механизмов, а также насосов, силовых цилиндров усилителей, износо-
< |ойкость шарниров и других деталей.
При стендовых испытаниях рулевых механизмов внешняя нагрузка прикладыва-
ется к сошке и к рулевому валу при его возвратно-вращательном движении.
Режим переменного нагружения устанавливается по моменту, равному 40...50%
ею значения для поворота управляемых колес на месте, и по частоте 1...2 об е
На стендах исследуются также потери на трение, КПД рулевого механизма, ха-
рактеристики упругости рулевого привода.
Стендовые испытания полнокомплектных АТС проводят главным образом в
исследовательских целях, основываясь на обратимости движения в системе движи-
тель - опорная поверхность.
Колеса машины устанавливаются на вращающихся круглых катках (барабанах,
роликах), а кузов (кожухи мостов) удерживается от смещения относительно непод-
вижного основания расчалками. На стендах исследуются тягово-скоростные харак-
теристики, топливная экономичность АТС, температурные режимы отдельных узлов
и агрегатов, особенности взаимодействия колес с опорной поверхностью и другие
рабочие процессы.
При установке в приводах стендов инерционных масс в стендовых испытаниях
имитируются переходные неустановившиеся режимы движения (разгон, накат).
На роликовых стендах серийного производства испытываются тормозные меха-
низмы и приводы. Оцениваются суммарная тормозная сила, неравномерность ее
распределения по колесам, эффективность стояночных тормозов.
На стендах для ходовых испытаний полнокомплектных машин определяется уни-
версальная характеристика АТС как колебательной системы, реагирующей на воз-
действие дорожных неровностей, - передаточная функция или амплитудно-частот-
ная характеристика. На барабанных стендах это достигается установкой на рабочей
поверхности накладок, образующих по периметру синусоидальный профиль. Вра-
щением барабана с накладками зона контакта опирающегося на него колеса сме-
щается в вертикальном направлении по гармоническому закону, создавая кинема-
тическое возмущение колебаний машины. Регулируется частота такого возмущения
скоростью вращения барабана, а амплитуда - толщиной накладок.
Известны попытки проведения на подобных стендах ресурсных испытаний пол-
нокомплектных машин. Так, на "рельсостенде" успешно проводились испытания
колесных тракторов с быстрым доведением до предельного состояния рамы, каби-
ны и деталей движителя.
Стендовые испытания полнокомплектных машин с возбуждением свободных ко-
лебаний подрессоренных и неподрессоренных масс подтягиванием и сбрасывани-
ем дают информацию о колебательных параметрах, включая и диссипативные
свойства ходовой части.
Почти во всех стендовых испытаниях, в особенности динамических, центральной
задачей является формирование внешнего нагружения конструкции. Общим требо-
ванием при ее решении является возможно более тесная корреляция нагружения
на стенде с нагружением в эксплуатации или эквивалентность их повреждающего
25
воздействия. Отражается это решение в задаваемых программах нагружения. При-
меняются три вида программ:
- постоянной нагрузки или циклической с постоянной амплитудой при нулевом
или заданном среднем значении;
- переменной ступенчатой нагрузки или циклической со ступенчатым изменени-
ем амплитуды в отдельных блоках;
- случайной нагрузки, воспроизводящей процесс нагружения в эксплуатации
(моделирование натурного нагружения).
Основанием разработки программ служит: статистический анализ нагрузочных
режимов соответствующих деталей и узлов, зарегистрированных при испытаниях в
полигонных или эксплуатационных условиях; анализ неисправностей и поломок в
эксплуатации; теория рабочих процессов, а также теория прочности и усталости
деталей машин и материалов, их физико-химические свойства.
Стендовые испытания и исследования АТС постоянно совершенствуются и рас-
ширяются вместе с развитием измерительных и силовозбуждающих средств, воз-
можностями автоматизации их проведения.
Используемое стендовое оборудование исключительно многообразно. По назна-
чению различаются стенды: испытаний отдельных деталей (например, карданных
валов, крестовин, поворотных цапф, на долговечность), испытаний узлов (напри-
мер, подшипников, шестеренчатых пар на износ), испытаний агрегатов (например,
двигателей, сцеплений, коробок передач, тормозных механизмов и др.), испытаний
полнокомплектных машин (например, барабанные типа Ридлера или роликовые, с
опорной лентой). Отличаются стенды по виду прикладываемого воздействия: на
статические (например, стенд опрокидывания) и динамические (например, стенд
испытаний рулевого управления на поглощаемую энергию удара при лобовом
столкновении), по типам движущего или тормозящего привода (электрические,
гидравлические, прямого или реактивного действия - балансирные), по количеству
одновременно фиксируемых воздействий (например, изгиб и кручение) и по мно-
гим другим признакам. В большинстве стенды для испытаний АТС имеют характер
уникальных целевого назначения и только малая их часть имеет типовую конструк-
цию и промышленный выпуск малыми сериями (например, стенды для испытания
шин, роликовые стенды для диагностических испытаний, автомобилей).
Как пример уникального оборудования для стендовых испытаний на рис. 1.1 показана схема
барабанного стенда для испытаний двух- и трехосных автомобилей [62].
На стенде могут быть определены:
- сопротивление качению колес с различными шинами и другие параметры, характеризую-
щие качение эластичного колеса в зависимости от вертикальной нагрузки, крутящего момента,
скорости движения, температуры шин и давления воздуха в них;
- усилия и потери в трансмиссии и отдельных ее элементах в зависимости от скоростного и
нагрузочного режима движения автомобиля;
- тягово-экономические характеристики автомобиля на различных передачах;
- эксплуатационные характеристики двигателя, а также насосные и механические потери в нем;
- распределение крутящих моментов и тангенциальных сил по колесам мостов;
- эффективность блокировочных механизмов дифференциалов;
- условия возникновения и величины паразитных мощностей в системе автомобиль - дорога;
- отдельные показатели подвески, характеризующие плавность хода автомобиля;
- отдельные показатели, характеризующие криволинейное движение автомобиля.
Измерительная и регистрирующая аппаратура стенда позволяет одновременно фиксировать:
тангенциальные силы на колесах автомобиля; развиваемую силу тяги на крюке; крутящие мо-
менты на полуосях и в других элементах трансмиссии; разгрузку передней оси; частоту враще-
ния колес, а также барабанов и электродвигателей; расход топлива двигателем; время замера
частоты вращения колес и расхода топлива; температуру различных агрегатов в 18 точках; коле-
бания подрессорной и неподрессорной частей автомобиля.
26
Техническая характеристика стенда
Мощность двигателя испытуемого автомобиля, кВт...................... От 30 до 257
Масса, приходящаяся на ось автомобиля, кг............................. До 10000
Расстояние (база) между передней и средней
осями (2300 5950 мм) и между средней
и задней (4700 1080 мм) в пределах максимального
расстояния между крайними осями, мм......... ........До 7000
Колея колес, мм . ........... ... ...1100 — 2200
Ширина профиля шин испытуемого автомобиля, мм До 850
Максимальная скорость испытуемого автомобиля, км/ч ..... ....................До 120
Привод стенда ... .......................................... Электрический; шесть
однотипных тягово-
тормозных установок
смонтированы попарно
на трех осях, каждая
из которых включает
беговой барабан
с электродвигателем
и коробкой передач
Электродвигатели тягово-тормозных установок .... ........ Асинхронные, с контакт-
ными кольцами,
реверсивные,
с возбуждением посто-
янным током, работаю-
щие как в режиме
двигателя, так и в режи-
ме генератора
Мощность электродвигателя, кВт........................................... 65/125
Напряжение питания электродвигателя, В:
переменного тока .. ................... . ..220/380
постоянного тока . 40
Максимальная Сила тока,
потребляемая электродвигателем, А:
переменного напряжения ........... ........................... - 408/236
постоянного напряжения ......— .. ................. 376
Номинальный крутящий момент электродвигателя
на выходном валу, кН-м ...................................................... 0,43
Максимальные частоты вращения вала
электродвигателя на режимах, об/мин:
электродвигателя .............................................................. 2900
генератора................................................................... 5000
Коробки передач привода барабанов ... .... Механические, двусту-
пенчатые с передаточ-
ными отношениями:
на I передаче - 25,65,
на II передаче 6,15
Беговые барабаны ......Сварные стальные
со сменными
сегментами на
опорной поверхности
для колес
Диаметр барабана, мм .... ........ ............................ 1000
Ширина барабана, мм ............. ... ...... ........ 850
Максимально допустимая радиальная нагрузка на барабан. кН ................... .50
Наибольшее осевое перемещение барабана, мм .. 275
27
Для рассмотренных выше испытаний агрегатов трансмиссии используются стен-
ды индивидуального изготовления (силами и средствами обычно завода-изготови-
теля, его опытно-конструкторских подразделений, научно-исследовательских лабо-
раторий, вузов) и стенды, выпускаемые специализированными предприятиями,
фирмами серийно (обычно малыми сериями) - испытательные машины.
На рис 1.2 и 1.3 показаны две схемы таких современных машин. В обеих схе-
мах условия испытаний приближены к условиям эксплуатации, так как обеспечива-
ется возможность управления процессом по желаемой программе. Одновременно
обеспечиваются минимальные затраты энергии, подводимой к стендам, благодаря
замкнутости силовых контуров.
Тенденцию к массовому производству и стандартизации имеют гидравлические
нагружатели (гидропульсаторы), управляемые быстродействующими сервоклапан-
ными устройствами с обратной связью. Способность гидропульсаторов отрабаты-
вать с высокой точностью развиваемое усилие, заданное электрическим сигналом
управления сервоклапанами по величине и форме, обеспечивает программное си-
ловое внешнее воздействие на испытываемую конструкцию. Программа может
включать как фиксированные по частоте и амплитуде гармонические нагрузки, так
и воспроизведение случайных процессов нагружения, зарегистрированных в экс-
плуатации или ходовых испытаниях.
Возможность различной пространственной установки гидропульсаторов, одно-
временное присоединение к испытываемой конструкции нескольких гидропуль-
саторов, объединение управления их совместной работой в общей программе
позволяют формировать сложное нагружение конструкции переменными силами
и моментами.
На рис. 1.4 показана установка кузова автомобиля для испытаний при воздейст-
вии изгиба и кручения, где изгиб формируется инерционными силами от синхрон-
ного вертикального движения штоков гидропульсаторов, а кручение - за счет фазо-
вого сдвига перемещений штоков накрест расположенных гидропульсаторов.
Стенды с использованием гидропульсаторов отличаются большой гибкостью и
универсальностью применения, удобством установки испытываемого объекта и
унификацией.
За рубежом специализированные фирмы ("Шенк" - ФРГ, "Сервотит" - Велико-
британия, МТС - США и др.) выпускают стендовое оборудование подобного типа
на основе агрегатных комплексов разных типоразмеров. В стендовое оборудование
включаются: капитальные силовые сооружения, инвентарь и опорно-захватные уст-
ройства; системы возбуждения с источниками гидравлической энергии, устройст-
вами ее преобразования и передачи; измерители сил, перемещений, напряжений с
информационными регистрирующими, запоминающими и обрабатывающими уст-
ройствами; системы управления, в том числе автоматические задающие устройст-
ва, блоки сравнения и калибровки; вспомогательные устройства и приспособления
для монтажа, сбора и очистки масла и др.
Отечественное оборудование для стендов с гидропульсаторными установками
выпущено трех типов (ПГС 100, ГСО, ОИС). В комплексах это оборудование доро-
гостоящее и требующее квалифицированного обслуживания. Но как показывает
опыт, оно вполне оправдывает затраты на испытания автомобиля и его частей при
статических, динамических - циклических и случайных - нагружениях, испытаниях
прочности и усталости.
28
a
Рис. 1.1 (а) Трехосный барабанный стенд (компоновочная схема) :
1 - вентилятор набегающего потока воздуха; 2 и 5 - электромашины второй оси; 6 - вентиля-
тор обдува отдельных агрегатов автомобиля; 7 - весы для установки колес одного моста; 8 -
расчальное устройство; 9 - вентилятор отсоса отработавших газов; 10 - резисторы синхрониза-
ции вращения барабанов; 11 - распределительный щит; 12 - умформер; 13 и 14 - реостаты в
цепях электродвигателя вентилятора встречного воздуха и тягово-тормозных электромашин; 15
- радиаторы охлаждения электролита жидкостных реостатов; 16 - блок измерения расхода топ-
лива испытываемым автомобилям; 17 - пульт управления; 18 - фоторегистрирующие устройства
наблюдаемых показателей
Рис. 1.1 (б) Трехосный барабанный стенд (механизмы подвижных осей) :
3 и 4 - беговые барабаны второй оси; 19 - резино-металлические муфты приводного вала; 20 -
блок двухскоростного редуктора и приводной электромашины с балансирной установкой и веса-
ми для измерения тягово-тормозных моментов на беговом барабане; 21 - межбарабанная муфта
сцепления
29
Рис. 1.2. Схемы установок фирмы "Шенк" для стендовых испытаний коробок передач: а - без
отбора мощности, б - с валом отбора мощности.
1 и 2 - статор и вал ротора поворотного цилиндра; 3 - крутильный динамометр; 4 - испытывае-
мые коробки; 5 - зубчатые передачи замыкания контура нагружающего момента; 6 - вал затяжки
контура; 7 - привод вращения; 8 - электродроссельный усилитель поворотного гидроцилиндра
закрутки кинематической цепи (нагружения); 9 - поворотный гидроцилиндр нагружения валов
отбора мощности.
Рис. 1.3. Схема машины фирмы "Шенк" для совместных испытаний четырех карданных валов
при переменных: вращательных нагрузках, вертикальных и горизонтальных углах передачи мо-
мента (по задаваемой программе):
1 - испытываемые валы; 2 - обоймы промежуточных валов; 3 - промежуточные валы; 4 - подшип-
ники цапфы обойм промежуточных валов; 5 - захватные опоры; 6 - зубчатые передачи; 7- при-
вод вращения; 8 - статор поворотных гидр о цилиндров нагружения в контуре; 9 - вал ротора по-
воротного гидроцилиндра; 10 - гидроцилиндр возвратно-поступательного движения для имита-
ции относительного перемещения кузова и моста; 11 - гидроцилиндр имитации поворотов
управляемых колес; 12 - динамометры.
30
1'и( 1 4. Стендовая установка с гидро пульсаторам и при испытаниях полнокомплектного автомо-
пиля:
I < иловой пол; 2 - гидропульсаторы: 3 - опорно-захватывающие устройства; 4 - испытываемый
.нпо мобиль
1.3. Лабораторно-дорожные,
полигонные
и эксплуатационные
испытания
Разграничение этих видов испыта-
ний в значительной мере условно и служит для оптимального составления кон-
кретных программ испытательных работ так, чтобы обеспечить необходимую пол-
ноту проверки эксплуатационных свойств, с одной стороны, и минимальные затра-
ты труда, времени и материальных ресурсов, - с другой. Условность разделения
работ по этим видам испытаний определяется тем, что лабораторно-дорожные ис-
пытания объединяются с полигонными, отдельные работы лабораторно-дорожных
испытаний включаются в эксплуатационные, а последние могут включаться отдель-
ным этапом в полигонные.
Все виды испытаний включают отбор и приемку машин на испытания, а также
подготовку к их проведению.
Количество испытательных образцов определяется планом испытаний, объемом
располагаемых сведений о предыдущих испытаниях, уровнем доводки конструкции,
гехнико-экономическими возможностями.
На испытания произвольно выбираются образцы из готовой продукции, прошед-
шей технический контроль предприятия-изготовителя и предназначенной для от-
31
правки заказчику, в отдельных случаях отбор проводится у продавца. На отобран-
ных образцах проверяется:
- комплектность машины, снаряжения, инструмента, наличие табличек и клейм
ОТК, пломб и прилагаемой технической документации;
- качество сборки, регулировки и отделки путем осмотра для обнаружения де-
фектов окраски, сварки, обивки, клепки, приклейки, подтеканий, трещин, коррозии
и т. п.;
- наличие предусмотренного ТУ количества масел и жидкостей в агрегатах и
узлах;
- герметичность соединений гидравлических и пневматических систем: тормо-
зов, регулирования давления воздуха в шинах, приводов навесного оборудования;
- затяжка креплений, шплинтовка;
- регулировка установки фар, зазоров в приборах зажигания (опережение впры-
ска), регуляторов напряжения, натяжения ремней, компрессия в цилиндрах двига-
теля, зазоры в клапанном механизме, ход педалей, зазоры в тормозных механиз-
мах, регулировка стояночных тормозов, люфт рулевого колеса, углы установки
управляемых колес, регулировки подшипников;
- работа на месте двигателя, приводов к навесному и вспомогательному оборудо-
ванию, тормозных систем, рулевого управления и управления другими механизмами;
- исправность тягово-сцепных устройств.
По результатам проверки составляется протокол и устраняются обнаруженные
недостатки и дефекты.
Лабораторно-дорожные испытания охватывают задачи опытной оценки номи-
нальных параметров и показателей эксплуатационных свойств, соответствие их
ТТЗ, ТУ, стандартам и другим НТД в стабильных условиях воздействия внешних
факторов.
Основной объем лабораторно-дорожных испытаний приведен в таблице 1.2.
Таблица 1.2
№ п/п Оцениваемые параметры, показатели и характеристики АТС
1 Основные наружные размеры, продольный и поперечный абрис, приспособленность к перевозкам железнодорожным, водным и воздушным транспортом
2 Основные внутренние размеры, в том числе взаимное расположение элементов рабо- чего места водителя и органов управления
3 Углы установки и поворота колес
4 Параметры кинематики подвески колес и осей
5 Заправочные объемы систем и картеров
6 Невырабатываемые остатки топлива в баках
7 Пропускная способность заливных горловин
8 Показатели массы и ее распределения по осям, положение центра масс
9 Обзорность с места водителя
10 Номенклатура, размещение и качество информации контрольных приборов и сигнализаторов
11 Эргономические показатели, усилия на органы управления
12 Качество освещения, сигнализации, предохранителей электрических цепей
32
Продолжение
Ni и/п Оцениваемые параметры, показатели и характеристики АТС
I I Баланс электроэнергии
14 Напряженность поля радиопомех
l*i Вентиляция, отопление, концентрация вредных веществ в кабине и пассажирских помещениях
III Содержание вредных веществ и дымности в отработавших газах
17 Внешний и внутренний шум
18 Погрешность счетчика пути
I'J Скоростные и тяговые свойства
.’0 Топливная экономичность и расход масла
.'1 Тормозные свойства
72 Управляемость и устойчивость
.'3 Максимальные преодолеваемые подъемы
,м Плавность хода, вибро нагруженность
Тягово-сцепные свойства и проходимость (в том числе преодоление бродов)
л> Аэродинамические свойства
»7 Водонепроницаемость кабины и кузова, герметичность узлов и агрегатов
Z’8 Загрязняемость и эффективность очистки стекол в зоне обзора
39 Гибкость (автопоездов), вписываемость в поворот (коридоры поворота)
30 Пусковые качества двигателя
31 Приспособленность к различным климатическим условиям эксплуатации, в том числе эффективность средств подготовки к движению
32 Работоспособность лебедки, самосвальной установки, навесных агрегатов и орудий
33 Пассивная безопасность
34 Эффективность противопожарного оборудования
35 Удобство посадки и высадки водителя, экипажа, пассажиров
36 Удобство погрузки и выгрузки
37 Оценка агрегатируемости, включая присоединительные детали и трудоемкость присоединения
38 Эксплуатационная технологичность
39 Приспособленность к эвакуации
40 Плавучесть (для специальных конструкций)
Из таблицы видно, что термин "лабораторно-дорожные" испытания отражает то
обстоятельство, что оцениваемые показатели и свойства могут определяться в ла-
бораториях на специальном оборудовании и стендах, на специальных площадках и
дорогах, оборудованных участках местности, в бассейнах и других сооружениях,
имитирующих условия эксплуатации. Лабораторно-дорожные испытания расширя-
ются за счет применения специальных камер, например, дождевальных, холодиль-
33
ных, коррозионных, где исследуются свойства АТС при искусственно регулируемых
воздействиях внешней среды.
Методы и способы опытной оценки параметров, показателей эксплуатационных
свойств и технических характеристик в лабораторно-дорожных испытаниях регла-
ментированы на различных уровнях, включая государственные и отраслевые стан-
дарты, РД, МУ и другие нормативные документы.
Последующие пробеговые испытания на автополигоне являются проверкой
функциональных свойств АТС при регулируемых или фиксируемых условиях, внеш-
них факторах и состояний машины.
Подготовка к ним включает загрузку машин с предусмотренным в ТУ размеще-
нием груза, сочленение с рабочими орудиями и подготовленными объектами тяги,
доставку на место и другие обеспечивающие испытания работы.
Основное содержание наиболее ответственной и информативной части испыта-
ний составляет пробег по заданным дорогам, участкам местности при различных
нагрузках (в том числе тяговой), выполнение рабочих операций в заданных услови-
ях и объеме, а также предусмотренное техническое обслуживание.
Условия испытаний нормируются протяженностью пробега, разбивкой его по
типам дорог, режимами движения, объемами эксплуатационно-технологических
операций.
В процессе пробеговых испытаний фиксируются и определяются:
- пробег и объем выполненной работы;
- отказы, поломки, неисправности, нарушения регулировки;
- время и расходы на устранение отказов;
- средние скорости движения;
- средние расходы топлива, масел и других эксплуатационных материалов;
- запас хода (продолжительность работы без дозаправки) по топливу;
- изменение физико-химических свойств масел и смазок;
- достаточность, удобство укладки и крепления комплекта возимых запчастей,
инструмента и принадлежностей (ЗИП);
- удобство и трудоемкость выполнения операций технического обслуживания;
- полнота проекта руководства по эксплуатации.
Вышедшие из строя в процессе испытаний детали, узлы и агрегаты заменяются
новыми или восстанавливаются обусловленными ремонтными средствами. Замена
узлов или агрегатов производится только при повреждении их базовых деталей.
По результатам испытаний оценивается функциональная пригодность машины,
ее надежность по показателям безотказности, долговечности (ресурсу), эксплуата-
ционной технологичности.
При полигонных испытаниях после хранения или с включением в программу интен-
сивных воздействий агрессивной внешней среды оценивается и сохраняемость АТС.
В зависимости от назначения машины оцениваются также эффективность средств
обеспечения работы в экстремальных условиях, эвакоспособность и звакопригод-
ность, соответствие другим специальным требованиям, предусмотренным в ТТЗ, ТУ.
По окончании полигонных испытаний определяется изменение тягово-динамиче-
ских показателей, производится оценка состояния агрегатов, узлов и деталей с
полной или частичной разборкой и проведением микрометражных работ, металло-
графических и других анализов.
Эксплуатационные испытания разделяются на три основных вида.
1. Опытная эксплуатация проводится специально подготовленным персоналом:
регулярный контроль и учет наработки в различных условиях, объемов выполнен-
34
ин- 1|1апспортных, погрузочно-разгрузочных работ в соответствии с назначением
машины, регистрация и анализ отказов, неисправностей и перечисление меро-
।ipiiu।ии по их устранению.
11<>д| онтрольная эксплуатация, в которой учитываются общие условия функ-
||1111|1ир<1пания и контролируется состояние объекта по документальным данным
*i ппумгирующей организации с привлечением специалистов-испытателей для по-
III ппппия достоверности информации.
I Рядовая эксплуатация у потребителя, где возможны отклонения от правил ис-
nr.ni. кт 1ния и обслуживания, а специалисты-испытатели для повседневного на-
ШНД1Ч1ИЯ не привлекаются и информация о результатах ограничивается сообще-
ниями данных, имеющихся у потребителей.
liiiiipe информативными являются первые два вида эксплуатационных испыта-
нии, кнгорые получили наибольшее распространение и методическое обеспечение.
Олыгная эксплуатация часто включается в программу определительных испыта-
нии как этап для проверки и оценки эффективности использования новой модели
ни на шачению и выявлению направлений ее совершенствования.
Подконтрольная эксплуатация расширяется путем организации опорных экспе-
римппг.шьно-производственных хозяйств с включением в их штат специалистов-
in iii.il.целей. Этот вид эксплуатационных испытаний отличается от полигонных
Ириде мнительностью (репрезентативностью) информации, так как в основу их ме-
|цдики положен отбор больших партий однотипных машин одной серии выпуска,
nnoi игельная однородность условий применения и постоянный контроль за техни-
н" ким состоянием каждого объекта. В подконтрольной эксплуатации используется
ЩН.1Я методика сбора, обработки и представления информации, что дает воз-
можность сравнительной оценки различных моделей машин, повышает достовер-
но! и. получаемых оценок, в частности, основных показателей надежности.
Ж| алуатационные испытания организуются не только у потребителей. Так, экс-
ч нутация сельскохозяйственных шасси у потребителей вследствие сезонности ра-
I и может отличаться малой годовой наработкой. Поэтому для сокращения сроков
получения информации о надежности ресурсные эксплуатационные испытания про-
—1ДШСЯ на испытательных станциях в различных климатических зонах.
Ь ряде случаев эксплуатационные испытания проводятся в транспортных подразде-
лениях завода-изготовителя, обслуживающих собственные потребности в перевозках.
В эксплуатационных испытаниях решаются следующие основные задачи:
выявление закономерности возникновения отказов в зависимости от наработки;
определение коэффициентов готовности и использования в данных условиях
применения;
определение (уточнение) критериев предельного состояния и ресурса АТС в
целом или его отдельных узлов, агрегатов, частей;
- выявление действительной потребности в запасных частях, расходов на экс-
плуатацию;
установление приспособленности к текущим и капитальным ремонтам;
выявление типичных повреждений, различных видов отказов, относительной
д< пи каждого вида в общем их числе;
статистическая оценка стоимости ремонтов и затрат на поддержание в рабо-
к пособном состоянии от начала эксплуатации и до истечения гарантийного пе-
риода, до исчерпания объявленного ресурса, до списания.
Методы эксплуатационных испытаний непрерывно совершенствуются главным
образом за счет насыщения экспериментально-производственных хозяйств диагно-
35
стическими стендами и аппаратурой. Основной недостаток эксплуатационных ис-
пытаний - длительные сроки получения информации, которые возрастают по мере
повышения надежности конструкции АТС. Преодолевается этот недостаток плани-
рованием эксплуатационных испытаний на самых ранних стадиях создания новых
моделей.
1.4. Ускоренные
и форсированные
пробеговые испытания
Длительность испытаний АТС опре-
деляется отрезком времени от начала поставки на место проведения выделенных
объектов до момента, когда полученная информация становится достаточной для
выполнения целей и задач, намеченных программой.
Основные факторы, влияющие на длительность испытаний, следующие:
- объем и организация подготовки объектов, средств и оборудования;
- план проведения;
- эффективность методов;
- режимы внешних воздействий;
- обоснованность и эффективность показателей, критериев и измерителей
свойств, определяемых при испытаниях;
- качество используемого испытательного оборудования, квалификация персо-
нала. материально-технического обеспечения;
- наличие и эффективное использование дополнительной информации об испы-
тываемых объектах.
В зависимости от этих факторов наибольшую длительность имеют эксплуатаци-
онные испытания в условиях рядового использования автомобилей у потребителей.
Сравнительно с этим видом испытаний и рассматривается их ускорение.
Ближайшими по содержанию, объему и качеству информации к испытаниям в
рядовой эксплуатации, но существенно ускоренными, являются полигонные испы-
тания.
Еще большее сокращение длительности достигается при стендовых испытаниях,
но преимущественно по отдельным элементам конструкции или характеристикам.
Эффективность этих испытаний проявляется на этапе доводки конструкции. Основ-
ным фактором ускорения стендовых испытаний является непрерывность процессов
нагружения и иных внешних повреждающих воздействий.
Ускоренные полигонные испытания дают максимальный эффект.
Оборудование современных полигонов предусматривает проведение испытаний
и стендовых, и лабораторно-дорожных, и ходовых с выполнением рабочих (техно-
логических) функций.
Для ускорения полигонных испытаний используется влияние всех перечислен-
ных выше факторов на длительность получения необходимой информации. При ла-
бораторно-дорожных испытаниях на полигоне сокращение длительности достигает-
ся уплотнением работ подготовительных и организационных, стабильностью техно-
логии и технической базы, повышением производительности труда за счет поточ-
ных методов их проведения.
Наиболее длительной частью полигонных испытаний являются пробеговые (с
выполнением рабочих функций). Сокращение времени и трудозатрат на их прове-
36
допив является определяющим направлением эффективности испытаний полно-
комплектных АТС. Реализация этого направления - повышение темпов испытатель-
ных работ — зависит от оборудования полигона.
Основным фактором ускорения испытаний на полигоне являются усиленные ре-
жимы внешних воздействий, формируемые в испытательных пробегах на специаль-
но обустроенных дорогах.
1десь следует еще раз выделить и подчеркнуть особо что при испытаниях авто-
мобильной техники решающую роль играют испытательные пробеги. Эта часть ис-
пныний дает интегральные оценки испытываемой модели - надежности, эксплуа-
। щионной технологичности, фактического проявления всех заложенных в конструк-
цию потребительских свойств, включая оценку гарантийных сроков изготовителя,
< роков службы до списания. Только в реальных пробегах окончательно оценивает-
< и пригодность данной машины для выполнения заданных функций. Поэтому эта
к и. испытаний получила самостоятельное название - пробеговые испытания.
Испытательные пробеги во всех видах испытаний по приведенной выше класси-
фикации занимают наибольшую часть времени, поглощают наибольшую часть тру-
довых и материальных затрат. Достаточно заметить, что пробеги для оценки ресур-
.1 и эксплуатационных условиях длятся более 5-6 лет.
Вместе с тем при осуществлении пробеговых испытаний возникают наиболее
ножные, трудно разрешимые проблемы. Прежде всего, это проблемы стабильно-
in условий проведения, а следовательно, и точности воспроизводимости, сопос-
ыпимости результатов Научная разработка этих проблем пробеговых испытаний
мпимает основное место в дальнейшем совершенствовании всей испытательной
р.|(и>|ы. Только решение данных проблем позволяет разработать прогрессивные
• ыпдарты на автомобильную технику, как потребительский товар, качество которо-
II. может быть окончательно подтверждено в условиях функционирования.
Несмотря на то, что потребности разработки обоснованной нормативно-техни-
'!• гкой документации на пробеговые испытания постоянно возрастают, в особенно-
। in при очевидной тенденции повышения надежности автомобильной техники, для
определения которой требуется все больше затрат, теоретические основы этой са-
мой ответственной части оценивания автомобильной техники только развиваются
11.ГЫЛО разработки теории пробеговых испытаний, как основы их оптимального
планирования, ускорения и форсирования, рациональной организации, обработки
данных и накопления результатов в расчетно-информационных системах, положено
при создании стационарных условий — автополигонов.
При этом и теория, и основанная на ней технология ускоренных и форсирован-
ных пробеговых испытаний согласуются со сложившимися традициями.
Ускоренные полигонные испытания без форсирования нагружения получили назва-
ние нормальных или рядовых. Нормальные пробеговые испытания проводятся в по-
нтонных условиях на основе традиционных порядков их осуществления, сложивших-
। ч до создания автополигонов, хотя организация их на новой базе сама по себе да-
н uia повышение темпов, сокращение сроков, более высокую стабильность условий в
। равнении с пробеговыми испытаниями на сети дорог общего пользования.
В основу планирования нормальных пробеговых полигонных испытаний кладется
исследование условий работы АТС по назначению, оценка и анализ режимов на-
ружения агрегатов, узлов и деталей в эксплуатации прототипов, аналогов. Так как
подавляющее большинство типов АТС имеют широкий диапазон случайных режи-
мов нагружения и обстоятельств движения, то для воспроизведения их на автопо-
37
лигоне подбираются типизированные условия эксплуатации. Например, для авто-
мобилей общетранспортного назначения выделяют режимы городских, магистраль-
ных и горных условий перевозки.
Для воспроизведения таким образом типизированных условий на полигоне под-
бирается комплекс дорог, соответствующих по характерным признакам (ровности,
сопротивлению качения, распределения подъемов и спусков) типизированным ус-
ловиям эксплуатации. Устанавливается регламентированный пробег с нормативны-
ми значениями средних скоростей движения на каждой испытательной дороге,
распределением по ним общего пробега в долях, чередованием движения и оста-
новок, продолжительностью перерывов (по санитарно-гигиеническим нормам труда
испытателей).
Отработка таких нормативов рядовых полигонных испытаний создает предпо-
сылки для их ускорения с помощью форсирования воздействия внешних факторов,
в первую очередь, специальных испытательных дорог интенсивного и направленно-
го нагружения, специальных испытательных каналов, камер, а также организации
пробеговых испытаний в характерных климатических зонах страны.
Традиционно складывавшееся планирование протяженности пробегов в рядовых
испытаниях различного вида имеет ряд особенностей. Так, при исследовательских
и доводочных испытаниях протяженность пробега не регламентируется. В ходе до-
водочных испытаний последовательных установочных серий этот пробег по воз-
можности увеличивается вплоть до объявляемого ресурса.
Пробег в предварительных испытаниях планируется в два этапа. Первый назна-
чается в объеме гарантируемой заводом-изготовителем протяженности, второй -
до исчерпания ресурса (до капитального ремонта). Причем, как правило, второй
этап разбивается на части, равные гарантийному пробегу В каждой части пробега
соблюдаются условия первого этапа.
При приемочных испытаниях пробег планируется обычно в объеме гарантийно-
го. При этом стремятся спланировать его проведение и в весенне-летний, и в
осенне-зимний периоды. В случаях обнаружения существенных дефектов и неясно-
сти их причин протяженность пробега может увеличиваться с изменением состава
испытательных дорог или используемых сооружений.
Пробег при инспекционных (длительных контрольных) испытаниях устанавлива-
ется в объеме гарантийного.
Краткие контрольные испытания включают пробег в объеме 10 % гарантийного
и ограничивается 3 тыс.км.
При ресурсных испытаниях пробег может планироваться в зависимости от фор-
мулировки цели: подтвердить объявленный ресурс или установить неопределенный
на момент испытаний. В первом случае он ограничен договором, во втором - кри-
териями предельного состояния АТС.
Пробеговые испытания АТС зарубежного производства планируются в зависи-
мости от поставленных целей. Для использования их в качестве аналогов или при
закупке для использования в эксплуатации программа пробега строится обычно
так же, как и для приемочных испытаний. При договорных испытаниях в интересах
заказчика пробег устанавливается оговоренными условиями.
Как показал накопленный опыт полигонных испытаний, дальнейшее повышение
темпов их проведения, сокращение сроков и затрат возможно при научно обосно-
ванном форсировании внешних воздействий на испытываемые объекты с помощью
располагаемого оборудования. Однако для обоснованного планирования форсиро-
ванных испытаний требуются более глубокие представления о закономерностях
38
1шмодеиствия объектов автомобильной техники с внешней средой, теоретиче-
. их описание и исследование, разработка новой нормативной базы. Теория
||>ор| иропанчых пробеговых испытаний и их оптимального планирования рассмат-
рии.к'И'я далее как основная предпосылка развития технологии испытаний автомо-
.1111 нои юхники.
1.5. Сертификация
и сертификационные
испытания
В условиях перехода к рыночной эко-
p.MiiKo сертификационные испытания занимают едва ли не самое ответственное
... юн сложившемся к настоящему времени комплексе испытаний автомобильной
о «ники Без преувеличения можно было бы образно назвать сертификационные
hi ПЫ1.111ИЯ "венцом" этого комплекса, поскольку они развивались на производст-
...но к'хнологической, научно-методической и нормативно-технической базе всех
иных гидов испытаний автомобильной техники.
‘Нобы представить значимость и основные особенности сертификационных ис-
1Н11.1ПИИ 1втомобильной техники, нужно рассмотреть общие положения о сертифи-
кации, формировании системы сертификации и роли испытаний в ней.
Формально сертификация состоит в предоставлении соискателю документа -
। р1ификата (или лишении ранее выданного).
<1чификат - это документ, имеющий юридическую силу удостоверения качест-
। и», ipn, а применительно к рассматриваемым объектам автомобильной техники
у» । шовившейся терминологии - удостоверение качества механических транс-
piin.ix средств, их частей, оборудования и прицепов.
ак ясно из предыдущего краткого изложения содержания различных испыта-
нии качество объектов автомобильной техники описывается множеством отдель-
< нойств. Каждое свойство выражается одним или несколькими параметрами,
так герметиками или показателями, которые в принципе могут быть измерены,
нюкупность этих показателей свойств образует показатель качества. В обоб-
> пом представлении это означает, что показатель качества есть вектор, ком-
ш игами которого являются показатели отдельных свойств, когда учитывается
и> щачимость. В частном случае, когда качество рассматривается в отноше-
нии отдельного свойства, показатель качества представляется скаляром, отве-
К1ЩИМ одной компоненте.
Уместно обратить внимание на то. что свойства объектов автомобильной техни-
>и не могут рассматриваться без учета назначения, в частности, отраженного в их
к рировании (например. М1-3; N1-3; L1-4; 01-5 по ГОСТ 22895—77. ГОСТ
1 90 - см. табл. 1.5). Поэтому одно и то же свойство для разных типов ма-
шин выражается различными количественными значениями его показателя или из-
м.'ри1епя, а при одинаковых значениях показателей для машин разного назначения
। 1ви может быть существенно отличным.
' щаегся качество условиями, которым должны удовлетворять значения показа-
и '|. й свойств. Эти условия являются критериями оценки отдельных свойств или их
травной совокупности. Проверка выполнения этих условий или соответствия
i.i'Kia установленным критериям является оцениванием свойств или в установ-
ннои совокупности - его качества.
39
Нетрудно видеть, что процесс оценивания качества включает несколько звеньев:
установление существенно важных свойств объекта с учетом его назначения, осо-
бенностей функционирования, эксплуатации; выявление эффективных показателей
этих свойств, поддающихся измерениям; выбор критериев оценки отдельных
свойств, обеспечивающих желаемый уровень качества; определение фактических
значений показателей каждого свойства и оценка соответствия их установленным
критериям.
Фактические значения показателей свойств таких сложных технических систем,
как АТС возможно получить только в эксперименте, при их функционировании, ор-
ганизованном определенным образом, т е. при испытаниях. Следовательно, осно-
ванием для оценивания качества автомобильной техники являются ее испытания,
причем в широком смысле этого понятия, включающем все перечисленные выше
звенья. Имея в виду, что исходной базой всех звеньев оценивания качества тоже
является накопленная информация по результатам испытаний, совокупность этих
звеньев часто именуют испытательным комплексом.
Возвращаясь к энциклопедическому определению сертификата, ясно, что осно-
ванием удостоверения качества его объекта являются результаты испытаний, и вся
деятельность по этому удостоверению имеет своим фундаментом целенаправлен-
ные и специально организуемые испытания.
Одним из важных аспектов удостоверения качества на основании испытаний ав-
томобильной техники является уверенность в ее оценивании. Объекты автомобиль-
ной техники используются в чрезвычайно разнообразных условиях, при разных
уровнях соблюдения правил технической эксплуатации отличаются различной вос-
приимчивостью к воздействию внешних факторов При функционировании АТС
проявляются разнообразные взаимосвязи различных свойств. Их проявление суще-
ственно зависит не только от внешних воздействий на конструкцию, но и от спосо-
ба управления. Все эти обстоятельства, складывающиеся, как правило, случайным
образом, невозможно полностью учесть при постановке испытаний. Поэтому ре-
зультатам испытаний неизбежно присущ случайный разброс Следовательно, и в
оценивании качества присутствует условность, а удостоверение его требует дого-
воренности, соглашения
Другой аспект удостоверения качества или сертификации - это общественная
потребность в ней. Необходимость удостоверения качества возникает прежде все-
го в отношениях двух сторон: изготовителя, поставщика, продавца (первая сторо-
на) и потребителя, заказчика, покупателя (вторая сторона). Интересы этих двух
сторон могут совпадать и расходиться. Обе стороны стремятся получить достовер-
ную оценку свойств продукции, поскольку с ней соотносится стоимость. Чем досто-
вернее оценка высокого качества продукции, тем более обоснованно изготовитель
устанавливает ее высокую цену, а потребитель увереннее ее приобретает.
Но, как отмечалось выше, результаты испытаний и оценки свойств подвержены
разбросу, вследствие чего возникает риск потребителя понести потери при приоб-
ретении изделий в действительности более низкого качества, чем это следует из
полученной оценки. Точно также возникает риск утраты прибыли изготовителем от
поставки изделий по цене меньшей, чем они заслуживают своим качеством
Сертификация, как удостоверение качества на основе испытаний, объективно
служит снижению этих рисков, повышению доверия сторон и соглашениям их в от-
ношениях сбыта и приобретения изделий.
В недавнем прошлом в условиях централизованного планового управления эко-
номикой сторонами отношений были министерства, управляющие изготовлением
40
чромукции. и министерства, управляющие приобретением и ее эксплуатацией. Ре-
...им о производстве и приобретении изделий принимались по результатам ис-
II и,шит обычно государственных, проводившихся с участием изготовителя и no-
il >Я|ину1я. Здесь возникавшие разногласия разрешались в совместном проведе-
... и .шапизе результатов испытаний. При положительном решении технический
:<! по испытаниям приобретал характер своего рода сертификата, признанного
< 1| ИНЫМИ
В условиях перехода к рыночной экономике, ликвидации монополизма отноше-
нии < трон существенно изменяются. Резко возрастает количество самостоятель-
ных и и оювителей и потребителей, возникает конкуренция и конкурентная борьба,
иг «пяление риска многократно возрастает, а следовательно, значимость серти-
фикат качества и достоверности его основания - испытаний - повышается для ка-
*дпи и । сторон.
С|р<*мление защитить свои интересы каждой из сторон может проявляться во
в* шеньях испытательного комплекса: в различном выборе сторонами сущест-
,|но нужных свойств продукции, их показателей, критериев оценки и в методах
.н < питаний. При этом для достижения своих целей может использоваться и неиз-
*пыи разброс результатов испытаний, и преднамеренное более выгодное какой-
nnfio । гороне построение всего испытательного комплекса.
В ыких обстоятельствах одностороннее оценивание качества и сертификация не
mi» yr решить проблемы укрепления доверия в отношениях сторон, его правового
। . । упирования, расширения международной торговли, защиты населения от вред-
ных последствий эксплуатации потенциально опасной продукции. Возникла потреб-
III и. не только в достоверном, но и в гарантированно беспристрастном оценива-
нии качества продукции и его удостоверении.
Для выполнения такой задачи на основании консенсуса двух сторон, участвую-
щих в отношениях производства и потребления, образовывается третья — незави-
имая - сторона, заключения которой признаются обеими сторонами.
В задачи третьей стороны включаются все звенья испытательного комплекса.
Применительно к оцениванию качества каждого вида однородной продукции по
и ыимному соглашению третьей стороной устанавливаются:
номенклатура свойств, достоверных для описания качества продукции;
номенклатура показателей, обоснованных научно-техническими и опытными
p.i |работками, надежно характеризующих данное свойство;
критерии оценки отдельных свойств;
- средства и методы опытного определения отдельных свойств и оценки их со-
шветствия заданным критериям.
В решении этих задач эффективным опорным материалом служат стандарты и
другая НТД, признаваемая сторонами, и метрологическое обеспечение испытаний,
как воплощение достигнутого научно-технического и технологического уровня в из-
iotobлении и контроле качества продукции.
Оценивание качества продукции по соответствию ее свойств требованиям стан-
дартов и удостоверение этого качества получили название сертификации соот-
ветствия третьей стороной.
Сертификация соответствия третьей стороной активно развивается с конца 50-х
начала ъи-х годов и особенно бурно в процессе создания Европейского экономи-
ческого сообщества (ЕЭС) и Общего рынка - с его более 350 млн. потребителей.
Le цели сформировались прежде всего как устранение технических, внетарифных
барьеров в международной торговле, обеспечение равных условий конкуренции,
41
стимулирование повышения качества продукции и усиление гарантий безопасно-
сти, охраны среды обитания при использовании, эксплуатации, потреблении сер-
тифицированных товаров. В эту работу вовлечены не только изготовители и потре-
бители, но и общественные, научно-исследовательские национальные организации,
а также Международная организация по стандартизации (ИСО), Международная
электротехническая комиссия (МЭК), Международная комиссия по сертификации
соответствия электрооборудования (СЕЕ), Генеральное соглашение по тарифам и
торговле (ГАТТ), Европейская экономическая комиссия Организации Объединенных
Наций (ЕЭК ООН) и др. Изучение и решение проблем сертификации приняло ха-
рактер самостоятельной профессиональной деятельности.
По общепризнанному определению ИСО/МЭК "сертификация соответствия
- действие третьей стороны, доказывающее, что обеспечивается необходимая
уверенность в том. что должным образом идентифицированная продукция,
процесс или услуга соответствует конкретному стандарту или другому норма-
тивному документу"
В этом определении видно множество разных элементов сертификации:
- идентификация продукции;
- доказательство ее соответствия стандарту;
- обеспечение уверенности в этом;
- установление уровня этой уверенности, считающегося необходимым и т. д.
Эти элементы находятся во взаимосвязях и определенных отношениях, которые
регламентируются при объединении в единое целое - систему сертификации.
Система сертификации является организационной системой. Вместе с тем из
определения сертификации видно, что основными ее элементами являются: испы-
тания продукции, доставляющие фундаментальные данные, и управление, процеду-
ры для оформления этих данных с целью обеспечения в конечном счете высокой
значимости и признания их всеми участниками (сторонами).
Характерно что, учитывая возникающую авторитетность результатов, на серти-
фикацию третьей стороной активно воздействуют органы государственного управ-
ления, правительства, законодательные власти, осуществляя определенную техни-
ческую, экономическую, социальную политику. В связи с этим сертификация раз-
деляется на обязательную и добровольную.
Обязательная сертификация распространяется на продукцию в НТД, на изго-
товление которой предусматриваются требования по безопасности, экологической
чистоте, охране здоровья и имущества граждан от вредных воздействий, нанесе-
ния ущерба. Обязательная сертификация вводится как непременное условие реа-
лизации продукции. Органами государственного управления устанавливаются пе-
речни продукции и изделий, подлежащих обязательной сертификации. Законода-
тельными актами устанавливаются участники обязательной сертификации, их пол-
номочия. права, обязанности, отношения.
Добровольная сертификация не предусматривает столь строгой регламента-
ции, организуется по инициативе сторон на условиях договора, преследует цели
квалифицированного и достоверного оценивания качества продукции, повышения
доверия к этим оценкам и служит улучшению качества, повышению конкурентоспо-
собности изделий.
Исходя из приведенного выше определения сертификации и ее составных эле-
ментов, объединяемых в систему, сложилась общепризнанная структура систем
сертификации. Ее основными составляющими являются: техническая служба (ис-
42
и.цельные лаборатории, центры), выполняющая фундаментальную часть работы
hi iii.il 1ния, оценку соответствия сертифицируемой продукции требованиям, и ор-
। пн । организующие функционирование системы, определяющие процедуры
формл< иия и порядок действий, осуществляющие контроль, надзор и управление
при ныдлче сертификатов.
'l.iciiibie особенности, специфичность изготовления и эксплуатации различных
и щ| 1ии отражаются в создании систем сертификации однородной продукции.
Н общем случае построение и функционирование отечественных систем серти-
|шк ции определяется документом Госстандарта России "Общие правила и реко-
мендации по сертификации в Российской Федерации (Система сертификации
||>(1 Р)" В нем изложены:
।)(>щие г эложения, где устанавливаются цели, принципы и правила националь-
ппи < |иификации, ее правовые основы, содержание используемых терминов и по-
II пни, критерии образования систем, правила и действия участников системы;
||>|‘6свания к Органу по сертификации и порядок его аккредитации (предос-
...... полномочий);
ци-бования к испытательной лаборатории и порядок ее аккредитации;
цн’бования к экспертам-аудиторам и порядок их аккредитации;
порядок проведения сертификации;
хранила ведения Государственного Реестра - документа государственного уче-
। у ыс'тиков и объектов сертификации, удостоверяющего результаты сертифика-
ции и аккредитации.
ни положения полностью гармонизированы с рекомендациями международ-
ник пр|анизаций (ИСО/МЭК) касающихся деятельности в области сертифика-
ции I11 приведенного перечня разделов основополагающего документа видно,
и » пп.ко сложная система образуется для того, чтобы испытания, в которых оп-
д| ПЯР1СЯ фактическое качество изделий и его соответствие устанавливаемым
цн Гшнаниям. отвечали определению сертификации или стали сертификационны-
ми бычимость сертификационных испытаний еще более наглядно проявляется
itimi принятых схемах сертификации, приведенных в табл. 1.3. Из этих схем
ипдпп, чю в функционирующей системе сертификации испытания не только да-
пониния для выдачи сертификата, но и обеспечивают уверенность в нем,
и. кильку являются основой инспекционного контроля производства сертифици-
IlilllHOH продукции.
И< пы гания автомобильной техники сыграли фундаментальную роль в первой
1Д1ЧИЮИ Государственным органом управления в Российской Федерации систе-
мы 1ч>|ификации. В ней объектами сертификации являются автомобили, автобу-
| | ц>оллейбусы, электромобили, мотоциклы, мопеды, прицепной состав, их сс-
ыпные части, предметы оборудования и принадлежности. Приоритетность ввода
и hi иг тие Госстандартом России этой системы объясняется прежде всего потен-
Ц11.1111.11ОИ опасностью ее объектов. Достаточно обратить внимание на тенденцию
ннуклоппого увеличения числа жертв в дорожно-транспортных происшествиях
1110, связанных с эксплуатацией автомобильной техники: в 1986 г. - число погиб-
ших (юнее 20 тыс. человек, в 1990 г. - 35 тыс. человек, за 1991 г. - более 37 тыс.,
...... полугодие 1992 г. - 20 тыс. Отчетливо проявляется тенденция роста ко-
НИЧ1Ч iii.i дорожно-транспортных происшествий и тяжести их последствий. В 1994
। дорогах России в автомобильных катастрофах погибло более 35 тыс. человек,
>инч 189 тыс. получили тяжкие увечья и стали инвалидами.
43
Таблица 1 3
Номер схемы Способ оценивания соответствия требованиям Проверка производства Надзор за соответствием сертифицированной продукции
1 Испытания типа*
2 Испытания типа Периодические испытания образцов, взятых в торговле
2а Испытания типа Анализ состояния производства То же
3 Испытания типа Периодические испытания образцов, взятых у изготовителя
За Испытания типа Анализ состояния производства То же
4 Испытания типа U к
4а Испытания типа Анализ состояния производства п П
5 Испытания типа Сертификация производства или сертификация системы качества изготовителя Контроль стабильности производства и функцио- нирования системы качества.
6 Сертификация системы качества изготовителя Контроль за стабильностью производства и функциони- рования сис- темы качества
7 Испытания партии
8 Испытания каждого образца
Испытания типового представителя совокупности продукции с целью распространения резуль-
татов испытаний на всю совокупность;
Примечания: 1. Схемы 1-8 приняты в зарубежной и международной практике и квалифи-
цированы ИСО. Схемы 2а, За и 4а приняты в Системе ГОСТ Р дополнительно и являются моди-
фикацией соответственно схем 2, 3 и 4. В Системе ГОСТ Р может применяться схема сертифи-
кации, основанная на заявлении-декларации изготовителя, если это определено в порядке сер-
тификации конкретной продукции.
2. Необходимость, место отбора образцов и объем периодических испы-
таний (образцов) в схеме 5 сертификации определяет орган по сертификации однородной
продукции в зависимости от результатов инспекционного контроля за сертифицированным
производством.
44
Оперативной разработке и быстрому вводу в действие системы сертификации
.нпомобильной техники способствовали два основных фактора. Первый - высокий
уровень разработки стандартов в отечественном автомобилестроении. На протяже-
нии длительного времени большое количество научно-исследовательских и опыт-
но-конструкторских работ сосредоточенно направлялись на повышение техническо-
к> уровня продукции, что влекло за собой углубленную разработку проблем оценки
1ксплуатационных свойств выпускаемых и проектируемых машин, возникающих в
< вязи с огромным разнообразием условий их использования, сложностью рабочих
процессов, множеством требований функционального соответствия различным
|ранспортным процессам. Концентрация внимания на этих проблемах обеспечива-
II. выработку прогрессивных единообразных показателей свойств, критериев их
оценки, средств и методов определения их фактических значений. В этой работе
особенно настойчиво развивались области безопасности и экологичности АТС.
благодаря целенаправленной организации работ в отрасли в 70-80-х годах создан
пакет стандартов государственного и отраслевого уровня, практически охватываю-
щий все типы механических транспортных средств по всем показателям их
I ноиств.
Одновременно развивалась централизованная система обязательных строго пе-
риодических разносторонних испытаний автомобильной техники, причем на единой
( нециально оснащаемой передовой технической и научно-исследовательской базе.
.)ю обеспечило высокий уровень разработки хорошо обоснованной нормативно-
методической документации фундаментальной части оценивания качества продук-
ции автомобилестроения - ее испытаний - прежде всего на созданном и занимаю-
щем одно из ведущих мест в Европе по оснащенности, компетентности и квалифи-
кации Центральном автополигоне (ныне Научно-исследовательский центр по испы-
1ниям и доводке автомототехники - НИЦИАМТ)
Второй фактор быстрого ввода в действие национальной системы сертификации
.нпомобильной техники связан с организацией в отрасли постоянного изучения за-
рубежного опыта работы в области стандартизации и сертификации автомобиль-
ной техники. Одним из результатов этого явилась существенная гармонизация па-
кета отечественных стандартов с международными и национальными стандартами
передовых технически развитых в части автомобилестроения стран, а также между-
народными Правилами по оценке автомобильной техники.
Как известно, под эгидой ЕЭК ООН в марте 1958 г. было заключено Женевское
. оглашение о принятии единообразных условий официального утверждения и о
к 1аимном признании официального утверждения предметов оборудования и частей
механических транспортных средств, а в 1968 г. - Венская конвенция о дорожном
движении.
К данному соглашению разрабатываются и прилагаются номеруемые Правила,
которые именуются как Единообразные предписания, касающиеся официального
утверждения транспортных средств в отношении, либо отдельного свойства (на-
пример, Правила Ns 13 - в отношении торможения), либо в связи с внешним про-
явлением свойств (например. Правила № 9 - в связи с производимым шумом), ли-
бо в отношении конструктивных параметров (например. Правила № 26 - в отноше-
нии наружных выступов). При этом отдельные Правила предусматривают офици-
альные утверждения типа транспортного средства только в отношении регламен-
тируемого им свойства, характеристики, части конструкции и указывают сущест-
венные аспекты различий, отсутствие которых позволяет относить различные АТС к
45
одному типу в отношении регламентируемого свойства. Каждое Правило вклю-
чает область применения, определение терминов, содержание, нормативы, методы
испытаний, процедуры и оформление документов вплоть до формы сообщения, ка-
сающегося официального утверждения типа транспортного средства в отношении
регламентируемого этим Правилом свойства (т.е. сертификата соответствия) и
схемы знака для маркировки сертификационного изделия, показанного в качестве
примера на рис. 1.5.
11R- 022439
Рис. 1.5. Знак официального утверждения данного типа транспортного средства в стране, рати-
фицировавшей Женевское соглашение 4-й по списку (Нидерланды), на основании испытаний по
соответствию Правилам ЕЭК ООН № 11 с серией поправок 02 (в отношении прочности дверных
замков и креплений дверей), зарегистрированный под номером последних четырех цифр.
В Правилах по существу отражена и структура, и функционирование системы
сертификации согласно рекомендациям ИСО/МЭК.
Специалисты отечественного автомобилестроения участвовали в этой работе и
в результате СССР (1987 г.), а затем его правоприемник Россия присоединились к
Женевскому соглашению 1958 г. как 22-я страна-участница. В рамках этого согла-
шения аккредитован и зарегистрирован Административный орган (НАМИ) и техни-
ческие службы (НИЦИАМТ, НПО "Автоэлектроника", НиИШП, ИЦ "Стеклосертифи-
кат”), уполномоченные производить официальные испытания и предусмотренные
Правилами действия для выдачи сертификата соответствия (сообщения об офици-
альном утверждении типа механических транспортных средств) требованиям тех
Правил, о применении которых в России заявлено секретарю ООН (в настоящее
время более 60).
Таким образом, ко времени установления прежде всего обязательной сертифи-
кации товаров и услуг Законом Российской Федерации “О защите прав потребите-
лей" 7 февраля 1992 г в автомобильной отрасли машиностроения была подготов-
лена основа для разработки и ввода в действие системы сертификации: гармони-
зированные стандарты на автомобильную технику, нормативно-техническая доку-
ментация на ее испытания, техническая база испытаний, опыт участия в междуна-
родной деятельности по сертификации. Кроме того, в порядке подготовки к серти-
фикации товаров и услуг Госстандартом России был составлен методический доку-
мент "Система сертификации ГОСТ", определивший общие положения сертифика-
ции на национальном уровне в соответствии с международным опытом.
Опираясь на эти предпосылки, была оперативно разработана и постановлением
Госстандарта России от 1 апреля 1992 г. № 1 утверждена первая "Система серти-
фикации механических транспортных средств и прицепов", действовавшая до 31
марта 1993 г. За время ее действия собраны предложения от предприятий-изгото-
вителей, потребителей, испытательных организаций, зарубежных фирм, занимаю-
щихся реализацией на территории России автомототехники. После обобщения этих
предложений и согласования с заинтересованными сторонами разработана новая
редакция и постановлением Госстандарта России от 31 марта 1993 г. № 7 утвер-
46
*дена и введена в действие с 1 июля 1993 г "Система сертификации ГОСТ Р.
игн>ма сертификации механических транспортных средств и прицепов" (рис. 1.6).
Рис 16 Структура и функционирование системы сертификации механических транспортных
|1'‘ДСТВ
Полное описание принятых в ней определений и терминов, целей и условий, со-
ыва участников, правил, обязанностей, ответственности, порядка, форм докумен-
IOU, установленных процедур содержится в официальном издании. Здесь же оста-
новимся на особенностях ее фундамента - испытаний объектов сертификации
Прежде всего необходимо отметить высокую значимость и статус сертификаци-
онных испытаний как основания для выдачи сертификата. Это следует из законода-
юльства. Автомобильная техника, в стандартах на которую установлены требова-
ния, направленные на обеспечение безопасности жизни, здоровья потребителей и
охраны окружающей среды, предотвращение причинения вреда имуществу потре-
бителей согласно п.З Ст 5 Закона Российской Федерации "О защите прав потре-
бителя” подлежит обязательной сертификации, Согласно Ст. 13 Закона Российской
Федерации "О сертификации продукции и услуг" изготовители (продавцы, испол-
47
нители) автомобильной техники, как подлежащей обязательной сертификации, обя-
заны реализовать ее только при наличии сертификата. Согласно п.4 Ст.7 того же
Закона запрещается рекламировать автомобильную технику, не имеющую серти-
фиката соответствия. Наконец, по официальному Порядку сертификации механиче-
ских транспортных средств сведения об одобрении типа транспортного средства
заносятся в паспорта на каждую выпущенную единицу для предъявления в Госав-
тоинспекцию при постановке транспортного средства на учет. Следовательно, сер-
тификационные испытания есть первая предпосылка соблюдения действующих за-
конов Значимость этих испытаний определяется и процедурами в системе.
На основании протокола испытаний и оценки соответствия испытанного транс-
портного средства требованиям стандартов или Правил ЕЭК ООН. а также провер-
ки стабильности производства, в которой участвует испытательная лаборатория
Органом по сертификации оформляется и выдается сертификат соответствия или
по их совокупности Одобрение типа, а также предоставляется право изготовителю
обозначить свою продукцию установленным знаком того, что выпускаемое транс-
портное средство (его часть, принадлежность) соответствует установленным требо-
ваниям (рис. 1 7).
0000
Рис 1.7 Образец знака соответствия в национальной системе сертификации России по ГОСТ Р.
Объем сертификационных испытаний определяется, исходя из установленного в
системе перечня технических требований к различным механическим транспортным
средствам, приведенным в табл. 1 4, и заявки изготовителя на сертификацию *.
Необходимо отметить, что этот полный перечень определяет объем испытаний
для выдачи Одобрения типа транспортного средства со сроком его действия до
трех лет и возможной пролонгацией. По отдельной заявке и договору сертифика-
ционные испытания могут проводиться и в объеме одного или нескольких техниче-
ских требований из приведенного перечня для последующего получения сертифи-
ката соответствия этим требованиям.
Для получения Одобрения типа со сроком действия до одного года в системе
предусмотрен минимальный перечень технических требований, обязательных в
1993-1995 гг., (табл. 1.5), в соответствии с которым объем сертификационных ис-
пытаний значительно сокращается.
* Система сертификации ГОСТ Р Система сертификации механических транспортных средств и
прицепов. - М.: Издательство стандартов, 1993.
48
4
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств на которые распространяются технические требования Национальные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
1 Фары ближнего и дальнего света R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 — — — — — ГОСТ 3544 — 75 ГОСТ 2023.1 — 88
2 Световозвращатели R3 R3 R3 R3 R3 R3 R3 R3 R3 R3 — ГОСТ 20961 — 75
3 Фонари для освещения заднего номерного знака R4 R4 R4 R4 R4 R4 R4 R4 R4 R4 —
4 Указатели поворота R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6 R6 ГОСТ 10984 — 74
5 Габаритные огни, стоп-сигналы R7 R7 R7 R7 R7 R7 R7 R7 R7 R7 — ГОСТ 10984 — 74
6 Уровень внешнего шума трех- колесных транспортных средств — — — — — — — — — R9 (только для L4—5)
7 Уровень радиопомех R10 R10 R10 R10 R10 R10 — — — — R10 ГОСТ 17822 — 78
8 Замки и петли дверей R11 — — R11 — — — — — — — ГОСТ 28443 — 91 ОСТ 37.001.032-72 ОСТ 37.001.033-72
9 Т равмобезопасность рулевого управления R12 — — — — — — — — — — ГОСТ 28691 — 90
10 Тормозные системы R13 R13 R13 R13 R13 R13 R13 R13 R13 R13 — ГОСТ 22895 — 77
11 Места крепления ремней безопасности R14 R14 R14 R14 — — — — — — — ГОСТ 21015 —88
12 Ремни безопасности R16 R16 R16 R16 — — — — — — — ГОСТ 18837—89
13 Прочность сидений и их креплений R17 — — — — — — — — — — ГОСТ 28262 — 89
14 Противоугонные устройства R18 R18 R18 R18 R18 R18 — — — — —
Продолжение
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Национальные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
15 Передние противотуманные фары R19 R19 R19 R19 R19 R19 — — — — —
16 Т равмобезопасность внутреннего оборудования R21 —
17 Шлемы для мотоциклистов — R22 ГОСТ 28889-90
18 Фонари заднего хода R23 R23 R23 R23 R23 R23 R23 R23 R23 R23 — ГОСТ 10984-74
19 Дымность автомобилей с дизельными двигателями R24 R24 R24 R24 R24 R24 — — — — — ГОСТ 17.2.2.01—84
20 Подголовники сидений R25 R25 R25 R25 R25 R25 — — — — — ГОСТ 24309-90
21 Травмобезопасность наружных выступов R26 — ГОСТ 28557—90
22 Предупреждающие треугольники R27 R27 R27 R27 R27 R27 — — — — R27 ГОСТ 24333—80
23 Звуковые сигнальные приборы и их установка R28 R28 R28 R28 R28 R28 — — — — —
24 Защитные свойства кабин грузовых автомобилей — — — — R29 R29 — — — — —
25 Пневматические шины R30 R30 — — — — R30 R30 — — —
26 Защитные свойства кузова легкового автомобиля при наезде сзади R32 — — — — — — — — — —
27 Защитные свойства кузова легкового автомобиля при фронтальном столкновении R33 — — — — — — — — — —
28 Пожарная безопасность легковых автомобилей R34 — — — — — — — — — — ГОСТ Р 50464—93
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Национал ьные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
29 Расположение педалей управления легкового автомобиля R35 — — — — — — — — — — ГОСТ 24350-88
30 Автобусы — — R36 — — — — — — — — ГОСТ 27815—88
31 Лампы накаливания R37 R37 R37 R37 R37 R37 R37 R37 R37 R37 — ГОСТ 2023.1-88
32 Задние противотуманные фары R38 R38 R38 R38 R38 R38 R38 R38 R38 R38 — ГОСТ 10984-74
33 Спидометры R39 R39 R39 R39 R39 R39 — — — — R39 (только для L3—5)
34 Отработавшие газы мотоциклов — R40 (только для L3—5)
35 Шум мотоциклов — R41 (только для L3)
36 Бамперы R42 —
37 Безопасные стекла R43 R43 R43 R43 R43 R43 — — — — — ГОСТ 5727—88
38 Зеркала заднего вида и их установка R46 R46 R46 R46 R46 R46 — — — — —
39 Отработавшие газы мопедов — R47 (только для L1—2)
40 Установка устройств освещения и световой сигнализации R48 R48 R48 R48 R48 R48 R48 R48 R48 R48 — ГОСТ 8769—75
41 Токсичность дизельных двигателей — R49 R49 — R49 R49 — — — — —
42 Осветительные устройства мотоциклов — R50 ГОСТ 10984-74
43 Шум автомобилей R51 R51 R51 R51 R51 R51 — — — — — ГОСТ 27436—87
44 Маломестные автобусы — R52 — — — — — — — — — ГОСТ 28345—89
Продолжение
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Национальные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
45 Установка устройства освещения мотоциклов — R53
46 Шины транспортных средств — R54 R54 R54 R54 R54 — R54 R54 R54 —
47 Сцепные устройства транспортных средств — — — — R55 R55 — — R55 R55 — ГОСТ 2349-75
48 Задние защитные устройства грузовых транспортных средств и их прицепов — — — — R58 R58 — — R58 R58 — ГОСТ 29120-91
49 Органы управления мотоциклов — R60 (только для L3, 4) ГОСТ Р 50113—92
50 Наружные выступы транспортных средств неиндивидуального пользования — — — R61 R61 R61 — — — — — ГОСТ 28559—90
51 Противоугонные устройства мотоциклов — R62
52 Шум мопедов — R63 (только для L1)
53 Прочность крыши автобусов — R66 R66 — — — — — — — —
54 Оборудование для работы на сжиженном нефтяном газе R67 R67 R67 R67 R67 R67 — — — — —
55 Боковая защита — — — — R73 R73 — — R73 R73 —
56 Тормозные свойства мотоциклов — R78 ГОСТ 28429—90
57 Рулевое управление R79 R79 R79 R79 R79 R79 — R79 R79 R79 —
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Национальные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
58 Выделение загрязняющих газообразных веществ двигателями внутреннего сгорания R83 н Н R83 н н — — — — — ГОСТ 17.2.2.03—87 ОСТ 37.001.070-75
59 Внутренний шум н н Н Н н н — — — — — ГОСТ 27435—87
60 Вентиляция и отопление н н н н н н — — — — — ОСТ 37 001.413—86 (кроме М1, N1) ОСТ 37 001.482—88 РД 37.001.018—84
61 Содержание вредных веществ в салоне и кабине н н н н н н — — — — — ГОСТ 12.1.005—88 РД 37.031.015—80
62 Управляемость и устойчивость н н н н н н н н н н ГОСТ 3163-76 (только для О) ОСТ 37.001.471—88 (кроме L) ОСТ 37.001.487—89 РД 37.001.005—86
63 Обзорность автотранспортных средств н н н н н н — — — — — ГОСТ 28070—89
64 Сменные системы глушителей R59 — — R59 — — — — — — — ГОСТ 28359-89
65 Стеклоочистители н н н Н н н — — — — — ГОСТ 18699-73
66 Топливная экономичность н R.34 н R84 н R84 н R84 н R84 н R84 — — — — н R84 ГОСТ 20306—90
67 Пусковые свойства двигателя Н Н Н Н Н Н — — — — — ОСТ 37 001.052—87 ОСТ 37.001 066—85
68 Пылеводонепроницаемость н Н Н Н н н — — — — — ОСТ 37.001.248—86
Продолжение
№ п/п Технические требования или объекты регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Национальные нормативные документы
М1 М2 М3 N1 N2 N3 01 02 03 04 L1 — L5
69 Баланс электроэнергии н Н Н Н Н Н — — — — — ОСТ 37.003.034—77
70 Проходимость, угол подъема н н н н Н н — — — — — ТУ на конкретную продукцию
71 Приспособленность к различным климатическим условиям н н н н Н н — — — — — ГОСТ 15150-69 ОСТ 37.001 481—88 ОСТ 37.001.482—88
72 Измерение максимальной скорости н R68 н н н R68 Н н — — — — — ГОСТ 22576—90
73 Мощность двигателя R85 R85 R85 R85 R85 R85 — — — — —
Примечания: 1. Индексом R обозначаются соответствующие Правила ЕЭК ООН, к которым Российская Федерация присоединилась или требова-
ния которых она применяет. Индексом Н обозначаются национальные нормативные документы, которые указаны в последней графе таблицы.
2. Классификация транспортных средств — по ГОСТ 22895—77 ГОСТ 28429—90 и "Сводной резолюции по конструкции транспорт-
ных средств”, документы TRANS/SC1/WP29/78/Amend 1.
Таблица 1.5
№ п/п Технические требования или объект регламентации Категории транспортных средств, на которые распространяются технические требования Наименование и номер нормативного документа
1 Тормозные свойства или тормозные системы М, N, О L Правила № 13 ЕЭК ООН ГОСТ 22895-77 ОСТ 37.001.067-86 Правила № 78 ЕЭК ООН ГОСТ 6253-78 ГОСТ 28429-90 ОСТ 37.004.008-78
2 Выделение загрязняющих га- зообразных веществ с отработавшими газами дви- гателей внутреннего сгорания М1, N1 М2, М3, N2, N3 L Правила № 83 ЕЭК ООН Правила № 15 ЕЭК ООН ГОСТ 17.2.2.03-87 ОСТ 37.001.054-86 Правила № 49 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.070-75 ОСТ 37.001.234-81 Правила № 40 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.262-83 Правила № 47 ЕЭК ООН ОСТ 37.004.013-83
3 Дымность отработавших газов транспортных средств с ди- зельными двигателями М, N Правила № 24 ЕЭК ООН ГОСТ 21393-75 ГОСТ 17.2.2.01-84
4 Внешний шум М, N L Правила № 51 ЕЭК ООН ГОСТ 27436-87 Правила №№ 9, 41, 63 ЕЭК ООН ОСТ 37.004.022-85
5 Внутренний шум М, N ГОСТ 27435-87
6 Содержание вредных веществ в салоне и кабине М, N ГОСТ 12.1.005-88 РД 37.031.015-80
7 Установка устройств освещения и световой сигнализации М, N, О L Правила № 48 ЕЭК ООН ГОСТ 8769-75 Правила № 53 ЕЭК ООН ОСТ 37.003.038-77
8 Травмобезопасность рулевого управления* М1 Правила № 12 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.017-70
9 Места крепления ремней безопасности М1 Правила № 14 ЕЭК ООН ГОСТ 21015-88
10 Ремни безопасности* М1 Правила № 16 ЕЭК ООН ГОСТ 18837-89
11 Защитные свойства кузова легкового автомобиля при фронтальном столкновении М1 Правила № 33 ЕЭК ООН ОСТ 37.001.263-83
* Испытательная лаборатория может в индивидуальном порядке признать протоколы испытаний,
проведенных более чем за 12 месяцев, предшествующих выдаче заключения.
Требования не распространяются на автомобили повышенной проходимости
55
Примечания: 1. Конкретный Перечень технических требований устанавливается Органом
по сертификации при сертификации конкретного типа транспортного средства, но не менее ука-
занных в таблице.
2. Перечень распространяется только на автомобили серийного производства.
Рассматривая объемы сертификационных испытаний, необходимо обратиться
к схемам сертификации, приведенным в табл. 1.3. В Системе сертификации ав-
томобильной техники приняты кроме испытаний, являющихся основой для выда-
чи сертификата или Одобрения типа, испытания образцов сертифицированной
продукции, взятых у изготовителя в рамках инспекционного контроля. Это в сущ-
ности означает реализацию схемы За в части надзора за сертифицированной
продукцией.
Однако объем инспекционных испытаний может не совпадать с объемом испыта-
ний типа (например, по количеству образцов для оценки стабильности производства).
Необходимый объем инспекционных испытаний для обеспечения уверенности в
том. что качество серийной продукции соответствует выданному сертификату или
Одобрению типа, зависит от результатов анализа состояния производства, преду-
смотренного в системе, располагаемой информации по ранее проведенным испы-
таниям и других обстоятельств.
Для отдельных технических служб (лабораторий, центров) объем сертификаци-
онных испытаний ограничивается также номенклатурой показателей, предусмот-
ренных в стандартах, Правилах, на определение которых они аккредитованы. На-
пример. полномочия технических служб, аккредитованных в России для проведения
сертификационных испытаний по правилам ЕЭК ООН, ограничены так, как показано
в табл. 1.6.
Таблица 1 6
Техническая служба Системы сертификации механических транспортных средств Номера Правил ЕЭК ООН, для испытания по которым аккредитована техническая служба
НИЦИАМТ (Центральный автополигон) 9, 10 15, 17.18, 21, 24. .26, 28, 29, 26 32. 39...42, 46, 47 .49. 51...53, 55, 58, 60. .63, 66 68, 73, 78. 79. 83.
НПО “Автоэлектроника” 1, 3...8, 19, 20, 23, 28, 31.38, 50, 56, 57, 72, 76, 82.
ниишп 30, 54
Сертификационные испытания отличаются повышенной требовательностью и
регламентацией используемых методов, оборудования и аппаратуры, отражаемых в
НТД на испытания. Это предусматривается в условиях аккредитации испытатель-
ных лабораторий (центров). Как известно, аккредитуемые лаборатории подбирают-
ся по признакам компетентности в области испытаний тех свойств, на оценивание
которых они уполномочиваются, что становится известным из информации о их по-
вседневной испытательной деятельности. Нормативно-техническая документация
на проводимые такими лабораториями испытания обычно разрабатывается непо-
средственно в испытательных центрах и аттестуется на отраслевом уровне. Для
сертификационных же испытаний эта НТД дополнительно оценивается на соответ-
ствие требованиям, которые предусматриваются в стандартах или Правилах ЕЭК
ООН. Поэтому даже в том случае, когда ранее аттестованная НТД на испытания со-
гласуется с требованиями Правил, обычно разрабатывается и вводится в действие
56
отдельный руководящий документ о порядке применения программ, методик, обо-
рудования, используемых в разных других видах испытаний, для проведения серти-
фикационных испытаний по каждому Правилу или требованию стандарта
В общем случае критериями оценки НТД на сертификационные испытания авто-
мобильной техники являются достоверность получаемых результатов, возможные
погрешности измерений оцениваемых показателей, степень воспроизводимости
условий и результатов при повторении опытов. Назначение этих критериев зависит
от располагаемых оборудования и средств измерений, составляющих технологиче-
скую базу производства испытаний. В частности, применительно к специальным
сооружениям для испытаний автомобильной техники важна не только их конструк-
тивная приспособленность, но и возможность поддержания их основных характери-
стик в стабильном состоянии, например, для испытательных дорог — характеристик
микропрофиля (ровности), сцепных свойств покрытия и др. Применительно к сред-
ствам измерений необходимо соответствие между метрологическими характери-
стиками (точности, чувствительности, разрешающей способности) и значениями
измеряемых в сертификационных испытаниях показателей, указанными в Правилах
или стандартах, а также допускаемыми их отклонениями. Для сертификационных
испытаний требуется либо НТД на поверку и калибровку средств измерений, либо
гарантированная возможность их контроля и аттестации уполномоченными органа-
ми метрологической службы.
Организация сертификационных испытаний автомобильной техники формально
регламентирована в системе: от формы подачи заявления-декларации соискателем
сертификата до выдачи протокола о результатах испытаний представленного объ-
екта. Внутренняя организация сертификационных испытаний в лаборатории, цен-
ipe, включая план испытаний, отбор и количество образцов, критерии прекраще-
ния испытаний последовательность экспериментов, процедуры обработки данных,
правила принятия заключения и другие подробности, отражается в аттестованной
НТД.
Сертификационные испытания отличаются также предъявляемыми при аккреди-
|ации требованиями к персоналу испытателей, включая основное образование,
ученые степени, стаж работы, опыт проведения испытаний и другие квалификаци-
онные и профессиональные данные.
Еще одна важная особенность сертификационных испытаний вытекает из при-
надлежности испытательной лаборатории (центра) к третьей стороне, обеспечи-
вающей независимость заключений.
Характерно, что если при проведении иных видов испытаний комиссиями, в том
числе и государственных, практикующееся привлечение технического персонала
изготовителя (например, водителей-испытателей, контролеров в пробегах и др.)
считалось не противоречащим целям испытаний, то при сертификационных испы-
таниях такая практика строго ограничена.
В руководстве ИСО/МЭК 38 подчеркивается самостоятельное проведение лабо-
раторией (технической службой, центром) сертификационных испытаний и подроб-
но регламентируется возможное участие заказчика испытаний (его представителя)
допуском: для наблюдения только за проводимыми для него испытаниями; для
подготовки, упаковки и отправки испытательных образцов, для участия в проверках
возможностей испытательной лаборатории.
Как видно из рис. 1.6, отчетность при сертификационных испытаниях в Системе
сертификации автомобильной техники установлена в форме протоколов с изложе-
нием результатов Особенность ее состоит, во-первых, в адресности представле-
57
ния - только заказчику испытаний и Органу по сертификации, с соблюдением кон-
фиденциальности. Во-вторых, несмотря на протокольную форму к отчетным мате-
риалам предъявляются требования четкости, завершенности, единообразия, ис-
ключения возможности неправильного толкования приводимых данных о результа-
тах испытаний, исключения недопонимания или пропуска полученной информации
о свойстве объекта, соответствие которого требованиям оценивалось в испытани-
ях. В-третьих, отчетные материалы о сертификационных испытаниях не должны со-
держать рекомендаций или предложений рекомендательного характера, вытекаю-
щих из полученных результатов (Рекомендация ИСО/МЭК 48).
В самом общем, но весьма выразительном виде характеристика сертификаци-
онных испытаний дается в Рекомендациях ИСО/МЭК 38: "В основе оценки прием-
лемости работ в области испытаний лежит компетентность, беспристрастность и
честность. Потребители, пользующиеся услугами испытательной лаборатории,
должны руководствоваться именно этим в своем выборе".
Соблюдение этих принципов - самая надежная гарантия признания результатов
сертификационных испытаний и эффективного использования их результатов все-
ми участниками Системы сертификации механических транспортных средств и
прицепов.
1.6. Метрологическое
обеспечение испытаний
При испытаниях автомобильной тех-
ники используется разнообразная аппаратура и приборы. Номенклатура привле-
каемых измерительных средств постоянно увеличивается по мере ужесточения и
расширения предъявляемых к АТС требований и необходимости измерения как
воздействующих внешних факторов, так и параметров рабочих процессов. Задача
выбора средств измерений при испытаниях АТС состоит в том, чтобы максимально
приблизить их характеристики к создающимся условиям, в том числе и экстре-
мальным Однако при этом одновременно решается задача оптимизации выбора,
отражающего компромисс между разрешающей способностью, чувствительностью,
точностью аппаратуры и стоимостью ее, затратами на оборудование, установку и
т.п. Отражается этот компромисс в обязательных разделах нормативно-техниче-
ской документации на испытания - метрологическом обеспечении. Применяемую
при испытаниях автомобильной техники измерительную и регистрирующую аппара-
туру условно можно разделить на две категории: общего назначения, серийно вы-
пускаемую промышленностью, и специального назначения, изготовляемую индиви-
дуально или небольшими партиями целенаправленно только для испытаний авто-
мобилей. Условность такого разделения объясняется тем, что во многих случаях в
измерительные комплексы для испытаний автомобилей соединяются воедино и ап-
паратура общего назначения, и специально сконструированные приборы, или в
специальные измерительные устройства для автомобилей встраиваются приборы
общего назначения.
Аппаратура общего назначения, выпускаемая промышленностью и используемая
при испытаниях АТС. группируется по способу преобразования измеряемых в ра-
бочих процессах механических, тепловых, акустических величин в значительно про-
ще регистрируемые электрические величины. Применяются тензорезисторные пре-
образователи для оценки напряжений в материале, сил, моментов, деформаций;
58
пьезоэлектрические преобразователи - для ударных воздействий, давлений; индук-
ционные и емкостные преобразователи - для оценки относительных перемещений;
омические (реохордные) - для оценки линейных и угловых относительных переме-
щений. Эти преобразователи включаются в электрические схемы совместно с уси-
лительными приборами различного принципа действия, источниками питания, ком-
мутационными устройствами. Для измерений деформаций, сил, моментов и напря-
жений на вращающихся деталях используются токосъемные устройства различных
типов: контактные (с сухими и жидкостными контактами) и бесконтактные (емкост-
ные, трансформаторные, радиотелеметрические). Для регистрации наблюдаемых
величин используются самописцы, осциллографы, магнитографы, перфораторы,
цифропечатающие устройства, счетчики импульсов, скоростные кинокамеры. Вклю-
чаююя также приборы, предварительно обрабатывающие наблюдаемые рабочие
процессы и регистрирующие результаты этой обработки (классификаторы, анали-
заторы, накопители)
При комплектации аппаратуры общего назначения включаются также устройства
для ее прямой или косвенной калибровки (например, для прямой калибровки тен-
зорезисторов - балки равного сопротивления с нагружателем, для их косвенной
калибровки - специальные генераторы прямоугольных импульсов).
Приборы и аппаратура общего назначения используется в испытаниях АТС как
автономно, так и встроенно в элементы конструкции при лабораторных испыта-
ниях на стендах и ходовых испытаниях на испытательных дорогах, сооружениях и
местности.
Общие требования к аппаратуре общего назначения - достаточная чувствитель-
ность и разрешающая способность, стабильность показаний (ограничение или ис-
ключение дрейфа нуля), возможно малая погрешность измерения. При использова-
нии аппаратуры общего назначения в устройствах для ходовых испытаний к ней
предъявляются дополнительные требования компактности, нечувствительности к
внешним воздействиям колебаний и вибраций, изменений температуры и влажно-
сти окружающего воздуха, его запыленности, возможность питания от бортовой
электрической сети.
Измерительное оборудование и аппаратура специального назначения отражает
в своей конструкции специфику и номенклатуру эксплуатационных и потребитель-
ских свойств, оцениваемых при испытаниях АТС. Так. в испытаниях для определе-
ния скоростных свойств используются приборы с так называемым "пятым коле-
сом", монтируемым на испытательном объекте, для качения по той же траектории
движения без проскальзывания, в комплекте с устройством автоматического вы-
числения скорости поступательного движения и регистрации ее совместно с про-
тяженностью пройденного пути и затраченного времени. Путь в этих приборах оп-
ределяется по непрерывному или дискретному измерению угла поворота "пятого
колеса". Отсчеты дискретны с интервалами времени до 0,001 с, пути - до 0,05 м.
Автоматическая обработка сигналов пути и времени в этих комплектах (например,
типа ПВС-ЗСА конструкции НАМИ) обеспечивает регистрацию скорости до 200
км ч 1 с дискретностью отсчета 0,1 км ч '.
В испытаниях для определения тяговых свойств путем измерения свободной
силы тяги (усилия буксировки присоединяемого тормозящего прицепа) исполь-
зуются тяговые динамометры с записывающими устройствами и различными
пределами максимальных нагрузок. Эти же динамометры применяются на окон-
чательном этапе испытаний эффективности рабочих тормозных систем (норми-
59
рование усилия буксировки при включенных тормозах для нагрева тормозных
механизмов), а также эффективности запасной, стояночной и вспомогательной
тормозных систем.
В испытаниях топливной экономичности используются мерные градуирован-
ные цилиндры, устанавливаемые в систему питания между топливным баком и
топливным насосом. Цена деления в цилиндрах не превышает 2,5 см3. Другой
тип приборов - топливомеры - предусматривает измерение расхода топлива в
топливоподающих магистралях между топливным насосом и карбюратором (у
дизелей - после подкачивающего насоса низкого давления). Устройства топли-
вомеров разнообразны, в них используются различные способы фиксации опре-
деленных доз проходящего топлива, скорость течения топлива (турбинные расхо-
домеры), интенсивность охлаждения потоком топлива помещаемой в него дета-
ли. Наибольшее распространение получили топливомеры первого типа с высо-
кой точностью дискретного отсчета расхода малого объема топлива (0,1 см3),
большим диапазоном измерений расхода 0,5... 100 л.ч ' и автоматическими вы-
числительными и цифропечатающими устройствами для регистрации расхода
либо нарастающим итогом, либо за определенное время. Серия таких топливо-
меров поршневого типа НАМИ моделей ТЧП-2, ТЧП-3, СРТ и т. д. имеют погреш-
ность измерения не более 1 %. Топливомеры используют совместно с прибора-
ми "путь, время, скорость" для оценки текущих расходов на определенном пути
(в л/100 км) в ездовом цикле.
В испытаниях тормозных свойств, маневренности, управляемости и устойчи-
вости, где условия предусматривают нормирование замедления или ускорения
поступательного движения, применяются деселерометры (измерение замедле-
ния) и акселерометры обычно инерционного типа с демпфированием. Редко и
преимущественно для исследовательских испытаний используются жидкостные
деселерометры.
Для оценки усилий, необходимых для управления АТС, используются динамо-
метрические рулевые колеса, рычаги, педали, монтируемые на месте штатных.
В испытаниях плавности хода акселерометры используются для одновременного
измерения вертикальных и горизонтальных (продольных и поперечных) ускорений в
различных местах кабины и кузова. Обычно акселерометры включаются в специ-
альный комплект виброизмерительной и регистрирующей аппаратуры (типа ВЧ-5М,
ВЧ-6 и др ). Кроме того, для отнесения результатов измерения к определенному
типу дороги в комплекс специального оборудования для оценки плавности хода
включают и различного типа профилографы, с помощью которых дается оценка
ровности (микропрофиля) поверхности дороги.
В испытаниях шумности АТС применяются шумомеры, приемным устройством в
которых являются микрофоны мембранного типа, воспринимающие избыточное
акустическое давление. Преобразованное в электрический сигнал акустическое
давление после усиления фиксируется на индикаторе стрелочного типа (частотные
характеристики шумомеров стандартизованы) или подается на записывающее уст-
ройство для последующего частотного анализа.
В испытаниях токсичности отработавших газов используют хроматографы или
быстродействующие газоанализаторы. В первом случае производится отбор проб
в эластичную камеру, во втором - отработавшие газы поступают непрерывно. Для
определения концентрации окиси углерода и углекислого газа применяются газо-
анализаторы недисперсного инфракрасного типа (оптико-акустические). Для уста-
60
нонления суммарного количества всех углеводородов применяются газоанализато-
I» । пламенно-анализационного типа.
Для измерения и контроля температур при испытаниях выбирается аппаратура
опасно ожидаемому диапазону значений. Обычно при диапазоне 12О...15О”С ис-
нош-зуются аэротермометры, в диапазоне до 300...350°С - проволочные (терморе-
1И горы) или полупроводниковые (термисторы) термометры. Температуры выше
300 350"С измеряются термопарами.
К специальной аппаратуре для комплексных испытаний относятся режимомеры,
одновременно фиксирующие показатели движения машин, положение органов
управления, количество применения управляющих воздействий, длительность раз-
личных состояний АТС и обстоятельств движения. В режимомерах объединяются
। п< циальные устройства из числа вышеперечисленных с датчиками, фиксирующи-
ми применение каждого из управляющих воздействий, комплексом счетчиков и
иногда обрабатывающих устройств, для получения в готовом виде таких данных,
как количество включений разных передач, путь, пройденный на каждой из них,
количество включений сцепления, количество торможений и т. п. на данном мар-
шруте движения или на заданном пробеге.
Перспективные направления развития аппаратуры специального назначения для
испытаний АТС - это комплексность и автоматизация измерений, обработки, реги-
страции и наглядного представления (в том числе и на дисплеях) параметров оце-
ниваемых эксплуатационных и потребительских свойств, широкое применение ра-
дио- и микроэлектроники, освоение интегрированных датчиков и преобразовате-
лей, внедрение микропроцессоров, бесконтактных методов измерения, телеметри-
ческой передачи данных с испытываемого объекта.
Требования к метрологическим характеристикам измерений в каждом конкретном виде
испытаний различны. Объем и уровень метрологического обеспечения удобнее наглядно по-
казать на отдельном виде, например, испытания автомобиля для официального утверждения
шла в отношении защиты водителя от удара о систему рулевого управления по Правилам
ЕЭК ООН № 12.
Суть испытаний в следующем:
- испытания на лобовой удар порожнего транспортного средства в снаряженном состоянии и
испытания с объемным манекеном, масса и очертания которого соответствуют взрослому чело-
веку среднего роста, устанавливаемым определенным образом на сиденье водителя;
- испытания способности рулевого управления поглощать энергию удара.
Требования, на соответствие которым производятся испытания:
- от столкновения порожнего автотранспортного средства в снаряженном состоянии с барье-
ром при скорости 48,3 км ч 1 (30 миль в час) верхняя часть рулевой колонки и рулевого вала не
должны перемещаться в заднем направлении горизонтально и параллельно продольной оси
транспортного средства более чем на 12,7 см по отношению к точке транспортного средства, не
затронутой столкновением;
- если рулевая колонка сталкивается с моделью туловища (манекена), которая ударяется об
эту колонку с относительной скоростью не менее 24,1 км-ч (15 миль в час), то сила, с которой
рулевая колонка воздействует на модель туловища, не должна превышать 1111 даН;
- при ударе маятника с приведенной массой в центре отражения 6,8 кг (ударный эле-
мент), направление которого не должно отклоняться от перпендикуляра к поверхности удара
на рулевом управлении более чем на 5°, постепенное замедление ударного элемента не
должно превышать 80 g в течение более чем трех тысячных долей секунды. Ударный элемент
должен столкнуться с испытываемым элементом рулевого управления при скорости
24,1 км-ч 1 ± 1,2 км.ч.
Как видно, для таких испытаний необходим сложный комплекс аппаратуры, обеспечивающей
высокоточные измерения.
61
Не касаясь предусмотренных в Правилах требований к подготовке и оборудованию испыта-
тельного образца, стенда и процедур, строго регламентированных и включающих большое коли-
чество предварительных обмеров, необходимо обратить внимание на то, что в зачетных рабочих
опытах производятся измерения перемещений, скоростей, ускорений, сил и времени и синхрон-
ная их регистрация, вычисления по ним установленных корректировок, а также синхронная ско-
ростная киносъемка процесса удара. Отчасти такие требования связаны с обеспечением фор-
мирования удара с воспроизводимыми характеристиками (спектр ударного импульса, длитель-
ность, максимальное ускорение, передний фронт импульса).
Испытательная аппаратура в силу требований одновременной записи процессов объединяет-
ся в комплекс с несколькими взаимодействующими каналами. В этом комплексе должен осуще-
ствляться контроль как создаваемых условий, так и результатов в каждом опыте путем анализа
зарегистрированных быстропротекающих процессов.
Необходимое метрологическое обеспечение излагается в Правилах в следующем виде.*
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Канал записи данных. Вся аппаратура, начиная с единичного преобразователя (или множе-
ственного преобразователя, выходные сигналы которого комбинируются определенным обра-
зом) и кончая устройствами для любых аналитических процедур, которые могут изменить час-
тотную или амплитудную характеристику данных.
Преобразователь. Первый прибор в канале записи данных, используемый для преобразова-
ния физических количественных величин, подлежащих измерению, в другие количественные ве-
личины (например, в электрическое напряжение), которые могут быть обработаны остальными
элементами канала записи данных.
Класс канала амплитудных характеристик (КАХ). Обозначение канала записи данных, ко-
торое соответствует конкретным амплитудным характеристикам, как это определено стандартом
ИСО. Цифра, обозначающая КАХ, в числовом отношении равна верхнему пределу диапазона из-
мерения.
Характерные частоты FH, FL, FN. Эти частоты определены на рис 1.8.
Класс канала частотных характеристик (КЧХ). Класс канала частотных характеристик обо-
значается цифрой, указывающей на то, что чувствительность канала по частоте находится в пре-
делах, определенных на рис. 1.8. Эта цифра в числовом отношении равна значению частоты FH
в герцах.
Коэффициент чувствительности. Нисходящий участок прямой линии, представляющий со-
бой в наилучшем приближении значения калибрования, построенный методом наименьших
квадратов в отношении амплитудных характеристик.
Коэффициент калибрования канала записи данных Среднее значение коэффициентов
чувствительности, рассчитанных для значений частот, равномерно распределенных на логариф-
мической шкале между FL и FH/2,5.
Искажение линейности. Отношение (в процентах) максимальной разности между значени-
ем калибрования и соответствующим значением, определенным на прямой линии, указанной
выше для коэффициента чувствительности, к верхнему пределу диапазона изменений канала
амплитудных характеристик.
Поперечная чувствительность. Соотношение между выходным и входным сигналом, когда
на преобразователь подается сигнал возбуждения перпендикулярно оси измерения. Она выра-
жается в процентах чувствительности вдоль оси измерения.
Время запаздывания по фазе. Время запаздывания по фазе канала записи данных равно
отношению запаздывания по фазе (в радианах) синусоидного сигнала к угловой частоте этого
сигнала (в радиан/с).
Окружающая среда Совокупность всех внешних условий и явлений, которым в данный мо-
мент времени подвергается канал записи данных.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИСПЫТАНИЯМ
Искажение линейности. Абсолютная величина искажения линейности каналов записи дан-
ных при любой из частот в КЧХ должна составлять не более 2,5 % величины КАХ по всему диа-
пазону измерения
Амплитуда как функция частоты. Полоса пропускания частот канала записи данных огра-
ничивается кривыми, изображенными на рис. 1.8. Линия О дБ определяется на основе коэффи-
циента калибрования.
Приводится по приложению 6 к Правилам № 12 с некоторыми сокращениями и пояснениями
62
Логарифмическая шкала
CFC Fl Hz Fh Hz FN Hz
1 000 <0,1 1 000 650
600 <0,1 600 1 000
180 <0,1 180 300
60 <0,1 60 100
а ± 0,5 dB
b +0,5; -1 dB
с + 0,5; -4 dB
d - 9 dB/octave
е - 24 dB/octave
f - оо dB/octave
g - 30 dB
Рис. 1.8. Полоса пропускания частот при аттестации измерительных каналов
(Правила № 12 ЕЭК ООН)
63
Фазовые характеристики. Определяется время запаздывания по фазе между входным и
выходными сигналами канала записи данных, отклонение которого не должно превышать
1/10FH с в пределах от 0,03 FH до FH.
Исходное время. Исходное время должно регистрироваться и составлять не более 1/100 с
с точностью до 1 %.
Относительное время запаздывания. Относительное время запаздывания между сигнала-
ми двух или более каналов записи данных независимо от частотной характеристики не должно
превышать одной миллисекунды без учета времени запаздывания по фазе, обусловленного
сдвигом фазы. Два или более каналов этих данных, сигналы которых комбинируются, должны
иметь одну и ту же частотную характеристику, а их относительное время запаздывания не долж-
но превышать 1/10FH. Это требование применяется к аналоговым сигналам, а также к импуль-
сам синхронизации и к дискретным сигналам.
Поперечная чувствительность преобразователя. Поперечная чувствительность преобра-
зователя датчика не должна превышать 5 % в любом направлении.
КАЛИБРОВАНИЕ
Общие положения. Канал записи данных калибруется по крайней мере один раз в год на
контрольном оборудовании, выверяемом по известным калибрам. Методы, применяемые для
проведения сравнений с контрольным оборудованием, не должны приводить к ошибке, превы-
шающей 1 % КАХ. Применение контрольного оборудования ограничивается диапазоном частот,
для которых оно было откалибровано. Точность подсистем каналов записи данных может опре-
деляться отдельно, и по полученным результатам определяется точность всего канала записи
данных. Это можно сделать, например, при помощи электрического сигнала известной амплиту-
ды, имитирующего выходной сигнал преобразователя, который позволяет проверить коэффици-
ент усиления канала записи данных без преобразователя
Точность контрольного оборудования для калибрования должна быть указана в свиде-
тельстве и подтверждена службой метрологии.
Статическое калибрование:
ускорения - погрешность не должна превышать ±1,5 % для данного класса канала амплитуд-
ных характеристик;
силы - погрешность не должна превышать 1 % для данного класса канала амплитудных ха-
рактеристик;
перемещения - погрешность не должна превышать 1 % для данного класса канала амплитуд-
ных характеристик.
Динамическое калибрование:
ускорения - погрешность при контрольных ускорениях, выраженная в процентах от верхнего
предела измерения, не должна превышать 1,5 % до 400 Гц, 2 % в пределах от 400 до 900 Гц и
2,5 % свыше 900 Гц;
силы и перемещения - то же, что и при статическом калибровании.
Время. Относительная погрешность контрольного времени не должна превышать 10 5.
Коэффициент чувствительности и искажение линейности Коэффициент чувствительно-
сти и искажение линейности должны определяться посредством измерения выходного сигнала
канала записи данных в зависимости от известного входного сигнала для различных значений.
Калибрование канала записи данных должно проводиться по всей шкале измерения. Для двуна-
правленных каналов используются как положительные, так и отрицательные значения. Если обо-
рудование для калибрования не может дать необходимый входной сигнал ввиду чрезмерно вы-
соких значений величин, которые должны быть измерены, то калибрование должно осуществ-
ляться в пределах этих калибровочных величин, а эти пределы должны отмечаться в протоколе
испытания. Весь канал записи данных должен калиброваться при частоте или при диапазоне
частот со значимой величиной в пределах от FL до FH/2,5.
Калибрование частотной характеристики. Характеристики кривых фазы и амплитуды в за-
висимости от частоты находятся посредством определения выходных сигналов канала записи
данных в виде фазы и амплитуды как функций заданного входного сигнала для его различных
значений в пределах от FL до ЮхКЧХ или 3 000 Гц, в зависимости от того, какое из этих значе-
ний будет ниже
Влияние окружающей среды. Необходимо регулярно проверять наличие какого-либо внеш-
него влияния (обусловленного, например, электрическими или магнитными потоками, скоростью
движения кабеля и т. д.). Это можно сделать, например, посредством записи выходного сигнала
имеющихся каналов, оборудованных временно установленными преобразователями. Если полу-
64
чины значимые выходные сигналы, необходимо провести корректировку, например, поменять
местоположение или направление проводов.
Выбор и обозначение канала записи информации:
КАХ и КЧХ характеризуют канал записи данных. КАХ составляет 1, 2 или 5 на 10 в некоторой
гепени. Канал записи информации должен соответствовать следующему коду:
ИСО .. - (номер данного стандарта);
КАХ ... - (класс канала амплитудных характеристик);
КЧХ ... - (класс канала частотных характеристик).
Если калибрование по амплитуде не охватывает всего диапазона измерений в связи с огра-
ниченными возможностями калибровочного оборудования, то тогда КАХ должен обозначаться
шездочкой. Например:
ИСО ...
КАХ" 200 м/с2
КХЧ 1 000 Гц
означает, что:
- это измерение было осуществлено в соответствии с указанным стандартом;
2
класс канала амплитудных характеристик - 200 м/с ;
класс канала частотных характеристик - 1 000 Гц;
- калибрование по амплитуде не охватывало всего диапазона измерений КАХ.
В протоколе испытания необходимо указать пределы калибрования.
УСТАНОВКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Преобразователи должны прочно крепиться, с тем чтобы свести к минимуму ошибку при
записи в результате вибрации. Приемлемым считается любое крепление, имеющее самую
нижнюю частоту резонанса, равную по крайней мере пятикратной частоте FH рассматривае-
мого канала записи данных. Преобразователи ускорения должны, в частности, крепиться та-
ким образом, чтобы начальный угол фактической оси измерения и соответствующей оси кон-
трольной системы не превышал 5”; отклонения допускаются в том случае, если известна ана-
литическая или экспериментальная оценка влияния крепления на результаты измерений. Ко-
гда в какой-либо точке необходимо измерить ускорение в нескольких направлениях, то ось
каждого преобразователя ускорения должна проходить не более чем в 10 мм от этой точки, а
центр сейсмической массы каждого акселерометра должен находиться на расстоянии не ме-
нее 30 мм от этой точки.
ЗАПИСЬ ДАННЫХ
Аналоговая запись на магнитную ленту Скорость ленты должна быть постоянной с откло-
нениями в пределах 0,5 % применяемой скорости записи. Уровень шума магнитного записываю-
щего устройства должен быть не более 42 дБ при максимальной скорости ленты. Общее нели-
нейное искажение не должно превышать 3 %, а искажение линейности - 1 % максимальной ве-
личины диапазона измерения.
Цифровая запись на магнитную ленту. Скорость ленты должна быть постоянной с откло-
нением в пределах, не превышающих 10 % обычной скорости ленты.
Запись на бумажной ленте. В случае непосредственной записи информации скорость бу-
маги в мм/с не должна превышать более чем в 1,5 раза величину FH в герцах. В других случаях
скорость бумажной ленты должна быть такой, чтобы была обеспечена аналогичная разрешаю-
щая способность.
ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Фильтрация, соответствующая частотам класса канала записи данных, может осуществлять-
ся либо в ходе записи, либо в ходе обработки данных. Однако до начала записи необходимо
провести аналоговую фильтрацию на уровне, превышающем КЧХ, с тем чтобы использовать не
менее 50 % динамического диапазона записывающего устройства и сократить опасность насы-
щения записывающего устройства высокими частотами, обусловливающего возникновение дру-
гих ошибок в процессе цифрового преобразователя.
Цифровое преобразование.
Пробная частота должна составлять не менее 8FH. В случае аналоговой записи, когда ско-
рости записи и воспроизведения различны, пробная частота может быть разделена на величину
соотношения этих скоростей.
65
Разрешающая способность. Длина цифровых слов должна составлять не менее 7 битов
плюс один знак.
Приведенный пример требований метрологического обеспечения содержит по-
ложения, характерные для большинства видов испытаний и может служить нагляд-
ным образцом их регламентирования. Выдержка эта поучительна не только как ил-
люстрация уровня метрологических требований, но и способа и формирования их
представления в НТД на испытания автомобильной техники.
Глава 2. ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИСПЫТАНИЙ
АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
2.1. Две концепции создания
базы испытаний -
автополигонов
Как отмечалось выше, самая полная
ин коральная оценка качества автомобиля получается в результате ходовых, точнее про-
пс ювых испытаний. Испытательные пробеги служили средством сравнения качества,
основных характеристик, выявления преимуществ и недостатков различных конструкций
। начала развития автомобилестроения. В этом нетрудно убедиться, напомнив историю
широко популярных в свое время автопробегов, приведенных в табл. 2.1.
i Шлица 2 1
Год проведе- ния пробега Маршрут Объекты испытаний (шт.) Цели испытательных пробегов
1894 Париж-Руан Самоходные коляски Сравнение выносливости и скорости паровых и бензиновых колясок
1895 Париж-Руан То же То же
1909 Петербург- Псков-Рига- Петербург Легковые автомобили (40) Оценка автомобиля как транспортного средства
1910 Петербург-Псков- Москва-Петербург То же Оценка выносливости и скоростных свойств
1912 Петербург- Москва- Петербург Автомобили: легковые (40), грузовые (54) Оценка выносливости, скоростных свойств, топливной экономичности
1923 Москва- Ленинград- Москва Автомобили: легковые (50), грузовые (15) Оценка прочности. выносливости, топливной экономичности, проходимости
1924 Москва-Ленинград- Москва АМО-Ф-15 (3) Проверка качества изготовления первых 10-ти советских автомобилей
1925 Ленинград- Москва- Тифлис и обратно Автомобили: легковые (75), грузовые (48). специальные (25) и мотоциклы (18) Выбор модели для закупки за границей путем сравнения прочности, выносливости, экономичности, динамики
1925 Ярославль-Ростов- Ярославль Грузовые автомобили ЯАЗ(2) Проверка качества изготовле- ния автомобилей ЯАЗ
1933 Москва- пустыня Кара-Кум- Москва Автомобили: ГАЗ-А(АА.ААА), АМО-3, НАТИ-ГАЗ, Форд-АА. Тимкен Проверка качества изготовления автомобилей, утомляемости водителей, состояния дорог
Как видно, даже в начальный период в автопробегах ставились цели определения
показателей свойств, оценивающих качество конструкций. Испытательные пробеги
с гали решающим этапом конструкторской деятельности в автомобилестроении и эф-
67
фективным средством доводки новых моделей. Но при огромной пользе испытатель-
ных пробегов, проводившихся на дорогах общего пользования для выбора и развития
лучших конструкций, познания сложности рабочих процессов и необходимых для их
оценки характеристик автомобилей, возникало все больше проблем при освоении
результатов. Основная из них - неопределенность, случайность, неповторимость поч-
ти любого наблюдения, решения по которым приходилось принимать главным обра-
зом на основе инженерной интуиции или новых исследований. Понимание этой про-
блемы отмечалось с начала становления отечественной автомобильной промышлен-
ности. Так, основоположник научных дисциплин автомобильного профиля и углублен-
ных исследований в области автомобилестроения акад. Е.А.Чудаков, анализируя ре-
зультаты пробега большого количества образцов различной автомобильной техники,
проведенного по маршруту Ленинград - Москва - Пятигорск - Тифлис - Ленинград,
пришел к следующему заключению: "... при таком длинном и трудном пути элемент
случайности в получении автомобилем той или иной поломки играл существенную
роль. Большое значение оказывают опытность и аккуратность шофера, ведущего ма-
шину, и два одинаковых автомобиля могут давать различный результат Это является
серьезным недостатком пробега”
По мере развития автомобильной промышленности, научных основ проектиро-
вания, перехода к массовому производству и стремительного расширения типажа
этот недостаток испытаний пробегом в произвольно выбранных условиях усугуб-
лялся. Метод испытаний вступал в противоречие с новыми задачами создания вы-
соконадежных машин, отвечающих разнообразным условиям использования.
Невозможность воспроизвести условия испытаний новых моделей, как прави-
ло, в количестве не более двух-трех образцов практически исключала оценку
достоверности результатов, которые к тому же затруднительно сопоставлялись
при внесении конструктивных или технологических изменений и повторении ис-
пытаний. Это неизбежно увеличивало продолжительность и испытаний, и довод-
ки новых конструкций.
Постоянно растущие требования надежности и в первую очередь долговечности
автомобилей, реализовавшиеся в новых конструкциях, могли проверяться во все
более длительных пробегах. Но для выполнения этих требований усложнялись кон-
струкции и технологии изготовления, требовавшие достаточно быстрой проверки.
Складывалось положение, когда без повышения темпов испытаний и достовер-
ности оценки прежде всего долговечности или ресурса как новых, так и модерни-
зируемых моделей автомобильной техники в пробеговых испытаниях существенно
затруднялось наращивание производства новой техники, в особенности, в период
создания таких крупных мощностей, как ВАЗ. КамАЗ, смены моделей и расшире-
ния базовых заводов ЗИЛ, ГАЗ, УралАЗ и других предприятий, развертывавшихся в
отечественном автомобилестроении на рубеже 50 — 60-х годов.
Создание стационарной технической базы испытаний автомобильной техники,
целесообразность которого рассматривалась научно-инженерной общественностью
и ранее, стало актуальной проблемой.
В подходе к ее практическому решению возникли различные несовпадающие
идеи, предложения, концепции. Это обусловлено прежде всего тем, что автомо-
бильные транспортные средства, как никакие другие, отличаются разнообразием
назначения и использования, сложностью взаимодействия с внешней средой, чув-
ствительностью к воздействию внешних факторов и условий, включая дорожные,
климатические, погодные и в не меньшей степени условия технической эксплуата-
ции обслуживания и ремонта.
68
11ри создании технической базы испытаний предъявляются противоречивые тре-
i... к повышению темпов проведения, стабильности, достоверности, воспро-
и шодимости результатов и к сокращению затрат. Но создать соответствующую
ыоильность внешних воздействий, охватывающих все встречающееся в зксплуа-
щии их разнообразие, технически и экономически затруднительно, чтобы не ска-
ль невозможно.
И далее, техническая база испытаний должна обеспечить, с одной стороны,
предельно возможное сокращение времени, материальных и трудовых затрат на
и< пытания, прежде всего наиболее длительных и важных - пробеговых, — где вы-
пиваются закономерности повреждений конструкции за весь планируемый срок
. иужбы. С другой стороны, форсирование внешних воздействий, приводящее к по-
ыи.ению темпов выявления слабых мест конструкции, закономерностей поврежде-
нии должно научно обоснованно ограничиваться возможным возникновением неха-
рактерных для эксплуатации поломок и отказов из-за недопустимых перегрузок.
Разрешение этих противоречивых требований в мировой практике автомобиле-
роения предпринимается путем сооружения автомобильных полигонов. Практи-
ь тки каждая крупная автомобилестроительная фирма располагает собственным
и< питательным полигоном. Особое место занимают развитые технические базы
и< пытаний автомобильной техники военных ведомств (например. Абердинский по-
ии1 он в США). Но обобщение сведений о зарубежных автополигонах не дает одно-
иычных ответов на вопросы, разрешающие противоречия требований к техниче-
< кой базе испытаний, так как в общем картина принятых решений оказывается
к| 11ине пестрой: от имитации изменчивых факторов внешних воздействий с помо-
щью развитой базы искусственного их моделирования поблизости от основного
производства до строительства и функционирования нескольких полигонов одной
фирмы в различных географических зонах и разных странах.
Поэтому в концептуальные положения создания автополигона как технической
п । >ы испытаний включаются предположительные оценки: необходимых объемов
и< питательной работы, первоочередных целей и решаемых задач, роли и места,
к полагаемых ресурсов создающей организации, а также оценка располагаемой
информации о действующих сооружениях для испытаний.
Отработка этих вопросов и отразилась в отличающихся концепциях создания
двух первых в отечественном автомобилестроении крупных полигонов, создавав-
шихся примерно в одно и то же время военным и гражданским ведомствами. Пер-
иыи из них известен как Комплексная испытательная трасса (КИТ), введенная в
>К1 плуатацию в 1963 г. и второй - как Центральный автополигон НАМИ, первая
>чередь которого была введена в эксплуатацию в 1964 г.
В основу разработки и сооружения (имеется в виду первая очередь Центрально-
ю автополигона) положен одинаковый подход к ранжированию внешних факторов,
при котором исходным и наиболее важным фактором является воздействие дороги
на автомобиль в движении. Изменчивость и нестабильность его в наибольшей сте-
пени влияет на неопределенность результатов испытаний.
Схожее исходное представление сложилось и о разделении первоочередных до-
рожных сооружений на два вида:
первый - для стабильных условий определения тягово-динамических и тормоз-
ных свойств, экономичности, устойчивости, управляемости (т.е. для ходовых лабо-
раторно-дорожных испытаний);
второй - для испытаний надежности и прежде всего прочности и долговечности
и пробегах.
69
Основные расхождения обозначились при разработке специальных дорог вто-
рого вида, и принимаемые решения связывались также с планируемым их ис-
пользованием.
Исходные положения концепции создания КИТ следующие.
Основная роль и предназначение КИТ - максимально быстрая проверка надеж-
ности прежде всего автомобильной техники армейского назначения: полнопривод-
ных автомобилей, специальных шасси и оборудования.
Одна из важных целей испытаний на КИТ включает быструю проверку надежно-
сти при внесении в конструкцию и технологию выпускаемой техники внезапных
изменений, связанных с заменой материалов более низкого качества, снижением
качества обработки при изготовлении, заменой эксплуатационных материалов, а
также проверка и выбор наиболее экономичных способов ремонта и восстановле-
ния поврежденных машин.
Разработка и проектирование КИТ предусматривали сравнительно ограниченную
пропускную способность, соответствующую доле армейских автомобилей в общем
объеме серийного производства автомобильной техники. Перспективное развитие
КИТ рассматривалось только как базы ускорения пробеговых испытаний, имея в
виду развитие всех иных видов испытаний на основной научно-исследовательской
базе организации, создававшей полигон.
Существенное влияние на обустройство КИТ оказало крайне ограниченное про-
странство размещения, поставившее компактность компоновки и основные разме-
ры испытательных дорог в число концептуальных положений.
Наконец, последняя, но едва ли не основная идея в разработке КИТ - форсиро-
вание воздействия дороги на автомобиль, как превалирующего повреждающего
фактора
Воздействие дороги на автомобиль, как известно, определяется ровностью
(микропрофилем) поверхности, жесткостью покрытия, сцепными свойствами, ук-
лонами и подъемами (макропрофиль) извилистостью. Из всех этих характери-
стик за основу ускорения испытаний и стабильности условий их проведения взя-
ты микропрофиль и жесткость покрытия. Расчет и проектирование испытатель-
ных дорог КИТ проведены так, чтобы максимально форсировать в пробеге пере-
менные составляющие воздействия на колеса как по величине, так и по частоте.
В конструкции испытательных дорог предусматривалась проверка на них способ-
ности объектов испытаний преодолевать участки местности с известным инже-
нерным оборудованием.
Учитывая возможную необходимость испытаний отдельных агрегатов или уз-
лов, предусматривалась повышенная направленность формируемой нагрузки от-
дельными участками трассы на разные элементы конструкции автомобиля, в
особенности ходовой части. При этом острая поагрегатная направленность воз-
действия отдельных дорог трассы не препятствует такому нормированию после-
довательных пробегов по ним, при котором на определенном этапе испытаний
накопление повреждающего воздействия нескольких (в основном несущих) час-
тей конструкции выравнивается.
Основные положения концепции создания автополигона НАМИ.
Роль и место автополигона определялись правительственными постановления-
ми. предусматривающими создание автополигона как отраслевого научно-исследо-
вательского и испытательного центра автомобильной промышленности.
Основываясь на анализе проблем испытательной работы в автомобильной про-
мышленности, одной из главных целей деятельности автополигона представлялась
70
регламентация испытаний на протяжении всего жизненного цикла каждой модели
.тгомобиля. Если ранее регламентация касалась только испытаний, имеющих ос-
новной целью контроль качества выпускаемой продукции (ГОСТ 6875-54 и ГОСТ
6905-54), а во всех остальных случаях при организации различных испытаний по-
ложения этих нормативных документов использовались для составляемых по со-
|л.1шению участников каждый раз новых программ, то функционированием научно-
и< пытательного центра создаются необходимые предпосылки регламентации по-
. иедовательных испытаний, обеспечивающих необходимой информацией научно-
исследовательские, опытно-конструкторские и доводочные работы, серийное или
массовое производство и эксплуатацию. Такие регламентированные взаимосвязан-
ные испытания резко повышают эффективность испытательной работы путем ис-
пользования результатов на всех этапах жизненного цикла автомобиля, так как
обеспечивают накопление и систематизацию опытных данных для сравнительного
анализа эффективности проводимых на каждом этапе мероприятий, обнаружения
н'нденций развития и облегчения поиска слабых мест конструкции, технологии
производства или эксплуатации. Кроме того, последовательные испытания с опре-
деленной регламентацией их проведения на автополигоне снижают отрицательное
влияние субъективных факторов выбора условий, внешних воздействий и обстоя-
и льств на результаты проверки характеристик и свойств автомобиля.
Созданием автополигона как научно-испытательного центра определяется и ор-
। .шизационная перестройка испытательной работы в автомобильной промышлен-
ности путем концентрации ее на единой сооружаемой базе. Испытания на этой ба-
ie каждой новой модели, каждой контрольной партии из числа состоящих на про-
и.!н<>дстве, помимо эффективности и высокой организованности, вносимых поточ-
ной технологией проведения, создают благоприятные условия для повышения ин-
формативности испытательной работы, так как результаты концентрируются в об-
щем банке и могут оперативно обеспечивать справочным материалом как проект-
по конструкторские службы предприятий, так и, что особенно важно, службы на-
д< 'кности и контроля качества отрасли. Повышение информативности испытатель-
ной работы путем ее централизации создает необходимые условия для анализа
н'нденций и перспектив развития автомобильной техники в целом, по категориям
и группам, типам и отдельным моделям, включая итоговые оценки не только в тех-
ническом, но и в социальном и экономическом аспекте. Для достижения единых
целей, выдвигаемых перед автомобилестроением и автотранспортом, полигонные
способы испытаний, исследований и оценки как новых, так и выпускаемых конст-
рукций должны согласовываться и увязываться с совершенствующимся расчетным
.шпаратом конструкторских разработок, с методами исследований в конструктор-
ско-экспериментальных подразделениях автозаводов, в научных учреждениях и
пулах, с методами наблюдения и оценками в опытной эксплуатации. Новые методы
испытаний на автополигоне должны учитываться при обоснованиях и разработках
к’хнических требований и заданий на проектирование новых автомобилей и нор-
мативной документации для эксплуатации. Этим определяется важная роль Цен-
грального автополигона как методического центра испытательной и эксперимен-
|.|льно-исследовательской работы по автомобилям.
Созданием автополигона и перестройкой испытательной работы, централизаци-
ей информации и научно-методической деятельности на автополигоне создаются
условия высокой стандартизации и нормализации программ и методов самих ис-
пытаний, системы оценки эксплуатационных свойств, надежности и качества авто-
мобильной техники.
71
Важная роль автополигона в оценке автомобильной техники по результатам ис-
пытаний определяется как его организационной независимостью от производст-
венных объединений отрасли, предприятий-поставщиков комплектующих изделий
и смежных отраслей, так и создаваемой научно-лабораторной испытательной ба-
зой высокого технического совершенства.
Объем и масштабы деятельности автополигона как научно-испытательного центра.
Объемы измерений, необходимых для оценки достигнутого технического уровня
каждой модели автомобиля, определены по 45 свойствам и более 2000 их показа-
телям и характеристикам.
Основные идеи, закладываемые в разработку структуры и характеристики до-
рожных сооружений, должны обеспечивать годовой объем испытаний не менее
700 автомобилей и общий испытательный пробег 8 0-:-8 5 млн.км с последующим
ростом.
Корреляция условии испытаний на автополигоне и условий реальной эксплуата-
ции является самым ответственным и сложным вопросом выработки принципов
проектирования, строительства, использования и развития основных испытатель-
ных сооружений.
Только при корреляции, поддающейся количественным оценкам, возможна
удовлетворительная интерпретация результатов полигонных испытаний.
Из всего многообразия изменчивых факторов, характеризующих эксплуатацион-
ные условия, при создании автополигона рассматриваются прежде всего воздейст-
вие дороги, местности и климата.
Наиболее простая и тесная корреляция полигонных и эксплуатационных харак-
теристик и обнаруживаемых свойств автомобиля достигается при полном воспро-
изведении условий эксплуатации на автополигоне. Но ясна также и практическая
нецелесообразность такого полного воспроизведения как по технической сложно-
сти и требующимся затратам, так и, что особенно важно утрате при этом одной из
основных целей создания автополигона - повышения темпов испытаний.
Поэтому необходим компромисс между объемом воспроизведения эксплуатаци-
онных условий и ускорением темпов испытаний путем некоторого форсирования и
концентрации внешних воздействий на автополигоне. Причем критерии оптималь-
ности этого компромисса базируются не только на таких показателях, как повыше-
ние производительности, минимум времени, но и на достоверности корреляции
результатов испытаний на автополигоне и в эксплуатационных условиях.
Важное значение приобретает корреляция условий при контрольных испытани-
ях, цель которых - проверка сохранения автомобилями определенных характери-
стик и свойств в уже хорошо известных эксплуатационных условиях.
Касательно дорожного воздействия такая определенность корреляции достига-
ется возможно полным воспроизведением на специальных испытательных дорогах
автополигона признаков дорог общего пользования, по которым осуществляются
автоперевозки. Поэтому в соотношениях протяженности, пропускной способности
и компоновки специальных испытательных дорог автополигона не может не учиты-
ваться реальное соотношение дорог общего пользования с различной интенсивно-
стью использования. По обобщенным сведениям соотношение в стране протя-
женности дорог общего пользования различных типов, существенно отличающихся
интенсивностью воздействия микропрофиля поверхности проезжей части на авто-
мобили, приведено в табл. 2.2. по пятилетиям развития их общей сети.
Если при этом учесть данные о процентных соотношениях объемов перевозок
по дорогам разного типа (32 % - по дорогам государственного назначения, 53 % -
72
I>< < публиканского и областного значения), то требованиям корреляции одного из
наиболее существенных признаков внешних воздействий дороги ровности ее по-
крытия - отвечает большая протяженность на автополигоне специальных испыта-
кчн.ных дорог, воспроизводящих условия дорог I, II категорий.
шлица 2 2
Дороги по типу покрытия Группа автомобилей и допустимая нагрузка одиночной оси Протяженность по годам, тыс. км
1985 1990
Всего В том числе Всего В том числе
внего- родские город- ские внего- родские город- ские
Усовершенство- ванные капиталь- ные (цементобе- г о иные и асфаль- । обетонные) А; 10 т 261,0 211,0 50.0 337.5 280,0 57.5
Усовершенство- ынные облегчен- ные (черное шос- се) и переходные (белое шоссе, мостовая, гравий- ная и др.) Б; 8 т 816,0 719,0 97,0 967,5 870,0 97,5
Итого дорог о твердым покрытием 1077,0 930,0 147,0 1305,0 1150,0 155,0
1 рунтовые (улуч- шенные и ествет- венные, прочие) Б, 6 т 563,0 470,0 93,0 340.0 250.0 90,0
Итого 1640,0 1400,0 240,0 1645,0 1400,0 245,0
Экстремальные же уровни воздействия дорожных неровностей и препятствий
। к производятся на отдельных специализированных дорогах сравнительно неболь-
шой протяженности.
Проблема корреляции результатов полигонных испытаний и эксплуатации чрез-
вычайно усложняется с учетом комбинации воздействия внешних факторов. Совме-
iiioe воздействие в эксплуатации дороги и климата, характеризуемых, например,
ровностью поверхности и влажностью воздуха, количеством осадков и температу-
рой, на автополигоне воспроизвести необходимо такими средствами, как водные
и >рязевые бассейны, климатические камеры, дождевальные установки, пылевые
упнели, разрабатывая нормативы и показатели оценки кумулятивного воздействия
< онместно нескольких факторов
Дальнейший прогресс в имитации природно-климатических условий при поли-
сных испытаниях автомобилей предусматривается двумя способами:
проведением испытаний в условиях эксплуатации на дорогах общего пользо-
П.1НИЯ в той природно-климатической зоне, где влияющие факторы достигают зна-
чений, близких к экстремальным;
созданием в природно-климатических зонах с экстремальными учитываемыми
факторами специальных дорог и сооружений, близких по характеристикам к тем,
которые используются на основной базе автополигона в средних или номинальных
у< новиях.
73
Корреляция между условиями испытаний и условиями эксплуатации, как одна иэ
руководящих идей создания автополигона НАМИ, тесно связана со стандартизаци-
ей и нормализацией испытательной работы в отрасли. Обоснованная корреляция
как условий полигонных испытаний и эксплуатации, так и наблюдаемых в них ре-
зультатов является одной из решающих предпосылок приемлемости и общего при-
знания стандартов на полигонные испытания, которые являются документами вне-
дрения элементов технического прогресса в автомобилестроении.
Трактовка отечественного и зарубежного опыта создания и использования спе-
циальных дорог и сооружений для испытаний автомобилей базируется на обобще-
нии и анализе данных по составу действующих автополигонов, конструкции соору-
жений, методик и организации работ более 29 концернов и фирм - производите-
лей автомобильной техники. Из привлеченных данных установлено большое разно-
образие и различие структуры автополигонов и характеристик используемых для
испытаний автомобилей специальных дорог и сооружений.
При объяснении этих различий, критической оценке данных для использования
опыта зарубежных автополигонов необходимо иметь в виду, что испытательная ра-
бота зарубежных автомобильных фирм подчинена интересам конкурентной борьбы,
которая часто приобретает неценовый характер. На средства и методы испытаний
автомобилей это оказывает заметное влияние.
Во-первых, программы, методики и результаты испытаний на полигонах име-
ют, как правило, закрытый характер. Выразительным примером этому может
служить наиболее ассоциативный научно-испытательный центр - автополигон
MIRA, обслуживающий около 600 фирм - изготовителей автомобилей, шин, ма-
териалов и комплектующих изделий и ими финансируемый, который результаты
исследований и испытаний не публикует, а сообщает только фирме - заказчику
испытаний и исследований. Ряд фирм содержат свои полигоны фактически за-
крытыми. На зарубежных автополигонах принимаются специальные меры защиты
от наблюдения за испытаниями, ограничивая доступ к ним только специально
выделенной группы сотрудников. Все это может объясняться стремлением со-
хранить в секрете не только технические новинки, но и возможное несовершен-
ство средств и методов обнаружения слабых мест в конструкции, ее доводки
или недостаточную эффективность используемых сооружений, являющихся со-
ставной частью основного капитала фирмы.
Во-вторых, при определенной открытости использование испытаний на автопо-
лигонах для достижения преимущества перед конкурентами порождает демонстра-
тивный их характер. Конструкция испытательных сооружений и методы их исполь-
зования, подчиняясь целям завоевания репутации фирмы у потребителей и получе-
ния максимальной прибыли в данный момент, предусматривают в этом случае
эмоциональные реакции покупателей на демонстрируемые испытания. Такое же
влияние на конструкцию испытательных дорог и сооружений оказывает и демонст-
рация усилий фирмы по выполнению выгодного контракта в случаях закрытых ис-
пытаний только перед заказчиком.
В-третьих, замкнутый характер некоторых фирменных испытаний автомобилей,
имеющих определенную традиционность конструктивных решений и ограниченные
направления совершенствования их в рамках сохраняемых традиций, сужает по-
требности в регулировании внешних воздействий. Соответственно этому характе-
ристики испытательных сооружений фирменных полигонов отвечают преимущест-
венно традиционным особенностям конструкции своих автомобилей и выбранным
направлениям их улучшения или отражают стремление приспособить имеющиеся
74
. ооружения к новым задачам, исходя прежде всего из минимальных затрат на до-
водку конструкции при испытаниях. Влияние на структуру и характеристики соору-
ж 1ий фирменных зарубежных автополигонов оказывает и сравнительно малое ко-
личество выпускаемых базовых моделей автомобилей, но значительное число их
модификаций.
Наконец, в-четвертых, структура автополигонов зарубежных автомобильных фирм
иногда определяется стремлениями к завоеванию новых рынков сбыта путем испыта-
нии продукции в климатических зонах и природных условиях, отвечающих географи-
ческому положению ожидаемого покупателя. При этом объемы испытаний и состав
и< нытательных сооружений в таких климатических отделениях или филиалах автопо-
нигонов могут регулироваться не только техническими потребностями доводки конст-
рукции до показателей, отвечающих заданным условиям, но и ожидаемым сбытом,
прибылями и строгостью требований на этом рынке.
Следует обратить внимание на то, что в известных публикациях, а также при оз-
накомлении на месте с деятельностью автополигонов зарубежных фирм не удается
обнаружить теоретических или расчетных обоснований структуры и характеристик
используемых сооружений. Поэтому анализ материалов для использования опыта
при создании автополигона НАМИ и его развития требовал ориентирующих расче-
те возможной эффективности, создаваемых перегрузок, скоростных режимов и
других данных для сопоставлений.
При этих обстоятельствах особое значение имел первый опыт сооружения оте-
чественного автополигона - Комплексной испытательной трассы. Разработка мето-
дов ее использования давала первое представление о возможностях привлечения
ц-ории автомобиля и его рабочих процессов для целенаправленного проектирова-
ния специальных испытательных дорог.
Экономические факторы создания автополигона НАМИ постоянно учитывались
на всех этапах проектирования, строительства и развития. Экономия выделяемых
па сооружение средств рассматривалась как один из способов повышения эффек-
(ивности функционирования автополигона, поскольку при любых экономических
критериях в оценку эффективности испытаний стоимость основных средств каждый
раз включалась как составная часть общих затрат на испытания.
В заключение следует отметить, что несмотря на различие исходных концепций
и создании рассматриваемых двух крупных технических баз испытаний автомо-
бильной техники, постоянное сотрудничество, обмен опытом и результатами ис-
следований в значительной мере сблизили основные идеи при значительном рас-
ширении и развитии автополигона НАМИ. В особенности это проявилось при раз-
работке сооружений второй очереди и создании условий форсированных испыта-
ний как полнокомплектных автомобилей, так и отдельных агрегатов (систем под-
рессоривания, несущих систем и др.) на Центральном автополигоне. Проектирова-
ние основных испытательных дорог, сооружений и КИТ, и Центрального автополи-
гона осуществлялось под единым руководством И.И.Кочерыгина.
В настоящее время при переходе к новым производственным отношениям, об-
разовании самостоятельных акционерных автомобилестроительных компаний воз-
никает тенденция развития собственных исследовательских и экспериментальных
центров, в работе которых неизбежна потребность в пробеговых испытаниях Воз-
никает и техническая, и экономическая альтернатива: строительство собственных
автополигонов или использование уже давно оборудованных и успешно работав-
ших. Для принятия решения представляется важным ознакомление с действующи-
ми техническими базами КИТ и Центрального автополигона не только описательно,
75
но и включая проектные решения основных сооружений, оценку их соответствия
состоянию автомобильной теории и расчетов конструкции, сопоставительные оцен-
ки их технического уровня.
2.2. Комплексная
испытательная трасса
Отличительной особенностью ком-
поновочного решения КИТ является сооружение специальных испытательных дорог
разных типов на одном общем земляном полотне (рис. 2.1). На схеме видно пре-
дусмотренную возможность образования кольцевых маршрутов пробеговых испы-
таний с различным использованием отдельных сооружений. Комбинированием по-
следовательного прохождения автомобилем различных заранее выбранных участ-
ков дозируется желаемое внешнее воздействие за намеченный пробег. Как показа-
ли расчеты, а затем и опытная проверка, принятая компоновка позволяет одновре-
менное испытание в пробеге до 40 машин при обеспечении надлежащей органи-
зации и регулирования движения. Для достижения такой пропускной способности
отдельно разработаны требования необходимой системы сигнализации, связи и
управления.
Рис. 2.1. Схема размещения специальных испытательных дорог КИТ (размеры в м):
1 - малая разворотная площадка; 2 - дополнительный разгонный участок; 3 - дорога с покрыти-
ем из крупного булыжника: 4-6 - участки клиновых, косых и прямых холмов ухабистой дороги;
7 - дорога с гармоническим микропрофилем; 8 - дорога с косыми выступами; 9 - динамометри-
ческая дорога, 10 - шашечная дорога; 11 - площадка для испытаний устойчивости, управляемо-
сти, маневренности.
Компактность размещения испытательных дорог требует для эффективного их
использования особой строгости и обоснованности технологии пробеговых испыта-
ний, включая следующие вопросы:
- выбор специальных дорог для испытаний разных конструкций каждый раз с
учетом основной цели программы и назначение протяженности пробега по отдель-
ным участкам;
76
установление наиболее целесообразного чередования пробегов по различным
уч,к .кам как по критериям равномерного накопления повреждающих воздействий,
к и оптимальной организации движения в зависимости от складывающихся объе-
мен испытаний и количества образцов;
определение оптимальных скоростей движения на отдельных испытательных
„рогах трассы;
назначение порядка и сроков технического обслуживания при форсированных
и< пытаниях на специальных дорогах;
организация режима работы испытателей с учетом физиологических воздейст-
вии повышенной интенсивности.
Основой планирования пробеговых испытаний на КИТ являются обоснованные
лорожно-эксплуатационные эквиваленты внешних воздействий различных участ-
к<>|1, теория расчетов которых рассматривается в последующих разделах. Проект-
ные расчеты основных показателей специальных дорог подробно изложены в ра-
Р--Н’ [65]. Поэтому здесь приводятся только окончательные их результаты, исполь-
< шинные при постройке.
Динамометрическая дорога. Общая длина динамометрической дороги скла-
дывается из участков для разгона с места до максимальной скорости, мерного
участка и участка торможения до полной остановки при движении в обе стороны.
Учитывая повышение мощности двигателей и максимальной скорости (до
МО км/ч) грузовых автомобилей, длина динамометрической дороги принята рав-
ной 3,4 км при длине мерного участка 1 км. Эта длина достаточна также для оп-
11> деления тяговых характеристик при работе с динамометрической машиной. Из
опыта использования динамометрической машины известно, что для снятия по
крайней мере двух точек тяговой характеристики требуется участок, равный
3.2,8 км, а на запись двух процессов 20...30 с, что при скорости 140 км/ч дает
|>,8 .1,2 км; участок для разгона до установившейся скорости и для торможения
должен быть не менее 1,5...1,6 км.
Ширина динамометрической дороги выбиралась из условия обеспечения дву-
гороннего движения с интервалами между встречными автомобилями 1 м и меж-
ду автомобилями и границей проезжей части 0,3 м.
Исследования влияния прицепов показывают, что ширина дороги 7 м недоста-
гочна, и прицепы на дорогах такой ширины могут выбрасываться за границы про-
«<жей части.
При исследовании тормозных качеств возможны заносы автомобилей, поэтому
ширина проезжей части дороги должна быть не менее длины базы автомобилей
ольшой грузоподъемности. Для тяжелых автомобилей типа КрАЗ она составляет
-.75 м. Таким образом, по условиям проведения этих испытаний и исследований
ширина динамометрической дороги должна быть не менее 8 м.
Динамометрическая дорога (рис. 2.2)* сооружена с продольным профилем по
дуге земного радиуса и поперечным односкатным уклоном 0,5 %. В плане эта до-
рога прямолинейна. Основная полоса покрытия дороги шириной 7 м выполнена из
монолитного железобетона толщиной 24 см, а дополнительная (между основной и
участками испытаний на прочность) - шириной 1 м имеет асфальтное покрытие.
Микропрофиль покрытия отвечает техническим условиям на дороги I категории.
Дорога рассчитана на испытания автомобилей с нагрузкой на ось до 250 кН и
удельным давлением на поверхность до 6,3 МПа.
Рисунки, помещенные в иллюстративной тетради в параграфе 2.3, далее по тексту отмечены
шездочкой
77
При использовании для разгона примыкающей средней полосы дороги с по-
крытием из крупного булыжника, с одной стороны, и подъездной дороги - с дру-
гой, длина динамометрической дороги может быть увеличена до 5..6 км. Мер-
ный километр выбирают в месте наибольшей защищенности дороги лесом от
бокового ветра.
Следует особо отметить дополнительные возможности испытаний и исследова-
ний грузовых автомобилей на динамометрической дороге с помощью динамомет-
рических машин, которые обеспечивают плавное и в широком диапазоне измене-
ние тормозной нагрузки Это позволяет значительно расширить объем и повысить
качество исследований. С помощью динамометрической машины можно дополни-
тельно определить силу тяги автомобиля на всех передачах; полную экономиче-
скую характеристику автомобиля (при различных сопротивлениях движению), вклю-
чая кривую расхода топлива при полном открытии дроссельной заслонки (полной
подаче); потери мощности на качение и КПД колесного движителя (в сочетании с
измерением моментов на карданных валах или полуосях автомобиля) Совместный
анализ тяговых, экономических характеристик, а также мощности, затрачиваемой
на качение автомобиля, позволяет анализировать вопросы, связанные с выбором
оптимальной схемы трансмиссии, правильности регулировки двигателя, его соот-
ветствия заданным тяговым качествам автомобиля и т п.
Площадка испытаний устойчивости и маневренности Площадка предназна-
чена для испытаний и исследований устойчивости против бокового опрокидывания,
заноса и маневренности грузовых автомобилей. Ее форма в плане - это круг ра-
диусом 50 м. примыкающий к динамометрической дороге, как к касательной. Ра-
диус площадки выбран из расчета входа в поворот и движения по кругу с динамо-
метрической дороги на скорости 50 55 км/ч без опрокидывания.
Покрытие площадки - сборный железобетон. Поверхность покрытия в каждом
диаметральном сечении имеет одинаковый уклон от центра к обочине 0,5° Общий
вид площадки с места ее примыкания к динамометрической дороге показан на
рис. 2.3*.
Специальные дороги для испытаний прочности и долговечности. Обобще-
ние результатов испытаний показывает, что в большинстве случаев базовые детали
автомобилей повреждаются не из-за недостаточной статической прочности, а в ре-
зультате накопления усталости в материале от переменных повторяющихся нагру-
зок. Первоначально зародившиеся усталостные микротрещины в материале под
действием многих тысяч циклов переменной нагрузки развиваются в макротрещи-
ны и приводят к разрушению
Усталостная долговечность деталей зависит в первую очередь от величины и
частоты приложения действующих нагрузок. Поэтому сравнительная оценка устало-
стной долговечности конструкций различных автомобилей может быть дана по их
пробегу только в заданных, вполне определенных дорожных условиях.
В процессе эксплуатации действующие на детали нагрузки изменяются в очень
широких пределах как по характеру, так и по величине. Однако даже в условиях
воздействия на автомобиль дороги произвольного (случайного) микропрофиля
благодаря амортизационным свойствам подвески нагружение формируется в виде
более или менее плавного процесса. Влияние подвески и эластичных шин на фор-
мирование напряжений в деталях проявляется в двух направлениях: в приближении
процесса к циклическому а частоты процесса к собственным частотам колебатель-
ной системы ходовой части Поэтому для ориентировочных расчетов предполага-
ют, что, во-первых, результаты воздействий на детали автомобилей нерегулярных
78
н.п рузок подчиняются линейной теории суммирования повреждений от каждого
цикла, во-вторых, нагрузки в деталях изменяются пропорционально приложенным к
колесам воздействиям дороги и, в-третьих, наезд на каждую неровность вызывает
один цикл нагружения, а амплитуды циклов примерно одинаковы и равны средне-
му значению за процесс. Тогда представляется возможным в грубом приближении
ппспользоваться известной зависимостью числа циклов напряжений до разруше-
ния от их амплитуды.
Принимая, что при малой скорости поступательного движения автомобиля наезд
на неровность дает один цикл значительной перегрузки можно ориентировочно
определять необходимое число неровностей на испытательной дороге. Задавая со-
онюшение усилий на ней и в эксплуатационных условиях, также приблизительно
оценивается и желаемое сокращение пробега.
Наоборот, задавшись определенным расположением неровностей на испыта-
кч1ьной дороге и сравнивая его с расположением неровностей на дороге общего
пользования, можно подсчитать ожидаемое сокращение пробега до поломки.
Верхняя граница форсирования воздействий определяется ускорениями, возни-
кающими при наезде на неровности. При движении автомобиля по сильно изно-
шенным и разбитым дорогам ускорения подрессоренной массы достигают таких
величин, которые вызывают чрезмерную перегрузку водителя, вследствие чего он
вынужден снижать скорость для уменьшения ускорений до допустимых пределов.
Как показывает анализ дорожных исследований плавности хода грузовых автомо-
билей. максимальные переносимые водителем вертикальные ускорения составляют
Н> м/с2, а средние квадратические - 7... 15 м/с . Эти границы зависят от субъектив-
ных особенностей водителей. Предельная высота неровностей испытательных дорог
переделяется из условия сохранения при резонансной вибрации подрессоренной
массы автомобиля ускорений, не превышающих этих значений. При этом, для сопос-
I.тления с реальными дорожными условиями, для обособленных неровностей доста-
|<>чно определить их максимальную высоту, а для непрерывно чередующихся неров-
ностей удобнее использовать среднюю квадратическую высоту.
Зависимость между средними квадратическими ускорениями и высотами непре-
рывно чередующихся неровностей несинусоидального профиля полностью не изу-
чена Для непрерывно чередующихся неровностей произвольной формы можно
принять передаточный коэффициент 0,5. По характеристикам подрессоривания
(передаточным функциям подвески) с помощью этого коэффициента контролируют
высоту выбранных неровностей, что использовалось для ориентировочного расчета
конфигурации поверхности и протяженности участков специальных дорог для ис-
пытаний автомобилей на надежность [65].
Шашечная" испытательная дорога (рис. 2.4*) предназначена в основном для
ус корения проверки долговечности деталей подвески и ходовой части. Основным
p.iчмером профиля является высота отдельной неровности.
Профиль неровности - в виде прямоугольника, для которого максимальная вы-
. спа над основанием 10 см.
Сравнивая эту величину с данными обмера дорог общего пользования, можно
иключить, что размеры выбранных неровностей шашечного участка соответствуют
максимальным неровностям сильно изношенной дороги и примерно в 2 раза пре-
лышают средние квадратические высоты неровностей разбитой дороги. Основыва-
ш с. на закономерностях накопления усталостных повреждений несущих элементов
и планируемом сокращении пробега до поломки в 20 раз рассчитано количество
неровностей на 1 км - 1250.
79
Длина "шашек” в направлении оси дороги так же, как и минимальное расстоя-
ние между ними установлена с учетом длины отпечатка шин для того, чтобы ис-
ключить одновременное зависание колеса на двух соседних неровностях. Длина
шашечных неровностей составляет 35 см, а минимальное расстояние между ними
- 45 см. Шаг последовательно изменяется с 0,8 на 1,2 м. Ширина "шашек” и рас-
стояние между ними в поперечном направлении равны 60 см. Точный расчет наи-
выгоднейшей протяженности шашечного и других участков испытаний на прочность
для автомобилей разных конструкций невозможен. Ориентировочную длину участ-
ков выбирают из условий стабильности скорости движения для поддержания вы-
бранной интенсивности воздействия.
В условиях значительной вибрации и тряски на этих участках выбрать и поддер-
жать нужную скорость затруднительно. Как показали предварительные пробеги,
при въезде на такие участки скорость движения может оставаться нестабильной на
протяжении 100-200 м.
Если ограничить пробег с неустановившимся режимом, который будет источни-
ком разброса результатов, значением не более 20 % общего пробега по испыта-
тельному участку, то длина участка должна быть около 1 км. При такой протяжен-
ности одновременное движение группы из трех-четырех автомобилей с ожидаемой
скоростью 15-20 км/ч при интервале 200-250 м может выполняться с отклонением
скорости движения отдельных автомобилей 5 км/ч. что вполне доступно водителю
средней квалификации.
Действительная протяженность “шашечного" участка составляет 904 м Он вы-
полнен на общем с динамометрической дорогой земляном полотне и примыкает с
одной стороны к площадке для исследования устойчивости, а с другой - к площад-
ке для разворота диаметром 40 м. Продольный профиль участка - горизонтальный,
поперечный выполнен с односторонним уклоном 2 % в сторону обочины. Ширина
участка равна 4 м. Покрытие - сборный железобетон из плит размером 4x2x0,2 м.
На длине 200 м участок имеет разреженное расположение “шашек”: 6 шт. на одну
плиту вместо 12 на остальной части, что позволяет проводить исследования и ис-
пытания автомобилей с колесами особо большого диаметра на этом же участке.
Размещением “шашек" в поперечном направлении предусматривается неодновре-
менный наезд на неровности колес одного моста.
Как показали измерения, движение автомобиля по шашечному участку сопро-
вождается резкими частыми толчками, интенсивной вибрацией и тряской авто-
мобиля. Наиболее интенсивному воздействию подвергаются детали ходовой час-
ти и подвески. Средняя скорость движения автомобиля типа ЗИЛ-131 на этом
участке 12... 15 км/ч, для автомобилей большой грузоподъемности она может
быть выше.
Наиболее эффективно участок используется при ускоренных испытаниях на на-
дежность четырехосных шасси и автомобилей с шинами больших размеров.
Дорога с косыми волнами. Назначение - форсированные испытания на долго-
вечность узлов и деталей рулевого управления Вид и расположение неровностей
на участке выбраны исходя из действующих на детали рулевого управления нагру-
зок при различных способах преодоления неровностей.
Для оценки нагруженности рулевого привода по усилиям в поперечной и про-
дольной рулевых тягах рассмотрены результаты эксперимента, которые показали,
что достаточно полное и циклически законченное нагружение создается при пре-
одолении неровностей последовательно правым, левым и обоими колесами одно-
временно. В этом случае каждая деталь испытывает по два цикла нагружения. Ис-
80
ледования показывают, что максимальное повышение нагрузок на детали рулево-
to управления возникает при преодолении неровностей, расположенных под неко-
юрым углом к направлению движения. Только изменением угла между направле-
нием движения и образующей профиля неровности можно в широких пределах из-
менять нагрузки в приводе рулевого управления Более чем двукратное повышение
интенсивности воздействия на детали рулевого управления достигается при пре-
одолении неровности под углом 60°.
При уменьшении угла расположения неровности интенсивность воздействия на
детали рулевого управления возрастает. Уменьшение этого угла ограничивается
расклиниванием или соскальзыванием колес моста на неровности, а также пере-
। рузками деталей рулевого управления, которые могут превысить максимальные
нагрузки, встречающиеся в условиях эксплуатации. Чтобы увеличить нагрузку на
детали рулевого привода не увеличивая чрезмерно высоту неровностей, наиболее
целесообразно располагать их под углом 45° к оси дороги При этом достигаются
нагрузки деталей рулевого управления в 3...5 раз больше, чем при движении по
поперечно расположенным неровностям гех же размеров.
Высота неровностей определяется по той же расчетной схеме, что и для
шашечных.
Дорога с косыми волнами размещена на общем с динамометрической доро-
гой земляном полотне между двумя площадками разворота диаметром 40 м.
Протяженность участка 1100 м, ширина 4 м. Участок состоит из двух частей оди-
наковой протяженности с неровностями прямоугольного и синусоидального про-
филей. Обе части включают по три секции длиной 170 м. Каждая секция объеди-
няет неровности одного вида: волна или прямоугольный выступ, расположенные
под углом к оси дороги вправо, точно такие же неровности расположенные под
тем же углом к оси дороги влево, и неровности, соединенные “елочкой”. Секции
разделены ровными площадками длиной 4 м. Между обеими частями предусмот-
рен участок для разгона длиной 56 м с ровной поверхностью. Продольный про-
филь участка с косыми волнами - горизонтальный, поперечный - с уклоном 2 %
в сторону обочины. Покрытие - сборный железобетон из плит 5x2 м при мини-
мальной толщине 0,2 м. Микропрофиль неровностей: прямоугольные выступы в
нормальном сечении имеют высоту 10 см, длину 20 см и расположены с шагом
1 м вдоль оси дороги; синусоидальные волны имеют наибольшую высоту 7 см и
шаг по оси дороги 1,25 м.
Прочность покрытия допускает испытание автомобилей с нагрузкой на мост
до 250 кН. Средние скорости движения автомобилей обычной конструкции со-
ставляют на секциях с неровностями прямоугольного профиля 10... 15 км/ч, а си-
нусоидального профиля - 15...25 км/ч. Общий вид дороги для форсирования на-
гружения деталей рулевого привода показан на рис. 2.5*
Дорога с прямыми волнами синусоидального профиля (рис. 2 6*). Назначение -
испытание на плавность хода, исследование эффективности элементов подвески
проверка выбора и оценка колебательных параметров. При использовании этой
дороги в сочетании с другими участками обеспечивается дополнительный цикл ин-
тенсивных воздействий на автомобиль в условиях возбуждения его резонансных
колебаний. Наиболее неблагоприятный режим испытаний - движение, когда возни-
кает совпадение собственных частот колебаний автомобиля и воздействий дороги,
так как резонансные колебания подрессоренной массы происходят с большими
амплитудами перемещений и высокими ускорениями.
81
При периодически чередующихся синусоидальных неровностях частота возму-
щающего воздействия дороги Пв, скорость движения автомобиля Уаи длина неров-
ности / связаны зависимостью I = V (0,06л )
н н а * в'
Подставляя в эту формулу вместо Пв собственные частоты колебаний подрессо-
ренной массы различных автомобилей и предельно допустимую по условиям безо-
пасности скорость движения до Уа = 20 км/ч, можно получить для каждого случая
длину неровностей, вызывающих резонансные колебания. Обобщение таких расче-
тов для всего диапазона собственных частот, характерных для грузовых автомоби-
лей, дает минимально необходимую номенклатуру неровностей различной длины:
/( = 2 м; /2 = 3 м; /3= 4 м.
Приравнивая ускорение подрессоренной массы к приемлемой по ощущению во-
дителя величине ^сктах = 15 м/с2 и учитывая известные амплитудно-частотные
характеристики (АЧХ) выпускаемых полноприводных автомобилей [65] для неров-
ностей длиной 2 3 и 4 м, принята высота 7 см.
Неровности выбранной длины позволяют также получить четко выраженные вер-
тикальные колебания центра тяжести подрессоренной массы и наиболее неблаго-
приятные по воздействию на водителя и пассажиров ее угловые колебания. Из-
вестно, что подрессоренная масса автомобиля совершает чисто угловые колеба-
ния, если /н = 2La; 3/2La; 2/5La; .... и чисто вертикальные колебания, если
< = к' 1/3ta, , где La - база автомобиля.
Сопоставление по этим формулам размеров базы грузовых автомобилей основ-
ных моделей с выбранными размерами неровностей показывает, что при испыта-
ниях на них можно получить почти чисто угловые и чисто вертикальные колебания
подрессоренной массы подбором скорости движения. При собственных частотах
вертикальных ГЛ, или угловых (Da колебаний возникает резонанс при
У = 3,6ГЛ//н(2л), если /н = /_а; 1/2La; 1/3La..., и при Уа = 3,6С0/н(2л)
если /н = 2La; 2/ЗЦ; 2/5ta.
Для получения отчетливо выраженного резонанса колебаний автомобилей с раз-
мером базы 5 м и более предусмотрен участок с волнами длиной 5 м и высотой,
увеличенной до 8 см.
Установлено, что для многоопорных колесных автомобилей наиболее опасные
угловые колебания возникают при проезде длинных неровностей, отстоящих одна
от другой на некотором расстоянии, величина которого зависит от скорости дви-
жения и собственной частоты угловых колебаний подрессоренной массы. Предель-
ная скорость движения на периодически чередующихся синусоидальных неровно-
стях для многоопорных автомобилей с достаточно мягким подрессориванием мо-
жет быть повышена до 35. . 40 км/ч.
Подсчет показывает, что наиболее эффективным для испытаний на угловые ко-
лебания многоопорных колесных автомобилей является чередование волн длиной
8 м. Для более интенсивного возбуждения угловых колебаний многоопорных авто-
мобилей, отличающихся мягкой подвеской, высота волн увеличена до 15 см. Про-
тяженность каждой секции с различными волнами выбрана такой, чтобы получить
установившиеся колебания в течение отрезка времени, достаточного для их визу-
82
ального наблюдения, регистрации приборами и четкими физиологическими ощу-
щениями водителя и пассажиров
Параметры микропрофиля поверхности отдельных секций показаны в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Параметры Секции
1 II III IV V
Длина волны, м 2 3 4 5 8
Высота волны, см 7 7 7 8 15
Количество волн 80 60 40 40 25
Длина секции, м 160 180 160 200 200
Уравнение профиля q = Qmax[ 1 - cos (2л//н)/], где <7max- максимальная высота
неровностей.
Дорога с прямыми синусоидальными волнами расположена на общем с динамо-
метрической дорогой земляном полотне. У начала ее размещается малая площад-
ка разворота. Общая протяженность дороги 1100 м, ширина 4 м. Секции разделе-
ны участками ровной дороги длиной 48 м
Продольный профиль основания — горизонтальный, поперечный — с уклоном
0,5 % в сторону обочины. Покрытие — сборный железобетон иэ плит размерами
4x2 м, 4,5x2 м, 5x2 м, имеющих минимальную толщину 0,2 м. Прочность покрытия
рассчитана на испытания автомобилей с нагрузкой на мост до 250 кН.
Скорость движения при испытаниях автомобилей различной конструкции огра-
ничивается возникновением резонансных колебаний подрессорной части и отры-
вом колес от опорной поверхности.
Дорога с покрытием из крупного булыжника. Назначение — ускоренная провер-
ка прочности конструкции автомобиля, выявление слабых агрегатов, узлов и дета-
лей, что достигается созданием непрерывных динамических нагрузок различной
частоты, прикладываемых к колесам в разных плоскостях.
При выборе размеров булыжника, как и на других участках для испытаний на
долговечность, лимитируется высота выступающей части отдельных камней.
Если принять профиль выступающей части отдельного камня в первом при-
ближении соответствующим правильной полуокружности, учесть известное соот-
ношение средней квадратической и максимальной высот ее от средней линии, а
также различия в подрессоривании грузовых автомобилей, то по расчету пре-
дел высоты - 12 см.
Допускается, что разброс высоты отдельных камней вследствие неправильной
их формы, различия размеров, неровной укладки и других обстоятельств может
достигать 50 %. Тогда при нормальном распределении по площади покрытия сред-
ний размер и зона отклонений высоты выступающей части отдельных камней бу-
лыжника 8±4 см.
Для придания испытательной дороге основного качества — стабильности — при
высокой прочности и несущей способности камни заделаны в бетон на глубину 3/2
среднего их диаметра. Исходя из этого, при заготовке и сортировке булыжника ус-
тановлен диапазон размеров отдельных камней 15...35 см.
83
Сопоставление полученных размеров камней с размерами неровностей на раз-
личных дорогах общего пользования показывает, что по формируемым воздействи-
ям на колеса выбранные неровности соответствуют изношенным или сильно изно-
шенным покрытиям.
Вследствие универсальности воздействия дороги с покрытием из крупного бу-
лыжника интенсивность ее загрузки принята максимальной. При организации по-
следовательных испытаний сначала автомобилей в целом на дороге с булыжным
покрытием, а затем основных агрегатов на дорогах направленного воздействия
пропускная способность дороги с крупным булыжником для сохранения полной за-
грузки всего комплекса должна быть не меньше суммарной пропускной способно-
сти трех других участков, рассмотренных выше.
Для принятых размеров прочностных участков и возможной работы на каждом
из них одновременно трех-четырех автомобилей пропускная способность дороги с
крупным булыжником составляет 9-12 атомобилей одновременно При сохранении
допустимого интервала между автомобилями 200-250 м минимальная длина доро-
ги с крупным булыжником — 3000 м. При такой высокой насыщенности и пропуск-
ной способности наиболее выгодная компоновка участка - кольцевая.
Из соображений экономичности кольцевой маршрут образован двумя полосами
дороги длиной 1500 м и шириной 4 м каждая, разделенными четырехметровым
проездом, выполненным на общем земляном полотне и замкнутым по концам: с
одной стороны - площадкой разворота диаметром 40 м, с другой - площадкой на
Т- образной развилке.
Продольный профиль дороги с крупным булыжником - горизонтальный , попе-
речный - с односторонним уклоном 2 % в сторону обочины. Покрытие — железо-
бетонные плиты размером 4x2 м с заделанными в бетон булыжниками. Прочность
покрытия рассчитана на испытания автомобилей с нагрузкой на мост до 150 кН.
Допустимая при испытаниях скорость движения до 50 км/ч. Общий вид покрытия
показан на рис. 2.7*
Ухабистая дорога. Назначение — для форсированных испытаний на прочность
рам, несущих корпусов, кабин, балок мостов. Кроме того, при движении по неров-
ностям ухабистой дороги повышается интенсивность воздействия на детали транс-
миссии нагрузок двух разных в течение цикла направлений (тяга - на подъемах и
торможение - на спусках).
Характерными деформациями, определяющими долговечность несущих систем
автомобиля, можно считать изгибы в продольной и поперечной плоскостях и скру-
чивание. Эти деформации выделены и циклически повторяются по определенной
программе при движении автомобиля через последовательно расположенные се-
рии прямых, косых и клиновых холмов (рис. 2.8*).
Размеры холмов определены в соответствии с техническими характеристиками
грузовых автомобилей современного и перспективного типажа. Прямые и косые
холмы объединены общим характером формирования нагружения со значительным
перераспределением нагрузки по мостам. Учитывая это, можно сформулировать и
общее требование к конструкции элементов прямых и косых холмов. Оно состоит в
том, что для получения полных и одинаковых по характеру формирования циклов
нагружения несущей системы (рамы) различных автомобилей длина склонов хол-
мов не должна быть меньше самой большой базы предусмотренных к испытаниям
автомобилей (0ta = 7-:-8 м), а расстояние между основаниями соседних холмов - не
больше наименьшей базы (La = 2,5ч-4,0 м). Максимальные углы подъема и спуска
84
(X - 15 определены по радиусу продольной проходимости, углам переднего и
1аднего свесов для косых холмов и из условия сохранения устойчивости против
бокового опрокидывания (предельный угол наклона 20°).
Исходя из этих размеров проведены проектные расчеты формы неровностей
(ухабов) и оптимального их размещения [65].
В ходе строительства размеры были незначительно изменены, исходя, главным
образом, из соображений сокращения номенклатуры железобетонных плит покрытия.
Для получения скручивающих нагрузок в разных направлениях и изгибов в раз-
личных диагональных плоскостях при одинаковых режимах движения (подъем или
спуск) предусмотрены две группы холмов с левыми и правыми скосами гребня к
направлению оси дороги. В отличие от косых на клиновых холмах можно осущест-
вить скручивание несущей системы автомобиля без значительного перераспреде-
ления нагрузок на мосты. Кроме того, на клиновых холмах возможно повышение
скорости изменения циклической нагрузки как вследствие более высокой скорости
движения, так и в результате сокращения длины участка, необходимого для фор-
мирования одного законченного цикла. На клиновых холмах повышается стабиль-
ность режимов испытаний. Однако обеспечить приблизительно одинаковый харак-
тер формируемых циклов нагружений для современных грузовых автомобилей раз-
личных конструкций на участке клиновых холмов одного типа невозможно. Поэтому
в состав участка введен вспомогательный тип клиновых холмов более мягкого на-
гружения для испытаний легковых полноприводных автомобилей и грузовых авто-
мобилей средней грузоподъемности.
