Тема 2. Экспериментальные исследования автомобилей и тракторов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ

Тема 1. Введение.

Периоды жизненного цикла транспортных машин (ТМ), как и других сложных технических систем, существенно отличаются условиями протекания и требованиями к свойствам объекта. В последовательном осуществлении этапов жизненного цикла изделия решаются специфические задачи, в основном определяемые необходимостью повышение качества, получения наиболее эффективных показателей работы, эксплуатационных, потребительских, экологических и других свойств изделия. Создание новых образцов ТМ, совершенствование существующих моделей требует соответствующей информации, получение которой невозможно без анализа технико-экономических и других показателей, и характеристик. Указанная информация повышает обоснованность принимаемых решений, но в силу определенных обстоятельств, они могут быть только более или менее приемлемыми, и далеко не всегда единственно правильными и оптимальными. При решении задач, определяемых спецификой протекания наиболее ответственных этапов - проектирования и подготовки производства, и наиболее длительного этапа – эксплуатации, необходимая информация должна содержать сведения о фактическом состоянии объекта, свойствах, проявляющихся в различных условиях эксплуатации, надежности, долговечности и другие показатели. Такая информация может быть получена только в результате аналитических или натурных исследований объекта, являющихся основополагающим фактором, позволяющим совершенствовать работу на каждом из указанных этапов. В стоимостном выражении, исследования, проводимые на этапах проектирования машины могут составлять до 70% всех затрат на создание образцов новой техники, но при этом обеспечивают эффективное решение поставленных задач.

Научное исследование является единственным методом познания объективной действительности, закономерностей и связей явлений реального мира. В процессе проектирования ТМ разработчики постоянно сталкиваются с необходимостью решения сложных научных, прикладных и технических задач, ранее не исследованных, или таких, методы решения которых, по ряду причин недоступны. Структура процесса научного исследования при решении задач прикладного характера обычно содержит ряд последовательно проводимых мероприятий. Постановка целей научного исследования, анализ теоретических и технических методов получения эффективных результатов в выбранном направлении, позволяет выдвинуть и сформулировать основные задачи исследования. На основании предполагаемых задач осуществляется выдвижение и обоснование первоначальных гипотез и причин установленного поведения объекта, и проводятся теоретические исследования, целью которых является создание адекватной теории, позволяющей прогнозировать факты и явления, относящиеся к исследуемой проблеме или техническому объекту. Аналитические методы научного исследования обеспечивают получение необходимых параметров и характеристик на ранней стадии проектирования машины в результате разработки расчетной (математической) модели. Исследование динамических процессов, сопровождающих работу машины, её агрегатов, узлов и систем выполняется с помощью различных математических методов. Математическое моделирование работы исследуемого объекта при выполнении определенных требований обеспечивает достаточно точную оценку основных технических параметров и характеристик машины и эффективно с учетом времени и средств, затраченных на получение необходимого результата. Указанные достоинства расчетных (аналитических) методов объясняют их широкое использование на стадии проектных работ. Современная вычислительная техника обеспечивает возможность моделирования различных режимов движения ТМ с учетом внешних возмущений, возникающих при движении по реальной опорной поверхности. Формирование нагрузочных режимов, подобных реально действующим, в процессе эксплуатации, возможно практически для любых агрегатов и систем ТМ. Определенным недостатком аналитических методов является некоторая степень формализации расчетных моделей, объясняемая желанием исследователей упростить процедуру вывода уравнений движения и получения конечных результатов. Процесс принятия предположений и допущений, относительно построения математической модели и характера внешних воздействий, требует от исследователей хорошей теоретической подготовки, высокой квалификации и особой осторожности в части принятия решения о способах линеаризации нелинейных характеристик машины или перехода от нелинейного объекта к линейной модели. Практически любое аналитическое исследование имеет дело с упрощенным представлением структуры моделируемого объекта и/или воздействием на него в процессе эксплуатации. Это обстоятельство приводит к получению лишь предполагаемых, прогнозируемых параметров и характеристик, которые в некоторых случаях могут достаточно сильно отличаться от тех же параметров и характеристик, полученных в процессе натурных испытаний или при реальной эксплуатации ТМ.

