Пути повышения надежности машин на стадии проектирования

 

 

Пути повышения надежности машин на стадии проектирования

Необходимость увеличения эффективности использования автомобильного транспорта и обеспечения выполнения необходимого объема транспортной работы с минимальными народнохозяйственными затратами требует постоянной работы по повышению надежности автомобилей. Сложность задачи при этом заключается в том, что автомобили эксплуатируются в различных дорожных и климатических условиях при разной степени их загруженности и квалификации водительского состава.

Создание автомобиля с высокой надежностью может быть обеспечено при комплексном подходе к решению этой задачи на всех этапах «жизненного цикла» автомобиля: при его конструировании, изготовлении и эксплуатации.

При современном развитии науки и техники возможно создание машин, в том числе автомобилей, практически с любой заданной надежностью. Тем не менее повышение надежности не является самоцелью. По мере повышения надежности затраты на конструирование и особенно на производство растут, а на эксплуатацию — снижаются. Поэтому речь идет о создании автомобиля с оптимальным сочетанием затрат в производстве и эксплуатации, а в конечном итоге — с минимальными суммарными удельными расходами на приобретение и поддержание в работоспособном состоянии при определенном пробеге до капитального ремонта (рис. 2). Этот пробег и будет оптимальным межремонтным пробегом, характеризующим оптимальную долговечность автомобиля.

Ведущая роль в обеспечении надежности машины принадлежит конструктору и достигается следующим:

1) использованием наиболее рациональных принципиальных и компоновочных схем всего изделия, обеспечивающих благоприятные условия для работы отдельных узлов, агрегатов и систем автомобилей; выполнением автомобилем транспортных перевозок грузов в условиях, определяемых его назначением, при сохранении работоспособности в течение заданного периода; приспособленностью к устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

 

Рис. 2. Зависимость затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия от его ресурса:

Ср—затраты на разработку; С „—на производство;

С э — на эксплуатацию; С — суммарные затраты

 

Такой подход обусловлен самим понятием надежности как совокупности потенциальных свойств конструкции автомобиля, от которых зависит реализация его рабочих функций.

Правильно найденные компоновочные решения по автомобилю в целом в значительной мере предопределяют его основные технические показатели: его весовые характеристики, габариты, обзорность, проходимость, безопасность движения, плавность хода, доступность к узлам, агрегатам и системам для технического обслуживания и др.

Так, схема «Опрокидывающаяся кабина над двигателем» получила в последнее время широкое распространение на лучших моделях автомобилей большой грузоподъемности, предназначенных для различных условий эксплуатации, что подтверждает ее прогрессивность. Вместе с тем эта схема компоновки вызвала необходимость решения ряда конструкторских и исследовательских проблем. К ним относится выбор оптимального распределения нагрузки на мосты, предопределяющего изменение нагруженности ряда основных узлов и агрегатов автомобиля по сравнению с так называемой классической схемой компоновки.

Рассматривая вопросы компоновки автомобилей с точки зрения обеспечения одного из важнейших услбвий надежности, а именно выполнения ими своих функций в течение заданной наработки, необходимо отметить особое влияние компоновки на управляемость и проходимость автомобиля в реальных эксплуатационных условиях. Правильный выбор и согласование характеристик силового агрегата, трансмиссии, подвески и других узлов определяют нагрузочные режимы работы деталей автомобилей, что оказывает непосредственное влияние на их надежность.

Поэтому очень важно на стадии проектирования использовать расчетный метод исследования тягово-скоростных качеств автомобилей и характеристик подвески, с помощью которого, применяя ЭВМ, можно определить оптимальные мощность двигателя, передаточные числа трансмиссии и характеристики подвески. Критерием для установления оптимальных значений этих параметров являются минимальные суммарные народнохозяйственные затраты на проведение заданного объема транспортной работы в реальных условиях эксплуатации;

2) применением метода агрегатирования, с помощью которого создается единый типовой ряд автомобилей различного назначения из унифицированных узлов.

