СПОСОБ ДОРОЖНЫХ ИСПЫТАНИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ЗАЩИЩЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ДОРОЖНЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2024 года по МПК G01M17/00 

Способ относится к испытаниям транспортных средств и касается изменения абсолютных значений режимов и условий испытаний до уровня экстремальных опытных образцов автомобилей многоцелевого назначения (АМН) и защищенных автомобилей (ЗА), с одновременным изменением частоты воздействия разрушающих (нагружающих) факторов, избирательно по основным агрегатам и образца в целом, позволяющих максимально, до 4-х раз, сократить сроки испытаний при обеспечении достоверной оценки показателей надежности, в частности, безотказности.

Известен способ дорожных испытаний на надежность ТС [1], заключающийся в перемещении ТС по опорной поверхности с твердым покрытием и грунтовой дороге удовлетворительного состояния [2], при котором двигатель и агрегаты трансмиссии форсированно нагружают положительным крутящим моментом от двигателя в режиме полуцикла разгона на каждой передаче и отрицательным - в тормозном режиме двигателя при отключении подачи топлива до момента снижения частоты вращения вала двигателя до величины, соответствующей максимальному крутящему моменту, и увеличенным сопротивлением движению дороги Ψ_j с последующим разгоном после переключения передачи. Способ обеспечивает ускорение и форсировку испытаний только моторно-трансмиссионной установки ТС и только на полуцикле разгона с места до максимальной скорости.

Наиболее близким к предлагаемому способу является универсальный способ дорожных испытаний на надежность (безотказность) ТС с форсированным нагружением его основных агрегатов различными формами механического воздействия в акцентированных режимах [3], в котором эти режимы представлены, а последовательность их использования не указана.

Задачей изобретения является разработка способа дорожных испытаний АМН и ЗА для достоверной оцени их надежности, при котором основные агрегаты, узлы и системы форсированно нагружают в экстремальных режимах и дорожных условиях в заданных сокращенных объемах испытаний.

Поставленная задача достигается тем, что образцы АМН и ЗА при перемещении по каждой j-й опорной поверхности форсированно нагружают в экстремальных режимах на испытательных дорогах с искусственными сооружениями, сгруппированными в блоки воздействия, последовательно используя каждую их форму в объеме пробега, равного 20% от нормативного, в виде:

- частотного знакопеременного механического нагружения несущих систем и агрегатов с максимальной амплитудой и увеличенной частотой ее приложения при перемещении по поверхности неровностей искусственных сооружений разного профиля, размера и их компоновки на участках испытательной трассы в скоростном режиме на пределе отрыва (потери контакта) колес автомобиля от опорной поверхности;

- форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии, выполняемого как на полуцикле разгона до максимальной скорости в каждом сегменте «разгон-торможение» на каждой передаче переменным по знаку крутящим моментом от двигателя, а на режиме торможения - двигателем и сопротивлением движению дороги Ψ_j, с переключением передач на частоте вращения коленчатого вала двигателя, равной максимальному крутящему моменту n_Mmax, так и на полуцикле торможения от максимальной скорости до скорости 10 км/ч в каждом сегменте «торможение-разгон» на каждой передаче, при котором переключение передач вниз производится при n_Mmax, а отключение подачи топлива после разгона на частоте вращения коленчатого вала двигателя, равной полусумме частот n_Mmax и n_max;

- нормированного воздействия грунтовых дорог разбитых в сухом или замерзшем состоянии и размокших в распутицу со средними значениями коэффициентов категории испытательных дорог, соответственно равными Ψ_гр=0,18 и Ψ_м=0,30 [2], а в случае отклонения от заданных значений - коректировкой пробегом через уровень нагружения W_j [4] или переходом на участок той же дороги с увеличенным (уменьшенным) значением Ψ_j.

