«УСКРЕННАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РЕЖИМОВ ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ...»

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Тюрин Сергей Васильевич

УСКРЕННАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК

НА ОСНОВЕ ВЫБОРА РЕЖИМОВ ПОДКОНТРОЛЬНОЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор А.А. Ревин Волгоград 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………………….. 1.1 Эксплуатационная надежность автомобиля и его элементов…………... 1.2 Испытания на долговечность деталей, узлов и агрегатов автотранспортных средств………………………………………………... 1.3 Изнашивание деталей и сопряжений сборочных единиц автотранспортных средств………………………………………………... 1.4 Характеристики процесса изнашивания и факторы, влияющие на износ пары «фрикционная накладка – контртело» колесных тормозных механизмов…………………………………………………... 1.5 Цель и задачи исследования……………………………………………….

2 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА

ИССЛЕДОВАНИЙ РЕСУРСА ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК ПРИ

ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ…………………………... 2.1 Программа экспериментальных исследований и общая методика выявления факторов, определяющих долговечность тормозных накладок колесных тормозных механизмов и точность оценки их ресурса……..………………………………………………………………. 2.2 Планирование экспериментов и разработка частных методик исследований ……………………………………………………………… 2.3 Формирование экспериментальной базы…………………………………

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК В УСЛОВИЯХ

ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ…………………………... 3.1 Результаты исследования режимов движения автотранспортных средств в эксплуатации и определение пути трения тормозных накладок……………………………………………………………………. 3.2 Долговечность тормозных накладок по результатам подконтрольной эксплуатации и точность оценки их ресурса………………………….….

4 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ

НАКЛАДОК………………………………………………………………. 4.1 Разработка математической модели изменения остаточного ресурса тормозных накладок в процессе эксплуатации………………………….. 4.2 Изменение эффективности торможения в период между очередными ТО………………………………………………………………………….... 4.3 Исследование длительности периода приработки тормозных накладок

5 ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ

НАКЛАДОК ДЛЯ УСКОРЕННОЙ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ…………………………………….. 5.1 Обоснование возможности ускоренной оценки долговечности тормозных накладок ………………………………………………………. 5.2 Определение характеристик типового режима ускоренных стендовых испытаний на долговечность тормозных накладок……………………... 5.3 Метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок по результатам эксплуатации подконтрольного аналога…………………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ А. Внешний вид тормозных накладок и контртел при проведении технических экспертиз…………………………………. ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт об использовании результатов исследований долговечности тормозных накладок в реальных условиях эксплуатации………...……………………………..……………………….

ВВЕДЕНИЕ

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 для оценки долговечности тормозных накладок всей выпускаемой номенклатуры является актуальным для предприятий данной отрасли, а также для автотранспортных предприятий для оценки 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.Л. Кусочкина, В.М. Старикова, Биргера, Ю.Н. Дроздова, О.Ф.

Трофимова, Я.М. Берковича, Д.Н. Решетова, В.З. Фадеева, В.М. Долинского, Б.Р.

Левина, В.А. Наумова N.A. Enomoto, M. Prot рассмотрены вопросы испытаний на долговечность деталей, узлов и агрегатов, их виды, проанализированы преимущества и недостатки каждого вида испытаний.

Процессы изнашивания деталей и сопряжений рассмотрены в работах А.В.

Чичинадзе, И.В. Крагельского, Б.Я. Гинсбурга, М.Н. Добычин, Л.Г. Кифера, И.И.

Абрамовича, Е.А. Чудакова, А.В. Осяпина, Н.А. Буше, Е.С. Кузнецова, В.С.

Камболова, Б.М. Демиденко, В.В. Меринова, Г.М. Косолапова, Г.М. Харача, Е.Ф.

Непомнящего, Г. Польцера, J.H. Alden, C.A. Brokley, H.R. Davis, R.D. Cater, K.

Endo, Y. Fukuda, H. Togata, O.Takamia, R.G. Bayer, W.C. Clinton, J.L. Sirico, J.G.

Bitter.

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 позволяют 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, недооценка специфических особенностей эксплуатации и т.п.;

- трудности пересчета их результатов 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 в характерных для различных видов автотранспортных средств режимах движения, получить данные о режимах движения подконтрольных автотранспортных средств и долговечности различных тормозных накладок в реальных условиях эксплуатации с целью определения корректирующих коэффициентов.

2. Установить величину пробега, за время которого происходит приработка, и оценить ее влияние на величину ресурса тормозных накладок.

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.

5. 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.

6. Апробировать разработанный метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок колесных тормозных механизмов автомобилей.

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 «Волтаксдля 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 математическую модель изменения ресурса тормозных накладок колесных тормозных механизмов автомобилей.

параметры качественного подобия процесса изнашивания тормозных накладок, соблюдение которых повышает адекватность пересчета результатов ускоренных испытаниях 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.

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. СанктПетербург; «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств», 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", г., г. Вильнюс, Вильнюсский техн. ун-т им. Гедиминаса;

Участие во Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «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 печатных работы, в том числе статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Эксплуатационная надежность автомобиля и его элементов Современный автомобиль является сложным изделием и под его надежностью понимается комплексное свойство, включающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Каждое из этих свойств в конкретных условиях эксплуатации имеет важное значение и определяет возможность автомобиля удовлетворять предъявляемым к немy требованиям в соответствии с назначением.

Вопросами надежности деталей, узлов и машин в целом занимались такие отечественные и зарубежные ученые, как А.С. Проников [72], В.А. Трикозюк [88], В.П. Когаев [47], И.В. Балабин [5], Р.В. Кугель [49, 50], Б.В. Гольд [16], В.А. Трофимов [50], В.М. Стариков [50], Е.С. Кузнецов [85], Е.А. Индикт [40], Я.Б. Шорр [6], И.А. Биргер [6], Я.М. Беркович [101], В.К. Толкачев [101], А.М. Шейнин [101], Д.Н. Решетов [79], А.С. Иванов [79], В.М. Фадеев [79], D.F. Moore [122], C. Lipson [118], N. Sheth [118], O.A. Fazekas [114].

Под безотказностью автомобиля понимается его способность непрерывно сохранять работоспособное состояние на заданном пробеге (гарантийный пробег, пробег до очередного технического обслуживания) или в течение установленного транспортировки). Работоспособным состоянием (работоспособностью) считается такое состояние, при котором автомобиль может выполнять транспортную работу с установленными для него в технической и нормативной документации эксплуатационными показателями и требованиями безопасности: скоростью движения, грузоподъемностью, расходом топлива, временем разгона, эффективностью торможения. Если хотя бы один из установленных показателей не соответствует требованиям, то автомобиль считается неработоспособным, т. е.

имеет место отказ.

В связи с этим оследует рассмотреть понятие отказа автомобиля несколько подробнее. При оценке надежности имеют место случаи, когда отказом считается только вынужденный простой автомобиля на линии по технической причине, несвоевременный выезд на линию или преждевременный возврат, а неисправности, устраняемые в межсменное время или при техническом обслуживании, не считаются отказами.

Кроме термина “отказ” широко используется также термин “неисправность” или “неисправное состояние”. Эти понятия имеют более широкий смысл, чем понятие “отказ” и означают такое состояние автомобиля, при котором он не удовлетворяет хотя бы одному из требований, установленных для него в технической документации, тогда как отказ всегда означает нарушение работоспособности. К таким неисправностям относят ослабление резьбовых соединений, снижение уровня рабочих жидкостей, износ фрикционных накладок сцепления и тормозных колодок, разрывы пыльников и т. п.

Неисправности могут быть несущественными, не вызывающими отказ, или существенными, вызывающими отказ автомобиля. Так, отсутствие колпака, предусмотренного конструкцией колеса легкового автомобиля, означает его несущественную неисправность, так как не вызывает отказ. С другой стороны, снижение эффективности торможения из-за износа тормозных накладок в период между контрольными сроками проверки тормозных механизмов, является существенной неисправностью, которая классифицируется как отказ, влияющий на безопасность автомобиля.