Как показывает опыт, почти все испытуемые автомобили требуют специальной
проверки усталостной долговечности рам или несущих корпусов. Поэтому пропуск-
ная способность и протяженность ухабистой дороги должны быть не ниже, чем до-
роги с крупным булыжником. Протяженность секторов, составленных из холмов од-
ного типа, обусловливается теми же требованиями устойчивости режима испыта-
ний, что и на других участках направленных воздействий. В связи с этим ухабистая
дорога размещена в стороне от общего полотна комплекса испытательных дорог в
виде двух полос протяженностью 1360 м каждая с перемычками по концам секто-
ров, которые образуют последовательные замкнутые кольца холмов или ухабов од-
ного типа. Такая компоновка обеспечивает возможность непрерывного использова-
ния как одного из видов холмов при замкнутом маршруте движения, так и различ-
ных комбинаций из секторов.
Сектор с прямыми холмами включает 34 холма на двух полосах по 380 м каж-
дая. Высот? холма 1.81 м. радиус при вершине 7.9 м, угол наклона 15°, длина го-
ризонтальной площадки между соседними холмами 4 м. Покрытие - сборный же-
лезобетон из плит размером 4x2 м
Сектор с косыми холмами включает 36 холмов, расположенных на двух парал-
лельных полосах дороги протяженностью 400 м каждая Высота холмов 1,36 м, ра-
диус скругления вершины 8,15 м, длина холма 16,9 м, расстояние между основа-
ниями 2,83 м. Одна полоса имеет правый скос холмов, другая - левый. Горизон-
тальные площадки между соседними холмами выполнены длиной 2,84 м в направ-
лении оси дороги. Покрытие представляет собой сборные железобетонные плиты
размером 5 х2 м. уложенные под углом скоса холмов к оси дороги.
Клиновые холмы основного типа выполнены в виде двух полос протяженностью
286 м каждая. Участок включает 88 холмов (ухабов) максимальной высотой 0,75 м,
длиной основания в широкой части 10 м, с предельным радиусом скругления вер-
85
шины 7,55 м. Расстояние между соседними холмами 2,83 м. Клиновые холмы
смягченного типа выполнены также в виде двух полос протяженностью 93,0 м Уча-
сток включает 28 холмов максимальной высотой 0,6 м, длиной основания в широ-
кой части 10 м, с предельным радиусом скругления Эми расстоянием между хол-
мами 1,415 м Покрытие холмов - из сборного железобетона. Конфигурация плит
выбрана с учетом унификации для уменьшения номенклатуры и повышения эконо-
мичности изготовления. Для покрытия участка использовано четыре типа железо-
бетонных плит.
Вследствие сложности конфигурации поверхности отдельные вставки покрытия
сделаны из монолитного железобетона. Объем монолитного железобетона на уча-
стке составляет 18,5 % общего объема покрытия. Ширина проезжей части 5 м.
2.3. Центральный
автополигон
Реализация концепции создания
Центрального автополигона отличается масштабностью и широтой охвата различ-
ных внешних воздействий на автомобиль, согласно с которыми проектировались и
строились испытательные дороги, сооружения, лабораторно-дорожные комплексы.
При этом стремились к воспроизведению характеристик дорог общего пользова-
ния, что особенно отчетливо выражено в создании и вводе в эксплуатацию соору-
жений первой очереди. Затем развитие этой технической базы испытаний для все
большей номенклатуры оцениваемых свойств осуществлялось путем комбинаций,
сочетаний в отдельных сооружениях нескольких признаков дорог различного типа
или объединением в один цикл испытаний на сооружениях, отличающихся как на-
значением, так и дорожными характеристиками.
По мере насыщения Центрального автополигона испытательными сооружениями
создался сложный комплекс воспроизведения условий и воздействий на автомо-
биль, встречающихся в эксплуатации.
Схематически он представлен на рис. 2.9.
Не требует особых доказательств очевидное повышение эффективности исполь-
зования такого комплекса при уточнении и обобщении связи его компонентов с на-
учными основами автомобилестроения, сложившимися в таких научных дисципли-
нах, как теория автомобиля, конструкция и расчет его, специализированный под-
вижной состав автотранспорта, техническая эксплуатация и др.
Для разработки оптимальной технологии испытаний эти связи отражаются в
определенном группировании располагаемых специальных дорог сооружений, ла-
бораторий и другого обустройства технической базы. Поэтому оборудование Цен-
трального автополигона представляется по группам, в которых конструктивные ха-
рактеристики, назначение, способы использования включаемых элементов матери-
альной базы испытаний согласуются с фундаментальными положениями упомяну-
тых научных дисциплин как основы создания и совершенствования автомобильной
техники.
Группа I - испытательные дороги с ровным покрытием.
Отличительными признаками этих дорог являются характеристики микропрофи-
ля, обеспечивающие минимальные возмущающие воздействия на колебательные
системы ходовой части, не вызывающие колебаний подрессоренных и неподрессо-
ренных масс автомобилей и заметных переменных нагрузок (например, напряже-
ний в рессорах с амплитудами выше предела усталости), а также стабильные зна-
86
чения коэффициентов сопротивления качению колес минимально возможного
уровня. Эти признаки соответствуют допущениям, принятым в теории автомобиля в
разделах тяговой и тормозной динамичности, топливной экономичности, управ-
ляемости, устойчивости и других свойств и рабочих процессов.
Рис. 2.9. Схема генерального плана испытательных сооружений Центрального автополигона:
1- участки различных грунтовых фонов; 2 - грунтовая равнинная испытательная дорога; 3 - ско-
ростная дорога; 4 - подъездная дорога; 5 - пылевая камера; 6 и 7 - трек со сменными неровно-
стями для испытаний двух- и трехосных автомобилей; 8 - дорога испытаний активной безопас-
ности; 9 - участок песчаной дороги; 10 - мелководный бассейн; 11 - глубоководный бассейн; 12
и 13 - булыжная дорога ровного и профилированного замощения; 14-15 - площадка асфальти-
рованная с водополивом для испытаний устойчивости; 16 - участок испытаний аэродинамиче-
ской устойчивости; 17-23 - специальный комплекс испытательных дорог фиксированных пара-
метров; 24 - бункерный комплекс; 25 - грунтовая тяжелая дорога; 26 - лабораторно-производст-
венные помещения; 27 - въезд; 28 - лабораторно-дорожный комплекс испытаний пассивной
безопасности; 29 - искусственный водоем для испытаний плавучести; 30-35 - подъемы от 4 до
60% крутизны; 36 - дорога горного типа; 37-40 - подъемы от 4 до 60% крутизны; 41- динамо-
метрическая дорога.
87
Рис 2.10. Скоростная испытательная дорога (конструктивная схема)
1 - план; 2 - поперечный разрез; 3 - служебные путепроводы.
Скоростная испытательная дорога (рис. 2.10. а.б*) - кольцевая с асфальто-
бетонным покрытием на цементобетонном основании, имеющая продольный про-
филь с уклонами, характерными для автомобильных магистралей в среднепересе-
ченной местности; предназначена для проведения длительных пробеговых испыта-
ний автомобилей и автопоездов различных типов на максимальных и близких к
ним скоростях в условиях движения соответствующих автомобильным дорогам об-
щего пользования I категории. В плане эта дорога представляет замкнутый четы-
рехугольник с различными по длине сторонами и вершинами, скругленными по пе-
реходным кривым и окружностям радиусами 1000, 1200 и 2000 м.
Общая протяженность дороги принята исходя из проектной емкости 50 автомо-
билей, одновременно проходящих испытания на ней, и составляет 14,0 км при ши-
рине земляного полотна - 15,5 м, ширине проезжей части - 10,0 м, ширине обо-
чин - 2,75 м.
Продольный профиль скоростной дороги выбран с учетом норм проектирования
автомобильных дорог I категории. Максимальный продольный уклон 5 % образован
на трех участках общей протяженностью 960 м, в том числе на одном участке дли-
ной 700 м.
88
Поперечный уклон на прямолинейных учвстках принят 1,5 % для обеспечения
отвода воды с поверхности дороги.
Геометрические характеристики скоростной дороги приняты из расчета обеспе-
чения допустимой скорости движения автомобиля 200 км/ч и более.
Для устранения влияния неравномерности нагрузки автомобиля на уклонах, ви-
ражах и поворотах предусмотрено изменение направления движения по скорост-
ной дороге каждые сутки.
Динамометрическая дорога (рис. 2.11, а,б*) предназначена для испытаний и
оценки тягово-скоростных свойств, эффективности тормозных систем, топливной
экономичности автомобилей всех типов, оценки работоспособности их тормозных
систем и трансмиссий при переменных режимах движения.
Дорога прямолинейна в плане, с горизонтальной поверхностью на длине 4,7 км
при общей протяженности 5,4 км. Покрытие проезжей части - асфальтобетонное
на цементобетонном основании. Ширина земляного полотна 15,5 м, проезжей час-
ти - 10,0 м, укрепленных обочин - 2,75 м каждая. Поперечный уклон полотна доро-
ги выполнен двусторонним - 1 % в каждую сторону от оси. Ровность покрытия ха-
рактеризуется просветами под метровой рейкой до 3 мм на 80 % длины, 3...5 мм -
на 16 % и свыше 5 мм - на 4 % общей протяженности. Северный конец дороги пе-
реходит в круглую горизонтальную площадку диаметром 104,24 м, где предусмот-
рен незначительный уклон (0,5 %) к центру для стока воды (через проложенные
под покрытием дренажные трубы). У южного конца построена разворотная петля,
очерченная радиусами 52,12 м (внешний) и 43,62 м (внутренний). Поперечный ук-
лон проезжей части - 8 % обеспечивает скорость движения на разворотной петле
40...50 км/ч с перегрузкой на борт (от центробежной силы) до 30 %. Разворотная
петля расположена на более высоком уровне, чем горизонтальная часть дороги, и
сопрягается с ней прямолинейным участком протяженностью 0,65 км, имеющим
продольный уклон до 3,5 %. Этот подъем может использоваться для гашения ско-
рости испытываемого автомобиля после прохождения дистанции с высокой скоро-
стью, а при движении в обратном направлении (на спуске) - для ускорения разго-
на автомобиля или автопоезда.
Горная дорога (рис. 2.12, а,б*) предназначена для проведения длительных
пробеговых испытаний автомобилей в условиях повышенных нагрузок на узлы
трансмиссии (особенно - дифференциалы), тормозные системы, шины, для оцен-
ки параметров управляемости легковых и грузовых автомобилей и автопоездов, а
также топливной экономичности и тягово-скоростных свойств в условиях авто-
транспортных перевозок на горных маршрутах.
Основные характеристики:
общая протяженность - 1,517 км;
суммарная величина углов поворота - 1660',
количество криволинейных участков с радиусом закруглений: 20м - один; 30 м
- три; 40 м - три; 50м - четыре; 64 м - один; 80 м - два;
протяженность криволинейных участков составляет 1255 м (83 %).
Продольный профиль дороги включает участки с уклонами от 0 до 8 % (1353
м), небольшие горизонтальные участки (82 м), уклоны 12 % (47 м) и 16 % (35 м).
Ширина полосы покрытия 7 м для прямолинейных и 9 м для криволинейных уча-
стков, что обеспечивает возможность испытания автопоездов.
Максимальный поперечный уклон проезжей части на кривых - 3 %. Конструкция
дорожной одежды состоит из цементобетонного покрытия толщиной 20 см, щебе-
ночного основания и песчаного дренирующего слоя.
89
Рис. 2.11. Динамометрическая дорога (конструктивная схема):
1 - план; 2 - продольный профиль; 3 - поперечное сечение, 4 - северная испытательная площад-
ка; 5 - южная разворотная петля; 6 - служебная смотровая площадка; 7 - подъездная дорога;
8 и 9 - покрытие цементно-бетонное и асфальтное.
Рис. 2.12. Горно-испытательная дорога - серпантины (конструктивная схема):
1 - план; 2 - поперечный разрез на крутых поворотах; 3-5 - съезды на верхнюю и нижнюю пло-
щадки подъемов большой и малой крутизны.
90
Испытательные подъемы малой крутизны предназначены для проведения
испытаний на надежность трансмиссий, тормозных систем, других агрегатов и
узлов автомобилей и автопоездов в условиях сильно пересеченной местности
(рис. 2.13 а,б*).
’ис 2 13. Испытательные подъемы малой крутизны (конструктивная схема)'
I план; 2 - профиль; 3 и 4 - нижняя и верхняя площадки; 5 - выезд на горную дорогу и подъе-
мы большой крутизны.
Продольный профиль подъемов характеризуется следующими основными показа-
н-лями:
Уклон поверхности, % . .. 4 6 8 10
(2°18') (3”26') (4°35') (5°43')
Протяженность /0, м 750 508 482 402
Расстояние между верхними и нижними площадками /п, м . 1128 987 788 631
Высота (разность геодезических отметок верхней
и нижней площадок) /?0, м ... ... 35,85 38.51 45.22 50.42
Протяженность подъема с переходными участками, м 1048 1230 1449 1230
Суммарная длина всех четырех подъемов с соединительными участками состав-
ляет 4957 м.
Испытательные подъемы большой крутизны (рис 2.14 а,б*) предназначены
для испытаний способности автомобилей и автопоездов преодолевать максимальные
91
подъемы испытаний механизмов сцепления и других агрегатов трансмиссии, про-
верки эффективности тормозных систем, работоспособности систем смазки двигате-
лей при движении на подъемах, испытаний лебедок и проведения других экспери-
ментальных исследований и оценки предельных возможностей автомобилей
Рис. 2.14. Испытательные подъемы большой крутизны (конструктивная схема):
1 - план; 2 - продольный профиль; 3 - поперечное сечение; 4 и 5 - верхняя и нижняя площад-
ки; 6 и 7 - монолитный и сборный железобетон; 8 анкерные крепления; 9 - выезд на горную
дорогу.
Основные параметры подъемов следующие:
Уклон поверхности, % .... 30 40 50 60
(16'42') (21"48') (26с34') (30“58')
Рабочая длина, м .... 69,8 50,5 44,2 35,4
Общая длина, м 98,8 80,8 65,0 59,8
Высота, м .. 24,27 24,47 24,52 24,61
На верхней площадке установлены анкерные блоки для испытания автомобиль-
ных лебедок и, в случае необходимости, для крепления страховочного троса (в ос-
новном - при испытаниях автопоездов).
Группа II - дороги с переменным микропрофилем, жестким стабильным
покрытием, воспроизводящие разнообразные (детерминированные и слу-
чайные) дорожные воздействия в различных условиях эксплуатации.
92
Кольцевая дорога с булыжным покрытием проектировалась на основании
н|м*д||.|рительной разработки микропрофиля, обеспечивающего возможно более
и < нук> корреляцию его воздействия с эксплуатационными воздействиями реаль-
ных дорог подобного типа.
Дня этого в качестве прототипов изучались булыжные дороги общего пользова-
ния. па которых в течение многих лет ведущие заводы отрасли организовывали
пробег овые испытания.
С 1ем чтобы сложившиеся в опыте автозаводов условия испытаний воспроизве-
|и на автополигоне, при разработке проектных решений для строительства специ-
1П1.НОЙ испытательной дороги изучались шесть участков булыжных шоссе. Кроме
иыбора характерных участков, принимавшихся представительными для дороги
ннн.шой протяженности, проведена предварительная оценка характера возникаю-
щей вибрации автомобиля с целью исключения из рассмотрения неровностей, вы-
минающих пробои подвески, чрезмерное галопирование, интенсивные поперечные
колебания. На исследуемых участках проводились режиме метрические испытания
дня оценки скоростей движения, включаемых передач и режимов работы агрега-
|<>н, тензометрирование наиболее нагруженных деталей и т.п. На основе сопос-
I.тления предварительных данных выбирались окончательно участки, обеспечи-
вающие как достаточную представительность их по интенсивности нагрузок, так и
исключение экстремальных условий работы агрегатов автомобиля.
На выбранных таким образом участках проводилась инструментальная съемка
микропрофиля и его статистическая обработка, выявлялись типичные размеры
неровностей и их сочетания для последующего воспроизведения в техническом за-
дании на проектирование.
По результатам статистического анализа размеров неровностей, режимометри-
пования. натурной съемки по следу правых и левых колес микропрофиль улучшал-
я очерчиванием каждой неровности дугой окружности и их плавным сопряжением.
При этом каждая неровность располагалась перпендикулярно к оси дороги в пре-
делах ширины колеи.
Сочетание неровностей по следу левого и правого колес в каждом поперечном
i ечении вызывает не только вертикальные смещения контактов шин с поверхно-
стью, но и поперечно-угловые. Эти смещения обусловливают возникновение одно-
временно вертикальных и поперечных колебаний. В табл. 2.4 дана характеристика
профилированной булыжной дороги.
Таблица 2.4
Размеры неровностей Количество неровностей на 100 м пути
Длина, м Высота, см Бугров Впадин
1 3 8/8 7/11
2 3 2/0 0/0
2 4 3/5 13/9
3 5 5/5 3/8
4 5 3/0 2/2
Примечание В числителе даны значения по левому следу, в знаменателе - по правому
93
В связи с тем, что к этой испытательной дороге предъявлялись требования воз-
можно большей универсальности и воспроизведения как интенсивного нагружаю-
щего воздействия разбитой булыжной дороги, так и воздействия булыжного шоссе
в хорошем состоянии, в ее состав включена и дорога ровного замощения, т.е. без
профилирования неровностей. Для интенсивного использования булыжная дорога
построена кольцевой с поворотами большого радиуса, как показано на рис. 2.15*.
Рис 2 15 Кольцевая булыжная дорога (конструктивная схема):
А - микропрофиль на 100-метровом участке по следу колес левого 1 и правого 2; Б - план;
В - служебный подъезд; Г - образование неровности заделкой булыжника в бетон.
Конструкция дороги отличается тем. что на общем земляном полотне уложен
сборный железобетон из плит шириной 7,5 и толщиной 18 см. На нем как на осно-
вании, исключающем просадку и деформации покрытия, проложены кольцевые до-
роги. Внутренняя дорога шириной 3.5 м выполнена ровным замощением булыжни-
ка размером 17 ..22 см в песчаный слой уложенный на бетонное основание, а
внешняя шириной 4 м состоит из двух полос шириной 1,75 м каждая и выполнена
94
и оулнжника размером 22...27 см, уложенного в слой монолитного бетона. По-
верхность каждой полосы профилирована согласно выше приведенной характери-
< тор микропрофиля. Полосы внешней дороги разделены ровной цементобетонной
перемычкой шириной 0.5 м. Кроме этого, на кольцевой булыжной дороге имеются
|ри небольших опытных участка, отличающихся от типизированного общего мик-
ронрофиля Строительство этих участков осуществлялось в процессе поисков оп-
1ИМ.ШЫЮЙ конструкции и отработки технологии мощения камня в бетон.
11.т опытных участках встречаются короткие пороговые неровности по всей ши-
рине дороги, вызывающие при скорости 20. .30 км/ч импульсные вертикальные пе-
рш рузки, интенсивные вертикальные колебания и галопирование автомобилей.
к|>нс|рукция кольцевой булыжной дороги рассчитана на испытания автомобилей с
максимальной осевой нагрузкой 100 кН.
Как профилированная, так и ровная булыжные дороги интенсивно используются
для испытаний автомобилей всех типов на надежность и сопротивление усталости,
и особенности ходовой части, кузовов, узлов шасси и т.д. Булыжная кольцевая до-
рп1Л является образцом воспроизведения воздействия дороги общего пользова-
нии с исключением перегрузок.
Комплекс специализированных дорог для исследований и испытаний. В
ног комплекс (рис. 2.16, а,б*) включено семь испытательных дорог с участками
ран она и замедления, круглой площадкой диаметром 120 м и петлями разворота.
Дни форсирования нагрузок по величине и частоте их возмущения служат бельгий-
кам мостовая, выбитый булыжник, короткие волны, которые относятся к рассмат-
риваемой группе.
Бельгийская мостовая. Испытательные дороги типа бельгийской мостовой со-
оружены почти на всех действующих автополигонах. Однако установившихся обще-
принятых характеристик их микропрофиля нет. Поэтому отдать предпочтение в ка-
чн< ine прототипа какой-либо дороге из числа эксплуатируемых нет достаточных
пований.
Гм< 2 16. Комплекс специальных испытательных дорог целевого нвзначения (конструктивная
<-ма. А— план, Б — поперечное сечение):
I короткие волны; 2 и 6 - полосы с ровным асфальтобетонным покрытием; 3 - бельгийская
мо< говая; 4 - шумосоздающая дорога; 5 - выбитый булыжник; 7 - булыжник эталонного замоще-
нии. 8 участок испытаний устойчивости и управляемости; 9 - служебная дорога; 10 - мелковод-
ный затопляемый участок; 11 - глубоководный затопляемый участок 12 - песчаный участок' 13 -
дорога испытаний управляемости.
95
При разработке технического задания для последующего строительства на авто-
полигоне НАМИ в качестве прототипа был выбран участок с булыжным покрытием
шоссе общего пользования После масштабной съемки микропрофиль этого участ-
ка корректировался выведением вершин выступов на один общий уровень, исклю-
чением неровностей длиной меньше 0.8 м и делением неровностей более 1 6 м
на части. Неровности по правому и левому следам колеи объединялись так, чтобы
образующиеся впадины имели приблизительно овальную форму. Для опытной про-
верки выбираемых параметров было построено несколько пробных участков с ва-
риантами размеров и расположения впадин. На этих участках измерялись колеба-
ния и вибрация масс, возникающие ускорения и напряжения в деталях подвески,
несущей системы и системы рулевого управления.
Бельгийская мостовая имеет следующие характеристики: протяженность 1 км, ши-
рина проезжей части 4 м, ширина цементобетонного основания 5 м при толщине
0,18 м. Проезжая часть ограждена бордюрами из железобетона шириной 0,5 м и вы-
сотой 0,2 м. Покрытие дороги выполнено гранитными брусками, размеры которых на-
ходятся в пределах (190-270)х(130-150)х(120-160) мм. Впадины глубиной 35+5 мм
имеют в плане закругленные формы и размеры 180x100, 400x100, 300x100 см. Мик-
ропрофиль с одинаковым расположением впадин повторяется через каждые 80 м.
Гранитные бруски уложены в перевязку рядами с расположением грани наи-
большего размера поперек дороги, как показано на рис 2.15 (в правом нижнем
углу) Между рядами и между брусками в рядах залит уплотненный бетон на
10. .20 мм ниже уровня верхней грани. Разделяющий отдельные бруски зазор
при укладке составляет 20±5 мм. Разная высота выступающей части брусков над
поверхностью дороги создает микронеровности высотой 15+5 мм. Часть покры-
тия дороги, выполненная для экспериментальных исследований и выбора конст-
руктивных решений, отличается от типизированного профиля по интенсивности
воздействия на автомобиль, поэтому рекомендуемые при испытаниях скорости
движения автомобиля 20.40 км/ч.
Бельгийская мостовая эффективно используется не только для испытаний ходо-
вой части, но и во всех тех случаях, когда автомобиль проверяется на воздейст-
вие, вызывающее сильную тряску и вибрацию.
Участок выбитого булыжника Эту дорогу можно рассматривать как компенси-
рующую исключение выбитых участков при проектировании кольцевой булыжной
дороги. Поверхность ее включает неровности покрытия в 1,5 раза большие по вы-
соте, чем на кольцевой профилированной дороге. Хотя основное ее назначение -
испытания плавности хода грузовых автомобилей, но как средство расширения
воздействия булыжной дороги она может использоваться и для форсированных ис-
пытаний на прочность. Конструкция дороги подобна булыжной кольцевой. Ее длина
500 м, ширина 5 м. Две полосы шириной 1,75 м каждая профилированы по специ-
альным шаблонам на длине 100 м с последующей заменой правой и левой полос
на этих участках.
Дорога с короткими волнами. Микропрофиль на этой дороге выполнен в соот-
ветствии с нормами, типизирующими некоторые виды испытаний. Неровности по-
верхности очерчены по кривой, близкой к синусоидальной, высотой 25 мм с перио-
дом 0,76 м на полосе шириной 3,5 м, а на смежной полосе 1,5 м этот же микро-
профиль повернут под углом 681’
Выбирая при испытаниях различное положение продольной оси автомобиля по
ширине дороги, можно смещением микропрофиля изменять фазу воздействия не-
ровностей на колеса правого и левого бортов Изменяя скорость движения испы-
96
Динамометрическая дорога
Ф Площадка для испытаний
устойчивости, управляемости,
маневренности
Ф Испытательная дорога с косыми неровностями разных профилей:
а) синусоидального; б) прямоугольного
б
Испытательная дорога
с прямоугольными выступами
в шашечном порядке
Волнистая испытательная дорога
синусоидального профиля
Ф Испытательная дорога
из крупного булыжника, заделанного
в бетонные плиты покрытия
Ф Ухабистая дорога:
а)с прямыми холмами
а
Ухабистая дорога с холмами:
б) косыми; в) клиновыми
Скоростная испытательная дорога
Динамометрическая дорога
Горная испытательная дорога
(общий вид на серпантине)
Испытательные подъемы малой крутизны
Испытательные подъемы большой крутизны
Ф Кольцевая булыжная дорога
(левая полоса — непрофилированная ровного замощения)
Комплекс специальных испытательных дорог целевого назначения
Трек со сменными неровностями
.1
Равнинная грунтовая испытательная дорога с состоянием поверхности:
а) сухим; б) размокшим
б
Грязевой испытательный участок
Песчаная испытательная дорога
©Затопляемые испытательные участки:
а) общий вид испытаний в мелководном бассейне;
в) общий вид испытаний в глубоководном бассейне
в
Бункерно-дорожный испытательный комплекс при испытаниях
Коррозионная камера
©Установка для испытаний
токсичности отработанных
газов в лаборатории
с барабанным стендом
Автомобильная аэродинамическая труба
(лид установки автомобиля для испытаний)
Ф Испытания безопасности при наездах:
а) сбоку б) сзади
б
Испытания безопасности
при фронтальном столкновении
Испытания безопасности
при боковом опрокидывании
с уклона
Испытания безопасности от наезда на препятствия
Ф Стенд испытаний креплений ремней безопасности
и сидений статическим нагружением
® Испытание бампера легкового автомобиля
ударом маятникового копра
Испытания ударно-прочностных свойств кабины на стенде
/ с вертикальным прессом для эквивалентной статической нагрузки
I
Установка на стенде испытаний
®для оценки характеристик упругости
и демпфирования подвески
и несущей системы автомобиля
®Г1рофилографическая лаборатория
на шасси автомобиля
©Акустический испытательный комплекс
(общий вид установки испытываемого автомобиля)
a
©Северная испытательная станция:
а) производственный корпус: б) пробеговые испытания по заснеженной трассе
б
Условия испытаний в южной природно-климатической зоне
на горных дорогах
АЩК Условия испытаний в южной природно-климатической зоне
в жарко-пустынной местности
(уемого автомобиля, благодаря регулярности микропрофиля, можно вызвать ре-
юнансовые колебания в ходовой части и других узлах. Отличительной особенно-
<iwo конструкции дороги является выполнение покрытия не монолитным, а из
« борного железобетона, т е. аналогично покрытию специальных дорог КИТ.
Дорога с ровным булыжником Она предназначена в основном для использо-
вания как эталон при испытаниях на плавность хода и в тех случаях, когда жела-
|ельно вызвать высокочастотные колебания неподрессоренных масс автомобиля.
Покрытие дороги выполнено из валунного булыжника, заделанного в монолитный
б» гон. Размеры камня 16...20 см с выступающей частью 2.4 см. Длина дороги
1 км ширина проезжей части — 4 м.
Дорога с асфальтобетонным покрытием. Состоит из двух полос протяженностью
по 1 км и шириной 8 м каждая. Отличаются доро, и шероховатостью и предназна-
чены для испытаний тормозных систем, управляемости, устойчивости, проведения
других исследований.
Участок испытаний пассивной безопасности. В состав участка включена специ-
альная дорога протяженностью 250 м с площадкой разворота и служебными пло-
щадками для подготовки автомобиля к испытаниям и размещения регистрирующей
столкновения и опрокидывания аппаратуры. На одной из полос дороги заглублен
в полотне специальный привод разгона испытуемого автомобиля и установлен не-
подвижный параллелепипед массой 90 т
Шумосоздающая дорога. Покрытие дороги выполнено из брусчатки в цементно-
песчаной смеси, уложенной на бетонное основание комплекса. Микропрофиль об-
разован в основном швами между камнями, неровной поверхностью их граней и
вызывает высокочастотную вибрацию колес и шин, создающую повышенный шум
при движении автомобиля, а также резонансную вибрацию панелей кузова и дру-
гих деталей.
Площадка для испытания устойчивости. Диаметр площадки 120 м, покрытие -
(Сфальтобетонное, выполнено с уклоном 0 5 % от центра к обочинам. В центре
площадки размещено устройство подачи воды для смачивания поверхности при
испытаниях устойчивости, связанных с изменением коэффициента сцепления ко-
лес в зоне контакта с дорогой.
Трек со сменными неровностями. В основу конструкции (рис. 2.17, а,б,в*)
положено требование направленного воздействия на несущую систему автомоби-
ля. вызывающего интенсивное кручение рамы, кузова, кабины, рессор. Неровно-
сти размещаются на ровном цементобетонном покрытии дороги в шашечном по-
рядке, на которые движущийся автомобиль наезжает колесами разных мостов и
разного борта. Высота неровностей выбрана так, чтобы в момент нахождения ко-
лес, диагонально расположенных в плане автомобиля на соседних неровностях,
угол кручения несущей системы составлял 60...70 % предельной величины, дости-
гаемой при вывешивании колес противоположных по диагонали. Такое нагружен-
ное состояние возникает при размещении неровностей на расстоянии базы авто-
мобиля. Поскольку трек предназначен для испытаний различных автомобилей, от-
личающихся размером базы, то неровности можно переставлять при подготовке к
испытаниям
Для испытания автомобилей двухосных и небольшой грузоподъемности эффек-
тивная форма неровностей - округлая; для трехосных - трапециевидная с верхним
основанием примерно равным базе балансирной тележки.
Две горизонтальные прямолинейные полосы с цементобетонным покрытием
разделены на две секции с перемычкой и закругленными соединениями по концам.
В первую секцию устанавливают сменные неровности из железобетона в виде
97
сегментов цилиндра. Вторую секцию оборудуют трапециевидными неровностями,
отлитыми из стали. Неровности фиксируются штифтами, входящими в чугунные
гнезда, заделанные в бетон грека по колее автомобиля с шагом 0,5 м по оси до-
рожного полотна
Рис. 2.17. Трек со сменными неровностями:
а — конструктивная схема
1 - план; 2 - поперечное сечение; 3 и 4 - рабочие полосы движения; 5 и 6 - участки неровностей
типа 1 и 2; 7 - подъездная дорога,
б — конструкции неровностей типа 1 и 2
98
На треке установлена оптимальная скорость движения на секции для испытаний
двухосных автомобилей 8...9 км/ч. трехосных — 7 км/ч. В связи с тем. что испыта-
ния на треке сопряжены с чрезвычайно высокой утомляемостью водителей, первая
секция оборудована системой автоматического вождения. Для функционирования
.>гой системы по обочинам полотна трека проложены два направляющих кабеля,
питаемых переменным током частотой 25 Гц от специального источника тока. Маг-
нитными полями токов кабеля наводятся сигналы в антенне, устанавливаемой на
переднем буфере автомобиля, которые сравниваются по амплитуде в приемнике
В результате в приемнике выделяется сигнал, пропорциональный отклонению дви
жущегося автомобиля от равносигнальной зоны между двумя кабелями. Этот сиг-
нал подается на специальный исполнительный механизм рулевого привода для по-
порота управляемых колес. Имеются также устройства для дистанционного управ-
ления сцеплением, подачей топлива, что позволяет проводить длительные пробе-
ювые испытания без водителя в кабине.
Группа III - испытательные дороги и сооружения для комплексного воз-
действия на автомобиль различных повреждающих факторов.
В этой части технической базы испытаний выделяются сооружения двух типов:
натурные испытательные трассы, проложенные на местности, и искусственные кон-
центраторы внешнего воздействия. Первые отличаются нерегулируемыми, часто
зависящими от сезона и погоды показателями, вторые - строго фиксированными
или регулируемыми показателями или характерными признаками состояний, отра-
жающих условия эксплуатации.
Такой состав испытательных сооружений необходим вследствие сильного влияния
на надежность автомобильной техники абразивов, грязи разного дисперсного и ми-
нерального состава, влаги и ее химического состава, глубины водного погружения,
। лубины прокладываемой колеи и т.п. Оценка же как самих действующих повреждаю-
щих факторов, так и их связи с реакцией автомобиля затруднительна или недоступна
в особенности при кумулятивном накоплении повреждений. Поэтому опытная провер-
ка стойкости конструкции требует стабильных условий испытаний по внешним харак-
терным признакам испытательных сооружений. В устройстве сооружений этой группы
предусмотрено как автономное, так и комплексное их использование при испытаниях
Испытательная грунтовая равнинная дорога проложена на кольцевой трас-
се, которая огибает почти все (кроме горной) испытательные дороги полигона
(см. рис. 2.9). На ней проводятся испытания автомобилей всех типов, в том чис-
ле - грузовых общего назначения и легковых, в условиях перевозок местного
значения по дорогам без покрытия, а также улучшенным гравийными и гравий-
но-песчаными смесями.
Протяженность дороги 18,5 км, ширина земляного полотна 15 м. Продольный
профиль в основном следует рельефу местности.
Распределение уклонов по общей длине участков:
От О до 4 % . ........................... ............... 16 км (86,7 %)
От 4 до 6 % . ....... ................................... 1,5 км (8,1 %)
От 6 до 8 % . ...... 1.0 км (5.2 %)
В плане дорога имеет 19 поворотов с радиусами от 100 до 1000 м.
Для контроля и сохранения стабильности микропрофиля грунтовой дороги по-
стоянно используется специальная аппаратура - двухколейный профилограф. На
рис. 2.18* показано состояние этой дороги при разных погодных условиях.
99
Тяжелая грунтовая дорога предназначена для проведения испытаний полно-
приводных грузовых автомобилей в тяжелых условиях пересеченной местности с
глубокими колеями, ухабами, часто повторяющимися поворотами малых радиусов
и крутыми подъемами.
Дорога расположена в контуре скоростной дороги (см. рис. 2.9) в виде двух
замкнутых участков примерно одинаковой длины, что дает возможность в случае
необходимости проводить испытания на каждом из них раздельно.
Общая протяженность дороги составляет 14,13 км при ширине проезжей части
15 м, включает 45 поворотов с радиусами 30...50 м. Распределение продольных
уклонов по длине в процентах к общей протяженности:
Первый участок
Второй участок
До 5 % . 5450 м (84,8 %)
5.. 7 %.................... 560 м (8,7 %)
9% ........................ 180 м (2,8 %)
10...12 % .................. 240 м (3,7 %)
До 5 % ............... 6400 м (92,7 %)
5...7 % ................ 450 м (6,5 %)
9 % ... 40 м (0.8 %)
10...12 %
На рис. 2.19* показано испытание автомобиля на этой дороге.
Щебеночная дорога (рис. 2.20*) входит в состав комплекса специальных до-
рог.Общая длина - 250 м, ширина — 5 м, толщина незакрепленного щебеночного
покрытия (дробленого гранита размером 25...30 мм, уложенного на цементно-бе-
тонное основание) - 15 см. Длина, ширина и ограждение дороги с обеих сторон
бетонным бортом с двумя рядами стального профиля допускают интенсивный раз-
гон автомобиля до скорости более 60 км/ч с последующим резким торможением,
создающим особо форсированный режим воздействия на защитные антикоррозий-
ные покрытия.
Песчаная испытательная дорога (рис.2.21, а,б*) воспроизводит местность с
песчаным грунтом и предназначена для сравнительной оценки проходимости авто-
мобилей на подвижных песках и рыхлых грунтах, а также для включения в норми-
руемые пробеги.
В составе испытательной дороги имеются: полоса для непрерывного движения
шириной 5 м (на поворотах - 6,5 м) и толщиной песчаного слоя до 60 см общей
протяженности 636 м, в том числе два прямолинейных участка по 200 м; полоса
для сравнительных заездов (при исследованиях проходимости) прямолинейная в
плане и горизонтальная в профиле длиной 150 м, шириной 5 м и толщиной пес-
чаного слоя 100 см; площадка для кругового движения с максимальным радиусом
траектории 27,5 м.
По внешнему контуру расположена полоса дороги с асфальтобетонным покры-
тием, предназначенная для разгона автомобиля перед въездом на рабочий участок
с заданной скоростью, а также для служебных целей. Песчаный участок выполнен в
форме лотка, заполненного песчаной смесью.
Фракция песка включает 90 % частиц 0,14...0,16 мм с объемным весом в неуплот-
з
ненном состоянии 1,36 т/м . Скорость фильтрации воды в предусмотренные для ее
отвода дренажные трубы 2,6 м3/сутки. Состояние песчаной опорной поверхности ре-
гулируется в широких пределах изменения сопротивления с помощью либо предва-
рительного уплотнения прокатыванием различных колес, либо, наоборот, рыхлением.
Уплотнение рабочей поверхности измеряется с помощью тестера или прокатки жест-
100
ких металлических колес с измерением тяги, нормальной нагрузки и глубины колеи.
Регулирование состояния песчаного слоя обеспечивает возможность создавать усло-
вия, отвечающие различным песчаным фонам на местности и поддерживать стабиль-
ное состояние на протяжении предусмотренного испытательного пробега.
Рис. 2.21. Песчаная испытательная дорога (конструктивная схема):
1 - план; 2 - поперечное сечение; 3 - исследовательский участок; 4 - полоса пробеговых испыта-
ний; 5 - площадка испытаний поворотов на песчаной дороге; 6 и 7 - подъездные служебные до-
роги.
Рис. 2.22. Грязевой испытательный участок (схема размещения):
1 - грязевая ванна; 2 - площадка подготовки грязевой смеси; 3 - анкерный блок; 4 - грунтовая
испытательная дорога
101
Грязевой испытательный участок (рис. 2.22, а,б*) создает условия работы
автомобиля на тяжелом бездорожье при наличии слоя грязи различной глубины и
консистенции. Предназначен для испытания трансмиссии, шин, лебедок, эффек-
тивности тормозной системы после многократных проходов по глубокой грязи и
других исследований, в том числе абразивных износов. Расположение грязевого
участка выбрано с учетом повторных проездов испытываемого автомобиля по
кратчайшему замкнутому пути, а также возможности включения его в испытатель-
ный маршрут на грунтовой равнинной дороге. Состав грязевой смеси регулируется
и может воспроизводить любую местность.
Длина испытательного участка — 40 м, ширина — 5 м, глубина слоя грязи — 50 см,
продольные уклоны въезда — 10 %.
Затопляемые испытательные участки (рис. 2.23, а,б*,в*).
Рис. 2.23. Затопляемые испытательные участки (конструктивная схема):
1 и 2 - поперечный разрез мелководного и глубоководного бассейнов; 3 - продольный профиль
глубоководного бассейна: 4-6 - наполняющая, сливная и переливная трубы
Глубоководный бассейн предназначен для испытания автомобилей на преодо-
ление брода различной глубины, оценки герметичности агрегатов и других экс-
плуатационных свойств при движении с погружением разного уровня. Для много-
102
кратного проезда предусмотрена примыкающая дорога замкнутого контура с ас-
фальтобетонным покрытием, геометрические элементы которой обеспечивают
движение со скоростью 20.25 км/ч. Максимальная глубина 1,8 м, продольный ук-
лон съезда и выезда 10 %.
Мелководный бассейн предназначен для замачивания тормозов автомобиля при
испытаниях тормозной системы на эффективность, проверки герметичности осно-
вания кузова, оценки работоспособности глушителей, электрооборудования и дру-
। их агрегатов в условиях сильного разбрызгивания воды при проезде с достаточ-
ной скоростью.
Общая глубина бассейна — 67 см, максимальная глубина слоя воды — 20 см,
длина участка с расчетной глубиной — 40 м, ширина бассейна — 5 м, продольный
уклон съездов — 4 %.
Бункерно-дорожный комплекс для испытаний автосамосвалов (рис. 2.24. а,б*)
включает служебную площадку для маневрирования испытываемых автомобилей и хра-
нения различных сыпучих грузов (песок, гравий, щебень, камень), бункер для сыпучих
материалов емкостью 10 м и кольцевую дорогу.
Рис. 2.24. Бункерно-дорожный испытательный комплекс (конструктивная схема):
I - бункеры: 2 верхняя площадка разгрузки. 3 - разворотные дороги: 4 - служебная подъездная
дорога.
Испытания проводятся на двух автомобилях, из которых один - на верхней пло-
щадке - разгружается в бункер, а другой под бункером - принимает груз в ку-
зов. Затем автомобили меняются местами. Протяженность замкнутого кольцевого
дорожного маршрута 513 м. Время одного цикла 4 ..5 мин. Предусмотрено автома-
1ическое устройство сигнализации готовности автомобиля принимать груз.
Группа IV - испытательные сооружения с внедорожной концентрацией вос-
производства и форсирования воздействий внешней среды на автомобиль.
Коррозионная камера предназначена для проведения форсированных испыта-
нии надежности и долговечности защитных и лакокрасочных покрытий и коррозий-
ной стойкости кабин, кузовов и других агрегатов автомобилей в условиях заданной
и мпературы и влажности воздуха и при воздействии среды типа "морского тума-
ii.i". Камера имеет размеры: длина — 12950 мм, ширина — 4950 мм, высота
4500 мм, полезная площадь — 60 м2. объем — 300 м’. В камере можно одновре-
103
менно проводить испытания 5...6 легковых автомобилей или одного автобуса типа
ЛиАЗ.
Расчетная температура в камере до +55°С, относительная влажность — до 100 %.
Прогрев до заданной температуры осуществляется горячей водой и электрокалори-
ферными установками СФОА-25 (6шт.).
Заданная температура и влажность достигается с помощью пароувлажнителей
ДВФ-П и распылением воды через 16 дождевальных форсунок. Состав, активно
поражающий коррозией испытываемые объекты, — 3,5 (+ 0,5) %-ный раствор хло-
ристого натрия.
Управление камерой - с пульта, расположенного в отдельном помещении (опе-
раторской). Пульт управления оборудован приборами для дистанционного автома-
тического контроля, регистрации и стабилизации относительной влажности, распы-
ляемого рассола и теплового режима в камере. Общий вид камеры с размещен-
ным в ней испытываемым автомобилем показан на рис. 2.25*.
Пылевая камера предназначена для стабильного, независимого от погодных
условий регулируемого воздействия на автомобиль запыленности воздуха и абра-
зивного повреждения работающего автомобиля. На автополигоне в строительстве
первой очереди была создана открытая пылевая камера туннельного типа. Опыт ее
использования показал неэффективность конструкции. Основной недостаток каме-
ры открытого типа, в которой запыленность создавалась проездом и кратковре-
менной работой на заполняющем пылевом фоне, обнаружился при изменении
внешних погодных условий. При повышении влажности, а особенно при выпадении
осадков, пыль в камере превращалась в грязевую массу. Использование ее оказы-
валось невозможным как раз в то время, когда возникала наибольшая потреб-
ность. Кроме того, и в период возможного использования регулирование и поддер-
жание стабильного уровня показателей запыленности при испытаниях не обеспечи-
вались. Поэтому разработана и спроектирована новая конструкция этого важного
для испытания сооружения, зарегистрированная как изобретение.
Новая пылевая камера имеет следующее назначение:
- испытания автомобилей и их агрегатов на статическое и динамическое воз-
действие пыли по ГОСТ 24813-81 “Испытание изделий на воздействие климатиче-
ских факторов";
- испытания автомобилей и их агрегатов на надежность и долговечность в усло-
виях воздействия пылевой среды, близких к экстремальным (в том числе абразив-
ных износов двигателей):
- оценка пылепроницаемости кабин, салонов и багажных отделений;
- оценка эффективности систем обеспылевания воздуха в кабинах и салонах.
Объектами испытаний предусмотрены легковые автомобили, автобусы, грузо-
вые автомобили общетранспортного назначения, автопоезда и специализирован-
ные автомобили на их базе.
Размещение и конструктивная схема пылевой камеры показаны на рис. 2.26.
Основные технические характеристики: запыленность воздуха, регулируемая в
пределах 0...1 г/м . Размеры рабочей части: 15x4,5x4,25 м. Скорость воздушно-
пылевого потока — 10 м/с. Общая потребляемая мощность оборудования 150 кВт.
Имитация движения объектов испытаний - с помощью роликового стенда. Обору-
дование включает: систему автоматического регулирования запыленности, участок
и механизмы подготовки пыли, участок подготовки объектов испытаний, систему и
механизмы пылеуборки.
104
Рис. 2.26. Пылевая камера:
а — схема размещения: 1 - план; 2 - поперечный разрез: 3 - испытательная и подъездная дороги;
4 подъездная дорога;
б — конструктивная схема: 1 - установка испытываемого автомобиля; 2- роликовые опоры колес;
3 фальшпол для въезда; 4 - въездной проем с воротами; 5 и 6 - подвижная и неподвижная ра-
мы с направляющими воздушный поток лопатками; 7 - ось поворота; 8 и 9 - заслонка в положе-
ниях пылеуборки и испытаний; 10 - циклон для пылеуборки; 11 - бункер для пыли; 12 - дозирую-
щее устройство запыленности; 13 - вибратор; 14 - вентилятор; 15 - электропривод вентилятора;
16 - двтурбулизирующая решетка; 17 - сопло и направление пылевоздушного потока при испы-
таниях; 18 и 19 - то же при пылеуборке.
105
Обоснованный положительный эффект использования пылевой камеры заключа-
ется в повышении качества, сокращении сроков и стоимости испытаний, повыше-
нии достоверности, объективности и воспроизводимости получаемых результатов,
оценке новой номенклатуры показателей автомототехники.
Отличительные признаки нового сооружения, включающего камеру со стендом
имитации движения, воздухонагреватель, бункер с дозатором ввода пыли и вибра-
тором, официально сформулированы следующим образом.
1. С целью повышения достоверности получаемых результатов камера снабже-
на каналом рабочей среды, направляющими элементами, расположенными на вхо-
де и выходе, воздухонапорным устройством типа циклон, параллельно соединен-
ным с каналом рабочей среды и управляющей заслонкой, причем бункер с дозато-
ром расположен перед воздухонагревателем и связан с каналом рабочей среды, а
камера со стендом имитации движения, направляющие элементы, канал рабочей
среды и воздухонагреватель последовательно соединены в замкнутый контур.
2. Камера снабжена устройством регулирования запыленности, состоящим из
электрически связанных датчика запыленности, задатчика требуемой запыленно-
сти, сумматора, усилителя-регулятора и исполнительных механизмов, причем дат-
чик и задатчик соединены со входами сумматора, выход сумматора соединен со
входом усилителя-регулятора, а усилитель-регулятор через исполнительные меха-
низмы соединен с дозатором и управляющей заслонкой с возможностью или вклю-
чения, или открытия заслонки.
3. Стенд имитации движения выполнен в виде роликового стенда с электропри-
водом роликов, причем подшипниковые опоры роликов закреплены на балках с ус-
тановочными отверстиями для изменения расстояния между роликами в соответст-
вии с величиной базы транспортного средства.
Автомобильная аэродинамическая труба. Назначение — исследование и
оценка аэродинамических характеристик автомобиля, влияющих на топливную эко-
номичность, тягово-скоростные свойства, управляемость, устойчивость, безопас-
ность, загрязняемость, охлаждение тормозных механизмов, двигателя, комфорта-
бельность в салоне или кабине, включая вентиляцию воздуха, температуру, шумы и
другие показатели, связанные с обтеканием воздуха движущегося автомобиля.
Важное значение имеют испытания в аэродинамической трубе (АТ) для оценки и
доводки формы кузова путем измерения давлений набегающего потока в различ-
ных точках поверхности, а также оценка эффективности установки специальных
устройств для снижения аэродинамического сопротивления (дефлекторов, спойле-
ров) и выбора наилучших форм функциональных частей и оборудования.
Конструктивная схема АТ и размещение в ее рабочей части испытываемого авто-
мобиля показаны на рис. 2.27*.
Основные характеристики.
Тип.... ................. Замкнутая, с закрытой рабочей частью
и продольно-щелевой перфорацией
стен и потолка
Общая длина по оси .. ..... .......... .. 220 м
Размеры рабочей части
(высота, ширина, длина) ............... .... 4,5x6,0x18.0 м
Площадь сопла.... ....27 м2
Степень поджатия потока . ..... ........... 5,85
106
Максимальная скорость воздушного потока........
180 км-ч
неравномерность скоростей в потоке.... ... ±1 %
Высота вытеснения пограничного слоя.............21 мм
Аэродинамические весы
шестикомпонентные с точностью
измерений сил и моментов........................До 0,02 %
Мощность электродвигателя привода
восьмилопастного вентилятора.................... 1500 кВт
Регулирование скорости воздушного потока
Частотой вращения и углами поворо-
та лопастей вентилятора
Максимальная масса испытываемого объекта
8000 кг
CL
Рис. 2.27. Автомобильная аэродинамическая труба (конструктивная схема):
I сопло; 2 - рабочая часть; 3 - вентиляторный агрегат; 4 - диффузор; 5 - поворотные колена;
форкамера; 7 - хонейкомб (спрямление потока); 8 - аэродинамические весы; 9 - координат-
но-измерительный механизм; 10 - стенде беговыми барабанами; 11 - операторская; 12 - въезд-
ные ворота; 13 - защитная решетка; 14 - защитная сетка.
Особенности конструкции АТ включают: дополнительную установку в рабочей
части стенда с беговыми барабанами для имитации движения колес со скоростя-
ми: легковых автомобилей - до 160 км-ч \ грузовых - до 120 км-ч”1; поворотное
устройство вместе с платформенными весами разрешает испытания с изменением
угла натекания потока воздуха в пределах ±182°.
Рабочая часть оснащена координатно-измерительным механизмом для доставки
датчиков измерения давления в любую точку объема и отсчета координат их поло-
жения. Метрологическая оснастка включает комплекты приборов (датчиков) давле-
ний, скоростей, температуры (влажности) воздушного потока.
107
Управление вентиляторным агрегатом, стендом с беговыми барабанами, изме-
рительным комплексом потока и аэродинамическими весами, сбор и обработка
результатов испытаний сосредоточены на базе ЭВМ с пакетом программ матема-
тического обеспечения.
Сравнительная оценка, проведенная на эталонных моделях автомобилей, пока-
зала соответствие по уровню точности, разрешающим возможностям АТ Централь-
ного автополигона аналогичным комплексам крупных автомобилестроительных кон-
цернов Европы
Группа V - лабораторно-исследовательские комплексы Назначение - для
дополнения, анализа и уточнения результатов пробеговых испытаний, оценки каче-
ства комплектующих изделий, эффективных регулировок конструкции.
Организационное построение этих комплексов оформлено в виде отдельных ла-
бораторий, научно-исследовательских подразделений и аналитических или испыта-
тельных групп, функционирующих постоянно или временно. Ими выполняются ис-
пытательные и научно-исследовательские работы, дополняющие и углубляющие
испытания автомобилей, проводимые на основных дорогах и сооружениях полиго-
на, в том числе: диагностическое обследование испытываемых автомобилей, лабо-
раторно-стендовые испытания узлов, агрегатов и систем, анализы физики отказов,
металлографические анализы поврежденных деталей, исследования горюче-сма-
зочных материалов, определение размерных параметров и характеристик масс ав-
томобилей и их элементов, а также лабораторные исследования отдельных экс-
плуатационных свойств автомобилей, связанных с эргономическими показателями,
установкой и регулировкой оборудования и т.п.
Ниже приводятся лишь основные данные, характеризующие лабораторную часть
технической базы полигона.
Лаборатория стендовых испытаний двигателей. Лаборатория располагает
отдельными боксами с капитально установленными стендами, спланированными
таким образом, что между каждыми двумя из них расположена звукоизолирован-
ная операторская, куда вынесены пульты контроля и управления стендовым обору-
дованием. измерительной и регистрирующей аппаратурой и испытываемыми дви-
гателями.
В приводах стендов используются разные балансирные электрические маши-
ны мощностью 75 кВт при 7000 об/мин; 125 кВт при 6000 об/мин; 150 кВт при
7000 об/мин; 225 кВт при 6000 об/мин; 200 кВт при 4500 об/мин; 400 кВт при
4500 об/мин, позволяющие испытывать практически все модели отечественных
автомобильных двигателей.
Лаборатория оснащена быстродействующими газоанализаторами отработавших
газов - инфракрасными (для определения содержания СО и СО2). пламенноиони-
зационными (для СН) и хемилюминесцентными (для NOJ, а также оборудованием,
необходимым для определения всех характеристик двигателей, предусмотренных
действующей НТД, и исследований, включая аппаратуру для индицирования рабо-
чих процессов
Разработана система автоматического управления стендовыми испытаниями
ДВС на токсичность. Система обеспечивает регулирование работы двигателя в за-
данном режиме, изменение режимов работы по времени согласно заданной про-
грамме. Необходимые параметры работы двигателя записываются на магнитную
ленту для последующей обработки на ЭВМ и на самописец для визуального кон-
троля процесса. Система обеспечивает контроль за предельными значениями па-
раметров работы двигателя в аварийных ситуациях.
108
Лаборатория испытаний токсичности автомобилей. Основные направления
испытаний и исследований:
определение токсичности отработавших газов на полнокомплектных автомоби-
лях с бензиновыми двигателями;
оценка испарений углеводородов из систем питания автомобилей;
определение дымности и токсичности автомобилей с дизельными двигателями.
- испытание мотоциклов на токсичность;
определение загазованности воздуха в кабинах и салонах автомобилей и
автобусов.
Устройство и оборудование лаборатории (рис. 2.28*) рассчитано на испытания
автомобилей на токсичность по методикам ОСТ 37.001.054-74, Правил №15 и фе-
дерального стандарта США.
В лаборатории капитально смонтированы два стенда с беговыми роликами:
фирмы "Шенк" (ФРГ) — для испытаний автомобилей с двигателями мощностью до
300 л.с. и скоростью 120 км/ч, фирмы "Кляйтон” (США) — с мощностью 200 л.с. и
< коростью 160 км/ч.
Каждый испытательный стенд служит для имитации установившегося и неустано-
вившегося движения автомобиля на дороге. Стенд оборудован гидротормозом, кото-
рый воспроизводит нагрузку, соответствующую сопротивлению движения, инерцион-
ной приставкой, имитирующей сопротивления при разгоне и замедлении, а также
устройствами для крепления автомобилей, сбора и отвода отработавших газов.
Для определения концентраций вредных веществ в отработавших газах автомо-
билей используется следующая аппаратура: газоанализатор "Янагимото" (Япония)
для определения содержания в выхлопных газах токсичных веществ: окиси угле-
рода. углекислоты, углеводородов и окислов азота; газоанализатор "Бекман" (ФРГ)
для определения содержания токсичных веществ: окиси углерода, углекислоты и
yi леводородов.
Для определения концентраций вредных веществ (паров бензина, окиси углеро-
да, окислов азота и углеводородов) в воздушном объеме кабин и салонов автомо-
билей используется универсальный газоанализатор УГ-8 и хроматограф, а для оп-
ределения акролеина - флуориметр ЭФ-ЗМА. Производственная мощность лабо-
ратории, как показал опыт, до 1 тыс. испытаний в год.
Лаборатория пассивной безопасности проводит комплексные дорожные (по-
левые) и лабораторные испытания полнокомплектных автомобилей всех типов и
лабораторные испытания и исследования безопасности отдельных систем и частей
конструкции.
Созданное комплектно оборудование предусматривает испытания по всему объ-
ему применяемых и перспективных национальных и международных предписаний
но пассивной безопасности автомобильной техники. Основное назначение выпол-
няемых работ - оценка соответствия конструкций автомототехники национальным
и международным требованиям НТД по пассивной безопасности.
Для полевых испытаний используется следующее оборудование:
система наведения и разгона автомобиля для столкновения с неподвижным
препятствием;
дорожная полоса разгона длиной 200 м;
подвижные препятствия - специальная тележка заданной массы с ударной поверх
ностыо для испытаний при боковом столкновении и наезде сзади (рис. 2.29, а,б*);
два неподвижных препятствия с силоизмерительной плитой (рис. 2.30*);
109
- испытательная платформа (с устройством для ее торможения) для испытаний
при опрокидывании;
- сооружение для опрокидывания грузовых автомобилей и автобусов при одно-
стороннем наезде на препятствие и с уклона на местности (рис. 2.31, а,б,в)*;
- подвижный измерительно-регистрирующий комплекс.
Для проведения лабораторно-стендовых испытаний пассивной безопасно-
сти отдельных элементов автомобилей разработано и установлено следующее
оборудование:
- стенд для динамических испытаний энергоемкости рулевых управлений, пане-
лей приборов и других элементов интерьера автомобилей с ударным маятником,
силоизмерительным устройством и комплектом регистрирующей аппаратуры;
- стенд с гидронагружателями и комплектом измерительной аппаратуры для ста-
тических испытаний мест крепления ремней безопасности и сидений (рис. 2.32*);
- комплект оборудования для испытаний ремней безопасности (в соответст-
вии с Правилами ЕЭК ООН № 16), включающий ударную тележку для динамиче-
ских испытаний, стенд для динамических испытаний ремней безопасности нагру-
жением с помощью падающего груза и разрывную машину УММ-5 для опреде-
ления статической прочности на разрыв ленты ремней, их металлических частей
и других устройств;
- маятниковый копер для исследования ударно-прочностных свойств кабин (ку-
зовов) автомобилей и отдельных его узлов способом имитации динамического на-
гружения при малых скоростях удара (рис. 2.33*). На стендовой установке с ко-
пром проводятся испытания кабин грузовых автомобилей (Правила ЕЭК ООН №
29), бамперов (стандарт США № 215), боковины, задка и крыши легкового автомо-
биля (Правила ЕЭК ООН № 32, ГОСТ 21961-76 и ГОСТ 21960-76);
- вертикальный пресс для исследования ударно-прочностных свойств кабин (ку-
зовов) автомобилей статическим нагружением (Правила ЕЭК ООН № 29); ход пли-
ты - 1000 мм, максимальное усилие - 150 кН (рис. 2.34*);
- горизонтальный пресс для оценки прочности боковых дверей легковых автомо-
билей (в соответствии с требованиями федерального стандарта США № 214); ра-
бочий ход - 1500 мм, максимальное усилие - 300 кН.
Для динамических испытаний используются объемные полномасштабные антро-
пометрические манекены человека с установкой на них первичных преобразовате-
лей (перемещений, ускорений), соответствующих предписаниям Правил ЕЭК ООН
№ 12.
Лаборатория режимометрических испытаний имеет основное направление -
регистрацию и анализ работы автомобиля в пробеге по показателям движения, на-
грузки и управления. Оснащена комплектом из шести совмещенных систем дис-
кретной регистрации показателей для статистического анализа режимов работы
трансмиссии, двигателя, тормозов и рулевого управления (комплект производства
фирмы "Оно Сокки", Япония).
Отдельные системы (анализаторы) электромеханического типа включают датчи-
ки, коммутационные устройства, системы питания автономные или от бортовой се-
ти напряжением 11... 14 В и имеют следующие характеристики.
Система (анализатор) работы трансмиссии регистрирует количество включений
каждый из четырех выбранных передач на последовательно регистрируемых интер-
валах времени (0,5; 1,0; 2,0 или 5,0 с) и пройденного пути по спидометру 10 или
100 м. Отсчеты фиксируются четырехзначными электромагнитными счетчиками с
ручным сбросом после испытаний.
110
Анализатор скорости включает отсчет времени движения, пройденного пути
(через каждые 10 м), отсчет скорости в диапазоне от О до 110 кмч 1 в интервалах
10 км ч ' и отсчет расхода топлива через 1,0 см3, 10,0 см3 или 50,0 см3 при исполь-
ювании разных расходомеров. Отсчеты фиксируются на 36 электромеханических
। четчиках. В системах используются импульсные датчики пройденного пути высо-
кой точности (один импульс на 1 см пути).
Анализатор работы двигателя включает регистратор частоты вращения коленча-
юго вала с интервалами 400, 500, 600, 800 и 1000 об/мин и угла открытия дрос-
сельной заслонки карбюратора в интервалах О...5°, 5...15°, 15...25°, 25...50°,
т...90° или хода рейки топливного насоса через каждые 2 мм от О до 10 мм. Вре-
мя выдержки при регистрации этих показателей 0,5; 1,0; 2,0 и 5,0 с по выбору ис-
пытателя.
Анализатор режима работы карбюраторного двигателя по разрежению во вса-
< 'вающем трубопроводе отличается от предыдущего заменой отсчета угла откры-
та дроссельной заслонки.
Анализатор управления тормозной системы автомобиля регистрирует количест-
во приложенных усилий на педаль, разбитых на интервалы развиваемого давления
в магистрали привода и времени торможения. Диапазон регистрируемых давлений
О... 10 кПа, количество интервалов - 6, отсчет времени - 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0 с по
выбору.
Анализатор угла поворота рулевого колеса включает отсчет угла в 11 -ти интер-
валах поворота в диапазоне от О до 360±30° и отсчет времени с теми же, что ука-
ыны выше, интервалами.
Использование результатов режимометрирования этим комплектом аппаратуры
обеспечивает возможность построения согласованных законов распределения, ха-
рактерных средних величин, разброса, корреляционных связей показателей движе-
ния, нагружения, расхода топлива и управляющих воздействий на нормированных
пробегах в различных условиях испытаний.
Для длительных испытательных пробегов используются автометры, регистри-
рующие интегральные величины времени непрерывной работы, пройденного пути,
продолжительности остановок, скорости движения.
Дополнительная оснастка стандартного исполнения предназначена для измере-
ния усилий, моментов (напряжений), нагружающих отдельные детали (измерение
нагрузочных режимов в испытательных пробегах), температур нагрева деталей и
рабочих жидкостей (измерения температурных режимов).
Лаборатория испытаний вибронагруженности и подрессоривания. Основ-
ные направления работы лаборатории включают: определение характеристик упру-
гости и демпфирования подвески колес и несущей системы, определение и оцен-
ку колебательных параметров, частотных характеристик подвески (в том числе и
подрессоренных сидений водителя), определение показателей плавности хода, из-
мерение и оценку возмущающих воздействий неровной дороги, а также контроль
состояния испытательных дорог по этому показателю.
Лаборатория оснащена стендами статических испытаний ходовой части с верти-
кальным регулируемым подъемом опор каждого колеса установленного на нем ав-
томобиля. При медленных изменениях их взаимного положения и различной фик-
сации подрессоренной и неподрессоренной масс, одновременной регистрации
прикладываемых усилий и деформаций определяются статические характеристики
вертикальной упругости подвески, относительные показатели потерь на трение в
111
подвеске, ее жесткость, коэффициент динамичности, характеристики поперечно-уг-
ловой упругости подвески и несущей системы.
При использовании механизмов быстрого сбрасывания приложенных усилий на
стенде и регистрации перемещений масс мостов (колес) и кузова определяются
параметры свободных колебаний, характеризующих один из главных признаков ав-
томобиля как колебательной технической системы. Установка автомобиля на стен-
де испытаний для оценки колебательных параметров показана на рис. 2.35*.
При динамических стендовых испытаниях подрессоривания используется уста-
новка автомобиля на четырех гидропульсаторах. При этом возмущающее воздейст-
вие программируется и создается в виде непрерывных процессов как гармониче-
ских, так и случайных, имитирующих заданный микропрофиль.
Для натурных измерений микропрофиля испытательных дорог и дорог общего
пользования применяется подвижная лаборатория с профилографами инерционно-
демпфированного типа с одновременной регистрацией возмущающего воздейст-
вия неровной опорной поверхности на колеса обоих бортов автомобиля по колее.
Общий вид профилографической лаборатории показан на рис. 2.36*.
Для пробеговых испытаний плавности хода используются комплекты вибропре-
образователей с регистрирующей аппаратурой, накопителями информации, обра-
батываемой на аналоговых и цифровых вычислительных машинах.
Лабораторный комплекс испытаний и исследований шумности автомо-
бильной техники. Основное назначение:
- виброакустические испытания полнокомплектных образцов автомототехники
по методикам, предусмотренным в ГОСТ, ОСТ и Правилах ЕЭК ООН;
- идентификация источников внешнего и внутреннего шума автомобилей и мо-
тоциклов;
- исследование виброакустических характеристик автомобильных и мотоциклет-
ных двигателей, моторно-силовых агрегатов, трансмиссий, кабин, кузовов;
- расчетно-экспериментальные исследования динамических и акустических ха-
рактеристик систем выпуска отработавших газов;
- экспериментальные исследования акустических характеристик пневматиче-
ских шин.
Основные сооружения - большая и малая полузаглушенные камеры, установ-
ленные на отдельных от основного здания фундаментах с виброизоляцией
На рис. 2.37* показан план размещения всего комплекса помещений и обору-
дования.
Большая полузаглушенная камера имеет внутренние размеры 15,4x12,4x5,6 м.
Внутренний свободный объем камеры 1070 м позволяет проводить испытания ав-
томобилей всех категорий.
Малая полузаглушенная камера имеет размеры 7,5х7,0х5,6 м (свободный объем
300 м ) для автономных испытаний акустических свойств двигателей, моторно-си-
ловых и других агрегатов.
Для создания свободного акустического поля стены и потолки обеих камер по-
крыты пропитанным жидким стеклом пенополиуританом с клиновидной поверхно-
стью (с клиньями, обращенными вершинами внутрь). Пол в большой камере бе-
тонный, гладкий, акустически соответствующий покрытию автомобильных дорог. В
ней установлен стенд с беговыми барабанами и фиксированными акустическими
характеристиками. Беговые барабаны и привод стенда смонтированы под полом с
опорной поверхностью, незначительно выступающей над ним. Диаметр беговых ба-
рабанов - 2,54 м; максимальная нагрузка на ось - 15 т; максимальная тормозная
112
(тяговая) сила в контакте с колесами испытываемого автомобиля - 60 кН, макси-
мальная частота вращения барабанов соответствует линейной скорости на опорной
поверхности - 250 км-ч уровень шума на расстоянии 0,1 м от поверхности бего-
вых барабанов при скорости 100 км-ч 1 составляет 61 дБ(А)
Рис. 2.37. Акустический испытательный комплекс (план):
1 - большая полузаглушенная камера (ВПК); 2 - операторская ВПК: 3 - малая полузаглушенная
камера (МПК); 4 - операторская МПК; 5 - динамометр; 6 - участок вибродинамических испыта-
ний двигателей и трансмиссии; 7 - участок вибродинамических испытаний кузовов и кабин; 8 -
участок испытаний звукоизоляционных материалов; 9 - участок подготовки виброаккустической
аппаратуры; 10 - рабочие комнаты инженерно-технического персонала; 11 - теристорная; 12
компрессорная; 13 - участок подготовки к постановке на испытания автомобиля
С помощью стенда испытания проводятся на всех режимах работы автомобиля
в ездовом цикле
В малой полузаглушенной камере пол образуют пазованные металлоконструк-
ции для надежного крепления испытываемых объектов и оборудования. Для авто-
номных испытаний двигателей, моторно-силовых установок, трансмиссий и других
агрегатов в различных динамических режимах имеется привод тормозного (тягово-
го) стенда (динамометра), акустически изолированного в смежном помещении. Ди-
намометр имеет следующие регулируемые характеристики: тормозный момент -
до 3.366 кН м; мощность - до 257 л.с.; крутящий момент - до 382 Н м; частота
вращения вала привода - до 6000 мин
113
Метрологическое обеспечение испытаний осуществляется комплектом высокоточ-
ной аппаратуры фирмы "Брюль и Кьер" (Дания) и приборами отечественного произ-
водства, включая шумомеры, анализаторы акустических колебаний в реальном вре-
мени, микрофоны, магнитографы, самописцы, интенсимметрические зонды, калибро-
вочные установки, тахометры, установочные и монтажные приспособления.
Оборудование лабораторного акустического комплекса предусматривает техно-
логию испытаний и исследований для ускоренной доводки конструкций, сочетания
лабораторных и ходовых испытаний, предписываемых международными правилами
оценки акустических свойств, разработки рекомендаций, опережающих требования
действующих нормативов по снижению шумности автомобильной техники.
Лаборатория испытаний шин и колес занимает особое место в рассматри-
ваемой группе испытательного оборудования НИЦИАМТ вследствие решающего
влияния свойств и характеристик пневматических шин на основные эксплуатацион-
ные и потребительские свойства автомобиля, обнаруживаемые в пробеговых поли-
гонных испытаниях. Весь основной процесс функционирования автомобиля с меха-
нической точки зрения реализуется во взаимодействии пневматических шин колес
с опорной поверхностью дороги. Поэтому в лаборатории испытаний колес и шин
выявляются параметры и характеристики, влияющие на экономичность, безопас-
ность, комфортабельность автомобиля в движении, а также на долговечность как
самих шин, так и автомобиля. Лаборатория оснащена оборудованием для стендо-
вых и ходовых испытаний
Универсальный стенд конструкции НИЦИАМТ позволяет получить высокоточ-
ные оценки показателей внешней механики шин: характеристики упругости в
шести координатах, включая и характеристики увода пары взаимосвязанных ко-
лес при качении.
Испытательный комплект "Автоколлиматор" предназначен для регистрации и
обработки с помощью встроенного компьютера информации о положении колес
автомобиля в движении и оценки оптимальных соотношений: передаточных чисел
рулевых механизмов, параметров подвески и шин, параметров устойчивости и
управляемости автомобиля. Эффективно используется также "шинный тестер" для
испытаний пневматических шин в реальных условиях взаимодействия с опорной
поверхностью дороги при различных установках и нагружении колес. Важно под-
черкнуть, что испытаниями и исследованиями в этой лаборатории раскрываются
рабочие процессы таких функциональных элементов ходовой части, которые ис-
пользуются в теоретических методах расчета необходимых пробегов на испыта-
тельных дорогах автополигонов.
Как уже упоминалось, значительная часть испытательного оборудования, в том
числе и капитально смонтированного, сосредоточена в отдельных рабочих группах
и секторах лабораторий.
Так, для измерения массово-размерных параметров используется пять высокоточ-
ных весов. Стационарные весы для оценки массы автомобилей и автопоездов общим
весом до 50 т имеют грузоприемную платформу размером 15x4 м с железобетонным
(или деревянным) настилом, установлены на отдельном заглубленном фундаменте,
где монтируется разветвленный рычажный механизм с использованием высокоточных
опорных призм, соединительных серег и стоек. Цена делений шкалы циферблата 20
кг, погрешность не более 0.5 деления. Кроме того, весовой сектор располагает че-
тырьмя высокоточными весами с разрешающей способностью до 10 т и до 1 т, вклю-
чая и весы с изменяемыми по высоте грузоприемными платформами для определе-
ния координат положения центра масс автомобилей и прицепов.
114
Испытания на стенде с платформой и гидроподъемными механизмами для
бокового опрокидывания автомобилей и автопоездов в том числе большой гру-
зоподъемности, дают точную оценку предельных углов поперечной статической
устойчивости.
Значительная роль в эффективном использовании технической базы испытаний
на автополигоне отведена вычислительному центру, оснащенному современными
ЭВМ с постоянно пополняющимся пакетом прикладных программ для обработки
информации, получаемой при испытаниях, как в интересах пользователей и заказ-
чиков различного уровня, так и для совершенствования технологических процессов
испытаний.
Группа VI - сооружения и местные комплексные маршруты движения для
испытаний в экстремальных зонально-климатических условиях
Реализация концепции создания технической базы испытаний в части корреля-
ции условий с эксплуатацией встретила наибольшие затруднения при обеспечении
опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ по созданию автомо-
бильной техники, отвечающей требованиям регионов интенсивного развития про-
изводительных сил, где автомобильный транспорт часто является единственным
средством массовых перевозок грузов. Это прежде всего на Севере и Северо-Вос-
токе страны. Полностью адекватные условия испытаний создать средствами ими-
тации внешних воздействий затруднительно технически и нецелесообразно эконо-
мически. Поэтому на основании анализа дорожно-климатических условий север-
ных районов, фактических данных о сложившихся транспортных потоках местных
инфраструктур, способов доставки испытательной техники выбраны размещение и
форма технической базы испытаний в виде Северной испытательной станции
(СИС) Центрального автополигона (ныне филиал НИЦИАМТ) в г. Сусумане Мага-
данской области.
Северная испытательная станция введена в эксплуатацию в 1981 г. со сле-
дующим расчетным годовым объемом испытаний по видам
контрольные - 6 образцов:
заводские (доводочные) - 8;
приемочные - 2;
методические (для разработки
НТД на испытания в выбранных условиях) - 4;
прочие, том числе ресурсные - 5.
По мере освоения и совершенствования функционирования СИС этот объем испы-
таний расширялся и изменялся в соответствии со складывавшимися потребностями.
Сооружения СИС включают: главный лабораторно-производственный корпус об-
щей полезной площадью 3315 м , из которой 2000 м используются для зоны об-
служивания и подготовки объектов испытаний, размещения лабораторий агрега-
тов, измерений, приборного обеспечения, физических исследований материалов.
ГСМ, рабочих жидкостей, а остальная площадь - для камеральных работ ИТР, об-
служивающего персонала, конференц-зала и т.д.; вспомогательный корпус площа-
дью 500 мг для хранения испытательных образцов; открытую стоянку площадью
800 м7 для предварительного охлаждения испытательных образцов и испытаний на
месте; 30-кваргирный жилой дом и гостиницу для испытателей заказчика. Характе-
ристика погодно-климатических условий СИС показана в табл. 2.5, сравнительно с
прилегающими регионами Географическое размещение СИС на сети дорог обще-
115
го пользования схематически показано на рис. 2.38, а ее производственные поме-
щения - на рис. 2.39*.
Таблица 25
Пункт Средняя температура окружающего воздуха, К Число дней в году с темпе- ратурой, К Число безмороз- ных дней Число дней со снежным покровом
годовая января ИЮЛЯ мини- мальная макси- мальная равной 233 ниже 223
Усть-Нера 257,4 224,1 288,5 205 307 93,04 38.4 53 216
Якутск 262,7 229,8 291,7 209 311 53,23 9,34 96 203
Сусуман 259,4 233,2 286,5 208 305 48,3 8,6 43 225
Основным типовым для Северо-Восточного региона испытательным маршрутом
выбрана Колымская трасса - главная автотранспортная магистраль Магаданской
области круглогодичного использования. Условия движения по ней разнообразны:
суровость климата увеличивается по мере удаления от Магадана, как показано в
табл. 2.6, покрытие отвечает II-III категориям автодорог, макропрофиль изобилует
уклонами от 7 до 15 %, микропрофиль нестабильный с характерной сезонной из-
менчивостью от высокой ровности зимой до интенсивного насыщения неровностя-
ми летом, встречаются ухабистые участки и участки типа коротких волн, извили-
стость включает повороты радиусом 30 м и менее
Таблица 2 6
Пункт наблюдения на автодороге Магадан — Усть-Нера Среднемесячная температура, К Абсолютный минимум температуры, К
ноябрь декабрь январь
Магадан 257,2 254,8 255,2 230
Палатка 252,2 249,6 251,6 222
Атка 241,0 239,4 241,7 207
Ягодное 239,1 237.9 240.9 216
Сусуман 235,0 233,2 237,4 210
Аркагала 236,2 235,1 239,2 213
Артык 226,5 225,5 231,2 203
Усть-Нера 227,2 224,5 230,8 205
Маршальский 228,2 225,1 233,1 208
Из-за отсутствия асфальтобетонного покрытия при жаркой сухой летней погоде
дорога имеет высокую запыленность, что при движении в транспортном потоке,
при разъездах сильно ограничивает видимость и создает опасность при обгонах, а
в движении колонной - опасность наездов.
Сильная запыленность трассы повышает износ двигателей и других узлов и аг-
регатов автомобилей. Важно и то, что к ней примыкает ряд других автодорог:
Тенькинская трасса. Герба-Омсукчан, Стрелка-Сеймчан, Кадыкчан-Хатынгнах и др.,
а также автозимники, которые прокладываются по руслам замерзших рек, боло-
116
там, озерам, тундре (тундровый “кочкарник”) и имеют сложный макропрофиль и
микропрофиль интенсивного воздействия на шасси. Движение здесь организуется
по наледи (речным и грунтовым).
нижнеянск
смолой
КУЛАР
2341
СЕВЕРНЫЙ
УСТЬ-КУЙГА
ВЕРХОЯНСК
БАТАГАЙ
1583
ДЕПУТАТСКИЙ
2243
УСТЬ-ЧАРКЫ
__фРАЗВЕДЧИК
ХАНДЫГА
ЭМАНДЖА
ТОПОЛИНОЕ /
✓ ОЙМЯКОН
• 384
УСТЬ-НЕРА
398
АРТЫК
ПАРТИЗАН
- —• 565
БУРКАНДЬЯ ТАСКАН
УСТЬ-ХАКЧАН БурхАЛД
СЕЙМЧАН
КЕБЮМЕ КУЙДУСУН
ЫТЫК-КЮЕЛЬ
ЯКУТСК
1284
ТОММОТ
АЛДАН
АМГА
КАДЫКЧАН
ТЫНДА
ОРОТУК
ВЕТРЕННЫЙ
¥
ЯГОДНОЕ ДЕБИН Л
СИС
КУЛУ
ОМЧАК
УСТЬ-ОМЧУГ
СТРЕЛКА
ОМСУКЧАН
ДУКАТ
< > АТКА
КАРАМКЕН ~ЕрЕНГД
ПАЛАТКА
НЕВЕР
3480
< ) МАГАДАН
646
Условные обозначения:
-------- автодороги;
железная дорога;
— — — автозимники;
-------- перевалы;
расстояние в км от Сусумана (СИС);
О • города и населенные пункты.
Рис. 2.38. Схема географического размещения СИС и испытательных маршрутов на местных до-
рогах общего пользования
С Колымской трассой связаны также многие предприятия, где автомобили при-
меняются в качестве технологического транспорта: на вскрыше торфов, перевозке
песков, руды и угля на небольшие расстояния. На таких маршрутах их эксплуата-
ция характерна наличием крутых подъемов (более 8 %), частыми случаями загруз-
ки ' негабаритными" большими кусками породы, создающими динамические пере-
грузки деталей ходовой части и крепления кузова. Кроме того, работа в глубоких
узких карьерах создает повышенные нагрузки на двигатель и трансмиссию, высо-
кую загазованность, что требует проверки и ужесточения требований к снижению
дымности и токсичности выпускных газов. Перечисленные особенности типовых
испытательных маршрутов и условий эксплуатации (в сочетании с низкими темпе-
ратурами) позволяют вести испытания не только на самой станции, но и на авто-
транспортных предприятиях Магаданской области и прилегающих регионов.
117
Для эффективного использования технической базы испытаний СИС имеет важ-
ное значение доставка испытываемых образцов. Она может осуществляться пятью
маршрутами, характеристики которых приведены в табл. 2.7.
Специфические условия эксплуатации, создаваемые на испытательной базе СИС,
определили объем и целенаправленное содержание необходимой новой НТД на ис-
пытания, номенклатуру и метрологические требования к измерительной аппаратуре,
приоритетные показатели оценки свойств, подлежащих определению в первую оче-
редь на этой испытательной базе, что нашло выражение в технологических процес-
сах, зафиксированных типовыми программами и методиками испытаний.
Для наглядного представления на рис. 2.39* показаны некоторые характерные
примеры условий испытаний на СИС.
Создание и функционирование СИС значительно способствовало решению про-
блемы испытаний автомобильной техники для Севера, но не исчерпало ее. В не-
давних исследованиях обращено внимание на заметное различие в условиях экс-
плуатации и характере повреждаемости АТС в другом бурно развивающемся ре-
гионе - Западно-Сибирском, где сосредоточено большое количество интенсивно
используемого автотранспорта.
В Западной Сибири более мягкий климат по сравнению с Северо-Востоком.
Средняя температура наиболее холодного месяца в году, как правило, не ниже
25°С, хотя абсолютные минимумы доходят до 60°С (г. Ноябрьск), период устойчи-
вых морозов меньше (с ноября по март), ландшафт местности равнинный, наличие
сплошной вечной мерзлоты отмечается на севере региона.
Для всей территории характерна высокая льдистость и просадочность грунтов,
близкое залегание грунтовых вод, заболоченность и сплошная обводненность об-
ширных площадей. В этих условиях прокладка автомобильных трасс является труд-
ной задачей, решаемой устройством специфических дорог. Такими дорогами явля-
ются повсеместно используемые (в особенности в Среднем Приобье) грунтоволеж-
невые дороги.
При движении по ним наблюдаются массовые поломки совсем не характерные
для условий эксплуатации на Северо-Востоке (например, сезонное нарастание ко-
личества поломок полуосей ведущих мостов, карданных валов и др ). Вместе с тем
крайне необходимые устройства и ужесточения требований для автомобилей,
предназначенных для работы в Северо-Восточных регионах, оказываются излиш-
ними для Северо-Западных регионов. Поэтому разрабатываются элементы техни-
ческой базы испытаний оптимальных конструкций автомобильной техники для раз-
ных регионов Севера.
Другим регионом с резко отличающимися природно-климатическими условиями
является южный. Значительный грузооборот и пассажирооборот на автотранспорте
в зоне жаркого климата и горных условий движения в нашей стране и странах СНГ
выдвинули перед автомобильной промышленностью необходимость создания спе-
циальных модификаций автомобильного подвижного состава. Для обеспечения
полноценных испытаний, последующей доводки конструкции таких АТС обоснована
целесообразность создания не испытательной станции в соответствующей местно-
сти, а Южного испытательного полигона [2 и др ]. Одним из важных положений в
обосновании такого расширения технической базы является наряду с более дос-
тупными условиями строительства также и решение еще одной важной задачи:
созданием южного автополигона предусматривались резервные мощности отрас-
левой системы испытаний, особенно необходимые при сезонном сокращении объ-
емов пробеговых испытаний на Центральном автополигоне в зимнее время.
118
Таблица 2 7
№ марш- рута Вид маршрута Сезон года Кроки маршрута Протяженность, км Время в пути сутки
авиа железная дорога море река автодороги общая
1 Авиационный Круглый год Москва — Магадан — Сусуман 7000 — — — 650 7650 1 - 3
2 Смешанный Круглый год Москва — Ванино — Магадан — Сусуман — 10000 4150 — 650 14800 35 - 45
3 Смешанный Зимой Москва — Невер — Якутск — Сусуман — 7000 — — 2500 9500 25 - 35
4 Смешанный Летом Москва — Невер — Якутск — Сусуман — 7000 — 1600 2100 10700 35 - 40
5 Автомобильный Зимой Москва — Сретенск — Невер — Якутск — Сусуман — — — — 110000 10000 20 - 30
119
Южный автополигон. При выборе географического размещения автополигона
обследовались более десяти районов по метеорологическим условиям согласно
ГОСТ 15150-69 с учетом предложений конструкторско-экспериментальных служб
ведущих автозаводов, особенно учитывались данные по Южному району Красно-
дарского края.
Обоснование размещения Южного автополигона потребовало исследований не
только климатических, рельефных и иных географических данных, но и дорожных
условий, маршрутов поточных перевозок, транспортных связей, административных
ограничений и иных обстоятельств. Это объясняется тем, что максимальная эф-
фективность использования Южного автополигона сочеталась с использованием
местных дорог общего пользования. На рис. 2.40* показаны обследовавшиеся до-
роги и участки местности, где наглядно представлены характерные условия для
эффективного проведения пробеговых испытаний. На основании проведенных ис-
следований выбрано место размещения Южного автополигона близ г. Пскента (ны-
не в Узбекистане). Разработанный генеральный план, отражающий принятую кон-
цепцию, показан на рис. 2.41.
Рис. 2.41. Схема генерального плана Южного автополигона:
1 - скоростной тпек, 2 - динамометрическая и скоростная дороги, 3 - комплекс дорог для испы-
тания прочности; 4 - специальные дороги и площадки испытаний устойчивости и управляемости,
тормозов, шумности; 5 - участок испытаний плавности хода (вибронагруженности): 6 - лабора-
торно-производственный комплекс; 7 - жилпоселок.
Строительство Южного полигона было начато в 1988 г. При завершении созда-
ния Южного автополигона и включении его в систему общего пользования зональ-
но-климатическая характеристика технической базы испытаний автомобильной
промышленности Российской Федерации и стран СНГ по осредненным показате-
лям представлена в табл. 2.8. Как видно в этой таблице техническая база испыта-
ний по природно-климатическим воздействиям покрывает широкий диапазон из-
менений условий эксплуатации автомобильной техники.
120
Таблица 2 8
Климатические показатели Климатические эоны (ГОСТ 16350-80)
Холодная 1 Умеренная II Жаркая III
Северная испытательная станция (г. Сусуман) Центральный автополигон (г. Дмитров) Южный полигон (филиал Централь- ного) (г. Пскент)
Высота над уровнем моря, м 649 183 388
Температура воздуха, ”С средняя годовая средняя месячная января средняя месячная июля абсолютный максимум абсолютный минимум -13,6 -40 -17,5 +32 -60 +3,4 -10,5 +13,5 +36 -48 +13,3 -0,9 +26,9 +44 -30
Дней в году с температурой: выше +25'С ниже -40’С с 9.05 по 27.09 48,3 30 152
Среднегодовая скорость ветра, м/с 2,3 3,6 1.6
Безморозный период, дни 51 132 200
Число дней со снежным покровом 255 165 13
Относительная влажность (среднесуточная за год), % 71 77 58
Продолжительность солнечного сияния, ч/год 2200 1750 2870
Состояние объекта Введен в эксплуата- цию с 1980 г. Введен в эксплу- атацию с 1964 г. В стадии строительства
2.4. Сопоставительный анализ
технического уровня
испытательной базы
Центрального автополигона
Аналитические обобщения характе-
ристик специальных испытательных сооружений, используемых в отечественном и
зарубежном автостроении, проводились с начала проектирования Центрального
автополигона вплоть до завершения строительства и сдачи в эксплуатацию его
второй очереди. Это давало возможность путем сопоставительных оценок и свое-
временных корректировок, дополнений в проектах добиться того, что техническая
база пробеговых испытаний на автополигоне отвечала, а по некоторым показате-
лям и превосходила уровень зарубежных аналогов. Известно, что Центральный ав-
тополигон является до последнего времени наиболее насыщенным целенаправлен-
ными испытательными сооружениями среди всех европейских автополигонов и од-
ним из передовых в мире.
Однако прошло значительное время и развитие автомобилестроения повлекло
за собой существенные изменения в технологии и роли испытаний как на Цен-
121
тральном автополигоне, так и в испытательных службах различных автомобиле-
строительных фирм. Изменились и методы оценки испытательных комплексов и
систем в машиностроении. В целом можно констатировать, что в зарубежном авто-
строении после некоторого ослабления внимания к полигонным испытаниям и ув-
лечения развитием стендовых испытаний повсеместно наблюдается развитие по-
лигонов и наращивание объемов ходовых испытаний на них. При развивающихся
международных связях отечественных автомобилестроительных предприятий, рас-
ширении торговли на международном рынке автомобилей, в интересах конкурен-
ции становится актуальной объективная сопоставительная оценка располагаемой
технической базы Центрального автополигона на сегодняшний день. Определение
технического уровня испытательных систем или комплексов столь разветвленного
предназначения затруднительно и может составляться лишь приблизительно.
Можно считать, что достоверность такой оценки будет выше, если, следуя еди-
ной методике оценки технического уровня в машиностроении, для сравнения будет
выбран конкретный аналог, отражающий высшие мировые достижения и тенденции
развития испытательных автополигонов.
В качестве аналога Центральному автополигону принят наиболее крупный в За-
падной Европе полигон одной из процветающих автомобильных фирм - "Фолькс-
ваген" (FV). Этот автополигон имеет то же назначение, что и Центральный. В каче-
стве показателей, образующих совокупность свойств для сопоставления техниче-
ского уровня, выбираются характеристики испытательных дорог и сооружений
сходного функционального назначения и их объединения согласно рассмотренному
выше группированию. Такой выбор показателей наиболее полно характеризует
функционирование и полезный эффект сравниваемых объектов и позволяет полу-
чить оценку технического уровня базы ходовых испытаний Центрального автополи-
гона укрупненно по номенклатуре главных показателей, оставляя в стороне под-
робности.
Экспертная оценка технического уровня по принятой методике основывается на
следующих данных. На рис. 2.42 показан состав и компоновка испытательных дорог и
сооружений автополигона "Фольксваген" для сравнения с аналогичной схемой Цен-
трального автополигона (см. рис. 2.9). Объем выполняемых на этой базе испытаний
характеризуется общим пробегом автомобилей 25 млн. км в год, что примерно соот-
ветствует годовой загрузке Центрального автополигона в настоящее время. Общая
протяженность испытательных дорог около 100 км (на ЦНИАП - 104 км).
На полигоне проводятся все виды дорожных испытаний по определению и оцен-
ке эксплуатационных свойств легковых автомобилей и транспортных средств гру-
зоподъемностью до 5 т (автобусы фургоны, грузовые и специальные автомобили),
включая длительные испытания надежности. Состав дорожных и других сооруже-
ний - разнообразный и достаточно полный для проведения всего комплекса лабо-
раторно-дорожных и длительных пробеговых испытаний за исключением специаль-
ных климатических испытаний соответственно с особо низкими и высокими значе-
ниями температур, а также горных условий с различными уровнем высот перева-
лов и покрытием горных дорог. Последние проводятся на дорогах общего пользо-
вания в других странах: зимние испытания - на севере Европы (Швеция, Норвегия,
Финляндия) южные - в Северной Африке, горные - на юге Европы
Для проведения испытаний надежности применяется ряд разнообразных мето-
дов в зависимости от целей испытаний (оценки надежности групп агрегатов и уз-
лов или автомобиля в целом), варьируя нагружение конструкции за счет различно-
го сочетания дорог и скоростных режимов.
122
Рис. 2.42. Генеральная схема испытательного полигона ' Фольксваген”.
1 охранная дорога, используемая также для длительных пробеговых испытаний надежности; 2
площадка для динамических испытаний надежности; 3 - главный въезд; 4 - мелководный уча-
сток дороги для коррозионных испытаний и оценки самозагрязняемости; 5 - дорожно-эксплуа-
тационная служба, 6 - горно-холмистые участки дорог; 7 - подъемы различной крутизны; 8 - во-
дяной бассейн; 9 - скоростная дорога с динамометрическим участком и виражами параболиче-
ского профиля; 10 - зона подготовки автомобилей к испытаниям, комплекс сооружений для кор-
розионных испытаний; 11 - дождевальная установка: 12 - комплекс специальных дорог для фор-
сированных испытаний.
При оценке надежности конструкции автомобиля в целом применяются две до-
полняющие друг друга методики с разными объемами испытаний:
- 100 тыс. км пробега по скоростной и "сельским" дорогам полигона для опре-
деления надежности двигателя, агрегатов и узлов трансмиссии, ступичных узлов
колес и шин;
- 8 тыс. км пробега по специальному маршруту с дорогами, оказывающими повы-
шенные целенаправленные воздействия на кузов и узлы ходовой части автомобиля.
Конструкция считается доведенной и автомобиль достаточно надежным для потре-
бителей различных стран и регионов мира, куда экспортируются автомобили, если
устранены отказы, неисправности и замечания, отмечавшиеся при испытаниях.
Методика испытания длительностью 100 тыс. км предусматривает 50 % пробега
по скоростной дороге на режиме максимальной скорости и 50 % по "сельским”
123
дорогам с различными режимами движения, специально установленными в норма-
тивном документе.
Пробег на скоростной дороге отражает длительное движение на автобанах, где
разрешаются высокие скорости (без ограничения в ФРГ и в других странах -
120...140 км/ч).
Скоростная дорога полигона обеспечивает движение с уравновешенными боко-
выми силами на закруглениях при скоростях на полосах: средней - 150 км/ч и
внешней 200 км/ч. При сухом дорожном покрытии возможны скорости 350 км/ч и
выше (дорога допущена для движения с целью установления рекордов).
Все модели автомобилей фирмы "Фольксваген", включая высокоскоростные
"Гольф”, "Ауди” и "Сирокко" (максимальная скорость 208 км/ч), прошли испытания
на максимальной скорости.
"Сельские" дороги полигона, на которых выполняются пробеги приблизительно 50
тыс. км, имитируют асфальтированные дороги общего пользования, соединяющие
между собой небольшие поселки и деревни, по устройству типичные для дорог За-
падной Европы Эти дороги полигона извилистые в плане, с многочисленными пово-
ротами, с отдельными неровными участками, в основном, с асфальтовым покрытием.
В испытательные маршруты включаются также участки горной дороги и подъемов.
Обязателен многократный проезд через ванны с 1,8...2 %-ным соляным раствором.
Методика ускоренных испытаний пробегом 8 тыс. км основана на движении ав-
томобиля по специальному маршруту с набором дорог, имеющих покрытие с раз-
личными типами неровностей, вызывающих высокое переменное нагружение кузо-
ва и узлов ходовой части автомобиля. Дороги объединены на небольшом участке,
который хорошо освещается светильниками, поднятыми на четырех мачтах, соз-
дающих освещенность в ночное время, близкую к дневной. Это позволяет вести
испытания круглосуточно. Эти дороги характеризуются частыми поворотами не-
большого радиуса.
Состав трассы для испытаний в объеме 8 тыс.км следующий:
- участок волнообразного асфальта с мелким шагом типа "стиральная доска"
или "гармошка” на асфальте, характерный для состояния покрытия дорог у пере-
крестков или автобусных остановок;
- участок асфальтовой дороги с длинными пологими волнами;
- участок переезда через железнодорожные пути с незначительно выступающи-
ми над полотном поперечно расположенными рельсами;
- небольшая горка подъема и спуска с уклонами 16 %;
- участок с большим количеством "нашлепок", густо расположенных с различ-
ными интервалами, зафиксированными относительно друг друга, типа шашечного;
- участок с большим количеством сооружений, воспроизводящих уличные кана-
лизационные колодцы, по расстановке относительно друг друга близких к расста-
новке "нашлепок" (рис. 2.43);
- участок с пороговыми неровностями, расположенными поперек дороги под
прямым углом к направлению движения автомобиля (ряд параллельных неровно-
стей) и под углом (также ряд неровностей);
- участок с неровным замощением типа бельгийской мостовой с возможной
скоростью движения для легкового автомобиля около 40...50 км/ч;
- участки с ровным асфальтовым покрытием, которые часто находятся в проме-
жутках между участками с неровной поверхностью и, видимо, служат для охлажде-
ния отдельных узлов и деталей автомобиля;
- мелководная ванна с соляным раствором.
124
Рис. 2.43. Схемы устройства испытательных участков дорог автополигона "Фольксваген" со спе-
циальными неровностями:
1 — типа нашлепок на поверхности (1- размещение: 2- вид в плане; 3- поперечный разрез);
— типа канализационных колодцев на проезжей части (1- расположение; 2- поперечный
разрез).
Скоростной режим движения регламентируется временем прохождения отдельных
участков, временем движения по комплексу специальных дорог и средней скоростью.
Для ускоренных испытаний на полигоне используется также комплекс специаль-
ных дорог общей протяженностью около 5 км. Особенностью его является симмет-
ричное расположение двух раздельных, одинаково построенных кольцевых трасс,
которые соединены между собой, что позволяет не изменяя направления движения
избежать односторонней нагрузки автомобиля. Дорога состоит из различных участ-
ков с неровной брусчаткой типа бельгийской мостовой, бугристым асфальтовым
покрытием, других неровностей, грязевой и соляной ванн.
125
Лабораторно-дорожные испытания по определению нагрузочных режимов, ско-
ростных и других эксплуатационных свойств проводятся на специальной площадке
динамических испытаний.
Площадка представляет собой высокой степени ровности асфальтированную по-
верхность с 2 %-ным уклоном в одну сторону, размером около 500x500 м. Во вре-
мя дождя площадка покрывается равномерным слоем воды, медленно стекающей к
краю. При необходимости в сухую погоду за счет устройства водополива, установ-
ленного с одной стороны площадки, ее поверхность может заливаться тонким сло-
ем воды. С двух сторон к площадке примыкают разворотные петли меньшего и
большего радиусов.
Коррозионная камера и тепловая камера являются единственными лаборатор-
ными сооружениями, расположенными на территории полигона, поскольку находят-
ся в общей технологической цепи лабораторно-дорожных испытаний на корро-
зионную стойкость.
Эти испытания проводятся циклами, каждый из которых включает выдержку
автомобиля в камере с солевым туманом с концентрацией соли 5 % в течение
4 ч, движение по дорогам с различными видами и качеством покрытий, в том
числе щебеночным и грязевым, орошение солевым раствором с концентрацией
1,8...2,0 % на участке дороги длиной 50...60 м, выдержку в камере со 100 %-ной
влажностью при температуре 50°С в течение 2 ч.
При испытаниях в последней камере для имитации проникновения внешнего
воздуха в салон автомобиля под действием разрежения, образующегося в салоне
при движении автомобиля, используется отсос воздуха через шланг и технологиче-
ское отверстие в крыше кузова.
Для наглядности дальнейшего сопоставления испытательные дороги и сооруже-
ния рассматриваемого аналога объединены по тем же принципам группирования,
которые использовались выше в описании технической базы ходовых испытаний
Центрального автополигона, и совместно представлены в табл. 2.9. Анализ этой
таблицы позволяет сделать следующие заключения.
Центральный полигон и полигон фирмы “фольксваген" (аббревиатура FV) по со-
ставу испытательных дорог и сооружений, их основным техническим параметрам
отвечают одинаковому назначению - проведению всех видов натурных ходовых ис-
пытаний автомобильной техники.
Номенклатура испытательных дорог в основном совпадает, а по параметрам они
близки друг другу.
Вместе с тем конструкция испытательных дорог и организация работ Централь-
ного полигона позволяют проводить испытания значительно более широкой но-
менклатуры автомобильной техники — от легковых автомобилей до тяжелых грузо-
вых автомобилей, автопоездов и автобусов.
Испытательные дороги с ровным покрытием сравниваемых полигонов обеспечи-
вают возможность проведения длительных испытаний по определению и оценке
долговечности двигателей, трансмиссий, шин, подшипниковых узлов и деталей ав-
томобилей, нагружение которых зависит от повышенных скоростей или переменно-
го режима движения.
Скоростной трек фирмы "Фольксваген" отличают параболические профили вира-
жей с нейтральными скоростями 80 км/ч на одной, 150 км/ч на второй и 200 км/ч на
третьей полосах и более качественное покрытие поверхностного слоя. Вместе с тем
совмещение скоростной и динамометрической дорог на одном треке усложняет орга-
низацию испытаний и снижает их производительность.
126
тгблица 2 9
127
Группы испытательных дорог и сооружений Наименование испытательных дорог и сооружений Технические параметры на полигонах Соответствие назначению и основные различия
ЦНИАП НАМИ ’’Фольксваген" (FV)
Группа I — испытательные дороги с ровным покрытием Скоростная дорога (скоростной трек): длина, км ширина, м 14 10 21 10.5 Обеспечивают высокие скорости движения. На полигоне VW более прочное и ровное покрытие допускает движение с нейтраль- ной скоростью 80, 150 и 200 км/ч на виражах
профиль переходных кривых Прямой с уклоном Параболический
максимальная скорость, км/ч 200 200
Динамометрическая дорога: длина, км 5,4 Совмещена со скоростной дорогой 8 Отвечают целям испытаний. На полигоне VW ограничена пропускная способность из-за совмещения со скоростной дорогой
ширина, м 10,0 10,5
Горная дорога: длина, км 6,5 6 ЦНИАП обеспечивает большие возможности использования различных уклонов и включения их в комплексный маршрут
ширина, м 7-9 7
уклон. % 4 — 30 5 — 32
Подъемы: уклон. % 4; 6; 8; 10; 12; 16; 30; 40; 50; 60 5; 10; 16; 20; 30 На ЦНИАП отсутствует один из наиболее часто используемых в ТТЗ уклон 20%
Продолжение
128 129
Группы испытательных дорог и сооружений Наименование испытательных дорог и сооружений Технические параметры на полигонах Соответствие назначению и основные различия
ЦНИАП НАМИ ’’Фольксваген" (FV)
Группа I — испытательные дороги с ровным покрытием Дороги для проведения длительных испытаний типа пригородного шоссе: длина, км ширина, м 12 7-9 22 7 Дороги полигона VW с большим количеством криволинейных участков
Площадка для специальных испытаний: форма и размеры, м система водополива Круглая, 100 м Имеется Прямоугольная 500 х 550 м с дополнитель- ными петлями Имеется Площадка позволяет проводить испытания с более высокими скоростями и одновре- менно нескольких автомобилей
Группа II — дороги с переменным микропрофилем Дорога с булыжным покрытием ровного и специального замощения: длина, км ширина, м 8,2 7,5 Не имеется Группа дорог с переменным профилем ЦНИАП и фирмы VW отвечает целям натурных испытаний автомобилей на долговечность. Состав дорог ЦНИАП позволяет проводить испытания более широкой гаммы моделей автомобилей (от легковых до тяжелых грузовых авто- мобилей и автобусов)
Дорога с булыжным покрытием специального микропрофиля, длина, м 500 Не имеется
Группы испытательных дорог и сооружений Наименование испытательных дорог и сооружений Технические параметры на полигонах Соответствие назначению и основные различия
ЦНИАП НАМИ "Фольксваген" (FV)
Группа II — дороги с переменным микропрофилем Дорога с булыжным покрытием ровного замощения, длина, м 1000 Не имеется
"Бельги йская мостовая”, длина, м 1000 Отдельные участки комплексной трассы
"Шумосоздающая дорога", длина, м 1000 Отдельные участки комплексной трассы
Дорога с короткими волнами, длина, м 1000 То же
Дорога (''трек”) со сменными неровностями, длина, м 1370 Не имеется
Трек для ускоренных испытаний (участки волнообразного асфальта, длинные пологие волны, "железнодорожный переезд”, ”нашлепки’’, ’’колодцы”, пороговые неровности, длина, км Не имеется 4
Продолжение
130
Группы испытательных дорог и сооружений Наименование испытательных дорог и сооружений Технические параметры на полигонах Соответствие назначению и основные различия
ЦНИАП НАМИ "Фольксваген” (FV)
Группа III — дороги и сооружения с другими повреждающими факторами внешней среды Грунтовая равнинная дорога. длина, км ширина, м 18.5 15 5 4-6 Состав дорог и сооружений ЦНИАП шире по номенклатуре и протяженности дорог, что обеспечивает возможность проведения испытаний более широкой номенклатуры автомобилей
Тяжелая грунтовая дорога, длина, км 14,1 Не имеется
Щебеночная дорога в составе комплексной трассы, длина, м 250 200 - 300
Песчаный испытательный участок, длина, м 636 Не имеется
Грязевой испытательный участок, длина, м 40 30 — 50
Глубоководный затопляемый участок, длина, м 20 Не имеется
Мелководный затопляемый участок, длина м 40 30
Дорожно-бункерный комплекс Имеется Не имеется
Коррозионная камера Имеется
Открытый соляной душ Не имеется
Испытательные дороги сравниваемых полигонов с переменным микропрофилем,
предназначенные для испытаний на долговечность кузовов, кабин, рам, подвески,
рулевого управления автомобилей по своему составу и покрытию имеют незначи-
юльные отличия друг от друга. При этом много одинаковых участков, входящих в
комплексные маршруты, например, с покрытием типа "бельгийская мостовая" и
"короткие волны".
Примененные на Центральном атополигоне дороги с булыжным покрытием ров-
ного и специального замощения большой протяженности имеют оригинальный
профиль и отражают опыт, накопленный отечественными научными организациями
и автозаводами в доводке конструкции автомобилей по результатам испытаний на
дорогах общего пользования, создающих значительные повреждающие нагрузки.
Комплексы дорог с переменным микропрофилем как на Центральном автопо-
пиюне, так и на полигоне "Фольксваген” отличаются высокой эффективностью,
значительными величинами переходных коэффициентов, что существенно, в
несколько десятков и более раз, сокращает объемы испытаний и уменьшает их
< роки.
Вместе с тем на Центральном автополигоне отсутствует ряд дорог группы II, в
частности, участки:
"железнодорожный переезд", где имитируется двухпутная железнодорожная
колея;
- с большим количеством "нашлепок", густо расположенных с различными ин-
орвалами;
- с большим количеством "колодцев";
- с частыми пороговыми неровностями, расположенными под прямым углом к
направлению движения автомобиля типа "лежневки", используемой в Западно-Си-
оирском регионе нашей страны.
Объединению на полигоне "Фольксваген" ряда испытательных участков в ком-
ипексные трассы предшествовала исследовательская работа специалистов на анало-
। ичных опытных участках дорог старого небольшого полигона фирмы, расположенно-
ю непосредственно на заводской территории в г. Вольфсбург. Такое решение при
онюсительно ограниченной в сравнении с Центральным автополигоном номенклатуре
испытываемых объектов фирмы, очевидно, оправдано. Вместе с тем очевидны пре-
имущества компоновки I и II групп дорог на Центральном автополигоне: раздельное
расположение скоростной, динамометрической, горной, дополнительных асфальто-
ных дорог и практически всех специальных дорог целенаправленного воздействия,
подьемов. Это позволяет проводить испытания на отдельных дорогах или создавать
комплексные маршруты со значительно более широким сочетанием и дозированием
шюшних воздействий и скоростных режимов в зависимости от назначения и условий
жсплуатации различных групп автомобильной техники.
На полигоне "Фольксваген" практически отсутствуют дороги III группы, создаю-
щие не только силовое, но и абразивное воздействие на объект испытаний. Лишь
условно к этой группе можно отнести небольшой участок, покрытый мелко-дис-
персным щебнем (размер от 1 до 10 мм), и естественную грунтово-песчаную до-
рогу, проложенную по лесной просеке и используемую, по-видимому, редко.
Отсутствуют в составе испытательных сооружений полигона "Фольксваген" и
। hi левые камеры. Это нетрудно объяснить различием в качестве дорожной сети и
культуре эксплуатации автомобилей в нашей стране и Западной Европе.
В целом характеристики испытательных сооружений сопоставляемых автополи-
К1НОВ отличаются отдельными подробностями (применительно к дорогам и соору-
131
жениям, имеющимся на обоих), не оказывающими решающего влияния на функ-
циональное назначение, уровень затрат при использовании, эффективность, эколо-
гию и другие показатели.
При таком совпадении основными становятся показатели, отражающие воспро-
изведение на имеющейся базе всей полноты эксплуатационных воздействий на ав-
томобиль, возможности сравнения теоретических, расчетных показателей испыты-
ваемых конструкций с опытными, степень охвата факторов внешнего воздействия.
Тогда в самом общем виде основные показатели определяются насыщенностью
соответствующих объединений согласно обоснованному выше группированию спе-
циальных испытательных дорог и сооружений.
Как видно из табл. 2.9, этим показателям можно дать количественную оценку
для дальнейшей расчетной оценки технического уровня.
Расчетная оценка технического уровня проводится по данным табл. 2.9, из кото-
рой определяется количество специальных сооружений в каждой группе, как абсо-
лютные показатели сопоставляемых объектов Р и Pja. Тогда относительные пока-
затели сопоставимости по каждой группе выражаются как отношение /-х показате-
лей оцениваемого объекта и аналога
2-
б.
Согласно используемой методике (рекомендованной ранее ГКНТ), обобщенный
показатель степени соответствия оцениваемой системы определенному аналогу
подсчитывается в виде
где п - количество групп.
После подстановки данных табл. 2.9 коэффициент принимает значение Кп = 1,4.
Таким образом, по результатам экспертной и расчетной оценок можно заклю-
чить, что технический уровень испытательной базы Центрального автополигона со-
ответствует аналогу, а по некоторым признакам превосходит его.
Здесь необходимо подчеркнуть, что полученная оценка относится только к испы-
тательной базе, которую можно по аналогии назвать технологической оснасткой
производства пробеговых испытаний на Центральном автополигоне. Эту оговорку
приходится постоянно иметь в виду прежде всего в сочетании располагаемой тех-
нологической базы с уровнем, объемом и качеством ее использования. В концерне
"Фольксваген" автополигон интенсивно используется практически всеми структур-
ными подразделениями Центра исследований и развития, а о его мощности можно
судить по следующим данным: численность сотрудников приблизительно 6500;
опытное производство приблизительно 100 полнокомплектных опытных образцов
автомобилей, 500 двигателей, 350 коробок передач в год.
К этому следует добавить высокую оснащенность исследовательских и испыта-
тельных работ разнообразной современной аппаратурой и вычислительной техникой.
Все это существенно влияет на эффективность технологической базы и, следо-
вательно. на ее оценку по аналогиям.
Глава 3. ТЕОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОВРЕЖДАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА АВТОМОБИЛЬ
НЕРОВНОЙ ДОРОГИ
В ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПРОБЕГЕ
Среди множества факторов взаимо-
действия с внешней средой движущегося автомобиля, влияющих на качество его
функционирования, надежность в эксплуатации, воздействие неровной дороги за-
нимают доминирующее положение. Это следует из самого предназначения автомо-
биля для перевозки грузов и пассажиров по наземным маршрутам, отличающимся
прежде всего неровностью опорной поверхности качения автомобильных колес.
X >иг грукция автомобиля включает совокупность колебательных систем, реагирую-
щих на вертикальные смещения контакта катящихся колес при проезде неровно-
ч'и Возникающие при этом колебания масс, частей, оборудования влияют прак-
|ически на все эксплуатационные свойства автомобиля при движении.
Определяющему признаку ровности дороги - микропрофилю опорной поверхно-
1и присуща случайная изменчивость, что осложняет оценку, регулирование и
ii‘>< производимость его воздействия при пробеговых испытаниях. Вместе с тем
чун< 1вительность конструкции к воздействию неровной дороги, непрерывность это-
и> воздействия выдвигают требование его контроля и нормирования в число пер-
н н юпенных на технической базе пробеговых испытаний. Этим объясняется тот
г| акт, что при создании всех без исключения автополигонов возводимые сооруже-
ния для определения свойств автомобиля в движении оцениваются прежде всего
показателями ровности (микро- и макропрофиля), а их изменения или набор ис-
пользуются как эффективное средство ускорения и полноты испытаний, в особен-
н . in таких главных свойств, как прочность и надежность, включая безотказность,
нновечность в пробегах большой протяженности и длительности вплоть до капи-
i.iiibiioro ремонта или окончания срока службы. Необходимость регулирования и
нормирования воздействия дорог для пробеговых испытаний требует выражения
.п не только качественными (см. гл. 2), но и количественными характеристиками
оиместно с выражениями реакции на воздействие неровной дороги автомобилей
I i шинных конструкций и параметров.
3.1. Характеристики
микропрофиля дорог
и его воздействия
на автомобиль
Конструктивные параметры, описа-
ние и данные, используемые при разработке технических заданий, проектировании
и устройстве специальных дорог, хотя и создают общие представления об их свой-
• пых и эффективном использовании, но совершенно недостаточны для количест-
|ц иных расчетов повреждающего воздействия на автомобиль при испытаниях, со-
поставления этих воздействий с условиями эксплуатации, обоснования технологии
и режимов, а также планирования форсированных испытаний.
Для решения таких задач необходимы более детальные измерения микропрофиля,
н|.|'1исления характеристик очертания поверхности, моделирование и прогноз воздей-
133
ствия дороги на автомобиль. При поступательном движении автомобиля по неровной
дороге непрерывно изменяется положение зоны контакта шин колес с опорной по-
верхностью по вертикали в зависимости от продвижения вдоль дороги / При движе-
нии с постоянной скоростью функция Q(l), представляющая микропрофиль, легко
преобразуется в функцию вертикальных смещений опоры колес автомобиля во вре-
мени, которая вызывает колебания и вибрацию его масс Иногда эта функция назы-
вается функцией кинематического возбуждения колебаний автомобиля.
Микропрофиль q(l) дороги как источник возбуждения колебаний автомобиля
изучался ранее в связи с совершенствованием подрессоривания и плавности хода.
При этом использовалось описание его в виде заданных функций преимуществен-
но синусоидальной формы, представляющих обособленную волну или непрерыв-
ную волнистую поверхность. Затем рассматривались такие характерные формы не-
ровностей, как пороги, трамплины, впадины, вызывающие единичный и произволь-
ный импульсы и представляемые кусочно-непрерывными функциями. Описание
микропрофиля сочетанием заданных функций q(l) позволяет выразить или наибо-
лее неблагоприятные, но реально возможные, или типичные, часто встречающиеся
на различных дорогах неровности. Подбирая такие неровности по размерам и со-
относя их с категориями классификации дорог, можно получить более широкую ин-
формацию о характере микропрофиля.
Возникли построения характеристик микропрофиля дорог на основании таблиц
распределения различных размеров неровностей, оценки их среднего квадратиче-
ского значения, законов распределения и т.п. Это давало некоторые основания для
выбора типовых размеров неровностей как для теоретических исследований, так и
для экспериментальных проверок качества подрессоривания.
Статистические характеристики микропрофиля, построенные обобщением дис-
кретных размеров неровностей, дали возможность воспроизводить характерные
особенности поверхности дорог общего пользования на испытательных дорогах.
Однако на практике неровности с очертаниями поверхности в виде заданной функ-
ции от продвижения вдоль оси дороги не позволяют получить описание реальных
условий рабогы автомобиля и правильно подойти к оценке его колебаний в таких
условиях
Действительно, статистические характеристики распределения размеров встре-
чающихся на данной дороге неровностей при их хаотическом чередовании почти
ничего не дают для эксплуатационных оценок воздействия за процесс или опреде-
ленное время движения автомобиля. Особенно это относится к тем оценкам, кото-
рые связаны с эффектом накопления непрерывного воздействия, таким, например,
как усталость материала при непрерывно изменяющихся нагрузках, утомляемость
от перегрузок при вибрации и т.п. Стремление получить оценку непрерывного воз-
действия на автомобиль от дороги в течение длительного времени вызвало необ-
ходимость представления микропрофиля случайной непрерывной функцией. Мето-
ды статистической динамики, расчета и анализа динамических систем, находящих-
ся под непрерывным случайным воздействием, позволяют рассматривать и коле-
бания автомобиля, возбуждаемые на дороге со случайным микропрофилем, как
незатухающий случайный процесс.
Описание микропрофиля автомобильных дорог случайными функциями постоян-
но развивается, пополняется новыми экспериментальными данными. Расширяется
область его использования вплоть до появившихся предложений классифициро-
вать дороги по показателям оценки микропрофиля как основного фактора повреж-
134
дающего воздействия на системы и агрегаты автомобиля. Хотя развитие методов
имлиза воздействий на автомобиль в виде случайных функций открыло возможно-
. tn количественной оценки непрерывных случайных процессов колебаний при дви-
жении автомобиля по неровным дорогам, но не отменило использование методов
и> следований и испытаний, основанных на представлении воздействия в виде за-
данных функций. Это объясняется тем, что детерминированное выражение микро-
профиля позволяет получать описание реакции автомобиля на такое воздействие в
политической форме в зависимости от конструктивных параметров, а сооружение
< нециальных дорог с аналитически описываемой поверхностью дает возможность
жспериментально проверить многие важные конструктивные решения в условиях
большой определенности воздействия на систему.
В настоящее время не представляется возможным сформулировать критерий,
ючно определяющий условия, когда можно ограничиться расчетом колебаний и
либрации автомобиля при воздействии неровностей в виде заданной функции и
мида необходимо рассматривать это воздействие как непрекращающийся случай-
ный процесс. По-видимому, зто нужно каждый раз решать, исходя из задач испы-
|,1ний и исследования, т е. из того, с какой полнотой требуется учитывать разнооб-
разие эксплуатационных дорожных условий. Однако можно считать, что примене-
ние случайных функций в качестве математических моделей микропрофиля неце-
лесообразно, если на рассматриваемой дороге эпизодически встречаются одно-
1ипные неровности, но разделенные ровными участками, достаточными для того,
чтобы вызываемая их воздействием вибрация автомобиля могла существенно
уменьшиться до следующего очередного воздействия. Нецелесообразно использо-
вать случайные функции для описания микропрофиля и в том случае, когда дорога
разбита на участки, в пределах которых форму поверхности можно описывать ана-
литическими функциями, а колебания автомобиля вследствие воздействия микро-
профиля достигают устойчивого режима.
Если же микропрофиль дороги имеет вид непрерывно чередующихся неровно-
। 1ей случайных размеров, каждая из которых вызывает значительную реакцию ав-
юмобиля, как колебательной системы, и эту реакцию нельзя рассматривать как
переход из одного устойчивого состояния в другое, то применение случайной мо-
дели неизбежно.
Модель случайной функции целесообразно использовать также и в том случае,
когда точное описание микропрофиля заданными функциями хотя и возможно, но
сопряжено с большими трудностями, как, например, для расчета поверхности про-
филированной булыжной дороги автополигона.
Простейшая модель регулярного микропрофиля - волнистая поверхность, орди-
наты которой отсчитываются от средней линии и изменяются по гармоническому
икону в зависимости от перемещения вдоль оси дороги, например,
q(l) = q0cos2nvl, (3.1)
где <70- амплитуда или наибольшее отклонение поверхности от средней линии;
V циклическая частота, измеряемая в циклах периодического изменения ординат
поверхности на единицу перемещения вдоль оси дороги.
Если неровности такого профиля оценивать длиной, отвечающей одному циклу
изменения высоты, /н, то 1/V = /н и тогда
Q(/) = q0cos2^///h. (3.2)
135
В большинстве работ по исследованию микропрофиля дорог используют волно-
вую частоту
X = 2.71/1^ = 2лг, (3.3)
выражающую долю полного цикла или длины неровности, приходящуюся на еди-
ницу перемещения вдоль дороги и измеряемую в м Эта величина кроме нагляд-
ности вследствие удельного содержания по отношению к независимой переменной
(продвижению вдоль дороги) удобнее для расчетов из-за очевидного упрощения
записи
Q(/) = Q0COsA/. (3.4)
Заметим, что гармоническая модель позволяет описать в определенном интер-
вале более сложный микропрофиль, выражающийся произвольной функцией, с по-
мощью тригонометрических рядов. Тогда каждая гармоника спектра будет пред-
ставлять некоторую аддитивную составляющую микропрофиля на рассматривае-
мом участке дороги, вклад которой в образование общей реакции автомобиля за-
висит не только от ее параметров Qo и Л, но и от того, как порождаемое микро-
профилем дороги вертикальное смещение опорных контактов колес будет изме-
няться во времени.
При постоянной скорости поступательного движения переход от описания мик-
ропрофиля к описанию его воздействия выполняется просто благодаря линейной
связи перемещения I и времени t:
/ = V t. (3.5)
а воздействию гармонического микропрофиля (3.1) соответствует выражение
q(vat) = q0cos2nwat = Q0cos2nf/, (3.6)
где f = Wa= vJlH - частота периодического возбуждающего воздействия, которая
при измерении скорости Va м/с и протяженности неровностей, м. выражается в Гц.
В большинстве работ частота гармонического возбуждения выражается не вели-
чиной f, а величиной, кратной 27Т:
Р = 2nf, (3.7)
где р в рад/с.
Из сопоставления выражений (3.4) и (3.6) видно, что величину р удобно сохра-
нить в качестве характеристики частоты воздействия микропрофиля, так как при
замене аргументов в функциях микропрофиля и его воздействия с помощью посто-
янной скорости движения сохраняется простое соответствие между волновой и
возбуждающей частотами
Р = VA . (3.8)
При этом в расчетах, связанных с описанием воздействия и реакции автомоби-
ля, записи также упрощаются. Приведенные соотношения позволяют яснее пред-
ставить материалы экспериментальных исследований микропрофиля автомобиль-
ных дорог и разобраться в обоснованиях его математического моделирования, а
прежде всего в выборе класса подходящей модели случайной функции.
Из теории подрессоривания и плавности хода, практики эксплуатации и испыта-
ний известно, что при движении, например, грузовых автомобилей с зксплуатаци-
136
очными скоростями в диапазоне от минимально устойчивой 5... 10 км/ч до макси-
мальной 90...100 км/ч колебания на рессорах и шинах, т.е. колебания, вызываемые
(«((действием микропрофиля дороги, находятся в диапазоне частот от 0,3...0,5 Гц
до 17 ..20 Гц. Эти данные можно интерпретировать так, что выходящие за эти час-
кны воздействия несущественны и их можно исключить из модели микропрофиля
дороги.
Из соотношений (3.3), (3.7), (3.8) можно заключить, что в математической модели
микропрофиля целесообразно учитывать неровности, имеющие длину от 0,1...0,15 м
дц 100 м, а неровности длиной, выходящей за эти пределы, исключить из модели как
ш-1 иодичности и тренды, представляющие несущественные помехи в формировании
колебаний автомобиля. Такое условие вполне согласуется с основной целью модели-
рования микропрофиля, состоящей в том, чтобы по данным воздействия его на авто-
мобиль прогнозировать переменные нагрузки и ресурс при постоянном режиме дви-
ж< ния. При этом квазистатические нагрузки, связанные с таким изменением режима,
► ак движение на подъеме, перемена включенной передачи, различные нагрузки в ку-
юве, рассматриваются только в связи со сменой параметров модели воздействия на
нтомобиль.
Исключение из модели мелких неровностей оправдывается сглаживающей спо-
> обностью шин, а также данными измерения дискретных параметров неровностей
и их взаимосвязей: короткие неровности в большинстве случаев на дорогах с по-
крытием имеют малую высоту (шероховатость) и не оказывают заметного воздей-
< । вия за процесс.
При выборе случайной функции в качестве модели микропрофиля дороги возни-
кает противоречие между практическими возможностями реальных измерений мик-
р< профиля и абстрактными представлениями, закладываемыми в основу теорети-
ческого определения и описания его. Теоретическое описание случайной функции
исходит из представления ее в виде бесконечного соединения случайным образом
меняющихся величин при каждом фиксированном аргументе, в то время как прак-
1ически невозможно экспериментально осуществить такое наблюдение. Преодоле-
вается это противоречие использованием результатов масштабной съемки микро-
профиля как одной из наблюдаемых реализаций случайной функции.
Так как теоретическое описание случайной функции базируется на установлении
вероятностных законов изменения ее значений при фиксированных значениях аргу-
мента и сочетаний этих значений, то необходимо решить: одно или несколько фак-
(ических измерений микропрофиля следует учесть при построении численных оце-
нок теоретической модели. Иными словами, между наблюдаемой реализацией и
>еоретической моделью случайной функции складывается такое же отношение, как
и при вероятностном описании дискретной случайной величины, когда набор дан-
ных упорядочивается построением гистограммы и требуется найти параметриче-
i кое описание распределения вероятности ее значений.
При этом, как известно, для случайной величины теоретический закон распре-
деления тем достовернее, полнее и надежнее характеризует представляемое ею
физическое явление, чем меньшее число случайных факторов может изменить по-
лученные наблюдения и чем больше эмпирических данных используется для по-
< (роения теоретической модели
Применительно к моделированию случайного микропрофиля по аналогии можно
(включить, что наблюдаемая при съемке какого-либо участка дороги реализация
будет тем полнее, достовернее и надежнее представлять модель случайной функ-
ции, чем больше этот участок типизирован и чем больше его протяженность. На-
137
блюдаемые реализации микропрофиля будут типичными, если они относятся к до-
рогам определенных покрытий и категорий. Этим достигается необходимое суже-
ние факторов, влияющих на характер случайной изменчивости микропрофиля, так
как строительные нормы и правила, технология, материалы изготовления покрытия
и условия эксплуатации накладывают ограничения и придают определенную устой-
чивость микропрофилю поверхности дорог разного типа.
Еще в большей степени увеличивается вклад наблюдаемой реализации микро-
профиля в его случайную модель сопоставлением нескольких реализаций, получен-
ных на разных участках дороги одного типа, и выбором из них представительного
по нескольким признакам, важным для дальнейшего использования модели
Выше было упомянуто, как для сооружения специальной испытательной доро-
ги выбирался микропрофиль типичного, представительного участка дороги об-
щего пользования по результатам оценки соответствия распределения дискрет-
ных размеров неровностей, показателей их воздействия на автомобиль на пред-
ставительном участке и на трассе большой протяженности. Сущность такой ти-
пизации и представительности микропрофиля сравнительно небольших участков
дорог состоит в том, что наблюдаемая на этих участках реализация, во-первых,
носит устойчивый характер изменчивости в пределах участка и, во-вторых, со-
храняется на дороге данного типа или по крайней мере на маршруте значитель-
ной протяженности, представляющем определенную транспортную магистраль
народнохозяйственного значения или использования. Заключения о типичности и
представительности отдельных участков дорог разного типа принимают на осно-
вании опытных наблюдений и экспериментальных данных. Математически такое
заключение выражают тем, что в пределах данного типа дороги микропрофиль и
его воздействие статистически не зависят от расположения участка наблюдения
и их статистические характеристики не изменяются на достаточно длинных уча-
стках дороги.
Это дает фундаментальное основание для конкретизации модели микропрофиля
в виде узкого класса случайных функций - случайных стационарных и эргодиче-
ских. Используя натурные исследования микропрофиля, можно внести еще боль-
шую определенность в его модель. В частности, неоднократно строившиеся эмпи-
рические распределения ординат, а также экстремумов или высот неровностей по-
казывают, что описывающие их законы, как правило, близки к нормальным. Из это-
го следует, что случайные функции, моделирующие микропрофиль, следует считать
гауссовскими.
При измерении и обследованиях микропрофиля в большинстве случаев опытные
данные позволяют точно оценить положение средней линии для отсчета ординат
поверхности дороги. При строительстве дорог прокладывается и инструментально
контролируется начало отсчета нивелировочных показателей или красная линия.
Учитывая также физический смысл воздействия микропрофиля, как отклонения
опоры динамической системы от некоторого среднего положения, отвечающего
статическому равновесию ее, можно считать, что характеристики микропрофиля,
учитывающие только отклонение ординат поверхности от среднего значения, впол-
не достаточны для изучения реакции автомобиля на воздействие неровностей до-
роги. Из этого следует, что случайные функции, моделирующие микропрофиль,
можно рассматривать не только как имеющие постоянное среднее значение, но и
имеющие это значение равным нулю, т.е. центрированными.
Изложенные положения служат достаточным обоснованием идентификации мик-
ропрофиля дорог с помощью модели стационарной случайной гауссовской эргоди-
138
к < кои функции. Эта модель удобна как по адекватности, так и по экономичности
нрсдС!явления следующими характеристиками:
корреляционной функцией
П<ДА/) = ja(/)a(/ + (з.э,
дисперсией ординат
Dq = Д</А/)1д/=0: (ЗЮ)
'пектральной плотностью
Sq(A) = — jRq(A/)cos Л(Д/)сУ(Д/) (3.11)
*0
При этом первая и последняя характеристики, как известно, аналитически свя-
мны преобразованием Фурье, откуда
оо
= 2 f
J ' 1 £-1
о
При известной дисперсии используется, как правило, нормированная корреля-
ционная функция
Дц(Д/) = Rq(A/)/Dq. (3.13)
Поскольку содержание этих характеристик и методов их расчета по данным
наблюдения исчерпывающе изложены в многочисленных специальных трудах,
щльнейшее рассмотрение их применительно к микропрофилю дороги ограничи-
и ю гея подгонкой модели к располагаемым опытным данным с учетом задач ее
mi пользования.
Натурные исследования и измерения микропрофиля дают такую последователь-
но! гь ординат поверхности, которая позволяет вычислять значения указанных ха-
рактеристик модели в отдельных точках. Аппроксимация последовательности зна-
чений корреляционной функции и спектральной плотности как функций своих аргу-
ментов приводит к аналитическому описанию эмпирических результатов формула-
ми с различным числом параметров.
Адекватное представление микропрофиля с помощью выбранной модели вклю-
. юг как рациональный выбор вида аналитической аппроксимации, так и обосно
ii.iiiHoe определение параметров Поскольку вычисления характеристик модели по
1.ШНЫМ опыта являются результатом обработки одной или нескольких ограничен-
ных реализаций теоретически бесконечных функций, получаемые количественные
параметры модели представляют только сделанную выборку. Корреляционная
Функция и спектральная плотность, как функции результатов опыта, в статистиче-
• ком смысле будут выборочными оценками аналогичных характеристик модели,
|очность которых тоже требуется охарактеризовать. Для этого в теории случайных
139
функций разработаны различные приемы вычисления математического ожидания и
дисперсии оценки корреляционной функции и спектральной плотности. Эти вели-
чины вычисляют не только для определения точности полученных оценок микро-
профиля, но и для планирования по крайней мере двух важных аспектов работы
над моделью микропрофиля: объема необходимых экспериментальных данных и
рационального объема вычислений.
В настоящее время техника обработки экспериментальных данных позволяет
вычислять непосредственно и корреляционную функцию, и спектральную плотность
по точкам, соответствующим фиксированным аргументам. Однако эти способы не-
одинаковы по точности, продолжительности работы и вносимой аппаратурой по-
грешности. Кроме того, возможности получения корреляционной функции или
спектральной плотности зависят и от способа регистрации опытных данных. На-
пример, табулированные отсчеты высоты поверхности дороги, полученные нивели-
рованием. и непрерывная запись на магнитную ленту микропрофиля с помощью
колеса с тем или иным устройством, имеющим тяжелое инерционное тело, суще-
ственно различаются по возможностям получения оценок корреляционной функции
и спектральной плотности. В связи с этим при моделировании микропрофиля на-
метились разные подходы к его параметрическому описанию.
В большинстве отечественных исследований микропрофиля для описания его
модели используют оценки корреляционных функций, для которых находят соот-
ветствующие параметрические формулы, с учетом преобразования (3.11) строят
формулы спектральной плотности. В последнее время в ряде работ предлагает-
ся и другой метод описания модели: строится опытная выборочная спектральная
плотность и непосредственно подбирается ее подходящая параметрическая мо-
дель. К сожалению, в обоих случаях сохраняется односторонность в вопросах ха-
рактеристик точности моделирования. В первом случае часто не учитывается
оценка точности аппроксимации корреляционной функции в отношении получае-
мой спектральной плотности Это может привести к некоторым упущениям дета-
лей спектральной плотности в особенности в области составляющих высокой
волновой частоты.
Во втором случае заманчивая простота подходящих аппроксимаций оценки спек-
тральной плотности простейшими дробно-рациональными функциями иногда приво-
дит к упущению гармонических составляющих, возможно имеющих важное значение
в структуре микропрофиля как резонансного возмущения. Иногда спектральная плот-
ность может указывать, что в узком диапазоне частот присутствуют высокие гармони-
ческие составляющие, в то время как корреляционный анализ выясняет, что соответ-
ствующий пик спектральной плотности является ложным и объясняется большой дис-
персией оценки. То же можно сказать и об отражении параметрической моделью
свойства дифференцируемости микропрофиля, которое следует из выражения корре-
ляционной функции. Оптимальной, по-видимому, является подгонка модели микро-
профиля по выборочным оценкам, сопровождающаяся анализом как выборочной кор-
реляционной функции, так и выборочной спектральной плотности. Одновременная ха-
рактеристика точности оценок и корреляционной функции, и спектральной плотности,
полученных из одних и тех же опытных данных, расширяет возможности использова-
ния выборочных данных, дополняющих те условия представительности, которые уста-
новлены косвенными наблюдениями и заключениями.
Учитывая, что каждая корреляционная функция, определяемая из опытных дан-
ных, может быть оценена статистически, методы расчета достаточно точны, а ме-
140
। од наименьших квадратов при аппроксимации корреляционной функции опреде-
ленным образом гарантирует от грубых погрешностей, а также, следуя накопленно-
му опыту, в дальнейшем описании моделей микропрофиля предпочтение отдано
выборочным корреляционным функциям. При этом учитываются рекомендации,
обеспечивающие достаточную точность расчета и корреляционной функции, и
спектральной плотности микропрофиля разных дорог. Рекомендации в основном
сводятся к выбору протяженности представительного участка, съемка которого по-
ноляет получить достаточные данные для оценки адекватности модели и дискре-
1изации этой съемки при расчете точек выборочной характеристики.
Можно считать общепризнанным, что при длине участка 0,5... 1 км с учетом
предварительных косвенных оценок представительности можно получить достаточ-
ный объем информации для построения модели микропрофиля, дискретизация его
с интервалом 0,05 м обеспечит необходимое количество данных для подгонки мо-
дели с требуемой точностью.
Следует заметить, что названные выше объемы экспериментальных данных для
моделирования микропрофиля во многих случаях могут оказаться излишними. По-
этому рациональное использование их должно предусматривать сначала включение
лишь части данных для приближенной оценки модели с последующим введением
необходимой дополнительной информации по мере диагностирования и анализа
.щекватности модели. При определении корреляционной функции необходимо вы-
бирать целесообразный предел А/, на котором следует остановить счет. Теорети-
чески это означает определение А/, при достижении которого корреляционная
функция практически затухает и дальнейшие ее значения в модели предполагаются
равными нулю. Имеются способы определения А/ исходя из стандартной погреш-
ности выборочной оценки корреляционной функции. Однако при этом требуется
учитывать возможность как корреляции соседних значений корреляционной функ-
ции, так и присутствия в описываемом микропрофиле определенной периодично-
< ти. Чаще всего построение эмпирических значений и экспертное представление
об особенностях микропрофиля дают возможность принять достаточно обоснован-
ное решение о целесообразном пределе протяженности оценки корреляционной
Функции на первом же этапе.
Использование полезных рекомендаций при моделировании микропрофиля ав-
юмобильных дорог можно показать на характерных примерах. На рг.с. 3.1 показа-
ны результаты расчета нормированной корреляционной функции микропрофиля
i рунтовой дороги, наезженной многоосными автомобилями с полной нагрузкой и
низкой собственной частотой угловых колебаний, по данным ее натурной съемки
Выбранный участок ограниченной протяженности считался представительным для
этой дороги на большом протяжении по виду поверхности, ощущениям испытате-
лей во время движения и по характеру записи отдельных показателей воздействия
на автомобиль
Нормированные значения корреляционной функции, полученные на электронно-
оптическом корреляторе, показаны на графике точками. Полагая, что приведенные
выше соображения об идентификации модели постулируют ее стационарность,
нормальность, центрированность, а заключения о представительности участка, по-
лученные на основе косвенных наблюдений и опыта, в достаточной степени обес-
печивают адекватность модели и микропрофиля всей дороги рассматриваемого
|ипа, опускается выявление погрешности, доверительных интервалов полученной
оценки, которые нужны в основном для определения рациональной длины участка
141
LH, интервалов корреляции Д/ и протяженности корреляции Д/тах- Будем считать,
что в предварительных моделях эти показатели для обработки записи микропро-
филя выбраны в статистическом смысле правильно. Тогда для дальнейшего ис-
пользования полученной корреляционной функции микропрофиля необходима ап-
проксимация ее параметрическим выражением
Рис. 3.1. Нормированная корреляционная функция микропрофиля разбитой грунтовой дороги:
1 - эмпирические значения; 2 - аппроксимация по формуле (3 14).
При выборе модели микропрофиля рассматриваемой дороги казалась вполне
очевидной необходимость учета значительной волнистости, носящей регулярный
характер. Это подтверждалось и данными о невысокой несущей способности грун-
та, на котором формировалась проезжая часть для движения грузовых автомоби-
лей. Как известно из многочисленных исследований, микропрофиль таких дорог
определяется не только изменчивостью пластических свойств грунта вдоль оси до-
роги, но и в значительной степени колебаниями нагрузки на полотне в зоне контак-
та колес движущегося транспорта. Неоднократно высказывалось, что преобладаю-
щее число неровностей на грунтовой дороге имеют размеры, отвечающие собст-
венной частоте колебаний подрессоренной массы проезжающих автомобилей.
Исходя из этого, следовало, что в модели микропрофиля такого типа дороги не-
обходимо учесть возможность высокой периодической составляющей. Непосредст-
венные наблюдения показали, что средние эксплуатационные скорости движения
многоосных грузовых автомобилей на грунтовой дороге рассматриваемого типа ог-
раничены и составляли 30...40 км/ч. Если учесть, что собственные частоты колеба-
ний подрессоренных масс автомобилей составляли 0,5. .0,8 Гц, то нетрудно, поль-
зуясь приведенными выше соотношениями, определить и волновую частоту ожи-
даемой периодической составляющей микропрофиля:
Л = 0,27 — 0,51 м '.
Предположение о наличии периодической составляющей микропрофиля соглас-
но свойствам принятой модели отражается в том, что в теоретической характери-
стике ее (корреляционной функции) предусматривается гармоническая составляю-
щая, медленно затухающая. Учитывая, что по общему виду эмпирических данных
142
•кспонента и затухающая гармоническая составляющая являются подходящими,
аппроксимирующее выражение корреляционной функции выбрано в виде
pq(Al) = А,е + А2е cos^(A/), (3.14)
где (X, 2 - параметры, характеризующие быстроту затухания корреляционной
< нязи ординат микропрофиля; /3 - волновая частота гармонической составляющей
микропрофиля; Av А2 - коэффициенты, характеризующие распределение диспер-
(ии ординат поверхности между составляющими.
Подгонка этой теоретической модели к опытным данным состоит в наилучшем
выборе параметров. Отметим, что понятие наилучшего выбора параметров может
включать как статистические аспекты оценивания микропрофиля выборочной кор-
реляционной функцией, так и полноту использования и, следовательно, приближе-
ние аппроксимации к эмпирической корреляционной функции.
Если эмпирическая кривая, точки которой вычислены, считается достаточной
для описания модели, то задача сводится к подбору параметров, обеспечивающих
наименьшие отклонения аппроксимирующего выражения от эмпирической кривой
для всех значений аргумента Л/. Задача, как правило, трудоемкая и решается в
два этапа: сначала выбираются параметры приближенно и затем уточняются спо-
собом наименьших квадратов, обеспечивающим наименьшую дисперсию отклоне-
ния аппроксимации и эмпирических значений корреляционной функции. Снижение
трудоемкости и высокая точность аппроксимации достигаются при вычислении на
ЭВМ, программа которого описана в работе [62].
На рис. 3.1 кривой 2 показана аппроксимация эмпирической кривой выражением
(3.14), для которого по указанной программе рассчитаны параметры: = 0,624;
Ot, = 0,11; А2 = 0,38; а2= 0,15; (32 = 0,356. Дисперсия ординат Dq = 47 см2. Характер-
но, что расчет исходя только из эмпирических данных подтвердил правильность
предположения о гармонической составляющей и ее волновой частоте /3 = 0,36 м ',
^впадающей с предполагаемой На рис. 3.1 заштрихованные отклонения показыва-
ют, что дисперсия их невелика. В данном случае среднее квадратическое относитель-
ное отклонение составляло около 5%. Следует обращать внимание на возможно бо-
лее точную аппроксимацию корреляционной функции в начале.
Используя для аппроксимации выражения типа (3.14), необходимо также
учесть некоторые дополнительные требования. К ним относится удовлетвори-
тельное совпадение первого пересечения оси абсцисс эмпирической и теорети-
ческой кривыми, так как этим в значительной мере характеризуется протяжен-
ность корреляционной связи и отчасти периодичность микропрофиля. При отчет-
ливо выраженной волнистости микропрофиля, обнаруживаемой на графике эм-
пирической корреляционной функции, к условиям удовлетворительной аппрокси-
мации надо отнести совпадение нескольких точек пересечения, следующих за
первой и отражающих возможную периодичность нескольких основных гармони-
ческих составляющих микропрофиля.
Совпадение изменяющейся части корреляционной функции справа после отчетли-
вого выявления периодических составляющих, не требуется, так как обнаруживаемые
в этой части колебания эмпирической корреляционной функции при относительно
иольших А/ показывают не закономерность корреляционной связи ординат микро-
профиля, а случайность сочетания измеренных ординат при утраченной корреляции.
143
Кроме того, даже и при сохранении периодичности в правой части корреляционной
функции или нельзя получить дополнительных данных по выявленным особенностям
модели, или получают такие периодические составляющие, волновые частоты кото-
рых выходят за пределы воспринимаемых автомобилем воздействий.
В связи с тем, что при аппроксимации выборочной корреляционной функции
можно учесть интенсивно воздействующие гармонические составляющие микро-
профиля, параметрическую модель подбирают в виде суммы нескольких состав-
ляющих типа (3.14). С учетом приведенных особенностей аппроксимировались кор-
реляционные функции, описывающие интенсивно используемые участки Комплекс-
ной испытательной трассы с крупным булыжником и дорог для основных пробего-
вых испытаний Автополигона. Для трех дорог Автополигона (булыжной ровного за-
мощения, булыжной профилированной, бельгийской мостовой) аппроксимация
нормированных корреляционных функций с высокой точностью получается при ис-
пользовании трех составляющих в виде
Pq(£J) = А^е П11Д/1 + А2е “21д/1 cospifAO + А^е “31д/1 cosfafAl), (3.15)
Значения соответствующих параметров приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Испыта- тельная дорога D% мм А, а2 Аз ОСр м 1 0С2, М сс3, м 1 Pv м ' Р2, м’’
Булыжная: ровного замощения профили- рованная 258 570 0,28 0,89 0,35 0,37 0,4 -0,26 0,79 0,59 0,05 0,05 0,29 0,38 0,449 0.766 0,076 0,924
Бельгий- ская мостовая 850 0,75 0,2 0,05 0,8 0,09 0,03 0,247 0,244
Общим в подборе выражений, описывающих корреляционную функцию, являет-
ся использование слагаемых только двух видов - экспоненты и экспоненты на не-
сущей частоте.
На рис. 3.2 представлены графики, характеризующие точность аппроксимации,
пределы ее соответствия и выражение основных особенностей эмпирических кор-
реляционных функций микропрофиля. После выбора аппроксимирующей модели
корреляционной функции в предложенном виде модель другой статистической ха-
рактеристики микропрофиля - спектральной плотности - получают подстановкой
(3.14) и (3.15) в формулу (3.11).
После преобразований спектральная плотность микропрофиля описывается вы-
ражением
D
SqW = -^[A
п
«1
,2 2
Л + a-f
+ А2а2
Л2 + а2 + 02
(л2 + а2 + 02^ - 402Л2
+ ^з«з
Л2 + а2 + 02
(л,2 + а2 + /З2)2 -4/32Л2
(3.16)
144
Для спектральной плотности, соответствующей корреляционной функции с дву-
мя составляющими, в этом выражении сохраняются только первые два слагаемые.
Рис. 3.2. Корреляционные функции микропрофиля испытательных дорог:
а - булыжной ровного замощения; б - булыжной профилированной; в - бельгийской мостовой;
1 - эмпирическая; 2 - аппроксимация.
На рис. 3.3 показаны спектральные плотности микропрофиля трех упомянутых
специальных дорог Автополигона. На графиках видно, как интенсивные гармониче-
ские составляющие влияют на распределение дисперсий по частотам. Периодиче-
ские составляющие усиливают плотность дисперсии на этих частотах достаточно
существенно, чтобы этому уделять особое внимание при подборе модели микро-
профиля.
145
Рис. 3.3. Спектральная плотность микропрофиля испытательных дорог:
1 - булыжной ровного замощения; 2 - булыжной профилированной; 3 - бельгийской мостовой.
Спектральное представление модели микропрофиля показывает также, что состав-
ляющие малой волновой частоты на всех дорогах значительны. Особенно отчетливо
это видно на графике спектральной плотности микропрофиля бельгийской мостовой.
При этом составляющие с наиболее высокой плотностью дисперсии сосредоточены в
двух интервалах волновой частоты: 0,18 < Л < 0,3 и 2,1 < Л < 2,3 М '. Следователь-
но, преобладающие гармонические составляющие неровности микропрофиля этой
дороги имеют волны, определяемые длиной 21 < /н < 35 и 2,7 < /н < 3,0 м. Фор-
мирование таких составляющих согласуется с конструктивными данными, положен-
ными в основу строительства дороги, где предусматривались овальные впадины с
расстоянием между ними примерно 3 м и отраженное повторение микропрофиля с
интервалом в 20 и 40 м.
При моделировании микропрофиля дороги не учитывалось различие реализа-
ций, получаемых при смещении полосы измерения параллельно оси дороги. В ря-
де работ сопоставлены результаты обработки измерений микропрофиля при раз-
ном поперечном смещении по следам колеи автомобилей, даны статистические
оценки возникающих различий, установлены корреляционные связи оценок микро-
профиля при поперечных смещениях [38, 47, 49].
Результат этих исследований состоит в том, что, как правило, несмотря на неко-
торые различия получаемых характеристик, модель микропрофиля, построенная по
измерениям вдоль продольной оси или по одному из следов колеи, в статистиче-
ском смысле вполне соответствует модели, представляющей случайную функцию,
146
описывающую полусумму текущих ординат микропрофиля под левым Qn(/) и пра-
вым Qn(/) колесами:
q(l) = 0,5[qn(/) + Qn(/)J
Это объясняется однородностью структуры и физических свойств, испытывае-
мых воздействий при формировании микропрофиля данной дороги без покрытия,
однородностью материала и технологией строительства дорог с покрытием.
Однако статистическая однородность продольного микропрофиля на разных по-
лосах отнюдь не исключает случайного изменения разности ординат микропрофиля
(превышений) по следу левого и правого колес автомобиля:
q(/) = q„U) - qnU)-
Для вычисления характеристик превышения ординат микропрофиля необходимо
знать взаимную корреляцию двух случайных функций qn(l) и qn(l) Предпринима-
лись попытки оценить эту корреляцию исходя из характеристики функции Q(/) од-
ного сечения. Но сколько-нибудь приемлемой надежности такая оценка не дает.
Поэтому моделирование случайной функции превышений ординат микропрофиля
вдоль колеи в поперечной плоскости выполняется по непосредственным измерени-
ям ее на представительном участке дороги данного типа.
Используя при освоении реализации функции q(I) те же основания, что и для продольного
микропрофиля, строится модель другой независимой характеристики, обусловливающей такое
воздействие на колеса автомобиля, которое вызывает колебания в поперечной вертикальной
плоскости
Сведений для построения модели этой характеристики микропрофиля значительно меньше,
чем для характеристики по продольному сечению дороги. Одно из обобщений опытных данных
состоит в том, что модель превышений ординат микропрофиля в поперечной плоскости характе-
ризуется высокочастотными составляющими. Очевидно также, что большие величины превыше-
ний ординат левого и правого следов колеи следует ожидать на разбитых дорогах. На рис. 3.4
показана корреляционная функция превышения ординат дороги по колее автомобиля, получен-
ная по результатам съемки микропрофиля наезженной грунтовой дороги, которая использова-
лась в качестве подъездной во врвмя строительства и освоения специальных дорог КИТ. По-
верхность ее укреплена слоем щебенки и оставалась стабильной при интенсивном воздействии
значительного потока автомобилей, в том числе и большой грузоподъемности. Характеристика
микропрофиля этой дороги в продольном сечении близка к характеристике разбитой грунтовой
дороги с дисперсией 40-50 см . Дисперсия превышений ординат микропрофиля по колее в по-
перечной плоскости на выбранном участке составила D— =27,6 см2.
Рис. 3.4. Нормированная корреляционная функция поперечных превышений по колее автомоби-
ля типа "Урал" микропрофиля разбитой грунтовой дороги:
1 - эмпирические значения; 2 - аппроксимация.
147
Аппроксимация нормированной корреляционной функции, показанная на рисунке, выполнена
по выражению
р-(Л1) = е 0,231Л/1 [cos0,087(Al) + 0,3(cos1,2(A/; - cos 1,54(Д/Д/. (3.17)
Спектральная плотность стационарного случайного процесса, соответствующая этой корреляци-
онной функции, легко может быть составлена по аналогии с предыдущими преобразованиями.
Анализируя материалы моделирования микропрофиля автомобильных дорог с по-
мощью спектральной плотности, нельзя не отметить, что в последнее время наряду с
рассмотренными выше используются упрощенные параметрические модели типа:
-п
SqW = ОцЛ
Sq/A) = Sq(4)(W (3.18)
3 2 2 2
Sq^ = Dq4a /& + « ) J
Sq3№ = Ор4аЛ2/(Л2 + af.
Первые два несущественно различающихся выражения используют, если тре-
буется невысокая точность или как обобщенные характеристики, т.е. для весьма
приближенного представления микропрофиля; две последние формулы связаны
с более точными оценками свойств микропргфиля. обнаруживающимися при ди-
агностировании модели. Соответствующие корреляционные функции выражаются
в виде:
R (А/) = Dn\] + а| А/| )е~к1л/1;
° q (3.19)
Rq{M) = Dqn\A - а| А/| )е “|л/|.
Физический смысл их можно понять исходя из того, что такими выражениями
описывается корреляционная функция процесса на выходе динамической системы
второго порядка с критическим затуханием, возбуждение на входе которой форми-
руется в виде белого шума. Отсюда понятна доступность моделирования аналога с
помощью современных технических средств. Но основное отличие корреляционных
функций (3.19) состоит в том, что представляемые ими случайные функции - диф-
ференцируемы (это видно из того, что производная их при нулевом сдвиге сущест-
вует), в то время как выражения (3.14), (3.15) представляют микропрофиль в виде
случайных недифференцируемых функций.
В настоящее время нет достаточных оснований считать модель микропрофиля
обязательно дифференцируемой или недифференцируемой функцией, поскольку,
например, нет оснований считать ординаты микропрофиля образующимися в ре-
зультате суммирования большого числа малых взаимно независимых приращений.
Однако, диагностируя модели и ставя под сомнение их адекватность недифферен-
цируемостью случайных функций, представляемых корреляционными функциями
вида (3.15), можно обнаружить, что действительно, хотя они и позволяют выяснить
важные подробности характеристик микропрофиля, но дальнейшее их использова-
ние может вызвать затруднения в том случае, когда в процессе решения задач не-
обходимо рассматривать не только функцию, но и ее производные.
148
Спектральная плотность производных дифференцируемых случайных стационар-
ных функций вычисляется просто: умножением на соответствующую степень аргумен-
i.i спектральной плотности, в то время как спектральную плотность производных не-
дифференцируемых функций можно представить приближенно только при введении
дополнительных условий. Аналогично и процесс на выходе динамической системы,
иозбуждение которой представляется случайным процессом, может быть дифферен-
цируемым или недифференцируемым. Во втором случае вычисление спектральной
плотности выхода по спектральной плотности воздействия и передаточной функции
системы допустимо только при определенных дополнительных условиях.
Возможно, что именно это повлияло на выбор в некоторых работах параметри-
ческой модели спектральной плотности в виде (3.18), в которых утраченные свой-
тва компенсируются исключением ограничений ее использования.
Возвращаясь к формулам (3.14), (3.15), следует отметить, что для решаемых
при испытаниях задач адекватность модели не нарушается вследствие недиффе-
ренцируемости функции микропрофиля, так как модель генерируемого отклика от-
печает условиям, при которых допускается вычисление спектральной плотности
производных процесса реакции колебательных систем автомобиля. Это обеспечи-
вается условиями применения случайной модели: стационарностью режима воз-
действия, особенностью передаточных функций колебательных систем автомобиля,
□стоящей в резком убывании при увеличении частоты колебаний больше опреде-
ленной конечной величины, а также сглаживанием воздействия микропрофиля эла-
< гичными шинами автомобиля
Стационарность модели возбуждающего воздействия микропрофиля обусловле-
на линейным преобразованием аргумента I - перемещения вдоль оси дороги в ар-
|умент t - время этого перемещения. При нелинейной связи аргументов генери-
руемое стационарным микропрофилем возбуждение утрачивает признаки стацио-
нарности. Практически это означает, что при неустановившихся режимах движения
штомобиля с изменяющейся скоростью модель микропрофиля в виде случайной
(ационарной функции не дает оснований для каких-либо позитивных характери-
1ик его воздействия на автомобиль, известных для стационарных процессов. На-
пример, воздействие одного и того же микропрофиля, описываемого моделью в
лиде стационарной функции, при разгоне и торможении автомобиля будет совер-
шенно различным. Более того, каких-либо отработанных методик оценки нестацио-
нарного процесса воздействия такого типа не имеется. Нестационарный процесс
воздействия при стационарном микропрофиле можно приближенно выразить путем
разбивки участка разгона или торможения на интервалы, в пределах которых ско-
рость автомобиля может считаться постоянной, а спектральная плотность воздей-
( 1вия будет соответствовать стационарному процессу, и последующего суммиро-
вания характеристик на интервалах.
При равномерном движении автомобиля с постоянной скоростью описание мо-
дели микропрофиля легко преобразуется в модели воздействия с такими же общи-
ми признаками - стационарностью, гауссовским законом, эргодичностью и центри-
рованностью. При этом интервалы корреляции А/ микропрофиля преобразуются в
интервалы корреляции Т воздействия как А/ = УаТ, а волновая частота Л в круго-
вую р согласно формулам (3.7) и (3.8).
После подстановки этих соотношений в формулы, описывающие корреляцион-
ные функции и спектральные плотности микропрофиля, выражения соответствую-
149
щих характеристик воздействия получаются заменой обозначения частот Л на р и
коэффициентов а' — СЫа, [У —
Так, например, спектральная плотность стационарного случайного процесса
воздействия, соответствующая спектральной плотности микропрофиля в виде вы-
ражения (3.16), представляется следующей формулой
л
, 2/2/2
а, , р +(а2) +(Pi)
1 2 , 2 + 2<Х2 2 » 2 ,22 ,22
Р +(«i) [Р +(а2) +(Pl) 1 -4(PJ Р2
Р2 + («з)2 + (Д^)2
[Р2 + (аз)2 + (Р'2?]2 ~ 4(P'l)2P2
(3.20)
где А и D остаются прежними и берутся при расчетах из табл. 3.1. Из этого
видно, что для каждой фиксированной скорости движения значения и корреляцион-
ной функции, и спектральной плотности воздействия для одной и той же характе-
ристики микропрофиля будут существенно различны.
На рис. 3.5 показана спектральная плотность стационарного случайного процес-
са воздействия одной и той же дороги при трех разных скоростях движения авто-
мобиля. Из графика следует, что с ростом скорости спектральная плотность воз-
действия уменьшается на низких частотах и возрастает на высоких; острые пики,
соответствующие преобладающим гармоническим составляющим микропрофиля,
смещаются в область более высоких частот и расширяются. Это объясняется тем,
что с повышением скорости более длинные неровности формируют непродолжи-
тельные воздействия, а их число в единицу времени возрастает.
Рис. 3.5. Спектральная плотность воздействия микропрофиля булыжной профилированной ис-
пытательной дороги при разных скоростях движения:
1 - Va = 20 км/ч; 2 - Va = 40 км/ч, 3 - 1/а = 60 км/ч.
150
На рис. 3.6 сопоставлены спектральные плотности стационарного случайного
процесса воздействия дорог различных типов при одной скорости движения. По-
скольку эти спектральные плотности нормированы по дисперсии в виде
Sq(p) = pSq(p) / Dq, то показанное на графике сопоставление отражает в ос-
новном различие модели по спектральному составу воздействия. Среди выбранных
дорог воздействие специальной дороги из крупного булыжника Комплексной йены
тательной трассы отличается наибольшей однородностью в диапазоне частот, спо
собных вызвать колебания автомобиля.
Рис. 3.6 Спектральная плотность воздействия при скорости 30 км/ч различных испытательных
дорог:
1 - с покрытием из крупного булыжника КИТ; 2 - разбитой грунтовой; 3, 4 - булыжной мостовой
i изношенным и удовлетворительного состояния покрытиями, соответственно.
Спектральная плотность стационарного случайного процесса воздействия мик-
ропрофиля в поперечной плоскости, формируемого за счет превышения ординат
по колее автомобиля, полученная для скорости 5.6 м/с из приведенной выше кор-
реляционной функции, выражается в виде
S^(p) = 0,415
р2 + 1,92
р4 + 2,91р2 + 3,72
( р2 +47,02
0 3 ----—------’-----
Цр4 - 87,Зр2 +2210
р2 + 79,12 |
р4 - 151,50р2 + 6250 J
(3.21)
На рис. 3.7 показана спектральная плотность этого воздействия в поперечной
плоскости, рассчитанная для нескольких скоростей движения.
Из формулы 3.21 и графика видно, что в возбуждении, создаваемом дорогой
рассматриваемого типа в поперечной плоскости, имеется зона частот воздействия
заметно нарастающей плотностью дисперсии Для скорости 20.. 30 км/ч, с кото
рой обычно движутся по этой дороге грузовые автомобили типа ЗИЛ, "Урал" и дру
1Ие, эта зона находится в пределах 8... 12 рад/с.
