3. Стендовые и дорожные испытания агрегатов и систем транспортных машин

3.1 Стендовые и дорожные испытания механических сцеплений

В лабораторных условиях механизм сцепления в сборе, его привод, а также их отдельные элементы проходят все необходимые обмеры и взвешивания, а вращающиеся детали подвергают балансировке. Определяют упругие деформации элементов нажимного механизма при полном включении сцепления, которые могут повлиять на перемещение нажимного диска. Для этого замеры производят индикаторами при установке сцепления на специальной плите. Указанные деформации не должны вызывать изменения хода нажимного диска более чем на 10 % по отношению к теоретическому. Определяют толщину ведомого диска под нагрузкой и без нее, а также проверяют параллельность торцов ведомого и нажимного дисков для обеспечения свободного их вращения при включенном сцеплении.

Основными характеристиками, которые снимают в лабораторных условиях, являются: коэффициент запаса сцепления; характеристика нажимного механизма сцепления; характеристика демпфера ведомого диска сцепления.

К оэффициент запаса сцепления определяют путем измерения крутящего момента, при котором начинается проскальзывание ведомого диска относительно ведущих частей сцепления, закрепленных неподвижно. Схема стенда для определения коэффициента запаса сцепления приведена на рис. 3.1. Перед снятием этой характеристики поверхность фрикционных накладок ведомого диска подвергается приработке к рабочим поверхностям маховика и нажимного диска.

Для снятия характеристики нажимного механизма устанавливают зависимость усилия выключения Р_вык от перемещения муфты выключения (МВ), т.е. Р_вык = f(l_вык) (рис. 3.2).

Потери в механизме отвода нажимного диска определяются ординатой между кривыми нагрузки и разгрузки. Они получаются на стендах, где возможна установка и быстрое крепление механического сцепления (МС) на рабочем столе и имеется механизм осевого нагружения с регулировкой хода штока. Один из таких стендов показан на рис. 3.3. на рабочий стол 11 можно устанавливать МС в сборе, привернутое к маховику. Вместо ведомого диска (ВД) 3 может быть проставочное кольцо, и, в этом случае при ходе штока 6 вниз, когда он воздействует на МВ 1, о пределяется Р_вык = f(l_вык).

В демпфере проверяются: зависимость крутящего момента от углового перемещения М = f(α) – статическая характеристика сцепления (рис. 3.4) и гистерезис, т.е. разница между М при прямом и обратном нагружении, соответствующая одинаковому значению α (рис. 3.5). Статическую характеристику сцепления можно получить на стенде, показанном на рис. 3.1. При построении графика гистерезиса (характеристика демпфера ведомого диска сцепления) ступицу диска укрепляют на шлицах неподвижно закрепленного вала, а к диску прикладывают крутящий момент. Эксперимент проводят при постепенном вначале увеличении, а затем при уменьшении крутящего момента через каждые 0,5⁰ поворота диска. Площадь петли гистерезиса характеризует способность демпфера гасить колебания.

На долговечность демпферы обычно испытываются на стендах, выполненных по схеме ролик-эксцентрик или шат ун-кривошип. Здесь исполнительные части стенда создают на ступице неподвижного ВД знакопеременные крутящие моменты разной частоты и амплитуды. Испытания должны заканчиваться без поломок и трещин, а зависимость М = f(α) должна укладываться в эталонную зону. Кроме того, измеряется износ подвижных частей демпфера. Наиболее полное представление о характеристиках демпфера и прочности его деталей дают испытания на стендах с динамическим нагружением. Здесь знакопеременные крутящие моменты воздействуют на демпфер ВД. На стенде “Валео” (рис. 3.6) динамические крутящие моменты на демпфере создаются за счет двух факторов: переменных ускорений, возникающих из-за неравномерного вращения ведомого вала; инерционных дисков 5 и ВД 4, вращающихся как одно целое. Ускорения зависят от частоты вращения вала привода и угла поворота ведомой части стенда β, в качестве инерционной массы используется нажимной диск в сборе с кожухом и маховиком или диски различных размеров и массы. Таким образом, обеспечиваются частота колебаний 16...40 Гц и амплитуда момента до 400 Н м. В этих условиях разрушение демпфера МС легкового автомобиля наступает за 5·10⁶_...10⁷ циклов нагружения.

