УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СПОСОБ ДОРОЖНЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
UNIVERSAL METHOD FOR VEHICLE RELIABILITY ROAD TESTS

Универсальный способ относится к испытаниям транспортных средств (ТС) и касается ускорения и форсировки испытаний колесных транспортных средств избирательно по основным агрегатам для универсальной оценки надежности ТС в целом путем воспроизведения (эксплуатационного моделирования) объема воздействия стандартных испытательных дорог на испытываемый образец в акцентированных режимах комплексного нагружения: частотного воздействия в широком диапазоне с применением искусственных сооружений разного профиля, циклической знакопеременной нагрузки при разгоне и торможении раздельно на дорогах с твердым покрытием и грунтовой дороге удовлетворительного состояния и нормированного воздействия разбитой в сухом или замерзшем состояниях и размокшей грунтовых дорог, при которых у автомобиля возникают дефекты деталей.
Известен способ дорожных полигонных испытаний на надежность (безотказность) полноприводных автомобилей, заключающихся в перемещении испытываемого автомобиля по опорной поверхности стандартных видов дорог (п. 30 [1]), по результатам воздействия которых возникают дефекты отдельных деталей в двух основных проявлениях: усталостных повреждений при циклической знакопеременной нагрузке и износов при трибологическом воздействии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении [2] с распределением пробега [1] по видам дорог [3]:
- асфальтобетонные (А) - 20%;
- булыжные дороги равного замощения (Б) - 30%;
- грунтовые дороги:
у
- удовлетворительного состояния (Г) - 30%;
р
- разбитые в сухом или замерзшем состоянии (Г) -10%;
- размокшие в весеннюю распутицу (М) - 10%,
в заданном объеме (не менее 30 тыс.км), что вызывает объективную необходимость сокращения объема и времени испытаний.
Известен способ дорожных испытаний на надежность транспортных средств [4], заключающийся в перемещении ТС по опорной поверхности в неустановившемся режиме движения, определенном профилем и несущей способностью опорной поверхности стандартных испытательных дорог. При этом двигатель и агрегаты трансмиссии форсировано нагружают положительным крутящим моментом от двигателя в режиме полуцикла разгона на каждой передаче и отрицательным в тормозном режиме двигателя при отключении подачи топлива до момента снижения частоты вращения вала двигателя до величины, соответствующей максимальному крутящему моменту.
Способ обеспечивает ускорение и форсировку испытаний только моторно-трансмиссионной установки ТС.
Наиболее близким к предлагаемому способу являются дорожные форсированные испытания полноприводных автомобилей по перечню указанных дорог (приложение 1 [1]), включающих дороги с усовершенствованным покрытием, дороги с переходным покрытием и дороги с низшими покрытиями, без покрытий и местность без обоснования норм пробега и характеристик профиля испытательных дорог.
у
р
Задачей изобретения является разработка универсального способа по ускорению и форсировке испытаний на надежность основных агрегатов транспортного средства путем воспроизведения воздействия указанных стандартных испытательных дорог: на дорогах с заданным профилем и увеличенной частотой воздействия, в специальных режимах на асфальтобетонной дороге (А-дороге) и грунтовой дороге удовлетворительного состояния (Г-дороге) и в режиме нормированного воздействия на разбитой (Г-дороге) и размокшей (М-дороге) грунтовых дорогах с определением объема пробега по ним, эквивалентного по уровню нагружения на стандартных дорогах, с регистрацией механических напряжений на базовых деталях основных агрегатов ТС, их анализом и оценкой по показателям накопления усталостных повреждений и трибологических воздействий.
Поставленная задача достигается тем, что:
1) на дорогах с заданными профилем и частотой воздействия транспортное средство перемещают по каждой j-й опорной поверхности в ведущем режиме:
- на клиновых холмах с противоположным их размещением при сверхнизкочастотном (0,3-0,4) Гц периодическом знакопеременном нагружении несущих систем с повышенной амплитудой кручения рамы вдоль ее оси при максимальной амплитуде воздействия, равной 0,6 м;
- на участке прямых волн синусоидального профиля с длиной волны 2, 3 и 4 м и высотой 0,07 м при периодическом знакопеременном нагружении узлов и агрегатов в области низкочастотного резонанса перемещений подрессоренной массы (1,25-2,5) Гц;
- на косоволновом участке синпрофиля с длиной волны 1,25 м и высотой 0,07 м с левым, правым и V-образным направлением неровностей под углом 45° к оси дороги при периодическом знакопеременном нагружении узлов и агрегатов в межрезонансной зоне перемещений подрессоренной массы ТС (6-10) Гц;
- на крупнобулыжном участке со средней высотой выступающей части булыжника (8±4) см при случайном характере нагружения ходовой части и элементов крепления с возбуждением колебаний неподрессоренных масс в области высоко частотного резонанса (12-20) Гц и в зарезонансной зоне до 90 Гц.
