Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 9
1.1 Эксплуатационная надежность автомобиля и его элементов 9
1.2 Испытания на долговечность деталей, узлов и агрегатов автотранспортных средств 14
1.3 Изнашивание деталей и сопряжений сборочных единиц автотранспортных средств 21
1.4 Характеристики процесса изнашивания и факторы, влияющие на износ пары «фрикционная накладка – контртело» колесных тормозных механизмов 26
1.5 Цель и задачи исследования 35
2 Программа, методика и экспериментальная база исследований ресурса тормозных накладок при подконтрольной эксплуатации 37
2.1 Программа экспериментальных исследований и общая методика выявления факторов, определяющих долговечность тормозных накладок колесных тормозных механизмов и точность оценки их ресурса 37
2.2 Планирование экспериментов и разработка частных методик исследований 44
2.3 Формирование экспериментальной базы 51
3 Результаты экспериментальных исследований долговечности тормозных накладок в условиях подконтрольной эксплуатации 55
3.1 Результаты исследования режимов движения автотранспортных средств в эксплуатации и определение пути трения тормозных накладок 55
3.2 Долговечность тормозных накладок по результатам подконтрольной эксплуатации и точность оценки их ресурса 59
4 Разработка математической модели интенсивности изнашивания тормозных накладок 81
4.1 Разработка математической модели изменения остаточного ресурса тормозных накладок в процессе эксплуатации 81
4.2 Изменение эффективности торможения в период между очередными ТО 87
4.3 Исследование длительности периода приработки тормозных накладок 92
5 Применение математической модели интенсивности изнашивания тормозных накладок для ускоренной оценки долговечности в процессе эксплуатации 100
5.1 Обоснование возможности ускоренной оценки долговечности тормозных накладок 100
5.2 Определение характеристик типового режима ускоренных стендовых испытаний на долговечность тормозных накладок 103
5.3 Метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок по результатам эксплуатации подконтрольного аналога 112
Заключение 121
Список литературы 123
- Характеристики процесса изнашивания и факторы, влияющие на износ пары «фрикционная накладка – контртело» колесных тормозных механизмов
- Планирование экспериментов и разработка частных методик исследований
- Долговечность тормозных накладок по результатам подконтрольной эксплуатации и точность оценки их ресурса
- Исследование длительности периода приработки тормозных накладок
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Известно, что по результатам длительных наблюдений в реальной эксплуатации определяется соответствие тормозных накладок требованиям обеспечения безопасности автомобиля в условиях заданной изготовителем периодичности технического обслуживания. Поэтому сокращение времени оценки долговечности тормозных накладок всей выпускаемой номенклатуры является актуальным, как для предприятий данной отрасли, так и для автотранспортных предприятий при оценке ресурса комплектующих.
Степень разработанности темы В работах Р.В. Кугеля, Б.В. Гольда, Е.С. Кузнецова, А.С. Проникова, В.А. Трикозюка, В.П. Когаева, Е.А. Индикта, Е.А. Чудакова, В.М. Старикова, И.А. Биргера, Ю.Н. Дроздова, В.А. Трофимова, Я.М. Берковича, Д.Н. Решетова, В.М. Фадеева, N. Sheth, D.F. Moore, C. Lipson, O.A. Fazekas рассмотрены вопросы испытаний на долговечность деталей, узлов и агрегатов, проанализированы преимущества и недостатки каждого вида испытаний.
Процессы изнашивания деталей и сопряжений рассмотрены в работах А.В. Чичинадзе, И.В. Крагельского, А.Г. Гинзбурга, М.Н. Добычина, Э.Д. Брауна, Г.В. Крамаренко, Евдокимова, Е.А. Чудакова, Е.С. Кузнецова, В.С. Комбалова, Б.Н. Демиденко, В.В. Меринова, Г.М. Косолапова, Г.М. Харача, D.F. Moore, R.D. Cater, J.G. Bitter, K. Endo, Y. Fukuda, H. Togata, O.Takamia, R.G. Bayer, W.C. Clinton, J.L. Sirico.
Анализ показал, что при оценке долговечности комплектующих деталей автомобилей, в частности, тормозных накладок, наибольшее распространение получили стендовые и натурные испытания. Первые позволяют сократить время испытаний, вторые оценить долговечность реальных образцов в составе штатного механизма. Но при этом они обладают рядом недостатков:
- велика вероятность ошибок при выборе метода или режима испытаний,
схемы нагружения, среды, возможна недооценка специфических особенностей
эксплуатации и т.п.;
- трудности пересчета результатов испытаний в эксплуатационные
показатели и, как следствие, ошибки в прогнозе долговечности;
- возможность несоответствия метода и режима натурных испытаний
условиям, в которых происходит эксплуатация изделий у ряда потребителей.