Объем пробега в указанных экстремальных режимах определен величиной, соответствующей ограниченному периоду жизненного цикла АМН и ЗА в условиях их целевого использования в объеме 3000 км пробега, а показатели надежности вместо интервальной оценки, вычисляемой по средней наработке на отказ, определяют нормативом точечной оценки -наработкой до 1-го отказа [5] в объеме 3000 км с вероятностью безотказной работы 0,95 и доверительными границами ±10% от заданного норматива, как наиболее чувствительного из всего перечня показателей надежности.

Указанные режимы испытаний в экстремальных условиях и объемы пробега, установленные расчетно-экспериментальным способом [3] по перечню дорог, указанному в таблице (фиг. 1), приняты в качестве нормативных и используются при испытаниях АМН и ЗА в условиях их целевого использования.

Сопоставительный анализ предложенного решения показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что ускорение и повышенная форсировка испытаний АМН и ЗА на надежность достигается в экстремальных режимах на искусственных сооружениях испытательных дорог повторяющимися циклами блоков воздействия при последовательном использовании каждой формы механического воздействия в объеме пробега 20% от нормативного, при которых:

- частотное знакопеременное механическое нагружение несущих систем и агрегатов выполняется при перемещении автомобиля по опорной поверхности искусственных сооружений разного профиля, размера и их компоновки на испытательной трассе в скоростном режиме на уровне предела контакта колес автомобиля с опорной поверхностью в границах, обеспечивающих технику безопасности;

- форсированное нагружение двигателя и агрегатов трансмиссии переменным по знаку крутящим моментом от двигателя и сопротивления движению дороги на полуцикле разгона до максимальной скорости по алгоритму «разгон-торможение» на каждой передаче дополнено указанным режимом на полуцикле торможения от максимальной скорости до 10 км/ч по алгоритму «торможение-разгон» на каждой передаче вплоть до остановки автомобиля с использованием штатных тормозов;

- повышено нормированное воздействие грунтовых дорог разбитых и размокших с увеличенными средними значениями коэффициентов категорий испытательных дорог, соответственно с Ψ_гр=0,14 и Ψ_м=0,24 по Ψ_гр=0,18 и Ψ_м=0,30.

Пробег АМН и ЗА определен в указанных условиях испытаний, с учетом ограниченного периода жизненного цикла в процессе их целевого использования, в объеме 3000 км, что необходимо и достаточно для достоверной оценки показателей надежности, которые, вместо интервальной оценки по средней наработке на отказ, определяют точечной оценкой наработки до 1-го отказа величиной 3000 км с вероятностью безотказной работы 0,95 и доверительными границами пробега ±10% от заданного норматива.

Использование указанных экстремальных режимов на искусственных сооружениях и грунтовых дорогах с их избирательным воздействием на испытываемые автомобили обеспечивает при заданном нормативном пробеге необходимую и достаточную проверку надежности по принятому оцениваемому показателю. На основании этого заявленный способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Совокупность последовательных операций при повышенной форсировке испытаний АМН и ЗА в экстремальных режимах на искусственных сооружениях и грунтовых дорогах повторяющимися циклами блоков воздействия при последовательном использовании каждой формы механического воздействия в объеме пробега 20% от нормативного значения, при которых:

- частотное знакопеременное нагружение несущих конструкций автомобилей реализуют в рамках двух блоков:

первый блок включает два участка: участок клиновых холмов с максимальной высотой каждого холма 0,75 м и его длиной у основания 12,0 м, углом подъема и спуска 15°, протяженностью участка 1,0 км и участок с крупнобулыжным покрытием с высотой булыжника 8±4 см, протяженностью участка 3,0 км, примыкающие непосредственно один к другому под углом 90°, испытания на которых сопровождаются резким переходом от низкочастотного воздействия 0,35-0,45 Гц с максимальным кручением рамы вдоль оси и ее изгибом при увеличенной скорости движения с 9,0 до 11,0 км/ч (на пределе или с возможным отрывом колес от опорной поверхности) до высокочастотного воздействия с проявлением резонанса неподрессоренных масс в диапазоне частот 12-20 Гц и создают максимальный уровень воздействия, в пределах допустимых значений;

