1. ЭкспериментальныЕ иСследованиЯ транспортных машин

1.1. Развитие и виды экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования (испытания) ТМ имеют историю, по протяженности сопоставимую с историей автомобиля. Первые серийные модели автомобилей начала 20-го века создавались в условиях, когда достижения механики позволяли создать работоспособные конструкции машин. Однако отсутствие опыта и методик, не позволяли обеспечить удовлетворительные показатели надежности, динамических, экономических, экологических, эргономических и других важных эксплуатационных свойств машин, определяющих их потребительскую ценность. Поэтому сравнение различных моделей автомобилей в процессе испытательных пробегов со спортивной направленностью позволяли не только пропагандировать новый тип транспортных средств, расширять рынки продаж автомобильной техники, но и обеспечивали сравнительную оценку достоинств и недостатков различных моделей автомобилей и позволяли определять направления совершенствования конструкции, развивать теоретические основы проектирования транспортных машин. Отличительной особенностью этих «испытаний» было полное отсутствие представлений о требованиях, предъявляемых к конструкции автомобилей, нормативных документов и методик проведения испытаний, технологической базы, приборов для измерения параметров работы деталей, узлов и агрегатов, методов обработки и оценки результатов испытаний.

Испытания автомобильной техники стали системными при появлении первых крупных автомобильных заводов. Автомобиль впервые стал представляться некоторой информационной «заготовкой», обрабатываемой в процессе испытаний, конечной целью (продуктом) которых является оценка фактических параметров, характеристик, свойств или состояний объекта. Изучение, научно-техническое обоснование и применение операций и методов получение подобной информации с этого момента начинает составлять основной предмет технологии испытаний автомобилей. Основу системного подхода составляет выбор видов и объема выполняемой при испытаниях работы, изучение и выбор методов получения информации в различных испытательных операциях. Вследствие сложности и физической разнородности рабочих процессов в объектах автомобильной техники, многомерности задач оценки их качества, технология испытаний основывается на положениях различных фундаментальных и прикладных наук. Единственно общим, используемым в процессе разработки технологии испытаний, как научной дисциплины, может считаться независимый от типа, вида, класса, категории автомобиля процесс его функционирования – транспортная работа, сопровождаемая перевозкой пассажиров и грузов по дорогам или местности. Именно на этом общем признаке, с первых дней становления отечественного и мирового автомобилестроения, как на наиболее прочном основании строились методики испытаний автомобилей. Поэтому первыми системными испытаниями автомобилей стали испытания, получившие названия «пробеговые» или «ходовые».

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

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

Полигонные испытания признаны наиболее информативным способом проведения пробеговых, лабораторно-дорожных и специальных видов испытаний, выполняемых для оценки качества автомобиля. Ведущей предпосылкой рационального планирования и проведения полигонных испытаний является теория повреждающего воздействия на автомобиль неровностей опорной поверхности (дороги). Основное отличие и преимущество полигонных испытаний заключается в стабильности характеристик случайных внешних воздействий (факторов), действующих на объект испытаний. Это достигается специальной конструкцией сооружений автополигонов и методиками, обеспечивающими многократное воспроизведение условий испытаний и сопоставимость их результатов. Технология полигонных испытаний обеспечивает высокую достоверность оценки показателей эксплуатационных свойств автомобилей и значительное сокращение сроков получения информации. Сокращение времени испытаний достигается, в том числе, и за счет форсирования скорости движения объекта и внешних, действующих на объект факторов (нагрузка). Форсирование нагрузочных режимов обеспечивается проведением испытаний на специальных технологических сооружениях, позволяющих многократно увеличить амплитуды и интенсивность воздействия по сравнению с нагрузками, действующими в условиях эксплуатации. Ускорение полигонных испытаний обеспечивается специальными методиками, определяющими порядок регулирования и нормирования внешних воздействий, методы интерпретации результатов и соответствующим метрологическим обеспечением. Основным недостатком полигонных испытаний является сложность перехода к показателям эксплуатационной надежности автомобилей. Существующие методики приведения величин ресурсов отдельных узлов и агрегатов, полученных при полигонных испытаниях к показателям, полученным в реальных условиях эксплуатации, нуждаются в совершенствовании. Те же показатели, используемые для сравнения надежности различных вариантов функциональных элементов или различных моделей автомобилей, и полученные в результате полигонных испытаний могут считаться почти идеальными сравнительными характеристиками. Развитие вычислительной техники, совершенствование испытательного оборудования и приборов, теоретических представлений о свойствах дорог и поверхностей, по которым осуществляется движение ТМ, обеспечили возможность выполнения многих видов испытаний в лабораторных условиях на универсальном или специальном оборудовании (стендах).