Учитывая частоту собственных колебаний масс этих автомобилей в поперечной
плоскости, можно заключить, что микропрофиль рассматриваемой дороги оказыва-
151
ет весьма неблагоприятное воздействие на автомобиль, так как наиболее насы-
щающие его составляющие могут вызвать интенсивные резонансные колебания в
поперечной плоскости. Рассмотренное преобразование модели микропрофиля до-
роги в модель его воздействия на автомобиль, движущийся с постоянной скоро-
стью, базируется на том, что опора каждого колеса автомобиля сосредоточена в
одной точке, вертикальное смещение которой по мере продвижения вдоль дороги
строго следует изменению ординат поверхности. До последнего времени это соот-
ветствовало и схемам, изображавшим эквивалентные автомобилю колебательные
системы, в которых упругую шину колеса изображают в виде пружины под осью со
скользящим по волнистой поверхности дороги нижним концом. Возникающее при
этом вертикальное смещение точки контакта пружины, эквивалентной шине колеса,
во времени и является возмущающим воздействием.
Рис. 3.7. Спектральная плотность воздествия микропрофиля грунтовой дороги в вертикально-
поперечной плоскости при разных скоростях движения (по данным автоматизированной обра-
ботки реализации)
1 - = 20 км/ч; 2 - Иа = 30 км/ч; 3 - Иа = 40 км/ч.
В действительности же шина автомобильного колеса, имеющая размеры, сопос-
тавимые с размерами встречающихся неровностей, контактирует с поверхностью
дороги одновременно во многих точках, в совокупности образующих площадку или,
как говорят, пятно контакта. Длина этого пятна а определяется радиальной дефор-
мацией шины под нагрузкой, приходящейся на колесо, и отчасти формой и разме-
рами вступающих в контакт неровностей (рис. 3.8). Если бы автомобильная шина
была идеально гибкой и равномерно упругой на длине отпечатка, то, облегая каж-
дую неровность, она создавала бы упругую силу между поверхностью дороги и
осью колеса, пропорциональную среднему значению ординат микропрофиля в пре-
делах длины контакта.
Такое осреднение упругой силы между осью колеса и поверхностью дороги эк-
вивалентно осреднению микропрофиля скользящим интервалом сглаживающим
формируемое воздействие при постоянной средней радиальной жесткости шины.
152
Тогда аналитическая зависимость между действительным микропрофилем и сгла-
женным выражается в виде
/+а/2
9cr(/) = - J q(l)dl (3 22)
а /-а/2
На рис. 3.8 видно, что в действительности автомобильная шина не может запол-
нить все впадины, в особенности узкие, но относительно глубокие. Отдельные вы-
ступы в пределах контакта вызывают непропорциональные ординатам микропрофи-
ля местные деформации смежных участков протектора. По мере удаления от цен-
ipa пятна контакта и нормальная реакция на элементарных площадках контакта
связывается сложным распределением деформаций. Учесть эти обстоятельства
без изменения колебательной системы практически невозможно
Рис. 3.8. Схема взаимодействия автомобильного колеса с неровной поверхностью дороги.
Особенность выражения (3.22) состоит в том, что при сглаживании микропро-
филя и его возмущающего воздействия эквивалентная автомобилю колебательная
система сохраняется неизменной в виде обычно принимаемом как в расчетах ко-
лебаний, так и при проектировании подвески автомобиля. Введя сглаживание в
описание микропрофиля формулой (3.22), спектральная плотность стационарного
случайного процесса сглаженной модели выражается в виде
2
S (Л, а) = -2-2-S (Л)(1 - cos Ла). (3.23)
а Л
Важно отметить, что спектральная плотность сглаженного микропрофиля зави-
сит от длины отпечатка шины, которая при статической нагрузке, в свою очередь,
1.1НИСИТ от типа и размеров шины.
Известны зависимости длины пятна контакта от размеров шины, например, гру-
1овых автомобилей в виде
а = 2-^(0,10 - 0,11)ВсУ + (0,18 - 0,22)В2 ,
|де В - ширина шины; d - посадочный диаметр обода.
153
На рис. 3.9 показано, как влияют размеры шины на спектральную плотность ста-
ционарной случайной функции сглаженного микропрофиля специальной испыта-
тельной дороги, отличающейся высокочастотным составом. На дороге этого типа
сглаживание должно проявляться особенно выразительно, так как основные эле-
менты покрытия (выступающий булыжник) меньше длины пятна контакта шины.
Рис. 3.9. Спектральная плотность функции микропрофиля бельгийской мостовой:
1 - без учета сглаживающей способности; 2, 3, 4 - сглаженной шинами моделей ИД-195, М-93,
Я-190.
На графике отчетливо видно, что спектральная плотность в области высоких
волновых частот, отвечающих коротким неровностям, быстро убывает и тем круче,
чем больше размер колеса. Взаимосвязь между исходным и сглаженным воздейст-
вием определяется зависимостью такого же вида, что и для микропрофиля, с уче-
том замены аргументов и перехода от волновой к круговой или циклическим часто-
там согласно соотношениям (3.3), (3.7), (3.8) и выражается в виде
2vf Г раА
Sqv(P, а) = —2~^Sq{p} 1 - COS-
ар I Г-
(3.24)
Из этой формулы следует, что спектральная плотность сглаженного воздействия
дважды зависит от скорости движения. Как было показано выше, для одного и того
же микропрофиля при изменении скорости существенно изменяется исходный
спектр воздействия, а согласно выражению (3.24) операция сглаживания, в свою
очередь, меняет спектр воздействия в зависимости от скорости движения.
154
На рис. 3.10 показана спектральная плотность воздействия микропрофиля
ч'льгийской мостовой, модель которой была приведена на рис. 3.2. На графиках
видны изменения воздействия, возникающие при различных скоростях с учетом
< тлаживания шинами.
Рис. 3.10. Спектральная плотность воздействия микропрофиля бельгийской мостовой без учета
1лаживающей способности шин (сплошные линии) и сглаженного шиной модели М 93 (штрихе
пне линии) при разных скоростях движения:
va = 20 км/ч: 2 - Va = 40 км/ч; 3 - Vs = 60 км/ч
Расчеты показывают, что сглаживание микропрофиля имеет существенное зна-
чение при оценке воздействия на автомобиль главным образом для дорог, неров-
ности которых соизмеримы с длиной контактного отпечатка шины. Поэтому сгла-
живающую способность шин особенно необходимо учитывать в задачах, связанных
оценкой реакции систем в высокочастотной области воздействия микропрофиля
Недостатками используемой модели сглаживающей способности автомобильных
шин являются вносимая периодичность спектральной плотности воздействия, кото-
рая приводит к заметным искажениям в области особо высоких частот, и, что наи-
более важно, независимость ее от постоянно изменяющейся нагрузки на ось коле-
< а. Эти недостатки можно преодолеть только изменением модели колебательной
истемы, реагирующей на воздействие неровной дороги
3.2. Общие зависимости
реакции автомобиля
от воздействия
неровной дороги
Реакция автомобиля на воздействие
неровной дороги выражается перемещениями отдельных частей, агрегатов, узлов и
деталей. Эти перемещения описывают в координатах, начало которых связано с
положением статического равновесия автомобиля и следует вместе с ним в движе-
нии параллельно средней линии поверхности дороги.
Под действием инерционных, упругих и демпфирующих сил возникающие пере-
мещения отдельных частей автомобиля различны и сопровождаются деформация-
155
ми конструкции. Жесткость разных элементов конструкции существенно различна.
Отдельные детали и агрегаты специально вводятся в конструкцию как упругие эле-
менты, смягчающие или трансформирующие воздействие дороги, упругость же
других не всегда учитывается при проектировании и проявляется неожиданно.
Учитывая соотношение жесткости при различных видах перемещений и дефор-
маций, отдельные элементы автомобиля можно условно рассматривать как абсо-
лютно твердые массы с упругими взаимными связями. В соответствии с этим авто-
мобиль представляется динамической системой, а воздействие дороги - внешним
возмущением, вызывающим колебания ее масс.
Как и в любой динамической системе переменные нагрузки на детали или дефор-
мации деталей автомобиля связаны с механическими перемещениями его масс. Ес-
тественно поэтому базировать теорию формирования переменных напряжений в ма-
териале деталей автомобиля на результатах исследования его колебаний.
Автомобиль, как единая колебательная система, отличается большой сложно-
стью. Составить полную эквивалентную схему, отражающую все возможные взаи-
мосвязанные колебательные процессы в автомобиле, невозможно. Практически ис-
пользуются эквивалентные колебательные системы, которые можно выделить из
общей системы, основываясь или на очевидной слабой взаимосвязи выделяемой
системы с другими, или на односторонности влияния на выделяемую систему
смежных с ней систем. Соответствующие усилия или деформации определяют при
рассмотрении той колебательной системы, в которую входит выбранная деталь.
Напряжения в деталях при таком подходе можно рассматривать как выход дина-
мической системы, эквивалентной автомобилю, на вход которой подается случай-
ное возбуждение. Это позволяет использовать для построения теории формирова-
ния нагрузок и напряжений в деталях автомобиля от воздействия неровностей до-
роги методы статистической динамики, рассматривая эквивалентные колебатель-
ные системы как разомкнутые системы автоматического регулирования.
Использование этих методов применительно к задачам ускоренных и форсиро-
ванных испытаний в основном сводится к выбору соответствующих выходов экви-
валентных динамических систем, построению передаточных функций системы меж-
ду входом и выходом, а для некоторых систем и к формированию входного воздей-
ствия. Исходя из того, что модель воздействия на колеса автомобиля в виде слу-
чайного стационарного эргодического и центрированного случайного процесса
наиболее приемлема в большинстве случаев движения на испытательных дорогах и
в эксплуатации, при построении расчета пере менной нагруженное™ деталей авто-
мобиля считают заданными такие статистические характеристики воздействия, как
спектральная плотность, корреляционная функция и дисперсия.
Рассматривая воздействие заданного микропрофиля дороги как случайный ста-
ционарный процесс и характеризуя его спектральной плотностью, реакцию дина-
мической системы тоже определяют как случайный процесс. Интенсивность реак-
ции динамической системы на заданный случайный процесс воздействия выража-
ется через передаточную функцию, которая представляется тем оператором, дей-
ствие которого на возмущающую функцию приводит к функции, выражающей реак-
цию системы.
При оценивании внешнего возмущения спектральной плотностью воздействия
реакция системы выражается тоже характеристикой спектральной плотности. Раз-
мерность характеристики реакции зависит от размерности передаточной функции
для выбранного показателя на выходе системы. Если передаточная функция стро-
ится для связи воздействия на колеса автомобиля неровной дороги с напряжением
156
и деталях конструкции, то реакция системы представляется в виде спектральной
плотности случайного процесса изменения напряжений. Получив спектральную
плотность напряжений в детали, можно определить диапазон частот их нарастания,
максимальных и минимальных значений, разброс этих значений, вероятность воз-
никновения напряжений заданного уровня и, что особенно важно, цикличность про-
цесса изменения напряжений и, следовательно, долговечность детали
Пользуясь известными соотношениями статистической динамики, математиче-
< кое описание формирования нагруженное™ деталей автомобиля от воздейст-
вия неровной поверхности дороги может быть представлено в виде следующей
•ависимости;
SJp) = I H(S) | 2 SJp), (3.25)
где Sqv(p) - спектральная плотность возмущения; I H(S} I - модуль передаточ-
ной функции той колебательной системы, в которой формируются приложенные к
рассматриваемой детали усилия; S = Ж + ip - комплексная переменная (Ж - ее
действительная часть, ip - мнимая часть).
Таким образом, при заданном спектре стационарного случайного процесса воз-
действия формирование нагрузок и напряжений в деталях целиком определяется
передаточной функцией колебательной системы. Эта функция является комплекс-
ной характеристикой, выражающей отношение амплитуды и фазы реакции системы
к амплитуде и фазе гармонического воздействия при установившихся колебаниях
пн различных частотах.
Квадрат модуля передаточной функции системы проще всего вычисляется по
параметрам колебательной системы с помощью преобразования по Лапласу диф-
ференциальных уравнений движения. Линейность операции преобразования Лапла-
। а позволяет вычислить квадрат модуля передаточной функции системы не только
для выхода в виде изменения координат, описывающих движение системы, но и
дня выходов, представляющих их линейные комбинации.
Рассматриваемые динамические системы, эквивалентные автомобилю, являются
устойчивыми, т.е. такими, колебания которых после прекращения воздействия бы-
ipo затухают. Вместе с тем, по условиям применения модели случайного процес-
воздействия микропрофиля рассматриваются установившиеся стационарные ко-
небания. Наконец, эквивалентные автомобилю колебательные системы рассматри-
ваются как инвариантные во времени с параметрами, не изменяющимися в преде-
лах достаточно продолжительного времени наблюдения и испытаний. Накопленный
опыт расчетов при проектировании и испытаниях показывает, что эквивалентные
автомобилю колебательные системы можно рассматривать как линейные по край-
ней мере в диапазоне воздействий, которые не вызывают эксцессов в подвеске в
виде отрыва шин от опорной поверхности или пробоя рессор.
Такая идеализация описания автомобиля как колебательной системы позволяет
решать основную задачу теории испытаний инженерными методами, постепенно
усложняя ее вводом нелинейности и изменяемости параметров по мере накопле-
ния фактических материалов, позволяющих обоснованно расширять модель и ис-
пользовать для практических расчетов вычислительную технику. Из перечисленных
особенностей теоретической модели колебательных систем автомобиля следует,
что их передаточные функции эквивалентны частотным характеристикам. Учитывая
>то, в дальнейшем выражение H(ip) будем называть передаточной функцией сис-
|рмы. так как Ж -» 0.
157
В связи с тем, что при вычислении спектра выхода в качестве оператора исполь-
зуется квадрат модуля передаточной функции системы, весьма эффективными явля-
ются экспериментальные методы. Можно показать, что квадрат модуля передаточной
функции системы численно равен квадрату амплитудно-частотной характеристики.
Из этого следует, что если на современном лабораторном оборудовании или на
специальной дороге возможно создать гармонические воздействия на колеса автомо-
биля и зарегистрировать его колебания, то передаточные функции колебательных
систем могут определяться опытным путем Такие испытания проводят на стендах ти-
па Ридлера, на барабанах которых монтируются синусоидальные неровности.
Амплитудно-частотную характеристику можно выразить аналитически по экспе-
риментально определенным колебательным параметрам автомобиля. Для этого
рассчитываются вынужденные колебания системы при гармоническом воздейст-
вии, выделяется установившаяся часть общего решения, а его амплитуды относят-
ся к амплитудам гармонического воздействия.
Другой способ определения передаточной функции системы основан на особен-
ностях ее реакции при воздействии на входе единичного импульса.
Реакция системы на единичный импульс h(t) представляет собой интегральную
сумму составляющих всех частот. Следовательно, передаточная функция системы в
этом случае обнаруживается сразу по всем частотам воздействия. Вычислить ее
можно по формуле
H(ip) = J h(t)e lptdp (3.26)
о
Интеграл в правой части при известной реакции h(t) рассчитывается для от-
дельных фиксированных частот численными методами.
Реакцию автомобиля на единичный импульс воздействия со стороны дороги
можно определить экспериментально, фиксируя реакцию при проезде обособлен-
ной неровности, форма которой обеспечивает импульсивный вид нагрузки, но от-
личается от единичного для данной системы. Это основывается на известном соот-
ношении между реакциями подвески автомобиля на синусоидальный и единичный
импульсы в виде
h(t) = FHva'hc(t),
где FH - площадь под контуром обособленной синусоидальной неровности; Уа -
скорость движения автомобиля; hc(t) - реакция колебательной системы на воздей-
ствие обособленной синусоидальной неровности.
Экспериментальные определения реакции на единичный импульс возможны и на
стендах подтягивания или сбрасывания подрессоренных масс. Этот способ осно-
вывается на том. что после воздействия единичного импульса на колеса автомоби-
ля его массы совершают свободные колебания, подобные тем, которые возникают
на стенде после мгновенного снятия подтягивающего усилия или сбрасывания его.
Подбирая надлежащим образом начальные условия при подтягивании или сбрасы-
вании, можно добиться того, чтобы последующие свободные колебания были ана-
логичны колебаниям после воздействия единичного импульса.
Из сказанного видно, что имеется несколько способов определения связей меж-
ду воздействием на автомобиль и его реакцией как колебательной системы. Пере-
158
д,ночные функции системы, выражающие эти связи, можно определить как экспе-
риментальными методами, так и расчетными по параметрам и структуре системы.
Следовательно, при заданном возмущающем воздействии основное содержание
н-ории формирования переменной нагруженное™ деталей автомобиля базируется
на выборе структуры эквивалентных колебательных систем, изучении их парамет-
ров отыскивании возможных упрощений в определении передаточных функций, ха-
рак|еризующих связь между воздействием случайного микропрофиля поверхности
дороги на колеса и нагрузкой рассматриваемой детали. Следует отметить, что при
использовании теории колебаний автомобиля для оценки прочности его деталей
необходимо установить связь перемещений или ускорений масс системы, для ко-
юрых строятся решения, с нагрузками и напряжениями в деформируемых деталях.
Для многих деталей автомобиля с преобладающей нагрузкой одного вида
< нязь нагрузки, деформации и напряжения в пределах упругости можно с доста-
«очной для практики точностью считать линейной. Тогда передаточные функции,
определенные для выхода в виде, например, деформации, пересчитываются на
напряжения изменением масштаба по оси ординат. Для случаев, когда переда-
|очную функцию можно построить только для деформации целого агрегата, пе-
р< с чет ее на напряжение в элементах требует дополнительных статических или
динамических испытаний.
При нелинейной связи деформаций и напряжений в необходимых сечениях со-
ошетствующие передаточные функции можно вычислить только приблизительно,
но отдельным амплитудам.
3.3. Основные эквивалентные
динамические системы
формирования переменных
нагрузок в автомобиле
Условные эквивалентные колебатель-
ные системы строят так, что рассредоточенные массы деталей или агрегатов авто-
мобиля заменяют приведенными сосредоточенными массами, упругие свойства
единений отображают пружинами или торсионами, трение в специальных уст-
ройствах. межмолекулярное трение в материале, трение в сочленениях, гасящее
«<о «действие внешней среды и т. п. представляют демпферами с заданными харак-
«еристиками.
Перемещение масс эквивалентных колебательных систем определяется коорди-
п.п.«ми, выбранными в соответствии с характером взаимодействия отдельных эле-
ментов конструкции (направляющих устройств) и с видом упругих деформаций кон-
«рукгивных связей между условно недеформируемыми массами. При этом эквива-
||1чпная автомобилю колебательная система тем сложнее, чем больше количество
ил‘ментов конструкции включается в рассмотрение с учетом их масс, упругих и
демпфирующих свойств, источников возмущающих воздействий.
Вследствие этого возникает противоречие между желаемой полнотой определе-
ния реакции автомобиля на внешние воздействия и доступностью изучения пред-
|.«паяющей его эквивалентной системы. Решаемые инженерными методами зада-
чи ограничиваются колебательными системами, движение которых описывается
двумя, тремя дифференциальными уравнениями второго порядка Использование
»ВМ значительно расширяет возможности более полного исследования колебаний
159
автомобиля за счет усложнения эквивалентных колебательных систем. Однако сле-
дует иметь в виду, что характер связей и взаимодействий между элементами кон-
струкций не всегда удается ясно и достаточно точно выразить.
Компромиссное разрешение противоречия между полнотой исследований и ус-
ложнением колебательной системы, эквивалентной автомобилю, достигается выде-
лением отдельных более простых составляющих систем по тем или иным призна-
кам с последующим изучением их взаимного влияния. Одним из таких признаков
служит характер движения масс. По этому признаку с учетом вида действующих
усилий и деформаций упругих элементов в автомобиле выделяют две основные ко-
лебательные системы. Первая отражает колебания подрессоренных и неподрессо-
ренных масс на рессорах и эластичных в радиальном направлении шинах, вторая -
крутильные колебания масс трансмиссии на валах и эластичных в тангенциальном
направлении шинах. Но в первой системе возникают колебания, по своему харак-
теру сходные с колебаниями второй системы, а колебания во второй системе свя-
заны с колебаниями первой. Поэтому такое выделение основных колебательных
систем только условно отвечает указанному признаку. Однако оно сложилось исто-
рически и удобно с точки зрения подбора материалов исследований, их система-
тизации и использования для испытаний.
В соответствии с включаемыми в зти системы основными- элементами конструк-
ции их можно назвать: первую - эквивалентной колебательной системой ходовой
части; вторую - эквивалентной колебательной системой трансмиссии. Изучение
этих систем дает исходный материал для установления количественных связей ме-
жду воздействием дороги, колебаниями, нагруженностью и, следовательно, объе-
мами ускоренных и форсированных пробеговых испытаний автомобилей.
Эквивалентная колебательная система ходовой части. В связи с тем, что
изучение этой системы первоначально было вызвано потребностями повышения
комфортабельности езды, основные результаты связывались с теорией подрессо-
ривания и плавностью хода и только в последнее время рассматриваются вместе с
управляемостью и устойчивостью движения автомобиля. Этим отчасти объясняется
то, что накопленный фактический материал по параметрам, отражающий влияние
на них принципов конструирования, оказался значительно обширней для легковых
автомобилей, чем для грузовых. Поэтому некоторые исходные представления тео-
рии подвески в применении к грузовым автомобилям требуют дополнительных ис-
следований и дальнейшего развития [65].
Существенно важным при изучении формирования нагрузок на основные агрега-
ты автомобиля в связи с колебаниями первой эквивалентной системы является то,
как представлена в ней подрессоренная масса. Важность этого исходного пред-
ставления определяется его непосредственной связью с нагруженностью наиболее
ответственного агрегата - рамы грузового и кузова легкового автомобилей.
Подрессоренная часть включает раму, двигатель, кабину, кузов и другие агрега-
ты, которые в совокупности образуют несущую систему. Теория колебаний автомо-
биля строилась в предположении абсолютной жесткости рамы или корпуса. Как
показали исследования, эта предпосылка допустима только в отношении изгиба в
вертикальной и горизонтальной плоскостях и совершенно недопустима в отноше-
нии поперечного кручения. Например, по результатам лабораторных испытаний на
автомобиле типа "Урал" вертикальная сосредоточенная сила равная 98кН, прило-
женная в зоне крепления топливных баков (середина базы автомобиля), вызвала
максимальный прогиб лонжеронов, составляющий 10,5 мм. На автомобиле ЗИЛ
160
под действием приложенной в зоне крепления кронштейна запасного колеса (се-
редина базы) такой же сосредоточенной силы лонжероны прогнулись на 5 мм.
11рогиб рессор под такой нагрузкой значительно больше. Жесткость рамы этих ав-
юмобилей в продольной плоскости несоизмеримо больше жесткости рессор. Сле-
довательно, в вертикальной плоскости несущую систему грузового автомобиля
действительно можно рассматривать как недеформируемое тело. Совсем иные со-
ш ношения наблюдаются при кручении рамы. Деформации рамы грузового автомо-
биля в различных зонах существенно зависят от структуры несущей системы,
нключающей жестко смонтированные на раме агрегаты. Вследствие этого одни
участки рамы ужесточаются, а прикладываемые усилия воспринимаются в большей
<епени другими участками. Однако угловая жесткость передней и средней частей
рамы соизмерима с угловой жесткостью подвески. Например, на рис. 3.11 показа-
ны углы поворота различных сечений рамы трехосных грузовых автомобилей при
। гатическом кручении несущей системы.
Рис. 3.11. Угловые деформации несущей системы (углы поворота поперечных сечений I-VI) при
различных скручивающих моментах на автомобилях типа:
а ЗИЛ; б - "Урал".
161
Каждому фиксированному углу ссс относительного поворота сечений I—VI соот-
ветствует определенный момент, приложенный к раме от рессор автомобиля, ве-
личина которого указана на кривых, соединяющих ординаты, обозначающие пово-
рот выбранных сечений. Разность углов поворота сечений в плоскостях переднего
моста и оси балансирной тележки (0 и V) в зависимости от момента позволяет оп-
ределить угловую жесткость несущих систем этих автомобилей. Например, у авто-
мобиля типа "Урал" она равна 113 кН м/рад. В то же время угловая жесткость рес-
сор передней подвески составляет 10,1, а задней 27,5 кН-м/рад. Угловые жестко-
сти несущей системы и подвески, близкие к приведенным величинам, наблюдают-
ся у автомобилей ЗИЛ-131, ГАЗ-66.
Из сопоставлений следует, что при исследованиях поперечных колебаний грузо-
вого автомобиля подрессоренную часть нужно рассматривать как упругий элемент.
На рис. 3.12 показаны результаты подобных исследований угловой податливости
кузовов двух легковых автомобилей. Здесь нагружающий момент соответствовал
отрыву одного из диагонально расположенных колес от опорной поверхности. Как
видно и в этом случае угловую поперечную податливость несущей системы необхо-
димо учитывать.
Рис. 3.12. Угловые деформации кузовов легковых автомобилей:
а - ГАЗ-2410; б - ГАЗ-3105.
С учетом податливости рамы или кузова при кручении эквивалентная колеба-
тельная система ходовой части значительно усложняется. Однако характеристики
местных ужесточений рамы и распределений податливости ее по зонам позволяют
искать упрощения, представляя подрессоренную часть грузового автомобиля как
две условно недеформируемые массы, сосредоточенные над передней и задней
подвесками и связанные упругим при их относительных поперечных перемещениях
элементом. Перемещения таких масс характеризуются в общем случае тремя ли-
162
псиными и тремя угловыми координатами Но пренебрегая податливостью несущей
< истемы на изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также учитывая
м июе значение таких перемещений автомобиля, как подергивание и рыскание,
можно ограничиться рассмотрением колебаний указанных приведенных масс толь-
ко в вертикальной плоскости - смещений центра тяжести от положения статиче-
> кого равновесия по вертикали и поворотов около центра тяжести.
Поворот приведенных подрессоренных масс над мостами в поперечной плоско-
< 1и вызывает не только прогиб листовых рессор подвески, но и их закручивание.
Характеристики упругости рессор при таком виде деформации рассчитать сложно.
Впервые теория и расчет крутильной деформации листовых рессор рассмотрена в
< вязи с форсированными испытаниями грузовых автомобилей [21, 65]. Учет попе-
речных перемещений приведенных подрессоренных масс неизбежно влечет за со-
вой необходимость учета также и колебаний мостов в сборе с колесами в попереч-
ной плоскости относительно продольной оси. проходящей через центр тяжести.
Эти представления о структуре ходовой части автомобиля как колебательной
। истемы дополняют исходные данные, которыми пользуются при составлении эк-
вивалентных колебательных систем для исследования подрессоривания и плавно-
> in хода Следуя обычным при этих исследованиях предпосылкам и допущениям,
квивалентная колебательная система ходовой части автомобиля схематически
представляется в виде, показанном на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Эквивалентная колебательная система ходовой части двухосного автомобиля
163
При установившейся равномерной скорости поступательного движения положе-
ние масс системы в произвольный момент времени определяется следующими от-
считываемыми от положения статического равновесия координатами, характери-
зующими перемещения.
Zp Z2 - вертикальные подрессоренной массы, соответственно, над передней и
задней подвесками;
/3,, Р2 ~ Угл°вые поперечные подрессоренной массы над передней и задней
подвесками;
5 £2 - вертикальные неподрессоренных масс;
Ртг Рт2 ~ угловые неподрессоренных масс в поперечной плоскости;
<71л, Qin’ ^гл' ^гп' - вертикальные контакта шины с дорогой правых и левых ко-
лес переднего и заднего мостов.
Направление изменения линейных координат вверх, а угловых против часовой
стрелки является положительным. Принимается без дополнительных знаков, что
изменение координат является функцией времени t. Точка над обозначением озна-
чает дифференцирование этих функций по времени.
На схеме также приняты следующие обозначения:
Ма - масса подрессоренной части автомобиля;
Мг М2 - подрессоренные массы, приведенные к передней и задней подвескам;
mv т2 - неподрессоренные массы, включающие мосты, колеса, часть рессор,
реактивных штанг и т.п.;
ру - радиус инерции подрессоренной массы относительно поперечной оси, про-
ходящей через центр тяжести 0;
рх1, Ра - радиусы инерции передней и задней частей подрессоренной массы
относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести;
Рт1, рт2 - радиусы инерции неподрессоренных масс относительно продольных
центральных осей;
Сч - угловая жесткость несущей системы при кручении;
Ср), Ср2 - нормальная жесткость рессор;
Ср1, Ср2 - угловая жесткость передних и задних рессор при кручении;
Сш1, Сщ2 - нормальная жесткость шин передних и задних колес;
Т?п - суммарный коэффициент неупругого сопротивления в подвеске колеса,
приведенный к плечу амортизатора (IJ Г]2 ) ;
Г]н - коэффициент неупругого сопротивления при кручении несущей системы;
7J, , Г)2 - коэффициенты сопротивления амортизаторов передней и задней под-
весок
а, Ь - расстояние от центра тяжести подрессоренной массы до переднего и
заднего мостов (при балансирной подвеске - до оси балансирной тележки) вдоль
продольной оси автомобиля.
Представленная эквивалентная колебательная система при строгой оценке яв-
ляется, как и большинство реальных физических систем, нелинейной. Но имеются
164
до< гаточно веские основания воспользоваться приближением ее к линейной систе-
ме, исходя прежде всего из очевидной устойчивости движения ее. Кроме того, воз-
можность линеаризации этой системы отчасти вытекает из условия задачи - ис-
. иедования малых колебаний около положения статического равновесия.
Экспериментальные исследования подвески автомобилей показывают, что упругие
характеристики рессор, шин и подвески в целом близки к линейным по крайней мере
и юне деформаций около статической нагрузки. Приведенные выше результаты кру-
•I чия несущих систем автомобилей также показывают почти линейную связь скручи-
пающего момента и угловой деформации. Несомненно, при значительных деформа-
циях упругих элементов нелинейность их характеристик может заметно сказаться на
характере колебаний системы. Однако, имея в виду, что нелинейность чрезвычайно
осложняет решение даже простейших систем, при расчетах в рамках инженерной
практики принимают коэффициенты жесткости постоянными на всем диапазоне на-
|рузок. Для грузовых автомобилей такое допущение, в особенности при статистиче-
ком анализе колебаний не приводит, как правило, к большим ошибкам.
Рассматриваемая система характеризуется непрерывным убыванием энергии
< «ободных колебаний. Наиболее существенное влияние на рассеивание энергии
колебаний оказывают три фактора: сопротивление амортизаторов, трение между
цистами рессор и в сочленениях деталей подвески и рамы, внутреннее сопротив-
ление материала рамы (кузова) и рессор. Природа каждой из этих сил различна.
I «к, сила сопротивления обычных гидравлических амортизаторов, как известно,
шисит от скорости относительного перемещения подрессоренных и неподрессо-
I и‘иных масс VOT и в общем случае определяется по формуле
®ам — Пам^от'
где /]ам - коэффициент сопротивления амортизатора, зависящий от его регули-
ровки; / - показатель степени, определяемый конструктивными параметрами амор-
1и.1<1тора и качеством применяемой жидкости В современных автомобильных
амортизаторах/ обычно различно на ходе сжатия и на ходе отбоя.
О характере сил сопротивления, обусловленных межлистовым трением, на сего-
дняшний день высказываются различные мнения. В частности, имеются данные о
him, что характер изменения силы межлистового трения (и трения в сочленениях
деталей подвески) в значительной степени определяется смазкой листов. При су-
хих листах она убывает с увеличением скорости перемещения моста относительно
рамы, при смазанных рессорах сила трения пропорциональна скорости. В других
работах указывается, что сила межлистового трения в рессорах не зависит от ско-
рости и является величиной постоянной.
Характер сил внутреннего неупругого сопротивления в металлах при упругих де-
формациях долгое время определяется известной гипотезой Фойгта Согласно
нои гипотезе силы внутреннего неупругого сопротивления пропорциональны ско-
рости деформации. Материалы многих исследований показывают, что такое пред-
< । шление можно принимать условно.
Сложность определения сил неупругого сопротивления, трудности опытных ис-
(ледований влияния различных факторов на затухание колебаний требует оцени-
нагь силы неупругого сопротивления некоторым общим показателем, а необходи-
мость упрощения математического анализа процесса колебаний привела к тому,
ню зти силы условно считают линейно зависящими от скорости деформаций упру-
। их элементов.
165
Подобное допущение позволяет решать задачи с приемлемой для практики точ-
ностью. Это обстоятельство и явилось основной причиной почти монопольного
распространения его в теоретических расчетах.
Вместе с тем экспериментальные исследования на стендах показывают что
свободные колебания грузовых автомобилей по своему характеру почти всегда со-
ответствуют случаю демпфирования, пропорционального скорости: амплитуды ко-
лебаний подрессоренных и неподрессоренных масс убывают по закону, близкому к
геометрической прогрессии.
В тех случаях, когда среди сил неупругого сопротивления доминирующим яв-
ляется постоянное по величине сухое трение, затухание в системе можно на оп-
ределенном диапазоне амплитуд линеаризировать, основываясь на следующих
предположениях: трение в системе слабо влияет на частоту свободных колеба-
ний; убывание амплитуд колебаний такой системы за каждый период равняется
учетверенной статической деформации упругого элемента под действием силы
трения [65]. Таким образом, и коэффициенты неупругого сопротивления в экви-
валентной системе во многих характерных случаях колебаний автомобилей мож-
но считать постоянными.
Учитывая также, что введенные в рассмотрение массы и их моменты инерции
являются для данного автомобиля заданными постоянными, эквивалентную сис-
тему (см. рис. 3.13) можно рассматривать как колебательную с постоянными па-
раметрами.
Уравнения движения ее по принятым координатам составляются или как уравне-
ния равновесия действующих сил с использованием принципа Даламбера, или ис-
пользуя уравнения Лагранжа II рода с применением выражений кинетической и по-
тенциальной энергии и диссипативной функции по координатам.
Опуская эти достаточно известные выкладки, дифференциальные уравнения
движения системы представляются в виде
b + pr. ab- Ру
Ма ------777 Z1 + Ма -------777 Z2 + 2^n1Z ~ 2*7nl£l +
(а + Ь) (а + Ь)
+ 2сР1^1 - 2cPi£i = Ч
+ 2т7п< + 2ср1£ + 2сш1^ - 2рп^ -
I “ 2cp1z1 — сш1(д1л + Qin),
а2 + ру ab - ру ..
Ма----------z2 + ма-------------7 Z1 + 2/]n2z2 _ 2?7n2<g2 +
а (а + Ь)2 2 а (а + Ь)2 1 п2 2
(3.27)
+ 2cp2z2 - 2ср2£2 = 0;
т2&> + 2W2 + 2ср2^2 + 2сш2<^2 - 2pn2z2 -
~ 2cp2z2 = сш2(д2л + <72п)’
166
- 0m1) + 2(cp1dp1 + с'рМР, - pmi) +
+Чн (0i-02) + cH(0i-02) = O;
"ЬРт'Р'М - гПп&ИЪ - РтР - 2(0^ + C'pJ(Pi - pmj +
+ 2сш1сУк1Дт1 — сш1с/к1 (<?1Л — Qin)’
^2Рх202 + 2/7п2^а2(02 - 0т2) + 2(Cp2dp2 + Ср2)(Д2 - рт2) ~
-Пн (01- 02)-сн(01- 02) = О;
т2Рт2рт2 ~ 2’7п2<^а2(02 - 0т2) - 2(Cp2dp2 + Ср2)(Д2 - Дт2) +
.+ 2сш2с^2Дт2 = (q2n - q2n).
В рассматриваемой эквивалентной системе не учитываются поглощающие свой-
< гва автомобильных шин. Как показывают исследования колебаний и плавности хо-
да автомобилей, неупругие сопротивления при радиальной деформации шин зна-
чительно меньше, чем в подвеске мостов. Энергия колебаний системы рассеивает-
(я в основном в подвеске. Заметное влияние поглощающие свойства шины оказы-
н.1ют на колебания масс высокой частоты, т.е. в области частот, где знергетиче-
< кий спектр возмущающего воздействия значительно снижается.
Описание поглощающей способности шин существенно отличается в различных
исследованиях, так как в основу их, как правило, кладутся априорные представле-
ния о физической природе процесса, а затем под выбранную модель подгоняются
располагаемые наблюдения.
Концепция, в определенной мере свободная от такого подхода и согласующаяся
объективными данными, строится на том, что поглощающие свойства шины дос-
|.почно полно выражаются непосредственно характеристикой ее радиальной упру-
। ости. Применение этой концепции в расчетах колебаний автомобиля с учетом по-
глощающей способности шин показало довольно значительное дальнейшее при-
ближение теоретических зависимостей к экспериментальным данным. Однако
практические расчеты при таком учете поглощающей способности шин сильно ос-
ложняются. Поэтому сохраняя такое же приближение эквивалентной колебательной
истемы к действительной динамической системе ходовой части автомобиля, ка-
кое обычно используется при расчетах подвески и плавности хода автомобилей,
неупругое сопротивление в шинах не включается.
В том случае, когда сопротивление в шинах является существенным параметром
колебательной системы (например, при безрессорной подвеске колес автомобилей
или колесных тракторов), необходимые коррективы в описание движения масс, соот-
ветствующих схеме рис. 3.13, можно внести так, как показано в работе [66].
По обобщении данных опытной эксплуатации и особенно ускоренных испытаний
на специальных дорогах типа ухабистой КИТ и трека Центрального автополигона
обнаружился интенсивный расход ресурса задних, наиболее нагруженных рессор
грехосных автомобилей. Это послужило поводом пересмотра эквивалентной коле-
>а тельной системы ходовой части.
167
Изучение нагрузок и деформаций рессор при испытаниях на этих дорогах
трехосных автомобилей показало существенную отличительную особенность воз-
никающих процессов своеобразного формирования повреждающего воздействия
дороги на задние рессоры. Этот вид воздействия проявляется в кручении задних
рессор не только от поперечно-угловых относительных перемещений мостов и
рамы, но и от взаимных перекосов среднего и заднего мостов балансирной те-
лежки. На рис. 3.14 наглядно показан этот вид деформации. Характерно, что
возникнуть она может и при практически неподвижной надрессорной массы, хо-
тя рессоры будут воспринимать значительную нагрузку от кручения. Такая на-
грузка достигает наибольшего значения, когда, например, колеса среднего мос-
та одновременно въезжают левое — на возвышенность, правое — во впадину, а
колеса заднего моста, наоборот, правое — на возвышенность, левое — во впади-
ну. С разной интенсивностью подобное нагружение задних рессор балансирной
подвески возникает при эксплуатации трехосных автомобилей на всех дорогах.
Рис. 3.14. Поперечно-угловая деформация рессор задней балансирной подвески трехосных гру-
зовых автомобилей при относительном перекосе мостов.
Внесение этих особенностей в анализ нагруженности ходовой части трехосных
автомобилей потребовало изменения схемы эквивалентной колебательной систе-
мы. отражающего конструктивные особенности подвески задних мостов, характер-
ные для практически всех моделей массового производства. С учетом этих особен-
ностей эквивалентная колебательная система ходовой части трехосных автомоби-
лей представлена на рис. 3.15.
На схеме использованы те же символы, что и на рис. 3.13. Дополнительно же
внесены: координаты - угол взаимного поперечного перекоса мостов задней
балансирной подвески, коэффициенты жесткости рессор при кручении передних
168
р и задних ср, координаты перемещений третьего заднего моста, отличающиеся
|'4ii,ko индексами.
11 математическом описании динамики этой эквивалентной системы ограничим-
i < бщим видом соответствующей системы дифференциальных уравнений (3.28). в
. юрой все коэффициенты (i =1, 2,...,10; ] = 1, 2.9) определяются параметра-
ми автомобиля, обозначенными на схеме,
z, +а1Г>1 -а12^ +a13Zi -а14^ =°;
^1 + а21^1 + а22^1 + а23^1 - a24z1 ~ a25z1 =
= а26<%1 +£?1п> + а27<£71л+£?1п);
+ a31z2 + a32z2 - а33^2 - а34^3 - а35^3 - а36^2 = 0;
->2 + а41^2 + а42^3 + а43^2 + а44^3 + а45^3 “ a46z2 “
- a47z2 = а48^2л + ^2п) + а49<^2л + ^2п);
^3 + а51^3 + а52^2 + а53^3 + а54^3 + а55^3 + a56z2 “
“ a57z2 = а58 ^Зл + Ч'Зп > + а59 ^Зл + Ч3п);
Pl - аб1<01 “ Pm? + a62<Pl - Pm? + a63(Pl - ?2) + (3 28)
+ a64<Pl _ Р2) = О’
Рщ1 “ а71 <Pl - Pml) “ a72<Pl _ Pml) + а7зРт1 =
= a74 (ц1л - q1n);
P2 + a81 {^2 - Py) + a82^2 “ Py) ~ a83^Pl ~ P2) ~
_ a84^Pi _ P2)= 0;
Pm2 ~ a91<P2 “ Py) - а92$2 “ Ру) + а9зРт2 +
+ a94 (Pm2 - Pm3 ) = a95 ^2л ~ ^2n);
Pm3 - a101 (P2 “ Py) - a102<P2 “ Py) + a103Pm3 -
“ a104<Pm2 “ Ртз) = a105 (q3n “ q3n)
и шементарными преобразованиями дифференциальных уравнений движения
мис в выбранных координатах [21]. В отличие от системы (3.27) здесь внесено
Д| [лущение о взаимной независимости колебаний передней и задней подрессорен-
169
ной масс в вертикальной плоскости, возможность которого рассматривается да-
лее. Кроме того, в число параметров системы включены коэффициенты пропор-
циональности неупругих сил в шинах колес и скорости их радиальной деформации
(на схеме не обозначены Г) ). Включение этих демпфирующих сил обусловлено не-
обходимостью ограничения резонансных продольно-угловых колебаний неподрес-
соренных масс и рессор задней балансирной подвески, которые часто возникают
при движении трехосных автомобилей по неровным дорогам с интенсивным высо-
кочастотным воздействием микропрофиля.
Рис. 3.15. Эквивалентная колебательная система ходовой части трехосных автомобилей с зад
ней балансирной подвеской мостов.
Несмотря на громоздкость математической модели, ее решение относительно
деформаций несущей системы и рессор при кручении, а также и нормального про-
гиба обеспечивается стандартными программами вычислений на ЭЦВМ Основные
трудности возникают в оценке фактических значений параметров на испытываемом
автомобиле, которые в отдельных случаях удается преодолеть выбором дорожных
условий испытаний и соответствующим упрощением эквивалентной колебательной
системы.
170
Н связи со значимостью рассмотренного выше нагружения рессор балансирной
подвески задних мостов трехосных автомобилей в математическую модель эквива-
лентной системы удобно ввести еще одно хотя и избыточное, но необходимое со-
ннюшение
Я = ~ Рт3- (3.29)
нт трахающее поперечно-угловую деформацию задних рессор при кососиммет-
ричном воздействии дороги на колеса балансирной тележки.
Эквивалентная колебательная система трансмиссии. В исследованиях
трансмиссии автомобиля как крутильной колебательной системы можно выделить
н< < колько направлений, отличающихся целями, используемой схематизацией и вы-
пираемыми математическими моделями для описания динамических процессов.
Одними из первых развивались исследования, посвященные задачам исключения
ре юнансных колебаний масс трансмиссии автомобиля в движении. При этом ос-
пенным источником внешних возмущений рассматривался двигатель с присущими
ему неравномерностью крутящего момента и его пульсаций.
Основное содержание исследований этого направления состояло в определении
. ык-твенных частот и форм колебаний многомассовой цепной крутильной системы
тем, чтобы конструктивными мероприятиями вывести резонансные режимы из
юны эксплуатационных скоростей. Исходя из того, что частоты собственных коле-
I ший многомассовой системы при кручении эффективно менялись или вследствие
н пленения жесткости валов, на которых располагались узлы колебаний, или масс,
имевших наибольшую амплитуду колебаний, строились эквивалентные колебатель-
||ц. системы. В них инерционные вращающиеся детали трансмиссий рассматрива-
ли! I. как маховые массы, а валы - как упругие элементы.
В настоящее время считается достаточным для частотного анализа трансмиссии
двухосных грузовых автомобилей классической компоновки представление ее эк-
вивалентной пятимассовой системой, показанной на рис. 3.16. На рисунке исполь-
lOK.uibi следующие обозначения J( - момент инерции маховика, сцепления в сборе
и коленчатого вала двигателя; J2 - момент инерции вращающихся масс коробки
|юр’!Дач, тормозного барабана, трансмиссионного тормоза и половины карданного
папа, J3 - момент инерции половины карданного вала и шестерен главной переда-
чи и одной трети полуосей; J4 - момент инерции колес в сборе с тормозными ба-
p.Винами и двух третей полуосей; J5 - приведенный момент инерции массы авто-
мноиля; - приведенные податливости валов между массами; А4Д - момент
читателя; Мс - момент сопротивления качению на ведущих колесах. Эта система
помюляет при достаточно детальном представлении конструкции определить соб-
. нкч1ные частоты с довольно высокой точностью, преодолевая трудности вычисле-
нии приведенных условно сосредоточенных масс и жесткостей иногда нелинейных
упругих звеньев.
Другое направление исследований трансмиссии включает задачи определения
динамических нагрузок в деталях при управлении автомобилем. Известно, что наи-
' .пи.шие динамические моменты возникают в трансмиссии при трогании автомоби-
нн с места и резком включении сцепления. Изменение нагружающих валы момен-
н .и при этом имеет колебательный характер. При разгоне автомобиля и переклю-
чении передач возникают интенсивные нагрузки и колебания момента как в связи с
1Н1к>чением сцепления, так и с работой синхронизаторов в коробке передач Су-
171
щественной особенностью работы трансмиссии является также интенсивное про-
буксовывание и износ сцепления, что имеет большое значение при испытаниях
прочности трансмиссии. Интенсивность нагрузки трансмиссии данного автомобиля
при управлении зависит от многих факторов, из которых решающее значение име-
ют обстоятельства движения и управления - сопротивление движению при трога-
нии с места или переключении передач, частота вращения вала двигателя, темп
включения сцепления, коэффициент сцепления.
Рис. 3.16. Эквивалентная трансмиссии автомобиля пятимассовая крутильная колебательная сис-
тема для частотного анализа.
При конструировании автомобилей и при разработке методики испытаний, в осо-
бенности форсированных, необходимо знать опасные режимы работы трансмиссии.
Усложнение задачи исследований, связанное с расчетом переходных процес-
сов в динамической системе, которые описываются труднее, чем установившие-
ся, потребовало расширения эквивалентной системы вводом расчленяющих эле-
ментов, дополнительных инерционных масс и характеристик сцепления шин с
опорной поверхностью.
На рис. 3.17 показана более сложная, но и более универсальная эквивалентная
система трансмиссии, составленная для изучения свойств трансмиссии в различ-
ных режимах движения и управления автомобилем, где обозначено:
- J1 - приведенные моменты инерции, соответственно: вращающихся частей
двигателя совместно с ведущими деталями сцепления; ведомых деталей сцепле-
ния; вращающихся деталей коробки передач до синхронизатора на рассматривае-
мой передаче; вращающихся деталей коробки передач за синхронизатором совме-
стно с половиной карданного вала; второй половины карданного вала и деталей
главной передачи с частью полуосей, второй части полуосей и ведущих колес, ма-
ховой массы, эквивалентной автомобилю;
613; е45; е56; еб7 - приведенные податливости, соответственно, коробки передач
до синхронизатора включаемой передачи; карданного вала; полуосей; шин ведущих
колес;
С,; С2; С3 - коэффициенты трения, соответственно, фрикционных элементов
сцепления, синхронизатора, шин с поверхностью дороги.
Исследования этой системы выполнялись с помощью аналогового моделирова-
ния и позволили использовать результаты для разработки методики и оптимально-
го планирования форсированных испытаний трансмиссии на режимах трогания с
резким включением сцепления и на подъемах.
172
Ги< 3.17. Эквивалентная трансмиссии автомобиля колебательная система с учетом фрикцион-
ные соединений.
В настоящее время интенсивно развивается новое важное направление иссле-
дований трансмиссий автомобилей, возникшее при обнаружении связей между
воздействием на автомобиль неровностей дороги и нагрузок валов привода веду-
щих колес, которые удалось описать методами статистической динамики, увязав
ли нагрузки с колебаниями подвески и плавностью хода автомобиля
Это направление исследований нагруженности трансмиссии от воздействия
дороги привлекло внимание прежде всего возможностями оценки длительно
действующих изменений напряжений в деталях и опасных не только внезапно
нозникающими превышениями пределов прочности, но и медленно накапливаю-
щимися усталостными повреждениями и постепенно, но неуклонно исчерпываю-
щими ресурс работоспособности в эксплуатации. Непосредственным же пово-
дом постановки исследований в этом направлении послужила необходимость
нормирования форсированных испытаний трансмиссии при пробеге автомобиля
но специальным дорогам.
Как видно на схемах эквивалентных трансмиссии колебательных систем, для ре-
шения задач оценки нагруженности ее элементов необходимо аналитическое выра-
жение реакции при изменении соотношения приложенных моментов Л4д и Мс. Воз-
никающие при этом вынужденные крутильные колебания вращающихся масс опре-
деляют деформации и напряжения в материале валов. Поскольку отыскиваются за-
кономерности вынужденных колебаний масс, приведенные выше эквивалентные
консервативные колебательные системы становятся недостаточными для расчета
вынужденных колебаний: необходимо учитывать неупругие силы сопротивления от-
н юительным перемещениям масс. Экспериментальные оценки этих диссипативных
। ин затруднительны и необходимые данные в настоящее время только накаплива-
ние я. Но даже первые исследования показали их важное значение в автомобиль-
ных трансмиссиях. Результаты [62] показали, что описание их с помощью модели
Фойгта вполне приемлемо. Это согласуется с физической природой их составляю-
щих. вязкое трение валов и шестерен в масле картеров и подшипников, межмоле-
кулярное трение в материале валов близко к прямой пропорциональности скоро-
. in относительного перемещения масс. Поэтому в теоретических представлениях
крушльных систем, эквивалентных трансмиссии, в каждом звене диссипативные
। илы учитываются постоянным коэффициентом пропорциональности их скорости
। повой деформации 7J Математическое моделирование эквивалентных транс-
миссии систем при многовариантных расчетах показало, что, изменяя зти коэффи-
циенты сопротивления, можно существенно снижать резонансные колебания и вы-
173
водить их частоты за пределы внешних возмущений при эксплуатационных режи-
мах работы автомобиля.
Основной проблемой теории вынужденных колебаний в трансмиссии и формиро-
вания переменных нагрузок ее элементов является количественное выражение возму-
щающего момента, изменяющегося в движении в зависимости от воздействия доро-
ги. Чтобы выделить реакцию системы на зто воздействие, необходимо составить
представление об изменении момента сопротивления, приложенного к ведущим ко-
лесам автомобиля при движении по неровной дороге, когда неподрессоренные и
подрессоренные массы непрерывно колеблются в вертикальной плоскости, а нор-
мальная реакция в контакте шин с опорной поверхностью все время изменяется.
Исследования работы эластичного колеса автомобиля до последнего времени
не дают исчерпывающих однозначных зависимостей между его конструктивными
характеристиками, параметрами, описывающими обстоятельства движения, и на-
грузками. Это объясняется чрезвычайной сложностью внутренних механических
взаимодействий элементов конструкции шины, трудностью описания разнообраз-
ных процессов в контакте с опорной поверхностью резинокордной оболочки, снаб-
женной протектором, сложностями сопоставления выполняемого эластичной ши-
ной преобразования вращательного движения колеса в поступательное движение
его оси с функциями привычных механизмов, обладающих жесткими связями или
преобразующих движения одного вида. Поэтому при рассмотрении процесса фор-
мирования момента на ведущих колесах, изменяющегося от воздействия неровной
дороги, можно использовать основные положения теории автомобиля лишь при ря-
де допущений, некоторой аналогии, опираясь на оценку возможных отклонений ре-
альных процессов от теоретической модели хотя бы в ограниченных предельных
значениях меняющихся величин.
В теории автомобиля взаимодействие его с внешней средой выражается урав-
нением тягового баланса, которое для устойчивого равномерного движения с по-
стоянной поступательной скоростью записывается в виде
Р = Р = Р + Р + Р ж + Р' + Р" ,
т с с.в с.п с.б с.к с.к’
где Рт - сила тяги в контакте ведущих колес с опорной поверхностью дороги;
Рс - суммарная сила сопротивления движению; Рсв, Рсп, Рс6, Р'ск. Р" , - силы
сопротивления соответственно воздуха, подъему, движению буксируемого процепа
и качению ведомых и ведущих колес.
Условие равномерности движения, предусмотренное в этом уравнении, совпа-
дает с условиями, принятыми при описании воздействия микропрофиля дороги на
автомобиль. Если при этом считать, что испытания или эксплуатационные наблю-
дения ведутся в условиях безветренной погоды или при постоянном и неизменном
по направлению ветре, а также на горизонтальной или с постоянным уклоном до-
роге, то по крайней мере две первые составляющие сопротивления движению Рсв
и Р можно считать постоянными.
С.П
В теории качения автомобильного колеса, которая в данном случае может быть
использована и для пары колес моста вследствие статистического подобия воз-
действия микропрофиля по колее, силы сопротивления качению ведомых и веду-
щих колес отличаются по величине.
Для ведомых колес считается общепринятым независимо от используемой кон-
цепции в объяснениях физической природы следующее выражение силы сопротив-
ления качению:
174
Р с к ^к.со/^кО’
где fQ - коэффициент сопротивления качению; Z* - нормальная реакция в koh-
i.ik ie колеса с опорной поверхностью дороги; Л4,с0 - момент сопротивления каче-
нию в ведомом режиме; Гк0 - радиус качения колеса в ведомом режиме.
В ряде теоретических работ это выражение принимается в качестве исходного
дня последующего описания отличий параметров качения этого колеса в веду-
щем режиме. Из уравнения видно, что сопротивление качению ведомых колес на
неровной дороге не может оставаться постоянным прежде всего вследствие
фнуктуации нормальной реакции около среднего значения, соответствующего
ьиической нагрузке.
Если считать коэффициент сопротивления качению данного колеса постоян-
ным. то сила сопротивления качению будет изменяться так же, как и нормальная
Р-'.1КЦИЯ.
К настоящему времени достаточно законченные исследования и обоснованные суждения о
«ффициенте сопротивления качению автомобильных колес относятся только к ровной поверх-
п(и ги дороги, т е. относящихся к I группе испытательных сооружений в рассмотренном выше ка-
нчорировании технической базы испытаний. Изучено и установлено, что в этих условиях коэф-
фициент f0 в пределах эксплуатационных скоростей увеличивается, как правило, пропорцио-
нально квадрату скорости поступательного движения, но с небольшими абсолютными прираще-
ниями; внутреннее давление воздуха в шине существенно изменяет значение f0, повышение
•мп«|ратуры шины при движении вызывает его падение. Влияние нормальной нагрузки на коле-
। некоторое время оценивалось разноречиво. Но исследования показали однозначную связь
•ффициента fQ и нормальной нагрузки [39. 62].
При установившемся режиме испытаний или пробега в эксплуатации для данных шин коэф-
фициент сопротивления качению ведомых колес на ровной дороге с незначительными погреш-
||«»< 1ями можно считать постоянным.
При движении по неровным дорогам с плавными очертаниями поверхности или с микропро-
Филем, включающим в основном неровности длиной, значительно превышающей размеры пло-
.1дки контакта сжатой шины, нормальная реакция остается почти равной нормальной нагрузке
н.1 ось колеса вследствие небольшого угла наклона касательной к поверхности качения. В то же
н|н*мя появляется тангенциальная составляющая сила, меняющая свой знак за время проезда
ровности в соответствии с изменением угла наклона касательной. Но при переезде эластич-
ным колесом неровности меняется его прогиб по двум причинам’ во-первых, изменяется ради-
п.ная жесткость шины в зависимости от изменяющегося радиуса кривизны поверхности; во-
рых, вследствие инерции колеса при наезде на неровность возникает приращение деформи-
рующих оболочку сил.
В совокупности обе причины вызывают такой же эффект, как и уменьшение крутизны неров-
ти. а тангенциальная составляющая поэтому несущественно изменяет силу сопротивления
ьич' нию. подсчитанную как произведение нормальной нагрузки (с учетом, конечно, инерционных
приращений) на постоянный коэффициент сопротивления качению.
Рассмотренные явления изучались и подтвердились экспериментально на специальной одно-
h. «лесной установке [62, 65]. Установленные на оси колеса динамометрические втулки позволяли
и «мерять нормальные и горизонтальные силы, действующие на колесо при прокатывании его
|<»ррз неровности различных размеров и форм, смонтированные на барабане стенда.
На синусоидальных неровностях с отношением высоты к длине менее 0.06...0.07 сопротивле-
ни< качению практически следовало закону изменения формы неровности
При качении колеса по неровностям, длина которых соизмерима или меньше длины площад-
ки контакта, нормальная реакция изменяется более полого вследствие сглаживающих свойств
шины. Эти изменения учитываются точно так же, как при учете сглаживания в процессе воздеи-
шия случайного микропрофиля.
Основываясь на этих общих представлениях, можно считать, что при качении автомобильно-
колеса с эластичной шиной по неровной дороге гипотеза о постоянстве коэффициента со-
противления качению ведомого колеса не дает существенных ошибок при расчете силы сопро-
тивления качению.
175
Представление и оценка сопротивления качению ведущих автомобильных колес осложняются
тем, что при качении в ведущем режиме происходят потери не только силовые, но и скорост-
ные. В известных публикациях и дискуссиях высказывалось множество различных предложений
о путях оценки потерь при качении ведущих колес по ровной поверхности.
Анализ теоретических и экспериментальных работ выявил ряд противоречий при попытке
расчета этих потерь и предложена [39] формула, выражающая внешнюю характеристику эла-
стичного колеса, работающего в ведущем режиме. В этой формуле учитываются тангенциальная
эластичность, определяющая скручивание шины при значительной тяговой силе, относительное
буксование, неизбежное при нагружении тяговой силой, и связанное с этим изменение скоро-
сти поступательного движения по ровной дороге.
Исследования сопротивления качению ведущего колеса по неровной дороге предприняты в
работе Ю.В.Пирковского. С учетом доступных для числовой оценки факторов и обстоятельств
движения, включая коэффициенты Ер и Ег относительного сжатия шины от продольной и верти-
кальных нагрузок, угловую эластичность £А, коэффициент кгр< проскальзывания или пробуксов-
ки, угловую и линейную скорости 0)K, VK, нормальную нагрузку Z* колеса и радиус Го качения ко-
леса. Им предложено для установившегося режима движения выражение подводимой к ведуще-
му колесу силы РК. которое приводится к следующему общему виду:
р Wo -Vk £z Z
К fiUVo + Wz ) с кпр с *'
£р + г еЛ
Эту формулу можно представить в ином виде, если учесть, что нормальная нагрузка на веду-
щие колеса при движении по неровной дороге включает среднее значение GK и переменную со-
ставляющую, флуктуирующую около среднего значения GK(t). Тогда ZK = GK — GK(t). где GK(f)
- центрированная знакопеременная функция. Знак минус в данном случае выбран для сохране-
ния соответствия между направлением координат описывающих движение колеса при образо-
вании этой функции, и самой функцией. Например, положительное перемещение оси колеса
вверх вызывает очевидное уменьшение GK(f).
Введем для наглядности следующие обозначения
F = (£<V0 - vK) / [wK(Epr0 + Кп0еа)];
k=£z / £р + —
IX Z- у /V
I г0 У
С учетом обозначений, равенства реакции и нормальной нагрузки формула Ю.В.Пирковского
запишется в виде
PK = r-fKGK + f,GK(t) (3 30)
Из этой формулы видно, что сила, реализуемая в контакте ведущих колес с опорной по-
верхностью, является суммой постоянной составляющей и меняющегося по закону GK(t)
приращения.
Из формулы (3 30) можно получить представление о сопротивлении качению ведомого коле-
са Если считать, что колесо катится по ровной дороге без буксования и проскальзывания и не
нагружено крутящим моментом, го при постоянной нормальной нагрузке первое и третье сла-
гаемые в правой части обращаются в нуль и
р. = - ffiAt)
В этом выражении сила Р* предстанет как реактивная сила сопротивления качению ведомого
колеса в контакте шины с опорной поверхностью, вращающая колесо, а коэффициент сопротив-
ления качению - как отношение коэффициентов относительной деформации шины в продольном
и нормальном направлениях.
176
Физически уравнение силового баланса реализуется в контакте шин ведущих
колес с опорной поверхностью. Поэтому рассматриваемые составляющие сил со-
противления движению необходимо приводить к точке приложения, находящейся в
площадке контакта ведущих колес с дорогой. По существу процесс приведения си-
лы сопротивления качению ведомых колес к площадке опоры ведущих колес ана-
логичен пропусканию внешнего воздействия через упругоинерционную систему с
демпфированием. Высокая инерционность и многозвенность этой системы значи-
гельно ослабит флуктуирующую составляющую на выходе. Другими словами, мож-
но сказать, что переменная сила сопротивления качению ведомых колес, приве-
денная к площадке контакта ведущих колес, будет существенно сглаженной и ее
флуктуации будут в установившемся режиме движения несравненно меньше сред-
него значения.
Аналогичный процесс возникает и при приведении силы сопротивления каче-
нию колес буксируемого прицепа, для которого в цепочку передаточных звеньев
дополнительно включается масса прицепа и упругодемпферное тягово-сцепное
устройство.
Из этого следует, что в рассматриваемых условиях установившегося движения
существенно изменяется только сила сопротивления качению ведущих колес авто-
мобиля, и уравнение тягового баланса можно записать в виде
Р = Р. + Р, (3.31)
с кО к* ' '
где Рк0 - суммарная сила сопротивления движению, принимаемая постоянной;
Рк - переменная составляющая сопротивления качению ведущих колес.
Из сопоставления равенства (3.31) с формулой (3.30), выведенной из других со-
ображений, ясны не только их внешние совпадения, но и структура формируемых
на ведущих колесах сопротивлений.
Постоянная составляющая формируется как сумма внешних по отношению к ве-
дущим колесам сопротивлений движению и силы потерь в ведущих колесах, свя-
(анных с приложением этих внешних сопротивлений, за вычетом сил сопротивле-
ния качения ведущих колес в ведомом режиме, которые вошли в суммарную силу
потерь на ведущих колесах, выраженную через возникшие кинематические потери
и относительные деформации. Постоянная составляющая целиком определяется
режимом движения и условиями качения ведущих колес. Для разных скоростей,
например, она будет различной, но на каждой из них постоянной. Переменная со-
|авляющая, как это отчетливо видно, представляет собой результат флуктуации
нормальной нагрузки на ведущие колеса и ею определяется.
Если режим движения установившийся, а условия качения колес на неровной
дороге не вызывают отрывов, значительного пробуксовывания или проскальзыва-
ния шин, то радиус ведущих колес хотя и меняется, но абсолютные приращения
го незначительны, а средняя величина его мало отличается от радиуса ведомых
колес под соответствующей нагрузкой на ровной дороге. Это косвенно подтвер-
ждается, например, сравнением результатов тарировки спидометров автомобилей
при ходовых испытаниях на ровной скоростной и булыжной дорогах автополигона
Умножив уравнение тягового баланса в виде (3.31) на постоянный радиус каче-
ния, получим выражение момента сопротивления на ведущих колесах
Чо = Чо + М\ <3-32)
177
Так же, как и силы в контакте ведущих колес, момент сопротивления, приложен-
ный к ведущим колесам при движении по неровной дороге, включает постоянную
составляющую Л4д0 и переменную
(3.33)
Как известно, изменчивость крутящего момента двигателя Л4д сглаживается как
при организации рабочего процесса, так и демпфирующими устройствами в транс-
миссии, а частота возможных пульсаций на несколько порядков выше, чем частоты
изменения нормальной нагрузки в контакте ведущих колес с опорной поверхностью
дороги. Поэтому вполне оправдано допущение о равновесии при установившемся
с постоянной скоростью движения автомобиля момента, приложенного к трансмис-
сии от двигателя Мд, и постоянной составляющей момента суммарного сопротив-
ления, реализующегося в контакте шин с опорной поверхностью. Переменная же
составляющая, определяемая выражением (3.33), является возмущающим воздей-
ствием на трансмиссию. Следует еще раз отметить, что входящий в это выражение
коэффициент сопротивления качению, не является строго постоянной величиной и
меняется при изменении деформации шины и других параметров качения ведуще-
го колеса. Но из приведенной выше зависимости его от этих величин видно, что
возможные отклонения не могут быть значительными при выбранных стабильных
условиях качения.
Поэтому основным фактором формирования возмущающего воздействия на
трансмиссию от неровной дороги является изменение вертикальной нагрузки или
нормальной реакции в контакте шин ведущих колес с опорной поверхностью, воз-
никающее вследствие колебаний автомобиля на рессорах и шинах. При этом от-
четливо обнаруживается взаимосвязь колебательных систем ходовой части и
трансмиссий, что создает возможность рассчитать колебания масс последней при
заданном микропрофиле испытательной дороги.
3.4. Упрощения
эквивалентных
колебательных систем
для инженерных расчетов
переменных нагрузок
Ходовая часть В системе уравне-
ний колебаний ходовой части двухосных автомобилей (3.27), (3.28) видно, что толь-
ко возмущающее воздействие под правыми и левыми колесами объединяет описа-
ние движения учитываемых масс в продольно-вертикальной и поперечной плоско-
стях. Поэтому при принятых допущениях об отсутствии иных связей эквивалентная
колебательная система может рассматриваться как совокупность двух аддитивных
систем. Каждая из них разрешается самостоятельно, а конечные результаты скла-
дываются по соответствующим координатам. Это подчеркнуто в системе (3.27)
разделением ее на две части I и II. Первые четыре уравнения описывают реакцию
ходовой части автомобиля на вертикальную составляющую суммарного возмущаю-
щего воздействия неровной дороги, последующие выражают реакцию на попереч-
но-угловую составляющую воздействия. Аналогично разделяется система, описы-
вающая колебания трехосных автомобилей.
178
Первая часть системы изучалась во многих работах с привлечением обширных
экспериментальных данных [38, 65 и др.]. Некоторые из них посвящены оценке
связи колебаний в вертикальной плоскости передней и задней подрессоренных
масс. Как видно из (3.27, I), связь уравнений движения этих масс определяется со-
отношением
2 ( 2 А
ab ру _ 1 _ Ру_ ab
а2 + Ь2 аЬ а2 + Ь2
к 7
2
Коэффициент Е = ру / зЬ , называемый коэффициентом распределения под
рессоренных масс, дает количественную оценку связи колебаний передней и зад
ней частей автомобиля. При значении £ = 1 эта связь утрачивается. Радиус инер-
ции подрессоренной массы автомобиля зависит от компоновки основных агрегатов
и размеров автомобиля, размещения и величины груза на платформе, размещения
пассажиров в салоне и изменяется при различных эксплуатационных состояниях
(при перевозках разных грузов). Но при этих изменениях смещается и положение
центра тяжести подрессоренной массы, его координаты а и Ь. Экспериментальные
исследования показали, что, например, у грузовых автомобилей изменение поло
жения груза и вдоль продольной оси, и по высоте так изменяет радиус инерции
подрессоренной массы и положение центра тяжести, что значение коэффициента
распределения подрессоренных масс не выходит за пределы 0,7< Е <1,3. Это объ-
ясняется тем, что основные принципы компоновки автомобиля, в частности, стрем-
ление разместить тяжелые агрегаты в пределах колесной базы, так же как и сиде-
нья легкового автомобиля, стремление добиться наивыгоднейшего соотношения
нагрузок на передние и задние колеса, автоматически приводят к тому, что рас
пределение собственной массы устремляет коэффициент £ к единице. Эта тенден-
ция оказывается устойчивой и при проектировании новых моделей грузовых и лег
ковых автомобилей.
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что связь колеба-
ний передней и задней частей подрессоренной массы обнаруживает себя только
при выходе значения коэффициента распределения подрессоренных масс за пре-
делы 0,8...1,2, что встречается весьма редко. На этом основании и вводится почти
повсеместно принятое допущение о значении коэффициента распределения под-
рессоренных масс грузовых и легковых автомобилей современной компоновки и
шасси базовых моделей других АТС равным единице.
Тогда система (3.27, I) распадается на две пары независимых, но совершенно
подобных дифференциальных уравнений, описывающих вертикальные колебания
передней и задней частей автомобиля. Соответствующая каждой из них эквива-
лентная колебательная система изображена на рис. 3.18 (а), а дифференциальные
уравнения движения ее масс представляются в виде
z + 2kz + £22z - 2кЁ, - = 0:
2к . Q2 2
2k
Q2 2
£ + —£+ — + со2 <5;-------z-----z = wq(t).
(3.34)
Р Р
179
где Q12 = t]2cV2 / Mt 2 - частота собственных колебаний подрессоренных
масс на передней или задней подвеске;
^12 = -^2сш12 / Л712 - то же неподрессоренных масс на шинах;
т1.2
2 ~~ коэффициент неподрессоренных масс;
^1,2
Л1,2 — - коэффициенты неупругого сопротивления в подвеске;
Ь а
Му — Ма------- или М2 = М "" приведенные массы передней или зад-
а + b а а + b
ней частей.
Рис. 3.18. Эквивалентная несвязанная колебательная система подвески при малом (а) и значи-
тельном (б) поглощении энергии в шинах колес.
180
Эта система постоянно используется для расчетов колебаний, конструкции под-
вески, плавности хода и нагруженности элементов ходовой части.
Для автомобилей с эластичными в радиальном направлении шинами, в особен-
ности легковых, жесткость шин постоянно снижается и пренебрежение их погло-
щающей и рассеивающей энергию колебаний способностью приводит к значитель-
ным ошибкам в расчетах. Поэтому в эквивалентную систему вводится еще один
демпфирующий элемент, так как показано на рис. 3.18 (б). Обстоятельные иссле-
дования поглощающей способности шин при радиальной деформации показали,
что вязкая модель неупругого сопротивления в ней не вполне соответствует ре-
зультатам опытов, так как рассеиваемая энергия в значительной мере определяет-
ся амплитудами деформации Поэтому только в первом приближении неупругое
''опротивление в шинах можно считать пропорциональным скорости деформации с
постоянным коэффициентом Т) . Ограничиваясь таким допущением, независимые
колебания передней и задней частей автомобиля с учетом поглощающей способ
пости шин описываются более подробными дифференциальными уравнениями:
z + 2kz + Q2 z - 2к^ - £22£ = О
2
- — z - ^—z = u>2q(t) + 2кшд(р.(3.35)
ц М
В недавнее время проведены новые теоретические и экспериментальные исследования,
уточняющие модель подрессоривания, что имеет значение при дальнейшем повышении эластич-
ности автомобильных шин. Приведенное выше описание сглаживания воздействия неровной до-
роги с помощью преобразования микропрофиля скользящим средним с постоянным окном сгла-
живания. равным длине отпечатка шины под статической нагрузкой, дает только приближение к
реальному процессу. Значительно более точное решение дает модель эквивалентной колеба-
тельной системы, схематически показанная на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Эквивалентная подвеске колебательная система с переменным сглаживанием воздей-
ствия неровной дороги в контакте с шинами.
181
В ней учтено, что длина пятна контакта шины с опорной поверхностью дороги зависит от па-
раметров самой колебательной системы, эквивалентной подвеске автомобиля, и чем интенсив-
нее вертикальные колебания масс, тем значительнее изменение длины пятна. Эта зависимость
определена в работах по внешней механике пневматической шины. (Например, используя тео-
рию тонких гибких оболочек, В.Н.Князьков и Е.В.Кленников получили соотношения между дли-
ной пятна контакта и нормальным прогибом шины.)
Таким образом, в новой модели традиционная колебательная система, эквивалентная под-
веске автомобиля, дополнена новым звеном - "звеном сглаживания”, которое осуществляет пе-
ременное осреднение входного воздействия дороги. Кроме того, в системе организована об-
ратная связь к звену сглаживания, отражающая функциональную зависимость параметра осред-
нения (длины пятна контакта) от выходного показателя колебательной системы (нормального
прогиба шины).
Математическая модель такой колебательной системы, кроме двух линейных дифференци-
альных уравнений второго порядка, описывающих динамику двухмассовой колебательной систе-
мы, включает также уравнение с переменными пределами интегрирования, выражающее дина-
мику звена сглаживания, и нелинейное алгебраическое уравнение для звена обратной связи.
Такая система - нелинейная и нестационарная, что затрудняет прямое применение методов
статистической динамики для анализа колебательной системы, как это принято в исследованиях
плавности хода и вибронагруженности автомобиля. Поэтому для ее решения использовались
численные, при помощи ЭВМ, методы. Полученные результаты позволили при помощи графиче-
ского анализа амплитудно-частотных характеристик зввна переменного сглаживания оценить за-
кон его функционирования, выяснить действительное влияние сглаживающей способности шин
на формируемое внешнее воздействие дороги. Для этого разработана программа, включающая
четыре взаимосвязанные подпрограммы, ориентированные на использование малых ЭВМ и пер-
сональных компьютеров: первая - генерации случайной функции, описывающей микропрофиль
заданной дороги; вторая решения системы интегродифференциальных уравнений с учетом
обратной связи; третья - вычисления передаточной функции системы при заданной скорости
движения; четвертая - вывода результатов на графопостроитель.
Эффективность новой модели сглаживающей способности шины наглядно представлена на
рис. 3.20, где показаны относительные изменения модуля передаточной функции звена сглажи-
вания микропрофиля булыжной дороги Центрального автополигона в передней подвеске авто-
мобиля высшего (представительского) класса ЗиЛ на двух скоростях. На графике видно, что для
малых значений волновой частоты (на длинных неровностях) новая модель почти не отличается
от сглаживания скользящим средним По мере повышения частоты (увеличение скорости,
уменьшение длины неровностей) новая модель сглаживания дает существенное уточнение воз-
действия Исчезают нули передаточной функции подвески, неизбежные при сглаживании сколь-
зящим постоянным интервалом. С увеличением скорости движения передаточная функция под-
вески приближается к огибающей по отношению к характеристикам микропрофиля при сглажи-
вании скользящим средним.
Новая модель дает более реалистичное преобразование воздействия неровной дороги в
особенности для автомобилей высокой комфортабельности с мягкими и большого диаметра ши-
нами колес.
Рис. 3.20. Модуль передаточной функции звена сглаживания микропрофиля булыжной дороги
шинами:
1 - при постоянном интервале (длине пятна контакта); 2,3,4 - с переменным интервалом на ско-
ростях 5, 15, 30 км/ч.
182
Независимость колебаний передней и задней подрессоренных масс упрощает
эквивалентные системы и задней подвески трехосных грузовых автомобилей.
Новое и важное представление в расчетах нагруженности ходовой части трехос-
ных грузовых автомобилей при ускоренных и форсированных испытаниях ходо-
вой части основывается на том, что испытания на специальных дорогах типа уха-
бистой КИТ или трека Центрального автополигона проводятся при малой скоро-
сти поступательного движения 7... 10 км-ч . Возникающие малые колебания под-
рессоренных и неподрессоренных масс значительно меньше медленных переме-
щений, в особенности в поперечной плоскости, и быстро затухают до наезда на
очередную неровность
Следовательно, в конкретных условиях испытаний на ухабистой дороге КИТ и на
< пециальном треке автополигона решение может быть упрощено за счет исключе-
ния динамических процессов.
Такое огрубление расчета, конечно, приводит к потерям некоторого количест-
ва данных о накапливающемся повреждении в материале рессор и рам от возни-
кающих вертикальных и угловых вибраций подрессоренных масс. Но вместе с
тем расчет квазистатического нагружения позволяет, сохраняя основные состав-
ляющие процесса, достаточно наглядно оценить относительный вклад в накопле-
ние усталости и рамы, и рессор отдельных блоков испытательного пробега (на-
пример, за один проезд полного кольца ухабистой дороги или трека) при раз-
личных композициях неровностей. При сравнительной простоте получаемой свя-
1и квазистатических деформаций системы с характеристикой профиля поверхно-
сти дороги открывается возможность выбора оптимального размещения неров-
ностей на специальном треке при форсированных испытаниях, обеспечивающего
и эффективное нагружение рам или несущих систем, и эффективное нагружение
рессор с учетом показанной выше особенности работы балансирной подвески
трехосных автомобилей.
При расчете квазистатических деформаций элементов ходовой части автомоби-
ля достаточно положить равными нулю ускорения и скорости перемещения масс, а
также, пренебрегая малыми вертикальными перегрузками, рассматривать только
крутильные нагрузки, описываемые последними шестью дифференциальными
уравнениями (3.28). Тогда уравнения, связывающие деформации кручения, могут
быть представлены в следующем виде:
(а62 + а64)^1 - а62^т1 “ a64^2 “ Q
- a72^1 + (а72 + а73 )Дт>1 - a74Ql I
— а84^1 + (а82 + а84 )/^2 — а82^у =
а92^2 + а92ру + (а93 + а94)Дт2 ~а9лРтЗ = a95Cl2 I
а 102^2 + а102Ду “ ai04^m2 + (а103 + а104)ДтЗ _ aW5<?3 !
2Ду ~Рт2 -Ртз = 0-
(3.36)
С учетом смещения
воздействия неровностей на колеса среднего и заднего
мостов можно записать:
183
QiU) = Ч1л(/) - qin(/):
Qz(/ - Б + j = q2n(/) - q2n(/);
Q3p - Б - yj = Ч3л(/) - QanU)
где Б - база автомобиля; d6 - база балансирной тележки
(3.37)
Если возмущение рассматривается как функция поступательного перемеще-
ния вдоль оси дороги, то и деформации будут выражаться как функции того же
аргумента.
Решение системы алгебраических уравнений (3.36) относительно угловых пере-
мещений, обозначенных на схеме, не содержит больших трудностей и может быть
представлено в аналитическом виде. Тогда искомые неизвестные определяются
следующим образом:
деформация кручения передних рессор Д = Д, - Дт];
деформация кручения задних рессор от перекоса несущей системы Д' р=Дг - Ру,
деформация кручения задних рессор от взаимного перекоса среднего и заднего
мостов Д"зр = Дт2 - Дтз;
деформация кручения рамы Др = Д, - Д?.
Решение системы уравнений (3.36) дает выражение зависимости квазистатиче-
ских деформаций рессор и несущей системы от поперечного профиля дороги в
общем виде:
/3(0 = И<71л(0. <71n(0. q2n(l). q3„(D. dM
Чтобы избежать утомительных выкладок при решении системы уравнений (3.36) методом по-
следовательных подстановок, удобно составить матрицу коэффициентов в симметричном виде
относительно последовательности неизвестных р как определитель системы и матрицу - стол-
бец внешних воздействий
а62 + а64 ~ а62 — а64 0 0 0 0
— З72 а72 + а73 0 0 0 0 а74 Qi
— а84 а82 + а84 0 0 0 - а82 0
Д0 -
0 0 а92 а93 + а94 — а92 0 а95 Q2
0 0 а102 - а104 а103 + а104 а102 а105 °?3
0 0 0 -1 -1 2 0
Угловое перемещение по каждой координате выражается отношением определителя, образо-
ванного из определителя системы с подстановкой на место столбца коэффициентов при иско-
мом перемещении матрицы - столбца внешних воздействий, к самому определителю системы.
Так же вычисляется и разность угловых перемещений, выражающая деформацию одного из эле-
ментов конструкции. Например, деформация кручения задних рессор от взаимного перемеще-
ния мостов
184
|Г APm2_______АРт3 (3 38)
|53р- До
где определители Д/(т2 и образованы подстановкой матрицы - столбца внешних воз-
д<*1ствий на место пятого и шестого столбцов определителя системы Вычисления в определи
шлях легко выполняются на ЭЦВМ по стандартным программам.
Из рассмотрения упрощения механической системы ходовой части, оправданно-
।о условиями испытаний на специальных дорогах, следует, что искомые деформа-
ции связаны с внешним воздействием постоянными для данного автомобиля коэф-
фициентами. Как следует из (3.38), эти коэффициенты зависят от конструктивных
(жесткостных и размерных) параметров ходовой части Необходимо также обратить
инимание на выражение возмущающего воздействия, которое при квазистатиче-
< ком нагружении может представляться не разностью вертикальных перемещений
опор колес левого и правого бортов, а углом наклона образующей опорной по-
верхности дороги в поперечной плоскости, соответствующей превышению контак-
юп шин этих колес по колее автомобиля.
Трансмиссия автомобиля. Для анализа крутильных колебаний в трансмиссии
предлагается наряду с такими, как на рис 3.17 и рис. 3.18, множество иных схем,
включающих большое количество вращающихся масс, разветвлений упругих свя-
ти, обозначений реактивных звеньев с ограничением передачи момента сцепными
< нойствами. Подобие таких схем реальной конструкции характеризуется выбран-
ным количеством инерционно-упругих звеньев трансмиссии, кажущихся существен-
ными для формирования в ней процесса крутильных колебаний.
При этом сложность анализа многозвенных схем обычно оправдывается воз-
можностями современной вычислительной техники решать системы дифференци-
альных уравнений высокого порядка. Однако практическая реализация этих воз-
можностей оказывается крайне ограниченной располагаемыми данными о фактиче-
ких колебательных параметрах трансмиссии, которые возможно получить только
жспериментально и далеко не всегда в условиях, адекватных рабочим при экс-
плуатации или пробеговых испытаниях. Для экспериментальной оценки параметров
(рансмиссии относительно доступными являются коэффициенты крутильной жест-
кости, определяемые при испытаниях на крутильных машинах валов, шестерен, ко-
робок передач, муфт, снятых с автомобиля, и построениях характеристик упругости
поэлементно. Сложнее оценка моментов инерции крутильных масс, которая опре-
деляется весьма приближенно по конструкторской документации и реже в прямом
>к< перименте. Остается почти недоступной оценка неупругих сопротивлений в от-
дельных звеньях трансмиссии. До настоящего времени удается оценить демпфи-
рующие свойства трансмиссии только объединенной части от маховика двигателя
до ведущих колес.
Опыт показывает, что анализ колебаний многомассовых и разветвленных экви-
лплентных схем дает только качественные представления о возможных особенно-
< гях формирования переменных нагрузок в трансмиссии, а для практических целей
предпочтительнее ограничиться трехмассовой системой, эквивалентной трансмис-
< ии автомобилей массового производства с колесной формулой 4x2. Для такого
л раничения имеются следующие основания. Формируемое микропрофилем и ко-
лебаниями подвески ведущих колес возмущающее воздействие на трансмиссию, в
<i< обенности с учетом сглаживающей способности шин, сосредоточено в узком ин-
и-рвале частот, значительно меньших, чем возможные высшие частоты колебаний
л звеньях с малыми массами и высокой жесткостью соединений.
185
Далее известно, что суммарный приведенный момент инерции вращающихся
деталей коробки передач, раздаточной коробки или демультипликатора, их валов,
центрального тормоза, карданного вала, главной передачи, дифференциала и по-
луосей значительно меньше моментов инерции маховика двигателя, ведущих колес
и приведенного момента, эквивалентного по кинетической энергии поступательно
движущейся массе автомобиля. Из этого следует, что относительные колебания
этих трех масс с наибольшими моментами инерции вносят основной вклад в про-
цесс переменного нагружения трансмиссии и возможные ее повреждения.
Многочисленные экспериментальные исследования нагрузки полуосей ведущих
мостов показывают, что при движении автомобиля с установившейся скоростью по
твердой дороге процессы переменного нагружения привода правого и левого ко-
лес статистически подобны. Это объясняется уже упоминавшимся подобием мик-
ропрофиля дороги под колесами по колее моста, равномерным распределением
нагрузки по бортам автомобиля, незначительным трением в дифференциале. За
достаточный для статистического анализа промежуток времени движения характе-
ристики моментов (максимальные, средние, среднеквадратические значения) в
приводах одинаковы. Это позволяет объединить вращающиеся массы ведущих ко-
лес, а также крутящие моменты на полуосях.
При движении по дороге с покрытием или в сухом состоянии, когда коэффици-
ент сцепления обеспечивает качение колес беэ пробуксовки, в том числе и при
разгрузке ведущего моста при колебаниях подрессоренной и неподрессоренной
массы, нет надобности вводить между ведущими колесами и массой автомобиля
фрикционные элементы как на рис. 3.17.
С другой стороны, установившееся движение автомобиля в пробеге не сопровож-
дается значительными выбросами крутящего момента, превышающими момент фрик-
ционной муфты - сцепления - между маховиком двигателя и коробкой передач. По-
этому в испытательном пробеге можно считать сцепление заблокированным.
На этих достаточно очевидных основаниях в эквивалентной трансмиссии систе-
ме жесткости отдельных элементов объединяют, неупругое сопротивление в транс-
миссии характеризуют общим коэффициентом пропорциональности скорости отно-
сительных угловых перемещений маховика и ведущих колес. Точно так же объеди-
няется тангенциальная жесткость шин и неупругие силы при продольном скручива-
нии шин левого и правого ведущих колес.
Экспериментальные исследования угловых деформаций карданных валов, полу-
осей и тангенциальной деформации шин грузовых автомобилей свидетельствуют о
том, что угловая жесткость этих элементов постоянна в широком диапазоне изме-
нения прикладываемых моментов. Так как приведенные коэффициенты жесткости
шин и элементов трансмиссии вычисляются с помощью постоянных передаточных
отношений редукторов, то их значения не зависят от координат системы и посто-
янны. Приведенные моменты инерции масс системы также величины постоянные.
С учетом этих особенностей на рис. 3.21 показана типовая колебательная сис-
тема трансмиссии автомобиля с колесной формулой 4x2 или 4x4 (с отключенным
приводом переднего моста).
Для расчетов колебаний вводятся следующие обозначения параметров:
Ja - момент инерции вращающихся масс двигателя;
JK - суммарный момент инерции ведущих колес автомобиля;
Ja - момент инерции, эквивалентный движущейся массе автомобиля;
186
Сгв крутильная жесткость первичного вала коробки передач;
Скв1 ” кРУ™льная жесткость карданного вала между коробкой передач и разда-
м)чной коробкой, валов коробки передач;
Скв2 “ крутильная жесткость карданного вала привода заднего моста и валов
рлздаточной коробки;
Спо - крутильная жесткость двух полуосей;
Сшт - тангенциальная жесткость шин двух ведущих колес;
Кт, Кшт - коэффициенты неупругого сопротивления трансмиссии и шин, приве-
денные к первичному валу коробки передач.
ии. 3.21 Структурная схема колебательной системы трансмиссии автомобиля 4x2.
Вследствие постоянства этих параметров колебательная система является ли-
нейной. Упрощение схемы достигается приведением моментов инерции масс и же-
। i костей упругих связей к какому-либо одному участку. Обычно таким участком вы-
пирают коленчатый вал двигателя.
1
(кп + ~
°пв
(3 39)
Суммарная жесткость трансмиссии проще отыскивается по обратной величине - податливо -
1и которую определяют суммированием податливости отдельных элементов. При этом приве-
и-нную податливость каждого элемента находят умножением действительной податливости его
на произведение квадратов передаточных отношений редукторов, включенных до участка приве-
ь ния. Приведенная податливость трансмиссии на участке от колес до маховика двигателя запи
>< гея в виде
1 1 -2 -2 1 -2 -2
----- = ---~ III + I Г + --------
fO ‘р.к 'кп-----------------------------------------'р К КП
°тпр ипо ьк.в2 ^к в1
Приведенная суммарная тангенциальная податливость шин
1 1-2 -2 -2
—----— ------- Г I Г
'о 'р.к 'к.п-
Сщ.Пр ^Ш.Т
где /о, /рк /кп - передаточные отношения главной передачи, раздаточной коробки и коробки
in *редач
Приведение моментов инерции масс системы к коленчатому валу двигателя осуществляется
н. условия неизменности кинетической энергии во вращательном движении соответствующих
11 т алей
(3.40)
187
Приведенный к коленчатому валу суммарный момент инерции ведущих колес определяется
выражением
Л. пр .2 -2 -2 ’ (3.41)
I i I
fo 'к п 'р к
а приведенный момент инерции поступательно движущейся массы автомобиля запишется в
виде
Маг2
^а.пр “ 75 3 -2 (3.42)
I I I
'о ‘к. п *р. к
Суммарный момент сопротивления на ведущих колесах автомобиля, движущегося по неров-
ной дороге, приведенный к коленчатому валу двигателя
к л Мсо
Ч.пр = . . • (3 43)
/ / /
‘о ‘к.п ‘р к
Учитывая его структуру, можно, как рассматривалось выше, момент, приложен-
ный к трансмиссии от двигателя, считать постоянным для установившегося движе-
ния (неравномерность развиваемого на коленчатом валу момента исключается из
рассмотрения). Уравновешивается он приведенной постоянной составляющей мо-
мента реакции на колесах
М = М л
дв дО
Вследствие противоположности направлений их действия совместное приложе-
ние этих уравновешенных моментов вызывает постоянное квазистатистическое за-
кручивание трансмиссии. Тогда приведенный переменный момент
Ч = Мк . = GK (0 (3 44)
^к п ^рк ^к.п р к
является внешним возмущением, приложенным к массе колес и вызывающим ко
лебания в предварительно закрученной системе трансмиссии
Выбирая за начало отсчета положение равновесия, при котором начальное сме-
щение масс под действием уравновешенных моментов произошло, расчет колеба-
ний системы можно вести, учитывая только неуравновешенную составляющую при-
ложенного к колесам момента.
После этих преобразований эквивалентная колебательная система принимает
вид, показанный на рис. 3.22.
Рис. 3.22. Эквивалентная колебательная система трансмиссии с приведенными к коленчатому
валу двигателя параметрами.
188
Координатами, определяющими мгновенное положение системы при вынужден-
ных колебаниях, принимаются углы поворотов масс относительно положения рав-
новесия, установившегося под действием постоянных составляющих моментов
двигателя и внешнего сопротивления, и уравнения движения запишутся в виде:
^ДВ*₽ДВ + ^Т^ДВ " Ч’к.пр) + Ст.пр(*₽дв -<Рк.Пр)=О’
‘АспрЧ’к.Пр “^Т^ДВ ~ Ч’к.пр) “ Ст.пр(*₽дв ~ *₽к.пр) + кщ (*₽к.пр
“ *Ра.пр) + сш.пр(*Рк.пр “ *Ра.пр) = - Ч’
^апр^апр — Si/Фк пр - *₽а.пр) — Сш.пр^к.пр — *₽а.пр) =
(3.45)
где (р№ - угол поворота маховика двигателя; фкпр и <рапр - углы поворота приве-
денной к коленчатому валу соответственно, массы ведущих колес и маховой мас-
। и, эквивалентной автомобилю.
Приведенные моменты в трансмиссии Мг и в шинах М выражаются через при-
веденные жесткости упругих элементов и относительные перемещения масс в виде
Ч — ст.пр(*Рдв — ‘Рк.пр). — Сщ.пр^к.пр ~ ‘Ра.пр)-
Соответственно их производные по времени:
ст.пр(*Рдв *₽к.пр^ Ч сш.пр(*₽к.пр *₽а.пр);
Ч ст.пр(Фдв *₽к.пр); Ч, сш.пр(*₽к.пр *₽а.пр)-
Используя эти соотношения после некоторых преобразований системы (3.45),
получим дифференциальные уравнения моментов упругих связей Л4г и Мш в виде:
Ч + ' кт кт Ч + С С 1 VT.np + °т.пр ^дв Л.пр, АЛ
^дв Чпр, т
и ^т.пр — м с ш к. пр^ш.пр _ Ст п *Асп в м = Ст пр р ^к.пр (3.46)
Ч> + f ^111 , Мш + (с с ^ш.пр । ^ш.пр А.пр ^а.пр Мш -
Л.пр Ч.пр у
^тСш.пр - — Мт - / г мк.пр^т.пр ^Ш.Пр *Аспр Мт= Л.ПР Ч-
Заметим, что обратный переход от приведенных к коленчатому валу моментов
М1 и Мш к моментам на конкретных участках трансмиссии осуществляется с уче-
|<>м передаточных чисел редукторов, расположенных между маховиком двигателя и
рассматриваемой деталью
Для данной эквивалентной схемы нагружающие моменты будут:
на полуосях М = М L i i ;
’ ло ТО р.к к.п’
на карданном валу привода заднего моста М - = М I i ;
k.bz т р.к к.п
на карданном валу между коробкой передач и раздаточной коробкой М ,=М i •
К.Bl I к.п
189
в общем виде для /-й детали трансмиссии
Л4 = Mrip
где i. - произведение передаточных чисел редукторов между рассматриваемой
деталью и коленчатым валом двигателя.
3.5. Расчет характеристик
процессов переменного
нагружения конструкции
Рассмотренные математические мо-
дели основных динамических систем в виде взаимосвязанных дифференциальных
уравнений позволяют реализовать сформулированную вначале задачу - выразить
передаточную функцию каждой из них от внешнего воздействия (входа системы) к
реакции (выход системы).
Вместе с тем математические модели эквивалентных колебательных систем по-
казывают возможный выбор представления реакций на выходе различными про-
цессами, определяющими нагруженность при установившемся движении в испыта-
тельном пробеге. Так, нагружение несущих систем может представляться процес-
сом изменения деформации от кручения, который вызывает наиболее интенсивное
повреждение рам грузовых или кузовов легковых автомобилей.
Нагружение рессор представляется процессом изменения нормальной дефор-
мации и деформации от поперечного кручения. Нагружение деталей трансмиссии -
переменным моментом или процессом флуктуации его около установившегося
среднего значения. Наконец, нагружение деталей крепления тяжелых агрегатов в
несущей системе - процессом изменения инерционных сил при переменном уско-
рении колеблющейся подрессоренной массы. Каждый из этих процессов выража-
ется комбинацией текущих значений координат соответствующей эквивалентной
системы или их производных. Такая комбинация для принятых характеристик сис-
тем - линейная и представляет тот выход математической модели, для которого
требуется отыскать передаточную функцию. Как упоминалось выше, простой и дос-
таточный для рассматриваемых механических систем способ расчета передаточных
функций доставляют интегральные преобразования или методы операционного ис-
числения, наиболее эффективный из которых основывается на использовании пре-
образования Лапласа. Напомним кратко, что применение этого метода состоит в
следующих формальных действиях над дифференциальными уравнениями матема-
тической модели эквивалентной колебательной системы. Все функции действи-
тельной переменной - времени t, входящие в математическую модель, преобразу-
ются в функции комплексной переменной S, называемые изображениями. Фор-
мально такое преобразование выражается заменой обозначения функции действи-
тельной переменной, принятого строчными буквами, на обозначения соответствую-
щими прописными буквами как функции комплексной переменной. Производные
функций действительной переменной выражаются умножением изображения на
комплексную переменную. Этими преобразованиями дифференциальные уравне-
ния системы обращаются в алгебраические уравнения между изображениями иско-
мых функций или их комбинаций, соответствующих форме выбранного выхода. По
определению передаточная функция системы является отношением изображения
190
и< комой функции на выходе к изображению возмущающей функции на входе. От-
носительно его и разрешается система алгебраических уравнений, описывающих
м.1 тематическую модель колебательной системы в изображениях. Благодаря заве-
домо известной устойчивости рассматриваемых колебательных систем, полученная
передаточная функция комплексной переменной при устремлении действительной
части аргумента к нулю (или отрицательному значению) обращается в функцию
мнимой части его, а необходимый модуль ее отыскивается по правилам действия с
комплексными числами.
Не касаясь обоснований и превосходных возможностей метода интегральных
преобразований и операционного исчисления, освещенных в обширной литерату-
ре, подчеркнем, что кратко изложенные формальные действия приводят к получе-
нию такой передаточной функции, которая преобразует характеристику процесса
на входе в характеристику процесса, выбранного или возможного на выходе систе-
мы, как действие на него линейного оператора.
Полученная таким образом передаточная функция подставляется в соотноше-
ние (3.25), которое при заданной характеристике воздействия микропрофиля до-
роги дает численную оценку реакции системы в том же виде - спектральную
плотность выходного процесса. Как следует из рассмотренных эквивалентных ко-
лебательных систем эта характеристика описывает изменчивость выходных про-
цессов, измеряемых единицами величин, принятых координат (или их комбина-
ций, или производных по времени). Для практического использования при испы-
ьл1иях этого, как правило, оказывается недостаточно и необходимы дальнейшие
преобразования полученной характеристики в характеристику процесса, изме-
ряемого величинами непосредственного оценивания возможного повреждения
нагруженных деталей и сочленений.
Простейшим преобразованием такого рода, но наиболее важным, является об-
р.чцение характеристик процессов деформаций, перемещений, ускорений масс
или приложенных усилий к рассматриваемой детали в характеристики процесса
и 1менения напряжений в опасном ее сечении, когда эти величины связаны линей-
ной зависимостью. Тогда необходимый процесс изменения напряжения определя-
тся простым умножением выходного процесса эквивалентной колебательной сис-
н'мы на известный постоянный коэффициент связи или пропорциональности Д.
I < ли такая связь существует, то искомый процесс рассматривается как результат
действия на выходной процесс системы постоянного по величине (не зависящего
<>| частоты) оператора. По общим правилам соответствующее преобразование ха-
рактеристики выходного процесса в виде спектральной плотности выражается ум-
ножением его на квадрат действующего оператора и соотношение (3.25) принима-
>1 вид
S<T(p) = A2|H(/p)|2SQ1/(p)- (347)
Во многих случаях практического использования теории формирования процес-
< ов, повреждающих конструкцию, удается обнаружить линейную связь их с выход-
ными процессами основных колебательных систем автомобиля и вычислить вели-
чину коэффициента пропорциональности Д по конструктивным характеристикам и
ч( ртежно-технологической документации. Это обеспечивается тем, что выбор кон-
< ц>уктивных размеров и расчет деталей на прочность предусматривает нагрузку их
и пределах действия закона Гука, а от перегрузки они защищаются коэффициента-
ми запаса или ограничителями деформаций.
191
Более сложное преобразование выходного процесса возникает в том случае, ко-
гда искомый процесс формируется колебательной системой, на вход которой воз-
действует процесс реакции на внешнее возмущение другой системы. Тогда харак-
теристика искомого процесса выражается как последовательное преобразование
внешнего возмущения двумя линейными операторами, роль которых выполняют
передаточные функции участвующих колебательных систем. В общем виде это вы-
ражается следующим преобразованием
5вых(р) = |W1(p)|2|H2(p)|2Sbx(р). (3 48)
Для рассматриваемых основных колебательных систем, формирующих преобла-
дающие процессы нагружения конструкции в эксплуатации и при испытаниях авто-
мобилей, этими случаями преобразований воздействия дороги в реакцию автомо-
биля можно ограничиться. В более сложных процессах, когда нагружение форми-
руется несколькими колебательными системами раздельно, для описания преоб-
разования внешнего возмущающего воздействия дороги используются методы,
разработанные для систем автоматического регулирования, в том числе и с обрат-
ной связью так, как показано ниже для оценки нагрузки ходовой части при экс-
тренном торможении и наезде на неровности.
Особенно сложную задачу требуется решать в том случае, когда связь между
выходным процессом колебательной системы и необходимым для оценки его по-
вреждающего воздействия процессом выражается нелинейной зависимостью. Так
происходит, когда в случайном процессе изменения нагрузки агрегата рабочее
взаимодействие деталей существенно изменяет выбранную математическую мо-
дель самого процесса нагрузки или возникающего напряжения. Примером может
служить нагруженность зубьев шестерен редукторов трансмиссии. Рассмотрим, на-
пример, установившийся режим движения автомобиля в испытательном пробеге по
дороге, воздействие которой на трансмиссию описывается как стационарный слу-
чайный процесс изменения крутящего момента М . Статистические характеристики
этого процесса будем считать известными.
Экспериментальными и теоретическими исследованиями давно установлено, что
при передаче крутящего момента шестеренчатой парой каждый зуб шестерни ис-
пытывает один цикл нагрузки и разгрузки на оборот за время прохождения рабоче-
го участка линии зацепления. Изменение напряжения в основном сечении за время
этого цикла известно и описывается довольно сложной функцией от передаваемо-
го момента СГз = При установившейся скорости движения и постоянной час-
тоте вращения шестерни длительность одного цикла нагружения зуба составляет
часть времени одного оборота уТ. Тогда связь между напряжением в опасном се-
чении зуба и моментом, передаваемым шестерней, представляется в виде
f(MT) при пТ < t < пТ + уТ;
О п ри пТ + уТ <t < (п + 1)Т,
где Т = 1 /<иш; <ош - частота вращения шестерни; л = 1, 2 .
Требуется определить статистические характеристики случайного процесса из-
менения напряжения по известной характеристике случайного изменения нагру-
жающего момента и виду функции, связывающей нагружающий момент и напряже-
ние в опасном сечении при вращении пары.
=
192
Такая задача сопряжена с большими трудностями даже в том случае, когда
Функция f(M ) - несложная, а М (t) - стационарный процесс. Формирующийся в
результате процесс изменения повреждающего напряжения теряет признаки ста-
ционарности и требует для получения позитивных статистических оценок специаль-
ных математических приемов.
Рассчитывая динамическую нагрузку конструкции, следует постоянно иметь в
виду, что статическая или средняя (квазистатическая) нагрузка сохраняет свое зна-
чение для оценки способности деталей и сочленений противостоять повреждениям
и различных условиях движения при воздействии неровной опорной поверхности
нпомобильных дорог или местности на маршруте перевозки.
Практическое приложение теории формирования переменной нагруженности
конструкции от воздействия неровной дороги наглядно поясняется выкладками на
конкретных примерах.
Нагруженность листовых рессор. В подвеске автомобилей листовые рессоры,
как правило, используются не только как упругие элементы, но и частично или пол-
ностью как направляющие. В последнем случае упругие свойства рессор в трех ко-
ординатных плоскостях определяют характер взаимного перемещения подрессо-
ренной части автомобиля и неподрессоренного моста. Поэтому рессоры находятся
и сложном напряженном состоянии. Рабочие напряжения в листах рессоры включа-
ют напряжения от вертикальных усилий, связанных с колебаниями подрессоренной
и неподрессоренных масс в продольно-вертикальной плоскости, напряжения от
кручения рессор, связанного с поперечными колебаниями моста относительно под-
ре соренной части, напряжения от действия реактивных моментов, возникающих
при передаче рессорами тяговых или тормозных усилий, наконец, напряжение от
Ьоковых сил возникающих при поворотах, на косогорах и т.п. Все эти напряжения
неодинаково влияют на сопротивление усталости или долговечность рессоры. Наи-
оольшими по величине и наиболее часто изменяющимися являются напряжения от
кортикальных нагрузок. Усталостный эффект в материале рессор от этого вида пе-
ременных напряжений усиливается высокими статическими напряжениями от опи-
рающейся подрессоренной массы
Напряжения от кручения рессоры меньше напряжений от вертикальных усилий.
Они становятся соизмеримыми при движении автомобиля по разбитым дорогам,
когда поперечные колебания подрессоренных и неподрессоренных масс достигают
4 5° В этом случае приходится учитывать влияние поперечных колебаний на фор-
мируемое в рессорах напряжение.
Формирование преобладающих в эксплуатации переменных напряжений в лис-
i.ix рессор от вертикальных нагрузок происходит в динамике колебательных сис-
1<>м, эквивалентных подвеске. Как показано выше, эквивалентная система, доста-
|<>чно полно отражающая динамические процессы в подвесках передних и задних
мостов двухосных автомобилей, в подвеске передних мостов трехосных автомоби-
лем при вертикальных колебаниях подрессоренных и неподрессоренных масс при-
водится в схеме, изображенной на рис. 3.18. и описывается уравнениями (3.34)
Известно [38], что напряжения в листах равноплечей рессоры от вертикальных
нагрузок выражаются через ее конструктивные характеристики и прогиб
6ЕО/1Л
Гр = —fa (3-49)
SPLP
193
где hr - высота профиля поперечного сечения листа рессоры, Lp - длина рессоры;
Ер - модуль упругости рессорной стали; 8р - коэффициент прогиба рессоры; f -
динамический прогиб рессоры
Коэффициент прогиба рессоры 8р зависит от соотношения ширины листов в
местах заделки Ьр и на концах Вр. Для вычисления коэффициента 8р имеются таб-
лица и графики [38].
Не касаясь возможных уточнений формулы (3.49), подробно рассмотренных в
упомянутой работе, сделаем из нее лишь основной вывод о том, что для данной
конструкции листовой рессоры связь между напряжением в листах и вертикальным
прогибом ее весьма близка к линейной и выражается постоянным коэффициентом
пропорциональности
. _ 6 Ephn
р 8 L2
ир Lp
(3.50)
Для определения спектральной плотности напряжений в листах рессоры при за-
данном спектре воздействия дороги достаточно найти передаточную функцию эк-
вивалентной колебательной системы для выхода в виде динамического прогиба уп-
ругого элемента подвески f = Z —
Для этого уравнения (3.34) преобразуются по Лапласу при нулевых начальных
условиях и в результате заменяются алгебраическими между изображениями соот-
ветствующих координат и их производных:
s2Z(s) + 2ksZ(s) + Q2Z(s) - 2/<sE(s)Q2E(s) = 0;
? . 2k . . f Q2 q 1 x
s=ks) + — s3(s) -----+ or 3(s)-
p Ip J
O2
- —sZ(s) -— Z(s) = a>2Q{s)
P P
(3.51)
где прописными буквами обозначены изображения по Лапласу функций, записан-
ных в исходных уравнениях строчными буквами.
В силу линейности операции преобразования по Лапласу изображение динами-
ческого прогиба рессор можно записать следующим образом
fR <- Z(s) - E(s),
где стрелкой обозначено соответствие оригинала функции от времени ее изо-
бражению как функции комплексной переменной.
Тогда передаточная функция системы для выхода в виде динамического прогиба
по определению представляется соотношением
H(s) = [Z(s) - =(s)]/Q(s).
Разрешая систему уравнений (3.51) относительно этой величины, получим выра-
жение искомой передаточной функции через параметры эквивалентной системы
194
Hf(s) =
-0)2s2
s4 + 2k 11 + — |s3 + Q2 11 + A | + o)2
I nJ I mJ
(3.52)
s2 + 2kco2s + Q2(d2
Для вычисления квадрата модуля передаточной функции перейдем от комплекс-
ной переменной S к действительной частоте разложения, приняв S= ip. Послед-
нее допустимо в силу устойчивости колебательной системы Тогда
Н,(/р) =
(3.53)
где = 2k(l + р 1); Ь2 = Я2^1 + р 1) + cd2; b3-2kcD2; b4 = П2 со2 .
Квадрат модуля этой передаточной функции системы определяется согласно
общим правилам действия над комплексными числами и после несложных преоб-
разований приводится к виду
4
к(/р)|2 = (О2—---------------------------------у, (3.54)
[р - Nj) + N2p + N3p + Na ]
где Nt = b2 - 2b2; N2 = b22 - 2byb3 - 2b4; N3 = b% - 2b2b4; N4 = b2.
Подставляя величины (3.54) и (3.50) в (3.47), окончательное выражение нагру-
*< нности рессоры при вертикальных колебаниях подвески от воздействия на коле-
• 1 автомобиля случайного возмущения дороги, заданного энергетическим спек-
||>ом Gqu(p), представляется в виде
sQP(p) = A;|Hf(/p)|2sqv(p). (3.55)
де все величины рассчитываются по конструктивным данным испытываемого
штомобиля.
Большой практический интерес имеет оценка возможных отклонений расчетного
.нределения передаточной функции системы от ее действительного значения. С
ной целью используются испытания на барабанном стенде с синусоидальными не-
ровностями при синхронном воздействии на правое и левое колеса.
Регистрируя амплитуды прогиба рессор на каждой частоте воздействия и от-
нося их к половине высоты неровностей, установленных на барабанном стенде,
получают необходимые данные для построения амплитудно-частотной характери-
। тики Д,(р). В идеальном случае она должна совпадать с модулем передаточной
функции.
На рис. 3.23 показаны результаты расчетного и экспериментального определе-
ния их квадратов. Из графика видно, что в резонансных зонах амплитуды отлича-
ются на 10... 12%. Такое расхождение следует считать допустимым, так как разброс
параметров автомобиля, естественно возникающий по производственным причи-
к тм, и погрешности измерений в сумме находятся в этих же пределах
Если учесть и неизбежные изменения характеристик упругости подвески, демп-
фирования и конструктивных связей в системе по мере нарастания пробега в экс-
195
плуатации, то для средних оценок передаточных функций вполне приемлем расчет-
ный метод.
Рис. 3.23. Частотные характеристики подвески автомобиля ГАЗ-66 по динамическому прогибу:
1 - расчетная по конструктивным параметрам; 2 - экспериментальная на барабанном стенде с
синусоидальными неровностями; 3 - аппроксимация экспериментальных результатов подбором
параметров эквивалентной системы.
Важно также проверить соблюдение линейности соотношения между прогибом
и напряжением в листах рессоры в динамике. Поэтому при стендовых испытаниях
измерялись также напряжения в рессорах с помощью проволочных тензодатчиков
на коренных листах в зонах часто наблюдающихся в эксплуатации поломок.
На рис 3.24 показаны экспериментальные амплитудные частотные характеристики
прогиба и напряжения в коренных листах рессор передней подвески грузовых авто-
мобилей. Сопоставление ординат на одной и той же частоте определяет связь проги-
ба и напряжения в рессоре. Из сопоставления видно, что, несмотря на некоторый
разброс, связь между динамическим прогибом и напряжением в коренном листе рес-
соры линейна. Следовательно, подтверждается правильность выбора зависимости
между прогибом рессоры и напряжением в листах, описываемой выражением (3.49),
в условиях динамического нагружения рессор при колебаниях автомобиля.
Рис. 3.24 Амплитудно-частотные характеристики динамического прогиба (1) и напряжения в
опасных сечениях (2) коренных листов передних рессор автомобилей
а - ЗИЛ; б - "Урал"; в - сопоставление на разных частотах.
196
По этим экспериментам видно, что опытные данные подтверждают теоретиче-
। кие представления о структуре эквивалентной динамической системы допусти-
мость внесенных упрощений, приемлемую точность расчета передаточных функ-
ции, определяющих формирование нагруженности рессор от воздействия неровной
дороги.
Другим примером более сложного теоретического расчета реакции автомобиля
пл воздействие неровной дороги служит определение моментов, нагружающих
|р.|НСМИССИИ.
Нагружение деталей трансмиссии. Для сокращения выкладок, необходимых
дня вывода расчетных формул, удобно уравнения нагружающих моментов в коле-
('.цельной системе, эквивалентной трансмиссии, переписать в следующем виде:
+ ClM + С|2^т ~ с13^ш “ С14^ш = С14^кпр! (3
Ч, + С2|^ш + С22^ш ~ С23^т “ С24^т = “ С24^кпр-
Здесь все коэффициенты С. определяются известными параметрами системы
по соотношениям, очевидным из сравнения с записью исходных уравнений (3.46).
Эти же дифференциальные уравнения по общим правилам интегральных преоб-
разований обращаются в алгебраические между изображениями переменных мо-
ментов в комплексной области, как функции переменной S, и принимают форму:
S2/UT(S) + CnS/VfT(S) + C12MT(S) - С,35МШ(5) - С14МШ(3) = CuMKnp(S);
52Мш(5) + C2XSMW(S) + C22MW(S) - C23SMT(S) - C24MT(S) = - C24MKnp(S).
Решения полученной системы относительно неизвестных изображений момен-
тов. нагружающих валы трансмиссии, соотнесенных к считающемуся известным
и юбражению внешнего возмущающего момента, по определению представляют
. ..бой передаточные функции эквивалентной крутильной системы. В частности, для
выхода в виде приведенного момента нагружения трансмиссии, опуская элемен-
ырные выкладки, передаточная функция выражается так
—;2tPr'’2---------------- 13671
s + R(S2 + R2S + R2S + Rn
где P( = c21 — (c13c24 / c14), P2 = c22 — c24; R, = cn + c21;
R2 - c12 + cnc21 + c22 - c13c23; R3 - c12c21 + cnc22 -
C14C23 _ c13c24; R4 - c12c23 - c14c24.
He останавливаясь на упрощениях коэффициентов, которые возможны при под-
t |.1новке в них известных параметров системы, на упоминавшихся ранее основани-
чх устойчивости, стационарности системы, инвариантности параметров, модуль пе-
редаточной функции определяется подстановкой S = ip, что после преобразова-
нии и действий над комплексными величинами дает:
|н,(/р)|2
Р4 + К}р2 + к2______
14 р8 + К3ре + К4р4 + К5р2 + ке
(3.58)
де К, = Р2 - 2Р2; К2 = Р2 ; K3=R12-2R2;
Кл = R2 ч 2R4 - 2R, R3; Ks = R2 - 2R4 R2 ; K6 = R2
197
Если характеристика приведенного возмущающего момента задана его спек-
тральной плотностью Smk (р), то по общим правилам характеристика нагружающе-
го приведенного момента в трансмиссии выражается тоже его спектральной плот-
ностью по соотношению
SM.T(p) = |HT(/p)|2SMK(P) (3-59)
Но процесс переменного возмущающего воздействия, как изменяющийся мо-
мент сопротивления качению колес ведущего моста, описанный выше, выражается
через динамическое изменение нормальной нагрузки в контакте шин с опорной по-
верхностью. Изменение этой нагрузки, а следовательно, и соответствующего ей
момента сопротивления качению колес ведущего моста формируется колебатель-
ной системой подвески.
Этот возмущающий момент согласно ранее принятому соотношению (3.33) с
учетом передаточных чисел редукторов (3.44) представляется в виде
Ч ПР = М'К. = = Y G(t) <3-6°)
III 1 1 L
1О *р.к *К.П *0 *рж *к.п
При общепринятом допущении о линейности характеристики нормальной упру-
гости шин ведущего моста нагрузка в контакте с опорной поверхностью выра-
жается через коэффициент нормальной жесткости и динамический прогиб
G(0=Wn-
Подстановка в предыдущее выражение этого соотношения дает зависимость
момента, возмущающего колебания в эквивалентной трансмиссии системе, от ди-
намического прогиба шин ведущего моста
М = С vf (Г). (3.61)
к.пр ш' ' ' '
Если автомобиль имеет подвеску ведущих колес, образующую колебательную
систему такую же, как рассмотренная в предыдущем примере, характерную для
подавляющего большинства автомобилей массового производства, то процесс ди-
намического прогиба шин от воздействия неровной дороги вполне определяется
передаточной функцией той же эквивалентной системы. Отличие состоит лишь в
выборе иного выхода, выражающего динамический прогиб шин через координаты
системы
ЦП = q-t (3.62)
Для определения передаточной функции подвески по этому выходу необходимо
разрешить систему уравнений, описывающих динамику эквивалентной системы, в
комплексной области, относительно изображения соотношения (3.62) и отнести его
к изображению процесса воздействия микропрофиля проезжаемой дороги. Сохра-
няя те же обозначения, что и в предыдущем примере, искомая передаточная функ-
ция получается в виде
Н (s) - Q(S) ~ "(S) - S2_________g2 + bis + b5_________
0(s) s4 + bAs3 + b2sz + b3s + b4
(3.63)
, , 2
где b5 = b2 — (О
198
Переходя в область действительных значений частоты воздействия подстанов-
кой S — ip и опуская выкладки, аналогичные приведенным в предыдущем приме-
ре, модуль передаточной функции после элементарных преобразований получается
в виде
|^(/P)|
р2 р! + n5p2 + ь5
\р8 + N.p6 + Л/2Р4 + Л/р2 + л/4
(3 64)
где Л/5 = 2Ь5 - t)2
Теперь при заданной характеристике микропрофиля дороги спектральной плот-
ностью воздействия на заданной скорости движения соответствующая характери-
стика возмущающего момента трансмиссии определяется как результат преобра-
ювания функции воздействия операторами: переменным по частоте - квадратом
модуля передаточной функцией подвески, постоянными - коэффициентами Сщ и у
l.iKoe преобразование выражается в виде
SMK(p) = c2y2|H^J(/p)|2S£JV(p). (3.65)
Подстановка его в формулу (3.59) дает окончательное выражение спектральной
плотности момента, нагружающего трансмиссию
SM(p) - c2y2|HT(/p)|2|H/w(/p)|2Sqv(p)- (3-66)
В этой формуле видно, что реакция трансмиссии формируется последователь-
ным прохождением случайного воздействия микропрофиля неровной дороги через
две системы: вертикальных колебаний масс подвески и кузова, крутильных колеба-
ний вращающихся масс трансмиссии и поступательно движущегося автомобиля.
Как видно при заданной характеристике воздействия неровной дороги весь рас-
чет реакции трансмиссии выполняется по параметрам либо известным из конст-
рукторско-технологической документации, либо определяемым при лабораторных
испытаниях данного автомобиля. В практических расчетах следует иметь в виду,
что результирующая характеристика относится к приведенному моменту в транс-
миссии и при определении момента на конкретной детали ее следует преобразо-
вать с учетом передаточного отношения (3.47). Это выполняется как преобразова-
ние полученной спектральной плотности оператором постоянной величины, не за-
висящим от частоты.
Наглядно расчет характеристики нагружающего трансмиссию момента показан на рис. 3.25.
1десь в качестве оцениваемых нагруженных деталей выбраны полуоси ведущих колес. Заданная
пектральная плотность воздействия микропрофиля выбрана для грунтовой наезженной дороги
нри двух скоростях движения (рис. 3.25, а). Ниже в том же масштабе по оси частоты показаны
графики передаточных функций подвески и трансмиссии автомобиля, рассчитанные по извест-
ным конструктивным параметрам автомобиля типа ГАЗ-66. Подстановка значений ординат этих
ipex графиков в формулу (3.66) после предусмотренных в ней действий дает график результи
рующей характеристики нагрузки полуоси от воздействия неровной дороги На рис 3.25 г от-
мечены отчетливые пиковые значения, отвечающие частотам А, В. С, D, на которых переменный
момент наиболее интенсивно проявляется. В зоне этих частот случайный процесс изменения
момента имеет узкополосный характер. На графике видно также, что при разных формах пере-
даточных функций трансмиссии и подвески возможно крайне неблагоприятное совпадение пи-
вых значений, вследствие которого даже при невысоком значении спектральной плотности
в >здействия неровной дороги реакция в виде нагружающего полуоси момента может значитель-
на возрастать в узкой полосе частоты
199
Sq(p).MH?c/pad
1-Ю'
1-Ю
.1
F"
О 20 40 р.рад/с
а
О 20 40 р,рад/с
2
Рис. 3.25. Расчет нагруженное™ полуосей ведущего моста автомобиля ГАЗ-66 от воздействия
неровной дороги:
а - заданная спектральная плотность воздействия наезженной дороги (1 Va = 12 км/ч;
2 - Va= 22 км/ч); б,в - передаточные функции эквивалентных колебательных систем подвески ве-
дущего моста и трансмиссии; г - спектральная плотность переменного крутящего момента на
полуосях ведущих колес
Располагая такой характеристикой, как спектральная плотность нагружающего
полуоси момента, нетрудно перейти к характеристике возникающего напряжения
в сечении. При известном полярном моменте инерции опасного сечения полуоси
И/п спектральная плотность действующих напряжений от кручения определяется
как действие на процесс изменения момента постоянного оператора, а функция
спектральной плотности момента умножается на квадрат этой постоянной вели-
чины | 1 /И/п |2, что изменяет лишь масштаб и размерность графика по оси ор-
динат. На рис. 3.25 также видно, что спектральная плотность нагружающего
трансмиссию момента или напряжения является функцией быстро убывающей.
При значениях частоты более 35...45 рад е 1 реакция трансмиссии как крутиль-
ной колебательной системы на воздействие неровной дороги становится пре-
небрежимо малой. Это дает возможность по графику спектральной плотности
200
< кручивающего момента или касательных напряжений определить их дисперсию
। огласно известному соотношению
=2jSMr(p)dp (3.67)
О
В этом выражении верхний предел интеграла можно считать конечным и равным
частоте, для которой спектральная плотность становится малой. Простое плани-
метрирование площади под полученной функцией спектральной плотности дает
оценку дисперсии процесса вполне достаточной точности.
Устойчивые линейные колебательные системы подвески и трансмиссии, в кото-
рых формируется нагрузка от воздействия неровной дороги, обладают свойством
।irискажаемости характера входного процесса. Поскольку многочисленными иссле-
дованиями показано, что микропрофиль неровных дорог является случайной функ-
цией с нормальным распределением, получаемые расчетом выходные процессы
• охраняют гауссовское распределение. Благодаря этому оценка дисперсии реак-
ции открывает возможности оценки важных при испытаниях показателей работо-
способности конструкции: вероятности превышения нагрузки или напряжения в
опасном сечении заданного уровня, количества выбросов за заданный уровень на
пробеге определенной протяженности, количества экстремумов процесса нагруже-
ния на заданном пробеге по выбранной испытательной дороге и других величин,
•орактеризующих переменные нагрузки в деталях и сочленениях.
При вычисленной дисперсии процесса и обычно известных средних (статиче-
< ких) значениях нагрузки такие прогнозы для нормального распределения легко
дисгупны с использованием арсенала методов теории вероятности.
Еще один пример формирования процесса нагружения при движении по специальным доро-
। им характерен для форсированных испытаний (особенно при ускоренной доводке новых конст-
рукций) совместно несущей системы и подвески колес. Наиболее эффективны для таких испы-
ний специальные дороги типа ухабистой КИТ или трека Центрального автополигона со съем-
ными неровностями. На них достигается ускорение испытаний, например, рессор и рам грузо-
IX автомобилей в десятки раз в сравнении с длительностью испытаний на других дорогах. Од-
•и из особенностей этих испытаний является форсирование сложного нагруженного состояния.
Для рессор нормальный прогиб сопровождается поперечным закручиванием всего пакета лис-
। в что усиливает повреждающее воздействие неровной дороги. Особенно при испытаниях
лнолриводных автомобилей. Это необходимо учитывать, поскольку конструкция таких автомо-
,лей предусматривает использование их на плохих дорогах, бездорожье, местности. Отчетливо
проявляется такой вид нагрузки на задних рессорах трехосных автомобилей с балансирной под-
ft кой, где, как показано выше, интенсивное поперечное кручение возникает и от симметрично-
п перекоса обоих мостов относительно рамы, и от кососимметричного взаимного перекоса
• • ютов задней тележки. Выше были описаны связи между профилем испытательных дорог и де-
I щмациями рессор и рамы трехосного автомобиля, исходя из реальных условий движения при
..|ких испытаниях, когда нагружение представляется квазистатическим, а возникающие дефор-
ции описываются системой алгебраических уравнений (3.36). При этом передаточные функ-
ии упругой системы ходовой части обращаются в постоянные передаточные коэффициенты,
иределяемые решением системы уравнений относительно выбранной выходной переменной,
н шример. угла кручения рамы фр = /Зн. симметричного кручения рессор (рпр = /Зт1 2 - /3, ко-
н имметричного кручения задних рессор <рзр “ Рт2 ~ Рт3 Для описания соответствующих
.модных процессов необходимо иметь характеристики испытательных дорог, выраженные за-
1< имостыо текущих значений угла поперечного уклона поверхности испытательной дороги по
• »»iee от продвижения вдоль ее оси:
у = . где 2d - колея колес автомобиля.
2d
201
На рис. 3.26 приведены такие характеристики на протяжении двух соседних косых холмов уха
бистой испытательной дороги КИТ и трех последовательных неровностей трека автополигона.
Рис. 3.26 Циклическое изменение поперечного уклона (превышений) поверхности специальных
дорог по колее испытываемого автомобиля:
1 - ухабистой с косыми холмами: 2 - трека со сменными неровностями.
Ординаты соответствующих графиков, взятые со сдвигом на величину базы двухосного авто-
мобиля или на величину расстояний между мостами трехосного автомобиля, образуют последо-
вательность мгновенных значений внешних воздействий на колеса. Перемножением последова-
тельности этих сочетаний внешних воздействий на колеса и передаточных коэффициентов сис-
темы ходовой части определяются численные значения искомых деформаций от поперечного
кручения рессор и рамы по мере проезда неровностей.
На рис 3.27 и 3.28 показаны результаты такого расчета для двухосного полноприводного ав
томобиля грузоподъемностью 2 т и трехосного -5 т.
Рис. 3.27. Деформации кручения ходовой части двухосного автомобиля при движении по ухаби
стой дороге КИТ (а) и треки со сменными неровностями (б):
1 - передних рессор; 2 - рамы; 3 - задних рессор.
<р,рад
1'ИС 3.28. Деформации кручения ходовой части трехосного автомобиля на ухабистой дороге
КИТ (а) и трека (б):
1 передних рессор; 2 - рамы; 3,4 - задних рессор симметричная и кососимметричная.
Графики позволяют сравнить интенсивность нагружения ходовой части при форсирован-
ных испытаниях на рассматриваемых дорогах сопоставить формы деформаций кручения не
ущих элементов двух- и трехосных автомобилей, оценить распределение деформации меж-
ду подвеской и несущей системой. Из рис 3.27 видно, что амплитуды циклов крутильных де-
формаций рессор и рамы двухосного автомобиля при движении по ухабистой дороге КИТ и
||.еку автополигона практически совпадают. Но протяженность одного цикла на первой почти
раза больше, чем на второй. По этому можно заключить, что сопоставимые показатели
накопления повреждения от кручения этих несущих элементов конструкции, в численную
щенку которых входит количество циклов переменного нагружения на 1 или 100 км пробега
'•удут также различными. Иными словами, темп накопления повреждений в рессорах и раме
двухосного автомобиля при испытаниях на треке в 2 раза выше, чем при испытаниях на уха
ги< той дороге с косыми холмами.
Иная картина на графике деформаций кручения трехосного автомобиля (рис. 3.28). Отчетли-
в нидно существенное влияние нагрузки рессор в балансирной подвеске от симметричного и
симметричного кручения. При этом амплитуда кососимметричной деформации почти в 4
.... .1 больше симметричной. Более того, на один цикл симметричной деформации приходится
.. дополнительных пульсирующих цикла кососимметричной деформации. Эта особенность яр-
• выражена графиком, относящимся к испытаниям на треке. На ухабистой дороге дополнитель-
'' пары пульсирующих циклов ослабляются. Но в обоих случаях доминирующим видом дефор-
М щии, значительно усиливающим нагруженность задних рессор трехосного автомобиля, являет -
. ч кручение от поперечно-угловых относительных перемещений мостов в балансирной тележке
ним объясняется особенно интенсивное исчерпание ресурса задних рессор трехосных автомо-
илни, неоднократно наблюдавшееся при высокопроизводительных форсированных испытаниях
। ухабистой дороге и треке для доводки новых конструкций или оценки эффективности ре
.иных воздействий.
При исследовании особенностей деформации кручения листовых рессор балансирной те-
II *ки возник вопрос о влиянии на их нагруженность заделки коренных листов На рис. 3 29 no-
к. i |,|ны четыре наиболее распространенные конструктивные схемы опор рессор балансирных те-
*ск трехосных автомобилей. Очевидно, что вследствие кососимметричной деформации, воз-
202
203
никающей при движении по неровным дорогам, нагруженность коренных листов с опорой по
первой схеме больше, чем в остальных случаях. Причина в том. что, несмотря на благоприятную
для обкатывания нижней плоскостью коренного листа форму поверхности опоры, зазор внутри
заделки быстро выбирается при значительных крутильных деформациях Заделка на большей
части цикла при рассмотренных условиях испытаний становится жесткой, от чего заметно повы-
шаются напряжения, в особенности от кососимметричного кручения.
Рис. 3.29. Конструктивные схемы опор коренных листов рессор задней балансирной подвески
трехосных автомобилей.
Ранее* совместно с А.А.Слыховым рассмотрена теория расчета листовых рессор при попе-
речном кручении, из которой следует прямая пропорциональность напряжения в опасных сече-
ниях листов и поперечно-угловой деформации рессоры в пределах ограничений, предусмотрен-
ных конструкцией подвески. Расчет коэффициента пропорциональности по данным конструктор-
ско-технологической документации не слишком сложен, но требует учета различных конструк-
тивных особенностей (размещения хомутов, охватываемых ими пакетов листов, заделки концов
и других подробностей, влияющих и на выбор опасного сечения). Экспериментальная проверка
этой зависимости в разных видах испытаний, проведенная совместно с А.И.Зарайским, показа-
ла удовлетворительное соответствие теоретического представления линейной связи между по-
перечно-угловой деформацией подвески и напряжением в наиболее нагруженных сечениях лис-
тов рессор разной конструкции опытным результатам. Поэтому расчетные зависимости, приве-
денные на рис. 3.27 и рис. 3.28, преобразуются в зависимости напряжений в листах рессоры от
воздействия дороги умножением на соответствующие коэффициенты связи или пропорциональ-
ности, вычисляемые по конструкторско-техн©логической документации на испытываемый авто-
мобиль или оцениваемые в прямом эксперименте на стенде кручения рессор.
Необходимо обратить внимание также на то, что при поперечно-угловой деформации рессор
за счет перемещения моста относительно рамы ("симметричное" кручение в балансирной под-
веске) возникает и нормальный прогиб. При перекосе мостов относительно рамы вертикальное
смещение соединения рессоры с мостом пропорционально углу взаимного перемещения и об-
ратно пропорционально рессорной базе. Непрерывное изменение этих величин в движении ав-
томобиля по испытательной дороге определяет непрерывное изменение сложного напряженного
состояния листов рессор.
Рассматриваемый пример приложения теории формирования нагрузки характе-
рен и тем, что показывает возможные пути регулирования внешних воздействий с
целью оптимизации условий испытаний одновременно нескольких ответственных
агрегатов.
В частности, при форсированных испытаниях рам трехосных автомобилей од-
новременно может быть получена необходимая информация и о наиболее нагру-
женных задних подвесках. Но для того, чтобы такая информация была достаточно
полной, необходимо выравнивание интенсивности переменного нагружения этих
агрегатов. Как видно из рис. 3.28, нагруженность рессор даже с учетом деформа-
ций кручения при испытаниях на треке со съемными неровностями слабее, чем
нагружение рамы. В результате испытательный пробег до повреждения рамы, оп-
ределяющий ее ресурс, оказывается недостаточным для оценки ресурса рессор.
Автомобильная промышленность - 1980. - № 1. - С. 19-22.
204
Дня иных конструкций это соотношение может быть обратным. Исследования фор-
мирования процессов нагружения показывают, что оптимальным является такое
воздействие, при котором накопление повреждения в обоих агрегатах происходило
>ы примерно с одинаковым темпом. Это достигается изменением размещения не-
ронностей на треке или их композицией.
Для наглядности рассмотрим качественные оценки нагруженное™ рам и рессор при двух
композициях обычно используемых трапециевидных неровностей на треке. Первая из них соот-
к гвует расстановке неровностей с интервалом, равным базе автомобиля поочередно на пра-
н>и и левой колее (рис. 3.30, а), используется для форсированных испытаний рам, не учитывая
»фективность и воспроизводимость эксплуатационной нагруженное™ рессор. На рис 3.30. б
казана оптимальная расстановка неровностей, учитывающая воспроизведение обнаруженной
। лк терной деформации рессор от взаимного перекоса мостов и сохраняющая одновременно
<| бисированное кручение рам Усиленная деформация кручения задних рессор балансирной
днески от перекоса мостов достигается тем. что часть неровностей размещается попарно на
> • стоянии, примерно равном базе балансирной тележки Этим создается дополнительный раз-
енный цикл закрутки задних рессор. На рис. 3.30 видно, что один цикл нагружения в первой
и мпозиции - /_ц1. Во второй композиции цикл Гц2 несколько увеличивается за счет дополнения
<»« тками эффективного кручения задних рессор, воспроизводящего вскрытую анализом де-
‘|>|рмацию от перекоса мостов. При этом, конечно, и рама получает на этих участках дополни-
". иные закручивания.
3 30 Схема расстановки неровностей на испытательном треке Центрального автополигона:
равномерная по базе автомобиля; б - оптимальная; в - профиль неровности (размеры в м)
1го6ы оценить соотношения нагруженное™ и рамы, и рессор, рассчитывается процесс де-
рмации за цикл в обоих случаях по формулам квази статического нагружения и табличному
• !И( анию микропрофиля опорной поверхности трека q(/). Последний при заданных на рис. 3.30
। «мощениях неровностей и их размерах составляется предельно просто по четырем значениям
i| < вышения поверхности каждой неровности.
На рис. 3.31 показаны результаты расчета квазистатической деформации за каждый цикл на-
.жения задних рессор от перекоса мостов трехосного автомобиля при разных расстановках
ровностей, нанесенных на схеме рис. 3.30
как видно, поперечное кручение рессор за цикл во втором случае усиливается двумя периода-
• и« и «менения деформации с самыми большими размахами. За 1 км пробега это усиление дает
I I, «чительное повышение переменной нагруженное™ от наиболее повреждающего воздействия
205
Рис. 3.31. Деформации поперечного кручения задних рессор автомобиля ’’Урал' при испытани-
ях на треке с равномерной (а) и оптимальной (б) расстановками неровностей:
1 - от симметричного перекоса мостов относительно несущей системы; 2 - от взаимного (косо-
симметричного) перекоса мостов в балансирной подвеске.
Количество примеров теоретической оценки реакции автомобиля на воздейст-
вие неровной дороги можно привести значительно больше. Так, рассчитывая реак-
цию системы, эквивалентной ходовой части по выходу вертикальных ускорений
масс и зная массы монтируемых на них отдельных агрегатов или устройств, можно
получить характеристику переменных процессов инерционных перегрузок деталей
крепления. По характеристикам прогиба рессор оценивается вероятность повреж-
дения лонжеронов рамы от ударных импульсов при пробое подвески и др
Но теория показывает в общем виде как рассчитать реакцию автомобиля на
воздействие неровной дороги при известных параметрах конструкции и связях
возникающих нагрузок, деформаций и напряжений. Во многих случаях при под-
готовке испытаний, в особенности новых моделей автомобилей, располагаемых
данных крайне мало и недостаточно для расчетов. При таком положении теория
указывает эффективное применение экспериментально-расчетных методов опре-
деления характеристик процессов нагружения. Действительно, если ожидаемое
слабое место конструкции определено, то регистрация процесса нагружения хо-
рошо освоенными методами измерения в ограниченном пробеге на одной из
стабильных испытательных дорог дает исходную информацию для получения ха-
рактеристики в виде спектральной плотности искомой реакции автомобиля мето-
дами обработки на ЭЦВМ по программам, ставшим уже стандартными. Отноше-
ние такой характеристики к известной для данной дороги спектральной плотно-
сти воздействия на заданной скорости доставляет оценку нужной передаточной
функции согласно общей теории спектрального анализа случайных процессов в
виде
|нр(/р)|2 = 5вых(Р) . (3.68)
1 р 1 Sqv(p)
Поскольку характеристики микропрофиля всех испытательных дорог известны, а
состояние их на технической базе поддерживается стабильным, с помощью полу-
ченной таким образом пеоедаточной функции определяются оценки характеристик
206
|и'акции на воздействие других дорог. Это используется для составления эффок-
1ИПНОГО плана и нормирования испытательного пробега.
Опуская подробности оценки передаточной функции или точнее амплитудпо-
ч.к готной характеристики системы, где формируются интересующие нагружения,
н<> выражению (3.68), отметим лишь, что обычно функция когерентности рассмат-
риваемых процессов при таком расчетно-экспериментальном методе приближает-
i и к единице Поэтому в сравнительно узкой области частот реального воздейст-
вия неровной дороги оценка (3 68) не слишком смещена.
Физически пригодность (3.68) для практических расчетов определяется невысо-
ким уровнем посторонних воздействий (шумов), малой нелинейностью механиче-
ких систем автомобилей, линейностью измерительных преобразователей и реги-
ц>ирующей аппаратуры, обнаруживаемых при тарировке и калибровке. Расчетно-
ik( периментальные характеристики процессов переменного нагружения дают ос-
пину выбора оптимальной комбинации используемых в пробеге испытательных до-
ро| протяженности пробега на каждой из них в определенном режиме движения
дня достижения таких целей, как минимальная длительность испытаний, минималь-
ный расход топлива, максимум экономии затрат
Главные трудности использования и теоретических, и расчетно-эксперименталь-
ных методов оценки реакции автомобиля на воздействие неровной дороги состоят
и определении прежде всего физического процесса, непосредственно повреждаю-
що|0 детали, и связи его с выходными расчетными или экспериментально наблю-
даемыми процессами нагружения. Не менее сложной задачей является выбор эле-
MI нгов конструкции, наиболее нагруженных, уязвимых и лимитирующих долговеч-
но! 1ь и безотказность автомобиля в пробеге. В преодолении этих трудностей ос-
копную роль играют анализ накопленных сведений о повреждаемости автомобилей
“ жсплуатации и пробеговых испытаниях, в стендовых испытаниях, совершенство-
||,|||ии методов расчета функций связи внешних воздействий и повреждающих кон-
|рукцию процессов, оптимальных методов оценки предельных состояний отдель-
ных агрегатов, деталей и полнокомплектных автомобилей.
Глава 4. ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ
И НАГРУЖЕННОСТЬ КОНСТРУКЦИИ
В ПРОБЕГОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Теория формирования повреждаю-
щего воздействия на автомобиль неровной дороги, как наиболее интенсивного
фактора взаимодействия с внешней средой, эффективна прежде всего при пла-
нировании пробеговых испытаний. Идеальным было бы знание точной зависимо-
сти между расчетными характеристиками реакций автомобиля на воздействие
разных испытательных дорог и пробегами до разрушения каждой детали, сочле-
нения, части конструкций и т.д. Тогда можно было бы по результатам расчета на
математических моделях выбрать распределение пробега по видам дорог для
ускоренных и с равной полнотой испытаний всех элементов конструкции. Но яс-
но, что для такой сложной технической системы как автомобиль установление
подобных зависимостей недостижимо. Поэтому исследования повреждаемости в
пробеговых испытаниях направлялись на выявление закономерностей, прояв-
ляющихся в массовых опытных наблюдениях, относительно отдельных укрупнен-
ных групп или наиболее ответственных деталей или агрегатов. Одна из главных
целей этих исследований состояла в определении среди множества причин раз-
личных поломок, неисправностей, дефектов доминирующего фактора повреждае-
мости в пробеговых испытаниях.
Здесь уместно пояснить, что "повреждаемость" используется не как термин, а
как понятие, охватывающее существенные особенности процессов потери или ог-
раничения способности автомобиля выполнять свои функции, отражающее как ди-
намику, так и глубину явления.
Понятие "повреждаемость" более общее, чем термин "надежность", обозначаю-
щий совокупность свойств, оцениваемых количественно по результатам проведен-
ных испытаний конкретной машины в заданных условиях.
При исследованиях повреждаемости как явления требовалась очень обширная
информация. Поэтому для обобщения и анализа из всех видов испытаний пред-
почтение отдавалось тем, которые выполнялись с наибольшей протяженностью
пробега. Такой вид испытаний определен в терминах надежности, как испытания
долговечности, а затем как ресурсные. Впервые объем этих пробеговых испыта-
ний определен в автомобилестроении, по-видимому, положением Минавтопрома
СССР в 1947 г. для "испытаний на износ" в 100 тыс.км с разбивкой по разным
видам дорог. Предусматривалось выполнение пробега повторяющимися циклами
по 20 тыс.км. После установления стандартом основных терминов надежности
изменился подход к назначению объема пробеговых испытаний. По ГОСТ 27002-
86 долговечность определяется как свойство объекта сохранять работоспособ-
ность до наступления предельного состояния при установленной системе техни-
ческого обслуживания и ремонтов. Таким образом, объем пробега определяется
результатами испытаний.
Другой термин надежности - безотказность - определяется как свойство объек-
та непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или
некоторой наработки.
В отношении автомобильной техники применение этих терминов имеет неко-
торые особенности. Формулировка безотказности не включает перерывы в рабо-
те, неизбежные для планового технического обслуживания, отдыха персонала.
208
заправки и т.п. Кроме того, относительно деталей автомобиля заведомо пере-
монтируемых, безотказность и долговечность совпадают. Это следует иметь в
виду при оценке информативности испытаний, используемых для исследования
повреждаемости
В частности, несмотря на то, что ресурсные испытания дают наибольшую ин-
формацию, важное значение имеют и инспекционные испытания, традиционно
именовавшиеся длительными контрольными испытаниями (ДКИ). Хотя устанавли-
ваемый в них пробег 25. .50 тыс.км значительно меньше ресурсного, но относи-
тельно многих элементов конструкции инспекционные испытания могут выявить
характерные поломки, повторяющиеся и в ресурсных пробегах. Кроме того, зна-
чимость инспекционных пробеговых испытаний повышается их систематичностью
(долгое время они планово проводились ежегодно на каждой базовой модели
серийного производства), ответственностью результатов (материальные гаран-
тии потребителям заводом-изготовителем на установленном пробеге), началь-
ным периодом функционирования, когда дефекты производства проявляются
наиболее интенсивно.
При исследовании повреждаемости в испытательных пробегах трудности возни-
кают прежде всего вследствие сложности механических воздействий на различные
детали при движении по различным дорогам. Как видно из теории формирования
реакции автомобиля на воздействие неровной дороги в движении возникают и по-
стоянные или медленно меняющиеся нагрузки - статические или квазистатические,
и интенсивные переменные динамические нагрузки. При этом формы и измерите-
ли нагруженности многообразны. Статические нагрузки на разные детали могут
быть растягивающими, сжимающими, изгибающими, скручивающими, срезающи-
ми, вдавливающими. Динамические нагрузки к тому же могут быть ударными, ко-
лебательными, проявляться ускорениями, относительным трением, акустическим
шумом.
Предопределить доминирующий вид нагрузки в сложной конструкции автомоби-
ля при случайном процессе воздействия дороги в пробеговых испытаниях крайне
сложно. Даже при обнаружении фактического повреждения далеко не всегда быва-
ет очевидной его причина и часто требуется металлографический анализ поломки
для достоверного определения его физической природы и затем вызвавшего по-
вреждающего воздействия.
В целом же по автомобилю определение доминирующего повреждающего про-
цесса в пробеге возможно только из обобщения и анализа накопленного опыта,
используя инженерную практику сопоставления внешнего проявления повреждения
с обстоятельствами движения и характером формируемой нагруженное™.
4.1. Систематизация
повреждений, их причин
и оценки состояния
автомобиля
Впервые анализ повреждаемости ав-
томобилей в пробеговых испытаниях был предпринят на основе экспертных оценок
наблюдений в представительной выборке [49]. Были обобщены материалы 28 вы-
полненных различных испытаний с пробегом в объеме объявленного или ожидае-
мого ресурса. Обнаруживаемые повреждения объединялись как по очевидным или
209
устанавливаемым лабораторными исследованиями признакам формы нагружения,
так и по формам проявления Для этого все повреждения разделялись на следую-
щие группы, отражающие также и сложившиеся в автомобилестроении обозначе-
ния дефектов:
I - повреждения от усталости материала в виде трещин, изломов, выкрошива-
ния рабочих поверхностей;
II - истирание, изнашивание валов, втулок, зубчатых колес и других деталей (ис-
ключая резинотехнические изделия);
III - повреждения резинотехнических изделий;
IV - нарушения регулировок;
V - перетирания элементов конструкции в результате вредных контактов;
VI - прогорание прокладок, газопроводов, трубопроводов и других деталей;
VII - течи топливосмазочных материалов и рабочих жидкостей, причинами кото-
рых не является повреждение резинотехнических изделий,
VIII - прочие, в том числе по неустановленным причинам.
При таком группировании распределение обнаруженных повреждений отнесено
к автомобилям каждого крупного завода-изготовителя.
Результаты обобщения, например, по автомобилям многоцелевого назначения
(полноприводным), где повреждаемость особо внимательно отслеживалась, приве-
дены в табл 4.1.
Таблица 4 1
Автомобили Распределение повреждений по группам, %
1 II III IV V VI VII VIII
УАЗ 54 15 13 8 1 3 3 3
ГАЗ 48 8 25 3 3 2 1 10
ЗИЛ 44 9 22 1 2 1 1 20
УралАЗ 56 4 17 2 4 9 2 6
КрАЗ 50 8 23 3 9 2 1 4
Таблица показывает, что повреждения вследствие усталости материала де
талей конструкции являются преобладающими. Для проверки такого вывода
рассматривались также рекламации, поступавшие от потребителей по соответ-
ствующим моделям автомобилей. Показательно, что в рекламациях усталост-
ные разрушения составляли 60..88% общего числа. Следовательно, этот вид
повреждений весьма тяжелый, так как рекламации на практике предъявляют,
как правило, при значительной трудоемкости устранения поломки часто с за-
меной агрегата.
По тем же данным испытаний оказалось, что усталостные повреждения несущих
агрегатов ходовой части (рамы и подвески) составляют до 30%, а трансмиссии -
до 20% Приведенные данные по полноприводным автомобилям сопоставлены с
результатами, полученными по 69 испытаниям грузовых автомобилей общего на-
значения, в которых использовано 137 образцов различных моделей. Распределе-
ние повреждений по группам оказалось очень близким.
При такой же разбивке на группы отдельно рассмотрена повреждаемость агре-
гатов трансмиссии. Результаты приведены в табл 4.2.
210
Таблица 4 2
Агрегат Распределение повреждений по группам, %
1 II III IV, V VIII
Сцепление 11 2 2 2 1
Коробка передач 8 3 3 3 1
Карданная передача 20 4 5 2 1
Ведущий мост 16 4 7 3 2
Всего по трансмиссии 55 13 17 10 5
Из приведенных материалов видно, что ускорение испытаний в большинстве на-
блюдаемых повреждений определяется исчерпанием ресурса по сопротивлению
усталости деталей. Исходя их известных закономерностей усталостного поврежде-
ния материалов, ускорение испытаний осуществляется увеличением переменных
нагрузок и частоты их приложения. Таким образом, форсирование испытаний авто-
мобилей в основном сводится к проблеме обоснованного и управляемого форми-
рования интенсивных переменных нагрузок на детали в движении
При повышении переменных нагрузок есть основания ожидать не только уско-
ренного накопления усталостных повреждений, но и сокращения времени до появ-
ления других отказов, так как, например, изнашивание твердых тел обусловлено
усталостным разрушением поверхностного слоя в результате многократного воз-
действия. оказываемого контактирующим телом В еще большей степени ускоре-
ние испытаний форсированием переменнных нагрузок достигается при значитель-
ных напряжениях в сечениях трущихся пар. В этом случае изнашивание поверхно-
стей уменьшает площадь опасных сечений и увеличивает концентрацию напряже-
ний. Но природа повреждений остается усталостной, так как разрушения возника-
ют после определенного уменьшенного по сравнению с неизношенной деталью
числа циклов переменного нагружения.
Исследование, основанное на группировании данных о повреждениях, обнару-
живаемых при эксплуатации и испытаниях, продолжено в работе В.П.Шалдыкина
[61 и др.]. По материалам в основном инспекционных испытаний, сосредоточенных
в банке данных информационно-расчетной автоматизированной системы Централь-
ного автополигона, анализировались повреждения, неисправности, отказы в вы-
борках по разным типам автомобилей следующего объема: легковые - 76 образ-
цов. автобусы - 70 образцов, грузовые общетранспортного назначения - 138, мно-
гоцелевого назначения - 93 образца
Представительность такой выборки, ранее в отечественном автомобилестроении
не образовывавшейся, относит выполненный по ней обстоятельный анализ повре-
ждаемости к числу пока что самых достоверных. Основные результаты этой работы
кратко сводятся к следующему:- легковые автомобили: характерные повреждения
кузова, в среднем от 45% на автомобилях производства ЗАЗ, до 55% на автомоби-
лях АЗЛК (от общего количества), в виде трещин, разрушения креплений, отрывов
кронштейнов; повреждение электрооборудования в среднем 11%; повреждение
подвески около 8%; - автобусы: так же, как и легковые автомобили отличаются по-
вреждаемостью кузова (в среднем 39% неисправностей), среди которых деформа
ции оконных проемов с разрушением стекол, многочисленные трещины передка,
основания, лонжеронов; значительная доля неисправностей приходится на подвес-
21 1
ку (в среднем 16%), включая поломки листов рессор, разрушение и деформация
рычагов, втулок, креплений; - грузовые автомобили общетранспортного назначе-
ния: наибольшее количество повреждений - по кабинам и кузовным деталям (в
среднем 27% общего количества), включая трещины в местах дверных проемов
смещение панелей, трещины пола, ослабление и разрушение креплений агрегатов;
- многоцелевые автомобили (полноприводные): повреждения элементов несущей
системы (в среднем 19%), наиболее уязвимыми являются нагруженные детали
подвески (в среднем 11% обнаруженных поломок), включая поломки листов рес-
сор, трещины кронштейнов балансирной подвески, разрушения втулок крепления
амортизаторов, изноем шкворней.
В цитируемой работе предпринята заслуживающая внимания попытка количест-
венной оценки вкладов различного вида нагружений в общую повреждаемость, что
благодаря упомянутой репрезентативности выборки наблюдений дает убедитель-
ные основания выводам. Были также выделены основные общепринятые виды на-
гружений конструкции, характер или черты каждого вида нагружения, как оцени-
ваемые по их вкладу в повреждаемость факторы, внешние проявления поврежде-
ний и неисправностей, по которым они относились к оцениваемым факторам. Та-
кая постановка квалификации повреждений отражена в табл. 4 3
Таблица 4 3
Вид воздействия Определяющий фактор повреждения Условное обозначение фактора Реакция конструкции на воздействие определяющего фактора
Механический Переменные низкочастотные нагружения X Усталостные трещины и разрушения несущих основную нагрузку деталей, бринелирование, питтинг, ослабление крепления массивных элементов
Ударные нагрузки X Разрушение и деформация деталей из-за превышения предела прочности, в том числе ослабленных усталостными явлениями
Вибрация X Трещины тонкостенных элементов, трубопроводов, ослабление креплений, перетирания трубопроводов, электропроводов и др.
Трение Л, Износы, задиры, подрезы, бринелирование, питтинг
Термический Температура X Прогорания, прожоги, коробления, осмоления, накипи и др.
Химический Коррозионно- активные агенты среды Xi Коррозия элементов кузова, электрооборудования и др.
Солнечная радиация. Химическая активность масел, топлива, жидкостей *7 Старение неметаллических материалов, потеря эластичности гибких неметалли- ческих элементов, разбухание резиновых изделий, отклеивание уплотнителей и прокладок
Механический Наличие посторон- них предметов в рабочих зонах узлов и агрегатов X Задиры, изломы, заклинивания, замасливания и др.
212
Количественные результаты показаны в виде диаграмм, выражающих процент-
ное (к общему количеству) распределение неисправностей, поломок и отказов, от-
несенных к каждому фактору нагружения по указанным признакам (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Распределение повреждений по основным факторам воздействия на автомобилях
а - легковых; б - автобусах; в - общетранспортного назначения; г - многоцелевых (полнопри-
водных).
Не касаясь подробностей проведенного в этой же работе факторного анализа с
учетом не только обнаруживаемых повреждений, но и соответствующей наработки,
приведем лишь следующий основной вывод. Обобщение и анализ обширных ре-
зультатов испытаний показал, что основная часть повреждений автомобильной тех
ники, включая такие ответственные элементы конструкции как кузова, кабины, ра
мы, рессоры, трансмиссии, электрооборудование, тормоза (в среднем до 64% всех
отказов), происходит в испытательных пробегах от формирующихся переменных
нагрузок в виде колебательных процессов и вибраций, вызывающих усталость ма-
териала, перегрузки выше пределов прочности, ускорения подрессоренных масс и
инерционные перегрузки соединений, износы от трения, коррозии.
Преобладают же во всем объеме наблюдаемых повреждений усталостные раз-
рушения от переменных нагрузок часто в неблагоприятном сочетании с другими
факторами.
Проведенные исследования дали убедительный ответ на главный вопрос - по
какому виду нагружения среди множества повреждающих воздействий следует
213
рассчитывать план испытательного пробега по различным испытательным доро-
гам с тем, чтобы добиться ускоренных и возможно более сопоставимых резуль-
татов. Как видно, наибольшее соответствие возникающих в пробеговых испыта-
ниях повреждений следует ожидать при сопоставлении и регулировании нагру-
жения, вызывающего усталость материала конструкции. Измерителями такого
нагружения, как известно, являются характеристики переменного напряжения в
материале.
Но для практической реализации этого важного положения требуется решение
следующих вопросов: какие элементы испытывают наибольшую нагрузку и где воз-
никают переменные напряжения, наносящие наибольший ущерб конструкции.
Несмотря на то, что обобщение и анализ повреждаемости вполне отчетливо вы-
деляет наиболее интенсивный фактор нагружения, установить уязвимые элементы
такой конструкции как автомобиль, в особенности новой модели, крайне сложно.
Эта сложность порождается чрезвычайно широким разбросом проявления повреж-
дения как по месту, так и по времени обнаружения в испытательном пробеге.
Предварительная инженерная проработка конструкторско-технологической доку-
ментации, проектных расчетов, обычно представляемых в распоряжение специали-
стов-испытателей вместе с испытательными образцами, позволяет составить неко-
торые ориентировочные представления о возможно перегруженных частях, узлах,
деталях, где следует ожидать повреждений в испытательном пробеге. Такие пред-
ставления составляются прежде всего на основании накопленного опыта, инженер-
ной интуиции, но опираются на установившиеся положения о предельных состоя-
ниях конструкции.
Вместе с тем хорошо известно, что предельное состояние конструкции автомо-
биля, по достижении которого следует капитальный ремонт, может определяться
критериями далеко не однозначными для разных не только условий эксплуатации,
но и экономических условий, технических возможностей, целей использования АТС
у потребителя. Поэтому критерии предельного состояния разделяются на техниче-
ские и экономические, а окончательно устанавливаются соглашением. Такое согла-
шение между автомобилестроением и автотранспортными ведомствами достигнуто
в согласованном Положении о техническом обслуживании и ремонте подвижного
состава автомобильного транспорта [42]. В нем определены основные агрегаты ав-
томобиля, их базовые и основные детали. Предельное состояние конструкции по
техническим критериям считается наступившим, если достигли предельного со-
стояния: у грузовых автомобилей общетранспортного назначения, полноприводных
автомобилей, прицепов и полуприцепов - рама, у легковых автомобилей, автобу-
сов - кузов (рама). Предельное состояние определяющих частей конструкции
включено в перечень и описание предельных состояний всех основных агрегатов,
как показано в табл. 4.4.
Учитывая существенное влияние на оценку предельного состояния условий экс-
плуатации. обеспеченности запасными частями, финансового положения автотранс-
портного предприятия, что в свою очередь мешает установке единых нормативов для
организации эффективной системы обслуживания, текущего и капитального ремон-
тов, технические критерии предельного состояния дополнены экономическими.
Такими критериями выбраны предельные расходы запасных частей по их стои-
мости в процентах от оптовой стоимости автомобиля. При этом учтено, что в ре-
сурсных испытаниях на стабильной технической базе автополигона со строгим со-
блюдением предписываемых правил технической эксплуатации, своевременной ди-
214
агностики, текущих ремонтов и точного учета расхода запчастей разброс результа-
тов по этому критерию значительно меньше, а среднее значение устойчивее, чем
это наблюдается в эксплуатации. Поэтому и значения критерия, определенные по
обобщению результатов полигонных испытаний и наблюдений в опытной эксплуа-
тации, установлены не одинаковыми (табл. 4.5).
Таблица 4.4
Основной агрегат Базовые и основные детали Типичные неисправности, при возникновении которых наступает предельное состояние базовых деталей и (или) агрегатов
Двигатель Блок цилиндров Износ посадочных поверхностей и отверстий под монтаж: вкладышей коренных подшипников, втулок распредвала, бортов гильз цилиндров, толкателей клапанов; трещины перемычек гильз цилиндров, рубашек системы смазки, системы охлаждения, фланцев крепления агрегатов; коробление привалочных поверхностей
Вал коленчатый Износ или задиры коренных и (или) шатунных шеек; трещины, излом, изгиб, коробление
Коробка передач, коробка раздаточная, коробка отбора мощности, мост ведущий Картер, валы, шестерни, подшипники, синхронизаторы Трещины усталости, изломы фланцев крепления, коробление привалочных плоскостей; износ посадочных поверхностей под подшипники, посадочных бургов; износы разрушения, повышенный шум, превышающий допустимые нормы
Валы карданные Трубки, вилки Трещины усталости; коробление, изгиб, вызывающие неустранимый дисбаланс; износ шлицевых соединений, отверстий под стаканы подшипников
Передний мост Балка, поперечина независимой подвески Изломы, трещины усталости; износ посадочных мест . под втулки шкворней, подшипников поворотных кулаков; коробление, прогиб балки или поперечины
Задний мост Картер моста, дифференциал Трещины и прогибы балки, невосстанавливаемые износы; износы, разрушения шестерен, подшипников, валов, повышенный шум
Управление рулевое Картеры рулевого механизма, гидроусилителя Трещины усталости, излом фланцев крепления; и^чос отверстий под втулки (подшипники), износ рабочей поверхности; предельный люфт механизма, неустранимый регулировкой
Рама, надрамник Лонжерон, поперечина Разрушения, исключающие эксплуатацию автомобиля и требующие для ремонта демонтаж основных агрегатов с заменой лонжеронов или поперечин
Кабина, кузов легкового автомобиля, автобуса Каркас, каркас основания Усталостный излом одного и более силовых элементов; усталостный излом стойки дверных проемов; скаозная коррозия основания коробов
Использование согласованных между изготовителями и потребителями автомо-
бильной техники положений о предельных состояниях конструкции приводит к сле-
дующему выводу. И по техническим, и по экономическим критериям бесспорно ли-
митирующими ресурс являются рамы грузовых и кузовы легковых автомобилей с
преобладанием усталостных повреждений при переменных напряжениях в местах
разрушения.