второй блок также включает два участка: прямые волны синусоидального профиля с длиной волны 2, 3 и 4 м и высотой 0,07 м протяженностью 600 м и косоволновый участок синпрофиля с длиной волны 1,25 ми высотой 0,07 м и их расположением под разными к продольной оси углами, протяженностью 510 м, соединенных между собой отрезком изношенной бетонной дороги, вызывая при передвижении на этих участках, соответственно, интенсивные вертикальные колебания с проявлением низкочастотного резонанса подрессоренной массы и интенсивную тряску всего автомобиля, проверяя на прочность элементы конструкции рулевого привода, а также трубопроводы всех систем, кронштейны, заклепочные, сварные и резьбовые соединения;

третий и четвертый блоки форсированно нагружают двигатель и агрегаты трансмиссии соответственно на дороге с твердым покрытием и грунтовой дороге удовлетворительного состояния, при которых знакопеременное нагружение формируют как на полуцикле «разгон» до максимальной скорости с включением сегмента «разгон-торможение» на каждой передаче, так и на полуцикле «торможение» с максимальной скорости до скорости 10 км/ч также на каждой передаче, но с включением сегмента противоположной направленности «торможение-разгон» с последующей остановкой автомобиля с помощью штатных тормозов;

пятый и шестой блоки форсированно нагружают автомобиль в режиме повышенного форсированного нагружения на разбитой и размокшей грунтовых дорогах с увеличенными соответственно средними значениями показателя дорог Ψ_гр=0,18 и Ψ_м=0,30,

что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию «изобретательский уровень».

Для практической реализации форсированных испытаний АМН и ЗА с сокращением нормативов пробега, в условиях указанных блоков, автомобили при полной их массе перемещают в ведущем установившемся режиме движения на блоках №1 и 2, неустановившемся режиме на грунтовых дорогах (блоки №5 и 6) и в режимах форсированного разгона и комбинированного торможения (блоки №3 и 4) с использованием сегментов «разгон-торможение» и «торможение-разгон» в последовательности:

- кольцевого движения в блоке №1 на предельной скорости движения до 11,0 км/ч по спецучастку клиновых холмов с переходом на 2-х полосный участок с крупнобулыжным мощением со скоростью 30 км/ч повторяющимися циклами в объеме 20% от норматива каждого участка, при которых происходит смена режима от сверхнизких частотных колебаний с наибольшими амплитудами деформации несущих систем и систем подрессоривания к высокочастотным колебаниям также при их повышенных амплитудах вертикальных перемещениях неподрессоренных масс, чем достигается ускоренная проверка указанных систем на циклическую прочность. Оставшийся допробег по крупнобулыжному участку выполняется самостоятельно с последующим переходом в блок №2;

- передвижение в блоке №2 выполняется по схеме возвратно-поступательного движения с переходом с одного спецучастка - прямых волн синпрофиля на другой - косоволновый участок синпрофиля, соединенных между собой через изношенный бетонный участок со скоростью 18 км/ч с частотами воздействия, соответствующими области низко- и высокочастотного резонансов, соответственно равных на участках 1,25-2,5 Гц и 6-10 Гц, обеспечивая ускорение испытаний на прочность элементов конструкции подрессоренных и неподрессоренных масс, особенно деталей привода рулевого управления, кронштейнов, трубопроводов и различного вида крепежных соединений с последующим переходом, после отработки 20% норматива, первоначально на блок №3, а затем - блок №4;