Лабораторные стендовые (стендовые) испытания широко используются для определения характеристик надежности и долговечности многих узлов и агрегатов и некоторых эксплуатационных свойств (показателей) автомобилей. Стендовые испытания обеспечивают существенное сокращение трудоемкости, материальных затрат, экономию энергии и главное обеспечивают получение результата с наименьшими затратами времени. В процессе стендовых испытаний объектами могут быть отдельные узлы и агрегаты, системы или комплектный автомобиль. Основной задачей при проведении стендовых испытаний является формирование нагрузочного режима. Нагрузочный режим формируется исходя из задач, поставленных перед исследователем. В случае если допустимо проведение сравнительных испытаний, например определение отдельных показателей надежности или показателей надежности некоторых из деталей существующего конструктивного варианта изделия, и предлагаемого к внедрению в производство, для стендовых испытаний может формироваться (использоваться) условный нагрузочный режим. Например, для оценки среднего ресурса, автомобильные рессоры на стенде циклически нагружаются при условии, что максимальной деформации рессоры соответствуют напряжениям изгиба, равным 85% от напряжений текучести рессорной стали. Показатели среднего ресурса изделий обеспечивают возможность выбора изделий по критерию надежности. Во многих случаях испытания на стендах являются полноценной заменой лабораторно-дорожных и полигонных испытаний. Для их проведения необходимо сформировать нагрузочный режим, эквивалентный нагрузкам, действующим при движении автомобиля на детали, узлы, агрегаты или автомобиль в целом в реальных условиях эксплуатации. При разработке нагрузочного режима необходимо определить основные действующие факторы, вызывающие усталостное разрушение элемента конструкции: характер действующей нагрузки (закон её изменения), амплитудные значения действующих величин, относительная продолжительность их действия.

Основными факторами, учет которых обеспечивает формирование нагрузочного режима, адекватного реальным условиям эксплуатации, являются полезная нагрузка и скорость движения автомобиля, его назначение, тип дороги. Решение указанной проблемы в настоящее время обеспечивается в основном двумя способами. Современные представления о случайном характере воздействия микро-и макропрофилей поверхностей дорог и других поверхностей позволили сформировать базу данных, состоящую из конкретных статистических показателей (среднее значение и дисперсия ординат микропрофиля) и характеристик микропрофиля (спектральная характеристика, корреляционная функция). В арсенале многих испытательных лабораторий имеются технические средства воспроизведения любого воздействий случайного характера. Поэтому реализация воздействия случайного характера с заданными статистическими характеристиками, практически для любого элемента конструкции в настоящее время является решенной задачей. Единственной проблемой таких испытаний является формирование нагрузочного режима с учетом изменяющихся факторов (скорость движения, тип дороги, полезная нагрузка и других), поэтому нагрузки цикла должны изменяться в соответствии с представлениями об их относительной продолжительности действия в условиях эксплуатации.