Экспериментальное исследование, является технически наиболее сложной и трудоемкой частью научного исследования, и проводится с целью определения фактических характеристик и отдельных параметров натурного объекта исследования. Также, как и аналитические, экспериментальные исследования в разных объемах проводятся на различных стадиях проектирования ТМ, от разработки технического задания до серийного производства. Первоначально экспериментальные исследования проводятся с целью формирования основных требований к изделию и выбора направлений разработки конструкции агрегатов, систем и машины в целом. На более поздних стадиях проектирования, экспериментальные исследования могут выполняться с целью обоснования принятых проектных решений, подтверждения результатов расчетов, получения недостающих параметров и характеристик. На заключительных этапах проектирования экспериментальные исследования позволяют сопоставить результаты теоретических исследований с результатами, полученными при испытаниях натурного образца, и окончательно подтвердить выдвинутые гипотезы, правильность выбора математической модели, обоснованность принятых допущений и предположений, методов анализа, другие положения, но главное определить соответствие образцов техники, выпускаемых в производство требованиям нормативно-технической документации. В случае существенных и общепризнанных недостатков, используемых при проектировании методов и теорий или сложности моделирования внешних воздействий, экспериментальные исследования являются единственным способом получения достоверных результатов. Высказанное утверждение, например, относится к методам получения характеристик надежности и долговечности деталей, узлов и агрегатов ТМ, управляемости, плавности движения и других показателей эксплуатационных свойств.

Целесообразная организация экспериментальных исследований оказывает существенное влияние на сроки проектирования и постановки на производство образцов новой техники. Экспериментальные исследования прошли определенную эволюцию, к настоящему времени сложились в систему, а их основные виды, особенности и задачи, решаемые в ходе их проведения, достоинства и недостатки, хорошо известны.

Тема 2. Экспериментальные исследования автомобилей и тракторов.

Развитие и виды экспериментальных исследований.Экспериментальные исследования (испытания) ТМ имеют историю, по протяженности сопоставимую с историей автомобиля. Первые серийные модели автомобилей начала 20-го века создавались в условиях, когда достижения механики позволяли создать работоспособные конструкции машин. Однако отсутствие опыта и методик, не позволяли обеспечить удовлетворительные показатели надежности, динамических, экономических, экологических, эргономических и других важных эксплуатационных свойств машин, определяющих их потребительскую ценность. Отличительной особенностью этих «испытаний» было полное отсутствие представлений о требованиях, предъявляемых к конструкции автомобилей, нормативных документов и методик проведения испытаний, технологической базы, приборов для измерения параметров работы деталей, узлов и агрегатов, методов обработки и оценки результатов испытаний.

Испытания автомобильной техники стали системными при появлении первых крупных автомобильных заводов. Изучение, научно-техническое обоснование и применение операций и методов получение подобной информации с этого момента начинает составлять основной предмет технологии испытаний автомобилей.

Пробеговые испытания автомобилей проводятся на дорогах общего пользования. Основная задача при проведении подобных испытаний заключается в максимальном приближении действующих на источник информации внешних факторов к факторам реальных условий эксплуатации. Результаты испытаний представляются перечнем обнаруженных дефектов, сведениями о свойствах и поведении автомобиля. В условиях неопределенности и случайной изменчивости факторов внешних воздействий и технического состояния объекта, оценка результатов может быть связана с условиями проведения испытаний только экспертными заключениями, основанными на инженерном опыте и интуиции. Первым шагом в преодолении технологической неопределенности и явных недостатков пробеговых испытаний стало развитие лабораторно-дорожных испытаний.

Лабораторно-дорожные испытания проводятся при жесткой регламентации условий внешнего воздействия и технического состояния объекта, и обеспечивают относительную стабильность технологического процесса получения информации. Однако информация о надежности автомобильной техники, являющаяся основой оценки качества, в этом случае обеспечивалась ценой все более и более длительных испытаний (пробегов), что требовало значительных затрат ресурсов, труда и времени. Лабораторно-дорожные испытания стали неактуальными вследствие противоречий между сокращающимися сроками принятия решений при подготовке производства новой техники и длительностью времени, необходимого для получения достоверных результатов оценки надежности машины. Возникшие проблемы и противоречия, начиная со второй половины прошлого столетия стали решаться созданием специальных технологических баз для испытаний ТМ, получивших название «автополигоны».

Полигонные испытания признаны наиболее информативным способом проведения пробеговых, лабораторно-дорожных и специальных видов испытаний, выполняемых для оценки качества автомобиля. Основное отличие и преимущество полигонных испытаний заключается в стабильности характеристик случайных внешних воздействий (факторов), действующих на объект испытаний. Это достигается специальной конструкцией сооружений автополигонов и методиками, обеспечивающими многократное воспроизведение условий испытаний и сопоставимость их результатов. Технология полигонных испытаний обеспечивает высокую достоверность оценки показателей эксплуатационных свойств автомобилей и значительное сокращение сроков получения информации. Основным недостатком полигонных испытаний является сложность перехода к показателям эксплуатационной надежности автомобилей.