- испытания каждого автомобиля в режиме форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии выполняют в объеме 20% нормативного пробега блока №3 на асфальтобетонной дороге в первом полуцикле при полной подаче топлива до достижения им максимальной скорости при n_max на каждой передаче вплоть до высшей с промежуточными торможениями двигателем и сопротивлением движению дороги Ψ_А при отключении подачи топлива до частоты, соответствующей максимальному крутящему моменту n_Mmax, с последующим во втором полуцикле комбинированным торможением, сопровождающемся на каждой передаче торможением также двигателем и форсированным его разгоном до частоты вращения вала двигателя n_т, равной полусумме частот n_Mmax и n_max после переключения на предшествующую передачу в коробке передач по схеме (фиг. 2), построенной по таблице (фиг. 3) для автомобиля КАМА3-6450 с шестнадцатиступенчатой коробкой передач КП 16S151, оснащенной передачами в делителе и ступенями в демультипликаторе, согласно которой:

- по достижении максимальной скорости 96,9 км/ч при n_max=2200 мин^-1 на передаче 8у отключают подачу топлива с последующим торможением двигателем с участием сопротивления движению до частоты, соответствующей максимальному крутящему моменту n_Mmax в т.а. На этой частоте включают более низкую по кинематическому ряду передачу 8 и форсированно разгоняют двигатель до частоты n_т, равной 1700 мин^-1 в т.е, при которой отключают подачу топлива с последующим торможением двигателем с участием сопротивления движению до частоты в т.δ и далее по указанной последовательности. В т.ж на скорости 10 км/ч включают штатные тормоза, останавливают автомобиль для выполнения следующего цикла испытаний;

- по аналогичной схеме проводят испытания на грунтовой дороге удовлетворительного состояния в объеме 20% нормативного пробега блока №4 с последующим переходом на дороги блока №5 и блока №6;

- испытания автомобилей завершают на разбитой грунтовой дороге в объеме 20% нормативного пробега блока №5 в режиме повышенного форсированного нагружения с Ψ_гр=0,18 на скорости не ниже 25,0 км/ч с последующим переходом испытаний в режим повышенного форсированного нагружения на размокшей грунтовой дороге в распутицу с Ψ_м=0,30 на скорости не ниже 17,0 км/ч в объеме 20% нормативного пробега блока №6.

После завершения испытаний первого цикла комплекса блоков образцы подвергаются чистке, мойке и тщательному осмотру всех агрегатов, систем и узлов, особенно целостности трубопроводов всех систем, кронштейнов и соединений с целью обнаружения скрытых или зарождающихся отказов. В случае положительного результата осмотра автомобилей, испытания продолжаются по второму и последующим циклам, вплоть до 6-го блока, по описанным выше схемам, начиная с 1-го блока.

В случае появления отказа в процессе испытаний автомобилей в заданном общем объеме - 3000 км, вероятность появления которого по выставленному требованию к конструкции образцов чрезвычайно мала (0,05), его засчитывают, с учетом доверительных границ ±10% (±300 км). Отказ не засчитывается, в случае его появления в указанных границах, например, при пробеге 2750 км.

Способ дорожных испытаний на надежность автомобилей многоцелевого назначения и защищенных автомобилей в экстремальных дорожных условиях и режимах на надежность при повышенной форсировке избирательного внешнего воздействия на основные агрегаты обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:

- увеличенное динамическое воздействие на несущие системы автомобилей и их системы подрессоривания при испытаниях на клиновых холмах за счет увеличения заданной скорости с 9,0 до 11,0 км/ч, соответствующей скоростному режиму в состоянии критического контакта колес автомобиля с опорной поверхностью с соблюдением техники безопасности;

- ускорение и увеличение форсировки испытаний двигателя и агрегатов трансмиссии при знакопеременном изменении крутящего момента двигателя путем дополнительной активации сегмента «торможение-разгон» на полуцикле «торможения» на 45% после достижения максимальной скорости и уменьшении общего нормативного пробега на 30-40%;