Поскольку именно узлы определяют потенциальную надежность автомобилей, их проектирование является наиболее ответственным этапом создания автомобиля. Высокая надежность узлов достигается также при широком использовании стандартизованных, нормализованных, унифицированных элементов. Основой для решения проб¬лемы унификации узлов для семейства автомобилей является исследование влияния режима работы узла на его надежность. Этому способствуют разработанные типажи автомобилей и параметрических рядов основных узлов, используемых на различных автотранспортных средствах в большом диапазоне их грузоподъемности. Пределы изменения выходных параметров узлов в процессе эксплуатации должны быть достаточно широкими.

При необходимости режим работы узла может быть облегчен за счет смягчения влияния окружающей среды (например, уменьшения числа и продолжительности пиковых нагрузок);

3) упрощением конструкции автомобиля, применением минимального числа деталей и конструктивных элементов. Решение этой задачи усложняется тем, что в каждой новой модели автомобиля конструктор стремится реализовать все возрастающие эксплуатационные требования. Поэтому исключительно важно использование отработанных заранее узлов, проверенных на предыдущих серийных моделях элементов конструкций деталей, обеспечивающих высокую надежность узлов;

4) обеспечением безотказности отдельных систем автомобилей в некоторых случаях за счет частичного резервирования элементов схемы. Чаще это относится к узлам, от которых зависит безопасность движения и безотказность которых должна быть выше, чем других узлов. Примером такого резервирования является осуществление раздельного привода тормозных механизмов передних и задних колес, что исключает аварийный отказ системы при отказе одного из приводов;

5) обеспечением высокой прочности деталей без увеличения их массы (приданием им рациональных форм, применением материалов с повышенными прочностными свойствами);

6) повышением износостойкости деталей, учитывая то, что именно недостаточная износостойкость обусловливает наступление предельного состояния таких деталей, как, например, крестовины и шлицевые соединения карданной передачи, шкворневые соединения управляемых мостов, шаровые соединения рулевых тяг и др. Помимо правильного выбора размеров сопряженных деталей, следует тщательно подбирать для них материалы и использовать наиболее эффективные технологические методы упрочнения и повышения износостойкости трущихся поверхностей;

7) исключением или максимальным уменьшением концентрации напряжений в наиболее нагруженных и ответственных деталях автомобиля (у поворотных кулаков — за счет плавного перехода от стержня к фланцу, обеспечения малой шероховатости и термообработки ТВЧ переходной галтели; в нагруженных шестернях коробок передач, раздаточных коробок и ведущих мостов — путем увеличения радиуса выкружки; в лонжеронах рамы — исключением отверстий на горизонтальных полках и т. п.);

8) обеспечением возможности восприятия высоких циклических и динамических нагрузок для ряда деталей двигателя, трансмиссии и ходовой части автомобилей (коленчатых валов двигателей, цапф мостов, рычагов рулевого привода и т. д.). Такие детали должны быть изготовлены из материалов, обладающих высокими сопротив¬лением усталости и ударной вязкостью;

9) исключением возможности резкого возрастания нагрузок в трансмиссии автомобилей и ходовой части, смягчением их за счет применения гидромеханических передач, демпферных устройств, эластичных подвесок и др.;

10) обеспечением необходимой жесткости деталей за счет целесообразных их форм и рационального расположения опор, что особенно важно, например, для надежной работы зубчатых колес и подшипников, расположенных на валах коробок передач и раздаточных коробок автомобилей;

11) снижением напряжений в несущих деталях автомобилей — рамах грузовых автомобилей и кузовах легковых автомобилей и автобусов — за счет рационального выбора их размеров и форм, обеспечивающих достаточную жесткость в сочетании с необходимой податливостью элементов. Оптимальные соотношения этих свойств устанавливаются в результате тщательных расчетно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Учитывая, что предельное состояние автомобиля в целом наступает при достижении предельного состояния рамы (грузового или легкового автомобиля и автобуса), отработка их конструкции должна быть особенно тщательной;

