3.6. Стендовые и дорожные испытания ведущих мостов

Стендовые испытания позволяют получить данные о прочности, жесткости, стабильности технологии изготовления и долговечности серийных, модернизированных и опытных мостов и их деталей при минимальных затратах времени и средств на производство. Стендовые испытания мостов и их деталей подразделяются на статические испытания и испытания на усталость.

Статические стендовые испытания проводятся с целью определения характеристик деталей мостов в условиях нагружения, аналогичному возникающему в условиях эксплуатации, жесткости и прочностных характеристик сварных швов некоторых ответственных деталей, (балки ведущего или управляемого моста, картера главной передачи и др.). При стендовых испытаниях по определению усталостных пределов мостов и их деталей определяют следующие усталостные характеристики: кривая усталости, сопротивление усталости, долговечность, предел выносливости и др.. При испытаниях на долговечность выбирается режим, обеспечивающий максимально возможное сокращение времени испытаний при сохранении идентичного характера разрушений при стендовых и эксплуатационных испытаниях. Программу таких испытаний деталей и узлов мостов автомобилей составляют, используя гистограммы или кривые нагружения, полученные при эксплуатации в обычных условиях. Тем ни менее воспроизвести на стенде нагрузочный режим, полностью соответствующий эксплуатационному, не всегда возможно. Во-первых, характер нагружения ограничен возможностями нагружающего устройства стенда; во-вторых, стендовые испытания являются форсированными; в-третьих, для регистрации нагрузочных режимов трудно правильно выбрать эксплуатационные условия, отличающиеся большим разнообразием. Для устранения этих трудностей для каждой конкретной модели автомобиля устанавливают наиболее характерные эксплуатационные условия. При стендовых испытаниях на долговечность балок моста используют три вида программ нагружения:

• с постоянной эквивалентной циклической нагрузкой (при постоянном среднем значении напряжений или при постоянной асимметрии цикла);

• с переменной ступенчатой эквивалентной нагрузкой (циклической нагрузкой со ступенчатым изменением амплитуды или при переменным крутящим моментом при испытаниях узлов ведущих мостов);

• нагрузкой, изменяющейся по случайному закону, наиболее полно имитирующей эксплуатационные условия.

В лабораторных условиях на стендах различной конструкции определяют величину и положение пятна контакта шестерен главной передачи, температурную характеристику редуктора ведущего моста, статическую прочность и жесткость конструкции, уровень вибрации, КПД главной передачи и дифференциала, коэффициент блокировки дифференциала и долговечность. При определении долговечности ведущего моста в лабораторных условиях используют стенды замкнутого и разомкнутого типа. Для испытаний на долговечность ведущих мостов автомобилей используют стенд с замкнутым контуром (рис. 3.28).

Работа стенда осуществляется следующим образом; при включенном электродвигателе через муфту, коробку передач, главный редуктор, датчик крутящего момента, замыкающий ведущий мост, боковой редуктор, зубчатые муфты, датчик крутящего момента и соединительные и приводные карданные валы крутящий момент передается на испытуемый ведущий мост. Предварительно его нагружают требуемым крутящим моментом, предающимся от нагружающего устройства через главный редуктор и карданный вал.

Нагружающее устройство представляет собой двух рядный планетарный редуктор, обеспечивающий большое передаточное число (порядка 10 000), поэтому при включении электродвигателя создается эффект самоторможения и нагрузка сохраняется. От электродвигателя через электромагнитную муфту вращение передается на водило первого планетарного ряда, на котором находится сателлит Z1, входящий в зацепление с корончатой шестерней Z2. Вращательное движение передается от сателлита на водило второго планетарного ряда, на котором находится три сателлита Z3, соединенные с корончатой шестерней Z4. Нагружение моста может производиться как при неподвижном, так и при вращающемся контуре. Установка охлаждения масла состоит из электродвигателя, насоса, фильтра и сетчатого охладителя.

Д ля определения КПД ведущего моста и коэффициента блокировки дифференциала, а также для испытаний на долговечность может быть использован стенд разомкнутого типа (рис. 3.29).

Электродвигатель 10 нагружает испытываемый мост 6, полуоси которого соединены с тормозами. При испытаниях крутящие моменты на ведущем валу главной передачи М_в и на полуосях M₁ и М₂, а также соответствующие им частоты ω_в, ω₁ и ω₂. КПД ведущего моста находят по формуле:

, (3.7)

где η_гп и η_д - КПД соответственно главной передачи и дифференциала; i₀ - передаточное отношение главной передачи.

При испытаниях получают зависимость η_вм от соотношения частот вращения ω₁ и ω₂ (при частоте вращения ω₁= ω₂/i₀ КПД дифференциала η_д = 1 и, следовательно, η_вм = η_гп), а также зависимость КПД от частоты вращения ω_в и момента М_в. Коэффициент блокировки дифференциала определяют как соотношение M₁/M₂ при условии, что ω₁< ω₂.