О сновными характеристиками привода, которые снимают в лабораторных условиях, являются КПД привода, а также зависимость перемещения нажимного диска от хода педали сцепления. КПД привода оценивается по отношению работы, потребной на перемещение нажимного диска ко всей затраченной работе. Т.к. в реальных условиях на МС постоянно действуют центробежные силы, то после снятия перечисленных выше характеристик механизм сцепления в сборе, а также наиболее уязвимую его часть – ведомый диск с фрикционной обшивкой – подвергают испытаниям на центрифуге, в процессе которых определяется прочность деталей к воздействию центробежных сил. Их воспроизводят на стендах, устройство которых понятно из рис. 3.7. Рабочие камеры этих стендов обычно оборудуются нагревательными устройствами и устройством для создания вакуума. Разрешение можно наблюдать с помощью стробоскопа и замедленной киносъемки. Для компенсации сил, возникающих от веса испытуемых деталей, корпус подшипника имеет магнитный амортизатор. Пред началом испытаний сцепление или отдельно ведомый диск с накладками нагревают до температуры 200...300ºС. В процессе испытания определяется разрушающая частота вращения; она должна быть не менее, чем в полтора раза выше максимальной частоты вращения соответствующего ДВС.

И спытания на надежность, включая испытания на долговечность, износостойкость механизма сцепления в сборе и отдельных его элементов, проводят, как правило, на стендах, снабженных инерционными массами (ИМ), момент инерции которых соответствует моменту инерции вращающихся и поступательно движущихся масс автомобиля. При этом величина ведущей инерционной массы, соединенной с электродвигателем стенда, обычно превышает величину ведомой массы. Ведомую (нагрузочную) массу подбирают по суммарному значению вращающихся частей трансмиссии с колесами и поступательно движущейся массы автомобиля, приведенной к массе ВД сцепления с учетом передаточного числа силовой передачи. Испытания заключаются в периодическом включении сцепления и разгона ведомой ИМ до частоты вращения, равной частоте вращения ведущей, после чего сцепление выключают и осуществляют торможение ведомой массы. Затем цикл повторяется. Надежность сцепления лимитируется стойкостью фрикционных накладок и других деталей, подверженных износу и усталостным поломкам. Поэтому в практике заводов большой объем составляют испытания отдельно фрикционных колец, шарниров рычагов НД, пружин и выжимных подшипников, в процессе которых определяется усталостная прочность, термостойкость, износостойкость, а для накладок еще стабильность коэффициента трения.

На стенде, схема которого приведена на рис. 3.8, а, нагрузка на МС создается повышением или снижением частоты вращения ИМ. Здесь первое испытуемое МС работает в режиме разгона ИМ (как на машине), а второе испытуемое МС – в режиме торможения. При этом процесс буксования пар трения (ПТ) в обоих МС качественно не отличается. Испытуемое МС, работающее в режиме разгона, испытывается на усталость (долговечность), а работающее в режиме торможения – на сопротивление термическим нагрузкам. Среди инерционных стендов явное преимущество имеют стенды с электродвигателем, одним испытуемым МС, работающим в режиме торможения, и изменяемым J_n путем смены передаточного отношения в редукторе или радиуса ИМ, т.е. стенды по схеме на рис. 3.8, б.

На ФС действуют механические и тепловые нагрузки. Первые на инерционных стендах задаются J_n ,ώ_n и числом включений Z. Вторые являются следствием первых и периода включения МС. О тепловых нагрузках в МС судят по объемной и средней поверхностным температурам. Основным элементом неавтоматического МС является ПТ, в которой осевая нагрузка, создаваемая нажимным механизмом, преобразуется в момент трения, в результате чего крутящий момент передается от ведущих частей к ведомым. ПТ образуется поверхностями нажимного диска (НД) и накладки, маховика и накладки, промежуточного диска и накладки. Следовательно, одинаково важно знать как свойства металлов (НД, маховика, промежуточного диска) и свойства материалов накладки, часто называемых фрикционными материалами (ФМ). При лабораторных испытаниях ФМ чаще всего определяют так называемые физико-механические показатели: твердость НВ по Бриннелю; коэффициент трения f_Т; стабильность f_Т при изменении температуры, в процентах; износ l, мм; теплостойкость; изменение массы в жидких средах X, в процентах; удельную работу, кДж/м². Среди физических показателей у ФМ наиболее часто известными методами определяется плотность, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, относительная плотность и тепловая усадка.