Цель и задачи исследования.
Цель работы - разработка метода ускоренной оценки долговечности тормозных накладок всех видов в условиях реальной эксплуатации, направленного на сокращение времени определения ресурса при заданных доверительной вероятности и относительной ошибке.
Задачи исследования:
1. Организовать подконтрольную эксплуатацию различных видов
автотранспортных средств в характерных для них режимах движения, получить данные о режимах движения подконтрольных автотранспортных средств и
долговечности тормозных накладок в реальных условиях эксплуатации с целью определения значений корректирующих коэффициентов.
2. Установить величину пробега, за время которого происходит приработка,
и оценить ее влияние на ресурс тормозных накладок.
3. Теоретически обосновать критические факторы и получить
математическую модель изменения ресурса тормозных накладок колесных
тормозных механизмов автомобилей.
4. Выявить параметры качественного подобия процесса изнашивания
тормозных накладок, соблюдение которых повышает адекватность пересчета
результатов ускоренных испытаниях и изменения ресурса в эксплуатации и
предложить типовые режимы торможения для одного из автотранспортных
средств.
-
На основе выявленного качественного подобия процессов изнашивания тормозных накладок разработать метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок по результатам эксплуатации подконтрольного аналога, сокращающий время оценки ресурса тормозных накладок одного изготовителя.
-
Апробировать разработанный метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок колесных тормозных механизмов автотранспортных средств.
Научная новизна. Сокращение времени оценки долговечности тормозных накладок всех видов в условиях реальной эксплуатации при заданных доверительной вероятности и относительной ошибке за счет интеграции результатов подконтрольной эксплуатации в математическую модель изменения ресурса тормозных накладок.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты позволяют сократить время оценки долговечности тормозных накладок всех видов в условиях реальной эксплуатации при заданных доверительной вероятности и относительной ошибке.
Разработанный метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок по результатам эксплуатации подконтрольного аналога внедрен в ОАО “ВАТИ” для определения ресурса выпускаемой им продукции и в ООО «Волтакс-1» для оценки остаточного ресурса тормозных накладок при технических обслуживаниях маршрутных такси (ГАЗ-3221 и их модификаций).
Методы исследования. Основными методами исследования являются экспериментальные, проводимые в соответствии с требованиями действующих стандартов. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью аппарата математической статистики с применением современных программных продуктов. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных методов: дедукции, индукции, анализа и синтеза информации, сравнительного анализа и экспертных оценок.
Положения, выносимые на защиту.
- результаты подконтрольной эксплуатации с данными о режимах движения подконтрольных автотранспортных средств и долговечности различных тормозных накладок в реальных условиях эксплуатации с целью определения корректирующих коэффициентов.
- результаты определения величины пробега, за время которого происходит
приработка, и оценка ее влияния на величину ресурса тормозных накладок.
- результаты теоретического обоснования критических факторов и
математическая модель изменения ресурса тормозных накладок колесных
тормозных механизмов автомобилей.
- параметры качественного подобия процесса изнашивания тормозных
накладок, соблюдение которых повышает адекватность пересчета результатов
ускоренных испытаний и изменения ресурса в эксплуатации и типовые режимы
торможения для одного из автотранспортных средств.
метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок по результатам эксплуатации подконтрольного аналога, сокращающий время оценки ресурса тормозных накладок одного изготовителя.
результаты апробации разработанного метода ускоренной оценки долговечности тормозных накладок колесных тормозных механизмов автомобилей.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается преимущественно
экспериментальным характером исследований в реальных условиях
эксплуатации, применением специализированного исследовательского
измерительного и испытательного оборудования; использованием общепринятых методик и рекомендаций при обработке данных.