П ри определении статической прочности трансмиссионной части ведущего моста к его ведущему валу при закрепленных полуосях прикладывают медленно возрастающий крутящий момент до разрушения слабого звена. В случае испытаний на статическую изгибную прочность картера ведущего моста к его опорным площадкам (местам крепления рессор) прикладывают медленно нарастающую нагрузку. В сварных конструкциях с целью определения качества сварных швов картер ведущего моста доводят до разрушения скручивающей нагрузкой. На рис.3.30 приведена схема стенда, предназначенного для исследования статической прочности ведущего моста. Полуоси ведущего моста жестко прикрепляют к раме стенда. Главную передачу моста приводит во вращение электродвигатель через клиноременную передачу, редуктор, червячную передачу и карданный вал. Величину подводимого крутящего момента измеряют на балансирно подвешенном картере динамометром. Этот стенд может быть использован и для определения жесткости главной передачи.

Жесткость конструкции целесообразно проверять отдельно для картера главной передачи и балки ведущего моста. Испытания по определению статической жесткости ведущего моста носят сравнительный характер, позволяя выбрать оптимальный с точки зрения жесткости конструктивный вариант. Схема стенда для испытаний балок ведущих мостов на усталостную прочность приведена на рис.3.31. Мост свободно размещается на опорных стойках, закреплённых на фундаментных плитах. Гидравлические цилиндры нагружают его через опорные площадки. Картер гидроцилиндрами соединяется при помощи плит и шпилек, что позволяет изменять расстояние между ними и испытывать объекты любых типоразмеров. Для исключения изгиба штоков гидроцилиндров и воспроизведения эксплуатационных нагрузок, соответствующих реальным жесткостям рессор, используются упругие цилиндрические стержни. Прилагаемая нагрузка измеряется непосредственно по шкале стенда. Такая конструкция стенда позволяет увеличить частоту приложения нагрузок и резко сократить время испытаний.

Д ля испытания автомобильных полуосей на усталость применяют универсальные стенды, на которых кроме высокочастотного резонансного нагружения с помощью дополнительных гидравлических устройств осуществлять циклическое низкочастотное нагружение полуосей. Долговечность полуосей определяют на стендах, позволяющих создавать циклическую (например, знакопеременную) нагрузку. Один конец полуоси соединяют с механическим или гидравлическим силовозбудителем, создающими циклический момент, а другой - с рамой стенда.

При испытании полуосей на усталость при изгибе две полуоси соединяются фланцами, нагрузка прилагается к ним по обе стороны фланцев через самоустанавливающиеся подшипники, которые могут свободно поворачиваться, не препятствуя прогибу полуосей (рис.3.32). Привод полуосей осуществляется от патрона стенда (для которого может быть использован обычный токарный станок) через упругий соединительный валик. Между грузом и полуосями установлена сильная пружина, обеспечивающая стабильность возникающих напряжений.

Для испытаний полуосей на усталость при кручении используется стенд (рис.3.33), приводимый в действие гидравлическим механизмом. Поршень цилиндра присоединяется через шатун и соединительный шток к скручивающемуся рычагу, связанному с фланцем полуоси. Противоположный конец полуоси зажимается в приспособлении стенда. Шатун, двигаясь взад и вперед, нагружает испытуемую деталь. Сила нагружения контролируется динамометром, установленным на поперечной головке. Число ходов шатуна фиксируется специальным счетчиком.

Выполнять расчет напряжений в балках и других деталях мостов с учетом реальных условий движения в некоторых случаях трудно в результате влияния динамических нагрузок и необходимости определения массовых, упругих и демпфирующих характеристик деталей и узлов, входящих в расчетную схему. Поэтому необходимо исследовать реальную нагруженность деталей мостов экспериментальными методами. Дорожные испытания как всего автомобиля, так и его мостов подразделяются на эксплуатационные, полигонные и исследовательские. При исследовательских испытаниях находят значения нагрузок (напряжения, значения изгибающих и крутящих моментов и частоту их приложения), воспринимаемых деталями мостов автомобилей в различных условиях и при различных режимах движения. Наиболее полную информацию о прочности и долговечности мостов автомобилей и их деталей позволяют получить только эксплуатационные испытания.

Для определения надежности автомобилей данной модели и их мостов эксплуатационные испытания проводят в различных климатических зонах, дорожных условиях и при разнообразных видах перевозимых грузов, для которых предназначен испытываемый автомобиль. Для оценки долговечности мостов количество испытываемых автомобилей должно быть достаточным для получения достоверных результатов, а длительность пробега должна быть равной сроку службы испытываемого автомобиля до капитального ремонта или до выхода из строя мостов и их деталей. Мосты автомобилей и их детали в процессе эксплуатации подвержены случайным нагрузкам. Методами теории вероятности и математической статистики можно определить для них нагрузочные режимы, выделив наиболее характерные условия эксплуатации. Полученные таким образом нагруженные режимы воспроизводят при полигонных и стендовых испытаниях.