В зависимости от влияния на работоспособность автомобиля, отказы делятся на полные и частичные. Под частичным понимается такой отказ, после возникновения которого автомобиль может еще выполнять некоторое время транспортную работу, но с меньшей производительностью [72].

Для количественной характеристики безотказности автомобиля применяются следующие показатели: вероятность безотказной работы, параметр потока отказов.

Вероятность безотказной работы Р(L) статистически определяется по опытным данным по формуле где nр – число автомобилей, безотказно проработавших до заданной наработки (пробега) L;

N – общее число опытных автомобилей в партии.

Данный показатель количественно характеризует вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникнет отказ автомобиля. При этом в качестве заданной наработки обычно принимается установленный гарантийный пробег или принятая периодичность технического обслуживания.

Средняя наработка до отказа L1 представляет собой среднее значение наработок N автомобилей до первого отказа и статистически определяется по формуле где Li – наработка i-го автомобиля до первого отказа, тыс. км.

Если по опытным данным определена функция распределения наработки до первого отказа, то вероятность безотказной работы и средняя наработка до отказа могут быть определены по формулам где f(L) – плотность функции распределения наработки до первого отказа.

Для ремонтируемого изделия, каким является автомобиль, моменты отказов в процессе эксплуатации образуют поток, который принято называть потоком отказов. В качестве дифференциальной характеристики этого потока используется параметр потока отказов, статистическую оценку которого можно найти по приближенной формуле где ri – число отказов i-гo автомобиля за рассматриваемую наработку;

L – интервал пробега, на котором определяется параметр потока Наработка на отказ означает среднее значение наработки между отказами и статистически определяется отношением суммарной наработки автомобилей к суммарному числу отказов Отказы автомобиля происходят из-за изменения технического состояния его деталей, которое проявляется в разрушениях, износе и других повреждениях, в предупреждаются техническими обслуживаниями и устраняются ремонтом.

При этом предельное состояние автомобиля определяется наступлением момента, когда его дальнейшая эксплуатация становится невозможной по причине неустранимого снижения его эксплуатационных и нормативных показателей, или из-за нецелесообразности его ремонта. Под целесообразностью ремонта понимается такое состояние, при котором текущий ремонт требует недопустимо больших затрат и, кроме того, не обеспечивается восстановление работоспособности на требуемом уровне.

Наработка автомобиля до предельного состояния характеризует его долговечность, а наработка автомобиля до отказа – долговечность его деталей.

Показателями долговечности автомобиля и его деталей служат ресурс и срок службы. При этом ресурс измеряется пробегом в километрах с начала эксплуатации (после замены) до предельного состояния. Под сроком службы подразумевается календарная продолжительность эксплуатации автомобиля. При оценке долговечности автомобиля и его деталей используются такие показатели, как средний ресурс (средний срок службы) и гамма-процентный ресурс.

Статистически средний ресурс (средний срок службы) определяется по приближенной формуле где Lpi – ресурс i-гo автомобиля, полученный при испытании;

f(L) – плотность функции распределения ресурса.

При определении гамма-процентного ресурса (гамма-процентного срока службы) задаются величиной в процентах автомобилей (), которая является регламентированной вероятностью того, что заданное количество автомобилей Определяется гамма-процентный ресурс из уравнения где F(L) – функция распределения ресурса.

Кроме рассмотренных показателей, относящихся к одному из свойств, при оценке надежности автомобиля применяются такой показтель, как ресурс (срок коэффициент готовности, удельная трудоемкость ремонта и технического обслуживания, удельная стоимость ремонта и обслуживания и др. [88].

применяют новые материалы. Поэтому изготовителям для установления номенклатуры узлов и механизмов, проверяемых при техническом обслуживании, сервисным организациям для определения объема работ и номенклатуры запасных частей необходимо иметь информацию о долговечности деталей автомобиля. Особенно это важно для тех деталей транспортного средства, которые влияют на безопасность конструкции в процессе его эксплуатации.

1.2 Испытания на долговечность деталей, узлов и агрегатов В работах Р.В. Кугеля [49, 50], Б.В. Гольда [16], Е.С. Кузнецова [85] А.С. Проникова [72], В.А. Трикозюка [88], В.П. Когаева [47], Е.А. Индикта [40], Е.А. Чудакова [100], В.М. Старикова [50], И.А. Биргера [6], Ю.Н. Дроздова [35, 36], В.А. Трофимова [50], Я.М. Берковича [101], Д.Н. Решетова [79], В.М. Фадеева [79], N. Sheth [118], D.F. Moore [122], C. Lipson [118], O.A. Fazekas [114] рассмотрены вопросы испытаний на долговечность деталей, узлов и агрегатов, проанализированы преимущества и недостатки каждого вида испытаний.

Надежность машины может быть оценена только с помощью всесторонних испытаний. Наиболее сложны и длительны испытания на долговечность вследствие статистической природы ее показателей, большой их номенклатуры, зависимости от множества конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а также разнообразия процессов накопления повреждений в деталях. Для каждого сложного объекта таких испытаний с его специфическими особенностями обычно требуются новые решения. Для рациональной организации испытаний автомобиля и его элементов требуется умение выбрать оптимальные сочетания различных видов испытаний на разных этапах, обосновать объемы, методы и режимы испытаний, правильно оценить долговечность деталей машины по совокупности информации из различных источников.

На начальных стадиях создания нового изделия сведений о его долговечности мало, на последующих стадиях осведомленность постепенно возрастает (рисунок 1.1) и зависит от способа и интенсивности испытаний. Но даже на стадии серийного выпуска изделий сведения об их долговечности редко достигают желаемой полноты. На практике постоянно возникают все новые вопросы, обусловленные учащением отказов какого-либо вида, требованиями потребителей или экономическими соображениями, поэтому приходится принимать меры к восполнению пробелов в информации путем организации дополнительных испытаний или наблюдений.

Рисунок 1.1 – Схема изменения объема информации о долговечности конструкции на стадиях: I – разработка основного проекта; II – конструирование; III – испытания и доводка; IV – испытания установочной серии; V – эксплуатация используют всю совокупность имеющихся на данном этапе сведений, полученных расчетами, при испытаниях и наблюдениях. Анализируя эти сведения, учитывают различия в выборках и в условиях работы изделий, сопоставляют результаты расчетов с результатами экспериментов, выявляют особенности эксплуатации изделий и влияние этих особенностей на долговечность.

При сопоставлении интенсивности изнашивания двух пар трения по расчетным и экспериментальным данным, было выявлено расхождение в 2,2 и 3 раза [44, 46], что считалось удовлетворительным. Следовательно, даже при весьма тщательных расчетах, выполненных высококвалифицированными существенные различия между расчетными и экспериментальными оценками интенсивности изнашивания деталей или их ресурса.

Особым случаем является расчетный прогноз ресурса изнашиваемого изделия, полностью основанный на экспериментальных данных. Если, например, с приемлемой точностью установлено, что детали рассматриваемого вида изнашиваются за 1000 ч эксплуатации в среднем на 0,03 мм и что предельное состояние детали наступает при износе 0,15 мм, то нетрудно подсчитать, что ожидаемый средний ресурс будет составлять примерно 5000 ч. По мере накопления экспериментальной информации создается возможность широкого применения таких расчетов для приблизительных прогнозов на стадиях проектирования и отработки [47].

Совершенствованию расчетных методов способствует применение ЭВМ. В частности, в последние десятилетия появилась возможность рассчитывать множество конструктивных вариантов и выбирать лучшие из них для последующей экспериментальной проверки. ЭВМ эффективно используют для моделирования и других исследований прочности элементов автомобилей новых моделей и пересмотра конструкции деталей для снижения их массы, причем объемы необходимых натурных испытаний несколько сократились. Таким образом, относительное значение расчетных методов постепенно повышается, но процесс их совершенствования происходит медленно. Поэтому можно утверждать, что в ближайшее время натурные испытания конструкций не только не уменьшится, но в ряде случаев возрастет.