Сделаны доклады на международных научных конференциях «Туполевские чтения», 2005 г. 2006 г., г. Казань; «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем», 2006 г., г. Санкт-Петербург; «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств», 2006 г., г. Пенза; «Политранспортные системы», 2006 г., 2007 г., г. Красноярск; «Будущее машиностроения России» (МИКМУС), 2004, 2007-2009, 2013 г.г., г. Москва, РАН, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова; «Безопасность транспортных средств в эксплуатации», 2010 г., г. Н. Новгород; «The XXVII Seminar of the Student Scientific Circles of "Mechanics», 2008 г., г. Варшава, Варшавская военно-техническая академия; «Прогресс транспортных средств и систем», 2005 г., 2009 г., г. Волгоград, ВолгГТУ, "Наука - будущее Литвы", 2006 г., г. Вильнюс, Вильнюсский техн. ун-т им. Гедиминаса;
Участие во Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учных «Эврика-2006», 2006 г., г. Новочеркасск, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочеркас. политехн. ин-т) (2 место); «Научный потенциал студенчества - будущему России», 2006 г., г. Ставрополь, Сев.-Кавказ. гос. техн. ун-т (2 место); XI – XV Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, 2005 – 2010 г.г., г. Волгоград, ВолгГТУ; ежегодных научных конференциях ВолгГТУ 2005 – 2013 г.г..; смотрах-конкурсах научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ 2005 – 2010 г.г., 2013 г. (1-е место в 2006 г.).
По теме диссертации опубликовано 33 печатные работы, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа содержит 143 страниц машинописного текста, 67 рисунков, 35 таблиц. Список литературы составляет 135 наименований, из них 33 на иностранных языках.
Характеристики процесса изнашивания и факторы, влияющие на износ пары «фрикционная накладка – контртело» колесных тормозных механизмов
Изнашивание – процесс разрушения поверхностных слоёв твёрдого тела при механическом воздействии на него другого тела или среды. Если механическое воздействие проявляется в виде силы трения, то говорят об изнашивании при трении.
Закономерность изнашивания большинства деталей описывается общепринятой кривой, представленной на рисунке 1.4.
И.В. Крагельскому [44]: I – зона приработки; II – зона установившегося изнашивания; III – зона критического изнашивания В работах И.В. Крагельского [43, 44, 45, 46] говорится, что при изнашивании акт разрушения локализуется в малом объёме материала, который удаляется из зоны трения в виде частиц износа. О величине износа обычно судят по уменьшению размера тела в направлении, перпендикулярном к поверхности трения (линейный износ) [44, 46].
Для типичных зависимостей износа и интенсивности изнашивания от пути трения (времени) различают три стадии процесса: приработка; установившееся изнашивание; критическое изнашивание.
Первая стадия процесса (приработка) - неравновесная стадия процесса изнашивания, доля которой в общем ресурсе (времени работы) сопряжения мала.
Она характеризуется значительной интенсивностью изнашивания —, которая по мере работы сопряжения падает. Математически процесс приработки описывается следующей зависимостью:
Вторая стадия процесса (установившееся изнашивание) - самая продолжительная по времени и характеризуется постоянным значением интенсивности изнашивания: — = const. При этом износ описывается линейной зависимостью: Третья стадия процесса (критическое изнашивание) - неравновесная, характеризующаяся значительной интенсивностью изнашивания —, которая по мере работы сопряжения непрерывно возрастает. Математически процесс критического изнашивания описывается следующей формулой: где hmax - предельно-допустимая величина износа. На данный момент все заводы-изготовитель транспортных средств рекомендует осуществлять замену тормозных накладок до достижения ими предельного состояния, т.е. зоны критического изнашивания.
Таким образом, тормозные накладки проходят зону приработки и зону установившегося изнашивания. Обычно для зоны приработки характерно изнашивание по экспоненциальному закону, а в зоне установившегося изнашивания – по линейному.
В исследованиях В.В. Меринова [55] и Г.М. Косолапова [48] также было выявлено, что при пробегах автомобиля 2000-3000 км фактические величины износа накладок выше расчетных, что можно объяснить происходящей в начальный период эксплуатации приработкой накладок. Далее интенсивность изнашивания стабилизируется. Кроме того, авторы получили зависимость разницы износа задних тормозных накладок от пробега автомобиля ГАЗ-21, имеющую линейный характер.
Поэтому необходимо оценивать длительность приработки тормозных накладок, чтобы определить ее долю в общем ресурсе, и в случае ее малости по отношению к общему ресурсу, тем самым обосновать возможность расчета изнашивания тормозных накладок по линейной зависимости.
По мере развития методов расчета на износ появлялись все новые и новые теории изнашивания. Одна из них - усталостная теория износа твердых тел, предложенная учеными в 1957 г. В данной теории вводится понятие о единичной фрикционной связи, деформированном объеме трущихся тел, рассматривается напряженное состояние этого объема в зависимости от нагрузки, трения и геометрического очертания микронеровностей. Вид напряженного состояния определяет характер нарушения фрикционных связей. Основная концепция этой теории заключается в необходимости многократного фрикционного воздействия для разрушения поверхностей трения.
