Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Испытания шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей. Проблемы и решения 8
1.1. Дорожные испытания транспортных средств 12
1.2. Стендовые испытания 12
1.2.1. Стендовые испытания транспортных средств 13
1.2.2. Испытания передних подвесок легковых автомобилей 17
1.2.3. Испытания шаровых пальцев независимо от других элементов подвески 19
1.3. Существующая методика испытаний шаровых пальцев передней подвески 23
1.4. Задачи исследования 25
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование закономерности изменения технического состояния шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101 -2107 и их модификаций 27
2.1. Формулирование задачи исследования 27
2.2. Определение нагрузок, возникающих в шаровых пальцах передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 в процессе эксплуатации 29
2.2.1. Краткая характеристика подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций 29
2.2.2. Анализ конструкций шаровых пальцев передней подвески 30
2.2.3. Распределение сил, действующих на шаровые пальцы 31
2.2.3.1. Определение величины нормальной силы, действующей в пятне контакта колеса с дорогой 32
2.2.3.2. Определение величины боковой силы, действующей в пятне контакта колеса с дорогой 35
2.2.3.3. Определение сил действующих на шаровые пальцы 36
Выводы по главе 46
ГЛАВА 3. Экспериментальное определение закономерности изменения технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101- 2107 и их модификаций 47
3.1. Методика проведения комплексных испытаний 47
3.2. Разработка конструкции установки для испытаний шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей на долговечность 50
3.3. Стендовые испытания шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций 55
3.3.1. Методика проведения стендовых испытаний 55
3.3.2. Анализ результатов стендовых испытаний 58
3.4. Дорожные испытания шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций 83
3.4.1. Методика проведения дорожных испытаний 84
3.4.2. Анализ результатов дорожных испытаний 85
3.5. Комплексный анализ результатов стендовых и дорожных испытаний 90
Выводы по главе 95
ГЛАВА 4. Внедрение результатов работы и определение экономического эффекта от их внедрения 96
4.1. Практическое применение результатов работы 96
4.2. Экономический эффект от применения результатов работы 99
Выводы по главе 103
Заключение 104
Список использованных источников 106
Приложения 118
- Испытания шаровых пальцев независимо от других элементов подвески
- Определение величины нормальной силы, действующей в пятне контакта колеса с дорогой
- Разработка конструкции установки для испытаний шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей на долговечность
- Экономический эффект от применения результатов работы
Введение к работе
Одной из важнейших задач, которая стоит перед автотранспортными предприятиями, оказывающими услуги по перевозке населения, является обеспечение безопасности перевозок. В свою очередь безопасность перевозок напрямую зависит от технического состояния как транспортного средства в целом, представляющего собой определенную систему, так и от технического состояния отдельных элементов этой системы - узлов и агрегатов автомобиля.
В свою очередь, на изменение технического состояния автомобиля и его составных частей, существенное влияние оказывают условия эксплуатации: дорожные условия, условия движения, климатические условия, сезонные условия, агрессивность окружающей среды, а также транспортные условия [1].
Одним из наиболее ответственных узлов автомобиля, от исправного технического состояния которых зависит безопасность перевозок, и требующих периодической замены, являются шаровые пальцы передней подвески, которые должны отвечать ряду требований [2], установленных нормативно-технической и конструкторской документацией [3].
На сегодняшний день, при определении срока эксплуатации шаровых пальцев, работникам автотранспортных предприятий приходится руководствоваться либо информацией, предоставляемой ведущим предприятием отрасли, либо гарантиями самих производителей.
Таким образом, по причине отсутствия достоверной информации о техническом состоянии узла на текущий момент, существует вероятность увеличения степени риска, связанного с его эксплуатацией в неисправном техническом состоянии. В другой ситуации, по той же причине, автотранспортное предприятие несет необоснованные затраты, связанные с преждевременной заменой узла, которого на момент замены сохраняет работоспособное состояние и не требует замены.
В связи с изложенным, представляет интерес определение закономерности изменения технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107. Разработанная на основании полученной закономерности методика оценки технического состояния и соответствующие рекомендации позволят увеличить срок эксплуатации узла при одновременном обеспечении гарантий безопасности осуществляемых перевозок.
На данный момент при определении эксплуатационного ресурса шаровых пальцев, характеризующих их долговечность [4], работникам автотранспортных предприятий приходится руководствоваться либо информацией, предоставляемой ведущим предприятием отрасли, либо гарантиями самих производителей.