По мере расширения опыта конструирования и повышения точности расчетных прогнозов долговечности можно было бы ожидать сокращения необходимых объемов испытаний. Действительно, по ряду типовых конструкций использование информации об аналогах в сочетании с расчетными данными позволяет сократить объем испытаний по сравнению со временем, когда еще не был накоплен достаточный опыт, однако, в целом сокращению объемов испытаний препятствуют три фактора: повышение сложности и напряженности конструкций; рост требований к их долговечности; непрерывное расширение номенклатуры материалов. Все это обусловливает необходимость в более сложной и более тщательной экспериментальной проверке долговечности машин новых моделей [40].

Испытания изделий на долговечность принято называть ресурсными.

Значение этих испытаний в машиностроении обусловлено следующим: от ресурса элементов изделия зависят его долговечность, безотказность, основные показатели ремонтопригодности и сохраняемость; в процессе ресурсных ремонтопригодность.

Понятие «ресурс» применительно к сложной машине в целом не имеет смысла [107], однако понятие «ресурсные испытания машины в целом»

правомерно, так как при таких испытаниях выявляют ресурс элементов машины.

Ресурсным испытаниям должны предшествовать исследования для выбора режима эксплуатации, воспроизводимых при испытаниях, изучение видов эксплуатационных разрушений и оценка нагруженности изделий.

Ресурсные испытания целесообразно классифицировать следующим образом: по целям и, соответственно, видам испытаний; по объектам испытаний;

по темпу проведения; по видами воспроизводимых повреждений; по способу испытаний; по выбранным критериям предельного состояния изделий при испытаниях; по планам испытаний.

По критерию воспроизводимых видов повреждений изделий различают испытания на изнашивание, усталость, коррозию, старение, ползучесть, кавитацию, а также испытания, при которых воспроизводят комплекс повреждений различных видов. Каждый из этих вариантов требует применения соответствующей методики и режима испытаний.

По способу проведения ресурсные испытания подразделяют на стендовые (лабораторные), натурные – полигонные и в условиях нормальной эксплуатации (дорожные, полевые и др.).

По критериям предельного состояния изделий испытания на долговечность делятся на две группы. К первой из них относятся испытания, проводимые до появления таких же признаков технического состояния изделия, как и те, при которых прекращается его эксплуатация у потребителей. Ко второй группе относятся испытания, прекращаемые при ранних стадиях появления повреждений. Эти испытания менее длительны, но и менее информативны [59].

По виду плана испытаний их можно могут быть подразделить следующим образом (ГОСТ 27.410 - 90) [20]: а) полные, проводимые до предельного состояния всех изделий выборки [NUN]; б) усеченные, при которых часть изделий (или все изделия) не доводят до предельного состояния, причем усечение может проводиться по назначенной наработке [NUT] или по намеченной доле отказавших изделий [NUr]; в) проводимые с заменой [NMr] или ремонтом отказавших изделий [NRr]; г) выполняемые без замены [NMT] или ремонта [NRT].

Объем выборки, т.е. количество испытываемых объектов, зависит от принятого плана наблюдений, требуемой достоверности (доверительной вероятности q) и точности оценок (относительной ошибки ) и предполагаемого закона распределения показателя надежности. Экспериментальная оценка показателя надежности в связи с ограниченностью любого эксперимента, всегда случайна, поэтому достоверность оценки определяется доверительным интервалом, расположенным вокруг теоретического значения показателей надежности R: + tqR., где tq – квантиль нормального распределения при доверительной вероятности q; R – среднее квадратическое отклонение теоретического значения показателя надежности. Точность оценки характеризуется относительной шириной этого интервала: = |tqR|/R.

Для деталей техническое состояние которых влияет на безопасность, в частности, тормозных накладок, при планировании испытаний устанавливают = 0,95 и q не менее 0,95.

На рисунке 1.2 приведена номограмма, применяемая для определения числа изделий (числа опытов) для оценки математического ожидания исследуемого параметра.

Рисунок 1.2 – Номограмма для выбора числа изделий для оценки среднего значения случайной величины [49] При соблюдении методических правил стендовые и натурные испытания дают определенную информацию о долговечности изделий и быстрее, и раньше, чем сведения из реальной эксплуатации. Кроме того, натурные испытания на полигоне позволяют оценить долговечность реальных образцов в составе штатного механизма [52].

Вместе с тем, имеются противоречивые мнения относительно точности и доверительности полученных результатов оценки ресурса. Одни принимают только результаты эксплуатации, другие – результаты стендовых (лабораторных) и натурных (полигонных) испытаний.

Недоверие к стендовым (лабораторным) и натурным испытаниям вызвано многочисленными случаями несоответствия их результатов данным эксплуатации. Анализ показал, что это обусловлено рядом причин: неправильный выбор метода или режима испытаний, схемы нагружения, несоответствие условий окружающей среды, недооценка специфических особенностей эксплуатации и т.п.

Так, при стендовых испытаниях тормозных накладок на долговечность можно получить неточные результаты, из-за превышения температуры и давления в паре трения (интенсивность изнашивания резко возрастает). С другой стороны при натурных испытаниях из-за неправильного определения доли режима торможения в общем пробеге транспортного средства в реальных условиях улично-дорожной сети.

Вторая группа причин недоверия к стендовым испытаниям – трудности пересчета их результатов в эксплуатационные показатели и, как следствие, ошибки в прогнозах долговечности. Выпуск широкой номенклатуры изделий исключает возможность стендовых испытаний натурных образцов. В частности, при стендовых испытаниях тормозных накладок проверяются их фрагменты, на порядок меньшие реального изделия и, как следствие, информативность испытаний снижается, а прогнозы требуют осторожности. Анализ ранее проведенных исследований [16, 40, 47, 48, 50, 59, 72, 85, 88, 102] показывает, что одной из не полностью решенных задач ускорения испытаний остается определение достоверных коэффициентов пересчета.

Третья причина сомнений в результатах стендовых и натурных испытаний заключена в возможном несоответствии условий эксплуатации, на которые ориентированы метод и режим испытаний, условиям, в которых происходит эксплуатация изделий у ряда потребителей. При стендовых и натурных испытаниях элементов машин обычно воспроизводят один из самых тяжелых или самых распространенных вариантов эксплуатации. Иногда используют вариант, сочетающий особенности эксплуатации в различных условиях, но и этот вариант редко является всеобъемлющим. Не исключены, следовательно, неожиданности при эксплуатации изделий в специфических (по нагрузкам, почвам, климату и т.п.) условиях, не учтенных при испытаниях, поскольку эксплуатация, в отличие от испытаний, охватывает все варианты использования изделий, от самых легких до самых тяжелых, и все виды климатических условий [49, 50].

Следовательно, наиболее полную информацию можно получить, осуществляя подконтрольную эксплуатацию изделия до предельного состояния.

Однако, для большинства комплектующих деталей автомобилей, информация по результатам подконтрольной эксплуатации может быть получена за длительный срок, когда ее актуальность теряется. Так, для тормозных накладок грузовых автомобилей и автобусов, эксплуатирующихся на городских и междугородных маршрутах, оценка долговечности по плану [NUN] с доверительной вероятностью 0,95 и относительной ошибкой не более 0,05 потребует 2-3 года при соответствующем числе наблюдаемых объектов. Полученные результаты при многократно усеченных эксплуатационных испытаниях (по длительности и числу объектов) имеют низкую доверительную вероятность и точность. Поэтому изготовители тормозных накладок оценку эксплуатационной долговечности своей продукции считают малодостоверной и отдают предпочтение стендовым и натурным испытаниям.

подконтрольной эксплуатации без снижения объема и достоверности информации о долговечности комплектующих деталей автомобиля – тормозных накладках.