Реализация указанных режимов перемещения ТС в системе «автомобиль - опорная поверхность» обеспечивает знакопеременные нагрузки несущих систем ТС: корпусов, рам, кузовов, кабин, балок мостов, рессор, амортизаторов, элементов крепления и др. в диапазоне частот (0,3-20) Гц с наибольшими амплитудами нагружения и частостью воздействия с проявлением повреждений усталостного характера;
у
2) в специальном режиме ТС перемещают по опорной поверхности в ведущем неустановившемся режиме, определенном профилем А-дороги и несущей способностью Г-дороги, при этом:
- на А-дороге движение начинают с разгона ТС при полной подаче топлива до момента достижения номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя (ЧВД) пном, соответствующей его максимальной мощности.
A
При отключении подачи топлива двигатель автоматически переводят на режим торможения с одновременным снижением частоты вала двигателя и скорости движения, темпы которых определяются насосными потерями в двигателе и величиной коэффициента категории дорог ψ в границах 0,028-0,055 (табл. 1 [3]).
мmax
ном
При снижении ЧВД до величины, соответствующей максимальному крутящему моменту n, включают следующую, более высокую по кинематическому ряду, передачу в трансмиссии с последующим, при полной подаче топлива, разгоном автомобиля до момента достижения n.
max
Далее испытания в режиме разгона проводят указанными ступенями до момента достижения максимальной скорости Vна высшей передаче.
В последующем испытания проводят указанными ступенями, но в обратной последовательности до остановки ТС с использованием тормозов со скорости 10 км/ч;
у
ном
Гу
Гу
- на Г-дороге движение начинают с 1-й передачи, а разгон выполняют так же, как на А-дороге, при полной подаче топлива до момента достижения n с некоторым отличиями: максимальная скорость и номер наивысшей передачи в трансмиссии определяются мощностью двигателя, величиной вертикальных виброускорений на рабочем месте водителя, величиной ψ в границах 0,05-0,09 (табл. 1 [3]) и увеличенным по времени полуциклом на режиме разгона и уменьшением его в режиме торможения, определяемом ψ.
Реализация указанных циклов перемещения ТС обеспечивает знакопеременные нагрузки всех взаимодействующих деталей двигателя и трансмиссии с проявлением повреждений усталостного характера и трибологического воздействия (повышенных темпов износа);
Гу
М
Гр
М
3) в режиме нормированного воздействия грунтовых дорог: Гр-дороги со средним значением ψ=0,14 и М-дороги с ψ=0,24 [3] и соответствующими средними значениями скорости движения ТС V=26,3 км/ч и V=18,8 км/ч [5] транспортное средство перемещают в ведущем неустановившемся режиме, определенном профилем Гр-дороги и несущей способностью М-дороги, при этом:
р
- на Г-дороге в сухом или замерзшем состоянии неровностей в виде колеи, выбоин, выступов и др., формируемых случайным образом в широком диапазоне их длин от 0,3 до 25 м, ТС перемещают в условиях широкополосного вибрационного воздействия с максимально возможной скоростью движения, ограничиваемой вибрацией на рабочем месте водителя, сопровождающееся в ходе движения ТС появлением повреждений усталостного характера;
М
- на М-дороге в размокшем состоянии в период весенней или осенней распутицы ТС перемещают в условиях повышенных сопротивления движению со значением ψ в диапазоне 0,18-0,30, нагрузок на детали трансмиссии и температурного режима работы двигателя с появлением повреждений преимущественно трибологического характера.
j
При изменчивости и нестабильности грунтовых дорог в процессе испытаний ТС возможно отклонение указанных нормативов по скорости, которое устраняют приведением к их значениям через показатель t и ψ [5].
j
j
Реализация нормированного воздействия грунтовых дорог через показатели категории дорог ψ и скорость движения V обеспечивает воспроизводимость результатов испытаний ТС по безотказности и их достоверность в заданных границах по дорожным условиями и режимам перемещения ТС.
Расчет нормативов пробега ТС по указанным участкам специального профиля неровностей и видам дорог выполняется через регистрацию механических напряжений методом тензометрирования в базовых деталях основных агрегатов, их обработку, анализ и представление в виде показателя накопления усталостных повреждений в известной системе линейных уравнений (например, на стр. 366-368 [6]).