- повышено нормативное воздействие грунтовых дорог путем увеличения их сопротивления движению, оцениваемое показателями категории дорог Ψ_j, до значений: на разбитых грунтовых - 0,18 и на размокших - 0,30 в состоянии дороги близком к потере или снижению проходимости, что обеспечивает надежную проверку циклической прочности и трибологической стойкости узлов и механизмов двигателя и агрегатов трансмиссии, включая сцепление;

- разработкой и использованием последовательности и доз воздействия неровностей искусственных сооружений и грунтовых дорог и режимов испытаний на автомобиль циклами в объеме 20% каждого от нормативного пробега, достигая адекватную нагрузку на автомобили различными формами воздействия, исключив при этом проблему выбора одной из них на начальном этапе испытаний в нормативном пробеге;

- при оценке безотказности, при сокращенном объеме испытаний - использованием чувствительного показателя - наработки до 1-го отказа величиной 3000 км, учитывающего ограниченный период жизненного цикла автомобиля в условиях его целевого использования.

Принятие нормативов одновременно предполагает одинаковую ответственность конструктора создаваемого опытного образца независимо от сложности элемента конструкции, в отличии от широко используемого показателя средней наработки на отказ, когда случайный характер его появления на начальном периоде испытаний может не повлиять на окончательную оценку надежности, в отличие от принятого показателя.

Источники информации

1. RU патент на изобретение №2582319 С2 G01M 17/00 от 31.03.2016 г.

2. ОСТ 37.001.520-96. Категории испытательных дорог. Параметры и методы их определения. - Введ. 1997-07-01. - М.: «Дорожный транспорт», ТК56, 1996 г.

3. RU патент на изобретение №2753737 C1 G01M 17/00 от 23.08.2021 г.

4. RU патент на изобретение №2090855 C1 G01M 17/00 от 20.09.1997 г.

5. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения. - Введ. 2022-01-01. - М.: ИС «Техэксперт 6 поколение» Интранет, п. 85, п. 86, п. 114, п. 139 и п. 145.

Изобретение относится к испытаниям автомобилей многоцелевого назначения (АМН) и защищенных автомобилей (ЗА). Способ дорожных испытаний на надежность АМН и ЗА в экстремальных дорожных условиях заключается в перемещении автомобилей по опорной поверхности в ведущем режиме движения, определенном профилем испытательных дорог с искусственными сооружениями, при котором основные агрегаты АМН и ЗА форсированно нагружают предельными значениями амплитуд и их частот, создаваемыми различными формами механического воздействия: циклического знакопеременного нагружения для несущих систем, форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии положительным и отрицательным крутящим моментом от двигателя и сопротивлением движению дороги в полуциклах разгона и торможения, нормированного воздействия грунтовых дорог с предельными значениями показателей категорий дорог. Испытания автомобилей проводят циклами, последовательно используя каждую форму воздействия в заданном объеме, а оценку безотказности выполняют величиной пробега до 1-го отказа при вероятности безотказной работы автомобилей, равной 0,95. Достигается ускорение, форсировка и сокращение пробега АМН и ЗА в условиях экстремальных нагрузок их агрегатов, узлов и систем от различных форм внешнего воздействия в условиях их целевого использования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ дорожных испытаний на надежность автомобиля многоцелевого назначения (АМН) и защищенного автомобиля (ЗА) в экстремальных дорожных условиях, заключающийся в перемещении АМН и ЗА по j-й опорной поверхности в ведущем режиме движения, определенном профилем опорной поверхности испытательных дорог с искусственными сооружениями, отличающийся тем, что основные агрегаты, узлы и системы АМН и ЗА форсированно нагружают повторяющимися механическими воздействиями неровностей испытательных сооружений, сгруппированных в блоки воздействия, последовательно используя каждую их форму в дозированном объеме пробега, равного 20% от нормативного, в виде:

- частотного знакопеременного нагружения несущих систем и агрегатов с максимальной амплитудой и увеличенной частотой ее воздействия при перемещении по поверхности искусственных сооружений разного профиля, размера и компоновки в скоростном режиме на пределе потери контакта колес автомобиля с опорной поверхностью неровностей испытательных участков 1-го блока в виде:

