/
Author: Высоцкий М.С. Беляев В.М. Гилелес Л.Х.
Tags: автодорожный транспорт транспорт автомобили учебное пособие автомобилестроение
ISBN: 5-339-00363-9
Year: 1991
Text
1СП ЫТАНИЯ
Автомобили: Испытания: Учеб, пособие для вузов/В. М. Беляев,
А22 М С. Высоцкий, Л X. Гилелес и др., Под ред. А. И. Гришкевича,
М С Высоцкого — Мн.: Выш шк , 1991.— 187 с’ ил.
ISBN 5 339-00363-9
Книга продолжает серию учебных пособий под общим названием «Автомобили»,
подготовленных сотрудниками Белорусского политического института и Минского
автомобильного завода В ней рассматриваются методы испытаний автомобилей, их
агрегатов и узлов, обработки результатов испытаний, планирования эксперимента.
Описываются испытательные стенды, оборудование и приборы
Для студентов вузов специальностей «Автомобили и тракторы» Может быть
полезна инженерам автомобилестроителям
2705140200—106
А М 304(03)—91
ББК 39.33я73
АВТОМОБИЛИ
Испытания
Под редакцией доктора технических
наук, профессора А. И. ГРИШКЕВИЧА
и академика АН БССР
М.С. ВЫСОЦКОГО
Допущено
Министерством народного
образования БССР
в качестве учебного пособия
для студентов
специальностей "Автомобили и тракторы"
ВЫСШИХ технических учебных заведений
Минск
"Вышэйшая школа"
1991
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..........................
1.
ОРГАНИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ .............................
1.1. Виды испытаний...............
1.2. Программа и методика испытаний
1.3. Автомобильный испытательный
полигон .........................
1.4. Лабораторные и лабораторно-до-
рожные испытания ....
1.5. Пробеговые испытания .
2.
ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ
И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ЧИСТОТУ ....
2.1. Общие положения . . . .
2.2. Полигонные и лабораторные ис-
пытания кузовов и кабин
2.3. Манекены для испытания на пас-
сивную безопасность
2.4. Испытания на безопасность руле-
вых управлений, конструктивных
элементов кузова и ремней безо-
пасности ........................
2.5. Измерение шума автомобиля
2.6. Оценка токсичности отработав-
ших газов автомобильных двига-
телей ...........................
3.
СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ИХ
АГРЕГАТОВ............................
3.1. Особенности стендовых испыта-
ний .............................
3.2. Режимы стендовых испытаний
3.3. Конструкции и принципы работы
стендов.......................
3.4. Элементы автоматизированной
системы испытаний . ... 95
4.
ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНИКА . 97
4.1. Измеряемые параметры и требо-
вания к измерительной аппара-
туре ................................97
4.2. Измерительно - информационные
системы. Классификация и метро-
логические характеристики . 97
4.3. Преобразование механических ве-
личин в электрические ... 99
4.4. Включение преобразователей в
измерительные цепи . . . . 110
4.5. Усилители......................113
4.6. Регистрирующая аппаратура . 118
4.7. Методы измерения параметров _
работы автомобиля и его узлов 124
4.8. Тарировка измерительной аппа-
ратуры .............................149
5.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 152
5.1. Общие требования к методикам
обработки результатов измерений 152
5.2. Виды измерений и представление
их результатов......................152
5.3. Классификация погрешностей из-
мерений ............................154
5.4. Выбор числа измерений . . . 156
5.5. Проверка гипотезы о виде рас-
пределения экспериментальных
данных..............................156
5 6. Обработка результатов прямых
измерений ..........................159
5.7. Обработка результатов косвен-
ных измерений.......................162
3
6.
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
6 1 Основные понятия и определения
6 2 Проверка воспроизводимости ре-
зу тьтатов опытов
6 3 По тный факторный план экспе
римента
6 4 Оценка адекватности модели
6 5 Дробный факторный план экспе
164 римента 173
6 6 Метод рационального планирова
ния эксперимента 175
164 6 7 Построение полиномиальной мо
дели 178
166 Приложения 180
167 Литература 183
169 1редметный указатель 184
ПРЕДИСЛОВИЕ
Испытания являются важнейшим
этапом процесса создания автомобиль-
ной техники В том или ином объеме
их проводят на различных стадиях со-
здания автомобиля, включая периоды
отработки технического задания и се-
рийного производства
На первых этапах целью испыта-
ний являются выявление новых направ-
лений развития автомобильной техни-
ки, оценка функциональной работоспо-
собности новых устройств, систем или
образцов. Затем определяют эксплу-
атационные и потребительские свойст-
ва, оценивают надежность разработан-
ных изделий в различных дорожно-
климатических условиях. При серий-
ном производстве путем периодических
испытаний контролируют качество из-
готавливаемой продукции.
Уровень испытательных работ опре-
деляется степенью совершенства обору-
дования, измерительной техники, мето-
дик и программ испытаний.
Все автомобильные фирмы имеют,
как правило, испытательные базы,
предназначенные для первичной оцен-
ки технико-эксплуатационных свойств
создаваемой автомобильной техники и
доводки конструкций до уровня, позво-
ляющего начать ее серийное производ-
ство Наиболее крупные автомобиль-
ные фирмы имеют испытательные по-
лигоны. Испытательный полигон — это
комплекс специальных дорог, соору-
жений и лабораторий, предназначен-
ных для всесторонних испытаний ав-
тотранспортной техники. В Советском
Союзе все основные доводочные и кон-
трольные испытания автомобильной
техники проводятся в Научно-исследо-
вательском центре по испытаниям и
доводке автомототехники (автополи-
гон НАМИ).
Организация испытаний оказывает
существенное влияние на сроки поста-
новки на производство образцов новой
техники. По продолжительности наи-
большее время занимают этапы испы-
таний, связанные с оценкой надежно-
сти создаваемой техники, поскольку со-
ответствующее заключение может быть
сделано только после отработки задан-
ною ресурса несколькими образцами
Поэтому в последнее время большое
внимание уделяется развитию ускорен-
ных или форсированных испытаний,
позволяющих относительно быстро
оценивать надежность отдельного ме-
ханизма или автомобиля
Предлагаемая читателям книга вхо-
дит в серию учебных пособий «Авто-
мобили», подготов пенных сотрудника-
ми кафедры «Автомобили» Белорус-
скою политехнического института и
работниками управления главного кон-
структора Минского автомобильного
завода
В настоящем учебном пособии рас-
смотрены основные вопросы, знание
которых необходимо инженеру-конст-
руктору и инженеру-испытателю авто-
мобильной техники Приведено описа-
ние основных испытательных трасс и
5
сооружений Научно-исследовательско-
го центра по испытаниям и доводке ав-
то мототехники. Даны также сведения
о программах и методиках лаборатор-
ных, лабораторно-дорожных и пробе-
говых испытаний. Особое внимание
уделено методам оценки безопасности
автомобиля.
Испытания отдельных устройств,
агрегатов или автомобиля в целом мо-
гут проводиться в дорожных условиях
или на стендах. В последнее время на-
блюдается тенденция к относительно-
му увеличению объема ускоренных ис-
пытаний, выполняемых на стендах.
В пособии приведена классификация
стендов и дано описание наиболее ти-
пичных, по мнению авторов, конструк-
ций
Качество испытательных работ в
значительной степени зависит от изме-
рительной техники: преобразователей
(датчиков), регистрирующих аппара-
тов, систем обработки результатов из-
мерений. Наибольшее распространение
в настоящее время получили электри-
ческие методы измерений неэлектриче-
ских величин. Поэтому классификация
преобразователей дополнена описанием
их работы и применения для измерения
конкретных величин.
Описаны также методы обработки
результатов измерений, методика пла-
нирования эксперимента, позволяющая
в ряде случаев существенно сократить
объем выполняемых измерительных
работ при сохранении требуемой точ-
ности результатов
Таким образом, пособие охватывает
все вопросы курса «Испытание автомо-
билей» для студентов втузов специа-
лизации «Автомобилестроение» Оно
может быть использовано и студента-
ми смежных специальностей, а также
работниками автомобильной промыш-
ленности, занимающимися организа-
цией и проведением испытаний авто-
мобильной техники.
А. И. Гришкевич
(ОРГАНИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИИ
АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
1.1. Виды испытаний
Процесс создания автотранспорт-
ного средства включает ряд этапов:
разработку технического задания, эс-
кизное и техническое проектирование,
изготовление макетных и опытных об-
разцов, серийное производство. Каждый
этап предполагает, как правило, про-
ведение тех или иных испытаний изде-
лия, задачи которых определяются
целью работ, выполняемых на данной
стадии.
На этапе разработки технического
задания выполняется комплекс науч-
но-исследовательских и опытно-конст-
рукторских работ. Испытания, прово-
димые на этом этапе, связаны с изуче-
нием рабочих процессов автомобиля и
его агрегатов, проверкой правильно-
сти теоретических разработок, оценкой
эффективности новых конструктивных
решений, соответствия автомобиля ка-
ким-либо специфическим требованиям
и др Проводятся такие испытания за-
водом-изготовителем или научно-иссле-
довательскими и испытательными ор-
ганизациями по специальным програм-
мам и методикам.
При изготовлении макетных и опыт-
ных образцов проводят их доводочные,
предварительные и приемочные испы-
тания.
Доводочные и предвари-
тельные испытания органи-
зует завод-изготовитель. Поэтому эти
испытания часто называют заводски-
ми. Целью доводочных испытаний яв-
ляется отработка конструкции автомо-
биля и экспериментальная оценка его
свойств. По результатам доводочных
испытаний принимают решение об из-
готовлении опытных образцов для
предварительных испытаний, которые
проводит завод-изготовитель для вы-
явления возможности постановки опыт-
ных образцов на приемочные испыта-
ния. Поэтому программы и методики
предварительных и приемочных испы-
таний, как правило, одинаковые. За-
дачами испытаний являются определе-
ние значений оценочных критериев
эксплуатационных свойств изделия;
проверка соответствия образцов тех-
ническому заданию, действующим
стандартам, правилам и нормам; оцен-
ка надежности автомобиля в целом,
его агрегатов и узлов; определение
степени удобства и трудоемкости тех-
нического обслуживания и ремонта
автомобиля; предварительное опреде-
ление номенклатуры и норм запасных
частей, а также (при необходимости)
объема конструкторской доработки.
По результатам предварительных ис-
пытаний принимают решение о предъ-
явлении разработанных образцов на
приемочные испытания Руководит
этими испытаниями комиссия, назна-
чаемая приказом директора завода-
изготовителя.
Приемочные испытания
проводят с целью установления воз-
можности постановки изделия на про-
7
пзводство. Организуют эти испытания
завод-изготовитель и основной заказ-
чик изделия Приемочные испытания
автомобильного подвижного состава
проводятся, как правило, на автополи-
гоне НАМИ с использованием соответ-
ствующего испытательного оборудова-
ния и искусственных сооружений. Для
проведения приемочных испытаний со-
здается приемочная комиссия. В состав
комиссии обычно включают предста-
вителей основного потребителя или за-
казчика (в качестве председателя ко-
миссии) и разработчика изделия (в ка-
честве заместителя председателя). Чле-
нами комиссии являются представите-
ли организаций-потребителей, НАМИ,
Госстандарта, Государственной авто-
мобильной инспекции и других органи-
заций.
Задачи приемочных испытаний те
же, что и предварительных испытаний.
Кроме того, выявляются технико-эко-
номические показатели изделия, необ-
ходимые для оценки эффективности
его использования В программе опре-
деляют этапы испытаний в условиях,
характерных для подвижного состава
данного типа. Предусматривается так-
же сравнение опытных образцов с их
отечественными и зарубежными ана-
логами.
По результатам приемочных испы-
таний комиссия составляет протокол,
в котором устанавливается возмож-
ность постановки изделия на производ-
ство, а также (при необходимости) оп-
ределяется объем его доработки.
Приемочным испытаниям подвер-
гают образцы изделий единичного из-
готовления. Поэтому в начале серий-
ного производства проводят испыта-
ния образцов первой промышленной
партии (испытания образцов
установочной серии). Цель
этих испытаний — проверка эффектив-
ности принятых мер по устранению де-
фектов и недостатков, выявленных при
приемочных испытаниях изделий, а
также проверка качества технологиче-
ского процесса их серийного изготовле-
ния. Испытаниями руководит комиссия
из представителей автополигона
НАМИ, заказчика, завода-изготовите-
ля, потребителей и других организа-
ций. Председателем комиссии назна-
чается представитель автополигона
НАМИ. Отбор образцов для испыта-
ний производится комиссией из гото-
вых изделий, проверенных и принятых
службами технического контроля за-
вода-изготовителя. По результатам ис-
пытаний составляется протокол.
В процессе серийного производства
проводят периодический контроль ка-
чества продукции путем контрольных
и ресурсных испытаний изделий.
Контрольные испытания
выполняют для проверки соответствия
изделий утвержденной технической до-
кументации, полноты устранения де-
фектов, выявленных на предыдущих
контрольных испытаниях, для оценки
стабильности качества изделий Пери-
одичность, продолжительность, усло-
вия и методики проведения испытаний
устанавливаются технической доку-
ментацией на выпускаемое изделие.
В зависимости от объема выполняемых
работ и продолжительности проведе-
ния испытаний различают краткие
(ККИ) и длительные (ДКИ) контроль-
ные испытания.
Указанные испытания проводит
служба технического контроля пред-
приятия-изготовителя или специализи-
рованная испытательная организация.
При контрольных испытаниях про-
бег автомобиля обычно не превосходит
гарантийного Для установления норм
пробега автомобиля до капитального
ремонта или проверки правильности
пробега, объявленного заводом-изго-
товителем, проводят ресурсные
испытания, при которых автомо-
биль совершает пробег до момента
8
возникновения необходимости его ка-
питального ремонта.
В период серийного производства
изделий, а в некоторых случаях и при
изготовлении установочной их партии
организуют эксплуатационные
испытания. В отличие от пере-
численных выше эти испытания про-
водят не на специальных трассах, а в
автохозяйствах в обычных условиях
эксплуатации автомобилей с целью на-
копления данных по надежности, экс-
плуатационной и ремонтной техноло-
гичности изделия, уточнения норм рас-
хода топлива, смазочных материалов и
запасных частей. Кроме того, в реаль-
ных условиях эксплуатации выявляется
эффективность конструкторской дора-
ботки изделия (если она проводилась).
Испытания заключаются в анализе ра-
боты выделенной партии автомобилей.
В процессе эксплуатации этих автомо-
билей анализируют их пробег и (при
возможности) режимы движения, рас-
ходы топлива и смазочных материалов,
имевшие место неисправности и рас-
ход запасных частей, трудоемкость тех-
нического обслуживания и ремонта.
Эксплуатационные испытания орга-
низует предприятие-разработчик изде-
лия. По их окончании составляют
технический отчет, отражающий ре-
зультаты испытаний и предложения по
дальнейшему совершенствованию кон-
струкции.
Для оценки качества изделий про-
водят квалификационные и
сертификационные испита-
н и я, при которых анализируют эрго-
номические свойства подвижного со-
става (включая комфортабельность в
условиях длительных пробегов), уси-
лия, с которыми водитель воздейству-
ет на органы управления, обзорность.
Оценивают также устойчивость, управ-
ляемость автомобилей и безопасность
их движения в различных дорожных
и климатических условиях, степень
удобства заправки и обслуживания
подвижного состава При сертифика-
ционных испытаниях определяют со-
ответствие разработанного изделия
международным нормам.
Квалификационным испытаниям
подвергают опытные образцы (в про-
цессе предварительных пли приемоч-
ных испытаний), а также выпускаемые
серийно.
1.2. Программа и методика испытаний
Программы испытаний составляют
в соответствии с их назначением.
В программе указывают содержание и
последовательность выполнения всех
работ. Многие виды испытаний стан-
дартизованы, типовые программы их
выполнения определены государствен-
ными и отраслевыми стандартами л
нормалями.
Типовая программа испытаний —
эю организационно-методический до-
кумент, устанавливающий в общем ви-
де объект, подлежащий испытаниям,
п порядок проведения самих испыта-
ний. На основании типовой разрабаты-
вают рабочую программу, в которой
конкретизируют порядок проведения
испытания в соответствии с его непо-
средственными задачами.
Каждая программа включает ввод-
ную часть и следующие разделы: объ-
ект испытаний; цель испытаний; общие
положения; условия и порядок прове-
дения испытаний; объем испытаний;
отчетность; приложения
В разделе «Объект испытаний» ука-
зывают полное наименование опытно-
го образца, его индекс и обозначение,
количество испытуемых образцов и их
пробег до начала испытаний, конструк-
тивные особенности объекта. При не-
обходимости приводят сведения об ана-
логах.
В разделе «Цель испытаний» опре-
деляют конкретные задачи, которые
9
должны быть решены в результате их
проведения.
Раздел «Общие положения» содер-
жит указания по срокам и месту про-
ведения испытаний, перечень ранее
проведенных испытаний и исследова-
ний, показывающих уровень отработ-
ки опытных образцов и их агрегатов.
В разделе «Условия и порядок про-
ведения испытаний» приводят сведе-
ния по дорожным и метрологическим
условиям испытаний, их продолжитель-
ности и цикличности, а также по усло-
виям хранения, обслуживания техники
и материально-технического обеспече-
ния испытаний.
Раздел «Объем испытаний» содер-
жит перечень этапов и опытов, после-
довательность их проведения, а также
показатели эксплуатационных свойств
объекта, подлежащие определению и
оценке.
В разделе «Отчетность» приводят
перечень отчетных документов, кото-
рые должны оформляться в процессе
испытаний и по их завершению. Ука-
зывают также организации, в которые
должны поступать отчетные доку-
менты.
Принято все выполняемые при ис-
пытаниях автотранспортных средств
работы делить на лабораторные, лабо-
раторно-дорожные и пробеговые.
Лабораторные работы выполняют
при неподвижном изделии, лаборатор-
но-дорожные — при движении объек-
та, оборудованного измерительной ап-
паратурой, по специальным участкам,
а пробеговые — при движении автомо-
биля по дорогам общего пользования
или специально установленным мар-
шрутам.
Качество изделия оценивается по
группам показателей, характеризую-
щих функциональную работоспособ-
ность изделия, его надежность и удоб-
ство технического обслуживания и ре-
монта. Применительно к подвижному
составу система показателей функци-
ональной работоспособности характе-
ризует его способность выполнять
транспортную работу в заданных до-
рожных и климатических условиях.
Показатели надежности являются кри-
териями оценки способности подвиж-
ного состава длительно сохранять в
допустимых пределах значения всех па-
раметров, определяющих его функцио-
нальную работоспособность. Показате-
ли трудоемкости технического обслу-
живания и ремонта позволяют оцепить
затраты, необходимые для поддержа-
ния изделия в работоспособном состоя-
нии
Типовой пршраммой испытаний
подвижного состава предусматривает-
ся проведение измерительных опера-
ций по оценке основных показателей,
определяющих функциональную рабо-
тоспособность изделия. К ним отно-
сятся масса изделия, основные его раз-
меры, показатели скоростных и тормоз-
ных свойств, устойчивости и управля-
емости, топливной экономичности,
плавности хода, проходимости.
В процессе испытаний проверяют
также герметичность систем и узлов
автомобиля (отсутствие пропуска га-
зов и воздуха, подтекания жидкостей
и масел), определяют степень загряз-
ненности воздуха в кабине и в пасса-
жирском помещении, содержание вред-
ных веществ в отработавших газах и
их дымность, уровень внешнего и вну-
треннего шума, напряженность поля
радиопомех. При отрицательных зна-
чениях температуры наружного возду-
ха оценивают пусковые качества двига-
телей, эффективность отопления кабин
и пассажирских помещений.
Кроме того, для автомобилей неко-
торых типов может определяться глу-
бина преодолеваемого брода, работа
лебедки, самосвального механизма
п др
Указанные выше работы выполняют
ю
в процессе лабораторных и лаборатор-
но дорожных испытаний. При пробе-
говых испытаниях оценивают надеж-
ность, эксплуатационные скорости дви-
жения, проходимость автомобиля, рас-
ход топлива и смазочных материалов,
трудоемкость технического обслужива-
ния и ремонта изделия.
Методы проведения измерительных
и испытательных работ определяются
методикой испытаний. Это организаци-
онно-методический документ, описы-
вающий методы, средства и условия
испытаний, наиболее целесообразный
порядок выполнения операций по опре-
делению предусмотренных програм-
мой характеристик изделия. В методи-
ке устанавливаются порядок обработ-
ки и оценки результатов испытаний,
формы представления итоговых дан-
ных, определяется требуемая точность
измерений, излагаются требования бе-
зопасности труда и охраны окружаю-
щей среды в процессе испытаний
1.3. Автомобильный испытательный
полигон
Для улучшения организации испы-
таний, сокращения сроков их проведе-
ния, повышения точности и стабильно-
сти результатов ведущие автомобиль-
ные фирмы имеют испытательные авто-
мобильные полигоны.
И спытательный автомобильный
полигон — комплекс дорог и сооруже-
ний, предназначенных для испытания
автомобильной техники и ее агрегатов.
Обязательными элементами поли-
гонов (рис 1.1—1.3) являются кольце-
вые скоростные дороги, предназначен-
ные для оценки свойств автомобилей
при движении с высокими скоростями,
прямолинейные дороги (динамометри-
ческие) и специальные площадки для
определения параметров, характеризу-
ющих функциональные свойства авто-
мобилей, труднопроходимые участки,
Рис 1 1 Схема автомобильного полигона фир-
мы Vauxhall (Англия)
1 — крутой подъем 2 — дорога с брусчатым покры
тием 3 — прямо чиненная (динамометрическая) доро-
га, 4 — участок дороги с низким коэффициентом
сцепления 5 — кольцевая дорога 6 — скоростное
кольцо 7 — круговая площадка 8 — пы тевой тон
нель 9 — ударный барьер 10 — водный бассейн 11 —
участок для определения управляемости автомобилей,
12 — здание управления лабораторий 13 — участок
бездорожья, 14 — трек с неровностями, 15 — холмистое
кольцо
7
Рис 12 Схема автомобильного полигона на
ционального предприятия «Татра Копршибни
це» (Чехо Словакия)
1 — грунтовое кольцо, 2 — дорога с крутыми подъ
емами, 3 — участок для испытании автомобилей на
х стойчивость 4 — скоростное кольцо, 5 — дороги со
специачьным покрытием 6— круговая площадка,
7 — подъездные дороги
11
Рис. 13. Схема дорог н сооружений Научно
исследовательского центра по испытаниям и
доводке автомототехники
/ — грунтовая дорога равнинная, 2— динамометри-
ческая дорога, 3—грунтовая дорога 1яжелая, 4—
булыжная дорога кольцевая профилирование! о мо-
щения; 5 — бункерный участок; 6 — комплекс спе-
циальных испытательных дорог, 7 — дорога с щебе-
ночно-грат ийным покрытием, 8— трек с неровности
ми, 9 — песчаный участок; 10 — глубоководный бас-
сейн; И — грязевой участок, 12— подъемы малой
крутизны, /3 —юрная дорога, 14 — подъемы боль-
шой крутизны 15 — скоростная дорога
а также дороги со специальными по-
крытиями, где можно повышать на-
грузки на определенные узлы или си-
стемы автомобилей.
Основные испытания автомобиль-
ной техники в нашей стране проводятся
на автополигоне НАМИ. Полигон рас-
положен в окрестностях подмосковного
города Дмитрова. Дорожный комплекс
и лабораторная база автополигона
обеспечивают необходимые условия
для всесторонних испытаний автомо-
билей.