215
Таблица 4-5
АТС Допускаемый расход запасных частей, в %, от оптовой щоимости нового АТС
при полигонных испытаниях в эксплуатационных наблюдениях
Автомобили общетранспортного назначения: малой грузоподъемности (от 1 до 3 т) 10 10
средней грузоподъемности (от 3 до 5 т) 10 25
большой грузоподъемности (от 5 до 8 т) 10 25
особо большой грузоподъемности (от 8 т и более) 10 25
Автомобили повышенной проходимости 15 30
Легковые автомобили 5 10
Автобусы 10 25
Примечание. Оптовая стоимость автомобиля в расчете принимается за вычетом стоимо-
сти шин. аккумуляторных батарей, радиоприемника, дополнительного снаряжения, авголамп и
электропроводки.
Другая преобладающая часть повреждений приходится на трансмиссии, где ус-
талостные разрушения тоже определяют в большинстве случаев предельное со-
стояние деталей и лимитируют ресурс агрегатов. Но переменное напряжение в ма-
териале деталей трансмиссии отличается своеобразным формированием циклич-
ности (например, в зубьях шестерен), а в отдельных элементах является лишь
предпосылкой разрушения иного рода (например, коробление и растрескивание
дисков сцепления)
Поэтому общие задачи определения связи между выходными характеристиками
систем формирования переменной нагрузки и повреждающими напряжениями для
ходовой части и трансмиссии существенно отличаются. Но для обеих частей оста-
ется трудной задачей определение наиболее нагруженного сечения или участка
конструкции. Эту задачу необходимо решать и для теоретического расчета, и для
непосредственного измерения формируемого процесса переменного напряжения,
определяющего интенсивность усталостного разрушения
Особенно сложен выбор наиболее уязвимого места или сечения несущих час-
тей, заведомо определенных как лимитирующих ресурс, на рамах грузовых и на ку-
зовах легковых автомобилей. Зоны, где возникают наибольшие напряжения в мате-
риале, обнаруживают себя различно при разных способах приложения внешних
воздействий на колеса (рессоры): симметричном и кососимметричном относитель-
но продольной оси автомобиля или смешанном, что. как правило, вызывает слож-
ное напряженно-деформированное состояние конструкции.
Для выявления зон наибольшей нагруженности опробовались несколько известных методов
измерений местных напряжений и деформаций материала.
Метод хрупких покрытий, основанный на эффекте образования трещин в нем под действием
приложенных местных нагрузок, в принципе, мог бы быть вполне подходящим, но большие габа-
ритные размеры, сложная конфигурация поверхности, изобилующая заклепками, сварными шва-
ми, отверстиями и соединениями, требуют не только большого расхода материалов и времени
подготовки, но почти исключают возможность равномерного по толщине нанесения покрытия
Без соблюдения этого обнаруживаемые сетки трещин не адекватны полям напряжений. Поэтому
метод использовался только на локальных участках.
216
Такой же результат, но с еще большими трудностями, дает метод муаровых полос и метод
Лнаружения полей деформаций с помощью оптически активных (фотоупругих) покрытии
Лучшие результаты дает метод установки (наклейки) большого количества тензорезисторных
•бразователей (датчиков), в том числе многоэлементных, так называемых розеток для изме-
рения напряжений в нескольких направлениях. Такой метод использовался для углубленных ис-
едований напряженно-деформированного состояния рам грузовых автомобилей на Централь-
м автополигоне с установкой около 100 датчиков. Для освоения получаемой информации раз-
li стана и использовалась измерительно-информационная система на базе цифрового тензо-
ичрического моста и микроЭВМ с коммутационной системой опроса и регистрацией дискрет-
Hi lx значений показателей датчиков для ввода в память. Одновременно определяются геометри-
|< < кие характеристики соответствующих сечений. Для последующей обработки информации
|ннработан ряд программ статистической оценки результатов измерений, оценки внутренних
иловых факторов, включая продольные силы, изгибающие моменты и бимоменты.
Система измерений и программной обработки такой обширной информации, включающая и
«цгнку достоверности определяемых внутренних силовых факторов, эффективна при исследова-
лнеких испытаниях, доводке новых элементов конструкций и модернизации автомобилей. Для
ц лей же экспресс-информации вследствие большой трудоемкости подготовительных работ, из-
иточности получаемых результатов, сложности оборудования автомобиля, отладки аппаратуры
। метод становится излишне громоздким
На практике используется эмпирический подход, основанный на обобщении
пыта и наблюдений повреждаемости лимитирующих ресурс элементов конст-
рукции всех предыдущих испытаний, а также испытаний аналогов и наблюдений
и жсплуатации.
Такой подход оправдывается определенной традиционностью проектирования
полых моделей, неизбежной преемственностью конструктивных решений, далеко
иг полной сменяемостью технологии изготовителя.
В основу метода кладется также инженерный опыт и характерные примеры оп-
ределения зон интенсивного повреждения различных систем.
Вносимые при этом представления последовательно объединяются со следую-
щим вопросом, решение которого необходимо для практического использования
ории формирования повреждающих нагрузок, - установление связи между по-
преждающими напряжениями в опасных сечениях и выходными показателями дина-
мической системы под воздействием неровной дороги.
4.2. Повреждаемость
и нагруженность несущих
систем автомобилей
Эмпирический подход к выявлению
наиболее напряженных мест в конструкции не исключает, а сочетается с проведе-
нном измерений, возникающих в материале напряжений. Он ограничивает объем и
целеустремляет их на выяснение фактических обстоятельств повреждений в экс-
ниуатации, при испытаниях и на определение (по обобщению материалов о дейст-
иительных поломках) наиболее вероятных нагруженных элементов и мест повышен-
ных напряжений. Измерение напряжений только в этих зонах эксплуатационной по-
вреждаемости дает достаточно сведений для оценки нагруженное™.
Такой подход имеет то преимущество, что обследуемые зоны выявляются в про-
цессе ходовых испытаний или эксплуатации автомобиля, когда в опасных сечениях
по шикают напряжения от всех возможных воздействий. Вместе с тем наблюдае-
мые при ходовых испытаниях поломки иногда могут возникать и вследствие слу-
чайных обстоятельств, в том числе технологических: отклонения свойств материала
217
от нормы, искажения формы, дефектов в соединениях элементов, в особенности
таких как заклепочные, сварные и т.п. Исключить случайные поломки можно уста-
новлением зон эксплуатационной повреждаемости, учитывая аналогичные поломки
на возможно большем количестве образцов автомобилей данной модели, прототи-
пов, аналогов. Этому может эффективно помочь обследование ремонтного фонда
авторемонтных предприятий.
Рамы автомобилей. Сведения об эксплуатационных поломках или поломках
при испытаниях удобно представлять в виде схем так, как это, например, показано
на рис. 4.2. Схема составлена по результатам обследования 45 образцов автомо-
билей, совершивших пробег в различных районах при разбивке по видам дорог в
среднем: с асфальтовым и бетонным покрытием — 53%: с булыжным и щебеноч-
ным покрытием — 21%; грунтовые — 22%; бездорожье — 4%. Автомобили кругло-
годично эксплуатировались с грузом в пределах номинальной грузоподъемности.
Рис 4.2 Распределение усталостных повреждений рамы грузового автомобиля в эксплуатации
по зонам 1-9
S - пробег до обнаружения поломок, отмеченных точками
Обобщение материалов повреждений рам грузовых автомобилей различных ма-
рок, возникших при испытаниях и в эксплуатации, позволяет сделать ряд общих
заключений, необходимых для выбора зон эксплуатационной повреждаемости.
Наиболее характерными поломками рам грузовых автомобилей являются устало-
стные трещины на лонжеронах и поперечинах, ослабление и срез заклепок в соеди-
нениях рамы с кронштейнами подвески. По количеству и местам сосредоточения по-
ломок рама разделяется на две части; передняя - от переднего буфера до передней
кромки грузовой платформы и задняя - под грузовой платформой. Наибольшее чис-
ло поломок приходится на переднюю часть. Поломки в передней части сосредоточи-
ваются: у трехосных автомобилей - на лонжеронах в зонах установки задних крон
штейнов передних рессор и кронштейнов топливных баков, у двухосных автомобилей
- в зонах установки задних кронштейнов рессор и в первой поперечине.
В задней части рамы трехосных автомобилей основные повреждения обнаружи-
ваются на лонжеронах у оси балансирной тележки, а у двухосных автомобилей - ня
лонжеронах и поперечине в зоне установки передних кронштейнов рессор задней
подвески.
218
Поломки деталей правой и левой сторон рамы примерно одинаковые и происхо-
дит одинаково часто.
Усталостные трещины, являющиеся основным видом повреждения рамы, зарож-
даются, как правило, у края полок лонжеронов и поперечин, развиваясь примерно
и перпендикулярном к кромке направлении. На лонжеронах трещины быстро про-
। россируют и приводят к полной поломке. На поперечинах появившиеся при срав-
нительно небольшом пробеге (5... 10 тыс.км) трещины часто не развиваются даль-
ни- или весьма медленно увеличиваются при длительном пробеге. Это, по-видимо-
му, объясняется технологическим первоначальным напряжением материала, кото-
рое дает более высокие концентрации напряжений на поперечинах, чем на лонже-
ронах. После образования трещины на поперечине это напряжение снимается.
Поломки рам показывают, что ресурс их определяется стойкостью против уста-
лостных повреждений в основном лонжеронов. Это имеет решающее значение для
< охранения несущей способности ходовой части. Поэтому основные измерения
при оценке нагруженности рамы ведутся в местах повреждаемости лонжеронов.
Материалы испытаний, эксплуатации и ремонта рам позволяют наметить ог-
раниченное количество мест измерений напряжения для оценки нагруженности и
ip шильную установку тензодатчиков. При подготовке к измерениям напряжений
и раме достаточно выбрать одну ее сторону, т.е. правый или левый лонжерон, и
ютветствующие части поперечин. Выбор определяется доступностью к местам
наклейки датчиков и возможностью сохранения постоянного теплового режима
их работы. Близкое расположение выпускной трубы или нагретых частей двига-
нч1я может заметно искажать показания. Обычно датчики размещают на нижних
полках лонжеронов и поперечин с наружной стороны. Продольную ось проволоч-
ной решетки датчиков ориентируют вдоль кромки и располагают на расстоянии
К) .15 мм от нее. Учитывая обычное направление развития трещин усталости в
юнах эксплуатационных повреждений, можно считать, что при такой установке
датчиков удовлетворительно фиксируются напряжения, возникающие как от из-
। ибающих, так и от скручивающих раму воздействий.
Для автомобилей некоторых моделей схема установки датчиков измерения на-
пряжений в раме показана на рис. 4.3. Эти схемы увязаны с фактическим располо-
♦i-нием зон эксплуатационной повреждаемости рам и обеспечивают достаточно
полное представление о их нагруженности при измерениях напряжений как во вре-
мя ходовых испытаний, так и на стенде.
Рис 4.3. Схемы установки датчиков измерения напряжений в зонах 1-10 эксплуатационной по-
п|и-ждаемости рам грузовых автомобилей различных производств:
<i КрАЗ, б - УралАЗ; в - ЗИЛ; г - ГАЗ.
219
Использование метода оценки нагружения в зонах эксплуатационной повреж-
даемости дает возможность при испытаниях автомобилей на стендах установить
ряд важных особенностей в соотношениях сложных силовых воздействий на раму,
ее деформаций и напряжений в опасных сечениях.
Так как рама автомобиля работает как элемент несущей системы, то прежде
всего возникает вопрос об уровне статических напряжений в ней после монтажа
агрегатов и загрузки кузова, а также о характере изменения этих напряжений в за-
висимости от прикладываемых сил или от деформации несущей системы по край-
не мере для двух основных случаев - изгиба в продольной вертикальной плоскости
и кручения. Представляет интерес изучение зависимости напряжений в раме от
конструктивных изменений, например, при снятии кузова, установке седельного
устройства и т.п. Измерения статических напряжений при монтаже основных агре-
гатов и загрузке кузова в пределах номинальной грузоподъемности показали, что в
зонах эксплуатационной повреждаемости после сборки в рамах автомобилей раз-
виваются напряжения 25...35 МПа, что составляет 15...20% предела выносливости
материала.
В отдельных местах напряжения достигали 120 МПа. По мере нагружения рамы
устанавливаемыми на ней агрегатами, напряжения в отдельных зонах изменяются
как по величине, так и по знаку. На величину напряжений особенно влияет установ-
ка кузова. Наиболее нагруженной после монтажа основных агрегатов является
средняя часть лонжеронов рамы (эона между второй и четвертой поперечинами) и
первая поперечина. В смонтированном снаряженном состоянии при горизонталь-
ной установке автомобиля как с грузом, так и без груза в кузове напряжения в
лонжеронах в 2...2,5 раза больше, чем в поперечинах. Исключение составляет пер-
вая поперечина напряжения в которой приближаются к напряжениям в лонжероне.
На рис. 4.4 показано изменение напряжения в некоторых зонах (см.рис. 4.3) при
вертикальной перегрузке сосредоточенной силой, приложенной в середине базы
автомобиля. При этом вертикальный прогиб Кр рамы и прикладываемая нагрузка
оказались пропорциональными во всем выбранном диапазоне до Ют.
Рис. 4.4. Изменение напряжения в раме автомобиля Урал-375 в зависимости от прогиба под со-
средоточенной нагрузкой:
1 - зона 3; 2 - зона 5; 3 - зона 7; 4 - зона 9.
Из этого следует, что возможна прямая пропорциональность напряжений в зо-
нах эксплуатационной повреждаемости и вертикальной нагрузки несущей системы
автомобиля с тем приближением, какое дает линеаризация зависимостей, пока-
янных на рис. 4.4.
Изменения напряжения в рамах при кручении несущих систем показаны для ти-
пичного примера на рис. 4.5. При этом изучалось влияние на возникающие напряже-
ния монтажа кузова и размещения в нем груза. Угол закручивания отсчитывался как
относительный поворот двух поперечных сечений рамы над осями переднего и зад-
него мостов. Предельный угол закручивания несущей системы определялся началом
вывешивания одного из колес переднего моста при наезде второго на неровность.
Рис 4.5. Изменение напряжений в зонах 1-9 эксплуатационной повреждаемости рамы автомо-
биля ГАЗ-53 при статическом кручении:
I с установленным кузовом и равномерно распределенным по платформе грузом 4т; II - с кузо-
вом без груза; III - без кузова.
По результатам измерений можно заключить, что при максимальном закручива-
нии рамы автомобиля напряжения в ее элементах в 3...5 раз превышают напряже-
ния, возникающие после монтажа на ней основных агрегатов. В рамах автомоби-
лей, работающих с обычной грузовой платформой, наибольшие напряжения
(150...200 МПа) возникают в лонжеронах в эоне третьей поперечины (ориентиро-
ночно у передней стенки кузова). В рамах автомобилей, работающих без кузова
(шпа седельных тягачей), наибольших напряжений следует ожидать в лонжеронах в
юне пятой поперечины, у кронштейнов оси балансирной тележки трехосных авто-
220
221
мобилей. Наиболее нагруженной является первая поперечина, напряжение в кото-
рой в 2...3 раза больше по сравнению с напряжениями в других поперечинах. Уста-
новка цельнометаллического кузова ужесточает конструкции рамы и уменьшает
максимально возможный угол ее статического кручения на 10...12%.
Нагруженность рамы при симметричном воздействии на колеса. Из рис. 4.5
видно, что связь между напряжением почти во всех зонах эксплуатационной повреж-
даемости и угловой деформацией несущей системы близка к линейной, а коэффици-
енты пропорциональности легко определяются в широкой зоне возможного кручения
рамы в виде
d(T
Лн =------= const. (4.1)
d/3
Используя эти связи, можно построить и расчетные методы определения на
груженности при случайных процессах воздействия неровной дороги на колеса
автомобиля.
Переменные симметричные нагрузки на раму возникают при вертикальных коле-
баниях автомобиля, описываемых уравнениями системы. Основные переменные
сосредоточенные силы, действующие на раму, находятся в местах крепления рес
сор и устанавливаемых агрегатов Напряжения от этих сил при колебаниях повы
шаются в отдельных сечениях также в связи со значительной массой элементов
рамы.
Несмотря на возможность относительных колебаний элементов рамы, пере-
менные напряжения, с ними связанные, не рассматривают на том основании, что
частоты собственных колебаний их выходят за пределы частот возмущающего
воздействия дороги, достаточно интенсивного, чтобы вызывать заметное нарас-
тание резонансных амплитуд, но смонтированные агрегаты колеблются относи-
тельно рамы. При монтаже отдельных агрегатов на эластичных прокладках или
подушках (двигатель, кабина) резонансное нарастание нагружения рамы сосре-
доточенными силами возможно. Однако в этих случаях раму автомобиля рас-
сматривают как жесткое тело, и напряжения в местах повреждения связывают с
местными деформациями материала.
Основные сосредоточенные нагрузки на раму, отвечающие симметричному воз
мущению, можно определить как реакции в сочленениях с рессорами подвески и
как инерционные перегрузки в местах установки агрегатов от их совместных с ра
мой колебаний. Полагая, что усилие деформированной рессоры всегда соответст
вует сумме реакций в кронштейнах, вертикальные нагрузки на раму в местах креп
ления кронштейнов можно считать пропорциональными жесткости рессоры и ее
динамическому прогибу
Если, например, считать, что нагрузка от равноплечей листовой рессоры рас-
пределяется между передним и задним кронштейнами поровну, то сосредоточен
ные силы, действующие на раму в местах их установки, будут
рнр = 0,5ср/р (4.2)
При случайном воздействии неровностей дороги на колеса автомобиля измене
ния прогиба рессор являются случайной функцией и характеризуются для заданно-
го возмущающего воздействия энергетическим спектром Sf(p). На приведенных
выше основаниях жесткость Ср считается постоянной.
222
Учитывая, что действие постоянного множителя на случайную функцию приводит
к гому, что результат также будет случайной функцией, характеристика переменно-
|о воздействия на раму от кронштейна рессоры выражается спектральной плогно-
<п.юв виде
SHp(p) = 0,25cpSf(p).
Подстановка вместо Sf(p) его выражения от воздействия дороги дает
SHp(p) = О,25С^|НД/Р)|2 Sqv(p) (43)
Если считать, что при симметричном нагружении связь между сосредоточенны-
ми силами и напряжениями линейна и выражается через коэффициент пропорцио-
(I шьности А в виде О' = А Р , то энергетический спектр напряжений в рас-
НК нр нк нр
( матриваемом случае запишется в виде
SCT(P) = 0,25Д2нкСр|нД/р)|2 Sqv(p). (4.4)
где \Hf(ip)\2 определяется по выражению (3.54).
Спектральная плотность стационарного случайного процесса переменных инер-
ционных усилий, действующих на раму в местах крепления на ней основных тяже-
лых агрегатов, определяется спектральной плотностью вертикальных ускорений
подрессоренной части автомобиля. Вертикальные ускорения центра тяжести любо-
агрегата можно найти по заданному расположению его на раме и ускорениям
подрессоренной массы по координатам Zp Z?.
Строгое решение включает определение передаточной функции для совокуп-
ной системы уравнений (3.27) по выходу в виде линейной комбинации ускорений
/| и z2, учитывающей расположение рассматриваемого агрегата на раме. При
пом воздействие на колеса заднего моста изображается как и на передние ко-
леса, но с запаздыванием, зависящим от скорости движения автомобиля и его
ii.i 1Ы. Однако во многих конкретных случаях, представляющих интерес для опре-
деления перегрузок, действующих на раму грузового автомобиля, нет необходи-
мости совместно учитывать ускорение подрессоренных масс и над передней, и
над задней подвесками.
Наиболее интенсивно нагружающие раму агрегаты расположены так, что центр
шжести их оказывается вблизи вертикальном плоскости подвески (двигатель, каби-
на над двигателем, смещенная вперед кабина и т.д. - у передней подвески: кузов,
11>уз в кузове, нагрузка на крюке - у задней подвески).
Для проверки сложившихся представлений о формировании переменных нагру-
I iK на раму были проведены испытания автомобилей на барабанном стенде при
( ипхронном гармоническом воздействии на правые и левые колеса.
На рис. 4.6 показаны экспериментальные результаты изменения амплитуд уско-
рений подрессоренной массы и напряжения на первой поперечине рамы (зона 2),
|д<* размещена опора двигателя, автомобилей "Урал” и ЗИЛ при воздействии на
с плеса синусоидальных неровностей с амплитудой 1 см на различных частотах. Со-
поставление амплитуд ускорений подрессоренной массы и напряжений в раме по-
। । )ывает, что в широком диапазоне частот связь этих величин близка к линейной.
Hi ключение составляют области низкочастотных возмущений, где как перегрузки,
223
так и напряжения невелики и погрешность измерения сильно сказывается при об-
работке информации
Рис. 4.6 Ускорения подрессорной части и напряжения в первой поперечной раме автомобилей
а - "Урал", б - ЗИЛ;
I - амплитудные частотные характеристики; II - соотношение амплитуд на равных частотах;
1 и 2 - в эксперименте и по расчету, соответственно; 3 - напряжения, измеренные в эксперименте.
На рис. 4.7 показаны результаты измерения динамического прогиба рессор и
напряжения в лонжероне рамы у заднего кронштейна передней рессоры (зона 3)
Сопоставление дает представление о пропорциональности напряжения в раме и
деформации рессоры. Разброс и отклонения объясняются искажающим влиянием
перегрузок от вибрации кабины и других агрегатов
Следует оговорить, что при стендовых испытаниях автомобиля на колебания пе-
редней части заметное влияние оказывает установка рессор в кронштейнах с по-
мощью резиновых подушек. В результате плавающей заделки возникают переме-
щения моста в горизонтальной плоскости, которые создают дополнительные, не-
учитываемые в принятой схеме расчетов и измерений колебания автомобиля и на
грузки его элементов.
Точно так же. как это показано на приведенных выше примерах, изучались ам
плитудные частотные характеристики напряжений во всех намеченных на рис. 4.3
зонах эксплуатационной повреждаемости при симметричных возмущениях как пе-
редних, так и задних колес.
Исследования дают очень четкую частотную характеристику изменения амплитуд
напряжений в раме во всех зонах со строгим совпадением резонансных областей
их нарастания. Резонансные частоты практически совпадают при расчетном их он
ределении по параметрам системы и при испытании на стендах.
224
И( 4.7 Прогиб передних рессор и напряжения в ланжеронах рамы у кронштейнов:
тднего (автомобиль "Урал"); б - переднего (автомобиль ЗИЛ)
амплитудно-частотные характеристики; II сравнение амплитуд на одинаковых частотах;
прогиб; 2 напряжение
Из приведенных результатов можно заключить, что связь между выходными по-
h.нагелями колебательной системы и формируемыми напряжениями, пренебрегая
никоторым разбросом, близка к линейной и при динамических воздействиях. Этот
Факт наряду с подобием амплитудных частотных характеристик подтверждает со-
< юятельность принятых теоретических представлений о формировании перемен-
ных напряжений в раме при симметричном возмущении эквивалентной колебатель-
ной системы.
Результаты стендовых испытаний показывают также, что колебания задней части
подрессоренной массы трехосных автомобилей в вертикальной плоскости влияют
па уровень амплитуд, формируемых в раме напряжений значительно слабее, чем
колебания передней части. Это различие, обнаруживающееся при раздельном, но
одинаковом воздействии на передние и задние колеса, весьма значительно в об-
ласти высоких частот. У трехосных автомобилей амплитуды колебаний задней час-
in и, следовательно, возникающие напряжения в раме снижаются вследствие сгла-
живающего эффекта балансирной конструкции подвески.
Нагруженность рамы при несимметричном воздействии. Реакция эквива-
лентной колебательной системы ходовой части автомобиля, определяющая нагру-
жение рамы при несимметричном воздействии, выражается угловой деформацией
н сущей системы Согласно схеме на рис. 3.13, эта величина определяется отно-
июльными поперечными смещениями передней и задней частей подрессоренной
массы в виде Р ~ Д - Р2.
225
Передаточную функцию от несимметричного воздействия дороги на правые и
левые колеса к угловой деформации несущей системы получают из уравнений,
описывающих поперечные колебания масс эквивалентной системы так, как рас-
смотрено в предыдущей главе. Здесь лишь следует учесть, что воздействия на
систему в зоне контакта задних колес отличаются временем запаздывания возбуж-
дающей функции Тз = La/Va.
Изображения возбуждающих функций (функций превышения в поперечной плос-
кости по колее) связываются по теореме запаздывания в операционных преобра-
зованиях в виде:
Q2(s) = Q^s)e~ST3 (4.5)
Это придает своеобразный отличительный характер передаточной функции сис-
темы, обращая ее на определенных частотах в нуль. Физически это легко предста-
вить, как такие поперечные колебания передней и задней подрессоренных масс,
при которых амплитуда и фаза совпадают Теоретически при непрерывном спектре
частот такие колебания должны иметь место На практике же это выражается лишь
провалами амплитудно-частотной характеристики.
Характер передаточной функции по выходу кручения рамы, вычисленной по па-
раметрам системы, показан на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Квадрат модуля передаточной функции системы, эквивалентной ходовой части автомо-
биля ГАЗ-66, по выходу кручения рамы при разных скоростях движения:
а - 10 км ч ' б - 30 км ч в - 40 км ч '
Из графиков видно, что при изменении скорости меняются не только численные
значения передаточной функции, но и периодичность обращения в нуль на опреде-
ленных, разных для каждой скорости движения частотах
226
Аналогичный характер изменения имеет и передаточная функция колебании
подрессоренной массы над задней балансирной тележкой и напряжений в листах
1.1ДНИХ рессор трехосных автомобилей. Периодическое обращение передаючной
функции системы в нуль является следствием того, что в эквивалентной колеба-
1ОИЫЮИ системе имеются последовательно расположенные входы, возбуждение
коюрых отличается только запаздыванием. В результате выражение передаточной
—ST
Функции всегда содержит множитель е . При переходе от комплексного аргумен-
ы к действительному этот множитель выражается в тригонометрической форме,
► ои.рая и приводит к периодичности обращения модуля передаточной функции
и« ч'мы в нуль.
(аметим, что эти особенности характерны для передаточных функций системы
подрессоривания транспортных средств в любом случае, где в эквивалентной ко-
ней тельной системе учитывается запаздывание воздействий на колеса, последо-
п.цельно проезжающие одни и те же неровности дороги.
Ограничиваясь изложенными результатами и не рассматривая отдельные пред-
। 1ж<‘ния и проблемы расчета характеристик нагруженности рам от воздействия не-
рннкой дороги, развитые в ряде последующих публикаций, необходимо остано-
ви п,ся на следующем основном выводе. Сопоставление и расчетных, и экспери-
М1-Н1,1пьных данных показывает, что переменные напряжения в зонах эксплуатаци-
онной повреждаемости рам от кручения несущей системы значительно выше пере-
менных напряжений от вертикальных перегрузок, за исключением локальных участ-
или соединения с другими несущими элементами ходовой части и монтируемыми
111Ж1-ЛЫМИ агрегатами. В последних местные напряжения от вертикальных нагрузок
•и 1меримы с напряжениями от кручения. Однако определенность их положения и
«от груктивное усиление мест крепления, как правило, обеспечивают повышенный
1 mac прочности.
Поэтому интенсивность кручения рам в пробеге значительно опаснее, и опре-
д| к:ние нагруженности от кососимметричного воздействия для подготовки про-
'нювых испытаний имеет превалирующее значение. Определение нагруженно-
. in рамы от переменных сосредоточенных инерционных сил является дополни-
Ш1Ы1ЫМ, обязательно требующимся в зонах крепления упругих и направляющих
, цюйств подвески. При расчетной или экспериментальной оценке нагруженно-
|И рам в зонах эксплуатационной повреждаемости раздельно от симметричного
или кососимметричного воздействия на колеса каждый отдельный результат сле-
дует считать заниженным и корректировать его в зависимости от микропрофиля
дороги планируемого испытательного пробега. Для приближенной оценки несв-
одимой корректировки можно использовать соотношение передаточных функ-
ции к напряжению в рассматриваемом сечении раздельно от симметричного и
к. осимметричного воздействия [65]
Кузовы легковых автомобилей. Исследования повреждаемости легковых авто-
мобилей показывают ряд общих признаков с повреждаемостью грузовых автомо-
билей и прежде всего в определении лимитирующей ресурс части конструкции -
► у юна. Это понятно, поскольку кузов легкового автомобиля является, как правило,
и* 1 ущим, а часто и включающим рамные элементы конструкции. Кроме того, что
повреждение кузова является приоритетным признаком оценки ресурса, предель-
ной его состояние, по достижении которого ресурс считается исчерпанным и авто-
мобиль подлежит капитальному ремонту, определяется схожими с рамами грузо-
вых автомобилей техническими критериями. Так, для кузова легкового автомобиля
227
требуется капитальный ремонт, если трещины усталости в стойках или проемах ос-
текления достигают 25. 30% сечения. Характерно, что при этом уменьшается жест-
кость кузова на 20... 30% при кручении, т.е. при кососимметричной нагрузке от ко-
лес и подвески. Этот признак проявления предельного состояния, обнаруженный
по обобщению значительного фактического материала наблюдений в эксплуатации
и испытаниях, выразительно свидетельствует о повышенной чувствительности кон-
струкций легковых автомобилей к поперечно-угловым нагрузкам и о податливости
кузова при кручении. Поэтому рассмотренная выше эквивалентная колебательная
система формирования поперечно-угловых деформаций от воздействия неровной
дороги и математическая модель расчета процессов переменного нагружения не
только эффективны, но и могут быть упрощены за счет ограничения только той
частью, которая определяется кососимметричными воздействиями на колеса. Эта
особенность упрощает и исследовательские испытания, и экспресс-испытания для
выявления наиболее нагруженных сечений кузова или для проверки их эмпириче-
ского выбора, ограничиваясь испытаниями кручения при статическом или квази-
статическом нагружении. Характерные особенности повреждаемости и нагружения
кузовов легковых автомобилей отчетливо проявляются прежде всего в обобщениях
опытных наблюдений в эксплуатации, результатов пробеговых испытаний, построе-
нии и использовании расчетных и экспериментальных методов доводки кузовов но-
вых моделей легковых автомобилей. Так. С.Ю.Павинским обобщены наблюдения за
время эксплуатации автомобилей ГАЗ-24. ГАЗ-2410, ГАЗ-3102. Кузов этих автомо-
билей представляет собой классический тип четырехдверного седана среднего
класса. Эксплуатационные повреждения кузовов фиксировались на 73 автомобилях
серийного производства за пробег 250...300 тыс. км в различных условиях, преиму-
щественно в качестве такси в городах Москва, С.-Петербург, Нижний Новгород,
Сочи, Кисловодск, Ташкент и др. Такая выборка наблюдений как по количеству об-
разцов, так и по разнообразию условий использования достаточно репрезентатив-
на. Обработка результатов наблюдений в эксплуатации преследовала цель не толь-
ко установить зоны появления повреждений кузова за пробег, обычно оценивае-
мый как ресурс этой модели, но и оценить вероятность основных повреждений на
различных стадиях пробега. Результаты обработки материалов эксплуатации пока-
зали, что наблюдаемые повреждения кузова имеют преимущественно усталостный
характер в виде трещин, распространяющихся на разную глубину. Наиболее харак-
терные зоны этих повреждений и количественное представление о их распределе-
нии даны на рис. 4 9. По ’аблице видно, что в разных зонах эксплуатационной по-
вреждаемости вероятность усталостных разрушений изменяется, но можно выявить
зоны устойчиво высокой частоты их появления. Так, усталостные трещины в верх-
них частях центральных стоек и стоек ветрового стекла отмечаются в 70..80% всех
наблюдений и образуются они после среднего пробега автомобиля 110... 130
тыс.км. Реже разрушаются основания задних и передних стоек и зоны соединения
передних лонжеронов с подкосами. Здесь вероятность образования трещин со-
ставляет 20...30% при среднем пробеге 130...150 тыс.км.
Рассмотрены также результаты ускоренных полигонных испытаний 18 образ-
цов автомобилей этих же моделей с некоторыми доработками конструкции в те-
кущем серийном производстве, не затрагивавших силовую схему кузова. Обоб-
щение этих результатов в соответствии с группированием повреждений, уста-
новленным эмпирически в эксплуатации (см.рис. 4.9). При этом за нормирован-
ный пробег в полигонных ускоренных испытаниях с форсированием внешних
228
ни щействий существенных отличий общего характера повреждаемости кулон.) не
и ншлено. Некоторое отличие распределения плотности по зонам интенсивной
нопреждаемости на разных интервалах пробега объясняется существенным раз-
просом условий нагружения в эксплуатации. Испытания в стабильных условиях
нпополигона дают более устойчивую картину повреждаемости. Это подтверди-
лось стендовыми испытаниями 45 кузовов при воспроизведении процессов на-
|ружения программными смещениями опор использованных гидропульсаторов.
“Г>“спечивающими эквивалентность спектра внешних воздействий на колеса ис-
ньнательному пробегу по дорогам автополигона согласно действующим НТД ре-
> урсных испытаний. Результаты обобщения полученных данных о повреждаемо-
)и кузова в этих испытаниях приведены на рис. 4.9 (в табличной форме).
I» 4 9 Зоны усталости повреждаемости кузова автомобиля ГАЗ-2410
I и • соединение косынки со щитком передней части и лонжероном, соответственно; 3 и 17 -
мнение переднего брызговика с лонжероном и щитком передней части кузова, соответст-
...... 4 соединение лонжерона с боковым щитком радиатора 5 верхняя точка крепления
6 и 16 - основания стойки по проемам передней двери и ветрового окна: 7 - верхняя
th < тонки ветрового стекла по проему двери, 8 и 9 - верхняя ость центральной стойки по
мам передней и задней дверей, соответственно; 10 и 19 - верхняя часть задней стойки по
Н| >мам двери и заднего окна, соответственно; 11 и 20 основание задней стойки по проемам
I. рли и окна, соответственно; 12 - соединение передней петельной стойки с порогом; 13 - со-
мнение распорки с усилителем брызговика; 14 и 15 - соединение распорки со щитком перед-
ысти внизу и вверху, соответственно; 18 - соединение боковины с панелью задней части
. , । и.)
И| приведенных в таблицах опытных результатов следует, что кузов легкового
нномобиля имеет зоны типичных усталостных повреждений, наиболее уязвимые от
переменных напряжений, среди которых выделяются:
основания стоек ветрового стекла (зона 6), где частота усталостных разруше-
нии достигает 58% общего числа испытывавшихся автомобилей при среднем про-
<н и жсплуатации 190 тыс.км, а на некоторых образцах обнаруживающихся при
нроГиче 100 тыс.км
229
- верхние части стоек (зона 7) ветрового стекла, где частота повреждений дос-
тигает 84%, а средний пробег до визуального обнаружения 168 тыс.км;
- верхние части центральной стойки крыши (зоны 8, 9) с частотой начала разру-
шения 70...80% при среднем пробеге 165 тыс.км, а на некоторых образцах на про-
беге около 100 тыс.км;
- основания и верхняя часть задней стойки крыши (зоны 19, 20, 21), где усталост-
ные трещины обнаруживаются на более поздней части пробега (около 249 тыс.км),
но с устойчивой частотой 27...28%.
При стендовых испытаниях состоятельность выделения наиболее повреждаю-
щихся зон кузова подтвердилась оценкой возникающих напряжений в материале
по непосредственным измерениям. В статических стендовых испытаниях создава-
лась максимальная нагрузка от наиболее опасного кососимметричного воздейст-
вия подъемом одного из колес до отрыва от опоры другого колеса при соответст-
вующем прогибе подвески. Результаты измерений показаны в табл. 4.6, где для
сравнения приведены напряжения в других зонах (5 и 14) с наблюдавшимися уста-
лостными повреждениями, но при частоте обнаружения до 20%.
230
1иГ>лица 4.6
Зоны Напряжения от кососимметричного нагружения кузова, МПа
5 35
6 63
7 180
8 60
9 55
19 135
21 280
14 45...50
При статических стендовых испытаниях измерялись также напряжения при сим-
мшричном нагружении примерно с сопоставимой по прогибу подвески силой. Ха-
рактерно, что возникающие в этих же зонах напряжения оказались в 5... 10 раз ни-
*.< Это привело к существенно важному для методики испытаний выводу о решаю-
Щ| и роли кососимметричного нагружения не только при выборе лимитирующих ре-
। урс зон повреждения, но и при исследованиях нагруженности кузова расчетно-
1кспериментальными способами, ограничиваясь оценкой реакции только на попе-
речное кручение, а при доводке конструкции - сопоставлением оценок этой реак-
ции в зонах наибольшей повреждаемости. Такой подход оправдался результатами
и 1мерений напряжений при кручении кузовов и других конструкций. Так, стендовые
ш пытания по той же методике автомобиля Ауди-100, отличающегося компановкой,
шщгвердили закономерности нагруженности, обнаруженные по зонам эксплуатаци-
П1ОЙ повреждаемости и уровню возникающих напряжений (табл. 4.7).
1.<Г>лица 4 7
Исследуемые зоны Напряжения, зарегистрированные на кузове автомобиля Ауди-100 от действия скручивающего момента, МПа
нование стойки ветрового стекла 100
Верхняя часть стойки ветрового стекла 90
Верхняя часть центральной стойки 110...120
Верхняя часть задней стойки 60
Стендовые испытания и измерения по схеме обнаруженных в эксплуатации зон
ингенсивной повреждаемости вскрыли и некоторые другие особенности нагружен-
>к < ги и деформаций кузовов легковых автомобилей.
При кососимметричном нагружении кузова поперечно-угловая деформация
<ч<> неравномерна вдоль продольной оси, но почти не изменяется на длине сало-
нл который является наиболее податливой частью. Некоторые отличия в погон-
ной угловой деформации обнаруживаются при изменении конструкции подвески.
'Нчетливо они проявляются при замене задней подвески с листовыми рессора-
ми и разнесенными вдоль кузова опорами на пружинные подвески с сосредото-
,.иными опорами. Однако это не изменяет существенной части вывода о том,
н> деформируемость кузова определяется в основном податливостью салона
при кососимметричном нагружении.
231
Наиболее опасными деформациями являются перекосы проемов окон и дверей,
что подтверждается, очевидно, связанными с этими перекосами наибольшими на-
пряжениями в зонах эксплуатационной повреждаемости. Обнаруживается также
близкая к прямой пропорциональности зависимость между поперечно-угловой де-
формацией кузова в его наиболее податливой части, измеренной по взаимному уг-
ловому смещению поперечных сечений, и перекосами проемов ветровых стекол и
дверей. Это позволяет сравнивать деформируемость кузова по показателям, непо-
средственно связанным с напряжениями в эонах наибольшей плотности эксплуата-
ционных повреждений.
Особенности эксплуатационной повреждаемости кузовов легковых автомобилей,
обнаруженные по обобщенным опытным данным и сопровождавшим их стендовым
испытаниям, значительно упростили интерпретацию результатов пробеговых испы-
таний и, что особенно важно, расчетно-экспериментальные методы доводки новых
моделей.
Так, при ускоренных пробеговых испытаниях на Центральном автополигоне
новой перспективной модели легкового автомобиля ГАЗ-3105 повреждаемость
кузова сразу оценивалась по нагруженности в зонах ожидаемой эксплуатацион-
ной повреждаемости.
На рис. 4.10 показаны в компактном виде результаты полигонных испытаний,
причем в каждом отмеченном участке указаны напряжения (верхние цифры) и про-
бег до обнаружения усталостных трещин. Как видно, эти результаты выразительно
подтверждают эффективность подхода к оценке нагруженности кузова по зонам,
предварительно определенным для характерных конструкций из опыта. На этом ос-
новывался расчетно-экспериментальный метод доводки конструкции кузова авто-
мобиля новой модели. Не останавливаясь на обстоятельных исследованиях
С.Ю.Павинского в области внутренних силовых факторов, объясняющих показан-
ные на рис. 4.10 нагруженность и повреждаемость кузова опытного образца нового
автомобиля, выделим лишь два важных положения.
Рис. 4.10. Напряжения (МПа) и пробеги (км) до появления усталостных повреждений в намечен-
ных зонах эксплуатационных повреждений кузова при ускоренных полигонных испытаниях пер-
спективной модели легкового автомобиля.
Во-первых, установление зон эксплуатационной повреждаемости кузова новой
модели по признакам обобщения опытных наблюдений на схожих типах автомо-
биля, подтвержденных измерениями напряжений в опасных сечениях в виде, по-
232
кизанном на рис. 4.10, позволило создать не слишком сложную, но достаточно
обоснованную расчетную схему для многовариантных оценок прочности с помо-
щью метода конечных элементов. Как известно, этот метод при заданном внеш-
ним нагружении дает возможность без больших осложнений варьировать детали-
ь.цию напряженного состояния и параметров отдельных элементов. Исключается
ыкже необходимость предварительного анализа степени статической неопреде-
ленности конструкции, так как коэффициенты системы канонических уравнений
нычисляются автоматически на ЭВМ, а объем вычислений снижается матричным
нр< дставлением жесткости элементов для выражения упругой работы материала.
Кик видно на рис. 4.11 пространственная конечно-элементная система, эквива-
лентная кузову автомобиля, имеет невысокий порядок степеней свободы (140) и
диет быструю оценку изменений напряжений в опасных сечениях при изменении
профилей или размеров элементов конструкции. Проверка адекватности модели
|||.июлнялась сопоставлением расчетного и экспериментального определений уг-
лов поперечного кручения кузова при максимальном кососимметричном нагру-
«пнии, давшем хорошее совпадение.
I и< 4 11. Расчетная модель кузова легкового
„рил >женной нагрузки (показана стрелками).
автомобиля (32 элемента, 24 узловых точки) и
Используя характерное расположение зон критических напряжений и расчетную
модель кузова, в работе С.Ю Павинского определены оптимальные конструктивные
и 1менения для повышения жесткости отдельных элементов и снижения повреж-
дающей нагруженности.
Но- вторых, испытания и расчеты на новой модели кузова легкового автомобиля
и жазали практически линейную связь его деформации при кручении и возникаю-
щих напряжений в зонах обнаруживаемых повреждений. Эта пропорциональность
проявляется не только при измерениях угловой деформации кузова, но и при из-
233
мерениях наиболее уязвимых его проемов. В качестве примера в табл. 4.8 сопос-
тавлены напряжения в некоторых зонах повреждений и деформации прилегающих
проемов при статическом кручении кузова автомобиля ГАЗ-3105.
Как видно, эта пропорциональность достаточно устойчива: максимальное откло-
нение коэффициентов связи остается в пределах 10...15%.
Таблица 4.8
Зона оценки Напряжения и деформации Коэффициент связи деформаций и напряжений, МПа/мм
Основные стойки ветрового стекла (зона 6) — напряжение, МПа 82 75,9
Диагональ ветрового стекла — деформация, мм 1,08
Верхняя часть стойки ветрового стекла (зона 7) — напряжение, МПа 145 72,9
Диагональ передней двери между основанием передней стойки и верхней частью стойки ветрового стекла — деформация, мм 1,99
Верхняя часть задней стойки крышки (зона 10) — напряжение, МПа 300 66,1
Диагональ задней двери между основанием центральной и верхом задней стойки — деформация, мм 4,54
Расчеты и испытания указывают возможность применения математической мо-
дели формирования переменных напряжений в опасных сечениях кузова легковых
автомобилей от воздействия неровной дороги в пробеговых испытаниях в согласии
с общей теорией, рассмотренной в предыдущей главе Используя эквивалентную
колебательную систему и определяя по ее параметрам передаточные функции от
воздействия дороги к поперечно-угловым деформациям кузова, характеристики
динамического нагружения опасных сечений, как случайных процессов изменения
напряжений, получаются в том же виде, что и случайное воздействие микропрофи-
ля испытательной дороги.
4.3. Повреждаемость
и нагруженность трансмиссии
Автомобильные трансмиссии разде-
ляются, как известно, на четыре вида: механические, гидромеханические, электро-
механические и гидрообъемные. Наиболее распространенными и почти исключи-
тельно применяемыми на автомобилях массового производства являются механи-
ческие трансмиссии, отличающиеся простотой конструкции и отработанностью тех-
нологии изготовления, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), низкой
стоимостью и высокой надежностью. В реальных конструкциях остальных видов
трансмиссии, как правило, присутствуют наряду с агрегатами непрерывного преоб-
разования крутящего момента двигателя также детали, узлы и агрегаты механиче-
ских трансмиссий. Повреждаемость гидромеханических, электромеханических, гид-
рообъемных трансмиссий отличается от повреждаемости механических неисправ-
ностями, поломками, отказами главным образом преобразователей крутящего мо-
234
мены, которые имеют специфические особенности устройства, параметры и тех-
нические критерии предельного состояния.
Учитывая массовость производства и типичность основных элементов конструк-
ции повреждаемость и нагруженность трансмиссии рассматривается применитель-
но к ее механическому виду.
В рабочем процессе механической трансмиссии отчетливо выделяются: стацио-
нарный режим при движении на одной из передач с постоянной скоростью на до-
I е характеризуемой заданным микропрофилем и коэффициентом сопротивле-
ния качению, и неустановившийся режим трогания с места, переключений передач,
1>. тонов и замедлений.
При пробеговых испытаниях автомобилей преобладает первый режим, отличаю-
щийся своими характеристиками на каждой специальной дороге, и именно с этим
pi жимом связывается накопление повреждений усталостного характера. Второй
I» жим характерен большими перегрузками и хотя и вносит вклад в усталость дета-
и трансмиссии, но вместе с тем вызывает иные, специфичные повреждения от-
гльных элементов
Поэтому анализ повреждаемости трансмиссии требует более подробного разде-
ния конструкции на составные части по признакам обнаруживаемых поломок и
и шжения предельных состояний.
Обобщение результатов испытаний большой выборки автомобилей разных моделей
приведены в табл. 4.9, где все обнаруженные неисправности и поломки отнесены к де-
ни группам деталей, по которым и представляется повреждаемость трансмиссии.
Анализ нагруженности каждой группы деталей связывается с преобладающим
|н жимом ее рабочего процесса по признакам характерных поломок, обнаруженных
при испытаниях. Такой анализ преследует цель установить связь между теоретиче-
ои моделью формирования нагрузки в трансмиссии и мерой исчерпания ресурса
пни показателем определяющим возникновение характерного повреждения, дета-
||| и каждой группы.
Первая группа деталей трансмиссии, отражающих ее повреждаемость, включа-
। налы и их шлицевые соединения. На рис. 4.12 представлен характерный вид
। 11 рушения вала. Усталостная природа его обнаруживается визуально и подтвер-
гея металлографическим анализом. Нагруженность этой группы деталей фор-
мируется главным образом в первом, стационарном режиме и определяется не-
прерывно изменяющимся крутящим моментом. При повышении переменной на-
11 > гки в переходных режимах движения темп накопления разрушения усиливается
и игчысти малоцикловой усталости. Накопление усталости валов в стационарном
। *име определяется статистической характеристикой переменного момента, ко-
1 ip.hi может быть вычислена по приведенной выше математической модели дина-
। п'1 ской системы, эквивалентной трансмиссии. Учитывая, что накопление устало-
гл оценивается циклическими изменениями напряжения от кручения, характери-
IUK.I нагруженности определяется, во-первых, связью нагружающего момента с
цельными напряжениями в сечении вала и, во-вторых, цикличностью непре-
|п .иного процесса их изменения. Оценка цикличной нагруженности может быть по-
ii'ii.i по статистической характеристике случайного процесса изменения момента
। пектральной плотности, когда касательные напряжения пропорциональны прило-
. иному моменту. Коэффициентом пропорциональности является как упомина-
. величина, обратная моменту инерции опасного сечения вала Шлицевые со-
гинения на валах, выбираемые по ГОСТ 1139 80. испытывают повреждающие
(действия смятия, которое оценивается давлением смятия.
235
Таблица 4.9
236
Виды, обстоятельства и режимы испытаний Количество испытывавшихся автомобилей Распределение общего количества повреждений (по группам в % за испытательный пробег)
валы шестерни подшипники корпусные детали детали креплений сальники детали привода диски сцеплений крестовины, игольчатые подшипники
Эксплуатационные испытания в условиях интенсивного городского движения 40 38,4 6,1 5 7,5 16 27
Эксплуатационные испытания в высокогорных условиях 50 14,8 15,1 14 6,4 3,8 12,0 8,8 8,3 16,8
Испытания на комплексе дорог автополигона по стандартной программе 12 8,6 13 11,7 2,4 13,1 12,1 9,8 13,1 15,9
Пробеговые испытания с установившимся режимом движения на булыжной дороге автополигона 9 6 34 36 21 3
Пробеговые испытания в форсированном режиме движения на скоростной дороге автополигона 8 8,8 11,6 10 1,9 7,8 44,1 6,9 — 8,9
I'nt 4.12. Характерные поломки валов:
ведущей шестерни главной передачи; б - полуоси среднего моста (КамАЗ-53222)
Связь его с нагружающим вал моментом выражается в виде
= M103/sF/, (4.6)
где SF = O,5t/cp/7Z - удельный суммарный статический момент рабочих поверх-
ностей шлицевого соединения, мм2; /- рабочая длина соединения, мм; С/ - сред-
ний диаметр, мм; fl - рабочая высота шлицев, мм; Z - число зубьев на валу.
П практике испытаний смятие шлиц, как правило, не обладает признаками уста-
носги и происходит вследствие перегрузки соединения. Поэтому характеристикой
лого повреждения в пробеге может служить вероятность возникновения такого
н1.1чения нагружающего трансмиссию момента, при котором давление смятия пре-
н юццет выбранный при проектировании предел. Поскольку согласно приведенной
формуле давление смятия пропорционально нагружающему моменту, вероятность
превышения им установленного уровня тоже можно определить по выходной харак-
> , истике эквивалентной колебательной системы - спектральной плотности пере-
мс нного случайного момента, формирующегося в движении по данной испытатель-
ной дороге. Однако такие вероятности оказываются малыми и смятие шлиц следу-
। ожидать от перегрузок при работе в режим трогания с места, резкого включе-
ния сцепления.
Представительной деталью рассматриваемой группы обычно выбирается полу-
ь ведущего моста, испытывающая наибольшую нагрузку. Ее поломка вызывает
опасный отказ, а восстановление работоспособности автомобиля часто требует
p.i |борки заднего моста. Кроме того, полуоси ведущих колес наиболее доступны
дня измерения и непрерывной регистрации нагружающего трансмиссию момента
при экспериментальных исследованиях или подготовительных измерениях для пла-
нирования испытаний.
В заключение необходимо напомнить, что при оценке нагруженности и повре
*даемости деталей рассматриваемой группы как по цикличности процесса на-
>ружающего момента, так и по вероятности перегрузки существенное значение
ими г среднее значение, относительно которого происходят случайные измене-
ния момента в установившемся движении.
Вторая и третья группы деталей трансмиссии характеризуются пояреждвемо-
и.ю усталостного характера. На рис. 4.13 показана типичная поломка шестерни.
। ущественно отличается эта группа формированием повреждающь 1 нагрузки. От-
237
дельно рассматриваемый зуб шестерни воспринимает переменную нагрузку не в
виде непрерывного меняющегося переменного случайного момента, формирующе-
гося в динамической системе, а последовательно через интервалы, зависящие от
частоты вращения шестерни. Включаясь в процесс нагружения через некоторый
интервал, отдельный зуб попадает под действие разных значений момента. Это по-
казано схематически на рис 4.14, где для наглядности взята одна из гармониче-
ских составляющих нагружающего вал шестерни момента. На схеме видно, что при
входе в зацепление образуется короткий обязательно отнулевой цикл, амплитуда
которого определяется значением в это же время переменного момента, нагру-
жающего трансмиссию. Форма этого цикла определяется закономерностями обка-
тывания вступающих в зацепление зубьев шестеренчатой пары, геометрией зубча-
того зацепления и зависит, как видно, от соотношения длительности нахождения
зуба в зацеплении 7" за время одного оборота 7"ш.
Рис. 4.13. Разрушение шестерни коробки передач.
Рис. 4.14. Схема формирования нагрузки на зубья вращающейся шестерни:
1 - крутящий момент на валу; 2 - нагрузка на зуб во время прохождения участка зацепления за
один оборот.
238
При плавном изменении нагрузки в контакте форма образующегося oi нулевого
цикла не влияет на величину его амплитуды. Существенным это влияние может
ок ‘заться в том случае, когда нагружение зуба за время пребывания его в контакте
приобретает ударный характер. Как известно, ударный импульс может вызывать
перегрузку, значительно превышающую максимальное значение прикладываемого
усилия за время его действия. Такие условия могут возникнуть при сильном влия-
нии на формирование отнулевого цикла не только геометрии зацепления, но и из-
менения приложенного момента, приблизительно при Т =Т.
Если рассматриваемая шестерня одновременно участвует в передаче нагрузки
не на одно зубчатое колесо, то ясно, что число циклов увеличивается соответст-
иенно количеству зацеплений. Пользуясь приведенной схемой, выделяются три ос-
новные особенности формирования нагружения зубьев шестерни в рабочем про-
цессе трансмиссии.
Первая - нагружающее усилие всегда образуется в виде последовательности
огнулевых циклов, частота которых пропорциональна частоте вращения шестерни.
Вторая - максимальные значения или амплитуды отнулевых циклов за достаточ-
но длительный процесс работы изменяются точно так же, как изменяется нагру-
жающий вал шестерни крутящий момент. Можно строго доказать, что при случай-
ном процессе изменения крутящего момента на валу шестерни случайные значе-
ния амплитуд циклов нагрузки на зуб определяются теми же статическими характе-
ристиками, что и непрерывно изменяющийся случайный крутящий момент. Из это-
го следует, что и распределение последовательности амплитуд циклов нагрузки на
<yi ья шестерни описывается законом распределения случайного крутящего mo-
mi <та в трансмиссии, приведенного к валу рассматриваемой шестерни. Это соот-
погствие выражается в виде
m = m D = D , S (p) = S (p),
а.з м* а.з м а.з'^'
(4.7)
а.з
где ГП , D, , S, (p) - математическое ожидание, дисперсия и спектральная
а.з а.з а.з'
плотность амплитуд циклов нагрузки на зуб шестерни; m , D , S ,(р) - то же реа-
м м м
ни гуемого в зацеплении непрерывного крутящего момента на валу.
Третья - при установившейся скорости движения в испытательном пробеге ко-
личество циклов нагружения зуба шестерни определяется кинематическими соот-
ношениями в трансмиссии, радиусами ведущих колес автомобиля, частотой вра-
щения их на данном участке дороги. Эти особенности полностью определяют и
процессы, описывающие усталостное повреждение шестерен, - напряжение в се-
чениях корней зубьев и контактные напряжения в поверхностном слое материала.
Известно несколько предложений для выражения связи между моментом на ва-
ну шестерни и напряжениями в зубьях. В [44] предложены такие зависимости:
1,17
vk(z + 1)
А^лу) mb
Мв:
2fc('+1)3* м
о 2 Е
Aib sin2ct
239
<ТИ - напряжение от изгиба в сечении корня зуба; Пк - показатель контактной
нагруженности зуба; V - коэффициент наклона зуба; (лу) - коэффициент формы
зуба; к - коэффициент концентрации нагрузок, точности изготовления и некоторых
других технологических и конструктивных показателей зубчатой пары; / - переда-
точное отношение рассматриваемой пары; А - межцентровое расстояние; Ь - кон-
тактная ширина зубчатого венца; а - угол зацепления.
В более поздней работе В.С.Лукинского, Е И.Зайцева [35] связь нагружающего
вал момента и изгибных и контактных напряжений в зубьях шестерни выражается
следующими функциями:
«и = к,Мв. (4.8)
<тк = к2у[м^,
где к2 - коэффициенты, вычисляемые как произведения постоянных других
коэффициентов влияния конструктивных, технологических факторов и условий ра-
боты зацепления.
Не касаясь выбора в этих выражениях различных поправочных коэффициентов
и параметров зацепления, которые рассматриваются в научных дисциплинах
“детали машин", “конструкция и расчет автомобиля", а также указываются в
справочной литературе и стандартах, отметим основное положение, следующее
из соотношений (4.8).
Поскольку амплитуды циклов нагрузки на зуб следуют распределению случайно-
го крутящего момента на валу шестерни, согласно (4.7), функции связи распро-
страняются и на амплитудные значения напряжения. Тогда функции (4.8) представ-
ляются в виде:
ста.и. =к1Мв; И.9)
°a.K=k2MB’ (4-W)
где, напомним, момент на валу Мв рассматривается как непрерывная случайная
величина.
Из этого следует, что при известном законе распределения крутящего момента
на валу шестерни Мв распределение амплитуд циклов напряжения строится по
правилам определения распределения функций от случайных аргументов.
Но прежде чем перейти к этому построению, необходимо учесть отмеченную
особенность формирования отнулевой цикличности нагружения зуба.
Как известно, используется два способа такого учета: либо приведением каждо-
го асимметричного цикла изменения напряжения к эквивалентному по повреждаю-
щему воздействию симметричному циклу, либо приведением кривой усталости, оп-
ределенной для симметричных циклов, к ее модификации для несимметричных
циклов. Первый способ проще и выражается следующей зависимостью для /-го
цикла:
1 + V 1 - v
240
। де Оаэ - амплитуда эквивалентного симметричного цикла: Omax, G - экстрему-
мы приводимого несимметричного цикла; у - коэффициент чувствительности мате-
риала к асимметрии циклического нагружения (для углеродистых сталей 0,1 0,2).
При отнулевых циклах Grn|n = 0 и эквивалентный цикл имеет амплитуду
1 + V
^а.з — 2 ®тах•
Это выражение применимо и к напряжениям изгиба, и к контактным напряжени-
ям в поверхностном слое зубьев шестерни. Подстановка в него на место Отах со-
огношений (4.9) и (4.10) дает: 1 + у/ 1 + ш
^а.зи 2 Паи 2 к.Мв = К,МВ (4 11)
°а.э.к 1 + ф 1 + ф °ак “ 2 2 к2^ = К2/Мв (4.12)
1 + V 1 + у
где К, — к./С, =-------------------к9 ; /И - случайное значение крутящего мо-
1 Л 1 Л В
мг-нта на валу шестерни.
Здесь буква “Z” в индексе цикла опущена, так как введенные соотношения отно-
< я гея к циклам с амплитудой любого уровня.
Теперь можно построить закон распределения амплитуд эквивалентных симмет-
ричных циклов напряжения в зубьях шестерни, как функций случайных значений
крутящего момента в виде (4.11) и (4.12). При этом ограничимся наиболее харак-
к'рным случаем нормального закона распределения крутящего момента, неодно-
кратно подтверждающегося непосредственным измерениям в пробеговых испыта-
ниях и в эксплуатации, а также согласующегося с рассмотренной выше теорией
формирования переменных нагрузок в трансмиссии*.
Соответствующая плотность распределения выражается в виде
где Мд - случайные значения крутящего момента в трансмиссии, приведенные
к валу рассматриваемой шестерни; Л1м - математическое ожидание или среднее
1иачение крутящего момента при движении по данной дороге с заданной скоро-
(ью, определяемое согласно уравнению тягового баланса по тягово-динамической
характеристике или непосредственным измерением в предварительных заездах пе-
ред испытаниями: Dm - дисперсия крутящего момента, определяемая расчетом по
эквивалентной колебательной системе с использованием соотношения (3.67) или
по обработке непосредственных измерений.
Как правило, этот закон соблюдается при движении, когда зазоры в зацеплении не раскрыва-
ются. В движении с переключением передач, на режимах принудительного холостого хода при
(начительной протяженности участков, проходимых с постоянной скоростью, распределение мо-
мента часто принимает вид композиции нормальных законов.
241
Для отыскания распределения амплитуд эквивалентных циклов напряжения на
зубьях шестерни применяется известная теорема теории вероятности о распреде-
лении функции случайного аргумента [56].
Для линейной функции (4.11) и нормального закона распределения аргумента
Мв в виде (4.13) применение этой теоремы не вызывает трудностей и дает следую-
щий закон распределения амплитуд напряжения изгиба в сечении корня зуба:
9(°аи) =
ехр
(Мв-К,тм]2
2K^DM
(4.14)
1
где gf(Oa и) - плотность распределения амплитуд циклов напряжения изгиба.
Для распределения контактного напряжения возникают осложнения вследствие
нелинейности функции связи (4.12). Избежать их можно линеаризацией этой функ-
ции. основываясь на том. что кривизна ее значительна лишь в начале и по мере
приближения аргумента Мд к среднему значению Л4ср выравнивается Учитывая,
что случайное изменение крутящего момента происходит преимущественно как
флуктуация около среднего значения можно без большой погрешности заменить
кривую (4.12) касательной к ней в точке ГПи = М .
Уравнение этой касательной определяется по (4.12) после несложных преобра-
зований в виде
(4.15)
Использование полученной линейной связи и применение теоремы о распреде-
лении функции случайного нагружения дает, опуская промежуточные выкладки,
следующее выражение плотности распределения амплитуд эквивалентных циклов
лов напряжений в зубьях дают исчерпывающую оценку усталостного нагружения
представительной для трансмиссии шестерни, если определены расчетом или из-
мерением параметры распределения нагружающего момента. Базовой деталью
для оценки повреждающего воздействия на эту группу выбирается наиболее нагру-
женная шестерня коробки передач.
Нагруженность подшипников, отнесенных к этой же группе деталей, выражается
в форме, отражающей усталостную повреждаемость также через характеристики
случайного изменения крутящего момента в трансмиссии.
Измерителем повреждающего воздействия здесь является приведенная нагруз-
ка на подшипник качения. Приведенная нагрузка зависит от типа подшипников,
способа их установки в опорах, количества, расположения и типа шестерен на ва-
242
n.ix монтируемых на рассматриваемых подшипниках. Приведенную нагрузку опре-
допяют с учетом радиальной и осевой составляющих.
Несмотря на множество факторов (конструктивных и технологических), влияю-
щих на формирование приведенной нагрузки, в различных методиках расчетов ус-
ынавливается прямая пропорциональность между крутящим моментом в транс-
миссии и повреждающей нагрузкой. Так, в рассматриваемой выше работе [35] ус-
। пювлена зависимость приведенной нагрузки от момента в виде
Р = крМа. (4.17)
где кр - коэффициент преобразования определяется в свою очередь восемью
постоянными, значения которых рекомендованы в различных источниках.
Но в отличие от нагруженности шестерен выявление цикличности изменения
приведенной нагрузки требует предварительной схематизации процесса случайно-
г о изменения крутящего момента в трансмиссии так, как это требуется и для оцен-
ки накопления усталости валов.
Четвертая группа - корпусные детали отличаются тем, что проектируются
1 ограничения долговечности (срока службы). Разрушение их при испытаниях
и основном происходит вследствие необнаруженных в производстве дефектов
и иотовления. Встречаются поломки крепежных приливов, где усталость накап-
ливается как от изменяющегося реактивного момента, так и от инерционных пе-
регрузок при колебаниях ходовой части, а также от резонансных колебаний дви-
i-пеля на раме. Для характеристики повреждаемости этой группы выбирается
картер коробки передач.
Пятая группа - крепежные детали подвержены главным образом воздейст-
вию инерционных перегрузок от удерживаемых агрегатов. На рис. 4.15 показан
арактерный пример такого повреждения. Расчет нагруженности этих деталей
к >зможен только по конструктивной схеме с учетом как реактивного воздействия
крутящего момента в трансмиссии (для крепления, например, коробки передач),
i.iK и сосредоточенных инерционных перегрузок при колебаниях подрессорной
массы автомобиля.
I । 4 15. Усталостное разрушение болта крепления коробки передач
243
Шестая группа - сальники и прокладки подвержены разрушающему воздейст-
вию от нескольких факторов: трения, температуры, загрязненности и пыльности
дороги, старения материалов. В качестве измерителя нагруженности этой группы
деталей весьма условно используется путь и скорость взаимного перемещения со-
прикасающихся поверхностей. Теоретических зависимостей между характеристика-
ми повреждающих воздействий и длительностью сохранения работоспособности
не имеется. Оценка ресурса их обычно основывается на эмпирических данных и
сопоставлений их в различных испытаниях.
Седьмая группа - приводы и механизмы управления агрегатами трансмиссии не
имеют прямой связи с нагрузкой, передаваемой от двигателя к ведущим колесам.
Повреждающие воздействия зависят только от количества манипуляций органами
управления в данных условиях испытаний и конструктивных (расчетных) значений
прикладываемых усилий. Зависимость между количеством управляющих воздействий
и усталостными или иными повреждениями в пробеге определяется только эмпири-
чески, из обобщения наблюдений. Чаще всего ресурс и темп его исчерпания опреде-
ляется в стендовых испытаниях с многократным повторением программного нагруже-
ния в заданных условиях. Приведение режима стендовых испытаний к пробеговым
возможен только при стабильной программе ходовых испытаний по количеству и раз-
мерности использования органов управления (количеству переключений передач, на-
жатий на рычаги, прикладываемых усилий и изменений их направления). Базовым
элементом этой группы выбирается педаль выключения сцепления
Восьмая группа - фрикционные элементы сцепления на ведомых и ведущих
дисках. Эта группа является наиболее уязвимой в пробеговых испытаниях. Интен-
сивность повреждения связывается главным образом с изменением режимов дви-
жения, когда используется разрыв потока мощности при переключении передач,
или в начале движения при организации процесса передачи момента от двигателя
к ведущим колесам.
На рис. 4.16 показано характерное повреждение этого элемента трансмиссии.
Процесс повреждения носит явно накопительный характер от каждого случая ис-
пользования сцепления. Как показали исследования, вклад каждого случая в про-
цесс накопления повреждения зависит от режима управления сцеплением (темпа
включения) и обстоятельств использования (частоты вращения коленчатого вала
двигателя в момент включения, момента сопротивления движению, сцепления ве-
дущих колес с поверхностью дороги и др.). Измерителем этого вклада принимает-
ся работа буксования, которая выражается в виде
т
4 = j Мсц(фд -“a) dt . (4.18)
О
где Т - время буксования сцепления; Мсц - момент трения сцепления, изме-
няющийся от нуля до максимального значения за время включения; (0д, С0а - угло-
вые скорости ведущих и ведомых дисков.
Из этого соотношения видно, что каждое включение сцепления в эксплуатации и
пробеговых испытаниях отличается случайностью вносимого вклада в накопление
повреждения, а накопленное повреждение не поддается расчету без регламента-
ции условий и обстоятельств этой операции. Исследования [7] влияния различных
факторов на оценку работы буксования сцепления показали, что для сопоставимо-
244
i ги показателей накопления повреждения при испытаниях необходимо прежде все-
го соблюдение единообразия условий испытаний как по способу управления сцеп-
на лием, двигателем и коробкой передач в трансмиссии, так и по внешним услови-
ям движения. Иными словами, ускорение и сопоставимость результатов испьпаний
( цепления достигаются включением в общий пробег специального фрагмента про-
граммы. В нем предписываются оптимальные условия воздействия на органы
управления и режимы движения со значительным форсированием факторов,
влияющих на работу буксования.
Рис 4.16. Характерный вид разрушения накладок ведомого диска сцепления.
Но такое форсирование, оставаясь в пределах эксплуатационных случаев, вме-
<ге с тем создает в трансмиссии иной, отличный от воздействия неровной дороги
вид нагружения. Это нагружение имеет тоже колебательный характер и вносит зна-
чительный вклад в нагруженность всех деталей трансмиссии вплоть до накопления
малоцикловой усталости. В работе А.И.Щепкина исследовалось нагружение транс-
миссии в переходных процессах при трогании автомобиля с места, при переключе-
нии передач с низких на высшие и с высших на низшие ступени путем статистиче-
< сото обобщения значительного экспериментального материала измерений. В ча-
1ности, обоснованы следующие выражения крутящего момента в трансмиссии:
за время буксования
Mf(t} = ± 0,5/Vfmax 1 - cos л
(4.19)
после полного включения сцепления
—kt
M(t) = ± (Мс + Д,е собгцД
где Мтах - максимальный момент трения сцепления; Мс~ текущее среднее зна-
чение крутящего момента; Д,- амплитуда первого цикла затухающих колебаний
момента; к- коэффициент демпфирования трансмиссии; 7"б- время буксования
цепления; О)о- низшая частота собственных крутильных колебаний трансмиссии.
Из этого видно, что повреждающее воздействие на диски сцепления в рабочем
процессе его использования одновременно вызывает и интенсивные циклические
нагрузки на все остальные детали, участвующие в передаче момента от двигателя
к ведущим колесам.
245
Девятая группа - подшипники и крестовины карданных передач подвержены
частым поломкам и разрушениям. Характерные повреждения, наблюдаемые и в
эксплуатации, и при испытаниях, - бринеллирование шипов крестовины, излом
шипа крестовины, разрушение роликов игольчатых подшипников. Один из харак-
терных видов повреждения показан на рис. 4.17. Нагруженное состояние этих де-
талей может быть охарактеризовано условной сосредоточенной силой, действую-
щей в середине шипа, напряжением в его сечении от изгиба, напряжением среза в
основании, радиальной нагрузкой на подшипник. Каждый показатель зависит от
переменного момента в трансмиссии, но с учетом влияния качательного движения,
угла между роликами и других подробностей конструкции. Все эти показатели мо-
гут быть вычислены, исходя из оценки крутящего момента в трансмиссии по мето-
дике, приведенной, например, в [43].
Рис. 4.17. Повреждение карданных передач в автомобильных трансмиссиях:
а - бринеллирование шипов крестовины; б - усталостное разрушение шипа и игольчатого под-
шипника
Исходя из этой методики и опыта испытаний, в качестве базового элемента
для оценки характеристик нагруженности данной группы деталей принимается
шип крестовины. Мерой расхода ресурса в пробеговых испытаниях является на-
копление усталостного повреждения от переменного контактного напряжения в
поверхностном слое материала шипа в зоне наиболее нагруженного ролика. Не
повторяя расчетных формул для вычисления нагруженности базовой детали при
считающейся заданной характеристике крутящего момента в трансмиссии, при-
веденных в [43], заметим лишь, что оценка повреждаемости по расчетным пока-
зателям накопления усталостных повреждений весьма условна и приблизитель-
на, так как не охватывает существенно значимых факторов исчерпания ресурса
этой группы деталей. В ряде исследований, подтвержденных наблюдениями в
эксплуатации, показано, что долговечность и исчерпание ресурса шарниров кар-
данных передач автомобилей существенно зависит от системы смазки, качества
смазывающих материалов и уплотнения игольчатых подшипников. Когда подшип-
ник оказывается незащищенным от проникновения пыли и грязи, в которых поч-
ти постоянно работает карданное сочленение, износ его значительно опережает
усталостное повреждение.
Из анализа повреждаемости трансмиссии видно, что накопление усталости от
переменных нагрузок является преобладающим фактором возникающих поломок в
246
эксплуатации и при пробеговых испытаниях. Предельное состояние чаще всего
возникает в деталях, где напряжение в материале связано с переменным крутящим
моментом, формируемым от воздействия дороги или от воздействия на органы
управления и изменения режима движения.
Хотя наряду с усталостью обнаруживаются и другие факторы интенсивного
накопления повреждений, которые измеряются и учитываются другими показа-
телями, как, например, работой буксования сцепления, преимущественной
причиной постепенного исчерпания ресурса в пробеговых испытаниях являет-
ся непрерывное изменение напряжений в материале деталей, вызывающее ус-
талость. Измерение и сопоставление этих процессов нагружения базовых эле-
ментов дают возможность количественного оценивания повреждающего воз-
действия испытательных пробегов заданной протяженности по разным испыта-
тельным дорогам.
4.4. Сопоставительное
оценивание нагруженности
деталей автомобиля
в пробеговых испытаниях
Для оценки нагруженности деталей в
т вязи с усталостным повреждением используются, как известно, две закономерно-
ги: первая устанавливает связь между характеристиками циклов переменного на-
пряжения и их количеством до разрушения в опасном сечении, вторая - условия
разрушения при изменчивости циклических напряжений в реальном процессе пе-
ременных нагрузок на деталь.
Первая закономерность выражается кривой усталости, вторая - гипотезой нако-
пления повреждений при изменениях амплитуд циклов напряжения.
Кривая усталости, как правило, строится для симметричных циклов перемены
напряжений относительно нулевого значения; значительно реже - для асимметрич-
ных или отнулевых циклов. Наглядное ее представление дается в координатах
- А/, аа - IgN, lgOa - IgA/, например, так, как показано на рис. 4.18, где СУа
амплитуда циклов регулярного циклического напряжения; А/ - количество этих цик-
лов до усталостного разрушения (долговечность) детали или образца. При этом
|>орма представления кривой усталости сохраняется для нормальных ст и каса-
к-льных Г напряжений. Аналитически кривые усталости описываются в виде
O^/V, = А, (4.20)
где ГЛ - показатель наклона кривой усталости; А - постоянное число.
На основании длительных и многочисленных исследований установлена возмож-
ность некоторой идеализации кривой усталости, состоящей в том, что начиная с
। к-которого значения амплитуд напряжения материал становится нечувствительным
изменениям напряжения. Отражается это переломом кривой усталости в точке
после которой она остается параллельной оси абсцисс.
По ГОСТ 23207-78 число циклов, соответствующее точке перелома или
.юсцисса точки перелома кривой усталости - Nc, а соответствующая ордината СУ f
247
или определяется как предел выносливости при симметричных циклах. Для
углеродистых сталей обычно принимают (на образцах) Nc = 6-106— 7 Ю?, а
приводится в сортаментах как показатель стойкости материала против усталости.
Характеристику усталости при симметричных циклах с нулевым средним значением
часто называют кривой Велера по имени первого автора ее применения.
Рис 4.18. Кривые усталости:
1 - листа рессоры грузового автомобиля; 2 - полуоси ведущего моста.
Используя фиксированную точку перелома, из уравнения кривой усталости по-
лучается несколько полезных соотношений:
(4 21)
где i - некоторый выбранный уровень амплитуд циклического напряжения;
(4.23)
где I и j - сравниваемые уровни амплитуд циклов и соответствующие им долго-
вечности.
Зависимость (4.21) может рассматриваться как формула приведения режима
нагружения с амплитудами /-го уровня к режиму с амплитудами у-го уровня.
Усталостное разрушение металлов при переменных циклических напряжениях с
амплитудами различного уровня обычно представляют как результат линейного на-
копления повреждений в структуре (гипотеза Пальмгрена).
При дискретном распределении количества циклов с одинаковыми амплитуда-
ми напряжения по различным уровням П(.-СУа/ условие разрушения от усталости
записывается в виде
248
Y^ = a,
Z-tN,
1
где Л/( — количество циклов до разрушения при непрерывном действии пере-
менного напряжения с неизменной амплитудой /-го уровня <Та, (по кривой устало-
сти); Г — количество различных уровней амплитуд; а — постоянное число, завися-
щее от свойств материала, обработки и т.п., обычно близкое к единице.
Заметим, что условие усталостного разрушения в виде (4.23) и (4 24) не на-
кладывает никаких ограничений на выбор нагрузочного режима ни по количеству
уровней, ни по распределению циклов изменения напряжений.
Подстановка условия разрушения в уравнение кривой усталости (4.20) дает
уровня
разру-
(4.25)
индек-
(4.26)
£л,(Т™=аД (4 24)
1
Распределение амплитуд и количества циклов изменения напряжений или на-
грузочный режим какого-либо базового элемента конструкции формируется при
непрерывном пробеге испытываемого автомобиля на определенной дороге или
при эксплуатационном пробеге. Поскольку данный нагрузочный режим принимает-
ся стационарным, удобно, как это принято при экспериментальной оценке пере-
менной нагруженности, ввести удельное количество циклов каждого /-го
амплитуд, приходящееся на 100 км пробега Л/и так, что за весь пробег до
шения в км будет
п,. =n(MS°-10-2
Тогда условие разрушения при данном нагрузочном режиме, отмеченном
сом "И", представляется в виде
S°„tn,„c™ = аД-102
1
Из этого соотношения следует, что при данном нагрузочном режиме мерой или
удельным показателем накопления усталостного повреждения на 1 км пробега является
зА ж ч
^,=-о = Ул,иО^ (4.27)
и ,
Показатель удобен тем, прежде всего, что позволяет сопоставлять испытатель-
ные пробеги, отличающиеся создаваемым нагрузочным режимом до равного нако-
пления усталостного повреждения. Если отметить сопоставляемые нагрузочные ре-
жимы в испытаниях и эксплуатации, например, индексами "И” и “Э” то. очевидно,
при равном усталостном повреждении рассматриваемой детали
где SM и Sg - испытательный и эксплуатационный пробеги. Отсюда испыта-
тельный пробег, эквивалентный по повреждающему воздействию определенному
эксплуатационному пробегу, выражается в виде
249
П<э CTai
s„ = ^S3 = ------------s = кэ „s3
F 'и
2^л,ист^
(4.28)
Из этого соотношения видно, что Кз и является коэффициентом эквивалентно-
сти испытательного пробега эксплуатационному пробегу с известными нагрузочны-
ми режимами. Видно также, что для оценки сопоставимых коэффициентов накоп-
ления усталостного повреждения F и коэффициентов эквивалентности пробегов К
нет необходимости доводить рассматриваемую деталь до разрушения: достаточно
знать нагрузочный режим в рассмотренном виде.
С помощью этих коэффициентов устанавливается также эквивалентность комби-
нации пробегов по различным испытательным дорогам и пробега в эксплуатации
по отношению к усталости рассматриваемой детали, если известны их нагрузоч-
ные режимы:
। f"2S"2 + " + F.nS.n = F3S3 <4’29)
ИЛИ
+ K2sv2 +...+ KnsMn = S,. (4.30)
Рассмотрим более подробно выражение сопоставимого коэффициента накопле-
ния усталостного повреждения при дискретном распределении числа циклов по
разным уровням амплитуд, вводя еще один показатель Лс - общее или суммарное
количество циклов перемены напряжения за 100 км пробега. Тогда
г г
F = = пс£р,<- , (4.31)
1 с 1
где pf.~ частость достижения амплитуд (Ja/циклов значения /-го уровня. Нагрузоч-
ный режим при этом представляется статистическим рядом
аа1 аа2
₽1 Р2
Теперь, если нагрузочный режим детализировать путем уменьшения расстояния
между уровнями и пропорционального увеличения их количества, то в пределе час-
тость р. обращается в элемент вероятности изменения амплитуд циклов, суммиро-
вание по интервалам — в интегрирование по переменной <Та, а пределы интегриро-
вания обращаются: нижний — в нуль, верхний - в бесконечность. Иными словами,
предельная детализация дискретного распределения в данном нагрузочном режи-
ме представляет собой переход от ступенчатого представления функции распреде-
ления числа циклов с различными амплитудами к непрерывному распределению
амплитуд, полагая каждую из них случайной величиной. В этом случае режим на-
гружения выражается законом распределения вероятности амплитуд циклов Ф(ста)
и показатель накопления усталостного повреждения приводится к виду
250
°° °max
F = = J ^Ф'(Оа)^ • <432>
0 0-1
где Ф'(&а) - плотность непрерывного распределения амплитуд циклов переме-
ны напряжений в рассматриваемом нагрузочном режиме; в правой части (4.32) уч-
1ено пренебрежимо малое влияние циклов с амплитудами, меньшими предела вы-
носливости СУ г путем исключения их из интегрирования.
Выражением (4.32) можно воспользоваться только в том случае, когда имеется
функция распределения амплитуд циклов, т.е. когда процесс нагружения выполня-
ется законченными циклами. Так происходит, например, при нагружении зубьев
шестерни. В иных случаях это нецелесообразно, так как сначала приходится опре-
делять распределение амплитуд и числа циклов в дискретном виде, затем строить
гатистический ряд вероятностей отыскивать подходящий закон непрерывного
распределения амплитуд и лишь тогда использовать выражение (4.32). Поэтому на
практике ограничиваются представлением нагрузочного режима в дискретном виде
и использованием его для оценки сопоставимого показателя усталостного повреж-
дения в виде (4.27).
Рассмотренные выкладки приведены в предположении безошибочных оценок
кривой усталости, процесса накопления усталостного повреждения, заданного рас-
пределения циклов в нагрузочном режиме. В действительности все эти оценки
подвержены случайному разбросу, весьма значительному даже при испытаниях ус-
। злостной прочности материалов в стандартных образцах. Характеристики устало-
ги деталей автомобиля в еще большей мере зависят от множества случайных
конструктивных и технологических факторов: абсолютных размеров, концентрации
напряжений в местах резкого изменения очертания детали, неоднородности метал-
ла в заготовке, дефектов механической и термической обработки, неравномерно-
< ги развития начальных микротрещин и др. Все это приводит к чрезвычайной
южности учета влияния этих факторов. Несмотря на огромное количество прове-
денных экспериментальных исследований и теоретических обобщений, расчет дол-
ювечности деталей остается приближенным, в котором возможные отклонения
усугубляются еще и отсутствием экспериментальных данных о характеристике ус-
। злости именно данного элемента конструкции. Получение этой характеристики да-
же для простых деталей связано с длительными и дорогостоящими испытаниями, а
ддя таких элементов конструкции как кузов автомобиля практически невозможно.
Поэтому в расчетах абсолютной долговечности ошибки порядка 300% считаются
приемлемыми хотя бы для ориентировки в проектировании.
Разброс и случайность оценки усталости полностью относятся и к выведенно-
му выше показателю накопления усталостного повреждения (4.27). Но этот пока-
ытель используется в технологии испытаний только для сопоставления накопле-
ния усталостных повреждений и оценки эквивалентности различных режимов на-
|ружения. В этом случае достоверность расчетов значительно повышается, так
как относятся они к одной и той же детали, работающей в неизменных при пере-
ходе от одного режима испытаний к другому условиях взаимодействия с сопря-
женными элементами конструкции и, следовательно, в одинаковых или близких
напряженных состояниях.
Тогда из рассмотрения допустимо исключить факторы, связанные с конструк-
гинными и технологическими особенностями детали, полагая, что для выбранной
251
детали усталостная характеристика задана и неизменна во всем диапазоне нагру-
зок. Для расчетов сравнительной долговечности необходимо лишь сопоставить на-
пряжения по этой усталостной характеристике. Можно ожидать также большой
достоверности сопоставления долговечности и при использовании характеристики
усталости материала, полученной на стандартных образцах, так как ошибка, возни-
кающая вследствие отличия истинной кривой усталости данной детали от стан-
дартной характеристики усталости образца ее материала, вносится в сопоставляе-
мые оценки сопротивления усталости на всех режимах нагружения в одну сторону.
При сравнении долговечности на разных режимах нагружения возникающие по-
грешности и неточности взаимно компенсируются. Наглядно это представляется,
если учесть, что основные факторы случайности и разброса оценки усталости от-
ражаются главным образом на положении левой наклонной ветви характеристики
усталости и сконцентрированы в отклонении от истинного значения показателя т.
Высокую чувствительность к ошибкам этого показателя видно из уравнения кривой
усталости, где ГЛ, как показатель степени, в наибольшей мере влияет на оценку
абсолютной долговечности.
На рис. 4.19 схематически показаны две характеристики усталости, отличаю-
щиеся лишь показателем степени аппроксимирующих уравнений. На схеме видно,
что показатель степени первой больше второй: Л1, > тг. Положим, что кривая 1
является истинной для данной детали, а кривая 2 - ошибочно принятой в расчет.
На схеме показаны два режима циклического нагружения: первый с амплитудами
циклов Од и второй с амплитудами а'а . Соответствующие абсолютные цикличе-
ские долговечности обозначены в первом режиме N] и A/g и во втором - №[ и
A/g. Если кривая 1 - истинная, а 2 - ошибочная, то относительная ошибка в оценке
циклической долговечности в режиме нагружения на уровне Од будет
Рис. 4.19. Схема для иллюстрации погрешности сопоставления нагруженности по кривым уста-
лости:
1 - истинной; 2 - ошибочной.
Сравнение долговечности на рассматриваемых уровнях выражается по истинной
кривой усталости 1 в виде A/j/A/f, а по ошибочно выбранной — А/g/A/g. Следова-
252
юльно, относительная ошибка в оценке сравнительной долговечности на рассмат-
риваемых режимах выражается как
л/£_/у;
л/- n; _ n’2n; 1
л/х
л/;
Подстановка в (4 ,<4) выражения (4.33) дает
Дс = А/ - (1 - к).
(4.34)
(4.35)
где к — Ny / N'2 .
На графике рис. 4.19 отчетливо видно, что к « 1 и, следовательно, ошибка со-
поставления долговечности на разных уровнях нагружения значительно меньше
ошибки при оценке абсолютной долговечности на любом уровне. Более наглядно
уменьшение ошибки при сопоставлении долговечности можно представить, если
выразить коэффициент к через принятый источник погрешности - отклонение от
истинного значения показателя степени в уравнении характеристики усталости т.
Для этого достаточно выразить Ny и N’2 через общий предел выносливости Ои
пазу испытаний Nc согласно уравнению (4.20) истинной и ошибочной характери-
( 1ик усталости. Тогда
, / \т1 “ т2
к=^-= G~1 (436)
N2 I °а )
Очевидно, что ошибка сопоставления по сравнению с ошибкой оценки абсолют-
ной долговечности не только значительно меньше, но и уменьшается еще более
при повышении уровня нагружения и абсолютной ошибки в выборе показателя сте-
пени характеристики усталости.
Эти выводы полностью распространяются и на оценки частичной повреждаемо-
< in, поскольку накопление повреждения происходит по линейному или близкому к
линейному законам. Поэтому сопоставимые показатели накопления усталостного
повреждения и коэффициенты эквивалентности пробеговых испытаний в виде
(4 27) и (4.28) эффективны и в том случае, когда в расчет принимаются приблизи-
п-льные характеристики усталости, полученные, например, по испытаниям на стан-
дартных образцах или на деталях схожего типа.
Все рассмотренные положения, как указано выше, относятся к строго цикличе-
< кому нагружению опасного сечения симметричными законченными циклами, где
по известному нагрузочному режиму или закону случайного распределения изме-
няются только амплитуды циклов. В эксплуатации и пробеговых испытаниях, как
показано в предыдущей главе, нагрузка на детали автомобиля формируется в виде
< лучайного процесса, где, как правило, нет отчетливо выраженных законченных
циклов изменения напряжений. Поэтому для использования рассмотренных зако-
номерностей усталостного разрушения, в особенности эффективного для ускорен
них пробеговых испытаний, при оценке показателя накопления усталостных повре-
ждений и коэффициентов эквивалентности пробегов на разных дорогах вводится
ряд допущений и условностей.
253
На рис. 4.20 схематически показан фрагмент реализации случайного процесса
изменения напряжения. Для выявления признаков его цикличности отмечаются
точки экстремумов, по которым процесс схематизируется так, чтобы оставляя в
стороне несущественные подробности формы нарастания или убывания напряже-
ния образовать законченные циклы и классифицировать их по параметрам. Для
классификации циклов весь диапазон изменения напряжения разбивается на ряд
полос, обычно с равными интервалами. Все экстремумы, попадающие в одну поло-
су, считаются равными и соответствующими напряжению середины интервала. Ши-
рина интервала Д<Уа( выбирается так, чтобы случайное отклонение экстремума от
соответствующего среднего интервального значения напряжения не вызывало за-
метного изменения соответствующей долговечности по принятой характеристике
усталости. Часто ширину интервала принимают А<Уа=(0,5...1,0)С г Поскольку слу-
чайные изменения напряжения при выборе достаточной протяженности испыта-
тельных пробегов, в особенности на дорогах со стабильным покрытием, описыва-
ются моделью стационарного случайного процесса в подавляющем большинстве с
нормальным распределением, его дискретизация по уровням экстремумов осуще-
ствляется около выявляемого среднего значения CS _. Предложено много методик
ср
схематизации случайных процессов изменения напряжения. По ГОСТ 23207-78
предусмотрены схематизации методами максимумов, экстремумов, размахов, пол-
ных циклов. В [25] подробно рассмотрены и другие методы, приведены теоретиче-
ские оценки соотношения создаваемой ими нагруженности с предполагаемой ис-
тинной.
Наиболее подходящим для использования выводов теории формирования на-
груженности и вычисления сопоставимых показателей усталостного повреждения
при пробеговых испытаниях, достаточно экономичным при обработке эксперимен-
тальных данных представляется метод максимумов.
На рис. 4.20 пунктиром показано преобразование исходного процесса в цик-
лический, соответствующий методу схематизации по распределению максиму-
мов в разрядах амплитуд циклов Оа|.. Так, принимая изменение напряжения на
участке Г - Г за симметричный цикл с амплитудой СГа3, обозначенной точкой
максимума 1, соответствующий минимум на этом участке снижается против дей-
ствительного значения. Следовательно, этот цикл схематизированного процесса
более разрушительный против исходного. Наоборот, на участке 2' - 3' цикл из-
менения напряжения с учитываемой амплитудой третьего максимума (точка 3)
становится законченным и симметричным при повышении соответствующего ми-
нимума. Третий цикл схематизированного процесса оказывается менее разруши-
тельным против действительного. Полагая, что при длительном стационарном
нагружении такие дополнения в сторону усиления и ослабления уравновешены,
считают, что распределение максимумов по уровням представляет нагрузочный
режим циклического изменения напряжения, эквивалентный фактическому слу-
чайному процессу по интенсивности вызываемого усталостного повреждения. В
литературе высказывается мнение, что схематизированный по методу максиму-
мов процесс вызывает более интенсивное чем исходный повреждающее воздей-
ствие [25 и др ]
Однако для задач сопоставления накопленного поврех<дения в разных режимах
такое, возможно, и оправданное суждение, не играет существенной роли по той же
254
причине, что и возможные ошибки в оценке кривой усталости: повышенная интен-
। ивность вносится в оба сопоставляемые процессы и их отношение меньше ошиб-
ки схематизации. Эта ошибка может оказаться существенной, если сопоставляются
нагрузочные режимы, полученные разными методами схематизации, когда один
ус иливается, а другой ослабляется (например, метод размахов) относительно по-
вреждающего воздействия реальных процессов.
Рис. 4.20. Реализация случайного процесса изменения напряжения в опасном сечении детали и
m схематизация
Подсчет максимумов, попадающих в выделенные интервалы напряжений выше
< реднего напряжения за процесс, дает распределение амплитуд схематизирован-
ного процесса, несколько завышенное за счет исключения циклов, возможно, фор-
мирующихся в интервалах ниже среднего уровня.
Если случайный процесс изменения напряжений зарегистрирован при непо-
родственном измерении в пробеге достаточной протяженности, то после подсчета
ксличества максимумов в каждом интервале нагрузочный режим представляется в
дискретном виде и наглядно изображается так, как показано на рис. 4.21 точками,
условно соединенными в одну кривую 1, например, для напряжений от изгиба лис-
i.i рессоры.
Подобный нагрузочный режим можно построить и по известным спектральным
'•>рактеристикам формирующегося в пробеге случайного процесса изменения на-
пряжений в опасном сечении представительной детали или элементе конструкции.
Простейшее вычисление основывается на том, что, как видно на рис. 4.21, количе-
'|во максимумов в разряде (т.е. выделенном интервале напряжения со средним
течением Са|) равно разности числа пересечений восходящими ветвями случайно-
ю процесса нижней и верхней границ. Среднее количество пересечений в единицу
премени заданного уровня случайным стационарным процессом снизу вверх опре-
делялось в работах С.Райса, Д.Мидлтона и др., если его реализации дифференци-
руемы хотя бы один раз и если известна дисперсия не только самого процесса, но
и его первой производной. В предыдущей главе показано, что зти условия обычно
। облюдаются в принятых математических моделях формирования случайных нагру-
юк ходовой части и трансмиссии автомобиля. Решение задачи о среднем количе-
< ше выбросов за (/ 1 )-й уровень выражается в следующем виде
255
n(i -1)
2
°a(>-1)
2Dc .
(4.37)
где Dm - дисперсия скорости изменения напряжения.
Подобной же формулой выражается и количество выбросов за Z-й уровень. Раз-
ность их дает среднее за единицу времени непрерывного нагружения количество
максимумов или амплитуд Z-го уровня:
4ср
1
2л
ехр
/ л
4-1
<2Do
- ехр
4
l2Dc>
(4.38)
При известной скорости движения V км/ч время, необходимое для непрерывно-
3 4
го пробега 100 км, составляет (36/Va)10 . Тогда среднее количество циклов 1-го
уровня с амплитудой (Та1 за этот пробег выражается в виде
36 ю4
4 =-------
Уа2л
ехр
о.
2D.
- ехр
4
2D.
(4-39)
Вычисление этих величин для всех уровней в полосе флуктуации напряжения
около среднего значения дает последовательность соответствий П.-О ., представ-
ляющих нагрузочный режим рассматриваемого пробега.
Здесь уместно напомнить положение, рассмотренное в предыдущей главе, о
том, что, как правило, случайные процессы нагружения, формируемые в пробе-
говых испытаниях с установившейся скоростью, отличаются сосредоточением
спектральной плотности в сравнительно узкой полосе частот. Обращение
функции спектральной плотности практически в нуль при невысоких (в пределах
до 10 15 Гц) частотах характеризует процесс как дифференцируемый и позво-
ляет выразить спектральную плотность скоростей его изменения в виде
9
SCV(P) = Р S„(P). (4.40)
Дисперсия скоростей изменения рассматриваемого случайного процесса опре-
деляется интегрированием этой функции
₽к
Dav = 2j P2SO(P)C/P.
(4.41)
0
где рк - частота пренебрежимо малых значений функции Sov(p). Теперь видно,
что нагрузочный режим при установившемся движении в испытательном пробеге
по определенной дороге можно найти двумя способами:
расчетным по заданной спектральной плотности микропрофиля дороги и коле-
бательным параметрам автомобиля, когда характеристика воздействия на рас-
сматриваемый элемент конструкции, формируемого эквивалентной колебательной
системой, связывается с повреждающим напряжением в сравнительно простом
эксперименте при статическом нагружении;
256
экспериментальным, когда в пробеге измеряется непосредственно и непрерыв-
но регистрируется напряжение в уязвимом от усталости месте или элементе, а ре-
зультат обрабатывается считыванием и классификацией экстремумов процесса.
Рис. 4.21. Нагрузочные режимы по напряжению от изгиба (а) и кручения (б) в коренном листе
рессоры автомобиля ГАЗ-66 на испытательных дорогах Центрального автополигона:
1 - скоростной; 2 - булыжной ровной; 3 - булыжной профилированной; 4 - бельгийской мос-
товой; 5 - тяжелой грунтовой; 6 - трека с трапециевидными неровностями.
Подробностям применения к оценке нагруженности деталей теории случайных
функций, схематизации и классификации результатов прямых измерений посвяще-
но много исследовательских работ и обширная литература, где имеются полезные
рекомендации по уточнениям разного рода, оправданные главным образом для
расчета абсолютной долговечности при одномерном напряженном состоянии
Значительно меньше уделено внимания важному для технологии испытаний во-
просу повреждаемости элементов конструкции при сложном нагружении
Большинство деталей ходовой части автомобиля работают под действием на-
рузок, вызывающих одновременно деформации сжатия, растяжения, изгиба, кру-
257
чения, а в практике сопоставлений нагруженности рассматривается лишь одна
компонента. Упущения, допускаемые при этом, становятся значительными для де-
талей, высоконагруженных силами и моментами, вызывающими разные деформа-
ции, особенно на специальных испытательных дорогах форсированного и направ-
ленного воздействия.
Характерным примером являются листовые рессоры в подвеске, переменные
напряжения в листах которых от поперечного кручения становятся соизмеримыми
с напряжениями изгиба от нормального прогиба. При форсированных испытаниях
на некоторых специальных дорогах сочетание кручения и изгиба является решаю-
щим фактором ускоренной оценки ресурса, в особенности при доводке конструк-
ции подвески, рамы, несущей системы и других агрегатов ходовой части автомо-
билей
Для оценки воздействия сложного нагружения проведены экспериментальные
исследования на всех основных дорогах Центрального автополигона.
Измерение и регистрация одновременно напряжений от вертикального прогиба
и кручения проводились прежде всего в листах рессор автомобилей многоцелево-
го назначения, в условиях работы которых по ТЗ предусматриваются особо неров-
ные дороги и местность, что заведомо связано с большими вертикальными и попе-
речно-угловыми деформациями подвески.
При выборе установки тензорезисторов для измерения напряжений в листах,
где определилась наиболее вероятная эксплуатационная повреждаемость, предва-
рительными испытаниями на стенде обеспечивалась независимость регистрации
процессов напряжения от изгиба и кручения. Затем оба процесса регистрирова-
лись синхронно в длительном пробеге. Последующая их схематизация и классифи-
кация циклов проводились раздельно.
Анализ процессов изменения напряжений не показал совпадений циклов круче-
ния и прогиба, несмотря на то, что в подвеске неразрезных мостов имеется между
ними кинематическая связь.
Результаты обработки зарегистрированных процессов представлены на рис. 4.21 в
виде нагрузочных режимов за 100 км непрерывного ipobera по каждой дороге. Со-
единение последовательных сочетаний амплитуд и количества циклов в выбранных
разрядах, обозначенных точками, придает отчетливость и наглядность каждому нагру-
зочному режиму.
Сопротивление усталости автомобильных листовых рессор при комбинирован-
ном воздействии, вызывающем одновременно нормальный изгиб и поперечное
кручение случайного характера, не может безоговорочно оцениваться, исходя из
какого-либо известного критерия усталостного разрушения (максимального глав-
ного напряжения, максимального касательного напряжения, максимальной главной
деформации и т.п.), прежде всего потому, что случайные процессы изгиба и круче-
ния даже в схематизированном виде не синхронны и не синфазны. Фазовые рас-
хождения непрерывно изменяются.
Кроме того, усталостные повреждения листовых рессор от кручения до на-
стоящего времени мало изучены. О сопротивлении усталости листовых автомо-
бильных рессор от кручения известны только качественные данные: во-первых,
характер поломки листов не меняется в сравнении с наблюдаемым при эксплуа-
тации или испытании изгибом, во-вторых, кручение значительно снижает долго-
вечность рессор, причем форсирование испытаний за счет пробега на специаль-
ных дорогах, где деформации кручения достигают максимальных значений,
уменьшает пробег до поломок листов во много раз в сравнении с ресурсом в
258
пробеге на специальных дорогах, вызывающих только деформации изгиба или
небольшие деформации кручения.
Поэтому учет интенсивного кручения рессор при форсированных испыг алиях
приходится базировать на ограниченных сведениях теории усталости или цикличе-
। кой долговечности металлов при комбинированном воздействии изгиба и круче
пия с тем, чтобы ввести некоторые обоснованные допущения. Эти немногочислен-
ные данные сводятся в основном к следующему.
1. Соотношения пределов выносливости образцов сталей, подвергающихся раз-
дельно изгибу и кручению, по опубликованным данным колеблются в довольно ши-
роких пределах. Объединяя эти данные, И.А.Одинг указывает следующее соотно-
шение:
Г, = (0,58 ± 0,12)0- ,, (4.42)
где Т , - предел выносливости при кручении; О’, - предел выносливости при
изгибе.
Из этого можно сделать вывод о том, что при равных значениях амплитуд циклов
напряжение от кручения наносит усталостное повреждение в к = 1/(0,58 ± 0,12) раз
больше, чем напряжение от изгиба.
2. При комбинированных воздействиях одновременно изгиба и кручения Г.Га-
фом предложено эллиптическое соотношение предельных напряжений
где и ^а “ предельные амплитуды напряжений изгиба и кручения при одно-
временно действующих изгибающих и крутящих нагрузках. Это соотношение ис-
пользуется для определения запаса прочности, считая, что формируемое повреж-
дающее напряжение приводится к изгибному в следующем виде:
Г~2 2 2
°расч — + Г' та (4.44)
где К = <Т ,/т ,.
3. Влияние различия в фазах циклов переменных напряжений изгиба и кручения
при их совместном воздействии для сталей и других металлов исследовалось Ни-
шихарой и Кавамото. По данным этих исследований, максимальное отличие сопро-
тивления усталости, возникающего при сдвиге фаз на 90°, от сопротивления уста-
лости, возникающего при синфазном изменении напряжений изгиба и кручения, не
превышает 10%.
Обобщение этих положений на исследование нагруженности рессор основыво-
ется на том, что предел выносливости листов установлен не как абсолютный пара
метр, определяющий исключение усталостного разрушения при каком угодно боль-
шом числе циклов, а как максимальное напряжение циклов на определенной бале
испытаний. База испытаний таких конструкций, как автомобильные рессоры прак-
тически ограничивается значениями порядка (5...6)106 циклов. Можно поэтому счи-
тать, что повреждающие свойства сочетаний циклов изгиба и кручения на уровне
пределов выносливости являются теми же, что и сочетаний циклов с более высо-
259
кой амплитудой. Или, наоборот, повреждающие свойства сочетания циклов с ам-
плитудами произвольного уровня подчиняются тем же закономерностям, что и со-
четания пределов выносливости.
Если принять эти условия, то из соотношения (4.43) следует, что при совмест-
ном изгибе и кручении рессоры повреждение материала от каждого цикла круче-
ния и изгиба усиливается по сравнению с раздельным их воздействием Причем
эллиптическая зависимость усиливает зту чувствительность материала к комбина-
ции нагрузки.
Вместе с тем ясно, что при амплитудах напряжений изгиба, приближающихся к
максимальным, чувствительность к переменным напряжениям кручения резко воз-
растает, в то же время при больших напряжениях кручения чувствительность к на-
пряжениям изгиба значительно меньше.
Учитывая первое и второе из отмеченных выше положений, показатель накопле-
ния усталостного повреждения при сложном нагружении после подстановки (4.44)
в формулу (4.27) принимает следующий вид:
Ч = ngg™
откуда
N. = Nr
s Сз
Это
m
т
Та, J
и =
m
nizai
д. m
1
же соотношение для приведенного режима запишем в следующем
m
Л гт
/п а/п
виде
ki m
^GT-1
как по условию эквивалентности 1-й составляющей фактического
денного нагрузочного режимов Rjn = FL, а характеристика усталости (Nc
неизменной, то амплитуда циклов приведенного
Так
и
и
приве-
1
ГЛ) ос-
напря-
(4.45)
Однако применить соотношение (4.45) для расчетов сравнительной повреждае-
мости детали по располагаемым нагрузочным режимам сложно. На рис 4 21 вид-
но, что фиксированные точки режимов изгиба и кручения на одной и той же испы-
тательной дороге не имеют полного совпадения для соответствующего им количе-
ства циклов Л., которое позволило бы считать, по крайней мере в среднем, от-
дельные циклы процессов напряжения от изгиба и кручения синфазными, а затем
для оценки сложного напряжения использовать соотношение (4.44).
Но затруднение можно преодолеть с помощью приведения фактического режима
нагружения к условному, сохраняя его эквивалентность по критерию накопления уста-
лостного повреждения в материале. Для этого каждая составляющая режима нагру-
жения от кручения (точка на графике рис 4.21) с координатами nf Т приводится к
такой условной составляющей, которая характеризуется количеством циклов Л(п, рав-
ным ближайшему на нагрузочном режиме от изгиба, и с другой амплитудой Т;п на-
пряжения цикла, обеспечивающей неизменность повреждающего воздействия.
При выбранном количестве циклов приведения Л(п можно найти соответствую-
щую амплитуду напряжения, если известна характеристика усталости, в частности,
показатель ее наклона ГЛ.
Согласно линейной гипотезе накопления усталостного повреждения часть ре-
сурса, приходящаяся на рассматриваемую составляющую режима нагружения, со-
ставляет
N.
I
Вместе с тем при заданной Та; можно выразить ресурс N. через базовое число
циклов Nc и предел выносливости Т с помощью уравнения кривой усталости
г.тется для данной детали
жения выражается в виде
(4.46)
формуле (4.46) по каждой точке режим нагружения от
изгиба беспрепятственно включается в построение ре-
Приведенный согласно
кручения к нагружению от
жима сложного нагружения по соотношению (4.46). Основанием этого можно счи-
1ать отмеченное выше третье положение, из которого следует, что несинхронность
и несинфазность совместно возникающих напряжений от изгиба и кручения мало
влияют на сопротивление усталости.
На практике приходится иметь в виду, что некоторое количество составляю-
щих режима кручения, зафиксированных при обработке опытной записи, значи-
тельно удалено от предельного количества зарегистрированных циклов режима
изгиба Такое положение может возникнуть, например, при существенном разли-
чии масштаба записи напряжений разного вида, настройке аппаратуры на раз-
личную чувствительность. Тогда амплитуды циклов малого напряжения, чаще
всего от кручения, сохраняются при схематизации и систематизации процесса
тначимыми. в то время как соответствующие им циклы напряжения от изгиба не
улавливаются.
Наблюдается также значительное расхождение по количеству составляющих
объединяемых режимов: количество зафиксированных точек чаще всего в нагру-
•очном режиме от изгиба значительно больше, чем в режиме от кручения.
Такое положение объясняется формированием процесса прогиба рессор в сис-
юме подвески с несколькими резонансными составляющими чисто вертикальных
колебаний, не сопровождающихся поперечно-угловыми перемещениями неподрес-
i оренных и подрессоренных масс.
Все эти особенности автоматически учитываются при построении расчетного
режима сложного нагружения подстановкой в соотношения (4 44) и (4 45) на место
амплитуды напряжения отсутствующей составляющей нулевого значения
Наглядное представление об оценке сопоставимого показателя усталостного повреждения
при сложном нагружении дает конкретный пример объединения опытных натрузочы ix режимов
260
261
изгиба и кручения рессоры на испытательной дороге с профилированным булыжным покрытием
(кривые 3 на рис. 4.21).
При этом вводится компактная форма числовой записи нагрузочных режимов, удобная и для
расчетов, и для хранения в памяти ЭВМ или банке данных, следующего вида:
по напряжениям изгиба
47 80 320 710 1.3 Ю3 2,8 Ю3 3,0-103 3,8 -103 5,1 103 1,0 104 д7)
° 385’350’310’272 ’ 232 ’ 195 ’ 157 ’ 120 ’ 77 ’ 35 ’
по напряжениям кручения
3 3 3 3
200 1,05 10 3 -10 11,5 -10 19-10 (Л
р ____ J_____________- ____-_______- (4.48)
47 36 28 19 10
Здесь индексы у обозначения режима Р указывают вид напряжения; последующие дроби,
отделенные точкой с запятой, представляют каждую составляющую так, что в числителе показа-
но количество циклов на 100 км пробега, а в знаменателе - их амплитуда после систематизации
процесса в МПа.
В такой записи отчетливо видно, что в рассматриваемом примере по числу циклов только
третья составляющая нагрузочного режима от кручения совпадает с седьмой составляющей ре-
жима от изгиба (отсчитанные слева точки); остальные же требуют приведения.
Так, первая составляющая режима кручения приводится к ближайшему числу циклов второй со-
ставляющей режима изгиба с помощью подстановки соответствующих значений в соотношение
ставляющая приводится к пятой составляющей режима изгиба с новой амплитудой цикла
J3
1,05 10
-------- = 32,8 МПа . Точно так же четвертая составляющая, приведенная к
1,3 1 о3
числу циклов последней составляющей режима нагружения от изгиба, получается с амплитудой
Тап4 = 20,2 МПа. Последняя составляющая, как не имеющая соответствующей по числу циклов
компоненты в нагрузочном режиме от изгиба, остается без изменения. В этих вычислениях показа-
тель кривой усталости листов при изгибе рессор Ш = 2,3 и сохраняется неизменным при кручении.
После преобразований с учетом данных (4.48) приведенный нагрузочный режим кручения
принимает следующий вид:
80 1,3 103 ЗЮ3 1,0-104 19 103
Ртп: —;---------;-----;--------:--------- (4.49)
70 32,8 28 20,2 10
Следующий шаг в расчете - объединение нагрузочных режимов - не вызывает трудностей,
поскольку четыре составляющих приведенного режима кручения (4.49) совпадают по количеству
циклов с отдельными составляющими режима изгиба и для вычисления соответствующих ам-
плитуд сложного напряжения применима формула (4.44), как и к последней составляющей при
нулевом значении амплитуды напряжения изгиба.
Для определения амплитуды сложного цикла выбирается значение коэффициента К = 2,17
по верхнему пределу, так как центрированный процесс переменных напряжений кручения объе-
диняется с процессом переменного изгиба, значительно смещенным на величину среднего на-
пряжения от статической нагрузки. Вследствие этого, как уже отмечалось, можно ожидать повы-
шенную чувствительность материала к воздействию кручения. Кроме того, выбор верхнего пре-
дела коэффициента К можно рассматривать как некоторую компенсацию того, что не учитыва-
ется смещенность отдельных циклов напряжения, не предусмотренная в автоматизированной
обработке экспериментальной записи переменного напряжения.
При таком выборе коэффициента К амплитуда, например, напряжений второй составляющей
сложного режима, определяется по формуле (4.44), как
262
2,з/ 2 2~ 2
П.^2 — у350 +2,17 70 — 382МПа, а амплитуда последней составляющей, возниклю-
щей только от воздействия кручения, — Kzas = 2,17 10 = 21,7 МПа .
После подобного расчета амплитуд всех составляющих, совпадающих по числу циклов напряже
ния, нагрузочный режим при сложном воздействии изгиба и кручения принимает следующий вид
47 80 320 710 1,3 103 2,8 103
Рап:----;----;----;----;--------;--------;
385 382 312 272 242,7 195
3,0 -103 3,8 103 5,1 103 1,0 Ю4 . 1,9 104 (д 50)
168,4 ’ 120 ’ 77 ’ 56,7 ’ 21,7
Подстановка этого численного описания нагрузочного режима в соотношение (4.27) дает по-
сле вычислений оценку показателя накопления усталостного повреждения в листе рессоры от
9
совместного воздействия изгиба и кручения гс = 2,35 10 . Здесь, как и далее размерность
опускается, постоянно имея в виду сопоставительное назначение самого показателя для опре-
деления коэффициентов эквивалентности пробега по отношению к показателям той же размер-
ности на других дорогах. Заметим также, что в практических расчетах можно обойтись без от-
дельной записи сложного нагрузочного режима в виде (4.50), составленного для пояснения ме-
тодики. После приведения нагрузочного режима от кручения численные данные (4.47) и (4.49)
' разу подставляются в формулу (4.45).
В рассматриваемом примере удобно определить, насколько значительно влияние кручения
на оценку сопоставимого показателя накопления усталостного повреждения в листах рессоры.
Для этого при подстановке в формулу (4.27) данных режима (4.47) подсчитывается оценка со-
поставимого показателя накопления повреждения только от изгиба, которая составила
9
= 2,14 -10 . Из сравнения этой оценки с полученной выше следует, что поперечное круче-
ние рессор при испытаниях на булыжной дороге в данном скоростном режиме повышает темп
накопления усталостного повреждения в листах на 10 % и более.
Совершенно иные соотношения наблюдаются на специальном испытательном треке автопо-
лигона. В соответствии с графиками рис. 4.21 численные выражения нагрузочных режимов
здесь следующие:
8,0 Ю3 10,6 103 11,3-Ю3 11,4 103 31,0 103
р- --------;-----------;--------;--------;-----------;
207 160 122 80 15
800 7,7 103 9.8-103 10,0 Ю3 10,6-Ю3 12,0-Ю3
Рт:—;-----------;---------;---------;---------;---------
124 108 94 78 63 47
После приведения к одинаковому количеству циклов, составления численного выражения
( ложного нагрузочного режима расчет и сравнение величин и Fc показывает, что кручение
рессор при испытаниях на треке повышает темп накопления повреждения в листах от изгиба на
173 % и более. Аналогичные расчеты проведены по нагрузочным режимам для всех остальных
специальных испытательных дорог, приведенным на рис. 4.21.
Сведенные в табл. 4.10 результаты показывают влияние кручения рессоры, возникающего
практически на всех дорогах, как следствие поперечно-угловых колебаний подвески, на устало-
стное повреждение в листах. В конечном счете это выражается изменением коэффициентов эк-
вивалентности пробега, которые рассчитываются обычно относительно скоростной дороги
Построение расчета сложного нагружения листов рессор одновременно от изгиба и кручения
позволяет для испытательных дорог форсированного воздействия существенно уточнить эти ко-
эффициенты, (иногда называемые коэффициентами перехода), ранее определявшиеся по нагру-
зочным режимам только от напряжений изгиба.
Поскольку исходные данные для оценки коэффициентов эквивалентности получены при экс-
периментальных пробегах, выполнявшихся по методике, в которой загруженность, балластиров-
»it, скоростные режимы и правила управления строго соответствовали действующей норматив-
но-технической документации данные табл. 4.10 использовались для планирования форсирован-
ных полигонных испытаний.
263
Таблица 4.10
Испытательная дорога автополигона с регламентированной скоростью движения Показатель накопления усталостного повреждения по напряжениям Повышение нагруженности от кручения, % Оцанка коэффициента эквивалентности пробега относительно скоростной дороги Кэ
от изгиба от изгиба с кручением по напряже- нию изгиба по сложному напряжению
Скоростная, V,=43 км/ч 6,6-1 о7 6,63-1о7 0,5 1,0 1.0
Булыжная ровная, V,=40 км/ч 1,15-10® 1,22-109 6 17,4 18,4
Булыжная профилированная, V,=35 км/ч 2,14-10® 2,35-109 10 32,4 35,4
Бельгийская мостовая Ve=30 км/ч Q 2,7-10 3,07-1О® 14 40,9 46,3
Грунтовая тяжелая, V,=13 км/ч 1,74-109 2,34-109 34 26,3 35,3
Трапецеидальный трек, V,=7 км/ч 3,94-10® 8,07-10® 279 59,6 121,4
Расчетный способ оценки сопоставимых показателей накопленного поврежде-
ния с учетом поперечного кручения рассмотрен применительно к листовым рессо-
рам в подвеске двухосных автомобилей и в подвеске переднего моста трехосных.
Для рессор задней балансирной подвески трехосных автомобилей этот способ
удобно использовать в модернизированном виде, учитывая то, что поперечное кру-
чение в данной конструкции включает еще компоненту от кососимметричной пере-
менной нагрузки, не связанную с симметричным перемещением мостов относи-
тельно рамы, а определяющуюся взаимными перекосами среднего и заднего мос-
тов. Этот вид нагружения может быть интенсивным и нести основную часть повре-
ждающего воздействия. Поэтому для условий, когда можно ожидать преобладаю-
щее воздействие от кручения, удобнее циклические напряжения от изгиба, неиз-
бежно сопутствующего поперечно-угловым деформациям подвески, приводить к
напряжениям кручения. В соотношении (4.43) напряжения от изгиба и кручения
входят симметрично. Поэтому точно так же, как и в соотношении (4.44) из него
следует расчетное напряжение сложного цикла в виде
V”2 772 2
Та + К СТап •
где К — ]/К коэффициент, обратный введенному ранее соотношению преде-
лов выносливости Оэп - амплитуда напряжения изгиба, приведенная по числу цик-
лов к ближайшей точке опытного нагрузочного режима от кручения.
Подробнее теоретические и экспериментальные исследования сложного нагру-
жения рессор и методика испытаний, использованные в качестве примера, изло-
жены в [21, 37, 65].
В заключение необходимо обратить внимание на некоторые вопросы практиче-
ского использования сопоставимых показателей накопления усталостных повреж-
264
дений, касающиеся прежде всего расчета их по эквивалентным моделям формиро-
вания переменных нагрузок.
В практических разработках НТД по технологии пробеговых испытании на осно-
ве сопоставимых показателей и коэффициентов эквивалентности пробегов по уста-
лостным повреждениям с использованием таких характеристик случайных процсс-
i ов нагружения, как спектральная плотность и корреляционная функция возникают
вопросы их точности и достоверности, так как эти характеристики являются лишь
оценками процессов в статистическом смысле.
Кроме того, требуются ограничения области применения некоторых положений
в связи с частотными особенностями наблюдаемых процессов, их дифференцируе-
мостью. длительностью располагаемых реализаций и т.п.
Совокупность этих вопросов рассматривается в специальной литературе по
н'ории случайных функций и предлагаемые в ней приемы решений не вызывают
каких-либо затруднений, специфических в применении к задачам испытаний.
Достаточно обоснованные модели входных воздействий дороги на автомобиль в
виде случайных стационарных процессов с нормальным распределением, если и
вс снимают новые вопросы, то значительно упрощают их решение. Кроме того,
выбранные эквивалентные колебательные системы автомобиля с сосредоточен-
ными постоянными, реакции которых рассматриваются как результаты прохож-
дения через них воздействия дороги, концентрируют выходные процессы изме-
нения нагрузки и напряжений в деталях автомобиля в узком классе случайных
Функций, где применимость рассмотренных выше методов не сопряжена с рис-
ком большой погрешности.
Это, например, можно отнести к схематизации процессов при расчетах коэффи-
циентов эквивалентности сопоставимых показателей повреждаемости. Случайный
шционарный процесс воздействия, прошедший через системы, эквивалентные
кодовой части и трансмиссии, формирует узкополосные процессы изменения на-
пряжения в деталях, когда разные методы схематизации дают практически одина-
к >вые показатели сопоставимого накопления усталости.
Но, как показывает опыт, некоторые особенности практических расчетов требу-
к>| постоянного внимания, и их рассмотрение может облегчить получение данных
для нормирования и планирования форсированных испытаний.
Выбор показателей наклона кривых усталости для автомобильных дета-
лей Главное затруднение в этом выборе возникает в связи с ограниченностью
данных о натурных испытаниях деталей автомобилей на усталость.
Исходя из результатов стендовых испытаний, достаточно уверенно можно
принимать т = 4. .5 для валов и шестерен трансмиссии. Для клепаных соедине-
нии рам грузовых автомобилей ГЛ = 3...4, для сварных т = 4.5, для листов
рессор т = 2,0. .5, причем показатели т наклона кривой усталости для рессор-
ных сталей по испытаниям стандартных образцов следующие:
Сталь 50ХГ 50ХГА 55С2 60С2 55ХГР
Показатель 2 2,5 3,8 4 5
В работе [25] даны рекомендации для вычисления показателя ГП с учггом фак
1оров, влияющих на сопротивление усталости детали по формуле
т = С/К~ ,
' сги
265
где K^D - суммарный коэффициент, учитывающий влияние на усталость детали
концентрации напряжений, абсолютных размеров, качества обработки, коррозии,
частоты нагружения, методов поверхностного упрочнения и некоторых других фак-
торов; С - постоянный коэффициент, отличающийся для деталей из углеродистой
и легированных сталей, для сварных соединений.
Учет влияния смещенности процесса нагружения относительно нулевого
уровня. Если в условиях симметричного относительно нулевого уровня изменения
нагрузки работают такие, например, ответственные детали автомобиля, как про-
дольная и поперечная рулевые тяги, то смещенной переменной нагрузке подверга-
ются несущая рама (или корпус), мосты, рессоры, детали трансмиссии. Расчет та-
кого смещенного процесса состоит из двух стадий. Сначала рассматривается цен-
трированная относительно средней величины переменная часть процесса. Затем,
считая каждый цикл асимметричным, необходимо учесть влияние его повреждаю-
щего воздействия на материал не только в зависимости от амплитуды, но и от
среднего значения о
ср
При непрерывном случайном нагружении деталей автомобиля за среднее значе-
ние амплитуд циклов принимают среднее значение ординат зарегистрированной
реализации
В связи с недостаточностью исследований влияния на усталость деталей асим-
метрии цикла при амплитудах выше (У f можно принять в первом приближении, что
это влияние проявляется так же, как и при циклическом нагружении с амплитудами
предела выносливости Зависимости изменения амплитуд циклов, соответствую-
щих пределу выносливости оот среднего значения Оср изображаются диаграм-
мами предельных напряжений.
Для инженерных расчетов рекомендуется простая формула, связывающая эти
величины <у', = О , — Ч'Оср,
где Ч' - коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла.
Для углеродистых сталей при изгибе Ч7 = 0,1...0,2, для легированных
Ч7 = 0 ,2. . 0,3, для скручивающих нагрузок Ч7 = 0.0,2 и 0.1. . 0,15 соответственно.
Можно считать, что наличие постоянной составляющей равносильно изменению
амплитуд каждого цикла центрированного процесса на постоянную Ч7О_.
ср
Как известно, дисперсия статистически распределенной величины не изменяет-
ся при добавлении к ней постоянной составляющей. Следовательно, и дисперсия
Оо и дисперсия скоростей изменения ординат Dm, которые включаются в расчет
при определении закона распределения амплитуд, не изменяются если вместо
смещенного процесса обрабатывается центрированный процесс.
Влияние смещенности действительного процесса нагружения необходимо
учесть при суммировании амплитуд циклов и при определении пределов учитывае-
мых напряжений.
Верхний предел определяющий максимальную величину учитываемых ампли-
туд, должен быть увеличен на Ч*О . Нижний предел, определяющий минимальные
ср
амплитуды циклов, которые следует учитывать исходя из их повреждающего воз-
266
действия, необходимо уменьшить на Ч'О , так как при смещении нагрузки мини-
мальный цикл, еще способный вызвать усталостное повреждение, будет меньше,
чем при колебании нагрузки около нулевого уровня.
В зависимости от характера работы рассматриваемой детали необходимо при
определении средней нагрузки учитывать статическую составляющую. Например,
при регистрации переменной нагрузки в рамах, рессорах и других несущих деталях
автомобиля нуль на осциллограмме обычно соответствует статической нагрузке, в
действительности не равной нулю. В этом случае средняя нагрузка увеличивается
на величину статической нагрузки.
Выбор предела выносливости. При назначении предела выносливости а
ио кривой усталости руководствуются тем, что соответствующее число циклов
изменения напряжения NG больше общего числа циклов нагружений за предпо-
лагаемый срок службы детали. В машиностроении базовым числом N„ для ста-
лей принято считать 106 - 10?, пренебрегая дальнейшим медленным снижением
кривой усталости в области N > N& Для расчета накопления повреждения в
случае, когда действительное число циклов нагружения значительно больше Nc,
допущение о горизонтальности правой части кривой усталости может привести к
сниженным результатам.
Наблюдения показывают, что некоторые детали автомобиля в эксплуатации ис-
пытывают десятки миллионов циклов изменения нагрузки. Например, для деталей
|рансмиссии при 50...70 тыс.км пробега число циклов нагружения в десятки раз
превосходит базовое число. При этом даже незначительное снижение правой вет-
ви кривой усталости дает ощутимое изменение предела выносливости.
Опытных данных о поведении сталей при испытаниях с малыми циклическими
нагрузками почти нет. так как получение таких характеристик связано с чрезвычай-
но длительными испытаниями. Поэтому нижний предел суммирования циклов по-
вреждающих напряжений определяют экстраполяцией кривой усталости на более
высокое число циклов нагрузки. Исходя из экспериментальных данных и минималь-
ной долговечности, такое число циклов можно ограничить Мпред = (25...30)Ю6
Принципиальная возможность установления предела выносливости экстраполя-
цией результатов, полученных при более высоких уровнях нагружения, на область
t пижения кривой усталости показана в ряде работ [44 и др.].
Используя уравнение кривой усталости, предел выносливости на базе 25 106
циклов можно выразить приблизительно через предел выносливости на базе 1-10
в виде
(О ,)пр = ° Т^/Чред = ^04G г
Выбор верхнего предела учитываемых напряжений по параметрам про-
цесса При расчетах нагруженности деталей по передаточным функциям эквива-
лентных колебательных систем основной результат представляется в виде диспер-
ии процесса изменения напряжения или нагрузки.
Чтобы учесть все возможные амплитуды циклов, удобно воспользоваться веро-
ппостной оценкой их появления.
267
Полагая, как оговаривалось ранее, случайный стационарный процесс изменения
напряжения нормальным, для распределения ординат этого процесса можно запи-
сать неравенство Гаусса в виде
где Р - вероятность появления напряжения О > h-^Do ; h - коэффициент пре-
вышения напряжения среднего квадратического значения.
Подстановка в эту формулу h = 3 дает весьма малую вероятность (около 0,0097,
т.е. менее 1 %) появления напряжений, превышающих 3^Da .
Следует подчеркнуть, что это относится и к несимметричному процессу и требу-
ет учета постоянной составляющей.
Приведенные краткие сведения из теории усталости металлов дают лишь общее
представление о ее приложении к задачам технологии полигонных испытаний.
Более полное использование этой теории отражено в ряде нормативно-техниче-
ских документов и методиках нормальных и форсированных испытаний автомо-
бильной техники на Центральном автополигоне, в испытательных центрах заводов-
изготовителей и лабораториях научно-исследовательских и учебных вузов автомо-
бильного профиля.
Глава 5. РЕЖИМЫ НОРМАЛЬНЫХ
ПРОБЕГОВЫХ ИСПЫТАНИИ
НА АВТОПОЛИГОНЕ
Транспортная работа автомобиля в
эксплуатации осуществляется в процессе функционирования сложной системы
водитель - автомобиль - дорога - среда” (ВАДС). Эта система включается в дей-
ствие с самого начала движения, и в ней наиболее полно проявляются эксплуата-
ционные свойства автомобиля. Поэтому идеальной технологией испытаний было
бы воспроизведение на стабильной технической базе каждый раз процесса функ-
ционирования системы ВАДС в эксплуатации.
Но система ВАДС до настоящего времени не поддается сколько-нибудь удовле-
творительному математическому моделированию, так как каждый элемент ее ха-
рактеризуется большим количеством изменчивых показателей и, что вносит еще
большие трудности, обладает сложными, неоднозначными связями и взаимовлия-
ниями между элементами. Научная проблема математического описания функцио-
нирования системы ВАДС еще только формируется, разрабатываются детализация
необходимых материалов, ее структурные построения и т.д.
Между тем нарастающее количество публикаций, дискуссий среди специали-
стов ведущих автомобильных корпораций, предложений о нормировании испыта-
ний показывает утверждающуюся тенденцию перехода к оценке эксплуатационных
свойств автомобильной техники в условиях возможно более полного воспроизведе-
ния функционирования ее в системе ВАДС. Реализация этой тенденции в сочета-
нии с неизменными требованиями достоверности, повторимости и сопоставимости
результатов испытаний осуществляется в поэтапном, различными способами при-
ближении функционирования элемента “автомобиль” при испытаниях к функциони-
рованию его в системе ВАДС.
Это приближение достигается как с помощью все более полного моделирования
отдельных элементов системы, так и с помощью установления их связей и воздей-
ствий по этим связям.
Первым этапом в процессе приближения испытаний к функционированию авто-
мобиля в системе ВАДС явилось создание специальных дорог и сооружений, от-
ражающих широкий спектр возможных состояний элемента “дорога", как это пока-
зано в гл. 2. Далее раскрыта одна из решающих связей: воздействия микропро-
филя дороги и повреждения автомобиля. Следующий этап развития технологии ис-
пытаний согласно с утвердившейся тенденцией состоит в регулировании и подгон-
ке характеристик элементов системы, воздействии на процесс функционирования
автомобиля с помощью межэлементных связей. Осуществляется это различными
способами: изменением и подбором маршрутов движения на специальных испыта-
тельных дорогах, принудительными предписаниями движения по ним, включением
в пробеговые испытания лабораторных или лабораторно-дорожных составляющих.
Все эти способы фиксируются в нормативно-технической документации технологии
испытаний - методиках. Реализация их намечается в программах или планах про-
беговых испытаний.
Инструментом регулирования, подбора элементов и контроля функционирования
< истемы ВАДС при испытаниях являются режимы рабочих процессов.
Условно, согласно сложившейся традиции, используются следующие понятия
режимов.
269
Режим пробеговых испытаний - определяется номенклатурой используемых
дорог и распределением пробега по ним в процентах к общему планируемому
пробегу, установлением скоростей движения на специальных дорогах, весовых
состояний автомобиля и прицепной нагрузки, времени непрерывного движения и
стоянки, а также некоторыми общими обстоятельствами проведения испытатель-
ного пробега.
Режим движения - определяется главным образом скоростью и ее изменением
по элементам ездового цикла: разгона, замедления, установившегося движения,
торможения, остановки, возобновления движения.
Режим работы автомобиля и его агрегатов - характеризуется, кроме распреде-
ления скорости и весовых состояний, также важнейшим показателем - расходом
топлива, широким перечнем механических показателей использования агрегатов,
устройств, органов управления в пробеге.
Измерение этих показателей, получившее название режимометрирования, осве-
щено в специальной литературе. Оно непрерывно совершенствуется. Не останав-
ливаясь на его подробном описании, заметим лишь, что режимометрирование ока-
залось эффективным средством регулирования и подгонки процессов функциони-
рования системы ВАДС при пробеговых испытаниях к эксплуатационным условиям.
Исходя из того, что одной из основных задач перехода к испытаниям на стацио-
нарной технической базе является ускорение получения результатов, важно опре-
делить начальные условия, точку отсчета последующего совершенствования испы-
таний по конкретным программам. Таким началом служат номинальные режимы
пробеговых испытаний на специальных дорогах, сложившиеся как прямое отраже-
ние эксплуатационных условий движения автомобилей в первом приближении. Ис-
пытания в этих режимах получили название нормальных. Затем в технологической
документации, программах испытаний учитывается влияние нерегулируемых факто-
ров, таких, например, как погодные условия и возможности компенсации их изме-
нения другими факторами, поддающимися регулированию, например, скоростью
движения. Отправляясь от номинальных режимов нормальных испытаний, далее и
развивается приближение функционирования автомобиля к различным состояниям
системы ВАДС путем регулирования характеристик элементов или форсирования
испытаний воздействиями по связям совместно с изменением характеристик эле-
ментов системы.
5.1. Номинальные
показатели режима
пробеговых испытаний
Многочисленными исследованиями
доказано, что интенсивность нагружения и обусловленная ею работоспособность
автомобиля и его агрегатов в эксплуатации в основном определяются факторами
дорожных условий - видом и микропрофилем покрытия, а также рельефом местно-
сти, помехонасыщенностью, факторами транспортных условий, оцениваемыми ко-
эффициентом использования пробега, коэффициентом использования грузоподъ-
емности, коэффициентом использования прицепа, длиной ездки с грузом (для са-
мосвалов).
По данным [7, 49] наиболее существенное влияние на надежность АТС оказыва-
ют дорожные условия. В частности, считается, что относительная доля влияния
270
факторов дорожных условий составляет 55%, факторов транспор 1ных условий -
28,5 %, а пробега с начала эксплуатации - 16.5 %. Из этого можно заключить, что
номинальный режим пробеговых испытаний определяется следующими основными
показателями:
- распределением общего пробега по видам (типам микропрофиля) дорог;
- загруженностью полезным грузом или пассажирами на определенном пробеге
и частотой ее изменения;
- скоростью движения на дорогах разного типа, а для полигонных испытаний -
разных групп согласно принятому выше их группированию;
- перерывами в движении и чередованием их на разных дорогах.
Установление этих показателей для испытаний, исходя из условий эксплуатации
на различных дорогах общего пользования, существенно облегчается применитель-
но к условиям стабильной технологической базы, например. Центрального автопо-
лигона. Отмеченное выше воспроизведение воздействий дорог общего пользова-
ния дает основание устанавливать эти показатели прежде всего для ресурсных по-
лигонных испытаний в пробеге по отдельным специальным дорогам, например,
группы I. На дорогах группы II и III, а также при использовании специальных соору-
жений, проведенные исследования дают возможность обоснованно корректировать
установленные показатели, учитывая сезонную изменчивость микропрофиля покры-
тия, интенсивность коррозии, запыленность и другие обстоятельства.
Распределение испытательного пробега по видам дорог осложняется тем, что
в эксплуатации нет сколько-нибудь систематизированных и четких сведений о соот-
ношениях в общем пробеге до капитального ремонта или списания между объемами
транспортной работы при движении его по дорогам с различными типами покрытий,
рельефа местности, помехонасыщенности для автомобилей разных классов и назна-
чений. Поэтому при проектных расчетах автомобильных конструкций, как и при со-
ставлении программ натурных ресурсных испытаний на начальном периоде их ста-
новления, в распределении пробега преобладали эвристический подход и соглаше-
ния заинтересованных сторон. Это наглядно иллюстрируется обобщением программ
натурных ресурсных испытаний автомобилей, приведенным в 149].
Действующая классификация автомобильных дорог по СНиП Н.Д.5-72 базирует-
ся на двух показателях:
- среднесуточной интенсивности движения;
- наибольшей расчетной скорости движения, определяемой из условий обеспе-
чения безопасности.
Совершенно очевидно, что по этим показателям невозможно нормировать про-
тяженность пробегов до капитального ремонта на разных дорогах с целью объек-
тивного учета их влияния на работоспособность и надежность среднесписочного
автомобиля.
В некоторых источниках на основе накопленного опыта рекомендуются или
предписываются распределения пробега по видам дорог в осредненных условиях
эксплуатации или нормальных испытаний так, как показано в табл. 5.1 Однако
приведенные данные, во-первых, отличаются существенным разбросом, во-вторых,
относятся к 50...60-м годам и не учитывают совершенствования дорожной сети, в-
третьих, регламентируют контрольные и приемочные испытания, цели которых в
значительной мере отличаются от целей ресурсных испытаний.
Поэтому для приведения программы пробега в соответствие с реальными усло-
виями использования автомобилей необходимо учесть состояние дорожной сети и
динамику ее развития.
271
Таблица 5.1
Виды дорог Распределение общего объема пробега по видам дорог для грузовых автомобилей, %, согласно разным источникам
Р. В. Купель А.А.Звягин ГОСТ 6875-54 PC 1685-69
группа А группа Б
Междугородное шоссе 35 38 65 40 8,4
Горные 5 — — — 16,7
Городские 30 48,5 10 10 8,4
Булыжные, грунтовые и подъездные пути 30 13,5 25 50 58
Наиболее полные данные о распределении протяженности дорог с различными
типами покрытий приведены в работе [3], а также в трудах Д.П.Великанова [1], ко-
торые сведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Дороги (по видам покрытий) России Протяженность дорог по годам, тыс. км. (в % к общей)
I960 1970 1980
С капитальным покрытием 48.3 (2,8) 138,5 (7,4) 296,5 (13,8)
С твердым облегченным покрытием 482,9 (27,6) 757,0 (40,4) 1100,5 (51,2)
Г рунтовые 1212,0 (69,6) 978,0 (52,2) 757,0 (35,0)
Вместе с тем только протяженностью дорог с различными типами покрытий нельзя
характеризовать распределение пробега до капитального ремонта. Распределение про-
бега среднесписочного автомобиля др капитального ремонта в неменьшей мере связа-
но с общим грузооборотом в перевозках по дорогам с различными типами покрытий.
Данные о распределении грузооборота [1] приведены в табл. 5.3.
Таблица 5 3
Дороги (по видам покрытий) Грузооборот по годам, млрд, т-км (в %)
I960 1970 1980
С капитальным покрытием 16,0 (19,2) 72,5 (38,5) 190,0 (52,0)
С твердым облегченным покрытием 43,3 (51,8) 86,5 (46,0) 146,5 (40,0)
Г рунтовые 24,4 (29,0) 29,0 (15,5) 29,5 (8,0)
Действительно, как следует из табл. 5.2 и 5.3 протяженность дорог, например, с
капитальным покрытием и грунтовых в 1980 составляла 13,8 % и 35 %, а грузообо-
рот на них - 52,0 % и 8 %, соответственно. Распределение грузооборота и пасса-
жирских перевозок по видам (типам) дорог и было принято за основную посылку в
выборе рассматриваемого показателя режима нормальных ресурсных испытаний
на Центральном автополигоне.
При этом, были предварительно учтены отличия факторов транспортных условий
в реальной эксплуатации от аналогичных показателей при организации натурных
272
ресурсных испытаний в условиях полигона. Если факторы дорожных условии экс-
плуатации воспроизводятся на автополигоне с необходимой достоверностью как
это показано в гл. 2, то факторы транспортных условий, как правило, оказываются
менее представительными.
Так, по организационным, техническим обстоятельствам и для обеспечения вы-
сокой безопасности, а также с целью сокращения продолжительности и трудоем-
кости ресурсные испытания на полигоне в большинстве случаев проводятся с пол-
ной загрузкой автомобилей. Учитывая то. что в эксплуатации коэффициенты ис-
пользования пробега и грузоподъемности в среднем не превышают 0,5...0,8, при
испытаниях на автополигоне повышается нагруженность основных систем автомо-
биля: двигателя, трансмиссии, несущей системы, ходовой части. Это иллюстриру-
ется следующими экспериментальными данными.
Например, на рис. 5.1 показаны изменения плотности распределения крутящего
момента в трансмиссии автомобиля ГАЗ-53А за длительный пробег при разной за-
грузке кузова. Из этого видно, что модальное значение нагружающего трансмис-
сию момента почти пропорционально растет с увеличением нагрузки в кузове.
-100 О 100 200 300 W0 500 Мк,кГн
Рис. 5.1. Плотность распределения крутящего момента в трансмиссии при пробеговых испыта-
ниях автомобиля на скоростной дороге с разной загрузкой кузова:
1 - 1т; 2 - 2,5 т; 3 - 4 т.
Для сопоставления на рис. 5.2 приведены плотности распределения крутящего
момента в трансмиссии того же автомобиля при нагрузке 2,5 т на разных скоро-
стях движения. Как видно, интенсивность воздействия перевозимого груза на мо-
мент в трансмиссии значительно выше, чем скорости движения.
В элементах несущей системы напряжения также, как правило, увеличиваются
с повышением нагрузки в кузове, хотя, в зависимости от особенностей несущей
системы и места измерения, наблюдаются и обратные явления, как это видно в
табл. 5.4.
Путем обобщения опыта полигонных и эксплуатационных испытаний автомоби-
лей, их агрегатов, привлечения сведений о состоянии дорожной сети и организа-
ции, объемах автоперевозок, результатов экспериментальных исследований нагру-
женности основных агрегатов, анализа повреждаемости за пробеги до капитально-
го ремонта большого количества АТС разработан первый основной показатель ре
жима нормальных (нефорсированных) испытаний автомобильной техники - разбив
ка общего испытательного пробега по видам дорог. Применительно к различным
273
типам автомобилей и их группам эти показатели дифференцированы так, как пока-
зано в табл. 5.5.
Рис. 5.2. Плотность распределения крутящего момента в трансмиссии при пробеговых испыта-
ниях автомобиля на ровной дороге с разными скоростями:
1 - 15 кмч 2 - 30 кмч 3 - 45 км ч '.
Таблица 5.4
Напряжения , 2 в опасном сечении, кг/см Полезная нагрузка
без груза номинальная перегрузка на 25 %
Рамы КамАЗ—5511 3060 3035 2885
Рамы МАЗ—503А 1710 2340 2450
В связи с тем, что результаты ресурсных испытаний имеют важное значение
для организации и обеспечения технической эксплуатации на автомобильном
транспорте предложенный показатель режима испытаний требует согласованно-
сти с действующим “Положением о техническом обслуживании и техническом
ремонте подвижного состава автомобильного транспорта”. С другой стороны, та-
кая увязка необходима для технологии ресурсных испытаний в отношении стро-
гого соответствия требованиям технической эксплуатации периодичности техни-
ческого обслуживания (ТО) и текущих ремонтов (ТР) по протяженности испыта-
тельного пробега.
Согласование между рассматриваемым показателем испытаний и требованиями
упомянутых Правил достигается использованием коэффициентов приведения испы-
тательного пробега на разных испытательных дорогах к пробегу в I категории усло-
вий эксплуатации. Значения этих коэффициентов приведены в последнем столбце
табл. 5.5 Применение их необходимо также в связи с тем, что ресурс объявляется
в ТУ на автомобиль применительно к I категории условий эксплуатации.
274
Таблица 5 5
275
Виды дорог Распределение пробега по видам дорог, в % от заданного ресурса (приведенного) Коэффициент приведения пробега к 1 категории условий эксплуатации
Легковые Автобусы Г рузо- Г рузо- Автомо- били — само- свалы Автопо-
пассажирские автомобили, микроавтобусы и микрофургоны Между- городные и туристи- ческие Г ород- ские и приго- родные Общего назначения и местного сообщения вые авто- мобили (бор- товые) вые авто- поезда езда — само- свалы
Г руппы
1 II II II II 1 II 1 II IV IV
Дороги с усовершенство- ванными покрытиями (асфальтобетон, цементобетон):
дороги общего пользования или скоростная дорога автополигона 75 69 76 66 67 80 61 86 77 53 68 1,0
скоростная дорога автополигона (режим vafnax) 3 3 3 3 3 2 1 3 1 1 1 1 1
городские дороги или имитация городского движения на дорогах автополигона 14 12 9 17 12 2,5 5 2,5 5 3 2.5 1.25
горные дороги или имитация горного движения на дорогах автополигона 3 5 5 5 5 5 5 2,5 5 3 2 5 1,25
276
Продолжение
Виды дорог Распределение пробега по видам дорог, в % от заданного ресурса (приведенного) Коэффициент приведения пробега к 1 категории условий эксплуатации
Легковые пассажирские автомобили, микроавтобусы и микрофургоны Автобусы Г рузо- вые авто- мобили (бор- товые) Грузо- вые авто- поезда Автомо- били — само- свалы Автопо- езда — само- свалы
Между- городные и туристи- ческие Город- ские и приго- родные Общего назначения и местного сообщения
Г руппы
I II II II II I II I II IV IV
Дороги с переходными покрытиями: булыжные дороги общего пользования в удовле- творительном состоянии и (или) булыжная дорога автополигона с ровным мощением — 2 2 2 3 3,5 7,5 2 3,5 8 8 1.67
Дороги с низшими покрытиями, без покрытий и местность: грунтовые дороги общего пользования в удовлет- ворительном состоянии и (или) грунтово- равнинная дорога автополигона 0,1 2 — — 2 2 7,5 1 2 10 8 1,67
Продолжение
Виды дорог Распределение пробега по видам дорог, в % от заданного ресурса (приведенного) Коэффициент приведения пробега к 1 категории условий эксплуатации
Легковые пассажирские автомобили, микроавтобусы и микрофургоны Автобусы Г рузо- вые авто- мобили (бор- товые) Грузо- вые авто- поезда Автомо- били — само- свалы Автопо- езда — само- свалы
Между- городные и туристи- ческие Город- ские и приго- родные Общего назначения и местного сообщения
Г руппы
1 II II II II 1 II 1 II IV IV
Дороги типовых эксплуатационных маршрутов (эксплуатационные испытания) 5 5
Примечания: 1. Группа I — транспоггные средства, предназначенные для перевозки грузов и (или) пассажиров в основном по дорогам
с усовершенствованными покрытиями капитального типа (СНиП П-Д, 5-72).
2. Группа II — автотранспортные средства, предназначенные для перевозки грузов и (или) пассажиров по всем автомобильным дорогам
общей сети.
3. Группа IV — автотранспортные средства, предназначенные для перевозки грузов по всем автомобильным дорогам общей сети, строитель-
ным площадкам и карьерам.
4. Для специализированных автотранспортных средств, кроме самосвальных, распределение пробега принимается в зависимости от их
назначения.
5. Автопоезда с полноприводными тягачами, относящиеся по назначению к I и II группам, испытываются как неполноприводные грузовые
автопоезда соответствующих групп.
6. Пробег по скоростной дороге в режиме 0,8 vamax для легковых автомобилей и автобусов не менее 17%.
Поскольку рассматриваемый номинальный показатель режима нормальных ре-
сурсных испытаний в виде распределения пробега по видам дорог включает при-
менение или полную замену дорог общего пользования специальными дорогами
Центрального автополигона в табл. 5.5 введены некоторые дополнения, направлен-
ные на повышение эффективности полигонных испытаний. При испытаниях на ско-
ростной дороге с повышенными скоростями движения (средняя скорость для оди-
ночных автомобилей свыше 80 %, для автопоездов - свыше 70 % от максимальной
по ТУ) используется коэффициент приведения 1,1. При испытаниях грузовых авто-
мобилей с прицепом дополнительно применяется коэффициент приведения 1,1
(кроме случаев, когда ресурс задан для автомобиля-тягача в составе автопоезда).
Автомобили, предназначенные для периодической работы с прицепами, должны 25
% пробега по всем видам дорог испытываться с прицепами.
С учетом этих дополнений объем пробега по дорогам I категории условий экс-
плуатации определяется по формуле
So - (1 + 0,1a1)[l,25(s2 + S3) + 1,6?(S4 + S5 + S6)]
S, =---------------------------------------------------- . (5-1)
(l + OJaJ^ + O.la,,)
где So - заданный или объявленный ресурс применительно к I категории усло-
вий эксплуатации; - доля пробега автомобиля с прицепом по видам дорог; а2 -
доля пробега автомобиля по скоростной дороге в форсированном режиме (от про-
бега по дорогам I категории условий эксплуатации); S) 6 - расчетные пробеги по
видам дорог (индекс соответствует порядковому номеру таблицы) определяются по
формуле
100
причем у- - объем пробега в % по Z-й дороге для /-й группы автомобилей, на-
значается в соответствиии с табл. 5.5.
Внесены также и некоторые другие технологические подробности, связанные с
распределением пробега при полигонных испытаниях. В частности, для возможно-
сти совмещения ресурсных испытаний с другими видами (как их продолжения) об-
щий пробег по всем видам дорог организуется равномерными циклами, величина
которых принимается равной пробегу между техническими обслуживаниями и
должна составлять не более 25...50 тыс.км (обычно-гарантийный пробег).
Количество циклов “погрузка-разгрузка” за период испытаний автосамосваль-
ных установок на бункерном комплексе принимается из расчета средней дальности
грузовых автомобильных перевозок (по данным Д.П.Великанова — 17,5 км) равным
не менее 5000 на каждые 100000 км ресурса. Допускается замена части (не более
75 %) циклов “погрузка-разгрузка” подъемами — опусканиями кузова автомобиля-
самосвала с балластом, закрепленным в кузове (т.е. без сбрасывания груза), в
стационарных условиях.
В недавнее время Научно-исследовательским институтом шинной промышлен-
ности в содружестве с рядом вузов и научных учреждений проведены обширные
исследования, на основе которых разработана классификация дорожных условий
эксплуатации автомобильных шин и нормирование их ходимости в общем пробеге.
278
На рис. 5.3. приведено сравнение принятого выше распределения пробега по
видам дорог при натурных ресурсных испытаниях на Автополигоне с распределе-
нием согласно упомянутым исследованиям [3]. Это сравнение подтверждает соот-
ветствие выбранных показателей режима нормальных ресурсных испытаний усло-
виям реальной эксплуатации для оценки норм долговечности, что позволяет полу-
чать сравнимые данные о техническом ресурсе автомобилей, которые можно
обоснованно распространять на ходимость автомобильного подвижного состава в
осредненных условиях эксплуатации. Об этом свидетельствуют результаты экс-
плуатации автомобилей лучшими автотранспортными предприятиями. Так, органи-
зация эксплуатации автомобилей предприятиями Москвы с соблюдением всех пра-
вил и норм, предписанных заводами-изготовителями, позволила эффективно ис-
пользовать все потенциальные возможности конструкции базовых моделей авто-
мобилей ЗИЛ, МАЗ и др., в результате чего эксплуатационный ресурс достиг тех-
нического, определяемого при полигонных испытаниях, и для автомобилей ЗИЛ
составил 350...400 тыс.км.
Рис. 5.3. Распределение объемов перевозок в эксплуатации (сплошные линии) и пробегов при
ресурсных испытаниях на Центральном автополигоне (штриховые линии) по дорогам с различ-
ными типами покрытий:
а - усовершенствованным; б - переходным; в - низшим.
Скорость движения как показатель режима испытаний автомобилей необходи-
мо устанавливать по двум различным связям между элементами системы ВАДС:
технической и санитарно-гигиенической. Как показатель технологический скорость
движения существенно влияет на нагруженность автомобиля и его повреждае-
мость, на темпы достижения конечных целей испытаний, соответствие процессов
нагружения при испытаниях и в эксплуатации, затраты на проведение испытаний и
другие показатели.
Технологическая регламентация этого показателя режима сначала устанавлива-
лась путем проб, экспертных оценок, сопоставления с эксплуатацией, сравнения
ресурсов отдельных агрегатов в эксплуатации и многочисленных испытаниях на
Центральном автополигоне. Затем по мере развития научно-исследовательских ра-
бот этот показатель уточнялся измерениями нагрузочных режимов на всех специ-
альных дорогах Автополигона. При этом во внимание принимались прежде всего
сопоставительные оценки нагрузочных режимов на специальных дорогах согласно
рассмотренному выше их группированию, а в эксплуатации - согласно принятой
классификации дорожных покрытий. Такое сопоставление проводилось практиче-
ски на всех выпускаемых серийно моделях автомобилей, многих автопоездах, при-
цепах и другой автомобильной технике.
Измерение нагрузочных режимов несущих элементов ходовой части и трансмис-
сии вполне достаточно определяли необходимые корректировки экспертных или
эвристических оценок нормативов скорости. Теоретические основы методики со-
поставительных оценок нагрузочных режимов приводились выше. Накопление экс-
периментальных нагрузочных режимов, которых к настоящему времени насчитыва-
ется по различным машинам уже сотни, позволило установить с интервалом до-
пустимых отклонений два измерителя скоростных показателей режима испытаний -
среднюю и максимально допустимую скорости движения в испытательном пробеге
на каждой дороге. При этом в большинстве случаев второй измеритель определя-
ется требованиями безопасности испытаний, являющихся обязательным элемен-
том технологии их производства.
Однако установление измерителей скоростного режима только по технологиче-
ским признакам и требованиям безопасности не в полной мере отвечает условиям
эффективного функционирования полигонных испытаний как системы, в которой
решающим элементом, кроме технологической базы и объектов оценки, является
персонал испытателей. Без оценки соответствия выбранных скоростных показате-
лей режима санитарно-гигиеническим нормам, возникающих при этом воздействий
на водителя испытываемого автомобиля, регламентация испытаний ни по пробегу,
ни по времени не может осуществляться бесконфликтно, а эффективное использо-
вание отработанной технологии - спланировано. Учитывая важность такой оценки,
привлечены довольно сложные исследования вибронагруженности АТС, исходя из
следующих положений.
Производительность работы АТС зависит, как известно, от массы перевозимого
груза (числа пассажиров) и скорости доставки к месту назначения.
Первая составляющая, как упоминалось выше, при испытаниях либо меняется
незначительно, либо регламентируется. Вторая же - по закону регулирования, ко-
торый задает водитель в зависимости от микропрофиля дороги, амплитудно-фа-
зочастотных характеристик системы подрессоривания автомобиля (автобуса) и
собственной чувствительности к вибрациям. Следовательно, каждое АТС в конкрет-
ных дорожных условиях движения должно иметь предельную скорость, зависящую,
например, не от мощности двигателя, а от способности человека выдерживать воз-
никающие при движении вибрационные нагрузки. Иными словами, производитель-
ность АТС зависит не только от 1ехнических характеристик, но и от характеристик
связей в системе ВАДС. Чтобы повысить производительность системы, нужно оп-
тимизировать характеристики связей ее элементов.
Характеристики вибрационной чувствительности человека, т.е. зависимости ме-
жду уровнями виброускорений в третьокгавных полосах частот и допустимым вре-
менем непрерывного воздействия вибраций на него либо допустимым уровнем
виброускорений в тех же полосах частот (вне зависимости от времени воздейст-
вия), определяются физическими возможностями человека и регламентированы:
первая - международным стандартом ИСО 2631-79, вторая - ГОСТ 12.1.012-90. В
280
этих документах за базовый уровень вибраций принят предел снижения произво-
дительности труда водителя от усталости при 8-часовом воздействии.
Таким образом, возможность изменять элемент системы “водитель" отсутствует.
Второй элемент системы - “автомобиль", применительно к рассматриваемой
проблеме, - амплитудно-частотная характеристика его системы подрессоривания
задана при испытаниях.
Наконец, третий элемент рассматриваемой системы - дорога, применительно к
вибронагруженности, - микропрофиль дороги, хотя и задан, но его воздействие
может регулироваться скоростью движения.
Главная идея испытаний на вибронагруженность, которые проводятся на Цен-
тральном автополигоне, - определить амплитудно-частотные характеристики авто-
мобиля (автобуса) на стенде, а затем спектральную плотность ускорений на месте
водителя на дорогах с различным микропрофилем и оценить величину предельных
скоростей движения, при которых влияние вибронагрузок на водителя соответству-
ет названным выше нормативным документам.
Полученные таким образом величины скоростей дают возможность представить
также производительность работы АТС, проверить его по этому показателю на со-
ответствие ТЗ, но, вместе с тем, полученные данные дают возможность обоснован-
но корректировать принятые технические показатели скоростных режимов испыта-
ний или ввести дополнительные мероприятия по соблюдению упомянутых норм.
Аппаратурная оценка работы системы подрессоривания на испытательных до-
рогах включает регистрацию: линейных ускорений в трех взаимно перпендикуляр-
ных направлениях; относительных линейных перемещений подрессоренных и не-
подрессоренных масс; сил и моментов; включений в работу отдельных упругих и
ограничивающих относительные перемещения элементов; давлений воздуха и жид-
кости в пневматических и гидравлических устройствах. Блок-схема применяемых
для этой цели комплектов аппаратуры приведена на рис. 5.4. Перед испытаниями
комплект аппаратуры по каждому каналу проходит динамическую и статическую ка-
либровки, причем динамическая калибровка датчиков линейных ускорений выпол-
няется на электродинамическом эталонном столе, например RFT-1O1, при частоте
80 Гц и с амплитудой ускорения, равной 10 м/с2.
Рис. 5.4. Типовая структурная схема комплекта измерительной аппаратуры для исследования
вибронагруженности на рабочем месте водителя:
1-6 - датчики ускорений, скоростей, перемещений; 7 - многоканальный преобразовагелть сигна
лов датчиков; 8 - многоканальный низкочастотный фильтр; 9 - магнитограф. 10 ш чиллограф
для визуальных наблюдений регистрируемых процессов
281
Все измерения параметров системы подрессоривания выполняются в устано-
вившемся движении. По окончании этих измерений проводится экспресс-обработ-
ка полученных результатов. При этом контролируются записанные калибровочные
и рабочие сигналы. Затем, принимая, что записанные процессы в системах под-
рессоривания подчинены нормальному закону, подсчитывают их среднеквадратиче-
ское значение
Такая процедура исключает грубые ошибки, связанные с различным масштаби-
рованием измерительных процессов как при дорожных испытаниях, так и при по-
следующей статистической обработке исследуемых процессов на ЭЦВМ.
В используемой методике статистической обработки записей (обычно на маг-
нитных носителях) определяются спектральные характеристики вибронагруженно-
сти рабочего места водителя в диапазоне критических частот (2...8 Гц) в довери-
тельных интервалах +20 % при 80 %-ой доверительной вероятности, согласно ко-
торым и устанавливаются условия дорожных измерений. Так, на дорогах I катего-
рии длина испытательного участка - 2000 м, диапазоны скоростей - 30...90 км/ч;
на дорогах V категории они равны, соответственно, 1000 м и 15...45 км/ч. Дорож-
ные испытания на вибронагруженность АТС на участке профилированного булыж-
ного покрытия длиной 500 м имитируют внедорожные условия эксплуатации на
скоростях движения 10... 15 км/ч.
Практика испытаний автомобилей различных типов показывает, что уровни
вибронагруженности рабочего места водителя и посадочных мест для пассажи-
ров сильно отличаются. Но в связи с тем, что названные выше нормативные до-
кументы распространяются только на водителей, оценка вибронагруженности ка-
ждого АТС производится именно по рабочему месту водителя, а данные по си-
деньям пассажиров и грузовым платформам используются лишь в качестве
справочных.
Таким методом определяется предельно допустимая скорость автомобиля, с ко-
торой он может работать на дороге данного типа, не превышая предел снижения
производительности труда водителя от усталости при 8-часовом интервале воздей-
ствия или допустимых уровней ускорений. По этой методике испытывалось значи-
тельное количество В автомобилей и автобусов. Обобщенные результаты приведе-
ны на рис. 5.5. Здесь видно, что для выполнения требований ГОСТ 12.1.012-90 на
дорогах IV и V категорий (по СНиП) или на специальных дорогах Автополигона
группы II максимально допустимая скорость движения (заштрихованные столбцы) у
большинства (55 % от общего количества исследованных автомобилей) очень не-
большая (у 45...47 % - от 25 до 35 км/ч, у 10 % - от 55 до 65 км/ч). Более того,
движение значительной части автомобилей даже на дорогах I и II категорий или на
специальных дорогах автополигона группы I (незаштрихованные столбцы) из-за
сильных вибраций на сиденье водителя должно ограничиваться скоростью, не пре-
вышающей 35.. 45 км/ч (у 4 %) и 45...55 км/ч (у 25 %), т.е. гораздо меньшей, чем
это позволяют технические ограничения. С другой стороны, среди исследованных
были автомобили (10 %), которые даже на дорогах IV и V категорий можно экс-
плуатировать со скоростями 55...65 км/ч.
Примерно такая же картина складывается и в отношении автобусов
Поэтому согласно полученным результатам исследований оказалось необходи
мым включение в нормативы режима пробеговых испытаний еще двух показателей,
времени непрерывного движения по каждой испытательной дороге и продолжи-
тельности последующей остановки и обязательного отдыха водителя.
