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

В послевоенные годы идея резервирования в тормозных си­ стемах получила свое дальнейшее развитие. На рис. 5.7 показана

127

зервирования может быть предусмотрен соответствующими рас­ четами с большими запасами прочности и износостойкости. Для узлов и агрегатов резервирование может принимать форму па­ раллельного включения элементов, либо резерва производитель­ ности (мощности).

Привод генератора, компрессора и водяного насоса на многих автомобилях осуществляется клиноременной передачей. Рассмот­ рим случай, когда эта передача включает два ремня. Если веро­

Для повышения безотказной работы клиноременной передачи подключим к двум ремням третий. В этом случае вероятность безотказной работы возрастет и составит 0,936.

Рассматривая этот простейший пример, отметим, что для дости­ жения вероятности безотказной работы передачи 0,936 сущест­ вует три шути:

—параллельная работа трех ремней, каждый из которых имеет вероятность безотказной работы 0,6;

—параллельная работа двух ремней, каждый из которых

128

имеет увеличенный запас прочности, обеспечивающий возраста­ ние вероятности безотказной работы с 0,6 до 0,75;

— работа одного ремня улучшенного качества, обеспечиваю­ щего вероятность безотказной работы 0,936.

Таким образом, для повышения вероятности безотказной ра­ боты можно избрать путь резервирования по элементам, либо введения резервов .(запасов) по параметру, определяющим веро­ ятность безотказной работы узла или агрегата.

Следует иметь в виду, что введение резервных элементов ве­ дет к увеличению веса, объема и стоимости изделия. По этой причине оно может быть рекомендовано в (Следующих случаях, когда:

а) надежность элементов изделия недостаточна и не может быть повышена другими более простыми средствами;

б) в машине есть ответственные слабые детали, отказ кото­ рых равноценен отказу всего автомобиля;

.в) отказ основного элемента не вызывает отказ резервнаго элемента;

г) коэффициент изменения безотказности К„г, > 1 , т. е. эффект, который дает резервирование, себя оправдывает и дополнитель­

В параллельно включенных генераторе и аккумуляторной бата­ рее для перехода с основного источника тока (генератора) на до­ полнительный (аккумуляторную батарею) требуется установка автоматического устройства в виде реле обратного тока.

Из рассмотренного следует, что резервирование по элементам находит широкое применение в автомобильной технике главным образом там, где отказы угрожают аварийным ситуациям. Поэ­ тому структурное резервирование встречается в тормозных систе­ мах и в рулевом управлении.

Резервирование по параметру широко применяется в практике автомобилестроения и является понятием более общим, чем ре­ зервирование с введением запасных элементов. Этот вид резер­ вирования принимает различные формы на практике. Так, напри­ мер, в современных автомобильных двигателях большое внимание уделяется надежности работы системы смазки. Вызвано это тем обстоятельством, что внезапное прекращение подачи смазки к трущимся поверхностям деталей может вызывать такие поломки и взносы, для устранения которых потребуются большие затраты времени и средств. Поэтому надежная работа системы смазки на современных автомобильных двигателях 'обеспечивается:

а) установкой масляных насосов значительно большей про­ изводительности, чем это необходимо для нормальной работы (резерв производительности);

б) установкой перепускного 'клапана в корпусе фильтра, от­ ключающего его при засорении и перепускающего масло в масля­ ную магистраль помимо фильтра;

в) устройством в верхней части центрального стержня фильт­ рующего элемента фильтра тонкой очистки АСФО или ДАСФО калиброванного отверстия диаметром 1,6—1,7 мм, которое огра­ ничивает количество масла, проходящего через фильтр в случае нарушения плотности набора дисков элементов и предотвращает

Для облегчения пуска двигателей на современных автомоби­ лях устанавливаются стартеры повышенной мощности (резерв мощности).