Пробеговые испытания автомоби-
лей организуют на кольцевых дорогах:
скоростной, грунтово-равнинной, моще-
ной, горного типа и грунтовой тяжелой
проходимости.
Скоростная дорога (рис.
Рис 1 4 Скоростная доро: а пос '-она
1.4) длиной 14 км выполнена в виде
кольца. Ширина дороги вместе с укре-
пленными асфальтом обочинами со-
ставляет 14 м Покрытие — асфальто-
бетонное по бетонному основанию. За-
кругления дороги радиусом 1000. .
2000 м имеют поперечные уклоны от 1
до 4 %, крутизна подъемов и спусков —
до 4 %. Максимальная допустимая ско-
рость на дороге — до 220 км/ч
Дорога предназначена для проведе-
ния пробеговых испытаний автомоби-
лей при длительном их движении на
Рис 15 Мощеная кольцевая дорога
12
форсированных режимах с высокими
скоростями вплоть до максимальных.
На этой дороге оценивается надеж-
ность систем двигателя, трансмиссии,
ходовой части, шин и колес, эргономи-
ческие свойства автомобиля.
Мощеная кольцевая до р о-
г а (рис. 1.5) имеет длину 8,35 км.
Предназначена для ускоренных ресур-
сных испытаний на надежность и уста-
лость деталей подвески и рулевого
привода, а также деталей и агрегатов
несущих систем автомобиля (рамы, ка-
бины, оперения). Дорога имеет две
кольцевые полосы. Внутренняя полоса
с ровным мощением предназначена в
основном для пробеговых испытаний
легковых автомобилей. Покрытие —
булыжный камень с песчаным подсти-
лающим слоем па бетонном основании.
Наружная полоса с профилированным
неровным мощением предназначена
для испытаний грузовых автомобилей.
Покрытие — булыжный камень, втоп-
ленный в бетон, на бетонном основа-
нии. Такое покрытие обеспечивает ста-
бильность характеристик микропрофи-
ля дороги, а соответственно, и харак-
теристик степени нагружения деталей
автомобиля.
На г р у н т о в о - р а в и и н и о й
Рис. 1.6. Грунтовая тяжелая дорога
Рис. 1.7. Горная кольцевая дорога
дороге испытывают автомобили
всех типов в условиях, имитирующих
их движение по дорогам местного зна-
чения. Протяженность дороги — 18,5 км.
Наибольшее число ее участков имеют
уклоны до 4 %, максимальный уклон
составляет 8 %.
На грунтовой тяжелой до-
роге (рис. 1.6) испытывают полно-
приводные автомобили. Дорога имеет
два кольцевых участка длиной 6,7 и
6,9 км. Максимальный их уклон —
11,5 %.
Горная кольцевая дорога
(рис. 1.7) предназначена для пробего-
вых испытаний автомобилей в усло-
виях, характерных для горных районов.
Дорога имеет уклоны до 16 %, а также
серпантины и кривые с радиусами от
20 до 80 м. Покрытие — цементобетон-
ное на щебеночном основании. При дви-
жении автомобиля по этой дороге имеет
место интенсивное нагружение деталей
его трансмиссии, тормозной системы,
рулевого управления и шин.
Комплекс специальных дорог вклю-
чает динамометрическую дорогу, уча-
сток со специальными испытательны-
ми дорогами, трек со сменными неров-
ностями, подъемы малой и большой
крутизны, песчапые участки и участки
13
Рис. 18. Динамометрическая дорога
Рис. 19. Участок специальных испытательных
дороги с щебеночно-гравийным покры-
тием.
Динамометрическая до-
рога (рис. 1.8) —прямолинейная, го-
ризонтальная, с асфальтобетонным
покрытием по бетонному основанию.
Используется для оценки топливной
экономичности, тягово-скоростных и
тормозных свойств любых автотранс-
портных средств. Длина горизонталь-
ной части — 4,7 км; ширина дороги
с укрепленными асфальтированными
обочинами — 17 м. По ее концам и в
середине имеются разворотные петли
и площадки. Одна из площадок диа-
метром 104 м предназначена для оцен-
ки устойчивости и управляемости ав-
томобилей.
Участок специальных испы-
тательных дорог (рис. 1.9) вы-
полнен в виде полосы шириной 46 м и
длиной 1 км. С одной стороны он за-
канчивается круглой асфальтированной
площадкой диаметром 130 м, ас Дру-
гой — двумя разворотными петлями.
На участке имеется семь параллельно
проложенных дорог со специальными
покрытиями. Поперечный разрез уча-
стка показан на рис. 1.10. Участок пред-
назначен для испытаний автомобиль-
ной техники на усталость и виброна-
I руженность. Площадка служит для
испытаний автомобилей на управля-
емость и устойчивость.
Дорога с покрытием типа
дорог
Рис. 1 10. Поперечный профиль участка специальных испытательных дорог.
1 — обочина с асфальтобетонным покрытием 2 — дорога с покрытием специального профиля («ко-
роткие волны»), 3— с асфальтобетонным покрытием, 4—6—с покрытием специального профиля
(4—«бельгийская мостовая», 5 — «шумосоздающая»; 6 — «выбитый булыжник»); 7 — с булыж-
ным покрытием ровного мощения
14
Рис 1 11 Специальная дорога с покрытием
профиля «короткие волны»
«короткие волн ы» (рис 111)
используется для определения влияния
колебаний и вибраций, вызываемых
воздействием регулярно расположен-
ных неровностей, на работу и надеж-
ность различных элементов автомоби
ля Покрытие дороги сборное — из же
лезобетонных плит, уложенных на вы
равнивающий песчапый слой Поофиль
дороги выполнен в виде периодической
синусоидальной волны, имеющей дли
ну 3 5 м и высоту (двойную амплиту-
де) 2,5 см Причем в поперечном на-
Рис I 12 Специачьная дорога с покрытием
«бельгийская мостовая >
правлении на длине 3,5 м волны рас-
положены перпендикулярно к оси до-
роги (прямые волны), а на длине
1,5 м — под углом 68° (косые волны).
Такое расположение волн позволяет
изменять степень нагруженности эле-
ментов несущей системы и рулевого
управления автомобиля за счет одно-
временного воздействия на правые и
левые колеса (при движении по пря-
мым волнам) или поочередно (при ка-
чении колес одного борта по прямым
волнам, а другого по косым)
Дорога типа «бельгийская
мостовая» (рис 1 12) имеет по-
крытие из брусчатого гранитного кам-
ня, уложенного на песчано-цементное
основание Нерегулярно расположен-
ные неровности образованы верхними
гранями смежных камней разной вы-
соты и овальными углублениями вдоль
дороги Возможное превышение верх-
них граней камней — до 2,5 см, глуби-
на углублений — до 4 см Имеются так-
же участки с более крупными порого-
выми неровностями Дорога предназна-
чена для испытаний на усталость узлов
подвески, рулевого управления и ходо-
вой части автомобиля
Шумосоздающая дорога
ровного мощения, с покрытием из бру-
счатого камня, уложенного на песчано-
цементное основание, позволяет выяв-
лять источники повышенного шума,
возникающие при движении автотран-
спортных средств Микропрофиль до-
роги формируется неровностями верх-
них граней камней и швами между
ними
Булыжные дороги профили-
рованного и ровного мощения предна-
значены для исследования плавности
хода и прочностных испытаний ходовых
частей автомобилей Дорога профили-
рованного мощения (рис 1 13) имеет
две колеи шириной по 1,75 м каждая,
мощенных крупными булыжными кам-
нями, втопленными в бетон по бетон-
15
Рис 1 13 Булыжная дорога профилированного
мощения
ному основанию. Покрытие дороги ров-
ного мощения также выполнено путем
втапливания булыжных камней сред-
него размера в бетон так, что над по-
верхностью бетонного слоя вершины
камней выступают на 2.„4 см. Эти не-
ровности при движении автомобиля
создают высокочастотные возмуще-
ния
Кроме перечисленных, по участку
специальных дорог проложены две до-
роги с асфальтобетонным покрытием.
Они служат для замыкания кольцевых
маршрутов, если последние включают
дороги со специальным покрытием.
Асфальтобетонные дороги вместе с
площадкой комплекса используются
также при испытаниях автомобилей на
устойчивость и управляемость.
К специальным сооружениям поли-
гона относятся трек со сменными не-
ровностями, участок дороги с щебеноч-
но-гравийным покрытием, песчаный
участок, грязевой участок, мелковод-
ный и глубоководный бассейны, подъ-
емы малой и большой крутизны, бун-
керный участок Эти сооружения слу-
жат для оценки определенных свойств
автомобилей.
Трек со сменными неров-
ностями (рис. 1.14) представляет
собой две параллельные дороги длиной
210’ м, соединенные поворотными уча-
стками. На прямолинейных участках
устанавливают в шахматном порядке
трапециевидные неровности или сину-
соидального вида При движении авто-
мобиля по таким неровностям происхо-
дит скручивание его рамы. Это позво-
ляет в короткие сроки проверить ее
прочность.
Поскольку при управлении автомо-
билем в таких условиях на водителя
действовали бы большие ударные и
вибрационные нагрузки, на треке ис-
пользуется система автоматического
вождения автомобилей (без водителя).
Участок дороги с щебеноч-
но-гравийным покрытием
используется для оценки стойкости по-
крытий основания кузова и оперения
автомобиля против ударов щебнем, от-
летающим от колес.
Грязевой и песчаный уча-
стки предназначены для проверки
проходимости автомобилей в соответ-
ствующих условиях. Участки выполне-
ны в виде горизонтальных бетонных
лотков, заполненных соответственно
грунтовой смесью или песком. Макси-
Рис 1.14. Трек со сменными неровностями
16
Рис. 1.15. Испытание автомобиля в мелковод-
ном бассейне
мальная глубина слоя испытательного
грунта (грязи) — 0,5 м, песка — 0,6 м.
Имеется также специальная песча-
ная полоса (слой песка толщиной до
I м) для сравнительной оценки прохо-
димости автомобилей.
Мелководный бассейн
(рис. 1.15) выполнен из монолитного
гидротехнического бетона. Длина уча-
стка бассейна с постоянной глубиной
воды 0,2 м составляет 40 м, а вместе с
наклонными участками въезда и выез-
1да — 67 м. Бассейн служит для
оценки работы электрооборудования,
уплотнений кузова или кабины в усло-
виях сильного разбрызгивания воды
при проезде автомобилем бассейна с
различными скоростями. В бассейне
также замачивают тормоза автомоби-
ля при проверке их эффективности.
Глубоководный бассейн
(рис. 1.16) также выполнен из моно-
литного гидротехнического бетона.
Предназначен для определения глуби-
ны брода, который способен преодо-
леть автомобиль. Максимальная глу-
бина воды в бассейне — 1,8 м.
Подъемы малой крутизны
позволяют проверить надежность авто-
транспортных средств в условиях, ха-
рактерных для их движения по пересе-
ченной или в горной местности. Подъ-
емы соединены служебными дорогами
с испытательным кольцом «горная до-
рога» и обычно включаются в кольце-
вой маршрут при оценке тягово-скоро-
стных свойств, топливной экономично-
сти и надежности автомобилей при их
работе в условиях сильно пересеченной
местности. В составе сооружений име-
ется четыре подъема с уклонами в 4,
6, 8 и 10 %, соединенных верхними и
Рис. 1.16. Испытание автомобиля в глубоко- Рис. 1.17. Подъемы большой крутизны
водном бассейне
2 Зак 359
нижними площадками. Ширина дорог
(7 м) позволяет испытывать автомоби-
ли при их движении как на подъемах,
так и на спусках. Покрытие дорог —
асфальтобетонное по бетонному осно
ванию.
Подъемы большой крутиз-
ны (рис. 1.17) предназначены для ис-
пытаний автотранспортных средств на
преодоление максимальных подъемов,
проверки эффективности тормозных си-
стем, а также испытаний двигателя,
сцеплений и других агрегатов транс-
миссий автомобиля при его движении
на предельных подъемах. В комплекс
входит четыре подъема крутизной 30,
40, 50 и 60 %. Проезжая часть подъ-
ема (из цементобетона и железобетон-
ных плит) имеет длину от 60 до 100 м
в зависимости от крутизны. Ширина
проезжей части — 4 м.
1.4. Лабораторные и лабораторно-
дорожные испытания
Целью лабораторных и лаборатор-
но-дорожных испытаний автомобиля
является определение основных его экс-
плуатационных и потребительских
свойств. При лабораторных испытаниях
устанавливают размерные характери-
стики и массу автомобиля, а при лабо-
раторно-дорожных — характеристики,
оценивающие его как подвижное тран-
спортное средство. Все измерения обыч-
но проводят при двух состояниях авто-
мобиля: с номинальной нагрузкой и
без груза.
С помощью линейного и углового
мерительных инструментов определяют
габаритные размеры автомобиля, гео-
метрические параметры, характеризу-
ющие проходимость автомобиля, рабо-
чее место водителя или удобство раз-
мещения пассажиров, размеры грузово-
го или багажного отделения. Подлежа-
щие определению размеры, методики
измерений, требуемая их точность при-
ведены в государственных и отрасле-
вых стандартах.
Массу автомобиля определяют взве-
шиванием на весах, допускающих по-
становку его на платформу всеми ко-
лесами. Весы должны иметь с одной
или с обеих сторон горизонтальные
площадки в одной плоскости с поверх-
ностью платформы весов. Допускается
также взвешивание автомобиля на не-
скольких однотипных весах, распола-
гаемых под каждым его колесом (плат-
формы таких весов обязательно нахо-
дятся в одной горизонтальной плоско-
сти).
Во время взвешивания автомобиля
должны быть остановлен двигатель,
выключены передачи в коробке пере-
дач, расторможены колеса, закрыты
двери и борта.
Последовательность операций сле-
дующая. Автомобиль устанавливают
на весы а) передними колесами (опре-
деляют нагрузку, передаваемую на
платформу весов через шины перед-
них колес), б) всеми колесами (опре-
деляют его массу), в) задними колеса-
ми (находят нагрузку, передаваемую
на платформу через шины задних ко-
лес) .
По полученным результатам нахо-
дят положение центра масс автомоби-
ля по формулам
т,
а = _-1£, b =- —-L,
та т а
где а, b — расстояние от осей соответ-
ственно передних и задних мостов (те-
лежки) до центра масс; т>, т2—мас-
сы, создающие нагрузку, передающу-
юся на дорогу через передние и зад-
ние мосты соответственно; та — масса
автомобиля; L — база автомобиля.
Для определения высоты располо-
жения центра масс автомобиль перед-
ним или задним мостом устанавливают
на подставку и фиксируют нагрузку,
передающуюся мостом на весы. В со-
18
Рис. 1 18. К определению положения
центра масс автомобиля
ответствии со схемой, приведенной на
рис. 1.18,
cos a — mag(a cos a+^g sin a),
где /?z2 — нагрузка, передающаяся на
весы; g— ускорение свободного паде-
ния; a — угол наклона продольной оси
автомобиля.
Точность нахождения положения
центра масс зависит от степени точно-
сти измерения угла а. Поэтому целе-
сообразно стремиться к тому, чтобы
этот угол был как можно больше. Для
того чтобы изменение деформации под-
вески не влияло на а, подвеску блоки-
руют. В этом случае sin a=H/L, где
II — высота подставки.
По результатам лабораторно-до-
рожных испытаний скоростные
свойства автомобиля оцени-
вают следующими характеристиками
и параметрами: скоростной характери-
стикой «разгон — выбег»; скоростными
характеристиками разгона на высшей
и предшествующих передачах; скоро-
стной характеристикой движения по
дороге с переменным продольным про-
филем; максимальной скоростью; ус-
ловной максимальной скоростью; вре-
менем разгона на пути 400 и 1000 м и
до заданной скорости. За исключением
снятия скоростной характеристики на
дороге с переменным продольным про-
филем их определяют при движении
автомобиля по ровной прямолинейной
дороге с гладким асфальтобетонным
покрытием. Протяженность измери-
тельного участка — не менее 2 км.
К измерительному участку должны
примыкать участки с таким же покры-
тием, предназначенные для разгона
автомобиля. На автомобильных поли-
гонах для этих целей используют ди-
намометрические дороги.
Перед проведением испытаний по
определению показателей скоростных
свойств тепловой режим агрегатов ав-
томобиля доводят до нормального,
установившегося при его движении по
участку дороги длиной около 50 км со
скоростью, составляющей не менее
75 % от максимальной. Все зачетные
заезды выполняют в двух противопо-
ложных направлениях За результат
испытаний принимают средние значе-
ния результатов заездов.
Максимальную скорость автомоби-
ля находят по продолжительности про-
езда им измерительного участка дли-
ной 1 км. Время наиболее часто реги-
стрируют с помощью секундомера. При
испытании автомобиль интенсивно раз-
гоняют до наибольшей установившейся
скорости не менее чем за 200 м до на-
чала измерительного участка.
Для получения характеристик «раз-
гон — выбег», а также «разгон на выс-
шей и предшествующей передачах» ав-
томобиль оборудуют прибором «пятое
колесо» (см. гл. 4), обеспечивающим
достаточно точную регистрацию пути,
проходимого автомобилем.
При определении характеристики
«разгон — выбег» автомобиль совер-
шает интенсивный разгон с места на
пути длиной 2000 м, а затем выбег до
полной остановки. Движение начина-
ется с передачи, используемой для тро-
гания автомобиля с места, переключе-
ние ступеней в коробке передач
производят при номинальной частоте
вращения вала двигателя Перевод
19
движения в режим выбега осущест-
вляют путем быстрого выключения пе-
редачи.
Характеристики «разгон на высшей
и предшествующей передачах» полу-
чают в следующей последовательности.
Автомобиль движется с минимальной
устойчивой на данной передаче скоро-
стью. По команде руководителя испы-
таний водитель резко до отказа должен
нажать педаль подачи топлива. Раз-
гон автомобиля осуществляется до ско-
рости, соответствующей номинальной
частоте вращения вала двигателя. Если
во время резкого нажатия педали по-
дачи топлива имеют место перебои в
работе двигателя, заезд повторяют с
более высокой начальной скоростью
движения.
Оценочные параметры «время раз-
гона на участках 400 и 1000 м», «вре-
мя разгона до заданной скорости»
(рис. 1.19) определяют либо непосред-
ственным измерением соответствую-
щего времени при интенсивном разго-
не автомобиля, либо по характеристи-
ке «разгон — выбег».
Условную максимальную скорость
находят как среднюю скорость про-
хождения автомобилем последнего уча-
стка длиной 400 м при разгоне с места
на пути 2000 м.
Рис. 1 19. Характеристики разгона автомобиля-
j-v~l(t); 2-v=f(S)- t, — время разгона иа пути
400 м; tz—то же на пути 1000 м, t3—то же до за-
данной скорости, #4— время проезда последних 400 м
двухкилометрового участка
Измерительный участок дороги для
получения «скоростной характеристи-
ки движения по дороге с переменным
продольным профилем» должен быть
длиной 13...15 км, иметь цементобетон-
ное или асфальтобетонное покрытие.
Распределение уклонов должно быть
близким к нормальному, при этом на
участке необходимы по крайней мере
один подъем и один спуск длиной 500...
700 м с уклоном 4...5 %. Радиусы кри-
вых в плане — свыше 1000 м (на авто-
полшоне НАМИ этим условиям соот-
ветствует скоростная кольцевая до-
рога).
Для нахождения «точек» скорост-
ной характеристики автомобиль совер-
шает пробег по измерительному участ-
ку с наибольшей скоростью, но не
превышающей допустимую для данно-
го заезда. Допустимую для каждого
заезда скорость устанавливают до на-
чала замера. Диапазон допустимых
скоростей движения зависит от типа
транспортных средств. Его выбирают
таким образом, чтобы общее количе-
ство экспериментально определяемых
«точек» внутри диапазона было не ме-
нее четырех. По результатам измере-
ний строят график, показывающий
связь средней скорости движения и мак-
симальной допустимой.
Топливную экономич-
ность автомобилей оценивают
по топливной характеристике устано-
вившегося движения, контрольным
расходам топлива, расходу его в ездо-
вом цикле и топливной характеристи-
ке при движении по дороге с перемен-
ным продольным профилем. Все эти
характеристики (кроме последней)
определяют при движении автомобиля
по ровной горизонтальной дороге,
удовлетворяющей требованиям к до-
роге при оценке скоростных свойств
автомобиля.
При испытаниях по оценке топлив-
ной экономичности автомобиль обору-
20
дуют приборами для измерения
расхода топлива- объемными счетчи-
ками-топливомерами или мерными ци-
линдрами.
Топливная характеристика устано-
вившегося движения — это график за-
висимости расхода топлива (в литрах
на 100 км пути) от установившейся ско-
рости движения автомобиля по ровной
гладкой горизонтальной дороге. Для
нахождения «точек» характеристики
производят заезды с заданной посто-
янной скоростью в двух взаимно про-
тивоположных направлениях по изме-
рительному участку длиной не менее
1 км Характеристику снимают, начи-
ная с максимальной скорости автомо-
биля и снижая ее последовательно на
10..20 км/ч до минимальной устойчи-
вой Измеряют объем израсходованно-
го топлива и продолжительность про-
езда автомобилем заданного участка.
По полученным данным строят харак-
теристики для каждого направления
движения, а затем усредненную.
Контрольный расход топлива нахо-
дят при определенной (оговоренной
техническими условиями или стандар-
том) скорости движения автомобиля
по ровной горизонтальной дороге Он
определяется как среднее арифметиче-
ское результатов двух опытов при про-
езде мерного участка длиной не менее
1 км в двух взаимно противоположных
направлениях. Контрольный расход
топлива указывается в технических ха-
рактеристиках автомобилей.
Расход топлива в ездовом цикле
определяют при имитации реальных ре-
жимов движения. Автомобили испыты-
вают в двух ездовых циклах- маги-
стральном и городском. Магистраль-
ный ездовой цикл имитирует режимы
движения автомобилей по основным
магистральным дорогам союзного и
республиканского значения, а город-
ской — по типичным маршрутам круп-
ных городов СССР.
Испытания проводят на ровной
горизонтальной дороге (динамометри-
200 800 1200 1600 2000 2000 2800 Т2ОО МО ОООО
S Лугль, И
Рис. 120 Схемы магистрального (а) и городского (б) ездовых циклов
грузовых автомобилей полной массой свыше 3,5 т и автобусов приго-
родных и общего назначения-
------движение с заданной скоростью, — разгон, \ — торможение дви
гатепем
21
ческой дороге автополигона). В соот-
ветствии со схемой ездового цикла
выполняют разметку измерительного
участка. В каждом заезде определяют
объем израсходованного топлива и
продолжительность движения. Зачет-
ные заезды повторяют не менее трех
раз в противоположных направлениях.
За значение показателя принимают
среднее арифметическое результатов
всех зачетных заездов. Схемы магист-
рального и городского ездовых циклов
грузовых автомобилей и автобусов по-
казаны на рис. 1.20.
Топливную характеристику автомо-
биля при движении по дороге с пере-
менным профилем (зависимость путе-
вого расхода топлива от средней ско-
рости движения по дороге с перемен-
ным профилем) обычно определяют
одновременно с соответствующей ско-
ростной характеристикой. Так же, как
и при нахождении скоростной харак-
теристики, заезды отличаются друг от
друга наибольшей допустимой скоро-
стью движения.