Второй способ предполагает формирование конкретных нагрузочных режимов методом регистрации на носитель информации действующих на деталь или узел величин нагрузки во время движения автомобиля по дороге определенного типа. Реализации случайного процесса воздействий на деталь должны подбираться с учетом заданных значений скорости и полезной нагрузки. Длительность таких реализаций определяется минимальной протяженностью отрезка пути, на котором величины математического ожидания (оценки среднего значения) и дисперсии процесса перестают изменяться. Установлено, что для большинства типов дорог протяженность такого участка пути составляет от 800 до 2000 метров. Время записи реализации случайного процесса зависит от скорости движения. Например, при скорости 36 км/час длительность реализации может составлять от 80 до 200 с. Нагрузочный режим в этом случае формируется несколькими повторениями однотипных реализаций процесса нагружения детали (цикл) и последовательным чередованием циклов с учетом реального соотношения их длительности, определяемых условиями эксплуатации автомобиля.

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

Развитие методик стендовых испытаний, совершенствование приборов и оборудования, позволили усложнить программы стендовых испытаний отдельных узлов и агрегатов и перейти к моделированию не только отдельных видов их нагрузочных режимов, а всего многообразия, возможного в процессе эксплуатации ТМ с учетом их места и особенностей работы в реальных системах практически любой степени сложности. Такие испытания проводятся при моделировании на ЭВМ работы реальных динамических систем или определенной их части и получили название испытаний при имитационном моделировании.

Имитационное моделирование выполняется на этапах проектирования, доводки и сертификации ТС и представляет процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы. Имитационное моделирование позволяет использовать возможности ЭВМ, имитировать работу отдельных частей узлов, агрегатов или систем ТМ с помощью программных средств и соединить виртуальные части машины с реальными объектами испытаний. Имитационные модели ТС могут быть использованы для оценки их эксплуатационных свойств, определения возможных способов совершенствования их конструкций, оценки влияния определенных конструктивных изменений на управляемость, устойчивость и тормозные свойства. В последнее время наиболее перспективным является проведение имитационного моделирования движения АТС с использованием программно-аппаратных комплексов (ПАК), включающих в себя: реальные компоненты автомобиля, специальный измерительный комплекс, современное программное обеспечение. Такой подход позволяет моделировать поведение транспортных средств с учетом особенностей работы реальных агрегатов и блоков управления. Например, имитационный стенд-тренажер для проведения виртуальных испытаний по оценке тормозной эффективности содержит соединенные между собой персональные компьютеры; стенд с реальными компонентами тормозного управления автомобиля; устройство для имитации воздействий на рулевое колесо; устройство сопряжения объектов; энергетическую и измерительную систему стенда. Для исследования характера движения в режиме торможения на имитационном стенде-тренажере перед водителем установлен монитор, при этом на персональном компьютере реализуется построение и отображение дорожной обстановки и динамика изменения дорожной ситуации. На экране отображается прямолинейный участок дорожного полотна с осевой линией, информирующей о границе раздела сред с различным коэффициентом сцепления. Показана часть капота автомобиля для оценки водителем габаритов автомобиля. На капоте имитируется точка цели для возможности оценки водителем величины отклонения автомобиля в процессе торможения. После проведения эксперимента на имитационном стенде-тренажере возможно мгновенное получение итоговых результатов (более 40 параметров), характеризующих процесс торможения. Все параметры можно отобразить и сохранить в виде графических зависимостей, или таблиц для дальнейшего анализа результатов имитационного моделирования. По результатам сравнения расчетных данных с данными экспериментальных исследований принимается решение об адекватности модели ТС и при необходимости выполняется корректировка модели посредством уточнения характеристик и зависимостей, описывающих параметры ТС и условия работы отдельных агрегатов. Имитационное моделирование имеет целый ряд преимуществ по сравнению с дорожными испытаниями и обеспечивает: независимость от погодных условий, гибкие возможности по изменению модели и оценки влияния различных конструктивных параметров на динамику движения ТС, возможность имитирования практически любых дорожных ситуаций (в частности, возможность моделирования отказа отдельных компонентов), возможность получения полного массива данных о процессе движения ТС.