Раздел 2. ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

Тема 2.1. Методика планирования и проведения испытаний

Планирование испытаний. Цели и задачи испытаний. Логикоструктурный подход к проведению испытаний. Пример разработки стратегии проведения испытаний на износ.

План рован е спытаний. Процесс изготовления автомобиля от макетного образца до серийной модели – сложный проект, включающий

переходготовностина следующ й уровень технологической цепочки.

Лог ко-структурный подход (ЛСП) был разработан Агентством ме-

США туация в будущем), для того чтобыДзатем выработать план мероприятий

для достижения каждой цели. Этот процесс носит название целевого планирования. Ясность целей позволяет четко определить конечную задачу для всей деятельности в рамках программы испытаний, а также провести оценку осуществимости результатов. В ходе осуществления проекта ведется его мониторинг, цель которого – установить, способствует ли ход выполнения проекта достижению поставленных перед ним целей. Если нет, принимаются меры по возвращению проекта в нужное русло. Этот процесс носит название целенаправленного управления проектом.

Анализ заинтересованных сторон – идентификация групп, отдельных лиц и учреждений, интересы которых проект может затронуть, идентификация их основных ключевых проблем, ограничений и возможностей.

17

Анализ проблем – формулировка проблем, определение причин- но-следственных связей и построение дерева проблем.

Анализ целей – выведение целей из определенных проблем, определение отношений "средства достижения – конечный результат",

объединение целей в группы и определение стратегии проекта. Фаза планирования. Выделение логики участия – определение со-

Сставных частей проекта, проверка его внутренней логики, формулировка целей с точки зрения возможностей их измерения. Указание допущений и факторов р ска – выявление условий, могущих оказать отрицательное влияние на выполнен е проекта и не поддающихся контролю со стороны

приятийи– установлен е последовательности и взаимозависимости мероприятий, указанбюджее х предполагаемой продолжительности; расстановка вех распределен е о язанностей. Составление плана расходов – указание требующ хся ресурсов, разра отка графика расходов, подготовка

менеджмента проекта. Определение показателей – определение способов измерен я прогресса, достигнутого в выполнении проекта; формулировка

показателей; определен е средств измерения. Составление графика меро-

матрица. По такой матрице излагается краткое содержание проекта, приводятся допущения, лежащие в основе его стратегии, а также указывается способ мониторинга проекта. В та л. 1 обобщенно представлены структу-

В текстовой части логико-структурной матрицы излагается логика участия проекта, а также указываются лежащие в основе данной логики важные допущения и факторы риска. Таким образом, создается основа для проверки выполнимости проекта и обеспечивается тщательная оценка сомнительных допущений и неоправданных факторов риска.

Анализ проблем включает анализ уже выявленных проблем с учетом мнения каждой заинтересованной стороны, что обеспечивает сбалансированность анализа, при котором принимаются во внимание различные и иногда прот воположные взгляды. Цель состоит в получении общего, по возможности консенсусного представления о ситуации и структуризации

САнал з проблем устанавливает причинно-следственные связи между про лемами. "Дерево проблем" представляет собой ие-

выявленных проблем в форме "дерева проблем".

разнообразнымирархическое расположен е про лем. Обсуждение всего спектра проблем, предлагаемых в качестве центральных, следует вести до тех пор, пока не

будет определена в качестве центральной единственная из предложенного для обсужден я сп ска про лем. Она будет являться исходным пунктом построен я "дерева про лем" (рис. 1).

Все суждения "дерева проблем" трансформируются в задачи, направленные на решение главной цели, формируя "дерево целей". Каждая пара "причина-следствие" превращается в пару "средство–эффект" (рис. 2).

19

Газоабразивное изнашивание возникает под воздействием частиц, взвешенных в газе. Этому виду изнашивания подвержены впускные и выпускные системы автомобильных двигателей, а также наружные лакокрасочные покрытия кузовов автомобилей, особенно при работе в запыленных условиях. Наибольший износ трущихся поверхностей деталей автомобиля вызывают частицы кварца, поэтому обеспечение чистоты воздуха

Си эксплуатационных жидкостей, поступающих во внутренние полости агрегатов автомобиля, является важнейшим методом уменьшения интенсивности разл чных в дов абразивного изнашивания.