Тормозные свойства ав-
томобилей оценивают при их испы-
таниях на ровной горизонтальной до-
роге. Требования, предъявляемые к уча-
стку дороги, такие же, как и при оцен-
ке скоростных свойств и топливной
экономичности автомобиля. Последний
оборудуют прибором «пятое колесо»,
аппаратурой для регистрации замед-
ления в процессе торможения и конт-
роля силы нажатия на тормозную пе-
даль. Скорость, с которой начинается
торможение (начальную скорость), ус-
танавливают по предварительно тари-
рованному спидометру. Уточняется
значение этой скорости по результатам
записи, полученной с помощью прибо-
ра «пятое колесо».
Техническое состояние автомобиля,
подвергающегося тормозным испыта-
ниям, должно удовлетворять техничес-
ким условиям. Автомобиль должен
быть загружен балластом в соответ-
ствии с его номинальной грузоподъем-
ностью. Перед началом испытаний ав-
томобиль совершает пробег до уста-
новления во всех его агрегатах рабо-
чей температуры.
Эффективность рабочей и запасной
тормозных систем автомобиля оценива-
ют по значениям тормозного пути и
установившегося замедления (для ав-
тотранспортных средств без двигате-
ля — по значению суммарной тормоз-
ной силы и времени срабатывания тор-
мозного привода).
При определении тормозного пути и
установившегося замедления автомо-
биль разгоняют до заданной скорости,
после чего по команде руководителя
испытаний водитель выключает сцеп-
ление и резко нажимает на тормозную
педаль. Тормозной путь — это расстоя-
ние, проходимое автомобилем с момен-
та постановки водителем ноги на тор-
мозную педаль до полной остановки.
Результаты опыта засчитываются, если
в процессе торможения автомобиль не
выходит за пределы заданной полосы
движения.
Испытания проводят при трех теп-
ловых состояниях тормозных механиз-
мов: холодные механизмы (испытания
типа 0); нагретые при нескольких по-
следовательных торможениях (испы-
тания типа I); нагретые при длитель-
ном торможении на затяжном спуске
(испытания типа II).
Значения начальной скорости тор-
можения, максимального тормозного
пути, минимального установившегося
замедления, допустимые отклонения
траектории движения от прямолиней-
ной для различных автотранспортных
средств указываются в международных
и государственных стандартах.
Эффективность стояночной и вспо-
могательной тормозных систем оцени-
вают по значению суммарной силы,
включающей тормозную силу, развива-
22
емую тормозными механизмами систе-
мы, и силу сопротивления движению.
Значение указанной суммарной силы
наиболее часто определяют при букси-
ровании заторможенного транспортно-
го средства тягачом по горизонтальной
ровной дороге с твердым покрытием.
Силу измеряют динамометром, вклю-
ченным в сцепное устройство.
Эффективность стояночной системы
может быть также определена путем
затормаживания транспортного средст-
ва с помощью указанной системы на
уклоне дороги, заданном техническими
' условиями. Остановку транспортного
средства осуществляют при движении
как на подъеме, так и на спуске.
Вспомогательная тормозная систе-
ма может быть также оценена на до-
роге, имеющей продольный уклон
(7 %), длиной не менее 6 км. Тормоз-
ная система должна обеспечивать
' спуск по уклону транспортного сред-
ства с постоянной скоростью (30±
±2) км/ч при наличии специального
тормоза-замедлителя и (30±5) км/ч
при торможении двигателем. Допуска-
ется оценивать эффективность вспомо-
гательной тормозной системы автомо-
биля путем измерения его замедления
на горизонтальной дороге при торможе-
нии указанной системой. При этом
среднее замедление в диапазоне скоро-
стей 35...25 км/ч должно быть не ме-
нее 0,6 м/с2.
Плавность хода автомо-
биля изучают с помощью приборов
для измерения ускорений — акселеро-
метров. Схема размещения акселеро-
метров зависит от типа автомобиля и
задач, решаемых в процессе испыта-
ний. Обычно указанные приборы уста-
навливают так, чтобы можно было
определять параметры ускорений, дей-
ствующих на водителя, пассажиров или
перевозимый груз в вертикальной и го-
ризонтальной плоскостях. Для измере-
ния ускорений, действующих на води-
теля, акселерометры устанавливают
на специальных подставках, располо-
женных на подушке сиденья. Разме-
ры и конфигурация подставок стандар-
тизированы.
Испытательные заезды выполняют
на дорогах с различным покрытием:
ровным цементобетонным, булыжным
без выбоин и булыжным с выбоинами.
Характеристики микропрофилей испы-
тательных участков должны соответ-
ствовать установленным стандартами.
На автополигоне НАМИ для оценки
плавности хода автомобилей использу-
ют динамометрическую дорогу, дороги
с булыжным покрытием нормального
и специального профилей. Испытатель-
ные заезды проводят в одном направ-
лении по одной полосе. Скорость дви-
жения контролируют по спидометру и
поддерживают постоянной в течение
всего заезда. Кроме того, в каждом за-
езде фиксируют время движения по ис-
пытательному участку, необходимое
для определения истинной средней ско-
рости движения. Скорость движения
в испытательных заездах устанавли-
вается стандартами в зависимости от
типа автомобиля.
Оценка плавности хода автомоби-
лей производится по значениям средне-
квадратических ускорений в октавных
или 1/3-октавных полосах частот.
Для анализа управляемости
и устойчивости автотранс-
портных средств используют ряд
характеристик, которые определяют
экспериментально при движении авто-
мобилей по ровным горизонтальным
участкам дороги и площадкам, а также
по площадкам со специальной размет-
кой. Испытательные участки должны
иметь чистое сухое цементно-бетонное
покрытие.
Перед испытаниями автотранспорт-
ное средство оборудуют приборами для
измерения боковых ускорений, углов
поворота кузова относительно верти-
23
калькой и продольной осей, углов по-
ворота рулевого колеса или управляе-
мых колес, усилия на ободе рулевого
колеса.
Движение автотранспортного сред-
ства по размеченным траекториям осу-
ществляют с постепенным увеличением
скорости от заезда к заезду. Для того
чтобы выявить особенности поведения
автомобиля в обычных режимах дви-
жения, наименьшую его скорость при
испытаниях устанавливают на 5...
10 км/ч меньше той, при которой от-
мечается неустойчивость движения
(снос или занос автомобиля, его коле-
бания, отрыв колес от дороги).
Для выявления особенностей пове-
дения автомобиля в аварийных ситу-
ациях наибольшую скорость движения
при испытаниях принимают на 3...7 %
выше предельной, при которой води-
тель удерживает автомобиль в преде-
лах размеченных траекторий. В этом
случае автомобиль оборудуют страхо-
вочными приспособлениями, предотвра-
щающими его опрокидывание.
На прямолинейных участках доро-
ги (испытания «прямые») изучают
курсовую и траекторную устойчивость
автомобиля. Оценку ее производят экс-
перты по пятибалльной системе. Кроме
того, по субъективным оценкам опреде-
ляют скорость движения, при которой
начинается снижение устойчивости кур-
сового и траекторного управления ав-
томобилем.
Инструментальная оценка устой-
чивости прямолинейного движения ав-
томобиля выполняется по средней угло-
вой скорости поворота рулевого коле-
са. Заезды осуществляют со скоростью
60 и 100 км/ч. Так как автомобиль в
процессе заезда испытывает случайные
воздействия, водитель для поддержа-
ния прямолинейного движения вынуж-
ден корректировать траекторию поворо-
том рулевого колеса. Углы поворота
рулевого колеса регистрируют. По ре-
Рис. 1.21. Схема разметки участков для испы-
таний типа «переставка» (а) и «поворот» (б)
зультатам записей определяют сред-
нюю угловую скорость его поворота
(методику см. в «Автомобили. Теория».
Мн., 1986). Максимальные допустимые
значения средней угловой скорости по-
ворота рулевого колеса нормируются.
На дороге, имеющей специальную
разметку (рис. 1.21), выполняют испы-
тания типа «переставка». Размечают
три участка дороги: входной (уча-
сток 1) на правой стороне дороги, пе-
реходный (2) и выходной (3) на левой
стороне дороги. Во время заезда води-
тель должен перевести автомобиль с
входного участка на выходной. На
участке 1 производят замеры скорости
автомобиля. В момент пересечения пе-
редним его мостом границы участков
1 и 2 быстро освобождают педаль по-
дачи топлива и поворачивают рулевое
колесо для совершения маневра. Весь
24
маневр должен 'быть выполнен в пре-
делах переходного участка длиной 12
и 20 м. Ширина входных и выходных
участков зависит от ширины авто-
мобиля.
Постепенно увеличивая от заезда к
заезду начальную скорость движения,
определяют предельную скорость ав-
томобиля, при которой нарушается его
устойчивость или он выходит за от-
веденные разметкой габариты.
На площадках, где возможно кру-
говое движение автомобиля, определя-
ют характеристику статической траек-
торной устойчивости, производят ма-
невр типа «рывок руля» и оценивают
степень легкости рулевого управления.
Характеристика статической траек-
торной устойчивости представляет со-
бой график, показывающий зависи-
мость кривизны установившейся тра-
ектории движения автомобиля от угла
поворота рулевого колеса. Параметры,
необходимые для построения этой ха-
рактеристики, находят в следующей по-
следовательности. Во время движения
автомобиля по круговой траектории с
фиксированным положением рулевого
колеса скорость его v должна быть та-
кой, при которой боковое ускорение со-
ставляет 4 м/с2. При установившемся
режиме движения измеряют угловую
скорость автомобиля со. Кривизну тра-
ектории К определяют по выражению
К=<»1о. По данным, полученным при
различных углах поворота рулевого ко-
леса ар, строят зависимость K=f(ctp).
Графическое изображение зависимости
не должно выходить за пределы обла-
сти, заштрихованной на рис. 1.22, а угол
наклона касательной к кривой в лю-
бой точке не должен превышать углы
наклона прямых, ограничивающих эту
область.
Характеристику «рывок руля» опре-
деляют путем перевода прямолинейно
движущегося автомобиля в круговое
движение путем резкого (сог^7 рад/с)
Рис. 122. Характеристика статической траек-
торной устойчивости автомобиля
поворота рулевого колеса на заданный
угол. Угол поворота рулевого колеса и
скорость движения выбирают такими,
чтобы боковое ускорение автомобиля
при круговом установившемся движе-
нии составляло 4 м/с2. В процессе за-
езда измеряют угловую скорость по-
ворота автомобиля и его боковое уско-
рение. По результатам измерений стро-
ят график, отражающий изменение во
времени отношения текущей угловой
скорости о к угловой скорости автомо-
биля в установившемся круговом дви-
жении о)у (рис. 1.23). Испытания про-
водят при различных углах поворота
рулевого колеса и соответственно раз-
личных скоростях движения. Штрихов-
кой на рис. 1.23 показана область, при
расположении в которой указанной за-
Рис 123. Характеристика «рывок
руля»
25
Рис. 124 Характеристика «вы-
ход из поворота»
висимости управление автомобилем не
будет затруднено
Стабилизация управляемых колес
оценивается характеристикой «выход
из поворота». Эксперимент проводят в
следующей последовательности. Авто-
мобиль совершает круговое движение
при боковом ускорении 4 м/с2. По ко-
манде водитель отпускает рулевое ко-
лесо. При этом аппаратурно регистри-
руется угол поворота продольной оси
автомобиля у в горизонтальной плос-
кости. Если зависимость у = /(/) не вы-
ходит за пределы заштрихованной на
рис. 1.24 области, считается, что ста-
билизация управляемых колес автомо-
биля соответствует нормам. Испытания
проводят при скоростях кругового дви-
жения 30 и 60 км/ч
Стабилизирующие свойства управ-
ляемых колес и легкость управления
автомобилем оценивают по значению
силы, которую нужно прикладывать к
рулевому колесу для удержания авто-
мобиля на круговой траектории при
движении со скоростью 40 и 60 км/ч и
боковом ускорении 4 м/с2. Эта сила
должна быть в пределах 60... 120 Н.
Испытания по оценке предельной
скорости входа автомобиля в заданный
поворот проводят на площадке со спе-
циальной разметкой, схема которой по-
казана на рис 1.21, б. Последователь-
ность испытания такая же, что и при
маневре типа «переставка». Автомобиль
движется с заданной скоростью по уча-
стку 1 При пересечении передним мо-
стом границы участков 1 и 2 водитель
отпускает педаль подачи топлива и,
вращая рулевое колесо, стремится
«вписать» автомобиль в заданный га-
барит поворота. Заезд засчитывается,
если автомобиль вписался в габарит,
ограниченный разметкой, и при этом
не было потери его устойчивости. По-
степенно от заезда к заезду увеличивая
скорость движения по участку 1 (на-
чальную скорость), определяют пре-
дельную. При выполнении заездов из-
меряют усилия, прилагаемые к рулево-
му колесу. По значению этих усилий
судят о степени легкости управления
автомобилем. Максимально допусти-
мые значения усилии нормируются.
1.5. Пробеговые испытания
Надежность автомобиля в значи-
тельной степени зависит от условий его
эксплуатации, которые в свою очередь
определяются дорожными, транспорт-
ными и климатическими условиями.
С течением времени и с увеличением
пробега автомобиля состояние его де-
талей изменяется в результате изнаши-
вания, накопления усталостных и кор-
розионных повреждений, старения ма-
териала. От условий эксплуатации
зависят скоростные и нагрузочные ре-
жимы работы деталей, а соответствен-
но их работоспособность и долговеч-
ность автомобиля в целом.
Принято условия эксплуатации ав-
томобилей делить на пять категорий.
Основным признаком, по которому
определяют категорию этих условий,
является средняя скорость движения
автомобилей. Чем ниже возможная
средняя скорость, тем сложнее усло-
вия, в которых работает автомобиль,
тем больше расходуется топлива и сма-
зочных материалов, запасных частей,
тем менее долговечен автомобиль.
26
Надежность автомобиля оценивают
пхтем пробеговых испытаний: автомо-
биль движется (совершает пробег) по
заданному комплексу дорог в опреде-
ленных нагрузочных и скоростных ре-
жимах. Выявленные при этом показа-
тели надежности автомобиля соответ-
ствуют условиям его испытаний, но не
реальным условиям эксплуатации. Это
обстоятельство необходимо учитывать
при организации пробеговых испыта-
ний автомобилей, а также при оценке
их результатов. Обычно комплекс до-
рог подбирают так, чтобы их сочета-
ние соответствовало I категории усло-
вий эксплуатации, а испытания долж-
ны охватывать различные времена го-
да. Условия эксплуатации I категории
характеризуются движением автомоби-
лей по дорогам с твердым покрытием.
Средние технические скорости грузо-
вых автомобилей составляют 50...
60 км/ч.
В табл. 1.1 показано сочетание раз-
личных видов дорог общего пользова-
ния и автополигона, рекомендуемое
для проведения испытаний автомоби-
лей по I категории условий эксплуа-
тации.
При испытаниях автомобилей, ра-
ботающих только на дорогах с твер-
дым покрытием, несколько увеличива-
ется их пробег по дорогам с таким по-
крытием, а для полноприводных авто-
мобилей в комплекс испытательных
маршрутов включают также грунтовые
разбитые дороги (сухие или замерз-
шие), грунтовые размокшие, снежную
целину, песчаные участки.
Пробеговые испытания автомобиля
проводят с наибольшими по техниче-
ским его возможностям или из условия
безопасности движения скоростями.
Длительное движение накатом не до-
пускается. Пробеги, выполненные во
время обкатки или лабораторно-дорож-
ных испытаний, засчитывают в общий
пробег автомобиля по дорогам соот-
ветствующего вида.
Табл. 1.1. Распределение пробега автомобиля по видам дорог при длительных
контрольных испытаниях
Вид дорог общего на- значения Вид дороги автополи- гона Относительный пробег, <4, автомобилей
легковых автобусов грузо- вых автопоез- дов само- свалов
между- городских, город- пригород- ных ных
С усовершенствован- Скоростная 55 80 40 40 40 40 иым покрытием (ас- фальтобетон, цементо- бетон) Городские Имитирующая уело- 30 10 50 10 10 10 вия городского движе- ния Булыжные в удов- Булыжная с ровным 10 10 10 25 25 25 летворительном состо- мощением ЯННИ Грунтовые в удовле- Грунтово-равнинная 5 — — 25 25 25 творительном состоя- нии Примечания- 1. Рекомендации даны применительно к автомобилям, предназначенным для перевозки грузов или пассажиров по всем дорогам общей сети. 2. Относительный пробег приведен в процентах от гарантийного пробега.
27
При пробеговых испытаниях загруз-
ка автомобиля должна быть номиналь-
ной, соответствующей данным дорож-
ным условиям. Автотранспортные сред-
ства загружают балластом, масса ко-
торого не изменяется при увлажнении.
Обычно в качестве балласта использу-
ют металлические гири или песок в гер-
метичной упаковке. Балласт равномер-
но распределяют по площади пола ку-
зова (салона) и надежно закрепляют.
На пассажирских местах балласт ук-
ладывают из расчета 75 кг на одного
человека в грузовом автомобиле и 68
кг в легковом или автобусе. При этом
85 % нагрузки размещается на сидень-
ях, а 15 % — на полу. Массу багажа
принимают в соответствии с техниче-
скими условиями на автомобиль либо
10 кг на одного человека в легковых
автомобилях и 5 кг в грузовых и ав-
тобусах.
Испытания грузовых автомобилей
проводят со штатными прицепами.
Если автомобиль предназначен для по-
стоянной работы с прицепом (полупри-
цепом), то не менее чем 90 % пробега
по всем дорогам совершается с прице-
пом (полуприцепом), если же для пе-
риодической работы с прицепом — не
менее 50 % пробега по дорогам с твер-
дым ровным покрытием выполняется с
прицепом. Пробег полноприводных ав-
томобилей, периодически работающих
с прицепом, по всем видам дорог дол-
жен составлять не менее 60 % от об-
щего пробега.
В процессе испытаний ведут учет
пройденного пути, продолжительности
движения и остановок, расхода топли-
ва, масла и других рабочих жидкостей
и эксплуатационных материалов. Ве-
дется также учет отказов и неисправ-
ностей испытуемого объекта, работ по
его техническому обслуживанию, регу-
лировкам и ремонту. В протоколах от-
мечают характеристики дорожных и
метеорологических условий и резуль-
таты наблюдений за работой автомо-
биля и его агрегатов.
Одной из основных характеристик
надежности автотранспортного сред-
ства, определяемой в результате пробе-
говых испытаний, является его безот-
казность. Это — свойство объекта не-
прерывно сохранять работоспособное
состояние в течение некоторого време-
ни или некоторой наработки (пробега).
Основным показателем, по которому
оценивается безотказность автотранс-
портной техники, является средняя на-
работка на отказ. Этот показатель нор-
мируется и обычно оговаривается в тех-
нических условиях. Дополнительными
показателями являются вероятность
безотказной работы и средняя наработ-
ка на ремонтное воздействие. Отказ
наступает тогда, когда объект испыта-
ний теряет работоспособность вслед-
ствие того, что его деталь, узел или
агрегат приходят в состояние, при ко-
тором дальнейшая эксплуатация объ-
екта становится невозможной или неце-
лесообразной. В этом случае считают,
что деталь, узел или агрегат достигают
предельного состояния. Например, при
поломке зубьев шестерни главной пе-
редачи дальнейшая работа автомобиля
невозможна, а при подаче масляного
насоса двигателя ниже установленной
техническими условиями — нецелесо-
образна, так как дальнейшая эксплуа-
тация автомобиля будет приводить к
интенсивному изнашиванию двигателя.
В том и другом случаях полагают, что
деталь (узел) достигла предельного со-
стояния, т. е. произошел отказ автомо-
биля. Отказ может быть зафиксирован
непосредственно во время пробега ав-
тотранспортного средства, при его ос-
мотре или техническом обслуживании.
Отказы одноименных деталей, возни-
кающие одновременно, учитывают как
один отказ. Как один учитывают и от-
казы сопряженных деталей, имеющих
одинаковый характер нарушений (на-
28
пример, предельный износ сопряжен-
ных деталей). Отказы несопряженных
деталей, обнаруженные одновременно,
считают независимыми. Неучитываемые
отказы не включают в перечень отка-
зов при определении критерия «нара-
ботка на ремонтное воздействие».
Для определения показателей без-
отказности необходимо испытывать од-
новременно не менее двух одинаковых
машин. Наработка на отказ (в кило-
метрах)
Л' I N
То=^тЪт1, (1.Н
t = 1 /
где Тг— пробег 4-го объекта за период
испытаний, км; ш( — количество отка-
зов i-ro объекта за период испытаний;
N — число одновременно испытывае-
мых объектов.
Считается, что поток отказов под-
чинен экспоненциальному закону.
В этом случае вероятность безотказной
работы Р(АТ) определяют по формуле
Р(АТ)=ехр(-Д7/70),
где АТ’ — расматриваемый интервал
пробега, км.
Наработка на ремонтное воздейст-
вие определяется также по формуле
(1.1), в которой вместо количества от-
казов учитывают число ремонтных воз-
действий.
Пробеговые испытания автотранс-
портных средств проводят наиболее ча-
сто в объеме их гарантийного пробега
или пробега до капитального ремонта.
Для того чтобы автомобиль мог совер-
шить такой пробег, требуются большие
затраты средств и времени. Поэтому
при организации испытаний стремятся
максимально сократить сроки их про-
ведения. Наиболее распространенным
методом сокращения сроков испытаний
является форсирование нагрузочных
режимов: детали, узлы и агрегаты ав-
томобиля подвергают воздействиям,
частота и амплитуда которых превы-
шают имеющие место при нормальной
эксплуатации. Поэтому происходит бо-
лее интенсивное изнашивание деталей
автомобиля, а также накопление в них
усталостных повреждений.
При оценке результатов указанных
испытаний используют коэффициенты
приведения, характеризующие степень
форсирования режимов. Коэффициент
приведения равен отношению пробега
автомобиля в реальных условиях экс-
плуатации к пробегу его при форсиро-
ванных режимах испытаний. Так, на-
пример, коэффициент приведения,
равный двум, показывает, что 1 км
пробега при форсированных испыта-
ниях соответствует 2 км в условиях
реальной эксплуатации. Обычно ре-
зультаты форсированных испытаний
приводят к I категории условий
эксплуатации автомобилей.
При организации форсированных
испытаний возникают трудности в оп-
ределении коэффициентов приведения
и выборе режимов, обеспечивающих
для различных механизмов автомоби-
ля одинаковые коэффициенты приве-
дения. Для определения коэффициен-
тов приведения используют расчетные
и экспериментальные методы, основан-
ные на сравнении характеристик нагру-
зочных режимов основных (базовых)
деталей в условиях эксплуатации и при
выбранном режиме форсированных ис-
пытаний. Сравнение проводят на базе
линейной теории накопления усталост-
ных повреждений. Если весь диапазон
значений возникающих в металле на-
пряжений о разделить на z интервалов,
то накопление усталостных поврежде-
ний в металле характеризуется вели-
Z
чиной 2, где сц—’Среднее зна-
4=1
чение напряжений в 4-м интервале;
Nx — число циклов нагружения детали
за сравниваемый пробег с напряже-
нием, соответствующим t-му интервалу
29
его значений; т—показатель степени,
зависящий от вида нагружения детали.
Поскольку напряжения пропорцио-
нальны передающейся на деталь на-
грузке, для нахождения коэффициентов
приведения достаточно определить ха-
рактеристики распределения нагрузок
в условиях эксплуатации и при форси-
рованных испытаниях. Коэффициент
приведения может быть найден из со-
отношения
Л'н = S ЛЛ’ф/Й FtN3l,
i~ 1 / £—1
где Ft — среднее значение нагрузки в
t-м интервале ее изменения; М$г,
N3l — число циклов нагружения детали
при одинаковых пробегах автомобиля в
условиях соответственно форсированно-
го и эксплуатационного режимов.