12) выбором конструктивных решений, обеспечивающих сборку деталей только в определенном положении, если иное положение может привести к их поломке или снижению надежности. Так, например, на вилке и трубе карданного вала выбивают стрелки, которые должны быть при сборке совмещены, чтобы исключить нарушение балансировки и возникновение вибраций, приводящих к увеличенным нагрузкам на подшипники и к изгибу вала;

13) обеспечением надежной затяжки резьбовых соединений, в ответственных соединениях — исключением самоотворачивания (особенно для резьбовых соединений, расположенных внутри агрегатов), для соединений, не нуждающихся в частой разборке (например, для регулуровок),— применением самостопорящихся крепежных деталей;

14) предупреждением коррозии деталей за счет обеспечения эффективной антикоррозионной защиты, особенно кабин и рам грузовых автомобилей, кузовов легковых автомобилей и автобусов, резьбовых соединений;

15) созданием необходимых условий для оптимальных температурных режимов работы деталей трансмиссии, например подбором уровня масла в агрегате, хорошим и удобным подводом смазочного материала к трущимся деталям и надежным уплотнением, исключающим его потери. Применением уплотнительных манжет и колец из материалов, не теряющих эластичность при изменении температуры окружающей среды и не стареющих длительное время, для уплотнения фланцевых и резьбовых соединений — герметиков различных типов;

16) широким использованием конструкций лучших аналогичных отечественных и зарубежных автомобилей, а также машин смежных отраслей промышленности;

17) обеспечением эффективной очистки воздуха, топлива и масла;

18) созданием условий для локализации отказа, с тем чтобы его последствия были минимальными;

19) совершенствованием эксплуатационной технологичности; улучшением приспособленности конструкций автомобиля, агрегата или узла к выполнению с наименьшей трудоемкостью необходимых операций по предупреждению (техническое обслуживание) и устранению (ремонт) неисправностей и отказов с целью поддержания надежности автомобиля в данных условиях эксплуатации.

Для обеспечения минимальной трудоемкости ТО и ремонтов автомобиля в эксплуатации в конструкции необходимо предусматривать:

- минимальное количество  деталей и точек, требующих ТО (смазывания, крепления, регулировки, ухода);

- доступность к  обслуживаемым узлам и простоту  выполнения каждой операции ТО  и ремонта;

- возможность устранения  неисправности или отказа без  разборки узла и с минимальной  разборкой других узлов автомобиля;

- максимальную унификацию  узлов, деталей, крепежных соединений, размеров инструмента, приспособлений, приборов, необходимых для ТО  и ремонта, минимальную потребность  в специальном инструменте;

- ограниченную номенклатуру  топлива, смазочных материалов и  жидкостей;

легкосъемность агрегатов и деталей, подвергающихся частому демонтажу в эксплуатации;

возможность демонтажа тормозных барабанов для осмотра и обслуживания механизмов

- тормозов без  демонтажа ступиц колес;

- свободный доступ  к вентилям шин сдвоенных колес;

- применение штекерных  разъемов, позволяющих снимать основные  узлы и осветительные приборы  без развинчивания контактных  соединений;

- обеспечение свободного  доступа механизированным инструментом  или стандартными динамометрическими  ключами к крепежным соединениям  большого или нормированного  усилия затяжки; к остальным крепежным  соединениям — стандартным крепежным  инструментом;

- установку в  конструкциях сборочных единиц  специальных приспособлений и  устройств для быстрого и удобного  подсоединения стандартной диагностической  аппаратуры.

Надежность автомобиля в значительной степени зависит от качества изготовления деталей. На стадии производства автомобиля использование прогрессивных технологических процессов создает условия не только для стабильного и бездефектного изготовления деталей и сборочных единиц в соответствии с требованиями конструкторской документации, но и способствует повышению их долговечности. Поэтому на всех стадиях проектирования и подготовки изделия к производству задачей конструктора совместно с технологическими службами является тщательная отработка конструкции на технологичность. Технологичность конструкции изделия — это совокупность ее свойств, обеспечивающих минимальные затраты труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте. Она оценивается. в сравнении с соответствующими показателями однотипных изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условий изготовления, эксплуатации и ремонта.