Кав тац я представляет собой образование, а затем поглощение

гидравлическпарогазовых пузырьков в движущейся по поверхности детали жидкости при определенных соотношениях давлений и температур в переменных

сечениях потока. Разрушение кавитационных пузырьков сопровождается ми ударами по поверхности детали и образованием каверн (ямок), полостейбА. Пр мером кавитационного изнашивания являются ка-

верны, наблюдаемые на наружных поверхностях гильз цилиндров двигателя, на полостях водяных насосов.

Изнаш ван е при фреттинге возникает при трении скольжения соприкасающ хся деталей при возвратно-поступательных перемещениях в условиях динамической нагрузки с малыми амплитудами. Такое изнашивание проявляется в заклепочных, олтовых, шлицевых и шпоночных соединениях, рессорах.

Усталостное изнашивание является механическим изнашиванием в результате усталостного разрушенияДпри повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя детали. Усталостное разрушение проявляется в виде выкрашивания – отделения частиц материала, приводящего к образованию ямок (питтинга) на поверхности трения. Усталостное разрушение имеет место на поверхностях кулачков и зубьев шестерен, в подшипниках качения трансмиссииИ, в антифрикционном слое вкладышей подшипников коленчатого вала двигателя.

Трение потоков жидкостей и газов о поверхности деталей вызывает их эрозионное и кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание является механическим видом изнашивания в результате воздействия на поверхность детали потока жидкости – гидроэрозионное изнашивание – или газа – газоэрозионное изнашивание. Гидро- и газоэрозионное изнашивания представляют собой процесс вымывания и вырыва отдельных микрообъемов материала. Топливная аппаратура дизелей, жиклеры карбюратора, клапаны газораспределения двигателей подвержены эрозионному изнашиванию.

25

Электроэрозионное изнашивание является видом эрозионного из-

нашивания поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока. Этому виду изнашивания подвержены контакты прерывателя и свечей системы зажигания автомобильного карбюраторного двигателя.

Изнашивание при схватывании рабочих поверхностей определя-

ется свойствами материалов, трущихся деталей и зависит от скорости скольжения поверхностей, а также от температуры. Для деталей автомобиля, когда матер ал трущихся деталей подобран правильно, схватывание поверхностей может быть вызвано в основном повышением температуры

ческим взаимодействиембАматериала со средой. Для деталей автомобиля коррозия при трении в основном связана с окислением материала поверхностей деталей, т. е. ведущее значение имеет окислительное изнашивание, при котором основное влияние на изнашивание оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей окружающей средой.

При окислительном изнашивании кислород воздуха или растворенный в масле образует на металле окисную пленку, которая механически удаляется при трении. Затем процесс повторяется. Пластическая де-

кучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов. Обычно этот вид разрушений является следствием либо

ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильного управления автомобилем, дорожно-транспортных происшествий и т.п.). Иногда пластическим деформациям или разрушениям

26

предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.

Усталостные разрушения возникают при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей (повышение качества металла и точности изготовления, сключен е концентраторов напряжения) привело к значительному сокращен ю случаев усталостного разрушения деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные

Детали ибАматериалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и эластичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы, сопровождаемые выпадением осадков.

изменения вязкости и потери свойств присадок.

Техническое состояние основной доли деталей автомобилей лимитируется износом его рабочих поверхностей. При этом интенсивность из-

способов его обработки применительно к определенной детали машины являются испытания детали на самой машине в условиях эксплуатации.

Такой способ используется часто, но он связан с практическими трудностями: длительностью испытаний, необходимостью разборки машины для определения износа детали, трудностью точного определения величины износа и др. В этом случае результат испытания на износ определяется по

27

изменению эксплуатационных свойств машины (например, понижению точности обрабатываемой заготовки), по косвенным признакам (например, увеличению утечки между плунжером и цилиндром) и непосредственно по изменению размеров или массы деталей.