Таким образом, задача нахождения
коэффициентов приведения сводится к
определению корреляционных зависи-
мостей частоты воздействий и амплиту-
ды нагрузок, действующих на базовые
детали, при различных режимах дви-
жения автомобиля. Эти зависимости
могут быть получены расчетом по ме-
тодикам, используемым при конструи-
ровании автомобиля, или эксперимен-
тально. Обычно используют оба метода,
как взаимно дополняющие. Сочетание
различных дорожных участков и режи-
мов движения подбирают таким обра-
зом, чтобы обеспечивались одинаковые
коэффициенты приведения для базо-
вых деталей автомобиля (табл. 1.2).
Общий пробег автомобилей при фор-
сированных испытаниях составляет
40...50 % от их пробега в условиях, со-
ответствующих I категории эксплуата-
ции. Таким образом, степень форсиро-
вания испытаний (коэффициент при-
ведения) составляет обычно 2,5...2,0.
Пробег автомобиля по дорогам всех
видов, предусмотренным в табл. 1 2,
распределяется равномерно на весь пе-
риод испытаний. С этой целью пробег
Табл. 1.2. Распределение пробега автомобиля по видам дорог при форсированных
испытаниях
Вид дороги и режим ис- пытаний Относительный пробег, %, автомобилей
легковых автобусов грузовых автопоез- дов самосва - лов
междуго- городских, родных пригород- ных
Скоростная дорога 10 15 13 11 13 7 Скоростная дорога; режим отах 4 5 2 — 4 — Скоростная дорога; режим отах 8 — — — — — с торможением через 5 км пробега Имитация городского движения 3 10 14 2 3 2 Режим разгон — торможение 10 — 10 2 3 3,2 Подъем малой крутизны (6 . 10 %) — 2 — 4 6 4 Булыжная дорога с ровным мощением 8,5 7 10 12 8 12 с профилированным мощением 4,5 — — 3 1 3 «Бельгийская мостовая» — 1 1 0,8 — 0,5 «Короткие волны» — — — 0,2 — 0,3 Грунтово-равнинная дорога 2 — — 5 2 8 Итого 50 40 50 40 40 40 Примечание Относительный пробег дан в процентах от гарантийного пробега
30
выполняется «блоками» по 4000 км каж-
дый. Последовательность выполнения
пробега по отдельным дорогам обычно
не регламентируется, а режимы движе-
ния выдерживаются эксплуатационны-
ми, если они особо не оговариваются в
методике.
Испытания на динамометрической
дороге в режиме разгон — торможение
проводят циклами (16 циклов на 10 км
пути). Каждый цикл включает интен-
сивное трогание автомобиля с места на
первой передаче в коробке передач
при быстром включении сцепления
(время включения сцепления 0,15...
0,25 с), разгон до скорости, при кото-
рой частота вращения вала двигателя
составляет не менее 80 % от макси-
мальной, переключение на высшую пе-
редачу с «броском» сцепления (время
включения сцепления 0,03...0,05 с при
полной подаче топлива), интенсивный
разгон на второй передаче, переключе-
ние на третью и так далее до высшей.
На высшей передаче автомобиль раз-
гоняется ДО скорости (0,6...0,7) Отах, ПО-
сле чего осуществляется его торможе-
ние двигателем с переключением пере-
дач и затем торможение колесными
тормозами до полной остановки с за-
медлением примерно 3 м/с2. Включают
передачу заднего хода, автомобиль
движется назад (около 10 м) и затор-
маживается колесными тормозами.
Опять осуществляется интенсивное тро-
гание его с места со второй передачи,
форсированный разгон с переключе-
нием передач, торможение двигателем
и колесными тормозами. Затем цикл
повторяется.
Циклы движения автомобиля на
подъемах малой крутизны организуют
таким образом, чтобы в каждом цикле
автомобиль проезжал все уклоны на
подъемах и на спусках. Автомобиль
останавливают перед подъемом на рас-
стоянии 80... 100 м, а также и на самом
подъеме за 80 ..100 м до его конца.
Описанные режимы движения (раз-
гон — торможение, по подъемам малой
крутизны) предназначены для интен-
сификации нагружения элементов
трансмиссии и тормозных систем авто-
мобиля. Дороги булыжная с профили-
рованным мощением, «бельгийская мо-
стовая», типа «короткие волны» обес-
печивают интенсивное нагружение хо-
довой части, рамы и рулевого управле-
ния автомобиля.
Таким образом, форсированный ре-
жим испытаний позволяет интенсифи-
цировать изнашивание и накопление
усталостных повреждений основных де-
талей автомобиля, передающих нагруз-
ку. В эксплуатационных же условиях
отказы автомобиля могут быть обус-
ловлены и другими причинами: ослаб-
лением креплений, старением материа-
лов, их коррозией ит. п. Некоторые
детали автомобиля в процессе форси-
рованных испытаний практически оста-
ются незагруженными (замки и шар-
ниры дверей и сидений, переключате-
ли света, крышки ящиков с запасным
инструментом и др.). Поэтому програм-
мой форсированных испытаний преду-
сматриваются дополнительные работы,
выполняемые через каждые 1000 км
пробега автомобиля (например, 20-
кратное закрывание и открывание пра-
вых дверей, запирание их замком, 10-
кратное открывание и закрывание ка-
пота и крышки багажника, 20-кратпый
запуск двигателя, многократное вклю-
чение фар, элементов освещения, ука-
зателей поворота и т. д.). Программой
предусматриваются также выдержка
автомобиля в коррозионной камере и
проезды его через грязевую ванну.
После выполнения всего комплекса
работ, определяемого программой, про-
водят заключительный осмотр автомо-
биля: проверяют исправность его агре-
гатов и узлов, регулировки, крепления
и т. п. Основные агрегаты автомобиля
снимают и разбирают для выявления
31
износа и зазоров в сочленениях, нали-
чия смазочного материала, загрязнений
и коррозии,состояния уплотнений.При
определении износа за начальный при-
нимают размер неизношенного участка
детали, а если таковой не имеется,—
принимают средний, определяемый по
предельным размерам детали в соот-
ветствии с рабочим чертежом.
По результатам испытаний состав-
ляют протокол, где отражают цель
объект и условия испытаний, а такж<
их результаты. Результаты испытанш
должны отражать сведения, получен
ные при выполнении всех пунктов про
граммы, и выводы о соответствии объ
екта испытаний техническим условиям
стандартам и другой пормативно-тех
нической документации.
2 ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ
И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ЧИСТОТУ
2.1. Общие положения
Анализ дорожно-транспортных про-
исшествий (ДТП) показывает, что ве-
роятность их возникновения и тяжесть
последствий зависят от безопасности
автомобиля.
Активная безопасность автомобиля
зависит в свою очередь от его конст-
рукции и эксплуатационных свойств,
определяющих вероятность возникно-
вения ДТП (обзорности, устойчивости
и управляемости, тормозных и тягово-
скоростных свойств, надежности эле-
ментов конструкции, отказ в работе ко-
торых может повлечь за собой ава-
рию). Влияют также на активную бе-
зопасность автомобиля его эргономи-
ческие и экологические свойства, обу-
словливающие утомляемость водителя
и зависящие от удобства его посадки
на рабочем месте и пользования орга-
нами управления, уровень шума и виб-
раций, микроклимат в кабине или са-
лоне автомобиля.
Пассивную безопасность автомоби-
ля характеризуют такими его свойства-
ми, которые определяют вероятность,
характер и тяжесть травмирования
людей, находящихся в автомобиле или
вне его в случае ДТП.
Целью испытаний на пассивную бе-
зопасность чвляется определение соот-
ветствия автомобилей в целом и их от-
дельных элементов и узлов норматив-
ным требованиям безопасности. Одно-
временно решаются задачи поиска на-
дежных, технически и экономически
обоснованных путей дальнейшего по-
вышения безопасности движения.
Испытание автомобилей на пассив-
ную безопасность проводят на полиго-
нах или специальных стендах. При ис-
пытаниях на полигонах используют
комплектный автомобиль, а при стен-
довых—кузов (кабину) или отдель-
ные узлы (рулевое управление, сиде-
нья и др.).
2.2. Полигонные и лабораторные
испытания кузовов и кабин
При испытаниях автомобилей на по-
лигонах воспроизводят наиболее ти-
пичные аварийные ситуации: фронталь-
ный удар (лобовое столкновение), оп-
рокидывание автомобиля, наезд на не-
го сзади и сбоку.
Поскольку большинство предписа-
ний и нормативных документов по пас-
сивной безопасности чаще всего отно-
сятся к легковым автомобилям, ниже
будут рассмотрены в основном испыта-
ния на пассивную безопасность легко-
вых автомобилей, при которых имити-
руются различные виды ДТП.
Одним из наиболее распространен-
ных ДТП является фронтальный удар.
По данным статистических исследова-
ний фронтальные столкновения авто-
мобилей между собой или с неподвиж-
ным препятствием составляют 31,3 %
всего количества ДТП.
Ударно-прочностные качества кузо-
3 Зак 359
33
Рис. 2.1. Схема стенда для испытания легковых автомобилей на фронтальный
удар:
1 — вышка; 2 — груз; 3 — препятствие; 4 — испытуемый автомобиль; 5 — тяговый трос лебед-
ки, 6 — направляющий рельс; 7 — лебедка
вов легковых автомобилей при фрон-
тальном столкновении регламентиро-
ваны международными правилами 12,
33, 34 ЕЭК ООН и отечественными нор-
мативными документами. Препятствие,
с которым сталкивается автомобиль
при испытаниях на фрон-
тальный удар, представляет со-
бой железобетонный параллелепипед,
лицевая сторона которого шириной не
менее 3 м и высотой не менее 1,5 м об-
лицована стальным листом (толщиной
25 мм) и покрыта фанерой (20 мм).
Масса препятствия — не менее 70 т,
его крепление должно исключать сме-
щение препятствия в момент испыта-
ния, т. е. удара автомобиля.
Испытуемый автомобиль должен
быть исправным и комплектным в соот-
ветствии с техническими условиями
предприятия-изготовителя. Топливный
бак заполняется на 90 % жидкостью,
по плотности и вязкости соответству-
ющей топливу автомобиля.
Автомобиль разгоняют с помощью
автомобиля-буксировщика, лебедки
или другого приспособления. Разгон
автомобиля до скорости, при которой
происходит его фронтальный удар о
препятствие, может осуществляться за
счет потенциальной энергии падающе-
го груза (рис. 2.1). Для каждого кон-
кретного автомобиля (исходя из его
массы) определяется высота подъема
груза. Перпендикулярность движения
автомобиля к препятствию обеспечива-
ется направляющим рельсом.
Перед началом испытаний автомо-
биль соединяют с тросом, связанным
с грузом. В момент начала разгона этот
трос с помощью спускового механизма
отсоединяют от троса лебедки. За
4...5 м до препятствия трос отсоединя-
ют от автомобиля, и оставшееся рас-
стояние он проходит накатом. Скорость
автомобиля в момент столкновения с
препятствием должна быть в пределах
48,3...53,1 км/ч. Фактическое значение
скорости в соответствии с требованиями
стандартов должно определяться за
0,2 с до столкновения (при скорости
автомобиля 50 км/ч это соответствует
длине пути до препятствия, равной
3 м).
В настоящее время для измерения
скорости автомобиля при его столкно-
вении с препятствием применяют два
различных метода.
Метод, основанный на использова-
нии эффекта Доплера, предполагает
применение радарных или лазерных
установок, позволяющих определять
34
скорость автомобиля с погрешностью
2z0,5 % Однако этот метод является
дорогостоящим.
Другой метод основан на измерении
времени, необходимого для прохожде-
ния автомобилем заданного расстоя-
ния. Он получил наибольшее распрост-
ранение в рассматриваемых испыта-
ниях. Существует ряд систем, в кото-
рых используются различные способы
включения и выключения хрономет-
ров: фотоэлектрический (погрешность
измерений ±0,5 %), индукционный и
электромагнитный (погрешность изме-
рений до 1 %). В тех же целях приме-
няют также гибкие металлические пла-
стины, расположенные вдоль разгон-
ной полосы на определенном расстоя-
нии одна от другой. При наезде на них
колеса автомобиля посылаются сигна-
лы в устройство управления хрономет-
ром
Процесс соударения автомобиля с
препятствием снимают скоростными
кинокамерами (с частотой съемки не
менее 1000 кадров в 1 с). Для оценки
деформаций кузова на него наносят
метки, а для определения смещения ру-
левой колонки в салон к ее торцу при-
крепляют пластинку со знаками конт-
растного цвета (рис 2 2, а) Перед
испытаниями производят замеры рас-
стояний между нанесенными на кузов
метками и определяют размеры салона
После испытания определяют переме-
щения рулевой колонки, общую дефор-
мацию передней части автомобиля
Деформация кузова определяется рас-
стояниями между метками, нанесен
ными на передней части, и метками на
недеформируемой части кузова. В силу
необходимости снижения пиковых зна-
чений замедлений, воздействующих на
водителя и пассажиров при ударе, де-
формация передней части автомобиля
должна быть как можно большей
Дополнительно оценивают дефор-
мацию салона, степень заклинивания
а
Рис 2 2 К измерению перемещения рулевой
колонки при фронтальном ударе автомобиля о
препятствие
а — установка метки на рулевой колонке б — гра-
фик перемещения рулевой колонки автомобиля ШКО-
ДА ФАВОРИТ 136L во время испытаний
дверей, состояние крепления сидений.
После удара автомобиля о препятствие
двери (по одной с каждой стороны)
должны открываться без применения
инструмента.
На рис 2 2, б показаны перемеще-
ния верхней части рулевой колонки ав-
томобиля по вертикальной (Z) и гори-
зонтальной (X) осям через каждые 6 мс.
Цифрой 1 обозначено начальное поло-
жение верхней части рулевой колонки
до столкновения автомобиля с препят-
35
Рис 2 3 Вид автомобиля после испытания на
фронтальный удар
ствием, а цифрой 2 — конечное. Общий
вид легкового автомобиля после фрон-
тального столкновения с неподвиж-
ным препятствием показан на рис. 2 3.
После испытаний, проводимых с ан-
тропометрическими манекенами, опре-
деляют состояние последних, анализи-
руют их повреждения от соударений с
деталями интерьера салона, состояние
ремней безопасности и креплений.
С помощью датчиков ускорений фикси-
руют перегрузки корпуса и головы ма-
некена. Определяют объем жидкости,
заменяющей топливо и вытекшей из
бака при нарушении его герметичности,
оценивают вероятность возникновения
пожара и возможность его тушения
имеющимися на автомобиле средст-
вами.
По результатам измерений автомо-
биля после испытаний производят по-
строение графической схемы его «жиз-
ненного пространства» (рис. 2 4). Оп-
ределяют расстояния С от контрольной
точки сиденья R (точки, соответствую-
щей положению центра шарнира тазо-
бедренного сустава сидящего человека)
до точки А (наиболее выступающей
точки панели приборов), Е от точки R
до точки В (находящейся на передней
стенке кабины в плоскости, проходя-
щей через середину тормозной педали)
и F между точками D и D', располо-
женными на потолке и полу кузова на
одной вертикали с точкой R. Расстоя-
ния С, Е и F не должны быть меньше
некоторых заданных. Так, например,
для легковых автомобилей, прошед-
ших испытание на фронтальный удар,
расстояния С и Е должны составлять
не менее 450 и 650 мм соответственно,
a F не должно уменьшаться более чем
на 10 %.
Серьезным ДТП (по степени трав-
мирования пассажиров) считается на-
езд одного автомобиля на другой сза-
ди. Кроме деформаций и повреждений
соударяющихся частей автомобилей,
при этом имеет место опасное травми-
рование находящихся в салоне людей
(повреждение шейных позвонков и поз-
вонков верхних отделов грудной клет-
ки).
Имитацию наезда на ав-
томобиль сзади осуществляют
с помощью специальной тележки с
ударной плитой. При испытании опре-
деляют деформации и перемещения
элементов кузова, прочность сидений и
их креплений к основанию кузова,
прочность подголовников, деформации
салона, пожарную безопасность авто-
Рис 2 4. Схема измерений «жизненного про-
странства» автомобиля после испытания его
на фронтальный удар
36
a
Рис. 2.5. Схема испытания легковых автомобилей на наезд сзади (а, б) и бо-
ковой удар (в)
мобиля, перегрузки шеи пассажиров-
манекенов.
Регулируемые сиденья устанавли-
вают в крайнее переднее положение.
На сиденьях размещают два антропо-
метрических манекена, один из кото-
рых (на переднем сиденьи) закрепляют
ремнем безопасности.
В соответствии с требованиями нор-
мативных документов подвижное пре-
пятствие представляет собой двухос-
ную тележку массой 1100 кг с при-
крепленной к ней ударной плитой
размером 2500X800 мм (рис. 2.5, а).
Тележка оборудуется направляющим
роликовым устройством и тормозной
37
системой с электроприводом, управля-
емой дистанционно
Разгон подвижного препятствия
осуществляется методом его буксиров-
ки или толкания вспомогательным ав-
томобилем Соударение производят
при скорости движения препятствия
35 38 км/ч.
Для создания ударного импульса
можно также использовать маятнико-
вое устройство с радиусом качания не
менее 5 м (рис. 2 5, б). Размеры удар-
ною устройства и приведенная масса
маятника такие же, как и тележки. Об-
щая масса маятника m — где
т, р — приведенная масса маятника
(1100 кг); а — расстояние между цен-
тром удара и осью вращения маятни-
ка; I — расстояние между центром масс
маятника и осью его вращения.
Испытания автомобиля
на боковой удар проводят ана-
логично испытанию «наезд на автомо-
биль сзади» с той же скоростью
перемещения подвижного препятствия
(35 ..38 км/ч). Размеры ударной по-
верхности тележки пли маятника —
1300X600 мм с радиусом кривизны в
горизонтальной плоскости 3000 мм
(рис 2 5, в).
В автомобиле со стороны удара раз-
мещают и закрепляют диагонально-по-
ясными ремнями два антропометриче-
ских манекена: один на переднем, а
другой на заднем сиденьи.
В процессе эксперимента измеряют
и фиксируют максимальную деформа-
цию боковых частей кузова с обеих
сторон, анализируют возможность са-
мооткрывания дверей при ударе и их
открывания после удара, состояние
стекол, электрооборудования, агрега-
тов шасси, максимальное ускорение
груди манекенов при ударе.
Оценку соответствия кузова норма-
тивным документам производят по раз-
мерам остаточного пространства, из-
меренным в зоне деформации кузова
для сидений каждого ряда. Так, на-
пример, по ГОСТу это расстояние
должно быть равно произведению чи-
сла мест сидений в рассматриваемом
ряду на 350 мм.
К числу опасных ДТП относится
опрокидывание автомобиля. Опасность
для водителя и пассажиров связана с
возможным выпадением их из салона
и попаданием под переворачивающий-
ся автомобиль, нарушением «жизнен-
ного пространства» (смятие пассажир-
ского салона, верхней части кабины),
а также затрудненной пли невозмож-
ной эвакуацией из опрокинувшегося
с г юмобиля при пожаре
Испытанию на опрокиды-
вание автомобили можно подвер-
гать на горизонтальной площадке, на
уклоне или сбрасыванием со специаль-
ной тележки.
На горизонтальной площадке испы-
туемый автомобиль разгоняют (букси-
руя или толкая) до определенной ско-
рости и опрокидывают за счет резко-
го поворота управляемых колес или
одновременного поворота колес и на-
езда колес одного борта на наклонную
плоскость (трамплин). Получаемые ре-
зультаты в этом случае зависят от
большого числа факторов- точности на-
езда на трамплин, массы автомобиля,
жесткости подвесок и шин и др
При опрокидывании автомобиля на
уклоне его устанавливают на горизон-
тальной площадке на краю откоса кру-
тизной 30 %. Длина откоса должна
быть достаточной для осуществления
переворота автомобиля на 360°. Повер-
хность откоса покрывают дерном. Ис-
пытаниям по этому методу подверга-
ют преимущественно грузовые автомо-
били и автобусы
В кабине автомобиля или салоне
автобуса размещают манекены, часть
которых закрепляют ремнями безопас-
ности, а другие оставляют незакреп-
ленными для получения сравнитель-
38
Рис 2 6 Схемы испытания легковых автомобилей на опрокидывание
а — сбрасывание с тележки, б — имитация опрокидывания в лабораторных условиях
ных данных об их повреждениях. Ав-
томобиль и манекены оснащают дат-
чиками ускорений. Внутри кузова и на
испытательном участке устанавливают
кинокамеры как для обычной (24...50
кадров в 1 с), так и скоростной (400...
500 кадров в 1 с) съемки.
Испытуемый автомобиль, стоящий
на краю откоса, приподнимают за од-
ну сторону погрузчиком, и он падает,
переворачиваясь, вниз по откосу. Из-
мерения до опыта и после него позво-
ляют установить характер разрушений
и деформаций автомобиля.
Описанные методы испытаний авто-
мобилей на опрокидывание имеют не-
достатки, связанные с зависимостью
получаемых результатов от внешних
факторов и условий проведения опытов
(скорости разгона автомобиля, углов
поворота управляемых колес, состоя-
ния грунта, крутизны откоса и т. п.).
Более стабильные результаты дает
метод испытания на опрокидывание
автомобиля посредством сбрасывания
его со специальной тележки с наклон-
ной платформой (рис. 2.6, о). Перед-
ний край платформы имеет буртик вы-
сотой около 100 мм, предотвращающий
соскальзывание автомобиля с плат-
формы.
Тележку с установленным на ней
автомобилем разгоняют автомобилем-
буксировщиком. По достижении скоро-
сти 48 км/ч тележку отцепляют от тя-
гача и резко затормаживают на пути
0,914 м, используя стационарное гася-
щее скорость приспособление. Замед-
ление тележки должно быть не менее
200 м/с2 в течение 0,04 с. Испытуемый
автомобиль, продолжая движение по
инерции, падает с платформы на пло-
щадку с бетонным покрытием и пере-
ворачивается несколько раз.
Для оценки пассивной безопасно-
сти кузова фиксируют число переворо-
тов автомобиля и его конечное поло-
жение, измеряют деформации кузова,
анализируют состояние дверей (рас-
крытие, заклинивание, работоспособ-
ность замков), ремней безопасности и
мест их крепления, стекол, состояние
и перемещения манекенов.
В лабораторных условиях с неко-
торым приближением могут быть вос-
произведены условия нагружения при
опрокидывании силового каркаса кузо-
ва легкового автомобиля. При имита-
ции опрокидывания (рис. 2.6, б) удар
наносится по крыше автомобиля вбли-
зи передней стойки кузова подвижной
тележкой пли маятником с площадью
ударной поверхности 1600X600 мм.
Масса тележки (приведенная масса
маятника) составляет 60 % от снаря-
женной массы автомобиля, а скорость
их при ударе — 2,7...3,3 м/с.
Оценка ударно-прочностных свойств
кузова производится по деформации
крыши кузова (она должна быть не
более 130 мм).
Ударно-прочностные качества ка-
бин грузовых автомобилей определя-
ют в соответствии с международными
и отечественными нормативными до-
кументами. Методика испытаний пре-
дусматривает три основных режима
нагружения, имитирующих фронталь-
ное столкновение и опрокидывание
автомобиля.