Лабораторные стендовые (стендовые) испытания широко используются для определения характеристик надежности и долговечности многих узлов и агрегатов, и некоторых эксплуатационных свойств (показателей) автомобилей. Стендовые испытания обеспечивают существенное сокращение трудоемкости, материальных затрат, экономию энергии и главное обеспечивают получение результата с наименьшими затратами времени. В процессе стендовых испытаний объектами могут быть отдельные узлы и агрегаты, системы или комплектный автомобиль. Основной задачей при проведении стендовых испытаний является формирование нагрузочного режима. Во многих случаях испытания на стендах являются полноценной заменой лабораторно-дорожных и полигонных испытаний. Для их проведения необходимо сформировать нагрузочный режим, эквивалентный нагрузкам, действующим при движении автомобиля на детали, узлы, агрегаты или автомобиль в целом в реальных условиях эксплуатации. При разработке нагрузочного режима необходимо определить основные действующие факторы, вызывающие усталостное разрушение элемента конструкции: характер действующей нагрузки (закон её изменения), амплитудные значения действующих величин, относительная продолжительность их действия.

Особенностью проведения стендовых испытаний является сложность учета дополнительных внешних факторов, в некоторых случаях, оказывающих решающее влияние на показатели надежности. К таким факторам могут быть отнесены абразивное воздействие на трущиеся поверхности, химическое и электрохимическое воздействия, воздействие озона, ультрофиолетовых лучей, температуры, влажности.

Имитационное моделирование выполняется на этапах проектирования, доводки и сертификации ТС и представляет процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы. Имитационное моделирование позволяет использовать возможности ЭВМ, имитировать работу отдельных частей узлов, агрегатов или систем ТМ с помощью программных средств и соединить виртуальные части машины с реальными объектами испытаний. Имитационные модели ТС могут быть использованы для оценки их эксплуатационных свойств, определения возможных способов совершенствования их конструкций, оценки влияния определенных конструктивных изменений на управляемость, устойчивость и тормозные свойства. В последнее время наиболее перспективным является проведение имитационного моделирования движения АТС с использованием программно-аппаратных комплексов (ПАК), включающих в себя: реальные компоненты автомобиля, специальный измерительный комплекс, современное программное обеспечение. Такой подход позволяет моделировать поведение транспортных средств с учетом особенностей работы реальных агрегатов и блоков управления. Имитационное моделирование имеет целый ряд преимуществ по сравнению с дорожными испытаниями и обеспечивает: независимость от погодных условий, гибкие возможности по изменению модели и оценки влияния различных конструктивных параметров на динамику движения ТС, возможность имитирования практически любых дорожных ситуаций (в частности, возможность моделирования отказа отдельных компонентов), возможность получения полного массива данных о процессе движения ТС.

Общие условия, методы подготовки и проведения испытанийИспытания являются основным источником получения достоверных сведений о свойствах и качестве ТМ на протяжении всего жизненного цикла и служат основанием для совершенствования конструкции, технологических процессов, планирования периодичности и объемов технического обслуживания, производства запасных частей. Правильная организация испытаний обеспечивает решение поставленных задач эффективно и в кратчайшие сроки. Поэтому в процессе подготовки испытаний важно грамотно составить основной технический документ (рабочую программу), отражающий суть и регламентирующий последовательность и характер работ каждого этапа испытаний.

Составление рабочей программы начинается с вводной части - планирования испытаний. На этом этапе работы обосновывается целенаправленность действий, обеспечивающих наиболее эффективный способ достижения поставленных целей. Основными документами, обеспечивающими подготовку рабочей программы, являются технические условия (ТУ) или техническое задание (ТЗ) на автомобиль, технический регламент (ТР) о безопасности колесных транспортных средств и нормативные документы. Общими требованиям к рабочим программам являются: применение прогрессивных и экономически обоснованных методов организации и проведения испытаний, использование достоверных методов измерений и оценки результатов, использование известных теоретических положений и опыта создания машин.

