книги из ГПНТБ / Паньков, Н. П. Надежность автомобильной техники ЧЗХР

Г л а в а 5

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ПОТОКА ОТКАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ НА ЭТАПЕ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ И РАСЧЕТА БЕЗОТКАЗНОСТИ ИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ОБЩЕГО ПОТОКА ОТКАЗОВ

Автомобили с недостаточной надежностью помимо всего про­ чего неэкономичны. Они обходятся дорого как заводу-изготовителю с точки зрения гарантийных обязательств и масштабов выпуска

ностей, выносливость и другие качества обуславливаются свойст­ вами материала, из которого изготовлены детали, их размером, геометрической формой, чистотой обработки, способом упрочения поверхностей.

Особая роль в проблеме безотказности отводится точности из­ готовления деталей, качеству сборки и, особенно, регулировке узлов и агрегатов автомобилей.

Несоблюдение при сборке установленных зазоров, перекосы, неправильная затяжка подвижных сопряжений могут вызвать заедание, задиры и заклинивание деталей, перегрев их и в конечном счете поломку или форсированный износ.

На этапе конструирования, испытания и составления техниче­ ских условий вопросы безотказности должны решаться в следу­

узлы и детали, поставляемые заводами-поставщиками по коопе­ рации;

д) непрерывный сбор и анализ информации, быстрая реакция на устранение выявленных недостатков и подготовка рекоменда­ ций для разработки новых типов 'конструкций и процессов.

Разработка нового типа автомобиля должна начинаться со структурного анализа готового автомобиля, поступающего к пот­ ребителю.

108

Требования надежности в этих структурных схемах должны выражаться в виде максимальности допустимых на заданный пробег значений вероятности отказав для каждой подсистемы. Решающую роль .здесь играет единая система .классификации узлов.

В соответствии с этим представляется возможным автомо­ биль как систему разделить на следующие подсистемы: двига­ тель. , рама и монтажная арматура, подвеска, тормоза и привод к ним, сцепление, коробка передач, карданная передача, задний мост, передний мост, рулевое управление, электрооборудование, смазка, охлаждение, питание, выхлопная система, система ог­ раждений и сигнализаций, система обогрева и вентиляции, каби­ на и кузов. В свою очередь указанные подсистемы должны быть разделены на детали, узлы и отдельные элементы, для которых устанавливаются значения вероятности безотказной работы за определенный пробег.

Такая классификация широко применяется многими зарубеж­ ными фирмами.

В частности, .фирма Форд автомобиль делит на 15 функцио­

функции, ради которых она была изготовлена. Примерами вне­ запных отказов могут служить: перегорание электрического при­ бора, прокол шины, поломка полуоси или другой детали, разрыв тормозного шланга, повреждение диафрагмы бензонасоса и т. д. К внезапным отказам следует отнести также нарушение клепа­ ных и сварных соединений, а также прессовых посадок.

Постепенные отказы связаны с накоплением износа или ста­

собой. При наличии прочностной и кинематической связи между узлами и агрегатами моменты отказов .отдельных узлов нахо­ дятся в корреляционной зависимости. Например, дисбаланс кар­ данного вала в значительной степени сказывается на сроке служ­ бы болтовых соединений и подшипников агрегатов силовой пере­ дачи автомобиля.

Конструирование без предварительной оценки надежности часто приводит к тому, что надежность создаваемых машин ока­ зывается неожиданно низкой, причем об этом можно судить лишь после того, как машина сделана и испытана.

109

А. Н. Туполеву принадлежат слова: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем дороже она обходится».

На р.ис. 5.1 приведена графическая зависимость влияния спо-

Рис. 5.1. Влияние способа организации на величину расходов на опытные и экспериментальные работы по обеспечению надежности.

раньше начинается опытно-экспериментальная работа по обеспе­ чению надежности (кривая 1), тем больше вероятность того, что затраты не превзойдут установленною уровня (4). Если же ра­ бота начнется после того, как приняты решения и изготовлена конструкция (кривые 2 и 3), неизбежны большие экономические издержки.