282
Рис. 5.5. Распределение выпускаемых моделей АТС, удовлетворяющих требованиям
(ГОСТ 12.1.012-78) допустимой вибронагруженности рабочего места водителя в зависимости от
скорости движения на эталонной дороге:
а - грузовых автомобилей; б - автобусов.
После проверки по результатам исследования вибронагруженности и устране-
ния рассогласования ее влияния на водителя-испытателя с требованиями санитар-
но-гигиенических норм путем ограничения времени непрерывного воздействия ко-
лебаний и вибраций номинальные скоростные режимы испытаний автомобильной
техники определились так, как показано в табл. 5.6. Следует отметить, что часть
показателей номинального режима пробеговых испытаний на разных дорогах уста-
навливается в интервальном виде. Этим дается возможность реализовать при ис-
пытаниях лучшие конструктивные характеристики по вибронагруженности у посту-
пающих на испытания объектов с целью ускорения их и экономии затрат, не сни-
жая безопасности и утомляемости персонала. Вместе с тем интервальная установ-
ка номинальных показателей режима пробеговых испытаний позволяет учесть в
программе пробега и регулировать влияние воздействия дороги в связи с сезон-
ной изменчивостью покрытия, не выходя за рамки обоснованных ограничений по
вибронагрузкам.
На стадии предварительных проработок методов прежде всего ресурсных ис-
пытаний предполагалось, что климатические факторы не оказывают существенного
влияния на микропрофиль испытательных дорог, а следовательно, и на нагружен-
ность агрегатов автомобилей; коэффициенты эквивалентности пробега при испы-
таниях на одних и тех же дорогах в зимний и летний периоды принимались одина-
ковыми. Такое допущение подкреплялось тем, что используемая дорожная техника
для очистки поверхности обеспечивает постоянство характеристик микропрофиля
испытательных дорог. Считалось, что если и происходит некоторая нивелировка
опорной поверхности снежным покровом в зимний период, а следовательно, и
снижение нагруженности элементов автомобиля, то она компенсируется возраста-
нием, например, жесткости шин и дорожных одежд (особенно грунтовых дорог)
при низких температурах. Кроме того, высокие показатели надежности современ-
ных автомобилей требуют значительных временных затрат для оценки их ресурса,
продолжительного периода проведения ресурсных испытаний, который охватывает
лето и зиму, что также должно снижать влияние сезонных изменений на конечные
результаты испытаний.
Однако опыт, накопленный при разработке задач ускорения испытании, показал,
что оценка надежности автомобилей в объеме нормируемого ресурса форсирован-
ными методами возможна в течение или только осенне-зимнего, или только весен-
не-летнего периода.
283
284 285
Таблица 5.6
Виды дорог Показатели режима ходовых испытаний автомобилей
легковых грузовых
Vcp, км/ч Vm, км/ч 1д,, мин tOTn. мин Vcp. км/4 Vm. км/ч t^, мин toTn. мин
Дороги с усовершенство- ванным покрытием: скоростная — 0.8 Vamax 60...90 10...15 0.8 Vamax 60...90 10...15
динамометрическая — 40...60 15...20 20...30 0,6 40...60 15...20
маршрут горного движения 30...35 60 60...90 10...15 29..36 60 60...90 10...15
подъемы 6 — 10% — 80 60...90 10...20 25...35 60...90 10...20
Дороги С переходными покрытиями:
булыжная ровного мощения 50...55 70 60...90 15...20 40...45 60 60...90 15...20
булыжная профилированного мощения 30...45 60 50...70 15...20 35 45 50...70 15...20
Продолжение
Виды дорог Показатели режима ходовых испытаний автомобилей
легковых грузовых
Усркм/ч VmKM/4 t^.MHH ^отд.МИН VcpKM/Ч VmKM/4 tpj.MHH ^тд.МИН
бельгийская мостовая — 35;20;40 30...40 20...30 — 40;25;45 30...40 30...20
короткие волны — 25..50 30...40 20...30 25 20...30 30...40 30... 20
трек с неровностями — — — — 7 10 20...30 30...40
Дороги с низшими покрытиями:
грунтовая 0,30 0.5 Vamax 60...90 10...15 0.35 V’amax 0,7 Vamax 60...90 10...15
песчаная 30 60. .70 45 10...15 25 50...60 45 10...15
щебеночная 25 60..70 60 10...15 25 50...60 60 10...15
Примечание: Vcp — средняя скорость движения в пробеге за смену: Vm — допустимый предел повышения скорости при испытаниях;
1дв — Допустимое время непрерывного движения; tOTp — необходимое время перерыва для отдыха испытателей и осмотра автомобиля;
vama«— номинальное значение максимальной скорости автомобиля согласно руководству по эксплуатации или ТУ изготовителя.
Кроме того, очистка таких специальных дорог, как булыжная профилированная
недостаточно эффективна и стоит дорого. Поэтому оценка и учет возможных изме-
нений условий испытаний, вызванных климатическими явлениями, становятся не-
обходимыми.
На рис. 5.6 приведены данные изменения средних значений дневной температу-
ры воздуха и количества дней с выпадением снега по месяцам за последние 5 лет
в условиях Центрального автополигона, что характерно для всей Центральной Рос-
сии. Продолжительность зимнего периода составляет от 4 до 6 месяцев. Количест-
во рабочих дней с выпадением снега достигает 10...12 в месяц. Такой период
длится 2...2,5 месяца. Наиболее интенсивно используемыми в этот период являют-
ся дороги с булыжным и асфальтобетонным покрытиями.
Рис. 5.6. Характеристика климатических условий испытаний на Центральном автополигоне в
зимний период:
а - среднее количество дней с выпадением снега; б - средняя дневная температура.
В качестве примера на рис. 5.7 показано, что спектральные характеристики
микропрофиля испытательных дорог, соответственно в зимний и летний периоды
эксплуатации, могут заметно изменяться, в том числе, в зависимости от качества
их подготовки зимой к испытаниям.*
* Здесь для наглядности результаты измерений и оценки микропрофиля нанесены на сетку,
предложенную в работах Московского автодорожного института [47].
286
Рис. 5.7. Спектральная плотность микропрофиля испытательных дорог в разные сезоны:
1 и 2 - булыжной профилированной летом и зимой со снежным покровом, соответственно; 3 и 4
- то же бельгийской мостовой (зимой при тщательной очистке); 5 и 6 - то же динамометриче-
ской дороги.
Оценка влияния этих изменений на нагруженность систем автомобиля проведе-
на расчетными методами согласно рассмотренной выше теории формирования по-
вреждающих процессов и прямыми измерениями напряжений.
В качестве объектов наблюдений и измерений взяты рессоры грузового автомо-
биля ЗИЛ с колесной формулой 4x2, поскольку подвеска является наиболее чувст-
вительным элементом конструкции, прямо откликающимся на изменение микро-
профиля, а также определяющим колебательную нагрузку несущей системы авто-
мобиля. С помощью тензорезисторов измерялись напряжения в коренных листах
передней и задней рессор. Перед установкой рессор на автомобиль проводилась
градуировка измерительных схем, определялись характеристики упругости и демп-
фирования подвески и шин. Масса, распределение ее по осям, давление воздуха в
шинах устанавливались в соответствии с ТУ. Обращалось внимание на возможное
ослабление затяжки стремянок и другие регулировки, влияющие на напряженно-
деформированное состояние рессор. Схематизация процесса переменных напря-
жений проведена методом счета полных циклов с помощью классификатора KS-17
фирмы НВМ. Для контроля полученных данных после окончания испытаний вто-
рично определялись градуировочные характеристики измерительных схем и упру-
гие характеристики рессор. В зачет принимались лишь те эксперименты, в которых
287
средние скорости движения на бельгийской и булыжных дорогах отличались не бо-
лее чем на 2 км/ч.
В результате тензометрических испытаний и расчетов схематизированных про-
цессов получены нагрузочные режимы передней и задней рессор на булыжных и
скоростной дорогах в летний и зимний периоды. Порядок численных расчетов со-
поставимых показателей накопления усталостных повреждений от переменных на-
пряжений в материале показан в предыдущей главе. По полученным нагрузочным
режимам, приведенным к 100 км пробега, рассчитывались коэффициенты эквива-
лентности пробега согласно соотношению
2
Х|Л,С| летом
К = —------------------ . (5 2)
ЗС Z
зим°й
1
(обозначения те же, что и в гл. 3 и 4)
Пользуясь коэффициентами эквивалентности, соотношение протяженности про-
бегов в сопоставляемых условиях определяется известной зависимостью
S = К S
‘"’(зима) г'эсс,(лето)‘
Видно, что коэффициент эквивалентности показывает изменение протяженности
пробега в зимних условиях, необходимое для получения усталостного повреждения
рессор, равного получаемому на пробеге в летних условиях.
Проведены также расчетные оценки коэффициентов накопления усталостных по-
вреждений по характеристикам микропрофиля и колебательным параметрам того
же автомобиля. Расхождения теоретических расчетных по параметрам подрессори-
вания и экспериментально-расчетных оценок коэффициентов эквивалентности об-
наружены в пределах 20 %. Это доставляло определенную уверенность в достовер-
ности результатов сравнения нагруженности и эквивалентности пробегов, которые
в осредненном виде приведены в табл. 5.7.
Таблица 5 7
Специальные испытательные дороги полигона Коэффициенты эквивалентности зимнего пробега летнему по нагруженности рессор, ед.
передних задних
Булыжная профилированная 1.9 1.8
Булыжная ровная 1.1 1,4
Бельгийская мостовая 0.7 0,9
И результаты расчетов, и результаты экспериментов показывают снижение на-
груженности рессор в зимний период, которое в большей мере происходит на бо-
лее заснеженной и трудно поддающейся очистке булыжной профилированной до-
роге. Значения коэффициента эквивалентности пробега в зимних условиях для
этой дороги максимальны. На частично очищенной от снега булыжной ровной до-
роге также наблюдается снижение нагруженности рессор в зимний период, но в
меньшей степени. Однако на бельгийской мостовой, полностью очищенной от сне-
288
га, нагруженность рессор остается неизменной или незначительно возрастает, че-
му способствует особенность конструкции покрытия (заделка в бетон).
Таким образом, нагруженность рессор в зимний и летний периоды при испыта-
ниях на одних и тех же специальных дорогах автополигона может значительно из-
меняться, причем изменение нагруженности в зимний период происходит в основ-
ном в сторону уменьшения. Правомерно распространить этот вывод на другие де-
тали и узлы ходовой части. Относительно двигателя, трансмиссии, тормозов можно
сделать такой же вывод, поскольку реализация максимального скоростного или ин-
тенсивного неустановившегося режимов движения автомобилей затруднительна в
зимний период из-за уменьшения коэффициента сцепления шин с частично засне-
женной дорогой и по условиям безопасности испытаний. Здесь проявляется еще
одна связь между нагруженностью и климатическими изменениями условий испы-
таний: меняется скорость движения по субъективным ощущениям водителя, так как
па заснеженной поверхности ухудшается держание автомобилем заданной траекто-
рии, появляется опасность заноса.
Теоретически влияние скорости движения на нагруженность систем автомобиля
оценивается лишь для установившегося движения Влияние же климатических из-
менений приводит к частой смене скорости, что улавливается в пробеге через из-
менение средней скорости на маршруте. Практика показывает, что при выполне-
нии программ пробеговых испытаний (контрольных, ресурсных и др.) средние ско-
рости движения имеют заметный разброс, что подтверждается анализом протоко-
лов пробеговых испытаний. Результаты наблюдений приведены в табл. 5.8. На
кольцевых булыжных дорогах максимальная скорость одного и того же автомобиля
может измениться в отдельных циклах движения (проезд замкнутого кольца) на
10... 15 км/ч, а разброс средней скорости достигает 4..8 км/ч.
Таблица 5.8
Модель автомобиля Отклонение скоростей от номинальных значений (в км ч ) при пробеговых испытаниях на дорогах булыжной кольцевой
ровного замощения профилированной
ЗИЛ-130 бортовой +6 и -8 +2 и -3 +5 и -8 +3 и -4
'’Урал-5557" бортовой полноприводный +5 и -7 +3 и -3 +7 и -8 +3 и -4
КамАЗ-5511 самосвал +5 и -10 +3 и -4 +4 и -8 +2 и -4
"Мерседес-Бенц" седельный тягач +4 и -5 +2 и -3 +4 и -6 +2 и -3
Количественных оценок влияния средних скоростей движения на нагруженность
систем автомобиля известно крайне мало. Как правило, изменения интенсивности
нагружения даются в функции различных фиксированных значений установившейся
скорости. Поэтому были проведены целенаправленные исследования на автополи-
гоне по выявлению влияния средней скорости движения за цикл движения, когда
скорость определялась за время движения по всему кольцевому маршруту, на ин
генсивность нагружения некоторых деталей автомобилей. Такой выбор протяжен-
ности измерения средней скорости объясняется тем, что именно кольцевые дороги
полигона являются основными дорогами в большинстве программ пробеювых ис-
пытаний. ныне ставшими эталонами. Средняя скорость движения за проезд такого
289
кольца взята как показатель практически единственной реальной возможности ор-
ганизации эффективного контроля программы в длительном испытательном пробе-
ге. Такой контроль может в простейшем случае осуществляться оператором, а в
дальнейшем - автоматически.
Сопоставление нагруженности при разных скоростях движения проведено с по-
мощью коэффициентов эквивалентности пробега так же, как это показано в иссле-
довании влияния сезонной изменчивости микропрофиля
1
где в числителе - показатель усталостного повреждения какой-либо детали при
определенной заданной скорости; в знаменателе - тот же показатель при другой
средней скорости на той же дороге.
На рис. 5.8 показаны графики изменения коэффициентов эквивалентности про-
бега в зависимости от средней скорости движения (в диапазоне номинальных и
близких к ним значений средних скоростей) для булыжных дорог на примерах на-
груженности рессор автомобиля ЗИЛ и картера моста автомобиля КамАЗ. Для на-
глядности коэффициенты эквивалентности при минимальной (в пределах номи-
нального интервала) средней скорости движения по каждой из дорог приняты рав-
ными единице. Попутно на графиках показаны зависимости коэффициентов экви-
валентности от средней скорости в случае ошибки выбора показателей наклона
кривой усталости при неизменных нагрузочных режимах.
Рис. 5.8. Изменение коэффициента эквивалентности пробегов по накоплению усталостного по-
вреждения в рессоре автомобиля е зависимости от скорости движения на испытательных доро-
гах:
1 - булыжной профилированной: 2 - булыжной ровной
290
Как видно на графиках, изменение средней скорости движения на булыжной
профилированной дороге приводит к заметному уменьшению коэффициента экви
валентности. Другими словами, на более высокой средней скорости выше юмп на-
копления усталости в материале.
Для рессор относительно слабую зависимость коэффициента эквивалентности
от скорости в выбранном диапазоне можно объяснить преобладающим объемом
колебаний нагрузки с собственными частотами подвески, амплитуда которых лишь
незначительно увеличивается с повышением скорости поступательного движения.
Как видно на рис. 5.8, с увеличением показателя ГП крутизна зависимости коэффи-
циента эквивалентности пробега от средней скорости существенно увеличивается.
Для деталей, характеристика усталости которых отличается высоким ГП, влияние
средней скорости движения автомобиля резко возрастает. Поэтому при регулиро-
вании внешнего повреждающего воздействия по средней скорости в пробеге необ
ходима возможно более точная оценка характеристики усталости прежде всего не
сущих элементов ходовой части и интенсивно нагружаемых валов трансмиссии
Требуется также повышенный контроль скоростного режима на испытательных до-
рогах по времени прохождения каждого кольцевого интервала пробега. Поскольку
нагрузочный режим связан с состоянием микропрофиля и скоростью движения,
норма пробега на испытательных дорогах должна корректироваться, по крайней
мере, для предельных значений средних скоростей в номинальном интервале.
5.2. Приближение
пробеговых испытаний
к эксплуатации прокладкой
специальных маршрутов
и регулированием движения
на испытательных дорогах
Дальнейшее приближение пробего-
вых испытаний к реальной эксплуатации состоит в том, чтобы, используя комбина-
ции испытательных дорог и сооружений, воссоздать такие режимы работы автомо-
биля и его агрегатов, которые были бы статистически подобны режимам при
транспортной работе автомобиля в разных видах, условиях, категориях перевозки
грузов и пассажиров.
Как это видно из рассмотренных выше характеристик испытательных дорог и
сооружений, их группирования на Центральном автополигоне, имеется возмож
ность имитации в пробеге почти любых дорожных условий. Но это является лишь
материальной предпосылкой к воспроизведению в пробеге функционирования сис-
темы ВАДС в различных категориях условий эксплуатации.
Руководящим документом, в определенной мере ориентирующим возможные
отличия системы ВАДС в различных условиях эксплуатации, является Положе-
ние о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного
транспорта. Но предусмотренная в нем классификация дорожных условии дает
лишь качественные представления для первоначального подбора испытательных
дорог при составлении маршрута, приближенно отвечающего признакам различ-
ных категорий эксплуатации. Лишь косвенно создается представление о некото-
рых характерных особенностях режимов работы автомобиля и его ач>егатов в
291
этих категориях. Этого, конечно, недостаточно для количественных оценок отли-
чия функционирования системы ВАДС, которые необходимо отразить в програм-
ме пробеговых испытаний. Поэтому, учитывая зональное деление территории
страны по дорожно-климатическим условиям, использование автотранспорта в
разных территориях, распределение дорожной сети по категориям и территори-
альным признакам, объемы перевозок по дорогам различных категорий, наблю-
дения в ЭПАХ с различной структурой парка и другие показатели, принято, что
существенно различными по функционированию системы ВАДС являются четыре
вида перевозок:
- внутригородские;
- магистральные;
- по горным дорогам;
- по дорогам местного значения III, IV категорий.
В первых трех сосредоточена основная масса грузооборота на автомобильном
транспорте, исходя из чего воспроизведение этих условий при испытаниях автомо-
билей является первоочередным.
В дальнейшем для краткости изложения воспроизведение режимов работы ав-
томобиля при перевозках в этих условиях эксплуатации используются выражения
“городские испытания", “магистральные испытания” и “горные испытания”, подра-
зумевая каждый раз проведение их на специальных дорогах и сооружениях.
Исходя из общего представления проблемы воспроизведения при испытаниях
рабочих процессов автомобиля в этих трех видах транспортной работы, план, объ-
ем и содержание необходимых для ее решения исследований отражаются следую-
щей программой.
1. Выбор реальных ограниченных маршрутов движения автомобильного транс-
порта, достаточно полно представляющих определенные категории условий экс-
плуатации при осуществлении перевозок трех выделенных видов.
2. Выбор параметров, доступных для измерения во время движения автомо-
биля в этих эксплуатационных условиях, представляющих скоростные, нагрузоч-
ные и топливно-экономические показатели работы автомобиля и его основных
агрегатов.
3. Экспериментальные исследования режимов работы агрегатов и автомобиля в
целом на выбранном натуральном маршруте движения в эксплуатации со следую-
щими целями:
а) составление статистической оценки распределения каждого параметра, опи-
сывающего режим работы автомобиля в эксплуатации;
б) оценка изменчивости параметров при изменении таких внешних факторов,
как время года, суток, погодных условий, интенсивности транспортного потока и
других обстоятельств перевозки грузов и пассажиров на натурном маршруте;
в) оценка изменения различных факторов и обстоятельств функционирования
транспорта на выбранных маршрутах перевозок за общее время установившейся
эксплуатации, охватывающее возможные отклонения внешних условий.
4. Типизация режимов работы автомобиля в выбранных условиях эксплуатации
по результатам статистической обработки экспериментальных наблюдений измен-
чивости параметров, весовой оценки внешних факторов и обстоятельств, опреде-
ляющих движение автомобилей на натурных маршрутах.
5. Прокладка на испытательных дорогах и сооружениях автополигона маршру-
тов, по возможности полно отвечающих классификационным признакам о катего-
рировании условий эксплуатации - табл. 2.7 Положения [42].
292
6. Экспериментальные измерения и исследования характеристик проложенного
маршрута, приоритетных в установлении его подобия типизированному эксплуата-
ционному маршруту, и корректировка испытательного маршрута.
7. Режимометрирование на испытательном маршруте опытного автомобиля и
подгонка режимов работы его к режимам на типизированном маршруте путем при-
нудительного регулирования движения, предписаниями управляющих действий.
По такой программе создавались маршруты на Центральном автополигоне
для моделирования городских, магистральных, горных перевозок в пробеговых
испытаниях.
В этой программе предусматривается единообразие характеристик элементов
системы ВАДС "дорога - среда", различных для каждого из трех маршрутов.
В разработке первого, второго и четвертого пунктов этой программы неизбежно
влияние субъективных представлений. С тем, чтобы свести до возможного миниму-
ма влияние этого фактора на достоверность заключения о типичности выбираемых
натурных маршрутов, использовались два принципа:
- рассмотрение и сопоставление основных характеристик условий работы авто-
мобилей на нескольких ограниченных маршрутах (разные выборки);
согласительность мнений разных предприятий и специалистов о достаточной
представительности выбора.
При предварительном выборе типичных маршрутов натурных перевозок анали-
шровались все возможные показатели, влияющие на рабочие процессы автомоби-
ля, в том числе характеризующие дорожно-транспортную сеть, интенсивность экс-
плуатации, регулируемость и интенсивность транспортных потоков, напряженность
|руда водителей и др.
Цель такого анализа состоит в том, чтобы на выбранных для последующих аппа-
ратурных исследований и типизации рабочих режимов автомобилей на натурных
. ксплуатационных маршрутах возможно полнее представить все характерные для
данных перевозок особенности и в правильных пропорциях. Так, для выбора типич-
ных условий городских перевозок рассматривались маршруты городов Москвы,
Ленинграда и Киева; для магистральных перевозок: маршруты Москва - Ленин-
рад, Москва - Горький, Москва - Минск, Москва - Симферополь; для горных ус-
ловий: маршруты Сочи - Туапсе, Тбилиси - Орджоникидзе, Новороссийск - Орд-
жоникидзе, перевал Крестовый и др.
Оценка типичности выбираемых маршрутов рассматривалась коллегиально с
участием не только разработчиков, специалистов-испытателей, но и научно-техни-
ческих совещательных органов совместно с авторитетными эксплуатирующими ор-
анизациями и предприятиями. В заключениях о типичности маршрутов одним из
решающих предусматривалось мнение и опыт испытаний ведущих автомобильных
|, зодов-изготовителей. Соблюдение принципа согласительное™ в выборе типич-
II lx натурных маршрутов эксплуатации и их представительности имеет важное зна-
чение для оценки корреляции полигонных методов испытаний и эксплуатации
Приведенная выше программа позволяет сформулировать цель необходимых
исследований в следующем виде: воспроизвести на испытательных дорогах и со-
оружениях элементы системы ВАДС "дорога - среда" так, чтобы при неизменном
управляющем элементе "водитель" функционирование элемента "автомобиль" бы-
ло адекватным его функционированию в эксплуатации. Однако на первом лапе
воспроизведению на автополигоне поддается только элемент системы "дорога”.
Поэтому возникает компромиссная постановка задачи, заключающаяся в том, что-
293
бы при частичном, соответствующем условиям автополигона, воспроизведении
элемента системы "среда" компенсировать неполноту или отличия ее воздействия
на управляющее звено вводом принудительной регламентации действий водителя,
обеспечивающей воспроизведение функщ онирования автомобиля.
Ясно, что ценой такого компромисса является необходимость перед установле-
нием компенсирующих предписаний для каждой новой модели автомобиля провес-
ти его режимометрические обследования в типичных натурных условиях и на соот-
ветствующем маршруте автополигона.
В этой формулировке поставленных целей одним из существенных допущений
является априорное подобие функционирования управляющего звена системы -
водителя. Предполагается, что водитель и в эксплуатации, и при полигонных испы-
таниях обладает достаточно стабильным динамическим стереотипом управляющих
действий, а влияние различных факторов внешней среды в пределах сенсорного
пространства, эмоционально-психических состояний, различий профессиональных
качеств однозначно компенсируется дополнительными предписаниями для управ-
ляющих действий и строгостью их выполнения во время испытательного пробега
на полигоне.
Несмотря на общность программы работ по воспроизведению рабочих процес-
сов автомобиля, соответствующих трем основным видам перевозок, для каждого
из них существенно отличаются практические приемы достижения подобия в про-
беге на автополигоне.
В городских перевозках приоритетным признаком первоначального воспроизве-
дения "дороги" на автополигоне принята извилистость. Это объясняется тем, что
на типизированных эксплуатационных маршрутах, подлежащих воспроизведению,
такие признаки как микропрофиль либо заведомо идентичны дорогам автополиго-
на, либо различие их несущественно слабо влияет на рабочие процессы автомоби-
ля. Так, принятые по результатам анализа и согласований, на которых останавли-
ваться не будем, типичные и представительные маршруты городских перевозок -
"Большая роза" (для грузовых автомобилей и автопоездов) и "Малая роза" (для
легковых автомобилей) в г. Москве, проложены на дорогах равнинного рельефа с
незначительными уклонами и асфальтированным или цементнобетонным покрыти-
ем. Эти признаки адекватно отображаются на ровных специальных и служебных
дорогах автополигона. Извилистость не может быть воспроизведена только про-
кладкой специального маршрута по этим дорогам. Критерием оценки подобия из-
вилистости дороги является статистическое соответствие распределений радиусов
и углов поворота по протяженности маршрутов. Однако геодезические обследова-
ния и статистические оценки этой характеристики для эксплуатационного маршру-
та, помимо трудоемкости, не полностью отражают совместное воздействие эле-
ментов системы "дорога - среда", выражающееся в отклонении траектории авто-
мобиля от прямолинейной, так как не включают повороты при обгонах и объездах,
которые равнозначны извилистости дороги. Поэтому потери информации для вос-
произведения на автополигоне будут меньше, если характеризовать извилистость
дороги опосредованной характеристикой - распределением углов поворота руле-
вого колеса при движении данного автомобиля на маршруте, полагая однозначную
связь между поворотами дороги и поворотами управляемых колес.
На рис. 5.9 в качестве примера показано по данным В.В.Осепчугова распреде-
ление углов поворота рулевого колеса автомобиля за проезд натурного эксплуата-
ционного маршрута "Малая роза", подлежащее воспроизведению на автополигоне
при составлении маршрута, соответствующего городским перевозкам.
294
Рис. 5.9. Распределение углов поворота рулевого колеса автомобиля ЗИЛ-130 при движении по
типовому эксплуатационному маршруту "Большая роза” в Москве:
1 гистограмма по экспериментальным данным; 2 - теоретическая плотность распределения.
Иначе решается задача оценивания дорог при воспроизведении магистральных
условий движения. Для этого вида условий характерным признаком подбора эле-
ментов системы ВАДС "дорога - среда" является не извилистость, а макропро-
филь и интенсивность транспортного потока, определяющие в основном формиро-
вание рабочих процессов автомобиля. Для оценки макропрофиля дороги на натур-
ных эксплуатационных маршрутах используются три характеристики: спектральная
плотность, определяющая волнистость профиля дороги, статистические распреде-
ления уклонов и их протяженности на выбранном маршруте. В работе на автополи-
юне определялись и использовались все три характеристики макропрофиля, хотя
следует заметить, что они не являются полностью независимыми. Спектральная
плотность макропрофиля Sqn(A), представляющая собой распределение диспер-
сий амплитуд гармонических составляющих с длиной волн 2л/Л, содержит в себе
данные для получения характеристики встречающихся уклонов.
Действительно, если для описания макропрофиля дороги используется модель
случайной стационарной дифференцируемой функции, то знание ее спектральной
плотности позволяет найти спектральную плотность первой производной функции,
описывающей макропрофиль в виде
SQMU) = A2Squ(A), (5.4)
где Л - волновая частота гармонических составляющих макропрофиля данной
дороги.
295
Но первая производная макропрофиля есть текущее значение уклона дороги, т.е.
q = 9™ = tga = sin а = ос[рад] = 10 2 / % (5.5)
d/
Если случайная функция, описывающая макропрофиль дороги, принимается
нормально распределенной, как это подтверждается измерениями, то дисперсия
крутизны волновых склонов определяется
Г 2
DqM = J 5чм(М^ (5 6)
0
Тогда теоретический закон плотности распределения уклонов строится в виде
где /д - уклон дороги.
Если по результатам непрерывных измерений получена спектральная плотность
уклонов как функция волновой частоты, то согласно (5.4) можно получить и спек-
тральную плотность макропрофиля. В качестве примера на рис.5.10 показана кор-
реляционная функция уклонов скоростной дороги автополигона по данным непо-
средственной и непрерывной их записи. Из этого графика видно, что на интервале
около 4 км корреляция уклонов практически исчезает. Следовательно, режимомет-
рирование на такой протяженности скоростной дороги дает устойчивые в статисти-
ческом смысле результаты.
Рис. 5.10. Нормированная корреляционная функция уклонов скоростной дороги Центрального
автополигона
296
На рис. 5.11 показана спектральная плотность уклонов макропрофиля скорост-
ной дороги SqM(A), полученная вычислением по тем же исходным данным Путем
деления каждой ординаты этой характеристики на квадрат соответствующего зна-
2
линия абсциссы Л там же нанесен график спектральной плотности самого макро-
профиля S(?M(A) скоростной дороги. При этом, конечно, учитывалось соотношение
между численным выражением уклона в процентах и его приближенным значением
в радианах.
Рис 5.11. Спектральная плотность уклонов и макропрофиля скоростной дороги Центрального
илтополигона.
Под осью абсцисс этого графика построена дополнительная шкала перевода
волновой частоты в длину волны соответствующих гармонических сосгавляющих
297
макропрофиля. С помощью этой шкалы график спектральной плотности можно ис-
пользовать для оценки преобладающих волнистых составляющих или волновой со-
став макропрофиля.
При определенном способе выбора математической модели макропрофиля
(дважды дифференцируемая корреляционная функция) возможно определить по
его спектральной плотности также и распределение средних протяженностей раз-
личных уклонов на определенной длине дороги. Но вычисление распределения
длины уклонов требует довольно сложной программы. Поэтому в основу воспроиз-
ведения кладутся данные непосредственных измерений
Хотя рассмотренные характеристики и взаимосвязаны но использование их для
составления испытательного маршрута различно: спектральная плотность позво-
ляет дать оценку необходимой холмистости (волнового состава) подбираемого
профиля; корреляционная функция дает минимальную протяженность маршрута не-
повторяющегося профиля, обеспечивающего статистическую устойчивость его ха-
рактеристик; распределение уклонов позволяет подобрать конкретные составляю-
щие участки специальных дорог.
На рис. 5.12 показаны обработанные по опытным исследованиям статистиче-
ские характеристики магистральных дорог и их воспроизведение на автополигоне.
Рис. 5.12. Распределение уклонов дорог.
Еще большее значение имеют статистические характеристики макропрофиля
дорог при воспроизведении на специальных дорогах горных автомобильных пере-
возок. Но в отличие от магистральных здесь для построения исходного испыта-
тельного маршрута, воспроизводящего в соответствующей системе ВАДС элемент
"дорога", кроме характеристик макропрофиля, в особенности по длине уклонов,
учитывается также и извилистость как важный признак подобия. Пример статисти-
чески обработанных данных об этих характеристиках горных дорог и их воспроиз-
ведения на автополигоне показан на рис. 5.13.
298
Рис 5.13. Распределение длины уклонов на типичных маршрутах горных перевозок и подобран-
ном маршруте Центрального автополигона.
В сущности первоначальная прокладка испытательного маршрута состоит в том,
•нобы подобрать последовательные участки специальных дорог, при непрерывном
проезде по которым повторение численных значений приоритетного признака (из-
вилистости, подъемов, протяженности уклонов) соответствовала бы вероятности их
и,- определенном типизированном эксплуатационном маршруте. При этом, конеч-
но, используется вероятность в равномерных интервалах значений. Для прокладки
i.iKoro маршрута берутся план и рельефная карта, конструктивные характеристики
и< питательных дорог и сооружений автополигона.
Важной предпосылкой подобия прокладываемого испытательного маршрута яв-
ляется интервальная разбивка значений приоритетного признака на полученном из
н.пурных измерений распределении его в типизированных эксплуатационных усло-
виях Ясно, что чем меньше эти последовательные интервалы значений, вероя<
носГь которых воспроизводится в виде частоты повторений на прокладываемом
маршруте, тем выше его соответствие. Но одновременно возрастают трудности
подбора последовательных участков на уже имеющейся базе, достигающие непре-
одолимых размеров при разбивке исходного распределения на слишком малые ип-
к'рвалы. В конечном счете выбор интервалов воспроизводимых значений опреде
чяется опытом, знаниями и искусством испытателей - специалистов автоп<)лии>па.
Дальнейшая подгонка испытательного маршрута основывается на coikici.ibm-
п'льном анализе показателей режимометрирования автомобиля в движении по ih-
пи.1ированному эксплуатационному и проложенному испытательному м->ршругаь
Одной из важных предпосылок эффективной подгонки является огиимальпыи
выбор показателей режимометрирования.
299
Несмотря на значимость и перспективность режимометрических исследований
общая теория режимометрирования пока не разработана.
Преобладает случайный, различный во многих исследованиях выбор оценивае-
мых показателей и различные способы их статистических представлений. Это со-
провождается иногда одновременной регистрацией параметров, функционально
связанных, а иногда полученная статистика не дает нужных для вероятностных
обобщений данных Разнообразны по той же причине и принципы устройства реги-
стрирующих блоков режимомеров.
При создании на Центральном автополигоне специальных маршрутов выбрано огра-
ниченное количество показателей. Выбор основывался прежде всего на положениях
теории автомобиля, устанавливающей однозначные связи между некоторыми часто ре-
гистрируемыми совместно показателями, что позволило исключить дублирование.
Кроме того, сокращение числа показателей обеспечивалось предыдущими ис-
следованиями, например, ровности дорог в разных условиях эксплуатации и ис-
пытательных дорог автополигона. Идентичность характеристик микропрофиля,
сцепных качеств поверхности и размеров проезжей части освобождали, напри-
мер, от необходимости режимометрирования подвески и плавности хода, устой-
чивости и др.
При определении необходимых показателей режимометрирования учитывались
также располагаемые возможности аппаратурного обеспечения исследований.
С учетом таких возможностей, экономичности и достаточной полноты сведений
для достижения поставленной цели режимометрические показатели ограничились
следующим перечнем:
V - скорость движения, км/ч;
Q - расход топлива, л/100 км;
М - реализуемый крутящий момент на коленчатом валу двигателя, кН;
Лд - частота вращения коленчатого вала, мин ';
7] - текущее значение оборотности двигателя, ед/км;
Тп х х - относительное время работы двигателя в режиме принудительного холо-
стого хода, %;
a, hp - угол открытия дроссельной заслонки, град., или ход рейки топливного
насоса высокого давления, мм;
njn - количество включений каждой передачи на 100 км пройденного пути,
ед/100 км;
L - путь, пройденный на каждой передаче, км;
7 . - время движения на каждой передаче, мин;
Лтор - количество торможений на 100 км пройденного пути;
t - время торможения;
Л - количество поворотов рулевого колеса на 100 км пройденного пути (впра-
р.к
во и влево), ед.;
а _ „ - угол поворота рулевого колеса (± вправо, влево), град.
Р К
300
В этом перечне показателей режимометрирования не требует особых доказа
|ельств приоритетность показателей скорости и расхода топлива как обобщающих.
Достаточно напомнить, что средние значения скорости и расхода топлива являются
основными компонентами расчетов производительности и экономической эффек-
1ИВНОСТИ АТС в эксплуатации. Учитывая, что средние значения скорости и топлив-
ной экономичности не только зависят от условий движения и основных технических
параметров автомобиля, но и от способа управления им, а также определяются как
числовые характеристики непрерывно меняющихся действительной скорости и
расхода горючего, представляется обоснованным считать непрерывные и изменчи-
пые во времени функции Уа(0 и Q(t) как основной выход функционирования сис-
|емы ВАДС. Сопоставление этих выходов в системах, соответствующих эксплуата-
ционным и полигонным условиям, определяет генеральные направления подгонки
испытательного пробега на автополигоне к эксплуатационному пробегу выбранного
вида перевозок.
Остальные показатели режимометрирования с этой точки зрения служат прежде
н< его двум целям:
анализу причин возникающих расхождений основных показателей режима ра-
»пы на воспроизводящем условия эксплуатации испытательном маршруте,
обоснованному выбору способов корректировки воспроизводящего маршрута
и управляющих воздействий на автомобиль для подгонки испытательного и экс-
ппуагационных режимов движения автомобиля.
Общая теоретическая предпосылка для режимометрических исследований и
воспроизведения эксплуатационных режимов при полигонных испытаниях состоит
и юм, что все перечисленные выше показатели, изменчивые во времени, описыва-
ичся математическими моделями в виде случайных стационарных процессов,
обоснованием такой предпосылки являются обобщение опытных данных прежних
и< следований и логические заключения. Действительно, при непрерывном движе-
нии автомобиля достаточно продолжительное время его скорость и расход топлива
на маршруте сохраняют неизменным среднее значение и рассеивание мгновенных
шачений без заметных трендов для данных условий. Как известно, постоянство
< рсднего и дисперсии случайного процесса является достаточным критерием его
। шционарности.
Исходя из этого разрабатывались практические приемы использования аналоге
нои и дискретной информации при постановке экспериментов по режимометриро-
11.шию, анализе результатов, сопоставлении получаемой информации и подгонке
|н кимов работы испытываемых автомобилей на автополигоне к эксплуатационным.
Использование в качестве математической модели случайного стационарного
процесса позволяло применять для анализа результатов режимометрирования эф-
|><-пивные корреляционные и спектральные методы. Однако это связано с необхо-
цимостью использования многоканальной аппаратуры, длительной непрерывной
। шиси всех параметров режимометрирования и с большой вычислительной рабо-
1И Ограниченные возможности для этого по располагаемому оборудованию и за-
|||.и,1м требовали альтернатив, которые определились применением дискретной
1><» ислрации показателей. Сохранение информативности при ограниченных затра-
|.|» достигается тем, что к построению таких характеристик процессов, как корре-
ляционная функция прибегают для установления только минимальной протяженно-
|и маршрута, дающей устойчивые статистические показатели режимометрирова-
ния Псе остальные показатели режимометрирования регистрируются как дискрет-
301
ные ряды значений их случайных реализаций. Такие ряды значений выбранных по-
казателей режимометрирования рассматриваются как выборки случайных величин.
Не останавливаясь подробно на описании возможной автоматизации совмест-
ной регистрации и первичной обработки совокупности показателей, предоставляе-
мой современной аппаратурой (например, комплектом анализаторов работы авто-
мобиля фирмы Ono Sokky), можно заключить, что данные режимометрирования
достаточно полно представляются полигонами и гистограммами распределения ка-
ждого показателя. В такой форме они раскрывают влияние на режимы работы ав-
томобиля и его механизмов индивидуальных качеств водителя, состояния дорожно-
го покрытия, интенсивности движения на маршруте и других обстоятельств при пе-
ревозках. По данным режимометрирования в виде эмпирических распределений
показателей складывается достаточно полная картина количественных характери-
стик рабочих процессов автомобиля в эксплуатации, подлежащих воспроизведе-
нию при испытаниях на испытательных дорогах.
Для более выразительного описания распределения регистрируемых величин
необходим подбор подходящих параметрических функций распределения по опыт-
ным гистограммам или полигонам.
В связи с тем, что знание закона распределения случайных функций значитель-
но упрощает их сопоставление или, по крайней мере, классификацию по однород-
ности информации, пользуясь лишь параметрами, теоретическое описание полу-
ченных наблюдений представляется практически важным. Рассмотрим это на при-
мере такого важного показателя режимометрирования, как скорость движения.
На рис. 5.14 — 5.16 показаны гистограммы, полигоны и подобранные теоретиче-
ские плотности распределения скорости испытывавшихся автомобилей в разных
типичных условиях эксплуатации.
Рис. 5.14. Экспериментальные результаты и теоретическая аппроксимация измерений скорости
автомобиля ЗИЛ-130 при городских перевозках:
1 - статистический полигон экспериментальных значений; 2 - гистограмма; 3 - теоретическая
плотность непрерывного распределения.
302
На графиках видно, что в отличие от распространенного мнения, в действи-
тельности распределения скорости только при движении по горным дорогам
подчиняются нормальному закону. Распределение скорости при движении в го-
родских условиях часто описывается законом, близким к распределению Рзлея
(см.рис. 5.14), в виде
С
где С - параметр теоретического распределения, численно равный его моде
Наиболее сложным оказывается описание плотности распределения скорости при
движении в условиях магистральных перевозок. Здесь удается описать плотность
распределения не самой скорости, а ее относительной величины (нормированной по
максимальной зарегистрированной V ) с помощью бета-распределения
ц атах
p(va; а; р) = (а + Р + 1) ха (1 - Х)Р (5.9)
а! Р!
где X — Va/Vamax “ нормированное значение скорости; а, /3 - параметры рас-
пределения
Из теоретических описаний распределения показателей режимометрирования
следует несколько важных выводов.
Во-первых, виды распределений, в особенности приоритетного показателя -
скорости движения автомобиля Уа(0 — даже при качественной оценке существен-
но различны для рассмотренных трех условий функционирования системы ВАДС,
соответствующих городским, магистральным и горным перевозкам. Примечательно
то, что изменение отдельных обстоятельств движения, таких, например, как время
рабочего дня для городских условий, различные шоссе или участки дорог при ма-
гистральных или горных перевозках, мало сказывается на форме законов распре-
деления, а влияет в основном на параметры аппроксимирующих теоретических
кривых. Это может рассматриваться как свидетельство принадлежности соответст-
вующих рядов эмпирических показателей режимометрирования к трем существен-
но различным генеральным совокупностям, свойства которых для каждого вида ти-
пизированных перевозок различны.
В свою очередь, этим подтверждается (теперь уже статистически обоснованно)
правильность разделения условий эксплуатационных перевозок на три вида, при-
нятого ранее в значительной мере эвристически.
Во-вторых, после первоначальной прокладки испытательного маршрута на авто-
полигоне, соответствующего каждому из этих трех видов эксплуатационных усло-
вий перевозок с помощью таких статистических характеристик элемента системы
ВАДС как извилистость, профиль дороги и другие, проверка статистического соот-
ветствия может быть выполнена качественно - сопоставлением видов распределе-
ния показателей, регистрируемых при режимометрировании автомобиля в пробе-
гах на натурном и моделирующем маршрутах.
В-третьих, если составленный на автополигоне испытательный маршрут пробега
на специальных дорогах дает распределения процессов, регистрируемых при ре-
303
жимометрировании, качественно подобные тем, которые получены в пробеге по
типизированному маршруту соответствующего вида перевозок, то оценка адекват-
ности этих маршрутов и пробегов возможна непараметрическими методами, путем
расчетной оценки близости статистических распределений случайных процессов
режимометрирования как однородных.
0,062 0.060 0.312 0,031 0,562 0.682 0.812 v/vmiLK
if
Рис. 5.15. Экспериментальные данные и аппроксимация случайных значений скорости движения
автомобиля при перевозках на магистралях:
а - Москва-Симферополь, б - Москва-Минск:
1 - статистический полигон зарегистрированных значений. 2 - гистограмма: 3 - теоретическая
плотность распределения
На этих выводах и основывается окончательная подгонка испытательных мар-
шрутов. Практически она осуществляется несколькими способами.
После режимометрирования автомобиля на первоначально проложенном испы
тательном маршруте и представления результатов в таком же виде, как и режимо-
метрирование на типизированном эксплуатационном маршруте (т.е. в виде распре-
делений случайных значений показателей) производится их сличение и анализиру-
304
ются обнаруживаемые отличия. Исходя их анализа расхождения распределений по-
казателей режимометрирования, вносятся корректировки в испытательный мар-
шрут путем замены его отдельных элементов или дополнений к нему новых участ-
ков (первый способ), или путем установления особых предписании по управлению
движением (второй способ). После корректировок вновь проводится режимометри-
рование автомобиля в пробеге по испытательному маршруту, сличение результа-
тов и производятся дальнейшие корректировки. Опыт показал, что второй способ
корректировки и подгонки режимов работы автомобиля и его агрегатов на испыта-
тельном маршруте к режимам на типизированном эксплуатационном эффективнее.
Этот способ реализует сформулированную выше задачу подгонки системы ВАДС с
помощью регулирования ее элементов "дорога - среда".
РМ.
ед.
км/ч
0.01
0.02
0.01
Рис. 5.16. Экспериментальные данные и теоретическая аппроксимация случайных значении ско-
рости автомобиля при горных перевозках:
1 - статистический полигон зарегистрированных значений; 2 - гистограмма; 3 - теоретическая
плотность распределения.
Практически в процессе подгонки таких последовательных проб, сличений рас-
пределений показателей режимометрирования и корректировок необходимо про-
изводить несколько, так как первоначальная прокладка испытательного маршрута с
помощью подбора извилистости, протяженности уклонов, спектральной плотности
макропрофиля не дает количественной адекватности режимов работы автомобиля
в движении на нем и режимов на типизированных эксплуатационных маршрутах.
Сближение распределений достигается постепенно и в неодинаковой мере для
разных показателей режимометрирования.
В качестве меры близости сравниваемых выборочных распределений, когда по-
сле качественного анализа установлена принадлежность выборок к одной гене-
305
ральной совокупности, обычно используется критерий в виде суммы квадратов ве-
личин разности значений частостей в каждом интервале значений показателя ре-
жимометрирования. отнесенных к значениям этих частостей на испытательном
маршруте. Для /-го интервала регистрации такая величина имеет вид
_ (^уз ~ №/h) _ (5 10)
где то (П - - эмпирические частости распределения в /-м интервале значе-
ний наблюдаемого показателя режимометрирования, соответственно в эксплуата-
ционных условиях и на испытательном маршруте.
Тогда выражение критерия близости сопоставляемых распределений по всем
интервалам наблюдения
<5.4
СО-
у=1 /=1 у и
где к - количество разрядов или интервалов значения рассматриваемого пока-
зателя при его регистрации.
При выборе такого критерия наиболее полно используется объем располагае-
мой информации о сопоставляемых процессах режимометрирования. Кроме того,
этот критерий полностью совпадает по своему формированию с критерием согла-
сия К. Пирсона, используемым обычно для проверки гипотез о принадлежности
опытного распределения генеральной совокупности той же случайной величины с
известным теоретическим законом распределения.
Такой выбор критерия освобождает от необходимости подбора каждый раз тео-
ретического описания законов распределения сравниваемых показателей режимо-
метрирования. Хотя, конечно, мощность этого критерия в сравнении с обычным его
использованием уменьшается. Это объясняется тем, что при одинаковом количест-
2
ве интервалов к в случае обычного использования критерия / количество степе-
ней свободы составляет П = к — ГП . где ГП - количество наложенных связей или
ограничений на рассматриваемое эмпирическое распределение. К таким связям в
обычном случае относится количество параметров теоретического распределения,
которым описывается предположительно данное эмпирическое распределение. В
нашем же случае накладывается лишь одно ограничивающее условие на данные
регистрации, состоящее в том, что при известных частостях в к — 1 интервалах
частость в остающемся нерассмотренном интервале может определяться по ос-
тальным в виде
к-1
= 1 - У о>
х У
1
Поэтому число степеней свободы / определяется к — 1.
Некоторой компенсацией этого ослабления мощности выбранного критерия при
заведомо определенном количестве разрядов к, определяющегося устройством
306
используемой аппаратуры, является повышение уровня значимости оценки согла-
сованности сравниваемых распределений до 95 % вероятности совершить ошибку.
2
При таком использовании критерия X гипотеза об адекватности сравниваемого
режимометрического показателя в условиях эксплуатационного и испытательного
пробегов автомобиля считается с 95 %-ной вероятностью достоверной, если под-
2
считанное по (5 11) значение X меньше табличного, соответствующего принятому
уровню доверительной вероятности и числу степеней свободы П = к — 1, т е.
2 2
'Хр ~ %п,а •
2 2
где Хпа - табличное значение cr-процентного предела X при П степенях
свободы.
В соответствиии с этими условиями строится количественная оценка адекватно-
сти пробегов в типичных видах эксплуатации и на соответствующих испытательных
маршрутах автополигона по данным режимометрирования
По достижении желаемого согласия распределений показателей режимометри-
рования окончательный испытательный маршрут наносится на план испытательных
и служебных дорог, обустраивается предусмотренными дорожными знаками, а
,редписания по управлению движением вносятся в методику пробеговых испыта-
ний на нем, являющуюся технологической картой их производства. Более подроб-
ное описание составления и подгонки специальных испытательных маршрутов из-
ложено в [3. 49] и отчетных материалах по НИР Центрального автополигона.
Отработанные на изложенных основаниях специальные испытательные маршру-
ты на дорогах и сооружениях Центрального автополигона показаны на рис. 5.17.
5 18 и 5.19.
За время их длительного использования проведено множество дополнительных
исследований для оценки адекватности условий испытаний типичным условиям экс-
плуатации. Одно из таких обстоятельных исследований выполнено А.И.Щепкиным.
В качестве примера на рис 5 20 наглядно сопоставлены экспериментальные ре-
1ультаты измерения скорости в реальных условиях городского движения и на соот-
ветствующем испытательном маршруте только при включенной второй передаче в
коробке переключения передач (КПП). Обобщенные результаты сравнения режи-
мов приведены в табл. 5.9.
Выводы этих исследований сводятся к тому, что несмотря на некоторые разли-
чия в сопоставляемых режимах, неизбежные при произвольном выборе для срав-
нения реальных эксплуатационных условий, режимы работы автомобиля и его аг-
регатов на специальном испытательном маршруте достоверно в статистическом
смысле отражают рабочие процессы в эксплуатации, в том числе по нагруженно-
। ги и повреждаемости деталей и узлов конструкции.
В настоящее время испытания на трех созданных специальных маршрутах при-
обрели характер эталонных и включаются как самостоятельные разделы в общие
распределения пробега по видам дорог и в программы пробеговых испытаний.
Рассмотренный метод регулирования испытательного пробега для приближения
режима работы автомобиля к режиму функционирования его в системе ВАДС разви-
н.н гея далее На Центральном автополигоне на тех же научных основах созданы спе-
циальные маршруты испытаний, соответствующие перевозкам в горни-холмистой ме-
шосги, маршрут ускоренных испытаний прочности ходовой части автомобилей.
307
вующего городским перевозк™°™ ПрОбега на доРогах Центрального автополигона, соответст
308
Операционная карта испытаний (движение на подъемах с крутизной вверх — I ,
вниз — X, по замкнутому кольцу горной дороги с серпантинами — —>) за один цикл пробега:
4% X -5- 6% Т -S- 8% X 4% *Т -S- 6% X 8% Т “5" 4% X 4------(повторить
дважды) 4- 4% Т 4- 6% X 4- 8% Т + 4% X 4- 6% Т 4- 8% X 4- 4% Т 4- (р)
Рис. 5.18. Маршрут испытательного пробега на дорогах Центрального автополигона, соответст-
вующего горным перевозкам.
309
вующего м^исХ1нымп^вХмПРОбеГа На Д°РОГах Трального автополигона
310
1608 21.44 26,80 32,16 37.52 4288 48,24 53,60 58.96 64.32
(f Уа,км/ч
Рис. 5.20. Гистограмма распределения скорости даижения легкового автомобиля М-2141 на
второй передаче в коробке передач:
а - в городских условиях; б - на специальном маршруте Центрального автополигона
Таблица 5.9
Используемая передача в КПП автомобиля Показатели режимометрирования при движении
по улицам г.Москвы по испытательному маршруту городских перевозок на Центральном автополигоне
V а.ср’ км/ч км/ч к S, % V *а.ср' км/ч км/ч S, %
I 13,22 8,46 0,64 2,92 13,34 8,13 0,61 2,38
II 28,36 16,17 0,57 13,24 29,12 15,14 0,52 8,14
III 46,09 25,81 0,56 27,18 39,81 20,30 0,51 27,91
IV 61,70 30,23 0,49 46,53 53,78 27,05 0,50 61,44
V 75,37 — — 10,10 55,50 — — 0,13
Примечание: Уаср- средняя скорость автомобиля; _ среднеквадратическое отклоне-
ние от средней; kv - коэффициент вариации распределения S - относительная протяженность
движений на передаче
311
Высокая эффективность использования стабильных специальных испытательных
маршрутов проявляется в сопоставительных оценках конструктивных изменений,
при сменах моделей и доводках АТС, в особенности с ярко выраженным целевым
предназначением для перевозок в определенных условиях.
5.3. Подгонка испытательного
пробега на автополигоне
по вероятностям состояний
автомобиля в эксплуатации
Перспективное направление совер-
шенствования технологии пробеговых испытаний наряду с регулированием режи-
мов, условий движения и управления для отображения в испытаниях функциониро-
вания системы ВАДС при эксплуатации включает и воспроизведение различных со-
стояний автомобиля.
Сложность решения такой задачи состоит в том, что различные состояния авто-
мобиля в эксплуатации не детермированы ни по времени, ни по пробегу. Количе-
ственные величины, определяющие то или иное состояние автомобиля в какой-ли-
бо момент времени, являются заранее не определенными. Однако во многих слу-
чаях эти величины, стохастически неопределенные, могут быть представлены веро-
ятностными характеристиками. Зная такие характеристики в эксплуатации, как ве-
роятности состояний, их можно искусственно создать в испытательном пробеге как
частости повторений, и это тем более доступно на полигоне, чем цикличнее орга-
низуется испытательный пробег и чем однороднее каждый повторяющийся цикл.
Вероятностное описание состояний автомобиля в эксплуатации, необходимое
для отображения в испытательном пробеге, строится на представлении изменения
характеризующей это состояние величины в виде случайного, так называемого,
марковского процесса. Не останавливаясь на теории, свойствах и признаках мар-
ковских случайных процессов, эффективно использующихся в различных областях
науки и техники и освещенных в специальной литературе, ограничимся лишь его
общим представлением в наиболее подходящем для нашей задачи виде [14].
Будем считать, что количественно состояние автомобиля (по одному или не-
скольким признакам) определяется величиной S. Принимается также, что эту вели-
чину можно разбить на Г интервалов, в каждом из которых изменение величины S
несущественно и характеризуется постоянной Sf Если переход автомобиля из од-
ного состояния S. в другое S. осуществляется за столь короткое время, что им
можно пренебречь в сравнении с длительностью наблюдения, т.е. практически
мгновенно, а любой переход возникает в случайный момент времени независимо
от предыдущего состояния, то такой процесс и является марковским случайным
процессом с дискретными состояниями и непрерывным временем.
В конкретных приложениях модели этого процесса к пробеговым испытаниям в
ряде случаев удобнее использовать непрерывность не во времени, а на протяже
ности пробега. От такой замены независимой переменной дальнейшее математи-
ческое моделирование процесса принципиально не меняется, и можно сохранить
его обозначение символом t.
В рассматриваемом процессе переход автомобиля из одного состояния в дру-
гое представляет собой событие. Последовательность однородных событий, сле-
312
дующих одно за другим в случайные моменты времени или при случайном значе-
нии протяженности пробега, образует поток событий. Основной характеристикой
потока этих событий является его интенсивность - среднее количество за единицу
времени или пробега.
Для решаемых в нашем приложении задач рассматриваются: потоки стационар-
ные, когда интенсивности остаются постоянными; без последействия, когда собы-
тия перехода появляются независимо друг от друга и вызываются своими собст-
венными причинами; ординарные, когда события перехода появляются поодиночке,
а не группами.
Для анализа описанных случайных процессов используется геометрическая схе-
ма, так называемый граф состояний. На нем каждое состояние изображается от-
дельными прямоугольниками с обозначением внутри перенумерованных количест-
венных значений выбранного признака. Потоки событий перехода из одного со-
стояния в другое обозначаются стрелками. Если у каждой стрелки наносится при-
сущая этому переходу интенсивность, то такая схема получает название размечен-
ного графа состояний.
Наглядное представление рассматриваемого направления подгонки испытатель-
ного пробега к эксплуатационному дает следующее приложение не только харак-
терное, но и практически важное для технологии испытаний.
Одним из основных различий условий полигонных испытаний и наблюдений в
эксплуатации является загруженность автомобиля. Полигонные испытания, как упо-
миналось, выполняются с полной нагрузкой специально составленным и закреп-
ленным грузом с предусмотренными отдельной методикой способами балласти-
ровки. При эксплуатации же часть пробега, порой значительная, совершается без
груза, а при транспортировании груз в кузове в подавляющем большинстве случа-
ев, в особенности на автомобилях общетранспортного назначения, является слу-
чайной величиной. Даже при контейнерных перевозках масса размещаемых в них
грузов отнюдь не стабильна. Поэтому для сопоставления полигонных испытаний и
наблюдений в эксплуатации требуется прежде всего ясная оценка случайного про-
цесса загруженности в эксплуатационном пробеге.
Анализ и оценку случайного процесса загруженности автомобиля в эксплуата-
ции удобно проводить не по времени, а по пробегу, считая его непрерывным. То-
ща изменчивость загруженности характеризуется как случайный процесс с дис-
кретными состояниями, так как переход автомобиля из одного весового состояния
в другое в процессе непрерывного рабочего пробега происходит каждый раз скач-
ком. Если, например, возможные загрузки автомобиля разбить на интервалы с но-
мерами, соответствующими 0 — 0 %; 1 — от 0 до 25 %; 2 — от 25 до 50 %, 3 — от
50 до 75 %; 4 — от 75 до 100 % и 5 — от 100 до 125 % номинальной грузоподъем-
ности, то процесс изменения загрузки в случайные интервалы пробега представля-
ется состоящим из шести случайных состояний S05-
Переходы из одного весового состояния в другое рассматриваются как собы-
тия на непрерывном (т.е. исключающем из рассмотрения простои) пробеге По-
токи этих событий характеризуются интенсивностью A.j переходов между смеж-
ными состояниями S( и S., в общем случае зависящей от значения пробега /, но
оцениваемой на длительном интервале средним количеством переходоа за еди-
ницу пробега (в км или тыс.км). В обозначении интенсивности потока первая
цифра индекса указывает номер исходного, вторая - конечного состояний. Соот-
313
ветствующий размеченный граф состояний автомобиля в эксплуатационном про-
беге показан на рис. 5.21.
Л2з
Рис. 5.21. Размеченный граф весовых состояний автомобиля в эксплуатационном пробеге.
Здесь основной процесс представлен так, что каждое изменение загруженно-
сти происходит после полной разгрузки. Но это условие принято только для уп-
рощения иллюстрации задачи. С тем чтобы показать возможности детализиро-
вать процесс изменения состояний автомобиля по этому признаку на графе, на-
несены два частных перехода из состояния S2 в S3 и из S4 в S5. Это означает,
что совершая пробег с грузом от 25 до 50 % номинальной грузоподъемности ав-
томобиль в какой-то случайный момент был остановлен, догружен до 50...75 %
грузоподъемности и дальнейший пробег совершался уже в новом состоянии за-
груженности (S3). Точно такая же операция обозначается перегрузкой автомоби-
ля в процессе пробега, когда в полностью загруженный автомобиль Достояние
S4) добавляется груз так, что в дальнейшем пробеге (состояние S5) загружен-
ность находится в интервале до 125 % номинальной грузоподъемности.
Если при наблюдении в эксплуатации автомобиля регистрируются в каждой езд-
ке загрузка и совершенный пробег, то интенсивность перехода из Z-го состояния в
j-e подсчитывается как величина, обратная общей протяженности пробега в /-м со-
стоянии, предшествовавшему переходу в j-e состояние.
Располагая размеченным графом состояний и оценками, полученными из на-
блюдений, интенсивностей потоков переходов, строится вероятностная модел!.
процесса изменения состояний. Для этого вероятность /-го состояния при текущем
значении протяженности пробега обозначается как р{1) и составляются так назы
ваемые уравнения Колмогорова - особого вида дифференциальные уравнения, в
которых неизвестными функциями являются вероятности состояний. Общее прави
ло составления дифференциального уравнения относительно каждого /-го состоя
ния следующее.
В левой части записывается производная вероятности /-го состояния; в правок
части - сумма произведений вероятностей всех состояний, из которых идут потоки
в данное состояние, на интенсивности соответствующих потоков минус суммарная
интенсивность всех потоков, выводящих автомобиль из данного состояния, умно
женная на его вероятность.
314
Так, для основного размеченного графа (см. рис. 5.21) система дифференци-
альных уравнений Колмогорова записывается в виде:
фп
= ^01^1 + ^20^2^ + ^30^3 + ^40^4^) + ^50^5 ~
dl
- (Х01 + Х02 + Х03 + Z.Q4 + \j5)Pq(/) ;
~ — ^OlPo (0 ^1oPl (0;
dl
dp„
----= \>2Ро(/) “ (Х2о +
dl
~ ^озРо + ^23₽2 № ~ ^30^3 :
dl
(5.13)
= \)4Р0^) ~ ^45 + ^40^4^)
dl
dpR
~ ^ОйРо^) + ^45Р4^) “ ^50^5^)
dl
Решение такой системы дифференциальных уравнений, представляющей собой
математическую модель процесса транспортной работы автомобиля, требует преж-
де всего определения начальных условий. Наиболее оправданным, согласно ТУ на
изготовление и руководствам по технической эксплуатации, следует считать успе-
ние схода автомобиля с конвейера, когда учитываемый пробег осуществляется без
। руза в кузове (заводская обкатка автомобиля). Поэтому при 1=0 вероятность
р„(1) = 1. а все остальные р,(/) = р2(Г) = ... = р5(/) — 0.
При организации наблюдений за уже эксплуатирующимся автомобилем начало
'чечета пробега начинается с выхода автомобиля из парка в очередной наряд. По-
нему начальное условие сохраняется в том же виде, но с отметкой действительно-
। о показания спидометра.
В методике дальнейших вычислений предусматривается использование ЭВМ и
тандартных программ. Но на практике вычисления значительно упрощаются.
Применительно к отдельному автохозяйству, выполняющему перевозки в опре-
деленном районе, с установившимися потребностями, маршрутами, управлением и
Организацией, за длительное время наблюдения обнаруживается стационарность
< лучайного процесса загруженности используемых автомобилей в рабочем пробе-
к В математической модели процесса изменения загруженности это можно отра-
тигь оценкой вероятностей весовых состояний, устремляя протяженность пробега к
оконечности /—Наступающее в этом случае предельное состояние модели
|рактеризуется так называемыми финальными вероятностями состоянии, которые
/дут уже не функциями от совершенного к рассматриваемому моменту пробега, а
<>< гоянными числами. Эти числа характеризуют вероятность той или иной загру-
315
женности автомобиля при продолжительном использовании его в данном автохо-
зяйстве, когда перевозимые грузы в каждом отдельном случае изменяются случай-
ным образом. Численное определение финальных вероятностей упрощается, так
как для предельного состояния составленной модели дифференциальные уравне-
ния Колмогорова переходят в систему алгебраических уравнений обращением про-
изводных в нуль.
Может показаться, что образующаяся из (5.13) система линейных уравнений от-
носительно неизвестных финальных вероятностей р,, р2, .... р5 (теперь уже по-
стоянных, не зависящих от пробега) может быть решена только с точностью до
произвольного множителя, так как все уравнения однородны с нулевой левой ча-
стью, т.е. не имеют свободного члена. Но это преодолевается с помощью норми-
ровочного условия, которое очевидно:
Ро + р, + р2 + р3 р5 = 1. (5.14)
Это условие можно включить в систему алгебраических уравнений взамен любо-
го из них (поскольку каждое является следствием всех остальных). Тогда система
решается точно.
В качестве конкретного примера использования рассмотренной модели мож
но привести результаты обработки по ней наблюдений за перевозками в одном
из сельскохозяйственных предприятий во время уборки урожая*.Исходными
данными послужили материалы постоянного учета массы перевозимого груза -
зерна - на заготовительном пункте и плеч доставки с полей уборки Объем на-
блюдений по каждому виду использовавшегося АТС составлял 800... 1000 зареги-
стрированных величин. Это позволило считать соответствующий процесс изме-
нения состояний, представляемый такой выборкой, стационарным. Результаты
расчета финальных вероятностей загруженности трех использовавшихся моделей
АТС сведены в табл. 5.10
Таблица 5.10
Нагрузка Вероятность состояний, %
ГАЗ-5ЭА ГАЗ-САЗ-53Б ЗИЛ-ММЗ-554
Без груза 50,0 50.0 50,0
Загрузка, % номинальной грузоподъемности:
0...25 5,5 3,0 5,0
25...50 5,0 6,0 5,5
50...75 18,0 4,5 3,5
75... 100 17,0 12,5 11,5
100... 125 4,5 15,0 14,5
125...150 0 9.0 10,0
* По данным, собранным А.Н.Самосюком.
316
Ясно, что для полного воспроизведения в испытательном пробеге данных усло-
вий эксплуатации следовало бы включенный в программу пробег по грунтовой до-
роге разбить на интервалы, соответствующие приведенным в таблице процентам
от общей протяженности, и в каждом из них проводить испытания с соответствую-
щей загрузкой кузова.
Этим примером не исчерпываются возможности полученной характеристики со-
стояний. Ее можно использовать и для согласования результатов наблюдений в
эксплуатации с результатами полигонных испытаний без изменения загруженности,
в том числе и при форсированных воздействиях.
Действительно, при современном состоянии теории формирования повреждаю-
щих нагрузок, например, в несущих элементах конструкции автомобиля, при задан
пых характеристиках воздействия микропрофиля опорной поверхности на дорогах
общего пользования и специальных испытательных дорогах автополигона сопоста
нимые показатели накопления повреждения при разных загрузках могут быть опре-
делены и расчетом, и экспериментально. Если из рассмотренной выше модели по-
лучены относительные пробеги в том или ином состоянии, то очевидным становит
ся каким должен быть относительный вклад эквивалентных воздействий на авто-
мобиль в общем пробеге при полигонных испытаниях. На этом основании сущест
пенно уточняется приведение испытательного пробега на автополигоне к эксплуа
пционному либо изменением процентного соотношения различных дорог в про-
грамме ходовых испытаний, либо изменением значения среднего коэффициента
приведения испытательного пробега к эксплуатационному.
Рассмотренную модель эксплуатационных пробегов автомобилей можно расши-
рить для достижения более глубокого сопоставления наблюдений в эксплуатации и
при полигонных испытаниях.
Если в данном экспериментальном автохозяйстве маршруты перевозок являют-
ся установившимися и каждый из них можно в среднем охарактеризовать опреде-
ленными показателями, например, ровности дороги, скоростных режимов, режи-
мов работы агрегатов и т.п., то случайное изменение состояния автомобиля в экс-
плуатационном пробеге можно связать не только с его нагрузкой, но и условиями
движения. На рис. 5.22 показан размеченный граф состояний, в которых преду-
< могрена для наглядности более узкая градация нагруженности: без груза, с гру-
н>м до 50% номинальной грузоподъемности, с полной загрузкой. Но маршруты пе-
ревозок разбиты на три различные по характеристикам дорог группы.
Тогда модель эксплуатационного пробега представляется следующими случай-
ными состояниями автомобиля:
S( 2з - автомобиль совершает пробег без груза, соответственно, по маршрутам
I 2.3-й группы;
S4 5 6 - автомобиль совершает пробег с грузом до 50% номинальной грузо-
подъемности:
S7gg - автомобиль совершает пробег с полной нагрузкой по маршрутам вы-
бранных групп.
Анализ этой модели и определение финальных вероятностей дают еще более
Легальную картину эксплуатационного пробега. Достоверно определяются относи-
пчп.ные части общего эксплуатационного пробега не только в различных весовых
I остояниях, но и в различных условиях воздействия дороги, что доставляет еще
более основательные материалы для сопоставления и идентификации эксплуатаци-
онных наблюдений и полигонных испытаний
317
Рис. 5.22. Размеченный граф состояний автомобиля в пробеге с разной нагрузкой и по разным
дорогам.
На рис. 5.22 отражено и приспособление модели к реальной эксплуатации, ко-
гда перевозка данного груза включает условия не одного из фиксированных типов
маршрута, а переход с одного на другой. Например, движение с полной нагрузкой
сначала в условиях первого маршрута, затем второго и последующим пробегом в
условиях вновь первого отражено переходами из состояния S7 в Sg и обратно. Ин-
тенсивность смены этих состояний на единицу пробега характеризуется значения-
ми. соответственно, Х7 8 и ^8 7- Определяемые в этой модели финальные вероят-
ности состояний выражают относительные доли общего пробега не только с раз-
личной нагрузкой автомобиля, но и в различных условиях и режимах, градация ко-
торых предусмотрена выбранными признаками и их количественной оценкой по ин-
тервалам случайных изменений.
Возможности сопоставления эксплуатации и полигонных испытаний расширяют
ся, если с моделями эксплуатационных пробегов увязать модели повреждаемости.
В последних состояние автомобиля можно охарактеризовать возникающими отка-
зами и неисправностями. Наглядное представление о возможностях такого моде-
лирования показано на рис. 5.23.
Построенный здесь граф отражает следующие состояния автомобиля:
No - исправлен и выполняет транспортную работу в пробеге при заданных усло-
виях;
Л/, - остановлен вследствие возникших признаков неисправности, проводится
диагностика;
Л/2 - обнаруженная неисправность или отказ устранены временными мерами, и
автомобиль продолжает выполнение транспортной задачи до ее окончания и при
бытия в гараж для последующего ремонта;
A/3_g - пробег приостановлен, и на автомобиле устраняются, соответственно,
значительный дефект или отказ первой, второй или третьей категории сложности
318
Рис 5.23. Размеченный граф эксплуатационных состояний с приостановками пробега при отказах.
Разметка этого графа состояний возможна благодаря тому, что средняя экс-
плуатационная скорость при перевозках связывает средние значения пробега и
время Тогда весь процесс случайных переходов автомобиля из одного состояния
в другое можно охарактеризовать соответствующими интенсивностями одной
размерности числа событий в единицу рабочего времени. При определенных усло-
виях математическая модель такого процесса имеет аналитические решения, фи-
нальные вероятности существуют и возможно получить среднее время пребывания
автомобиля в том или ином состоянии.
Подобная модель может служить не только средством дальнейшего углубления
сопоставимости с эксплуатацией, подгонки испытательного пробега и достоверно-
i ги результатов полигонных испытаний, но и основанием комплексных оценок
уровня качества выпускаемых автомобилей, целесообразности отдельных меро-
приятий по его повышению, экономических мероприятий.
Например, если связать время простоя в состояниях с потерями при вы-
полнении транспортной работы, затратами на ремонт, другими экономическими
показателями, действующими на автотранспорте, и сравнить по этим данным раз-
ные модели, то получатся обоснованные, конкретные и комплексные оценки их ка-
чества в использовании по прямому назначению в условиях данного автохозяйства
Для оценки, например, эффективности расширения производства отдельных за-
пасных частей задача в рассматриваемой модели может ставиться гак. в данном
1вгохозяйстве увеличение поставок запчастей для устранения отказов третьей ка-
тегории сложности уменьшает продолжительность состояния Nf) и увеличивает
319
продолжительность состояния NQ. Уменьшение Ne требует определенных затрат,
увеличение NQ дает прибыль от эксплуатации автомобиля. Требуется определить
соотношение этих величин.
Расчет финальных вероятностей состояний в рассматриваемой модели по экс-
плуатационным наблюдениям или данным пробеговых испытаний, отвечающим
размеченному графу, дает конкретный ответ и основание принять или отвергнуть,
как неоправданное, предложение о расширении производства и поставок запча-
стей той или иной номенклатуры.
По моделям последнего типа характеризуется и сам процесс испытательного
пробега, и те допущения, которые принимаются в основу его моделирования. Как
отмечено выше, вероятности состояний обычно определяются в предположении
стационарности процесса. Признаками допустимости такого упрощения служат по-
ведение параметров потоков и законы распределения интервалов между события-
ми переходов.
В качестве конкретного примера оценки фактических параметров можно привес-
ти данные, полученные при испытаниях автомобилей УАЗ-469, обобщенные для
модели, состоящей из двух состояний:
- автомобиль исправлен и испытывается по программе нормальных пробеговых
испытаний;
- обнаружена неисправность, пробег приостановлен, восстанавливается работо-
способность автомобиля.
Рассматривается процесс в реальном времени и характеризуется интенсивно-
стью потоков: А. - отказов и приостановки неисправных машин в пробеговых испы-
таниях; р - восстановленный ремонтными воздействиями.
На рис. 5.24 показаны фактические значения интенсивности этих потоков и ап-
проксимация их способом наименьших квадратов.
Рис. 5.24. Изменение интенсивностей потоков при испытаниях автомобиля УАЗ-469:
а - отказов; б - восстановлений.
320
На рисунке отчетливо видны возможные допущения: в большей мере - стацио-
нарность потока отказов и в меньшей мере - стационарность потока восстановле-
ний. Проверкой этих гипотез по критерию “хи-квадрат" не отвергается стационар-
ность потока отказов для уровня значимости 0,1, а для потока восстановлений -
только для уровня значимости 0,05. Следует, однако, учесть, что при значительном
превышении среднего времени безотказной работы над средним временем ремон-
та многие показатели надежности практически не зависят от закона распределения
последнего. Так, в рассмотренном примере среднее время безотказной работы ав-
томобиля составляет 29,4 ч, тогда как среднее время устранения неисправностей
2,65 ч. Поэтому допущение об экспоненциальном законе распределения времени
ремонтов не внесет заметных погрешностей в выбранную модель.
На рис. 5.25 показан закон распределения времени безотказной работы авто-
мобиля при испытаниях в рассмотренном примере, дающий наглядное представле-
ние о функционировании модели в вероятностном аспекте.
Рис. 5.25. Закон распределения интервалов времени безотказной работы при испытаниях
автомобиля.
Задача использования таких моделей изменения состояний автомобиля для
подгонки полигонных испытаний и наблюдений в эксплуатации состоит в том, что-
бы оценить влияние программы пробега (соотношения протяженности, чередова-
ния испытательных дорог) на интенсивность потоков отказов и неисправностей, с
тем чтобы, изменяя фактические внешние воздействия либо вводя определенные
коэффициенты пересчета, привести в соответствие модели состояний испытывае-
мого автомобиля в ходе испытательного пробега на полигоне и в наблюдениях за
опытной эксплуатацией. Предварительные разработки показывают реальную воз-
можность такой увязки результатов. Но на этом пути имеются и организационно-
научные трудности. Например, до настоящего времени методики испытаний и на-
блюдений в опытной эксплуатации не согласованы по ряду показателей, в испыта-
ниях и при наблюдениях в эксплуатации используются разные классификаторы от-
казов и неисправностей. Эти неувязки двух ведущих источников информации, не-
обходимой для управления качеством и надежностью продукции, могут быть разре-
шены без особых трудностей.
В новых условиях организации производства, разработки новых конструкций, их
доводки и сбыта использование моделей состояний играет тоже немаловажную
роль. Для совершенствования производства изготовитель получает широкую ин-
321
формацию из дилерской сети сбыта, где предусматривается предпродажная под-
готовка автомобиля. Эффективность использования информации о проводимых
при этом работах в значительной мере зависит от построения, целенаправленно-
сти программ сбора данных от дилеров, фирменного сервиса, гарантийных стан-
ций технического обслуживания.
В основу программы и кладется та или иная модель состояний, дальнейший
расчет которой призван служить принятию обоснованных решений изготовителем
для повышения качества продукции. Это же относится и к испытаниям, если они
отражают условия эксплуатации по выбранным состояниям автомобиля.
На основании выбранной модели изменения состояний автомобиля разрабаты-
ваются удобные и простые формы учета выявленных дефектов, расхода запасных
частей, трудоемкости восстановлений, рекламаций. В испытаниях же для эффек-
тивного использования моделей процесса изменения состояний в формах учета
требуется предусматривать строгое фиксирование загруженности при каждом вы-
езде и выполненного пробега, внешних условий и режимов движения за время
ездки, экспертизы отказов, длительности простоев и других подробностей, харак-
теризующих рабочий процесс пробеговых испытаний и обслуживания автомобиля.
При организации такого учета эксплуатационные испытания могут проводиться
и на базе транспортных подразделений изготовителя, обслуживающего хозяйст-
венную деятельность предприятия, доставляя ценную и управляемую информацию.
Об эффективности организации подконтрольной эксплуатации в собственных
транспортных службах свидетельствует известный опыт концерна "Крайслер". Его
собственный парк включает более 350 тягачей, 40 бортовых автомобилей, более
1500 прицепов и интенсивно используется для обслуживания предприятий (сум-
марный месячный пробег более 1 млн.км), и обеспечивает быстрое накопление ин-
формации, в том числе и по опытным моделям, направляемым в хозяйственное
обслуживание. Хотя при этом и опытные, и серийные модели находятся постоянно
в поле зрения опытно-конструкторского и испытательного персонала, но целена-
правленные данные для различных специалистов могут оперативно получаться
лишь из документации, хорошо разработанной на основе учета множества состоя-
ний автомобиля в эксплуатации. Это тем более привлекательно, что обработанная
информация не получает преждевременной широкой огласки.
Глава 6. ФОРСИРОВАНИЕ
ПОВРЕЖДАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
И ОПТИМИЗАЦИЯ
ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ПРОБЕГОВ
НА АВТОПОЛИГОНЕ
Среди различных способов повыше-
ния темпов испытаний и сокращения сроков оценки качества и надежности автомо-
бильной техники повышение интенсивности воздействий рассматриваемся как пер-
вый и основной вариант достижения цели. Но при его осуществлении возникают и
наибольшие трудности. Эти трудности порождаются тем, что процессы поврежде-
ния и разрушения различных элементов конструкции зависят от разных факторов.
Разные узлы, агрегаты и детали различным образом реагируют на изменение
внешних воздействий. Выше приводились интегральные оценки влияния на повре-
ждаемость автомобилей различных факторов. К этому следует добавить, что про-
текающие процессы разрушения автомобиля в испытательном пробеге достигают
критической области в разное время или на разной протяженности пробега.
Все зто требует возможно более полного обоснования уровня, способов и регу-
лирования форсированных воздействий. Общим критерием форсирования воздей-
< гвий при испытаниях остается совпадение результатов с эксплуатационными.
Для обоснования выбираемого форсирования повреждающих воздействий
привлекается накопленный практический опыт в автомобилестроении, расчет-
ные сопоставления нагруженности и интенсивности накопления повреждений,
< пециальные исследования процессов разрушения при узконаправленных изме-
нениях внешней среды, разнообразная информация из опытной эксплуатации,
жономические показатели, характеризующие стоимость испытаний для опти-
мального их планирования.
Форсирование повреждающих воздействий может осуществляться по различ-
ным факторам, вызывающим ускорение повреждений разных деталей, сочленений,
узлов и агрегатов. Поэтому важно выделить приоритетные факторы, по возможно-
। in общие, если не для всех, то для наиболее ответственных элементов конструк-
ции, резкое повышение которых неизбежно возникает в условиях эксплуатации.
Исходя из анализа, приводившегося выше, к таким повреждающим факторам
о । носится переменное механическое нагружение, коррозионное воздействие, аб-
разивное воздействие в зонах трения.
Форсирование и регулирование этих факторов и рассматривается прежде всего
для оптимального планирования пробеговых испытаний.
6.1. Форсирование
механических нагрузок
Прямой способ форсирования меха-
нических нагрузок на детали и узлы, лимитирующие ресурс автомобиля по преоб-
ладающему виду повреждений - усталости, — это повышение абсолютных значений
и частоты воздействия неровностей дороги Реализация этого способа вырази-
к-пьно представлена в конструкции и характеристиках Комплексной испытательной
|рассы и таких специальных испытательных дорог Центрального автополигона, как
рек. бельгийская мостовая и др. Расчет нагруженности при испытаниях на них для
323
разных систем автомобиля рассмотрен в теории формирования повреждающих на-
грузок, а сопоставимые коэффициенты накопления повреждений дают оценку уров-
ня достигаемого форсирования (в том числе и расчетно-экспериментальным мето-
дом по зарегистрированным в предварительном пробеге напряжениям в опасных
зонах конструкции). Во многих специальных исследованиях установлены эффектив-
ность этого способа форсирования пробеговых испытаний, ограничения и условия
использования специальных дорог и сооружений, численные оценки коэффициен-
тов эквивалентности пробегов по повреждаемости отдельных деталей, узлов и аг-
регатов на разных испытательных дорогах [65].
Напомним, что теория, расчет и оценка показателей накопления повреждений
относятся к стационарному режиму, при установившейся скорости движения или
стабильному воспроизведению реакции автомобиля в образуемой системе ВАДС.
Другой широко применяемый способ форсирования нагруженности деталей и
агрегатов автомобиля основывается, наоборот, на резкой смене режимов движе-
ния. Нормируется форсирование нагруженности в этом случае только предписа-
ниями управляющих воздействий на органы управления, их количеством за опре-
деленный период и, отчасти, выбором специальных дорог или сооружений. Харак-
терные примеры использования такого способа форсирования пробеговых испыта-
ний содержатся в известных методиках ведущих автомобилестроительных фирм.
Фирменная методика концерна Fiat предусматривает проведение форсированных полигонных
испытаний отдельных агрегатов и узлов следующим образом.
Сцепление: 33-кратное повторение цикла, состоящего из трех троганий с места с интервала-
ми 10 с на первой передаче в режиме максимальной мощности даигателя на подъеме крутизной
2/3 максимального, преодолеваемого автомобилем; затем пробег одного круга по маршруту
протяженностью около 6 км с уклонами до 10 % для охлаждения сцепления; после 16-го и 33-го
циклов - пробег по автостраде 1 и 2 тыс км, соответственно.
Главная передача и дифференциал: 100-кратное повторение цикла, состоящего из одного
трогания на первой передаче в режиме максимальной мощности на подъеме крутизной 2/3
максимального, преодолеваемого автомобилем, затем проезд одного круга по маршруту про-
тяженностью 0.7 км с уклонами до 22 %, трех кругов влево и трех - вправо по кольцу диа-
метром 50 м на максимально возможной скорости; после 100 циклов испытаний пробег по
автостраде 10 тыс км на максимальной скорости.
Карданная передача: 20-кратное повторение цикла, состоящего из пяти последовательных, с
интервалом в 1 мин, троганий на первой передаче и одного трогания на передаче заднего хода
в режиме максимальной мощности двигателя на подъеме крутизной 2/3 максимального, преодо-
леваемого автомобилем с последующим пробегом одного круга по маршруту пртяженностью 6,7
км с уклонами до 22 %.
Шестерни и подшипники коробки передач: 10-кратное повторение цикла, состоящего из
пробегов 1 тыс км по маршруту протяженностью 0,7 км, 4 тыс км по автостраде, пяти последо-
вательных троганий на первой передаче на подъеме крутизной 2/3 максимального, преодоле-
ваемого автомобилем, в режиме максимальной мощности двигателя; в процессе испытаний за-
медление движения автомобиля осуществляется переключением на низшие передачи; тормоза
используются для остановки только со скорости ниже 30 км/ч.
Фирма Leyland использует следующую методику испытаний механических трансмиссий: тро-
гание автомобиля с места с резким отпусканием педали (ногу водитель отводит в сторону от пе-
дали) при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Разгон на каждой пере-
даче до максимально возможной скорости. После достижения максимальной скорости на выс-
2
шей передаче производится торможение автомобиля с замедлением около 2 м/с . Программа
испытаний предусматривает примерно 8 тыс циклов "разгон - торможение", а затем пробег ав-
томобиля по автостраде на максимально возможной скорости.
Методика испытаний механических трансмиссий, используемая фирмой Borg Warner, вклю-
чает: обычный разгон на первой передаче до скорости 48 км/ч; торможение двигателем до
32 км/ч; включение второй передачи и разгон до 64 км/ч; торможение двигателем до 48 км/ч;
включение третьей передачи и разгон до 96 км/ч; включение второй передачи и замедление до
324
40 км/ч; включение первой передачи и замедление до остановки с использованием тормозов
при скорости ниже 16 км/ч. Все операции повторяются 8 раз Затем разгон на первой передаче
до 40 км/ч; включение третьей передачи и разгон до 96 км/ч. Остановка автомобиля способом,
описанным выше. Операции повторяются 3 раза. Затем даижение задним ходом около 15 м; за-
1нм движение по автостраде на максимальной скорости около 16 км. Все перечисленные опера-
ции составляют один цикл испытаний трехступенчатой коробки передач и ведущего моста, а об-
щий объем испытаний состоит из 600 циклов, после прохождения которых коробка передач и
ведущий мост должны быть в работоспособном состоянии.
Горьковский автомобильный завод при доработке главной передачи проводил ускоренные
иг пытания методом резких троганий с места с броском педали сцепления на первой передаче и
передаче заднего хода. Главная передача до разрушения выдерживала 1,5...3 тыс циклов
Известна методика НАМИ особо форсированных ресурсных испытаний сцеплении на подъе-
мах малой крутизны автополигона
Автопоезде полной нагрузкой устанавливался на подъеме 8 %, затем 10 раз осуществлялось
|рогание с места на второй передаче с интервалом 30 с В течение 15 мин сцепление охлажда-
лся ь и цикл повторялся. За 6 циклов накладки сцеплений достигали предельного состояния
В приведенных примерах форсирования нагруженности обнаруживаются суще-
< । ценные различия в чередовании, длительности и других характеристиках предпи-
< ываемых режимов. Оснований их выбора не дается, что свидетельствует об эмпи-
рическом подходе к разработке технологии испытаний, основанном на опыте или
инженерной интуиции.
Хотя приведенные методики и оказались во многих случаях эффективными, но
расплывчатость условий отдельных операций, упущение ряда характерных для экс-
плуатации обстоятельств движения и управления снижают достоверность результа-
нт, не дают уверенности в полноте охвата возможных перегрузок или, наоборот,
мдают чрезмерную уверенность в избыточности перегрузок.
Неопределенность оснований эмпирических методик форсирования нагруженно-
• inc помощью сложных режимов управления автомобилем прежде всего такой от-
ит ст венной системы как трансмиссия, побудили провести обширные исследова-
ния для выявления влияния обстоятельств и условий испытаний не только на меха-
ническую нагруженность, но и на важный показатель уязвимости самого органа
уществления переменных режимов - сцепления - на износ.
В этих исследованиях рассмотрено влияние на нагруженность трансмиссии,
включая и сцепление, нагруженность которого оценивалась работой буксования та-
ких показателей режима, как время включения сцепления, начальная частота вра-
щения коленчатого вала двигателя, коэффициент сцепления ведущих колес с опор-
ной поверхностью дороги, суммарный коэффициент сопротивления движению, вре-
мя переключения передач и др.*
В качестве примеров результатов этого исследования на рис. 6.1 показана за-
нисимость нагруженности трансмиссии от одного из показателей режима управле-
ния при испытаниях - времени включения сцепления при фиксированных значениях
начальной частоты вращения вала двигателя, коэффициента сцепления и суммар-
ною сопротивления.
Выводы и заключения из проведенных экспериментов, математического моде-
лирования функционирования трансмиссии в разных режимах послужили научной
к новой технологии форсирования нагружения трансмиссии в следующих двух осо-
бых режимах испытаний.
1 паретические и экспериментальные исследования проведены совместно с кафедрой "Авто-
мпПили" Белорусского политехнического института.
325
Рис. 6.1. Зависимость показателей нагружения трансмиссии грузового автомобиля МАЗ от дли-
тельности процесса включения сцепления при трогании с места на второй передаче:
1 - работа буксования сцепления (А6); 2 - длительность пробуксовки (tg); 3 - осевая сила в
карданном шарнире (Рос): 4 - максимальный момент на полуоси (Мхр ); 5 - средний момент на
полуоси за время включения сцепления.
Первый режим, условно называемый "разгон - торможение", позволяет форси-
ровать нагружение валов значительными по величине динамическими моментами
за счет сокращения времени включения сцепления и обеспечивает интенсивную
работу механизмов управления агрегатами трансмиссий.
Испытания на режиме "разгон - торможение" проводятся циклами на горизон-
тальном участке дороги с твердым покрытием в обоих направлениях общим пробе-
гом 10 км (5...8 циклов) с последующей остановкой на 10 мин для отдыха водите-
ля, осмотра автомобиля и остывания трущихся поверхностей тормозной системы.
Принятый для испытаний цикл "разгон - торможение” включает:
- форсированный разгон с места переключением передач; на первой передаче и
передаче заднего хода темп включения сцепления 0,1 с (быстрый отвод ноги с пе-
дали на себя), на остальных передачах темп включения сцепления 0,03 с (отвод
ноги с педали в сторону); переключение передач осуществляется при достижении
двигателем оборотов 0,6...0,8 максимальных;
- разгон на высшей передаче до скорости (0,6...0,7)Vmax; торможение двигате-
лем с переключением передач до скорости 25...30 км/ч: остановка автомобиля ра-
бочими тормозами с переводом рычага переключения передач в нейтральное по-
ложение при скорости 10...7 км/ч; движение на передаче заднего хода около
10 м при плавном включении сцепления; остановка автомобиля; форсированный
разгон с переключением передач при трогании с места со второй передачи с тем-
пом включения сцепления 0,03 с; разгон на высшей передаче до скорости
(0,6...0,7)Vmax; торможение двигателем до скорости 30...25 км/ч; остановка рабочи-
326
ми тормозами; далее цикл повторяется. Проводятся испытания в этом режиме на
динамометрической дороге.
Второй режим испытаний на подъемах 6... 10 % позволяет форсировать нагру-
жение преимущественно шестерен, подшипников и сцеплений за счет увеличения
коэффициента сопротивления движению.
Подъемы малой крутизны автополигона охарактеризованы в гл. 2.
Форсирование испытаний в движении на них по сравнению с режимами движе-
ния при нормальных испытаниях осуществляется за счет выбора оптимальных ко-
эффициентов сопротивления движению (исключение движения на подъеме 4 % и
увеличения объема испытаний на подъемах 6, 8, 10 %) и введения принудительных
остановок и троганий за 80... 100 м от начала и конца каждого подъема, вызываю-
щих интенсивное нагружение трансмиссии и исключающих использование инерции
автомобиля для их преодоления. Маршрут для форсированных испытаний на подъ-
< мах 6...10 % и последовательность движения на нем показаны на рис. 6.2 для од-
ного цикла.
Еще один характерный пример аналитического подбора режима и условий ис-
пытаний связан с необходимостью включения в испытательный пробег вероятных
экстремальных перегрузок.
Впервые такая необходимость обнаружилась, когда на длительно выпускаемой
< ерийной модели полноприводного автомобиля стали наблюдаться внезапные по-
ломки в деталях передней части, не возникавшие при полигонных испытаниях ни в
нормальном, ни в форсированном режимах При этом поломки не носили усталост-
ного характера, а соответствующие детали имели достаточный запас прочности,
определенный из обычных условий нагружения от воздействия дороги.
Возникло предположение что в тяжелых условиях эксплуатации этой машины, для
которых она и предназначена, возникают внешние воздействия, не рассматривавшие-
< я в известных схемах. Для проверки были проведены длительные по протяженности
пробеги с непрерывной регистрацией нагрузок на рессоры, поворотные кулаки, руле-
вые тяги, сошку руля с одновременным наблюдением воздействий на органы управ-
ления. Анализ результатов показал, что действительно максимальные нагрузки, наи-
более опасные по последствиям вызываемых поломок, в частности на привод управ-
ления передними колесами, возникают при сочетании наезда колес на неровность и
орможении автомобиля. Усиливаются нагрузки, если это сочетание сопровождается
поворотом колес или косым по отношению к вектору скорости расположением неров-
ности. Воспроизведение этих условий на автополигоне для включения в пробеговые
форсированные испытания казалось простым - установка на ровном участке обособ-
ленной неровности под углом к направлению движения и проезд ее с торможением
1.щанное число раз по программе. Однако при проверке такого решения сличением
нагрузок в повторных заездах обнаружилось полное их несовпадение и большой раз-
орос при внешне единообразных условиях. Поэтому планировать определенную на-
тяженность оказалось затруднительным.
Преодолеть эту неопределенность удалось с помощью теоретического исследова-
ния колебательной системы, эквивалентной автомобилю и объединяющей реакции на
по (действие неровности и приложение тормозных сил в контактах колес с опорной
поверхностью дороги. Обстоятельное теоретическое исследование возникающих про-
ц< ов перегрузки дано в работах А.А.Енаева, экспериментальные исследования,
развитие и практическое приложение теории - в работах В.П.Антипцена, В.П.Шалды-
кипа и др. [66]. В сжатом виде основа технологии форсирования нагружения в рас-
(м.приваемом случае представляется как метод стабильного воспроизведения в ис-
327
питательном пробеге экстремальной нагрузки или, как иногда говорят, пик-фактора.
Определяется технология испытаний следующими положениями.
Операционная карта испытаний
Обозначения: X — спуск;
Т — подъем;
— повороты с малым радиусом;
СТОП — остановка с последующим троганием
и движением по маршруту
Последовательность проезда подъемов (маршрут):
(J. 8%) — (•«-) — (Т 6%) -(-*•) — (18%) — (-*) — (Т 10%) —
-(♦-)-(-16%)-(-►)-(? 8%)-(-+)-(.!. 10%)-(«-)-
— (Т 8%) — (-»•) — (X 8%),
Непрерывные испытания— 1ч; перерыв — 10 мин;
остановки у знаков "СТОП" — 1 мин (не более).
Рис. 6.2. Схема движения и управления автомобилем за цикл испытаний трансмиссии во втором
режиме форсированного нагружения
328
Максимальные напряжения в деталях передней подвески, мостов, колес, руле-
вого управления и креплений навесных агрегатов передней части шасси автомоби-
ля возникают в таком режиме движения, когда осуществляется экстренное тормо-
жение (с максимальной тормозной силой или полной блокировкой колес) и проис-
ходит наезд передних колес на неровность. Этот наиболее неблагоприятный режим
движения в эксплуатации и принимается как расчетный.
Учитывая, что в расчетном режиме неуравновешенные силы являются динамиче-
скими, формирование их определяется реакцией системы, эквивалентной автомо-
оилю и характеризуемой его колебательными параметрами. Вне зависимости от
конструкции узлов и агрегатов эти силы приводятся согласно общепринятой рас-
четной схеме нагружения автомобиля к реакциям в контакте колес с опорной по-
верхностью. По максимальным значениям их определяются перегрузки и напря-
женные состояния рассчитываемых на прочность деталей в конкретной конструк-
|ивной схеме агрегатов или узлов данного автомобиля.
Необходимые колебательные параметры (массы, упругость, демпфирование) за-
даются по тактико-техническим заданиям, техническим условиям, проектным раз-
работкам или по результатам лабораторных испытаний автомобиля.
Стабильность (заданная повторяемость результатов) режима нагружения в рас-
четом случае экстренного торможения и наезда на неровность зависит для раз-
личных автомобилей от их собственных характеристик и колебательных парамет-
ров. При заданных размерах типичной обособленной неровности и скорости дви-
жения в момент экстренного торможения максимальная и повторяемая реакция в
контакте колес с опорной поверхностью достигается только при строго определен-
ном интервале времени между моментами включения тормозов и воздействием не-
полное™. Этот интервал зависит от процесса колебаний данного автомобиля, оп-
ределяемого его параметрами.
Нормы определения расчетных сил и метода форсирования нагружения в режи-
ме экстренного торможения и наезда на обособленные неровности устанавливают-
< ч с ледующими требованиями:
движение автомобиля осуществляется со скоростью 30..40 км-ч 1 на прямоли-
нейном горизонтальном участке дороги с ровным бетонным покрытием и установ-
ленной выступающей (или заглубленной) обособленной неровностью;
экстренное торможение автомобиля производится резким включением тормо-
|<>л. обеспечивающим предельно короткое время нарастания тормозного момента
па колесах до полной их блокировки (на автомобилях с антиблокировочными уст-
ройствами - до максимального тормозного момента), в строго определенный рас-
Ч1НПЫЙ момент времени перед наездом на неровность;
обособленные неровности для наезда после включения тормозов обеспечива-
ин предельно короткое по времени воздействие на колеса, имеющее импульсный
характер (предельно короткий размер вдоль направления движения и прямоуголь-
ная форма сечения со стороны наезда), и надежно фиксируются на поверхности
дороги;
установка обособленных неровностей допускает их размещение перпендику-
лярно (основное положение) и под различными углами (вспомогательные положе-
нии) к траектории прямолинейного поступательного движения автомобиля.
Расчетными силами являются максимальные значения реакций, приложенных в
пинайте шин с опорной поверхностью дороги. В данном режиме нормальная реак-
ции на передних колесах автомобиля состоит из статической и динамической со-
1.11ШЯЮЩИХ.
329
Статическая составляющая /-?zc определяется распределением масс автомобиля
по колесам и оценивается по данным технических заданий, технических условий
или взвешивания образцов.
Динамическая составляющая состоит из двух аддитивных слагаемых, фор-
мирующихся раздельно от экстренного торможения и наезда на неровность колес
автомобиля.
Расчетные схемы систем, эквивалентных автомобилю, в динамике которых фор-
мируются динамические составляющие нормальных реакций, показаны на рис. 6.3,
где кроме использовавшихся ранее в гл. 3. введены следующие обозначения
Рг - тормозные силы, приложенные в контактах шин с поверхностью дороги;
F - сила инерции движущегося автомобиля после начала торможения в момент
времени t = 0, приложенная в центре масс;
- высота центра тяжести подрессоренной массы над опорной поверхностью;
Гст - статический радиус колес:
(р - коэффициент сцепления шин с поверхностью дороги;
Г(?) - эквивалентная пара сил. вызывающая поворот подрессоренной массы в
продольной плоскости при экстренном торможении;
Z} 2 - вертикальные смещения подрессоренной массы над передней и задней
подвесками;
<7 - вертикальное смещение контакта шин колес с опорной поверхностью обо-
собленной неровности;
С.| 2 = ^2сш1 2Ср1 г ) / (Сш1 2 + Ср1 2) _ приведенная нормальная жесткость
упругих элементов, объединенных в подвеске передних, задних колес;
ТЦ 2 = ^1 2^а1 2 “ приведенный коэффициент неупругого сопротивления передней,
задней подвески (рекомендуемое значение к1-2= 0.1.0,15);
Va - скорость движения автомобиля
Динамическая составляющая нормальной реакции в контакте шин передних ко-
лес с опорной поверхностью при экстренном торможении определяется решением
следующей системы уравнений:
M}z} + гц (l + ае)^ + ci(1 + ")zi + rl2aez2 +
+ C2aez2 = - aeMagf(t);
M2z2 + n2(l - ae)z2 + c2(l _ ^)z2 _ _ <6 i)
- c,aez} = seMagf(t)\
fiZT = - C1Z1.
330
Ъц
где аэ =----<р .
L
f(t) -
0 при
а
— t п ри
t
т
а при
- время срабатывания привода тормозов*;
а = аеЛ4 о;
д - ускорение свободного падения.
। 6 3 Расчетные схемы для определения динамических составляющих нормальной реакции в
>н11кте шин с опорной поверхностью:
экстренного торможения; б - от наезда на неровность
1очкой над символом искомых функций z(t) обозначена как и ранее производ
н>»| по временной t.
Результаты расчета частного примера системы (6 1) на ЭВМ показаны на рис 6.4.
Но результатам расчета фиксируются.
максимальное значение нормальной реакции (см.рис. 6.4,a) R 1х,
интервал времени от начала отсчета до момента достижения максимума нор-
М.ШЫ1ОИ реакции 7”.
При испытаниях на Центральном автополигоне используется специальное устройство автома-
м>го включения тормозов в заданный момент времени, сокращающее время срабатывания
рмозного привода, и функция f(t) может включаться в расчет по условиям испытании в виде
fill .l<S (f), где S (t) - единичная функция Хевисайда.
331
К1Т.КН
Рис. 6.4. Расчетные процессы изменения нормальных реакций в контакте шин передних колес с
опорной поверхностью:
а - от экстренного торможения; б - от наезда на неровность.
Динамическая составляющая нормальной реакции от наезда на обособленную
неровность определяется решением ранее рассматривавшейся системы уравнений
колебаний подвески в следующем виде:
*1 + + 2kPixi +s^i = Qi(O;
2 2k .
/ш1 + 2кш1/ш1+“1/ш1------х1--------^=-<7,(0; <6 2)
Hi
Rza ~ 2сш1 ш1.
где f- динамический нормальный прогиб рессор и шин передних колес,
соответственно;
2*<р = ^1/Ц.- £2f=2cp1/Mi; 2кш1=2пш1/Л41;
ь>? =2сш1 /т1; щ = т1 /
332
q(t) - возмущающее воздействие обособленной неровности при наезде перед-
них колес, которое в расчетном случае по условиям испытаний на Центральном ав-
тополигоне рекомендуется в виде
О
при t < О;
<?(') =
Нн sin 2тг
—— t
3,6SH
при
SH
1,8 — .
va
при
Здесь S = Jr (Зг + 2Н ) - И? ;
Н у V I \ bl П J М
Hfi - высота обособленной неровности; Гст - статический радиус шин колес при
номинальной нагрузке.
Время t отсчитывается от момента соприкосновения шин передних колес с не-
ровностью при наезде.
Расчетная высота обособленной неровности выбирается из условия
°.2ГСТ < Нн < 0,ЗГст.
Результаты расчета частного примера показаны на рис. 6.4,6, по которым
фиксируются:
максимальное значение нормальной реакции - R ;
гитах
интервал времени от принятого начала отсчета до момента достижения макси-
мума нормальной реакции - Г .
Полная динамическая составляющая нормальной реакции определяется суммой
максимальных значений ее от экстренного торможения и наезда на неровность
R — R + R
гдгпах гттах гитах'
(6.3)
которая формируется при совмещении процессов R (t) и R^t) с запаздыванием
То = Л - Тн. (6 4)
Подчеркнем особо, что время оптимального запаздывания наезда на неровность
ши ле начала торможения То используется для воспроизведения условий наиболь-
шей перегрузки передней части автомобиля и является основным параметром ре-
। улирования и стабильности форсирования нагружения или пик-фактора
Полная расчетная схема сил, действующих в контакте шин с опорной поверхно-
п.ю, определяется в виде:
нормальная реакция
R = R + R ;
гр zc гдгпах’
(6 5)
333
тангенциальная реакция
Rxp=^zp. (6.6)
где к - коэффициент пропорциональности, величина которого при высоте обо-
собленной неровности меньшей 0.3Гст рекомендуется 0,1...0,2;
боковая динамическая реакция при установке обособленной неровности под уг-
лом а к направлению движения
Ryp = kRzpcosa. (6.7)
Таким образом, испытания при экстренном торможении и наезде на неровность
производятся путем натурного воспроизведения процесса нагружения конструкции
расчетными силами, отвечающими сочетанию статической и экстремальной дина-
мической составляющих реакций в контакте шин переднего моста с опорной по-
верхностью дороги. Максимальная нагрузка достигается при заданной скорости
равномерного движения автомобиля Va включением экстренного торможения на
расстоянии от обособленной неровности
/э = О,278уаТо. (6.8)
Практически испытания проводятся на участке специальных дорог Центрального
автополигона с горизонтальным ровным твердым покрытием и установленной обо-
собленной неровностью (рис. 6.5).
На размеченной траектории движения автомобиля перед обособленной неров-
ностью на расчетном расстоянии от ее переднего края / монтируется выносной
сигнальный блок устройства автоматического включения тормозного привода, уста-
новленного на испытываемом автомобиле *.
Испытания проводятся последовательными заездами по размеченной траекто-
рии в заданном скоростном режиме. Рекомендуемая при испытаниях скорость дви-
жения 30...40 км-ч 1 устанавливается на расстоянии не менее 50 м от обособлен-
ной неровности, поддерживается строго постоянной до включения тормозов и кон-
тролируется по спидометру или показателями отметчика оборотов ведущих колес.
* Допускается проведение испытаний без оборудования специальным устройством управления
приводом тормозов после специальной подготовки водителя-испытателя, если обеспечивается
совпадение полного включения тормозов с моментом проезда передних колес нанесенного на
дороге указателя (отклонение в пределах 0,1 с).
334
f *И<- 6.5 Схема размещения обособленной неровности для экстремального нагружения перед
•«•я части автомобиля при форсированных испытаниях (воспроизведение пик-фактора):
выступающей; б - заглубленной.
6.2. Форсирование коррозии
Значимость повреждения авгомо-
г>илы<ой техники атмосферной коррозией в эксплуатации и противокоррозионных
мероприятий при проектировании общеизвестна. Как видно из приведенных выше
данных анализа причин повреждаемости при испытаниях, этот фактор играет зна-
чи1ельную роль в образовании потока обнаруживаемых разрушений и сокращении
pt /рса.
Для сближения условий пробеговых испытаний и эксплуатации неоОходимо ре-
j унирование коррозионных воздействий на испытательной базе. Осуществление
335
его на Центральном автополигоне предусмотрено с помощью коррозионной каме-
ры, характеристики которой приведены в гл. 2. Как правило, в пробеговых испыта-
ниях требуется форсирование коррозионных воздействий. Атмосферная коррозия
развивается во времени и характеризуется скоростью постепенного поражения ею
элементов конструкции. Стойкость против коррозии оценивается промежутком вре-
мени до наступления предельного состояния поражаемых элементов в том или
ином виде (потери несущей способности, потери товарного вида и др ). Норматив-
ным показателем противокоррозионных свойств в эксплуатации является срок
службы, выраженный в годах, или ресурс по времени до капитального ремонта, в
пределах которого коррозионное повреждение не должно приводить конструкцию к
предельному состоянию в натурных условиях. Длительность же по времени поли-
гонных испытаний, определяемая ускорением действия таких факторов, как уста-
лость от переменных нагрузок, значительно меньше. В табл. 6.1 приведены обо-
бщенные данные для сравнения этих величин.
Таблица 6.1
Типы автомобилей Сроки службы до капитального ремонта, годы Продолжительность ресурсных полигонных испытаний, годы
нормальных форсированных
Легковые 5—6 1-1,5 0,4-0,5
Автобусы 8...10 2...3.5 1,0-1,5
Грузовые 10 2...3 1-1,5
Многоцелевые 6 2-3 1,5-2
По ним видно, что время ресурсных полигонных испытаний в 2...3 раза (а при
форсированных - в 10 раз и более) меньше времени исчерпывания ресурса в экс-
плуатации. Из этого следует очевидная необходимость форсирования коррозион-
ных воздействий на автомобиль при полигонных испытаниях. С тем, чтобы привес-
ти в соответствие темпы развития коррозии с темпами накопления других повреж-
дений конструкции, повышающимися при эффективном использовании технологи-
ческой базы автополигона, потребовалась разработка методов интенсификации
различных факторов, определяющих протекание коррозионных процессов. Эта раз-
работка включает последовательное решение следующих задач.
1. Подбор и регулирование параметров внутренней среды коррозионной камеры
- температуры, влажности и агрессивности атмосферы. Назначение длительности
непрерывного воздействия на размещаемую в ней конструкцию.
2. Выбор периодичности выдержки в коррозионной камере испытываемой кон-
струкции и включения ее в процесс ходовых испытаний с тем, чтобы сочетать ста-
тические воздействия атмосферы повышенной агрессивности с органически прису-
щими эксплуатации автомобиля динамическими воздействиями среды в движении.
3. Построение расчета необходимой продолжительности интенсивных воздейст-
вий, эквивалентных эксплуатации за срок службы или ресурс.
Поскольку во всех этих задачах предусматриваются количественные оценки кор-
розии, первостепенное значение имеет выбор показателей и измерителей, а также
способов наблюдения процесса ее развития.
Несмотря на обширные теоретические и экспериментальные исследования кор-
розии машин [11 и др.), прямое приложение их результатов к решению сформули-
336
рованных задач невозможно без предварительного обобщения наблюдений повре-
ждения коррозией автомобильной техники в эксплуатации и экспериментальных
сопоставительных исследований при испытаниях.
В автомобильных конструкциях можно выделить следующие основные группы
материалов и их композиций, подвергающихся атмосферной коррозии, сталь,
сталь — краска, сталь — смазка, резинотекстильные изделия, резина — сталь, дре-
весина, древесина — краска и некоторые другие.
Известно, что все зти материалы и их соединения реагируют на воздействие
внешней среды существенно различным образом. Даже если ограничиться оцен
кой реакции одной лишь стали, то и в этом случае приложение теоретически и
экспериментально определенных на образцах зависимостей скорости коррозии
от температуры, химического состава и влажности среды к решению задачи об
эффективных условиях испытаний автомобильных конструкций в коррозионной
камере дает лишь приблизительные значения ее регулируемых параметров. Это
следует из неопределенности влияния на коррозионное поражение каждой кон-
струкции множества обстоятельств: эффективности защитных мер на различных
участках поверхности, случайности контактов в соединениях, неравномерности
ткоплений продуктов коррозии, случайного распределения концентрации агрес-
сивных частиц и т.п.
Основной предпосылкой назначения регулируемых показателей в коррозион-
ной камере и продолжительности выдержки в ней испытываемых машин послу-
жили известные представления коррозии как электрохимического процесса. Со-
। ласно этим представлениям для низкоуглеродистых сталей основные опытные
<ависимости (тока коррозии - от продолжительности смачивания и сушки; ско-
рости коррозии - от температуры; размеров поражаемой площади - от конден-
сации агрессивных компонентов и др.) имеют выраженные перегибы, по кото-
рым возможно определить оптимальные значения. Исходя из этого и были вы-
браны первоначальные значения регулируемых в коррозионной камере парамет-
ров для испытаний автомобилей:
состав дождевальной и распыляемой жидкости — водяной раствор NaCl с кон-
центрацией 3,5 ± 0,5 %;
температура 303...315 К,
влажность 95...98 %;
периодичность циркуляции соляного тумана — 45 мин, с перерывом в течение
15 мин.
Уточнение этих параметров и рациональных пределов их изменения основыва-
лось на обширных эксплуатационных данных, экспериментальных наблюдениях и
исследованиях. В экспериментальных исследованиях для оценки воздействия кор-
розии на конструктивные элементы использовались различные методы как стан-
дартные (например, оценка адгезии, прочности при ударе, при изгибе пораженных
участков), так и разработанные применительно к специфической повреждаемости
in гомобильной техники в эксплуатации и при полигонных испытаниях.
Так, при обобщении эксплуатационных данных по коррозионной стойкости кузе-
нов легковых автомобилей со сроком использования 3 .4,5 года установлено, что
прежде всего коррозионному повреждению подвергаются крылья, двери, пороги,
нодкрыльники, днище и узлы нижнего пояса. В кузовах автобусов наибольшему
коррозионному разрушению подвергаются детали нижнего пояса обшивки, облицо-
ночные панели и детали каркаса в области надколесных арок, отдельные элементы
337
основания. Как правило, при капитальном ремонте требуется замена вышепере-
численных узлов и деталей, элементов каркаса основания в местах крепления
кронштейнов рессор и двигателя
Наблюдения показывают, что коррозией поражаются нагруженные элементы
шасси, кабин кузовов, в том числе сварные соединения и кромки где развивают-
ся периферийные напряжения. Это имеет существенное значение для выбора при-
оритетного измерителя коррозионного повреждения автомобиля.
Как известно, коррозионное воздействие оценивают по массе материала, пере-
шедшего в продукты коррозии, по размерам поверхности поражения, по глубине
коррозионных каверн, а также косвенным показателям интенсивности процессов.
Для ответственных, силовых элементов конструкции автомобилей показатель
глубины коррозии представляется наиболее эффективным. В опубликованных ис-
следованиях и аналитических обзорах имеются достаточно убедительные данные о
влиянии глубины коррозионных каверн на значительное (до 50%) снижение преде-
ла усталости вполне сопоставимое со снижением сопротивления усталости от
надреза или других концентраторов напряжения. Влияние же размеров надреза на
концентрацию напряжений для сталей и по теоретическим зависимостям, и по экс-
периментальным данным (с учетом одновременного углубления и расширения ос-
нования) выражается приблизительно прямой пропорциональной зависимостью
между глубиной надреза и коэффициентом чувствительности к концентрации на-
пряжений [25].
На этом основании и была принята в качестве основного измерителя коррозии
автомобильных конструкций глубина коррозионных каверн. Кроме того, учитывает-
ся и их количество на поражаемой поверхности, как дополнительных концентрато-
ров напряжения
В процессе исследований и испытаний в коррозионной камере отработана ме-
тодика технической экспертизы для оценки поражения конструкции, включая сле-
дующие процедуры:
- визуальные и, по возможности, инструментальные оценки изменения лакокра-
сочного покрытия (потеря блеска, изменение цвета, грязеудержание, растрескива-
ние, белесоватость, меление и т.д.);
- подсчет количества очагов коррозии, возникших в процессе испытаний;
- замер площади участков, пораженных коррозией;
- просмотр при помощи инструментальных приспособлений закрытых полостей
и визуальная оценка поражения их коррозией;
- вырезку темплетов с очагами коррозии, подготовку их и оценку скорости рас-
пространения коррозии в глубину и в ширину по последовательным измерениям на
специальном приборе с разрешающей способностью 0,25 мкм.
На рис. 6.6 показан пример результатов измерения очага коррозии после
испытаний.
Согласно общепринятой теории коррозия металлов представляется элементар-
ными электрохимическими процессами, протекающими на отдельных участках
вследствие нерегулярности поверхностной защиты и различий в поглощаемости
кислорода. На поверхности, контактирующей с поражающей средой, образуется
большое количество электролитических пар, где ионы металла переходят в рас-
твор около анодных элементов. При переменных деформациях металла возникает
непрерывное перемещение анодного потенциала в направлении тела детали. Уско-
ряет коррозию механическое разрушение защитных пленок, дающее анодную поля-
ризацию, одновременное удаление продуктов коррозии, уменьшающее электроли-
338
гическую прослойку между катодом и анодом в рассматриваемых элементах Уско-
рение коррозии, в особенности при переменных напряжениях, зависит также и от
питания уже возникших очагов в этом процессе кислородом, дающим пониженную
катодную поляризацию. Из этих положений следует, что режимы смачивания по-
верхностей, обдува их воздухом, скорости сушки при движении автомобиля имее-
ют существенное значение.
Рис 6 6 Результаты измерений коррозионной каверны на крыле автомобиля.
В условиях эксплуатации автомобилей на скорость коррозии различных злемен-
|<>в конструкции существенно влияют наряду с продолжительностью также и спосо-
бы увлажнения (обрызгивание или погружение), наличие агрессивных компонентов
и но щухе и на покрытии дорог (особенно таких как соль, насыпаемая в зимний пе-
риод для предотвращения обледенения проезжей части), интенсивность потоков
><бдува воздухом при движении, интенсивность механических, ударных воздействий
шт-ка щебня, пыли, вздымаемых колесами и устремляющихся на определенные
участки ходовой части.
С учетом этих особенностей формирования процессов поражения коррозией ав-
омобильных конструкций и решалась вторая задача - объединение испытаний в
коррозионной камере и пробеговых испытаний на специальных дорогах. При этом
на 17 образцах автомобилей опробованы различные варианты выдержки в корро-
1ионной камере и пробега в разных режимах с последующей экспертизой и оцен-
кой результатов сравнительно с эксплуатацией. Таким способом сопоставительных
проб в эксперименте с учетом уже сложившихся технологических процессов про-
ги 1овых полигонных испытаний, включая сменность работы, протяженность замкну-
н lx маршрутов движения, ограничения скоростей на разных дорогах и других нор-
м.цивных требований, отработана методика проведения коррозионных испытаний.
Методика регламентирует следующие основные положения-
подготовка кузова к испытаниям, включая проверку качества защитых покры-
1 ии путем внешнего осмотра; измерение толщины лакокрасочных покрыти.1 в не-
копьких выбранных точках части кузова; нанесение искусственных очагов корро-
ши (в виде буквы “Т”) в нижней и средней частях боковин кузова штихелем с за-
339
остренным концом до 0,05...0,1 мм и ограничителем, обеспечивающим легкое со-
прикосновение штихеля с поверхностью основного металла;
- проведение испытаний ежедневно циклами, состоящими из выдержки испыты-
ваемого автомобиля в течение 6 ч в коррозионной камере, проезда автомобиля че-
рез ванну, заполненную 5 %-ным раствором NaCI на глубину около 100 мм, проез-
дов по участкам пыльной грунтовой дороги общей протяженностью 62 км, щебе-
ночной дороги - 32 км, дороги с ровным булыжным покрытием - 8 км, заключи-
тельного проезда через ванну с 5 %-ным раствором соли.
Опыт проведения испытаний различных автомобилей по разработанной методи-
ке подтвердил возможность быстрой оценки эффективности конструктивных и тех-
нологических мероприятий, направленных на защиту автомобилей от воздействия
коррозии. На основании проведенных испытаний совместно с заводами разработа-
ны мероприятия, повышающие коррозионную стойкость кузовов автомобилей.
Вместе с тем при испытаниях комплектных автомобилей с помощью коррозион-
ной камеры выдвигается ряд специфических рекомендаций.
В частности, на стадии выбора образцов для испытаний следует обращать вни-
мание на цвет их лакокрасочного покрытия, которое должно быть по возможности
светлым, контрастным с цветом пораженного коррозией металла. Это облегчает
проведение визуального наблюдения за вновь появляющимися очагами коррозии в
процессе испытаний, скоростью их распространения и фотографирование.
В процессе приемки образцов следует проводить предварительную оценку
склонности к коррозионной повреждаемости принятых конструктивных решений.
Должны быть отмечены закрытые, плохо вентилируемые полости кузова, образую-
щие застойные зоны; наличие или отсутствие в таких зонах дренажных отверстий;
опасность скопления в них агрессивных веществ и занимаемая ими площадь; на-
личие вредных контактов однородных и неоднородных конструктивных элементов;
имеющиеся зазоры в местах контактной сварки, качество защитных покрытий труд-
нодоступных участков и т.д.
В процессе проведения испытаний недопустимы длительные перерывы, обу-
словливаемые необходимостью проведения ремонта, отсутствием запчастей, от-
пусками или болезнью обслуживающего персонала и другими причинами, так как
это неизбежно скажется на результатах испытаний.
Через каждые 10 циклов следует проводить техническую экспертизу объектов
испытаний с фотографированием и регистрацией в специальном протоколе вновь
появившихся очагов коррозии, мест скопления агрессивных веществ, замеров по-
казателей распространения подпленочной коррозии, замечаний по работоспособ-
ности всех агрегатов и систем автомобиля.
Ездовоцикловая технология коррозионных испытаний, отраженная в методике,
позволила не только обоснованно регламентировать форсирование специфически
автомобильных факторов развития коррозионных повреждений конструкций, но и
перейти к планомерным экспериментальным исследованиям количественных зави-
симостей и теоретическим обобщениям наблюдаемых процессов.
При этом принимались во внимание известные по многим литературным источ-
никам данные о примерно постоянной скорости развития коррозионного пораже-
ния машин в эксплуатации, по которым, в частности, составлены территориальные
карты атмосферной коррозии.
На рис. 6.7 показан характерный пример графического представления результа-
тов наблюдений за развитием коррозионного повреждения по ширине каверны на
автомобиле при испытаниях по разработанной методике.
340
Рис. 6.7 Распространение подпленочной коррозии в каверне на передних дверях легково-
го автомобиля.
График является типичным для множества фактических данных, по которым
можно заключить, что ездовоцикловая технология форсированных воздействий не
меняет характер процесса развития коррозионных повреждений и в ширину по по-
верхности. Так как каждый цикл испытаний сохраняет фиксированное время воз-
действия, прямая зависимость ширины каверны от количества циклов выражает ту
же. что и принята для описания коррозии в эксплуатации, приблизительно прямую
пропорциональность времени.
Иначе развивается при форсированных воздействиях более опасное повреж-
дение - углубление коррозии в металл. В тех же экспериментальных исследова-
ниях обнаружено, что между приоритетным измерителем коррозии - глубиной
развивающихся каверн - и количеством циклов испытаний нет простой линейной
зависимости.
Это является существенно важным для решения завершающего этапа разработ-
ки технологии коррозионных полигонных испытаний автомобилей - расчета норма-
гива воздействия или задания количества циклов для получения результатов, зкви-
налентных эксплуатации в определенных условиях.
Для построения математического описания эквивалентности процессов корро-
зии атмосферной (эксплуатационной) и коррозии при полигонных испытаниях вво-
дятся следующие обозначения:
Тэ - срок службы АТС в заданных условиях эксплуатации как нормативный пока-
знгель коррозионной стойкости конструкции, годы;
Т - общая длительность полигонных ресурсных испытаний, годы;
Т - длительность испытаний в форсированном ездовоцикловом режиме, годы;
Ти - длительность одного цикла форсированных воздействий при испытаниях. сут.,
Н - максимальная глубина наблюдаемого коррозионного поражения конструк-
ции за срок службы в эксплуатации, мкм;
Н - то же, за время ресурсных испытаний, исключая время форсированных ез-
доноцикловых воздействий;
341
Hq - то же, за время испытаний в режиме форсированных воздействий в ездо-
вых циклах с использованием коррозионной камеры по разработанной методике;
Vg, Уп - скорость распространения атмосферной коррозии в заданных эксплуа-
тационных климатических условиях и в климатических условиях Центрального авто-
полигона (без форсирования внешних факторов), соответственно, мкм-год'1;
N - количество циклов форсированного коррозионного воздействия;
Нф(Л/) - зависимость глубины наблюдаемого коррозионного поражения от чис-
ла циклов форсированного воздействия.
Эквивалентность поражения коррозией автомобильных конструкций при форси-
рованных полигонных испытаниях и в заданных условиях эксплуатации по выбран-
ному приоритетному показателю, очевидно, выражается соотношением
Ч = Н + нф(Л/). (6.9)
Учитывая упомянутую выше закономерность углубления атмосферной коррозии
примерно с постоянной скоростью, это соотношение можно представить в виде
vT = + HAN).
э э п' п ф' ф' •
Так как по отработанной методике длительность форсированных воздействий
связана с длительностью каждого цикла зависимостью Тф = ТцЛ//365, это выраже-
ние удобнее записать в следующей форме
Т '
\~N— + Нф(")
365 ,
Здесь значения времени 7”, 7” для основных типов автомобилей берутся из табл.
6.1 или для новых образцов - из технических условий и плановых расчетов длитель-
v Т = v
э э п
(6.10)
ности полигонных испытаний. Значения скоростей Уэ, V берутся как показатели ат-
мосферной коррозии низкоуглеродистых сталей в соответствующих климатических
зонах или условиях эксплуатации. Например, скорость vg = 31 мкм-год ' на карте ат-
мосферной коррозии для сельской местности Московской области соответствует ус-
ловиям испытаний на Центральном автополигоне без форсирования в ездовоцикло-
вом режиме. В этом случае можно принять V= Уп. Для условий городской эксплуата-
ции скорость развития коррозии в некоторые периоды может достигать значения
Уэ = 200 мкм-год 1 и более [41, 42]. Но для решения поставленной задачи - назначе-
ния количества циклов коррозионных воздействий в форсированном режиме с целью
получения идентичных с эксплуатацией результатов - этого недостаточно: в соотно-
шении (6.10) надлежит определить функцию выражающую зависимость глу-
бины коррозии от количества циклов форсированного воздействия.
Для опытной оценки этой функции проведены специальные эксперименталь-
ные исследования на восьми автомобилях разных моделей с объемом испыта-
ний 40 и более циклов при строгом соблюдении основных положений разрабо-
танной методики и тщательных измерениях глубины коррозионных каверн через
каждые 10 циклов преимущественно на элементах, испытывающих переменные
342
нагрузки. Результаты этих измерений приведены в табл 6.2 Их анализ показал,
что наиболее подходящей аппроксимацией во всех случаях является степенная
зависимость вида
Нф(Л/)=АЛ/в. (6.11)
где А и В - постоянные, подлежащие оценке.
Особенно отчетливо видна возможность приближения опытных данных этой
функцией, если перейти от абсолютных значений к логарифмам.
Логарифмирование соотношения (6.11) дает
1дНф(А/) = IgA + В 1дЛ/. (6 12)
откуда видно, что на графике в координатах IgH (/V) — 1дЛ/ выбранная зависи-
мость изображается прямой линией. Как известно, построение такой аппроксими-
рующей прямой в виде
У = ав + а,х (6.13)
по зарегистрированным наблюдениям или опытным точкам с координатами
х = lg/V; К = 1дНф(Л/(.) осуществляется способом наименьших квадратов.
Этим способом рассчитываются оценки коэффициентов а0 и аг которые опре-
деляют наиболее вероятное положение аппроксимирующей прямой относительно
опытных точек.
Таблица 6.2
Модель автомобиля Глубина коррозии (в мкм) после испытаний в объеме (N циклов)
10 20 30 40
ЗИЛ-130 75 110 130 145
ВАЗ-2105 50 70 99 110
ВАЗ-2121 70 120 150 160
ПАЗ-672 75 95 140 150
ВАЗ-2103 45 75 100 110
ВАЗ-2108 25 58 74 110
ЗИЛ-4331 55 80 125 145
ГАЗ-3102 60 100 150 190
Однако вычисление этих оценок с помощью простых формул возможно только
при равноинтервальном отсчете аргумента. В рассматриваемом же случае это ус-
ловие не соблюдается Хотя наблюдаемые величины взяты через равные проме-
жутки аргумента N = 10 циклов, но при переходе к логарифмам в соотношениях
(6 12) и (6.13) постоянство шага аргумента X — \gN нарушается.
Порождаемые этим трудности вычислений коэффициентов а0 и а, устраняются,
<<< ли ввести новую переменную
U = X - X. (6.14)
I I ср'
343
_ _Lv
где Xc p — 2-i •
*'h
Z - номер наблюдений; Лн - количество наблюдений.
Тогда аппроксимация опытных данных остается по-прежнему линейной в виде
Y = а'о +
но для оценок коэффициентов применимы следующие формулы:
а> _ 1 у у а -
где суммирование ведется по всем значениям от Z’ = 1 до i = Г?н.
Вместе с тем подстановка (6.14) в (6.15) дает
Y = ао + ai(* - *ср) = а'о - а,хср + а.х
Из сравнения этого выражения с формулами (6.12) и (6.13) ясно, что
а0 = а'о -а1хср = 1дД ;
а, =В.
(6.15)
(6.16)
(6.17)
(6.18)
Для наглядного представления о порядке расчета постоянных А и В выбранной
зависимости (6.11) в табл. 6.3. сведены последовательные вычисления, предусмот-
ренные формулами (6.12) — (6.18), используя результаты наблюдения за коррози-
онными испытаниями автомобиля ЗИЛ-130. На рис. 6.8 показаны опытные данные
в виде отдельных точек и проведенная их аппроксимация — сплошной линией.
Рис. 6.8. Опытные показатели углубления коррозионной каверны на кабине автомобиля ЗИЛ-130
в зависимости от количества циклов форсированного воздействия и аппроксимация процесса.
В последних трех графах табл. 6.3 даны значения глубины коррозии, вычислен-
ные по принятой зависимости (6.11) после определения постоянных А и В, и их
отклонения от фактически зарегистрированных, а также значения квадратов этих
отклонений. По ним даются оценки дисперсии и среднеквадратического отклоне-
ния опытных данных от наиболее вероятной теоретической их аппроксимации.
344
Номера наблюдений / Количество циклов N Глубина коррозии Нф,, мкм х,=1д н, Г=|д нф1 U==X-Xcp y,u, ц2 Чыг Ан=Ч-Нн Д2
1 10 75 1 1,8751 -0,3451 -0,6471 0,1191 76,7 + 1.7 2,81
2 20 110 1,3010 2,0414 -0,0440 -0,0898 0,0019 106,9 -3,1 9,34
3 30 130 1,4771 2,1139 +0,1321 0,2792 0,0175 129,9 -0,1 0,01
4 40 145 1,6021 2.1614 +0,2571 0,5557 0,0661 149,2 +4,2 17,3
Суммы — 5,3802 8 1918 — 0,0980 0,2045 — — 29,49
Хг =4- 5,3802 = 1,3451; a'n =1 8,1918 = 2,0479;
41 V 41
а
= 0,0980
0,2045
= 0.4792;
1дД = 2.0479 - 0,4792 1,3451 = 1,4033;
В = 0 48;
А = 25,39;
D„ = = 9,83 мкм2;
СГН = 3,14 мкм.
345
Как показывает расчет, среднеквадратическое значение отклонения опытных дан-
ных от их теоретического описания зависимостью (6.11) составляет малую величи-
ну - всего около 3 мкм.
Обработка результатов эксперимента по остальным моделям автомобилей, при-
веденных в табл. 6.2, дает оценки искомых постоянных с такими же малыми откло-
нениями. Это можно отчетливо видеть на рис. 6.9, где опытные точки и аппрокси-
мирующие зависимости построены в логарифмических координатах.
Рис. 6.9. Обобщенные результаты измерений углубления коррозии при форсированных испытаниях.
В табл. 6.4 сведены результаты расчетов численных оценок постоянных А и В
для описания развития коррозии в глубину при форсированных ездовоцикловых
коррозионных испытаниях всех наблюдавшихся автомобилей.
Таблица 6.4
Испытанные автомобили Расчетные значения постоянных Среднеквадратическое отклонение опытных наблюдений от теоретических значений, мкм
А В
ЗИЛ-130 25,39 0,48 3,13
ВАЗ-2105 12,62 0,59 3,82
ВАЗ-2121 17,76 0,61 9,02
ПАЗ-672 21,34 0,53 8,32
ВАЗ-2103 9,98 0,66 4,39
ВАЗ-2108 2,38 1,03 4,98
ЗИЛ-4331 10,03 0,72 6,70
ГАЗ-3102 8,52 0,84 3,44
По графику рис. 6.9 и по табл. 6.4 можно заключить, что углубление корозии
при увеличении количества циклов форсированных испытаний всех автомобилей
происходит по одному и тому же закону (6.11), но закон этот реализуется на ка-
346
ждой модели случайным образом в относительно узкой полосе разброса. Слу-
чайные отклонения от общей закономерности нарастания коррозии в ездовоцик-
ловых испытаниях отдельных моделей могут возникать вследствие множества
уже упоминавшихся причин. Но, учитывая, что опытные наблюдения проведены
для однородных объектов (по корродирующему материалу, способам противо-
коррозионной защиты, режимам нагружения и т.п.), совокупность полученных
данных представляется как репрезентативная выборка случайных реализаций
процесса коррозионного поражения. Такая трактовка результатов эксперимен-
тальных исследований позволяет обоснованно описать общую закономерность
углубления коррозии на любом автомобиле, схожем с испытанными конструк-
циями, в вероятностном аспекте, используя зависимость (6.11), осредненную по
всем опытным данным, и оценку ее доверительности.
Необходимое осреднение возможно различными способами
Во-первых, можно считать случайность протекания функции как резуль-
тат случайных отклонений величин А и В от некоторого среднего значения. Тогда
математическое ожидание функции (6.11) определится через математические ожи-
дания случайных величин А и В, как случайных аргументов. Математическое ожи-
дание А и В подсчитывается как среднее арифметическое величин, приведенных в
габл. 6.4, после чего подсчитывается дисперсия их случайных отклонений. Затем с
помощью частных производных от (6.11) по А и В, как независимым переменным,
выражается дисперсия H&(N) согласно правилам оценки числовых характеристик
функций случайных величин, в качестве которых в данном случае рассматриваются
показатели А и В. По математическому ожиданию и дисперсии функций H^(N)
' троятся ее доверительные границы
Во-вторых, можно считать наблюдаемые значения глубины коррозионного пора-
жения на каждом фиксированном уровне количества циклов испытаний как откло-
нения от соответствующего среднего. Тогда подсчет математического ожидания и
дисперсии на каждом уровне испытаний дает опорные точки для интерполяционно-
ю построения искомой функции и ее доверительных границ.
Аналитическое описание и экстраполяция как самой функции H^N), так и ее
доверительных границ может выполняться вновь способом наименьших квадратов.
В-третьих, можно рассматривать всю совокупность опытных данных, приведен-
ных в табл. 6.2, как случайную последовательность пар значений координат точек
на поле Нф- N и оценивать наиболее вероятное описание их функцией вида (6.11)
способом наименьших квадратов
Первый и второй способы осреднения опытных данных неудобны тем. что ставят
дисперсию величин А и В в зависимость от фиксируемой длительности испытаний
(количества циклов N). Хотя эта зависимость и оказывается слабой, но формально
татрудняет оценку доверительных интервалов искомой функции H^(N) Гретии
। нособ дает среднюю оценку дисперсии отклонений опытных данных от искомой
теоретической зависимости, наиболее вероятные значения постоянных А и В в
принятом ее выражении и обладает наглядностью во всем диапазоне проведенного
тксперимента. Отдавая ему предпочтение, и строится теоретичет кое обобщение
проведенных экспериментов.
347
В результате осреднения общая наиболее вероятная зависимость глубины кор-
розии элементов конструкции автомобиля от числа циклов форсированных испыта-
ний, проводимых по разработанной методике, выражается в виде
Нф(Л/) = 11,2Л/°'7, (6.19)
причем дисперсия отклонений оцениваемой функции определилась как
D = 536 мкм2.
н
Доверительный интервал значений этой функции, соответствующий выбираемой
доверительной вероятности, определяется исходя из предположения о нормальном
распределении наблюдаемых опытных значений Н&. Основанием такого предполо-
жения служит упомянутое выше множество факторов, влияющих на глубину корро-
зии в каждом фиксированном случае. Поэтому даже если эффекты воздействия ка-
ждого фактора распределяются по законам, отличным от нормального, то их сум-
мы, как известно, в силу предельной теоремы будут распределены по закону, при-
ближающемуся к нормальному.
Тогда доверительный интервал функции Hg (w) на каждом фиксированном уров-
не аргумента N определяется как доверительный интервал оценки ее математиче-
ского ожидания в данном случае по П = 8 случайным наблюдениям и полученной
общей дисперсии их отклонений.
Пользуясь критерием Стъюдента, этот интервал подсчитывается в виде
О
<6-20>
где индекс Д устанавливает доверительную вероятность подсчитываемого ин-
тервала значений обобщенной функции Нф(Л/), a tp определяется по таблицам
плотности распределения Стъюдента для выбранного значения Д и п-1 степеней
свободы.
При полученном из опытных данных значении DH, доверительной вероятности
Д = 0,99 и семи степенях свободы будет tp = 3,5. Соответствующий выбранной
вероятности доверительный интервал в большую и меньшую стороны от обоб-
щенной функции получает следующую численную оценку:
ГсГ /536
е = ± fp I—— = ± 3,5 I----= 29 мкм (6.21)
V п V 8
Откладывая этот интервал от математического ожидания функции
при фиксированных значениях количества циклов N и соединяя полученные
точки плавными кривыми, строится полоса доверительных значений с приня-
той вероятностью
Для наглядного представления произведенного статистически-вероятностного
обобщения материалов экспериментальных исследований на графике рис. 6.10 на-
несены в натуральной размерности все опытные точки табл. 6.2, осредняющая их
348
функция (6 19) и доверительная полоса ее значений соответствующая 99 % веро-
ятности.
Опытные значения по автомобилям:
О - ЗИЛ-130; Э - ВАЗ-2103;
+ - ПАЗ ~672; V - ГАЗ -J102;
Л - ЗИЛ-mt; А - ВАЗ-2121;
□ - ВАЗ -2105; Q - ВАЗ~2108
Рис. 6.10. Статистическо-вероятностное обобщение экспериментальных данных о глубине кор-
розионного повреждения элементов конструкции в зависимости от количества циклов форсиро-
ванных воздействий с использованием коррозионной камеры и нормированного пробега:
1 аппроксимация математического ожидания функции H^(N)', 2 границы интервалов ее
19 %-ной доверительной вероятности.
На этом графике видно, что действительно почти все опытные точки охватыва-
ются полосой значений функции имеющей ширину подсчитанного довери-
тельного интервала.
Как известно, для вероятностных оценок технических величин согласно стандар-
ту рекомендуются 95- и 50 %-ные доверительные интервалы. При соотгтетс гвующих
пому вероятностях полоса доверительных значений обобщенной функции сужает-
< я. соответственно приблизительно в 1,5 и 5 раз.
Проведенное обобщение экспериментальных исследовании дат* г возможность
окончательно решить поставленную технологическую задачу рассчитать необхо-
349
димое количество циклов форсированного коррозионного воздействия при плани-
ровании ресурсных полигонных испытаний. После подстановки обобщенной функ-
ции углубления коррозии от числа циклов форсированных испытаний (6.19) в урав-
нение эквивалентности ее атмосферной коррозии при эксплуатационных и поли-
гонных условиях (6.10) получается
11,2Л/°’7 - v N - (v Т 365 - Vn) = o (6.22)
Это уравнение удобнее записать в виде
11,2 Л/0 7 - K,N - Ко = 0, (6 23)
где =—vn; Ко = V3Ta- 365 v Т п п (6.24)
Просто, наглядно и достаточно точно отыскивается его решение графическим
способом как абсцисса точки пересечения функций
F,(N) =11,2 Л/07 и F2(N} = K,N + Ко, (6.25)
где Fa(N) - распространяется на любой объем испытаний как обобщенная в
статистическом аспекте опытная зависимость, a F2(N) при заданных условиях
представляется прямой с постоянным углом наклона 0 = arctg К,.
Для иллюстрации этого способа на рис. 6.11 в удобном масштабе построена
обобщенная функция Hq(N) = F1(N) и полоса значений ее для 95%-ной довери-
тельной вероятности. Полагая для примера, что планируемый на испытания авто-
мобиль предназначен для эксплуатации в условиях Московской области, где рас-
положен Центральный автополигон, и скорость распространения коррозии
1'э = i'n = 31 мкм-год срок службы до списания (ресурс) — 10 лет, время одного
цикла форсированных коррозионных воздействий 7"ц = 1 сутки и продолжитель-
ность ресурсных полигонных испытаний 7"п = 3 года, подсчитаны по формулам
(6.24) коэффициенты KQ = 217, = 0,085 и построена прямая F2(N) на том же
графике (линия 3). Проекция точки пересечения F^(N) и F2(N) на ось абсцисс
графика дает математическое ожидание искомого количества циклов форсирован-
ных коррозионных испытаний N а проекции точек пересечены этой же прямой с
границами полосы выбранной доверительной вероятности и дают интервал
N'^ — N'. В рассматриваемом случае объем необходимых форсированных испыта-
ний составляет = 72 цикла; при этом с вероятностью 95 % возможная ошибка
такого назначения не выходит за пределы значений Л/' = 63... Л/'= 81 цикла.
На графике рис. 6.11 показано решение и для другого примера, когда автомо-
биль предназначен для эксплуатации в условиях, где скорость коррозии более чем
в 2 раза превышает ее значение в условиях полигона - = 70 мкм-год ’, срок
350
службы Тэ = 5 лет, а ресурсные испытания продолжаются 1,3 года (форсирован-
ные полигонные испытания). Тогда по (6.24) коэффициент сохраняется неиз-
менным, а Ко = 70-5 - 31-1,3 = 310 и соответствующая им F?(N} представлена
прямой 4. Аналогично рассмотренному выше по пересечениям этой прямой с
F](A/) и границами ее доверительной полосы получены искомое значение количе-
ства циклов форсированных коррозионных воздействий N? = 100 и интервал 95 %-
ной доверительности этого назначения N2 =110... N2 = 130 циклов.
Рис. 6.11. График технологического расчета коррозионных ездовоцикловых воздействий при
форсированных ресурсных испытаниях:
1 обобщенная функция углубления коррозии; 2 - границы 95 %-ной доверительной вероятно-
1и обобщенной функции; 3. 4 - 0(N) для выбранных числовых примеров (см. по тексту).
Характерно что во всех случаях в силу стабильности оценки скорости v(]=const
н условиях расположения Центрального автополигона по карте атмосферной кор-
розии и продолжительности цикла форсированного воздействия с использованием
коррозионной камеры согласно отработанной методике 7"ц=const, прямые F2(N}
(>удут иметь постоянный угол наклона &. Для разных остальных предпосылок (Vg,
Т , Т ) эти прямые будут отличаться высотой размещения согласно расчетному
351
значению К^. Из этого видно, что используемый способ позволяет построить рабо-
чую номограмму технологического расчета объема ездовоцикловых коррозионных
воздействий на автомобиль при подготовке и планировании полигонных ресурсных
испытаний автомобилей.
В заключение следует отметить, что применение проведенного исследования и
его теоретического обобщения не ограничивается получением решения поставлен-
ной задачи по технологии коррозионных испытаний на автополигоне. При некото-
ром видоизменении порядка расчетов можно получить оценки ожидаемого пораже-
ния по глубине каверн за определенное время испытаний, за время эксплуатации в
разных условиях атмосферной коррозии, оценку прогнозируемого срока службы в
вероятностном аспекте.
Практическое применение разработанных методов и технологических расчетов
коррозионных испытаний отражено в нормативно-технической документации на по-
лигонные испытания автомобильной техники и используется при их планировании.
6.3. Запыленность воздуха
и форсирование абразивного
изнашивания
Абразивные частицы попадают к тру-
щимся соединениям в автомобиле вместе с воздухом, маслом и топливом. При
этом наибольшее количество абразива в виде частиц пыли поступает в двигатель с
воздухом, что объясняется его большим по сравнению с топливом и маслом расхо-
дом. Запыленность воздуха также одна из основных причин загрязнения топлива и
масла. Во многих исследованиях показано, что среди различных видов изнашива-
ния превалирующее значение для автомобильных конструкций имеет абразивное,
причем абразивная составляющая в общем эксплуатационном износе, например,
деталей двигателей для условий средней полосы России достигает 80 %. Следова-
тельно, для обеспечения соответствия результатов полигонных испытаний и экс-
плуатации необходимо в технологическом процессе на автополигоне обеспечить
стабильное и обоснованно нормированное воздействие на автомобили и их двига-
тели фактора абразивного изнашивания.
Для этих целей, как показано в гл. 2, предусмотрены в составе Центрального
автополигона специальные испытательные дороги III группы. Чтобы оценить, в ка-
кой мере удалось с их помощью решить задачу обеспечения адекватности условий
эксплуатации и испытаний по фактору абразивного изнашивания, проведены ис-
следования запыленности дорог полигона с помощью специально отработанного
комплекта измерительной аппаратуры на шасси автомобиля. Функциональная схе-
ма измерительного комплекса показана на рис. 6.12.
В него включены следующие основные устройства и приборы.
Пробоотборники 1 устанавливаются с помощью специальных кронштейнов и мо-
гут быть размещены в любой точке вокруг автомобиля. Аллонжи 2 - серийно изго-
тавливаемые фильтродержатели типа ИРА-20. Абсолютные фильтры 3 - аналитиче-
ские аэрозольные фильтры типа АФА-ВП-20, изготовленные из материала ФПП-15-
1,5, представляющего собой переплетение перхлорвиниловых волокон с эффектив-
ным диаметром 1,5 мк. Аспирационное устройство 4 - микронагнетатель МР2-4Г,
имеющий объемную производительность 20 л/мин, приводной электродвигатель 5
с напряжением питания 26 В, оборудованный встроенным ротаметром для контро-
352
ля расхода воздуха. Соединительные трубопроводы 6 пластмассовые прозрачные
трубки с внутренним диаметром 8 мм Источник питания 11 - батарея из трех ни-
келево-кадмиевых щелочных аккумуляторов 5-НК-125.
Гис 6.12. Функциональная схема измерительного комплекса запыленности воздуха:
I пробоотборники, 2 - аллонжи; 3 - абсолютные фильтры; 4 - аспирационные устройства;
электродвигатели приводные; 6 - соединительные воздуховодные трубки; 7 - регулятор на-
пряжения питания; 8 - соединительные электропровода; 9 - выключатель; 10 - предохранитель;
11 - источник питания.
По известным метрологическим рекомендациям в технической литературе и
опыту работы с фильтрами типа АФА составлена методика определения запылен-
ности воздуха весовым методом.
Запыленность воздуха (р в мг/м3 определяется по формуле
з AG л AG
ф = 10---------- 6 10 ------ , (6.26)
VB ot
। де AG - приращение веса абсолютного фильтра, мг; Ув - общее количество
воздуха, прошедшего через фильтр при пробоотборе, л; Q - скорость пробоотбо-
p.i л/мин; t - время пробоотбора, с.
Для исследования запыленности воздуха в пробеге на базе автомобиля УАЗ-452
использованием описанной аппаратуры оборудована передвижная лаборатория
Изокинетичность пробоотбора обеспечивалась выбором скорости движения ав
гомооиля-лаборатории (40...60 км/ч), при которой соблюдается приблизительное
р HieiiCTBO скоростей набегающего воздушного потока и потока воздуха на входе в
пробоотборник Скорость набегающего воздушного потока зависит от скорости ав-
томобиля, скорости и направления ветра. При проведении экспериментов скорость
набегающего потока воздуха определяется с помощью чашечных и крыльчатых ане-
мометров типов МС-12, АСО-3 и АРИ-49, устанавливаемых в зоне пробоотбора.
353
Скорость потока воздуха на входе в пробоотборник рассчитывается исходя из гео-
метрических размеров пробоотборника и постоянной скорости пробоотбора, рав-
ной 20 л/мин.
Запыленность воздуха определяется одновременно в шести точках вокруг автомо-
биля-лаборатории Замеры проведены на скоростной, грунтовой, булыжной дорогах и
на специальном маршруте городских перевозок Центрального автополигона.
Для проведения экспериментов выбирались солнечные дни, без существенных
осадков в предыдущие две недели. При этом дорожное полотно и обочины были
сухими. Однако на дорогах с покрытием появление пыли визуально обнаружива-
лось лишь на отдельных участках булыжной мостовой. На грунтовой дороге запы-
ленность была такова, что после прохождения автомобиля видимость уменьшалась
до 20.30 м.
Во время проведения замеров одновременно с автомобилем-лабораторией
проводились испытания на скоростной дороге - 8...10 автомобилей, на грунто-
вой и булыжной - 6...8 автомобилей, на маршруте городского движения - 4. .6
автомобилей.
Замеры проводились как при движении одиночного автомобиля-лаборатории,
так и в колонне (при движении за грузовым автомобилем). Во втором случае дис-
танция между автомобилями при движении по булыжной дороге составляла 50...70
м, по грунтовой - 50. .200 м (в зависимости от условий видимости).
Результаты определения запыленности воздуха представлены в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Условия движения Испытательная дорога (маршрут) Запыленность воздуха, мг/м3
средняя максимальная
Одиночный Скоростная 0,48 0,51
автомобиль Имитация городского движения 0,71 1.5
Булыжная 1,03 2,9
Грунтовая 21,8 54,7
Движение Булыжная 4,5 7,9
в колонне Грунтовая 405 735
Наибольшая запыленность воздуха образуется при испытаниях на грунтовой
дороге, где ее величина на один — два порядка (а для случая движения в колон-
не - до трех порядков) превышает запыленность на дорогах с твердым покрыти-
ем. Максимальная запыленность, зарегистрированная при движении в колонне,
составила около 735 мг/м3. При движении одиночного автомобиля она намного
ниже - 55 мг/м3.
На движущемся по грунтовой дороге автомобиле-лаборатории измерено также
распределение запыленности в разных местах продольного и поперечного силу-
этов. Результаты показаны в табл. 6.6.
Минимальная запыленность воздуха, всего около 0,5 мг/м3 - на скоростной
дороге. На маршруте городского движения запыленность воздуха несколько вы-
ше - до 0,7 мг/м что объясняется устройством обочин без твердого и расти-
354
льного покрытия, где скапливается пыль, поднимаемая проходящими автомо-
ипями На булыжной дороге, где пыль может накапливаться непосредственно
проезжей части (в щелях - между камнями покрытия), запыленность еще вы-
UK ОКОЛО 1 мг/м
I ii шина 6 6
Место замера Средняя запыленность воздуха
, 3 мг/м %
У лобового стекла 8.9 16
У воздухозаборника воздухоочистителя 8,3 15
У редуктора переднего моста 22,0 40
У коробки передач 16,2 30
У карданного вала заднего моста 20,9 38
У редуктора заднего моста 54,7 100
целью сравнительной оценки запыленности при полигонных испытаниях и в
различных условиях эксплуатации собрана и обобщена разрозненная информация
ыбл 6 7). Установлено, что в наиболее распространенных условиях эксплуатации
нюмобипей запыленность воздуха изменяется в весьма широких пределах, от 1
1000 мг/м Такой разброс данных показывает, что в различных условиях экс-
плуатации запыленность воздуха зависит от многих факторов и обстоятельств: ти-
п дороги, наличия, вида и состояния покрытия как проезжей части, так и обочин,
корости движения и типа транспортного средства, метеорологических условий,
высоты над уровнем моря, дистанции между автомобилями в транспортном потоке,
лракгера выполняемых перевозок
Данные табл 6.5 и 6.7 показывают, что при движении одиночного автомобиля
п । дорогам с твердым покрытием запыленность воздуха при полигонных испытани-
|х в 1.5 .2 раза меньше, чем при эксплуатации в условиях магистрального движе-
ния Лишь на булыжной дороге Центрального автополигона величина запыленности
приближается к условиям, соответствующим автомагистралям, но в 2...3 раза ни-
ти чем при эксплуатации на мощеных улицах.
Запыленность воздуха на грунтовой дороге Центрального автополигона при дви-
♦ < нии одиночного автомобиля соответствует эксплуатации на неполностью просох-
ших грунтовых дорогах. Это объясняется расположением Центрального авгополи-
иа в лесном массиве, что препятствует полному просыханию грунтовой дороги
Запыленность воздуха в пылевом облаке за автомобилем значительно выше,
н'м вокруг него (см табл. 6.6). Поэтому при движении в колонне запыленность
увеличивается (для условий полигона в среднем в 15.. 20 раз, а для условии экс-
плуатации - в 5. .10 раз), и ее величина при полигонных испытаниях выше, чем в
ж ллуатации. Возрастание запыленности в этом случае объясняется тем, чю лес,
вплотную примыкающий к обочинам, препятствует рассеиванию пыли ветром и ее
>блако длительное время сохраняется в коридоре движения
Специальные замеры, выполненные на испытательных дороых в тх.евнт зимний
Период, показали, что запыленность не превышает 0,1 мг/м
355
Таблица 6 7
Дорожные условия эксплуатации Запыленность воздуха, мг/м3
Асфальтобетонное покрытие: междугородная автомагистраль городская улица загородное шоссе 1...2 3. 10 4 .10
Булыжная дорога 2...3
Грунтовая дорога: влажная, тяжелая влажная укатанная сухая 1...2 15. 100 100 .450
Карьер, стройка на трассе самосвалов при погрузке экскаватором 10..52 500... 1000
Движение в колонне по дороге: с асфальтобетонным покрытием грунтовой сухой 5 20 400.. 600
Исходя из изложенного, следует, что хотя на Центральном автополигоне но-
менклатура и протяженность дорог III группы существенно выше чем, например, на
полигоне фирмы "Фольксваген" с их помощью решать задачу интенсификации ус-
ловий испытаний относительно эксплуатации по фактору абразивного изнашивания
можно лишь частично, а обеспечить форсирование испытаний возможно лишь в
сооружениях с искусственной пылевой средой - пылевой камере. Ее устройство
показано в гл 2
Разработка проекта пылевой камеры осуществлялась исходя из того, что опти-
мальными являются такие условия испытаний в искусственной пылевой среде, ко-
торые позволяют максимально сократить сроки при сохранении механизма и физи-
ческих признаков повреждений аналогичными эксплуатационным. При этом усло-
вия испытаний в первом приближении определяются так же, как и при разработке
технологии коррозионного воздействия. - длительностью испытаний, параметрами
и характеристиками искусственной агрессивной среды в данном случае дисперс-
ными и минералогическими характеристиками пыли скоростью воздушно-пылево-
го потока и величиной запыленности воздуха.
Дисперсные характеристики пыли. Наиболее полной характеристикой дисперс-
ного состава пыли является ее удельная поверхность. Как показывают проведен-
ные ранее исследования, а также анализ опубликованных данных, для дорожных
пылей средней полосы России характерен дисперсный состав с удельной поверх-
ностью 2000...3000 см /г. Удельная поверхность пыли в зоне заборника воздухо-
очистителя выше и в среднем составляет 5000. 6000 смг/г. По этим наблюдениям
пыль с удельной поверхностью 5600 см /г принята в качестве стандартной при
стендовых испытаниях воздухоочистителей и ускоренных износных испытаниях дви-
гателей с искусственным вводом пыли. Для сопоставимости с указанными испыта-
ниями величина удельной поверхности пыли при испытаниях в пылевой камере
принята также равной 5600 см /г.
356
Минералогические характеристики пыли. Абразивные свойства пылей зависят
содержания в них частиц кварца. Процентное содержание кварца в дорожных
пылях, как показали специальные исследования и анализ опубликованных материа-
лов может изменяться на разного типа почвах от 40 до 98 %. Пыли, характерные
для дорог Центрального автополигона, содержат 70 — 86 % кварца. Для испытаний
в искусственной пылевой среде принято использовать пыль, содержащую не менее
ЯО - 85 % кварцевых частиц.
Скорость воздушно-пылевого потока Режимометрическими исследованиями,
опытом эксплуатации и испытаний показано, что средняя скорость движения по
дорогам без покрытия, где возникает наибольшая запыленность воздуха, для раз-
ных типов автомобилей составляет 25.45 км/ч. Исходя из этого, скорость воздуш-
ип-пылевого потока в пылевой камере принята равной 10 м/с, что примерно соот-
пе|ствует середине указанного интервала. Принятая скорость обеспечивает также
но аможность проведения испытаний автомобилей на сохраняемость при динамиче-
ком воздействии пыли, устанавливаемых ГОСТ 24813 81.
Для форсирования абразивного воздействия при испытаниях в пылевой камере
> утесгвенное значение имеет также выбор скоростного режима работы автомоби-
ля па стенде с беговыми роликами. Для выбранной схемы испытательной установ-
ки (см. рис. 2.26), в которой используется роликовый стенд, возможно установить
режим работы двигателя на максимальной частоте вращения коленчатого вала. Од-
нако, как показывает опыт испытаний на стендах подобного типа, установленных в
крытых помещениях по условиям регламентированного теплового состояния
двигателей длительные испытания предпочтительнее проводить на режимах, близ-
ких к середине диапазонов изменения частоты вращения коленчатого вала. Это
примерно соответствует 30 % расхода воздуха от максимального для карбюратор-
ных и 50 % расхода воздуха для дизельных двигателей. Такие режимы рекомендо-
",|ны для испытаний в пылевой камере.
При этом должна выбираться такая передача в коробке передач, при которой
корпеть имитации движения была бы наиболее приближена к выбранной скорости
во щущно-пылевого потока (36 км/ч).
Запыленность воздуха. Как показано выше, запыленность воздуха при движении
.ииомобиля может достигать 1 t/mj. Эта величина и выбрана для форсированных
и< иыганий в искусственной пылевой среде <рпк. Большее значение ее не характер-
но для эксплуатации, а автомобили общетранспортного назначения, их двигатели и
по щухоочистители по соответствующим ТУ не предназначены для работы в усло-
виях с запыленностью более 1 г/м . Кроме того, установление величины запылен-
з
но< in воздуха равной 1 г/м позволяет сопоставлять результаты испытании анто-
мопилей в искусственной пылевой среде и с результатами стендовых испытаний
но щухоочистителей по ГОСТ 8002-74, при которых указанная величина запыленно-
1И получила наиболее широкое распространение.
Продолжительность испытаний. Эквивалентность абразивного изнашивания ав-
омобильных конструкций при испытаниях с использованием искусственной пыле-
п >и среды и
жд.к-мостью
‘Л = 1’л
в заданных условиях эксплуатации по аналогии с коррозионной повре-
можно выразить соотношением типа (6.10) в виде
т ' .
Гп-^—
365 J
357
Здесь значения времени эксплуатации и полигонных испытаний Т, Тц для ос-
новных типов автомобилей принимаются так же, как и при расчете длительности
коррозионных воздействий, например, из табл. 6.1, а значком сверху обозначены
величины, относящиеся к абразивному повреждению.
Если включение испытаний в пылевой камере производится на протяжении ис-
пытательного пробега циклически, то при наличии опытных данных аналогия рас-
пространяется и на оценку функции накопления абразивного воздействия в виде
Нф(А/). Что касается скоростей нефорсированного абразивного изнашивания и
1>п, то в отличие от нормированных специальными картами скоростей атмосферной
коррозии, определение их требует длительных, статистически представительных
измерений в эксплуатации и при ресурсных полигонных испытаниях.
К сожалению, реализовать такой подход к планированию форсированного абра-
зивного изнашивания пока не представляется возможным из-за недостаточности
сведений как по наблюдениям в эксплуатации, так и по применению искусственной
пылевой среды.
Приведенные выше результаты опытных наблюдений запыленности при испыта-
ниях на Центральном автополигоне являются лишь установочными, позволившими
в первом приближении составить представление о характеристике элемента “сре-
да" по абразивному воздействию при функционировании системы ВАДС в пробего-
вых испытаниях. Вместе с тем эти исследования послужили основой выбора техно-
логических условий для разработки режима форсированного воздействия на авто-
мобиль в пылевой камере.
Нормирование же этого режима при выбранных условиях состоит в назначении
определенного времени стационарного воздействия на автомобиль в работающей
пылевой камере.
Для первоначального назначения такого норматива, подлежащего последующим
уточнениям по мере накопления недостающих данных, используется имеющаяся
ограниченная информация и следующие положения.