Перед испытанием полностью уком-
плектованную кабину закрепляют на
раме автомобиля, надежно соединен-
ной со станиной стенда (рис. 2.7). Лон-
жероны рамы устанавливают на две
жесткие опоры и закрепляют с помо-
щью тросов а, в и с, обеспечивая пред-
варительное их натяжение.
Испытания, имитирующие фрон-
тальное столкновение автомобиля с
препятствием, проводят с целью опре-
деления ударно-прочностных качеств
передней части кабины, а также зад-
ней ее стенки. Удар с энергией 44,1 кДж
по передней части кабины производит-
ся маятником У или тележкой, имею-
40
Рис. 2.7. Схема закрепления рамы и нагружения кабины грузового автомобиля прн
испытании на пассивную безопасность
Рис 2.8. Схема нагружения крыши кабины
грузового автомобиля
щими массу 1500 кг и ударную плиту
размером 2500x800 мм.
Заднюю стенку кабины статически
нагружают с помощью гидроцилинд-
ров 2 через жесткую плиту размером
2500x800 мм. Нагрузку на заднюю
стенку кабины в продольном направ-
лении определяют из расчета 1962 Н
на 1 т грузоподъемности автомобиля.
В испытании воспроизводится аварий-
ная ситуация, когда при резкой оста-
новке незакрепленный на платформе
груз сминает заднюю стенку кабины.
Испытания, имитирующие опроки-
дывание автомобиля, проводят с целью
оценки прочности крыши кабины. Кры-
шу кабины статически нагружают с по-
мощью жесткой плиты: нагрузка на
нее должна быть равна нагрузке на
передний мост полностью загруженного
автомобиля, но не более 100 кН (рис.
2.8), а размеры плиты — не меньше
габаритных размеров кабины в плане.
Выдержавшими испытания счита-
ются кабины, в которых после каждо-
го вида нагружения сохранилось «жиз-
ненное пространство», достаточное для
размещения на каждом сиденьи ма-
некена, не входящего в соприкоснове-
ние с травмоопасными элементами ин-
терьера и органов управления. Кроме
того, в процессе нагружения двери ка-
бины не должны открываться самопро-
извольно, а последующее их открыва-
ние не должно быть затруднительным.
2.3. Манекены для испытания
на пассивную безопасность
Манекен — это динамическая мо-
дель (имитатор) тела человека в виде
пространственных эквивалентных ме-
ханических систем.
Изготавливают манекены следую-
щих трех типов: двухмерный манекен,
воспроизводящий в профиле на плос-
кости очертания человека в положении
сидя; трехмерный посадочный манекен,
воспроизводящий антропометрические
размеры тела человека в положении
сидя; антропоморфный посадочный ма-
некен, воспроизводящий объемные ан-
тропометрические размеры тела чело-
века в положении сидя.
Посадочные манекены должны 1)
быть эквивалентными телу человека по
геометрическим размерам и формам,
распределению масс частей тела (в ча-
стности, по расположению центров
масс частей тела, значениям этих масс
и моментов инерции), видам Соедине-
ния отдельных звеньев, упругим и демп-
фирующим свойствам; 2) обеспечи-
вать стабильность и сопоставимость
результатов ударных испытаний.
Одной из обязательных характери-
стик манекенов является их предста-
вительность (или репрезентативность).
Размеры тела человека и его масса ко-
леблются в широких пределах. В соот-
ветствии с этим манекены по своим
основным размерам разделены на не-
сколько уровней репрезентативности.
При испытаниях получили распростра-
нение манекены 5, 10, 50, 90 и 95-го
уровней репрезентативности. Манеке-
ны 50-го уровня репрезентативности
42
Рис 2 9. Трехмерный посадочный манекен
обычно используют для проведения
ударно-прочностных испытаний кузо-
вов и кабин автомобилей, а 5-го и 95-го
уровней — для определения положения
различных контрольных точек тела и
параметров рабочей позы водителя в
пределах нормальной его посадки.
Трехмерный посадочный макенен, в
конструкции которого учтены антропо-
метрические характеристики людей в
достаточно широком диапазоне, явля-
ется контрольным и измерительным
устройством
В соответствии с ГОСТ 20304—85
трехмерный посадочный манекен (рис.
2.9) состоит из элементов, моделиру-
ющих следующие части тела человека:
торс 9, седалище 10, бедра 4, голени 3
43
Рис 2 10 Антропоморфный манекен
а — констрзкция, б — размещение датчиков, / — голова, 2~ шарнирный блок первого шейного позвонка, 3 —
стержень крепления головы, 4 — верхняя часть туловища 5—брюшной вкладыш, б1—шаровой цилиндр
бедра, 7 — нижняя часть туловища, 8— поясничные позвонки, 9— стержень позвоночника, 10— шаровой
шарнир плечевого сочленения, 11—полукруглый шарнир плечевого сочленения 12 — элементы шеи, 13 —
блок установки датчика, 14—18 — датчики ускорений, /7 —датчик сил
и ступни ног 1. Он имеет поворотный
шток 5 для монтажа мерительных при-
способлений Элементы манекена го-
лень и бедра — раздвижные и имеют
фиксированные положения для 5, 10,
50, 90 и 95-го уровней репрезентатив-
ности. Все перечисленные основные эле-
менты манекена соединены между со-
бой шарнирно
На оси тазобедренных шарниров 11
с каждой стороны размещены тазобед-
ренные грузы 12 На панели бедра 10
закреплены на двух опорах бедренные
грузы 13 Панель спины 6 прикрепле-
на к остову торса 9. На двух симмет-
рично расположенных кронштейнах 8,
прикрепленных к остову торса, распо-
ложены спинные грузы 7. К голеням 3
с помощью кронштейнов 2 подвешены
голенные грузы 14
Антропоморфные манекены, (рис.
2 10) применяют для оценки защитных
свойств конструкции автомобиля и си-
стем индивидуальной защиты водите-
лей и пассажиров Размеры головы, по-
звоночника, таза и конечностей тща-
тельно скопированы с человеческого те-
ла Части манекена изготавливают из
полиуретана и прикрепляют к карка-
су, выполненному из металла и поли-
эфира Голова манекена из полиуре
тана усилена металлическими лента-
ми Шея выполнена из полиуретана, по-
ясничные позвонки — из полиамида.
Грудная клетка представляет собой
каркас, состоящий из дугообразных
элементов, изготовленных из пружин-
ной стали и покрытых полиуретаном.
Руки и ноги манекена изготавливают
из полиуретана, усиленного металличе-
44
скими элементами в виде труб квад-
ратного сечения, а таз — из полиэфи-
ра, усиленного стекловолокном и по-
крытого полиуретаном. На голове, ту-
ловище и конечностях имитированы
мышцы и кожа. Трение в суставах,
прочность скелета и многие другие ха-
рактеристики человеческого тела в на-
стоящее время хорошо изучены. Основ-
ные их показатели проверяются и ре-
гулируются в манекенах перед каждым
испытанием.
В голове, грудной клетке и тазовой
части устанавливают трехосевые дат-
чики ускорении для измерения перегру-
зок различных частей тела. В сталь-
ные элементы, имитирующие берцовые
кости, монтируют датчики для опре-
деления продольных сил, передающих-
ся на манекен.
Для уточнения прогнозов о возмож-
ной тяжести последствий аварий
применяют усовершенствованные мане-
кены сложной конструкции, с помощью
которых получают информацию не
только о возможных перегрузках от-
дельных частей тела, но и о давлении
на грудную клетку, о степени равно-
мерности его распределения по длине
контакта туловища с ремнем безопас-
ности и др.
Антропоморфные манекены изготав-
ливают тех же уровней репрезентатив-
ности, что и трехмерные посадочные
манекены. Для оценки защитных
свойств конструкции автомобиля и си-
стем индивидуальной защиты применя-
ют манекены, имитирующие мужчин,
женщин и детей.
Манекены, конечно, не обладают
инстинктивной и спонтанной защитной
реакцией человека, попавшего в ава-
рию. По этой причине и многим другим
значения сил и замедлений, получен-
ные с помощью манекенов, не могут
служить для точной оценки степени тя-
жести травмы реального человека. С их
помощью можно определить лишь от-
носительные характеристики защитных
свойств некоторых конструкций и при-
способлений (например, ремней безо-
пасности), отнесенные к предельным
нагрузкам для человеческого тела. Не-
смотря на указанные недостатки, ма-
некены являются незаменимым вспомо-
гательным средством при конструиро-
вании и разработке травмобезопасных
кузовов автомобилей.
При проверке соответствия требо-
ваниям пассивной безопасности дета-
лей рулевого управления, сидений и
ремней безопасности используют упро-
щенные модели туловища и головы че-
ловека.
2.4. Испытания на безопасность
рулевых управлений,
конструктивных элементов кузова
и ремней безопасности
Испытания рулевых управлений.
Для исключения тяжелых травм води-
теля в случае ДТП к конструкциям
рулевого управления автомобилей
предъявляют ряд требований, направ-
ленных на повышение их пассивной
безопасности. При проверке соответ-
ствия рулевого управления этим требо-
ваниям его подвергают следующим ис-
пытаниям: на максимальное перемеще-
ние верхней части рулевой колонки
внутрь салона, а также максимальную
силу, при которой происходит дефор-
мация рулевой колонки. Верхняя часть
рулевой колонки не должна значитель-
но перемещаться внутрь салона при ло-
бовом столкновении автомобиля с пре-
пятствием. Максимальное продольное
смещение рулевого колеса при фрон-
тальном их столкновении не должно
превышать 127 мм.
Определение максимальной силы,
вызывающей деформацию колонки,
производят с помощью нагружающего
устройства в виде маятника или с по-
мощью ударной тележки. Ударная по-
45
Рис. 2.11. Схема стенда для испытаний на безопасность рулевого управле-
ния автомобиля
верхность нагружающего устройства
представляет собой манекен (рис.
2.П), изготовленный из металла и по-
крытый полиуретаном, обеспечиваю-
щим жесткость покрытия манекена
107...143 Н/мм. Высота манекена —
940 мм, масса — 34...36,3 кг.
Первое соприкосновение манекена
с рулевым колесом происходит в точ-
ке, в которой с последним соприкаса-
ется перемещающийся вперед человек
ростом 1730 мм и массой 75 кг. Ско-
рость движения манекена в момент,
предшествующий первому соприкосно-
вению с рулевым колесом, должна со-
ставлять 6,7 м/с.
Рулевое управление считается безо-
пасным, если максимальная сила де-
формации рулевой колонки не превы-
шает 11,1 кН.
На рис. 2.11 изображена диаграмма
нарастания силы деформации рулевой
колонки F во времени, по которой мож-
но определить максимальное значение
этой силы.
Испытания элементов кузова. Для
определения прочности элементов креп-
ления сидений, устройств их регули-
рования и фиксации, а также стопор-
ных устройств откидываемых сидений
в центре сиденья прикладывают силу,
равную двадцатикратной силе его тя-
жести в сборе с обивкой, направленную
вдоль продольной оси автомобиля и
действующую в течение не менее 0,5 с.
Сиденье, устройства для его регу-
лирования и фиксации, а также сто-
порные устройства должны выдержи-
вать нагрузку F, действующую на спин-
ку сиденья и создающую опрокидыва-
ющий момент относительно точки R.
(рис. 2.12), равный 530 Н • м.
Одним из основных конструктивных
элементов сиденья современного авто-
мобиля является подголовник, предо-
храняющий голову водителя или пасса-
жира от чрезмерных отклонений назад
и связанных с этим тяжелых травм
шейных позвонков в случае удара в ав-
томобиль сзади. Эффективность подго-
ловников определяют по результатам
их испытаний на статическую проч-
ность и энергоемкость.
В первом случае оценивается стати-
ческая прочность системы спинка си-
46
Рис. 2.12. Схема стенда для статических
испытаний сиденья автомобиля
Рис. 213 Схемы испытания подголовников
сиденья автомобиля.
а — на статическое нагружение; б — динамическое
денья— подголовник (рис. 2.13, а).
При приложении к подголовнику силы
F=890 Н его смещение назад х долж-
но быть не более 102 мм.
Испытание подголовника па энер-
гоемкость (рис. 2.13, б) проводят с по-
мощью падающего маятника 2 массой
6,8 кг. Нижняя часть маятника пред-
ставляет собой жесткую модель голо-
вы человека диаметром 165 мм, вну-
три которой вмонтирован датчик уско-
рений. Энергоемкость подголовника
считается достаточной, если при ударе
модели со скоростью 24,1 км/ч его за-
медление не превышает 80g (800 м/с2)
в течение 3 мс. Скорость удара опре-
деляют с помощью двух фотоэлемен-
тов 1.
Прочность дверных петель, замков
и фиксаторов замков оценивают па раз-
рывной машине. Они должны выдержи-
вать следующие нагрузки (при пол-
ностью закрытой двери): в продоль-
ном направлении—11,11 кН, в попе-
речном — 8,89 кН. Кроме того, при
продольном и поперечном ускорениях,
равных 30g, замки не должны откры-
ваться.
Испытания ремней безопасности.
Ремни безопасности подвергают испы-
таниям на открытие замыкающего
устройства, на антикоррозионную стой-
кость, износо- и пылестойкость втяги-
вающего устройства, на прочность лен-
ты и мест ее крепления и др.
Динамические испытания ремней
безопасности проводят на специальной
тележке, имеющей сиденье и точки
крепления ремней А и А' (рис. 2.14,6).
На сиденьи размещают манекен
(рис. 2.14, а) сравнительно несложной
конструкции. В нем отсутствуют эле-
менты, моделирующие те части тела
человека, которые могут повлиять на
стабильность результатов испытаний.
Элементы каркаса манекена изготав-
ливают из стали, а само «тело» — из
полиуретана твердостью 50...60 единиц
по Шору. Манекен пристегивают рем-
о
. 465
Рис. 2 14. Общий вид манекена (а) и его раз-
мещение на сиденьн (б) при испытаниях рем-
ней безопасности
47
нями и тщательно подгоняют их к не-
му. Для большего соответствия реаль-
ным условиям ремни подгоняют таким
образом, чтобы между спинкой сиденья
и спиной манекена можно было вло-
жить пластину толщиной не более
25 мм.
Тележку разгоняют до скорости
50 км/ч и резко останавливают с по-
мощью специального устройства. При
этом тормозной путь должен состав-
лять (400±50) мм, а замедление те-
лежки — 35g. Во время эксперимента
непрерывно регистрируют замедления
тележки и манекена, скорость движе-
ния тележки и перемещения манекена
относительно тележки. После испыта-
ния ремень безопасности осматривают
для выявления неисправностей и по-
ломок.
Ремни безопасности должны отве-
чать следующим основным требова-
ниям: не допускается разрушение
ремня, самопроизвольное открывание
замыкающего устройства и проскаль-
зывание ленты в регулировочных, за-
мыкающих или втягивающих устройст-
вах; перемещение манекена в направ-
лении удара тележки — 80...200 мм на
уровне тазобедренного шарнира (точ-
ка В) и 100...300 мм на уровне груди
(точка Т на рис. 2.14, б).
При невыполнении ограничений по
перемещению манекена может быть
проведено дополнительное испытание
ремней безопасности с использованием
размещенного на тележке кузова авто-
мобиля. При этом регулируемое сиде-
нье устанавливают в крайнее переднее
положение. Ремень безопасности счи-
тают удовлетворяющим предъявля-
емым требованиям, если ни одна из ча-
стей манекена при динамических испы-
таниях не касается какого-либо эле-
мента конструкции кузова или если
контакт с элементами рулевого управ-
Рис. 2.15. Схема испытания мест крепления ремней безопасности:
1 — датчики сил; 2 — гидравлические силовые цилиндры; 3 — сервоклапаны; 4 — гидростанция; 5 — электрон-
ный блок пуска и останова стенда; 6 — усилитель системы управления сервоклапанами, 7, 8— измеритель-
• ные усилители, 9 — регистрирующий прибор
48
ления происходит при скорости пере-
мещения манекена не более 6,7 м/с.
Места крепления ремней безопас-
ности анализируют при испытании кон-
кретной модели автомобиля. С помо-
щью нагружающих устройств (рис
2 15) создают требуемые усилия, дей-
ствующие в направлениях, соответст-
вующих реальным условиям нагруже-
ния ремней Места крепления послед-
них должны выдерживать в течение не
менее 0,2 с следующие нагрузки
(ГОСТ 21015—88) при испытаниях по
схеме диагонально-поясного ремня не-
зависимо от типа втягивающего уст-
ройства— 13,56 кН на каждую ветвь
ремня; при испытаниях по схеме пояс-
ного ремня безопасности — 22,22 кН.
2.5. Измерение шума автомобиля
В процессе эксплуатации автомоби-
лей выделяется шум двух видов: шум,
воздействующий на водителя и пасса-
жиров (так называемый внутренний
шум), внешний шум (особенно при вы-
сокой плотности движения автомоби-
лей), оказывающий неблагоприятное
влияние на окружающую среду. Об-
щий шум, создаваемый автомобилем,
обусловлен взаимодействием многочи-
сленных его источников, определение
«вклада» каждого из которых пред-
ставляет сложную экспериментальную
задачу. Основные источники шума дви-
жущегося автомобиля — двигатель и
его системы, различные агрегаты и
вспомогательное оборудование, вибра-
ция элементов кузова, а также потоки
обтекающего воздуха.
Все источники шума автомобиля
можно подразделить на следующие
группы источники аэрогазодинамиче-
ского, механического, гидромеханиче-
ского и электрического происхождения.
Наиболее высокие составляющие
шума автомобилей обусловлены рабо-
той двигателя (рис 2.16). Как прави-
ло, уровни шума от основных источни-
ков соизмеримы, поэтому задача по оп-
ределению общего уровня шума долж-
на решаться путем комплексного под-
хода Необходимы четкое представле-
ние о природе возникновения шума от
каждого источника и рациональный
подход к снижению его уровня.
Основной физической характеристи-
кой шума является амплитудный
спектр, показывающий распределение
амплитуд звукового давления в частот-
ном диапазоне. Интенсивность звуко-
вого давления изменяется в очень ши-
роких пределах, поэтому на практике
ее выражают в логарифмических отно-
сительных единицах — децибелах
(дБ): L=201g(p/p0), где рй — поро-
говое значение звукового давления
(po = 2.1O-s Па).
миссии 6 — шин, 7 — при накате, 8-—общий уровень шума
4 Зак 359
49
В процессе экспериментальных ис-
следований путем непосредственных
измерений определяют значения следу-
ющих величин: уровня звукового дав-
ления в полосах спектра (дБ), суммар-
ного корректированного уровня звуко-
вого давления — уровня звука (дБА).
В зависимости от решаемых задач
различают акустические испытания ав-
томобилей оценочные, диагностические
и специальные.
Оценочные испытания слу-
жат для сравнения различных мо-
делей автомобилей по уровню излуча-
емого шума и для определения его со-
ответствия существующим междуна-
родным и союзным стандартам.
Как правило, такие испытания про-
водят на прямом, гладком и сухом
участках асфальтобетонной дороги.
Условия дорожных испытаний: в ради-
усе 50 м от места замеров не должно
быть каких-либо отражающих препят-
ствий (здания, лес и т. д.); скорость
ветра — не более 1,5 м/с; отсутствие
атмосферных осадков; положительная
температура окружающего воздуха;
нормальное атмосферное давление.
Уровень окружающего шумового фона
должен быть на 10 и более децибел ни-
же измеряемого уровня. Все форточки
и окна автомобиля должны быть за-
крыты, отопительные и климатические
установки включены, а заслонки для
распределения воздушного потока
установлены в положение, соответст-
вующее максимальному шуму от них.
Рис. 2.17. Схема измерения внешнего
шума автомобилей
Внешний шум легковых и грузовых
автомобилей оценивают при их интен-
сивном разгоне на второй передаче
(если коробка передач имеет четыре и
менее ступеней) на мерном участке
ровной дороги длиной 20 м (рис. 2.17).
К мерному участку автомобиль, осна-
щенный механической коробкой пере-
дач или автоматической коробкой пе-
редач с ручным переключателем уп-
равления, приближается с постоянной
скоростью, соответствующей наимень-
шей из следующих: 0,75 «ном («пом —
номинальная частота вращения колен-
чатого вала двигателя); 50 км/ч. В мо-
мент пересечения начальной линии
мерного участка А — А педаль управ-
ления дроссельной заслонкой или по-
дачей топлива резко перемещают в по-
ложение, при котором обеспечивается
максимальная его подача. После пере-
сечения конечной линии мерного уча-
стка В — В педаль резко переводят в
положение, соответствующее минималь-
ной подаче топлива.
Автомобили с автоматической ко-
робкой передач без ручного переклю-
чателя должны приближаться к нача-
лу измерительного участка в последо-
вательных заездах с установившимися
скоростями 30, 40, 50 км/ч. За резуль-
тат испытаний принимают наибольшее
из значений уровня шума, полученных
при измерениях в разных заездах.
Если коробка передач имеет более
четырех передач, заезды проводят по-
следовательно на второй и третьей пе-
редачах, а за результат испытаний при-
нимают среднее арифметическое значе-
ние уровней шума в заездах. Грузовые
автомобили полной массой свыше
3500 кг, автопоезда и автобусы, кото-
рые имеют механическую коробку пе-
редач с общим числом передач перед-
него хода N, испытывают последова-
тельно на передачах от N/2 до N-й при
четном N или от (7V+1) /2 до N-и при
нечетном.
50
Табл. 2.1. Допустимые уровни внешнего шу-
ма автомобилей базовых моделей
Тип транспортного сред- ства Уровни звука, дБА, автомо- билей, произ- водство кото- рых начато
До 01,01 87 с 01.01.87
Легковые и грузопассажир- ские автомобили 82 80
/Автобусы с двигателем мощ- ностью до 147 кВт и полной массой до 3500 кг включительно 84 81
свыше 3500 кг 89 82
/Автобусы с двигателем мощ- ностью 147 кВт и выше 91 85
Грузовые автомобили, авто- поезда полной массой до 3500 кг включительно 84 81
свыше 3500 кг 89 86
свыше 12 000 кг с двигате- лем мощностью 147 кВт и выше 91 88
Во всех случаях уровень шума фик-
сируется микрофонами, установлен-
ными на высоте 1,2 м от поверхности
дороги на расстоянии 7,5 м от линии
движения с обеих сторон. За оконча-
тельный результат испытаний прини-
мают максимальное из значений уров-
ня шума, полученных не менее чем в
трех заездах в каждом направлении.
Допустимые уровни внешнего шума ав-
томобилей приведены в табл. 2.1.
С целью получения данных, необхо-
димых для анализа уровня шума тран-
спортных средств в условиях эксплу-
атации, проводят измерение внешнего
шума на неподвижном транспортном
средстве. Для этого выбирают гладкую
и чистую площадку с асфальтобетон-
ным покрытием, вблизи которой не
должно быть объектов, отражающих
звук (рис. 2.18). Рычаг переключения
коробки передач должен находиться в
нейтральном положении. При измере-
нии уровня шума частоту вращения
коленчатого вала двигателя устанавли-
вают равной 0,75 Пном, а затем педаль
управления подачей топлива быстро
переводят в положение, соответствую-
щее минимальной его подаче.
Уровень шума измеряют в течение
всего периода уменьшения частоты вра-
щения коленчатого вала двигателя. За
результат измерения принимают мак-
симальное показание шумомера.
Измерительный микрофон устанав-
ливают на высоте расположения вы-
пускной трубы глушителя (но не ме-
нее 0,2 м от уровня дороги) на рассто-
янии 0,5 м от ее отверстия. За резуль-
тат испытаний принимают наибольшее
из значений уровня шума, полученных
в трех измерениях.