Специфическими являются испытания на прилипаемость, где положительным считается результат, когда напряжения отрыва σ_от ≤ 0,7 МПа. Этот метод основан на определении прочности прилипания образцов ФМ к чугунным пластинам после воздействия окружающей среды с относительной влажностью 96 % , давлением 0,21 МПа и температурой 49ºС. Для испытания ПТ можно использовать стенд ВНИИАТИ ИКС-3 (рис. 3.9), выполненный по схеме рис. 3.8, б со следующими конструктивными особенностями:

1. испытывается ПТ, состоящая из накладки и нажимного диска соответствующего МС, накладка может устанавливаться и на ведущие, и на ведомые части стенда;

2. между редуктором и испытуемой ПТ размещен механизм регулирования крутильной жесткости (МРКЖ);

3. нажимное усилие в ПТ создается пневмомеханическим устройством;

4. и спытуемая накладка устанавливается на устройство для имитации осевой податливости ВД.

Качество ПТ на этом стенде оценивается по следующим показателям: износостойкость накладок; коэффициент трения ПТ; частота вращения накладок при разрушении от действия центробежных сил; коробления контртел (прежде всего НД); состояния поверхностей трения накладок и НД.

Д ля определения износа накладок (по потере массы), зависимости ФТ от температуры и Z, состояния поверхностей трения накладок и НД может быть использован стенд фирмы “Текстар” (рис. 3.10), где диск МС соединен с ведущими частями стенда, а ведущий вал 3 расположен внутри ведомого вала 5. Эти особенности уменьшают габариты стенда и обеспечивают легкое снятие и установку МС. Кулачковый привод управления варьирует частоту включения МС и тормоза 9 от 1,25 до 3 раз в минуту. За программу испытаний делается 3000 включений МС, причем за каждое включение (при n = 900 об/мин и J_n = 3,2 кгм²) рассеивается энергия около 16 кДж. Для измерения момента трения, линейного суммарного износа и температуры образцов используется стенд, приведенный на рис. 3.11. Конструкция этого стенда в большей степени устраняет влияние осевой нагрузки на измеряемый момент трения. В процессе измерений и испытаний предусмотрена возможность записи на диаграмме электронного потенциометра значений измеряемых величин. Однако необходимо учитывать, что при регистрации величина износа искажается из-за линейного расширения образцов. В машине также предусмотрен счетчик частоты вращения.

Дорожные испытания – метод дорогостоящий, и поэтому очень часто их объектами одновременно являются МС, ПТ и накладки. Их проводят с целью определения непосредственно на автомобиле легкости и управления сцепления, плавности включения и чистоты выключения, наличия пробуксовывания, рывков и вибраций по субъективному ощущению испытателя, а также надежности работы сцепления в целом и его элементов, имея в виду прочность и износостойкость отдельных деталей. Перед испытаниями детали, подверженные износу, подвергают контрольному обмеру, проверяют балансировку вращающихся частей сцепления, определяют осевую нагрузку, которую необходимо приложить к нажимному диску для полного выключения сцепления, а также ход нажимного диска, после чего сцепление устанавливают на автомобиль. Сцепление обкатывают в течение 200 км пробега автомобиля по определенному маршруту, изобилующему поворотами, требующими частого переключения передач, а следовательно, и работы сцепления. Однако частоту этих поворотов выбирают такой, чтобы происходила нормальная приработка и исключался перегрев сцепления. Программа дорожных испытаний сцепления включает определенное количество троганий с места на низшей передаче, в том числе в режиме максимальной мощности двигателя, движение на подъемах различной крутизны, включая подъемы, близкие к тем, которые способен преодолеть автомобиль, а также движение автомобиля с максимальной скоростью. В промежутке между указанными маневрами или их сериями предусматривается пробег автомобиля для охлаждения сцепления.

Испытания сцепления на надежность по параметрам усталостной прочности и износостойкости проводят путем длительного пробега (10000 км и более), по специальному маршруту. В процессе испытаний в протоколе указывают операции по регулировке, а также все отмеченные неисправности. После испытаний сцепление снимают с автомобиля, осматривают, снимают необходимые характеристики, разбирают, обмеривают и анализируют состояние отдельных деталей. Оценка качества ПТ делается по износу накладок ВД, короблению НД, состоянию поверхностей трения и фрикционным свойствам ПТ. Многие автомобильные заводы, а также заводы, выпускающие накладки, для определения фрикционных свойств ПТ (надежности передачи крутящего момента) применяют экспресс-методы. Их смысл заключается в том, что машина становится вплотную к надежной преграде, включается одна из высших передач в коробке, МС резко включается при частоте вращения вала двигателя, близкой к максимальной. Время остановки двигателя является критерием надежности ПТ.