Обмер деталей получил наибольшее распространение для определения износа путем обмера с помощью микрометрических инструментов до и после испытания. Этим методом с помощью специальной аппаратуры можно точно определить распределение величины износа по поверхности деталей ли образцов, пр чем поверхность должна быть чисто обработана, а вел ч на зноса не превышать 0,1 мм.

ства, попавшего в масло за определенный период времени, и о скорости

Испытания на износ можно проводить и в лабораторных условиях, в этом случае необходимо воспроизведение той же совокупности основных условий на поверхности трения, которые наблюдаются при эксплуатации детали и обеспечивают для одного и того же материала одинаковый процесс износа.

Метод абразивного износа состоит в том, что производят трение испытуемого и эталонного образцов о поверхность с закрепленными на ней абразивными частицами (наждачная бумага) при статической нагрузке и отсутствии нагрева и сравнивают полученные результаты. В пределах одной серии испытаний технология изготовления образцов должна быть одинаковой. Измерение окончательных размеров образца перед испытанием не должно вызывать его повреждения. Перед испытанием эталонные

28

и испытуемые образцы должны подвергаться приработке для достижения полного прилегания образцов к шкурке в условиях, идентичных условиям испытаний. Все образцы одной серии испытывают на одной и той же машине. Испытания проводят при трении торца цилиндрического образца по

поверхности абразивной шкурки по спирали Архимеда в направлении от центра диска к периферии. Радиальная подача образцов на каждый оборот Сдиска составляет 1 мм. Износ испытуемого и эталонного образцов должен быть получен при одинаковых условиях: образцы должны пройти один и тот же путь трен я в пределах всей серии испытаний. За результат испытания матер ала пр н мают относительную износостойкость, вычислен-

ную как среднее ар фмет ческое результатов двух идентичных опытов.

Метод ка проведения экспериментальных исследований. В дис-

сследовании Д.К. Кушалиева (Саратов, 2015) приводится общая схема методов сследования, направленного на повышение эксплуатационной долговечности подвески автомобиля применением инновационных ремонтных комплектов (рис. 5).

Д и скорости перемещения поршня на усилие сжатияИи отбоя. Усилие на

штоке при сжатии амортизатора и усилие на штоке при отбое амортизатора являются функциями отклика. Также в качестве функции отклика может выступать параметр плавности хода штока поршня. Поскольку плавность хода штока поршня определяется чисто визуально по форме кривых, то в нашем случае можно ограничиться параметрами усилия отбоя и сжа-

тия Pсж и Pот. В результате предварительных экспериментов и анализа данных литературных источников выяснено, что эти параметры зависят от таких факторов, как температура То и скорость перемещения поршня Vп.

29

Си

Рис. 5.бАЭкспериментальные методыД, используемые для исследований стандартного и усовершенствованного амортизаторов

При увеличении температуры смазка становится более жидкой, в результате чего могут изменяться усилия отбоя и сжатия амортизатора. При низкой температуре масло густеет, амортизаторыИбудут передавать на кузов автомобиля толчки и вибрацию, а при ходе отдачи – запаздывать. От этого ухудшится комфортабельность машины и могут появиться трещины в местах крепления амортизаторов к кузову, а также увеличатся динамические нагрузки на узлы и детали. Изменение скорости также может влиять на изменения усилии сжатия и отбоя, что в свою очередь скажется и на характеристике амортизатора. В качестве факторов, влияющих на параметры амортизатора, выбраны температура То и скорость перемещения поршня Vп.

При этом план эксперимента должен обеспечивать возможность варьирования каждого фактора не менее чем на трех уровнях. Следовательно, число опытов должно быть не менее числа коэффициентов, равно-

30

Требуемое количество опытов в каждой точке плана определено по методике С.А. Айвазяна (М., 1983). Трех повторных опытов достаточно для обеспечения 95% надежности результатов.