Если автомобиль расчленить на несколько групп равнодолго­ вечных деталей, то можно будет предсказать моменты выхода из строя этих деталей и с достаточной достоверностью установить время профилактической замены их. Профилактическая замена деталей должна производиться в моменты, когда опасность отка­ за машины становится недопустимо высокой. При этом удастся значительно снизить число непредвиденных отказов машины и, следовательно, повысить ее надежность.

При такой постановке вопроса необходимо:

а) все детали агрегатов и систем автомобиля разделить на три группы:

—активные, работающие под нагрузкой и подвергающиеся наибольшим износа,м;

—базовые, обеспечивающие правильное взаимное располо­ жение и взаимодействие активных деталей;

ПО

где п — количество основных агрегатов, входящих в данную блок-схему.

Рассмотрим несколько примеров.

1. В блок-схему входит 9 узлов и агрегатов, вероятность без­

4. Допустим, что введенное нами дополнительное звено имеет вероятность безотказной работы не 0,98, а 0,80.

Р (/) = 0,989 • 0,80 = 0,667.

Сравнив примеры 3 и 4, находим, что вероятность безотказной работы системы всегда ниже вероятности безотказной работы агрегата или механизма, имеющего самую низкую надежность. И далее, чем сложнее машина, тем выше должны быть предъяв­ лены требования к надежности ее составных элементов.

Любой агрегат и узел автомобиля состоит из взаимосвязанных

между собой деталей. Рассмотрим сопряжение, состоящее из двух изнашивающихся деталей. Вероятность выхода из строя каждой

'112

Если известны численные значения gi(l) и g2(/), то можно установить вероятность появления каждого из четырех исходов в отдельности.

При расчете надежности сопряжения нас должен интересовать фактически один исход — вероятность безотказной работы обеих деталей

При независимом соединении узлов, систем и механизмов рас­ чет должен производиться следующим образом. Сначала опреде­ ляют вероятность исправной работы отдельных групп последова­ тельно соединенных элементов. После этого рассчитывают вероят­ ность исправной работы групп изделий, имеющих резервное сое­ динение. Так, например, фары, подфарники и -габаритные фонари соединены резервным способом (по два изделия в каждой груп­ пе), причем отказ в работе любого изделия не вызывает отказ в работе освещения и позволяет продолжать эксплуатацию авто­ мобиля до возвращения в часть и устранение неисправности. К деталям, соединенным параллельно, могут быть отнесены мно­ гие болтовые соединения автомобиля, а также ручной и ножной тормоза.

Расчет вероятности исправной работы в данном случае сво­ дится к следующему.

Определяется вероятность отказа резервно соединенных дета­

Из рассмотренного следует, что -исходным пунктом расчета надежности машины является расчет вероятности безотказной работы сопряжения. Для сокращения -времени простоя автомоби­ ля, связанного с заменой изношенных сопряжений, особую роль приобретает группировка сопряжений агрегат-ов по срокам служ­ бы, которая должна выполняться заводом-,изготовителем при от­ работке конструкции машины. Конструкция агрегата может счи­ таться совершенной, если она имеет минимум групп -разностойких сопряжений, значительно удаленных друг от друга по срокам службы.8

При расчете вероятности безотказной работы создаваемой машины следует рассматривать несколько вариантов распреде­ ления и перераспределения изнашивающихся деталей по груп­ пам. (Причем для повышения надежности автомобиля в течение расчетного срока службы может оказаться целесообразным по­ высить расчетные сроки службы некоторых отдельных деталей, т. е. перевести эти детали из одной группы в другую за счет из­ менения применяемых материалов, обработки, а может быть

иконструкции.

Для окончательного заключения о вероятности безотказной рабо­

ты той или иной механической системы автомобиля (агрегата) необ­ ходимо определить ведущий вид разрушения в наиболее слабом элементе і(или группе) и исследовать его вероятностные законо­ мерности.

Поскольку самый слабый элемент конструкции часто опреде­ ляет собой надежность конструкции в целом, то выявление этого элемента и есть самый важный этап в процессе разработки меро­ приятий по обеспечению надежности автомобилей и других машин.

Обобщение результатов опытной эксплуатации автомобиля КрАЗ-256, например, показывает, что 55% всех отказов коробки передач приходится на четыре детали: синхронизаторы повышаю­ щей и понижающей передач, первичный вал и фиксаторы. По­ давляющее большинство отказов по раздаточной коробке прихо­ дится на элементы уплотнений.