Раздел «Объект испытаний» должен содержать полное наименование опытного образца с обозначением в соответствии с требованиями нормативной документации, указания о количестве испытываемых образцов, сведения о их техническом состоянии и соответствии требованиям нормативной и конструкторской документации, конструктивные особенности объекта испытаний и сведения о технических характеристиках аналогов.

В разделе «Цель и задачи испытаний» используя конкретно сформулированную цель испытаний, устанавливают перечень и последовательность выполнения задач, приводящих к её достижению.

В разделе «Общие положения» указывают сроки и место проведения испытаний, перечень ранее выполненных исследованиях и испытаниях, сведения о техническом уровне опытных образцов и их конструктивных элементах.

В разделе «Условия и порядок проведения испытаний» указывают виды проводимых испытаний и методы метрологического обеспечения, продолжительность и цикличность проведения испытаний, условия материально-технического обеспечения, хранения техники и технического обслуживания.

В разделе «Объем испытаний» указывают перечень и содержание отдельных этапов испытаний, последовательность их выполнения и показатели эксплуатационных показателей, подлежащих определению.

В разделе «Отчетность» приводят перечень документов, которые необходимо разработать, оформить и представить заказчику в процессе подготовки, выполнения и по завершению. Указываются организации и вид документов, с которыми требуется провести согласование или в которые необходимо эти документы предоставить. Отчетные документы выполненных испытаний имеют большое значение не только вследствие значения их содержательной части, но и как источник накопленной информации о свойствах изделия. Они обеспечивают возможность анализа тенденций развития некоторых закономерностей и влияния отдельных эксплуатационных факторов на работоспособность машин.

Показатели функциональной работоспособности характеризуют способность автомобиля выполнять транспортную работу в установленных дорожных и климатических условиях. К параметрам, характеризующим способность выполнять требуемые функции, относятся кинематические и динамические показатели, конструкционная прочность, точность функционирования, производительность, скорость машины и др. С течением времени значения этих параметров могут изменяться. Для каждого из них устанавливаются допустимые пределы изменения, выход за которые недопустим или нежелателен.

Показатели надежности отражают способность ТМ сохранять функциональную работоспособность и влияющие на неё показатели (параметры) транспортной машины в допустимых пределах и в течение длительного времени. Показатели трудоемкости технического обслуживания и ремонтопригодности позволяют оценить затраты, производимые для поддержания машины в работоспособном состоянии, возможность замены в эксплуатационных условиях отдельные детали и механизмы автомобиля.

Типовая программа испытаний ТМ предусматривает оценку основных показателей, от которых зависит их функциональная работоспособность. К таким относят массово-габаритные показатели, показатели динамических (скоростных) свойств и топливной эффективности, тормозной эффективности, устойчивости и управляемости, плавности движения, показатели внешнего и внутреннего шума, токсичности отработавших газов, напряженность поля радиопомех, проходимости. Дополнительно проверяется герметичность всех типов соединений узлов, агрегатов и систем, санитарно-гигиенические условия в кабине или пассажирском отделении транспортного средства. Для специализированных автомобилей могут определяться дополнительные показатели проходимости, или показатели надежности агрегатов дополнительного оборудования (лебедки, самосвального механизма и др.). При отрицательной температуре воздуха оценивают пусковые свойства двигателя.

Процедура проведения испытаний определяется «методикой испытаний» - основным организационно-методическим документом, в котором описывается метод получения результатов и условия, при которых они должны быть получены; последовательность выполнения работ по определению показателей и характеристик изделия и средства, используемые для достижения поставленных целей. Методика испытаний устанавливает порядок и способ обработки и оценки результатов экспериментальных исследований, определяет требования к точности полученных значений параметров и характеристик. Кроме того, в ней устанавливается форма представления результатов исследований, определяются требования к безопасности проведения работ, в том числе и в части требований к экологическим показателям.

Цели, содержание и результаты различных видов испытаний.Процесс создания ТМ в общем случае состоит из следующих укрупненных этапов: разработка технического задания и эскизного проекта, разработка технического проекта, изготовление макетных, опытных и серийных образцов.

Для успешного выполнения работ каждого из этапов необходимо проведение определенных видов испытаний изделий, в соответствии с целями и задачами работ, выполняемых на каждой стадии проектирования. Разработка технического задания (ТЗ) на проектирование связана с изучением и формированием требований к ТС, особенностям выполнения рабочих процессов агрегатов и систем, поэтому комплекс научно-исследовательских работ (НИР) должен обеспечить выполнение в заданном объеме опытно-конструкторские работы (ОКР) указанного этапа.