1.3 Изнашивание деталей и сопряжений сборочных единиц работах А.В. Чичинадзе [7, 97, 98, 99], И.В. Крагельского [43, 44, 45, 46], А.Г. Гинзбурга [99], М.Н. Добычина [44], Э.Д. Брауна [7], Г.В. Крамаренко [84], Евдокимова [7], Е.А. Чудакова [100], Е.С. Кузнецова [85], В.С. Комбалова [44], Б.Н. Демиденко [33], В.В. Меринова [55], Г.М. Косолапова [48], Г.М. Харача [44], D.F. Moore [122], R.D. Cater [109], J.G. Bitter [106], K. Endo, Y. Fukuda, H. Togata, O.Takamia, R.G. Bayer [104], W.C. Clinton [104], J.L. Sirico [104].

Согласно общепринятому определению, износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) микрообъёмов поверхностного слоя изделия при трении. Износ деталей машин зависит от условий трения, свойств материала и конструкции изделия.

В вышеуказанных работах износ рассматривается как механический процесс, осложнённый действием физических и химических факторов, вызывающих снижение прочности микрообъёмов поверхностного слоя. По условиям внешнего воздействия на поверхностный слой различают следующие виды механического изнашивания: абразивное, кавитационное, эрозионное и др.

Согласно ГОСТ 27674-88 [21] изнашивание – процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

В документе выделяют три основных группы изнашивания: коррозионномеханическое, при действии электрического тока и механическое. На рисунке 1. приведена классификация видов изнашивания по ГОСТ 27674 – 88 [21].

Механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий. Наиболее распространенными разновидностями механического изнашивания являются абразивное и усталостное.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц.

Твердость абразивных частиц выше, чем металла, что способствует разрушению поверхности деталей и резко увеличивает их износ. Этот вид изнашивания характерен для цилиндропоршневой группы двигателя. Наличие воздухоочистителей не устраняет попадания абразивных частиц в цилиндр двигателя машин, работающих в условиях большой концентрации пыли в воздухе. Скорость изнашивания в абразивной среде зависит от концентрации, размеров, формы и свойств абразивов, свойств металлических поверхностей, скорости скольжения и удельного давления и достигает 0,5-5,0 мкм/ч.

Гидроабразивное (газоабразивное) – абразивное изнашивание в результате действия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

Рисунок 1.3 – Виды изнашивания согласно ГОСТ 27674 – 88 [21] Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Оно наблюдается в условиях высоких контактных нагрузок циклического действия. Развитие прогрессирующего усталостного изнашивания начинается с появления усталостных трещин.

Смазочный материал, попадая в трещины, способствует их расклиниванию и выкрашиванию частиц металла. Этот вид изнашивания является основным для зубьев тяжело нагруженных шестерен. Интенсивность усталостного изнашивания зависит от нагрузки и температуры, твердости материала и шероховатости поверхности, применяемых смазочных материалов.

Гидроэрозионное (газоэрозионное) изнашивание поверхности происходит в результате воздействия потока жидкости (газа).

Кавитационное изнашивание – механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру.

Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

Этот вид изнашивания обладает высокой интенсивностью и приводит к отказу сопряжения. Скорость изнашивания равна 10-15 мкм/ч.

соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

Коррозионно-механическое изнашивание – изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Разновидностью коррозионномеханического изнашивания являются окислительное и фреттинг-коррозия.

Окислительное изнашивание – коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой. Происходит в результате появления на поверхности трения защитных пленок вследствие взаимодействия материала и кислорода. При этом происходит образование пленок твердых растворов кислорода с материалом изделия, что резко изменяет свойства трущихся поверхностей и вносит свою специфику в появление других видов изнашивания.

Окислительный процесс наблюдается на стенках цилиндров двигателей при неполном сгорании топлива и работе при температуре ниже оптимальной.

Скорость изнашивания составляет 0,1-0,5 мкм/ч.

Фреттинг-коррозия – коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

Является многостадийным процессом химико-механических взаимодействий трущихся поверхностей. На участках с этим видом изнашивания первоначально наблюдается процесс схватывания, упрочнения поверхностей контакта, циклическая текучесть подповерхностных слоев и разрушение окисленных пленок. Вторая стадия характеризуется появлением коррозионно-активной среды в микротрещинах деталей. Изнашивание связано с удалением образовавшихся окисленных пленок в зоне контакта. Третья стадия характеризуется высокой интенсивностью разрушения поверхностных слоев, предварительно разрыхленных усталостными и коррозионными процессами.

Электроэрозионное изнашивание – эрозионное изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Каждый вид изнашивания редко встречается в чистом виде, обычно они проявляются комплексно. Например, если лопасти водяного насоса подвержены только кавитационному изнашиванию, то на зеркале цилиндра наблюдается в большей или меньшей степени все виды изнашивания, кроме кавитационного.

Для определения вида изнашивания в паре трения «тормозная накладка – контртело» (под контртелом будем понимать тормозной диск или тормозной барабан) необходимо рассмотреть процесс работы данного сопряжения.

В характеристике работы фрикционных накладок тормозного механизма большую роль оказывает коэффициент трения (или момент трения), так как его абсолютные значения и стабильность определяют надежность фрикционного сочленения. В работе фрикционной накладки наибольший износ имеет место при нажатии и отпускании педали тормоза, когда трущиеся элементы скользят один относительно другого.

Ввод фрикционной накладки в зацепление с контртелом представляет собой сложный процесс, сопровождающийся одновременным изменением давления, относительной скорости скольжения и температуры на поверхностях трущихся деталей. Сила трения между накладкой и диском в значительной мере зависит от вида фрикционного воздействия. Как предполагают А.В. Чичинадзе [98], Н.М. Михин [56, 57], в результате различия в механических свойствах материала фрикционной накладки и контртела происходит значительное внедрение микронеровностей контртела в материал накладки. Поэтому трение в фрикционных накладках тормозного механизма осуществляется в режиме пластического контакта.

Исходя из вышесказанного, следует, что при трении тормозных накладок будут протекать процессы абразивного изнашивания, усталостного изнашивания и изнашивания при заедании. При этом интенсивность изнашивания Ih для тормозных устройств И.В. Крагельский [43] предлагает определять по формуле:

где V – объем изношенного материала;

Мт = fpaAaRпр – момент трения;

f – коэффициент трения;

pa – давление в паре трения;

Угол обхвата, площадь поверхности накладки, приведенный радиус действия силы трения, определяющие интенсивность изнашивания, определяются конструкцией тормозного механизма. Собственными параметрами, влияющими на износ и, следовательно, долговечность тормозной накладки являются удельное давление и коэффициент трения, т.к. их реализация определяется свойствами фрикционного материала.

1.4 Характеристики процесса изнашивания и факторы, влияющие на износ пары «фрикционная накладка – контртело» колесных тормозных 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.

общепринятой кривой, представленной на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Зависимость износа от пути трения L по И.В. Крагельскому [44]: А – зона приработки; В – зона установившегося изнашивания; С – зона критического изнашивания Зависимость интенсивность изнашивания от пути трения L будет иметь вид представленный на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Зависимость интенсивности изнашивания от пути трения L по 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:

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], А.Г. 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.

изнашивания предложена следующая зависимость:

где Н – величина износа;

В Японии Обществом инженеров-смазчиков (JSLE) введена удельная характеристика износа, называемая удельным объемным износом (см2/кгс):

где V – изношенный объем;

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 n :

тангенциальной силы от центра тормозного барабана, а параметры определяются следующими соотношениями:

a – расстояние от центра тормоза до точки приложения разжимной силы;

С – расстояние от опоры колодки до центра тормоза;

Р – усилие, приходящее на колодку;

1, 2 – углы обхвата тормозного барабана накладками;

КН – коэффициент, учитывающий влияние эксплуатационных факторов на износ накладки;

К - коэффициент, учитывающий влияние эксплуатационных факторов на износ барабана;

VСК – скорость относительного скольжения элементов пары;

b – ширина тормозной накладки;

1 – 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):

- механические свойства изнашиваемого материала (, t, 0):

- фрикционные характеристики (f):

- микрогеометрические характеристики изнашивающей поверхности (, ).