Необходимость сокращения сроков эксплуатационных испытаний привела к развитию полигонных испытаний мостов, основными преимуществами которых являются уменьшение времени испытаний; стабильность условий испытаний и сопоставимость получаемых результатов; возможность избирательного нагружения деталей мостов при использовании соответствующих дорог полигона; безопасность испытаний. Полигонные испытания являются ускоренными и форсированными. При форсировании подбирают такие условия движения, при которых вследствие увеличения действующих на мосты нагрузок (по амплитуде и частоте) уменьшается продолжительность испытаний.

Для исследования конструкций мостов и их доводки проводят исследовательские испытания. Исследовательские испытания мостов обычно являются частью полигонных или стендовых испытаний и позволяют обоснованно разработать программу проведения последних. Испытания мостов проводят при номинальной нагрузке, указанной в технических условиях или в инструкции по эксплуатации данного автомобиля (прицепа) для соответствующих дорожных условий. Перед проведением полигонных или исследовательских испытаний мостов необходимо снять характеристики упругих элементов подвески и нагрузочные характеристики амортизаторов. В шинах должно поддерживаться давление воздуха в соответствии с рекомендациями инструкции по эксплуатации. При полигонных испытаниях исследуется не менее двух мостов одной модификации, а при исследовательских испытаниях - только один мост. Мосты автомобилей (прицепов) и распределение массы по мостам определяют взвешиванием на автомобильных весах, как каждого моста в отдельности, так и всех мостов одновременно.

Методика проведения дорожных испытаний деталей мостов на прочность, как правило, предусматривает движение по различным дорогам автополигона со следующими скоростями:

1. 20, 40, 60 км/ч по дороге булыжным покрытием ровного профиля;

2. 20, 30,40 км/ч по «бельгийской мостовой»;

3. 20, 30, 40 км/ч по дороге «бугры - впадины – бугры»;

4. 20, 30, 40 км/ч при проезде единичных неровностей;

5. 20, 30 км/ч по «стиральной доске»;

6. 20, 30 км/ч при движении по траектории «восьмерка»;

7. 10 км/ч на треке со сменными неровностями.

П еред разработкой методики прочностных исследований мостов проводится тщательный анализ нагруженности их деталей в соответствии с конструктивными особенностями мостов и подвески. При прочностных испытаниях у балок ведущих мостов исследуют напряжения изгиба в вертикальной плоскости, в сечении вблизи рессорной площадки в средней части для балок типа «Банджо». Вблизи картера главной передачи - для балок разъемных и неразъемных мостов; напряжения изгиба - в горизонтальной плоскости в сечении вблизи площадки крепления рессор и напряжения кручения в этом же сечении (только для легковых автомобилей).

Для измерения указанных параметров на балках мостов размещают тензорезисторы (рис. 3.34) Для изменения напряжений и изгибающих моментов используют, как правило, тензорезисторы с базой 10-20 мм, сопротивлением 100-200 Ом, соединяемые в мостовые схемы (рис. 3.35), обеспечивающие сравнительно высокую чувствительность и позволяющие работать с тензоусилителями на сравнительно низкой степени усилия и с низкочувствительными шлейфами осциллографа.

П ри дорожных испытаниях на прочность для регистрации нагруженности деталей мостов используют полупроводниковые тензоусилители, шлейфовые осциллографы, режимомеры, магнитографы или другие приборы, обеспечивающие надежную запись исследуемых процессов. Измерительно-регистрирующую аппаратуру размещают в кабине, или в закрытом кузове автомобиля. При этом должно быть обеспечена требуемая виброзащита приборов. Питание измерительно-регистрирующей аппаратуры должно осуществляться от отдельных аккумуляторов. На шлейфовые осциллографы удобно записывать процессы с редко встречающимися максимальными нагрузками (переезд единичных искусственных неровностей, торможение и т.п.) кратковременного действия. При исследованиях долговечности деталей автомобилей появляется необходимость записи длительных процессов, осциллограммы которых требуют статистической обработки. Такая обработка осциллограмм представляет собой весьма трудоемкий процесс. Поэтому при испытаниях предпочтительно использовать режимомеры или магнитографы. Применение последних позволяет выполнить машинную обработку магнитограмм с большой длиной реализации.

Для определения влияния колебания балки ведущего моста под действием массы картера главной передачи на режим ее нагружения, а также влияния инерционных сил на нагруженность балки переднего моста проводят испытания на единичных искусственных неровностях. При этом наряду с регистрацией напряжений в отдельных сечениях балок мостов регистрируют и их вертикальные ускорения. Для этой цели, как правило, используют датчики ускорений.