Внутренний шум автомобиля оцени-
вают при его разгоне на высшей пере-
даче до скорости, соответствующей на-
именьшей из следующих: 120 км/ч;
0,9 «иом- Если при частоте вращения ва-
ла двигателя 0,9нНом скорость автомо-
биля превышает 120 км/ч, измерения
Рис. 2.18. Схема расположения микрофонов
при измерении уровня шума неподвижного
транспортного средства
51
проводят при движении на более низ-
кой передаче, но не ниже третьей, если
коробка передач имеет четыре и более
передач, и не ниже второй, если число
передач меньше четырех.
Измерения начинают при движении
автомобиля с наименьшей допустимой
скоростью, но не ниже соответствующей
0,45 /гНом- Педаль управления дроссель-
ной заслонкой резко перемещают в по-
ложение, обеспечивающее максималь-
ную подачу топлива, удерживая ее в
таком положении до достижения наи-
меньшей из указанных скоростей ав-
томобиля.
Уровень шума измеряют у сиденья
водителя, а также над последним ря-
дом сидений. Измерительный микро-
фон устанавливают на высоте (0,6±
±0,05) м над подушкой сиденья со сме-
щением от его оси к центру автомоби-
ля на (0,2 ±0,02) м. В каждой точке
расположения микрофона проводят не
Табл. 2 2. Допустимые уровни внутреннего
шума автомобилей базовых моделей
Тип автомобилей Уровень шу- ма, дБ А, авто- мобилей, про- изводство ко- торых начато
До 01.01.91 С 01 01.91
Легковые и грузопассажирские 80 78
Грозовые и автопоезда для международных и междугород- ных перевозок 82 80
Остальные грузовые и авто- поезда 84 82
Автобусы с передним распо- ложением двигателя на рабочем месте водителя 82 80
в пассажирском помещении 81 80
Автобусы с другим располо- жением двигателя на рабочем месте водителя 78 78
в пассажирском помещении (кроме городских автобусов) 82 80
в пассажирском помещении городских автобусов 84 82
менее трех измерений и вычисляют
среднее арифметическое значение уров-
ня шума, округленное до целого числа.
За окончательный результат испыта-
ний принимают наибольшее из значе-
ний уровня шума, полученных при из-
мерениях в точках установки микрофо-
нов. Допустимые значения внутренне-
го шума автомобилей приведены в
табл. 2.2.
В отличие от оценочных диагно-
стические испытания автомо-
билей связаны с определением причин
повышенных уровней шума. Для этого
тщательно изучают весь комплекс аку-
стических характеристик исследуемо-
го автомобиля, их зависимость от режи-
мов движения и работы двигателя. При
этом проводят исследования спектраль-
ного и узкополосного состава шума
различных систем, узлов и агрегатов.
Как правило, диагностические испы-
тания являются комплексным исследо-
ванием, которое целесообразно прово-
дить в период доводочных испытаний
опытных образцов, так как на этой ста-
дии возможны изменение и доработка
конструкций с целью улучшения шумо-
вых характеристик автомобиля.
К специальным испыта-
ниям можно отнести такие, которые
направлены на уменьшение шума от
какого-либо узла или агрегата (напри-
мер, глушителей выпуска и впуска, шин,
вентилятора и т.*д.). При этом измери-
тельный микрофон располагают в ха-
рактерных для каждого конкретного
случая точках звукового поля.
Диагностические и специальные
акустические испытания автомобилей,
как правило, ведут в дорожных или ла-
бораторных условиях на специально
оборудованных стендах. В зависимости
от объекта исследований и поставлен-
ных целей возможно их проведение на
открытых площадках, в звукомерных
(заглушенных или реверберационных)
камерах.
52
Для выполнения акустических из-
мерений и абсолютной оценки шума от
различных источников предпочтитель-
ными являются условия свободного
звукового поля. При лабораторных ис-
следованиях такие условия можно со-
здать в заглушенной камере, где, как
и в свободном звуковом поле, звуко-
вое давление обратно пропорциональ-
но расстоянию до источника шума и
уменьшается на 6 дБ при удвоении это-
го расстояния. Используют камеры
двух типов — с жестким полом и излу-
чением звука по полусфере, а также с
поглощающим полом и излучением зву-
ка по сфере. Во втором случае объект
исследований устанавливают на спе-
циальном сетчатом полу (как бы под-
вешивают в камере). Это дает возмож-
ность более точно определять влияние
отдельных источников шума, однако
усложняет конструкцию камеры и не-
сколько искажает шумовой фон рабо-
ты автомобиля в реальных дорожных
условиях.
Размеры заглушенной камеры за-
висят от габаритов исследуемого объ-
екта, а также от требуемой точности
измерений.
Для эффективного поглощения зву-
ка стенами камеры последние облицо-
вывают звукопоглощающим материа-
лом. При этом необходимо обеспечи-
вать плавный переход от малого аку-
стического сопротивления воздуха к
большому акустическому сопротивле-
нию звукопоглощающего материала.
Такое условие удовлетворяется за счет
применения объемных поглотителей с
постепенно увеличивающимся акусти-
ческим сопротивлением по мере' при-
ближения к стене камеры. На практи-
ке для этого используют цельнофор-
мованные клинья различной длины или
сборные конструкции из кубиков раз-
ных размеров, имеющие также клино-
вую конфигурацию. Материалы, из ко-
торых изготавливаются звукопогло-
щающие конструкции,— пеноуретан,
стекловолокно, минеральная вата и
другие пористые негорючие материалы,
характеризующиеся высоким коэффи-
циентом звукопоглощения. Камера дол-
жна иметь также достаточно эффектив-
ную звуке- и виброизоляцию. Исход-
ными данными при выборе конструк-
ций фундамента, стен и характеристик
применяемых материалов являются
Рис 219. Измерительный комплекс для акустических исследований мотоциклов
1— стены камеры со звукопоглощающим покрытием, 2, 8 — элементы крепления мотоцикла, 3— рама стен-
да; 4— тормозное устройство, 5 — объект исследований, 6 — устройство для обдува двигате.^, 7 бего-
вые барабаны, 9— пульт управления стендом, 10 — измерительная аппаратура
53
уровень собственных шумов в камере
и интенсивность шума от источников,
расположенных за ее пределами. Для
обеспечения работы автомобиля каме-
ра должна быть оборудована мало-
шумными системами приточной и вы-
тяжной вентиляции, а в некоторых слу-
чаях и системой водоснабжения.
На рис. 2.19 в качестве примера
представлен акустический комплекс
для испытаний мотоциклов. Комплекс
включает заглушенную камеру с отра-
жающим полом (3,8 X 7,4 X 5,4 м), в ко-
торой установлены тормозной стенд с
беговыми барабанами и объект иссле-
дований, а также отдельное помещение
с пультом управления и измерительной
аппаратурой.
Мотоцикл с помощью крепежного
устройства фиксируют на беговых ба-
рабанах, диаметр и базу которых мож-
но изменять в широких пределах. Тре-
буемый тормозной момент создается
порошковым тормозом, соединенным с
барабаном посредством упругой рези-
нометаллической муфты. Значение тор-
мозного момента фиксируется на пуль-
те управления.
Стенд позволяет имитировать лю-
бой режим движения мотоциклов раз-
личных классов и воспроизводить весь
диапазон скоростных и нагрузочных
режимов работы их двигателей. Кроме
того, на стенде можно проводить виб-
роакустические исследования силово-
го агрегата мотоцикла и его систем.
В качестве облицовочного звукопогло-
щающего материала в камере приме-
нены звукопоглощающие клинья
КЗ К-0,5. Для эффективного глушения
шума от отдельных источников исполь-
зуются различные диссипативные глу-
шители и специальные капоты.
Метод свободного звукового поля с
использованием заглушенных камер
дает наиболее точные результаты и по-
зволяет измерять весь комплекс шу-
мовых характеристик, включая и ха-
рактеристику направленности шумово-
го излучения. Основные недостатки та-
ких камер — высокая стоимость и от-
носительно большие размеры.
В том случае, когда нет необходимо-
сти определять все характеристики шу-
мового излучения и достаточно изме-
рять уровень шума в частотном диапа-
зоне не ниже 125 Гц, акустические ис-
пытания автомобилей можно проводить
в реверберационных камерах. По срав-
нению с заглушенными они значитель-
но проще по конструкции, имеют мень-
шие габариты. Образуемое в ревербе-
рационных камерах звуковое поле на-
зывается диффузным и отличается тем,
что во всех точках в помещении обе-
спечивается одна и та же плотность
звуковой энергии. Для создания усло-
вий образования диффузного звуково-
го поля стены реверберационных камер
делают гладкими, не параллельными
друг другу, из материалов с низким ко-
эффициентом звукопоглощения.
При любых акустических измере-
ниях необходимо учитывать шумовой
фон (помехи), создаваемый оборудова-
нием стендов, а также окружающей
средой. Если разница уровней измеря-
емого шума и фона не превышает
15 дБ, в конечный результат вносится
поправка:
Разность уровней шума, дБ
Поправка к наибольшему уровню
измеряемого шума, дБ
0 1 2 4 6 8 10 15 20
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,6 0,4 0,2 0
54
2.6. Оценка токсичности отработавших
газов автомобильных двигателей
Отработавшие газы (ОГ) автомо-
бильных двигателей являются источ-
ником загрязнения атмосферы вредны-
ми веществами. В связи с этим вновь
выпускаемые и находящиеся в эксплу-
атации автомобили подвергают испы-
таниям на определение состава и дым-
ности отработавших газов.
Нормируемыми компонентами ОГ
автомобильных двигателей являются
окись углерода, окислы азота и углево-
дороды, обладающие наибольшей ток-
сичностью.
Оценку токсичности ОГ в процессе
доводки и приемочных испытаний ав-
томобилей получают при имитации ха-
рактерных условий их движения в
крупных городах на тормозном стенде
с беговыми барабанами (рис. 2.20).
Осуществляют четыре ездовых цикла
(рис. 2.21), непрерывно друг за дру-
гом. Расстояние, проходимое автомо-
билем за время испытаний (13 мин),
составляет 4,052 км. Отработавшие га-
зы, выходящие из выхлопной трубы за
весь цикл испытаний, собирают в эла-
стичные емкости, а затем выкачивают
из них через счетчик расхода газа для
определения их объема и концентра-
ций токсичных компонентов. По извест-
ным массе ОГ и концентрации их ток-
сичных компонентов вычисляют выбро-
сы «грамм на километр» или «грамм
за испытание».
Оценка токсичности О Г двигателей
грузовых автомобилей полной массой
более 3,5 т и автобусов может быть по-
лучена при установке и испытании их
на тормозном стенде. В этом случае
Рис. 2.20. Схема стенда с беговыми барабанами для оценки токсичности отработавших газов:
1 — вентилятор; 2— динамометр; 3 — программатор; 4 — система подготовки проб ОГ; 5 — расходомер;
6—устройство пропорционального отбора ОГ; 7 — газоанализатор; 8—пульт управления
Рис. 2.21. «Европейский» испытательный ездовой цикл (рим-
скими цифрами указаны номера передач)
55
Табл. 2 3. Режимы работы двигателей при оп-
ределении токсичности ОГ
Режим работы двига- теля Разрежение во впускном трубо- проводе, кПа Продолжитель- ность работы, с Суммарное время работы, с Весовой фактор режима
Холостого хода С постоянной скоростью враще- ния коленчатого — 70 70 0,232
вала 54 23 93 0,077
Разгона С постоянной скоростью враще- ния коленчатого 34 44 137 0,147
вала 54 23 160 0,077
Замедления С постоянной скоростью враще- ния коленчатого 64 17 177 0,057
вала Полной нагруз- 54 23 200 0,077
ки С постоянной скоростью враще- ния коленчатого 10 34 234 0,113
вала Принудительно- 54 23 257 0,077
го холостого хода — 43 300 0,143
стенд оборудуют программным управ-
лением, которое осуществляет опреде-
ленное изменение (согласно испыта-
тельному циклу) режимов работы дви-
гателя (табл. 2.3).
В процессе эксплуатации автомоби-
лей происходит нарушение регулировки
систем питания и зажигания, а также
изнашивание элементов двигателя, что
обусловливает изменение первоначаль-
ных характеристик токсичности ОГ.
В связи с этим необходима периодиче-
ская ее оценка. Нормируемым пара-
метром является фактическое содер-
жание в ОГ окиси углерода, связанное
с измеренным соотношением
1Г& == W'cofe,
Табл 24. Допустимое содержание вредных
веществ в О Г
Частота вра- щения колен- чатого вала двигателя Предельно допустимое содержание, %
окиси углеро- да углеводородов при числе цилиндров дви- гателя
до 4 | более 4
/lmin 1,5 1200 3000
^ПОВ 2,0 600 1000
где k — поправочный коэффициент,
учитывающий давление и температуру
воздуха в испытательной камере.
Испытания проводят при прогре-
том двигателе и полном открытии воз-
душной заслонки. В выхлопную трубу
на глубину 300 мм вводят зонд. Двига-
тель должен работать с повышенной
частотой вращения коленчатого вала
не менее 15 с, затем ее снижают до ми-
нимальной («mm). Не ранее чем через
20 с измеряют содержание окиси угле-
рода и углеводородов в ОГ. Затем
устанавливают частоту вращения ко-
ленчатого двигателя пПов в диапазоне
от 2000 мин-1 до 0,8 Ином и не ранее чем
через 30 с повторно измеряют содер-
жание окиси углерода и углеводородов
в ОГ.
При наличии в автомобиле раздель-
ных выпускных систем измерения про-
водят отдельно для каждой из них.
Содержание окиси углерода и угле-
водородов в ОГ не должно превышать
указанного в табл. 2.4.
Токсичность ОГ дизельных двига-
телей также оценивают при испыта-
нии их на тормозном стенде. Обеспечи-
вают работу двигателя по 13-ступенча-
тому испытательному циклу (рис. 2.22)
с непрерывной регистрацией содержа-
ния токсичных компонентов в ОГ. Кро-
ме того, проводят анализ дымности ОГ
дизельных двигателей при их работе на
56
Углах
Л НОМ
Табл. 2.5. Допустимые нормы дымности ОГ
Режим работы двигателя
Дымность
ОГ, %
Свободного ускорения вращения
коленчатого вала для дизелей
без наддува 40
с наддувом 50
Максимальной частоты вращения
коленчатого вала 15
Г ---->-
Рис. 2.22. Цикл стендовых испытаний дизелей
на токсичность отработавших газов
внешней скоростной характеристике и
в режиме разгона.
Дымность ОГ определяют двумя ме-
тодами: фильтрацией потока газов оп-
ределенного объема с последующим из-
мерением степени черноты фильтра;
Рис. 2 23. Схема устройства для оценки дым-
ности ОГ методом прокачивания
1 — корпус; 2 — поршень, 3 — фильтр, 4 — дроссели-
рующее устройство, 5 — пробоотборник, 6 — фиксатор
поршня
путем анализа оптических характери-
стик ОГ, находящихся в измеритель-
ном сосуде.
При использовании первого метода
определенный объем ОГ прокачивают
через дросселирующий элемент и
фильтр (рис. 2.23), а затем произво-
дят сравнение покрытого сажей филь-
тра с тоновой шкалой.
Второй метод основан на регистра-
ции изменения оптической плотности
ОГ. Для этого отработавшие газы про-
пускают через корпус прибора, на про-
тивоположных концах которого уста-
Рис. 2.24. Схема устройства для оценки дымности ОГ методом просвечивания:
1 — источник света; 2— прозрачная стейка, 3 — измерительная кювета; 4 — фотоэлемент 5—‘измеритель-
ный прибор
57
новлены источник света и фотоэлемент
(рис. 2.24). Фототок последнего зависит
от оптической плотности газа.
Для дизелей, находящихся в эксплу-
атации, нормируемым параметром дым-
ности отработавших газов является их
оптическая плотность, которая измеря-
ется на холостом ходу двигателя в ре-
жимах свободного ускорения (плавно-
го повышения частоты вращения от
минимальной до максимальной) и мак-
симальной частоты вращения коленча-
того вала.
Нормы дымности ОГ приведены в
табл. 2.5.
Измерения в режиме свободного
ускорения коленчатого вала двигателя
проводят при 10-кратном повторении
цикла с интервалами не более 15 с.
Дымность оценивается по максималь-
ному отклонению стрелки прибора в
последних четырех циклах. В режиме
максимальной частоты вращения вала
измерения выполняют при нажатии до
отказа на педаль подачи топлива после
стабилизации показаний прибора.
3 СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
И ИХ АГРЕГАТОВ
3.1. Особенности стендовых испытаний
К стендовым испытаниям изделий
относят такие, которые проводятся на
испытательном оборудовании, пред-
ставляющем собой техническое устрой-
ство для воспроизведения внешних воз-
действий на изделие, возникающих в
процессе его эксплуатации, с целью по-
лучения необходимой информации о
характеристиках и свойствах этого из-
делия.
Как правило, стендовые испытания
являются ускоренными по сравнению с
нормальными дорожными, поскольку
методы и условия проведения стендо-
вых испытаний обеспечивают получе-
ние необходимой информации в более
короткие сроки, чем при нормальных
дорожных испытаниях.
Немаловажным является и такое
обстоятельство, как возможность мно-
гократного воспроизведения установ-
ленных режимов испытаний, что позво-
ляет получать статистические характе-
ристики различных свойств узлов,
агрегатов и деталей автомобиля, на
основе которых можно оценивать ста-
бильность или прогнозировать измене-
ние этих свойств. Поэтому стендовые
испытания автомобилей и их отдель-
ных узлов, агрегатов получают все
большее развитие, заменяя в ряде слу-
чаев дорожные при решении ряда тех-
нических вопросов. Дорожные испыта-
ния автомобилей в условиях эксплуа-
тации и на полигонах целесообразно
проводить при достаточно отработан-
ных и доведенных после стендовых ис-
пытаний узлах и агрегатах.
Достоверность результатов стендо-
вых испытаний постоянно повышается
в связи с совершенствованием их ре-
жимов- на основе более тесной корреля-
ции с режимами эксплуатационных
испытаний автомобилей.
Развитие стендовых поэлементных
испытаний обусловило создание цело-
го ряда специализированных устано-
вок и методик. В связи с этим возникло
новое направление •— модульный прин-
цип создания испытательных стендов,
что обеспечивает универсальность и бы-
струю переналадку оборудования при
решении различных исследовательских
задач.
При стендовых испытаниях объек-
тов имитируют различные воздействия
на них.
Механические воздействия создают
при стендовых испытаниях (функцио-
нальных, на надежность) узлов, агре-
гатов и деталей автомобилей.
При испытаниях системы электро-
оборудования автомобиля обеспечи-
вают электрические воздействия на ее
элементы.
Климатические воздействия имити-
руют при проведении стендовых испы-
таний узлов и деталей, эксплуатиру-
емых в условиях тропиков или Край-
него Севера. Создают и другие виды
воздействий: например, при определе-
нии коррозионной стойкости изделий —
59
химическое воздействие агрессивной
среды. Возможно и комплексное воз-
действие различных факторов. Для
этого используют специальные испы-
тательные стенды.
Неразрушающие испыта-
ния включают такие, при которых ни
воздействия, ни методы контроля ре-
зультатов испытаний не приводят к раз-
рушению изделия.
К разрушающим испыта-
ниям относят те из них, в которых
указанные выше факторы обусловли-
вают разрушение испытуемого изделия.
Стендовые испытания также широ-
ко используются и на стадии серийно-
го производства изделий (испытание
готовой продукции).
Периодические стендо-
вые испытания выпускаемой
продукции проводят в объемах и в сро-
ки, установленные нормативно-техни-
ческой документацией, с целью контро-
ля стабильности качества продукции
и определения возможности продолже-
ния ее выпуска.
Типовые испытания на
стендах выполняет специальная
служба предприятия с целью оценки
эффективности и целесообразности из-
менений, вносимых в конструкцию или
технологический процесс.
Стенды для испытания автомоби-
лей, агрегатов и их составных частей
могут быть отнесены к следующим
группам:
1) лабораторно - исследовательские
испытательные стенды, предназначен-
ные для проведения исследовательских
и доводочных испытаний;
2) технологические испытательные
стенды, на которых осуществляют ис-
пытания и контроль качества продук-
ции на всех этапах ее изготовления;
3) диагностические стенды для про-
верки и анализа состояния автомоби-
лей и его агрегатов в процессе эксплу-
атации.
Лаборагорно-исследовательские ис-
пытательные стенды являются основ-
ным оборудованием научно-исследова-
тельских подразделений и эксперимен-
тальных баз конструкторских служб
автомобильных и автоагрегатных заво-
дов. Технологические испытательные
стенды размещаются в технологических
линиях производств, чаще всего на уча-
стках сборки и контроля выпускаемых
изделий. Диагностическими стендами
’оборудуют линии технического обслу-
живания автомобилей автотранспорт-
ных предприятий.
Конструктивные схемы стендов за-
висят от особенностей испытуемых уз-
лов и исследуемых их свойств.
В зависимости от вида определяе-
мых характеристик, как и в классифи-
кации стендовых испытаний, стенды
разделяют на два основных вида —
для оценки функциональных характе-
ристик объекта и характеристик его
надежности. Такие стенды могут быть
специальными и универсальными.
К универсальным стендам относят
стандартные машины и устройства для
испытания на сжатие, растяжение и
циклическое нагружение. Универсаль-
ные стенды широко используются в раз-
личных отраслях промышленности для
испытания деталей общемашинострои-
тельного назначения. В автомобильной
промышленности используют, напри-
мер, I пдравлические прессы для соз-
дания циклической нагрузки (с необ-
ходимыми усилием сжатия и частотой)
при испытаниях разнообразных пру-
жин и автомобильных рессор.
Специальные стенды включают ма-
шины и устройства, предназначенные
для испытания отдельных деталей, уз-
лов и агрегатов автомобиля. Специаль-
ные стенды могут создаваться для ис-
пытания изделий нескольких типов и
исследования различных их функцио-
нальных свойств. Так, на специальных
стендах определяют мощность, топлив-
60
ную экономичность, температурные ха-
рактеристики двигателей, их виброна-
груженность, токсичность и дымность
отработавших газов, функциональные
характеристики систем управления ав-
томобиля — соответствие требованиям
технических условий передаточного от-
ношения и КПД рулевого механизма,
углов установки колес, эффективности
колесных тормозов и т. д. На специ-
альных стендах определяют функцио-
нальные характеристики гидравличес-
ких амортизаторов подвески, т. е. зави-
симость сопротивления амортизатора
от скорости перемещения его штока.
Разработаны специальные стенды,
предназначенные для испытания агре-
гатов трансмиссии на прочность, дол-
говечность (усталость), износостой-
кость, жесткость.
По способу создания нагрузки раз-
личают стенды с прямым нагружением
(разомкнутым потоком мощности) и с
замкнутым контуром нагружения.
Стенд с прямым нагружением (рис.
3.1) включает балансирный электриче-
ский приводной двигатель 1, электри-
ческий или гидравлический тормоз 2 с
динамометрическим устройством и со-
единяющие их карданные или упругие
валы. Стенды этой группы применяют
для испытания агрегатов на прочность,
а также для определения КПД оаз-
личных механизмов. Они просты в уп-
равлении, однако для них характерен
значительный расход электроэнергии.
В целях повышения экономичности ис-
пытаний в качестве тормоза может
быть применен генератор постоянного
тока или двигатель-генератор. При
этом используется принцип рекупера-
ции электроэнергии, когда служащий
тормозом генератор частично преоб-
разует энергию торможения в энергию
тока, возвращаемую в сеть.