- клиновых холмов с максимальной высотой каждого холма 0,75 м, длиной у основания 12,0 м, углом подъема и спуска 15°, протяженностью участка 1,0 км с заданной скоростью движения 11,0 км/ч;

- крупнобулыжного мощения с высотой булыжника 8±4 см, протяженностью участка 3,0 км с заданной скоростью движения 30,0 км/ч, и неровностей испытательных участков 2-го блока в виде:

- прямых волн синусоидального профиля с длиной волны 2, 3 и 4 м и высотой 0,07 м протяженностью участка 600 м;

- косоволнового синусоидального профиля с длиной волны 1,25 м и высотой 0,07 м с их расположением в трех секциях, одна из которых типа «елки», а две других - типа косых волн разного направления под углом 45° к продольной оси участка, протяженностью участка 510 м;

- форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии переменным по знаку крутящим моментом от двигателя и сопротивления движению дороги на полуцикле разгона на каждой передаче до максимальной скорости с включением сегмента «разгон - торможение», а затем также переменным по знаку крутящим моментом на полуцикле торможения также на каждой передаче с включением сегмента «торможение - разгон» до скорости 10 км/ч с последующей остановкой автомобиля с использованием штатных тормозов:

- на испытательном участке 3-го блока - асфальтобетонной дороге со значением показателя категории дорог Ψ_А=0,04 протяженностью 2,7 км;

- на испытательном участке 4-го блока - грунтовой дороге удовлетворительного состояния со значением показателя категории дороги Ψ_ГУ=0,07 протяженностью 2,0 км;

- нормированного воздействия грунтовых дорог с увеличенными значениями показателя категории испытательных дорог:

- на испытательном участке 5-го блока - разбитой грунтовой дороге в сухом или замерзшем состояниях со значением показателя категории дороги Ψ_Гр=0,18 протяженностью 7,0 км с заданной средней скоростью движения 25,0 км/ч;

- на испытательном участке 6-го блока - размокшей грунтовой дороге в распутицу со значением показателя категории дороги Ψм=0,30 протяженностью 5,0 км с заданной средней скоростью движения 17,0 км/ч с возможностью ее корректировки через показатель энергонагружения t_j, выражающий отношение эксплуатационного расхода топлива автомобиля, л/100 км, к его контрольному расходу топлива, л/100 км.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем пробега АМН и ЗА в указанных условиях и режимах сокращают до величины, соответствующей ограниченному периоду жизненного цикла автомобилей в условиях их целевого использования, в объеме пробега, равного 3000 км, необходимого и достаточного для достоверной оценки показателей надежности, определяемых вместо средней наработки на отказ точечной оценкой наработки до 1-го отказа величиной 3000 км с вероятностью безотказной работы 0,95 и доверительными границами пробега ±10% от заданного норматива, при этом перечень испытательных дорог и форсированных режимов испытаний с распределением пробега, установленного расчетно-экспериментальным способом, принимают в качестве нормативного и используют при испытаниях АМН и ЗА в объеме, км:

- асфальтобетонная дорога, используемая как подъездная - 300;

- участок крупнобулыжного мощения - 550;

- клиновые холмы - 132;

- прямые волны синусоидального профиля - 50;

- косоволновый участок синусоидального профиля - 48;

- режим форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии на асфальтобетонной дороге - 240;

- режим форсированного нагружения двигателя и агрегатов трансмиссии на грунтовой дороге удовлетворительного состояния - 120;

- грунтовая дорога разбитая, в сухом или замерзшем состоянии - 640;

- грунтовая дорога, размокшая в распутицу - 700;

- изношенный бетонный участок - 220,

при этом пробеги по участку с крупнобулыжным мощением и разбитым и размокшим грунтовым дорогам выполняют с прицепом в объеме 60% от нормативного.