Во всех выражениях присутствует время t процесса изнашивания, которое может оцениваться в километрах пробега автомобиля, пути трения фрикционной пары. То есть время процесса изнашивания является основным параметром для оценки износа слоя фрикционного материала толщиной h.

Также существенное влияние на закономерности износа могут оказывать такие величины как скорость скольжения и температура узла трения, рисунок 1.6.

Рисунок 1.6 – Кривая фрикционной теплостойкости для пары: полимерная композиция сталь при давлении 150·104 Н/м Кривые фрикционной теплостойкости, то есть зависимость коэффициента характеристики пары трения.

Кривые фрикционной теплостойкости получают при торцевом трении двух кольцевых цилиндрических образцов при постоянной нагрузке со ступенчато температуры. Измерение температур производится термопарой, заделанной в один из образцов. Интенсивность износа оценивается безразмерным отношением толщины изношенного слоя к пройденному пути.

Перенос результатов лабораторных испытаний на реальные пары трения производят с учётом соотношений теории подобия. Измерение силы трения в реальных машинах производят различными методами, например с помощью измерения потребляемой мощности на холостом режиме работы, применением датчиков, замеряющих величину момента или силы трения по углу закручивания вала, и др. Косвенным, но очень удобным средством оценки трения является измерение температур узла трения, позволяющее с помощью пересчёта судить о силе трения [98].

На рисунке 1.7 приведены зависимости изменения коэффициента трения (а) и износа фрикционного слоя (б) в зависимости от температуры в паре трения тормозных накладок компании SUMITOMO.

Коэффициент трения Рисунок 1.7 - Зависимости изменения коэффициента трения (а) и износа фрикционного слоя (б) от температуры в паре трения тормозных накладок компании SUMITOMO [87] На рисунке 1.8 представлены изменения коэффициента трения и температуры в зависимости от количества притормаживаний на первой и второй стадиях испытаний «горный серпантин». Тест проходили тормозные накладки компании Allied Nippon. Износ фрикционного слоя составил 0,45 мм.

Рисунок 1.8 – Изменения коэффициента трения и температуры в зависимости от количества притормаживаний на 1-ой (а) и 2-ой (б) стадиях испытаний «горный серпантин» [86] полученные в одних условиях, практически не различаются. В таблице 1. Авторевю.

Таблица 1.1 – Коэффициенты трения некоторых тормозных колодок переднеприводных автомобилей ВАЗ (по данным журнала Авторевю, №4, 2010) * Норма — не менее 0,33. ** Норма — не менее 0,3.

изнашивания фрикционного слоя зависит от температуры в паре накладкаконтртело (обусловлено количеством и частотой притормаживаний) и скорости относительного скольжения (обусловлено начальной и конечной скоростями режима торможения). Это необходимо учитывать при расчете типового режима торможения для ускоренных испытаний и составлении математической модели оценки долговечности и прогнозирования остаточного ресурса тормозных накладок.

Выше был проведен анализ испытаний на долговечность деталей автомобилей, характеристик процесса изнашивания деталей и выявлены факторы, которые необходимо учитывать при оценке долговечности и разработке математической модели изменения ресурса тормозных накладок колесных тормозных механизмов.

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. Однако, все они обладают рядом недостатков:

- высока 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.

подконтрольную эксплуатацию изделия. Однако, для большинства элементов автомобилей, в том числе тормозных накладок колесных тормозных механизмов, информация по результатам подконтрольной эксплуатации может быть получена за длительный срок, когда ее актуальность в значительной мере будет утеряна.

Поэтому целью данной работы является 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.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие 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 испытаний и изменения ресурса в эксплуатации и предложить типовые режимы торможения для одного из автотранспортных средств.

5. 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.

6. Апробировать разработанный метод ускоренной оценки долговечности тормозных накладок колесных тормозных механизмов автотранспортных средств.

2 ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА

ИССЛЕДОВАНИЙ РЕСУРСА ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК ПРИ

ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

2.1 Программа экспериментальных исследований и общая методика выявления факторов, определяющих долговечность тормозных накладок колесных тормозных механизмов и точность оценки их ресурса Обоснование параметров изнашивания накладок колесных тормозных механизмов и разработка математической модели процесса базируется на анализе и синтезе комплекса исследований. Решение поставленной задачи должно осуществляться системно, на основе выполненного в главе 1 анализа методических и теоретических разработок, а также проведения собственных экспериментов.

Для реализации представленного системного подхода была разработана программа экспериментальных исследований, в основу которой положены следующие концептуальные положения:

- в качестве объекта и предмета исследования принимаются периодически заменяемые (расходуемые) элементы колесных тормозных механизмов, в частности, тормозные накладки, и процесс их изнашивания (изменения ресурса) в силу того, что тормозное управление относится к основным системам автомобиля, обеспечивающим безопасность. Следует учесть, что производство тормозных накладок требует сокращение сроков проверки эффективности вновь разрабатываемых изделий;

- использование современных методов, средств измерений и обработки результатов экспериментов при исследовании процессов изнашивания (изменения ресурса) и эффективности торможения колесных тормозных механизмов;

- проведение взаимоувязанного комплекса натурных исследований ресурса тормозных накладок и эффективности торможения автотранспортных средств как в условиях подконтрольной эксплуатации, так и при стендовых испытаниях;

- в связи с вероятностным характером процессов предмета исследования использование методов математической статистики, планирования и обработки результатов экспериментов, обеспечивающих объективную оценку эффективности торможения и ресурса тормозных накладок различных автотранспортных средств;

- проверка результатов экспериментальных исследований на соответствие с общепринятым теоретическим положениям и обеспечение творческого их развития в рассматриваемой области знаний.

При реализации программы экспериментов:

- аналитически обосновываются факторы и оценочные параметры изменения ресурса тормозных накладок колесных тормозных механизмов в эксплуатации;

- разрабатываются общая методика исследований и частные методики экспериментов для определения: а) пути трения тормозных накладок на 1 км пробега автомобиля, ресурса и пробега до замены тормозных накладок в условиях подконтрольной эксплуатации автотранспортных средств; б) длительности периода приработки тормозных накладок при стендовых испытаниях;

- формируются требования к экспериментальной базе для исследования режимов движения автомобилей, проведения технических экспертиз деталей тормозных механизмов, измерения показателей эффективности торможения и расчетов ресурса, длительности периода приработки, остаточного ресурса;

- изготавливаются экспериментальные тормозные накладки для дисковых и барабанных колесных тормозных механизмов разных категорий автотранспортных средств;

- разрабатываются модели изменения ресурса тормозных накладок на основе параметров: путь колеса в режиме торможения на 1 км пробега и рабочая толщина фрикционного слоя тормозной накладки;

- разрабатываются практические рекомендации по применению натурного моделирования для повышения достоверности и точности оценки ресурса тормозных накладок при выпуске новых изделий и оценки стабильности производства;

- обосновывается целесообразность использования модели изменения ресурса тормозных накладок колесных тормозных механизмов на автотранспортных предприятиях Волгоградской области для прогнозирования остаточного ресурса при ТО колесных тормозных механизмов.

В процессе экспериментальных работ автором решен ряд частных задач.

Так, определены режимы движения, загрузка автотранспортных средств и изменение эффективности торможения автомобиля за период между плановыми ТО.

Общая методика установления факторов, определяющих долговечность тормозных накладок колесных тормозных механизмов и точность оценки их ресурса, разрабатывалась для применения на улично-дорожной сети (УДС) городов Волгограда и Волжского. Методика может также использоваться для исследования факторов, влияющих на ресурс тормозных накладок, на участках УДС других промышленных центров.

Ниже изложены разделы методики и краткое описание реализации их требований в процессе исследования. Разработанная методика включат семь основных позиций, которые подробнее рассмотрены ниже.

1) Выбор характерных категорий условий эксплуатации, а также автотранспортного предприятия для подконтрольной эксплуатации АТС, на которые будут устанавливаться исследуемые тормозные колодки.