Сопоставительный анализ предложенного технического решения с известным показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ускорение и форсировка испытаний ТС на надежность достигается путем воспроизведения воздействия стандартных испытательных дорог в акцентированных режимах:
1) циклического знакопеременного нагружения несущих систем и агрегатов ТС с наибольшей амплитудой, не превышающей ее максимального значения для режима нормальных испытаний, чтобы исключить появление нехарактерных дефектов для этого режима, и увеличенной частостью их приложения в частотных диапазонах:
- сверхнизкочастотном (0,3-0,4) Гц с кручением рамы вдоль оси ТС на клиновых холмах;
- в области низкочастотного резонанса колебаний подрессоренной массы на прямых волнах синусоидального профиля (1,25-2,5) Гц;
- в межрезонансной зоне перемещения подрессоренной массы ТС на косоволновом участке синпрофиля (6-10) Гц;
- в области высокочастотного резонанса колебаний неподрессоренных масс (балок мостов, колес и др.) в диапазоне частот (12-20) Гц;
у
2) форсированного разгона ТС в 1-ом полуцикле при полной подаче топлива до достижения им возможной максимальной скорости на каждой передаче на А-дороге и Г-дороге с промежуточным торможением ТС двигателем на каждой передаче до снижения частоты вращения вала двигателя, соответствующей максимальному крутящему моменту, и во 2-ом полуцикле - торможения двигателем с переходом последовательно с высшей передачи на низшую вплоть до 1-ой передачи и остановкой образца с использованием его тормозной системы со скоростью 10 км/ч. При этом форсировке нагружения подвергается двигатель и агрегаты трансмиссии с воспроизведением воздействия посредством количества циклов нагружения, а ускорение - частотой смены циклов;
р
Гр
М
Гр
М
j
3) нормированного воздействия грунтовых (Г и М) дорог со значением ψ = 0,14 и ψ=0,24 и средних скоростей движения V=28,3 км/ч и V=18,8 км/ч в широком диапазоне случайных длин неровностей от 0,3 до 25 м с частотой воздействия (0,2-24) Гц и климатических факторов внешней среды в весеннюю распутицу, а при отклонении заданных нормативов по скорости в процессе испытаний -их приведением через показатель t и ψ.
Использование разнообразных форм нагружения ТС с помощью искусственных сооружений с избирательным их воздействием в комплексе со специальными режимами и нормированным воздействием во всем диапазоне рабочих частот, в том числе резонансных, в границах максимально допустимого уровня нагружения ТС, обеспечивает его надежную проверку на циклическую прочность и трибологическую стойкость.
На основании этого заявленный способ соответствует критерию изобретения «новизна».
Совокупность последовательных операций, при воспроизведении уровня нагружения нормальных испытаний, в режиме их форсировки и ускорения при перемещении ТС по опорной поверхности разного профиля спецучастков в акцентированных режимах:
- циклического знакопеременного нагружения с наибольшей амплитудой напряжений в несущих конструкциях ТС в границах максимально допустимого их уровня и увеличенной частостью их приложения во всем рабочем диапазоне частот, включая частоты при низко- и высокочастотном резонансах подрессоренных и неподрессоренных масс;
у
- интенсивного разгона ТС на А-дороге и Г-дороге раздельно в первом полуцикле при полной подаче топлива до достижения им возможной максимальной скорости на каждой передаче вплоть до высшей с промежуточным торможением двигателем до частоты, соответствующей максимальному крутящему моменту, с последующим, во втором полуцикле, торможением двигателем на каждой передаче с переключением на частоте вала двигателя, также соответствующей максимальному крутящему моменту, вплоть до остановки ТС;
р
Гр
М
Гр
М
j
- передвижения ТС по Г- и М-дорогам в режиме нормированного на него воздействия, соответствующего значениям показателя дороги ψ=0,14; ψ=0,24 и средней скорости движения V - 26,3 км/ч и V=18,8 км/ч, а при отклонении в процессе пробеговых испытаний от заданных нормативов - их приведением к указанным значениям через показатель t и ψ,
позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию «изобретательский уровень».