В стендах с замкнутым контуром
нагружения отсутствуют тормозные
устройства, приводной двигатель имеет
значительно меньшую мощность, чем в
стендах с прямым нагружением. Такие
стенды используют для испытаний уз-
лов п агрегатов на долговечность, под-
бора смазочного материала, определе-
ния КПД и т. п. Принцип метода иссле-
дования на таких стендах (рис. 3.2)
заключается в создании упругих дефор-
маций в замкнутом контуре, образуе-
мом элементами стенда (редукторами
4, 7, муфтами 6, испытуемыми агрега-
тами 5, валами 3), и изменения крутя-
щих моментов от приводного двигате-
ля 1 с помощью рычажного устройства
8. Крутящие моменты создаются при
закручивании валов специальным уст-
ройством — нагружателем 2. Наиболее
часто применяют нагружатели механи-
ческие или гидравлические.
Стенды с нагрузкой от маховых масс
работают по принципу нагружения ис-
пытуемого объекта моментами враща-
ющихся масс (маховиков).
Гидравлические нагружатели обе-
Рис. 3.1. Схема стенда с прямым на-
гружением
Рис. 3.2. Схема стенда с замкнутым контуром
нагружения
61
спечивают высокую точность и быстро-
ту изменения нагрузки. Нагружающий
крутящий момент в замкнутом контуре
изменяют путем регулирования давле-
ния масла в силовых цилиндрах.
Жесткость и прочность агрегатов
определяют, создавая максимальный
крутящий момент на входном валу аг-
регата при закрепленном выходном.
Прочность различных деталей при
циклическом нагружении определяют
на специальных стендах-пульсаторах.
Переменная нагрузка заданной часто-
ты и амплитуды должна соответство-
вать условиям эксплуатации этих дета-
лей.
На специальных стендах анализи-
руют также интенсивность изнашива-
ния и износ трущихся деталей. Напри-
мер, износостойкость фрикционных на-
кладок тормозных колодок или накла-
док дисков сцепления определяют на
соответствующих стендах при испыта-
нии агрегатов на долговечность. Эти
детали могут быть испытаны на изно-
состойкость на специальных стендах и
отдельно, вне агрегатов, составными
частями которых они являются.
3.2. Режимы стендовых испытаний
Режим испытаний — совокупность
различных внешних факторов, воздей-
ствующих на испытуемый объект (ав-
томобиль, узел, деталь), соответству-
ющая условиям функционирования объ-
екта при его эксплуатации. Режимы
испытаний определяют уровень, часто-
ту, продолжительность воздействий.
Методы проведения стендовых ис-
пытаний характеризуют способами оп-
ределения значений исследуемых фак-
Измерение нагрузок
с учетом предельных
режимов работы
автомобиля__________
Исследование напряжен
на- деформированного
состояния элементов
канстоукнии авт ом о-
оипя в'их взаимосвязи
Исспедование плавнос-
ти хода автомобиля
исследование темпера-
турных режимов сое -
тем и агрегатов
автомобиля
‘Рорпирование исходных
донных для вы Бора режимов
стендовых испытаний
автомобилей
Исследование влияния ночест
во изготовления деталей
систем о агрегатов авт она
доля на их погруженность
Исследование амллитуд-
но - частотных хорал те-
ристин систем, агрегатов
и конструкций автомобиля
Исследованиережимов
движения, автоколебаний
систем и агрегатов
Исследование дентрирун}.
1— щих свойств конструк-
ций автомобиля
Исследование нагрузок
в узлах автомобиля при
торможении, трогании с
места, потере устойчивости
Рис. 3.3. Формирование исходных данных для выбора режимов стендовых испытаний
автомобилей
62
торов. Методы и режимы испытаний
взаимосвязаны. Результаты испытаний
и их достоверность непосредственно за-
висят от принятых методов, составной
частью которых являются режимы ис-
пытаний.
Принцип формирования исходных
данных для выбора режимов стендовых
испытаний автомобилей, его деталей и
агрегатов отражен на рис. 3.3.
Режим стендовых (в частности, ре-
сурсных) испытаний в большинстве
случаев отличается от режима эксплу-
атации объекта, но они являются вза-
имосвязанными. Их связь определяет-
ся воспроизведением при испытаниях
таких же процессов разрушения, как
и в условиях эксплуатации объекта.
При выборе режима стендового ис-
пытания возможны следующие альтер-
нативные решения:
а) при испытаниях вопроизводят
режим эксплуатации объекта без ка-
ких-либо или существенных изменений;
б) воспроизводят частный эксплу-
атационный режим с увеличенной ча-
стотой воздействий;
в) при испытаниях обеспечивают
режим, исключающий воздействия,
практически не влияющие на изделие;
г) реализуют комбинированный ре-
жим испытаний, сочетающий режимы
нескольких предыдущих вариантов;
д) испытания проводят при услов-
ном режиме, отличающемся от режима
эксплуатации, но эквивалентном или не
эквивалентном ему по разрушающему
воздействию на объект.
Вариант «а» приемлем для специ-
ализированных автомобилей с малой
годовой наработкой (например, авто-
мобилей с крановыми или буровыми
установками). В этом случае нет необ-
ходимости в разработке специального
режима ускоренных испытаний, доста-
точно воспроизвести реальный эксплу-
атационный режим нагружения объек-
та. Преимущество таких испытаний за-
ключается в том, что их результаты
непосредственно характеризуют экс-
плуатационную надежность изделия.
Вариант «а» используют и при уско-
ренных стендовых испытаниях объек-
тов без интенсификации процессов, вы-
зывающих их отказы или повреждения.
Ускорение испытаний в данном случае
достигается за счет сокращения пере-
рывов в работе узла или детали.
По варианту «б» режим испытаний
отличается от режима эксплуатации
объекта значительным увеличением ча-
стоты воздействий — обычных или ока-
зывающих наибольшее повреждающее
воздействие. Его используют в случаях,
когда из спектра переменных эксплу-
атационных нагрузок, разнообразных
по характеру и изменяющихся по вре-
мени, представляется возможным вы-
делить типичный цикл, даже малове-
роятный в условиях эксплуатации, но
оказывающий значительное разруша-
ющее действие на изделие. Этот цикл
воспроизводят с увеличенной частотой.
Разновидности циклов напряжений
приведены на рис. 3.4.
В варианте «в» из спектра эксплу-
атационных нагрузок, являющегося ис-
ходным для выбора режима испыта-
ний, предварительно исключают нагруз-
ки, оказывающие ограниченное повре-
ждающее воздействие на объект.
Рис. 3.4. Циклы напряжений:
1—3, 5—7 — асимметричные; 4 — симметричный; 3—5 —
знакопеременные; 1, 2, 6, 7 — знакопостоянные
63
Вариант «г» позволяет в одном ком-
плексе испытаний (по специальным
программам) воспроизводить широкий
диапазон условий использования изде-
лия. Программа стендовых испытаний
может включать блок, отражающий на
магнитной ленте или другом носителе
реальные режимы эксплуатации авто-
мобиля: на подъемах и спусках, оста-
новках и трогании с места, при измене-
нии направления движения, переключе-
нии передач, разгонах и торможениях,
движении по дорогам с различным
микропрофилем и в разных клима-
тических условиях. Программу-блок
можно реализовать любое число раз,
пока на стенде не будет вопроизведен
заданный пробег автомобиля.
Положительная особенность вари-
антов «б» — «г» заключается в том, что
при обоснованном выборе режима ко-
эффпппонт ускорения испытаний мо-
жет быть с приемлемой точностью оп-
ределен расчетом, а по результатам
ускоренных стендовых испытаний срав-
нительно легко оценен эксплуатацион-
ный ресурс изделия. В частности, в
испытаниях на усталость при повыше-
нии частоты циклов нагружений ре-
зультаты стендовых испытаний объек-
та практически совпадают с результа-
тами эксплуатационных испытаний,
если температура испытуемой детали
не превышает 50 °C. Если же темпера-
тура деталей или узлов в условиях их
эксплуатации превышает 50 °C, в стен-
довых испытаниях необходимо обеспе-
чивать эксплуатационный температур-
ный режим.
Вариант «д» включает многочислен-
ные условные и схематизированные ре-
жимы испытаний. Весьма распростра-
нено, например, программирование ре-
жима, при котором выбранная часть
спектра эксплуатационных нагрузок
воспроизводится в виде циклов с рядом
ступеней нагружения, отличающихся от
спектра эксплуатационных нагрузок,
но эквивалентных последним по разру-
шающему воздействию на объект.
В другом случае совокупность эксплу-
атационных воздействий разлагают на
элементы, которые воспроизводят от-
дельно. Например, при разработке ре-
жимов испытаний шестеренных насо-
сов гидравлической системы рулевого
управления автомобиля преследуют
следующие цели: проверить работоспо-
собность подшипников при большой
нагрузке и плохой смазке (в режиме
максимального давления рабочей жид-
кости и низкой частоты вращения вала
насоса); оценить сопротивление уста-
лости элементов конструкции (при цик-
лическом воздействии максимального
давления рабочей жидкости и наиболь-
шей частоте вращения вала и насоса);
проверить работоспособность зубчатых
колес (при максимальной частоте вра-
щения вала насоса и максимальном
давлении рабочей жидкости); выявить
явление кавитации рабочей жидкости,
оцепить качество уплотнений (как пра-
вило, при высокой частоте вращения
вала насоса и низком давлении рабочей
жидкости).
В варианте «д» испытания изделия
также создают условия более тяжелые,
чем в любых (даже неблагоприятных)
условиях эксплуатации. Один из спосо-
бов задания таких условий при про-
граммных испытаниях заключается в
умножении амплитуды нагрузки на
каждой последующей ступени на неко-
торый постоянный коэффициент (ко-
эффициент форсирования испытаний).
Другой способ связан с воспроизведе-
нием при испытании режимов, близких
к предельным, маловероятным в реаль-
ности. Эти способы обеспечивают зна-
чительное ускорение стендовых испы-
таний по сравнению с эксплуатацион-
ными. При этом непременным усло-
вием, обеспечивающим достоверность
результатов таких испытаний, является
идентичность мест и характера разру-
64
щеШ’я конструкции в условиях эксплу-
атации и на стенде. Режим испытаний
«д» эффективен для выявления отно-
сительно слабых элементов изделия,
быстрого сравнения различных вариан-
тов его конструкции, определения за-
пасов прочности.
При проведении стендовых испыта-
ний узлов и деталей автомобиля часто
возникает необходимость решения ти-
повых задач: снятия статических и ди-
намических характеристик, определе-
ния коэффициента полезного действия
механизмов, оценки их ресурса, срав-
нительных испытаний, определения фи-
зико-механических свойств материалов
и т. д.
Сущесгвующие методы типизации
режимов испытаний включают следу-
ющие этапы:
выявление структуры режима на-
гружения, т. е. его оценка по виду на-
грузок (сосредоточенные, распределен-
ные), по характеру процессов нагруже-
ния (импульсные, ступенчатые, непре-
рывные, комбинированные) и их виду
(случайные, регулярные и детермини-
рованные) ;
выявление характеристик режима
нагружения по характеру изменения
(стационарный процесс и нестационар-
ный процесс) и по сопоставимости зна-
чений статистических параметров (эр-
годические и неэргодические случайные
процессы);
выбор метода типизации, проводи-
мой в зависимости от полноты инфор-
мации о режимах нагружения. При
известных вероятностных характери-
стиках режима нагружения следует
применять вероятностный метод типи-
зации, а при неизвестных или частично
известных вероятностных характери-
стиках режима нагружения — стати-
стический или вероятностно-статистиче-
ский. Если известны закономерности
процесса нагружения и их можно опи-
сать функциональными зависимостя-
ми, используют детермированный ме-
тод типизации режимов испытаний;
выбор математической модели на-
гружения в зависимости от классифи-
кационных признаков режимов и вы-
бранного метода типизации.
В процессе проведения стендовых
испытаний инженер-исследователь дол-
жен дать сравнительную оценку режи-
мов нагружения по разрушающему воз-
действию на объект. Моделирование
реального (эксплуатационного) нагру-
жения элементов конструкций при
стендовых ресурсных испытаниях воз-
можно при схематизации случайных
процессов нагружения. Схематизиро-
ванные случайные процессы нагруже-
ния элементов автомобилей используют
для расчетной оценки этих элементов
по критерию накопления усталостных
повреждений, выявления наиболее на-
груженных однотипных элементов,
оценки эксплуатационных режимов по
их разрушающему воздействию, моде-
лирования реального нагружения дета-
лей и узлов при их испытаниях на стен-
дах.
3.3. Конструкции и принципы
работы стендов
Стенды для исследования эксплу-
атационных свойств автомобилей. Наи-
более распространены специальные
стенды с беговыми барабанами, позво-
ляющие воспроизводить движение ав-
томобиля в дорожных условиях. Такие
стенды обеспечивают возможность ра-
боты двигателя, агрегатов трансмис-
сии и ходовой части автомобиля в за-
данных скоростном и нагрузочном
режимах. Они, как правило, оборудова-
ны датчиками и приборами, анализи-
рующими состояние агрегатов и меха-
низмов автомобиля, мощность двига-
теля, силу тяги на колесах, трение в
элементах трансмиссии, тормозные ка-
65
чества и другие параметры техническо-
го состояния автомобиля.
Изменение нагрузки на автомобиль
или скоростного режима достигается с
помощью гидравлических, электричес-
ких или инерционных нагрузочных
(тормозных) устройств.
Гидравлические нагрузочные уст-
ройства относительно недороги, при
малых размерах они могут создавать
(поглощать) большие нагрузки.
Электрические тормоза отличаются
удобством управления, устойчивостью
работы при торможении автомобиля,
легкостью и плавностью перехода с од-
ного режима работы на другой, ста-
бильностью характеристик и высокой
надежностью. Кроме того, при соот-
ветствующем исполнении статора элек-
тромашина тормоза может работать
как в режиме генератора (при замерах
мощностных и топливных показателей),
так и в режиме электродвигателя (при
замерах потерь мощности на прокрут-
ку трансмиссии и неведущих колес ав-
томобиля и др.).
Инерционные нагрузочные устрой-
ства состоят из редуктора и маховика,
соединенных муфтой с одним из бара-
банов. При таком нагрузочном устрой-
стве мощность автомобильного двига-
теля определяется по времени разгона
барабанов в определенном интервале
скоростей. Частота вращения инерци-
онных масс достигает 20 000 мин"1.
В состав стенда с беговыми бараба-
нами (рис. 3.5, 3.6) входят комплекты
из четырех передних и четырех задних
роликов, которые и образуют эти бара-
баны. Электропривод обеспечивается
Рис. 3.5. Комплексный стенд с беговыми барабанами фирмы Zollner (ФРГ) для испытаний лег-
ковых автомобилей:
1— настил постоянный; 2— настил съемный; 3— электродвигатель и редуктор; 4— шины электроснаб-
жения; 5 — ролики беговых барабанов; 6— технологическая рама; 7 — несущий элемент стенда; 8— вы-
тяжная установка (отвод отработавших газов); 9— упругие элементы; 10 — фундамент
66
Рис. 3.6. Укрупненная схема стенда, показанного на рнс. 3.5:
Л 7 —указатели крутящих моментов; 2, 5 — маятниковые машины постоянного тока; 3,6— блоки управ-
ления и регулирования нагрузок на мосты автомобиля; 4 — регистратор скорости и импульсный датчик: 8,
11 — узлы контроля крутящих моментов, подводимых к мостам; 9, 10 — коммутационные устройства системы
управления и контроля нагрузок; 12 — манипулятор клавишный для выбора сопротивления движению ав-
томобильных масс; 13 — узел дистанционного управления; 14 — устройство для имитации сопротивления
движению автомобильных масс
для каждой пары передних роликов пе-
реднего и заднего беговых барабанов,
которые связаны карданной передачей.
К задним роликам обоих беговых
барабанов крутящий момент переда-
ется от передних роликов с помощью
редукторов. Расстояние между перед-
ними и задними беговыми барабана-
ми можно изменять в соответствии с
базой автомобиля. Поскольку беговые
барабаны имеют независимый привод,
каждый из них снабжен измеритель-
ным и перерабатывающим блоками, с
помощью которых можно регулировать
работу стенда.
Устройство следящего действия по-
зволяет поддерживать определенную
скорость или тяговое усилие на коле-
сах одного моста автомобиля или двух
осей.
В качестве электродвигателя (или
генератора) используется маятниковая
машина постоянного тока.
Стенд оборудован вентилятором
для создания встречного потока воз-
духа, устройством быстрого (аварий-
ного) останова с пневматической бло-
кировкой роликов, вытяжной установ-
кой для отвода отработавших газов, ти-
ристорным выпрямителем переменного
тока.
Особенность описываемого стен-
да — возможность проверки работы
электронной и электрической систем,
установленных на автомобиле, и оцен-
ки влияния на их работоспособность
электромагнитных полей в эксплуата-
ционных условиях. Автомобиль вместе
со стендом может поворачиваться на
± 180° по направлению к источнику из-
лучения благодаря наличию поворот-
ного стола.
Стенды для аэродинамических ис-
следований автомобилей. Используе-
мые в испытаниях аэродинамические
трубы можно разделить на большие
(натурные) и малые (модельные).
Исследования натурных образцов и
67
крупномасштабных моделей автопоез-
дов проводят в больших аэродинамиче-
ских трубах.
Аэродинамическая труба представ-
ляет собой установку, в которой испы-
туемый объект — модель или натураль-
ное автотранспортное средство — не-
подвижен, а обтекающий воздушный
поток, создаваемый мощным вентиля-
тором, имеет определенную скорость.
Основными элементами простейшей
аэродинамической трубы являются
сопло, из которого выходит воздушный
поток; рабочая часть (испытательная
камера); аэродинамические весы, рас-
положенные в зоне рабочей части; диф-
фузор, куда попадает воздушный по-
ток, пройдя рабочую часть трубы; вен-
тилятор с двигательной установкой, на-
гнетающий воздух в аэродинамическую
трубу; система детербулизирующих се-
ток, обеспечивающая ламинарность по-
тока воздуха в рабочей части трубы.
По типу аэродинамической цепи
(контуру) трубы делят на открытые
^прямоточные) и замкнутые. В трубе
разгоняется вентилятором до опреде-
ленной скорости, проходит через эле-
менты трубы и выбрасывается в атмо-
сферу. Такая труба имеет достаточно
простую конструкцию, но не экономич-
на с точки зрения энергозатрат. Наи-
более часто используют трубы с зам-
кнутым контуром, в которых разгоня-
емый вентилятором воздух движется по
замкнутому каналу, в результате чего,
несмотря на усложнение конструкции,
снижаются энергозатраты и степень
турбулентности воздушного потока.
Обычно автотранспортные средства
и их масштабные модели испытывают
в аэродинамических трубах при невра-
щающихся колесах, а «эффект дороги»
имитируется с помощью специального
неподвижного аэродинамического эк-
рана. В больших трубах автомобиль
чаще всего устанавливают на непод-
впжном полу, что обусловливает недо-
статочную точность результатов испы-
таний. Предпочтительны испытания в
трубах, дорога в которых имитируется
бегущей резиновой лентой, устанавли-
с открытым контуром (прямоточной) ваемой на специальных барабанах,
засасываемый атмосферный воздух На рис. 3.7 показана схема большой
Рис. 3.7. Схема аэродинамической трубы FKFS (ФРГ) для натурных испытаний автомобилей:
/ —- вептитягор, 2 — поворотные лопатки, 3 — выпрямляющая решетка; 4— сопло, 5 — рабочая «асть трубы,
6 — коллектор
68
Рис. 3.8. Схема одноканальной аэродинамической трубы замкнутогог.типа для испытаний моде-
лей автомобилей:
1 — сопло; 2 — рабочая часть трубы; 3 — диффузор; 4 — вентилятор; 5 — двигатель постоянного тока; 6 —
поворотные лопатки; 7 — обратный канал
Рис. 3.9. Схема установки масштабной модели автопоезда в аэродинамической трубе:
1 — сопло; 2— масштабная модель автопоезда; 3—элементы подвеса модели; 4— аэродинамические ес,ы;
5 — аэродинамический экран; 6 — диффузор; 7 — поворотный круг
аэродинамической трубы для натурных
испытаний автотранспортных средств.
Одноканальная труба замкнутого типа
с открытой частью эллиптического се-
чения (рис. 3.8) предназначена для мо-
дельных исследований автопоездов.
Длина рабочей части трубы — 4 м,
большой оси эллипса — 4 м, малой
осп — 2.34 м. Труба оборудована аэро-
динамическими весами с гибкой лен-
69
Рис. 3.10. Комплексный стенд фирмы «Фольксваген» (ФРГ) для аэроклимэтических испытаний
автомобиля:
1— сопло; 2 — имитаторы солнечном радиации, 3 — измерительная камера; 4— приемный диффузор; 5 —
вентилятор; 6 — установка для увлажнения воздуха; 7 — направляющие лопатки; 8— стенд с тормозными
барабанами, 9 — пульт управления и измерительная аппаратура; 10— спрямляющая решетка, 11— холо-
дильная установка
точной подвеской (рис. 3.9). Весы
смонтированы на платформе, которая
поддерживается на колоннах перед-
вижной тележки, располагаемых вне
воздушного потока в рабочей части
трубы. Раму с весами и подвешенной
моделью закатывают на находящийся
в полу рабочей части поворотный круг,
при вращении которого вокруг верти-
кальной оси изменяется угол натека-
ния воздушного потока на исследуемую
модель.
Наиболее часто для продувки в ма-
лых аэродинамических трубах изготав-
ливают модели автомобилей в масшта-
бе 1:10 и 1:7. При использовании боль-
ших труб масштаб моделей—1:5, 1:4
(3:8) и 1:2 (1:2,5).
Стенды для аэроклиматических ис-
следований. Для оценки влияния кли-
матических факторов (влажности, тем-
пературы атмосферного воздуха и т. д.)
на основные узлы и агрегаты автомо-
биля проводят их испытания в аэро-
климатических трубах. Такие трубы
сложнее аэродинамических, поскольку
включают холодильную установку
большой мощности.
Устройство большой агроклимати-
ческой трубы показано на рис. 3.10.
Основным элементом стенда является
аэродинамическая труба, агрегаты ко-
торой обеспечивают заданные скорость,
температуру и влажность воздуха в из-
мерительной камере. Труба представ-
ляет собой замкнутую конструкцию.
Поток воздуха в трубе создается вен-
тилятором 5. Для спрямления и детур-
булизации потока воздуха в трубе уста-
новлены направляющие лопатки 7 и
спрямляющая решетка 10. Поток воз-
духа в измерительную камеру 3 на-
правляется через сопло размером 2Х
ХЗмииз камеры в приемный диффу-
70
<5> ©
Рис 3.11. Кинематическая схема стенда с замкнутым силовым контуром для испытаний ведущих мостов автомобилей
Рис. 3.12. Кинематическая схема стенда
с замкнутым силовым кон-
зор 4. Для обеспечения требуемых па-
раметров потока труба оборудована
холодильной установкой 11 и установ-
кой для увлажнения воздуха 6.
Автомобиль устанавливают в изме-
рительной камере на стенд с тормоз-
ными барабанами 8. С помощью спе-
циальной аппаратуры измеряют пара-
метры двигателя. Тормозные барабаны
позволяют измерять крутящий момент
непосредственно на колесах автомо-
биля.