В результате экспериментальных испытаний отражены в полной ме-

Аппаратура, пр меняемая при испытаниях автомобилей; требова-

узлы автомобиля. В ольшинстве случаев эти величины переменные, для их регистрации следует применять записывающую аппаратуру. При измерении сил и моментов вращающихся деталей используют токосъемные устройства. В лабораторных условиях при проведении статических измерений применяют динамометры общегоДназначения.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

По способу индикации значений измеряемой величины измеритель-

исуммирующие. Различают также приборы прямогоИдействия и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей

идругих устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой.

32

Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами.

Метод хрупких покрытий используют в основном для качественной оценки распределения напряжений и в случае приближенного опреде-

ления главных напряжений на большой площади. Наиболее простым хрупким покрытием является канифоль с добавкой 0,5–2% парафина (зарубежный аналог – покрытие типа Maybach). Порог чувствительности этого покрытия составляет 40–60 МПа. Другое покрытие (более чувствительное, но более сложное по составу) представляет собой резинат бария, который в в де раствора наносят на тщательно подготовленную поверхность (подобное покрытие, применяемое за рубежом, называется

возникаетизмерен с л моментов вращающихся деталей используют токосъем-

ные устройства. В ла ораторных условиях при проведении статических

ройство для регистрации. Первичный преобразователь в зависимости от измеряемой величины создает электрический сигнал. Характерным примером такого преобразователя является тензорезистор, применяемый для измерения механических напряжений.

Самописцы, осциллографы, магнитографы и другие устройства предназначены для записи и хранения полученной информации в той или иной форме. Промежуточные преобразователи обеспечивают совместность работы первичных преобразователей и регистрирующих устройств. Примерами промежуточных преобразователей являются усилители, фильтры, переключающие устройства и т. д.

В некоторых случаях для использования электрических методов измерения применяют чувствительный элемент, который превращает одну

33

измеряемую величину в другую, удобную для фиксирования ее первичным преобразователем. Например, для измерения давления используют трубчатый чувствительный элемент, изменения напряжения в котором регистрируются тензорезисторами.

Общие требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре.

Аппаратура, применяемая при испытаниях автомобилей, должна отвечать целому ряду требований: прежде всего, быть компактной, не бояться динамических перегрузок, вибрации, большой запыленности воздуха и в то же время обладать достаточной чувствительностью и разрешающей спо-

ид (Ω), устанавливают величину A (Ω), определяющую амплитудно-

частотную характеристику аппаратуры (АЧХ):

По этой характеристике нетрудно определить рабочий диапазон частот Ωpaб измеряемых процессов, если задаться допустимым отклонением ±

где R – изменение сопротивления тензорезистора; R – номинальное сопротивление тензорезистора; l – упругая деформация на длине тензорезистора; l – база тензорезистора.

деформации; µ – коэффициент Пуассона.

Для определения главных деформаций по величине и направлению применяют метод, основанный на использовании треугольных или прямоугольных соединений тензорезисторов (розеток), или метод хрупких по-

36

крытий. Сигналы от розеток регистрируются приборами. Обрабатывают результаты измерений с помощью формул и диаграмм.

Крутящие моменты валов определяют или по измеренной деформации вала или с помощью специального преобразователя крутящего мо-

мента. В некоторых случаях достаточно найти реакции опор стандартными измерителями сил. Измерить деформацию вала нетрудно с помощью Стензорезисторов, устанавливая их под углом 45° к оси. Для включения их

в измерительную цепь необходимо применить одно из рассмотренных токосъемных устройств. Этот способ не связан с какими-либо изменениями в исследуемой конструкц и. Однако не всегда возможна установка на вал

тензорезисторов токосъемных устройств. Кроме того, все эти приспособления, создаваемые для каждой конструкции отдельно, требуют тарировки оценки погрешностей.