В настоящее время отмеченные резервы назначаются вне связи с показателями безотказности. А ведь если установить та­ кую связь, то при проектировании и изготовлении узлов и агре­ гатов автомобилей можно обеспечить заданный уровень безотказ­ ности выбором соответствующего параметра с вполне определен­ ным запасом.

Надежность автомобильного двигателя в общем случае зави­ сит от степени его форсирования и степени нагрузки, определяе­ мой удельной мощностью. Причем надежность двигателя легко­ вого автомобиля, который изготавливается весьма форсирован­ ным, обеспечивается высокой удельной мощностью. В результате двигатель работает с очень малыми нагрузками.

Двигатель грузового автомобиля работает обычно с большими ■нагрузками. Поэтому удельную мощность приходится выбирать малой, а заданный уровень надежности обеспечивается по меха­ нической или тепловой напряженности.

Таким образом, резервирование в автомобилях с целью обес­ печения устойчивой работы узлов и агрегатов может осущест­ вляться:

—созданием запаса работоспособности в самой машине при

ееконструировании и изготовлении;

—применением самокомпенсирующихся и саморегулирующих­ ся сопряжений и механизмов;

—выбором соответствующего запаса прочности и износостой­ кости деталей.

Взаключение этого раздела рассмотрим теоретические поло­ жения, связанные о преодолением затруднения, вызванного при­

менением для расчета резервированных систем некоторых основ­ ных теорем теории вероятностей.

Надежность автомобиля зависит от надежности каждой его детали в отдельности и надежности всех деталей в целом.

Современный автомобиль состоит из многих тысяч механиче­ ских, гидравлических и электрических элементов, отказы которых

130

сдостаточно хорошим приближением можно считать случайными

инезависимыми событиями. Отсюда вероятность Р(і) работы

этой сложной системы в течение времени t или пробега L со­ гласно правилу умножения случайных и независимых в совокуп­ ности событий будет равна

п— количество элементов, отказ которых вызывает выход из строя агрегата или автомобиля в целом.

нения. Применительно к автомобилям это положение не всегда находит свое подтверждение. Современные автомобили значи­ тельно сложнее довоенных, но вместе с этим они и надежнее. Очевидно, надежность автомобилей как сложных восстанавли­

из т элементов, последовательно соединенных между собой и с п основных элементов. Вероятность выхода из строя системы, вклю­

Если придерживаться того положения, что вероятность выхо­ да из строя системы повышается по мере увеличения количества ее элементов, то

Предположим теперь, что работа устройства, состоящего из т элементов направлена на повышение уровня надежности К эле­ ментов системы, состоявшей до введения этого устройства из п

элементов.

Другими словами, повышение надежности К элементов будет иметь место только в том случае, когда работает устройство из m элементов, вероятность чего равна

// Pj(t).

і=1

Обозначим через P k(f) и Р ' к(і) вероятность безотказ­ ной работы /г-го элемента при включении и отключении дополни­ тельного устройства, состоящего из m элементов. При этом спра­

Вероятность же ®3 работы k элементов при включенном до­ полнительном устройстве составит

Вероятность ® работы всей рассматриваемой системы с вклю­ ченным дополнительным устройством составит

Повышение вероятности безотказной работы системы с вклю­ ченным дополнительным устройством, направленным на повыше­ ние безотказности работы к элементов составит

132

Взаключение рассмотрим случай, когда вводимое в систему дополнительное устройство, функционально направленное на вос­ становление работоспособности к элементов, представляющих со­ бой часть системы, состоящей из п элементов. Типичным примером этого случая будет автоматическая регулировка тормозов, при­ меняемая на некоторых отечественных автомобилях и, в частно­ сти, на автомобилях «Москвич».

Вэтом случае вероятность <р4 работы к элементов при без­ отказной работе дополнительных устройств составит

Тогда вероятность <р работы всей анализируемой системы бу­ дет равна

Из рассмотренных положений следует, что при расчете пока­ зателей вероятности безотказной работы резервированных систем необходимо учитывать не только общее количество включенных элементов, но их функции, так как в автомобилях вероятность безотказной работы одних приборов и узлов очень часто повыша­ ется за счет работы других приборов и узлов.

ПРИМЕНЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ПОТОКА ОТКАЗОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБНОСТИ В ЗАПАСНЫХ ЧАСТЯХ

Современные методы расчета базируются на определении ра­ бочих напряжений зр. Если это рабочее напряжение меньше пре­ дельного з1ір, то считается, что деталь или элемент имеет запас прочности

Статистические методы расчета учитывают элемент случай­ ности нагрузок, которые вызывают в деталях рабочие напряже­ ния, подчиняющиеся определенным распределениям.

На рис. 5.9 приведен нормальный закон распределения нап­ ряжений с математическим ожиданием зр и дисперсией Дз. Пре­ дельное напряжение имеет значение При зШіП<Сапр<атах

133

появляется большая или меньшая вероятность того, что зр> з ор, т. е. наступит разрушение. Чтобы исключить разрушение, необ­

запас безотказности, где <зщ и зр — случайные величины. Примем для простоты расче­ тов, что Ор — случайная вели­ чина, а о]ір имеет определен­ ное значение и построим кри­ вые вероятности безотказной работы детали без разруше­ ния при условии, что измене- б"ние рабочего напряжения про­

° р

На рис. 5.10 приведено семейство кривых, характеризующих зависимость запаса безотказности К от вероятности работы дета­ ли без разрушения при различной дисперсии рабочих напряжений.

Рис. 5.10. Зависимость запаса безотказности К от веро­ ятности работы детали без разрушения.

Из приведенных кривых следует, что при V=0,15 вероятность разрушения будет равна нулю, при К > 1,8. Разрушение будет

134

неизбежным при 0,69. Работа детали без разрушения с вероят­ ностью 90% будет при К —1,25.

Приведенные расчеты показывают, как запас прочности дета­ ли связать с показателем надежности ее — вероятностью безот­ казной работы и превратить в запас безотказности К.

Расчет по запасам прочности — типичный пример резервиро­ вания по параметру. Применяется в автостроении давно. Однако теория надежности требует вероятностной оценки результатов та­

Спрашивается, во сколько раз стал прочнее стержень? Обычно

•считают, что вдвое. Докажем, что это не так.

Пусть сила іѴ представляет собой случайную величину с плот­ ностью распределения вероятностей, соответствующей нормально­

ния стержня будет теперь определяться лишь той частью площа­

Таким образом, увеличение площади сечения стержня вдвое привело к увеличению надежности (увеличению вероятности отсутствия разрушения) с 2% до 98%. Поэтому традиционный ответ — увеличение запаса прочности вдвое не дает ясного пред­ ставления о том, насколько повысилась прочность стержня и ве­ роятность его работы без разрушения. Вероятностный подход дал конкретный и существенно иной результат.

Если учесть, что предельное напряжение является случайной

135

величиной со своим законом распределения (рис. 5.12,а), то вероятность разрушения /?(алр> о ) является случайной функ­ цией двух случайных аргументов а и овр.

о)

Рис. 5.11. Кривые плотности вероятностей рабочих напряжений.

При этом предельное напряжение и его распределение для реальной детали и стандартного лабораторного образца различны. Если кривая 1 (рис. 5.12,6) функция распределения напряжений °прР в лабораторном образце, то для детали предельные напря­

жения а£р будут, как правило, ниже, а рассеивание их больше

(кривая 2). Причина такого положения кроется в действии кон­ центратов напряжений, более сложной конфигурации детали, ка­ честве поверхности, масштабном факторе, условиях нагружения и т. д. Поэтому чтобы сравнивать случайные величины а (кри­ вая 3) и опр необходимо предварительно перейти от о°®р к а*р.

Из изложенного следует, что рассматриваемые характеристи­ ки являются по сути не случайными величинами, а случайными функциями. Это характерно для о*р, так как с течением време­

наступления разрушения будет увеличиваться, а вероятность Р безотказной работы падать.

136