Так, для шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей, поставляемых на конвейер, АвтоВАЗом установлен минимальный эксплуатационный ресурс, составляющий 30 000 км пробега автомобиля на период времени, не превышающий двух лет [5],
Одновременно с этим, на вторичном рынке автомобильных компонентов присутствует порядка двух десятков отечественных и зарубежных производителей шаровых пальцев для автомобилей ВАЗ [6], многие из которых предоставляют на свою продукцию гарантию, которая является необоснованной.
Определяющими факторами, оказавшими влияние на выбор верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций для исследования, стали:
Неоспоримое количественное превосходство автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций над автомобилями других моделей на территории РФ.
Высокая степень сходства исследуемой конструкции с конструкцией шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2108-2115 и их модификаций.
7 Таким образом, в качестве цели исследования, проведенного в рамках
настоящей диссертационной работы, стало определение закономерности
изменения технического состояния верхних шаровых пальцев передней
подвески.
Основу настоящей диссертационной работы составили результаты
научных трудов, проведенных ранее исследований, таких ученых как
Йорнсен Раимпель - исследование конструкции подвески, возникающих в
ней усилий и т.д., д.т.н. Гольд Б.В. - исследования в области прочности и
долговечности автомобиля и его узлов, д.т.н. проф. Гун И.Г. -
исследования факторов производства и конструкций шаровых пальцев
передней подвески и др.
Испытания шаровых пальцев независимо от других элементов подвески
Из содержания предыдущего пункта видно, что в случае, когда необходимо определение эксплуатационных характеристик отдельного узла подвески автомобиля, нецелесообразно (как с экономической точки зрения, так и с точки зрения необходимых временных затрат) проводить испытания подвески в сборе и тем более дорожные испытания всего автомобиля. В различных источниках имеется информация о проведении испытаний отдельных узлов передней подвески автомобиля [57],
Известен прибор для испытания шаровых опор [58], который создает вращательно-колебательное движение внутреннего кольца шаровой опоры относительно ее наружного кольца. Вращение осуществляется вокруг продольной оси вала. Кроме того, создается относительное движение между нагруженным и внутренним кольцами, которое осуществляется вокруг оси, перпендикулярной продольной оси вала, при этом на опоре создается давление, стремящееся переместить наружное кольцо относительно внутреннего. Это происходит в результате действия силы, перпендикулярной как к продольной оси вала, так и к оси, вокруг которой наружное кольцо колеблется относительно внутреннего.
Недостатком указанного прибора для испытания шаровых опор является его ограниченные возможности имитации эксплуатационных нагрузок - этот прибор создает только два движения: вращательно-колебательное движение вокруг оси и перемещение перпендикулярно оси.
Специалистами Горьковского конструкторско-технологического института автомобильной промышленности предложена конструкция стенда для испытания на износ шарниров рулевых тяг [59] (рис. 7), позволяющего проводить испытания шарниров в специальной камере, заполненной рабочей средой. Кроме этого, испытуемым шарнирам через рычаги передаются качательные движения в различных плоскостях, а также происходит нагружение испытуемых шарниров при помощи нагружателя.
Недостатком данного стенда является то, что конструктивное исполнение не позволяет проводить испытания шаровых шарниров, обладающих более высокими моментами сопротивления качания корпуса на сфере шарового пальца и вращения пальца в корпусе шарнира. Кроме этого, сложная конструкция передачи имитационных движений и силовых нагрузок шарнирам, затрудняет монтаж и демонтаж последних.
Эффективным инструментом получения необходимых данных можно считать имитационный стенд фирмы MTS, предназначенный для испытаний шаровых шарниров на долговечность [60], который содержит основание, посадочные места для установки двух испытываемых шарниров, пневматические и гидравлические приводы для создания силового воздействия на шаровые шарниры в продольном и поперечном направлениях и для осуществления рабочих движений - поворота и качания шарниров, систему управления процессом испытаний. Передача усилий на шаровые шарниры и их движение осуществляется посредством системы рычагов и цапф.
Недостатками предлагаемой конструкции являются сложность конструкции стенда, большое количество силоопределяющих элементов (тяг, рычагов, цапф) и подвижных связей, что приводит к образованию люфтов в соединениях и затрудняет доступ к зоне закрепления шаровых шарниров, наличие двух видов приводов (пневматических и гидравлических) усложняет систему управления стендом.
Наиболее эффективным с точки зрения получения наиболее достоверной информации среди известных можно считать испытательный стенд применяемый на Волжском автомобильном заводе [61] (рис. 8). Стенд позволяет проводить испытания шаровых пальцев с обеспечением необходимых силовых воздействий и имитационных движений.