Усталостная теория износа получила широкое распространение среди ученых разных стран. Существенный вклад в ее развитие внесли отечественные ученые А.В. Чичинадзе [7, 97, 98, 99], И.В. Крагельский [43, 44, 45, 46], АГ. Гинзбург [99], М.Н. Добычин [44], Е.С. Кузнецов [85], Б.Н. Демиденко [33], В.В. Меринов [55], Г.М. Харач [44], группа американских ученных R.G. Bayer [104], W.C. Clinton [104], J.L. Sirico [104], J.G. Bitter [106] и др.
Указанные авторы считают, что долговечность сопряжения зависит от действующего напряжения и числа циклов нагружения, приводящих к разрушению материала - важнейшее соотношение усталостной теории износа.
Так, отечественными учеными для определения интенсивности изнашивания предложена следующая зависимость:
Lтр - путь трения. В Японии Обществом инженеров-смазчиков (JSLE) введена удельная характеристика износа, называемая удельным объемным износом (см2/кгс): где V - изношенный объем; N - нормальная нагрузка; L - путь скольжения. Б.Н. Демиденко [33], изучая износ накладок автомобильных тормозных механизмов, установил его аналитические зависимости от длительности эксплуатации. Автор получил следующие выражения для определения скорости износа элементов фрикционной пары К: тангенциальной силы от центра тормозного барабана, а параметры определяются следующими соотношениями: Q= BC-M.(RC+C-A) A = 2 a - расстояние от центра тормоза до точки приложения разжимной силы;
JLX - коэффициент трения;
С - расстояние от опоры колодки до центра тормоза;
Р - усилие, приходящее на колодку;
Р1, Р2 - углы обхвата тормозного барабана накладками;
КН - коэффициент, учитывающий влияние эксплуатационных факторов на износ накладки;
К8 - коэффициент, учитывающий влияние эксплуатационных факторов на износ барабана;
V СК - скорость относительного скольжения элементов пары;
b - ширина тормозной накладки;
ос1 - угол приложения силы, разжимающей колодки. Проведя анализ процесса изнашивания элементов тормозного механизма, автор констатирует, что его величина пропорциональна скорости относительного скольжения и удельному давлению на накладку.
Исследования Б.Н. Демиденко [33] позволяют аналитически определять износ элементов тормоза и срок службы тормозных накладок, если известна длительность доли режима торможения в общем пробеге.
Однако, при изменении состава материала тормозных накладок или конструкции тормозного механизма необходимы исследования, связанные с определением коэффициента трения, скорости относительного скольжения элементов пары и геометрических и силовых характеристик тормозного механизма.
В работах И.В. Крагельского, М.Н. Добычина и В.С. Комбалова [44] приведены следующие факторы с аналитическими зависимостями, определяющие интенсивность изнашивания Ih., которые можно разбить на четыре группы: - внешние условия трения (ра):
Планирование экспериментов и разработка частных методик исследований
Для аналитического исследования изменения ресурса тормозных накладок (тормозных колодок) колесных тормозных механизмов автором была использована теория планирования активных и пассивных экспериментов. Математические модели исследовались в виде функций отклика факторов, влияющих на ресурс тормозных накладок в эксплуатации.
Цель экспериментальных исследований - оценить ресурс тормозных накладок различных категорий автомобилей, определить точность и достоверность оценки и установить определяющие факторы для создания математической модели изменения ресурса тормозных накладок. Известно, что при пассивном эксперименте факторы исследуются произвольным порядком. Не все полученные уровни факторов будут симметричны. Процедура вычисления коэффициентов функции отклика с использованием всех полученных экспериментом уровней уже для двух- и трехфакторной модели сложна. Вместе с тем, организация исследований изменения факторов посредством подконтрольной эксплуатации, которая не допускает вмешательство экспериментатора, возможна только пассивными методами. Однако, это не исключает выбор для расчетов функций отклика симметричных уровней факторов с последующими проверками математической модели на воспроизводимость, адекватность, значимость коэффициентов.