1. Считается, что наиболее уязвимым от абразивного изнашивания при работе
автомобиля в запыленной среде является двигатель. Интенсивность или скорость
абразивного повреждения его определяется износом цилиндров по протяженности
совершаемого пробега. Нормативно-технической документацией на различные мо-
дели двигателей устанавливаются предельный износ гильз цилиндров Ипр и соот-
ветствующий пробег в первой категории условий эксплуатации S .
2. Условия испытаний по абразивному воздействию считаются соответствующи-
ми эксплуатации, если за нормированный на автополигоне ресурсный пробег аб-
разивный износ двигателя достигнет установленного НТД предела. При этом раз-
личаются нормированные ресурсные пробеги на автополигоне при нормальных и
форсированных испытаниях L* и соответственно. В зависимости от программы
испытаний (разбивки ресурсного пробега по типам дорог) коэффициент приведе-
ния полигонного испытательного пробега к I категории условий эксплуатации мож-
но каждый раз подсчитать, пользуясь формулами гл. 5 и правилами Положения
[42]. Для типовой разбивки пробега используются установившиеся за длительный
358
период средние значения этих коэффициентов приведения пробега для разных ти-
пов автомобилей (легковых и грузовых) и разных испытании (нормальных и форси-
рованных), обозначаемые Клн. ^гн, ^Лф, ^Гф’ с°ответственно-
3 Установленные выше характеристики среды в пылевой камере используются
для форсированного абразивного воздействия при строгом поддержании регла-
ментированного режима работы двигателя автомобиля, установленного на беговом
। к'нде. При этом по конструктивным характеристикам и режиму работы двигателя
определяется точно расход запыленного в камере воздуха с принятой концентра-
цией и качеством пыли.
Решение задачи нормирования времени форсированного воздействия в пыле-
вой камере основывается на очевидных выражениях необходимого добавления аб-
р,|. ивного износа к полученному в ресурсном пробеге* :
при нормальных испытаниях
И =И -И—
н пр н ’
*'н
при форсированных испытаниях (6.27)
L
Ф пр ф „
кф
Здесь дополнительно к расшифрованным выше обозначениям вводятся показа-
. ли удельной изнашиваемости или скорости нарастания абразивного износа в
мкм на 1 тыс км пробега при полигонных испытаниях Ии и И^. Накопленные ре-
угп.гаты многих ресурсных испытаний, завершающихся, как правило, микромет-
р.1жпыми работами и оценками износа, дают вполне устойчивые средние значения
.1их величин, приведенные ниже для различных двигателей.
Использование их численных значений в формулах (6.27) дает средние расчет-
ные оценки необходимого к полученному в пробеге дополнения абразивного изно-
< .1 и пылевой камере.
Для получения его в условиях форсированного абразивного воздействия необ-
ходимо знать реакцию цилиндропоршневой группы данного двигателя на ввод аб-
1><11ива данного (принятого выше) минералогического и дисперсного состава.
Имеются математические модели абразивного износа цилиндропоршневой группы
дни) ‘теля, из которых наиболее подходящей является предложенная НАМИ в виде
И = Ково1. (6.28)
г Де GQ - количество абразива, поступающего в воздухоочиститель; Ко - коэффи-
ц| иг, определяющий реакцию материалов цилиндропоршневой группы на попада-
ние к трущимся поверхностям абразива с разными минералогическими характерн-
ей» гми при различных режимах работы двигателя; / - относительный износ
(ги мерная величина), определяющийся размерами частиц абразива, ко ффициен-
|ом очистки воздуха фильтром, толщиной масляной пленки между трущимися по-
верхностями; предложена расчетная формула для определения этого показателя.
|дгч ь и далее индексы "н” и "ф” означают отнесение соответствующей величины к планируе-
> хм нормальным или форсированным пробеговым полигонным испытаниям
359
В специально проведенных опытных исследованиях с дозированным вводом в
цилиндры различных двигателей абразива вместе с засасываемым воздухом без
предварительной очистки определены численные значения коэффициента К®. Об-
наружена заметная устойчивость его (с малым разбросом) для отдельных групп
двигателей со следующими средними значениями ( в мкм-г '):
Двигатели бензиновые:
легковых автомобилей 0,85
грузовых автомобилей .................................. 0,45
Двигатели дизельные .... ................. 1,08
Для оценки относительного износа / исследовалась расчетная формула вы-
бранной математической модели применительно к характеристикам, установлен-
ным для пылевой камеры, данным о коэффициентах очистки воздушных фильтров
рассматриваемых двигателей с учетом положений стандарта на методы их испыта-
ний.
Не останавливаясь на подробностях этих исследований, выполненных совместно
с А.С.Кузиным, ограничимся лишь численными результатами оценки коэффициен-
тов / , приведенными в табл. 6.8.
При определенных таким образом коэффициентах, согласно формуле (6.28),
рассчитывается необходимое весовое количество абразива, засасываемого в дви-
гатель, для получения заданного износа. Если на место заданного абразивного из-
носа в формулу (6.28) подставить величину, определенную выражением (6.27), как
компенсацию недостаточного абразивного изнашивания за нормированный по дру-
гим показателям ресурсный пробег на автополигоне, то получается весовое коли-
чество абразива для ввода в двигатель при испытаниях в пылевой камере:
(6.29)
Для данного двигателя по конструктивным характеристикам на установленном ре-
жиме работы в пылевой камере легко рассчитывается часовой расход воздуха
Ов м3-ч '. а при установленной весовой концентрации пыли (запыленности) <рп гм3
и часовое поступление вместе с засасываемым воздухом Gn = Овфп кг-ч ’.
Тогда общее необходимое время испытаний в пылевой камере при установлен-
ном стационарном режиме работы определяется в виде:
360
361
наимено ванне показателя Обозначение размерность Модель двигателя
МеМЗ- 968 ВАЗ- 2101 1 ВАЗ- 2121 М-412 ЗМЗ-24 ГАЗ-52 3M3-53 ЗИЛ-130 ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 КамАЗ- 740
Предельный износ цилиндров Ипр, мкм 100 150 150 150 300 375 300 350 350 350
Объявленный ресурс двигателя L, тыс км 125 125 100 140 200 175 200 200 300 300
Интенсивность изнашивания цилиндров Ин, мкм/1000 км 0,24 — — 0,25 0,32 0 88 0,30 0,88 0,77 0,77
Иф, мкм/1000 км — 1,54 1,58 1,07 0,76 1 83 0,49 — 1.75 0 78
Коэффициент приведения испытательного пробега к условиям первой категории эксплуатации * •е х 1,08 2,86 1,15 5,0
Расчетные коэффициенты Ко мкм/г 0.85 0,45 1.08
J 0 158 0 044 0,158 0 044
362
Продолжение
Наименование показателя Обозначение, размерность Модель двигателя
МеМЗ- 968 ВАЗ- 21011 ВАЗ- 2121 М-412 ЗМЗ-24 ГАЗ-52 3M3-53 ЗИЛ-130 ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 КамАЗ- 740
Необходимое количество пыли на всасывании для требуемого (GO)H, г 538,6 — — 2610 1796 663 3492 4034 3531 3174
износа (Со)ф, г 2237 2561 3181 1833 2321 3951 4372 6454
Расход воздуха двигателем при испытаниях в пылевой среде камеры на установлен- ном режиме испытаний QB, М3/ч 39,0 49,5 53,4 66,0 81,0 61,8 101 149 338 365
Суммарная продолжи- тельность испытаний в пылевой камере за ресурсный Тн,ч 13,8 — — 39 5 22,2 10.7 34.6 27.1 10.5 8.7
пробег Тф.Ч — 45,2 48 48.2 22,6 37 6 39,1 — 13.4 17,7
(6 30)
Для ряда двигателей серийного производства данные ТУ, резулг.гагы экспери-
ментальных и теоретических исследований, полученные расчетные норма iивы све-
дены в табл. 6.8.
На этой основе разработана первая программа-методика испытании ангомо-
билей в искусственной пылевой среде, как руководящий документ технологии
и< пользования форсированных абразивных воздействий в процессе пробегоных
иг пытаний.
В планируемом технологическом процессе учитывается упоминавшаяся ранее и
у< г.гновившаяся на практике разбивка испытательного пробега на равные по усло-
виям и протяженности последовательные циклы, кратные нормативам ТО и ТР. По-
чему общее время выдержки автомобиля в пылевой камере разбивается на соот-
пец гвующее количество частей с включением каждой части в отдельные циклы
пробега. Рекомендуется также корректировка расчетных нормативов по склады-
ющимся в ходе пробеговых испытаний погодно-климатическим условиям (преж-
де всего по показателям интенсивности абразивного износа). Для этого рекомен-
дуются систематические сопроводительные измерения методами, рассмотренными
нише, фактической запыленности воздуха, в особенности при пробеге по грунто-
вым дорогам. Разработанный методический документ дает основу дальнейшего
планомерного накопления сопоставимых данных для обоснованного использования
форсированных абразивных воздействий с целью достижения все более полного
। я ласия результатов полигонных пробеговых испытаний с наблюдениями в экс-
плу.пации, повышения достоверности заключений по результатам пробеговых по-
лигонных испытаний автомобильной техники.
6.4. Планирование
оптимального пробега
при форсированных
испытаниях
Оптимизация испытательного пробе-
при форсированных воздействиях на автомобиль является одной из центральных
1Д.1Ч эффективного использования современных автополигонов. Эта задача воз-
никает немедленно при повышении уровня внешних воздействий, так как распола-
। н’мые для этого средства не доставляют возможности одновременного и одина-
। оного для всех деталей, узлов и агрегатов увеличения нагруженности и повреж-
I н-мости. Это отчетливо видно, например, при использовании отдельных снеци-
HII.пых дорог КИТ или Центрального автополигона направленного воздвиг гния
Пробег на ухабистой дороге или на треке со сменными неровностями весьма ма-
нии протяженности за короткое время приведет к появлению повреждении рессор
т р «мы. для возникновения которых в эксплуатации или в нормальных (нефорсиро-
" 1ННЫХ) испытаниях требуются сотни тысяч километров пробега и время, измеряе-
м> годами.
Нмегге с гем вследствие ограничений скорости в пробеге по л им дорогам и
и гружениям двигатель и трансмиссия работают с малыми нагру гками и их повре-
363
ждение не только не форсируется, но, наоборот, ослабляется в сравнении с экс-
плуатацией или нормальными испытаниями
При форсировании нагруженности трансмиссии, например, по приведенной вы-
ше программе, в десятки раз ускоряется достижение предельного состояния ее
деталей при очень малом пробеге. В то же время ходовая часть практически до-
полнительно не нагружается переменными повреждающими воздействиями, напря-
жения в зонах ожидаемых разрушений остаются примерно теми же, что и при дви-
жении на ровном шоссе как по уровню, так и по частоте изменения
Нетрудно видеть, что цель форсированных испытаний полнокомплектного ав-
томобиля может быть достигнута только при использовании специальных дорог,
сооружений и специальных методов повышения нагруженности в таких объемах,
когда к концу намеченного общего пробега уровень накопленных повреждений
различных элементов конструкции будет не больше и не меньше установленного
для условий эксплуатации или нормальных (нефорсированных) испытаний. Пла-
нирование такого оптимального использования форсированных воздействий пу-
тем установления нормативов, прежде всего протяженности пробегов по различ-
ным испытательным дорогам, а затем и других факторов ускорения поврежде-
ний, основывается на сопоставлении темпов накопления разрушения различных
элементов конструкции.
Предпосылки сопоставления и оценки эквивалентности воздействия различных
факторов и повреждаемости сложились и непрерывно развиваются.
Теория формирования повреждающих нагрузок от главного для автомобильных
транспортных средств фактора - неровной дороги - позволяет расчетным путем
прогнозировать переменные напряжения и накопление усталостного повреждения в
наиболее ответственных и нагруженных системах ходовой части и трансмиссии.
Установленные зоны типичной повреждаемости и лимитирующие ресурс базовые
элементы конструкции дают возможность непосредственно в пробных заездах из-
мерить нагрузочные режимы и рассчитать сопоставимые показатели накопления
повреждений и эквивалентности пробегов по различным дорогам. Возможно со-
поставление темпов и других повреждений в зависимости от форсирования воз-
действий, как показано выше.
Построение на этой основе оптимальной программы форсированных испытаний
дает исключительный эффект. Достаточно указать, что форсированные ресурсные
испытания автомобилей на Центральном автополигоне, нормированные по опти-
мальному пробегу, сократили время и затраты на их проведение более чем в 5 раз
и на протяжении последних 15 лет используются автомобильной промышленностью
как единственный приемлемый способ оценки ресурса новых моделей или под-
тверждения объявленного ресурса выпускаемых АТС.
Оптимизация плана испытательного пробега в виде наилучшего распределения
его по различным специальным дорогам разрабатывалась сначала для форсирова-
ния преимущественного вида воздействия - нагружения от дороги и накопления
усталостного повреждения несущих элементов ходовой части [61].
Затем оптимальное планирование форсированных испытаний успешно исполь-
зовалось для ускорения испытаний трансмиссий [7], что в свою очередь послужило
основой разработки оптимального программирования испытаний отдельных агре-
гатов на полнокомплектном автомобиле с минимальным повреждением смежных
элементов конструкции [61]. Разработанный методический аппарат оказался на-
столько эффективным, что был рекомендован ВНИИНМАШ Госстандарта для ис-
364
пользования при планировании ускоренных испытаний сложных технических систем
и машиностроении *
Для отчетливого представления метода оптимального npoi раммирования, как
<и новы построения технологического процесса форсированных испытаний, изло-
жим в первоначальной постановке его задачи и ее решения.
При использовании специальных дорог всех типов для форсированных испыта-
нии приходится учитывать многие факторы и требования, которые обусловлены со-
вершенством и изученностью конструкции испытываемого автомобиля, его предна-
.начением по типажу, чувствительностью к перегрузкам и усталостным поврежде-
ниям отдельных элементов, техническими характеристиками, загруженностью и со-
' 1оянием основного средства - комплекса специальных дорог, а также установлен-
ные для испытаний автомобилей данного класса режимы движения, техническое
.|(н луживание, особенности заданий на испытания и т.п.
Эти многочисленные и иногда противоречивые требования можно учитывать в
м.нематической модели, воспроизводящей с большей или меньшей полнотой ос-
||‘>пные черты реального процесса планируемых испытаний.
Для составления простейшей модели форсированных ресурсных испытаний рас-
. м.приваются следующие средства и факторы: сеть испытательных дорог, зоны
по 1можных усталостных повреждений конструкции испытываемого автомобиля,
хпологический процесс проведения пробега, различные ограничения, следующие
как из конкретных условий испытаний, так и из принятой теории формирования и
писания усталости в выбранных зонах.
Усталостное повреждение конструкции включается в построение модели ресурс-
III lx испытаний пробегом в качестве основного фактора потому, что обобщение ма-
н’риалов эксплуатации и испытаний автомобилей показало преобладающее коли-
• гво повреждений усталостного характера (до 60 % и более за ресурс).
Сеть испытательных дорог характеризуется направленностью воздействия на
uh ’менты конструкции автомобиля, предписываемыми скоростями движения, а
1.1*' же режимом чередования пробега и отдыха водителей за смену, частотой и
оьемом осмотров на протяжении совершаемого пробега, необходимостью съез-
дп|| и разворотов, порядком движения на каждом отдельно учитываемом участке.
Последние из перечисленных характеристик для первого приближения можно
учесть на каждой дороге в виде потери времени на километр пробега, сопутствую-
щей испытаниям на ней по действующим методикам.
<оны ожидаемых усталостных повреждений определяются или материалами на-
блюдений за испытываемым объектом в эксплуатации, или материалами предыду-
щих испытаний, или данными предварительных лабораторных обследований, выяв-
ляющих наиболее напряженные элементы, или, наконец, соглашением, основанным
и.) изучении данной конструкции сравнительно с известными прототипами и инже-
нерной интуиции. Зоны ожидаемых усталостных повреждений характеризуются
удильными на километр пробега показателями накопления повреждения при дви-
жении на каждой испытательной дороге и на аналогичных дорогах общего пользо-
П.1НИЯ Эти сопоставимые показатели накопления усталостного повреждения в вы-
г>1 иных зонах определяются или предварительными лабораторно-дорожными ис-
Ы1.ШИЯМИ объекта на испытательных дорогах и на представительных участках
М.периалы для разработки первой редакции методических указании Надежность, ускоренные
пыыния Технические требования" Госстандарт; ВНИИНМАШ. М . 1982
365
дорог -общего пользования или расчетно-экспериментальными методами с ис-
пользованием лабораторных испытаний автомобиля и вероятностных характери-
стик микропрофиля дорог, как показано в теории формирования повреждающих
нагрузок.
Технологический процесс пробега в составляемой модели испытаний определя-
ется номенклатурой используемых дорог, распределением по ним общего пробега,
предусмотренным нагруженным состоянием автомобиля, разбивкой общего пробе-
га на части, в течение которых движение автомобиля считается стационарным.
Технологический процесс испытаний характеризуется протяженностью пробега в
каждом предусмотренном весовом состоянии автомобиля на каждой дороге в аб-
солютных величинах или в долях общего пробега.
Построение математической модели пробега. Для построения простейшей мо-
дели испытательного пробега на полигоне, учитывающей главные его стороны -
протяженность и повреждающее воздействие в отдельных зонах конструкции в
сравнении с воздействием дорог общего пользования, вводят: порядковый номер J
специальной дороги из общего количества п, выбранных по соображениям воз-
можно более широкого охвата различных воздействий на автомобиль: порядковый
номер / дороги общего пользования или дороги на полигоне из общего их количе-
ства /, предусмотренных для нормальных не форсированных испытаний; порядко-
вый номер к зоны известной или ожидаемой эксплуатационной повреждаемости от
усталости конструкции из общего их количества на автомобиле р. Таким образом:
/ =1, 2, 3.П, i = 1, 2, 3. /; к = 1, 2, 3.р.
Используя эти обозначения как индексы, можно основные показатели испыта-
тельного пробега выразить в виде: Х.^ - протяженность пробегов на дорогах /-го
или /-го типов; V .- скорость движения на /-й специальной дороге, предписывае-
мая действующими методиками ее использования; - удельный показатель вспо-
могательного пробега по подъездным дорогам, на разворотах, по дополнительным
возвратным маршрутам на 1 км пробега по испытательной дороге, t. - удельный
показатель суммарных потерь времени при испытаниях на /-Й дороге на 1 км про-
бега; F.. - удельный (на 1 км пробега) сопоставимый показатель накопления уста-
лостного повреждения в к-й зоне конструкции при движении по /-й испытательной
(с форсированием воздействия) дороге; F .. - то же, при движении по дорогам об-
щего пользования с эксплуатационными скоростями или на полигоне при нормаль-
ных (не форсированных) испытаниях; SQ - общий пробег, предписываемый норма-
тивным документом нормальных или эксплуатационных испытаний; р - коэффици-
ент разбивки общего пробега по дорогам /-го типа (доли общего пробега SQ); XQ -
протяженность общего пробега на специальных дорогах за время То форсирован-
ных испытаний.
Удельные показатели и f. выражают неизбежные потери, связанные с дисло-
кацией испытательных дорог и производственной базы, техникой безопасности,
режимом работы персонала
366
Значения этих показателей определяются в среднем по опьпу иснытагельног.
работы и фиксируются в методиках использования специальных дорог, в инструк-
циях и в других предписаниях.
Формальная запись ограничений, накладываемых на процесс и> пьпании разли-
чием воздействия дорог и различной чувствительностью отдельных алиментов к
возникающим нагрузкам, может быть представлена в виде условии полного рапен-
|ва накопленного усталостного повреждения к концу планируемого форсирован-
ного пробега и за пробег, регламентированный для эксплуатации по дор» ам об
щего пользования или по программе нормальных испытаний.
Эти условия описываются для рассматриваемых зон повреждения кош трукции
уравнениями.
Vii + X2F,2 +....+ X F]y +...т XnFin = S0Zp,F1/;
1
I
X,F2] + X2F22 +...+ X/F2- +...+ XnF2n = S0Xp,F2/ (6 31)
1
X^ + X2FK2 +......+ XjFkl +-+ XnFKn = S0
1
Дополнительными условиями являются положительные значения планируемых
пробегов на всех дорогах.
X > 0: X > 0. (6 32)
Образованная этими уравнениями и неравенствами система имеет множество
решений относительно неизвестных X Совокупность значений X, представляет
план пробега.
Для получения оптимального плана распределения пробега на выбранных до-
нах повышенного воздействия, т.е. совокупности значений X, необходимо ye-
г.шовить критерии, которые должны наилучшим образом отражать требования к
данным испытаниям. К таким критериям относятся время, затрачиваемое на йе-
ны! 1ния, протяженность испытательного пробега, стоимость топливно-смазочных
нериалов, расходуемых за пробег и т.д. Если критерий выбран, то качество
пн ширования характеризуется значением целевой функции, которая дает обьек
1инную оценку форсирования воздействий при разных вариантах разбивки про-
• । я по выбранным дорогам. Но качество испытательного пробега, определенно-
как результат функционирования системы в виде математической модели
(I И) и (6.32), отличается при разных критериях выбираемых cormi но с предь
чппяемыми требованиями. Такими требованиями могут быть сокращение вроме
ни (ускорение) испытаний, уменьшение общей протяженности пробе! т. сокращс
нис расходов и др.
Для разносторонне обоснованного решения по оптимизации иг пыын льного
п|1ог>ега необходимо последовательно рассматривать функционирование модели
и, пьпании по каждому критерию.
Но критерию продолжительности испытаний целевую функцию можно гаписать в
ПИД!'
367
Г0 - Xl|va1 + Xz|va2 +•••-+ Xy'|Va/ +.••.+ X„|vafl +
+ ^X^ + ^2X2 ^/X/ — ’+ fnXn = (6.33)
Тогда математическая формулировка задачи состоит в том. чтобы при ограниче-
ниях, выраженных (6.31) и (6.32). найти такие значения X,, Х2.Хл, для которых
функция (6.33) достигает минимального значения.
По критерию протяженности пробега целевую функцию можно записать в виде
Хо = X, + Х2 Х; Хп = min, (6.34)
и математическая формулировка задачи заключается в том что при ограничениях
(6.31) и (6.32) требуется рассчитать такие значения Хр Х2Хл, для которых
функция (6 34) должна быть минимальной. В обоих случаях расчет приводится к
стандартной форме задачи линейного программирования, когда требуется мини-
мизировать целевую функцию
Z = f(Xv Х2......Хп) = СуХу + с2х2 +.....+ С.Х(. спхп (6.35)
при обычно к < П линейных ограничениях-равенствах и п х / ограничениях-не-
равенствах.
В первом случае целевая функция приобретает стандартную форму после под-
становки в (6.33) выражения
1 / Va/ + = С/ (6-36)
во втором случае
С1 = С2 Сf -.....= Сп =1 (6.37)
Задачи линейного программирования обычно решаются симплекс-методом, в
стандартной форме имеются алгоритмы, удобно табулированные в виде симплекс -
таблиц для расчета на ЭЦВМ
Характерной особенностью получаемых решений является различие протяжен-
ности как общего пробега, так и пробегов по отдельным дорогам при оптимизации
плана испытаний по разным критериям Если обозначить величины пробегов при
оптимизации по критерию времени индексом Т, а по критерию протяженности -
индексом X. то при минимизации общего времени проигрыш (с точки зрения со-
кращения протяженности) на каждой дороге по сравнению с минимизацией общей
протяженности выражается в виде
Х/=Х/т-Х/х <638)
Аналогично при минимизации общей протяженности пробега проигрыш (сокра-
щения сроков) на каждой специальной дороге по сравнению со случаем минимиза-
ции общего времени пробега выражается в виде
L =Т1х~ТЛ (6 39)
В общем случае различия планируемых по разным критериям пробегов могут
быть существенными. В связи с этим возникает задача компромисса между срока-
ми проведения и протяженностью общего пробега.
368
Математическая формулировка такой задачи заключается в гом, чю при задан-
ных выше ограничениях следует найти такие значения X-v , при которых проигрыш
в сравнении с оптимальным по какому-либо критерию планом будет возможно
меньшим. Используя, например, соотношение (6.34), условие компромисса можно
выразить в виде
Т. = mm max Г. . (6 4°)
} Jxv
где T/vv - проигрыш во времени при испытаниях на /-й специальной дороге при
JXV
v-м плане разбивки по критерию общей протяженности пробега.
В отличие от двух предыдущих задач отыскание компромиссного плана пробы а
представляется задачей на минимакс, которую можно решать методом последова-
тельных приближений.
В частности, при разбивке Tj на интервалы А7^ можно на каждом шаге оп-
ределять X. , которые при заданных скоростях V являются функциями Т., и прове-
рять систему ограничений на совместность. Момент перехода от совместности к
несовместности (или наоборот) системы равенств или неравенств, выражающих
ограничения, можно принять за признак завершения процесса приближений. За
окончательное решение берется один из ближайших основных планов оптимально-
го программирования пробега по критерию протяженности последнего.
Впервые задача оптимизации форсированных пробеговых испытаний была ре-
шена на Центральном автополигоне и экспериментально проверена путем сопос-
тавления результатов с нормальными (не форсированными) испытаниями полно-
приводных автомобилей ЗИЛ-131.
Подготовка, расчеты оптимальных планов и другие подробности практического
решения задачи освещены в литературе и не требуют дальнейших пояснений. По-
этому приведем лишь результаты сопоставления повреждений, полученные при
форсированных по оптимальной программе и нормальных испытаний партии этих
автомобилей.
Обнаруженные в обоих испытаниях повреждения разбиты по выше упомянутым
группам и совпадение оценивается в процентах от общего числа однородных по-
вреждений в группах:
Усталостные поломки ....................... 94
Истирание и износ ...... ...... 80
Повреждение РТИ ..................................... 63
Нарушение регулировок ... 50
Перетирание от вредных контактов .. ................ 80
Течи из-за разрушения уплотнений ..................... 67
Прочие отказы ...................................... 56
При неизбежных в пробеговых испытаниях разбросах результатов даже в одной
партии одновременно испытывающихся автомобилей полученное совпадении сле-
дует считать весьма высоким.
В проведенных форсированных испытаниях оптимальный пробег рассчитывал-
ся по функциональной модели (6.31), исходя только из повышения темпов накоп-
ления усталостного повреждения и привлечения сооружений повышенного воз-
действия в очень ограниченных объемах. Но общий пробег и время сократились
более чем в 3 раза.
369
Дальнейшее развитие оптимизационной модели пробеговых испытаний направ-
лено на детализацию включаемых в рассмотрение повреждений различного харак-
тера и локализацию испытаний отдельных частей конструкции.
Такая направленность диктуется часто возникающей необходимостью опытной
проверки или определения ресурса не полнокомплектного автомобиля, а его от-
дельных систем или агрегатов.
Кроме того, расширение функциональной модели испытательного пробега вле-
чет все более полный учет сложных и разнообразных процессов разрушения конст-
рукции, возникающих в эксплуатации и при испытаниях.
Вовлечение в модель большего количества характерных или ожидаемых повреж-
дений, внешних воздействий, их вызывающих, помогает избежать форсирования
разрушительных процессов выше уровня, за которым следуют качественные изме-
нения результатов испытаний по отношению к наблюдениям в эксплуатации.
Но при этом возникает необходимость более углубленной разработки способов
получения исходных данных для построения функций связи пробегов на различных
дорогах и разнохарактерных повреждений не только от усталости материалов.
Подготовительная работа для оптимального планирования форсированных испы-
таний сложных систем и агрегатов с учетом разнородных повреждений разбивает-
ся на несколько следующих самостоятельных этапов.
- выбор базовых элементов конструкции и характерных видов ожидаемых по-
вреждений;
- предварительная оценка дорог и сооружений автополигона по эффективной
направленности воздействия их на повреждаемость базовых элементов конструк-
ции и эффективных режимов или управления при движении по ним испытываемого
автомобиля;
- составление нормативного пробега в эксплуатации по дорогам различных ви-
дов, представляющего объявленный или гарантированный ресурс данной системы
или агрегата;
- составление предварительной модели форсированных испытаний для после-
дующей ее доработки на основании анализа пробного оптимального плана, полу-
чаемого после первого решения задачи.
Выполнение этих этапов может быть связано с дополнительными исследова-
ниями, использованием эмпирических данных и накопленного опыта различных
организаций
Подробно развитие оптимизации форсированных испытаний в этом направле-
нии, необходимые исследования и расчеты отработаны применительно к трансмис-
сии автомобиля и освещены в публикациях.
В этих разработках показано, как изменяется функциональная модель испыта-
тельного пробега при вводе и дополнительных способов форсирования повреж-
дающих процессов, и расширенной номенклатуры деталей, лимитирующих ресурс
конструкции.
Например, для оптимального планирования форсированных испытаний транс-
миссии в число базовых деталей включаются диски сцепления, повреждение кото-
рых связано не с воздействием дороги, а с операциями управления автомобилем,
количеством включений сцепления в зависимости от необходимых переходов на
разные передачи. При этом в качестве показателя, характеризующего нарастаю-
щее повреждение этой детали, выбирается работа буксования. Но форсирование
ее требует назначения наиболее подходящих условий осуществления включения
сцепления. Такие условия определяют на основании или натурных предваритель-
370
ных испытаний автомобиля, или исследований аналоговой модели При этом уста-
навливают коэффициенты сцепления колес с поверхностью дороги, суммарного со-
противления дороги, частоту вращения коленчатого вала, темп включения, обеспе-
чивающие оптимальную работу буксования сцепления как при трогании с места,
так и при переключениях передач
Оптимальность условий в данном случае понимается в том смысле, что режи-
мы нагружения диска сцепления не должны вызывать, например, чрезмерного
перегрева, подгорания и растрескивания накладок, не характерных для эксплуа-
тации, но и не должны исключать интенсивный износ с повышенной температу-
рой при часто используемом для управления автомобилем способе управления
сцеплением.
Если условия допустимого форсирования установлены, то с учетом направлен
ного воздействия подбирают испытательные дороги на которых планируется осу-
ществление этих условий. Одновременно с учетом накопленного опыта составляет-
ся конкретная методика испытаний, предусматривающая условия управления авто-
мобилем так, как описано в первом параграфе.
Но при интенсивных нагружениях сцепления, например, троганием с места авто-
мобиля с буксируемым прицепом на подъеме, возникают малоцикловые чрезвы-
чайно интенсивные нагрузки всех деталей трансмиссии. Например, на полуосях в
этих условиях возникают переменные крутящие моменты такого уровня, который
может привести к разрушению их на базе всего нескольких тысяч циклов.
Если методика форсированных воздействий по износу диска сцепления намече-
на, то предварительными исследованиями можно рассчитать количество циклов
крутящего момента и их уровень за каждое включение и, учитывая протяженность
дорог для каждого включения на каждой передаче, рассчитать сопоставимый пока-
затель усталостного повреждения других деталей на километр пробега в режимах
испытаний сцепления. Хотя при этом воздействие микропрофиля на нагруженность
будет небольшим, так как форсирование испытаний сцепления планируется на до-
рогах с ровной поверхностью, но вследствие переходных режимов, создаваемых
при форсированных испытаниях сцепления, данные дороги учитываются моделью
испытаний как интенсивно повреждающие и детали трансмиссии, ресурс которых
определяется усталостью. Соответствующие уравнения связи будут включать в
этом случае такие ровные дороги, как динамометрическая или скоростная, подъе-
мы разной крутизны, уже с высоким значением сопоставимого коэффициента уста-
лостной повреждаемости нагруженных деталей трансмиссии.
В конечном счете каждая частная методика испытаний с помощью особых режи-
мов управления автомобилем, со своими неусталостными сопоставимыми показа-
ниями исчерпания ресурса, формально представляется как образование новой до-
роги, проложенной по отдельному маршруту с включением специальных сооруже-
ний (например, коррозионной камеры и сопровождающего каждый цикл пребыва-
ния в ней и последующего пробега).
Если, используя выбранный пример с диском сцепления, считать, как установ-
лено исследованиями, работу буксования сцепления пропорциональной пройден-
ному автомобилем пути на вновь образованной дороге с особым режимом управ-
ления, то сопоставимый показатель повреждаемости оценивается как удельная ра-
бота буксования на километр пробега Номер новой дороги по отношению к то-
му комплексу П дорог, который включен в математическую модель по накоплению
усталости в деталях трансмиссии, будет П + 1.
371
Точно так же во время и эксплуатационного пробега показателем, влияющим
на износ этой детали, является работа буксования сцепления при управлении
автомобилем.
Режим эксплуатационных испытаний, воспроизведенный на автополигоне для пе-
ревозок трех видов, дает возможность оценить работу буксования сцепления тоже на
километр пробега. Для этого достаточно измерить работу буксования за один проезд
воспроизводящего испытательного маршрута и отнести ее к протяженности маршру-
та Тогда и дорога эксплуатационного пробега или нормальных испытаний будет ха-
рактеризоваться своим удельным показателем работы буксования
В пробеге по всем дорогам форсированных испытаний также приходится управ-
лять сцеплением, и вне зависимости от малости значений на каждой из них суще-
ствует удельный показатель работы буксования на 1 км пробега. Для общности бу-
дем считать удельную на 1 км пробега работу буксования достаточно значимой на
любой дороге.
Движение в режимах интенсивного нагружения сцепления или, как теперь мож-
но сказать, пробег на вновь образованной дороге особого режима работы сцепле-
ния, характерен также интенсивными нагрузками на полуоси, карданные валы, а в
общем, на все базовые детали, которые включены в модель форсированных испы-
таний по признаку усталостного повреждения.
Наглядно формальные изменения математической модели оптимального пробе-
га для форсированных испытаний в этом случае можно представить следующим
образом. Предположим, что в системе уравнений (6.31) все обозначения относятся
к р выбранным базовым деталям трансмиссии. Ресурс их лимитируется устало-
стью от переменных нагрузок, для форсирования которых выбраны П испытатель-
ных дорог. Ясно, что эта модель дает наилучший план испытаний, основанный
только на хотя и превалирующем, но одном разрушающем физическом процессе -
переменных напряжениях в деталях трансмиссии. Включение еще одной (р + 1)-й
базовой детали с иным сопоставимым показателем разрушающего процесса на
1 км пробега А&. и еще одной (Л + 1)-й специальной дороги для форсирования
этого процесса влечет за собой следующее. Добавляется еще одно уравнение, вы-
ражающее эквивалентность накопления повреждения в этой детали при форсиро-
ванных и эксплуатационных испытаниях. Добавляется также в каждом уравнении
слагаемое, отражающее дополнительные нагрузки и усталостные повреждения ка-
ждой базовой детали от воздействий на еще одной испытательной дороге.
Особенно отчетливо это видно, если математическую модель пробега записать
в следующей матричной форме:
Гц F12 ... ... Fln ^(n+i)
f22 . • f2i . •• F2n F2(n+1)
Fp2 . Fpi • Fpn ^p(n+1)
^6 2 ^6n ^6(n+1)
372
“ S0
lp1F11
HF21
hF₽1
|^Иб1
J*2F12
•J2F22
^2Fp2
^2^6 2
M/Fi,
HF2t
ил;
M/Fi/
^lF2l
»lF'pl
»IA6I
(6 41)
Из этой системы видно, какие дополнительные данные необходимо определи и,
для того чтобы пополнить математическую модель форсированных испытании при
менением частных методик испытаний отдельных агрегатов с различной физикои и
характером основных отказов. В данном случае это коэффициенты последней
строки и последнего столбца матрицы левой части и последней строки правой
части матрицы (6.41)
На совершенно таких же теоретических основаниях развивается модель и при
вводе в эксплуатацию новых специальных дорог. Например, при вводе специаль-
ной дороги с гравийной ванной новыми базовыми деталями могут быть приняты
шины а показатели форсированного воздействия - износ протектора. Определе-
ния удельного значения этого показателя для всех дорог, с одной стороны, и
удельного показателя накопления усталостного повреждения ранее принятых базо-
вых деталей на этой новой дороге, с другой, достаточно, чтобы включить в общую
математическую модель форсированных испытаний автомобиля пробег по специ-
альной дороге с гравийной ванной.
При вводе в эксплуатацию песчаной дороги за базовые при форсированных ис-
пытаниях могут быть приняты детали, чувствительные к абразивному износу, и
процедура расширения математической модели пробега будет такой же как пока-
зано при переходе от (6.31) к (6.41).
Решение задачи оптимального планирования испытаний может отличаться и
тем. что при форсированных испытаниях пробег на дороге с предписанным режи-
мом движения заранее задается.
Тогда в математическую модель включаются дополнительные неравенства.
Еще одна разработка форсированных испытаний, основанная на оптимизации!)
пой модели пробега по специальным дорогам и практически важная для системы
полигонных испытаний, особенно доводочных, выполнена Н.П.Горячевым В ней
показана возможность такой оптимизации испытательного пробега, в котором од
повременно минимизируются время оценки ресурса одного агрегата и уровень по-
вреждения смежных элементов конструкции
Нетрудно видеть, что необходимые для расширения модели испытании допол-
нительные опытные наблюдения невелики и доступны, если механизм повреждения
вводимых базовых деталей или агрегатов исследован. При этом дополнительные
пираты на определение коэффициентов, связывающих повреждаемое п. деталей
автомобиля при форсированных воздействиях на испытательных дорогах и н экс-
плуатационном пробеге, заведомо окупятся экономичностью плана испытаний, рас-
читываемого по расширенной математической модели.
373
Рассмотренное расширение обобщающей математической модели испытаний
представляет собой способ включения в расчет испытательных пробегов постоянно
накапливаемых результатов исследований и наблюдений.
Оптимальное программирование форсированных испытаний - одно из наиболее
эффективных направлений совершенствования технологии полигонных испытаний.
Теория полигонных испытаний продолжает развиваться в этом направлении, а
практическое применение оптимизации испытательных пробегов расширяется.
Новые возможности оптимального регулирования и нормирования испытатель-
ных пробегов автомобильной техники отражены в работах В.С.Устименко и иссле-
дованиях, проведенных под его руководством в 21 НИИИ (АТ) МО РФ. Кратко их
основные положения излагаются в следующем виде [58].
По мере накопления результатов пробеговых испытаний сопоставление внешних
воздействий на разных дорогах и режимах движения необходимо расширить, ис-
пользуя не только показатели усталости, износа базовых деталей, но и более об-
щие показатели накопления энергозатрат или энергонагруженности автомобиля в
испытательном пробеге
Надежность, в особенности безотказность, тесно коррелируется с энергонагру-
женностью автомобиля в складывающемся функционировании системы ВАДС на
протяжении испытательного пробега.
На каждой /-й испытательной дороге реализуется характерная удельная энерго-
нагруженность (на 1 км пробега), которая представляется следующим выражением:
О;
НЪ ~ П _ , (6.42)
Vj
где Q-- средний расход топлива на /-Й дороге (участке дороги), л/100 км;
vj - средняя скорость движения на j-й дороге, км/ч;
п - коэффициент связи, характерный (по значению) для каждого типа транс-
портного средства.
При этом коэффициент п принимается в качестве центра факторного простран-
ства (центра эксперимента), в котором все транспортные средства рассматривают-
ся на начальном уровне энергонагруженности, соответствующем режиму определе-
ния контрольного расхода топлива при v = const, что по ГОСТ 20306-90 соответст-
вует скорости 60 км/ч на динамометрической дороге (Удд = Vgg).
В этом режиме испытаний для всех транспортных средств значение показателя
оказалось практически равным 0,025 и согласно (6.42) коэффициент П для
любого транспортного средства может быть вычислен
„ ^Тд.дУ60 1
л =----------^1-50к.р- (6.43)
°к р
где контрольный расход топлива.
К-Р
Тогда применительно к автомобилю, например, КамАЗ-4310 при Q =30 л/100
к.р
км получается П = 1,5-30 = 0,05.
374
При испытаниях этого автомобиля на скоростной дороге НИЦИАМТ (в объеме
60,0 тыс км) была определена средняя скорость движения 75,2 км/ч. при среднем
расходе топлива 47,1 л/100 км. Следовательно, для дороги данного типа при воз-
действии всех внешних факторов и предписаниях на испытания, показатель
471
Hr.cn = 0,05— = 0,031-
тсд 752
Аналогично определяется количественное значение показателя для различ-
ных видов дорог и местности. Выполненные метрологические исследования оценки
одних и тех же дорог с помощью различных транспортных средств показывают, что
погрешность определения не превышает 10 %.
На основе статистической обработки представительной выборки (240 образцов)
определены математическое ожидание показателя и границы его рассеивания
по основным видам дорог.
Такой способ категорирования дорог запатентован (Патент № 2011955 на изо-
бретение, 30.04.94 г.), метрологически аттестован, апробирован при испытаниях
продукции ряда предприятий, закреплен стандартом предприятия в 21 НИИ (АТ) и
используется в практике пробеговых испытаний с 1990 г.
Использование показателя как норматива позволяет применить единый спо-
соб оценки воздействия разных видов дорог с помощью самого испытываемого
образца, причем непосредственно в момент (период) испытаний (в пробеге за
смену или за любой наперед заданный пробег), проводимых на различных полиго-
нах. Это обеспечивает сопоставимость и воспроизводимость испытаний в любых
условиях.
Изложенный подход позволяет решить другую, не менее важную задачу, обу-
словленную необходимостью нормировать объем воздействия каждой дороги на
испытываемый образец, не ограничиваясь только нормами протяженности пробега.
Используя статистический ряд случайных величин Н^, который после обработки
представляется значениями их среднеквадратических и средних вели-
чин для каждого вида дороги, можно принять допущение, что запас потенциальной
надежности, заложенный в конструкцию, расходуется пропорционально расходу
энергии на движение и протяженность совершаемого при этом пробега.
Тогда накопленная величина энергонагруженности может быть представлена в
виде
— HySj (нормативных километров), (6.44)
где S. - пробег, выполненный в заданном или контролируемом объеме, км.
На основе (6 44) может быть установлен норматив , выражающий расход
/н
ресурса через статистически обоснованное значение (ГП^ > и норматив-
ный пробег S, .
/и
375
Учитывая, что характеристики испытательных дорог (особенно грунтовых) фор-
мируются случайно для разных времен года, метеорологических условий и интен-
сивности движения в широком диапазоне, через показатель l/Vg в условиях не-
предсказуемого изменения можно ступенчато регулировать “тяжесть” испыта-
тельного пробега и выйти к его завершению на нормативное значение И/с . При
/н
такой технологии регулирования пробега обеспечивается реализация программы
испытаний по существу, т.е. по намеченному расходу ресурса.
Важно заметить, что корректировка испытательного пробега может выполняться
как переходом на более "легкие” или “тяжелые” участки того же вида дороги, так и
в случае отсутствия на полигоне таких участков путем изменения объема пробега
при строгом учете основного критерия нагруженности - И/с .
Как видно, новое направление оценки и регулирования рабочего процесса про-
беговых испытаний создает и новые пути их оптимизации.
Глава 7. ИССЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКА
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ
ПРИ ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Известно, что оценка рабопхткх'обно-
сти автомобиля обусловливается не только установленными факторами внешних во i
действий, но также, как это следует из стандартной формулировки термина н.ще»
ность, “заданными режимами и условиями технического обслуживания и ремыпа
т.е. ремонтопригодностью или (воспользуемся более распространенным в автос .рос
нии термином) эксплуатационной технологичностью объекта. Режимы и условия к-х-
нического обслуживания задаются как нормативно-технической документацией, так и
самой конструкцией, принятыми конструктивными решениями. Следовательно, экс-
плуатационная технологичность требует проверки и оценки при испытаниях наряду с
другими свойствами. Под эксплуатационной технологичностью (ЭТ) автомобиля, в от-
личие от производственной, понимают совокупность свойств конструкции, опреде-
ляющих ее приспособленность к работам, выполняемым в заданных условиях и режи-
мах технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР) с целью предупрежде-
ния возникновения отказов или устранения их последствий.
В свою очередь режимы технического обслуживания и необходимость текущего
ремонта прямо зависят от внешних воздействий и режимов нагружения автомоби-
ля. Из рассмотренных выше основных положений технологии полигонных испыта-
ний видно, что полнота выводов и предложений по их результатам не может быть
достигнута без целенаправленного развития и перестройки методов оценки ЭТ, не-
избежно отличающихся от применяемых в рядовой эксплуатации.
Для этого уже в ходе разработки технологии нормальных и форсированных по-
лигонных испытаний были предприняты специальные исследования следующих во-
просов оценки ЭТ.
Прежде всего необходимо было определить показатели ЭТ и раскрыть их связь
с показателями безотказности и долговечности.
Далее, необходимо было разработать собственно основы (основные методы)
технологии оценки показателей ЭТ как одного из основных эксплуатационных
свойств автомобиля в процессе полигонных испытаний.
Но еще более важной оказалась задача корректирования показателей ЭТ в ус-
ловиях полигонных испытаний, так как без ее решения ставилась под сомнение
правомерность проведения ускоренных и форсированных испытаний для оценки
безотказности и долговечности, а это является одной из главных задач развития
полигонных испытаний.
Наконец, с учетом опыта решения трех вышеназванных задач открывалась пись-
ма плодотворная возможность обобщения опыта оценки основных конструт тинных
решений по ЭТ автомобилей и выработки общих рекомендаций по ее улучшению
при ускоренных и форсированных полигонных испытаниях АТС.
7.1. Показатели ЭТ
и их влияние на безотказность
и долговечность
Степень совершенства конструкции
автомобильной техники в отношении ЭТ, как и других потребительских смоЙств
оценивается через систему показателей, которые в совокупности позволяют:
377
- возможно полнее характеризовать ЭТ набором объективных показателей ми-
нимальной номенклатуры;
- задавать количественные значения измерителей этого свойства в технических
требованиях и условиях на автомобиль;
- производить сравнительную оценку уровня ЭТ однотипных изделий разных ка-
тегорий при проектировании, испытаниях, изготовлении и в эксплуатации.
Обобщение отечественных и зарубежных материалов и проведенных на Цен-
тральном автополигоне исследований в области ЭТ автомобильной техники позво-
лило выделить две группы показателей: основных (обобщенных) и дополнительных
(частных), необходимых и достаточных для оценки этого свойства различных конст-
рукций. Схематически их связи и соподчиненность показаны на рис. 7.1.
К числу основных показателей отнесены:
- удельная оперативная трудоемкость технического обслуживания № 1, № 2
(ТО1, ТО2) и сезонного обслуживания (СО) (в чел.-ч/тыс.км)
ST0 = X—103 (7.1)
’ 4 о,
где Тто/ - средняя трудоемкость Z-й операции ТО, чел.-ч; /Т0(. - средняя перио-
дичность Z-й операции ТО, км; п - количество всех операций ТО за пробег до ка-
питального ремонта;
- удельная оперативная трудоемкость ТР (в чел.-ч/тыс.км)
103 "*₽
StP =----- ^Ттр, • <7-2)
^кр ’
гДе 4 „ - пробег до капитального ремонта или предельного состояния и списа-
к.р
ния, км; п - количество всех случаев ТР за пробег до капитального ремонта;
к.р
TTpj. - трудоемкость Z-ro ТР, чел.-ч;
- оперативная трудоемкость ежедневного обслуживания ЕО (в чел.-ч)
ПЕО
SEO - (7-3)
1
где ПЕ0 - количество операций ЕО; SE0/ - оперативная трудоемкость Z-й опера-
ции ЕО;
- периодичность ТО (в км), обозначаемая по видам /т_ /ТГ1О, /г„.
I U I ICzLJ
К числу дополнительных показателей отнесены:
- разовая оперативная трудоемкость (в чел.-ч), обозначаемая по видам об-
служивания
ЦоГ ^ТО2' ^ЕО’ ^СО (7-4)
- коэффициент доступности при ТО
378
Рис. 7.1. Показатели ЭТ в системе взаимосвязей с надежностью автомобильной техники
379
п
Т/осн
к 1________
%. ТО п
Л(т + т
/осн /всп
(7.5)
где Т. , Т - соответственно средняя основная и средняя вспомогательная
/ОСН /всп
трудоемкости 7-й операции:
- коэффициент доступности изделия при ТР
"fx
1/оТР
Кд.ТР п-
(7.6)
/о.ТР /в.ТР
- удельное число крепежных
операций при ТО по всем его очередным видам
(в ед./тыс.км)
то2 i
то2
(7.7)
где п то1 , Лто2 псо1 - число крепежных операций при 7-м ТО каждого ви-
да;
Лр Л2, Л^ - число обслуживаний каждого вида за пробег до капитального ре-
монта (аналогично рассчитывается удельное число регулировочных и смазочных
операций по всем видам ТО испытываемого изделия - П. П\;
per см
- число марок применяемых топливосмазочных материалов (в ед.)
Рт.с = Рто1 + ДРто2 + ДРсо + ДРтр- <7 8>
где рто1 - число марок топливосмазочных материалов (без учета заменителей и
вспомогательных материалов), применяемых при операциях ТО1; Др - дополнения
номенклатуры топливосмазочных материалов, применяемых при операциях ТО2,
СО и ТР, соответственно,
- число марок, применяемых технических жидкостей (в ед.):
Рт.ж = Рто1+ ДРто2+ ДРсо+ ДРтр’ (7-9)
где Ц - число марок технических жидкостей (индексы те же, что для топливо-
смазочных материалов);
- коэффициент применяемости инструмента
380
к = -^
т
(7 Ю)
|де Л/ - количество единиц инструмента, используемое в процессе ТО и ТР;
Л - количество точек, для которых этот инструмент предназначен, при /’-й опе-
рации ТО и ТР; т - общее число операций ТО и ТР.
Проведенные на автополигоне исследования ЭТ более 120 моделей АТС позво-
лили сделать вывод о широкой информативности и достаточности применяемых
показателей для оценки ЭТ конструкций автомобилей, что и нашло свое отражение
в разработанном ГОСТ 20334—81.
Влияние показателей ЭТ на безотказность и долговечность автомобилей оказы-
вается весьма значительным.
Исследования показывают, что в зависимости только от качества выполнения
работ, регламентированных ТО1, частота случаев остановки автомобиля для ТР. а
следовательно, и его безотказность, меняются в 1,8...2,5 раза.
Таким же образом на изменение объема ТР влияет и полнота выполнения пе-
речня операций, рекомендованных для ТО. При выполнении лишь 50 % всех работ
ТО, указанных в Руководстве по эксплуатации, стоимость удельных затрат на ТР
возрастает почти в 1,5... 1,8 раза. Состав же работ ТР в этом случае более чем на
60 % состоит из крепежных и регулировочных операций, которые должны были
быть выполнены в процессе ТО, составляющих обычно около 30.. 40 % от общей
его трудоемкости
Режимы (периодичность) ТО также оказывают значительное влияние на интен-
сивность изменения параметров технического состояния агрегатов, узлов и дета-
лей АТС Так, увеличение периодичности замены масла в двигателе автомобиля
ГАЗ-24 (при неизменной его конструкции и марки масла) с 12.0 тыс.км до 24,0
гыс км повышает износ деталей более чем на 30 %.
Однако сокращение количества отказов и неисправностей лишь за счет увели-
чения числа и частоты выполнения работ по обслуживанию может оказаться неэф-
фективным, так как может привести к значительно большим объемам эксплуатаци-
онных расходов и увеличению стоимости поддержания АТС в технически исправ-
ном состоянии, чем затраты на устранение отказов в эксплуатации.
В то же время сокращение объемов ТО, например, за счет уменьшения числа ре-
гулировок момента установки зажигания, зазоров между контактами прерывателя, уг-
лов установки колес, давления воздуха в шинах и т.д. может привести к увеличению
расхода топлива до 15...30 %, повышенному износу шин, отказам свечей и др.
Кроме того, существенное значение имеет перечень работ ТО, связанных с со-
хранением внешнего вида АТС, увеличением срока службы деталей кузовов легко-
вых автомобилей, автобусов и кабин, подверженных интенсивному коррозионному
воздействию.
Работы, связанные с предупреждением коррозии, входят в объем ТО, причем,
доля таких работ в последнее время существенно возросла, как возросли и требо-
вания к приспособленности АТС к нанесению и возобновлению в процессе экс-
плуатации антикоррозионных покрытий.
Таким образом, ЭТ связана и с этим свойством надежности сохраняемостью и
коррозионной стойкостью.
381
S то,
чел-ч/тыс.км
чел-ч/тыс.км
б
S то,
чел-ч/тыс.км
Рис. 7.2. Удельная оперативная трудоемкость ТО автомобилей отечественного производства
и некоторых зарубежных аналогов (выделена штриховкой):
а - легковых; б - автобусов; в - грузовых.
382
Следовательно, ЭТ существенно влияет на надежность АТС, отражает затраты
на ее поддержание на заданном уровне, а оптимизация ее служит основой органи-
зации технологических процессов ТО и ТР в эксплуатации. В последние годы про-
исходит неуклонный рост затрат на поддержание автомобильного парка в работо-
способном состоянии. Например, затраты на поддержание в технически исправном
состоянии одного грузового автомобиля средней грузоподъемности за срок служ-
бы превышают затраты на его изготовление в 6...7 раз и более. Это объясняется
многими причинами, в том числе недостатками отработки конструкции по показа-
телям ЭТ на этапах проектирования, макетирования, доводочных, предварительных
и приемочных испытаний.
Большинство из известных исследований, выполненных в таких научно-исследо-
вательских центрах, как НИИАТ, МАДИ и других под руководством Г.В.Крамаренко,
Е.С.Кузнецова, Н.Н.Волкова, В.А.Семенова, Н.Н.Рябина и др. посвящены решению
вопросов ЭТ только серийных автомобилей.
В то же время приведенные на рис. 7.2 данные свидетельствуют о том, что
практически все перспективные автомобили по показателю, например, удельной
оперативной трудоемкости ТО отстают от лучших зарубежных аналогов.
Это предопределило необходимость не только внимательной оценки ЭТ на ран-
них стадиях создания автомобилей, но и совершенствования, а иногда и разработ-
ки новых методов исследования ее с учетом возможностей эффективной техноло-
гии полигонных испытаний.
7.2. Методы оценки
трудоемкости ТО и ТР
при полигонных испытаниях
Автомобиль является объектом труда
исполнителя, выполняющего операции ТО или ТР, но не предоставляет ему какого-
го постоянного места работы, такого как, например, у рабочего-станочника или
сборщика на конвейере. Выполняя обслуживание или ремонт, исполнитель прини-
мает значительное количество поз, совершает передвижения даже в пределах од-
ной операции. Оценка трудоемкости такого рабочего процесса представляет зна-
чительные трудности потому, что доступность и удобство выполнения даже одно-
именных операций на разных автомобилях неодинаковы.
Доступность и удобства выполнения операций ТО и ТР зависят также и от ан-
тропометрических характеристик исполнителя. Этому необходимо уделять внима-
ние при постановке и проведении опытных наблюдений для сопоставимости их ре-
|ультатов. Ориентировкой в подборе исполнителей могут служить антропометриче-
ские стандарты. Пример такого стандарта* показан на рис. 7.3 и в табл. 7.1.
Кроме того, сопоставимость оценки конструкции по удобству ТО и ремонта дос-
тигается сравнением рабочего пространства для выполнения операции в разных
позах, реально обеспеченного на испытываемом автомобиле, с оптимальным, ре-
комендуемым стандартом* так, как показано на рис. 7.4 и в табл. 7.2.
* MIL STD, USA.
383
Рис. 7.3. Основные антропометрические показатели оператора (численные значения в табл. 7.1)
Сопоставляются также размеры проемов для доступа к деталям крепления, ре-
гулировочным устройствам одной или двумя руками, с инструментом или без него,
пальцами, кистью, на различную глубину, другие подробности, рекомендуемые
стандартом. Поэтому объективная оценка доступности и удобства конструкции дос-
тигается осреднением результатов хронометража отдельных операций в ряде на-
блюдений процессов ТО и ТР.
384
Таблица 71
Обозначение на схеме Параметр Значение для 90%-ного доверительного интервала, мм
минимальное среднее максимальное
В положении стоя
А Зона вертикальной досягаемости руки 1950 2124 2294
В Рост 1650 1755 1857
С Высота глаз над полом 1544 1643 1743
D Высота плеча 1341 1435 1529
Е Высота локтя 1031 1105 1179
G Высота запястья 787 851 917
F Высота среднего (межфалангового) сустава пальцев 704 762 823
н Высота коленной чашечки 467 513 556
1 Высота лодыжки 125 142 173
J Глубина грудной клетки 203 231 264
к Толщина на уровне таза 193 224 259
L Зона передней досягаемости руки 754 820 889
М Глубина передней досягаемости руки 584
385
386
Продолжение
Обозначение на схеме Параметр Значение для 90%-ного доверительного интервала, мм
минимальное среднее максимальное
В положении сидя
N Высота в положении сидя 859 912 965
О Высота глаз 747 800 851
Р Высота плеча 541 592 638
Q Высота согнутого локтя 188 231 274
R Высота бедра 122 142 165
S Высота колена 511 551 592
т Длина бедра 556 599 645
и Высота подколенной ямки 424 432 463
V Длина предплечья с кистью 447 480 513
W Длина ноги 1001 1085 1174
X Расстояние от ягодицы до подколенной ямки 450 480 510
АА Ширина плеча 491 455 493
Y Ширина между локтями 386 440 503
Z Наибольший диаметр бедер 323 356 391
вв Размах рук 1674 1798 1920
<’и< 7 4 Размеры оптимального рабочего пространства для выполнения операции ТО и ТР
и |<а шинных позах (численные значения в табл. 7.2).
387
Таблица 7.2
388
Обозначение Параметр Размер, мм
на схема максимальный оптимальный в арктических условиях
Рабочее пространство при сидении на корточках
А В С Высота Ширина Оптимальный размер при наблюдении за индикатором Оптимальный размер при контрольных операциях Ширина Оптимальный размер при наблюдении за индикатором Оптимальный размер при контрольных операциях 1220 685 915 915 685... 1090 480... 860 1020 890... 1220 610..990 1300 1020 1120
Рабочее пространство при стоянии на колене
D Е F Ширина Высота Высота рабочей точки Оптимальный размер при наблюдении за индикатором Оптимальный размер при контрольных операциях 1070 1420 1220 685 710. .1120 510..890 1270 1500
Рабочее пространство в положении ползания на коленях
G Н Высота Длина 790 1500 915 965 1580
Рабочее пространство в распростертом положении*
1 7 Высота Длина 430 2440 510 610
Размеры сохраняются при положении лежа на спине
Как показывают опытные наблюдения, доступность выполнения каждой опера-
ции это свойство конструкции, характеризующееся главным образом объемом
пре дарительных демонтажно-монтажных работ для ее выполнения. Трудоемкость
пик работ определяется вспомогательным временем и оценивается коэффициен-
ты доступности
К =-^' (711)
'О + *в
। де f0 - основная трудоемкость; tB - вспомогательная трудоемкость.
Удобство выполнения операции - это свойство конструкции, определяющее воз-
можность достижения цели с минимальными затратами основного времени за счет
на исполнителя, сочетаний движений рук, необходимости перемещений испол-
ни юля или объекта воздействий, помощи второго .исполнителя и других факторов.
Уровень удобства характеризуется коэффициентом
Ку=П К, (7.12)
1=1
Включенные в эту формулу коэффициенты К. влияния на трудоемкость обслужи-
вания и ремонта различных обстоятельств при экспертной оценке удобства работы
полнителя обобщены по результатам опытных наблюдений в табл. 7.3.
Произведение коэффициентов доступности и удобства характеризует приспо-
оГнк'нность автомобиля к выполнению определенной операции ТО и ТР:
к - к к . (7.13)
п д у ' '
Нот коэффициент позволяет сравнивать уровень приспособленности к ТО и ТР
p.i (личных моделей автомобилей по одноименным операциям или по всему переч-
ню операций ТО и ТР в целом.
В качестве примера в табл. 7.4 приведена оценка приспособленности к некото-
рым операциям ТО через коэффициенты доступности и удобства.
Плица 7 4
Операция Тип автомобиля Коэффициент
доступности удобства приспособленности
Обслуживание Легковой 0,95 0,75 0,70
(проверка уровня, плотности, Автобус 0,90 0,40 0,36
шряженности) аккумулятора Грузовой 0,60 0,40 0,24
Регулировка тепловых Легковой 0,48 0,75 0,36
ш юров в клапанном Автобус 0,60 0,40 0,24
механизме двигателя Грузовой 0,70 0,45 0,31
кропление опор двигателя Легковой 0,8 0,55 0.44
Автобус 0,75 0,65 0,49
Грузовой 0,85 0,75 0,64
И । ыОл. 7.4 следует, что конструктивно вопросы обслуживания аккумуляторной
uipen и регулировки тепловых зазоров в клапанном механизме легкового авто-
мпоиля решены лучше, чем у автобуса и грузового автомобиля Однако операцию
389
Таблица 7.3
390
Характерные условия выполнения операции Коэффициент удобства при экспертных оценках исполнителей
удобно не вполне удобно неудобно
Положение корпуса КУ1:
СТОЯ 1 — —
в согнутом положении — 0,80 —
сидя на корточках — 0,70 —
стоя с поднятыми руками — — 0,50
лежа — — 0.25
Положение исполнителя относительно объекта воздействия КУ2:
внешнее 1 — —
введение в объект руки или инструмента — 0,50 —
введение в объект части корпуса — — 0,40
Необходимость перемещения исполнителя Куз:
отсутствует 1 — —
до 1 м — 0,75 —
свыше 1 м — 0,60 —
Сочетание движения КУ4: работа одной рукой — — — '
поворот ключа возможен на 180° и более 1 — —
на 120.180° — 0,90 —
на 60 .120° — 0.85 —
на 60° — 0,75 —
необходима поддержка вторым ключом — 0,70 —
затяжка с нормируемым значением момента — 0,60 —
необходима помощь второго исполнителя — — 0,50
работа двумя руками — 0,70 —
работа руками с корпусом — — 0.35
Визуальный контроль объекта КУ5: свободный и постоянный 1 — —
возможность по прекращению работ — 0,75 —
отсутствует (на ощупь) — — 0,50
Плотность соединяемых деталей или детали и инструмента КУ6: свободная (без нажима) 1 — —
тугая (легкий нажим) — 0,80 —
плотная (значительное усилие) — — 0,35
по креплению опор двигателя выполнять сложнее, причем К у всех моделей при-
мерно на одном уровне. Следовательно, основные потери времени обусловлены
неудобной позой исполнителя, а значит, и снижением производительности груда
при выполнении операции.
Рассмотренные выше особенности оценки приспособленности к ТО через и
Kf в полной мере относятся и к методам оценки приспособленности к ТР.
Однако проведение таких работ в процессе испытательного пробега по всей но-
менклатуре отказов существенно увеличивает срок получения необходимых данных,
коюрые не являются полностью детерминированными, так как возникновение отка-
| | является случайным событием, во многом зависящим от условий испытаний,
Ki лификации водителя, материала детали, климатических условий и других об-
< юятельств.
Поэтому необходимо введение определенных ограничений на номенклатуру оце-
ниваемых отказов и неисправностей для получения объективной сравнительной
оценки приспособленности к ТР.
Анализ данных по эксплуатационным и полигонным испытаниям показывает, что
около 60 % общего объема ТР выполняется непосредственно на автомобиле с ис-
ншн зованием запасных частей. В частой замене нуждается ограниченный перечень
деталей и поэтому агрегаты и узлы, в состав которых они входят, должны обладать
пысокой приспособленностью к ТР. В первую очередь это относится к деталям по-
ниженной надежности, таким как прокладки головок цилиндров двигателя, кресто-
вины карданных валов, пальцы и сухари пальцев рулевого управления, сальники,
тулки, изделия из фрикционных материалов и др.
Учитывая результаты выполненных исследований, а также методические разра-
чки научно-исследовательских организаций Минавтотранса РФ, при исследова-
ниях приспособленности к ТР принят принцип имитации текущего ремонта мето-
дом принудительной замены узлов и деталей определенной номенклатуры [8].
Показатели приспособленности автомобиля к ТР определяются по принятому
< речню операций, назначенному с учетом имеющихся данных по надежности про-
ин ипов (аналогов), наличия оригинальных конструктивных решений, направленных
। < нижение трудоемкости ТР, системы обслуживания и ремонта. Обычно в указан-
ный перечень включаются все основные агрегаты автомобиля.
В качестве основного показателя количественной оценки принята суммарная
ц|<|рагивная трудоемкость ТР (в чел.-ч)
Птр
5,с=Хтгр,. <7.Ы>
1
ныполнения необходимого перечня Лтр операций. Этот показатель учитывает и тру-
Д'>|.праты для восстановления полной работоспособности автомобиля, т.е. прове-
дение после снятия — установки каких-либо элементов соответствующих регулиро-
IUIK, пополнения объемов смазки и т.д.
Критерием количественной оценки принято отношение суммарных оперативных
трудоемкостей операции ТР перспективного автомобиля и его аналога
391
Если отношение меньше единицы - лучше, равно единице - на уровне, больше
единицы - хуже приспособленность к ТР перспективного автомобиля относительно
аналога.
В случае получения неудовлетворительных результатов по указанному критерию
предусмотрен анализ приспособленности к ТР по дополнительному показателю -
доступности объекта испытаний - с целью определения доли вспомогательной тру-
доемкости в общих затратах по каждой операции.
Показателями оценки приспособленности к ТР, наряду с удобством и доступно-
стью, являются взаимозаменяемость и приспособленность к транспортированию.
Взаимозаменяемость - свойство изделия, определяющее возможность проведе-
ния замены элемента изделия при ТР с минимальными трудозатратами за счет
легкости соединения-рассоединения элементов, отсутствия или минимума подго-
ночных, регулировочных и других работ.
Под приспособленностью к транспортированию понимается наличие специаль-
ных проушин, рымов, приливов для применения подъемных механизмов.
Установлено, что наибольшее влияние на трудоемкость ТР оказывает показа-
тель удобства работы тр. Оценка его производится так же, как и при ТО, ис-
ходя из наблюдений за выполнением операций ремонтным рабочим. В зависи-
мости от сложности выполнения операций, влияния различных факторов, пока-
занных в табл. 7.3, этот показатель может изменяться в пределах от 0 до 1.
Объективность и сопоставимость оценок приспособленности к ТР обеспечива-
ется единообразными условиями его проведения, которые включают применение
типового гаражного оборудования, приспособлений и инструмента поста испыта-
ний ЭТ.
Обобщение и анализ экспериментальных данных, полученных при полигонных
испытаниях различных автомобилей, позволили оценить влияние различных конст-
руктивных решений на трудоемкость замены отдельных узлов и агрегатов. Пример
такой оценки показан на диаграмме рис. 7.5. Как видно, увеличение трудоемкости
выполнения операций вызвано различным конструктивным обеспечением доступ-
ности объекта ремонта и происходит за счет возрастания вспомогательных работ,
связанных со снятием крышек, различных лючков или демонтажем других узлов.
На изложенных положениях основаны методики испытаний приспособленности
автомобилей к ТО и ТР, позволяющие проводить оценку этого свойства перспек-
тивных автомобилей, поступающих на испытания.
Для количественной оценки используется метод фиксации времени выполнения
операций при наблюдении (хронометраж), применение которого для оценки пока-
зателей ЭТ в условиях полигонных испытаний имеет свои особенности.
В результате анализа исследований по оценке оперативной трудоемкости уста-
новлено, что все работы, например, ТО состоят из двух видов операций: регуляр-
ной и нерегулярной профилактики. Операции регулярной профилактики выполня-
ются при каждом ТО, так как имеют лишь исполнительскую часть в отличие от опе-
раций нерегулярной профилактики, состоящей из контрольной и исполнительской
частей.
Характерным примером операций регулярной профилактики являются смазоч-
ные, контрольные и некоторые крепежные работы. К операциям нерегулярной про-
филактики относятся регулировочные и крепежные работы, контрольная часть ко-
торых выполняется при каждом ТО, а исполнительская - по потребности с соответ-
ствующим коэффициентом повторяемости.
392
1’и< 7.5. Влияние конструктивных решений (В=1, 2 ...) на трудоемкость замены отдельных узлов
или агрегатов за счет увеличения трудоемкости вспомогательных работ (показано штриховкой)
при состояниях объекта:
I открыт; 2 закрыт крышкой на защелку; 3 - закрыт крышкой с закреплением спецгайкой, от-
линчиваемой вручную; 4 - закрыт крышкой с закреплением гайкой под ключ; 5 - закрыт крышкой
скреплением несколькими гайками под ключ; 6 - закрыт другим узлом; 7 - закрыт двумя, тре-
мя ушами
Поэтому продолжительность выполнения операций обоих видов может значи-
(«>1.110 изменяться случайным образом из-за различного технического состояния
у шов и деталей в момент проведения работ. Продолжительность выполнения опе-
рации регулярной профилактики, как правило, подчиняется нормальному закону
р.к пределения с коэффициентом вариации около 0,26; а операций нерегулярной
профилактики - в большинстве случаев распределяется по закону Вейбулла с ко-
ффициентом вариации 0.4...0,6.
Па рис. 7 6 в качестве примера приведен полигон распределения продолжитель-
...и выполнения операций регулярной профилактики каждой из трех точек обслужи-
П.Н1ИЯ, за определенный заресурсный пробег автобуса особо малого класса.
Как видно, продолжительность выполнения любой из выбранных конкретной
операции имеет заметные отклонения от своего среднего значения (обозначены
очками /<! 23). Это объясняется различным объемом работы при проведении опе-
рации, который может изменяться прежде всего вследствие износа соединений и
механизмов. корродирования сопряженных деталей, нарушений герметичности и
прусик случайных состояний узла.
Эго подтверждает и анализ результатов определения продолжительности вы-
пплиения операций нерегулярной профилактики (рис. 7.7).
Рассмотрим подробно процесс выполнения конкретной операции ТО Известно,
ч1о операция состоит из суммы нескольких (6...18 и более) взаимно независимых
шомонтов - переходов.
И габл. 7.5 приведена в качестве примера продолжительность выполнения эле-
монюв операции крепления гаек передних рессор грузового авюмобиля в процен-
|цх ог общего затраченного времени.
393
Рис. 7.6. Полигон распределения случайной продолжительности операций регулярной профи-
лактики при обслуживании автобуса особо малого класса за ресурсные испытания:
1 - проверка люфта в шарнирах рулевых тяг; 2 - крепление фланца карданного вала; 3 - смазка
шкворня поворотного кулака.
Рис. 7.7. Полигон распределения продолжительности операций нерегулярного профилактиче-
ского обслуживания по частям контрольной (пунктирные линии) и исполнительской (сплошные
линии) за ресурсный пробег грузового автомобиля:
1 - регулировка свободного хода педали сцепления; 2 - доливка до нормального уровня масла в
коробке передач.
Продолжительность выполнения любого из них практически не оказывает влия-
ния на продолжительность следующего, а доля каждого из слагаемых достаточно
394
мала по отношению к сумме. Причем, большей частью увеличение (уменьшение)
<рудоемкости операций зависит от объема работ, связанных с изменением пред-
мета приложения труда.
Как видно из табл. 7.5 значительное влияние на продолжительность операции,
например, по левой рессоре, могут оказывать лишь элементы 6. 8, 10 12, завися-
щие от степени ослабления затяжки гайки к моменту выполнения обслуживания.
Таблица 7.5
Элементы операции Суммарная продолжительность, %
1 Подойти к инструментальному столику 1.0
2 Взять торцевую головку и динамометрический ключ 1.5
3 Спуститься в осмотровую канаву 2,5
4 Подойти к левой рессоре 1.0
Б Соединить головку динамометрического ключа с одной из гаек передней стремянки рессоры 1,0
6 Произвести затяжку гайки 9,0
7 Отсоединить головку динамометрического ключа от этой гайки и соединить с другой гайкой передней стремянки 2,0
8 Произвести затяжку гайки 9,0
9 Отъединить головку динамометрического ключа от этой гаики и соединить с одной из гаек задней стремянки рессоры 2,0
10 Произвести затяжку гайки 9,0
11 Отъединить головку динамометрического ключа от этой t пики и соединить с другой гайкой задней стремянки 2,0
12 Произвести затяжку гайки 9,0
13 Отъединить головку динамометрического ключа от гайки 1.0
14 Подойти к правой рессоре и выполнить аналогичные нюменты, указанные в п. 5... 13 45,0
15 Подойти к инструментальному столику 3,5
16. Положить торцевую головку и динамометрический ключ 1,5
Итого 100
Таким образом, сравнительная оценка может проводиться лишь когда все обь-
<*П4 воздействий на испытываемом (перспективном) автомобиле и аналоге, под-
iinpi ающиеся обслуживанию, имеют одинаковое техническое состояние (операции
имеют постоянный объем работ) в момент проведения исследований.
Иными словами, при определении количественных значений оперативной трудо-
емкое) и обслуживания отдельных точек приняты следующие допущения:
операции выполняются принудительно, независимо от необходимости их про-
пидепия;
- все виды работ выполняются в стабильных условиях полигона на посту экс-
)шуп) анионной технологичности, оснащенном типовым оборудованием, инструмен-
п>м и приборами.
Независимость операций и их продолжительности дает основания считать, что
«ни I, объем работ будет подчиняться нормальному закону распределения и возни-
395
кает возможность вероятностного прогнозирования оперативной трудоемкости ТО
автомобилей по точкам обслуживания.
При этом в определение точки обслуживания входят:
для крепежных работ - болт или гайка, винт, скрепляющие детали:
для регулировочных работ - параметр регулирования,
для смазочных работ - картер, пресс-масленка, смазываемая поверхность трения.
Исходя из этих определений по обширным результатам опытов подсчитаны ве-
личины средней оперативной трудоемкости обслуживания одной точки по видам
работ ТО для разных типов АТС (табл. 7.6).
Таблица 7 6
Виды работ Средняя оперативная трудоемкость, чел.-мин
легковой автомобиль автобус грузовой автомобиль прицеп (полуприцеп)
Крепежные 0,2 0,4 0,4 0,3
Регулировочные 5,5 9,6 9,2 4,0
Смазочно- очистительные 5,6 8,2 8,0 6,7
Приведенные в табл. 7.6 виды работ, составляющие около 85. 90 % объема ТО,
учитывают практически все точки обслуживания, известные уже на ранних стадиях
проектирования, например, при разработке технического проекта. Поэтому учет их
количества для последующего расчета оперативной трудоемкости ТО не представ-
ляет трудностей.
Оперативная трудоемкость по другим видам работ определяется через соот-
ветствующие коэффициенты и р?) от суммарной оперативной трудоемкости
видов работ обслуживания, включенных в конкретный вид ТО (ТО1. ТО2, СО).
Значения указанных коэффициентов определены также на основе опытных дан-
ных (табл 7.7)
Таблица 7 7
Виды работ Значения коэффициентов для типов АТС
легковой автомобиль автобус грузовой автомобиль прицеп (полуприцеп)
Уборочно-моечные 0,05 0,06 0,06 0,05
Контрольно- диагностические 0,10 0,11 0,12 —
Тогда суммарная оперативная трудоемкость конкретного вида ТО по точкам об-
служивания рассчитывается по формуле
STO
1
(7 16)
396
T«Ki АТС Периодичность и количество точек обслуживания
ТО1 ТО2 СО
периодичность, тыс.км крепежные регулировочные смазочные периодичность, тыс.км крепежные регулировочные смазочные периодичность, тыс.км крепежные регулировочные смазочные
Легковой 5,0 40 15 12 20,0 100 21 20 40,0 60 10 10
Автобус 4,0 275 25 22 16,0 410 17 15 32,0 202 9 10
Г рузовой 4 0 176 13 14 16,0 210 12 19 22,0 100 10 11
Прицеп 3,5 65 4 11 14,0 32 2 6 28,0 13 4 7
Полуприцеп 4,0 44 2 10 12,0 38 4 7 24,0 23 4 8
397
Таблица 7.9
Тип АТС Осредненная удельная трудоемкость точки ТО. чел-ч/тыс. км
при разработке конструкторско-технической документации по результатам предварительных испытаний
прогноз по точкам обслуживания хронометраж при опытных наблюдениях
Легковой 0.78 0,81
Автобус 2,94 2,80
Г рузовой 2,51 2.60
Прицеп 0,58 0.62
Полуприцеп 0,55 0.51
где Гк, Т , Тс - соответственно, средняя оперативная трудоемкость крепежной,
регулировочной и смазочно-очистительной операции (см.табл. 7.6): П*, П , П -
соответственно, число крепежных, регулировочных и смазочно-очистительных опе-
раций, подсчитанных по конструкторской документации перспективного автомоби-
ля; р, р2 - соответственно, коэффициенты трудоемкости уборочно-моечных и кон-
трольно-диагностических работ (см.табл 7.7).
Удельная оперативная трудоемкость ТО по точкам обслуживания рассчитывает-
ся. соответственно, по формуле (7.1).
Описанный метод прогнозирования по точкам обслуживания был опробован при
разработке конструкторско-технической документации ряда перспективных автомо-
билей Полученные значения удельной оперативной трудоемкости ТО были затем
проконтролированы на изготовленных в соответствии с разработанной документа-
цией образцах автомобилей, в процессе доводочных и предварительных испытаний
методом хронометражных наблюдений.
В табл. 7.8 приведены результаты определения исходных данных по перспектив-
ным автомобилям для расчета средней удельной оперативной трудоемкости ТО
различных типов АТС.
В табл. 7.9 приведены результаты расчетов по этим данным прогнозировавшей-
ся осредненной трудоемкости ТО “унитарной" точки обслуживания перспективных
АТС и значения этих же величин по обобщении результатов испытаний выпущен-
ных новых моделей тех же АТС.
Сравнение полученных значений показывает, что погрешность прогноза удель-
ной оперативной трудоемкости ТО по точкам обслуживания, как правило, не пре-
вышает 10... 12%, что вполне допустимо на стадии разработки конструкторско-тех-
нической документации
Таким образом, разработанный метод позволяет выбрать оптимальный вариант
конструктивных решений относительно ТО. своевременно вносить соответствую-
щие изменения, обеспечивающие заданный уровень ЭТ автомобилей.
7.3. Оптимизация
режимов ТО и ТР
при полигонных испытаниях
Как упоминалось выше, техническое
обслуживание АТС состоит из следующих основных видов работ: крепежные, ре-
гулировочные, смазочно-очистительные, контрольно-диагностические и убороч-
но-моечные.
Первые три вида относятся к так называемым профилактическим мероприяти-
ям. которые предотвращают отказы, связанные с этими воздействиями, и обеспе-
чивают безотказную работу до следующего ТО Четвертый вид работ лишь частич-
но связан с профилактикой отказов в части контроля и оценки состояния изнаши-
ваемых соединений (если износ не компенсируется проведением регулировочных
работ). В основном этот вид определяет необходимость и объем возможных работ
ТР в момент проведения ТО или несколько позднее (между ТО).
На рис. 7.8 показана примерная зависимость уровня относительной безотказно-
сти Р и долговечности L от объема П и периодичности / операций ТО
398
1'и< 7 8. Вид зависимостей безотказности (а) и долговечности (б) от объема и периодичности
IO штомобиля по видам работ:
?, 3 4 - крепежных, регулировочных, смазочных, контрольно-диагностических
Гак. насыщение объема ТО дополнительными операциями до определенного
момента ведет к повышению уровней безотказности и долговечности, однако лишь
по крепежным, регулировочным и смазочно-очистительным работам. По контроль-
||<| диагностическим работам такой уровень (Р=1) практически недостижим из-за
пычительной номенклатуры возникающих отказов, часто совершенно не связанных
профилактикой.
Увеличение же периодичности ТО при его неизменном объеме (т е. операции
ш шолняются реже, чем следует) уменьшает безотказность и долговечность, свя-
i.iiiiibie со всеми видами работ ТО.
Уменьшение периодичности ТО относительно рекомендованной может оказаться
не >ффективным и привести к увеличению затрат на поддержание технически ис-
np.iiiiioro состояния за счет увеличения продолжительности нахождения АТС на ТО
и < окращения времени использования его по назначению
Кроме прямого увеличения или уменьшения простоев в ТО и ТР, перечень и пе
риодичность операций ТО оказывают значительное влияние на все основные экс-
плуатационные свойства: тягово-скоростные, топливную экономичность, произво-
ди 1<‘ЛЬНОСТЬ и др.
Таким образом, очень важно правильно назначить режимы ТО (перечень и пе-
риодичность операций) в процессе доводочных испытаний с тем чтобы обеспечить
и поддержать заданный уровень надежности и других эксплуатационных свойств
Оптимизация режимов ТО - процесс длительный и сложный. Опыт показывает,
но выбор режимов ТО. как правило, состоит из следующих стадий:
назначение предварительных режимов ТО при разработке конструкторской до-
►ум< пгации (технического задания и технического проекта),
установление закономерностей изменения параметров технического состояния
лишней, узлов и агрегатов при испытаниях, формирование периодичности и обье-
м,1 необходимых операций ТО по их результатам;
проверка в ходе ресурсных испытаний установленных при доводочных испы-
। 1НИПХ режимов ТО по критерию обеспечения минимальных затрат на ТО и ТР в
1к< ттпуатации;
корректирование режимов ТО по результатам их проверки для обеспечения
оопичствия нормативным требованиям к безотказности, долговечности, трудоем-
|| in ТО и ТР в ходе приемочных испытаний;
399
- подтверждение режимов ТО при эксплуатационных испытаниях в различных
районах страны и внесение возможных изменений в объем ТО.
Наиболее трудной из них является первая стадия, когда вероятность принятия
правильного решения зависит от достоверности имеющихся данных по прототипу
или аналогу, опыта и интуиции разработчика. На этой стадии обычно руководству-
ются известными методами прогнозирования, аналогий и уточнений, использова-
ния существующих нормативов. Причем в случае проектирования перспективного
автомобиля по периодичности ТО руководствуются требованиями ГОСТ 21624-81,
а при формировании перечня операций учитывают данные сравнения конструкций
и надежности составных частей прототипа и аналога. Учитывая, что не все узлы
перспективного изделия являются оригинальными (впервые разработанными), за-
дача формирования перечня операций упрощается, и обычно для похожих состав-
ных частей назначают близкий по содержанию объем ТО. Для оригинальных узлов
устанавливается предварительный перечень необходимых операций, исходя из
предполагаемых режимов и условий работы изделия при эксплуатации.
Вторая стадия является наиболее продолжительной и наиболее ответственной,
основная задача которой заключается в оценке возможностей конструкции, отдель-
ных ее частей, соблюсти прогнозируемый уровень безотказности, долговечности и
трудоемкости ТО и ТР. Проверяется возможность реализации установленных ранее
режимов ТО, а сама задача сводится, во-первых, к получению фактических данных
о закономерностях изменения параметров технического состояния деталей, узлов
и агрегатов; во-вторых, к формированию действительно необходимого перечня
операций с последующей группировкой по видам ТО. Учитывая, что предваритель-
ный перечень операций ТО сформирован ранее, методы исследований на этой ста-
дии связаны с "обкаткой” перечня на конкретном изделии, установлением перио-
дичности каждой из операций (подтверждением ранее назначенной) и дополнени-
ем предварительного перечня операциями, ошибочно пропущенными на первой
стадии ввиду ограниченности данных о надежности.
Перед началом исследований проводится контрольное или исходное обслужива-
ние, при котором все параметры технического состояния устанавливаются в задан-
ных пределах и фиксируются в технической документации. В качестве базовой пе-
риодичности выполнения операций применяется периодичность, установленная на
предыдущей стадии. В зависимости от влияния функционирования детали, узла
или агрегата на безопасность движения, работоспособность и другие свойства из-
делия устанавливают заведомо более низкую периодичность контроля техническо-
го состояния элементов, находящихся под наблюдением. При проверке в ходе ис-
пытаний используются методы, позволяющие, как правило, без дополнительного
вмешательства, которое могло бы повлиять на техническое состояние элементов,
достаточно достоверно оценить необходимость выполнения воздействий и фикси-
ровать текущее значение параметров. Это обеспечивается применением приборов
технической диагностики (контроль параметров регулирования), хрупких лаковых
пленок (контроль крепежных соединений), отбором проб масел и смазок (контроль
содержания примесей), метрологическим обслуживанием контрольных операций и
исследований.
После окончания работ по формированию периодичности и объема разных ви-
дов ТО переходят к проверке оптимальных его режимов в ходе значительных по
пробегу (обычно ресурсных) испытаний.
Здесь наиболее подходящим является метод уточнения периодичности видов
ТО по критерию минимальных удельных затрат на ТО и ТР. Основным условием
400
<ч<> применения, которое в данном случае соблюдено, является наличие базис-
ном (ориентировочной) периодичности видов ТО, oi которой производятся все
дальнейшие расчеты. Такая базисная периодичность видон ГО установлена на
предыдущей стадии исследований. Несоблюдение этого условия существенно
у< ложняет и удорожает определение минимальных затрат на ТО и ТР, так как вы-
тыкает необходимость проведения работ на нескольких группах автомобилей с
различной периодичностью.
Поскольку периодичность ТО влияет на удельные затраты по ТР, то. очевидно,
что чем больше интервал периодичности, тем выше затраты на ТР и наоборот Так
как затраты на ТО убывают в функции его периодичности (до определенного мо-
мента). а затраты на ТР возрастают, то кривая суммарных затрат имеет точку пере-
тиба, которая и определяет оптимальную периодичность ТО В общем виде эта за-
висимость приведена на рис. 7.9, где 7” , /опт показывают минимальные трудоза-
траты и оптимальную при этом условии периодичность технического обслуживания.
Рис 7 9. Изменение затрат в зависимости от периодичности технического обслуживания /
Г,„ - на ТО; Тгр — на ТР; Т£ — суммарных
Практическое решение задачи обеспечения максимальной надежности (Рм ) в
период между обслуживанием при минимальных трудозатратах на ТО и ТР основы-
вается на получении фактических данных в процессе испытаний
При этом могут налагаться следующие ограничения
а) минимум трудозатрат Г при заданном уровне надежности (наработке
то зад
пл отказ). Р = Р„ , Т -> min;
' над зад’ то
б) максимальная надежность при заданном уровне трудозатрат: Т|о = Т ,
Р —к max.
тмд
По полученным результатам строится график и определяется оптимальная пе-
риодичность ТО, отвечающая одному из условий Однако чаще на практике накла-
дываются сразу оба ограничения: получение заданного уровня надежности при оп-
ределенной регламентации уровня трудозатрат на ТО и ТР.
401
На рис. 7.10 приведены результаты расчетов для оптимизации периодичности
ТО грузового автомобиля типа 4x2.
Рис. 7.10. Зависимости удельных трудозатрат и наработки на отказ от периодичности TO2 авто-
мобиля 4x2 для ее оптимизации и соответствия требованиям стандарта.
Приняты следующие ограничения: периодичность ТО2 не менее 16 тыс.км, сум-
марная удельная оперативная трудоемкость ТО и ТР не более 4,6 чел.-ч/тыс.км,
наработка на отказ не менее 20 тыс.км.
Полученный на графике диапазон периодичности ТО2 (от <т(п=14 до
/mjn=18 тыс.км) удовлетворяет условию ограничения трудозатрат на ТО и ТР
при соблюдении требований ГОСТ 21624-81 (не более 4,6 чел.-ч/тыс.км). Про-
веряем полученные результаты по критерию обеспечения заданной наработки
на отказ не менее 20 тыс.км. Как видно, такому условию удовлетворяет лишь
периодичность ТО2 не более 16 тыс.км, являющаяся минимально допустимой
по ГОСТ 21624-81 для автомобилей такого типа. Увеличение в этом случае пе-
риодичности без улучшения конструкции автомобиля вызовет снижение нара-
ботки на отказ.
После определения оптимальной периодичности ТО на следующем этапе работ
рассматривается возможность дальнейшего повышения надежности за счет неко-
торого перераспределения операций в разных видах ТО и ТР.
Исследования показывают, что в этом случае безотказность автомобиля может
быть улучшена на 8... 12% при введении предупредительных профилактических за-
мен отдельных элементов конструкций, имеющих ограниченный ресурс (свечи за-
жигания, приводные ремни, прокладки, тормозные шланги, сальники и др.).
Практика введения таких операций в объем ТО широко применяется за рубе-
жом. Некоторое увеличение трудозатрат на ТО компенсируется, как отмечалось.
402
повышением наработки на отказ. Кроме того, на этом же этапе обычно составляет-
ся перечень операций и виды разовых ТО для начального периода эксплуатации,
что позволяет выполнять некоторые работы плановых ТО основною периода реже,
либо, учитывая их коэффициент повторяемости, переводить их в ТР
Начальный период эксплуатации введен на всех автомобилях за рубежом и со-
ставляет в зависимости от модели 3...8 тыс.км с двумя — тремя видами ТО, при-
чем чем выше ресурс, тем больше такой период.
Кроме корректирования режимов ТО введением начального периода и принуди-
тельной замены отдельных элементов, на практике, учитывая разные условия экс-
плуатации в различных регионах страны, время выпуска, качество изготовления ав-
томобиля и особенности конструкции, возникает необходимость учета коэффици-
ента повторяемости. Он показывает, что у всех или части автомобилей следует
проводить профилактику (в основном регулировочные операции) с периодичностью
большей, чем предусмотрено.
Все возможные методы определения этого коэффициента в зависимости от
правильности назначенных режимов ТО приведены в работе [8].
Учитывая планомерное поэтапное выполнение оптимизации режимов ТО от раз-
работки конструкции до ее постановки на производство и затем в эксплуатации (на
подконтрольных партиях), может рассматриваться вариант, когда оптимальная по-
вторяемость нерегулярно выполняемой операции совпадает с периодичностью од-
ного из видов ТО. Тогда коэффициент периодичности может определяться графи-
чески в зависимости от коэффициента вариации, полученного ранее, и довери-
тельного уровня безотказной работы (рис. 7.11). Введение коэффициента повто-
ряемости позволяет установить среднюю трудоемкость операции, необходимую
для последующего нормирования видов ТО, планирования технологических про-
цессов ТО.
Коэффициент вариации
Рис 7.11. Зависимость коэффициента повторяемости от коэффициента вариации случайного
|Ш( пределения наработки на отказ при доверительной вероятности:
I Рд = 0.95; 2 - Рд = 0,90; 3 - Рд = 0,85; 4 - Рд = 0,80.
403
Последним этапом оптимизации режимов ТО, проводимым на автомобилях ус-
тановочной партии при полигонных испытаниях, является некоторое изменение со-
отношения между объемами работ ТО и ТР в результате включения в перечень
операций ТО часто повторяющихся операций ТР.
Суть метода корректирования объемов работ ТО и ТР заключается в следующем
[42]
- определяют затраты при выполнении текущего ремонта по потребности;
- рассчитывают затраты при выполнении тех же операций, но принудительно в
процессе ТО;
- определяют диапазоны значений коэффициентов вариации наработок на один
случай текущего ремонта;
- оценивают целесообразность включения операций ТР в ТО при данном соот-
ношении затрат на них и вариации наработки на случай ТР.
Таким образом, процесс получения оптимальных режимов ТО является много-
стадийным, продолжительным во времени. Как показывает практика, исследования
экономически целесообразно начинать с возможно более ранних стадий создания
автомобиля, в том числе стендовых испытаний отдельных агрегатов
Опыт проведения оптимизации режимов ТО на стадиях предварительных, доводоч-
ных и приемочных испытаний на автополигоне указывает на значительные резервы в
конструкции автомобилей, реализация которых за счет определенной доработки уз-
лов и агрегатов позволит сократить объем и увеличить периодичность ТО.
Однако произвольное, без необходимых исследований, увеличение периодично-
сти ТО может привести к обратному результату - повышению трудозатрат на ТР
иэ-за снижения наработки на отказ.
В настоящее время изложенный подход к оптимизации режимов ТО, хотя и вве-
ден в практику испытаний, безусловно, требует дальнейшего совершенствования и
развития, регламентации в нормативных документах, определенной доработки в
особенности с учетом методов форсированных ресурсных испытаний.
Последнее обстоятельство имеет самостоятельное и чрезвычайно важное значе-
ние для отработки всей технологии полигонных испытаний. Повышение интенсив-
ности воздействия при форсированных испытаниях на специальных дорогах, ока-
зывает значительное влияние на скорость изменения технического состояния дета-
лей, узлов и агрегатов автомобиля, так как в этом случае они работают в более на-
пряженных условиях. Следовательно, для предупреждения возникновения отказов,
обусловленных не недостатком вновь создаваемой конструкции или технологии из-
готовления, а особенностями нагружения в пробеге, режимы ТО и ТР, назначенные
по аналогии, должны быть обоснованно скорректированы. Исследования этой за-
дачи покажем на примере корректирования режимов ТО крепежных операций для
условий форсированных испытаний.
Известно, что на стабильность крепежных соединений влияет ряд факторов: гео-
метрия крепежных деталей, точность изготовления резьбы, материал крепежных
деталей и скрепляемого стыка, износ резьбы и поверхности стыка, загрязнение и
коррозия деталей, режим нагрузки, предварительная затяжка. Кроме того, по
имеющимся данным изменение предварительной затяжки за период работы любо-
го соединения осуществляется плавно и практически линейно до момента возник-
новения отказа, при котором происходит “раскрытие стыка" скрепляемых элемен-
тов конструкций из-за отвинчивания или вытягивания крепежных деталей.
Учитывая это, при исследованиях с целью ускорения процесса накопления необ-
ходимого количества замеров применялся метод искусственного уменьшения об-
404
мясги изменения допустимых значений измеряемого параметра Другими словами,
при изменении момента затяжки крепежного соединения or максимально до мини-
мально допустимого оно считалось в исправном состоянии, уменьшение момента
мгяжки на любую величину ниже минимально допустимого условно принималось
in отказ крепежного соединения.
Для исследований были выбраны 38 операций ТО, рключавшце 423 ючки крепе-
жа Перед началом исследований проводилась проверка всех крепежных деталей
на соответствие требованиям действующей чертежно-конструкторской документа-
ции. Плановый контроль и восстановление затяжки крепежных соединений осуще-
I гвлялись диномометрическими ключами, предварительно оттарированными на
i нециальном приспособлении, с периодичностью 0 5 /то1 серийной модели. Вы
волнение каждой операции включало обязательный контроль технического состоя-
ния и воздействие в зависимости от результатов контроля:
- при моменте затяжки выше минимально допустимого - воздействие не про-
изводилось;
при моменте затяжки, равном или ниже минимально допустимого, крепеж вос-
। шнавливался максимально допустимым моментом затяжки.
Для удобства наблюдения за крепежными соединениями в период между воз-
действиями применялся метод хрупких покрытий, позволявший без дополнитель-
ных затрат визуально контролировать их техническое состояние (обычно в конце
каждой смены). При повреждении пленок проводились те же работы, что и при
плановом контроле и обслуживании.
Результаты выполнения работ регистрировались в учетно-технологических кар-
ах полигонных испытаний.
Наблюдаемые интервалы между отказами (ослаблениями соединений) рассмат-
ривались как ряды случайных величин и подвергались статистической обработке В
качестве примера рассмотрим полученный ряд ослабления гаек крепления флан-
цев карданных валов за пробег, равный /Т01 серийной модели - 4000 км. Получен-
ный полигон распределения и теоретическая кривая показаны на рис. 7.12, из ко-
орого следует, что распределение интервалов между недопустимыми ослабления-
ми крепления подчиняется нормальному закону.
Проверка соответствия экспериментальных данных теоретическому закону осу-
ществлялась с помощью критерия Пирсона, подтверждающего в данном случае ги-
шпезу о нормальном распределении.
На графике видно, что величина пробега между очередными случаями ослабле-
ния гаек крепления фланцев карданных валов при форсированных испытаниях со-
< ывила / = 2152 км. Однако назначение периодичности, исходя из этого средне-
ср
io значения, приведет к тому, что около половины случаев отказов возникает ранее
усыновленного срока воздействия.
Задача ТО заключается в предупреждении возникновения отказов.следователь-
но. скорректированная периодичность подтяжки крепежных соединении должна
быть такой, при которой вероятность пробега / до отказа меньше* заранее задан-
ной величины, т е
Р(1< 1^Рзад. (7.17)
|дс Рзлд заданная вероятность безотказной работы
405
0,75
Рис. 7.12. Распределение наработки между отказами крепежных соединений карданного вала
автомобиля.
Для крепежных соединений рекомендуется Р^„ = 0,80...0,85. Скорректирован-
зад
ная периодичность / меньше экспериментально определенной средней наработки
на отказ / и связана с последней соотношением
/н = Яр. <718>
где р - коэффициент корректирования периодичности, зависящей от коэффици-
ента вариации наработки на отказ, а также принятой допустимой вероятности без-
отказной работы крепежных соединений.
Для удобства расчетов на рис. 7.13 приведен график зависимости этого коэф-
фициента от коэффициента вариации рассматриваемого статистического ряда и
обычно используемых уровнях доверительной вероятности.
При коэффициенте вариации V = 0,23 и Р = 0,85 из графика на рис. 7.13 на-
зад
ходим Р = 0,76. Следовательно, скорректированная периодичность выполнения
операции крепежа фланцев карданного вала составит: I = 0,76-2152 = 1600 км.
Аналогично определялись оптимальные периодичности выполнения других кре-
пежных операций по узлам и агрегатам автомобиля.
Как показывают результаты проведенных работ, скорректированные периодич-
ности выполнения крепежных операций отдельных агрегатов и узлов, как правило,
не совпадают.
Учитывая это, для определения общего коэффициента корректирования перио-
дичности выполнения крепежных работ применительно к форсированным испыта-
ниям все операции необходимо сгруппировать по видам обслуживания ТО1, ТО2,
СО, что, конечно, связано с неизбежным отклонением от оптимальной периодично-
сти отдельных операций. Причем из всей совокупности воздействий необходимо
406
выделить те, которые обязательно должны выполняться в порядке очередного ТО,
т.е. из перечня работ необходимо исключить операции, по которым отказов при
исследовании не наблюдалось или фактическая периодичность их выполнения зна-
чительно превышала интервал между очередными ТО. При этом применялся из-
вестный метод группирования по стержневым операциям, которые отличаются сле-
дующими признаками:
обеспечивают безопасность движения;
- невыполнение их значительно снижает безотквзность автомобиля.
Рис 7 13. Зависимость коэффициента периодичности ТО от коэффициента вариации распреде-
ления наработки между отказами при доверительных уровнях вероятности:
1. 2, 3. 4 - Рд = 0, 95; 0,90; 0,85; 0,80, соответственно.
В качестве стержневой для формирования ТО1 принята операция по затяжке га-
ек фланцев карданного вала /н = /Т01 = 1600 км, одновременно с которой могут
выполняться Ле операции, имеющие периодичность /Т01 < < /Т02, где lJQ2 - пе-
риодичность стержневой операции при ТО2.
Из приведенных исследований следует, что общий коэффициент корректирова-
ния периодичности проведения крепежных операций для условий форсированных
полигонных испытаний относительно периодичности, установленной для I катего-
рии условий эксплуатации, составил /3 = 0,4...0,5, т.е. периодичность ТО1 и ТО2
при форсированных испытаниях по крепежным операциям должна быть уменьшена
и 2...2,5 разв.
Мы рассмотрели корректирование операций ТО по первому из наиболее рас-
пространенных методов — учету допустимого уровня безотказности испытываемого
изделия.
В соответствии с разработанной, апробированной и внедренной на автополиго-
не при массовых испытаниях методикой корректирование режимов ТО и ТР и по
другим основным видам работ (смазочным, регулированным) осуществляется по
407
второму методу — методу учета допустимого изменения значения параметра техни-
ческого состояния испытываемого изделия.
При использовании этого метода также перед началом исследований проводит-
ся исходное обслуживание АТС с целью приведения всех параметров технического
состояния к номинальным значениям
При выполнении контрольного обслуживания:
- выполняются все контрольно-диагностические работы;
- регулировочные параметры устанавливаются по среднему заданному значе-
нию, так как характер изменения его величины в начале исследований неизвестен;
- выполняются в полном объеме все смазочные работы;
- в учетно-технологических картах регистрируются исходные параметры по ука-
занным работам, а в журнале учета выполнения операций ТО — пробег, при кото-
ром проведено обслуживание.
При этом операции ТО группируются по видам работ и выполняются в процессе
форсированных испытаний по результатам контроля технического состояния дета-
лей, узлов и агрегатов со следующей периодичностью
- контрольно-диагностические работы - 0,5 /ТО1.
- регулировочные работы - 0,8 /Т01;
- смазочные работы, а также работы по профилактической замене отдельных
элементов - 0.9 /ТО1:
- отбор проб при определении работоспособности эксплуатационных материа-
лов (масел, смазок и технических жидкостей) не менее двух раз между предусмот-
ренными интервалами замены
За период наблюдений в журнале учета выполнения операций ТР фиксируются
все случаи отказов и неисправностей, наименование выполненных работ.
Выбор конкретного метода контроля технического состояния узлов и агрегатов
АТС производится после классификации по влиянию на безопасность движения,
работоспособность элементов конструкции в зависимости от групп работ ТО
Например, при исследованиях по уточнению перечня и периодичности выполне-
ния смазочных работ применяются следующие методы контроля:
- по расходу смазки;
- по “пробиваемости" пресс-масленок;
- по усилию поворота сопряженных деталей относительно друг друга:
- по изменению физико-химических свойств масел и смазок;
- по темпу износа деталей, узлов и агрегатов.
Обработка результатов исследований проводится по данным учетно-технологи-
ческих карт и журналов учета выполнения ТР.
При этом в процессе пробеговых испытаний в каждом воздействии ТО на пара-
метр у определяется темп или интенсивность изменения в единицах его измере-
ния на тыс км пробега а , Получаемая совокупность значений этой случайной ве-
личины оценивается статистически обычно, как нормально распределенной.
Скорректированная периодичность операций по допустимому значению и зако-
номерности изменения параметра технического состояния рассчитывается в сле-
дующем порядке
Зная допустимые границы изменения параметра технического состояния ув и ун в
зависимости от наработки определяют
408
1и = Ув _Ун , (7.19)
»уау
где /н - рациональная периодичность операций, км; Ув и V - верхняя и нижняя
допустимые величины технического параметра, соответственно. ед.и.)мерсния,
коэффициент интенсивности изменения технического параметра; а^ сред
нее значение интенсивности изменения технического параметра, определяемое по
результатам испытаний, как
17 201
Здесь: а - интенсивность изменения технического параметра между последо-
нательно проводимыми измерениями; П - число измерений.
Значение коэффициента интенсивности изменения технического параметра под-
< читывается в зависимости от характеристики распределения а? и желаемого
уровня вероятности в пределах доверительного интервала по формуле
/,y=1+fflV> <721>
где f - нормированное отклонение, соответствующее принятому уровню веро-
шности,%; V - коэффициент вариации;
[/ = = (7.22)
" ЭУ
< Т - среднеквадратическое отклонение вариационного ряда.
Формирование видов ТО производится на основании расчетных данных по каж-
дой операции. Но в основу кладется периодичность стержневых операций, являю-
щихся основными для рассматриваемой стадии работ. Кроме того, учитывается ес-
н'сгвенное группирование, когда ряд воздействий имеет близкие рациональные
периодичности ТО. В этом случае эа периодичность видов ТО принимается перио-
дичность этой группы операций.
Возможно применение других, более сложных способов группирования, напри-
мер, с помощью линейного программирования, технико-экономических оценок опе-
раций и др.
409
7.4. Оценка влияния типовых
конструктивных решений
на уровень ЭТ по результатам
полигонных испытаний
(на примере крепежных
операций)
Результаты оценки трудозатрат при
предварительных испытаниях статистически представительного числа моделей ав-
томобилей показывают, что обычно при создании новой модели отмечается значи-
тельное количество конструктивных решений, неоправданно увеличивающих трудо-
емкость ТО и ТР. Например, при конструировании узлов крепления наиболее часто
допускаются следующие ошибки:
- значительное количество применяемых типоразмеров деталей “под ключ", уве-
личивающее номенклатуру приложенного перевозимого инструмента,
- отсутствие или незначительное количество самоконтрящегося крепежа;
- расположение сливных пробок емкостей в местах, не исключающих попадание
ГСМ и специальных жидкостей на другие узлы
- неудачные компоновочные решения, затрудняющие, а иногда делающие невоз-
можным выполнение отдельных операций ТО,
- отсутствие возможности выполнения некоторых операций одним исполнителем
Два последних вида ошибок доставляют наибольшие неудобства при выполне-
нии ТО и ТР. Из-за необходимости проведения значительного объема вспомога-
тельных работ и неудобных поэ исполнителей оперативная трудоемкость ТО и ТР
по отдельным операциям увеличивается на 40...60 %.
Почти 30 % объема работ ТО и около 82 % ТР приходится на крепежные, де-
монтажно-монтажные. соединительные, присоединительные и другие элементар-
ные операции, не говоря уже о том, что любая регулировочная или смазочная опе-
рация не обходится без работ с резьбовыми соединениями. Например, суммарные
трудозатраты лишь на выполнение крепежных работ при ГО автобуса среднего
класса типа ЛАЗ составляют почти 400 чел.-ч эа ресурс. Это обусловлено наличи
ем в конструкции АТС значительного количества крепежных деталей и их типораз-
меров, необходимостью частого восстановления величины момента эатяжки, рас-
положением многих точек в труднодоступных местах, что наряду с недостаточной
межзаводской унификацией, составляющей в среднем не более 20 %, затрудняет
проведение ТО и ТР, механизацию работ, а также вызывает необходимость разра-
ботки и обеспечения автотранспортных предприятий (АТП) чрезмерно широкой но-
менклатурой оборудования и инструментов, в том числе узкоспециализированного.
Проведенная оценка ЭТ при испытаниях более 120 моделей АТС показала, что
только по крепежным деталям типа болт-гайка общим количеством 2.0.. 3,5
тыс.шт. на один грузовой автомобиль или автобус количество типоразмеров со-
ставляет 16... 19 различных единиц, причем выбор типоразмеров крепежных дета
лей и их количества, применяемых в конструкциях автомобилей, носит произволь-
ный характер, подчас беэ учета требований унификации и специфики внешних воз-
действий на резьбовые соединения. Например, гайки стяжных хомутов крепления
топливных баков одинаковой вместимости двух грузовых автомобилей грузоподъ-
емностью 8 т и 12 т имеют размер под ключ 17 мм и 22 мм, соответственно, а для
410
крепления гаек брызговиков задних колес грузовых автомобилей средней грузо-
подъемности 4 т и 6 т необходимы гаечные ключи 10 мм и 14 мм. Два вида смен-
ных торцевых головок 36 мм и 27 мм применяются при креплении гаек колес авто-
бусов среднего и большого класса.
Тесная взаимосвязь между общим количеством крепежных деталей и их типо-
ра ^мерами, отсутствие нормативных документов, ограничивающих или регламенти-
рующих их применение в конструкциях АТС, приводят к увеличению количества и
номенклатуры необходимого для ТО и ТР инструмента и оборудования.
Проведенный в процессе оценки приспособленности к ТО и ТР базовых моде-
!и и серийных грузовых автомобилей анализ применяемых при работах гаечных
ключей (табл. 7.10), входящих в прилагаемый комплект инструмента и принадлеж-
ностей, показал, что их количество в полной мере обеспечивает потребности для
выполнения не только всех операций ТО, но и. в сочетании с типовым гаражным
оборудованием, выполнение большинства операций ТР.
Ь|блица 7 10
Показатели Грузоподъемность автомобиля, т
0.8 4.0 6.0 8,0 12,0
Количество единиц инструмента и принадлежностей, входящих в возимый комплект: 35 38 39 37 38
из них инструмента, шт. 24 24 30 29 30
н том числе гаечных ключей, шт. 14 14 18 16 18
из них используемых при ТО, % 100 100 100 100 100
Общий вес возимого комплекта: 22,0 22,0 25,4 28,4 30,0
н том числе гаечных ключей, кг 4.8 7,0 7,7 7,8 8,0
io же, в % 20 31 30 20 26
Не всегда требования унификации соблюдаются и при разработке новых кон-
>рукций АТС. Так, для выполнения крепежных операций при ТО перспективного
। рузового автомобиля (грузоподъемностью Ют) необходимо .13 открытых клю-
н-и с 17 различными размерами, из них 4 ключа применяются при работах лишь
1 2 раза, причем все они входят в комплект возимого инструмента, приклады-
п.н'мого к автомобилю.
Возможное сокращение за счет унификации количества типоразмеров под ключ
крепежных деталей позволит применять для ТО и ТР типовое оборудование и инст-
румент, исключить малоиспользуемые гаечные ключи из возимого комплекта инст-
рументов и принадлежностей, снизить его вес.
V зарубежных автомобилей например, за счет исключения крепежных деталей
елыпого диаметра количество типоразмеров под ключ составляет 10 12 ед., а
количество применяемых при ТО гаечных ключей на 25.. 30 % меньше, чем у оте-
< Н1СННЫХ АТС.
При оценке номенклатуры и размеров крепежных деталей особое ннимание сле-
дуй! также уделять обеспечению возможности создания необходимого момента за-
н|жки резьбовых соединений, контроль которого в условиях АТП с достаточностью
411
(по крутящему моменту или удлинению болта) производится лишь для ответствен-
ных узлов и агрегатов.
Чаще всего, особенно в труднодоступных местах, затяжка выполняется обычным
инструментом, причем создание здесь необходимого момента ключами стандарт-
ной длины иногда не обеспечивается. Например, для гаек (размер под ключ
46 мм) пальцев реактивных штанг большинства грузовых автомобилей, имеющих
балансирную подвеску, момент затяжки должен составлять 35...40 кгс м. Для соз-
дания такого момента затяжки применяются различной длины и формы удлинители
и насадки на ключи, исключающие возможность контроля за его величиной.
Предусмотренное ГОСТ 21624-81 увеличение периодичности ТО, в том числе по
крепежным операциям, стало возможным благодаря повышению надежности резь-
бовых соединений за счет улучшения качества изготовления и сборки, выбора оп-
тимальных размеров и формы, рационального применения разъемов в конструкции
узлов и агрегатов, что позволило по перспективным моделям АТС снизить удель-
ное количество точек крепежа на 15...20 % относительно прототипов. Общее же
суммарное количество крепежных деталей типа болт-гайка, подвергающихся ТО по
перспективным грузовым автомобилям, например, МАЗ и КамАЗ, типа 6x4, состав-
ляет 300 ..400 ед., что находится на уровне зарубежных аналогов МБ-2238, "Volvo-
1227", “Scania-1427".
Высокая стабильность сохранения величины момента затяжки обеспечивается
за счет широкого применения крепежных деталей прогрессивных конструкций, а
также средств их стопорения.
Из существующих способов стопорения гайки относительно болта, получивших
широкое распространение в отечественном автомобилестроении, используются
следующие: стопорение упругой шайбой 65...70 %, шплинтами 6...8 %, специаль-
ными шайбами 3...4 %, проволокой около 1 %.
Вместе с тем наряду с применением в конструкции АТС указанных способов
стопорения, наиболее прогрессивным является использование самоконтрящихся
гаек, создающих эффект стопорения за счет дополнительных сил трения путем
осевого или радиального давления, в зависимости от их конструктивного исполне-
ния. Ведущие автомобилестроительные фирмы Западной Европы расширяют ис-
пользование самоконтрящихся гаек, ограничиваясь обычно 3...4 типами (с нейло-
новой вставкой, с прорезью в основной или дополнительной частях, обжатые в
двух и трех точках и др.).
Опыт применения в конструкциях АТС надежных средств стопорения крепежных
деталей аналогичных типов, как одной из основных конструктивных мер борьбы с
самоотвинчиванием, также имеется и в отечественной автомобильной промышлен-
ности, например, на автомобилях семейства ВАЗ и КамАЗ. Определенную работу в
этом направлении ведет головная организация в отрасли по крепежу. Разработан-
ная им конструкция гайки, обжатой по торцу, показала положительные результаты
при проведенных сравнительных стендовых и полигонных испытаниях различных
типов самоконтрящихся гаек. Однако массовое применение самоконтрящихся гаек
на отечественных серийных моделях АТС еще недостаточно, а на перспективных
моделях автобусов и грузовых автомобилей, например, семейства ГАЗ и ЗИЛ со-
ставляет в среднем 5...6 % общего количества.
Исследования режимов ТО, выполненные в процессе полигонных ресурсных ис-
пытаний, показали, что почти в 30...40 % случаев ослабления резьбовых соедине-
ний они возникали вследствие несовершенства конструкций крепежных деталей.
412
Поэтому дальнейшее увеличение периодичности обслуживания не может быть
обеспечено без применения новых прогрессивных конструкции крепежных деталей,
в том числе самоконтрящихся гаек, в первую очередь в узлах и агрегатах АТС, под-
верженных знакопеременным нагрузкам (опорах силового агрегата, к трданных ва-
лах, стремянках рессор, колесах, опорах кабин), повышения стабильности сохране-
ния величины затяжки путем улучшения геометрии и точности изготовления резь-
бы, применения новых видов антикоррозионных покрытий.
Определение приспособленности к ТО и ТР перспективных АТС показало, что к
узлам и агрегатам, требующим частых воздействий, обеспечение удовлетворитель-
ного доступа имеет первостепенное значение, причем по большинству крепежных
работ это в значительной степени может быть решено применением различной
формы легкооткрывающихся лючков.
Доля вспомогательных трудозатрат, являющаяся функцией доступа, в зависимо-
сти от способа закрепления крышек лючков может существенно изменяться и со-
ставлять, например, при ТО от 10 до 90 % оперативной трудоемкости операции.
При обеспечении удовлетворительного доступа (объект воздействия открыт) повы-
шение производительности труда может быть достигнуто за счет улучшения удоб-
ства проведения работ.
Установлено, что от формы лючков и крышек удобство проведения операций
ТО и ТР зависит незначительно, в большей степени на это влияет площадь про-
ема лючков, которая, как определено в процессе специальных исследований при
испытаниях, должна быть не менее 0,12...0,14 м при работе двумя руками и
0,04...0,05 м при работе одной рукой.
Для снижения потребности в специальном инструменте следует шире применять
стопорение одной из крепежных деталей (болта или гайки) относительно другой
при завинчивании — отвинчивании, если они располагаются в труднодоступных
местах, например, деформируемых неметаллических вставок, особенно для соеди-
нения деталей кузовов и кабин. Во всех случаях должны быть также соблюдены
стандартизованные ГОСТ 13682-80 размеры мест установки крепежных деталей
под ключи гаечные, в том числе отсутствие приливов и выступов на узлах и агрега-
тах, препятствующих доступу механизированным инструментом. При невозможно-
сти соблюдения этих требований должен обеспечиваться оптимальный угол пово-
рота ключа при выполнении операции обычным инструментом.
На рис. 7.14 приведены результаты наблюдений при испытаниях за изменением
расходуемого времени и производительности труда ремонтного рабочего на одной
из преобладающих операций ТО и ТР в зависимости от основных показателей ус-
ловий работы, создающихся конструкцией автомобиля.
Видно, что в случае, если болт, на который навинчивается гайка, не зафиксиро-
ван от проворачивания, используются два ключа и поэа исполнителя неудобна,
время выполнения операции увеличивается в среднем в 3 раза. Вместе с тем даже
при обеспечении оптимальных условий работы увеличение длины навинчивания
влечет за собой резкое возрастание времени и, соответственно, падаег произво-
дительность труда. Однако в конструкции иногда применяют болты такой длины,
что вместо рекомендуемых 2...3 витков резьбы над гайкой выступают более 10, что
создает благоприятные условия для возникновения коррозии, существенно затруд-
няет последующую разборку и увеличивает трудозатраты на выполнение операций.
На рис. 7.14,6 показано, как влияют перемещения и поза ремонтного рабочего,
а также угол возможного поворота гаечного ключа за одну накидку на производи-
413
тельность труда. Как видно, снижение производительности труда при выполнении
операций даже от влияния лишь одного фактора (снижения угла поворота ключа от
180° до 40°) может составлять более 30 %.
Рис. 7.14. Зависимость расходуемого времени (а) и изменения трудозатрат (б) при завинчива-
нии гайки болта сочленения от конструктивных условий операции и разных факторов удобства:
1 - болт фиксирован от проворачивания, поза оператора удобна; 2 - болт не фиксирован, ис-
пользуется два ключа, поза удобна; 3 - болт не фиксирован, используется два ключа, поза не-
удобна.
Анализ показывает, что все перспективные модели АТС, а также их зарубежные
аналоги имеют в среднем 15...25 конструктивных решений, ухудшающих условия
выполнения ТО и ТР, из которых около 50 % в той или иной мере связано с кре-
пежными работами и устранение которых за счет изменения конструкций узлов и
агрегатов вряд ли экономически целесообразно. Вместе с тем типичные операции,
выполнение которых затруднено, предусматриваются у зарубежных аналогов с
большей периодичностью (реже) и с меньшей трудоемкостью, чем у отечественных
грузовых автомобилей и автобусов. Это обеспечивается максимально возможным
учетом всех рассмотренных выше факторов.
Существенное снижение трудоемкости операций ТО и ТР возможно и при вы-
полнении смазочных работ, где также выполняются операции с деталями крепежа.
Так, обычно на замену масла в картерах узлов и агрегатов приходится более 30 %
оперативной трудоемкости всех смазочных работ Технология выполнения операции
предусматривает вывинчивание и завинчивание заливных и сливных пробок, и в слу-
чае использования для этого различных ключей происходит заметное увеличение
времени замены масла за счет лишних переходов.
Совершенно очевидно, что большое количество типоразмеров деталей “под
ключ” требует большего числа инструментов.
Анализируя конструкции современных автомобилей, следует отметить, что в на-
т тоящее время применяется семь типов сливных и заливных пробок (табл. 7 11)
Используются две формы головок с углублениями "под ключ" и две формы го-
ловок с выступами "под ключ”, которые обеспечивают различные углы поворота за
одну перестановку ключа при работе 90, 60 и 45".
Применение разных форм головок, очевидно, обусловлено стремлением создать
более удобные условия для работы. Однако пробки на агрегатах обычно устанавли-
вают в местах, имеющих достаточный доступ инструментом, и поэтому применение
разнообразных головок не является необходимым.
В то же время нельзя считать оправданным, когда на каком-то агрегате одного
автомобиля заливные и сливные пробки отличаются друг от друга как по форме,
|ак и по размерам под ключ, как это имеет место на картерах коробок передач,
задних мостов и других агрегатах большинства автомобилей. В табл. 7.12 показана
форма, размеры заливных и сливных пробок агрегатов и узлов грузовых автомоби-
лей и автобусов.
На автомобилях первой группы имеются 5 типов пробок 13 типоразмеров, вто-
рой - 5 типов 15 типоразмеров, третьей - 4 типа 10 типоразмеров
ГОСТ 21624-81 рекомендует применять для каждой модели автомобиля не бо-
нне трех типоразмеров под ключ. Как показывают результаты полигонных испыта-
ний приведенные в табл. 7.12, эта рекомендация выполняется не в полной мере.
Даже по моделям автомобилей третьей группы (ГАЗ, ПАЗ и КАвЗ), имеющих
н дибольшее количество унифицированных узлов и агрегатов, для выполнения ра-
бот по замене масла при ТО требуется 9 ключей, из них 6 специальных.
1.1блица 7 13
Автомобиль Количество ключей* *<и
Группа Модель специальных стандартных всего
Первая ЛАЗ-695 1 5 6 0,17
ЛиАЗ-677 2 4 6 0,33
ЗИЛ-130 1 4 5 0,20
Всего в первой группе 4* 7* 11* —
Вторая МАЗ-500 1 4 5 0.20
МАЗ-6422 2 5 7 0,29
КамАЗ-5320 1 4 5 0,20
КрАЗ-256 1 4 5 0,20
Всего по второй группе 4* 7* 11* —
третья ГАЗ-53 2 3 5 0,40
ПАЗ-672 3 3 6 0,50
КАвЗ-685 3 2 5 0,60
Всего по третьей группе 6* 3* 9* —
Учитываются ключи только данного размера.
414
415
Таблица 7.11
Пробки Изображения пробок Применяемые ключи
Рисунок Условное обозначение
С углублениями под ключ: четырехгранным Специальный
шестигранным © Специальный
восьмигранным я Специальный
С выступами под ключ четырехгранным Открытый
шестигранным с® Торцовый, открытый, накидной
Болт © Торцовый, открытый, накидной
Винт Отвертка
416
417
Модель автомобиля Картер двига- теля Фильтр очистки Коробка передач Ведущие мосты Колесные редукторы Картер рулевого управления Баланси- ры под- вески Тошна- шйбак Количество типоразмеров пробок
топлива масла
Слиеная слиеная заливная сливная заливная сливная заливная сливная заливная заливная сливная
Первая группа
ЛАЗ-695 14 19 © 17 □ 30 □ 24 © 24 © 19 О 19 О 19 © 19 © 14 © 7
ЛиАЗ-677 14 19 © 19 27 © 12 24 © 32 22 14 шя 14 © 8
ЗИЛ-130 14 □ 19 © — 17 □ 19 9 □ 22 □ 14 мв 14 © 7
МАЗ-500 32 14 © 14 © 17 □ 19 □ Вго/ 19 □ за я гру 19 □ 'ппа 32 © 32 © 22 © 22 © 22 © 6
МАЗ-6422 22 14 © 14 © 24 17 □ 10 □ 10 □ 19 © 10 □ 22 © 22 © 14 © 22 © 7
Продолжение
418
КамАЗ- 5320 27 14 © 14 © 17 27 □ 12 22 □ в 12 М 14 □ 22 © 8
КрАЗ-256 32 14 © 14 © 17 □ 19 19 □ 19 в м 19 □ 17 14 22 © 5
ПАЗ-672 30 © 14 © в 11 12 Третья 32 группе, 12 10 М М 30 © 6
КАвЗ-685 30 © 14 © в 12 12 □ 14 □ 10 □ — — 14 © М 30 © 5
ГАЗ-53 30 © 14 © в 10 □ 10 □ 12 32 в м мв 14 □ — 14 © 6
Примечание: цифрами над обозначениями указаны размеры используемых ключей.
В настоящее время в нормативных документах, регламепгирующих показатели
>1. отсутствует показатель, учитывающий количество применяемого специального
инструмента. Это способствует некоторой свободе в выборе конструктивных реше-
нии, связанных с введением специального инструмента для обслуживания.
При исследованиях приспособленности автомобилей к ТО во время испытаний
проводится оценка достаточности инструмента, в том числе и специальною. Для
него применяется коэффициент использования специальных ключей (табл. 7.13)
Nc
Ки=—- №
No
|Де А/с, А/ - количество применяемых специальных ключей и общее количество
инструмента, необходимого для выполнения ТО.
Рассмотренные основы исследований, оценки и фактические данные ЭТ показы-
вают, что при полигонных испытаниях выявляются возможности оптимизации кон-
i (рукции, рациональной модернизации автомобильной техники, дающие значитель-
ное сокращение трудозатрат при эксплуатации и экономию в производстве.
Поэтому несмотря на то, что используемые данные иногда ограничены качест-
венными показателями ЭТ, ее оценка занимает ответственное место в технологии
Ч1ИГОННЫХ испытаний.
Глава 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ДИНАМИЧЕСКИХ (ХОДОВЫХ)
ИСПЫТАНИЙ СВОЙСТВ,
ПОДЛЕЖАЩИХ
ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ КОНТРОЛЮ
Пробеговые полигонные испытания,
как видно из приведенного выше дают возможность ускоренной и сопоставимой
оценки качества автомобиля, включая прежде всего надежность по показателям
долговечности, безотказности эксплуатационной технологичности, сохраняемости.
Однако зти показатели качества в сущности являются интегральными, отражающи-
ми влияние на их количественные выражения множества других свойств конструк-
ции. Показатели и измерители этих свойств крайне сложно интегрируются в оценку
качества автомобиля в процессе функционирования системы ВАДС
Очевидно, что на оценку качества автомобиля оказывают существенное влияние
показатели тягово-скоростных свойств, топливной экономичности, тормозной дина-
мичности, управляемости и устойчивости, защищенности водителя и пассажиров
при столкновении, наездах, опрокидывании, плавности хода, проходимости, пыле-
проницаемости кабин и кузовов, самозагрязняемости и многих других свойств и
особенностей конструкции. Но значимость каждого показателя как компоненты об-
щей оценки качества даже в стабильных и регламентированных условиях испыта-
тельного пробега на автополигоне выявляется лишь приблизительно.
Попытки общей оценки качества с учетом значимости отдельных свойств пред-
принимались неоднократно и, в частности, для составления так называемого ком-
плексного показателя технического уровня АТС. Анализ таких попыток показывает,
что получаемые комплексные оценки автомобиля хотя и коррелируются с оценками
в пробеговых полигонных испытаниях, но строго говоря не соответствуют совре-
менному понятию качества как уровня удовлетворения запросов потребителей.
Поэтому качество автомобиля, проявляющееся в пробеге, количественно раскры-
вается в оценках перечисленных выше свойств, определяемых в локальных, целе-
направленных испытаниях при предельно регламентированных условиях воздейст-
вия внешних факторов.
Получение опытных оценок этих свойств связано с полигонными испытаниями в
ряде случаев только сложившимся организационным построением системы испы-
таний и концепцией создания автополигонов в части сосредоточения испытаний
автомобильной техники в одном центре. Большая часть локальных испытаний от-
дельных свойств являются лабораторно-дорожными и лабораторными и относятся
к полигонным лишь поскольку на автополигоне сконцентрированы необходимые
специальные сооружения и лаборатории
Конструкция ряда сооружений автопол'игонов, как показано в гл. 2, разрабаты-
валась в соответствии с уже сложившимися программами испытании на основе по-
ложений системных дисциплин: теории, конструкции и расчета автомобиля.
Поэтому основы технологии лабораторно-дорожных испытаний носят "полигон-
ный” отпечаток лишь в части более эффективного использования имеющейся ма-
териально-технической базы, совершенствования метрологического обеспечения,
активного внедрения вычислительных средств и методов обработки опытных на-
блюдений. Это отчетливо отражается в НТД испытаний на базе автополигонов, в
обширной литературе, популярных изданиях и не нуждается в дополнительном ос-
вещении.
420
Вместе с тем в условиях развивающегося технического законодательства Рос-
сийской Федерации, прежде всего вступивших в силу законов о стандартизации,
сертификации и единстве измерений, меняется юридическии статус результатов
испытаний отдельных свойств и характеристик автомобильной техники. Оценка по-
казателей свойств, перечисленных в табл. 1.4, фактически выражает государст-
венный контроль за установлением и соблюдением нормативов с помощью испы-
таний. Особенно ответственному контролю подлежат свойства и характеристики
минимального обязательного перечня, указанного в табл. 1.5. В силу такой ответ-
ственности необходимо рассмотреть основы технологии испытаний для их оценки
гем более, что нормативы и строгость соответствующих методов эксперименталь-
ной проверки именно этих свойств неуклонно изменяются в сторону ужесточения.
Из минимального, но наиболее ответственного перечня свойств, подлежащих
обязательному контролю, далее рассматриваются* * основы технологии испытаний
лишь тех, которые тесно связаны с технической базой автополигонов, оставляя в
стороне испытания, которые хотя и выполняются, например, на Центральном авто-
полигоне, но беспрепятственно могут осуществляться и в других аккредитованных
лабораториях и технических службах.
8.1. Активная безопасность
Безопасность как свойство автомо-
биля выражает уровень вероятности возникновения опасных для жизни и здоровья
участников дорожного движения ситуаций. Термином “активная" безопасность вы-
деляется ключевое влияние на эту вероятность лишь тех характеристик и парамет-
ров конструкции, которые обеспечивают поведение автомобиля, адекватное воз-
действиям водителя на органы управления для избежания опасных дорожно-транс-
портных происшествий (ДТП). Поскольку активная безопасность реализуется в
функционировании системы ВАДС через водителя, в формировании эксперимен-
ыльной оценки этого свойства участвуют (непосредственно или по связям) также и
те характеристики конструкции, которые определяют интенсивность влияния всех
остальных элементов системы на управляющие действия водителя, а также на ис-
ключение его ошибок. Несмотря на такую сложность проявления активной безопас-
ности, анализ аварийных ситуаций в эксплуатации, в пробеговых полигонных испы-
ыниях, статистических данных аварийности на дорогах убеждает, что наибольший
нклад в вероятность ДТП автомобиля вносят показатели двух свойств: тормозной
динамичности, устойчивости и управляемости. Оценка прежде всего этих свойств и
предусматривается в обязательном порядке одобрения типа механических транс-
портных средств. Необходимо отметить, что испытания этих свойств имеют тесную
। нязь, так как для сопоставимости результатов предусматривается такая регламен-
глция условий, при которой проверка соблюдения нормативов одного свойства
требует лимитирования проявления другого Это неизбежно вследствие того, что в
испытаниях решающую роль играют одни и те же факторы взаимодействия колес с
опорной поверхностью дороги.
I риведенные в последующих разделах сведения подготовлены совместно со специалистами
НИЦИАМТ: А.П.Гусаровым, М.Е.Вайсблюмом (8.4), Э.Н.Никульниковым, А.В.Мельниковым (8.1),
• И Наркевичем (8.3), Ю.В.Галевко (8.5).
421
Тормозные свойства. Основу технологии испытаний тормозных свойств со-
ставляют известные положения теории автомобиля, устанавливающие связь дейст-
вующих на него в процессе торможения сил и моментов с параметрами конструк-
ции в общем виде. Исходя из этих положений, установлен показатель тормозных
свойств - эффективность торможения, а измерителями для его количественной
оценки выбираются тормозной путь, установившееся замедление, тормозная сила,
время до полной остановки. Исходя из анализа рабочих процессов тормозных сис-
тем, к оценкам эффективности отнесено также время срабатывания тормозов. С
помощью этих измерителей проявление тормозных свойств в динамике наглядно
отражается известной тормозной диаграммой, выражающей зависимость замедле-
ния автомобиля / от времени действия тормозов. Частный пример ее записи в ав-
томатическом режиме включения измерительной аппаратуры тормозных испытаний
показан на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Тормозная диаграмма, размеченная по времени:
Тс — срабатывания тормозного привода; Тн — нарастания замедления; Туст — установившегося
замедления; Тр — растормаживания.
Развитие другой упомянутой выше основополагающей научной дисциплины -
конструкции и расчета автомобиля - показывает, что эффективность торможения
необходимо оценивать, во-первых, при использовании ставших обязательными в
современных конструкциях АТС различных тормозных систем - рабочей, запасной
(или независимых контуров рабочей), стояночной, вспомогательной; во-вторых, при
разных состояниях тормозных механизмов — нагретых, мокрых; в-третьих, при раз-
ных типовых условиях воздействия внешних факторов. Это влечет за собой расши-
422
рение номенклатуры измерителей эффективности торможения и способов их опыт-
ной оценки, включая кроме ходовых также и стендовые испытания. Причем из-за
сложности и неоднозначности процессов изменения измерителей в зависимости от
случайно действующих факторов численные оценки эффективности торможения
связываются со строго регламентируемыми условиями экспериментального их оп-
ределения. Такая увязка, обеспечивающая также сопоставимость тормозных
свойств различных АТС, отражается в технологии испытаний прежде всего едино-
образным установлением трех основных типов испытаний: О, I и II.
В испытаниях типа 0 измеряется эффективность торможения при холодных тор-
мозных механизмах, когда температура наружных поверхностей тормозных бараба-
нов колес или тормозных дисков сохраняется в пределах не более 50... 100' С
В испытаниях типа I измеряется эффективность торможения непосредственно
после нагрева определенным регламентированным образом тормозов.
В испытаниях типа II оценивается эффективность тормозов после определенным
образом ограниченного движения автомобиля на затяжных спусках с торможением.
В этих типах испытаний оцениваются рабочая и отчасти (в испытаниях типа 0)
мпасная тормозная система.
Эффективность стояночной тормозной системы определяют в статических испы-
1аниях на заданном уклоне (подъеме) с удержанием АТС неподвижным в течение
регламентируемого времени - 5 мин.
Эффективность вспомогательной тормозной системы (если она имеется) оцени-
пается в испытаниях, технологически близких к испытаниям типа I, но с иными
нормативами условий и результатов для зачетной оценки.
Развитие конструкции тормозных систем и включение в них разнообразных ме-
ханизмов, связь параметров которых с эффективностью торможения не выражает-
< я функциональными зависимостями (или очень сложна, неоднозначна), привели к
значительному расширению требований, зафиксированных в стандартах и подле-
жащих опытной проверке. В табл. 8.1 показаны современные требования, преду-
смотренные отечественными, международными и национальными стандартами к
сормозным системам, большинство которых количественно нормируются.
Из приведенного перечня видно, насколько сложна и обширна технология испы-
1.1НИЙ, объединяющая контроль конструкции и методы опытной оценки выполнения
предъявляемых в стандартах требований. Поэтому в технологии испытаний уделя-
< сся значительное место подготовке испытываемого объекта.
Подготавливаемое к испытаниям АТС должно быть технически исправным и со-
ошетствовать техническим условиям и инструкции по эксплуатации завода-изгото-
пителя. Особое внимание уделяется техническому состоянию механизмов тормоз-
ной системы, а также протекторов шин, проверке углов установки управляемых ко-
лес, от которых зависит величина самоторможения. Обязательной является про-
нерка состояния рабочих поверхностей трения (внутренняя поверхность тормозного
|>.|рабана и наружная поверхность тормозных накладок в сборе с колодками или
и 1ружные рабочие поверхности тормозных дисков и тормозных накладок). Прове-
ряется и устанавливается рекомендуемый зазор между барабаном и накладками,
проверяется герметичность тормозной системы, регулируется свободный ход тор-
мозной педали.
Новый образец перед проведением тормозных испытаний должен пройти обкат-
ку в объеме, предусмотренном инструкцией завода-изготовигеля. При этом шины
ыкже должны быть обкатаны пробегом в объеме не менее 500 км, а их износ в
423
Таблица 8.1
424 I 425
Нормируемые свойства НТД страны (международной организации)
Российской Федерации ЕЭК ООН ЕЭС США Швеции Японии
ГОСТ 22895-77 Правила № 13 Директива 71/320 Стандарты № 105а, 106, 116, 121 Стандарты № 135 Правила F-18 Стандарты 6910, 6911, 6912, 6913 _
Раздельность привода 4- + + + + + +
Надежность системы - - + +
Запас хода педали - - - + + +
Время срабатывания привода + + + + + + +
Время растормаживания + + + + + 4- +
Отсутствие резервных элементов, нормально находящихся в состоянии покоя + + + + + + +
Емкость резервуаров энергии + + + + + + +
Производительность источника энергии + + + + + +
Распределение тормозных сил + + - + + +
Совместимость тормозного управления тягача и прицепа + + - + +
Нормируемые свойства НТД страны (международной организации)
Российской Федерации ЕЭК ООН ЕЭС США Швеции Японии
гост 22895-77 Правила № 13 Директива 71/320 Стандарты № 105а, 106, 116, 121 Стандарты № 135 Правила F-18 Стандарты 6910, 6911, 6912, 6913
Требования к устойчивости при торможении - + + + + + +
Сигнализация аварийного состояния привода:
потеря давления + + + + + + +
уровень жидкости + + + - - + +
Контроль износа накладок:
автоматическая регулировка - + • + + + +
сигнализация износа - + • + + + +
одобрение типа материала накладок - + + - + + +
Требования к элементам привода. шланги гидропривода (спецификация) - + + + +
шланги воздушные (спецификация) ♦ • • + + + +
коррозионная стойкость трубок * - - - + +
прозрачные резервуары для тормозной жидкости (маркировка) + + + + + + +
емкость резервуара тормозной жидкости - - + + + +
Требования к тормозной жидкости (спецификация) + • + + +
случае большего пробега не должен превышать 50 %. Давление в шинах должно
быть установлено в соответствии с ТУ. Особенно важной при подготовке к тормоз-
ным испытаниям является балластировка, обеспечивающая точное распределение
веса по осям и колесам с отклонениями не более на образцах АТС:
грузовых ± 20 кг;
легковых ± 0,5 кг.
Необходимо, чтобы у грузовых автомобилей центр тяжести балласта совпадал с
геометрическим центром платформы, а для легковых и автобусов балласт распола-
гался: на сидениях - весом 75 кг, на полу - 30 кг (мешки с дробью или песком).
Для пассажирских автомобилей нашли применение различные наливные мане-
кены, заполненные на 2/3 водой и имеющие сообщения по каналам между емко-
стями вверху и внизу. В них при торможении происходит перетекание воды, что
воспроизводит динамическое перераспределение веса, наблюдаемое в эксплуата-
ции. Для испытаний специализированных транспортных средств (автобетоносмеси-
тели, растворомешалки, цементовозы, бензовозы, строительно-транспортные авто-
поезда и др.) желательно использовать натуральный перевозимый груз.
Для городских автобусов, в салоне которых бывает до 50...80 стоящих пассажи-
ров, балласт располагается дополнительно еще и вблизи верхних поручней, напри-
мер, с помощью медицинских носилок, специальных подвесов на ремнях. Крепле-
ние носилок обеспечивает некоторую податливость используемого балласта, кото-
рая имитирует перемещение пассажиров в салоне при торможении.
Перед проведением тормозных испытаний агрегаты трансмиссии и ходовой части
(кроме тормозных механизмов) прогреваются безостановочным движением со скоро-
стью (0,8.0,9) Vamax в течение не менее 1 ч. Такой режим вполне обеспечивает дос-
тижение рабочих температур в агрегатах и шинах, соответствующих эксплуатации.
Перед началом тормозных испытаний на АТС, у которых пробег меньше 500 км,
как правило, производится приработка фракционных элементов с тем, чтобы при-
легание рабочих поверхностей составляло для барабанных тормозов не менее
85 %, для дисковых - 90 % общей площади.
Приработка производится обычным методом последовательных торможений на
движущемся АТС в интервале скоростей (0,8...0,4) Vorvlrl с усилием на тормозной
атак
2
педали, обеспечивающим установившееся замедление не более 3 м/с .
Приработка проверяется через первые 100 торможений, а затем после каждых
50. Допускается выборочная проверка процесса протекания приработки тормозных
механизмов. Как показала практика проведения испытаний, требуемый процент
приработки достигается в течение четырех-пяти рабочих смен.
При испытаниях новых образцов в лаборатории измеряются и регистрируются
зависимости: давление жидкости от усилия на тормозной педали гидравлического
привода или давление воздуха в тормозных камерах от хода педали пневматиче-
ского привода. На испытательном роликовом стенде одновременно определяется
зависимость тормозных сил на колесах в контакте с опорной поверхностью от тех
же показателей.
К подготовительному этапу тормозных испытаний относят выбор дорог и их раз-
метку для зачетных опытов, определение коэффициента сопротивления качению
испытываемого АТС, подготовку стенда и измерительной аппаратуры. Эти работы
обеспечивают выполнение строго задаваемых нормативов на условия оценки эф-
фективности торможения.
426
В НТД на испытания типа 0 рабочей тормозной системы предписывается ис-
пользование ровной горизонтальной дороги при коэффициенте сцепления не ме-
нее 0,75 в сухом состоянии и 0,25.0,35 - в мокром
На Центральном автополигоне это динамометрическая дорога, ровные участки
комплекса специальных дорог.
Для испытаний типа I необходимый предварительный нагрев тормозов нормиру-
юя условиями: движением на ровной дороге с постоянным уклоном 7 % протя
женностью 1,7 км со скоростью, поддерживаемой торможением, 40 кмч '
Оценка эффективности нагретых таким образом тормозов производится иемед
пенно после прохождения участка нагрева в испытаниях типа 0.
При испытаниях типа II предварительный разогрев нормирован условием: дви-
кение с непрерывным торможением на дороге с уклоном 6 % протяженностью 6
км Оценка эффективности - немедленно за этим в испытаниях типа 0.
При таком порядке результаты испытаний типов I и II иногда называют остаточ
нои эффективностью торможения. Сложность подбора стабильных условий испыта
нии типов I и II преодолевается с помощью разогрева тормозов при буксировании
hi нытываемого АТС. В основу этого метода положена эквивалентность термонагру-
женности тормозных механизмов; теория и практика использования этого метода
>|р.|жена в ряде работ и стандартах НИЦИАМТ.
При всесторонних обследованиях тормозных свойств оценивается также эффек-
тивность торможения при мокрых тормозах. Нормируются условия предваритель-
ною замачивания в водяных ваннах или водополивом. На Центральном автополиго-
н< .но продолжительность или пройденный путь испытываемого автомобиля при
ыданной скорости движения в мелководном или глубоководном бассейнах, пока-
П1НЫХ в гл. 2. После замачивания оценивается в испытаниях типа 0 остаточная
ффективность и восстановление эффективности торможения
11ри оценке вспомогательной тормозной системы условия испытаний нормируются
уклоном дороги 7 % на протяжении 6 км. Измерителем эффективности является спо-
'•»1(>сгь АТС сохранять стабильную скорость с нормативным значением 30+2 кмч '
Им< < 1ся методика эквивалентных испытаний с оценкой знергонагруженности тор-
ми 1ных механизмов при буксировке или циклических затормаживаниях.
Метрологическое обеспечение тормозных испытаний включает оборудование
"»т и тмерения пути, скорости, времени, замедления, тормозных сил. усилий на
пли управления, непрерывной регистрации на удобном для расшифровки носи-
нчн а также тарировку и калибровку измерительного комплекса по каждому трак-
Для управления испытаниями необходима возможность визуального наблюде-
нии и умеряемых величин испытателем после включения аппаратуры во время каж
rni> опыта.
( .'временная технология тормозных испытаний автомобилей предусматривает
нр<'Ц|',|ри1ельное проведение их на стенде (обычно роликовом).
II них испытаниях более тщательно подготавливается тормозная система к
и||ици.1льным динамическим ходовым испытаниям, получаются объективные сведе-
нии о <ч‘ конструктивных характеристиках, данные для оптимальной настройки из-
рикчв.ттои аппаратуры
11.1 роликовых беговых стендах рекомендуется проводить испытания на скоро-
тих не ниже' 5... 10 км ч ' — легковых и 2.5 км ч ’ — грузовых автомобилей При
>м определяются суммарная тормозная сила, тормозные силы на каждом коле-
427
се, усилие на педали привода, время срабатывания тормозных механизмов, время
реакции водителя-испытателя.
По результатам стендовых тормозных испытаний принимается заключение о
пригодности и подготовленности АТС к ходовым испытаниям, если: отношение
среднего значения суммарной тормозной силы к полному весу имеет величину не
менее для автомобилей категорий М1 - 60 %, М2 и М3 - 50 %, N и 0 - 45 %, а от-
клонение отношения тормозных сил колес разных сторон одной оси (сторон тележ-
ки) не превышает 20 % большей из них.
Центральное место в оценке эффективности торможения автомобиля занимают
испытания рабочей тормозной системы типа 0. Измерители этого свойства и усло-
вия их получения нормируются обязательными стандартами в первую очередь.
Рабочий процесс испытаний следующий. Подготовленный к испытаниям автомо-
биль разгоняется на испытательном участке до скорости на 3...5 км/ч большей,
чем заданная, и затем по сигналу руководителя испытаний, следящего за испыта-
тельским тарированным спидометром, водитель устанавливает нейтральное поло-
жение в коробке передач и автомобиль движется накатом, снижая скорость. Сиг-
нал к затормаживанию контролер подает с небольшим упреждением, чтобы исклю-
чить из рассмотрения время реакции водителя. Водитель осуществляет торможе-
ние, максимально быстро прикладывая к педали заданное усилие. Результаты осу-
ществленного таким образом полного экстренного торможения заносятся в прото-
кол. Испытания, как правило, повторяются не менее шести раз, причем замеры
должны производиться при заездах в обе стороны испытательного участка, чтобы
исключить влияние случайных изменений внешних факторов (скорости ветра, по-
годных условий, профиля дорожного участка). В процессе торможения фиксирует-
ся отклонение автомобиля от прямолинейной траектории.
В протокол испытаний записываются усилие на педали, давление в приводе, на-
чальная скорость торможения, тормозной путь, текущее время и текущее замедле-
ние. Особо выделяется установившееся замедление.
АТС считается прошедшим испытания, если тормозной путь или установившее-
ся замедление соответствуют нормативам
До недавнего времени с нормативами сравнивались средние значения, рассчи-
танные по результатам нескольких (в нашем случае шести) контрольных торможе-
ний Сейчас по соглашению с техническими экспертами Комитета внутреннего
транспорта (КВТ) ЕЭК ООН положительная оценка результатов испытаний может
быть дана техническими службами и в том случае, если из трех попыток (торможе-
ний) только одна имеет положительный результат.
При соблюдении описанной технологии ходовых испытаний основным услови-
ем, предусматриваемым стандартом, является начальная скорость при включе-
нии тормозов.
В табл. 8.2 показаны установленные нормы этого условия и требования эффектив-
ности тормозных систем автомобилей разных категорий, приведенные к формулиров-
кам Правил ЕЭК ООН Ns 13. Испытания по этим Правилам считаются предпочтитель-
ными и применяются при сертификации. Кроме того, по этим Правилам и по Дирек-
тиве ЕЭС 75/524 устанавливаются требования к соотношениям между общей удель-
ной тормозной силой и удельными тормозными силами на колесах каждой оси. Отда-
ется предпочтение опережающему блокированию передних колес, особенно при ис-
пытаниях на дорогах с малым коэффициентом сцепления. Вместе с тем при подгото-
вительных опытах (заездах) отыскивается или подбирается давление на педаль тор-
мозов, обеспечивающее торможение на грани блокирования колес для того, чтобы в
428
зачетных испытаниях использовать максимально реализуемое сцепление Согласно
Правилам, реализуемое сцепление на осях контролируется.
Аналогично табл. 8.2 обобщены нормативы эффективности запасной тормозной
системы.
Одной из важных особенностей технологии тормозных испытаний является нор-
мирование не только эффективности тормозных систем, но и условий испытаний.
Кроме начальных скоростей торможения в испытаниях типа I нормируются условия
циклического нагрева по интервалам скорости в циклах, замедлениям, количеству
циклов; в испытаниях типа II нормируется поправка на уклон спуска в зависимости
от номинальной мощности двигателя и полной или снаряженной массы автомоби-
ля. Согласно исследованиям, проведенным на автополигоне, при этих испытаниях
с соблюдением требования Правил ЕЭК ООН № 13, директивы ЕЭК № 71/320,
стандарта ИСО 6597, шведских стандартов (Правила F-18) уровень энергонагру-
женности тормозных механизмов на 1 кг массы составляет около 1500 Дж у легко-
вых и 800.. 1100 Дж у грузовых автомобилей. Это служит основанием более рацио-
нального нормирования условий контроля остаточной тормозной эффективности.
При испытаниях увлажненных тормозных механизмов нормируются показатели
подготовительного этапа (испытания типа 0), предварительного этапа - по услови-
ям замачивания или увлажнения и основного этапа - по начальной скорости, сред-
нему замедлению последовательных циклов, интервалам времени между ними,
числу восстановительных циклов, усилию на педали.
Как отмечалось выше, при тормозных испытаниях не исключается занос автомо-
биля, который тоже подлежит контролю и нормированию. При этом учитывается
как снос с прямолинейной траектории, так и угловой разворот продольной оси.
Нормативными показателями являются: сохранение положения за время до полной
остановки движения в коридоре шириной 3,5 м и угла поворота не более 8°.
В целом сложившаяся технология тормозных испытаний включает обязательную
оценку:
- эффективности рабочей, запасной (или раздельных контуров рабочей), стоя-
ночной, вспомогательной тормозных систем;
- эффективности и восстанавливаемости мокрых тормозных механизмов;
- термонагруженности и эффективности охлаждения тормозных механизмов;
- устойчивости при торможении;
- времени срабатывания пневматического тормозного и гидравлического приводов;
- характеристик пневматического тормозного привода (включая наполнения
сжатым воздухом, расходную характеристику, защитную и статическую силовую
характеристики);
- совместимости тормозных свойств тягача и прицепа у автопоездов,
- характеристик реализуемого сцепления;
- эффективности инерционной тормозной системы отдельно прицепа (согласно
приложению 12 Правил ЕЭК ООН № 13) и в составе автопоезда.
Детально рабочие процессы испытаний для оценки всех перечисленных показа-
телей, обязательных для сертификации соответствия тормозных систем требовани-
ям стандартов и прежде всего Правил ЕЭК ООН № 13, изложены в пакете аттесто-
ванных методик аккредитованной технической службы НИЦИАМТ
Ближайшая задача перспективного развития технологии испытаний тормозных
свойств состоит в разработке условий для оценки автотранспортных средств, обо-
рудованных антиблокировочными системами (АБС), так как к 2000 году предусмат-
ривается установка этих систем на всех выпускаемых моделях.
429
Таблица 8.2
430
Категории АТС* Скорость начала торможения, км.ч 1 , „ . . тормозной путь, м Нормативы эффективности: - —-% замедление, м-с
по ГОСТ 22895-77 по Прави- лам ЕЭК ООН №13 по стандартам США для автомобилей по стандарту Швеции (F-18) для автомобилей***
с гидроприводом (MVSS-105) категорий** с пневмо- приводом (MVSS-121) А в
а ь с d
М1 80 43,2 50,7 45,2 50,7
7,0 5,8 6,6 5,8
М2 60 32.1 36,7 28,1 31,5 45,8 — 32,9 36,7
6.0 5,0 7,2 6.2 3.8 5.8 5.0
М3 60 32,1 36,7 45,8 34,7 — 36,7
6,0 5,0 3,8 5,4 5,0
N1 80 56,8 61,2 — 50.9 — — — 54,4 —
5,5 5,0 6,3 5,8
N2 60 34,2 36,7 — — 31,5 45,8 34,7 — 36,7
5,5 5,0 6,2 3,8 5,4 5,0
N3 60 34,2 36,7 — 45,8 34,7 36,7
5.5 5.0 3,8 5,4 5,0
* По ГОСТ 22895-77 и ГОСТ 28429-90.
* * а - легковые; b - полной массы менее 3630 кг; с - то же от 3630 до 4536 кг; d - то же более 4536 кг
* ** А - полной массы до 3500 кг; В - то же более 3500 кг.
Согласно Правилам № 13 ЕЭК ООН, для оценки эффективности действия и эко-
номичности АБС необходимы испытания на участках с высоким и низким коэффи-
циентами сцепления. Эти участки необходимы для испытаний типа “микст", когда
в процессе торможения колеса одного борта движутся по поверхности дороги с
низким коэффициентом сцепления, а другого - с высоким, и типа “переход”, когда
на участке торможения коэффициент сцепления всех колес автомобиля резко из-
меняется.
В настоящее время нет единых международных требований к специальным до-
рогам для проведения таких испытаний, важных для оценки качества АБС. Единст-
венное требование в Правилах № 13 к коэффициентам сцепления фтах > 0,8 и
<pmjri = 0,3, а соотношение высокого и низкого сцепления не ниже 2. Ближайшая
задача включает разработку технологической базы эффективных испытаний этих
видов - специальной дороги с обоснованной композицией участков с различными
сцепными характеристиками поверхности, их длины, ширины, чередования, физи-
ко-механическими свойствами покрытия, инженерным оборудованием (водополив,
дренаж и другие устройства).
Разработка такого оборудования одновременно определит и эффективную тех-
нологию тормозных испытаний автомобилей с АБС.
Управляемость и устойчивость. Под управляемостью понимается свойство ав-
томобиля подчиняться действиям водителя для сохранения или изменения величи-
ны и направления вектора скорости движения (траекторное управление) и ориента-
ции продольной оси автомобиля (курсовое управление). Под устойчивостью пони-
мается свойство автомобиля сохранять заданные направление движения (траектор-
ная устойчивость), ориентацию продольной оси (курсовая устойчивость) и верти-
кальной оси (устойчивость против опрокидывания).
Управляемость и устойчивость должны быть такими, чтобы “средний" водитель
не испытывал затруднений при управлении:
- автомобиль должен реагировать на управляющее воздействие водителя пред-
сказуемым образом;
- изменение внешних условий (скорость автомобиля, сцепление с дорогой, из-
менение нагрузки, сопротивление воздуха и т.п.) должно оказывать минимальное
влияние на управляемость и устойчивость автомобиля;
- водитель должен получать четкое предупреждение о том, что автомобиль при-
ближается к границе потери устойчивости;
- управление автомобилем должно оказывать минимальное психофизиологиче-
ское воздействие на водителя и не вызывать переутомления.
Как и в других ходовых испытаниях для сопоставимой и воспроизводимой оцен-
ки управляемости и устойчивости автомобиля необходимо возможно более ста-
бильное и фиксируемое состояние всех элементов системы ВАДС при каждом
опыте.
Это достигается регламентацией состояния среды: температуры воздуха, скоро-
сти ветра, погоды, однообразием природной обстановки и отсутствием отвлекаю-
щих внимание обстоятельств на месте испытаний; регламентацией дорожных усло-
вий, включая ровность, сцепные свойства опорной поверхности, строгую и едино-
образную разметку траектории движения; регламентацией действий водителя пу-
тем определенных предписаний воздействия на органы управления автомобиля,
соблюдения заданных скоростей в опытах.
431
Все эти регламентируемые условия выбираются из множества сочетаний, воз-
можных в эксплуатации, так, чтобы ограничиться, во-первых, типичными, и , во-
вторых, что еще более важно, наиболее опасными по тяжести последствий воз-
можных ДТП. Кроме того, зти условия выбираются так, чтобы изменение их при-
знаков позволило выявить те конструктивные несовершенства, устраняя которые,
можно было бы довести показатели устойчивости и управляемости до приемлемо-
го уровня.
Но как бы строго не регламентировались состояния элементов системы ВАДС,
при испытаниях неизбежен случайный их разброс, в особенности, вследствие дей-
ствий водителя-испытателя.
Поэтому нормативы показателей или характеристик автомобиля, определяемые
при испытаниях, могут количественно задаваться только интервально, с определен-
ными пределами.
Технологические операции или виды основных испытаний приведены в
табл. 8.3, где использованы их условные, но характерные, ставшие общеприняты-
ми, наименования. Необходимые условия для испытаний управляемости и устойчи-
вости автомобилей и автопоездов, которые могут считаться образцовыми, созданы
на Центральном автополигоне так, как это показано в гл. 2. Существенной особен-
ностью подготовки и оборудования испытаний является разметка испытательных
участков согласно с требованиями стандартов.
На рис 8.2 показаны схемы такой разметки для испытаний “переставка" и “по-
ворот". На них указаны основные размеры устанавливаемых коридоров движения и
допустимые отклонения при разметке испытательных участков с помощью специ-
альных знаков. Общий вид размеченных испытательных участков показан в гл. 2.
Регламентируются испытания различным образом для разных АТС. Так, при
испытаниях "стабилизация" автомобили категории М1 разгоняют до установив-
шейся скорости 50 км ч , автомобили и автопоезда остальных категорий до ско-
рости 40 км ч в движении по окружности радиусом 50 м. По сигналу руководи-
теля испытаний водитель-испытатель быстро снимает удерживающее руль уси-
лие до полного возврата или остановки обратного поворота рулевого колеса.
Эта испытательная операция повторяется не менее трех раз при движении по
кругу в двух противоположных направлениях. Регистрируется угол поворота руля,
время, скорость движения. Результаты сопоставляются с нормативами, указан-
ными в стандарте по средним значениям во всей серии опытов.
Испытания усилий на рулевом колесе проводятся на неподвижном автомобиле и
в движении со скоростью 10±2 км ч ' с поворотом руля из нейтрального положения
(при положении управляемых колес, соответствующем прямолинейному поступа-
тельному движению) вправо до упора и затем влево до крайнего положения.
Испытания "прямая" дают оценку курсовой устойчивости и выполняются в дви-
жении по размеченному коридору длиной 400 м, со скоростью не менее 80 км ч
для автомобилей категорий М1, М2, N1, N2 и 60 км ч для остальных категорий.
Количество опытов (заездов) - не менее 10.
Испытания “переставка" определяются величиной S? на размеченном участке 2.
Для значений Sn равных 12 16, 20 и 24 м испытания проводятся с повышением
скорости от заезда к заезду для определения зависимостей поворотов руля от
скорости поступательного движения в момент пересечения передними колесами
границы между участками S, и S2 (см. рис. 8.2,а).