Выбор характерных категорий условий эксплуатации и автотранспортного предприятия для подконтрольной эксплуатации АТС, на которые были установлены объект исследований, выполнялись, исходя из назначения автомобиля и условий его применения эксплуатирующей организацией (вид и условия перевозок). Так, подконтрольная эксплуатация одного автомобиля КамАЗ-5320 с тормозными накладками 5511-3501105-01Б и одного автобуса Икарус-280 с тормозными накладками 018.01 3341-013-01Д была организована, соответственно, на базе предприятия ОАО “Волгоэнергосервис” (г. Волгоград), грузовые автомобили, которого эксплуатируется в междугородних перевозках, и ГУП ВО ПАТП-4 (г. Волгоград), подвижной состав которого эксплуатируется на городских и на пригородных маршрутах. Выбранные для подконтрольной эксплуатации автобус Mercedes Benz O 302 S с накладками 0345-3502105-01Б, ИП Бойко, г. Волжский, и автомобиль МАЗ-64229 с тормозными накладками 64226Б, ИП Ахмедов, г. Волжский эксплуатировались на междугородних маршрутах. Подконтрольная эксплуатация 10 маршрутных такси ГАЗель с тормозными колодками 3302-3501080-10 – на базе ООО «Волтакс-1», г. Волгоград. Для подконтрольной эксплуатации пяти переднеприводных автомобилей ВАЗ с тормозными колодками 2110-350-1090-01А были привлечены преподаватели и студенты старших курсов факультета автомобильного транспорта ВолгГТУ.

2) Измерение первоначальных размеров тормозных накладок и установка тормозных колодок в колесные тормозные механизмы.

В колесные тормозные механизмы были установлены: 20 тормозных колодок производства ОАО «ВАТИ», 8 тормозных колодок марки Trans Master, 12 марки BEST в передние тормозные механизмы маршрутных такси ГАЗель; по 16 тормозных накладок ОАО «ВАТИ» в тормозные механизмы среднего и заднего мостов автомобилей КамАЗ и МАЗ; по 8 тормозных накладок ОАО «ВАТИ» в задние мосты автобусов Икарус и Mercedes Benz; 20 тормозных колодок ОАО «ВАТИ» в передние тормозные механизмы автомобилей ВАЗ. Установка тормозных колодок была выполнена согласно требованиям Руководства по ремонту и эксплуатации автотранспортного средства. Перед установкой был проведен замер начальной толщины фрикционного слоя.

3) Анализ режимов движения транспортных средств в эксплуатации, измерение скоростей и времени торможения. Расчет пути торможения колеса и пути трения тормозной накладки для однофункциональных (с наибольшей нагрузкой по тормозному моменту) тормозных механизмов.

Частные методики сбора информации о режимах движения транспортных средств в эксплуатации, измерения скоростей и времени торможения приведены в разделе 2.2.

Расчеты пути торможения колеса и пути трения тормозной накладки для однофункциональных (с наибольшей нагрузкой по тормозному моменту) тормозных механизмов выполнены по формулам (2.1) и (2.2) где n – количество торможений на 1 км пути в интервале скоростей V1 и V2;

tT – среднее время торможения.

Тогда путь трения тормозной накладки на 1 км пробега S* равен где S H = S t – путь, пройденный накладкой при торможении, м;

St – длина участка торможения на 1 км пробега, км.

Rср – средний радиус расположения накладки относительно поверхности трения контртела (тормозного диска или тормозного барабана), равный расстоянию от оси колеса до середины накладки 4) Оценка работы тормозных механизмов при эксплуатации автомобилей на линии и при плановых технических обслуживаниях.

Оценка работы тормозных механизмов при эксплуатации автомобилей на линии проводилась на основе информации от водителей об эффективности торможения по показателям: величине тормозного пути и курсовым отклонениям автомобиля. При плановых технических обслуживаниях оценивалось, с участием автора, техническое состояние деталей тормозного механизма согласно требованиям Руководства по эксплуатации автотранспортного средства.

5) Заключительная техническая экспертиза и оценка среднего пробега до замены тормозных накладок.

Заключительная техническая экспертиза деталей пары трения «тормозная накладка-контртело» проводилась при неустранимом снижении эффективности торможения (6 случаев на автомобилях ГАЗель) или по завершении испытаний автотранспортных средств. Обстоятельствами, по которым подконтрольная эксплуатация была прекращена, явились большая длительность и прекращение финансирования испытаний изготовителем ОАО «ВАТИ». При заключительной технической экспертизе измерялась остаточная толщина фрикционного материала, соответствующие размеры контртел и оценивалось состояние поверхностей трения по ОСТ 70.2.1 [63].

Оценка среднего пробега до замены тормозных колодок проводилась согласно требованиям РД 50-690-89 [74] для плана [NUr]. На пяти объектах были установлены колодки ОАО «ВАТИ», на двух – Trans Master; на трех – BEST. При выборе марки колодок было учтено, что свойства фрикционного материала колодок при различных режимах торможения близки (см. таблицу 1.1).

Расчет средней наработки тормозных накладок до замены проводился по формуле 6) Определение параметров зависимости толщины рабочего слоя накладки от пробега и расчет среднего значения пробега (среднего ресурса), при котором остаточная толщина фрикционного слоя достигнет предельного состояния. Расчет доверительной вероятности и точности оценки среднего ресурса.

фрикционного материала, указанная в эксплуатационной документации автомобиля. При расчетах ресурса автор опирался на общепринятую теорию процесса изнашивания и рекомендации нормативно-технической литературы (см.

главу 1), согласно которым зависимость величины износа от времени на этапе установившегося процесса может быть аппроксимирована прямой линией.

Поэтому вид выборочных уравнений регрессии для оценки ресурса тормозных колодок и накладок был принят в виде линейной зависимости с угловым коэффициентом где Х – пробег, тыс. км;

YХ – остаточная толщина слоя фрикционного материала, мм;

Y0 – расчетная начальная толщина слоя фрикционного материала, мм.

Неизвестные параметры Y0 и k были найдены методом Гаусса [15] из системы уравнений Выборочный коэффициент корреляции определен по формуле Наличие корреляционной связи между Y и Х проверялось на значимость выборочного коэффициента корреляции для вероятности 95% ( = 0,05).

Далее вычислялся средний (ожидаемый) ресурс и его среднеквадратическое отклонение при остаточной толщине фрикционного слоя, равной предельному значению Yпр (3 мм для тормозных колодок автомобилей ГАЗель и ВАЗ; 7 мм для автобусов и грузовых автомобилей):

С учетом числа тормозных накладок N, установленных в колесные тормозные механизмы для эксперимента, и коэффициента вариации = была определена доверительная вероятность q и относительная ошибка согласно рекомендациям РД 50-690-89 [74].

7) Выявление факторов, определяющих долговечность тормозных накладок колесных тормозных механизмов и точность оценки их ресурса в эксплуатации.

Выявление факторов, влияющих на ресурс тормозных накладок колесных тормозных механизмов в эксплуатации, проведено на основе анализа физики процессов изнашивания, конструктивных особенностей колесных тормозных механизмов, требований к точности оценки и результатов экспериментальных исследований долговечности тормозных накладок.

Конструкция тормозных колодок автомобилей ГАЗель и ВАЗ не предусматривает замену фрикционных накладок при их износе и разрушениях.

Тормозные накладки на тормозных колодках автобуса Икарус и автомобиля КамАЗ-5320 заменяются в процессе эксплуатации. Поэтому в тексте применяется термин «долговечность тормозных колодок», когда рассматриваются результаты подконтрольной эксплуатации автомобилей ГАЗель и ВАЗ и «долговечность тормозных накладок» для автобуса Икарус и автомобиля КамАЗ-5320. Эти термины равнозначны. В общих случаях применяется термин «тормозные накладки», т.к. изготовитель АТС устанавливает предельное состояние тормозных накладок и колодок по остаточной толщине фрикционного слоя.

2.2 Планирование экспериментов и разработка частных методик 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.