При реализации предложенного способа форсировки и ускорения испытаний ТС в условиях комплекса спецучастков испытательных дорог, в конечном итоге, определяют числовые значения нормативного пробега в специальных режимах на каждом участке (дороге), эквивалентных по суммарному уровню нагружения ТС при нормальных испытаниях на стандартных видах дорог, по выражению:
0
где S - нормативный пробег для нормальных испытаний;
i
0
d - доля пробега от S i-й стандартной дороги;
n - число видов дорог при нормальных испытаниях;
ik
F - показатель накопления усталостных повреждений k-го элемента конструкции на i-й дороге, приведенный к 1 км;
i
M - показатель степени износа деталей двигателя и трансмиссии на i-x дорогах;
j
x - пробег по j-й дороге комплекса специальных участков и дорог, созданных для проведения ускоренных испытаний (с форсированным нагружением);
L - число видов специальных участков и дорог;
jk
F - показатель накопления усталостных повреждений k-го элемента конструкции на j-й дороге, приведенный к 1 км;
j
M - показатель степени износа деталей двигателя и трансмиссии на j-x дорогах;
PT
Р - показатель степени износа деталей двигателя и трансмиссии в режимах разгон-торможение (РТ) на i-x дорогах: асфальтобетонной и грунтовой дороге удовлетворительного состояния.
k
При этом показатель F определяется по выражению [6]:
а
где σ - амплитудное механическое напряжение в элементе конструкции;
z
N - число циклов перемен нагружения на заданном уровне;
m - показатель кривой усталости материала детали;
amin
аmax
z - число разрядов в диапазоне нагружения от σ до σ.
Показатель М, учитывающий степень износа сопряженных деталей через суммарную частоту (путь) их относительных перемещений и нагрузку, выраженные, в конечном итоге, параметрами режима движения через скоростные и топливные характеристики, определяется по выражению:
если принять
a
max
max
0
к
где коэффициент Т рассчитывается для конкретного образца ТС с заданными константами по: S - пробегу ТС, км; V - максимальной скорости, км/ч; Q - максимальному расходу топлива, л/100 км; i - передаточному отношению в главной передаче и r - радиусу качения колеса, м.
i
Программа испытаний ТС по определению исходных данных для расчета нормативных пробегов по спецучасткам и дорогам показана в табл. 1 на фиг. 1. В таблице через ψ' - указано значение показателя для движения ТС с прицепом в объеме 60% от пробега по i-й дороге при нормальных испытаниях и 100% по j-й дороге при ускоренных испытаниях.
В качестве базовых деталей основных агрегатов ТС для определения показателя накопления усталостных повреждений приняты: лонжерон рамы, рессора подвески, тяги рулевого управления, балка моста, реактивная штанга для регистрации реактивного момента в трансмиссии.
ik
i
PT
Далее составляется система линейных уравнений [6], в левой части которых указаны количественные значения пробегов по стандартным видам дорог и соответствующие им значения оцениваемых показателей F и М, а в правой части - значения указанных показателей и дополнительно Р на спецучастках и дорогах, а в качестве неизвестных записаны пробеги и их расчет по:
1
- x - крупнобулыжному участку;
2
- x - клиновым холмам;
3
- x - косоволновому участку синпрофиля;
4
- x - прямым волнам синусоидального профиля;
5
- x - разбитой грунтовой дороге;
6
- x - размокшей грунтовой дороге;
7
- x - асфальтированному шоссе в режиме РТ;
8
- x - грунтовой дороге удовлетворительного состояния в режиме РТ.
1
8
Расчетные значения пробегов x-x принимаются в качестве нормативных с метрологической оценкой их значений.