На примере исследования режимов движения автотранспортного средства [41]: разгон, равномерное движение, торможение, холостой ход, функции отклика будут следующими: Y4 – холостой ход представлены функциями многофакторных процессов, значения которых зависят от n-го числа параметров, в частности, которыми могут быть приняты: X1 – сезон года, X2 – время суток, X3 – вид и условия выполнения перевозок, X4 – пропускная возможность дороги, X5 – регулирование дорожного движения и т. п. Количество и наименования параметров зависит от целей исследований. При этом, исходя из анализа влияния факторов на соотношения составляющих движения, в качестве переменных факторов, влияющих на длительность режима торможения, были приняты вид и условия выполнения перевозок (пассажирские или грузовые, маршрутными такси, автобусами или индивидуальным транспортом, городские или междугородние, на равнинной местности или в горных условиях). Такие факторы, как сезон года, время суток, пропускная способность дороги и регулирование дорожного движения, были исключены, поскольку исследования проводились во-первых, в сезоны с температурой воздуха не ниже 10С (максимальная интенсивность движения), во-вторых, во время суток, характерное для данного вида перевозок, в-третьих, при постоянной пропускной способности дороги и регулировании дорожного движения для одного маршрута. Очевидно, для режима торможения оценочным параметром Y3 фактора «вид и условия перевозок» может быть принят путь трения тормозных накладок на 1 км пробега автомобиля. В этом случае математическая модель режима торможения будет иметь вид Y3 = f(X1, …,Хn), где Xt - случайные величины аргументов (факторов) оценочного параметра.
Принимая во внимание, что изменение фактора «вид и условия выполнения перевозок» не зависит от экспериментатора и априорное назначение уровней фактора требует неоправданно больших затрат в стоимостном выражении, исследование режимов движения автотранспортных средств целесообразно выполнять пассивным методом, т.е. организацией подконтрольной эксплуатации. Объем измерений определялся по формуле, рекомендуемой в РД 50-690-89 [74] и основывался на зависимости: где tq - квантиль распределения Стьюдента с числом степеней свободы и, соответствующий доверительной вероятности q; п - количество измерений исследуемой величины на маршруте, в котором оценивается длительность режима движения АТС, через равное расстояние (в принятом автором случае это пробег в 1 км).; - предельная относительная ошибка оценки показателей измеряемой величины; v коэффициент вариации.
При исследованиях были измерены временные и скоростные характеристики торможения: общее время торможения, количество торможений до остановки, длительность торможений до остановки, средняя начальная скорость торможения до остановки, интервалы скоростей притормаживания и время притормаживания. С целью исключения систематических ошибок, вызванных внешними условиями, дни недели, когда проводились измерения, были предварительно рандомизированы по таблице случайных чисел.
Измерения проводились группой наблюдателей в количестве 2 - 3 человек, следующих за объектом на автомобиле или находившихся непосредственно в салоне (кабине) объекта. В городских условиях измерения проведены непрерывно, в загородных - с интервалом 20 - 30 км.
Учитывая, что исследуемые характеристики торможения зависят от большого числа факторов, в качестве закона их распределения, как случайных величин, может быть принят нормальный закон. В этом случае, при максимальном коэффициенте вариации нормального закона v = 0,30, количество измерений п с точностью є = 0,10 для двусторонней доверительной вероятности q = 80 и 90 %, составят, соответственно, 16 и 26.
Экспериментально полученные данные проверялись на принадлежность одной генеральной совокупности случайных величин (т. е. на наличие грубых ошибок) и на то, что их распределение в выборках не противоречит нормальному закону, соответственно, по критериям Стьюдента и 2 при уровне значимости = 0,05 - 0,1.
Оценка средних значений времени торможения автотранспортного средства на каждом скоростном режиме Yt ср в заданных интервалах времени и пробега, их нижняя Yj н и верхняя Yj в интервальные границы определяются выражениями [15] Yu в, н = Yu ср + ґ80, 90(и - 7)/«0,5, (2.12) где:Yi – измеренные значения характеристик торможения; t80, 90 – квантили распределения Стьюдента:1,75 при n = 16 и 1,71 при n = 26.
Путь трения накладок на 1 км пробега определялся расчетом по средним значениям измеренных величин и заданных параметров колесных тормозных механизмов в технической документации.
В условиях подконтрольной эксплуатации оценивалась средняя наработка до замены тормозных колодок из-за достижения предельного состояния на 10 маршрутных такси ГАЗель.
Нижняя и верхняя интервальные границы Rн и Rв определялись по формуле (2.12). Средняя наработка колодок до замены и средний ресурс фрикционного слоя проверялись на предмет их равенства.
