Введение
В условиях развития современной автотранспортной инфраструктуры увеличиваются требования к росту грузоподъемности, эксплуатационной скорости, безопасности и комфортабельности движения, что напрямую зависит от согласованности в работе всех элементов ходовой части транспортного средства. Исходя из этого, первостепенное внимание уделяется комплексной проблеме эксплуатационной надежности и долговечности.
В ГОСТ 53480-2009 «Надежность в технике. Термины и определения» [1], дано следующее определение: «Надежность – свойство готовности и влияющие на него свойства безотказности и ремонтопригодности, и поддержка технического обслуживания».
А. С. Проников [2] определяет «Надежность» как науку, изучающую «закономерности изменения показателей качества технических устройств и систем и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие с наименьшей затратой времени и средств необходимую продолжительность и безотказность их работы». При этом автор выделяет такие особенности вопросов надежности как «фактор времени, поскольку оценивается изменение начальных параметров в процессе эксплуатации машины» и «прогнозирование поведения объекта с точки зрения сохранения его выходных параметров (показателей качества)».
Объектом исследования является надежность – как отрасль науки и техники, которая анализирует закономерности изменения показателей качества машин во времени, что служит основанием для разработки методов обеспечения необходимой продолжительности и безотказности работы в процессе эксплуатации. Предмет исследования – закономерности изменения состояния упругих элементов подвески автомобиля.
Цель настоящей работы заключается в разработке методики оценки эксплуатационной надежности упругих элементов подвески автомобиля на основе систематизации и статистического математического анализа реальных современных эксплуатационных данных.
Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
- Провести поиск, а затем системный анализ случаев возникновения параметрических отказов элементов подрессоривания по видам подвижного состава;
- На основе предыдущего пункта выполнить статистический анализ полученных данных. Выявить закономерности;
- Разработать методику прогнозирования наступления предельного состояния того или иного элемента конструкции подвески автомобиля;
- Сформулировать рекомендации по практическому использованию результатов диссертации.
Исходя из поставленных задач, в работе можно отметить такие методы исследования как:
- Поиск (информационные источники, статистические данные);
- Анализ (информативный, статистический и т.д.);
- Синтез (составление и обработка массивов числовых данных);
- Метод обоснования (достоверность результатов, сравнение полученных результатов с реальными практическими данными);
- Метод презентации (научные публикации, написание автореферата, защита диссертации и т.д.) [3].
Обзор и анализ литературных источников
В инженерной практике не существует общей схемы или алгоритма расчета элементов подвески на надежность и долговечность. В автомобилестроении применяются лишь отдельные виды расчетов на надежность, результаты которых в дальнейшем корректируются после серий испытаний. Сложность заключается в объемности расчетов при определении выходных параметров, и в учете различных по физической природе и характеристике процессов происходящих в элементах машин. Но основной трудностью является поиск и систематизация информации об изменении работоспособности упругих элементов (рессор, пружин, амортизаторов, торсионов и др.), использование которой позволило бы после обработки прогнозировать поведение транспортного средства в различных условиях эксплуатации. Автомобильная промышленность любой страны мира несет немалые потери из-за недостаточной надежности и долговечности производимых автомобилей. Такая ситуация обуславливается не только затратами на ремонт и обслуживание, зачастую превышающими стоимость нового транспорта, но и последствиями, которые нельзя оценить никакими экономическими показателями. Все это свидетельствует о том, что способность правильно спрогнозировать и оценить состояние и поведение предмета исследования, с точки зрения сохранения его параметров, является актуальной проблемой современности.
Вопросы надежности транспортных и технологических машин рассматриваются в работах многочисленных авторов. Из них можно выделить труды отечественных ученых ХХ и XI века: А. С. Проникова [2, 4], М. Д. Быховского [5], И. М. Рябова [6], В. И. Григорова [7, 8], А. Д. Дербаремдикера [9], В. В. Курчаткова [10], И. Х. Хасанова [11], В. Н. Баскова [12]. С середины 70-х годов ХХ века в СССР резко возрастает число диссертационных исследований посвященных проблемам надежности автотранспорта по различным тематикам, что было связанно, в первую очередь, с растущей ролью автомобиля в жизни государства.