Главный недостаток стенда состоит в том, что при его создании была использована гидравлическая система силовых приводов, что привело к снижению скоростных характеристик. И второй недостаток - отсутствие возможности подачи в процессе испытаний на испытуемые узлы водогрязевой смеси, что в значительной мере отдаляет условия испытаний от реальных эксплуатационных.
На сегодняшний день известна лишь одна методика, позволяющая с определенной степенью достоверности получать представление об изменении технического состояния исследуемого узла в лабораторных условиях - методика стендовых испытаний шаровых пальцев передней подвески Волжского автомобильного завода.
Нужно заметить, что существующие методики испытаний других объектов схожего конструктивного исполнения (например, шарниры рулевых тяг и наконечников тяг, шарниры протезов нижних человеческих конечностей и др.) хотя и рассматривались, но в рамках настоящей работы не приводятся. Это связано, во-первых, с тем, что данные методики не отличаются применением каких либо новых конструкторских и научно-исследовательских решений. Во-вторых, все рассмотренные узлы обладают определенной, присущей лишь им спецификой, что влечет за собой четкий набор имитирующих движений и силовых нагрузок (по величине и направлению). Кроме этого, следует отметить, что такой набор движений и нагрузок у шаровых пальцев гораздо шире, чем у других объектов, что исключает саму возможность применения этих методик. И, наконец, третье -рассматриваемая методика и испытательное оборудование разработаны конструкторами - разработчиками исследуемых узлов - шаровых пальцев, а, следовательно, наиболее полно, среди существующих, учитывает все его особенности.
Определение величины нормальной силы, действующей в пятне контакта колеса с дорогой
Следовательно, при F - const и Е - const можно сделать вывод о том, что є обратно пропорционально S, т.е. при увеличении площади сечения (см. рис. 27) происходит уменьшение относительного удлинения, а поскольку относительное удлинение и измеряемый осевой зазор находятся в прямой зависимости, то увеличение площади сечения ведет к уменьшению осевого зазора.
Изменение величины осевого зазора по описному закону продолжается на протяжении около 10 тыс. км, что собственно и составляет величину зоны I. Характеризуется абразивным износом внутренней поверхности полимерного вкладыша, находящейся в непосредственном контакте с поверхностью сферы шарового пальца. Продолжительность зоны II составляет порядка 60 тыс. км до того момента, когда величина осевого зазора не достигнет значения h = 0,2 ± 0,01 мм. При достижении осевым зазором данной величины процесс износа шарового пальца переходит в стадию представленную на рис. 27 зоной III. III. Зона усиленного износа Характеризуется быстрым, неуправляемым износом узла под действием внешних динамических нагрузок, возникающих при движении автомобиля и вызывающих разрушение узла. О том, что процесс износа исследуемого узла - верхнего шарового пальца передней подвески, в данной зоне становится неуправляемым, подтверждает и тот факт, что допустимые пределы изменения действительного значения основного контрольного параметра увеличиваются в несколько раз (рис. 22). Следовательно, предсказать изменение технического состояния шарового пальца наработка которого находится в зоне Ш с высокой степенью достоверности не представляется возможным. 1. Разработана методика комплексных испытаний шаровых пальцев передней подвески автомобилей. 2. Разработан и изготовлен стенд для испытания шаровых пальцев передней подвески. 3. Разработана методика проведения стендовых испытаний верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций. 4. Получена зависимость изменения основного контрольного параметра - осевого зазора от количества циклов испытаний. 5. Разработана методика проведения дорожных испытаний верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций. 6. Получена зависимость изменения основного контрольного параметра - осевого зазора от пробега испытательного транспортного средства. 7. Проведен сравнительный анализ стендовых и дорожных испытаний, в результате которого получена зависимость между количеством циклов испытаний при заданных режимах и пробегом автомобиля в реальных условиях. 8. Получена графическая закономерность изменения технического состояния верхних шаровых пальцев от пробега транспортного средства. Внедрение результатов, полученных в ходе выполнения настоящей диссертационной работы целесообразно на предприятиях автосервиса, занимающихся техническим обслуживанием автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций, а также организованных городских таксопарков, располагающих собственной сервисной станцией технического обслуживания и использующих данные транспортные средства в качестве основного для перевозки пассажиров. При этом главным результатом является полученная закономерность изменения технического состояния шаровых пальцев, оценку которого следует проводить по величине основного контрольного параметра -осевого зазора. Проверку технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций рекомендуется проводить в соответствии с разработанной методикой (Приложение 4) при помощи специального устройства. Предлагаемое устройство (рис. 29) предназначено для определения величины основного контрольного параметра - осевого зазора верхних шаровых пальцев для последующей оценки их технического состояния. Устройство состоит из корпуса, выполняющего несущую функцию, к которому крепятся все подвижные элементы (подвижный элемент и нагружающий винт), контрольные устройства (динамометр и датчик перемещения) и испытуемый шаровой палец. Определение величины осевого зазора проводится в следующей последовательности: 1) Выполнить демонтаж верхних шаровых пальцев в последовательности, описанной в инструкции по техническому обслуживанию автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций. 2) Закрепить шаровой палец на корпусе приспособления 1 болтами М8 крепления 5 шарового пальца. 3) Резьбовую часть шарового пальца закрепить на подвижном элементе приспособления с помощью двух гаек крепления Ml4X1,5. 4) Создать осевую нагрузку при помощи нагружающего винта 7 величиной +100 кГс, фиксируемую по динамометру 4. 5) Зафиксировать показания h\ на датчике перемещения 2. 6) Создать осевую нагрузку при помощи нагружающего винта 7 величиной - 200 кГс, фиксируемую по динамометру 4. 7) Зафиксировать показания hz на датчике перемещения 2. 8) Закончить измерения, отсоединив шаровой палец от приспособления. 9) Определить величину осевого зазора h по формуле