Поисковые (исследовательские) испытания в основном обеспечивают оценку проведенных теоретических исследований и эффективности рассматриваемых конструктивных решений для доработки ТЗ, выбор и обоснование оптимальных параметров функциональных элементов ТМ, показателей эксплуатационных свойств, возможности применения различных материалов. Поисковые испытания проводятся предприятием разработчиком или другими организациями с использованием специальных программ и методик. Исследовательские испытания изделия могут проводиться во всех необходимых случаях и на любом этапе разработки и даже производства машин.

Разработка технического проекта может выполняться в течение достаточно длительного времени и начиная с некоторого момента одновременно с проработкой макетных и впоследствии опытных образцов изделий. Поэтому основными видами испытаний этих этапов проектирования являются доводочные или предварительные испытания.

Доводочные испытания являются в значительной части исследовательскими, проводятся на макетных и опытных образцах изделия. Доводочные испытания позволяют выполнить доработку конструкторской и технологической документации в соответствии с требованиями ТЗ и нормативных документов, обеспечивают эффективное совершенствование конструкции ТС и первоначальную экспериментальную оценку его основных показателей и свойств. По результатам доводочных испытаний принимается решение об изготовлении опытных образцов для предварительных испытаний.

Предварительные испытания выполняются в соответствии с программами и методиками, принятыми для приемочных испытаний. Основная цель указанных испытаний заключается в оценке возможности выполнения заданных требований к конструкции ТМ за счет имеющихся у производителя и смежных организаций – поставщиков комплектующих изделий технологических, организационных и других ресурсов, средств и методов. Кроме оценки соответствия образцов ТМ требованиям технической и нормативной документации в процессе предварительных испытаний выполняется оценка показателей надежности комплектного ТС при эксплуатации, доработка конструкторской документации, устанавливается предварительная номенклатура запасных частей, оценивается технический уровень машин, принимается решение о возможности использования ТМ по назначению, целесообразности подготовки производства и проведения приемочных сертификационных испытаний. Доводочные и предварительные испытания осуществляются в основном предприятием производителем.

Сертификационные испытания выполнятся в соответствии с «Техническим регламентом о безопасности колесных транспортных средств» (ТР), устанавливающим требования к безопасности колесных транспортных средств при их выпуске в обращение на территории Российской Федерации и их эксплуатации независимо от места их изготовления в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, защиты имущества физических и юридических лиц, государственного или муниципального имущества и предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей колесных транспортных средств. Сертификационные испытания проводят для репрезентативного образца (образцов) транспортного средства или компонента транспортного средства, на основании результатов которых делается заключение о соответствии требованиям настоящего технического регламента типа транспортного средства или типа компонента транспортного средства, объединяющего модификации, включенные в техническое описание, представляемое заявителем при проведении сертификационных испытаний. Основная цель сертификационных испытаний заключается в определении соответствия образцов ТМ требованиям ТЗ, КД, национальным и международным стандартам. Испытания проводятся уполномоченными сертифицированными организациями. К объектам технического регулирования, на которые распространяется действие настоящего технического регламента, относятся: колесные транспортные средства категорий L, M, N и О, предназначенные для эксплуатации на автомобильных дорогах общего пользования, а также шасси транспортных средств; компоненты транспортных средств, оказывающие влияние на безопасность транспортных средств. В случае невыполнения установленных ТР требований, предъявляемых к ТС выявленные недостатки должны быть устранены, и проведены дополнительные испытания.

Приемо-сдаточные испытания могут проводиться в соответствие с договорами или другими двухсторонними обязательствами между предприятием изготовителем и заказчиком. В процессе испытаний оценивается соответствие образцов серийного или массового производства выпускаемой техники требованиям нормативно-технической документации (техническим условиям и инструкциям по технической документации, конструкторской документации), условиям поставки машин, их деталей, узлов и агрегатов.

Контрольные испытания (КИ) машин проводятся службами технического контроля предприятия изготовителя или по заданию предприятия изготовителя специализированными организациями. В процессе КИ проверяется соответствие изделий действующей технической документации и степень устранения дефектов, выявленных при предыдущих испытаниях или по результатам эксплуатации. КИ позволяют оценить стабильность производственных процессов, влияющих на качество машин. Периодичность, продолжительность, условия и методики проведения испытаний определяются технической документацией на изделие. В зависимости от вида задач и требований к продолжительности испытаний различают краткие и длительные контрольные испытания.