Для оценки долговечности фрикционного материала на подконтрольные автотранспортные средства были установлены тормозные колодки и фрикционные накладки производства ООО «ВАТИ». Перед установкой были проведены измерения толщины фрикционного материала и соответствующих размеров контртел. В процессе подконтрольной эксплуатации оценивалось техническое состояние тормозных механизмов при промежуточных экспертизах и эффективность торможения автотранспортных средств по сведениям, полученным от водителей. По окончании подконтрольной эксплуатации проводилась заключительная техническая экспертиза. При заключительной технической экспертизе измерялась остаточная толщина фрикционного материала, соответствующие размеры контртел и оценивалось состояние поверхностей трения [64, 65, 66, 67, 68].
Долговечность тормозных накладок по результатам подконтрольной эксплуатации и точность оценки их ресурса
Подконтрольные автомобили ГАЗель (10 единиц) с 40 тормозными накладками «ВАТИ», «Trans Master» и «BEST» выполняли перевозки пассажиров на городских маршрутах № 20 и № 53 г. Волгограда. Условия эксплуатации соответствуют IV-ой категории [69].
За период с 21.10.2004 г. до 22.01.2005 г. (3 месяца) пробег автомобилей до прекращения наблюдений и проведения заключительной технической экспертизы составил 10-15 тыс. км. В ходе подконтрольной эксплуатации на 8 маршрутных такси тормозные колодки были заменены, в т.ч. на 5 – по причине естественного износа, на одном - из-за разрушения фрикционного слоя колодки, на двух из-за дефектов в тормозных механизмах, представленных в таблицах 3.7 и 3.8.
Средний пробег до замены комплекта тормозных колодок составил rср = 14,1 тыс. км при среднеквадратическом отклонении 1,84 тыс. км. При 8 заменах и коэффициенте вариации 0,13 доверительная вероятность оценки средней наработки до замены составляет 0,95 при относительной ошибке 0,09.
Измерения остаточной толщины фрикционного слоя тормозных колодок были проведены на 5 маршрутных такси. Заключительная техническая экспертиза деталей тормозных механизмов была выполнена на производственных площадях ООО “Волтакс-1”, ее результаты приведены в таблице 3.9.
Внешний вид тормозных накладок подконтрольного автомобиля ГАЗ-32213, гос. номер Т 840 РА, представлен на фотографиях (Приложение А, рисунки А.1-А.6).
По результатам технических экспертиз передних тормозных механизмов автомобилей семейства ГАЗ установлено следующее:
- изменение эффективности торможения (увеличение тормозного пути) проявилось на автомобилях, передние тормозные колодки которых достигли предельного состояния по износу фрикционного слоя (остаточная толщина менее 3 мм);
- увод автомобиля при торможении проявился вследствие неравномерности износа фрикционного слоя тормозных накладок из-за дефектов деталей тормозных механизмов (коробление тормозного диска, заедание рабочего тормозного цилиндра на маршрутных такси с общим пробегом 10460 км и 11640 км);
- увеличение тормозного пути фиксировалось водителем, как правило, при снижении толщины фрикционного слоя менее 3 мм на всех 4-х колодках, максимальная неравномерность износа до 40%; для обнаружения увода при торможении достаточно снижения толщины фрикционного слоя менее 3 мм на двух колодках комплекта, неравномерность износа до 80%. При износе выше предельного значения только одной накладки из четырех, водитель не обнаруживал изменения в эффективности торможения автомобиля.
Выборочное уравнение линии регрессии процесса изнашивания фрикционного слоя передних тормозных колодок имеет вид: где Yx – величина износа, мм; Х – пробег, тыс. км. Выборочные средние значения величины износа и пробега Y = 3,3 мм; Х =12,9 тыс. км, а выборочные среднеквадратические отклонения Y =1,4 мм, Х = 1,8 тыс. км.
Решая уравнения регрессии относительно предельного значения износа фрикционного слоя, определим среднее значение пробега тормозных накладок до предельного состояния: Rср = 13,8 тыс. км, среднеквадратическое отклонение 1,93 тыс. км и коэффициент вариации 0,14.
Используя выражение tq (N – 1)/N 0,5 = / [74], при N = 20 и заданной доверительной вероятности q = 0,95 (tq = 1,73) расчетным путем получим относительную ошибку = 0,05 оценки среднего ресурса. На рисунке 3.1 приведена графическая интерпретация изменения остаточной толщины фрикционного слоя в зависимости от пробега с использованием рассчитанного уравнения регрессии. мм
aПроверка нулевой гипотезы о равенстве выборочных средних значений ресурса Rcp и пробега до замены rcp показала, что наблюдаемое значение критерия Tнабл = 0,38 tдвуст. кр = 1,71 (при уровне значимости 0,10 и числе степеней свободы 26), следовательно, нулевую гипотезу не отвергаем [15].