Разработка конструкции установки для испытаний шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей на долговечность
Внедрение результатов диссертационной работы в условиях Магнитогорского таксопарка «ТАКСИ-КЛАСС» (ЧП Лакницкий В.Р.) с учетом того, что парк автомобилей в данной организации насчитывает 150 автомобилей ВАЗ 2105-2107 и на предприятии существует собственный сервисный центр, по предварительной оценке позволит получать экономический эффект в размере 27 тыс. руб. в год. Данные подтверждены актом внедрения результатов диссертационной работы (Приложение 5).
Внедрение полученных результатов в условиях ЗАО «Научно-производственное объединение «БелМаг» (г. Магнитогорск) позволяет получить экономический эффект в размере 438 тыс. руб. ежегодно. Настоящий экономический эффект обоснован снижением общего количества дефектных единиц продукции на различных стадиях производства комплектующих изделий и изделий в сборе - верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций (Приложение 6).
Таким образом, сумма экономического эффекта, полученного от внедрения результатов настоящей диссертационной работы составляет 465 тыс. руб. в год.
Кроме этого, внедрение методики контроля на предприятиях автосервиса позволит своевременно выявить ухудшение технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобиля и избежать аварийных ситуаций на дороге, связанных с преждевременным выходом из строя данного узла.
Результаты диссертации, обладающие научной новизной, применяются в учебном процессе Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова при обучении студентов специальности 230100 - Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (Автомобильный транспорт): «Техническая эксплуатация ходовой части автомобилей и систем, обеспечивающих безопасность движения» и «Основы технического творчества», используются в НИРС и дипломном проектировании студентов, что подтверждено соответствующим актом об использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе (Приложение 7).
Разработана методика контроля состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций для станций технического обслуживания и автосервисов, а также необходимое для этого оборудование. 2. Определена величина экономического эффекта от внедрения результатов диссертационной работы, составляющая 465 000 руб. Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы: 1. Разработана методика комплексных испытаний верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107, включающая параллельное проведение ускоренных стендовых и дорожных испытаний с последующей комплексной обработкой результатов. 2. Разработан и изготовлен стенд для испытания шаровых шарниров, благодаря которому проведены ускоренные стендовые испытания верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и получена зависимость изменения величины осевого зазора h от наработки N, представленной количеством циклов испытаний. 3. Определена закономерность изменения технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески, характеризуемая осевым зазором /г, в зависимости от наработки узла N. Получено графическое и математическое описание данной закономерности. 4. Разработана методика оценки технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 для организаций, занимающимися техническим обслуживанием, сервисом и ремонтом автомобилей. Методика включает описание работ по диагностике технического состояния шаровых пальцев, рекомендации по действиям с диагностируемыми узлами в зависимости от их технического состояния, а также принципиальную схему приспособления для определения величины осевого зазора h. Основные выводы, сделанные в ходе выполнения диссертационной работы: 1. Разработанная методика комплексных испытаний шаровых пальцев передней подвески автомобилей позволяет: с высокой степенью достоверности определить закономерность изменения технического состояния шаровых пальцев передней подвески автомобилей различных марок; установить максимально допустимую величину параметра, в наибольшей степени характеризующего техническое состояние шарового пальца; получить численное значение коэффициента перехода от циклов ускоренных стендовых испытаний к километрам пробега при эксплуатации автомобиля. 2. Благодаря прогрессивной системе обеспечения имитационных движений и силовых воздействий на испытуемые шаровые пальцы разработанный и изготовленный испытательный стенд открывает перспективы исследования закономерностей изменения технического состояния шаровых пальцев передней подвески автомобилей различного конструкционного исполнения, а также выявлять параметры способные оказать влияние на изменение этих закономерностей при эксплуатации в реальных условиях. 3. Установленная в ходе работы закономерность изменения технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 позволила установить максимально допустимую величину параметра А, в наибольшей степени характеризующего техническое состояние шарового пальца, а также характер изменения данного параметра в процессе эксплуатации автомобиля.