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:

Y2 – равномерное движение, Y4 – холостой ход представлены функциями многофакторных процессов, значения которых зависят от n-го числа параметров, в частности, 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 10°С (максимальная интенсивность движения), вовторых, 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(Х1, …, Xn), где Xi – 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 n, соответствующий доверительной вероятности q;

n – 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 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 = 0,30, количество измерений n с точностью = 0, 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 Yi, ср в заданных интервалах времени и пробега, их нижняя Yi, н и верхняя Yi, в интервальные границы определяются выражениями [15] где:Yi – измеренные значения характеристик торможения;

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 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 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 полученным от водителей. По окончании подконтрольной эксплуатации проводилась заключительная техническая экспертиза. При заключительной материала, соответствующие размеры контртел и оценивалось состояние поверхностей трения [64, 65, 66, 67, 68].

По результатам заключительной экспертизы рассчитывался средний ресурс тормозных колодок и накладок по остаточной толщине фрикционного материала.

автомобиля [1, 69, 78, 81]. При расчетах ресурса автор исходил из общепринятой теории процесса изнашивания, согласно которой зависимость величины износа от времени на этапе установившегося изнашиванияпроцесса может быть выборочных уравнений регрессии для оценки ресурса тормозных колодок и накладок – прямая линия с угловым коэффициентом:

где Х – пробег, тыс. км;

YХ – остаточная толщина слоя фрикционного материала, мм;

Y0 – начальная толщина слоя фрикционного материала, мм.

Наличие корреляционной связи между Y и Х проверялось на значимость выборочного коэффициента корреляции для вероятности 95% ( = 0,05).

При активном эксперименте назначаются уровни факторов и интервалы их варьирования, после чего осуществляется измерение факторов в заданных интервалах варьирования. Это обеспечивает получение симметричной информации о влиянии нескольких параметров на функции отклика, позволяет математический аппарат для построения модели. Как правило, методы активного эксперимента для получения значений факторов и соответствующих функций отклика применяются при испытаниях.

Рассмотрим организацию активного эксперимента для построения функции отклика. Число точек плана N при ортогональном планировании определяется по формуле N = kn, где k – число уровней для каждого из факторов; n – число факторов. Так, для двухфакторного эксперимента, например, по оценке длительности периода приработки тормозных накладок, общий вид функции отклика будет следующим:

где Y – оценочный параметр;

Хi – факторы (аргументы) оценочного параметра.

Для определения такой функции факторы Х1 и Х2 должны варьироваться не менее, чем на двух уровнях. При n = 2 на двух уровнях число опытов N = 22 = 4.

Для получения среднего значения оценочного параметра с точностью = 0,10 для двусторонней доверительной вероятности q = 80%, необходимо общее количество измерений, не меньшее 16. Это может быть обеспечено четырехкратным повторением опытов в каждой точке.

Матрица планирования в кодированных значениях уровней факторов приведена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Матрица планирования в кодированных значениях уровней факторов нелинейного взаимодействия Они определяются как частные производные функций отклика по соответствующим факторам, и указывают влияние факторов на входные параметры.

После проведения измерений пассивным и активным методами, был выполнен регрессионный анализ на ЭВМ с использованием стандартной программы Microsoft Office Excel:

- выполняется отсев грубых погрешностей уr+1 с применением критерия Стьюдента tт(; f). Результат (r+1)-го опыта отбрасывается, если tт(; f) < tо, где tо = (|уr+1 - yср|)/S{y}.уr+1;

математическими моделями, оценкой однородности дисперсий с помощью критерия Кохрена: Gоп = (S2i max)/ S2i < Gт(0; 0,5; fn; fi);

- проверяется адекватность математической модели, используя критерий Фишера-Снедкора: Fф = S2ад/S2у < Fф(0; 0,5; fад; fу).

- вычисляется методом наименьших квадратов коэффициенты регрессии и определяется их значимость по критерию Стьюдента tт(; f).

Пассивный метод, кроме определения пути трения накладок на 1 км пробега автомобиля, использовался также и при оценке эффективности торможения за период между плановыми ТО по результатам подконтрольной эксплуатации автомобилей ВАЗ. С применением активного планирования эксперимента были выполнены стендовые испытания тормозных накладок на длительность периода приработки. В качестве показателя, характеризующего период приработки, была принята величина разности тормозных сил на оси автомобиляа, факторами которой являлись: пробег с начала установки колодок и пробег с начала эксплуатации автомобиля.

Разработанные автором на основе пассивных и активных методов проведения экспериментов частные методики сбора информации о составе, интенсивности и задержках транспортных потоков, режимах движения автотранспортных средств по категориям опубликованы в работах [92, 93]. В данной главе перед изложением соответствующих результатов приводится краткое содержание методики исследований.

Исследование режимов движения. Исследование режимов движения автотранспортных средств выполняли группы наблюдателей в составе 4- человек, снабженные секундомерами, обеспечивающими измерения с точностью + 1 с. При этом использовался автомобиль ГАЗ-31029, следующий за подконтрольным объектом, а в дальнейшем – дорожная лаборатория на базе автомобиля ГАЗ-2705 (изготовитель ФГУП РОСДОРТЕХ, г. Саратов), в комплект которой входит передвижной пункт, предназначенный для определения интенсивности движения транспортного потока. С его помощью идентифицируются транспортные средства по их боковому профилю, определяется их скорость и направление движения.

В состав пункта входят две стойки приемопередатчиков, интерфейсный блок и компьютер. Относительная погрешность измерения составляет при измерении скорости не более ± 5% (на скорости до 100 км/ч).

Технические характеристики лаборатории:

- диапазон измерения скорости до 160 км/ч;

- число полос движения контролируемой дороги не более 2;

- расстояние между стойками не более 20 м;

- напряжение питания постоянное, 12 В;

- потребляемая мощность не более 20 Вт;

- число распознаваемых классификационных базовых групп 10.

Лаборатория снабжена программой для обработки на ЭВМ, которая позволяет определять скорость движения транспортных средств, их габариты (длину и высоту) и формировать отчеты о скоростном режиме. Данный отчет может быть получен за любой, заданный пользователем, учетный период.

Технические экспертизы. Измерения толщины тормозных накладок до начала экспериментальных исследований, при промежуточных и окончательных экспертизах выполнялись с помощью штангенциркуля типа ШЦ – 0,1 ГОСТ 166Измерения внутренних диаметров тормозных барабанов нутромером индикаторного типа НИ ГОСТ 868-82.

Стендовые исследования процесса изнашивания тормозных накладок. При исследовании измерялись показатели эффективности торможения автомобилей.

Эксперимент выполнялся на силовом тормозном стенде модели СТС-3Л-СП-11 в комплекте с персональным компьютером РС СТН1.21.10.000.

Стенд предназначен для контроля тормозного управления АТС с нагрузкой на ось до 3 т. Результаты измерений обрабатываются на ПК и выдаются на экран монитора и принтер. Стенд измеряет нагрузку на ось, тормозную силу на каждом колесе, усилие на органах управления, выводит тормозные диаграммы, определяет параметры, характеризующие соответствие требованиям безопасности тормозного управления по ГОСТ Р 51709 – 2001 [26]: удельную тормозную силу, относительную разность тормозных сил колес оси. Основные характеристики стенда приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Основные характеристики стенда СТС3ЛСП Диапазоны измерений:

Лабораторная установка для определения длительности периода приработки тормозных накладок. Лабораторная установка была создана на базе тормозного стенда силового СТС-3Л-СП-11. Установка, кроме тормозного стенда силового, включала 5 переднеприводных автомобилей ВАЗ с различным пробегом с начала эксплуатации. На рисунке 2.1 приведен внешний вид установки в процессе проведения эксперимента по определению длительности периода приработки тормозных накладок.

Рисунок 2.1 – Лабораторная установка для проверки эффективности торможения. На тормозном стенде СТС-3Л-СП-11 установлен автомобиль ВАЗ-2115, гос. М 252 АХ 34 (общий пробег 115880 км, пробег с момента установки колодок 768 км) На автомобилях в передние тормозные механизмы было установлено тормозных колодок с незаменяемыми накладками (изготовитель ОАО «ВАТИ»).