В работе М. Д. Быховского [5] отмечается: «Основной задачей в области транспорта, намеченной в Директивах XXIV съезда КПСС, является увеличение грузооборота всех видов транспорта на 32 – 35%. Успешное решение этой задачи, наряду с увеличением производства транспортных машин, может быть достигнуто за счет роста их грузоподъемности и эксплуатационных скоростей движения».
Работа любых автотранспортных предприятий оценивается на основании ряда показателей, важнейшими из которых, помимо четкой организации транспортного процесса, являются рациональность использования параметров и техническая готовность подвижного состава. Эти два показателя тесно взаимосвязаны, так как при увеличении грузоподъемности и скорости движения (в экономических целях) отмечается рост динамических нагрузок на отдельные упругие элементы подвесок, что может вызвать нарушение работоспособности до наступления предельного состояния.
В книге «Надежность машин» А. С. Проников [2] пишет: «Статистика отказов…- это лишь сигнал обратной связи, дающий представление (к сожалению, с большим запозданием) о том, насколько конструкция, технология и условная эксплуатация обеспечили желаемые показатели надежности. Поэтому не статистические данные, а расчет и прогнозирование возможного поведения машины в предполагаемых условиях эксплуатации, технологическое обеспечение показателей качества, специальные испытания и регламентация условий эксплуатации машин являются основой для управления надежностью и обеспечения ее требуемого уровня».
В другом труде «Основы надежности и долговечности машин» А. С. Проников [4] отмечает три этапа «жизни изделия»: во-первых, надежность закладывается при проектировании и расчете машины, во-вторых, при изготовлении машины она обеспечивается, а в-третьих, реализуется лишь при эксплуатации.
В связи с этим повышение долговечности деталей подвесок автомобилей возможно путем совершенствования методов расчета при проектировании, повышения качества технологии изготовления и рационального выбора параметров подрессоривания (число и расположение колес, степень демпфирования подвески и ее упругая характеристика и др.), исходя из условий обеспечения плавности хода и устойчивости движения.
Данным вопросам посвящено множество исследований и научных статей. Для примера приведем некоторые из них. В. А. Машкин в работе «Внедрение технологии изготовления детали "Растяжка нижнего рычага передней подвески"» [13] исследовал механические свойства стали 50 после определенной термообработки, и определил возможность изготовления некоторых деталей подвесок легковых и грузовых автомобилей из стали 50 взамен стали 30ХМ. В статье «Потенциальные виброзащитные свойства подвески автомобиля с динамическим гасителем колебаний колес» [6] доктор технических наук И. М. Рябов провел сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) трехмассовой подвески с динамическим гасителем и классической двухмассовой подвески при условии их линейности, на основании чего составил математические модели этих АЧХ. Результаты показали, что «выбранный динамический гаситель позволяет уменьшить максимальные амплитуды перемещений колес на 40%, а ускорений подрессоренной массы на 50%». Одним из результатов диссертационного исследования кандидата технических наук И. Х. Хасанова «Обоснование периодичности технического обслуживания передних подвесок переднеприводных автомобилей» [11] является разработка методики «прогнозной оценки изменения углов установки управляемых колес переднеприводных легковых автомобилей от смещения пространственного положения базовых контрольных точек кузова».
Таким образом, проблемам надежности уделяется пристальное внимание и большой инженерный интерес на всех трех этапах проектирования, изготовления и использования машин.
Ценные материалы о методах статистической оценки и методиках прогнозирования представлены трудах А. С. Проникова [2, 4], В. Г. Гмошинского [14], А. И. Герасимовича [15], а также содержатся в ГОСТ 19862-81 [16], ГОСТ Р ИСО 5479-2002 [17] и др. Интерес также представляют работа Р. А. Акопяна [18] о методах статистической оценки усталостной долговечности и срока службы деталей транспортных машин.
И, наконец, следует указать на масштабные работы по исследованию оптимизации параметров и совершенствованию конструкций и технологий изготовления элементов подвесок автомобилей, выполненных научными центрами ВНИТИ, НАМИ, МАМИ, МАДИ, МВТУ им. Баумана и др.