В карданных валах 70% отказов приходится на крестовину карданного вала в сборе и вал карданный промежуточный задне­ го моста. В ведущих мостах более 50% отказов приходится на 4 детали: большую цилиндрическую шестерню ведомую и малую цилиндрическую ведущую, шестерню полуоси заднего моста, сдльник полуоси заднего моста и редуктора.

На амортизатор передней подвески в сборе приходится 19% отказов. Причем основная форма проявления отказов по аморти­ затору— нарушение герметичности уплотнительного соединения. В результате этого появляется течь жидкости и амортизатор вы­ ходит из строя.

53% отказов колес и ступиц приходится на отказы шпилек крепления фланцев полуоси и шпилек крепления колес.

По рулевому управлению 50% отказов приходится на три де­ тали: рычаг двуплечий, манжеты штока и крышки усилителя, т. е. на детали пневматического усилителя руля.

Таким образом, цель инженерного анализа и расчета надеж­ ности узлов и агрегатов автомобилей состоит в получении гаран­ тии того, что за время их эксплуатации с определенной вероят­ ностью не наступит ни одно из недопустимых предельных состоя­ ний, с переходом через которое автомобиль работает ненадежно.

Разработка и анализ структурных схем надежности позволит

114

выявить наиболее слабые звенья машины и принять соответству­ ющие меры к их устранению.

Этот этап работы конструктора условно называют этапом обес­ печения «схемной надежности», при котором рассматриваются варианты усовершенствования самой схемы изделия.

Анализ схемы может быть качественным или содержать коли­ чественные оценки.

Рассмотрим это на следующих примерах. * На рис. 5.2, а приведена функциональная схема тормозной си­

стемы с гидравлическим приводом. Система состоит из следующих элементов: главного тормозного цилиндра ГЦ, имеющего вероят­ ность безотказной работы Ртк, и четырех тормозов Т с вероят­ ностью безотказной работы каждого Рт. Каждый тормоз состоит из тормозного механизма ТМ с вероятностью безотказной раіботы Рп и привода к колесу ПК с вероятностью безотказной ра­ боты Рпк. Важнейшей особенностью /разсматриваемой схемы является ее полный отказ при отказе ГЦ или Т, т. е. все элемен­ ты ее включены последовательно. На рис. 5.2, б приведена струк­ турная схема безотказности.

ПП ПП ЗП ЗП

-ПШ- ШТмНШЯНШг№кШі\--

зп зл

Рис. 5.2. Тормозная система с гидравлическим приводом:

а—функциональная схема обычной системы; б—структурная схема обычной системы;в— функциональная схема системы с размерным приводом к передним и задним тормозам: г— структурная схема той же системы.

Чтобы уменьшить последствия местного отказа, изменим схе­ му и для повышения надежности системы введем главный ци­

* Ротенберг Р. В. Лекции по надежности машин. Издание академии БТ, 1971.

линдр, позволяющий создать два раздельных контура — передних и задних тормозов (рис. 5.2, в). Теперь при любом местном отказе вся система не будет выходить из строя и два колеса останутся тормозными. Таким образом, опасный полный отказ заменен частичным с приемлемыми последствиями. На рис. 5.2, г приведе­ на соответствующая .структурная схема безотказности, которая Зіключает две параллельно связанные ветви тормозных контуров передних и задних колес.

В качестве второго примера рассмотрим систему смазки

двигателя.

На рис. 5.3, а представлена первоначальная схема смазки дви-

В глабную магистраль

Рис. 5.3. Схема системы смазки двигателя:

а—первоначальная; б—повышенной безотказности.

гателя, включающая масляный насос 1, .фильтр 2, масляный ра­ диатор 3 и главную магистраль, из которой масло поступает к трущимся поверхностям.

Испытания и результаты эксплуатации аналогичных схем по­ казывают, что возможны следующие отказы: 1) течь масла вслед­ ствие повышения давления, создаваемого насосом при повышен­ ных оборотах, и при масле, загустевшем при низких температу­ рах; 2) опасность выплавления подшипников и отказа двигателя

116