Несмотря на то, что средние значения ресурса Rcp и пробега до замены rcp получены при одинаковой длительности наблюдений и равном числе автомобилей, а следовательно, могут быть представлены одной генеральной средней, результаты оценки ресурса накладок по уравнению регрессии является более точными. Относительная ошибка и доверительная вероятность оценки среднего ресурса, полученного по результатам обработки измерений остаточной толщины фрикционного слоя тормозных накладок, соответствуют требованиям к составным частям изделия, влияющим на безопасность.
Результ ат ы подконтрольной эксплуатации автомобиля КамАЗ-5320.
Подконтрольный автомобиль КамАЗ-5320, гос. номер Х 099 ТС, выполнял междугородные перевозки грузов. Условия эксплуатации – автомобильные дороги за пределами пригородной зоны на равнинной, слабохолмистой и холмистой местности, имеющие цементобетонное и асфальтобетонное покрытие (1-я категория).
За время наблюдений, с 15.05.2005 г. до 23.06.2006 г. (1 год и 1 месяц), пробег автомобиля по спидометру составил 49853 км. По сведениям, полученным от водителей, тормозная система автомобиля исправна, торможение на линии эффективно. При промежуточных экспертизах тормозных механизмов (пробег автомобиля 17,0 и 25,0 тыс. км с начала установки накладок) техническое состояние накладок и тормозных барабанов было в норме. Отсутствие изменения эффективности торможения при пробеге до 50 тыс. км позволяет утверждать о нахождении тормозных накладок в зоне установившегося изнашивания.
После возвращения из очередного рейса автомобиль был поставлен на ТО-2 с пробегом 49853 км. При ТО-2 была проведена заключительная техническая экспертиза состояния деталей тормозных механизмов среднего и заднего ведущих мостов, которая показала: - износ тормозных накладок среднего моста превышает износ накладок заднего моста на 10-15%; средняя остаточная толщина фрикционного слоя накладок тормозных механизмов среднего моста равна 9,8 мм, заднего – 12,4 мм;
- тормозные накладки имеют неравномерный износ, обусловленный разной интенсивностью приработки поверхностей для компенсации отклонений в регулировке тормозных механизмов (наибольший износ - с внутренней стороны);
- верхние накладки на правом колесе среднего моста имеют 2…3 скола по краям размерами 2030 мм и менее, а также мелкие трещины (длиной около 10…15 мм), направленных от центра к краям;
- тормозные барабаны дефектов не имеют, состояние рабочих поверхностей соответствует требованиям эксплуатационной документации автомобилей “КамАЗ”, износ не превышает 0,2 – 0,3 мм [66].
Исследование длительности периода приработки тормозных накладок
Согласно приведенным в разделе 4.2 результатам исследования эффективность торможения колесных тормозных механизмов с увеличением пробега изменяется. Установлено, что изменение эффективности торможения автомобиля проходит два периода теоретического процесса изнашивания: I-й период повышения эффективности торможения, связанный с интенсивным изнашиванием тормозных накладок при приработке, II-й период относительно стабильных значений эффективности торможения (интенсивность изнашивания постоянна). III-й период катастрофического снижения эффективности торможения вследствие повышения интенсивности изнашивания. Обычно для рассматриваемых элементов III-й период отсутствует из-за ограничений по требованиям безопасности. Причем общая тенденция снижения свойств пар трения с увеличением срока эксплуатации для колесных тормозных механизмов сохраняется.
Наиболее наглядно изменение эффективности торможения проявляется на относительной разнице тормозных сил оси. Поэтому этот показатель рационально использовать в качестве основного оценочного.
Ранее было показано, что износ тел в различные периоды изнашивания может быть выражен как линейными уравнениями вида у = аjх + bj, так и экспоненциальным у = аj + bjе-х, где х – текущий пробег, изменение которого происходит в границах периодов изнашивания. Поскольку изменение относительной разности тормозных сил обусловлено изнашиванием как фрикционного слоя накладки, так и рабочей поверхности контртела тормозных механизмов, то эти процессы являются подобными и для их описания могут использоваться одни и те же уравнения.