Промышленные прео разователи момента работают в комплекте с типовой змер тельной аппаратурой и их характеристики не изменяются

Измеренбе давлен й. При испытаниях автомобилей часто приходится измерять давления жидкостей и газов. Для определения постоянных значений давления применяют жидкостные (пьезометры) и стрелочные

при переходе от одного о ъекта измерений к другому. Калибровку и оценку погрешностей проводят заранее, а результаты используют при испытании разл чных о ъектов.

(пружинные) манометрыА. В жидкостном манометре на столб жидкости, заключенный в тру ку, действует разность измеряемого и атмосферного давлений. В стрелочных манометрахДприменяют изогнутую манометрическую трубку (Бурдона), которая под действием разности давлений, стремясь выпрямиться, через рычажный механизм перемещает стрелку. Для

измерения переменных давлений применяют преобразователи с чувстви-

тельным элементом. При медленно изменяющемся давлении (с частотой не более 1 Гц) применяют преобразователь давленияИс чувствительным элементом в виде трубки Бурдона. На боковые поверхности трубки наклеены тензорезисторы, соединенные в полумостовую схему. Манометрическая трубка имеет значительную инерционность и поэтому не может реагировать на быстропротекающие процессы. Например, этими преобразователями измеряют давление жидкости в гидравлическом тормозном приводе.

Для измерения усилия буксировки преобразователи должны иметь такую частоту собственных колебаний, которая бы значительно превышала максимальные частоты измеряемых процессов. Наибольшую частоту собственных колебаний имеют преобразователи давления с пьезоэлектрическим чувствительным элементом. Их применяют при широком интерва-

37

ле изменения величин и частот давлений. Высокая жесткость пьезоэлектрических преобразователей обеспечивает частоту собственных колебаний 10–50 кГц. Это дает возможность использовать их для измерения давления в цилиндрах двигателя автомобиля. Следует отметить, что пьезоэлектрический преобразователь имеет ограниченный нижний диапазон частот и не может измерять постоянную составляющую процесса.

Измерение пути, скорости и относительного перемещения. Для измерения пути, пройденного автомобилем, может быть использован счетчик с пр водом от трансмиссии. Однако такой способ не совсем точен, так как колеса автомобиля проскальзывают за счет передачи сил и моментов. Кроме того, радиус качения колеса связан с нагрузкой, давле-

борам относятсябАтахометры и тахоскопы. В тахометре под действием центробежных сил расходятся грузики, которые перемещают стрелку прибора. Тахоскопом определяют суммарный угол поворота вала за промежуток времени, заданный часовым механизмом. Эти приборы имеют высокую точность измерения, их применяют в качестве контрольных.

новку колеса при дв жен и автомо иля. Для получения безотрывного качения колеса его пр ж мают к дороге пружинами, а в некоторых случаях устанавл вают аморт заторы.

Для определен я угловых скоростей используют приборы меха-

нического, электрического или электронного типов. К механическим при-

пример, в условиях статических испытаний нашли применение механические индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. При динамиче-

ских испытаниях тензорезисторы наклеивают на кольца и пластины, выбранные достаточно гибкими, но прочными, изготовленными из высокоуглеродистой стали.

38

Измерение температур. Измерительную аппаратуру выбирают в зависимости от диапазона рабочих температур исследуемого агрегата. Для определения температур до 120–150 °С используют аэротермометры. Эти приборы состоят из баллона, заполненного рабочим телом, капиллярной

трубки и стрелочного указателя. При погружении баллона в жидкость, температуру которой надо измерить, давление рабочего тела увеличивается и передается через капиллярную трубку к указателю, перемещая его стрелку.

Стоде измеряется время зрасходования некоторого количества топлива, определяемого взвеш ванием. В автоматических устройствах измерения

Измерен е расхода топлива. При испытаниях автомобиля для измерения расхода топл ва используют два метода: объемный и весовой. Весовой метод пр меняют при лабораторных испытаниях. При этом ме-

расхода топл ва весовым методом время прохождения заданной массы топлива определяется электронным секундомером с помощью фотоэлек-

датчиками и позволяют снимать необходимуюДинформацию с помощью специальных разъёмов и даже удаленно. И

39