432
Таблица 8.3
433
Условное наименование вида испытаний Оцениваемые показатели, характеристики Регистрируемые и нормируемые величины Регламентирующие документы
Стабилизация Самовозврат управляемых колес в нейтральное положение без воздействия на рулевое колесо после поворота Скорость самовозврата рулевого колеса остаточный угол самовозврата угол заброса, время, скорость ОСТ 37.001.471-88, Правила №79 ЕЗК ООН
Усилие на рулевом колесе Нагрузка водителя для поворота Момент на рулевом колесе для поворота управляемых колес на месте и в движении (с исправным и неисправным усилителем), угол поворота руля, скорость движения АТС, время То же
Прямая Способность сохранения устойчивого прямолинейного поступательного движения Текущее значение угла поворота рулевого колеса, время, скорость движения, средняя угловая ско- рость корректирующих поворотов руля (подруливания)
Переставка Способность смены полосы движения при возможно высокой скорости, устойчивость при маневре Скорость движения, угол поворота рул я, время ОСТ 37.001.471-88
Двойная смена полосы движения То же То же ИСО 3888 75
Поворот с радиусом F? = 35 м Предельная скорость выполнения маневра, устойчивость против опрокидывания на повороте Скорость движения и боковое ускорение в момент опрокидывания ОСТ 37.001 471-88
434 I 435
Продолжение
Условное наименование вида испытаний Оцениваемые показатели, характеристики Регистрируемые и нормируемые величины Регламентирующие документы
Рывок руля Реакция автомобиля на экстренное управляющее воздействие по курсовой устойчивости и поворачиваемости в переходных режимах Угол поворота руля, угловая скорость поворота автомобиля около вертикальной оси, увод задней оси, заброс угловой скорости поворота до и после рывка,время 90%-ной реакции автомобиля ОСТ 37.001.471-88
Импульсное воздействие на рулевое управление (треугольная форма зависимости поворота руля по времени) Реакция автомобиля Переходные и частотные характеристики динамической системы ИСО 7401-88
Синусоидальное воздействие на рулевое управление с одним периодом и установившееся (не менее трех периодов) с частотой 1...4Гц То же То же То же
Боковое опрокидывание на стенде Устойчивость против опрокиды- вания статическая Углы опрокидывания платформы (кузова) и крена раздельно переднего и заднего сечения подрессоренной массы ОСТ 37.001.471-88
НапраВление
движения
а
Рис. 8.2. Схема разметки площадки для испытаний устойчивости и управляемости по видам:
а - переставка: б - поворот радиусом 35 м.
Sp S2. S3 — участки: движения с заданной установившейся контролируемой скоростью, совер-
шения маневра, стабилизации после маневра, соответственно.
436
Испытания “переставка” Sn = 20 м выполняются без освобождения педали по-
дачи топлива в момент начала маневра для сохранения постоянной предельно вы-
сокой скорости по началу заноса.
Испытания “поворот” с радиусом 35 м выполняются на участке с разметкой по
схеме рис. 8.2,6 с изменяемой от заезда к заезду скоростью в момент пересече-
ния границы между участками 1 и 2 с освобождением в этот же момент педали по-
дачи топлива. Изменение скорости - от 5 км ч ' в первом заезде до предельной по
началу сноса или заноса автомобиля через интервал 1...3 км ч '
Испытания “рывок руля” проводятся с предварительным разгоном на прямоли-
нейном участке АТС категорий М1, М2, N1, N2 до скорости 80 + 3 км-ч', категорий
М3, N3, L1-5 — до 60 + 3 км ч '. При въезде с этой скоростью на разворотную пло-
щадку производится резкий поворот руля с угловой скоростью не менее 400
град/с. Угол поворота рулевого колеса увеличивают в последовательных заездах
2
до возникновения бокового (центробежного) ускорения не менее 4,5 м с или по-
тери сцепления шин, или начала бокового опрокидывания. Испытания выполняются
при рывке руля последовательно в правую и левую стороны. Предельная скорость
характеризует как курсовую устойчивость, так и поворачиваемость АТС.
Подробное описание операций всех испытаний, перечисленных в табл. 8.2, а
также обработки их результатов, установленных численных нормативов приведены
в стандартах.
Во многих случаях испытания устойчивости и управляемости новых моделей ав-
томобилей и автопоездов включают исследования ряда характеристик, выражаю-
щихся в виде зависимостей:
- поворачиваемости в виде отношения угловой скорости к линейной (а>^/гд) от
угла поворота руля <zo при установившемся круговом движении;
- дрейфа Р° и угла крена Л° от бокового ускорения в том же режиме
движения;
- заброса угловой скорости Ata над установившимся значением от бокового ус-
корения в переходных режимах поворота и др.
В рассмотренных операциях испытаний предусмотрена инструментальная оценка
измерителей устойчивости и управляемости АТС. Кроме этого, используются и так
называемые органолептические оценки, выставляемые контролерами-испытателями
по пятибалльной системе в виде комплексной оценки устойчивости управления тра-
екторией движения, курсовой устойчивости, устойчивости против заноса и опрокиды-
вания, управления замедлением, в том числе при нештатных режимах испытаний, на-
пример, при торможении на повороте и в критических режимах движения.
Подробно эта система изложена в РД 37.001.005-86 “Методика испытаний и
оценки устойчивости управления автотранспортными средствами", разработанном
в НИЦИАМТ.
В заключение следует отметить, что несмотря на значимость устойчивости и
управляемости в оценке активной безопасности АТС международные нормативные
требования недостаточно разработаны и ограничены
Международные и национальные стандарты как на требования к АТС, так и на
методы испытаний этого свойства недостаточно гармонизированы, метрологиче-
437
сков обеспечение технологии испытаний не установлено прежде всего из-за не-
достаточной информации о накопленных фактических данных об испытаниях устой-
чивости и управляемости.
Одной из проблем, возникшей в связи с наметившейся тенденцией в развитии
конструкции АТС, является оценка управляемости и устойчивости полноприводных
автомобилей. Для ее решения в КВТ ЕЭК ООН Российской стороной предложен
проект Правил “Единообразные предписания, касающиеся официального утвер-
ждения типа транспортных средств категории М и N, имеющих привод на четыре
колеса, в отношении устойчивости”.
Рассмотренные положения технологии испытаний активной безопасности авто-
мобилей показывают, что остается актуальной задача повышения достоверности
получаемых оценок и их более точной связи с изменяющимися характеристиками
конструкции для снижения вероятности ДТП в эксплуатации.
8.2. Пассивная безопасность
В отличие от активной пассивная
безопасность характеризует способность конструкции предотвратить или ослабить
травмирование водителя и пассажиров при случившемся ДТП. Исследования и
статистика ДТП и их последствий показывает, во-первых, существенные различия
видов ДТП по тяжести последствий и, во-вторых, разную степень опасности по-
вреждения отдельных элементов конструкции. Исходя из этих положений и строят-
ся оценки пассивной безопасности, требования к конструкции в отношении безо-
пасности, технология испытаний для оценки соответствия автомобиля этим требо-
ваниям. В табл. 1.4 видно, что в настоящее время выработано более 20 требова-
ний к конструкции автомобильной техники для обеспечения определенного уровня
безопасности. Среди них выделяются требования безопасности в наиболее тяже-
лом виде ДТП - фронтальном или лобовом столкновении. При этом учитывается,
что по статистическим данным 80 % всех фронтальных столкновений с движущи-
мися или неподвижными объектами составляют прямые центральные удары, при
которых количество погибающих водителей и пассажиров достигает более 40 %
общего количества жертв в ДТП всех видов. Это является убедительным основани-
ем приоритетности требований пассивной безопасности при фронтальном столкно-
вении или наезде на препятствие.
Травмоопасность при фронтальном столкновении определяется уровнем пере-
грузок, возникающих в направлении спина - грудь водителя и пассажиров, и зави-
сит главным образом от деформаций передней части автомобиля.
Из этого следует, что и для создания травмобезопасного автомобиля, и для вы-
работки норм и требований к конструкции, и для разработки методов оценки в ис-
пытаниях соответствия готовой конструкции требованиям безопасности необходи-
ма теория, описывающая реакцию конструкции на фронтальное столкновение.
Такая теория развивается исходя из анализа и обобщения материалов испытаний,
в свою очередь становясь основой рациональной технологии самих испытаний.
Первоначальные теоретические представления о реакции автомобиля на
фронтальное столкновение строились на элементарной модели наезда автомо-
биля на неподвижное препятствие, схематически показанной на рис. 8.3. В ней
обозначены условно недеформируемая масса автомобиля т и упруго-вязкий
элемент, отражающий сминаемую часть конструкции с линейными характеристи-
438
ками возникающих сил упругого и неупругого сопротивления при наезде на не-
подвижную преграду.
Рис. 8.3. Схема упрощенной модели фронтального столкновения автомобиля с неподвижным
препятствием.
Математическая модель реакции автомобиля в этой схеме выражается диффе-
ренциальным уравнением движения
тх + + к,х - 0 (8.1)
с начальными условиями
х = х0; х-0 при t = 0.
Согласование этой модели с результатами эксперимента показало, что решение
уравнения (8.1) можно подогнать к опытной кривой деформации x(t) только по от-
дельным участкам или этапам процесса, на границах которых сама модель меняет
свои характеристики скачками. Несмотря на противоречивость такой модели (ли-
нейные характеристики на отдельных этапах, изменяющиеся скачками, свидетель-
ствуют о нелинейности и нестационарности системы за процесс), ее использова-
ние помогло обобщить результаты многих испытаний на единой основе и выявить
некоторые осредненные величины, характеризующие процесс реакции автомобиля
на фронтальное столкновение, усовершенствовать способы измерений и обработку
наблюдений.
В дальнейшем развитии теории фронтального столкновения наметился переход
от модели упруго-вязкой колебательной системы к энергетической модели и тео-
рии удара, использованной, например, в работе Р.К.Фотина.
Для последующего уточнения модели процесса фронтального столкновения эф-
фективна реалистичная характеристика зависимости нагрузки в контакте с препят-
ствием и деформации кузова в виде, полученном при испытаниях автомобиля на
Центральном автополигоне* исследователями МАМИ и АЗЛК (рис. 8.4). Здесь от-
ражены сложные процессы деформации, включающие мембранные эффекты в про-
цессе смятия конструкции, пластические деформации, незначительный возврат
энергии и т.д.
Автомобильная промышленность - 1986. - № 7.
439
Рис- 8.4. Зависимость нагрузки от деформации кузова легкового автомобиля при столкновении
с неподвижным препятствием на скоростях;
1 - 13,5 м/с'; 2 - 10.0 м/с ; 3 - 0 (статическое нагружение).
В этой работе также видны наметившиеся направления развития и использова-
ния теории для целей конструирования травмобезопасного автомобиля и сертифи-
кации выпускаемых конструкций. В обоих этих направлениях развиваются и анали-
тические, и экспериментальные методы, тесно связанные, так как для получения
практических выводов экспериментальные результаты требуют большой математи-
ческой обработки, а аналитические методы требуют большого количества началь-
ных данных, получаемых в экспериментах.
Если на первоначальном этапе изучения пассивной безопасности при фронталь-
ном столкновении, как показано выше, использовались динамические модели, опи-
сываемые линейными уравнениями в предположении малых деформаций, то сей-
час используются нелинейные модели подпружиненных структурных частей, осно-
ванные на теории больших деформаций. Уровень разработки последнего направле-
ния иллюстрируется, например, моделью фронтального удара, используемой в раз-
работках “Дженерал Моторе" (GM) и описанной в работе М.Б.Школьникова*.
Структурная схема, используемая для типовой программы расчета этой модели,
показана на рис. 8.5. Ниже дана расшифровка обозначений, приведенных на
рисунке.
Упругие элементы
Н(1) - капот;
R(2). R( 11) - верхний и нижний лонжероны.
Н(3) - бампер;
Н(4) - радиатор;
R(5), R( 17) - левый и правый передние средние лонжероны;
R(6), R(20) - левый и правый задние средние лонжероны;
* SAE Technical Paper Series. 891975.
440
R(l)
Рис 8.5 Типовая модель фронтального удара в исследованиях GM.
441
R(7). R( 13) - передняя и задняя опора двигателя;
R(8) - опора трансмиссии;
R(9) - шина и колесо;
R( 10) - перегородка;
R( 12) - балка-пол;
R( 14) - правый средний лонжерон;
R(15) - стойка — дверной пояс;
R(16) - вертикальная стойка;
R( 18) - подвеска,
R( 19) - жалюзи;
R(21) - ремень безопасности.
Массы
М( 1) - кузов;
М(2) - радиатор и жалюзи;
М(3) - перегородка;
М(4), М(7) - левый и правый передние средние лонжероны,
М(5) - двигатель и трансмиссия;
М(6) - шины и колесо;
М(8) - бампер;
М(9) - правый задний средний лонжерон;
М(10) - водитель.
Зазоры
G(1) - капот—барьер;
G(2) - верхний лонжерон — барьер
G(4) - двигатель — радиатор;
G(9) - колесо — барьер;
G(10) - перегородка — двигатель;
G( 13) - жалюзи — барьер;
G(16) - вертикальная стойка — двигатель.
В этой же работе рассмотрены основы новой, перспективной модели фронталь-
ного столкновения с помощью метода конечных элементов. В такой модели авто-
мобиль описывается очень детально и достигается высокая степень совпадения
расчета и эксперимента в оценках измерителей пассивной безопасности - дефор-
маций автомобиля и перегрузок водителя. Причем необходимые эксперименталь-
ные данные относятся в основном к свойствам материалов и деталей, что позволя-
ет оценивать пассивную безопасность без дорогостоящих натурных испытаний с
разрушением готовых образцов и полнокомплектных автомобилей, обеспечивает
возможность оптимального проектирования. Но, как показано в указанной работе,
использование модели требует сложного программного обеспечения, развитой ба-
зы данных, чертежей в электронной форме, а объем необходимых вычислений —
использования суперкомпьютеров.
В настоящее время технология испытаний пассивной безопасности строится на
натурных экспериментах полнокомплектных образцов. Отчетливо ее содержание
при фронтальном столкновении изложено в Правилах № 33 ЕЭК ООН — “Единооб-
разные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных
средств в отношении поведения их конструкции в случае лобового столкновения".
По этим правилам безопасность в сущности оценивается сохранением внутреннего
пространства в салоне автомобиля после лобового удара о неподвижное препятст-
вие при наезде с регламентированной скоростью.
442
Для такой оценки испытания разделяются на этапы: установление исходных раз-
меров внутри салона до удара, наезд в определенных условиях на препятствие и
измерения в салоне после удара.
На первом этапе устанавливаются точки и места отсчета размеров. Первой из
них является так называемая точка “Н" на каждом месте для сидения. Точка “Н”,
характеризующая положение сидящего в кабине водителя или пассажира, пред-
ставляет собой след на вертикальной продольной плоскости оси вращения ноги
относительно туловища, когда водитель или пассажир заменен объемным манеке-
ном. Для оценки фактического положения этой точки служит стандартный манекен
(рис. 8.6), вес которого приведен ниже (в кг):
Элементы, моделирующие спину и основание туловище ......................... 16,6
Спинные грузы....... 31,2
Грузы основания .. 7,8
Набедренные грузы ... 6.8
Грузы голеней . 13.2
Итого...................................................................... 75,6
Положение этой точки после размещения манекена на сиденье, установленном
в крайнем низком и крайнем заднем положении, отмечается как точка “R", характе-
ризуемая координатами относительно недеформируемых элементов конструкции.
На стандартном объемном манекене, вес и очертания которого соответствуют
величинам, характерным для взрослого человека среднего роста, установлена кро-
ме точки “Н” также базовая линия туловища - прямая, проходящая через точку со-
членения бедра и таза, и теоретическую точку сочленения шеи с грудной клеткой.
Если положение точки “R” и угол наклона спинки сидения задан заводом-изго-
товителем. то после размещения манекена эти величины проверяются по совпаде-
нию точки “Н” на манекене с точкой “R” в конструкции салона (расхождение не
должно выходить за пределы квадрата 30x20 мм в вертикальной продольной плос-
кости) и совпадению угла наклона спинки с углом наклона базовой линии туловища
манекена (расхождение не должно превышать 3°). При отсутствии таких данных за-
вода-изготовителя определяется фактическое положение точки “R” и устанавлива-
ется угол наклона спинки перед динамическими испытаниями по базовой линии ту-
ловища размещенного манекена возможно ближе к 25‘ с вертикалью, проходящей
через точку “R".
В предписаниях Правил Ns 33 строго обозначены не только весовые и размерные
показатели стандартного манекена, но и способы его размещения на сиденьях.
При испытаниях на подготовленном с помощью манекена транспортном средст-
ве производятся следующие измерения:
- для каждого переднего места для сидения определяется после удара расстоя-
ние между двумя поперечными плоскостями, одна из которых проходит через соот-
ветствующую данному сидению точку “R”, а другая - через самый задний выступ
контура панели приборов, не считая выключателей и приводов, на ширине 150 мм
по обе стороны от продольной плоскости, проходящей через центр сидения. Это
расстояние не должно быть меньше 450 мм;
- для каждого переднего места для сидения определяется до удара прямая на
пересечении продольной плоскости, проходящей через центр сидения, с горизон-
443
тальной плоскостью, проходящей через центр педали рабочего тормоза в нерабо-
чем положении. Затем определяется расстояние между точкой пересечения этой
прямой с передней частью кабины и точкой ее пересечения с поперечной плоско-
стью, проходящей через точку “R" после удара это расстояние не должно быть
меньше 650 мм;
- ширина пространства для ног определяется следующим образом: до удара
рассматривается горизонтальная поперечная линия, проходящая через центр педа-
ли рабочего тормоза в нерабочем положении, и определяются точки пересечения
этой линии с боковыми ограждениями пространства, отведенного для размещения
ног; после удара измеряется расстояние, разделяющее две вертикальные продоль-
ные плоскости, проходящие через те же самые точки; это расстояние не должно
быть меньше 250 мм для каждого переднего места;
444
Рис. 8.6. Стандартный манекен для испытаний автомобиля при лобовом столкновении по
Правилам № 33:
а - конструктивная схема б - монтаж на рабочем месте водителя.
- расстояние между полом и крышей определяется вдоль вертикальной линии,
проходящей через точку “R", в продольной плоскости, проходящей через центр си-
денья; после удара это расстояние не должно уменьшаться более чем на 10 %;
- после испытания никакой жесткий элемент в салоне не должен представлять
опасности серьезного ранения водителя или пассажиров;
- боковые двери не должны открываться от действия удара, а после удара долж-
на обеспечиваться возможность открытия без применения инструмента достаточ-
ного числа дверей для эвакуации всех лиц, находящихся в автомобиле.
Технология регламентирует место испытаний, барьер (размеры, вес, покрытие,
установку), соответствующие обустройству участка на Центральном автополигоне,
приведенному в гл. 2. а также подготовку, снаряженное состояние автомобиля и
условия разгона и столкновения его с препятствием. Одно из основных нормируе-
мых условий - скорость в момент удара при испытании фронтальным столкновени-
ем предусмотрена в пределах 48,3...53,1 км-ч . Измерение скорости при наезде
должно обеспечиваться с точностью до 1 %.
Как правило, каждое натурное испытание фронтальным столкновением исполь-
зуется для исследования происходящих процессов и сопровождается более широ-
кой номенклатурой измерений и регистрации, включая скоростную киносъемку, те-
кущее замедление элементов конструкции и манекена, усилия и деформаций
структурных частей и других величин. Это вносит некоторые изменения в техноло-
гию испытаний в соответствии с поставленными задачами.
445
8.3. Испытания динамичности
и топливной экономичности
Динамичность (тягово-скоростные
свойства) и топливная экономичность определяют два основных признака эффек-
тивности функционирования автомобиля: производительность при выполнении
транспортной работы и затраты горючего на ее выполнение.
Для оценки тягово-скоростных свойств автомобилей в основополагающих трудах
акад. Е.А.Чудакова предложены тяговая и динамическая характеристики, макси-
мальная и средняя скорость движения в различных условиях эксплуатации: для
оценки топливной экономичности - экономическая характеристика, представляю-
щая собой зависимость расхода топлива на единицу пути от скорости установив-
шегося движения при разных фиксированных дорожных сопротивлениях. Эти ха-
рактеристики применялись для решения ряда практических задач, однако со вре-
менем их использование ограничилось главным образом стадией тяговых расчетов
при проектных разработках новых моделей. Это объясняется прежде всего трудно-
стями экспериментального определения указанных характеристик в испытаниях, их
увязки с эксплуатационными наблюдениями и запросами потребителей в реали-
стичной форме. В настоящее время для оценки качества продукции автомобильной
промышленности в технические условия на автомобиль введены видоизмененные
показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности, определяемые
экспериментально или экспериментально-расчетными методами по результатам
полигонных и стендовых испытаний.
Характерной чертой развития испытаний и оценки этих свойств является объе-
динение их в общий комплекс с единообразной подготовкой испытываемых объек-
тов, общей технологической базой, включающей используемые испытательные до-
роги и сооружения, стенды, измерительную аппаратуру, схожие требования к вы-
полнению испытательных операций.
Вместе с тем в технологии испытаний на основе углубленных исследований ра-
бочих процессов, определяющих тягово-скоростные и топливорасходные свойства
автомобилей, предусматривается значительно более широкая номенклатура изме-
рителей и характеристик, чем указываемая в ТУ на различные конструкции.
Для всесторонней и достоверной оценки тягово-скоростных и топливно-эконо-
мических свойств автомобилей нормативно-технической документацией на Цен-
тральном автополигоне охватывается технология определения следующих величин
и зависимостей.
Максимальная скорость V , являющаяся наибольшей устойчивой скоростью
атах
автомобиля на одной из высших ступеней трансмиссии.
Условная максимальная скорость varnaxycfl. как средняя скорость прохождения
последних 400 м пути при интенсивном разгоне автомобиля с места на прямом
участке дороги протяженностью 2000 м.
Время разгона с места на заданном участке пути - показатель, характеризую-
щий интенсивность разгона автомобиля с места по средней скорости.
Время разгона с места до заданной скорости - показатель, характеризующий
интенсивность разгона автомобиля с места по среднему ускорению.
Контрольный расход топлива - осредненный расход топлива (л/100 км), получен-
ный на прямой горизонтальной дороге при регламентированных режимах движения.
446
Расход топлива в городском цикле на стенде - расход топлива, полученный при
имитации городского движения на стенде с беговыми барабанами в соответствии
с международными требованиями.
Базисный расход топлива - условный расход топлива, полученный как средне-
взвешенная величина по результатам заездов в магистральном и городском циклах
на дороге с учетом весовых коэффициентов этих условий в общем эксплуатацион-
ном пробеге автомобиля.
Средняя скорость и расход топлива на горно-холмистой дороге - показатель,
характеризующий тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомо-
биля при перевозках в горно-холмистой местности.
Средняя скорость и расход топлива на типовом маршруте магистральных пе-
ревозок - показатель, характеризующий скоростные свойства и топливную эко-
номичность автомобиля при движении в характерных условиях эксплуатации на
автомагистралях.
Средняя скорость и расход топлива на маршруте городского типа - показатель,
характеризующий скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля
при движении в характерных городских условиях эксплуатации.
На Центральном автополигоне последние показатели определяются на специ-
альных испытательных маршрутах, рассмотренных выше.
Топливная характеристика установившегося движения - зависимость расхода
топлива (л/100 км) от скорости установившегося движения.
Скоростная характеристика “разгон на заданной передаче” - зависимость ско-
рости от пути и времени разгона автомобиля на заданной передаче, начиная с ми-
нимальной устойчивой скорости.
Топливно-скоростная характеристика “разгон — замедление” - зависимость ско-
рости и абсолютного расхода топлива от пути и времени при разгоне и замедле-
нии автомобиля в заданном диапазоне скоростей.
Тяговая характеристика - зависимость суммарной силы тяги на ведущих колесах
от скорости движения.
Скоростная характеристика преодоления подъемов - зависимость максимально
возможной скорости движения от величины преодолеваемого подъема.
Топливно-скоростная характеристика циклического движения - зависимость
среднего расхода топлива и средней скорости циклического движения от протя-
женности циклов движения (расстояния между остановками).
Топливно-скоростная характеристика на дороге магистрально-холмистого типа
(скоростная дорога автополигона) - зависимость среднего расхода топлива (л/100
км) и средней скорости (км/ч) от заданной максимально допускаемой скорости
движения.
По результатам опытного определения этих величин и зависимостей могут стро-
иться и комплексные показатели оценки эффективности АТС:
- условная производительность автомобиля - отношение часовой производи-
тельности (ткм/ч) к расходу топлива на единицу пути (л/100 км);
- коэффициент использования энергозатрат - отношение полезной мощности,
затрачиваемой на преодоление сопротивлений, созданных полезной нагрузкой (со-
противления качению, подъему, инерции и воздуха) к тепловой энергии сжигаемо-
го в двигателе топлива в объеме часового расхода;
- коэффициент эффективности работы - отношение кинетической энергии по-
лезного груза, соответствующей данной скорости движения, к тепловой энергии
сжигаемого в двигателе топлива на единицу пути;
447
- удельная себестоимость использования автомобиля (руб/1ОО ткм) - отношение
суммарной часовой себестоимости производства и эксплуатации к часовой произ-
водительности автомобиля в данных условиях транспортной работы
Нормативно-технической базой технологии испытаний тягово-скоростных и
топливно-экономических свойств в отечественном автомобилестроении являются
ГОСТ 22576-90 “Автотранспортные средства. Скоростные свойства. Методы ис-
пытаний” и ГОСТ 20306-90 "Автотранспортные средства. Топливная экономич-
ность. Методы испытаний". Пооперационно эти методы конкретизируются в ряде
РД и стандартах предприятия на автополигонах. Требования этих документов к
технологии испытаний в основных положениях гармонизированы с международ-
ными и прежде всего с предписаниями Правил ЕЭК ООН. Содержание их отчет-
ливо представляется на примере единообразных предписаний, касающихся офи-
циального утверждения АТС в отношении измерения максимальной скорости (по
тексту раздела 5 Правил № 68).
Подготовка транспортного средства.
Компоновка транспортного средства и его положение должны соответствовать специфи-
кации завода-изготовителя. Кроме того, транспортное средство должно быть чистым, окна и
вентиляционные отверстия должны быть закрыты, для проведения испытаний должны быть
включены только те вспомогательные приборы, которые необходимы для движения транс-
портного средства.
Регулировка устройств подачи топлива (карбюраторов и топливных насосов) и зажигания,
вязкость масел для движущихся механических частей и давление в шинах (для движения с пол-
ной нагрузкой и с максимальной скоростью) должны соответствовать инструкциям завода-изго-
товителя транспортного средства. Если имеется устройство ручной регулировки подогрева воз-
духа, то его необходимо установить в положение ‘‘лето", если заводом-изготовителем не пред-
писано другого положения.
Двигатель, трансмиссия и шины должны пройти надлежащую обкатку в соответствии с инст-
рукциями завода-изготовителя.
Масса транспортного средства должна соответствовать массе в снаряженном состоянии,
увеличенной на 180 кг или на половину массы груза, если она превышает 180 кг
В ходе испытаний должно использоваться коммерческое топливо, предусмотренное для дан-
ного типа транспортного средства (в случае спора сторон - один из видов топлива, предусмот-
ренных в Правилах № 15).
Характеристика испытательного трека.
Испытания должны проводиться либо на прямом треке, либо на кольцевом.
При испытаниях на прямом треке состояние поверхности - твердое, ровное покрытие с хоро-
шим сцеплением.
Длина должна определяться с учетом точности аппаратуры и метода, применяемого для из-
мерения времени пробега таким образом, чтобы величина фактической скорости могла устанав-
ливаться с точностью до ±1 %. Эта длина указывается в протоколе официальных испытаний.
Участок движения с постоянной скоростью должен иметь такие же характеристики, как и уча-
сток, на котором производится измерение; он должен быть в основном прямым и достаточно
длинным для того, чтобы транспортное средство могло достичь постоянной максимальной ско-
рости до въезда на участок измерения.
Уклоны: продольные не более 0,5 %, поперечные не более 3 %, часть кольцевого трека мо-
жет приравниваться к прямому участку, если перечисленные характеристики состояния поверх-
ности сохраняются и если центробежная сила инерции меньше 20 % первоначального веса ис-
пытываемого транспортного средства, и компенсируются поперечным наклоном опорной по-
верхности участка
Заметим попутно, что характеристики динамометрических дорог автополигонов, приведен-
ные в гл. 2, вполне соответствуют предписаниям рассматриваемых Правил. Поэтому дополни-
тельные требования к кольцевым трекам опускаются.
Атмосферные условия.
Плотность воздуха во время испытаний, порядок определения которой приводится ниже не
должна отличаться более чем на 7,5 % от плотности воздуха при номинальных (сопоставимых)
условиях. Плотность воздуха определяется по формуле
448
. и т °
dr ~ d0--------• (8.2)
Н0 Гт
где dr плотность воздуха в условиях испытаний; d0 - плотность воздуха в номинальных ус-
ловиях; Нт - давление во время испытаний; 7~т - температура во время испытаний. К.
Номинальные условия: Hq ~ 1000 мбар, Т® = 293 К (20° С).
Кроме того, во время испытаний атмосферное давление должно быть не ниже 940 мбар, а
температура - не ниже 278 К (5° С).
Средняя скорость ветра, измеренная на высоте 1 м от поверхности дороги, не должна пре-
вышать 3 м-с \ скорость порывов ветра не более 5 м-с
Относительная влажность должна быть менее 95 %, а поверхность дороги оставаться сухой
Порядок проведения испытаний.
Непосредственно перед испытаниями температура частей транспортных средств, которая
может оказать влияние на измерение, должна быть стабильной в соответствии со специфика-
циями завода-изготовителя.
Во время проведения измерения используется то передаточное число в трансмиссии, кото-
рое позволяет транспортному средству достигнуть максимальной скорости на испытательной
дороге.
Акселератор устанавливается в положение полной нагрузки. Устройство для запуска холод-
ного двигателя и устройство ручной регулировки дроссельной заслонки отключаются. Пройден-
ное расстояние и время, затраченное для прохождения этого расстояния, должны определяться
с достаточной точностью для того, чтобы погрешность величины измеренной скорости не пре-
вышала 1 %.
Измерение производится при движении в двух противоположных направлениях на изме-
рительном участке. Сначала замеряется время Т-, затраченное на прохождение участка. На
этом участке необходимо следить за тем. чтобы мгновенная скорость не изменялась более
чем на 2 %. Такая процедура повторяется по меньшей мере 3 раза в каждом направлении;
при этом разница предельных величин шести зафиксированных значений Tf не должна пре-
вышать 3 %. Время испытания составляет
1 6
Т = (8.3)
6 1
скорость при испытаниях определяется по формуле
L
va=3-6~. (8.4)
Т
где Va - в км ч ; Т - в с; L - в м.
В предписаниях предусматривается возможность измерения максимальной скорости и при
движении в одном направлении, если соблюдается ряд дополнительных условий и вводится по-
правочный коэффициент
Толкование результатов.
Максимальная скорость, выражаемая в км ч и указываемая заводом-изготовителем для одоб-
ряемого типа транспортного средства, фиксируется (признается соответствующей. Прим.авт.)
в том случае, если она не отличается более чем на ±2 % от величины, измеренной технической
службой на транспортном средстве, представленном для испытаний. Если разница составляет
величину свыше ±2 %, то зафиксированной является величина, определенная в испытаниях.
Приведенные предписания дают представление обстоятельности, полноты и
формы изложения основных положений технологии испытаний, которые в основ-
ном сохраняются и в предписаниях для определения других рассматриваемых ни-
же свойств
449
Для испытаний топливной экономичности объем регламентации значительно
расширяется. Это прежде всего связано с увеличением количества обязательно
оцениваемых показателей. В ГОСТ 20306-90 установлены скорости, на которых оп-
ределяется контрольный расход топлива различных АТС при установившемся дви-
жении на прямой ровной дороге (динамометрических дорогах автополигонов), как
показано в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Тип АТС Скорость движения, км-ч'
40 60 80 90 120
Автомобили полной массой до 3,5 т — — — + +
Автомобили грузовые и автопоезда (кроме полноприводных) полной массой свыше 3,5 т, автобусы пригородные и местного сообщения
Автобусы городские + + — — — !
Автопоезда магистральные, автобусы междугородные и туристские + + + — —
Автомобили полноприводные полной массой свыше 3,5 т + + — — —
При этом величины контрольных расходов допускается определять по топливной
характеристике установившегося движения, снятие которой обязательно для всех
типов АТС.
В технологии испытаний топливной экономичности строго регламентировано
метрологическое обеспечение измерений.
Так, в Правилах № 15, № 83, № 84 фиксируются следующие требования: изме-
рение протяженности пути с точностью до 3 %, времени - до 0,2 с, измерение рас-
хода с точностью до ±2 % (причем измерительное устройство не должно изменять
давление в тракте подачи топлива более чем на 10 %, а температуру - более 5°С).
Измерительное устройство должно обеспечивать возможность измерения темпера-
туры топлива во время испытаний с тем, чтобы измеренный расход приводился к
номинальным условиям (100 кПа; 20°С) по формуле
С = КС , (8.5)
ном изм’ ' *
где К - корректировочный коэффициент. Последний определяется по формуле
Ro
/< =—
RT
где Rr, Ra3p, RT - сопротивление качению, аэродинамическое и суммарное при
скорости испытаний, соответственно; t - температура окружающей среды, °C; f0 -
номинальная температура (20°С); KR - температурный корректировочный коэффи-
^аэр А)
1 +
(8.6)
RT Р.
450
циент сопротивления качению 3,6 -10 3 на 1°С; р - плотность воздуха при испыта-
ниях; pQ - то же номинальная (1.189 кг/м3).
Величины R сообщаются заводом-изготовителем или по соглашению оценива-
ются в испытаниях технической службой (лабораторией) по установленной методи-
ке (добавление 3 приложения 5 к Правилам № 84 ЕЭК ООН).
Одной из основных особенностей современной технологии испытаний топлив-
ной экономичности автомобилей является переход от определения ее в движении
с установившимися режимами к определению в ездовых циклах, включающих пере-
менные режимы.
Это существенно сближает результаты испытаний с наблюдениями в эксплуата-
ции и помогает преодолеть разрыв между оценками расходов топлива, деклари-
руемыми в ТУ на автомобили, и слабо коррелированными с ними линейными экс-
плуатационными расходами.
Теория построения испытательных ездовых циклов основывается на представле-
нии достаточно длительного (в статистическом смысле) процесса изменения ско-
рости движения во времени как случайного стационарного процесса, типичного
для данных условий эксплуатации, и схематизации его по характерным режимам
для выделения в сжатом по протяженности виде наиболее важных признаков.
Как известно из теории рабочих процессов автомобиля, элементарный ездовой
цикл представляется в виде, показанном на рис. 8.7,а, и включает следующие ос-
новные характерные режимы движения: разгон Rr равномерное движение R2, на-
кат с замедлением R3, замедление с притормаживанием R4, остановка с работаю-
щим на месте двигателем Rg.
Как видно на графике каждый из этих режимов или фаз ездового цикла можно
описать численно двумя величинами: изменением скорости и длительностью. На-
пример, фаза разгона R1 определяется величинами Уд = va2 — vai и
tp = t2 — tv фаза замедления с торможением R4 определяется VR^ = Va4 —
“ f5 - *4 и т д
Если теперь взять зарегистрированный в пробеге по данному типовому маршру-
ту процесс изменения скорости как реализацию случайного процесса, то в опреде-
ленных допусках на отклонения от линейности связи скорости и времени эту за-
пись всегда можно разметить так, чтобы выделить последовательно меняющиеся
режимы или фазы, представленные в элементарном ездовом цикле. Такая размет-
ка реализации процесса показана на рис. 8.7,6. По ней видно повторение отдель-
ных фаз. но с разными случайными парами параметров. Например, режим разго-
нов наблюдается на участках между точками 1-2, 3-4, 4-5, 7-8, 10-11, 12-13, 14-
15. На каждом участке этот режим выражается парой случайных величин Уд и
Если их представить в интервальном или разрядном виде, го режим, напри-
мер, R1 в этом случайном процессе представляется статистическими рядами слу-
чайных. возможно коррелированных величин и tR . Как известно, числовые
451
характеристики композиции этих случайных величин могут быть определены по
статистическим рядам в виде точечных оценок математических ожиданий
дисперсий и и матрицей корреляционных моментов IIKR1vTll.
Этого достаточно для выбора наиболее вероятного режима R1 или нескольких та-
ких режимов в пределах заданной вероятности и доверительных интервалов его
параметров.
Рис. 8.7. Размеченная характеристика изменения скорости движения автомобиля
а - в элементарном цикле: б - зарегистрированной реализации в эксплуатации или ходовых
испытаниях (пунктиром обозначена полоса допустимых отклонений).
Точно так же оцениваются по вероятности и все остальные режимы или фазы
движения.
Если теперь выстроить последовательность наиболее вероятных режимов (с
возможным повторением для увеличения достоверности), то образуется непрерыв-
ный процесс, отражающий по вероятности основные черты случайного процесса,
представленного обработанной реализацией его. Такой ограниченный по времени
и управляемый процесс движения и принимается в качестве представительного
для тех условий, в которых зарегистрирован исходный непрерывный процесс изме-
нения скорости в течение достаточно длительного времени.
452
В элементарный ездовой цикл можно включить значительно больше подроб-
ностей (например, режимы переключения передач, замедление с включенным и
выключенным сцеплением и др.). Соответственно разметка исходного процесса
и построение эквивалентного испытательного цикла тоже будет подробнее и
полнее.
Ограничиваясь только изложенными теоретическими предпосылками построе-
ния испытательных ездовых циклов заметим, что описанные выше в гл. 5 испы-
тательные маршруты, воспроизводящие режимы движения при городских, маги-
стральных и горных перевозках, строились в согласии с описанной схематизаци-
ей регистрируемых длительных процессов движения и основаны на статистиче-
ском отражении в пробеге ограниченной протяженности наиболее вероятных па-
раметров фаз элементарного ездового цикла. Поэтому проезд одного замкнуто-
го маршрута является представительным испытательным ездовым циклом на
Центральном автополигоне, соответственно, городским, магистральным, горным
и т.д.
На этих же основаниях построены испытательные ездовые циклы, регламенти-
руемые стандартами.
Для испытаний топливной экономичности стандартизовано несколько ездовых
циклов: европейский (Правила ЕЭК ООН № 15), американский (LA = 4), японский,
концерна “Фольксваген" и др. В стандартах испытательные ездовые циклы пред-
ставляются по операциям в графическом и табличном виде. На рис. 8.8 и в табл.
8.5 показан ездовый испытательный цикл, установленный в предписаниях Правил
№ 15, принятый и в отечественном стандарте. Он считается характерным для го-
родского движения.
Рис. 8.8. Рабочий цикл при испытаниях топливной экономичности (Европейский цикл):
К - выключение сцепления и включение передач; Кг К2 - выключение сцепления при
включенной 1 или 2 передаче; РМ - нейтральное положение в коробке передач; R - остановка;
1, 2, 3 - движение на 1-й, 2-й, 3-й передачах; допустимые отклонения по скорости ± 1км/ч по
времени ± 0,5 с - обозначены пунктиром.
453
Таблица 8.5
СП _____________
№ операции Режим Ускорение, 2 м/с Скорость, км/ч Продолжительность каждой, с Затраченное время, с Режим управления трансмиссией (с механической коробкой передач)*
операции режима
1. Холостой ход 1 11 11 11 6 С РМ+5 С К,
2. Ускорение 2 1,04 0—15 4 4 15 1
3. Постоянная скорость 3 15 8 8 23 1
4. Замедление -0,69 15— 10 2 2 25 1
5. Замедление с отключенным сцеплением 4 -0,92 10 — 0 3 3 28 Ki
6. Холостой ход 5 21 21 49 16 с РМ+5 с К,
7. Ускорение 0,83 0—15 5 5 54 1
8. Смена скорости 6 2 12 56
9. Ускорение 0,94 15 — 32 5 61 2
10. Постоянная скорость 7 32 24 24 85 2
11. Замедление -0,75 32- 10 8 11 93 2
12. Замедление с отключенным сцеплением 8 0,92 10 — 0 3 96 К2
13. Холостой ход 9 21 21 117 16 с РМ+5 с К,
14. Ускорение 0,83 0—15 5 122 1
15. Смена скорости 2 124
16. Ускорение 10 0,62 15 — 35 9 26 133 2
17. Смена скорости 2 135
18. Ускорение 0,52 35 — 50 8 143 3
Продолжение
№ операции Режим Ускорение, . 2 м/с Скорость, км/ч Продолжительность каждой, с Затраченное время, с Режим управления трансмиссией (с механической коробкой передач)*
операции режима
19. Постоянная скорость 11 50 12 12 155 3
20. Замедление 12 -0,52 50 — 35 8 8 163 3
21. Постоянная скорость 13 35 13 13 176 3
22. Смена скорости 2 178
23. Замедление 14 -0,86 32-10 7 12 185 2
24. Замедление с выключенным сцеплением 0,92 10 — 0 3 188 К2
25. Холостой ход 15 7 7 195 7 с РМ
*РМ — включена нейтральная передача, сцепление выключено, Кр К2 — включена первая или вторая передача, сцепление выключено
Примечание. Суммарно испытательный ездовый цикл характеризуется следующими показателями:
1. Разбивка по фазам Время, с Процент
Холостой ход .. 60 30,8 35,4
Движение транспортного средства
на холостом ходу с включенным
(на одной из комбинаций) сцеплением .. 9 4.6
Переключение передач .. 8 4,1
Ускорение .. 36 18,5
Периоды постоянной скорости ... .. 57 29,2
Замедление .......... . ,. ... 25 12,8
195 100
2 Разбивка по использованию коробки передач
Холостой ХОД ... 60 30,8 35,4
Движение транспортного средства
на холостом ходу с включенным
(на одной из комбинаций) сцеплением .. 9 4,6
Переключение передач .. 8 4,1
1-я ... .. 24 12,3
2-я сл г я .. 53 27,2
СП 3-я .. 41 21
195 100
3. Средняя скорость в цикле ....... 19 км-ч 1
Теоретический путь............... 1,013 км
4. Одно полное испытание включает последовательное
прохождение четырех циклов подряд с интервалами 60 с
что соответствует протяженности пути 4,052 км.
Существенной особенностью испытаний топливной экономичности в ездовом
цикле является осуществление измерений и на специальной дороге, и на стенде с
беговыми барабанами (роликами). В последнем случае стенд должен быть обору-
дован кроме устройства торможения беговых барабанов, имитирующего сопротив-
ление движению, также и устройством, имитирующим действие инерции поступа-
тельно движущейся массы и вращающихся масс автомобиля.
Поскольку при испытаниях на барабанных стендах используется принцип обра-
тимости движения элементов “дорога — автомобиль” в системе ВАДС, наиболее
простым имитатором инерции автомобиля является присоединенная к барабанам
вращающаяся масса, момент инерции которой регулируется. Устанавливается мо-
мент инерции присоединенной массы так, чтобы при вращении с любой скоростью
ее кинетическая энергия равнялась бы кинетической энергии массы испытываемо-
го автомобиля в движении с поступательной скоростью, равной касательной ли-
нейной скорости шин ведущих колес в контакте с вращающимися опорными бара-
банами стенда (с учетом радиуса ведущих колес и коэффициента вращающихся
масс автомобиля). Принцип расчета инерции присоединенной массы тот же, что и
упоминавшийся выше при построении колебательной системы, эквивалентной
трансмиссии автомобиля. Расчет позволяет построить программное регулирование
привода барабанов стенда так, чтобы имитировать проявление инерции поступа-
тельного движения автомобиля в переменных режимах изменением тормозных или
тяговых сил в контакте ведущих колес с опорной поверхностью барабанов.
Это обеспечивает иной способ имитации инерции автомобиля на стенде без
присоединенной инерционной массы - регулированием привода барабанов.
В обоих случаях настройка стенда при подготовке к испытаниям различных ав-
томобилей требует тщательного исполнения и подробно регламентируется в стан-
дартах и Правилах. В частности, в Правилах № 15 (приложение 5), № 83 (приложе-
ние 4А), № 84 (приложение 5) подробно изложены всевозможные методы и требо-
вания подготовки стенда к испытаниям автомобиля в ездовых циклах. Поэтому
операции настройки и тарировки стенда являются обязательной частью технологии
испытаний топливной экономичности, обеспечивающих высокую сопоставимость и
воспроизводимость результатов.
Технология испытаний топливной экономичности тесно связана с регламентированными тре-
бованиями обработки измерений, которые включают следующее.
Если расход определяется весовым методом, то для выражения его в литрах на 100 км про-
бега используется формула
М
С =-------100’ <87)
ds9
где М - масса израсходованного топлива, кг; Sg - плотность топлива, кг/дм ; D - путь,
пройденный во время испытаний, км.
Если расход измерен объемным методом, то используется формула
1/|1 + а(т0-Тт)]
С = —---------------1 ЮО. (8-8)
D
где V - объем израсходованного топлива, л; СХ - коэффициент объемного расширения топ-
лива, равный 0,001 на 1°С; 7^- температура в номинальных условиях (293 К или 20°С); 7?-
средняя температура измерения в начале и конце испытаний
456
Если крайние величины трех измерений отклоняются от их среднего значения более чем на 5
% то сразу же необходимо провести дополнительные испытания с тем, чтобы точность оценки
расхода топлива составляла не менее 5 %. При этом точность вычисляется по формуле
Sr 100
Р = к~г^~
у/п С
(8.9)
где С - среднее арифметическое измерений С,
- среднее квадратическое отклонение измерений;
к - корректировочный коэффициент, который зависит от количества П проведенных измерений:
п 4 5 5 7 8 9 10
и ST ST ST ST ST st ST
Если после 10 измерений не достигается точность 5 % в оценке расхода топлива, то испыта-
ния для одобрения типа транспортного средства производятся на другом образце данного типа.
На рассмотренных основных положениях разработаны эффективно используемые рабочие
нормативно-технические документы испытаний топливной экономичности на автополигонах,
как база дальнейших исследований тягово-скоростных и топливно-экономических свойств ав-
томобилей.
8.4. Выброс
загрязняющих веществ
Автомобильный транспорт является
одним из основных источников загрязнения атмосферы вредными выбросами. По
Российской Федерации на долю автотранспорта приходится почти 44 % суммарных
выбросов в атмосферу, что составило, например, за 1992 г. более 22 млн.т. По-
давляющая часть выбросов вредных веществ приходится на отработавшие газы
двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Теоретически процесс сгорания топлива в
автомобильных двигателях можно организовать таким образом, что в отработавших
газах будут присутствовать лишь токсически нейтральные компоненты - азот (N),
диоксид углерода (СО2) и вода (Н2О). Реально в отработавших газах ДВС содер-
жится множество вредных веществ, которые можно разделить на две основные
группы: продукты неполного сгорания и продукты реакций взаимодействия азота и
кислорода воздуха при высокотемпературных условиях горения.
К первой группе относится оксид углерода СО2, углеводороды (СтНп) и взве-
шенные частицы (главным образом в дизелях). В состав углеводородов, выбрасы-
ваемых с отработавшими газами, входит огромный перечень соединений, в том
числе канцерогенных (более 200 наименований - парафины олефины ароматики и
т.д ). При использовании этилированного бензина выбрасываются также токсичные
соединения свинца. Кроме того, в зависимости от количества примесей серы в
применяемом топливе, в отработавших газах присутствуют сернистый газ (SO2) и
сероводород (H2S)
Относительное содержание компонентов, характерное для отработавших газов
ДВС приведено в табл. 8.6.
457
Таблица 8.6
Компоненты отработавших газов Выбросы двиг ателей, %
бензиновых дизельных
Азот 74.. .77 76-78
Кислород 0,3...8,0 2...18
Пары воды 3,0.5,5 0,5-4
со2 5...12 1-10
со 1...10 0,01-0,5
Оксиды азота 0-0,8 0-0,5
Углеводороды 0,2-2 0,009...0,5
Альдегиды 0-0,2 0.001. .0,009
Сажа, г/м3 0...0,004 0,1-1,1
Для бензиновых двигателей наибольшую долю в выбросах вредных веществ со-
ставляют оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, для дизелей - оксиды азо-
та, углеводороды, частицы, альдегиды.
Оксид углерода (угарный газ) - прозрачный не имеющий запаха газ, несколько
легче воздуха, обладает во много раз большей поглощаемостью гемоглобином
крови, чем кислород. Попадая в организм человека, оксид углерода блокирует
функцию кислородного питания Основная часть оксида углерода образуется как
продукт неполного сгорания топлива при недостатке кислорода.
Оксиды азота - это, главным образом, смесь оксида азота (NO) и диоксида
азота (NO2) На выходе из двигателя более 90 % из них составляет оксид азота.
Однако по мере движения по выпускному тракту и далее при попадании в атмо-
сферу происходит практически полное окисление оксида азота до диоксида азо-
та (NOj).
NO2 - газ красновато-бурого цвета, в малых концентрациях практически без за-
паха, хорошо растворяется в воде с образованием кислот. Оксиды азота раздра-
жающе действуют на слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, попадают в ор-
ганизм в виде азотной и азотистых кислот, образуемых в результате взаимодейст-
вия с влагой верхних дыхательных путей. Вредное воздействие оксидов азота не
ограничивается токсическим воздействием на организм человека. В верхних слоях
атмосферы диоксид азота под воздействием ультрафиолетового солнечного излу-
чения вступает в фотохимические реакции с рядом углеводородов, в результате
чего образуется так называемый смог
Углеводороды являются самой многочисленной группой соединений, выбрасы-
ваемых с отработавшими газами ДВС (искровых и дизельных), а также с картерны-
ми газами и в испарениях из систем питания (главным образом автомобилей с
бензиновыми двигателями).
Из канцерогенных углеводородов самым опасным и наиболее изученным явля-
ется бензапирен.
Кроме того, как и диоксид азота, углеводороды (главным образом олефины)
участвуют в образовании смога и озона в атмосфере.
458
Отдельную группу вредных веществ представляют альдегиды - формальдегид,
акролеин и ацетальдегид. Это крайне токсичные вещества. Они образуются в пери-
од низкотемпературных предпламенных реакций. Наибольший выброс альдегидов
характерен для дизелей. Альдегиды (более всего акролеин) являются основным ис-
точником неприятного запаха отработавших газов дизелей.
Источником появления свинца в отработавших газах является этиловая жид-
кость (тетраэтилсвинец), добавляемая в бензины для улучшения их антидетонаци-
онных свойств Из-за способности накапливаться в организме свинец является од-
ним из наиболее ядовитых компонентов. Свинец вносит также косвенный, но зна-
чительный вклад в загрязнение атмосферы: каталитические нейтрализаторы, яв-
ляющиеся в настоящее время наиболее эффективным средством снижения токсич-
ности отработавших газов, не могут работать при наличии свинца в отработавших
газах. Одной заправки автомобиля этилированным бензином достаточно, чтобы
блокировать нейтрализатор.
Частицы являются весомым вредным компонентом отработавших газов дизелей.
Они выбрасываются в виде аэрозолей, состоящих из жидких фракций (конденсиро-
ванные углеводороды) и твердых. Твердые фракции представляют собой частицы
сажи (твердый углерод) с адсорбированными на поверхности углеводородами, се-
рой и ее соединениями и водой
Образование сажи происходит вследствие термического распада (пиролиза) уг-
леводородных молекул в специфических для дизеля условиях горения при сильном
недостатке кислорода. Размер частиц сажи колеблется от 0,4...0,5 мк до 5 мк. При
небольшом весе частицы длительное время находятся в атмосфере во взвешенном
состоянии, что повышает вредное воздействие сажи на окружающую среду Части-
цы вызывают аллергические заболевания, бронхиты, эмфиземы, ухудшают види-
мость. Но самым опасным для здоровья людей является то, что частицы сажи со-
держат адсорбированные на их поверхности канцерогенные углеводороды.
Состав компонентов отработавших газов ДВС изменяется в широких пределах и
зависит от конструктивных параметров двигателя, от регулировочных характери-
стик и режимов работы. Часто указанные факторы действуют в качественно проти-
воположных направлениях Например, увеличение степени сжатия двигателя при-
водит к увеличению полноты сгорания, снижению выбросов оксида углерода и уг-
леводородов, улучшению топливной экономичности. При этом, однако, существен-
но возрастают выбросы оксидов азота.
На рис. 8.9 приведены типичные зависимости содержания вредных веществ и
расхода топлива от регулировки системы питания бензиновых ДВС, характеризуе-
мые коэффициентом избытка воздуха а.
Видно, что при работе на богатых топливовоздушных смесях возрастают выбро-
сы оксида углерода и углеводородов и снижаются выбросы оксидов азота При ра-
боте на умеренно бедных смесях происходит существенное снижение выбросов СО
и СН, улучшается топливная экономичность, выбросы оксидов азота остаются зна-
чительными. При дальнейшем обеднении смеси выбросы оксидов углерода быстро
снижаются, но при этом, как правило, ухудшается топливная экономичность, воз-
растают выбросы углеводородов
Влияние нагрузочного и скоростного режима работы двигателя на выброс раз-
личных компонентов неоднозначно и в основном связано с составом смеси. Значи-
тельное влияние на состав и количество выброса оказывают неусгановившиеся ре-
жимы из-за нарушения смесеобразования и процесса горения топлива в камерах
сгорания цилиндров двигателя.
459
Рис. 8.9. Типичная экологическая и экономическая характеристика двигателя (в зависимости от
состава топливовоздушной смеси).
В табл. 8.7 приведено типичное распределение выбросов нормируемых вредных
веществ по режимам европейского городского ездового цикла, регламентируемого
при испытаниях на токсичность.
Таблица 8.7
Режим движения Длительность режима, % Относительное количество в выхлопных газах, % Расход топлива,%
со СН NOX
Холостой ход 35,4 14 13 2 15
Ускорения 18,5 25 28 73 35
Движение с постоянной скоростью 29,2 32 27 19 37
Замедления (принудительный холостой ход) 16,9 29 32 6 13
Всего 100 100 100 100 100
Масштабы развития автотранспорта таковы, что задачу защиты атмосферы от
вредных выбросов АТС можно отнести к разряду глобальных. Она не может быть
решена в полном объеме только конструктивными или технологическими меро-
приятиями при производстве автомобилей и двигателей. Для надлежащей защиты
атмосферного воздуха от вредных выбросов АТС требуется целенаправленная го-
сударственная программа действий, в которую включается:
460
- законодательство, охватывающее нормирование выбросов вредных веществ,
правовая и административная ответственность за превышение экологических нор-
мативов при производстве и эксплуатации АТС, экономические механизмы, стиму-
лирующие производство и эксплуатацию малотоксичных модификаций АТС;
- рациональная организация дорожного движения;
- эффективный мониторинг атмосферного воздуха с идентификацией источни-
ков загрязнения;
- организация производства экологически чистых моторных топлив: неэтили-
рованных высокооктановых бензинов, низкосернистого дизельного топлива, улуч-
шенных (с повышенным содержанием кислорода) бензинов, сжатого природного
газа и др.;
- эффективный контроль за техническим состоянием выпускаемых АТС в экс-
плуатации;
- создание инфраструктуры эксплуатации малотоксичных модификаций АТС и
двигателей.
Основой разработки положений такой программы являются испытания автомо-
билей и двигателей, по результатам которых и устанавливаются нормативные тре-
бования и их контроль.
С момента законодательного введения экологических требований (1974 г.) на
отечественных автомобилях и двигателях реализовано следующее:
а) для бензиновых двигателей:
- оптимизация и повышение стабильности регулировок систем питания и зажи-
гания, ужесточение технологических допусков при изготовлении деталей и узлов
систем питания и зажигания:
- обеднение регулировок карбюраторов, внедрение карбюраторов с автономной
системой холостого хода типа “Озон";
- внедрение бесконтактных и микропроцессорных систем зажигания;
б) для дизельных двигателей:
- внедрение гурбонаддува;
- применение топливной аппаратуры с повышенной энергией впрыскивания;
- применение обратного корректора подачи топлива;
- применение форсунок с уменьшенным подыгольным объемом;
- уменьшение надпоршневого объема.
Однако для достижения уровня современных международных и национальных
требований по экологии, действующих с начала 90-х годов в странах ЕС и других
западноевропейских странах а еще ранее введенных в США и Японии, необходимо
дальнейшее совершенствование конструкции. Для двигателя с искровым зажигани-
ем необходимы:
- центральный или распределенный впрыск топлива,
- система зажигания с повышенной энергией разряда:
- трехкомпонентный каталитический нейтрализатор;
- улавливание топливных испарений из системы питания;
- устройства рециркуляции отработавших газов;
- электронный блок, обеспечивающий управление характеристиками гопливопо-
дачи, зажигания и рециркуляции по заданному алгоритму с высокой точностью.
Подавляющее большинство легковых автомобилей, выпускаемых в США.
Японии, западноевропейских странах оснащено подобными системами и уст-
ройствами
Для автомобилей с дизельными двигателями необходимы:
461
- топливная аппаратура с высоким давлением впрыскивания (более 100 МПа) и
электронным управлением;
- теплообменники для охлаждения воздуха в наддуве;
- окислительный каталитический нейтрализатор;
- фильтр сажи
Принципы нормирования выбросов вредных веществ, сложившиеся вначале в
США и затем получившие мировое распространение, можно сформулировать сле-
дующим образом
Нормированию подлежат в первую очередь вредные вещества, доля которых в
выхлопных газах наибольшая. Пока это оксиды углерода и азота, углеводороды,
частицы (для дизелей).
Ограничения распространяются в первую очередь на транспорт, доминирующий
в городских транспортных потоках, так как наихудшая экологическая обстановка - в
городах.
Отсюда следуют два практических вывода: во-первых, первоочередному норми-
рованию выбросов подлежат легковые автомобили и автобусы, во-вторых, испыта-
ния для оценки токсичности выбросов АТС необходимо выполнять в ездовых цик-
лах, отвечающих условиям эксплуатации в городах.
Европейские и другие страны в области нормирования экологических показате-
лей АТС ориентируются, в основном, на США. Но принятые в Европе методы кон-
троля экологических показателей, не отличаясь по принципиальным подходам (но-
менклатура нормируемых показателей, аппаратурные средства измерений и испы-
таний), имеют некоторые отличия от американских. Россия традиционно ориенти-
руется на европейскую систему нормирования экологических показателей в рамках
КВТ ЕЭК ООН
Здесь следует подчеркнуть, что во всем мире стандарты по экологии АТС раз-
деляются на два основных типа, предусматривающих:
- контроль экологических показателей при постановке на производство и в про-
цессе производства АТС (новые автомобили);
- контроль экологических показателей в эксплуатации.
Как в мировой практике, так и в России приоритетными являются стандарты на
новые автомобили. Рабочие операции испытаний для определения экологических
показателей при производстве являются сложными и трудоемкими, требуют при-
менения дорогостоящего, а в ряде случаев уникального оборудования. Методы ис-
пытаний новых АТС в максимально возможной степени учитывают все разнообра-
зие режимов работы АТС в эксплуатации. Все Правила ЕЭК ООН относятся именно
к этому типу стандартов.
Стандарты для контроля экологических параметров АТС в эксплуатации носят
диагностический характер и лишь отчасти связаны с соответствующими стандарта-
ми первого типа.
Процедуры испытаний по эксплуатационным стандартам максимально упрощены
и не требуют применения дорогостоящего оборудования.
С 1970 г. ЕЭК ООН введен ряд Правил регламентирующих порядок одобрения
типа (сертификации), методы испытаний и экологические нормативы по основным
типам АТС и двигателей. Правила № 15 и № 83 регламентируют показатели ток-
сичности легковых автомобилей и легких грузовиков, Ns 40 и Ns 47 - показатели
токсичности мотоциклов и мопедов, № 24 - дымность отработавших газов всех
АТС с дизелями. Ns 49 - токсичность отработавших газов дизелей и АТС с диэеля-
462
ми. Эти Правила непрерывно модернизировались и дополнялись. В ныне дейст-
вующем виде большая часть Правил ЕЭК ООН по уровню экологических требова-
ний близка к соответствующим стандартам США. На базе Правил ЕЭК ООН, в пе-
риод с 1974 по 1985 гг., в СССР был разработан ряд отраслевых и государствен-
ных стандартов, устанавливающих методы испытаний и предельно допустимые зна-
чения выбросов вредных веществ: ОСТ 37.001.054-86 (токсичность легковых авто-
мобилей и легких грузовиков), ОСТ 37.001.234-81 (токсичность дизелей и АТС с
дизелями), ОСТ 37.001.262-83 (токсичность мотоциклов), ОСТ 37.004.013-83 (ток-
сичность мопедов), ГОСТ 17.2.2.01-84 (дымность дизелей и АТС с дизелями).
Отдельно следует остановиться на грузовых автомобилях и автобусах с бензи-
новыми двигателями. Правилами ЕЭК ООН этот тип АТС и двигателей не охвачен,
так как в западноевропейских странах на грузовых автомобилях и автобусах в по-
давляющем большинстве случаев применяются дизельные двигатели. -В нашей же
стране грузовики и автобусы с бензиновыми двигателями выпускаются в большем
количестве, чем с дизелями. Поэтому для оценки экологических показателей этого
типа автомобилей и двигателей применяется отраслевой стандарт - ОСТ
37.001.070-75. В настоящее время готовится его новая редакция.
В период с 1970 г. по 1987 г. разработан ряд стандартов для контроля экологи-
ческих показателей АТС в эксплуатации. Первым стандартом такого типа был
ГОСТ 16533-70. введенный в 1970 г. Стандартом регламентировалось содержание
оксида углерода автомобилей с бензиновыми двигателями при минимальной час-
тоте вращения коленчатого вала на холостом ходу и при повышенной частоте вра-
щения (также на холостом ходу). В настоящее время для этих целей применяется
ГОСТ 17.2.2.03-87, регламентирующий содержание оксида углерода и углеводоро-
дов на режимах холостого хода (при минимально устойчивой и повышенной часто-
те вращения). Контроль АТС с дизелями регламентируется ГОСТ 21393-75. Этим
стандартом устанавливаются показатели дымности на режимах ускорения и макси-
мальной частоты вращения коленчатого вала двигателя.
В настоящее время подготовлены новые редакции указанных стандартов, преду-
сматривающие ряд дополнительных требований и исключающие противоречия с
действующими Правилами ЕЭК ООН, расширение зоны применения Правил, Ди-
ректив Европейского сообщества.
Технологии испытаний по определению выброса вредных веществ с отработав-
шими газами различных категорий транспортных средств различаются по двум ос-
новным причинам: различие условий работы в реальной эксплуатации и возможно-
сти воссоздания этих условий при испытаниях. Испытания легковых автомобилей и
легких грузовиков проводятся по Правилам ЕЭК ООН № 83. Автомобили категорий
М1 и N1 вследствие их относительно небольших размеров и массы испытываются
в условиях, наиболее близких к реальной эксплуатации.
Испытания состоят из нескольких этапов, так называемых “типов испытаний”
Испытания типа I - определение выброса вредных веществ (ВВ) с отработавши-
ми газами (ОГ) при движении по ездовому циклу на стенде с беговыми барабанами.
Подготовительная часть включает выбор тормозной и инерционной нагрузок на
стенде, соответствующих испытуемому автомобилю. Автомобиль, подготовленный
с учетом цели испытаний (исследования, конструктивные изменения и т.д.), за-
правленный эталонным топливом по спецификации Правил № 83 (бензином или
дизельным топливом с определенными характеристиками) подвергается конди-
ционированию - выдержке в помещении с температурой 20.,.30‘С не менее 6 ч.
463
Затем он перемещается без запуска двигателя на стенд с беговыми барабанами,
где обеспечиваются те же температурные условия. Автомобиль и его двигатель
подсоединяются к системе отбора газов, расходомеру топлива, установке для ди-
агностики двигателя. Общая схема установки для испытания автомобиля на стенде
с беговыми барабанами показана на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Схема оборудования для испытаний и оценки экологических показателей автомобиля
на стенде с беговыми барабанами (роликами):
1 - самописец; 2 - газоанализатор; 3 - пробоотборник; 4 - испытуемый автомобиль; 5 - вентиля-
тор охлаждения; 6 - контроллер стенда; 7 - система управления стендом; 8 - прибор управления
циклом движения; 9 - консоль управления; 10 - процессор управления; 11 - телетайп.
Для воспроизведения на стенде инерционной нагрузки в зависимости от мас-
сы испытуемого АТС к беговым барабанам стенда с помощью муфты сцепления
подключается соответствующий диск (инерционная маховая масса). Имитация
дорожного сопротивления создается тормозным устройством, соединенным с
одним из барабанов (гидротормоз, индукторный тормоз или электромашина по-
стоянного тока). Характеристики стендов, применяемых для испытаний АТС,
строго регламентированы. Основной является характеристика, устанавливающая
зависимость поглощаемой стендом мощности от скорости движения, имитируе-
мой на стенде: Р = f(v). Правилами № 83-01 ЕЭК ООН установлена кубическая
зависимость поглощаемой мощности от скорости движения вида
Р = kv3 ± 0,05 kv3 + 0,05 Р (vRn), (8.Ю)
где Р — мощность, поглощаемая стендом, включает мощность, поглощаемую
тормозным устройством, и мощность собственных (внутренних) потерь стенда; к -
постоянный коэффициент, определяемый при тарировке: V - скорость движения
АТС (определяется как окружная скорость поверхности барабана); Р (vg0) - мощ-
ность, поглощаемая стендом при скорости 80 км/ч.
464
Тарирование стенда проводится с установленной периодичностью и заключает-
ся в проверке соответствия фактических характеристик стенда указанным значени-
ям во всех используемых диапазонах нагружения и массы испытуемых АТС. На-
стройка стенда производится перед каждым испытанием и заключается в подклю-
чении маховой массы, соответствующей испытываемой категории АТС, и регули-
ровке тормозного устройства. Практически во всех действующих стандартах регу-
лировка тормозного устройства осуществляется только при одной фиксированной
скорости. В Правилах № 83-01 это скорость 50 или 80 км/ч (в зависимости от типа
АТС). Регулировка проводится индивидуально для каждого испытуемого АТС. Для
этого предварительно проводятся дорожные испытания и известными методами
определяется дорожное сопротивление при заданной скорости. Это сопротивление
должно быть с погрешностью не более 5 % воспроизведено на стенде.
Газоанализатор перед испытаниями тарируется эталонными газами. Такая тари-
ровка производится в начале каждой рабочей смены и ее не следует смешивать с
калибровкой газоанализатора, когда с помощью газов различной концентрации
“прорисовывается" кривая зависимости показаний приборов от концентрации эта-
лонных газов. Калибровка газоанализаторов производится один раз в месяц.
Автомобиль испытывается при движении по ездовому циклу, приведенному на
рис. 8.11,а и состоящему из двух частей, одна иэ которых имитирует движение в
городе (подробное его описание дано в предыдущем параграфе), а другая -
пригородное движение. При этом вся масса отработавших газов отбирается че-
рез специальную систему. Для этих целей применяют так называемый отбор
проб постоянного объема. Отбираемые отработавшие газы постоянно разбавля-
ются окружающим воздухом, причем суммарный расход отработавших газов и
разбавляющего воздуха должен поддерживаться строго постоянным независимо
от режимов работы автомобиля. В процессе испытания производится непрерыв-
ное измерение и суммирование всего объема разбавленных отработавших газов
и непрерывный пропорциональный отбор части пробы в специальные эластич-
ные емкости, иэ которых затем, после завершения ездового цикла, производит-
ся отбор проб на анализ. Степень разбавления отработавших газов воздухом
подбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, не допустить конденсации
воды, а с другой, - не допустить чрезмерного разбавления, когда уровень кон-
центраций измеряемых компонентов опустится ниже значений, при которых
обеспечивается требуемая точность измерений. Основная приведенная погреш-
ность измерений общего объема разбавленных отработавших газов не должна
превышать + 2 %. Несмотря на кажущуюся простоту, обеспечить это требование
сложно из-эа агрессивности отработавших газов и динамичного изменения их
параметров. Поэтому, в частности, к материалам, используемым в системе,
предъявляются очень жесткие требования для исключения утечек отработавших
газов или их адсорбции. В основном, как правило, используются нержавеющая
сталь, фторопластовые трубопроводы и пленочный фторопласт (для эластичных
емкостей). В процессе испытаний одновременно определяется расход топлива с
помощью расходомера. Следует, однако, отметить, что в конструкциях современ-
ных автомобилей с электронным управлением двигателя непосредственное оп-
ределение расхода топлива нежелательно из-эа возможных нарушений подачи.
При необходимости оценки расхода топлива в испытаниях ездовыми циклами на
стенде он рассчитывается по результатам определения выбросов СО, СО2 и СН
на основе баланса углерода в топливе и в компонентах ОГ.
465
v.km/ч
120
80 -
U0
^тал=120кн/ч t = 1220с
vCp = 32.5 кн/ч 5 = 11,007кн J\
д/WWW/—!
Городской ! Загородный
1220 с
о
л
ЕВРОПА (ЕЭК ООН, ЕС)
а
. Проза 2 (раза Пауза Зфаза
(.км/ч хпподнпя" ..холодная'сгпабцлазипиюшая .горячая”
500 ЮОО 1371 О
11режимный цикл
.холодный "пуск
США
10-15гр'ежимный цикл
„ горячий " пуск
505 С
ч.кн/ч
60 -
НО -
20 -
Чттах = б О км/ч
vCp =30.6 км/ч
t = Ux 120 с
S = Uxl.021км
120 С
vmax ~ 70км/ч
чСр -22.7 км/ч
Г = 66Ос
, 5 — U 16 кн
v.kh/ч
О 200 U00 600 660с
ЯПОНИЯ
в
Рис. 8.11 Ездовые циклы для испытаний экологичности автомобилей по региональным и нацио-
нальным стандартам.
По окончании испытаний с помощью комплексного газоанализатора высокой
точности (инструментальная погрешность не более 3 %) определяется содержание
в отобранных пробах нормируемых газов СО, CH, NOX, а также СО2. Объем смеси
ОГ и воздуха, прокачанный за время испытания, фиксируется счетчиком. Расчет
выбросов компонентов ведется по формуле
М = CVp, (8.11)
где М - масса выброса компонента, в г/км; С - концентрация компонента в
эластичной емкости, определенная газоанализатором в процентах или в частях на
миллион; V - объем смеси ОГ и воздуха, прокачанный за время испытания, л; р -
плотность компонента, г/л.
Приведенная схема расчета усложняется с учетом влияния влажности, коэффи-
циента разбавления ОГ и другими поправками. Полученные величины массы вы-
бросов Мсо, МСИ, в граммах на одно испытание сравниваются с нормами,
466
приведенными в табл. 8.8 для заключения о соответствии транспортного средства
установленным требованиям Правил № 83-01 ЕЭК ООН. В таблице приведены дан-
ные для автомобилей категории М1, работающих на этилированном бензине (без
нейтрализаторов), всех автомобилей категории N1 и внедорожных.
Таблица 8.8
Контрольная масса АТС М, кг Предельное содержание в ОГ, г/исп
со CH + NOX
1020 58 19,0
1250 67 20,5
1470 76 22,0
1700 84 23,5
1930 93 25,0
2150 101 26,5
2150 110 28,0
Для автомобилей категории М1 работающих на неэтилированном бензине (с нейтра-
лизатором), и автомобилей категории М1 с дизелями предельное содержание в ОГ:
СО, г/км ... 2.72
CH + NO„, г/км .. 0.97
Топливные испарения, г/исп................................... .. 2.0
Испытания типа II осуществляются после испытаний типа I и заключаются в
определении концентрации СО в ОГ на холостом ходу. Это простейший замер, при
котором концентрация СО не должна превышать 3,5 % по объему, а при любых по-
ложениях винта качества карбюратора - 4,5 %.
Испытания проводятся на автомобилях с искровым зажиганием, не оборудован-
ных каталитическим нейтрализатором.
Испытания типа III заключаются в определении давления в картере двигателя с
искровым зажиганием. С целью недопущения выброса картерных газов в атмоссЬе
ру в картере двигателя должно быть разрежение на всех испытательных режимах
Испытания типа IV - определение топливных испарений в атмосферу из систе-
мы питания автомобилей (только с бензиновыми двигателями). Испытание состоит
иэ двух основных частей:
- определение выброса углеводородов из системы питания при имитации суточ-
ного изменения температуры топлива в баке автомобиля;
- определение выброса углеводородов из системы питания в результате так на-
зываемого “горячего" насыщения.
Общий результат определяется сложением измеренных значений массы углево-
дородов при обоих видах испытаний. В соответствии с Правилами Ns 83 ЕЭК ООН
общая масса выброса углеводородов не должна превышать 2 г Определение вы-
броса углеводородов в результате суточного испарения осуществляют в следую-
щем порядке.
Производится подготовка топливного бака, заключающаяся в установке в бак
специального датчика температуры и системы подогрева топлива. Для подогрева
467
используют, как правило, нагреватель типа "электроодеяло" мощностью - 2 кВт,
охватывающий часть бака, заполненного топливом. Иэ топливного бака сливается
исходное топливо и заливается эталонное в объеме 40 % + 2 % емкости бака при
температуре 1О...14°С и выдерживается в нем не менее 10 и не более 36 ч. По ис-
течении указанного периода топливный бак опорожняют и вновь заполняют эталон-
ным топливом. Затем автомобиль помещают в специальную герметичную камеру
прямоугольной формы с габаритными размерами 6,5 х 3,5 х 2,5 м. Внутренние по-
верхности камеры не должны адсорбировать, пропускать или выделять углеводоро-
ды. При изготовлении камер подобного типа используют, как правило, алюминие-
вые сплавы, нержавеющую сталь и пленочный фторопласт. В помещении камеры
поддерживается температура 2О...ЗО°С. Камера оснащена системами измерения
углеводородов во внутреннем пространстве, продувки, перемешивания воздуха,
измерения и регистрации температур (в двух точках) и давления. Особые требова-
ния предъявляются к герметичности камеры, которая проверяется следующим об-
разом: в камеру впрыскивается 4 г пропана и измеряется средняя концентрация
его в объеме камеры. По истечении 4 ч вновь измеряется концентрация пропана,
которая не должна отличаться от первоначальной более чем на 4 %.
После установки автомобиля в камеру осуществляется ее продувка чистым воз-
духом, затем герметизация и начинается измерение и автоматическая запись тем-
пературы топлива в баке автомобиля, причем нагрев топлива производится по ли-
нейному закону до 30°С в течение 1 ч. Перед началом нагрева топлива и по завер-
шению осуществляется измерение содержания углеводородов в камере, средней
температуры и давления. Определяется искомая разница массы углеводородов в
камере до начала испытаний (фон) и по его завершению. На этом испытания по
суточному циклу завершаются. Испытание по определению углеводородов в режи-
ме горячего насыщения производится в такой последовательности.
В течение не более 1 ч после завершения испытаний по суточному выбросу уг-
леводородов автомобиль устанавливается на стенд с беговыми барабанами. Вы-
полняется установленный цикл движения, после чего в течение не более 7 мин ав-
томобиль вновь устанавливается в камеру и выдерживается в ней в течение 1 ч. В
процессе испытаний выполняются те же процедуры, что и при имитации суточного
испарения, за исключением подогрева топлива в баке.
Испытания типа V - определение надежности систем снижения выброса ВВ.
Суть испытаний - в подтверждении способности систем снижения выброса ВВ со-
хранять свою эффективность при пробеге автомобиля до 80 тыс.км. При этом вы-
брос ВВ автомобиля с пробегом 80 тыс.км при испытании типа I должен уклады-
ваться в предельные величины для нового автомобиля. Первое испытание прово-
дится после обкатки автомобиля, т.е. при пробеге около 3 тыс.км, затем повторя-
ется через каждые 15 тыс.км и в конце пробега. Пробег может осуществляться на
стенде с беговыми барабанами, с использованием так называемого робота-води-
теля - системы автоматического управления автомобилем. Более достоверный ре-
зультат дает пробег на дороге, где системы автомобиля работают в реальных ус-
ловиях. Пробег осуществляется на специальном участке дороги длиной 6 км по оп-
ределенному циклу (рис. 8.12).
Следует отметить, что с 1996 г. в стандарт США вводится величина пробега
160 тыс.км, при котором системы снижения выброса ВВ должны сохранять эф-
фективность.
468
1,1
—I----------------
Остановка,
затем ускорение
до заданной скорости
Замедление до 32 км/ч,
затем ускорение
до заданной скорости
О и 6,0 км
5,3
4,7
4,2
— Отправление — Прибытие
Остановка,
затем ускорение
до заданной скорости
Замедление до 32 км/ч,
затем ускорение
до заданной скорости
Остановка,
затем ускорение
до заданной скорости
Замедление до 32 км/ч,
затем ускорение
до заданной скорости
3,5 Остановка,
затем ускорение
до заданной скорости
Рис. 8.12. Рабочий цикл для определения надежности систем снижения выброса ВВ при испытс
ниях в движении автомобиля по дороге.
Испытания автомобилей категорий М1 и N1 по стандартам США и Японии по
технологии проведения в основном аналогичны испытаниям по Правилам № 83,
однако существенные отличия нормативных показателей операций, такие как ори-
гинальные испытательные циклы, показанные на рис. 8.11, б и в, делают их ре-
зультаты несравнимыми.
По правилам аналогичным Правилам № 83 (испытания типа I, II) построена тех-
нология испытаний мотоциклов и мопедов.
Определение дымности ОГ. По Правилам № 24 ЕЭК ООН в качестве измери-
теля видимых загрязняющих веществ используется коэффициент поглощения света
выхлопными газами, который измеряется специальным прибором - денсиметром.
Его устройство, параметры, установка и присоединение к выхлопной трубе, тари-
ровка, поправки на различные обстоятельства испытаний, аппаратура для отбора
проб, процедуры использования подробно описаны в приложениях к Правилам.
Там же даны нормативы коэффициента поглощения, на соответствие которым про-
изводятся испытания. На Центральном автополигоне разработан альтернативный
метод испытаний и оценки дымности, основанный на непосредственном измерении
массы частиц в выбросах ОГ.
469
Для этой цели в специальную систему отбора проб выхлопных газов включается
фильтр иэ стекловолокнистых или ацетилцеллюлоидных материалов. Подготови-
тельная обработка фильтров и последующий высокоточный весовой анализ после
испытаний дает возможность оценить количество выбросов частиц на 1 км пробега
как на установившихся режимах работы двигателя, так и в ездовых циклах.
Испытания могут проводиться отдельно на двигателе, установленном на дина-
мометрическом стенде, или на автомобиле на стенде с беговыми барабанами
(роликами).
В первом случае в начале испытаний определяется мощность-нетто при полной
подаче топлива и частотах вращения, соответствующих заявленным предприятием-
изготовителем. Она не может отличаться более чем на +2 % в точке максимальной
мощности, на +6...-2 % в остальных точках. Во втором случае проверяется величи-
на расхода топлива, которая должна быть не менее заявленной предприятием-из-
готовителем.
Далее, при полной подаче топлива определяется дымность ОГ при количестве
измерений не менее шести, в диапазоне частот вращения вала двигателя от мак-
симальной до минимальной расчетной, включая режим максимальной мощности и
крутящего момента.
Дымность ОГ в каждой измеренной точке должна быть ниже предельных значе-
ний, установленных Правилами, в зависимости от расхода отработавших газов. За-
тем определяется дымность двигателя на режиме "свободного" ускорения путем
разгона двигателя без нагрузки от минимальной до максимальной частоты враще-
ния при быстром выводе рычага управления топливного насоса на упор. При испы-
тании двигателя с коробкой передач испытания проводятся на нейтральной пере-
даче, без коробки передач двигатель отсоединяется от динамометрического стен-
да и испытывается с присоединенной к маховику массой, момент инерции которой
соответствует инерционному моменту трансмиссии автомобиля на нейтральной пе-
редаче. Испытания повторяются не менее 6 раз, за оценочный коэффициент погло-
щения принимается среднее арифметическое значение последних четырех измере-
ний, если они располагаются в эоне шириной 0,25 1/м и не образуют убывающей
последовательности
Далее полученную среднюю величину пересчитывают с учетом результатов ис-
пытаний на установившихся режимах В результате скорректированная величина
коэффициента поглощения наносится на международном знаке официального ут-
верждения и является предельной величиной при инспекционном контроле двига-
теля как агрегата, так и автомобиля в целом.
8.5 Испытания
и оценка шумности
Технология испытаний шумности ав-
томобильной техники строится исходя из общей теории звука - акустики - приме-
нительно к функционированию системы ВАДС.
По определению звук - колебательное движение упругой среды, воспринимае-
мое слуховыми органами человека.
Шум - звук, мешающий функционированию человека. Шум воздействует не
только на органы слуха. Через центральную и вегетативную нервные системы зву-
ковые колебания упругой среды влияют на функционирование внутренних органов
470
и психофизиологическое состояние водителя и пассажиров в автомобиле. Негатив-
ное восприятие шума приводит к снижению производительности труда, утомлению,
а при длительном воздействии - к развитию различных заболеваний.
Шум является одной из составляющих комфорта автомобиля и влияет через со-
стояние водителя на управляющие действия и, следовательно, на активную безо-
пасность в системе ВАДС.
Шум включает звуковые колебания упругой среды различной частоты. В зависимо-
сти от частоты ( выделяют инфразвук (f < 16 Гц), слышимый звук (f = 16...16 103 Гц)
и ультразвук (f > 16-103 Гц). В автомобиле негативное воздействие оказывает инфра-
звук и слышимый звук.
Для оценки шума используются величины психофизиологического восприятия
звука и величины его физического измерения, между которыми устанавливаются
определенные связи.
Психофизиологическое восприятие звука характеризуется его громкостью и
оценивается в единицах - фонах. Для физической характеристики шума использу
ются внесистемные величины: звукового давления, интенсивности звука, звуковой
энергии, звуковой мощности.
В акустических испытаниях автомобилей выделяют внешний и внутренний шумы
Внешний шум представляется акустическим полем в окружающем автомобиль
пространстве.
Внутренний шум представляется акустическим полем в салоне или кабине водителя.
Основное отличие их оценки состоит в том, что характеристики внутреннего шу-
ма относятся к показателям потребительских свойств автомобиля, а характеристи-
ки внешнего шума включаются в оценку экологической обстановки эксплуатацион-
ной среды.
Напомним некоторые элементарные положения общей теории, поясняющие тех-
нологию акустических испытаний автомобиля.
В качестве измерителя шума чаще всего используется звуковое давление р, Па,
которое является точечной характеристикой акустического поля. Применение этой
физической величины оправдано прежде всего относительной простотой измере-
ния с помощью различных микрофонов.
Звуковое давление определяется как разность фиксируемого давления при на-
личии источника звуковых колебаний и без него.
Вследствие того, что звуковые колебания имеют полигармонический характер
измерение звукового давления связывают с октавными или 1/3-октавными полоса-
ми частот.
Звуковое давление - величина скалярная и не показывает направление распро-
странения звуковой энергии. Учитывается направление распространения звуковых
волн другой величиной - интенсивностью звука /, Вт м '. Интенсивность звука оп-
ределяется как количество энергии, переносимое звуковой волной через единицу
поверхности, нормальной к направлению ее распространения, за единицу времени.
Для плоской и сферической волн обе величины связаны следующей зависимостью
2
/ = £-. (8.12)
Рс
где рс - удельное акустическое сопротивление среды.
471
Энергия, излучаемая источником звука за единицу времени, оценивается звуко-
вой мощностью
wJte.B, <8'31
S
где ds- элемент поверхности.
Перечисленные измерители при акустических испытаниях обнаруживают чрез-
вычайно широкий диапазон численных значений. Поэтому после перехода к едини-
цам измерения СИ получила повсеместное распространение оценка акустических
величин не в абсолютных значениях, а в логарифмических уровнях относительно
стандартизованных опорных физически измеряемых величин, условно принимае-
мых эа нулевые значения. Такая оценка дается в децибеллах (дБ), исходя из опре-
деления
X
Lx = 20lg—. (8.14)
*0
где X - измеренная физическая величина, характеризующая звук; - принятый
пороговый уровень этой величины: L - оценка измеряемой величины, дБ.
Так, порог звукового давления, определенный в соответствии с порогом чувст-
вительности слуха, составляет
ро = 2-1О5Па. (8 15)
Логарифмический уровень звукового давления в дБ, соответствующий измерен-
ному звуковому давлению р в Па, выражается в виде
Р
L =20lg—, дБ. (8.16)
Ро
Уровень восприятия громкости звука определяется формулой, выражающей за-
кон Вебера-Фехнера. в виде
/
Ц = к1д— (8.17)
'о
Если уровень громкости звука выражается в фонах, то коэффициент пропорцио-
нальности к принимается равным 10. Тогда
/
/_д = 101д —, (8.18)
1о
-12 2
где /0 = 10 Вт м - пороговая величина интенсивности звука, постоянная и
стандартизованная.
Для анализа шума используются интервалы частот звуковых колебаний, в каж-
дом из которых оценивается средний уровень звука Интервалы устанавливаются в
виде октавных или 1/3-октавных полос, частоты которых стандартизованы.
Для измерения уровня шума или уровней звукового давления, уровней гром-
кости звука служат шумомеры, в которых собран весь измерительный тракт:
472
электроакустический преобразователь-микрофон, усилитель, полосовые фильт-
ры, индикаторы и калибраторы. Измерительные усилители содержат корректи-
рующие системы, отличающиеся индексами А, В, С и D. Обычно используется
корректирующая система А, имеющая тот же частотный диапазон, что и звук,
воспринимаемый человеком.
Коррекция измерения состоит в том, чтобы привести в соответствие показатели
уровней измерения звука разной частоты с уровнями восприятия равной громкости.
Частотные характеристики чувствительности шумомеров для коррекции оценки
измеряемых величин стандартизованы Международной электротехнической комис-
сией - МЭК.
Чтобы различать физические измерения уровней звукового давления в дБ без
частотной коррекции от субъективного восприятия уровней громкости в фонах и от
измерений, произведенных при помощи корректирующих схем, принято междуна-
родное соглашение о том, что результаты определения и измерения последнего
вида выражают тоже в виде уровней с использованием шкалы децибелл и указани-
ем частотной корректирующей характеристики, в частности, дБ(А).
При испытаниях автомобилей используют запись акустического шума на магнит-
ную ленту магнитофонов, контролируя точность акустическими калибраторами.
Такая регистрация позволяет провести спектральный анализ шума при помощи
октавных или третьоктавных фильтров. Зависимость физически измеряемых пара-
метров звукового поля (давления, интенсивности, мощности) от частоты выражает
частотный спектр шума.
Обычно полосовые частотные фильтры встроены в измерительные приборы. Ха-
рактеристикой фильтра является ширина полосы частот пропускания подающегося
сигнала.
Отличают два основных вида фильтров с абсолютной шириной пропускания, ко-
гда разрешающая способность определяется в полосе частот отсчитанных по ли-
нейной шкале, и с относительной шириной пропускания, когда разрешающая спо-
собность определяется полосой частот, отсчитанной по логарифмической шкале.
Центральная частота фильтра определяется как средняя гармоническая величина
границ полосы и f^.
Соотношение границ полосы пропускания фильтра при октавном отсчете выра-
жается в виде
4=2Ч • (8 20)
где а = 1 - для октавного фильтра; а = 1/3 - для третьоктавного фильтра.
Характерными для автомобиля являются переменные режимы работы и связан-
ные с этим измерения интенсивности производимого шума по времени. В этом
случае шум оценивается эквивалентным уровнем, который является уровнем сред-
ней акустической энергии, воздействующей за определенный промежуток времени
Т, определяемый по формуле
1 г 2
L3kb = 10|g —JP dt. (8.21)
PoT 0
473
где р0 = 2-10 5 Па; р - среднее квадратическое значение отклонений измеряе-
мого звукового давления.
Оценочным показателем важного эксплуатационного свойства автомобиля -
внутреннего шума - является индекс артикуляции AI, получаемый при помощи
анализа измерений уровня шума в 1/3-октавных полосах. Этот показатель харак-
теризует возможность вести разговор в движущемся автомобиле и степень мас-
кировки слуха и речи посторонними шумами Чем лучше разборчивость речи и
ее восприятие собеседником, тем выше показатель AI. Например, для автомо-
билей общетранспортного назначения AI = 5...25. а высшего представительного
класса AI = 30... 55.
Вычисление общего индекса артикуляции осуществляется суммированием индек-
сов артикуляции, определяемых по специальной таблице в зависимости от уровня
звукового давления д ля каждой 1/3-октавной полосы частот от 200 Гц до 6300 Гц.
Предложен также показатель транспортного шума для оценки субъективного
восприятия меняющегося во времени шума автомобильного транспорта При этой
оценке определяется уровень звука, регистрируемый рядом с дорогой непрерывно
или выборочно в различные интервалы времени за 24-часовой период.
Показатель транспортного шума вычисляют по формуле
ПТШ = 4 (L10 - L90) + L90 - 30, (8.22)
где Z_]Q - уровень звука, который превышается в течение 10 % времени; -
уровень звука, который превышается за 90 % времени.
Общий уровень звука двух источников, частоты излучения которых не совпада-
ют, можно представить в следующем виде
( O.Uj 0,iL? Л
L , = 101g 10 1 +10 г - (8.23)
общ а| I
Это выражение можно распространить на П источников
( 0.1b 0,1t9 0.1Гп А
L _ = 101g 10 +10 г +...+ 10 " . (8.24)
ОО Щ а| I
Уровень звука от сочетания двух источников одной частоты зависит от соотно-
шения фаз излучаемых звуковых волн и вычисляется по более сложным зависимо-
стям [32].
Для выводов по результатам испытаний полученные и обработанные данные из-
мерений сравниваются с установленными нормативами.
После присоединения СССР, а затем Российской Федерации к Женевскому со-
глашению 1958 г. в качестве обязательных признаны международные требования
по шуму. Правила № 51 ЕЭК ООН регламентируют нормы и методику измерения
внешнего шума (в настоящее время действуют три поправки к Правилам, касаю-
щиеся как норм, так и методики). Наравне с Правилами № 51 действует ГОСТ
27436-87. который допустимые уровни Правил № 51 вводит как рекомендуемые.
Отличия в методике измерения несущественны, основное отличие в допустимых
уровнях шума.
В настоящее время в международной практике наблюдается постоянное ужесто-
чение нормативных требований к АТС по внешнему шуму.
474
Кроме Правил № 51 действуют предписания Правил № 59. которые регламенти-
руют испытания сменных систем выпуска отработавших газов, что позволяет кон-
тролировать производителей этих систем.
Правила № 28 действуют для ограничения внешнего шума АТС и нормируют
уровень шума, производимого звуковыми сигнальными приборами, установленны-
ми на транспортном средстве.
Для снижения ущерба от вредного воздействия шума на водителей и пассажи-
ров действуют также требования ГОСТ 27435-87, в котором установлены методы
измерения внутреннего шума и приведены его допустимые величины.
В предыдущем нормативном документе в качестве нормируемого показателя
использовался уровень звука. Для учета влияния режимов работы АТС в эксплуата-
ции измеряемой величиной принят эквивалентный уровень звука, который воздей-
ствует на водителя и пассажиров эа время прохождения автомобилем ездового
цикла.
Двигатель внутреннего сгорания является интенсивным источником шума авто-
мобиля. поэтому для ограничения его разработан ОСТ 37.001.266-83, которым оп-
ределяется звуковая мощность, генерируемая двигателем, установленным на стен-
де. В качестве нормируемого показателя используется звуковое давление. Техно-
логия этих испытаний регламентирована РД 37.052.255-91, в котором звуковая
мощность вычисляется через замеры интенсивности звука. Рабочие операции ис-
пытаний нормированы следующими положениями.
Внешний шум. В соответствии с методикой Правил № 51 ЕЭК ООН транспорт-
ные средства категорий М1 и N1. имеющие не более четырех передач (ручное
переключение), испытываются на 2-й передаче. При числе передач более четы-
рех испытания проводятся на 2-й и 3-й передачах и за результат измерения при-
нимают среднее арифметическое значение уровней звука, измеренных на этих
передачах.
Транспортные средства категорий М2, М3. N2, N3, имеющие коробку с числом
передач К, испытываются на передачах, начиная с К/2 до К (при К - нечетном ис-
пытания начинают с (К + 1)/2). За результат испытаний принимают наибольшее
значение уровня звука.
Испытания проводят в движении на контрольном участке дороги длиной 20 м.
Автомобиль приближается к началу мерного участка с установившейся скоростью,
соответствующей 0,75 Лн (Лн - номинальная частота вращения коленчатого вала
двигателя) или 50 км/ч. Из этих двух величин для испытаний выбирают меньшую.
При пересечении транспортным средством отметки начала испытательного уча-
стка водитель резко до упора нажимает педаль управления подачей топлива или
открытием дроссельной заслонки. После прохождения задней частью автомобиля
отметки конца мерного участка водитель выводит в минимальное положение пе-
даль управления подачей топлива. За время прохождения регистрируется макси-
мальное показание шумомера в дБ (А) при включенной временной характеристике
“Быстро”.
Такая операция испытаний разработана из предположения, что основным источ-
ником шума автомобиля является установленный на нем двигатель и излучение им
шума максимально в режиме разгона. Исходя из этого наибольшие уровни звука
регистрируются при прохождении автомобилем мерного участка на низших пере-
дачах, так как двигатель на таких режимах может развивать большие обороты.
475
Для получения данных, которые можно контролировать в процессе эксплуатации
автомобилей, проводят измерения шума выхлопа. Уровень звука измеряют на непод-
вижном автомобиле. Микрофон устанавливают на высоте расположения выпускной
трубы глушителя и направляют к ее выходному отверстию на расстоянии 0,5 м. Для
исключения попадания микрофона в струю выхлопных газов главная его ось должна
быть параллельна дороге и составлять угол 45° с вертикальной плоскостью, проходя-
щей через ось выпускной трубы. Измерение шума осуществляется в процессе рабо-
ты двигателя на частоте 3/4 Пн и в процессе замедления вращения вала от 3/4 Г?н до
минимальных оборотов холостого хода Пх х
В случае комплектации автомобиля муфтой отключения вентилятора системы
охлаждения двигателя испытания можно проводить в режиме минимального влия-
ния вентилятора.
В последнее время многие фирмы для уменьшения шума выхлопа или нейтра-
лизации выхлопных газов применяют звукопоглощающие материалы, которые уста-
навливают внутрь глушителя. Для контроля эффективности этого конструктивного
решения в Правила введены требования проведения испытаний по акустическим
показателям после специальной подготовки транспортного средства, которая
включает одно из четырех мероприятий:
- удаление звукопоглощающих материалов;
- предварительный пробег автомобиля в объеме 10 тыс.км по специальной
программе;
- испытание на стенде моторном или стенде с беговыми барабанами;
- испытание глушителя на специальном стенде.
Смысл проведения этих испытаний в следующем: глушитель должен обеспечи-
вать соответствие уровня шума требованиям Правил в случае, если звукопогло-
щающие материалы выгорели или были выдуты потоком выхлопных газов.
Внутренний шум. Измерение внутреннего шума автомобиля осуществляется на
разгоне от скорости, соответствующей 0,45 Лн до 0,90 Лн или до 120 км/ч (выби-
рают меньшую). Если при 0,90 Лн на высшей передаче скорость автомобиля боль-
ше 120 км/ч, измерения проводят на более низкой передаче, но не ниже 3-й при
четырех и более передачах, и не ниже 2-й при менее четырех передач в КПП.
После стабилизации начальной скорости водитель резко нажимает (до упора)
педаль управления подачей топлива или дроссельной заслонкой.
Регистрируется максимальное за время разгона показание шумомера в дБ (А)
при включенной временной характеристике "Быстро".
Измерения проводятся у места водителя и у мест пассажиров на высоте 0,6 м
от нижней подушки сидения при включенной системе вентиляции и отопления.
При разработке данной операции было принято, что доминирующим фактором
является шум, проникающий от двигателя, и структурный шум конструкции кузова,
возникающий за счет возбуждения его силовым агрегатом. По этой причине испы-
тания проводятся при максимально возможном ускорении движения автомобиля.
Развитие технологии испытаний для оценки шумности автомобилей связано с
постоянным ужесточением норм на акустические показатели. Этим было достигну-
то существенное уменьшение излучения основных источников: снижен структурный
шум и газодинамическая составляющая шума систем впуска и выпуска двигателя.
При совершенствовании измерений наравне с этими источниками выявлены значи-
476
тельные шумы ведущих мостов и шин. Шины являются одним из основных источни-
ков шума не только на больших скоростях, но и на режимах, регламентируемых ме-
тодикой испытаний по Правилам № 51 (Va = 60 км/ч).
Выполненные исследования показали, что этот шум определяется не только ха-
рактеристиками шин, но также и свойствами дорожного покрытия. По этой причине
был разработан проект стандарта ISO/DIS 10844, в котором вводятся показатели,
характеризующие дорожное покрытие участка для измерения внешнего шума.
Практически идентичные требования внесены в проект Правил ЕЭК ООН по акусти-
ческим испытаниям пневматических автомобильных шин
В проекте правил предусмотрены три различных метода испытаний:
- “трейлера" (качение шин на буксируемом прицепе);
- “наката' (на автомобиле, движущемся по инерции с выключенным двигателем
и трансмиссией).
- на стенде с беговыми барабанами.
В настоящее время не отдано предпочтение ни одному из этих методов, но, по-
видимому, испытания на стенде дают большую достоверность и повторяемость ре-
зультатов. Однако при этом возникает затруднение в изготовлении барабанов с за-
данным покрытием.
При больших скоростях движения автомобиля во многих случаях доминирующим
является шум аэродинамического происхождения. В настоящее время только начи-
нают разрабатывать нормативные требования и методы измерения аэродинамиче-
ского шума автомобиля.
Акустический баланс автомобиля. Звуковая мощность автомобиля в окружаю-
щей среде при движении определяется суммированием вкладов различных источ-
ников и выражается в виде
W=W+W+W+W + W + W + W + W . (8 25)
а дв к.п вп вып д ш аэр к 1 '
где W - излучения наружными поверхностями двигателя; W - то же короб-
дв к.п
ки передач; IV W - то же тракта систем впуска и выпуска воздуха и отрабо-
ВП вып
тавших газов: Wq - отражения от поверхности дороги, - взаимодействия шин
с поверхностью дороги; Маэр - обтекания потоком встречного воздуха; WK - пере-
дачи колебательной энергии от силового агрегата до ведущих колес.
Достоверное определение вклада отдельных источников в шум автомобиля яв-
ляется сложной задачей. Данные по ранжированию источников внешнего шума из
литературных источников сравнивать затруднительно, так как они относятся к несо-
поставимым режимам работы автомобиля, к различным моделям. Использование
этих материалов затрудняется также и тем, что при разделении источников приня-
ты различные характеристики акустического поля автомобиля (звуковая мощность,
интенсивность звука, звуковое давление), не всегда коррелированные между со-
бой. В литературе имеются сведения о шуме отдельных источников (двигатель, ко-
робка передач, шины и др.), полученные при автономных установках на стендах,
которые сложно трансформировать в акустические характеристики этих агрегатов,
установленных на транспортном средстве.
Несмотря на количественное отличие результатов, получаемых различными ме-
тодами, качественная оценка является схожей.
477
Большинство исследователей считает доминирующими структурный шум двигате-
ля и шум систем газообмена двигателя. Так, результаты исследования автомобиля
ЗИЛ-4331 показали, что на долю структурного шума двигателя и систем впуска и вы-
пуска приходится 87 % звуковой мощности автомобиля. Для автомобиля КаМАЗ-5425
на двигатель приходится 40 %, на системы газообмена 39 % звуковой мощности ав-
томобиля. Эти данные получены при движении испытывавшихся автомобилей с по-
стоянной скоростью. В качестве другого примера остановимся более подробно на
анализе результатов акустических исследований двухосного седельного тягача с ди-
зелем мощностью 308,8 кВт, имеющего 16 передач переднего хода. В данном случае
ранжирование источников проведено по звуковому давлению, замеренному на стенде
с беговыми барабанами*. Внешний шум для каждой из передач, на которых проводи-
лись измерения, находится в пределах 86.9...81,6 дБ (А) при норме 84 дБ (А) по Пра-
вилам № 51 ВЭК ООН для автомобилей рассматриваемой категории. Данные по
идентификации источников внешнего шума тягача представлены в табл. 8 9
Как видно в данном случае силовой агрегат является доминирующим источни-
ком шума на всех использованных передачах, исключая высшую.
Начиная с 13-й передачи достаточно сильно проявляется шум шин: их вклад во
внешний шум 1...2 дБ (А). Шум ведущего моста на всех передачах, исключая выс-
шую. в 1,5-3 раза ниже шума силового агрегата. Для достижения уровня, преду-
смотренного требованиями Правил № 51. необходимо снижение шума на 8. 13-й
передачах на 1...3 дБ (А) а для выполнения перспективных требований ЕЭК ООН -
80 дБ (А), - необходимо снижение внешнего шума на 2...6 дБ (в зависимости от
передачи)
Результаты разделения источников шума позволяют не только разработать акусти-
ческие требования к основным агрегатам автомобиля, но и наметить оптимальный
способ достижения регламентируемых показателей. В частности, для данного авто-
мобиля шум, создаваемый только шинами, редукторами ведущего моста и газодина-
мической составляющей системы выпуска, равен 79 .81 дБ (А) для различных пере-
дач. Поэтому для достижения предписанного уровня внешнего шума необходимо,
чтобы структурный шум силового агрегата не превышал 82 дБ (А) исходя из резуль-
татов проведенных испытаний это выполняется только начиная с 14-й передачи. Для
выполнения установленного требования к общему шуму необходимо снизить струк-
турный шум двигателя как минимум на 2,5 дБ (А). Этого можно достичь как улучшая
виброакустические характеристики конструкции, так и за счет применения экраниро-
вания или частичного капсулирования силового агрегата Достижение соответствия
этого автомобиля перспективным требованиям 80 дБ (А) исключительно за счет сни-
жения структурного шума силового агрегата возможно устройством его полного кап-
сулирования. что повлечет за собой существенное увеличение производственных за-
трат. Технически реализовать это очень трудно За счет капсулирования силового аг-
регата с применением звукопоглощающих материалов можно рассчитывать на сниже-
ние шума от двигателя на 7...8 дБ (А). При реализации этого мероприятия шум от си-
лового агрегата будет равнозначен шуму, генерируемому редукторами ведущего мос-
та, а также шуму, создаваемому шинами обоих мостов.
В этих технологических операциях испытаний полезно иметь в виду, что при использовании
шумомеров и в испытаниях на дороге, т.е. в свободном звуковом поле, и в полузаглушенной
(безэховой) камере, описанной в гл. 2. измеряемый уровень звукового давления обратно про-
порционален расстоянию от акустического центра излучения до точки измерения и снижается
на 6 дБ при удвоении расстояния от точечного источника звука.
478
Таблица 8.9
Источники внешнего шума Уровни шумов, дБ (А), на передачах
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Общий шум 86,9 87,6 84,6 85.1 85,9 84,7 83,2 81,6 81.8
Силовой агрегат 86,3 85.6 82,5 82,6 83,9 82,2 80,2 78,6 76,5
Ведущий мост 74,7 77,8 78,4 78,6 79.0 78.4 77.6 74,0 77,7
Система выпуска 72,4 72,0 71,6 65,6 64,5 56,1 62,6 — —
Ведущие колеса 64,4 68,9 68,9 69,3 74.5 74,5 74,4 72,2 74,4
Ведомые колеса 68,6 72,6 72,6 72,6 74,8 74,8 72,7 74.9 72,7
479
Исходя из этого, шум редукторов ведущего моста следует уменьшить на 3...4 дБ
(А), шум шин (два моста) также следует уменьшить приблизительно на 3 дБ (А),
шум газодинамической составляющей системы выпуска желательно уменьшить на
1 дБ (А)
Разработанная капсула из МПМ (металл — пластик — металл) со специальным
2
покрытием из звукопоглощающего материала общей площадью 3,3 м позволила
снизить внешний шум автомобиля на 1. .4 дБ (А) в зависимости от передачи, в ре-
зультате чего внешний шум стал 82,5 дБ (А) против 86,9 дБ (А) до капсулирования,
а силовой агрегат остался доминирующим источником только на 8-й передаче.
Идентификация источников шума автомобиля. В практике выявления основных
источников шума автомобиля используется несколько методов.
Первым и наиболее достоверным является метод, в котором в качестве пара-
метра используется энергетическая характеристика акустического поля автомобиля
- звуковая мощность. Удобство этого показателя - возможность применения зако-
на сохранения энергии при последовательном отключении отдельных источников.
Но он не нашел широкого применения из-за трудоемкости и отсутствия однознач-
ной связи звуковой мощности с нормируемым Правилами № 51 параметром - зву-
ковым давлением.
Другой метод, применяемый при идентификации источников, основан на стати-
стической теории акустики и отражен в РД 37.052.137-88. Схожая теория исполь-
зуется при ранжировании источников шума дорожно-строительных машин.
В расчетных зависимостях построенных с использованием геометрической ста-
тистической акустики, в качестве исходных данных используются спектры звуково-
го давления, замеренные в ближнем поле у отдельных агрегатов Существенное
преимущество данного метода - возможность оценить пути прохождения шума че-
рез элементы кузова, кабины. К недостаткам следует отнести сложности при выбо-
ре эмпирических коэффициентов.
Повышение технического уровня испытательных средств и измерительно-анали-
зирующей аппаратуры позволяет быстро и с достаточной степенью точности про-
водить экспериментально-расчетные работы по оценке источников шума и целена-
правленно вести работы по его снижению.
Разделение источников непосредственно на объекте можно осуществлять двумя
основными способами - изоляцией (отключением) исследуемого источника при ра-
ботающих и открытых остальных или изоляцией всех источников кроме исследуе-
мого. Второй способ является более приемлемым для реализации в стендовых ус-
ловиях. Применение его позволяет выделять менее значимые источники шума, ко-
торые при высоком уровне общего шума являются замаскированными.
Оценка шума шин проводится при их прокрутке беговыми барабанами в режиме
разгона При этом в ведущих мостах демонтируются полуоси
Газодинамическая составляющая шума систем впуска и выпуска вычисляется по
разности результатов со штатным и отведенным выхлопом. Структурный шум от
элементов системы впуска и выпуска определяется при их экранировании звукопо-
глощающими и звукоизолирующими материалами.
Для оценки шума силового агрегата и редукторов трансмиссии на ведущие мос-
ты монтируется “саркофаг", который должен обеспечить снижение шума этого ис-
точника минимум на 10 дБ (А). При этом должны быть отведены из шумозаглушен-
ной камеры системы впуска и выпуска.
Разделение шумов таких источников, как двигатель, коробка передач, раздаточ-
ная коробка представляет собой более сложную задачу. В каждом конкретном слу-
480
чае требуется индивидуальный подход, хотя принцип исключения источника остает-
ся тем же.
В качестве показателя, по которому проводится идентификация источников
внешнего шума, является звуковое давление, замеренное при имитации прохожде-
ния автомобилем мерного участка. Это предписано методикой измерения внешне-
го шума по Правилам № 51 ЕЭК ООН.
В полузаглушенной камере во время разгона автомобиля на стенде с беговыми
барабанами осуществляется непрерывная регистрация спектров звукового давле-
ния с записью его через определенные интервалы частоты вращения коленчатого
вала двигателя в мультиспектр.
Выбор интервалов стробирования спектров звукового давления осуществляется
с учетом параметров прохождения мерного участка (начальная и конечная частота
вращения коленчатого вала двигателя, время). Устанавливаемый интервал тесно
связан с достоверностью измерения спектральных характеристик звукового давле-
ния, получаемых с использованием анализатора, работающего в реальном масшта-
бе времени. Интервалы устанавливаются для каждой передачи с учетом времени,
требуемого для достижения необходимой точности при регистрации спектральных
характеристик звукового давления за время прохождения мерного участка. Также
принимается во внимание значение наименьшей третьоктавной полосы, которая
рассматривается при последующем анализе результатов идентификации.
При испытаниях автомобиля невозможно получить абсолютную повторяемость
разгонов. Поэтому для каждой измерительной точки выполняется как минимум три
заезда.
При идентификации источников внешнего шума на стенде точки измерения рас-
полагаются на расстоянии 3,75 м от продольной оси автомобиля с обеих сторон.
Количество точек, как показывает опыт, можно ограничить пятью с каждой сторо-
ны. Эти точки равномерно располагаются по длине автомобиля и имитируют про-
хождение его мимо неподвижного измерительного микрофона при испытаниях на
дороге.
Чтобы привести результаты стендовых испытаний в соответствие с дорожными
достаточно из результатов стендовых испытаний вычесть 7 дБ (А) с учетом стан-
дартной поправки.
Режим движения автомобиля на стенде с беговыми барабанами должен точно
соответствовать режиму движения в дорожных условиях, что обеспечивается воз-
можностями стенда (имитацией дорожного сопротивления и инерции автомобиля)
Глава 9. НАКОПЛЕНИЕ И АНАЛИЗ
РЕЗУЛЬТАТОВ
ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Стремительное нарастание объемов
испытаний и исследований автомобильной техники, сопровождавшееся созданием
и развитием передовой технической базы - автополигонов, разработка научных ос-
нов ускорения и форсирования их проведения привели к быстрому и непрерывно-
му увеличению получаемой ценной и разнообразной информации.
Благодаря достигнутым стабильности, контролю и регулированию внешних воз-
действий, тщательности регламентированных наблюдений за состоянием объектов
испытаний, совершенствованию методов определения причин потери работоспо-
собности или отказов различных элементов, узлов, агрегатов, систем автомобиля
информация по результатам полигонных испытаний открывает возможность широ-
ких обобщений о состоянии производства автомобильной техники, развивающихся
тенденциях и, что наиболее важно, дает возможность обеспечивать фактическими
сведениями о качестве продукции специалистов различных направлений и руково-
дителей различного уровня в автомобильной промышленности.
Такое масштабное использование получаемой информации требует разнообраз-
ной обработки, интерпретации и оценки располагаемых данных. Но при непрерыв-
но нарастающем их объемв и обновлении выполнить соответствующие операции
невозможно, если нельзя в короткое время выбрать нужные факты из большой
массы поступающих материалов. Традиционная система накопления информации
по испытаниям в библиотеках на полках с техническими отчетами становится непо-
мерно громоздкой, а успешный поиск в ней нужных результатов может быть дос-
тоянием лишь специалистов с особо высокой проницательностью и феноменаль-
ной памятью. Поэтому в технологию полигонных испытаний включился самостоя-
тельный раздел - система сбора, хранения, оперативного извлечения получаемых
результатов, а затем их различной обработки с помощью средств автоматизации и
вычислительной техники.
Разработка и внедрение такой современной системы в отечественном автомоби-
лестроении впервые осуществлена на Центральном автополигоне и направлена на
решение в первую очередь проблем надежности. В соответствии с этим она и полу-
чила первоначально условное название подсистемы “Надежность", имея в виду, что в
систему включены еще три разрабатывавшиеся поэтапно подсистемы: ДКИ или ин-
спекционных испытаний, лабораторно-дорожных и ресурсных испытаний.
Наиболее полно разработана подсистема для инспекционных испытаний, опыт
ее развертывания использовался для создания двух других как модернизации и
расширения первой.
Одновременно с созданием хорошего доступа к обширной информации о фак-
тических данных этим открылась возможность для реализации научных подходов к
решению одной иэ ключевых проблем полигонных испытаний - достоверности оце-
нок эксплуатационных и потребительских свойств автомобильной техники.
Теоретическому исследованию этих двух важных проблем в машиностроении и
других областях техники посвящена обширная литература. Поэтому ниже рассмат-
риваются лишь основные положения разрешения этих проблем применительно к
реально действующей системе и технологии полигонных испытаний автомобильной
техники, отраженных в аттестованной нормативно-технической документации.
482
Вместе с тем достоверность оценки результатов полигонных испытаний не мо-
жет рассматриваться изолированно от наблюдений и оценок автомобильной техни-
ки в эксплуатации. Корреляция данных этих источников информации о свойствах и
качестве различных объектов и в разных условиях их использования является не-
пременным условием развития технологии испытаний. Этому служит анализ и
обобщение данных и полигонных испытаний, и наблюдений в эксплуатации автомо-
билей, иллюстрируемый рядом приводимых ниже примеров.
9.1. Автоматизированная
информационно-расчетная
система
Общая структура и функционирова-
ние этой системы (первоначально - подсистема ИРАП ДКИ) наглядно представлена
на рис. 9.1, которую иногда называют схемой документооборота. На схеме видно,
что в систему включены сбор и обработка результатов не только пробеговых, но и
лабораторно-дорожных испытаний. Это объясняется тем, что в типовых програм-
мах-методиках инспекционных испытаний предусматривается оценка показателей
эксплуатационных и потребительских свойств (ЭПС), получаемых как в определен-
ных пробегах, так и в лабораторных и ходовых экспериментах. С некоторыми осо-
бенностями постановки конечной цели, о которых будет упомянуто ниже такое
объединение характерно и для подсистемы ресурсных испытаний. Поэтому ИРАП
ДКИ представляется как типовая система. Разработка системы строилась исходя
из объема фактически поступавшей информации - 14 тыс. единиц в год. Каждая
из них устанавливает фактическое значение общепринятых показателей эксплуата-
ционных и потребительских свойств, неисправности, дефекты, отклонения от НТД и
стандартов, отказы, обнаруженные в процессе испытаний каждого образца и по
мере наработки в виде совершенного испытательного пробега.
Такой объем информации требует определенной структуры центрального звена
системы - банка данных. Показавшее достаточную эффективность построение бан-
ка данных представлено на схеме рис. 9.2.
К настоящему времени в банке данных содержатся результаты испытаний всех
базовых моделей автомобилей отечественного производства последних 5... 10 лет
выпуска и ряда образцов автомобилей производства ведущих автомобилестрои-
тельных зарубежных концернов. Кратко особенности банка данных характеризуются
следующим.
Состав сосредотачиваемых сведений по испытаниям в банке данных иллюстри-
рует рис 9.3 На рисунке многоточиями показано расширение накапливаемых дан-
ных в соответствии со сложившимися в автомобилестроении разделением элемен-
тов конструкции, причин неисправностей и отказов, с положениями нормативно-
технической документации по оценке состояний конструкции и ее эксплуатацион-
ной технологичности, рассмотренными выше. В пробеговых испытаниях все сведе-
ния сопровождаются указаниями фактической наработки в момент их поступления
с учетом последовательности использования испытательных дорог и сооружений,
предусмотренных программами.
Хранение данных и система управления банком (СУБД), математическое и про-
граммное обеспечение предусматривают многоразовое многоаспектное обращение
к накопленным массивам результатов испытаний (базе данных).
483
Рис. 9.1. Схема функционирования информационно-расчетной системы (ИРАП ДКИ) в Научно-
исследовательском центре испытаний и доводки автомототехники.
484
Рис. 9.2. Структура банка данных.
485
Объединенные данные испытаний по типам автомобилей
Рис. 9.3. Состав накапливаемых в банке данных результатов испытаний
486
Для управления базой данных применяется система реляционного типа, предна-
значенная для поддержания модели универсального использования. Эта система
может осуществлять управление несколькими локальными базами, организуемыми
по признаку однородности информации.
Нормативно-справочная база содержит массивы и шифраторы условно постоян-
ной номенклатуры сведений о каждом объекте испытаний.
Разработанные и всесторонне согласованные формы представляемых в систему
документов исключают произвольное толкование результатов испытаний, обеспе-
чивают контроль полноты и фактического соответствия поступающих данных с по-
мощью машинных тестов, организацию защиты введенных данных от искажений и
утечки.
Вычислительная система (ВС) позволяет работать с банком данных одновремен-
но 16-ти операторам и дает возможность использовать 64 кбайт оперативной па-
мяти для решения одной задачи.
Взаимодействие элементов системы регламентировано пятью разработанными
нормативными документами, включающими общее положение о системе, порядок
сбора и кодирования информации, порядок ведения нормативно-справочной базы,
правила кодирования информации, классификаторы отказов и повреждений по ха-
рактеру, по влиянию на работоспособность автомобиля, по сложности устранения
и другим признакам.
Согласованные с основными потребителями информационные задачи, решае-
мые системой в автоматическом режиме, приведены на рис. 9 4.
Функционирование ИРАП ДКИ на Центральном автополигоне позволило осуще-
ствлять объективные в машинном режиме анализ и обобщения о фактическом со-
стоянии качества и надежности основной продукции отрасли, ранее недоступные
или проводившиеся на разрозненных, подчас противоположных впечатлениях и су-
ждениях о результатах испытаний.
Пример комплексного анализа и обобщения результатов испытаний, выполняемых
ИРАП ДКИ и представляемых для управленческих решений, показан на рис 9.5.
Этим далеко не ограничиваются возможности использования банка данных. Воз-
можны и легко доступны статистические и вероятностные исследования отдельных
свойств и характеристик, их взаимосвязь или корреляция, иные закономерности
Это хорошо иллюстрируется например, в работе [61], где с использованием ИРАП
построены законы распределения показателей почти всех основных эксплуатаци-
онных свойств и их отклонений от ТУ. фактически обнаруживаемые при инспекци-
онных испытаниях.
Практически выдвигаемые для решения с помощью ИРАП задачи ограничивают-
ся лишь возможностями используемых ЭВМ. Особо следует выделить следующие
положения, принимавшиеся во внимание при разработке системы и, в частности,
ее программного обеспечения.
1. Испытания базовых моделей автомобильной техники проводятся паргиями из
ежегодных серий производства.
Испытательная партия контролируемой серии комплектуется путем произволь-
ного отбора образцов из числа автомобилей, прошедших технический контроль на
заводе-изготовителе и предназначенных для поставки потреоителям. При этом
практически полностью исключается специальная подготовка, влекущая какие-либо
отличия качества испытательных образцов от поставляемых потребителю. Если ис-
пытательные партии представляются ежегодно, то контролируемой серией являет-
ся продукция соответствующего календарного года
487
Рис. 9.4. Последовательность и состав типовой информации, представляемой в автоматическом
режиме.
488
489
Рис. 9.5. Объем анализа качества и надежности выпускаемой автомобильной техники выдаваемого системой ИРАН по типовой программе.
2. Контролируемыми величинами служат те показатели эксплуатационных и по-
требительских свойств, которые предусмотрены нормативно-технической докумен-
тацией на производство данной серии испытываемой модели автомобиля.
3. Ограничивающие испытания факторы - это количество испытываемых образ-
цов и пробег или время (Т).
4. Работоспособность при испытаниях поддерживается путем устранения отка-
зов. восстановления или замены деталей новыми в случае поломок (М).
5. Процедура получения результатов: образцы (N) испытываются в одинаковых
(заданных) условиях, каждый показатель на каждом автомобиле оценивается с точ-
ки зрения его соответствия или несоответствия требованиям нормативно-техниче-
ской документации.
Эти положения имеют существенное значение прежде всего для решения с по-
мощью ИРАП проблемы оценки достоверности результатов полигонных испытаний.
Кроме того, опираясь на эти положения, созданный банк данных и информацион-
но-расчетная система могут эффективно использоваться при решении новых про-
блем стандартизации (например, обоснованный отбор прогрессивных показателей
ЭПС) и особенно проблем сертификации.
В последней области ИРАП может стать базой двух ключевых процедур: досто-
верной идентификации представляемых для сертификации образцов и инспекцион-
ного контроля и оценки сохранения стабильности производства сертифицирован-
ной продукции.
9.2. Основы повышения
достоверности оценки
результатов
полигонных испытаний
Практическое использование рас-
смотренной информационной расчетной системы для решения проблемы досто-
верности результатов связывается с видами испытаний. Для повышения достовер-
ности оценок показателей, определяемых в разных видах испытаний, сложились
различные теоретические предпосылки использования данных, а следовательно, и
программное обеспечение банка данных. Различие теоретических основ освоения
информации по разным видам испытаний объясняется отличием конечных целей и,
отчасти, разными направлениями поисков подходящих математических моделей,
отражавших складывавшиеся реальные ситуации при постановке и проведении ис-
пытаний.
Наиболее выразительно это проявляется в двух самых массовых и ответствен-
ных видах испытаний - ресурсных и инспекционных (ранее ДКИ). На них и иллюст-
рируются различные теоретические основания повышения достоверности оценок
результатов испытаний. При этом ограничимся изложением этих оснований лишь в
общих чертах, имея в виду, что процедуры применения их даны в НТД, вошедшей
составной частью в технологию полигонных испытаний, а изложение аргументации
имеется в обширной литературе, на которую приведены необходимые ссылки.
Ресурсные испытания. В ходе разработки и внедрения ускоренных ресурсных
испытаний автомобильной техники, в частности, на Центральном автополигоне,
сложились две формулировки основных целей, для достижения которых потребова-
490
лось решение различных вероятностно-статистических задач. Первая формулиров-
ка предусматривает оценку ресурса, заранее неизвестного, по данным наблюдения
в пробегах до наступления предельного состояния определенного количества ис-
пытываемых образцов. Вторая - подтверждение (неподтвержденно) назначенного
или объявленного ресурса по результатам наблюдаемой протяженности пробега до
достижения предельного состояния выделенного количества испытательных образ-
цов. Поскольку ресурс не может рассматриваться иначе как случайная величина,
существенное различие задач, вытекающих из этих двух разных формулировок це-
ли ресурсных испытаний, отчетливо вырисовывается в вероятностном аспекте.
Задачи, возникающие в первом случае, относятся к статистическо-вероятност-
ной обработке наблюдаемого ряда случайных величин пробега до предельного со-
стояния или случайных значений фактического ресурса и связаны с оценкой рас-
"ределения этих величин. Задачи, возникающие во втором случае, относятся к не-
параметрическим, когда распределение пробега до предельного состояния исклю-
чается, и случайными рассматриваются два события, характеризующие исход ис-
пытаний каждого образца:
- предельное состояние не наступило к моменту завершения пробега в объеме
заданного или объявленного ресурса (положительный исход испытаний данного
образца);
- предельное состояние наступило до момента завершения пробега в объеме
заданного или объявленного ресурса (отрицательный исход испытаний данного
образца).
Хотя задачи в обоих случаях имеют определенную связь и изучались в теории и
на практике применительно к различным техническим устройствам, специфика по-
лигонных ресурсных испытаний автомобильной техники потребовала проведения
самостоятельных исследований. Определяющим признаком направлений исследо-
ваний в обоих случаях является ограниченность количества испытаний (образцов).
Но в первом случае исследования были направлены на то, чтобы пополнить недос-
таток наблюдений за счет включения результатов приостановленных испытаний для
оценки наиболее подходящим способом закона распределения ресурса. Во втором
^лучае исследования направлены на то, чтобы найти способ пополнения недостат-
ка наблюдений за счет учета накапливающейся и хранящейся информации о ре-
сурсе ранее испытанных автомобилей (той же или схожей моделей), используемой
в качестве априорной.
Исследования и выбор метода обработки результатов для оценки ресурса с
привлечением незавершенных испытаний проведены применительно к отдельным
агрегатам и деталям автомобиля. Общность формы представления результатов по-
зволяет применять основные положения и выводы этих исследований и к оценке
долговечности автомобиля в целом, рассматривая ее по установленным выше кри-
териям до наступления предельного состояния как ресурс невосстанавливаемого
объекта.
Теоретически определить минимально необходимое и достаточное количество
испытаний не представляет трудности, если известен закон распределения ресур
са, заданы допускаемая погрешность его определения и доверительная вероят-
ность, с которой должна быть получена его оценка На практике закон распределе-
ния ресурсов заранее неизвестен, и лишь предположительно можно полагать его
соответствующим одному из хорошо известных: нормальному, логарифмически
нормальному или Вейбулла. Нет также обоснования практически целесообразной
точности и достоверности оценки ресурса, так как при полигонных испытаниях ав-
491
томобилей в силу ряда объективных причин рекомендации относительно необходи-
мого количества объектов испытаний не могут быть реализованы. Поэтому в боль-
шинстве случаев задача состоит в отыскании параметров распределения на базе
испытаний очень малого количества образцов. Особенностью этой задачи во мно-
гих случаях является то, что полигонные испытания носят незавершенный характер.
Под незавершенными подразумеваются испытания, при которых не все объекты
доведены до отказа установленного характера. Причины могут быть разными. Чаще
всего это желание получить предварительные результаты в ходе испытаний. Случа-
ется, что образцы могут быть сняты с испытаний в результате выхода из строя ис-
пытательного оборудования или смежных элементов конструкции, а также в ре-
зультате истечения заданной продолжительности испытаний и т.д. Результаты та-
ких испытаний представляются рядом величин или выборкой, каждый член которой
является случайной наработкой объекта до предельного состояния или снятия с
испытаний. Образец, снятый с испытаний не из-за наступления предельного со-
стояния, называется приостановленным (приостановкой). При построении вариаци-
онного ряда наработки приостановленных образцов отмечаются звездочкой.
Выборка, содержащая наработки приостановленных изделий, называется непол-
ной. Различают два вида неполных выборок: усеченные и цензурированные. Усе-
ченные выборки могут быть извлечены лишь из генеральной совокупности, ограни-
ченной справа и (или) слева. Цензурированной называется выборка, которая из-
влечена из неусеченной (полной) совокупности, но часть ее элементов (известно
какая) не несет полной информации об изучаемом ресурсе. К числу таких элемен-
тов можно отнести упомянутые выше наработки в приостановленных испытаниях.
Примером цензурированной выборки может быть следующая.
Ресурсным испытаниям подвергнуто N изделий. К моменту, характеризуемому
пробегом /(, часть из них П, достигла предельного состояния. Наработки осталь-
ных N -П1 изделий больше 1Г Это случай правостороннего цензурирования. Пусть
далее к моменту достигли предельного состояния П2 изделий. Остальные
N - П1 - П2 изделий продолжают испытываться, причем наработки их имеют зна-
чения как больше, так и меньше тех, что отказали. Таким образом, осуществляется
прогрессивное (многократное) цензурирование или гиперцензурирование. При оп-
ределенных условиях экспериментирования (например, парное сравнение) возмож-
но двустороннее цензурирование.
Ниже рассматривается лишь многократное цензурирование, поскольку оно
представляет собой общий случай, включающий ситуации, наиболее часто
встречающиеся при обработке данных ресурсных испытаний автомобилей, как
частные случаи. Различают два типа цензурирования: тип I по наработке - испы-
тания прекращаются после наперед назначенных уровней наработки и тип II по
числу отказов - испытания прекращаются после наперед заданных количеств на-
ступления предельных состояний. Дальнейшая детализация связана с наличием
группирования.
Объектами наблюдений для статистической обработки данных ресурсных испы-
таний могут быть, как уже упомянуто, детали, узлы, агрегаты и автомобили в це-
лом. Важно, чтобы при этом сохранялся критерий предельного состояния. Напри-
мер, рессоры могут сниматься с испытаний по двум различным техническим крите-
риям предельного состояния: из-за усталостных поломок листов или потери упру-
492
гих свойств (проседание). В выборке, содержащей оба вида отказов, при изучении
ресурса по усталости металла приостановками будут случаи проседания, а при
изучении ресурса по стабильности упругих характеристик рессор приостановками
будут случаи поломки листов.
Классическим способом обработки цензурированных выборок является метод
максимального правдоподобия. Случай прогрессивного цензурирования рассмот-
рен в работах [4g, 56 и др.]. Сущность его сводится к следующему.
Пусть N обозначает весь объем выборки, а Л - число образцов, которые отка-
зали. Предположим, что цензурирование происходит прогрессивно в к стадий при
наработках /( так, что I > / — 1, i — 1, 2, ... ,к и что на Z-й стадии Г образцов из
числа работоспособных отбираются случайным образом. Следовательно,
к
Л/=Л+У,Г,. (9.1)
1
При цензурировании типа I фиксированы L и число работоспособных образцов в
эти моменты является величиной переменной. При цензурировании типа II нара-
ботки совпадают с моментами наступления предельных состояний и являются
случайными переменными, тогда как число работоспособных образцов в эти мо-
менты фиксировано. Для обоих типов цензурирования Г. фиксированы
Функция правдоподобия P(S), rp,e S - выборка, прогрессивно цензурированная
в к стадии по типу I, может быть записана следующим образом:
P(S) = cjflf(/,-)nb-^)]r'' <92>
1=1 1=1
где С - константа; f - функция плотностей вероятности; F - функция распреде-
ления; П - знак произведения.
Для выборки, прогрессивно цензурированной по типу II , функция правдоподобия
/=/< г ч
Р(5) = ПИФ,)[1-Г(/,)]'' } 1931
/=1
i=n
где л- - А/ - 'У г- — z + 1.
/=1
Задавшись видом функции распределения, определяют логарифм функции
правдоподобия, берут частные производные по входящим в нее параметрам и по-
лученные уравнения (количество которых равно числу параметров функции распре-
деления) приравнивают нулю. Решение этих уравнений с помощью итеративных
процедур приводит к оценкам параметров распределения.
Оценки максимального правдоподобия являются состоятельными и эффектив-
ными и для больших выборок дают удовлетворительные результаты. Когда же вы-
борки малы, оценки максимального правдоподобия могут оказаться смещенными.
В таких случаях более оправданным является использование оптимальных линей-
493
ных оценок. К сожалению, случай прогрессивного цензурирования (тип II) рассмот-
рен лишь для распределения экстремальных значений [49]. Полагая, однако что в
случае малых выборок (N < 6) строгость выбора теоретического распределения су-
щественно не улучшит получаемые результаты, можно при оценке ресурса исхо-
дить из предположения о приемлемости этого распределения во всех случаях.
В работе [49] рассмотрено распределение экстремальных значений
Р( X < х) = 1 - ехр - ехр
X - и
7
(9.4)
где случайная переменная X = In L представляет собой логарифм наработки до
предельного состояния; U - мода (параметр положения) распределения перемен-
ной X, а 7Гу / д/б - стандартное отклонение распределения. При этой модели на-
работка до предельного состояния имеет двухпараметрическое распределение
Вейбулла с параметром масштаба а = ехр(и) и параметром формы Ь = 1/~у
Тогда
Р( L < /) = 1 - ехр
(9-5)
Веса для нахождения оптимальных линейных оценок приводятся в табличной
форме. Поясним применение таблицы на примере из той же работы [49], трактуе-
мой применительно к ресурсным испытаниям автомобилей на автополигоне. Вы-
борка из шести образцов подвергнута ресурсным испытаниям, в технологии кото-
рых предусматривали производство пробега равными ежесуточными циклами по
всем видам дорог с указанными в НТД распределением и режимами, а также уста-
новленные критерии предельного состояния. Предполагалось, что по результатам
ранее выполненных испытаний аналогичных образцов двухпараметрическая модель
Вейбулла распределения ресурса является подходящей. Через 120 циклов после
начала испытаний по распоряжению руководства один из образцов был снят для
демонстрации достижений народного хозяйства. Зафиксированные наработки до
предельного состояния пяти образцов следующие: 38, 88, 96, 118, 178 циклов.
Используя таблицу, приведенную в [49], для входов N = 6, Л = 5, г. = 1, полу-
чим данные для расчета (табл. 9.1).
Таблица 9 1
Номер в вариационном ряду Z Наработка ti , дни Ввса данных
х, = ln(tj А, с,
1 38 3,63759 0,013939 -0,159149
2 88 4,47734 0,054654 -0,156823
3 96 4,56435 0,106415 -0,123795
4 118 4,77068 0,362619 0,046088
5 178 5,18178 0,462373 0,393678
494
Расчет по ним дает следующие оценки:
5
параметр положения й - - 4,90697;
1
характеристическое среднее у = ^С,Х, = 0,4137;
1
параметр масштаба а = ехр(й) = ехр (4,90697) = 135 дней;
параметр формы Ь = 1 / у — 2,4.
Хотя кратко описанные методы дают возможность рассчитать оценки парамет-
ров, но не содержат оснований для непосредственного суждения о близости эм-
пирического и теоретического распределений ресурса. В этом отношении пред-
почтительнее методы, позволяющие графическое представление результатов и
визуальное сопоставление их с теоретическим распределением. К числу таких
относятся методы: Джонсона, Коэна, Нельсона, Индикта-Кривенко, Хараха, Фе-
доровского-Белостоцкого, Шейниной. Перечисленные методы были апробирова-
ны на фактических материалах ресурсных испытаний на Центральном автополи-
гоне (в основном, применительно к оценке ресурса отдельных элементов конст-
рукции автомобилей) и освещены в публикациях. В частности, в брошюре [49]
показаны на конкретных примерах необходимые вычисления и графики для со-
поставления. Проведенные разработки позволили сделать вывод, что примени-
тельно к полигонным испытаниям долговечности (ресурса) автомобилей лучшие
результаты дает статистическая обработка данных по малой выборке методом
Джонсона. С учетом этого составлен и аттестован действующий на Центральном
автополигоне стандарт “Методы определения статистических характеристик ре-
сурса изделий автомобилестроения” (СТП 37.052.009-78).
Исследования достоверности ресурсных полигонных испытаний применительно
ко второй формулировке установленной цели. Проводимые испытания в этом слу-
чае отвечают плану NMT по ГОСТ 27.002-89, согласно которому испытывается N
автомобилей, после каждого отказа автомобиль восстанавливается М, и испыта-
ния длятся до заданного пробега, равного объявленному ресурсу Т. Несмотря на
то, что по такому плану проводится большинство ресурсных полигонных испытаний
полнокомплектной автомобильной техники, результаты их чаще всего вызывают со-
мнение из-за малого количества образцов в испытательной партии. Этому способ-
ствует недостаточное изложение требований к достоверности контроля в Типовой
программе-методике межведомственных испытаний на подтверждение ресурсов до
капитального ремонта АТС.
Действительно, согласно с изложенной выше формулировкой цели во втором виде
и планом NMT ресурсные испытания подчиняются биномиальной схеме, когда исход
испытаний определяется дискретной величиной равной: единице при положите льном
исходе (образец на заданном пробеге не достиг предельного состояния) и нулю при
отрицательном исходе (образец достиг предельного состояния при пробсте, мень-
шем, чем заданный). Тогда при приемочном числе С = 0. браковочном уровне де-
фектности партии 00 = 0,1 (что соответствует 90 %-ному ресурсу) и максимально до-
пустимом риске потребителя Д = 0,2 объем испытаний должен быть N = 16 образ-
495
цам. С другой стороны, как следует из рис. 9.6, представляющем расчет вероятности
недостижения объявленного ресурса, при обычно выделяемом на испытания количе-
стве образцов N = 2 риск принять ненадежную продукцию как доброкачественную Д
= 0,81, а при N = 3 этот риск снижается лишь до 0,73. Как видно, риск потребителя
существенно превышает максимальный допустимый стандартом
Рис. 9.6. Зависимость риска потребителя от количества объектов испытаний при биномиальной
модели их проведения и заданных браковочном уровне и приемочном числе
Однако график на рис. 9.6 построен исходя из того, что ресурс изделия являет-
ся случайной величиной, о которой к началу испытаний ничего не известно В
действительности при «существующей системе оценки надежности ресурсным ис-
пытаниям. как правило, предшествуют расчеты на долговечность, доводочные и
предварительные испытания опытных образцов нескольких последовательных се-
рий, исследовательские и эксплуатационные испытания аналогов Поэтому на
стадии планирования ресурсных испытаний можно предположительно указать
средний ресурс или диапазон значений ресурса, за пределы которого он может
выйти лишь в результате грубых нарушений установившихся правил изготовле-
ния или эксплуатации
Использование этих дополнительных сведений помогает уточнить и увереннее
использовать количественную оценку достоверности результатов текущих испыта-
ний при малой партии испытательных образцов.
Привлекаемые дополнительные сведения рассматриваются как априорная ин-
формация Возможности применения априорной информации расширяются, если
придать ей статистически-вероятностное выражение в виде оценок вероятности
недостижения предельного состояния автомобилем за установленный пробег Это
эквивалентно вероятности соответствия ресурса установленному требованию или
нормативу.
496
Формально наиболее простое включение априорной информации осуществляется
с помощью коэффициента ее значимости или веса по отношению к полученным ре-
зультатам рассматриваемых ресурсных испытаний данной испытательной партии.
По определению коэффициент веса априорной информации Z может изменять-
ся в пределах от нуля до единицы. В первом крайнем случае, когда Л близко к ну-
лю, априорной информации не придается никакого значения, и суждение о досто-
верности результатов складывается только по материалам наблюдений в данных
испытаниях. В другом крайнем случае, когда Л приближается к единице, достовер-
ность суждения определяется только ранее полученными результатами и результа-
ты текущих, проведенных испытаний данной партии не несут никакой дополнитель-
ной информации. При Л = 0,5 априорной информации придается такая же значи-
мость, как и полученным результатам в данных испытаниях.
Применительно к оценке результатов испытаний в виде вероятности недостиже-
ния автомобилем предельного состояния за ресурсный пробег введем следующие
обозначения:
Рд - априорная вероятность соответствия ресурса заданному или объявленному
значению;
Р - статистическая оценка ресурса по данным проведенных испытаний рассмат-
риваемой партии (частота недостижения предельного состояния или относительная
часть не достигших предельного состояния образцов за установленный пробег ис-
пытательной партии);
РЛ - вероятность соответствия ресурса оцениваемого автомобиля заданному
значению с учетом априорной информации о нем.
При этих обозначениях получается
РЛ = ЛРа + (1 - Л) ро (9.6)
К сожалению, реализация этого соотношения затрудняется сложностью и нераз-
работанностью методов определения коэффициента значимости априорной инфор-
мации. Пока что приходится его величину считать примерно пропорциональной ко-
личеству ранее проведенных ресурсных испытаний и повторяемости получаемых
при этом результатов. Недостаточно также данных о вероятности недостижения
предельных состояний за объявленный ресурсный пробег для автомобилей разных
типов. Отчасти эти данные извлекаются из банка ИРАП и наблюдений в эксплуата-
ции. Так. обобщение результатов эксплуатационных испытаний в ЭПАХ дает сред-
нее значение вероятности недостижения предельных состояний за пробег в объе-
ме объявленного ресурса X = 0,75.
Эффективность учета априорной информации можно иллюстрировать следую-
щим примером.
При очередных ресурсных испытаниях серийной модели автомобиля в партии из
трех образцов только один не достиг предельного состояния за пробег в объеме ус-
тановленного норматива. Следовательно, по результатам данных испытаний вероят-
ность соответствия его установленному требованию по ресурсу составляет всего
Р = 1/3 = 0,33.
Ранее автомобили этой модели подвергались полигонным испытаниям, где совпа-
дение результатов происходило не менее, чем в 50 % случаев. Это дает основание
497
оценить значимость априорной информации коэффициентом Z. = 0,5. Среднее значе-
ние вероятности недостижения предельного состояния в эксплуатации оценивается
как 75 случаев из 100, т.е. Рд = 0,75. Подстановка этих значений в (9.6) дает
Р; = 0,5 0,75 + (1 - 0,5)0,33 = 0,54.
Учет в данном случае априорной информации показывает, что истинная вероят-
ность соответствия ресурса данной модели автомобиля установленному нормативу
значительно выше, чем это обнаружено в пробеговых испытаниях данной партии.
Есть все основания считать, что полученный в испытаниях результат является
следствием неудачной выборки очень малой испытательной партии образцов из
той части серии общего выпуска, которая не превышает обусловленного браковоч-
ного уровня
Поэтому вероятность недостижения предельного состояния, оцененная по ре-
зультатам испытаний данной партии, но с учетом априорной информации будет
достовернее для принятия решения или заключения.
Другой способ учета априорной информации используется для установления
связи такого критерия достоверности результатов, как риск потребителя с количе-
ством испытательных образцов в партии.
Отличительной особенностью этого способа является ввод априорной информа-
ции в виде интервала возможных значений вероятности недостижения предельного
состояния за нормированный пробег с границами: нижней - Рн и верхней - Рв.
Предполагается, что этот интервал с вероятностью, равной единице, накрывает ис-
тинное значение. Используется известное соотношение нижнего предела довери-
тельной вероятности недостижения предельного состояния, риска потребителя и
количества испытательных образцов в виде
Задаваясь каким-либо простым законом распределения вероятности недостиже-
ния предельного состояния на вводимом интервале Рн ... Рв, например, равномер-
ной плотности или равномерно нарастающей (треугольной формы), а также принимая
верхний уровень доверительной вероятности, как это общепринято равным 0,9, вели-
чину Р можно выразить как функцию только нижнего значения характеристики апри-
орной информации Рн, поскольку всегда можно считать Pfi равной единице.
Не вдаваясь в подробные выкладки, приведенные в [49], иллюстрируем исполь-
зование метода учета априорной информации для выбора количества испытатель-
ных образцов в партии при оценке достоверности результатов заданным риском
потребителя.
Для фиксированных значений нижней границы вероятности недостижения
предельного состояния в ресурсных испытаниях, при упомянутых выше законах
распределения этой вероятности (равномерном - вариант 1 и треугольном - ва-
риант 2) и риске потребителя Р = 0,2 расчетное количество образцов в испыта-
тельной партии показано в табл. 9.2.
В практическом использовании расчетные величины N округляются до целых
чисел, имея в виду, что округление в большую сторону повышает значение досто-
верности результатов испытаний.
498
Таблица 9.2
Закон распределения априорной вероятности Количество образцов N при фиксированных значениях Рн
0,5 0,6 0,7 0,8
Вариант 1 7,21 5,59 3,96 2,32
Вариант 2 3,6 2,8 1,98 1,16
Как видно, для изделий, относительно которых известно, что вероятность недос-
тижения предельного состояния не может быть ниже 0,75 (это часто подтвержда-
лось данными наблюдений в опытной эксплуатации), чтобы проконтролировать ре-
сурс с риском потребителя /} = 0,2. достаточен объем выборки N = 3 в предполо-
жении о равномерном распределении Р и N = 2 в предположении о треугольном
его распределении.
В заключение следует отметить, что изложенные соображения относительно
достоверности ресурсных испытаний могут быть применены и к испытаниям на
безотказность при контроле вероятности безотказной работы или средней нара-
ботки на отказ, а также при контроле /-процентных показателей надежности.
Инспекционные испытания. Существенным отличием инспекционных испыта-
ний, влияющих на выбор способа повышения их достоверности, являются прежде
всего множество оцениваемых показателей эксплуатационных и потребительских
свойств (ЭПС), количественное значение которых в опытах на каждом образце ав-
томобиля оказывается случайным. Кроме того, одна из главных целей инспекцион-
ных испытаний состоит в том, чтобы оценить стабильность производства испыты-
ваемой модели. Поэтому в повышении достоверности результатов этот фактор
обязательно присутствует. Наконец, сама оценка каждого показателя ЭПС выража-
ется количественно в виде числовых неравенств или допустимых диапазонов их
значений. Все это значительно осложняет обоснованное использование распола-
гаемой предварительной информации для повышения достоверности оценки ре-
зультатов испытаний. Такой прямолинейный подход, как интуитивное предположе-
ние о допустимом диапазоне вероятности соответствия показателей ЭПС установ-
ленным требованиям, показанный выше для оценки ресурса, применительно к ин-
спекционным испытаниям неэффективен. Несмотря на то, что проблема повыше-
ния достоверности оценки результатов в обоих видах испытаний порождается од-
ним и тем же фактором - малым количеством испытываемых образцов, решение
ее в инспекционных испытаниях потребовало использования практически всех воз-
можностей банка данных в системе ИРАП ДКИ и разработки иной трактовки самой
математической модели, отражающей биномиальную схему испытаний [64].
Основное содержание этой разработки посвящено решению следующей задачи
Контрольная испытательная партия, поступающая на полигонные испытания, вклю-
чает малое (как правило, не более трех) количество образцов. Нормативные пока-
затели всех ЭПС, предусмотренных в программе испытаний для оценки, известны
из ТУ или стандартов. Договорные отношения между заказчиком (потребителем) и
изготовителем (поставщиком) определены предельно допустимой долей брака (не-
соответствия НТД) по каждому показателю в определенной (например, годовой)
серии выпуска. Необходимо оценить достоверность результатов испытаний, кото-
499
рые формулируются в виде: контрольная партия испытания выдержала и данная
серия выпуска оценивается, как соответствующая требованиям или аттестуется:
отрицательное заключение, когда контрольная партия испытаний не выдержала, -
контролируемая серия не аттестуется. При этом теоретические обоснования реше-
ния строятся применительно к каждому эксплуатационно-потребительскому свойст-
ву. Ясно, что решение этой задачи имеет значение прежде всего как способ отне-
сения обнаруживаемых при испытаниях недостатков либо к сугубо случайным, ли-
бо к неизбежно присущим конструкции или технологии производства. Хорошо из-
вестно, что на практике без оценки достоверности результатов испытаний нередко
составляются случайные рекомендации по изменению конструкции или технологии,
неоправданные для крупных серий выпуска, или. наоборот, длительное время оста-
ются неустраненными неслучайные дефекты, а для новых моделей иногда вносятся
недостаточно подтвержденные изменения тактико-технических требований, техни-
ческих заданий или технических условий.
Неубедительность оценки достоверности отклонений от нормативов в контроли-
руемых сериях при испытаниях малой выборки без обоснованных данных для при-
нятия решений потребителем и изготовителем способствует медленному повыше-
нию качества или даже ухудшению производства серийных или массовых моделей
автомобилей.
Такое положение сохраняется несмотря на значительное совершенствование ис-
пытаний после создания технически передовой базы, разработки и внедрения эф-
фективной технологии полигонных испытаний и сосредоточения их на автополиго-
не, обеспечивающих высокий уровень стабильности, сопоставимости и воспроиз-
водимости условий проведения и результатов.
Но именно централизация испытаний на единой базе и предоставляет возмож-
ность решить проблему оценки достоверности результатов полигонных испытаний.
Теоретическое решение данной проблемы тесно связано с их планированием, раз-
вивавшимся в области исследований надежности технических устройств.
Как известно, в теории надежности выбор плана испытаний означает подбор не-
обходимого количества образцов (измерений) в испытательной партии и приемоч-
ного числа, исходя из установленного постоянного браковочного уровня в серий-
ном или массовом производстве и заданной вероятности соотношения между чис-
лом неудачных исходов испытаний и обусловленным приемочным числом.
Формализуется это так, что заданная вероятность разных исходов испытаний
является функцией перечисленных величин
Если задается вероятность определенного числа неудачных исходов меньше
приемочного, то ее величина выражает риск потребителя, принимающего положи-
тельное решение о качестве контролируемой серии, когда возможно, что выбран-
ный план испытаний не отражает фактическое состояние производства
Если задается вероятность определенного превышения числа неудачных исхо-
дов над приемочным, то ее величина выражает риск изготовителя, соглашающего-
ся забраковать контролируемую серию, когда возможно выбранный план испыта-
ний тоже не отражает состояние производства, а обусловленный браковочный уро-
вень соблюдается
Если эти риски задаются, то выбор плана испытаний является задачей обратной
по отношению к прямой задаче вычисления риска потребителя и изготовителя при
известных объемах испытательной партии, приемочном числе и браковочном уровне.
Действительная обстановка испытаний, когда количество образцов неизбежно
фиксировано, количество неудачных исходов обнаружено, а браковочный уровень
500
обусловлен, как раз соответствует прямой задаче оценки риска потребителя и из-
готовителя при принятии решений согласно полученным результатам.
Ясно, что в этой обстановке вычисляемые риски являются естественными кри-
териями оценки достоверности результатов испытаний. Но эти оценки становятся
реальными, только если принимается в расчет неизбежная в действительности
случайная нестабильность производства.
Такая вполне очевидная, практически наглядная трактовка критериев достовер-
ности результатов испытаний и используется с применением банка данных ИРАП в
НИЦИАМТ для заключений и принятия решений.
В полигонных инспекционных испытаниях эти критерии применяются к каждому
показателю ЭПС. При этом несоответствие измеренного показателя требованиям
НТД на испытываемом образце считается неудачным исходом. Если количество не-
удачных исходов X в испытательной партии не превосходит заданной величины прие-
мочного числа С, контролируемая серия аттестуется по данному показателю (оцени-
вается положительно). При X > С серия не аттестуется (отрицательная оценка).
Вследствие ограниченности выборки, нестабильности производства, ошибок в
измерении контролируемого показателя количество успешных исходов испытаний
и неудач являются случайными величинами Поэтому и событие аттестации по дан-
ному показателю при результатах испытаний X < С является случайным. Объектив-
ной характеристикой рассматриваемого события, как всякого случайного, является
его вероятность.
Количественная оценка этой вероятности определяется исходя из следующих
условий.
Во-первых, испытания (измерения ЭПС) каждого образца в испытательной пар-
тии являются независимыми.
Во-вторых, допустимый объем выпуска продукции, не отвечающей по рассмат-
риваемому показателю требованиям НТД (браковочный уровень), в контролируе-
мой серии представляется как доля общего объема выпуска.
В-третьих, погрешности измерения рассматриваемого показателя ЭПС при ис-
пытаниях на полигоне пренебрежимо малы в сравнении с отклонениями от требо-
ваний НТД, вызванными производственными причинами.
В этих условиях браковочный уровень, если он задан численно, означает веро-
ятность несоответствия показателя ЭПС требованиям НТД у наугад выбранного
образца автомобиля из всей контролируемой серии.
Рассмотренные правила и положения испытаний отвечают уже упоминавшейся
биномиальной схеме, математическая модель которой описывает вероятнощные
характеристики аттестации по результатам испытаний в виде известных формул
Л/ — х
Рх =C*eX(1-6) . X = 12,...,N; (9.8)
p(x<c) = x£cxex(i-e)w’x- (99)
х=0
где Рх - вероятность получения при испытаниях N образцов равно X случаев не-
соответствия измеряемого показателя ЭПС требованиям НГД, Сц - число сочета-
ний из N элементов по X
501
Величина Р(х < с) выражает вероятность неудач не более, как в С случаях на
N образцах, выбранных из серии, где строго обусловлена доля брака 0 = 0Q. Вме-
сте с тем, если в испытаниях обнаруживается X < С и на этом основании контро-
лируемая серия аттестуется, то величина Р(х < с) выражает вероятность превы-
шения доли брака над обусловленной.
Чем выше эта вероятность, тем больше шансов (при прочих равных условиях -
N. С) аттестовать по результатам испытаний серию, в которой относительное коли-
чество или доля образцов, несоответствующих НТД, превышает обусловленный
процент (0О х 100) от общего объема выпуска.
Выражение (9 8), рассматриваемое как функция принятого уровня брака 0О при
постоянных N и С, отражает эффективность использования испытаний по отноше-
нию к оценке контролируемой серии и служит оперативной характеристикой приня-
того способа аттестации продукции.
Поскольку Р(х < с) характеризует превышение доли брака в аттестованной про-
дукции над значением 0О, установленным в соглашении между поставщиком и потре-
бителем, ее величина используется как мера риска потребителя - р. В соответствии
с этим величина 1- Р(х < С), выражающая вероятность брака (неаттестации) контро-
лируемой серии при фактическом соблюдении в ней условия 0 < 0Q, используется
как мера риска поставщика - а.
Следовательно величины а и Р являются для практики критериями достоверно-
сти результатов испытаний как основания для принятия решений в производстве
(управлении качеством) или приемки продукции, а также оценки состояния произ-
водства данной модели.
Основываясь на таких представлениях, решение задачи планирования испыта-
ний выражается подбором таких значений N и С, которые удовлетворяли бы сле-
дующим соотношениям:
Р(Х < С) = Р;
1 - Р(х < С) = Р(х > С) = а. (9.10)
Теоретическим исследованиям этого решения посвящено большое количество
специальных работ [59, 61 и др ]. Для общих случаев порядок решения, необходи-
мые таблицы приведены в стандартах по контролю качества продукции машино-
строения и по контролю надежности, опубликовано множество дополнений и посо-
бий для использования стандартных методов планирования контрольных испытаний
надежности.
Но несмотря на это стандартные методы планирования, а следовательно и
оценки достоверности результатов применительно к испытаниям автомобилей
практически невозможно реализовать.
Первой причиной тому является малое количество образцов, которое представ-
ляется на испытания, что заведомо приводит к высокому риску, как это показано
выше на рис. 9.6.
502
Второй причиной является неопределенность выбора браковочного уровня 0,
единственным основанием для назначения которого считается возможность изгото-
вителя компенсировать планируемую долю брака в порядке выполнения гарантий-
ных обязательств перед потребителем. Однако, даже если этот показатель назна-
чен, то как это анализировалось в [59], затруднения сохраняются. Достаточно об-
ратить внимание на то, что задание браковочного уровня постоянным 0 = 0О озна-
чает заведомое и фиксированное разделение контролируемой серии на количест-
венно определенные две части: соответствующих и несоответствующих НТД, при-
чем одинаковых по всем контролируемым показателям ЭПС.
Такое положение представляет идеально стабильное производство, что не отве-
чает ни действительности, ни, что еще важнее, основной задаче инспекционных ис-
пытаний - оценке стабильности производства данной модели автомобиля.
Обе причины невозможности реализовать стандартные методы планирования
связаны с тем, что в самой постановке задачи предполагается отсутствие какой-
либо иной информации кроме результатов испытаний данной контрольной партии
В настоящее время объем информации, накопленной в банке данных ИРАП
ДКИ, позволяет статистически охарактеризовать контролируемые показатели ЭПС
как случайные величины.
Но главное - накопленная в банке данных информация позволяет избавиться от
очевидной несообразности представления браковочного уровня постоянным значе-
нием во всех контролируемых партиях, которое лишает инспекционные испытания
основного смысла. Взамен 0 = 0Q = const, как обязательно присущего каждой кон-
трольной партии, вводится представление о случайной величине браковочного
уровня, лишь ограничиваемой обусловленным значением 0 < 0Q. В действительно-
сти произвольный отбор образцов неизбежно приводит к поступлению на испыта-
ния продукции разных частей серии, для которых браковочный уровень может быть
и больше, и меньше обусловленного.
Ясно, что такое представление браковочного уровня придает задаче и плани-
рования, и оценки достоверности испытаний реалистичный, хотя и более слож-
ный вид.
Предлагаемый подход меняет оперативную функцию (9.8), (9.9) и оценку рисков
потребителей, поставщика, придавая последним характер фактических значений
для данной серии выпуска.
Формально такой подход с учетом априорной информации заключается в пре-
образовании оперативной функции, считая, что случайная величина браковочного
уровня приняла некоторое заранее неизвестное значение. При этом оперативная
функция строится как система случайных величин: X - количества обнаруживаемых
несоответствий НТД (неудач) при испытаниях и 0 - браковочного уровня,
реализующегося в данной контрольной партии.
Исходя из того, что истинное значение браковочного уровня неизвестно, исчер-
пывающей его характеристикой является закон распределения, который необходи-
мо извлечь из банка данных.
Если такие данные оформлены в виде оценки плотности распределения брако-
вочного уровня, как непрерывной случайности величины /(0), то плотность распре-
деления системы двух случайных величин выражается по теореме умножения веро-
ятностей как произведение безусловной плотности одной из них и условной плот-
503
ности другой, вычисленной при условии, что первая величина приняла определен-
ное значение. В выбранных обозначениях это выражается в виде
f(x, 6) = f(Q)f(x 16). (9 11)
Соответственно интегральная функция рассматриваемого распределения прини-
мает следующий вид
F(x, 0) = F(x < с; 0<ео) =
Х=с е0
= J J г(о)г( х|е0 )dx de -
(9.12)
= J f(e) ff(x|e)c/x de
Чтобы воспользоваться этими общими выражениями, необходимо учесть сле-
дующие особенности, сближающие их с биномиальной схемой испытаний. Случай-
ная величина X - дискретная и аналогом плотности ее распределения является вы-
ражение (9.8). Соответственно, дискретным аналогом интегральной функции явля-
ется суммирование по всем значениям X, изменяющимся с интервалом Дх = 1 в
пределах от 0 до С. Следовательно, дискретным аналогом внутреннего интеграла в
выражении (9.12) является (9.9) при условии, что величина 0 приняла определен-
ное значение.
Случайная величина 0 по своему физическому смыслу как относительная часть
изделий, не соответствующих НТД, может изменяться в пределах от 0 до 1. При
этом с риском потребителя связаны только те ее значения, которые превышают
обусловленный браковочный уровень. Следовательно, искомой величиной действи-
тельного риска потребителя является = Р(х < С, 0 > 0О).
Изменение условий оценки вероятности сравнительно с выражением (9.12)
путем изменения неравенства случайной величины 0 означает изменение преде-
лов внешнего интеграла в соответствии с диапазоном возможных ее значений от
0О до 1. Тогда, учитывая дискретность переменной X и выражение аналога ее ус-
ловной вероятности (9.9), с учетом аналога (9.12) можно действительный риск
потребителя выразить в виде
1 х=с
Дд = Р(х < с;0 > 0О) = J f(0) £c*0*(l-0o)/V“Xd0 =
в0 *=°
(9.13)
Г в°
= Тс„е;(1-0оГ’х 1- Jf(0)d0 .
х=0 L О
504
В этом соотношении выражена фактическая независимость функций распреде-
ления величин X и 0. при которой интегральная функция распределения двух слу-
чайных величин является произведением интегральных функций распределения ка-
ждой из них.
Так же определяется действительный риск изготовителя
ад = р(х > с;0 < 0О) =
%
ff(0)d0.
о
(9.14)
В полученных соотношениях видно, что для реализации предлагаемого подхода
и к планированию, и к оценке достоверности испытаний необходимо выбрать под-
ходящую модель закона распределения браковочного уровня и извлечь из априор-
ной информации данные для определения его параметров. Для выбора такой мо-
дели имеются некоторые очевидные признаки. По смыслу браковочного уровня ин-
тервал его распределения (0...1) характеризуется так, что f(O) = f(1) = 0, а соот-
ветствующая интегральная функция по определению F(0) = О и F(1) = 1.
Кроме того, при постоянно действующем техническом контроле на предпри-
ятии-изготовителе вероятность несоответствия НТД любого образца и выпускае-
мой серии установившегося производства, как правило, невелика. Поэтому мода
распределения вероятности может находиться неподалеку от начала интервала
0 = 0 и тем ближе, чем эффективнее контроль по каждому показателю ЭПС или
технологических операций, обеспечивающих изготовление автомобилей с заданны-
ми свойствами и характеристиками. Из этого следует, что закон распределения
может иметь несимметричную форму.