Пробег автомобилей от начала установки тормозных колодок проходил в условиях реальной эксплуатации в городском цикле движения. Периодически, через определенный интервал пробега, автомобили устанавливались на тормозной стенд силовой для измерения удельной тормозной силы и относительной разности тормозных сил с целью определения наиболее информативного параметра, характеризующего приработку.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК В УСЛОВИЯХ

ПОДКОНТРОЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1 Результаты исследования режимов движения автотранспортных средств в эксплуатации и расчеты пути трения тормозных накладок Исследование режимов движения автотранспортных средств проведено в ходе подконтрольной эксплуатации маршрутных такси, автобусов большой вместимости, грузовых автомобилей и на индивидуальном транспорте. Полные результаты исследований режимов движения вышеперечисленных автотранспортных средств, измерений скорости, времени торможения и расчета путей трения тормозных накладок на 1 км пробега опубликованы в [90, 91, 92, 93]. В целях сокращения объема изложения однотипного материала в данном разделе приводятся краткие сведения о маршрутах движения, режимах движения и торможения микроавтобусов (маршрутных такси) ГАЗ-3221, индивидуального транспорта моделей ВАЗ, автобусов Икарус-280 и грузовиков КамАЗ-5320 при подконтрольной эксплуатации.

Маршруты, режимы движения и торможения маршрутных такси и индивидуального транспорта.

Исследования движения микроавтобусов и индивидуального транспорта проводились на маршруте г. Волгограда №53 пос. Ангарский – ул. 39-я Гвардейская – пос. Ангарский. Средняя загрузка маршрутных такси составила 50 %. Общая протяженность маршрута составляет 27 км. Маршрут был разбит на три основных участка со следующими особенностями:

I участок: пос. Ангарский – Детский центр (6,0 км), групповое движение транспортного потока, маневр ограничен движением по одной полосе, переездами трамвайных путей.

II участок: Детский центр – пл. Ленина (2,5 км), колонное движение, маневр затруднен из-за высокой плотности транспортного потока в центре города, большого количества перекрестков, светофоров и пешеходных переходов.

III участок: пл. Ленина – ул. 39-я Гвардейская (5,5 км), свободное движение транспортного потока, свобода маневра ограничена Правилами дорожного движения.

Режимы движения автомобилей частично приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1 – Режимы движения легкового автомобиля (а/м ВАЗ2115) по маршруту следования маршрутного такси № 53 г. Волгограда. Направление движения: “пос. Ангарский – ул. 39-я Гвардейская”. Общее время движения 38 мин. День недели: суббота Таблица 3.2 – Режимы движения маршрутного такси (а/м “ГАЗель”) на городском маршруте № 53 г. Волгограда. Направление движения: “пос. Ангарский – ул. 39-я Гвардейская”. Общее время движения 25 мин. День недели: четверг Маршрут, режимы движения и торможения автобусов “Икарус-280”.

Исследования режимов движения автобусов пассажирского автотранспорта проводились на пригородном автобусном маршруте № 142. Средняя загрузка составила 25 % от полной. Автобусный маршрут имеет три характерных для г. Волгограда участка: первый (ост. Обувная фабрика – ост. Лавровая); второй (ост. Лавровая – ост. Дачи); третий (дачный массив).

В таблицах 3.3 и 3.4 приведены характеристики участков маршрута № 142 и режимы движения автобуса. Количество измерений каждого режима движения по участкам составило от 20 до 40.

Таблица 3.3 – Характеристики участков маршрута № Таблица 3.4 – Режимы движения автобуса Икарус-280 на маршруте № Суммарное время в расчете Максимальная Маршрут, режимы движения и торможения грузовых автомобилей КамАЗ-5320.

Выбранные для подконтрольной эксплуатации автомобили КамАЗ- выполняли перевозки груза по маршрутам г. Волгоград – г. Азов (Ростовская обл.), г. Волгоград – г. Саратов и г. Волгоград – г. Нижний Новгород. Автомобиль оснащен цистерной для перевозки жидкостей. Средняя загрузка – 75%.

Протяженность маршрута г. Волгоград – г. Саратов составляет 394 км. В расчете на 1 км маршрута, практически, могут не учитываться ни повороты, ни переезды, ни светофоры. Торможение обусловлено в основном снижением скорости до разрешенной Правилами дорожного движения. Измерения были проведены на участке, расположенном в 50 км от границы города Волгограда.

Количество измерений каждого из режимов движения более 30. Результаты измерений приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Режимы движения грузового автомобиля КамАЗ-5320 на маршруте г. Волгоград – г. Саратов Суммарное время в расчете на Максимальная Раз- Равномерное Тормопроизводилось Пути трения тормозных накладок подконтрольных автомобилей приведены в таблице 3.6. Результаты получены с использованием расчетных выражений (2.1) и (2.2). Значения радиусов колеса и средних радиусов трения накладки о контртело принимались в качестве постоянных величин.

Таблица 3.6 – Пути трения тормозных накладок подконтрольных автомобилей Путь трения на 1 км пробега, м Доверительная вероятность Относительная ошибка Анализ полученных результатов показывает, что наибольший путь трения на 1 км пробега в эксплуатации у тормозных накладок автомобилей, выполняющих пассажирские перевозки: 40,7 м у маршрутных такси, 25,4 м и 20,5 м, соответственно, у междугородних и городских автобусов, 23,9 м у индивидуального легкового транспорта. Тормозные накладки на индивидуальных автомобилях и грузовом транспорте проходят значительно меньший путь трения.

3.2 Долговечность тормозных накладок по результатам подконтрольной Результаты подконтрольной эксплуатации автомобилей семейства ГАЗ-3221 и их модификаций.

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 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.1А.6).

Таблица 3.7 – Результаты подконтрольной эксплуатации маршрутных такси “ГАЗель” (ГАЗ – 32213 и ГАЗ - 322132), укомплектованных тормозными колодками 3302-3501080- производства ОАО «ВАТИ», заводской шифр партии (21.10.2004 г) (18.01.2005 г) фрикционного слоя на всех колодках передних АА (21.10.2004 г) (28.12.2004 г) тормозных 2-х колодках левого переднего Е 473 НВ АВ 189 (29.10.2004 г) (16.12.2004 г) тормозного диска. Колодки сняты при замене Таблица 3.8 – Результаты подконтрольной эксплуатации маршрутных такси “ГАЗель” (ГАЗ – 32213 и ГАЗ - 322132), укомплектованных тормозными колодками 3302-3501080- производства BEST* и Trans Master** (26.11.2004 г) (21.01.2005 г) * Снижение эффективности торможения.

Е 219 ТУ (28.10.2004 г) (29.12.2004 г) ** Снижение эффективности торможения.

Е 223 МС (18.11.2004 г) (10.01.2005 г) * Снижение эффективности торможения.

АВ Таблица 3.9 – Результаты заключительной технической экспертизы тормозных колодок 3302-3501080-10 производства ОАО «ВАТИ»

Гос. номер заключительной фрикционного слоя, заключительной экспертизы 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.

фрикционного слоя передних тормозных колодок имеет вид:

где Yx – величина износа, мм;

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.

доверительной вероятности q = 0,95 (tq = 1,73) расчетным путем получим относительную ошибку = 0,05 оценки среднего ресурса. На рисунке 3. фрикционного слоя в зависимости от пробега с использованием рассчитанного уравнения регрессии.

3 мм – минимальная толщина фрикционного слоя Рисунок 3.1 – Графическая интерпретация изменения остаточной толщины фрикционного слоя передних тормозных колодок ВАТИ в зависимости от пробега маршрутного такси ГАЗ Проверка нулевой гипотезы о равенстве выборочных средних значений ресурса Rcp и пробега до замены rcp показала, что наблюдаемое значение критерия |Tнабл| = 0,38 < tдвуст. = 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.

Результаты подконтрольной эксплуатации автомобиля КамАЗ-5320.