Экономический эффект от применения результатов работы
Для получения достоверной информации об изменении технического состояния верхних шаровых пальцев передней подвески легковых автомобилей ВАЗ 2101-2107иих модификаций были проведены дорожные испытания последних [119-122].
До начала проведения испытаний было составлено соглашение (Приложение 3), определяющее круг участников исследования. В него вошли: 1) Кафедра технологий, сертификации и сервиса автомобилей МГТУ им. Г.И. Носова — в качестве проводящей исследования и курирующей все работы, имеющие непосредственное к ним отношение организации. 2) Научно-производственное объединение «БелМаг» - производитель верхних шаровых пальцев передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций, предоставивший свою продукцию для проведения исследования. 3) «Магнитогорская Станция Технического Обслуживания автомобилей» - организация, выполнявшая работы по монтажу и демонтажу испытываемых шаровых пальцев на автомобили. 4) Магнитогорский таксопарк «ТАКСИ-КЛАСС» (ЧП Лакницкий В.Р.) -организация, предоставившая легковые автомобили ВАЗ классических моделей для проведения дорожных испытаний. Для проведения дорожных испытаний были отобраны верхние шаровые пальцы передней подвески автомобилей ВАЗ 2101-2107 и их модификаций в количестве 20 штук. Время проведений было определено с марта по ноябрь 2003 года. Место проведения испытаний - г. Магнитогорск. В качестве испытательных транспортных средств использованы автомобили ВАЗ 2105-4 шт., ВАЗ 2106 - 6 шт. Срок эксплуатации определяется пробегом автомобиля, на который установлены шаровые пальцы, в зависимости от чего все исследуемые образцы были разделены на 4 группы (табл. ЗЛО). До установки испытуемых шаровых пальцев произведен замер основного (А, мм) и дополнительных (Мщи Мкт. кгс-м) контрольных параметров (табл. 3.11). На образцы изделий, отобранные для установки, методом клеймения нанесена сквозная нумерация от 1 до 20. Общее время для установки всех шаровых пальцев на испытательные транспортные средства было отведено в размере 3-х календарных дней. Монтаж шаровых пальцев на автомобиль и их демонтаж производятся в обязательном присутствии представителя организации, курирующей ход испытаний. В момент установки шаровых пальцев на транспортное средство производится заполнение анкеты, содержащей следующие обязательные к заполнению пункты: - марка автомобиля; - пробег автомобиля на момент установки шаровых пальцев (фиксируется по спидометру); - номера устанавливаемых шаровых пальцев. При демонтаже обязательной информацией, которую необходимо зафиксировать является пробег автомобиля в соответствии с показаниями спидометра. В ходе дорожных испытаний 4 транспортных средства из 10 вышли из строя на продолжительный период, в связи с чем шаровые пальцы, установленные на них, были исключены из общего числа испытуемых. Таким образом, по завершении дорожных испытаний общее количество шаровых пальцев для исследования составило 12 шт. Характеристики шаровых пальцев, прошедших дорожные испытания, а также результаты замера основного и дополнительных контрольных параметров приведены в таблице 3.11. Данные, полученные от проведения дорожных испытаний, нанесены на корреляционное поле (рис. 26) и получена зависимость изменения осевого зазора от пробега транспортных средств. В качестве нулевого значения осевого зазора взято среднее начальных значений всех образцов. По нанесенным точкам, используя возможности программы обработки статистических данных, построена аппроксимирующая кривая и получена, описывающая ее зависимость