С таким качественным образом подбираемой модели хорошо согласуется функ-
ция бета-распределения вида
А(0) = J . 06-1(1 - 0)Р 1.
В(5;р) 1 '
(9.15)
где 6, р - параметры; 8(6; р) - полная бета-функция этих параметров.
По известным параметрам полная бета-функция вычисляется с помощью таблиц
гамма-функции в виде
) Г(6)Г(Р)
s(s’pl=ni7ri
При использовании согласно указанным выше признакам бета-распределения,
как подходящей модели распределения истинного значения браковочного уровня,
формулы расчета критериев достоверности или планов испытаний получаются под-
становкой (9.15) в соотношения (9.13) и (9.14), что дает:
^д = £«(1-0о)
х-0
1 ।
1 В(б;р) Jo
(9.17)
N
Р ' dO
505
«д
1-
1 г°
f s-1(l-0)1 PdQ.
(9.18)
jB(S;p) 0
Для удобства вычислений эти формулы преобразуются вводом неполной бета-
функции
N - x
(9.19)
(9.20)
%
Be0(S;p)= J 06 1(l - б)Р 1 cf0
о
и ее отношения к полной бета-функции
, , Ч(5-~р)
'р в(& р) ’
После подстановки этих выражений в (9.17), (9.18) и элементарных преобразо-
ваний расчетные формулы приводятся к следующему виду:
Рд
1-
(9.21)
«д
1-Z
х=0
N- x
(9.22)
Упрощение расчетов при пользовании последними формулами состоит в
том. что вычисления интегралов, входящих в (9.17) и (9.18), заменяются опре-
делением отношений /0° (б; р), которые табулированы с высокой разрешающей
способностью и по значению аргумента 0. и по значениям параметров. Пол-
ные же бета-функции тоже легко вычисляются по таблицам, как указано соот-
ношением (9.16).
Из приведенных выкладок следует, что искомое решение требует прежде всего
обоснованной оценки параметров 8 и р принятой модели распределения истинно-
го значения браковочного уровня. Такие оценки получаются по известным свойст-
вам бета-распределения, выражающимся в следующих зависимостях между его
параметрами и первыми двумя начальными моментами:
5
Me =;—;
5 + р
<2_______8р_____
(8+ p)2(S+ р + 1)
где Pg Од- среднее значение и дисперсия случайной величины браковочного
уровня.
506
Решение этой системы уравнений относительно параметров дает:
°0
Р = [М1 - Не) - 4] (9.23)
Для практического использования полученных теоретических соотношений необ-
ходимо внести некоторые формальные представления нестабильности производст-
ва, его проявления и оценивания. Вначале важно отметить, что биномиальная схе-
ма, присущая практике испытаний автомобильной техники, не накладывает каких-
либо ограничений на возможные значения доли или относительной части 6 образ-
цов контролируемой серии, несоответствующих НТД, в пределах от О до 1 по лю-
бым измерителям показателей ЭПС, обозначаемых, например, Z или Т.
В непрерывном производстве эта доля 6Z, 6Г может принимать бесчисленное
множество значений, изменяясь случайным образом и тем самым фактически от-
ражая нестабильность производства по соответствующему показателю ЭПС.
Поскольку эта величина несчетна, то согласно общей теории вероятности она
обоснованно представляется законом непрерывного распределения.
Это показывает единственно правильную вероятностную форму истолкования
договорного ограничения нестабильности производства предельным уровнем отно-
сительной части несоответствующих НТД образцов в виде
F(ez<eoz); F(er<eor),
т.е. вероятностью того, что в серийном производстве доля брака по показателю
Z или Т не превышает обусловленной величины.
Но физически нестабильность производства проявляется в случайной изменчи-
вости численных значений отдельных показателей ЭПС, обнаруживается измере-
ниями их в различных испытательных партиях и оценивается по сериям выпуска
автомобиля данной модели.
Учитывая, что производство автомобильной техники крупносерийное или массо-
вое, где количество образцов велико, измерители каждого ЭПС тоже представля-
ются непрерывными случайными величинами.
Поэтому применительно, например, к показателю Z нестабильность производст-
ва описывается законом распределения в виде непрерывной функции вероятности
появления его значений GfZ).
В каждой Z-й испытательной партии обнаруживаются параметры этого закона -
математическое ожидание |1Д и дисперсия . По ряду произведенных измерений
показателя данного ЭПС вычисляются точечные оценки этих параметров согласно
известным правилам статистики
1 k=N, 1 k=Nt 2
^ci ~ .. <TZ, — (^ki ~ ^ci) , (9.24)
4 fc=i N, - 1 k=1
507
где к - номер образца (измерения) в Z-й испытательной партии; Л/. - количество
образцов в Z-й партии.
Так как нормативное значение рассматриваемого показателя и форма предъяв-
ляемого требования заданы в ТУ или стандарте, например, в виде ZH, то обнару-
женная в данной испытательной партии нестабильность производства характеризу-
ется вероятностью Gf. (Z < ZH), которая представляет численную оценку относи-
тельной части соответствующих НТД образцов.
Наоборот, вероятная доля или относительная часть несоответствующих НТД об-
разцов данной серии определяется как 1 -G,.(Z<Z„). В силу выборочное™ ис-
пытательных партий нестабильность производства в другой /-й партии при самых
общих предположениях проявляется в том, что обнаруживается иной закон распре-
деления измеряемого показателя Gj (Z) с иными параметрами и иной вероятной
величиной доли несоответствующих НТД образцов 1 - Gy (Z < ZH).
Но обнаруживаемые в отдельных партиях численные оценки нестабильности
производства одновременно характеризуют и изменчивость ее во всей серии вы-
пуска, являясь собы™ями, когда случайная величина непрерывно изменяющейся
относительной части серии несоответствующих НТД машин принимает разные зна-
чения. Формально это выражается для выбранного показателя ЭПС в виде:
1 - G,.(Z < ZH) = ezi, 1 - Gy(Z< ZH) = 0zy; i = 1, 2....j..... n.
Если испытания данной модели проведены в П испытательных партиях, то полу-
ченная согласно этому выражению статис™ческая совокупность 6 дает статисти-
ческий ряд и характеристики ее распределения будут:
первый начальный момент
1
Hez=-L0z,: <9-25)
n,=i
второй центральный момент
Oez = “^(^z, _ Mez) (9.26)
П ~ 1 ,=1
Эти величины и используются как оценки теоретического распределения слу-
чайной величины браковочного уровня 0, для расчета параметров выбранной его
математической модели по формулам (9.23) по каждому измерителю ЭПС.
Рассмотренная связь статистически-вероятностных представлений нестабильно-
с™ производства и измерений ЭПС при испытаниях предполагает для оценки дос-
товерности результатов или обследования плана выборку нескольких испытатель-
ных пар™й из аттестуемой серии. Невозможность осуществить ее в условиях
обычных ограничений предстает теперь в математическом описании: при одной
малочисленной испытательной партии невозможно получить выборочные оценки
закона распределения F(0) браковочного уровня ни по одному информативному
508
показателю эксплуатационных и потребительских свойств автомобилей контроли-
руемой серии выпуска.
Вот это препятствие и преодолевается с помощью банка накопленных данных
ИРАП в НИЦИАМТ при некоторых достаточно обоснованных допущениях.
Первое из них состоит в том, что случайные отклонения показателей ЭПС на об-
разцах испытательных партий одной серии и разных серий выпуска порождаются
качественно однородными причинами. Следовательно, по крайней мере в стати-
стическом аспекте результаты испытаний выборок из одной серии подобны ряду
результатов испытаний выборок из разных серий. Такое допущение оправдывается
неизменностью ТУ на серийное производство данной модели автомобиля в тече-
ние длительного времени выпуска, как это характерно для отечественного автомо-
билестроения, а также характерными признаками массового производства.
В сущности это аналогично допущению эргодичности процесса случайного из-
менения какого-либо показателя ЭПС, если его представлять как непрерывную
функцию времени. Тогда ряд результатов испытаний отдельных партий из разных
серий выпуска, как ансамбль реализаций, характеризует статистические свойства
результатов испытаний последовательных партий одной серии. На основании столь
близкого к действительности допущения извлекаемые из банка данных ИРАП ре-
зультаты испытании автомобилей прошлых выпусков включаются в расчет критерия
достоверности результатов испытаний вновь поступившей партии текущей серии
производства, играя роль априорной информации.
Второе допущение основывается на анализе накопленных в банке данных мате-
риалов. Этот анализ показал, что распределение случайных значений практически
всех показателей ЭПС, измеряемых при испытаниях, подчиняется нормальному за-
кону, за исключением показателей безотказности (средней наработки на отказ),
распределение которых характеризуется экспоненциальным законом.
При этом для показателей ЭПС, подчиняющихся нормальному закону, в раз-
личных испытательных партиях разброс оценок первых моментов (средних значе-
ний) значительно больший, чем разброс вторых (дисперсий). Более того, дис-
персии одноименных показателей автомобилей разных моделей оказываются
весьма близкими.
По-видимому, это объясняется упомянутой однородностью причин, вызывающих
случайные отклонения измеряемых показателей.
Исходя из таких результатов анализа обобщенных данных принимается, что дис-
персия отдельного показателя ЭПС сохраняется во всех испытательных партиях
данной модели автомобиля, а отличие законов распределения его в разных испы-
тательных партиях выражается только разными оценками средних значений.
Реализация этого допущения представляется схематически на рис. 9.7,а для ус-
ловно обозначенного показателя Z. Кривыми 1 и 2 на рисунке иллюстрируются
возможные отличия закона распределения при разных дисперсиях показателя Z в
испытательных партиях при неизменном среднем значении Zc~.
Чтобы уменьшить влияние этих отличий на необходимую для расчетов величину
G. (Z < ZH), оценка дисперсии вычисляется по совокупности значении показателя
Z не в одной 7-й испытательной партии, а по измерениям на образцах всех партий,
хранящихся в банке данных ИРАП. При такой сглаженной оценке дисперсии рас-
пределения показателя Z в 7-й и /-й испытательных партиях считаются отличающи-
мися только средними значениями Zcj. и ZQ. (кривые 3 и 4).
509
Рис. 9.7 Распределения показателей ЭПС в разных испытательных партиях относительно
нормативного значения (индекс "н"):
а - нормальное; б - экспоненциальное.
Принятое допущение значительно упрощает определение искомых величин
G(Z < ZH), показанных штриховкой 5, от нормативного значения ZH, и, следова-
тельно. первоначальную обработку информации, извлекаемой из банка данных
ИРАП.
В этом случае (при нормальном законе распределения с определенными оцен-
ками параметров и заданным нормативом) искомая вероятность рассчитывается
обычным способом по таблицам
GZ,(Z<
^н) = Ф
(9.27)
510
где Ф - табличная функция вероятности; С/ - среднеквадратичное значение
показателя Z, исчисленное по сглаженной оценке дисперсии
При иной форме требований НТД в виде Z > ZH или Za < Z < Zg искомая веро-
ятность определяется, соответственно, по выражениям
Gz,-(Z>ZH) = 1-0
Gz.(Za
На рис. 9.7,6 иллюстрируется первоначальная обработка информации, извле-
каемой из банка данных ИРАП, для показателей, распределенных по экспоненци-
альному закону. Поскольку это распределение однопараметрическое, среднее зна-
чение показателя однозначно определяет положение интегральной кривой закона
распределения в Г-й или /-й испытательных партиях относительно норматива Г
(кривые 1 и 2, соответственно).
Если рассматривается такой показатель ЭПС, как средняя наработка на отказ
Тер, то точечная оценка параметра может производиться по каждому образцу и ос-
редняться по всей партии. Это, как сглаживание дисперсии для ЭПС, распределен-
ных по нормальному закону, повышает репрезентативность информации, извлекае-
мой из банка данных ИРАП.
Искомые вероятности несоответствия показателя ЭПС установленному нормати-
ву в этом случае вычисляются по формуле
0т, = 1 - gTi{t < тн) = 1
ехр
тС1)
(9.28)
Эффективность рассмотренного метода наглядно проявляется в конкретных
примерах. На рис. 9.8 показан вид получаемых распределений фактического бра-
ковочного уровня согласно данным многократных испытаний одной и той же моде-
ли автомобиля на протяжении длительного периода ее выпуска.
В табл 9.3 показаны результаты решения задачи оценки достоверности испыта-
ний по критерию риска потребителя для разных первоначальных условий (заданных
N, 60 и С) с привлечением априорной информации в виде накопленных данных об
испытаниях этой модели автомобиля.
Из таблицы видно, что с помощью ИРАП ДКИ даже при относительно невысоких
требованиях, отражаемых в плане испытаний приемочным числом, достоверность
оценки результатов по критерию риска потребителя соответствует требованиям
стандарта Более того, с привлечением банка данных ИРАП ДКИ исключается воз-
можная ошибка в принятии решения даже в тех случаях, когда в силу сложившихся
ограничений испытаний в испытательной партии получены отрицательные резуль-
таты Оценка достоверности результатов испытаний помогает избежать дорого-
стоящих, необоснованных мероприятий на производстве.
511
Таблица 9.3
Контролируемые показатели эксплуатационных и потребительских свойств Приемочное число Риск потребителя при
Л/ = 3; во = 0,1 Л/ = 3; ео = 0.15 N = 2; 0о=О,1 N =2; 0О= 0.15
Расчет стандартизованным методом
Все предусмотренные НТД 0 0,729 0,614 0,81 0,72
1 0,972 0,939 0,99 0,97
2 0,999 0,996 1 1
3 1 0,996 — —
Расчет с учетом априорной информации ИРАП ДКИ
Путь торможения при испытаниях типа "О” 0 0,131 0,107 0,199 0,168
1 0,326 0,291 0,484 0,401
2 0,558 0,521 0,903 0,827
3 0,901 0,862 — —
Максимальная скорость 0 0,109 — 0,143 —
1 0,199 — 0,252 —
2 0,272 — 0,52 —
3 0,299 — — —
Контрольный расход топлива при скорости 50 км/ч 0 0,084 — 0,106 —
1 0,149 — 0,168 —
2 0,177 — 0,184 —
3 0,183 — — —
Содержание окиси углерода в отработавших газах 0 0,063 — 0,012 —
при холостых оборотах 1 0,068 — 0,078 —
вала двигателя 2 0,072 — 0,080 —
3 0,074 — — —
Уровень шума в кабине 0 0,213 — 0,259 0,099
1 0,458 — 0,524 —
2 0,641 — 0,682 —
3 0,769 — — —
Безотказность (наработка на отказ) 0 0,024 — 0,060 —
1 0,102 — 0,250 —
2 0,316 — 0,632 —
3 0,994 — — —
512
Рис. 9.8. Плотность распределения браковочного уровня в длительном производстве грузового
автомобиля по показателям эксплуатационных свойств:
1 - тормозного пути: 2 - средней наработки на отказ.
9.3. Анализ результатов
с привлечением наблюдений
в эксплуатации
Технология испытаний автомобиль-
ной техники на автополигоне, охватывающая все виды опытной проверки и воз-
можности ускоренной доводки новых конструкций, постоянно требует сличения по-
лучаемых результатов с материалами эксплуатационных наблюдений.
Проблема установления определенной корреляции между результатами поли-
гонных, в особенности форсированных, испытаний и наблюдений в эксплуатации,
не нова. Она постоянно выдвигается и как проблема сопоставления, и как пробле-
ма приведения, совпадения, пересчета пробегов, наработки, ресурсов в эксплуата-
ции и при испытаниях всех видов техники. Но ее конкретизация и возможность ре-
шения как проблемы совершенствования оценки результатов полигонных испыта-
ний автомобильной техники имеет значительно более развитые по сравнению с
другими областями машиностроения основания. Многолетнее организационное
взаимодействие автомобильной промышленности и автомобильного транспорта по
контролю и оценке качества серийно выпускаемой продукции в разнообразных ус-
ловиях функционирования, концентрация получаемых данных в таких, например,
научных организациях, как филиал головного института отрасли НАМИ и в Научно-
исследовательском институте автомобильного транспорта (НИИАТ) создали боль-
шое информационное поле для разработки основ корреляции данных испытаний и
эксплуатации. До недавнего времени эксплуатационные наблюдения развертыва-
лись в специально выделяемых экспериментально-производственных автохозяйст-
вах (ЭПАХ), количество которых непрерывно нарастало, и где организовывались
группы подготовленных специалистов для систематизации и обобщения наблюде-
ний за поломками, неисправностями, отказами эксплуатируемой техники. Такая ра-
513
бота строилась на основе единой методики сбора и представления наблюдений за
определенными партиями автомобилей всех выпускаемых моделей на гарантийном
периоде и до исчерпания ресурса. Материалы таких наблюдений служили эффек-
тивным средством повышения достоверности оценки фактических качеств автомо-
бильной техники в разных условиях использования и помогали непрерывному со-
вершенствованию серийно выпускаемых АТС. Накопленный многолетний опыт пла-
номерного сбора информации в ЭПАХ сохраняет свою ценность до настоящего
времени. И не только обширным объемом фактических материалов по конкретным
моделям автомобилей, автобусов, прицепов и другой разнообразной автомобиль-
ной техники, но и методическими основами его сбора, обобщения и представле-
ния. Опыт функционирования ЭПАХ и методического обеспечения его может ус-
пешно использоваться для организации наблюдений в эксплуатации автомобиль-
ной техники в новых условиях широко развертывающихся дилерской сети, после-
продажного гарантийного обслуживания, фирменного сервиса и т.д.
Вместе с тем для использования данных наблюдения в эксплуатации как сред-
ства повышения достоверности оценки результатов полигонных испытаний требу-
ются изменения методик, которые хотя бы отчасти снимали трудности кропотливо-
го анализа, необходимого при целенаправленном установлении соответствия обна-
руживаемых дефектов продукции. Использовавшиеся до последнего времени еди-
ные методики обработки и формы представления материалов ЭПАХ, достаточно
эффективные для обобщения и наглядности, выражения количественных оценок
полученных наблюдений, дают очень мало для установления связей с результатами
полигонных испытаний. Это объясняется прежде всего различием исходных мате-
риалов эксплуатационных наблюдений и полигонных испытаний. Но даже сравни-
тельно небольшие изменения в обработке и публикации эксплуатационных наблю-
дений могли бы дать значительно больше данных для согласования с ними испыта-
ний на автополигоне. Например, представление эксплуатационных наблюдений в
виде ведомости последовательно по пробегу обнаруживаемых дефектов, отказов и
поломок, анализа динамики повреждения, а также устранения отказов разного ви-
да позволило бы отчетливее определить соотношение полигонного испытательного
пробега и наблюдаемых в различных ЭПАХ эксплуатационных пробегов. Следова-
тельно, лишь на основе согласования и объединения методики оформления ре-
зультатов работы эксплуатационников и испытателей можно улучшить в определен-
ной степени интерпретацию испытаний автомобилей на автополигоне.
Но от этой меры нельзя ожидать решения проблемы корреляции результатов
полигонных испытаний и наблюдений в эксплуатации, гак как нельзя преодолеть
различия способов получения информации. В эксплуатации, как правило, наблюда-
ется статистическая репрезентативная партия автомобилей в рабочем процессе. И
хотя рабочие процессы для каждого автомобиля не характеризуются какой-либо
определенностью условий использования, режимом внешних воздействий, обстоя-
тельств движения и т.п. показателями, статистические обобщения отказов, замены
деталей, стоимости обслуживания дают весьма ценное представление о рассмат-
риваемом автомобиле, если полагать работу соответствующего автохозяйства ти-
пичной. При полигонных же испытаниях результаты относятся к партии всего из
двух-трех автомобилей, но при этом наблюдаемый рабочий процесс организован в
основных чертах соответствующим эксплуатационным условиям и, что самое глав-
ное, в строгих, отчетливо определенных условиях загрузки, внешних воздействий,
обстоятельств и режимов движения, отраженных в документации по технологиче-
скому процессу их проведения
514
Это дает высокую сопоставимость результатов, воспроизводимость и достовер-
ность оценки свойств и качеств автомобиля в условиях испытаний на автополиго-
не, что является основой успешной целенаправленной доводки новых конструкций
и контроля текущего производства. Исходя из теоретических основ статистики,
можно утверждать, что преодолеть такое различие исходных материалов для уста-
новления определенных связей между результатами полигонных испытаний и на-
блюдениями в эксплуатации невозможно никаким расчетом. В лучшем случае мож-
но путем значительного усложнения обработки результатов, некоторых более или
менее оправданных допущений отыскивать вероятностные оценки пределов расхо-
ждения результатов. Вряд ли можно считать оправданной ликвидацию разрыва ме-
жду испытаниями и наблюдениями в эксплуатации путем сближения методов их
получения. Если вводить в ЭПАХ достаточно подробную регистрацию условий каж
дого рабочего рейса, ремонтно-восстановительных воздействий и других обстоя-
тельств, которые при полигонных испытаниях строго фиксируются, нарушится про-
изводственный процесс вплоть до потери рентабельности автохозяйства. Если на
полигонные испытания направлять партии автомобилей, количественно соответст-
вующие наблюдаемым в эксплуатации, то пострадают не только экономика, но и
фактические возможности автополигона.
Поэтому на практике уверенность в достоверности результатов полигонных ис-
пытаний путем привлечения наблюдений в эксплуатации достигается лишь тща-
тельностью анализа совокупности условий возникновения, обнаружения, физики
происходящих отказов.
Для интерпретации и наблюдений в эксплуатации, и результатов полигонных ис-
пытаний приходится вносить ряд допущений, основывающихся главным образом на
инженерном опыте.
Наглядно это можно пояснить конкретным примером проводившейся на Цен-
тральном автополигоне работы по сопоставлению и анализу данных ЭПАХ и ис-
пытаний.
Рассматривались результаты эксплуатационных наблюдений (испытаний) в ЭПАХ
в течение гарантийного периода автомобиля массового производства, сохранявше-
гося практически неизменным на протяжении 10 лет выпуска. Автомобили этой же
модели проходили ежегодные инспекционные испытания на Центральном автопо-
лигоне в том же объеме пробега. Для сличения результатов все данные были раз-
биты на три группы:
- nd 20 автомобилям, испытывавшимся на автополигоне:
- по 160 автомобилям, наблюдавшимся в эксплуатации в центральной климати-
ческой зоне;
- по 93 автомобилям, наблюдавшимся в существенно отличных климатических и
других условиях эксплуатации.
Представление о различии полученных результатов дает табл. 9.4, где сконцен-
трированы данные лишь по одному агрегату-двигателю.
Из таблицы видно, как согласуются укрупненные данные: т аибольшая доля не-
исправностей приходится на системы питания (25...42 %), охлаждения (20. 25 %),
блок цилиндров и головку блока (10...25 %). По характеру и месту проявления этих
неисправностей и отказов соответствие достигает 65...75 %.
Ясно, что такое обобщенное сравнение не дает достаточной уверенности в
оценке обнаруживаемых конкретных дефектов, как конструктивных или технологи-
ческих недостатков данной модели автомобиля. Поэтому дальнейший анализ стро-
ится на более детальном рассмотрении материалов с учетом как условий зксплуа-
515
тации, так и условий полигонных испытаний, а также некоторых допущений. В част-
ности, наиболее характерными неисправностями считались те, что повторялись
при испытаниях на автополигоне и наблюдались в четырех и более ЭПАХ различ-
ных климатических зон. Количество таких неисправностей по рассматриваемому
агрегату составило всего 16,3 % (8 наименований из 49). К ним относятся прогар
рукава глушителя, течь воды из радиатора (из трубок и в местах пайки нижнего и
верхнего бачков), из-под сальников вала водяного насоса, прогорание прокладки
головки блока цилиндров и др. Это означает, что данные неисправности не случай-
ны и являются следствием или конструктивной, или технологической недоработок.
Таблица 9 4
Группы деталей и системы двигателя Распределение неисправностей, %, в группах автомобилей
первой второй третьей
Блок цилиндров и головка блока 18 25 10
Шатунно-поршневая группа и коленчатый вал — 7 4
Система газораспределения 14 5 6
Система смазки 4 3 —
Система питания 25 38 42
Глушитель 18 2 13
Система охлаждения 21 20 25
Часть неисправностей, отмеченных при наблюдениях в опытной эксплуатации,
при полигонных испытаниях не обнаруживалась. К ним относятся, например, во-
семь случаев поломок кронштейнов крепления глушителя, зарегистрированные в
трех ЭПАХ. Здесь тоже приходится ориентироваться на допущение поломка крон-
штейна происходит из-за ослабления его крепления, так как при полигонных испы-
таниях, где таких поломок не было, предусматривается своевременная и тщатель-
но выполняемая проверка крепежа, а в ЭПАХ - не предусматривается. То же мож-
но сказать и о поломках узлов крепления двигателя, зарегистрированных в опыт-
ной эксплуатации (разрушение подушек, срез болта крепления кронштейна опоры).
Далее в рассматриваемом массиве данных отмечено 30 случаев закоксовывания
отверстий распылителей форсунок. Произошло это в трех ЭПАХ, в том числе в
Якутске — 26 случаев. При испытаниях на автополигоне подобных отказов не на-
блюдалось Это дает основания исключать такие отказы из рассмотрения, считать,
что они произошли вследствие применения топлива не того сорта, который реко-
мендуется для данной климатической зоны
Точно такая же картина выявилась и в отношении приводных ремней 14 ремней
привода генератора, а также семь ремней привода компрессора расслоились или
разорвались на автомобилях второй группы, а в третьей группе - пять ремней (в
трех ЭПАХ). При полигонных испытаниях таких неисправностей не возникало. Учи-
тывая, что наиболее существенное воздействие на материал приводных ремней
оказывает в процессе работы натяжение, можно в числе основных причин неис-
правностей. проявившихся в ЭПАХ. считать несвоевременную регулировку натяже-
ния ремней.
516
Это, так сказать, явные расхождения данных, полученных в ЭПАХ и на автополи-
гоне, которые позволяют выявить, причем с довольно высокой степенью достовер-
ности, и недостатки организации эксплуатации автомобильной техники. Но они да-
ют возможность выявить и производственные недостатки. Например, при эксплуа-
тации автомобилей выпуска одного года в ЭПАХ отмечено шесть случаев деформа-
ции кольца гильзы цилиндров, то же обнаружено и при инспекционных испытаниях
На автомобилях других лет выпуска таких неисправностей не отмечалось. Значит,
они - результат некачественного изготовления именно этой партии деталей.
Часть неисправностей, отмеченных при опытной эксплуатации и не обнаружен-
ных при полигонных испытаниях, можно считать однотипными по той причине, что
они проявляются за пределами гарантийного пробега, т.е. при ресурсных испыта-
ниях. К ним относятся: течь масла из-под сальника коленчатого вала, прогорание
прокладки выпускного коллектора, задир шатунных шеек коленчатого вала. Около
60 % неисправностей (27 из 49) носят единичный характер и отмечались либо в
опытной эксплуатации, либо при испытаниях.
Из рассмотренного примера видно, что для обоснования единых выводов по на-
дежности, вытекающих из результатов полигонных испытаний и наблюдений в
опытной эксплуатации даже сравнительно устойчивых к внешним воздействиям
двигателя и его систем, требуется кропотливый анализ данных по всем видам об-
наруженных неисправностей или отказов. Гораздо сложнее решается эта задача
для агрегатов шасси, особенно несущей системы, подвески, мостов и колес, руле-
вого управления, где существенным фактором повреждаемости являются загрузка
автомобиля и дорожные условия. Например, установлено, что лишь незначительная
часть (около 1/6) отказов деталей рулевого управления автомобилей в эксплуата-
ции повторяется при испытаниях по программе контрольных испытаний на автопо
лигоне. Причем значительная доля отказов в эксплуатации (до 75 %) приходится на
гидроусилитель, в то время как при испытаниях на полигоне почти половина отка-
зов приходилась на рулевую колонку.
В рассмотренном примере видно также, что основным затруднением использо-
вания наблюдений в эксплуатации для повышения достоверности полигонных ис-
пытаний является огромный разброс условий использования, обслуживания, снаб-
жения горюче-смазочными материалами автомобильного транспорта.
Но то обстоятельство, что выразительной и решающей оценкой каждого де-
фекта, поломки, неисправности остается величина пробега или наработки до об-
наружения, является устойчивой предпосылкой успешных поисков сближения и
согласования результатов наблюдения в эксплуатации и полигонных пробеговых
испытаний.
Рассматривая это как средство повышения достоверности результатов полигон
ных испытаний, можно выделить несколько перспективных направлений работы
Во-первых, дальнейшее развитие и совершенствование технической базы поли
гонных испытаний, охватывающее все более широкое воспроизведение натурных
эксплуатационных условий с более четким, количественно определенным их регу-
лированием и дозированием в испытательном пробеге.
Во-вторых, создание и использование новых систем и способов сбора наблюде-
ний за состоянием автомобильной техники в эксплуатации при изменяющейся ор-
ганизации автомобильного транспорта, в новых структурах его использования.
В-третьих, более глубокий анализ накопленных ранее сведении об эксплуа! ани-
онных и полигонных испытаниях, позволяющий выработать некоторые устойчивые
представления и подходы к разнообразной информации.
517
Первое из перечисленных направлений оправдало себя с самого начала созда-
ния и эффективного использования Центрального автополигона. Оно непрерывно
развивается до настоящего времени и его основы и достижения освещены в пре-
дыдущих разделах.
Второе и третье направления не столь определенны и нуждаются в конкретиза-
ции. В качестве примера развития и использования второго из перечисленных на-
правлений можно назвать отчасти опробованную программу организации опытной
эксплуатации непосредственно при автополигоне.
Целесообразность такой организации основывается на следующем. Объемы
хозяйственной деятельности по развитию материальной базы, совершенствова-
нию технологии испытаний, обслуживанию производственного процесса и связей
автополигона настолько значительны, что требуют автотранспортного обеспече-
ния в самостоятельно организованном автотранспортном подразделении. Разно-
образие и часто специфические особенности эксплуатации автотранспорта на
полигоне требуют комплектации такого подразделения практически всеми типа-
ми грузовых и легковых автомобилей. Вместе с тем и база технического обслу-
живания, и персонал, и организация технической эксплуатации и наблюдений не
выделяются из автополигона с его четкой системой организации работы с испы-
тательной техникой. Более того, ответственность и наблюдательность при испы-
таниях автомобилей на полигоне сохраняются и в обслуживающих подразделе-
ниях. Таким образом имеются благоприятные условия для организации на авто-
полигоне опытной эксплуатации автомобилей, гораздо более регламентирован-
ной и информативной, чем это доступно в ЭПАХ, а тем более в дилерской сети и
у частных пользователей.
Преимущества этой опытной эксплуатации заключаются в том, что возможности
автополигона позволяют определить типовые маршруты движения, оценить их по
характеристикам внешних воздействий и условий движения, исследовать режим
работы автомобилей разных типов на этих маршрутах, а водителям вести протоко-
лы наблюдений по той же форме, что и на испытаниях. Автомобили могут периоди-
чески подвергаться комплексу углубленной проверки в объеме лабораторных и ла-
бораторно-дорожных испытаний, что имеет важное значение для изучения динами-
ки изменения параметров при эксплуатации. Техническое обслуживание и текущий
ремонт автомобилей в опытной эксплуатации при автополигоне осуществляется с
жесткой регламентацией, учетом и экспертизой. В ведущейся штатными водителя-
ми документации при указанной эксплуатации строго отражается действительная
транспортная работа автомобиля как по определенности маршрутов, так и по весо-
вым и нагрузочным показателям и времени.
Развитием опытной эксплуатации автомобилей на автополигоне предусматрива-
ется не только решение задач установления количественных связей между резуль-
татами испытаний и наблюдениями в эксплуатации, но и более глубокая задача оп-
ределения влияния эксплуатационных свойств автомобилей, определяемых при ис-
пытаниях, на эффективность их транспортной работы. При этом предлагается рас-
сматривать эксплуатационные испытания при автополигоне как испытания автомо-
билей-лидеров. по которым устанавливаются достижимые в эксплуатации показа-
тели эффективности использования. Практическими мероприятиями, обеспечиваю-
щими обоснованность таких показателей, являются оборудование автомобилей в
опытной эксплуатации при полигоне средствами регистрации режимов работы: та-
хографами, режимомерами, счетчиками моточасов, расходомерами. Установка и
работа с этой аппаратурой на автополигоне являются привычными и не вызывают
518
осложнений. Получаемые же материалы, наряду с обстоятельной и фиксируемой
водителями диагностикой, дают как раз те исходные данные, которые совершенно
необходимы для установления количественных закономерностей реализации экс-
плуатационных свойств в реальной транспортной работе.
Организация опытной эксплуатации при автополигоне в рассматриваемом аспекте
создает дополнительные возможности более раннего прогнозирования надежности
автомобильной техники при эксплуатации, если парк экспериментального хозяйства
укомплектовывать образцами производства первых партий новых моделей.
Важное значение для обоснованной оценки технического уровня отечественных
автомобилей и их конкурентоспособности имеет опытная эксплуатация в достаточ-
но строгих условиях автополигона и автомобилей зарубежного производства, на
чем остановимся ниже.
Благоприятной предпосылкой плодотворной опытной эксплуатации автомобиль-
ной техники при полигоне является подготовка кадров водителей-испытателей и
инженеров-исследователей. Особенностью этой подготовки является прежде всего
привычное уяснение задач и отработки навыков наблюдений за состоянием авто-
мобиля, фиксирование наблюдений и порядка действий при отклонении парамет-
ров, включая своевременный вывод из непрерывного использования эксплуатируе-
мых автомобилей для проведения экспертизы или лабораторных, лабораторно-до-
рожных испытаний
Главной предпосылкой успешного решения задач опытной эксплуатации при ав-
тополигоне является хорошо разработанная модель испытаний. На основании
предварительно отработанной модели пробега в организуемой опытной эксплуата-
ции возможна экономичная и целенаправленная работа по извлечению нужной ин-
формации достаточного объема и достоверности, без перегрузки излишними дан-
ными, которые, возможно, и представляют частный интерес, но не имеют значения
для решения проблемы корреляции полигонных испытаний с наблюдениями в экс-
плуатации, как это наблюдалось в ЭПАХ. Только на основании четкой модели опыт-
ной эксплуатации при автополигоне возможна разработка рациональных и простых
форм регистрации наблюдений, способов их расшифровки и обработки, обеспечи-
вающих получение нужных материалов и исключающих потери времени для регист
рации второстепенных или “смежных" данных.
Перспективное направление в разработке моделей для математического опи-
сания и опытной эксплуатации, и испытаний на полигоне, позволяющее согласо-
вать их количественные результаты, представляется как реализация двух основ-
ных положений:
- вероятностной оценки показателей качества и функционирования автомобилей.
- схематизации рабочего процесса использования автомобиля дискретными со-
стояниями со случайными переходами во времени или в пробеге.
Плодотворность такого подхода пояснялась приведенными выше теоретически-
ми предпосылками.
Для пояснения содержания работы в третьем из названных выше направлении
усиления достоверности оценки результатов испытаний приведем несколько при-
меров анализа опубликованных данных и сведений, полученных как в эксплуата-
ции, так и на полигоне по автомобильной технике зарубежного производства. Не-
обходимость такого анализа возникает прежде всего в силу специфичности дорож
но-климатических условий и технической эксплуатации автомобильном техники в
нашей стране. Так, хорошо известно, что дорожные условия в Западной Европе,
США и Японии существенно лучше чем в России и странах СНГ
519
Например, автомобильные дороги с асфальтобетонным покрытием в Англии со-
ставляют 98 % общей протяженности дорог с твердым покрытием, Италии - 86,
Японии - 68, США - 48 %, тогда как у нас — менее 25 %; практически нет в этих
странах регионов с резкими перепадами температур, огромными сезонными изме-
нениями состояния дорожных покрытий, специальных дорог для движения в трудно
доступных местностях типа “лежневок" и т.п.
Эти обстоятельства выдвигают ряд требований к конструкции отечественных ав-
томобилей, предназначенных в большинстве случаев для работы на всей сети до-
рог страны. В частности, необходимость приспособления отечественных автомоби-
лей к более тяжелым дорожным условиям ведет к повышению их снаряженной
массы (легковых - на 6...8 и грузовых - на 8... 12 %) и дорожного просвета на
20...40 мм. По той же причине приходится усиливать конструкции системы подрес-
соривания и несущей системы автомобилей.
Так подсчитано, что ресурс грузовых автомобилей при уменьшении их металло-
емкости на 10 %, т.е. при ее приближении к металлоемкости зарубежных аналогов,
снижается в среднем на 20 %, а для легковых автомобилей эти цифры еще выра-
зительнее: каждые 5-8 % массы дают 30 % ресурса: для автобусов - соответствен-
но 12 и 20 %. Средний ресурс автомобилей по отказам подвески и несущей систе-
мы при эксплуатации на лучших магистралях в 1,5...2 раза больше, чем при экс-
плуатации на общей дорожной сети.
Это следует иметь в виду каждый раз при оценке такого важного показателя,
как металлоемкость конструкции, являющегося выразителем технического уровня в
автостроении.
С другой стороны, когда достоверность оценки показателей технического уровня
предусматривает сопоставление с публикуемыми сведениями о зарубежном произ-
водстве, требуется критическое и осторожное их использование.
Сравнение данных, заявленных фирмами-изготовителями автомобильной техни-
ки, публикуемых зарубежной автомобильной прессой, и результатов испытаний на
Центральном автополигоне показывает, что зарубежные фирмы, выпуская реклам-
ные проспекты, зачастую завышают показатели технического уровня своих автомо-
билей. Например, при сравнительных испытаниях автомобилей "Рено-Мастер Т-
35Д” (Франция), “Мерседес-Бенц 307Д” (ФРГ), “Фиат-Дейли 35-8” (Италия) было
установлено, что данные фирм о снаряженной массе этих автомобилей явно зани-
жены, как это видно из табл. 9.5.
Таблица 9.5
Данные Снаряженная масса, кг
“Рено-Мастер Т-35Д” "Мерседес-Бенц 307Д" "Фиат-Дейли 35-8"
По проспекту фирмы 1670 1900 2000
По результатам испытаний 1780 2018 2100
Разница "факт проспект", % 6,5 6,2 5
Испытания зарубежных аналогов, отечественных автомобилей ЗАЗ-1102
(“Фольксваген Поло Е”, “Фиат Уно”, “Мицубиси Кольт”, “Остин Метро”), ВАЗ-1111
(“Субару 700”, “Дайхатсу Куоре”), ВАЗ-2108 (“Фиат Ритмо”, "Опель Кадет”, “Форд
520
Эскорт”, ‘‘Рено 9”, "Фольксваген Гольф 11"), АЗЛК-2141 ("Опель Аскона”, "Ситроен
Б-Икс", “Ниссан Станза", "Фольксваген Пассат”) также показали среднее для сво-
его класса занижение показателей, приведенных в проспектах: снаряженной массы
(на 1,2...3,8 %), среднего расхода топлива (на 5,4...18,1 %) и времени разгона с
места до 100 км/ч (на 10,6... 15,5 %).
Это подтверждается и результатами испытаний, публикуемыми зарубежной
прессой. В качестве примера можно привести результаты испытаний на расход то-
плива при скоростях 90 и 120 км/ч 150 легковых автомобилей, опубликованные в
итальянском журнале “Кваттроруот” и показанные в табл. 9.6. Из них следует, что
среднее превышение фактического расхода топлива над записанным в Женевском
каталоге при скорости 90 км/ч составляет 9. 11,7 %, а при 120 км/ч - 8,2.. 8,9 %.
Объяснение здесь простое: данные, публикуемые в Женевском автомобильном
каталоге, фирмы-изготовители получают на специально подготовленных образцах.
У автомобилей же, сходящих с конвейера, как правило, показатели хуже.
Надежность - один из важнейших показателей технического уровня и качества
автомобиля. Однако в зарубежной литературе данные о надежности автомобиль-
ных конструкций (безотказности, долговечности и ремонтопригодности) освещают-
ся мало. Время от времени, в связи с увеличением жалоб владельцев по поводу
обнаружения дефектов в той или иной модели нового автомобиля, национальные и
региональные автотранспортные ассоциации проводят массовые обследования его
технического состояния и эксплуатации.
Испытания же по известному типу “Дауэртест”, которые проводятся на единич-
ных образцах легковых автомобилей, ограничиваются пробегом 60...80 тыс.км и
поэтому выявляют лишь такие отказы, как повышенный износ тормозных накладок,
обрыв ремня вентилятора, выход из строя амортизаторов и т.д. Отказы двигателя,
коробки передач, задних мостов и других агрегатов в связи с недостаточным про-
бегом автомобиля не выявляются. Нередко складывается представление об исклю-
чительно высокой безотказности автомобилей иностранного производства Между
тем анализ данных по эксплуатации автомобилей зарубежных моделей в Москве
показал, например, что автомобиль “Фиат” имел отказы при пробегах 4,7 тыс.км
(трещина крышки распределителя), 15,1 тыс.км (поломка замка двери) и 27,2
тыс. км (отказ ручного тормоза); автомобиль “Опель” при пробегах 20 тыс. км (из-
нос задних тормозных колодок) и 21 тыс. км (подтекание масла из-под прокладки
головки блока); автомобиль “Тоета" - при 14 тыс. и 23 тыс. км. Специальные на
блюдения за 70 автомобилями “Мерседес-Бенц 2280" до пробега 200 тыс км дали
следующие результаты: средняя наработка на отказ колеблется от 5 тыс. км до 10
тыс. км, а наработка на отказ двигателя, подвески, тормозной системы составляет
в среднем 20 тыс.км. Так что с точки зрения надежности зарубежные автомобили
при работе в одинаковых условиях нередко уступают автомобилям выпускаемым
нашими заводами Однако система обслуживания автомобилей за рубежом opi а
низована, в отличие от принятой в нашей стране таким образом, что при пропене
нии ТО одновременно выявляются и устраняются причины, которые Moiyi принести
к отказам. В целях повышения безотказности автомобильных конструкции практи-
куется принудительная замена отдельных деталей, имеющих незначительный оста
точный ресурс Например, замена глушителей - через 18 месяцев, шлангов охлаж-
дения - через 24 ..36, ремней вентилятора - через 24 месяца передних амортиза-
торов - через 60 тыс. км пробега, задних - через 40...60 тыс км и т д И эго замет-
но повышает эксплуатационную надежность автомобильной техники
521
Таблица 9.6
522
Скорость, км/ч Источник информации и расхождение данных Расход топлива, л/100 км
"Остин Метро” "Фиат Ритмо 60" "Форд Эскорт 1300” "Опель Кадет 1300" "Рено 96 ТС" "Фольксваген 1300" "Лянча Дельта 1300" "ФОРД Сьерра" "Рено 18 турбо” "Ауди 80 1600" "Остин Монтего 1,6" "Ситроен Б-Икс 16" "Опель Аскона"
90 Женевский каталог 4.8 5,3 5,4 5 5,4 5,5 5,8 7,6 5,5 6 5.3 5.5 6
Журнал "Кваттроруот" 5.5 5.85 6.0 5.15 5,9 5,75 6,4 8,2 6,6 6,5 6,35 6 6.3
Расхождение, % 14,6 10,5 11,2 3 9,2 4,6 10,5 7,8 20 8,3 19,8 9,1 5
120 Женевский каталог 6.9 7.6 7.5 6.5 7,4 7,3 7,9 9,6 77 8,2 7,3 7 7,8
Журнал "Кваттроруот" 7.6 8,5 8,2 6,8 8 8 8.6 10,3 8,3 8.8 8,05 7,7 8,3
Расхождение, % 10.1 11,8 9,3 4,6 8,1 9.6 89 7,3 7,8 7,3 10,4 10 6,4
Важные для достоверной оценки качества дают испытания зарубежных моделей
автомобилей в регионах с различными климатическими условиями. Так, эксплуата-
ционные испытания грузовых автомобилей в средней полосе (35 автомобилей-са-
мосвалов ИФА-В50) в Нижнем Новгороде, в Якутии (23 автомобиля "Магирус-
Дойтц 209Д26”), 25 карьерных автомобилей-самосвалов "Комацу ИД-1200" с дви-
гателями “Камине” в Кемеровской области, результаты которых приведены в
табл.9.7, свидетельствуют о том, что за гарантийный период эксплуатации отказы-
вают от 42 до 72 % автомобилей, а наработка на отказ варьируется от 4,3 до 14,5
тыс.км пробега. Примерно такая же картина складывается и в отношении надежно-
сти за технический ресурс, данные о которой по эксплуатационным наблюдениям
приведены в табл. 9.8.
Таблица 9.7
Показатель ИФА- В50 “Магирус-Дойтц" 209Д26 “Комацу ИД-1200"
Пробег, тыс.км 25 25 40
Наработка на отказ, приведенная к первой категории условий эксплуатации, тыс.км 4,3 5,04 14,5
Отношение числа отказов к числу автомобилей в контрольной партии, % 48 52 72
Таблица 9.8
Показатель ИФА-В50 "Магирус-Дойтц” 209Д26
Ресурс автомобиля, тыс. км: 90%-ный средний 110,7 181 347 584
Число деталей, лимитирующих надежность 177 224
Отношение числа наименований деталей, лимитирующих надежность, к общему их числу по каталогу, % 11,7 10,6
Наработка на отказ за средний ресурс, тыс. км 4,7 3,3
Ресурс двигателя, тыс. км: 90%-ный средний 97 172,7 285 394
Число наименований деталей, лимитирующих надежность двигателя 36 25
Отношение числа наименований деталей, лимитирующих надежность двигателя, к общему их числу по каталогу, % 16,1 7,5
Наработка на отказ двигателя за средний ресурс, тыс. км 17,8 35,9
523
Если же говорить о зарубежных грузовых автомобилях в целом, то, как свиде-
тельствуют данные обследования автотранспортных предприятий, наибольшие ре-
сурсы имеют автомобили с дизелями, специально изготовленными для работы на
дальних международных рейсах и рассчитанными на большие (90...105 тыс.км)
среднегодовые пробеги. Например, автомобили “Мерседес-2232" и "Мерседес-
2236" до пробега 450...500 тыс.км, автомобили “Вольво-Ф12” до пробега 150-200
тыс.км имеют, как правило, единичные отказы по различным деталям уплотнения,
систем питания и электрооборудования. Однако, начиная с пробега 450 тыс.км
(для автомобилей “Мерседес”) и 200 тыс.км (для “Вольво”) наблюдаются массовые
отказы, требующие крупных ремонтных воздействий, замены деталей и систем.
Практика эксплуатации автомобилей “Вольво" на одном из автотранспортных
предприятий Санкт-Петербурга показала, что массовые отказы начинаются на них
после 200 тыс.км пробега. При этом из строя выходят многие детали.
Так, двигатель после пробега 200...460 тыс.км требует замены поршней, гильз
цилиндров, поршневых и уплотнительных колец, коренных и шатунных вкладышей,
шлифовки коленчатого вала; сцепление - замены ведомых дисков (из-за трещин,
коробления и изнашивания), нажимного и среднего дисков после пробега 250...350
тыс.км; коробка передач - замены (из-за самопроизвольного выключения передач)
отдельных шестерен и синхронизаторов после 300...400 тыс.км; карданная переда-
ча - замены крестовин после 200...250 тыс.км, а после 500...600 тыс.км требуется
замена карданной передачи (из-за изнашивания шлицевого соединения); ведущий
мост - капитального ремонта редуктора и колесных передач после 200...250
тыс.км; кабина автомобиля “Вольво” на начальном периоде эксплуатации имеет
коррозионные повреждения.
Следует иметь в виду, что приведенные данные эксплуатационной надежности
определенной группы специально подготовленных для работы на международных
перевозках зарубежных седельных тягачей неразрывно связаны с суммарными за-
тратами на их приобретение и поддержание в работоспособном состоянии.
Это соотношение следует постоянно иметь в виду, так как в конечном счете оно
влияет на достоверность обоснования ответственных решений, принимаемых по
результатам испытаний иностранных автомобилей, выбираемых для эксплуатации в
нашей стране.
Подтверждением служат многие примеры. Так, пробеговые испытания нескольких
серий автомобилей “Фиат-124" на Центральном автополигоне показали, что после ка-
ждых 10...15 тыс.км на этих автомобилях повторялись отказы подвески, трансмиссии,
появлялись трещины кузова. В ходе доводочных испытаний совместно с фирмой “фи-
ат” причины отказов удалось устранить, однако это привело к увеличению массы ав-
томобиля на 86 кг (с 804 до 890 кг). При подготовке для поставки в нашу страну ав-
томобилей-самосвалов “Магирус-Дойтц 209Д26К” фирма-производитель вынуждена
была внести в конструкцию ряд изменений, направленных на ее усиление. В резуль-
тате полная масса автомобиля увеличилась с 26 до 27,25 т, а снаряженная - с 11,5
до 12,75 т. На автомобиле было внедрено более 16 конструктивных изменений, в том
числе: применены усиленные шины, усилены рессоры, реактивные штанги и другие
детали подвески, увеличены размеры шарниров карданного вала, усилены кронштей-
ны крепления кабины и т.д.
524
Из приведенных сведений следует, что в повышении достоверности оценки ре-
зультатов испытаний важная роль отводится не только научно обоснованным мето
дам освоения получаемой численной информации о показателях эксплуатационных
и потребительских свойств автомобильной техники, но и анализу обобщенных даь
ных и опыту их сопоставления, способствующих повышению достоверности интер-
претации получаемых результатов и обоснованию принимаемых по ним решений.
Глава 10. АКТУАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
РАЗВИТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛИГОННЫХ
ИСПЫТАНИЙ
Развитие и совершенствование тех-
нологии испытаний - процесс непрерывный, постоянно возбуждаемый нарастаю-
щей потребностью в информации прежде всего для управления качеством выпус-
каемой продукции. Использование информации о полигонных испытаниях АТС, тех-
нология которых обеспечивает сопоставимость результатов, воспроизводимость и
регулирование внешних воздействий, накопление и доступность фактических дан-
ных, дает возможность уверенно решать задачи повышения качества на всех эта-
пах жизненного цикла автомобиля: проектирования, производства и эксплуатации.
Это показано, например, в работах [22, 61], где анализируется использование
развивавшейся системы длительных контрольных (периодических, инспекционных)
испытаний, на протяжении многих лет составляющих большую часть испытательной
работы в отечественном автомобилестроении.
На стадии проектирования новых моделей автомобильной техники, когда разра-
батываются и воплощаются в чертежно-технологическую документацию (ЧТД) тре-
бования, идеи, конструктивные решения, наряду с учетом запросов потребителей и
возможностей изготовителей во внимание принимаются прежде всего фактические
характеристики эксплуатационных свойств лучших аналогов новой конструкции
сравнительно с предшествующей моделью. Такая информация удовлетворит раз-
работчика лишь в том случае, если она получена в натурных испытаниях, техноло-
гия которых обеспечивает не только достоверность оценки результатов и условий,
но и раскрывает динамику изменения качества и надежности за весь период экс-
плуатации до исчерпания ресурса, до списания, а также за весь период выпуска.
Как показал опыт многолетней концентрации всех видов испытаний в отечест-
венном автомобилестроении на Центральном автополигоне, проводимых с исполь-
зованием единых аттестованных методов и средств, регламентированных и строго
контролируемых способов оценки результатов и их накопления, полигонные испы-
тания обеспечивают наиболее полную информацию для эффективного проектиро-
вания перспективных моделей.
На этапе серийного производства полигонные испытания используются для от-
ветственных и важных решений по аттестации и сертификации продукции, аттеста-
ции и сертификации производственных предприятий, разработки корректирующих
мероприятий для поддержания стабильности производственных процессов. Кроме
того, накапливаемые материалы дают возможность оценить уровень качества се-
рийной продукции по каждому отдельному эксплуатационному свойству и тенден-
ции в его изменении. Наряду с этим анализ результатов испытаний служит основа-
нием целенаправленного планирования научно-исследовательских и опытно-конст-
рукторских работ.
На этапе эксплуатации полигонные испытания в технологии которых предусмат-
ривается тщательный контроль и определенность не только условий функциониро-
вания, но и обслуживания автомобиля, дают основу установления оптимальных за-
трат на эксплуатацию. В особенности это важно в гарантийный период, когда про-
исходит приработка деталей и узлов, характеристики безотказности неустойчивы и
могут существенно отличаться от серии к серии в производстве одной и той же
модели. Технология, например, полигонных длительных контрольных испытаний
526
Рис 10.1- Основные направления использования результатов полигонных периодических
(инспекционных, ДКИ) испытаний автомобильной техники.
527
позволяла выявить влияние дисциплины обслуживания и качества текущего ремон-
та в гарантийном пробеге на надежность машины за весь срок службы, показать,
что обоснованно планируемое обслуживание нового автомобиля в пепиод прира-
ботки существенно повышает и его безотказность, и ресурс
В упомянутых выше работах обобщение большого количества материалов при-
вело к выводам о наиболее результативном использовании испытаний, наглядно
отраженном на рис. 10.1. Эта схема, повторим, относится лишь к одному виду по-
лигонных испытаний и далеко не исчерпывает множества других решаемых задач.
Отсюда ясно, что чем совершеннее технология испытаний, тем эффективнее
принимаемые по ним решения изготовителей, и тем полнее могут удовлетворяться
желания потребителей и соблюдаться требования, подлежащие государственному
контролю.
Анализ массы наблюдений в таком крупнейшем испытательном центре как НИ-
ЦИАМТ. где до последнего времени были сконцентрированы регулярные испыта-
ния всей автомобильной техники отечественного производства, а так же поступаю-
щей из-за рубежа, выявляет некоторые крупномасштабные перспективные направ-
ления в испытательной работе, актуальные как для совершенствования самой тех-
нологии полигонных испытаний, так и для развития автомобилестроения на обос-
нованной нормативной базе. К таким направлениям прежде всего можно отнести
совершенствование технологии доводочных испытаний, которые часто по времени,
затратам и значимости занимают место отдельного этапа в жизненном цикле кон-
струкции Совершенствование технологии полигонных испытаний на этом этапе
приобретает все большее значение при нарастании темпов смены моделей авто-
мобильной техники в интересах успешной конкуренции на автомобильном рынке.
Другое актуальное направление - эффективное использование технологии поли-
гонных испытаний, связанное с переходом к новым производственным отношениям
и условиям рыночной экономики, для целесообразного построения стандартизации
и нормирования в автомобилестроении, основанного на новых законодательных ак-
тах о стандартизации, о сертификации, о защите прав потребителей в Российской
Федерации.
Еще одно важное направление следует из того, что технология полигонных ис-
пытаний тесно связана с обеспечением надежности автомобильной техники и от-
крывает перспективы приложения обширных достижений ее теории. К разрешению
критических вопросов приложения теории надежности в инженерной практике ско-
рее всего приведет четко определенная система полигонных испытаний.
Наконец, некоторые итоги внедрения технологии полигонных испытаний показы-
вают ее фактическую эффективность. Ознакомление с ними может помочь рацио-
нальной организации испытательной работы автомобильных фирм, акционерных
предприятий и их объединений.
10.1. Оптимизация
доводочных
полигонных испытаний
Известно, что в общем объеме работ
по созданию и постановке на производство новых моделей автомобильной техники
испытания и исследования занимают до 70% времени. Особенно продолжительны-
ми и сложными являются доводочные полигонные испытания, и их количество не-
528
прерывно нарастает. Об этом свидетельствуют следующие данные об объеме до-
водочных испытаний на Центральном автополигоне. В 1966-1967 гг. при полигон-
ных испытаниях первых образцов автомобилей ВАЗ-ФИАТ лишь один образец оце-
нивался в пробеге 100 тыс. км, притом по специальным дорогам первой группы
(согласно классификационным признакам, использованным в гл. 2). Другие семь
образцов могли быть испытаны только в объеме 25 тыс. км и менее Испытания
для доводки автомобилей КамАЗ проводились в 1969-1972 гг. на 14 образцах при
пробеге в среднем 60 тыс. км на каждый образец преимущественно на специаль-
ных дорогах автополигона той же первой группы. Начиная с 1976-1977 гг., когда
внедрялась рассмотренная выше технология форсированных полигонных испыта-
ний, возможный объем пробегов для доводки конструкции резко возрастает, дос-
тигая объявленного ресурса, что, конечно, углубляет доводочные работы и обеспе-
чивает достижение более высокого технического уровня подготавливаемых к по-
становке на производство моделей и. вместе с тем, сокращает сроки испытаний.
Начало эффективного использования новой технологии положено доводочными ис-
пытаниями автомобилей-самосвалов КамАЗ-5511 и аналогов в объеме нормиро-
ванного ресурса 300 тыс. км, проведенными всего за один год.
Доводочные испытания на Центральном автополигоне достигали более 40% все-
го объема испытаний полнокомплектных автомобилей.
Благодаря использованию технологии форсированных испытаний, сроки их про-
ведения сократились в 2...3 раза по полнокомплектным АТС и до 10. .15 раз по от-
дельным узлам и агрегатам. Затраты при этом уменьшились в среднем в 4.5 раз
(годовое исчисление) с одновременным повышением качества и надежности ре-
зультатов.
Вместе с тем полнота и регламентированность технологии доводочных испыта-
ний практически всех новых моделей автомобильной техники на Центральном авто-
полигоне позволили провести обобщение и анализ постановки всего комплекса
доводочных работ в отрасли с целью определения резервов для их сокращения по
времени, углубления и дальнейшего повышения эффективности
В самом общем виде процесс доводки конструкции новых автомобилей по ре-
зультатам испытаний и разрабатываемым при этом мероприятиям для достижения
заданного технического уровня можно представить как изменение общего количе-
ства обнаруживаемых недостатков в последовательно выпускаемых сериях опытных
образцов, а также функцией суммарного количества обнаруживаемых неисправно-
стей от протяженности испытательного пробега образцов каждой серии.
Примеры такого представления наглядно выражаются графически.
На рис. 10.2 отражена доводка одной из моделей легкового переднеприводного
автомобиля. На графиках видно, как на опытных образцах этого автомобиля коли-
чество неисправностей конструктивного характера от серии к серии уменьшается
Неуклонно снижается и число неисправностей, появляющихся из-за дефектов изго-
товления опытных образцов. Графики показывают, что разрабатываемые в процес-
се доводочных испытаний мероприятия для устранения конструктивных и техноло-
гических недостатков эффективны. Это позволило на трех опытных сериях за 2,5
года завершить отработку конструкции и технологии изготовления, а на IV серии
провести приемочные государственные испытания и поставить автомобиль на про-
изводство.
На рис. 10.3 отражена доводка грузового автомобиля сельскохозяйственного
назначения. Как видно, результаты испытаний опытных образцов I серии, изготов-
529
ленных с относительно высоким качеством, показали приемлемый для первой пар-
тии уровень дефектности. Затем испытания II серии постройки, выполненной не на
опытной базе разработчика, а на подготавливавшейся базе завода-изготовителя,
показали резкое ухудшение качества, выразившееся в увеличении обнаруженных
неисправностей производственно-технологического характера и, совсем неожидан-
но, увеличение конструктивных недостатков. Последнее, как оказалось, было след-
ствием значительных отступлений при изготовлении этих опытных образцов от чер-
тежно-технологической документации, что вызвало искажение конструкторских ре-
шений и схем нагружения.
Рис. 10.2. Характеристики доводки конструкции новой модели легкового автомобиля в
результате полигонных испытаний L..IV серий опытных образцов по количеству обнаруженных
дефектов:
1 - производственно-технологических; 2 - конструктивных;
а - суммарно за испытательный пробег; б - по протяженности испытательного пробега.
530
Рис 10.3. Характеристики доводки конструкции новой модели грузового автомобиля в
результате полигонных испытаний I .IV серий опытных образцов (обозначения те же, что и на
рис 10.2).
Еще более выразительную картину доводки по результатам полигонных испыта
ний дают сравнительные характеристики кумулятивного (нарастающим итогом) об-
наружения дефектов в испытательном пробеге, например, автомобилей, подготав-
ливавшихся к постановке на отлаженное производство завода-разработчика (мо-
дель условной марки К-3) и к передаче на производство другому изготовителю
(модель У-4). Анализ результатов проводился по обнаруженным дефектам раздель-
но конструктивным и дефектам, являвшимся следствием отклонений от ЧТД при
изготовлении (рис. 10.4). Отчетливо видно, что на модели К-3 количество дефектов
и конструктивных, и по причине отклонений от ЧТД последовательно и достаточно
быстро снижалось. В результате для доводки до приемлемого уровня дефектности
потребовались испытания всего трех серий образцов опытного изготовления.
531
Рис. 10.4. Сравнительные характеристики доводки в результате полигонных испытаний
автомобилей модели К-3 (пунктирные линии) и У-4 (сплошные линии) по количеству
обнаруженных дефектов конструктивных (а) и вследствие отступлений от ЧТД (б) в опытных
сериях:
0-1; - 2; Д - 3; X - 4; • - 5.
Совсем иная характеристика доводки видна для модели У-4, когда полигонным
испытаниям подвергалась сначала серия I из опытных образцов, изготовленных на
производстве завода-разработчика, а последующие - из опытных образцов, изго-
товленных на заводе, где планировалось дальнейшее постоянное производство.
Как видно на графиках, результаты полигонных испытаний показывали то некото-
рое улучшение качества (что достигалось активным включением большого коли-
чества специалистов завода-разработчика, командированных на запланированный
завод-изготовитель для постройки опытных партий), то резкое ухудшение главным
образом из-за отклонений от ЧТД, а также из-за неприспособленности конструк-
ции к условиям нового производителя. В результате после полигонных испытаний
532
пяти серий опытных образцов, на что потребовалось 3,5 года, окончательно усы
новлена необходимость глубокой перестройки технологических процессов, допил
нительной оснастки и реорганизации производства на планируемом заводе-изгото
вителе для крупносерийного выпуска новой модели автомобиля.
Анализ доводочных работ по значительному количеству моделей легковых и гру-
зовых автомобилей, автобусов, автопоездов и прицепов показал, что для сокращо
ния сроков доводки и повышения технического уровня новых моделей автомобиль
ной техники требуются изменения следующих положений, отражающихся в техно-
логии полигонных испытаний.
Организация доводочных испытаний. На этом этапе неизбежны затраты вре-
мени на изучение новой модели, ее особенностей, составление и согласование
программы доводочных испытаний, установления объемов и форм участия в испы-
таниях представителей заинтересованных организаций и ведомств, подбор и ком-
плектование инженерно-технического состава испытателей, руководителя испыта-
ний, решение вопросов финансирования и материально-технического обеспечения
В первые годы функционирования автополигона на решение этих вопросов за
трачивалось в отдельных случаях до 4...6 месяцев. В последующем все перечис-
ленные вопросы были регламентированы в утвержденной нормативно-технической
документации, строго согласованной и включенной в общий пакет с документацией
по технологии производства испытаний. После этого, как правило, решение орга-
низационных вопросов затруднений не вызывает.
В то же время часто возникают нарушения, тормозящие эффективное использо-
вание разработанного технологического процесса. Представление документации на
опытные образцы, в том числе чертежей, должно опережать представление самих
объектов испытаний и совпадать с периодом разработки и согласования програм-
мы. Это позволяет своевременно учесть особенности предлагаемой к испытаниям
конструкции для подготовки не только эффективной программы, но и технической
базы испытаний. Зачастую представление образцов на испытания задерживается и
не по объективным причинам, что влечет за собой непроизводительные затрап.1,
корректировку графиков полигонных испытаний.
Система обслуживания и ремонта опытных образцов новой модели. К на
чалу испытаний данная система, как правило, еще не сложилась, а лишь формиру
ется. В представляемых документах на испытания опытных образцов в большищ i
ве случаев не содержится никаких планов ее отработки. По этой причине потери
времени при доводочных испытаниях довольно значительны. Вызваны они преждт
всего недостаточным вниманием конструкторских служб изготовителя к этой зада
че и недостаточной профессиональной подготовкой специалистов, занимающихся
вопросами эксплуатационной технологичности новой техники.
Типичными ошибками являются неправильное назначение режимов техничтк кот >
обслуживания, чрезмерно большая номенклатура используемых ГСМ и специальных
жидкостей, большое количество типоразмеров под ключ сливных и заливных пробок,
неудобство, а иногда и невозможность выполнения отдельных операций ТО. О рт тир
вах экономии времени на доводочные работы говорит тот факт, что в процессе доно
дочных испытаний разрабатываются и внедряются в среднем на объект около 40 >0
рекомендаций по устранению недостатков в системе ТО и ТР, позволяющих hm.ihii-
трудоемкость выполнения их операций в среднем на 30%. Хотя разработка таких ре
комендаций и обеспечивается технологией доводочных испытаний на оа.нт и< глндо
ваний, приведенных в гл. 7, эффективность их применения была бы вынкт при я< но
выраженных замыслах разработчиков новой конструкции.
533
Следует указать также, что ремонт опытных образцов существенно отличается
от ремонта серийной техники. Во-первых, отсутствием технологии ремонта и ка-
ких-либо рекомендаций по его проведению, а во-вторых, отсутствием запасных
частей, поскольку каждый раз взамен поврежденной детали изготавливается новая,
причем и ее изготовление затягивается, так как завод стремится на новой детали
реализовать мероприятия по устранению выявленного недостатка.
Ограниченное число опытных образцов. По этой причине снижается качество
доводочных работ, так как при оценке надежности и некоторых эксплуатационных
свойств используется главным образом метод изучения физики отказов, и мало
применяются статистические методы. С другой стороны, из-за невозможности па-
раллельной доводки новой модели по различным эксплуатационным свойствам
вследствие выполнения всех работ на одних и тех же образцах удлиняются сроки
проведения доводочных испытаний. Особенно остро эти недостатки проявляются
при доводочных испытаниях специализированных АТС, количество опытных образ-
цов которых ограничивается одной-двумя единицами.
Практика мирового автомобилестроения свидетельствует, что для полной до-
водки конструкции до уровня требований, превосходящих предъявляемые в период
проведения испытаний, необходимо иметь около 70 образцов легковых автомоби-
лей, до 40 образцов грузовых автомобилей, 25.. 30 образцов автобусов и 15...20
образцов спецтранспорта. Кажущаяся экономия за счет малого количества образ-
цов при испытаниях обходится значительными издержками в серийном производ-
стве и эксплуатации.
Здесь уместно отметить, что компенсация недостаточности опытных образцов
путем учета априорной информации, используемой так, как показано в гл. 9, мало-
эффективна при доводочных испытаниях, поскольку накапливается она только к
моменту выпуска опытных образцов серии II производства, а значимый ее объем
образуется в основном ко времени приемочных испытаний. Поэтому при традици-
онно сохраняющемся малом количестве опытных образцов для доводочных испы-
таний использование стабильной технологии их проведения даст ощутимое пре-
имущество прежде всего при тщательном учете текущих результатов и их глубокой
проработке.
Изготовление опытных образцов по так называемой обходной технологии.
Без преувеличения можно сказать, что допускающиеся при этом грубые отступле-
ния от требований ЧТД и. как следствие, многочисленные отказы и неисправности
в процессе доводочных испытаний являются одной из основных причин непомер-
ного роста затрат средств на доводочные испытания.
Ввиду того, что подготовка производства к этому времени еще не начинается,
образцы изготавливаются без применения соответствующего конструкции новой
модели технологического оборудования изготовителя. Это приводит к различным
неоправданным отступлениям от замыслов конструкторов-разработчиков.
Часто в процессе испытаний выясняется, что на испытываемые образцы уста-
новлены промежуточные варианты конструкции деталей, узлов и даже агрегатов,
по своим выходным характеристикам не обеспечивающие предусмотренные рабо-
чие процессы и показатели эксплуатационных и потребительских свойств.
Результаты испытаний опытных образцов показывают, что доля неисправностей,
возникающих из-за отступлений от ЧТД, составляет более 40%, достигая по от-
дельным моделям 80%.
Большое количество производственно-технологических отступлений затрудняет
анализ испытываемой конструкции и в отдельных случаях делает невозможным
534
достоверное установление причин выявленных дефектов. Предприятие-разработ-
чик зачастую, как уже упоминалось, задерживает выдачу документации на испыты-
ваемый объект или на разработанное мероприятие и вовсе не представляет доку-
ментации по отступлениям от ЧТД, что иногда делает бесполезной оценку выяв-
ленных недостатков
Низкое качество изготовления опытных образцов усложняет не только анализ
результатов испытаний надежности конструкции, но и зачастую создает условия,
когда и доводка по ряду других эксплуатационных свойств становится невозмож-
ной на этой стадии испытаний.
Анализируя причины отказа детали, узла или агрегата автомобиля, приходится
сталкиваться с чрезвычайно сложными обстоятельствами, когда рассматриваемый
элемент имеет не только конструктивный дефект, но к тому же еще и изготовлен
не в соответствии с чертежами. В лучшем случае испытания такого элемента при-
ходится повторять заново, но при этом не исключаются неправильные выводы по
результатам, что в свою очередь отражается на мероприятии, разрабатываемом
для устранения выявленного недостатка.
Особенно большой ущерб эффективному использованию технологии полигонных
доводочных испытаний приносят сложности оценки таких важных эксплуатационных
свойств, как топливная экономичность, динамичность, токсичность, активная и пас-
сивная безопасность на объектах, изготовленных с грубыми отступлениями от тре-
бований ЧТД. В ряде случаев необходимо провести целый комплекс специальных
исследований, разработать дополнительные конструктивные мероприятия, необхо-
димость в которых в дальнейшем отпадает.
Установление соответствия образцов конструкторско-технологической докумен-
тации при приемке АТС на испытания становится чрезвычайно трудной задачей,
так как обнаруживается и несоответствие материалов, заложенных при проектиро-
вании. и несоответствие термообработки требованиям чертежей или ее полное от-
сутствие, и невыдержанные размеры, формы деталей и др. Для выявления несоот-
ветствий иногда требуется полная разборка узлов и агрегатов, микрометраж и ме-
таллографические и химические анализы.
Опыт приемки опытных образцов на испытания показывает, что даже без раз-
борки, только путем внешнего осмотра выявляется много грубых отклонений от
требований ЧТД. Характерными являются:
- установка вместо опытных узлов и агрегатов серийных с устаревшими непро-
грессивными характеристиками;
- неправильный монтаж узлов и агрегатов, особенно электропроводки, трубо
проводов и уплотнителей кабин и кузовов;
- низкое качество сварочных работ;
- применение материала, проката, существенно отличающихся от требуемых ЧТД;
- невыдержанные формы и размеры деталей;
- невыполнение крепежных и регулировочных работ;
- низкое качество применяемого литья (раковины, коробления, нарушение раз-
меров и форм и т.п.);
- отсутствие или неполное выполнение термообработки;
- низкое качество лакокрасочных покрытий;
- изготовление отдельных элементов по другой технологии, например, сваркой
вместо штамповки и т.п.
Здесь следует отметить, что в повышении эффективности доводочных испыта-
ний при многочисленных отступлениях от ЧТД на опытных образцах существенно
535
положительную роль играет гибкость разработанной технологии полигонных ис-
пытаний. Нормативно-техническая документация, определяющая технологиче-
ский процесс полигонных испытаний, допускает изменение последовательности
отдельных операций, приостановки, включение дополнительных, но нормирован-
ных пробегов и другие корректировки программы, необходимость в которых воз-
никает из-за отступлений от ЧТД и стремления в то же время добиться полезных
результатов.
Порядок выпуска серий опытных образцов и уточнение целей их испытаний.
Данный порядок может осуществляться по двум схемам, условно обозначаемым в ви-
де "основание пирамиды внизу" или "основание пирамиды вверху". В первом случае
в серии I закладывается большее количество опытных образцов для всесторонних и
параллельных испытаний по важнейшим эксплуатационным свойствам, имея в виду
сокращение числа образцов в последующих сериях только для доводки тех эксплуа-
тационных свойств, которые не удалось оптимизировать при испытаниях образцов
серии I Такая схема испытаний при создании нового автомобиля сокращает время
доводки, но может привести к большим экономическим потерям в случае обнаруже-
ния принципиальных недостатков конструкции и отказа от дальнейшей ее доводки и
постановки на производство. Поэтому чаще при изготовлении опытных образцов
пользуются второй схемой, начиная с двух-трех опытных образцов в серии I и посте-
пенно наращивая их количество в последующих. Как правило, это требует много вре-
мени на испытания и доводку, поскольку ограниченное число опытных образцов стре-
мятся сохранить, а при доводочных испытаниях, как отмечалось, не всегда предос-
тавляется возможность оценить параметры, имеющие часто решающее значение для
дальнейшей работы, например, параметры активной и пассивной безопасности, тре-
бующие применения разрушающих методов.
Опыт и исследования на Центральном автополигоне показывают, что экономи-
чески выгодно и технически целесообразно доводочные испытания новых моделей
производить на трех последовательных сериях опытных образцов с определенным
разделением работ по оценке соответствия создаваемой модели требованиям тех-
нического задания и оценки ее технического уровня в сравнении с достигнутым в
мировом автомобилестроении.
На серии I образцов рекомендуется выполнять оценку и уточнение общей ком-
поновки, основных эргономических параметров рабочего места водителя и пасса-
жиров, характеристик масс и их распределения по осям, параметров вибронагру-
женности и частотных характеристик упругих систем в конструкции, параметров
проходимости, параметров внешней механики шин, уровня художественно-техниче-
ского оформления внешнего вида, параметров активной и пассивной безопасно-
сти. На серии I рекомендуется также предварительное определение показателей
основных нормируемых эксплуатационных свойств, предусмотренных в стандартах
в качестве обязательных требований. Этот объем работ может быть выполнен не
менее, чем на двух образцах.
На II серии или опытной партии выполняются исследовательские испытания
опытных элементов (агрегатов) конструкций и полнокомплектной машины по оцен-
ке и доводке показателей эксплуатационных свойств: надежности в объеме задан-
ного ресурса, динамических качеств, топливной экономичности, токсичности и др.
Этот этап включает большое количество трудоемких работ, которые рекоменду-
ется выполнять одновременно. Для этого необходимо не менее семи-восьми об-
разцов, в том числе два образца для испытаний на надежность в объеме заданно-
го ресурса.
536
Серия III или опытная партия подвергается пробеговым испытаниям на надеж-
ность, а также лабораторным и лабораторно-дорожным испытаниям с целью
оценки эффективности реализованных мероприятий по результатам испытании
первых двух серий и окончательной оценки эксплуатационных свойств на соот-
ветствие требованиям технического задания и стандартов. По результатам испы-
таний этой серии из пяти-шести образцов принимается решение о готовности
модели к представлению на государственные приемочные испытания или поста-
новку на производство.
Параллельно с испытаниями III серии должны организовываться эксплуатацией
но-исследовательские и климатические испытания на дополнительно изготовлен-
ных образцах.
В том случае, если испытания III серии образцов дадут по отдельным свойст-
вам неудовлетворительные или противоречивые результаты, разрабатываются
мероприятия по их устранению с последующей проверкой эффективности на IV
серии выпуска. Количество образцов в этой серии устанавливается в зависимо-
сти от необходимого объема доработки и испытания проводятся параллельно с
приемочными.
Такой порядок доводочных испытаний позволит в короткий срок и с большой
эффективностью проводить разработку новых перспективных моделей автомобиль-
ной техники.
Выдвинутые положения о необходимых изменениях в постановке и обеспечении
доводки новых конструкций при эффективном использовании разработанной техно-
логии полигонных испытаний неизбежно требует существенной перестройки систе-
мы опытно-конструкторских работ в отрасли, развития опытного производства, по-
вышения ответственности за изготовление опытных образцов при постоянном кон-
структорском (авторском) надзоре.
10.2. Технология полигонных
испытаний и стандартизация
в автомобилестроении
Наиболее характерной чертой новой
государственной политики в области стандартизации вообще является отказ от
всеобъемлющей жесткой регламентации деятельности производителей. Хорошо
известны пороки такого, до недавнего времени господствовавшего положения, ко-
гда по объективным и неустранимым причинам чаще прибегали к разрешениям на
отступления от стандартов, чем к изысканию возможностей их соблюдения. Да и
сама регламентация уровня показателей продукции, проводившаяся под давлени-
ем изготовителей — монополистов, неизбежно сковывала творческую и предприни-
мательскую инициативу. Старая концепция стандартизации, явно выступавшая как
инструмент командно-административной системы управления деятельностью пого-
ловно государственных предприятий, вступила в острое противоречие с насущны-
ми потребностями реформирования экономики, всемерного развития инициативы
исследователей, разработчиков, изготовителей в повышении качества на расши-
ряющемся рынке конкурирующей продукции. Разрешение этого противоречия осу-
ществлено прежде всего изменением системы стандартизации, когда вся масса
нормативных документов разделяется на несколько иерархических уровней, в кото-
рых стандарты с требованиями, подлежащими государственному контролю, явля-
537
ются приоритетными. Расширяется существенно область деятельности по стандар-
тизации отдельных предприятий, научных объединений, инженерных обществ, что
открывает широкие возможности разработки прогрессивных норм в условиях кон-
кретного изготовителя, конкретной организации производства.
Такая либерализация деятельности в области стандартизации отнюдь не пони-
жает качество стандартов, а, наоборот, естественным путем прямой заинтересо-
ванности разработчиков в достижении целей, обеспечивающих конкурентоспособ-
ность продукции, требует повышения качества используемой нормативной базы в
производстве.
В новой концепции системы стандартизации Российской Федерации, утвер-
жденной Госстандартом России в марте 1992 г., установлены наряду с такими фун-
даментальными положениями, как усиление правовых основ, преемственность,
межгосударственная согласованность и др., также и прямые технические пути по-
вышения качества нормативных документов. Указано, что стандартизация, увязан-
ная с методами и средствами испытаний и измерений, является нормативно-тех-
нической основой сертификации и каталогизации продукции, и именно она спо-
собна и должна объединить их возможности в комплексный механизм управления
номенклатурой и качеством продукции.
И далее устанавливается, что такой подход предъявляет ряд новых требований к
стандартам прежде всего по обоснованности включаемых показателей, по методам
их объективного контроля.
В реализации этих концептуальных положений при разработке новой автомо-
бильной техники и может эффективно использоваться технология полигонных ис-
пытаний, сохраняя преемственность и научно-технический потенциал, который со-
держится в аппробированной НТД их проведения, целенаправленно разрабатывав-
шейся совместно научными коллективами, специалистами-испытателями и произ-
водственниками на протяжении десятилетий, и прочно вошедшей в употребление
заводов-изготовителей.
Вместе с тем. несмотря на большой массив отраслевых стандартов, научная
обоснованность и прогрессивность, возможность достоверной проверки и практи-
ческой целесообразности отдельных устанавливаемых в них показателей вызывает
сомнение Формально это подтверждается отсутствием такой обобщающей или
фундаментальной базы, как нормы прочности. Рассмотрим сложившееся положе-
ние и проблему целесообразного обновления нормативной базы в автомобиле-
строении более подробно.
Как известно, основными разделами оптимального проектирования являются
расчеты прочности в широком смысле этого понятия, включая не только стойкость
против перегрузок, но также долговечность и износостойкость детали, узла, сбо-
рочной единицы, агрегата и автомобиля в целом. Именно на этом этапе так или
иначе закладываются в конструкцию свойства надежности, оцениваемые и при ис-
пытаниях, и в эксплуатации. Невозможно считать изделие высококачественным, ес-
ли оно не обладает необходимой прочностью. Для деталей и агрегатов АТС приоб-
ретают все большее значение также и такие показатели, как равнопрочность и рав-
ноходимость, т.е. возможно более близкое по пробегу исчерпание закладываемого
в проекте ресурса по отдельным частям машины.
В настоящее время в автомобилестроении разработаны различные правила,
способы и методики расчетов прочности как фундаментальные разделы курса спе-
циальной научной дисциплины - конструкция и расчет автомобилей. Однако при-
менение их совместно с новыми результатами научных разработок, теории и опыта
538
при создании или модернизации автомобилей далеко не в полной мере отвечает
требованиям максимального использования прочности конструкционных материа-
лов, снижения металлоемкости, ресурсосбережения. При подготовке и планирова-
нии доводочных испытаний в получаемой технической документации на опытные
образцы обнаруживаются существенные отличия в объемах проверочных расчетов,
применяемых методиках и расчетных схемах, критериях оценки прочности, долго-
вечности, износостойкости конструкций.
В качестве примера в табл. 10.1 сопоставлены располагаемые возможности и
фактически выполняемые прочностные расчеты Учитывая что в отдельных моно-
графиях, пособиях и периодических изданиях исследуются и предлагаются многие
способы прочностных расчетов различных элементов автомобилей, в левую часть
таблицы сведены основные положения только известных фундаментальных курсов
конструкции и расчета, принимаемые как необходимый минимум. В правой части
таблицы показан фактический объем расчетов, отраженный в технической доку-
ментации двух автомобилей новых моделей (автомобиль грузовой типа 4x2 и се-
дельный тягач типа 6x4). Там же показаны их поломки, возникающие при полигон-
ных испытаниях и в опытной эксплуатации.
Характерно, что в проектных расчетах внедряются некоторые прогрессивные ме-
тоды, в частности, оценки долговечности деталей трансмиссии по вероятностно-
статистическим представлениям циклической нагруженности. Но вместе с тем, из
таблицы видно, что расчетами прочности по обычным схемам статического (квази-
статического) нагружения не охвачены многие силовые элементы конструкции. По-
верочными расчетами защищены далеко не все конструктивные части автомобиля,
надежность, безотказность и материалоемкость которых зависят от прочности.
Следствием этого является либо недостаточная долговечность и потеря рабоспо-
собности задолго до выработки заданного ресурса, либо неоправданно завышен-
ные размеры деталей и расход металла.
Анализ доводочных испытаний на Центральном автополигоне, приведенный в
предыдущем параграфе, показывает, что в опытных образцах первых серий по-
стройки выявляется значительное количество конструктивных просчетов, а для уст-
ранения возникающих поломок и неработоспособных элементов меняются конст-
рукции, на что расходуются немалые средства и время, в особенности на построй-
ку и повторные доводочные испытания последующих опытных серий.
С другой стороны, на автомобилях серийного производства при систематиче-
ских контрольных и особенно ресурсных испытаниях обнаруживаются излишние за
пасы прочности и, следовательно, перерасход материала в ряде узлов и агрегатов,
прочность и ресурс которых не рассчитываются
Сложившееся положение, когда основная предпосылка обеспечения высокой
надежности и снижения металлоемкое™ создаваемых автомобилей - тщательный
и возможно более полный проектный и проверочный расчеты прочности - недопус-
тимо отстает от поставленных практических задач, находит отражение в состоянии
нормативно-методической базы отрасли. По данным Госстандарта России дейст-
вующие в автомобилестроении методические документы по расчетам прочности
недостаточно разработаны: так официально учтено два нормативных и методиче-
ских документа по расчетам на прочность, причем отдельных деталей (подшипни-
ков), в то время как соответствующую нормативно-методическую базу расчета и
проектирования в таких отраслях, как тяжелое, химическое, энергетическое маши-
ностроение составляют соответственно 31, 46 и 34 документа, которые активно
стимулируют доскональные и достаточно полные оценки напряженно-деформиро
539
Таблица 10.1
540
Агрегат автомобиля Объект традиционного расчета прочности Фактически выполненные расчеты прочности в проектах Характерные повреждения при полигонных испытаниях и в опытной эксплуатации
автомобиля грузоподъемностью 4,5 т седельного тягача с нагрузкой 15,7 т
Фрикционное дисковое сцепление Нажимные пружины (напряжение кручения) — — Поломка пружин
Ведущий нажимной диск: напряжения смятия в соединениях с маховиком двигателя; удельная работа буксования и нагрев — — Изнашивание, микротрещины
Ведомый диск: напряжения среза и смятия заклепочных соединений и шлицев напряжения в пружинах демпфера Напряжения среза, смятия шлицев Удельная работа буксования сцепления Напряжения кручения Удельная работа буксования сцепления Изнашивание накладок, срыв заклепок
Детали привода (напряжения от усилия на педали) Долговечность подшипника включения сцепления (500 вкл. на 100 км) — Изнашивание подшипника включения сцепления
Коробка передач Валы (напряжения от изгиба и кручения, жесткость) — — Изнашивание шлицевой части, посадочных мест под подшипники
Зубчатые колеса: напряжения изгиба и смятия контактные напряжения циклические напряжения (долговечность) Напряжения изгиба зубьев и удельное давление в зацеплении (оценка сравнением с другими моделями) Вероятность разрушения зубьев от усталости за выбранный пробег Изнашивание, поломка, выкрошивание, скол, питтинг зубьев
Подшипники: по работоспособности по усталостной прочности (долговечности) Долговечность в км пробега при выбранном распределении движения на передачах, % Долговечность по програм- мированному расчету вероятностно-статистичес- кими методами цикличес- кого нагружения Изнашивание, усталостное разрушение
Синхронизаторы (удельная работа трения и температура нагрева как параметры прочности и долговечности) — — Изнашивание колец
Продолжение
Агрегат автомобиля Объект традиционного расчета прочности Фактически выполненные расчеты прочности в проектах Характерные повреждения при полигонных испытаниях и в опытной эксплуатации
автомобиля грузоподъемностью 4,5 т седельного тягача с нагрузкой 15,7 т
Карданная передача Валы: критическая частота вращения напряжения от кручения и изгиба жесткость — Расчет максимального крутящего момента Скручивание
Шарниры: шипы крестовины (напряжения изгиба и среза) вилки (напряжения изгиба и кручения) шлицы вилки игольчатые подшипники (допустимые нагрузки) — Расчет долговечности Изнашивание, бринеллирова- ние, поломка шипов Поломка пружин вилки, изнашивание посадочных мест под подшипники Изнашивание шлицев Изнашивание, разрушение игольчатых подшипников
Главная передача и диф- ференциал Зубья шестерен: напряжения изгиба контактные напряжения усталость(долговечность) Валы (напряжения изгиба и кручения, жесткость) Крестовина дифференцивла (напряжения изгиба и смятия шипов) Сателлиты (напряжения изгиба в зубьях и контактные напряжения) Подшипники (работоспособность долговечность) Удельное давление на единицу длины зуба Напряжения смятия и среза Напряжения изгиба Долговечность Вероятность разрушения Долговечность Изнашивание- питтинг, поломка зубьев шестерен Изнашивание, задиры на поверхности шипов Изнашивание, питтинг, поломка зубьев Изнашивание, выкрошивание беговых дорожек, разрушение колец и сепаратора
Полуоси ведущего моста Напряжения от изгиба и кручения на режимах: максимальной тяги интенсивного торможения заноса преодоления препятствий Напряжения кручения Вероятность разрушения Разрушение, изнашивание шлиц
542
Продолжение
Агрегат автомобиля Объект традиционного расчета прочности Фактически выполненные расчеты прочности в проектах Характерные повреждения при полигонных испытаниях и в опытной эксплуатации
автомобиля грузоподъемностью 4,5 т седельного тягача с нагрузкой 15,7 т
Ведущий мост Напряжения изгиба и кручения балки на режимах: максимальной тяги интенсивного торможения заноса преодоления препятствий Коэффициент запаса прочности для опасного сечения (Л = 5.48) Коэффициент запаса прочности для опасного сечения (Л = 6,8) Трещины, изнашивание посадочных мест под подшипники
Ведомый управляемый мост Балка моста (напряжения от изгиба и кручения в трех режимах нагружения) Поворотный кулак (напряжения изгиба цапфы в трех режимах нагружения) Шкворень (напряжения изгиба, среза и смятия в трех режимах нагружения) Рычаги поворотного кулака и рулевые тяги Напряжения при торможении, заносе, переезде неровностей То же Напряжения изгиба, смятия при торможении, заносе, переезде неровностей Коэффициент запаса прочности (Л = 1,43) Изнашивание проушин, прогиб Изнашивание посадочных мест под подшипники Изнашивание Изнашивание пальцев
Колеса и ступицы Диски и ободья колес Подшипники (долговечность) Долговечность — Трещины Изнашивание, поломка
Рама Лонжероны и поперечины (коэффи- циент запаса прочности с учетом коэффициента динамичности) Коэффициент запаса проч- ности с учетом коэф- фициента динамичности Допустимые нагрузки Трещины
Подвеска Рессоры (напряжения изгиба, долговечность) Стремянка Реактивная штанга задней подвесы (продольный изгиб) Напряжения при прогибе Напряжения при прогибе Поломка, просадка, фреттинг Срыв резьбы, вытягивание, обрыв Изнашивание шарниров, обрыв, изгиб
Тормозная система Тормозной барабан Тормозная колодка Оттяжная пружина — — Изнашивание, микротрещины Изнашивание, выкрошивание Поломка, растяжение
ванных состояний, устойчивости, динамических характеристик разрабатываемых
конструкций и на этой основе повышение несущей способности, долговечности,
совершенствование проектируемой технологии их изготовления.
Однако было бы ошибочным искать причину сложившегося положения в не-
достаточности научно-теоретической базы, накопленных результатов исследова-
ний, а тем более в некомпетентности конструкторско-технологических служб в
автомобилестроении.
Основной причиной является то, что изменчивость условий эксплуатации, широ-
кий диапазон изменения внешних воздействий и факторов, влияющих на проч-
ность, долговечность и износ автомобилей, которые еще более увеличиваются
разнообразием их использования порождают неопределенность исходных для
проектирования данных, намного большую, чем для других видов транспортных
средств. Это вносит неуверенность, недоверие к традиционным рекомендациям по
статическим расчетам прочности деталей и узлов, порождает ограниченность их
использования, как недостаточно обоснованных и малоэффективных. Произволь-
ный выбор расчетных условий нагружения не приводит к оптимальным конструк-
тивным решениям.
Таким образом, разработка норм прочности автомобилей, как единой систе-
мы документов регламентирующих учитываемые внешние воздействия, требова-
ния к стойкости против этих воздействий, механические свойства конструкцион-
ных материалов, современные методы расчетов несущей способности, долговеч-
ности, износостойкости совместно с методами испытаний, требованиями к пара-
метрам испытательных сооружений и измерительным средствам, очевидно, яв-
ляется одной из наиболее актуальных задач ускорения технического прогресса в
автомобилестроении.
Известно, что в некоторых отраслях машиностроения (например, в авиастрое-
нии, судостроении, вагоностроении) схема разработки и содержания норм прочно-
сти строится в следующем виде.
Прежде всего статистически устанавливается ряд режимов эксплуатации, в ко-
торых выбираются случаи и положения машины, обусловливающие наиболее тяже-
лые условия нагружения ее в целом и отдельных частей, особенно силовой части
конструкции.
Рассматриваются силы, моменты и другие внешние факторы, действующие на
машину, и ее параметры при статическом или квазистатическом уравновешивании
в каждом из выбранных случаев.
По схемам нагружения отрабатываются методы расчета повреждающих воздей-
ствий, и устанавливаются нормативные значения коэффициентов запаса диффе-
ренцированно для разных элементов конструкции. Сообразно с выбранными слу-
чаями нагружения рекомендуются виды испытаний: от лабораторных отдельных де-
талей на стендах до эксплуатационных полнокомплектной машины в определенных
условиях. Задаются также расчетные условия для отдельных элементов конструк-
ции, определяющие способ оценки внешних воздействий.
При таком содержании норм по эксплуатационным нагрузкам и обоснованным
коэффициентам запаса определяются расчетные нагрузки для выбора оптимальных
размеров и устройства элементов конструкции, обеспечивающих требуемую проч-
ность, долговечность, износостойкость.
В общих чертах применительно к автомобилю такая схема построения норм
прочности может иллюстрироваться следующим образом.
543
Режимы эксплуатации: при городских, магистральных и горных перевозках на
асфальтобетонных, булыжных (щебеночных, грунтовых) дорогах, а также вне дорог;
в умеренном, жарко-пустынном и холодном приполярном климате
Случаи нагружения: при трогании с места, разгоне, равномерном движении, на-
кате. торможении на ровной и неровной дорогах, в повороте, на подъеме, с прице-
пом, в аварийных ситуациях, в том числе заноса, фронтального, бокового, косого
столкновения и т.п.
Расчетные условия, например, для случая нагружения при торможении: двигате-
лем, служебном, экстренном, с неравномерностью действия тормозных механиз-
мов в приводе разных колес разных бортов, неравномерностью сцепных свойств
шин и опорной поверхности дороги (случаи "микстов"), с наездом на неровность в
заторможенном состоянии и т.п. для разных начальных скоростей.
Из этого иллюстративного представления ясно, что требуется большой объем
предварительного анализа рабочих процессов в эксплуатации автомобиля только
для обоснованного выбора ограниченного количества расчетных схем нагружения,
по которым можно подобрать или составить рабочие формулы вычисления пере-
грузок автомобиля и его отдельных элементов, а также для определения по задан-
ным внешним условиям действующих эксплуатационных, а затем и расчетных зна-
чений сил и моментов, как основы норм прочности.
Одним из направлений сокращения объемов такого анализа является предвари-
тельная классификация объектов. Например, очевидно, нет необходимости в выбо-
ре случаев нагружения карьерных самосвалов рассматривать условия эксплуатации
при магистральных перевозках. Однако следует иметь в виду, что предварительная
классификация одновременно увеличит общее количество нормативов прочности в
конечном счете.
Другое направление сокращения объема анализа состоит в типизации условий
эксплуатации. На этом пути также возникают немалые трудности при разработке
способов типизации. Ведь в основу обобщения условий эксплуатации или режимов
работы автомобиля кладутся определенные критерии и вероятностно-статистиче-
ская оценка изменения показателей режима. Вследствие уже упоминавшегося
чрезвычайно широкого диапазона использования автомобиля задача типизации ус-
ловий эксплуатации неизбежно является многокритериальной. Точно также, напри-
мер, задача типизации режима движения является многомерной. Тем не менее эти
задачи успешно решаются и, в частности, отработкой и внедрением обоснованных
вероятностно-статистическими методами ездовых циклов, изложенных, например,
в работах В.А.Ануфриева, В.Ф.Кутенева, А.А.Токарева и др.
Так же обстоит дело и с типизацией нагрузочных режимов, с тем, однако, важ-
ным отличием, что процессы изменчивого напряженно-деформированного состоя-
ния отдельных элементов или условий в контактах подвижных сочленений сущест-
венно зависят не только от внешних воздействий, но и от параметров самой конст-
рукции. В частности, применительно к автомобильной технике нагрузочные режимы
несущих элементов и трасмиссии в значительной мере определяются колебатель-
ными параметрами, динамикой системы подрессоривания, виброизоляцией, как
это показано в предыдущих главах.
Хотя исследованиям нагрузочных режимов отдельных агрегатов и деталей авто-
мобилей в различных условиях и уделяется в настоящее время все большее вни-
мание, и объем накопленного материала непрерывно возрастает, но их принадлеж-
ность к конкретным и разнородным моделям сужает возможности широкого науч-
ного обобщения. Для использования таких материалов в разработке норм прочно-
544
сти требуется чрезвычайно большой объем фактических наблюдений. Это подтвер-
ждается, в частности, тем, что по отдельным агрегатам, например, по трансмиссии
автомобиля, можно считать обоснованной методику обобщенного нагрузочного ре-
жима В.С.Лукинского [35]. Однако для нормирования расчетных условий той же
трансмиссии требуется обработка по этой методике почти недоступного объема
фактического материала по разным моделям, в разных условиях, в различных со-
стояниях загруженности и других обстоятельствах использования автомобилей.
Накопление, хранение, обработка и анализ больших объемов фактического ма-
териала по нагрузочным режимам в различных условиях эксплуатации выдвигает
проблему банка данных. Решение этой проблемы включает прежде всего оснащен-
ность исследований современными средствами измерения нагрузок и деформаций
разнообразных элементов и деталей автомобиля, аппаратурой для достаточно дли-
тельной регистрации и непрерывной обработки этих процессов. Учитывая большие
объемы необходимых экспериментальных наблюдений, приобретает важное значе-
ние разработка и применение единых компактных форм представления и хранения
информации без потерь значимых подробностей. При этом как объем, так и орга-
низация банка данных не может отрываться от способов целенаправленного ис-
пользования их для разработки норм прочности, от реализации их в уже имеющих-
ся численных методах расчетов на прочность с помощью программ для ЭВМ, со-
ставленных как в автомобилестроении, так и в смежных отраслях (например, алго-
ритмов и программ расчета типовых элементов по разработкам Института машино-
ведения РАН, других институтов, рекомендуемых в качестве межотраслевых поло-
жений о нормах прочности).
Как правило, современные высокоэффективные методы расчетов прочности,
долговечности, износостойкости базируются на вероятностно-статистических спо-
собах нормирования Для назначения обоснованных прогрессивных норм прочно-
сти с достаточной достоверностью объемы банка данных как по фактическим на-
грузочным режимам, так и по внешним условиям и воздействиям других факторов
на автомобили в эксплуатации представляются чрезвычайно большими.
Как видно, трудности и нерешенные задачи в разработке норм прочности требу-
ют огромных затрат труда и времени.
Однако к настоящему моменту в автомобильной промышленности России име-
ется возможность ускорить решение проблемы создания норм прочности, опира-
ясь на вполне определенные условия испытаний, оценки и доводки конструкций на
специальных дорогах и сооружениях Центрального автополигона
Для ориентирования разработки норм прочности автомобилей на конкретные
условия и технологию, исследованиям и разработке которых посвящены предыду-
щие главы, имеются достаточно веские основания.
Во-первых, одной из ведущих идей общей концепции создания Центрального
автополигона являлась, как упоминалось, возможно более полная и тесная корре-
ляция условий испытаний с условиями эксплуатации
Причем из всего многообразия факторов, характеризующих эксплуатационные
условия, при разработке и строительстве испытательных сооружений, как и при
разработке технологии испытаний на них. приоритет в этом смысле отдавался воз-
действиям поверхности дорожного полотна, рельефа местности и характеристикам
климата, учитывая, что корреляция достигается возможно более полным воспроиз-
ведением на автополигоне этих факторов реальной эксплуатации.
Такой подход реализован полностью при создании одного из основных испыта-
тельных сооружений Центрального автополигона - кольцевой скоростной дороги
545
Результаты ходовых испытаний на ней надежности в настоящее время принимают-
ся за эталон первой категории условий эксплуатации автомобилей.
В определении микропрофиля, уклонов, протяженности и компоновки других
специальных испытательных дорог Центрального автополигона учивывалось реаль-
ное соотношение протяженности дорог общего пользования с различным состоя-
нием и воздействием покрытия на автомобиль в общей дорожной сети страны.
Ровность покрытия специальных испытательных дорог, как приоритетный признак
внешнего воздействия по отношению к прочности, долговечности и износостойкости,
принята исходным пунктом для создания оптимального форсирования испытаний.
Причем компромисс между желаемым форсированием воздействий дороги и тес-
нотой корреляции результатов испытаний с эксплуатацией достигнут тем, что на ос-
новных испытательных дорогах с булыжным покрытием воспроизведен микропрофиль
реальных дорог значительной протяженности с исключением неровностей, вызываю-
щих резонансные колебания, пробои подвески и удары. Экстремальные воздействия
воспроизводятся на отдельных специальных дорогах и сооружениях.
Во-вторых, к настоящему времени за период 30-летнего функционирования
Центрального автополигона накоплен значительный массив достоверных экспери-
ментальных данных по нагрузочным режимам многих ответственных элементов кон-
струкции разных автомобилей, причем в условиях фактически действующей систе-
мы доводочных, приемочных, ресурсных, контрольных и инспекционных испытаний.
Нормативно-техническая база технологии испытаний на Центральном автополигоне
включает более 150 методик и программ. Значительная часть этой нормативной
документации, в особенности относящаяся к испытаниям отдельных агрегатов ав-
томобилей, автопоездов, автобусов, прямо включает критерии оценки прочности,
долговечности и износостойкости, а также режимы и условия нагружения. В сово-
купности с накопленными сведениями о соответствии применяемых конструкцион-
ных материалов предъявляемым требованиям по механическим и технологическим
свойствам, получаемыми при технической экспертизе обнаруживаемых поломок и
на заключительной стадии практически всех испытаний, такие данные представля-
ют собой значительную часть содержания норм прочности.
В-третьих, технология полигонных испытаний, всесторонне согласованная с из-
готовителями и потребителями автомобильной техники, стала привычной в их
практике испытательной работы и официально признана не только в отечественном
автомобилестроении, но и на международном уровне. Об этом свидетельствует как
обширный состав пользователей из числа крупных зарубежных автомобилестрои-
тельных фирм технологией испытаний на Центральном автополигоне, так и офици-
альная аккредитация его как Европейского испытательного центра.
Нужно подчеркнуть, что разработка норм прочности по условиям действующей
технологии и системы полигонных испытаний не предусматривает составление пол-
ностью новых методов расчетов. При нормировании режимов, расчетных случаев,
схем нагружения автомобиля в известных установившихся условиях испытаний требу-
ется в основном только отбор и обобщение уже отработанных, проверенных расчет-
ных формул и способов оценки действующих напряжений в деталях и сочленениях.
Все это отнюдь не означает ослабления внимания к иссследованиям нагрузок в
различных ситуациях, встречающихся при эксплуатации. Но объединение задавае-
мых норм прочности автомобильных конструкций с условиями, в которых, как пра-
вило, будет окончательно проверяться и оцениваться их выполнение, а именно, в
пробеговых испытаниях на автополигоне, устраняет ту неопределенность условий
нагружения, которая сдерживает практическое применение наиболее прогрессив-
ных методов проектных расчетов.
546
РАЗРАБОТКА НОРМ ПРОЧНОСТИ
АВТОМОБИЛЕЙ
547
__________
Систематизация
и сравнительный
анализ
рекомендуемых
и применяемых
способов
расчета прочности,
усталости, износа
элементов конструкции
автомобилей
Основные этапы,, исследований
1
_________±__________
Анализ и оценка
внешних воздействий
и факторов,
определяющих
нагруженность
конструкции
автомобиля
при эксплуатации
и испытаниях
а
Исследования фактической нагруженности элементов конструкции автомобилей в эксплуатации и при испытаниях на автополигоне Обоснованный выбор элементов, прочность, долговечность, износ которых определяет работоспособность автомобиля Установление показателей напряженно-деформированного состояния каждого элемента при фактическом нагружении Отработка прогрессивных методов экспериментальных наблюдений фактического нагружения конструкций установленной номенклатуры Разработка методов обработки, компактного представления, хранения и извлечения информации о фактических нагрузочных режимах Экспериментальные наблюдения и организация банка данных фактических нагрузочных режимов Разработка методов обобщения и типизации нагрузочных режимов для использования в нормативных расчетах прочности
548
Отработка
мативных положений
Общие положения
о нормах прочности
автомобиля
Общие требования
к расчетам
на прочность,
долговечность
и износостойкость
деталей и сочленений
Классификация
объектов расчетов
Принципы
определения
расчетных нагрузок
Способы учета
различных факторов
внешних воздействий
Оценка масс,
моментов инерции,
скоростей
и ускорений
в расчетах
прочности,
долговечности
и износостойкости
автомобилей
Принципы
построения
уравновешенных
расчетных схем
автомобиля
и его частей
Случаи нагружения
(режимы) основных
силовых элементов
конструкции
автомобиля:
- сцепления;
- трансмиссии;
- мостов;
- подвески;
- рамы (несущей
системы)
- кузова;
- колес;
- рулевого
управления;
- тормозов
- навесных
агрегатов
и приспособлений
Методы расчета
прочности
при статическом
(квазистатическом)
нагружении
элементов
конструкции
в случаях
(положениях,
режимах),
отвечающих
наиболее тяжелым
условиям работы
автомобиля и его
частей (поэлементно)
Методы расчета
долговечности
и износостойкости
в режимах
нагружения типовых
для автомобиля
заданного
назначения
в заданных условиях
эксплуатации
и испытаний
для элементов
конструкции,
лимитирующих
ресурс
П о д г о то в к а нормативных1документов (иллюстративно)
ГОСТ
Обязательные
расчеты
прочности,
долговечности
и износостойкости
автомобилей
Таблица
соответствия
нормам прочности
ОСТ
Оценка основных
внешних
воздействий
на автомобиль
в условиях
эксплуатации
и полигонных
испытаний
РД
Расчет деталей
однодисковых
автомобильных
сцеплений
на прочность,
долговечность
и износ
МР
Метод и программа
расчета на ЭВМ
напряженно-
деформированного
состояния рамы
автомобиля
при движении
на испытательном
треке автополигона
МУ
Метод расчета
несущей
способности,
прочности,
долговечности
балки ведущего
моста
автомобиля
б
Рис. 10.5. Примерная схема программы для разработки норм прочности в автомобилестроении
Предлагаемое направление в разработке норм прочности тем более перспек-
тивно, что постоянно ведутся и, по-видимому, будут вестись интенсивнее исследо-
вания с целью достижения все более определенных количественных связей факти
ческих условий эксплуатации автомобилей с условиями их полигонных испытаний,
а также корректировки и совершенствования последних. Для этого расширяется
технологическая база воспроизведения при полигонных испытаниях таких трудно
регулируемых факторов внешнего воздействия, как: климатических - вводом в экс-
плуатацию северной испытательной станции, строительством южного полигона; за-
пыленности воздуха созданием новой пылевой камеры в дополнение к действую-
щей коррозионной воздушного напора, порывов ветра и изменения в связи с этим
сопротивления движению - созданием уникальной аэродинамической трубы на
Центральном автополигоне
Реализация такого подхода к разработке норм прочности с привязкой их к тех-
нологии и технической базе полигонных испытаний может существенно приблизить
достижение цели - разработки норм прочности - за счет сокращения объемов экс-
периментальных и теоретических исследований при использовании уже имеющей-
ся информации.
Рассмотренное направление эффективного использования технологии полигон-
ных испытаний может успешно реализовываться в крупномасштабной программе
работ. Примерная схема ее приведена на рис. 10.5. Из этой схемы видно, что для
выполнения такой программы требуется не только общая точка зрения всех разра-
ботчиков новых конструкций разнообразной автомобильной техники, но и возмож-
но более полное использование всех прогрессивных исследований, опыта, знаний,
накопленных специалистами конструкторских бюро заводов научно-исследова-
тельских и проектно- конструкторских организаций, вузовских кафедр автомобиль-
ной специальности. В итоге же должен быть создан единый комплекс обязатель-
ных взаимосвязанных требований, правил, методов расчета и испытаний прочности
автомобильной техники, нормированных в соответствии с требованиями дальней-
шего повышения технического уровня и качества продукции отрасли.
Из схемы видно также, что разработка норм прочности, увязанная с техноло-
гией полигонных испытаний, в которых окончательно оценивается качество авто-
мобильной техники, по результатам которых сертифицируется продукция авто-
мобильной промышленности аттестуется и инспектируется производство каждо-
го изготовителя, является перспективным направлением претворения в жизнь
новой концепции стандартизации в одной из крупнейших отраслей машино-
строения - автомобилестроении.
10.3. Инженерные задачи
надежности и технология
полигонных испытаний
Одной из основных, если не стерж-
невых задач практической инженерной работы при создании автомобильной техни-
ки постоянно стоит обеспечение надежности.
Борьба за надежность развертывается в разработке новых идей конструкции, в
проектировании на их основе новых моделей, в испытаниях и доводке опытных об
разцов. в изготовлении после постановки на производство, в эксплуатации за весь
период выпуска и использования.
549
До недавнего времени обеспечение надежности достигалось локальным реше-
нием традиционных задач прочности, износостойкости, выносливости, рациональ-
ного обслуживания и ремонта в эксплуатации.
Переход к рыночной экономике, задачи расширения массового производства
конкурентоспособных автомобилей, законодательные акты по защите жизни, здо-
ровья и имущества потребителей от ненадежной автомобильной техники и вместе
с тем стремление изготовителя полнее удовлетворить спрос потребителя выдвину-
ли глобальные и новые вопросы в области надежности. Один из таких злободнев-
ных вопросов - как обосновать целесообразный уровень надежности!
Для автомобильного производства ответ на него требует решения альтернати-
вы. или выпуск большей массы автомобилей с ограниченной сравнительно корот-
ким сроком гарантированной надежности, но дешевых и доступных для частой за-
мены на новую машину, или производство надежной на долгий срок использова-
ния, но несомненно дорогой машины и с ограниченным объемом выпуска.
Складываются новые требования к оценке надежности и в связи с необходимо-
стью количественно представить эффективность конструкции, назначить сроки га-
рантии, оценить фактическую безопасность, готовность к применению и другие
свойства, важные для использования машины по назначению. Все это сделало не-
обходимым дальнейшее развитие инженерной надежности, используя и обновляя
результаты пройденных этапов. Важным этапом ее развития явилась разработка
прежде всего четких терминов и определений на основании глубокого осмысления
предмета науки, логического анализа целей, задач и практических возможностей
количественного выражения вводимых показателей. Стандартизация основных тер-
минов надежности в виде свойств долговечности, безотказности, ремонтопригод-
ности, сохраняемости конструкции обеспечила стремительное развитие теории.
Как известно основа теории надежности - методы теории вероятности и мате-
матической статистики. На этой основе в теории надежности достигнуты исключи-
тельные успехи в построении разнообразных моделей и решений по ее оценке Но
результативное их использование в конечном счете определяется имеющимся фак-
тическим материалом.
Применительно к сложным машинам, какими являются автомобили, обозначи-
лись два затруднения: где и как получить необходимые материалы в достаточном
объеме, как связать показатели надежности с традиционными показателями в рас-
четах конструкции, обеспечивающих надежность.
В инженерной практике оказалось, что эти трудности могут существенно сни-
зить эффективность достижений теории Действительно, где взять при проектиро-
вании нового автомобиля поток отказов, чтобы оценить безотказность новой конст-
рукции? Если же принять определенный уровень этого показателя надежности по
прототипу или аналогу, то как, исходя из этого, назначить допустимое напряжение
в той или иной детали?
В машиностроении проблеме надежности посвящено множество исследований,
обстоятельных публикаций, пособий, руководящих документов. Большая работа ве-
лась также по накоплению фактических данных при полигонных испытаниях авто-
мобилей и по наблюдениям их в эксплуатации. О масштабах последней свидетель-
ствуют, например, организация и постоянное функционирование на протяжении
более 20 лет сети экспериментально-производственных автохозяйств (ЭПАХ), объ-
единявшихся филиалом головного института НАМИ и крупнейшими автозаводами.
Разрабатывались методы теоретического анализа больших массивов данных о на-
дежности АТС.
550
Но, несмотря на большой объем уже выполненной работы по теории надежно-
сти, практическая эффективность ее пока не может считаться удовлетворительной.
Медленное по сравнению с развитием теории достижение практических результа-
тов порождает сомнения в эффективности и целесообразности применения уже
разработанных положений на всех этапах жизненного цикла изделия выражаясь в
следующих вопросах.
Этап научных исследований, поиска новых идей и разработки технического
задания на новую машину: нужно ли задавать количественные требования по пока-
зателям надежности, можно ли их задать достаточно обоснованными, как при этом
избежать ошибок, приводящих к ущербу в крупных масштабах?
Эти сомнения затем проявляются в автомобилестроении так, что в типовых ТУ
на автомобиль до недавнего времени предусматривался лишь один показатель -
ресурс, причем в общем виде, без указания каких-либо признаков допустимого
разброса, совершенно неизбежного в действительности, а поэтому и не поддаю-
щегося достаточно строгому контролю. Только формально может восприниматься
как норматив надежности такое положение типового ТУ, как срок хранения без
консервации, хотя большинство остальных назначаемых в ТУ показателей так или
иначе работает все же на обеспечение надежности.
Одна из основных причин сомнений на этом этапе объясняется тем, что назна-
чение количественных требований к надежности, как, впрочем, и других ТУ, явля-
ясь компромиссом, требует знания таких функций, как "значение показателя - за-
траты на его достижение", "значение показателя - эффективность использования"
и т.п. Но этих данных, как правило, нет в распоряжении на рассматриваемом эта-
пе. Следует, однако, отметить, что несмотря на все сомнения, даже приблизитель-
ное. условное назначение показателей надежности имеет большое значение преж-
де всего как дисциплинирующий фактор всех последующих работ по надежности.
Этап проектирования новой модели - перед инженерами возникает новый
вопрос: на какие режимы работы ориентировать проектируемый автомобиль? Как
неоднократно упоминалось выше, для автомобилей изменчивость условий исполь-
зования и диапазон разброса факторов, влияющих на прочность, долговечность,
изнашивание в эксплуатации, много больше, чем для любых других транспортных
средств. Это вызывает сомнение в возможности обеспечить надежность безотно-
сительно к условиям эксплуатации
Этап испытаний опытных образцов - здесь центральным становится вопрос
условий их проведения. Хотя и по типажу, и в ТЗ назначение разрабатываемой мо-
дели предусматривается, физические условия ее применения, количественные ха-
рактеристики этих условий определяются весьма расплывчато.
Не менее сложен учет таких обстоятельств, как изменение показателей надеж-
ности с переходом от технологии производства опытных образцов и установочных
партий на технологию серийного или массового выпуска. Или другой вопрос - пла-
нируемое распределение выпуска потребителям, где условия эксплуатации имеют
большие различия. Несмотря на то, что для этого этапа жизненного цикла машины
характерен интенсивный рост информации о надежности, практическое использо-
вание теоретического аппарата наталкивается на определенные трудности, по-
скольку программы испытаний часто строятся традиционно, а не согласно опреде-
ленным математическим моделям надежности.
Этап серийного или массового производства - надежность оценивают по ре-
зультатам длительных контрольных и ресурсных испытаний, которым автомобили.
551
как правило, подвергаются на автополигоне, и по наблюдениям в опытной эксплуа-
тации (в ЭПАХ) на гарантийном периоде и до капитального ремонта. Результаты
теоретического обобщения этих данных, как отмечалось, не всегда совпадают.
Возникает проблема корреляции условий испытаний и эксплуатации, согласования
результатов, воспроизведения эксплуатационных внешних воздействий на полиго-
не и т.п.
К этим вопросам добавляется груз прежних ошибок повальной государственной
стандартизации, характерным примером которых может служить бурно дискутиро-
вавшаяся попытка ввести для обязательного соблюдения в государственные стан-
дарты требование установленной первоначальной наработки без отказов, несо-
стоятельность которого убедительно доказана и теоретически, и опытом
Растущая проблематика инженерной надежности как научной дисциплины и не-
достаточная результативность работ по обеспечению надежности вызывают скеп-
тицизм в отношении методов теории. Например, все согласны, что при существую-
щей аморфности понятия качества в машиностроении надежность должна быть его
стержнем Уровнем надежности должен определяться технический прогресс в ма-
шиностроении на путях соревнования с передовыми зарубежными производства-
ми. При этом прямо указывается на необходимость развертывания общегосударст-
венных программ по обеспечению надежности в машиностроении
Высказываются критические замечания о чрезмерном увлечении теорией вплоть
до крайних мнений о том что при рассмотрении всевозможных вероятностных ха-
рактеристик надежности изделия дело часто сводится к получению "бумажной на-
дежности”, к "ложным кругам вокруг действительной надежности". Практическая
же надежность обеспечивается твердо установленными и контролируемыми пока-
зателями нагруженности элементов конструкции, оцениваемыми в опытах (у совре-
менного самолета, например, около 900 таких контрольных показателей, считаю-
щихся критериями обеспечения надежности).
Наблюдается, далее, что в США после увлечения теорией предпочтение отдает-
ся расширению натурных испытаний надежности. Это требует расширения экспе-
риментальной базы, внедрения форсированных методов испытаний, создания госу-
дарственного банка данных по надежности элементов конструкции различных ма-
шин и материалов.
Все сказанное свидетельствует о назревшей необходимости новых подходов к
обеспечению надежности автомобилей, условия эксплуатации которых наиболее
сложно оценить заранее, и где нужны поиски новых способов учета влияния внеш-
них факторов и эффективных воздействий на надежность.
Новые перспективы в этом направлении открываются системным подходом, ко-
гда автомобиль рассматривается как часть целостной системы ВАДС
Однако оказывается, что для каждой составляющей системы ВАДС, имеются
свои требования к надежности, которые должны обеспечиваться каждый раз свои-
ми методами.
Оказывается также, что межзлементные связи в этой системе являются объек-
том наиболее эффективного выявления оптимальных конструктивных решений, ис-
ходя из показателей выполнения автомобилем основной его задачи - транспорт-
ной, в пробеге. Здесь включаются в оценку надежности автомобиля не только тех-
нические показатели, но и экономические - доход, прибыль.
По-видимому, только таким путем можно решать труднейшую задачу комплекс-
ной оценки надежности все усложняющейся конструкции автомобиля и его отдель-
552
ных систем, а тем более ее нормирования в особенности на уровне, подлежащем
государственному контролю.
Например, надежности торможения, как показателю безопасности, уделяется
первостепенное внимание в НТД с требованиями, подлежащими обязательному
контролю и выполнению при сертификации соответствия, одобрения типа транс-
портного средства. Но нет полной ясности в вопросе: не идет ли усложнение тор-
мозных систем транспортных средств, необходимое для выполнения предъявляе-
мых требований на сертифицируемых образцах, в ущерб эксплуатационной надеж-
ности за длительный пробег. Ведь количество приборов и деталей в тормозных
системах автомобилей и автопоездов достигает 50...60, а каждая из них имеет ог-
раниченные показатели надежности. Вместе с тем возникает вопрос о необходи-
мости и приемлемом объеме испытаний и исследований для уверенной численной
оценки надежности такой системы прежде всего в вероятностном аспекте.
Если присмотреться к кратко описанным проблемам инженерной надежности,
перспективам их разрещения, то без особых доказательств видно, что технология
полигонных испытаний, разрабатываемая на рассмотренных выше основах откры-
вает широкие возможности плодотворного использования богатейшего арсенала
общей теории надежности в создании подлинно надежной, а следовательно, и вы-
сококачественной автомобильной техники отечественного производства.
Ведь в отечественном автомобилестроении сложилась устойчивая система
представлений и отработки надежности продукции отраженная в документирован-
ных ее элементах. Первым элементом этой системы являются свойства, опреде-
ляющие надежность автомобиля. Это безотказность, долговечность, ремонтопри-
годность (или чаще, согласно ГОСТ 14.205-83 - эксплуатационная технологич-
ность), сохраняемость.
Второй элемент системы - показатели надежности Они выбираются в соответ-
ствии с ГОСТ 27.003-90, который автотранспортные средства относит ко второй
группе изделий первого вида, т.е. к сложным восстанавливаемым. Для оценки без-
отказности это - наработка на отказ и наработка на ремонтное воздействие; по
долговечности - ресурс до капитального ремонта и ресурс (или срок службы) до
списания; по ремонтопригодности - удельные оперативные трудоемкости техниче-
ского обслуживания и текущего ремонта, периодичность технического обслужива-
ния и разовая трудоемкость ежедневного обслуживания; по сохраняемости - сред-
ний срок сохраняемости в камере влажности (коррозионной камере согласно рас-
смотренной выше технологии испытаний).
Третий элемент - нормативы на свойства надежности. Устанавливаются они
ОСТ 37.001.505-73 с изменениями на типовые технические условия и ГОСТ
21624-81 "Система технического обслуживания и ремонта автомобильной техни-
ки. Требования к эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности из-
делий". (В типовых технических условиях на конкретное АТС нормируются пока-
затели долговечности и безотказности, т.е. средний ресурс до капитального ре-
монта или списания и наработка на отказ, а в ГОСТ 21624-81 - показатели экс-
плуатационной технологичности)
Нормативы на показатели долговечности устанавливаются прежде всего исходя
из среднегодовых пробегов автомобилей данного назначения, календарной про-
должительности эксплуатации и достижений научно-технического прогресса в ми-
ровом автомобилестроении. Ожидаемые на ближайшие 15 лет величины пробегов
АТС до списания (при одном капитальном ремонте с коэффициентом восстановле-
ния 0,8 и первой категории условий эксплуатации) приведены в табл. 10.2.
553
Таблица 10.2
АТС Пробег до списания, тыс. км
1990 г. 2000 г.
Грузовые автомобили грузоподъемностью, т: 1,2 (особо малая) 350 .450 450...500
1,2...2 (малая) 350-450 450-500
2...7 (средняя) 450...720 500-750
8... 14 (большая) 560..800 600..850
более 14 (особо большая) 360-550 450-600
Магистральные автопоезда 700...800 800-900
Легковые автомобили классов: особо малого (двигатель рабочим объемом до 1100 смэ) 200-220 220-250
малого (двигатель рабочим объемом 1100...1800 Смэ) 220 .350 300...350
среднего (двигатель рабочим объемом 1800...3500 см3) 400-630 500-700
Автобусы классов (длиной, м): особо малого (до 5) 360-650 650...700
малого (6...7,5) 540..650 600-700
среднего (8...8,5) 800...900 900-950
большой вместимсюти (10,5—12) 900...1000 1000
Прицепы и полуприцепы Пробег устанавливается не менее 100 %
пробега базовых тягачей
Рекомендаций по нормированию показателей безотказности, в частности, сред-
ней наработки на отказ в специальной литературе крайне мало. Но разрабатывал-
ся ГОСТ 22352-77 на правила установления гарантийных сроков в стандартах и ТУ,
в соответствии с которым в целях защиты интересов потребителей продолжитель-
ность гарантийной наработки должна быть не менее удвоенной средней наработки
до выявления скрытого дефекта (отказа), определяемой по результатам испыта-
ний. Поскольку в мировом автомобилестроении гарантийная наработка, как прави-
ло, устанавливается равной одному году и пробегу 20...50 тыс.км, то, следователь-
но, и наработка на отказ автомобиля должна быть не менее 10 .25 тыс.км (в зави-
симости от типа и назначения АТС).
Конкретные нормативы по периодичности технического обслуживания разных
типов АТС приведены в ГОСТ 21624-81 (табл. 10.3), а по остальным названным вы-
ше показателям эксплуатационной технологичности (в качестве примера - только
для грузовых автомобилей) - в табл. 10.4.
Четвертый элемент системы надежности АТС - проверка соответствия обеспе-
чивающих ее свойств заданному уровню. Осуществляется она по результатам ис-
пытаний, проводимых по плану NMT (ГОСТ 27.002-89).
554
Таблица 10.3
Тип изделия Вид технического обслуживания и пробег, тыс. км
Ежедневное ТО-1 ТО-2 По сервисным книжкам
Автомобили легковые Один раз 5 20 10
Автобусы в рабочие сутки независимо 5 20 —
Автомобили грузовые, автобусы от числа рабочих смен 4 16 —
на базе грузовых автомобилей или с использованием их основных агрегатов Прицепы и полуприцепы 4 16 —
Автомобили полноприводные — 4 16 —
Таблица 10.4
Грузо- подъемность АТС Полезная нагрузка, т Оперативная трудоемкость
Разовая ежедневного технического обслуживания чел.-ч, не более Удельная технического обслуживания, чел.-ч/тыс. км, не более Удельная текущего ремонта, чел.-ч/тыс. км, не более
Особо малая 0,5-1 0,20 0,90 2.0
Малая 1...3 0,40 1,20 2,7
Средняя 3...4 0,55 1,40 3,2
4...5 0,55 1,80 3,5
Большая 5...8 0,65 2,00 5,0
8-10 0,80 2,50 5,5
Особо большая 10-16 1,00 2,60 7,0
Применение плана NMT обусловлено контрольным характером испытаний, при ко-
тором АТС на заданном пробеге должно обеспечить нормативные требования надеж-
ности с применением ремонтов и обслуживании. В соответствии с рекомендациями
ГОСТ 27.410-87 для контроля уровней надежности испытаниям подвергается не ме-
нее двух образцов автомобильной техники. Здесь приобретают особую важность кри-
терии предельных состояний автомобиля, автобуса, прицепа или полуприцепа, а так-
же критерии отказов, которые разработаны с учетом ГОСТ 27.003-90 и введены в
действие РД 37.031.031-81 "Технико-экономические критерии предельного состояния
для оценки ресурса по результатам испытаний" и РД 37.001.029-86 "Автотранспорт-
ные средства. Определение показателей безотказности" с приложением "Критерии
отказов АТС по характеру и внешнему проявлению".
В соответствии с РД 37.031.031-81 предельное состояние автомобиля, автобуса
или прицепа считается достигнутым не только по техническим, но и технико-эконо-
мическим показателям (расходу запчастей), как это рассматривалось в гл. 4.
На особенностях оценки безотказности таких сложных объектов как комплект-
ные АТС, и критериях их отказов как признаков нарушения работоспособности,
оговоренных в РД 37.001.029-86, следует остановиться подробнее.
555
В автомобильной промышленности к выражению безотказности существуют два
подхода. Первый, когда при испытаниях в строго определенных условиях, с соблю-
дением правил обслуживания, в соответствии с инструкцией определяются показа-
тели безотказности, характеризующие уровень конструкции технологии и качество
изготовления транспортного средства при функционировании его в условиях, для
которых оно предназначено. Эти показатели определяются при ресурсных, инспек-
ционных (длительных контрольных) и аттестационных испытаниях на автополигоне
и используются при оценке технического уровня, соответствия АТС требованиям ТУ
и при аттестации систем качества. В этом случае основным показателем безотказ-
ности, как и определено ГОСТ 27.003-90, принята средняя наработка на отказ.
Причем под отказом понимают событие, как фактически приведшее к нарушению
работоспособности АТС так и событие, которое в условиях испытаний не наруши-
ло работоспособность АТС, но могло бы нарушить в условиях реальной эксплуата-
ции в течение ближайшей смены, т.е. учитываются не только проявившиеся, но и
так называемые потенциальные отказы.
Второй подход реализуется при эксплуатации транспортного средства, когда
определяются показатели безотказности с учетом обстоятельств, характеризующих
уровень организации транспортного процесса. При этом на показатели безотказ-
ности оказывают влияние не только технический уровень конструкции автомобиля,
но и квалификация водителя, система планирования транспортного процесса, об-
служивания, диагностики и ремонта, обеспеченность запасными частями и приспо-
собленность автотранспортного предприятия к выполнению ремонта, удаленность
маршрута от предприятия и др. Здесь в расчет не включаются отказы, устраняе-
мые даже крупными ремонтами, если это было выполнено в межсменное время и
не повлекло за собой срыв транспортного процесса.
В связи с этим показатели безотказности и их количественные характеристики,
полученные при разных подходах, сопоставлять сложно, и, как пояснялось выше,
требуется кропотливый анализ данных. Как правило, этот анализ дополняет систе-
му оценки надежности автомобильной техники.
Пятый элемент системы оценки АТС - режимы их испытаний. Они дифференциро-
ваны по типам объектов и видам испытаний на основаниях, рассмотренных в гл. 6.
Режимы испытаний установлены следующими пятью основными нормативно-ме-
тодическими документами: РТМ 37.001 026 (027, 028, 029)-82 "Типовая програм-
ма-методика предварительных испытаний грузовых автомобилей (полноприводных,
легковых, автобусов)"; РТМ 37.001 045 (046, 047, 048)-78 "Типовая программа-ме-
тодика приемочных испытаний грузовых автомобилей (полноприводных, легковых,
автобусов)"; ОСТ 37.001.244-82 "Длительные контрольные испытания АТС. Про-
грамма и методы испытаний"; РД 37.001.014-83 "Типовая программа-методика
междуведомственных испытаний на подтверждение ресурса до капитального ре-
монта" и ОСТ 37.001.087-76 "Программа и методы ресурсных испытаний полно-
приводных автомобилей" с изменениями.
Кроме перечисленных документов, определяющих режимы нормальных (нефор-
сированных) испытаний автомобилей в целом, имеется большое число взаимно
увязанных методических документов, нормирующих режимы форсированных (в
5. ..10 и более раз) испытаний как комплектных АТС, так и их отдельных систем, уз-
лов и агрегатов.
Шестой элемент системы оценки надежности АТС - обработка, анализ и полу-
чение результатов испытаний. Они регламентируются семью нормативными доку-
556
ментами НИЦИАМТ: СТГ1 37.052.004-78 "Порядок сбора инфоомации по результа-
там испытаний автомобильной техники"; СТП 37.052.005-78 "Правила заполнения
и кодирования информации во входных документах"; СТП 37.052.006-78 "Класси-
фикатор и шифраторы информации адресного характера"; СТП 37.052.007-81
"Классификатор и шифраторы информации о неисправностях изделий автомоби-
лестроения"; СТП 37.052.009-78 "Методы определения статистических характери-
стик ресурса изделий автомобилестроения”; СТП 37.052.024-81 "Порядок и прави-
ла исследования причин неисправностей АТС и передачи информации при поли-
гонных испытаниях"; РД 37.052.090 "Типовая форма протокола по результатам
контрольных испытаний".
Соответствие автомобилей требованиям ТУ и стандартов оценивается по мето-
дике, устанавливающей допустимые отклонения измеряемого параметра от вели-
чины, указанной в нормативном документе. Величины отклонений приняты на осно-
ве изучения аналогичных международных и национальных стандартов, учитываю-
щих возможные и допустимые отклонения условий испытаний, производства, хра-
нения, транспортирования автомобилей и составляющих, как правило, не более ±
5% нормативов.
Таким образом, существующая отраслевая система по терминам, показателям,
нормам, методам и средствам моделирования режимов испытаний, способам
оценки результатов в основном соответствует системе государственных стандартов
по надежности.
Однако к настоящему времени эта система должна рассматриваться лишь как
основа нормативного обеспечения оценки надежности автомобильной техники.
Требуются значительные изменения этой системы как в связи с необходимой ее
гармонизацией с международными нормативами, так и в связи с коренной пере-
стройкой концепции стандартизации в нашей стране при переходе к новым усло-
виям хозяйствования и организации производства.
10.4. Некоторые итоги
внедрения технологии
ускоренных полигонных
испытаний
Охарактеризовать внедрение техно-
логии полигонных испытаний можно лишь опираясь на определенный промежуток
времени. При этом вполне оправдано стремление сохранить преемственность в ее
дальнейшем развитии, отнюдь не пренебрегая критическими суждениями и новыми
требованиями к ее применению в связи с экономическими преобразованиями. Та-
кой подход отвечает новой концепции в области стандартизации, метрологии и
сертификации, устанавливающей бережное отношение к накопленному научно-тех-
ническому потенциалу.
Выразительность характеристики технологии полигонных испытаний может быть
достигнута также лишь с отнесением показателей к периоду так или иначе поддер-
живавшейся стабильности производства в отечественном автомобилестроении.
Исходя из этого, приводимые ниже показатели отражают состояние и эффек-
тивность технологии полигонных испытаний в центре их полного сосредоточения в
80-х - начале 90-х годов на Центральном автополигоне.
557
Экспертные заключения о ней, официально признанные и подтвержденные, со-
стоят в следующем.
Внедрение технологии полигонных испытаний отражено в разработке, утвержде-
нии и практическом использовании 8 государственных, 10 отраслевых стандартов,
48 руководящих технических материалов, 32 стандартов предприятия и 152 утвер-
жденных методик и программ-методик на испытания автомобилей, их систем и аг-
регатов для оценки конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств.
В совокупности эти методические и нормативно-технические документы регла-
ментируют новую технологию и систему испытаний автомобильной техники на Цен-
тральном автополигоне, отличающуюся:
- расширением и углублением оценки испытываемых объектов за счет значи
тельно большего, чем это было до создания автополигонов, количества измеряе-
мых и анализируемых конструктивных параметров, характеристик и показателей
эксплуатационных свойств и закономерностей в их взаимосвязях;
- повышением достоверности оценки испытываемых объектов за счет научной
обоснованности, достигаемой точности измерений и совершенствования корреля-
ции условий автополигона и условий эксплуатации;
- повышенной информативностью за счет сопоставимости результатов испыта-
ний в стабильных, определенных и воспроизводимых условиях, возможностей их
накопления и сравнительного анализа;
- высокой производительностью за счет сосредоточения испытаний на единой
базе, применения форсированных и направленных воздействий внешних факторов,
оптимального планирования технологических процессов испытаний;
- практической результативностью, обеспечивающей наряду с полнотой и всесто-
ронностью обследования испытываемых объектов также высокой профессиональной
компетентностью и оперативностью при разработке рекомендаций, передаваемых
конструкторской и технологической службам предприятий-изготовителей.
Внедренная технология и система всесторонних испытаний охватывают предва-
рительные (заводские), приемочные, периодические (инспекционные), ресурсные
полигонные и эксплуатационные, а также специальные и исследовательские испы-
тания для решения сложных проблем совершенствования автомобильной техники.
Исходя из анализа отечественного и зарубежного опыта доводки изделий авто-
мобилестроения, исследуются пути дальнейшего сокращения продолжительности
испытаний и непрерывного совершенствования их организации. Для этого привле-
каются положения фундаментальных наук - теории вероятностей, случайных про-
цессов. планирования экспериментов, теории усталости материалов, триботехники,
измерительной техники и метрологического обеспечения, широкое использование
ЭВМ и другие современные средства исследований.
Объемы внедрения технологии полигонных испытаний автомобильной техники
характеризуются следующими данными.
Надежность, контроль качества и снижение металлоемкости конструкций.
За период 1975-1982 гг. по новой технологии проведены ресурсные испытания бо-
лее 80 базовых образцов автомобильной техники. Проверена и подтверждена эф-
фективность конструкторско-технологических мероприятий, разработанных и реа-
лизованных по результатам испытаний, что позволило обосновано повысить в
среднем ресурс на 150%, снизить трудоемкость ТО и ТР на 15 ..20%, снизить рас-
ход запчастей на 7.8% различных моделей автомобильной техники отечественно-
го производства.
558
Систематическое проведение с заводами отрасли исследований по повышению
ремонтопригодности (эксплуатационной технологичности) позволило снизить тру-
дозатраты на ТО и ТР всех перспективных автомобилей на 10...35%.
Испытания на коррозионную стойкость серийных и опытных образцов по защи-
щенной авторским свидетельством технологии позволили разработать и внедрить
на заводах отрасли мероприятия, на 30% в среднем повышающие способность ав-
томобилей противостоять агрессивному воздействию внешней среды.
По результатам длительных контрольных испытаний 100...110 образцов 50...55
серийных моделей автомобильной техники общим пробегом 2. .2,5 млн.км на авто-
полигоне совместно с заводами отрасли ежегодно разрабатывалось и внедрялось
350. ..400 конструктивных и технологических усовершенствований, направленных на
повышение качества продукции.
За 80-е годы по новой технологии полигонных испытаний и исследований с
оценкой уровня оптимизации конструкции при форсированных нагружениях осуще-
ствлены проверка и доводка 40 различных образцов автомобильной техники с
уменьшением материалоемкости от 40 до 500 кг на один образец.
Экономия топливно-энергетических ресурсов и снижение токсичности от-
работавших газов. Только за период 1976-1983 гг. были разработаны и внедрены
два государственных стандарта, пять руководящих документов на методы ком-
плексного исследования и оптимизации топливно-скоростных свойств, а также
межотраслевая методика определения базисных расходов топлива. Базисные рас-
ходы являются основой для оперативного изменения линейных норм в эксплуата-
ции при внедрении в промышленности мероприятий, повышающих экономичность
автомобилей.
За указанный период проведено около 2500 машиноиспытаний. по результатам
которых разработаны и внедрены мероприяшя, снижающие расходы топлива авто-
мобилями.
Так. при доводке конструкции новых моделей автомобилей семейств КамАЗ,
МАЗ, ЛАЗ были разработаны и внедрены рекомендации по оптимизации мощно-
сти, параметров трансмиссии и характеристик шин, позволившие снизить расходы
топлива на 10 .15%.
Другим примером результативности разрабатываемых на автополигоне реко-
мендаций могут служить приведенные ниже данные по экономии топлива за счет
оптимизации передаточных чисел трансмиссии, принятые по результатам испыта-
ний и исследований (табл. 10.5).
20 нормативных документов в области оценки токсичности и дымностей автомо-
билей и мотоциклов, разработанных, опираясь на результаты полигонных испыта-
ний совместно с предприятиями отрасли, легли в основу системы контроля токсич-
ности транспортных средств отечественного и зарубежного производства. Внедре-
но более 50 конструктивных и технологических усовершенствований, позволивших
снизить вредные выбросы автомобилями в среднем в 1,5 раза.
В частности, на автополигоне исследовано влияния схемы системы вентиляции
картера (СВК) двигателя на выброс с отработавшими газами вредных веществ, в
том числе ненормируемого. но крайне опасного канцерогенного бензапирена. Бы-
ла определена ошибочность существовавшего в то время в автомобильной про-
мышленности США подхода к выбору схемы СВК, не учитывавшего влияния кар-
терных газов на состав смеси и наличия в них большого количества паров и капель
масла. Разработанные в результате исследований и испытаний требования к СВК и
рекомендации по выбору их оптимальных схем внедрены на производстве автомо-
559
билей и двигателей АЗЛК, ЗМЗ, ВАЗ, что обеспечило отечественным автомобилям
лучшие по сравнению с рядом зарубежных моделей экологические и экономиче-
ские показатели, в том числе меньший в 10 раз выброс бензапирена. Правиль-
ность выбранных решений подтверждена результатами дальнейших исследований
в Великобритании и Нидерландах.
Таблица 10.5
Модель АТС Передаточное число Экономия топлива, %
на представленном образце внедренное по рекомендации
МАЗ-64221 6,72 5,88 8,0...10,0
МАЗ-6422 6,33 5,88 6,0-8,0
КамАЗ-5320 7,22 6,53 3.0...5.0
КамАЗ-5311 6,53 5,94 3,5...4,5
КрАЗ-6504 1,07 0,986 6,0...8.0
ЛАЗ-695 7,52 6,98 3,0...5,0
ЛиАЗ-677 7,56 6,98 3,0-5,0
М-2140 4,2 3,9 3,0...5,0
ВАЗ-2105 4,3 4,1 2,0-4,0
ЕрАЗ-37305 5,386 4,8 4.0...6,0
УАЗ-469 (кар- бюраторный) 5,38 4,55 7,0...8.0
Повышение активной и пассивной безопасности. Центральный автополигон
- единственная в стране организация, оснащенная современным испытательным
оборудованием и технологией проведения всего комплекса испытаний на активную
и пассивную безопасность по отечественным стандартам, международным Прави-
лам ЕЭК, ООН, ИСО, Директивам Европейского общего рынка и национальным
стандартам стран — импортеров автомобилей
Только совместно с АвтоВАЗ автополигоном проведено более 150 полномас-
штабных испытаний автомобилей на различные виды столкновений, разработано и
внедрено в производство более 350 усовершенствований конструкций.
Доводка специализированного автотранспорта. Особенно в широких мас-
штабах технология ускоренных полигонных испытаний использовалась в 1982-1983
гг. при доводке в исключительно короткие сроки около 70 моделей специализиро-
ванного автотранспорта для сельского хозяйства в том числе:
- транспортно-технологических автопоездов Горьковского, Уральского и Кутаис-
ского автозаводов
- полуприцепов-цистерн для перевозки жидких комплексных удобрений, а также
полуприцепов-контейнеров для перевозки незатаренных минеральных удобрений;
- одно- и двухъярусных полуприцепов для перевозки скота вместимостью
100. 125 и 160.. 230 голов;
- авторефрежераторов грузоподъемностью 11,5 и 22 т, а также спецавтомоби-
лей с изотермическими кузовами для перевозки сельскохозяйственных продуктов;
560
- автоцистерн для перевозки воды на пастбища а также автоцистерн с запра-
вочным агрегатом для механизированной заправки сельскохозяйственных машин
всеми видами нефтепродуктов и спецжидкостей;
аг- 3
- тракторных прицепов с емкостью кузова 45 м
- пассажирских транспортных средств для обслуживания механизаторов, поле-
водов и животноводов.
Испытания автомобилей в условиях Крайнего Севера. Постоянной потребно-
стью России является расширение выпуска северных модификаций автомобилей,
приспособленных для работы при температурах окружающего воздуха до -60°С.
Для обеспечения особо сложного этапа создания автомобилей для севера - их
натурных испытаний - разработана специальная технология испытаний и создана
Северная испытательная станция (ныне филиал НИЦИАМТ). За двухлетний период
на Северной станции проведены доводочные и приемочные испытания 12 моделей
АТС. По их результатам разработаны и внедрены конструктивные изменения для
повышения надежности и безотказности северных модификаций автомобилей,
улучшения комфорта работы водителей. Особую значимость имеют проведенные в
1983 г. испытания по доводке и приспособленности к серийным дизельным авто-
мобилям ЗИЛ, КрАЗ, МАЗ, КамАЗ и “Урал" автономного автоматического подогре-
вателя, обеспечивающего оптимальный тепловой режим в кабине водителя при
возможной остановке двигателя, при длительных перерывах движения, на открытых
стоянках и, как следствие, экономию топлива в 2...6 раз в зависимости от режима
работы подогревателя, а также экономию моторесурса двигателей.
Сертификация автомобильной техники. Технология сертификационных поли-
гонных испытаний на автополигоне построена на основании международных пред-
писаний еще на стадии их проектов с опережением официального введения пред-
писаний в потенциальных странах-импортерах отечественной автомобильной тех-
ники. Например, методы испытаний легковых автомобилей на фронтальное столк-
новение, удар сзади, пожарную безопасность разработаны на автополигоне и вне-
дрены в промышленности на несколько лет раньше их утверждения в соответст-
вующих Правилах ЕЭК ООН.
Внедрение сертификационных испытаний на автополигоне, планомерная и целе-
направленная работа по разработке международных предписаний и опережающему
освоению их совместно с заводами отрасли в производстве способствовали росту
экспорта отечественной автомобильной техники Так, экспорт легковых автомоби-
лей увеличился за период 1975-1982 гг. в 2,0 раза. За этот же период экспорт
грузовых автомобилей вырос в 1,4 раза.
Функциональная и экономическая эффективность технологии полигонных
испытаний. Всесторонние ускоренные испытания на автополигоне обеспечивают
оценку более 45 эксплуатационных свойств, включая надежность в пределах задан-
ного ресурса как наиболее ответственного свойства АТС, в течение 6... 12 месяцев
против 5. .8 лет, затрачивавшихся на испытания в эксплуатационных условиях. Это
позволило сократить общие сроки доводки автомобильной техники перед поста-
новкой на серийное производство с 6...8 до 2.. 4 лет
По результатам полигонных испытаний ежегодно осуществлялась ускоренная
доводка и контроль качества около 700 образцов новой и серийной автомобильной
техники общим пробегом в равноценных условиях эксплуатации около 25 млн.км
(по состоянию на конец 80-х годов).
В результате внедрения прогрессивной технологии испытаний и создания со-
временной материальной базы Центральный научно-исследовательский автомо-
561
Сильный полигон стал методическим центром испытательной работы в отрасли и
экспериментально-исследовательской базой совместных работ с научно-иссле-
довательскими учреждениями смежных отраслей промышленности и высших
учебных заведений автомобильного направления, а также комплексным центром
экспериментальных исследований автомобильной техники для ряда иностранных
производителей.
Прямой годовой экономический эффект в народном хозяйстве от внедренных
разработок по результатам полигонных испытаний и исследований, например, в
80-е годы составил 50 млн. руб. Общий учтенный годовой экономический эффект
от производства и использования автомобильной техники, конструктивно дорабо-
танной по результатам испытаний на автополигоне и освоенной производством,
составил около 450 млн.руб. (в ценах 80-х годов).
Экономическая эффективность использования технологии полигонных испыта-
ний в ряде случаев не может быть исчислена (испытания на стадии научных поис-
ков, исследования новых свойств, обобщение и анализ данных и т.п.). Однако та-
кое применение полигонных испытаний может исключить или снизить огромные
потери, которые стали бы неизбежными при массовом выпуске недостаточно про-
веренных в натурных испытаниях транспортных средств
Развитая технология достоверных полигонных испытаний - основная гарантия
безопасности, экологичности и предотвращения угрозы жизни, здоровью и имуще-
ству не только пользователей автомобильной техники, но и всех участников дорож-
ного движения.
В заключение нужно подчеркнуть, что в технологии полигонных испытаний авто-
мобильной техники заложены предпосылки эффективного управления качеством
производства.
Ее развитие и совершенствование на располагаемых теоретических основах,
технических средствах, накопленном опыте создают условия количественной оцен-
ки фактического качества выпускаемой автомобильной техники, что при переходе к
рыночной системе хозяйствования является решающим средством преодоления
дезорганизующих экономику непредсказуемых разрывов между затратами произ-
водства и ценовыми показателями продукции в автомобилестроении.
Технология испытаний, направленная на эффективное использование достиже-
ний технического прогресса с целью повышения качества предоставляемой потре-
бителям автомобильной техники, становится все более ответственной частью про-
цесса экономического подъема отечественной автомобильной промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автомобильные транспортные средства. Великанов Д.П., Бернацкий В.И., Ни-
фонтов Б.Н., Плеханов И.П. / Под ред. Д.П. Великанова. - М.: Транспорт, 1977. -
326 с.
2. Ануфриев В.А., Безверхий С.Ф., Кугенев В.Ф. Отраслевая система испытаний ав-
томобильной техники // Автомобильная промышленность. - 1980. - № 9. - С. 1-4.
3. Ануфриев В.А., Осепчугов В.В., Кисин В.А. Исследование рабочих режимов авто-
мобилей и разработка методики полигонных испытаний, имитирующих условия го-
родской эксплуатации // Сб. науч.тр. всесоюзного семинара “Методы дорожно-по-
лигонных испытаний и вопросы оценки качества автомобилей". - М.: НАМИ, 1975.
- С. 71-78.
4. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. - М.: Машиностроение, 1980. - 270 с.
5. Балабин И.В., Балабин О.И. Работа шин в режиме поворота автомобиля // Авто-
мобильная промышленность. - 1991. - № 6. - С. 12-14.
6. Балабин И.В., Куров Б.А., Лаптев С.А. Испытания автомобилей. - М.: Машино-
строение, 1988. - 192 с.
7. Безверхий С.Ф., Диденко М.Н., Яценко Н.Н. Новые методы планирования испы-
таний автомобильных трансмиссий на автополигоне. - М.: НИИНавтопром, 1977. -
61 с.
8. Безверхий С.Ф., Кирпичников А.А., Кузьмин А.М. Научно-методические основы
отработки конструкций АТС при испытаниях на эксплуатационную технологичность:
Полигонные испытания, исследования и совершенствование автомобилей // Сб.
науч. тр. НАМИ. - 1989. - С. 51-65
9. Безверхий А.С., Галустян Р.Г., Корнеев С.Н. Зависимость результатов испытаний
обтекаемости автомобиля от конструкции аэродинамической трубы // Автомобиль-
ная промышленность. - 1992. - № 3. - С. 11-14.
10. Бендат Дж., Пирсон А. Измерение и анализ случайных процессов. - М.: Мир,
1971. - 408 с.
11. Берукштис Т.К., Кларк Т.Б. Коррозийная устойчивость металлов и металличе-
ских покрытий в атмосферных условиях. - М.: Химия, 1978. - 208 с.
12. Бойцов Б.В. Прогнозирование долговечности напряженных конструкций. - М.:
Машиностроение, 1985. - 231 с.
13. Буянов Е.В. Способ и устройство для определения координат центра масс из-
делий // Измерительная техника. - 1992. - № 8. - С.27-29.
14. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей. - М.: Ра-
дио и связь, 1983. - 416 с.
15. Высоцкий М.С. Автомобили и автопоезда МАЗ сегодня и завтра // Автомобиль-
ная промышленность. - 1994. - № 4.
563
16. Гусев А С. Сопротивление усталости и живучесть конструкции при случайных
нагрузках. - М Машиностроение. 1989. - 245 с
17 Гришин В.Ф , Рубцов С.В О системе сертификации механических транспортных
средств и прицепов // Стандарты и качество. - 1992. - № 8. - С. 14-16.
18. Дженкинс Т., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1972
(Вып. 1 - 216 с. Вып. 2 - 287 с.).
19 Дмитриченко С.С., Лозовский Н.Т. Расчет на прочность кабин мобильных ма
шин // Тракторы и сельхозмашины - 1990. - № 2. - С.30-31.
20. Дейт К Введение в системы баз данных. - М.: Наука, 1980. - 464 с.
21. Зарайский А.И. Оценка деформаций и оптимизация нагружения при комплекс-
ных форсированных испытаниях рам и рессор трехосных автомобилей на специ-
альных дорогах' Полигонные испытания, исследования и совершенствование авто-
мобилей Ц Сб. науч тр. НАМИ - 1984 - С.57-69.
22. Индикт Е.А., Кривенко Е.И., Покалюк В.Г Оценка и нормирование эксплуата-
ционной надежности АТС // Автомобильная промышленность. - 1989 - №3. -
С. 22-24.
23 Испытания автомобилей / Цимбалин В.Б.. Кравец В.Н.. Кудрявцев С.М., Успен-
ский И.Н.. Песков В.И - М.: Машиностроение, 1978 - 199 с.
24. Клименко А.П Методы и приборы для измерения концентрации пыли. - М.. Хи-
мия, 1978 - 208 с.
25. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени -
М.: Машиностроение. 1977. - 232 с.
26 Колесников К С. Автоколебания управляемых колес автомобиля. - М.: ТИТТЛ
1955. - 238 с.
27. Конструирование и расчет колесных машин высокой проходимости / Бочаров
Н.Ф., Цитович И.С., Полунгян А.А., Семенов В.М., Цибин В.С., Жиглов Л.Ф.; Под
общ. ред. Н.ф Бочарова. И.С. Цитовича - М.: Машиностроение. 1983. - 299 с.
28 Коровкин И А Токарев А.А. Шмидт А. Г. О государственном регулировании то-
пливной экономичности АТС // Автомобильная промышленность. - 1982. - № 8 -
С 1-2.
29. Крамаренко Г.В. Техническое обслуживание автомобилей. - М.: Транспорт,
1982. - 368 с.
30 Кугель Р.В. Испытания на надежность машин и их элементов - М.: Машино-
строение, 1982. - 181 с.
31. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств -
М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.
32. Луканин В Н Гудцов В.Н., Бочаров Н.ф. Снижение шума автомобиля. - М.: Ма-
шиностроение, 1981 - 192 с.
564
33. Лаптев С.А. Комплексная система испытаний автомобилей. М.: Издательство
стандартов, 1991. - 172 с.
34. Кутенев В.Ф Кисуленко Б.В., Гируцкий ОН., Таболин В.В Дорожное законода-
тельство в Японии и концепция нормативно-правового обеспечения экологически
чистого транспорта в стране // Стандарты и качество. - 1992. - № 2. - С.21-24.
35. Лукинский В.С., Зайцев Е.И. Прогнозирование надежности автомобилей. - Л.:
Политехника, 1991. - 224 с.
36. Морозов В П. Автомобильная промышленность в современных условиях // Ав-
томобильная промышленность. - 1994. - № 4. - С. 1-3.
37. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая проч-
ность металлов. Изд. 4-е. - М.: Машгиз, 1962. - 260 с.
38. Пархиловский И.Г. Автомобильные листовые рессоры. - М : Машиностроение,
1978. - 232 с
39. Петрушов В.А., Шуклин С.А., Московкин В.В. Сопротивление качению автомо-
билей и автопоездов. - М.: Машиностроение, 1975. - 225 с.
40. Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. Снижение затрат мощности на преодоление со-
противления качению // Автомобильная промышленность. - 1987. - № 5. - С. 15-17.
41 Платонов В Ф. Полноприводные автомобили. - М.: Машиностроение, 1989 -
312 с.
42. Положение о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава авто-
мобильного транспорта. - М.: Транспорт, 1972. - 57 с.
43. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник / Под общ. ред. Гриш-
кевича А.И. - М.: Машиностроение. 1984. - 272 с
44. Прочность и долговечность автомобиля / Гольд Б.В.. Оболенский Е.П., Стефа-
нович Ю.Г., Трофимов О.Ф., под ред. Б.В. Гольда - М.: Машиностроение. 1974. -
328 с.
45. Пугин Н А. Отрасль - труженикам сельского хозяйства // Автомобильная про-
мышленность. - 1989. - № 7. - С. 1-3.
46. Работа автомобильной шины / Кнороз В.И., Кленников Е.В., Петров И.П., Шелу-
хин А.С., Юрьев Ю.М.; под ред. Кнороза В.И. - М.: Транспорт, 1978. - 238 с.
47. Расчет эксплуатационных параметров движения автомобиля и автопоезда / Ха-
чатуров А А., Афанасьев В.Л., Васильев В.С.. Жигарев В.П., Кольцов В.И. и др -
М Транспорт 1982. - 264 с.
48 Резниченко В.А., Петушков В.В., Благодарный Ю.Ф., Енаев А.А. Кузьмина Л.В ,
Яценко Н.М Новое оборудование и теоретические основы стендовых испытаний
трансмиссий на полнокомплектных автомобилях: Сертификационные испытания,
исследования и совершенствование автомобилей и двигателей // Сб науч. тр. НА-
МИ. - 1994. - С. 10-30.
565
49. Ресурсные испытания грузовых автомобилей на автополигоне / Яценко Н.Н
Бурдасов Е.И., Розов Р.А., Безверхий С.Ф., Петровский Д.В., Шалдыкин В.П.; под
ред. Н.Н Яценко - М.: НИИНавтопром, 1974 (4.1 - 104 с. Н.Н - 86 с.).
50. Ротенберг Р.В. Основы надежности системы Водитель - автомобиль - дорога -
среда. - М.: Машиностроение, 1986. - 216 с.
51. Рябчинский А.И. Система обеспечения пассивной безопасности автотранспорт-
ных средств: Полигонные испытания, исследования и совершенствование автомо-
билей Ц Сб. науч. тр. НАМИ. - 1985. - С.23-35.
52. Сальников В.И., Барашков А.А., Петров В.М., Никульников В.М. Развитие тор-
мозных систем на современном этапе: Сертификационные испытания, исследова-
ния и совершенствование автомобилей и двигателей // Сб. науч. тр. НАМИ. - 1994.
- С.84-92.
53. Стрюков И.Л., Анахин А.А. Эффективность доводочных испытаний легковых ав-
томобилей И Автомобильная промышленность, - 1989. - № 1. - С.4-6
54. Таболин В.В. Автополигон НАМИ: 25 лет труда и поиска // Автомобильная про-
мышленность. - 1989. - № 7. - С. 3-5.
55. Тавер Е.И. Стандартизация методов испытаний // Сб. “Сертификация", вып.
2’90. - М.: ВНИИКИ, 1990. - С.24-33.
56. Теория вероятностей и математическая статистика / Колемаев В.А., Старове-
ров О.В., Турундаевский В.Б.; под ред. В.А. Колемаева - М.: Высшая школа, 1991.
- 400 с.
57 Титков А.И. Развитие конструкций автотранспортных средств и повышение их
прочности и надежности: Четвертое всесоюзное совещание “Динамика и прочность
автомобиля” /Тезисы докладов: РАН - НАМИ, 1990. - С. 151-154.
58. Устименко В.С. Основы нормирования уровня нагружения испытываемых об-
разцов техники и корректировки технологии их испытаний в зависимости от изме-
нения дорожно-грунтовых и метеорологических условий. - 21 НИИИ (АТ) МО РФ;
научно-технический сборник. - 1994. — № 2. - С. 11-16.
59. Фишбейн Ф.И. Методы планирования испытаний для контроля показателей на-
дежности. - М.: Знание, 1976. - 51 с.
60. Фотин Р.К Методы экспериментального исследования и оценки безопасности
легковых автомобилей при фронтальном столкновении // Автореферат канд. дис. -
М.. МАДИ. 1975. - 28 с.
61. Шалдыкин В.П. Разработка теоретических основ и практических методов поли-
гонных испытаний автомобильной техники серийного производства // Автореферат
д-р техн, наук - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. - 82 с.
62. Шупляков В.С. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля. - М.:
Транспорт, 1974. - 328 с.
566
63. Элементы теории испытаний и контроля технических систем. Городецкий В.И.,
Дмитриев А.К., Марков В.М. и др. / Под ред. Юсупова Р.М. - Л.: Энергия, 1978. -
192 с.
64. Яценко Н.Н., Шалдыкин В.П. Теоретические основы и практические методы
оценки достоверности результатов полигонных испытаний автомобилей с исполь-
зованием банка данных // Труды НАМИ. - М., 1991. - 81-103 с.
65. Яценко Н.Н. Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых авто-
мобилей. - М.: Машиностроение, 1984.
66. Яценко Н.Н., Антипцев В.П., Енаев А.А., Шалдыкин В.П. Колебания и перегрузки
шасси автомобиля при торможении на неровной дороге. Полигонные испытания,
исследования и совершенствование автомобилей // Сб. науч. тр. НАМИ, 1984. -
С.70-93.
Научное издание
Безверхий Сергей Федорович
Яценко Николай Никанорович
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
И СЕРТИФИКАЦИЯ
АВТОМОБИЛЕЙ
РЕДАКТОРЫ
Т.Н. Шумская
Т.А.Киселева
Н.А.Аргунова
Н.Н. Кузьмина
ХУДОЖНИК
В.И.Терещенко
СПЕЦ. РЕДАКТОР
Н.Н. Алексеева
КОРРЕКТОРЫ
А.С.Черноусова
В.С.Черная
Изд. лиц. № 021007 от 10.08.95.
Сдано в набор 07.12.95.
Подписано в печать 24.06.96.
Формат 60 х 90/16
Бумага офсетная, ScanMatt
Гарнитура «Прагматика»
Печать офсетная
Усл.печ.л. 35,5. Уч.-изд.л. 40,7
Тираж 1500 экз.
Изд. № 1259/7. С 3539
ИПК Издательство стандартов
107076 Москва,
Колодезный пер., 14
Printed in Finland