Для практической их реализации транспортное средство при полной его массе перемещают в ведущем установившемся режиме на спецучастках и крупнобулыжном участке и неустановившемся на грунтовых дорогах режиме движения по их j-й опорной поверхности в объеме заданного нормативного пробега в последовательности:
- кольцевого движения по спецучастку клиновых холмов с максимальной скоростью, равной 9,0 км/ч, на пределе пробоя подвески с переходом на 2-х полосный крупнобулыжный участок циклами в прямом и обратном направлениях движения со скоростью 30 км/ч в соотношении по их протяженности и скорости движения, как 1:3,3, при которых происходит смена частотного режима со сверхнизкого на высокочастотный при повышенных амплитудах воздействия неподрессоренных масс, значения которых не превышают максимальных при рядовой эксплуатации транспортных средств, но с увеличенной частостью их приложения, чем достигается ускоренная проверка (по полноте и эффективности) несущих систем на циклическую прочность. В случае отсутствия согласования нормативных пробегов по спецучасткам в указанном соотношении по их протяженности, оставшийся пробег выполняется на том или ином участке по той же технологии;
- передвижения по участку прямых волн синусоидального профиля на скорости 18 км/ч с частотой их воздействия от 1,25 до 2,5 Гц в области низкочастотного резонанса, обеспечивающего ускорение испытаний подрессоренной массы на вибрационную стойкость и по косоволновому участку синусоидального профиля с разным направлением неровностей с частотой воздействия (6-10) Гц для ускоренных испытаний рулевых управлений и их механизмов и деталей;
у
у
- последующего интенсивного разгона в первом полуцикле на А-дороге и Г-дороге раздельно, при полной подаче топлива до достижения им возможной максимальной скорости на каждой передаче вплоть до высшей с промежуточным торможением двигателем до частоты, соответствующей максимальному крутящему моменту, с последующим, во втором полуцикле, торможением двигателем на каждой передаче с переключением на частоте вала двигателя, так же соответствующей максимальному крутящему моменту, вплоть до остановки автомобиля со скорости 10 км/ч с помощью рабочих тормозов, обеспечивая тем самым ускорение и форсировку двигателя и агрегатов трансмиссии циклами в объеме расчетных значений по каждой дороге (А-дороге и Г-дороге);
р
Гр
М
Гр
М
j
Гр
Гр
Гр
М
Гp
М
- завершающего передвижения последовательно ТС на Г-дороге и М-дороге в режиме нормативного воздействия в дорожных условиях при Ψ=0,14 и Ψ=0,24 и средней скорости движения V=26,3 км/ч и V=18,8 км/ч, а при отклонении в процессе пробегов от заданных нормативов - их приведение к указанным значениям через показатель t и Ψ, где t - есть отношение среднего эксплуатационного расхода топлива ТС к его контрольному расходу топлива в л/100 км [5], при этом в 1-ом заезде устанавливается вид дороги [3] и фактическая средняя скорость движения, затем рассчитывается значение показателя t, через которое фактическое значение скорости V приводится по выражению  к средней скорости, соответствующей Ψ или Ψ, и устанавливается степень отклонения от заданных значений V и V для принятия решения о корректировке режима испытаний по дорожным условиям.
Этим достигается стабильность заданного уровня нагружения испытываемого ТС и оценка выявленной его безотказности по наработке пробега в км на отказ.
Способ ускорения и форсировки дорожных испытаний колесных ТС для оценки их надежности (безотказности, долговечности) путем воспроизведения всех форм внешнего воздействия стандартных испытательных дорог избирательно по основным агрегатам обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:
- динамическое воздействие на несущие системы и агрегаты ТС в широком диапазоне его частот от сверхнизких (0,3-0,4) Гц до высоких (90 Гц) частот с амплитудами напряжений на уровне максимальных, возникающих в реальных условиях эксплуатации, но с повышенной частостью их приложения, определяемой выбором геометрических параметров неровностей искусственных сооружений;
j
- ускорение и форсировка трибологических воздействий на сопряженные детали двигателя и трансмиссии при использовании режима форсированного разгона ТС и торможения двигателем на каждой передаче с частотой их смены в зависимости от Ψ-ой дороги;
- нормированного в заданных границах нагружения транспортного средства в условиях грунтовых дорог: разбитой и размокшей с универсальным их воздействием по циклической прочности и трибологической стойкости, обеспечивающих сокращение пробега и времени испытаний, при одновременном выполнении метрологических требований по точности, достоверности и воспроизводимости результатов испытаний по наработке в км на отказ.
Испытания ТС при всех формах внешнего воздействия, в зависимости от вида и цели испытаний, проводят как при любой, отдельно взятой форме акцентированного нагружения, так и при их различном сочетании, что придает способу универсальный характер для комплексной оценки надежности ТС.
Разработанный способ дорожных испытаний на надежность ТС при акцентировано выделенных формах внешнего его нагружения может быть так же использован при формировании инфраструктуры дорог испытательного полигона автомобильной техники.
Список использованных источников
1. РД 37.001.109-89. Инспекционные испытания автотранспортных средств. Программа и методы испытаний. - Введ. 1989-04-10. - М.: Минавтосельхозмаш, 1989 г.
2. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. - Киев: Издательство «Наукова думка», 1979 г. - 188 с.
3. ОСТ 37.001.520-96. Категории испытательных дорог. Параметры и методы их определения. - Введ. 1997-07-01. - М.: «Дорожный транспорт», ТК56, 1996 г.
4. RU Патент №2582319 С2 G01M 17/00 от 31.03.2016 г.
5. RU Патент №2662592 CI G01M 17/007 и G01S 11/00 от 26.07.2018 г.
6. Безверхий С.Ф. Основы технологии полигонных испытаний и сертификации автомобилей [Текст] / С.Ф. Безверхий, Н.Н. Яценко. - М.: ИПК издательство стандартов, 1996 г. - 600 с.