Совокупность таких уравнений для различных периодов изнашивания может быть представлена нелинейным уравнением n-го порядка: у = а0 + а1x + а2x2 + а3x3+ а4x4 + … + аnxn. Так как длительность периода приработки точно неизвестна, то очевидно, что исследования изменения разности тормозных сил на оси могут захватывать оба периода. Поэтому процесс изменения относительной разности тормозных сил должен быть представлен таким же уравнением.
Автором экспериментально установлено, что на изменение эффективности торможения влияют пробег от начала установки тормозных колодок и общий пробег автомобиля. Поэтому пробег от начала замены и общий пробег целесообразно принять в качестве факторов оценочного показателя разность тормозных сил на оси, соответственно, (Х1) и (Х2). Для двухфакторного эксперимента оценки разности тормозных сил общий вид функции отклика 2-го порядка будет следующим: где Y – разность тормозных сил.
Для определения такой поверхности факторы Х1 и Х2 должны варьироваться не менее, чем на трех уровнях. При n = 2 на трех уровнях (-, 0, +) число опытов N = 32 = 9. При пятикратном повторении опытов общее количество измерений составляет 45.
Для определения коэффициентов математической модели длительности приработки тормозных накладок в зависимости от пробега автомобиля автор исследовал эффективность торможения переднеприводных автомобилей ВАЗ (показатель – относительная разность тормозных сил) в интервалах пробега 0 – 2500 км. Результаты исследования приведены в таблице 4.5 (общее количество измерений факторов 48).
Проверка по критерию Кохрена показала, что 2Лт.с. ср. = 0,77; S2 = 0,5610-2; Gоп = 0,1010-2/0,5610-2 = 0,18 G=0,05(-1; N) = 0,52, где г = 2 и N = 9 [41]. Следовательно, дисперсии параллельных опытов однородны, их можно усреднить и определить 52, общ. - дисперсию воспроизводимости всего эксперимента.
Проверка согласования гипотезы о нормальном распределении генеральной совокупности X с эмпирическим распределением проведена с использованием критерия Пирсона, при уровне значимости = 0,05. Так как 2набл. 2кр. = 3,8, гипотезу о нормальном распределении случайных величин не отвергаем.
Для определения коэффициентов функции отклика (4.7) составлена и решена система уравнений (4.8). Причем общий пробег автомобиля с начала эксплуатации Х2 выражаем в условных единицах - числе возможных технических обслуживании.
Исключив незначимые коэффициенты, применяя критерий Стьюдента (tw = аг/ош), получим решение системы уравнений (4.9): где Х\ и Х2 - соответственно, пробег от начала установки тормозных колодок (тыс. км) и общий пробег автомобиля (порядковый номер очередного ТО).
Далее проведена оценка соответствия полученной математической модели исследуемому явлению по соотношению дисперсии адекватности к общей дисперсии эксперимента. В таблице 4.7 приведены средние значения относительной разности тормозных сил, полученные опытным путем и рассчитанные по уравнению регрессии.
Находим дисперсию адекватности математической модели S2ад = r (yiоп -yip)2/f = 3,1/3 = 1,0310-3, где yiоп – среднее арифметическое из r параллельных опытов в i-ой точке плана; yip – вычисленное по уравнению регрессии значение функции отклика; f = N – d, где d – число незначимых коэффициентов в модели, равное 2.
Опытное значение критерия Фишера Fоп = S2ад/S2общ = 0,10310-2 / /0,06310-2 = 1,63, теоретическое значение Fт = 2,9 (f1 = 3; f2 = 40), Fт Fоп. Следовательно, полученная математическая модель адекватно описывает длительность приработки тормозных накладок колесных тормозных механизмов автотранспортных средств в зависимости от пробега автомобиля после установки колодок и с начала эксплуатации.
По результатам экспериментальных исследований была построена зависимость изменения относительной разности тормозных сил (показатель эффективности торможения) от пробега в период приработки, которая приведена на рисунке 4.4.
На рисунке 4.4 приведена поверхность функции отклика полученной двухфакторной модели: Y = 0,12 – 0,032Х1 + 0,011 Х12 - 0,4410-3Х1Х2.
Изначально уравнение изменения относительной разности тормозных сил от пробега, коэффициенты которого были установлены, включало период приработки и период установившегося износа тормозных накладок. Период приработки заканчивается наилучшим состоянием поверхностей деталей и их относительным расположением для обеспечения эффективности торможения. Поэтому принимаем, что наименьшее значение относительной разности тормозных сил соответствует окончанию периода приработки.