Описанный стенд обеспечивает воз-
можность проведения разнообразных
испытаний автомобиля и отдельных его
систем. В частности, на нем можно вы-
полнять исследования тягово-динами-
ческих свойств и топливной экономич-
ности автомобиля, его аэродинамичес-
ких и акустических характеристик, ток-
сичности отработавших газов при
испытаниях автомобиля по так называ-
емому ездовому циклу, анализ работы
систем охлаждения и отопления каби-
ны при различных атмосферных усло-
виях, систем выпуска, впуска, питания
двигателя и др.
Стенды для испытаний агрегатов
трансмиссий. Кипематичесг ая схема
стенда для испытаний на долговечность
ведущих мостов автомобилей показа-
на на рис. 3.11.
Стенд состоит из следующих основ-
ных узлов: привода, включающего
электродвигатель 18, муфту 17 и короб-
ку передач 16; главного редуктора 13,
предназначенного для передачи крутя-
щего момента от коробки передач на
входные фланцы испытуемого 6 и за-
мыкающего 7 ведущих мостов автомо-
биля; датчиков крутящего момента 12
и 4 соответственно на входе и выходе
ведущего моста; боковых редукторов 2
с тремя вертикально расположенными
шевронными шестернями; нагружателя
планетарного типа 15; трех установок
охлаждения масла 8, включающих
электродвигатель, насос НШ-10Е,
фильтр, сетчатый охладитель и соеди-
нительные трубопроводы 1; пульта уп-
72
туром для испытания раздаточных коробок автомобилей
равления и шкафа с электрооборудо-
ванием (на схеме не показаны).
Работа стенда осуществляется сле-
дующим образом. При включенном
электродвигателе 18 через муфту 17,
коробку передач 16, главный редуктор
13, датчик крутящего момента 12, за-
мыкающий ведущий мост 7, боковые
редд ктооы 2, зубчатые муфты 3, датчик
крутящего момента 4 и соединитель-
ные и приводные карданные валы 5, 9,
10, 14 крутящий момент передается на
испытуемый ведущий мост 6. Предва-
рительно его нагружают требуемым
крутящим моментом, передающимся от
нагружателя 15 через главный редук-
тор 13 и карданный вал 11. Нагружа-
тель представляет собой двухрядный
планетарный редуктор. Нагружение мо-
ста может производиться как при не-
подвижном, так и при вращающемся
контуре.
От вала электродвигателя через
электромагнитную муфту вращение пе-
редается эксцентриковому валику (во-
дилу) первого планетарного ряда, на
котором находится шестерня (сател-
лит), входящая в зацепление с зубча-
тым венцом z2 (короной). Вращатель-
ное движение передается от сателлита
водилу второго планетарного ряда, на
котором находятся три сателлита z3,
соединенные с короной г4.
Планетарный редукгор нагружате*
ля обеспечивает большое передаточное
число (порядка 10 000), поэтому созда
ется эффект самоторможения при вы-
ключении электродвигателя нагружа-
теля, и нагрузка в контуре сохраняется.
Стенд для испытаний на долговеч-
ность раздаточных коробок автомоби-
лей (рис. 3.12) включает следующие
основные узлы: приводы 1, 3, нагру-
жатель 7, соединительные муфты 2 и
10, технологическую раздаточную ко-
робку 6, датчик крутящего момента 8,
карданные валы 9 и установки охлаж-
дения масла 4. Загрузка испытуемой
коробки 5 производится с помощью са-
мого рмозящегося редуктора планетар-
73
Рис. 3.13. Кинематическая схема стенда для испытаний на усталость карданных валов:
/ — электродвигатель; 2— муфта; 3 — редуктор (коробка передач); 4— нагружатель, 5, 7 — редукторы, 6 —
винтовая пара; 8, 9 — испытуемые карданные валы
кого типа, конструкция которого ана-
логична приведенной на рис. 3.11. При-
вод стенда и его управление осущест-
вляются так же, как и стенда для
испытания ведущих мостов автомо-
билей.
На стенде можно, кроме того, про-
водить испытания дифференциалов
раздаточных коробок. Для этого про-
изводят их кинематическое рассогла-
сование путем изменения положения
испытуемой раздаточной коробки на
стенде.
В стенде для испытаний на уста-
лость карданных валов (рис. 3.13)
один из образующих замкнутый сило-
вой контур редукторов 7 может пере-
мещаться в горизонтальной плоскости
при помощи винтовой пары 6. Это по-
зволяет изменять углы установки кар-
данных валов для исследования их
влияния на долговечность карданной
передачи.
Ускоренные испытания уплотнений
подшипников шарниров карданных пе-
редач ведут на стендах с замкнутым
контуром или прямым нагружением
(рис. 3.14). Отличительной особен-
ностью такого стенда является наличие
пылевой камеры. На испытуемом кар-
данном валу закрепляют крыльчатку,
которая при его вращении перемещает
песок и создает определенную степень
запыленности атмосферы в ванне. С по-
мощью гидротормоза карданный вал
нагружают требуемым крутящим мо-
ментом. Частоту вращения вала заме-
ряют тахометром с приводом от короб-
ки передач стенда.
Для регистрации момента разруше-
ния шарниров (после попадания пыли в
подшипники) имеется автоматическое
устройство, выключающее электродви-
гатель при повышении температуры
внутри ванны до 50 °C.
Исследование долговечности шлице-
вых соединений карданной передачи
проводят на стенде с прямым нагруже-
нием (рис. 3.15). Он представляет со-
бой кривошипно-шатунный механизм с
74
Рис. 3.14. Кинематическая схема стенда для испытаний уплотнений подшипников шарниров кар-
данных валов:
1 — электродвигатель; 2— редуктор (коробка передач); 3— испытуемый карданный вал; 4— пылевая камера;
5 — опора карданного вала; 6 — гидравлический нагружитель; 7 — муфга
Рис. 3.15. Кинематическая схема стенда для испытаний шлицевых соединений карданных ва-
лов:
1— электродвигатель; 2— муфта; 3— редуктор (коробка передач); 4—’Промежуточный карданный вал; 5—
конический редуктор; 6 — испытуемый карданный вал; 7 — маховик; 8 — станина; 9 — нагружающий пневмо-
цилиндр; 10 — кривошип; 11 — планшайба
качающимся рычагом, на который од-
ним концом опирается карданный вал.
Опорой другого конца карданного ва-
ла служит специальное приспособле-
ние, которое способно нагружать вал
крутящим моментом.
Необходимое значение хода (отно-
сительного перемещения элементов
шлицевого соединения) обеспечивается
за счет изменения длины кривошипа.
На указанном стенде обычно про-
водят сравнительные испытания на дол-
75
Рис. 3 16. Стенд для определения показателей функциональных свойств рулевых механизмов
говечносгь подвижных шлицевых со-
единений карданной передачи, разли-
чающихся, например, по значениям
продольного хода, типу шлицев, мате
риалам и способам термообработки.
Стенды для испытания систем уп-
равления. При изучении функциональ-
ных характеристик рулевых механиз-
мов с гидравлическими усилителями на
специальных стендах определяют сле-
дующие показатели: гидравлический
люфт; внутренние утечки рабочей жид-
кости через распределитель; крутящий
момент на входном валу рулевого ме-
ханизма; упругость и механический
КПД рулевого механизма.
Функциональные характеристики
рулевых механизмов со ^строенным
гидрораспределителем можно опреде-
лить на стенде, конструктивная схема
которого приведена на рис. 3.16. На
входном валу рулевого механизма 12
закрепляют динамометрическое колесо
8 с индикаторной головкой Вал секто-
ра рулевого механизма соединяют с
нагрузочным элементом 13 с помощью
шкива 11.
Нагнетательная полость распреде-
лителя рулевого механизма 7 связана с
масляным насосом 1, полость слива че-
рез дроссель 15 и распределительный
клапан 14 — с рабочим 18 или мерным
баком. Распределительный клапан
включает седла 4 или 5, образующие с
корпусом три полости (среднюю и две
крайние), и клапан со штоком 6, соеди-
ненным с подпружиненным рычагом,
закрепленным на оси.
Насос и мерный бак через дроссели
16 сообщаются с рабочим баком.
Максимальное давление рабочей жид-
кости, развиваемое насосом, ограничи-
те
вается с помощью предохранительного
клапана 2. В сливную магистраль вклю-
чен фильтр.
Давление в нагнетательной полости
рапределптеля регистрируется мано-
метром. Угол поворота динамометриче-
ского колеса определяется по шкале 10
с помощью указателя 9.
При определении гидравлического
люфта рулевого механизма вал его
сектора блокируют и включают насос
(дроссель 17 закрыт, 15 и 16 — откры-
ты).
Входной вал рулевого механизма с
помощью динамометрического колеса
поворачивают по часовой стрелке и в
противоположном направлении на угол,
при котором давление в нагнетательной
полости распределителя будет на
0,1 МПа превышать давление при ней-
тральном положении золотника. Сум-
марный угол поворота входного вала и
есть гидравлический люфт, который на-
ходят по шкале 10.
Внутренние утечки рабочей жидко-
сти через распределитель определяют
ври повороте входного вала цо упора
по часовой стрелке и в противополож-
ном направлении. Вал сектора блоки-
руют, включают насос (дроссель 16
закрыт, 15 — открыт, 17—i
вает необходимое давление в на’вюта-
тельной полости распределителя). С по-
мощью распределительного клапана
средняя полость разобщается с рабо-
чим баком и соединяется с мерным ба-
ком, на который нанесена шкала для
определения объема рабочей жидкости.
Крутящий момент на входном валу
рулевого механизма определяют при
максимальном давлении в нагнетатель-
ной полости распределителя. Поворот
динамометрического колеса произво-
дят в двух противоположных направле-
ниях. При этом вал сектора блокиру-
ют, включают насос (дроссель 17 за-
крыт, 15 — открыт).
Упругий механический люфт харак-
теризуется суммарным угловым пере-
мещением входного вала в двух проти-
воположных направлениях до резкого
возрастания крутящего момента на ди-
намометрическом колесе. Указанный
люфт оценивают при выключенном на-
сосе и блокированном вале сектора ру-
левого механизма.
Упругость рулевого механ тзма оп-
ределяют при включенном насосе (вал
сектора блокирован, дроссель 17 за-
крыт, 15 — открыт) ио суммарному уг-
ловому перемещению входного вала в
двух противоположных направлениях,
соответствующему максимальному дав-
лению в нагнетательной полости рас-
пределителя.
Для определения механического
коэффициента полезного действия ру-
левого механизма вал сектора освобо-
ждают от фиксаторов и нагружают не-
обходимым крутящим моментом, что
обеспечивается подъемом нагрузочного
элемента. Крутяшпй момент на вход-
ном валу рулевого механизма заме-
ряют с помощью динамометрического
колеса.
При испытании рулевых механизмов
на надежность нагружают входной вал,
а привод рулевого механизма осущест-
вляют от вала сектора. Принципиаль-
ная схема стенда для испытаний руле-
вых механизмов на надежность приве-
дена на рис. 3.17.
На основание стенда устанавлива-
ют испытуемый рулевой механизм 16,
входной вал которого соединяют кар-
данным валом с входным валом акси-
ального роторно-поршневого насоса 20.
Нагнетательная полость насоса сооб-
щается с нагнетательной полостью ре-
гулирующего клапана 21, корпус кото-
рого размещен в направляющей и опи-
рается на регулировочный винт 22.
В центральном канале корпуса име-
ется шток 3. Конусная поверхность
штока поджимается к седлу пружиной,
упирающейся в тарелку стержня 4,
77
Рис 317 Стенд для испытания рулевых механизмов на надежность
скользящего в направляющей На кон-
це этого стержня закреплен ролик 8,
контактирующий с копиром — соеди-
ненными шарниром планками 5 и 9
Внутренние концы обоих планок шар-
нирно прикреплены к оси, свободные
их концы регулировочными винтами
соединены с подвижной в осевом на
правлении штангой 6
Штанга шарнирной тягой 19 свя-
зана с сошкой испытуемого рулевого
лгеханизма К сошке крепится шток при-
водного гидроцилиндра 11. Управляю-
щее устройство этого гидроцилиндра
включает штангу 15, на которой закреп-
лены рейка 12 и регулируемые опоры
14 с зажимными винтами Средний зуб
рейки взаимодействует с роликом, уста-
новленным на свободном конце рычага
13 Рычаг может вращаться в непо-
движной опоре и поджиматься пружи-
ной в сторону рейки Штанга 15 связана
с двухпозиционным распределителем
10, через который рабочая полость на-
соса сообщается с рабочими полостями
приводного гидроцилиндра. Полость
слива регулирующего клапана сообще-
на с масляным баком.
Распределитель рулевого механиз-
ма 17 питается от насоса 18. Для ис-
ключения перегрузок гидросистемы
стенда установлены предохранительные
клапаны 7.
С помощью дросселя 2 регулиру-
ется скорость перемещения штока
приводного гидроцилиндра К штоку
приводного гидроцилиндра жестко
крепятся рычаг с роликом, которые
78
управляют перемещением штанги 15,
воздействующей на распределитель
10 Управляя положением клапана в
распределителе, можно подавать жид-
кость под давлением в ту или иную
полость приводного гидроцилиндра,
регулируя при этом направление и ве-
личину хода штока, связанного с сош-
кой рулевого механизма.
Нагружение входного вала рулево-
го механизма на стенде осуществляет-
ся с помощью насоса 20 Крутящий мо-
мент на входном валу рулевого меха-
низма регулируют за счет изменения
угла наклона планок 5 и 9. Углы на-
клона планок можно изменять незави-
симо с помощью связанных с ними на
внешних концах регулировочных вин-
тов.
Когда шарнир, соединяющий план-
ки, находится на уровне оси ролика
стержня 4, крутящий момент на вход-
ном валу рулевого механизма минима-
лен, что соответствует среднему поло-
жению управляемых колес автомобиля,
а когда на уровне оси ролика стержня
4 находятся концы планок—максима-
лен
На описанном стенде можно с боль-
шей достоверностью имитировать экс-
плуатационный режим работы рулево-
го механизма, чем на стендах, где на-
гружается вал сектора этого механиз-
ма. Передаваемое на сошку усилие со-
ответствует реальному дорожному со-
противлению. Это усилие значительно
больше передаваемого на вал рулевого
механизма со стороны водителя.
Стенд для испытаний шарниров ру-
левых тяг (рис. 3.18) предназначен для
исследования износостойкости и оцен-
ки долговечности конструкций. Привод
стенда осуществляется от электродви-
I ателя и гидронасоса, который возбуж-
дает гидроцилиндр 1 двухстороннего
действия. Последний через шток и сош-
ку 2 непосредственно воздействует на
продольную рулевую тягу 3 и рычаг
Рис 3 18. Схема стенда для испытаний шар-
ниров рулевых тяг
4, который в свою очередь сообщает
возвратно-поступательное движение
испытуемому узлу. Необходимая часто-
та циклов изменения давления рабочей
жидкости обеспечивается с помощью
стандартных гидроклапанов (на схеме
не показаны). Максимальное усилие
на продольной тяге — до 40 кН. Гидро-
цилиндры 7 через рычаги 6, 10 рулевой
трапеции, установленные на опорах 5,
9, имитируют на тяге 8 сопротивление
повороту колес автомобиля. Давление
в контурах гидравлической системы
контролируется манометрами.
Стенды для испытания тормозных
механизмов. Широкое распростране-
ние получили стенды с инерционными
массами. Во время испытания на инер-
ционном стенде тормозной механизм
поглощает кинетическую энергию ма-
ховика, предварительно разгоняемого
до определенной скорости Таким об-
разом, торможение происходит при из-
меняющейся скорости скольжения Рас-
сматриваемые стенды наиболее полно
п точно воспроизводят действительные
79
Рис 3.19. Принципиальная кинематическая схема инерционного стенда Для испытаний колесных
тормозов автомобилей
условия работы тормозного механизма
в автомобиле. Для разгона маховика
можно использовать электродвигатели
сравнительно небольшой мощности.
На рис. 3.19 приведена принципи-
альная кинематическая схема стенда
для испытаний колесных тормозов ав-
томобилей. От электродвигателя посто-
янного тока 1 вращение через соедини-
тельную муфту 2 передается валу 4 с
опорами 12. На валу 4 имеется набор
инерционных масс 5(1)—5(8), в нера-
бочем состоянии они не имеют жесткой
связи с валом 4 (устанавливаются на
специальных кронштейнах). К концу
вала 4 жестко крепят тормозной бара-
бан испытуемого тормоза 6. Суппорт
испытуемого механизма вместе с тор-
мозными колодками монтируют на
фланце ва”а 7 подвижного суппорта
стенда, который можно перемещать в
осевом направлении с помощью винто-
вого механизма 11. Создаваемый в ис-
пытуемом тормозе 6 момент восприни-
мается динамометрическим рычагом 8
и датчиком силы 9, жестко закреплен-
ным на корпусе суппорта 10. Для пре-
дотвращения поломок стенда при раз-
рушении испытуемого узла предусмот-
рен аварийный тормоз 3.
Стенд работает по следующему цик-
лу: разгон инерционной массы до за-
данной скорости, выключение электро-
двигателя привода и включение реги-
стрирующей аппаратуры, включение
привода исследуемого тормозного ме-
ханизма и торможение инерционных
масс до полной остановки. Управление
стендом осуществляется вручную или
автоматически с заданным интервалом
между торможениями. Ручное управле-
ние применяют при снятии характери-
стик тормозного механизма, а автома-
тическое — при испытаниях его на дол-
говечность. На стенде регистрируются
следующие параметры: момент инер-
ции маховиков, скорость вращения
инерционных масс, давление воздуха
в тормозной камере, температура тор-
мозных накладок, тормозной путь, вре-
мя торможения, тормозной момент.
Момент инерции вращающихся масс
выбирают исходя из обеспечения ра-
венства кинетических энергий инерци-
80
Рис. 3.20. Гидравлическая схема стенда для испытания рам автомобилей
онных масс стенда и части общей инер-
ционной массы транспортного средства,
приходящейся на затормаживаемое
колесо, и определяют по формуле 1=
= пгаг^, где / — момент инерции враща-
ющихся масс, стенда, кг-м2; та — мас-
са, соответствующая нагрузке от транс-
портного средства на затормаживаемое
колесо, кг; г0 — радиус качения ко-
леса, м.
Частоту вращения инерционных
масс (мин-1) определяют по заданной
скорости движения транспортного сред-
ства и радиусу качения колеса:
п— 1000уа/ (2лго-60),
где va — скорость транспортного сред-
ства ( автомобиля), км/ч.
Эффективность торможения опреде-
ляют и при нагретых тормозах. Нагрев
тормозного механизма достигается пу-
тем проведения последовательных (с
соответствующей периодичностью) тор-
можений при постоянных значениях
начальной скорости вращения инерци-
онных масс и давления воздуха в тор-
мозной системе. Температура тормоз-
ных накладок должна составлять 300 °C
для барабанных и 450 °C для дисковых
тормозов.
Стенды для испытания ходовой ча-
сти. На этих стендах проводят испы-
тания рам, рессор, балок мостов авто-
мобилей на статическое и циклическое
нагружение, испытания на износостой-
кость амортизаторов, механизмов подъ-
ема платформ самосвалов и других де-
талей ходовой части автомобилей.
Испытания рам на статическое на-
гружение на специализированных стен-
дах наиболее просты и дают достаточ-
но точные результаты проверки жест-
кости и прочности конструкции. Указан-
ные испытания позволяют оценить
нагруженность элементов рам, их на-
пряженно-деформированное состояние,
изучить влияние отдельных элементов
конструкции на ее жесткость.
На стенде для испытаний рам боль-
шегрузных автомобилей и автопоездов
семейства МАЗ (рис. 3.20) скручивание
и изгиб рамы в вертикальной плоскости
обеспечиваются с помощью гидроци-
линдров 1, передающих нагрузку через
81
Рис. 3.21. Схема стенда для снятия упругих характеристик рессор
динамометры 2 в местах крепления рес-
сор. Реакции от подрессоренных масс
автомобиля имитируются винтовыми
механизмами (на схеме не показаны).
Цилиндры 1 могут работать как син-
хронно (изгиб рамы в вертикальной
плоскости), так и в противофазах (из-
гиб и скручивание рамы). Питание их
осуществляется от радиально-поршне-
вого насоса 5 и масляного бака 6.
Очистка основного потока масла про-
изводится фильтром 3.
Циклическое нагружение рамы обес-
печивается с помощью реверсивного
золотника 8. Изгиб ее в горизонтальной
плоскости создается гидроцилиндрами
10, устанавливаемыми между лонжеро-
нами. Их привод осуществляется от от-
дельного шестеренного насоса 7 через
золотник 8. Комбинирование нагрузок
выполняется с помощью крана 9, регу-
лирующего подачу рабочей жидкости
от насоса к золотникам 8. Гидравличе-
ская система оснащена предохрани-
тельными клапанами 4.
Для автоматизации процесса испы-
таний используется специальный блок
на базе микропроцессоров.
Испытания рам на долговечность
проводят с целью определения показа-
телей надежности каждого из их эле-
ментов. Режимы нагружения задают по
результатам статистической обработки
нагруженности элементов рамы, полу-
ченных тензометрированием в эксплуа-
тационных условиях.
Для определения характеристик
упругих элементов подвесок использу-
ют стенды с гидравлическим нагружаю-
щим устройством. В стенде, показан-
ном на рис. 3.21, нагружение осущест-
вляется с помощью гидроцилиндра 1
через динамометр 5. Исследуемый объ-
ект 4 размещают на сферических опо-
рах 3, установленных на плите 12, под-
держиваемой стойками 2. Расстояние
между опорами регулируют с помощью
ходовых винтов. Гидравлический при-
вод включает масляный бак 10, насос 8
с электродвигателем 9, золотник 7, об-
ратный 6 и предохранительный 11 кла-
паны. Стенд оснащен реохордным дат-
чиком перемещений 13.
С целью автоматизации испытаний
создан специальный блок управления.
Блок связывает стенд с управляющей
ЭВМ, которая задает режимы испыта-
ний, регистрирует и анализирует их ре-
зультаты. Графопостроителем вычер-
чиваются искомые характеристики рес-
сор в соответствии с требованиями
ЕСКД. Автоматизация стенда позволя-
ет уменьшить продолжительность испы-
таний в 12 раз.
Описываемый стенд можно исполь-
зовать для испытания упругих элемен-
82
Рис. 3.22. Схема стенда для испытаний рессор на циклическое нагружение
тов на усталость. Однако наиболее час-
то такие испытания проводят на стен-
дах с циклическим нагружением.
Такой стенд (рис. 3.22) представля-
ет собой замкнутую систему, состоящую
из верхней 13 и нижней 17 неподвиж-
ных плит, жестко соединенных между
собой четырьмя колоннами 16, по кото-
рым перемещается стол 15. На плите 13
размещен механизм статического на-
гружения рессор 7, который состоит из
электродвигателя 10 с двумя выходны-
ми валами, двух червячных редукто-
ров 8, соединенных с электродвигате-
лем втулочно-пальцевыми муфтами 9.
К плите через кронштейн 11 крепится
балансирный рычаг 12. На рычаге
имеется два места установки испытуе-
мых узлов. Он приводится в движение
(качание) кривошипно-шатунным меха-
низмом. Стол 15 фиксируется на колон-
нах 16 с помощью цанговых зажимов и
винтов 6. На поверхности стола имеют-
ся Т-образные пазы для крепления пе-
редвижных опор 14.
Кривошипно-шатунный механизм
включает опорную стойку 4, в которой
установлен приводной вал кривошипа, и
шатун 5. Механиз регулирования длины
кривошипа состоит из червячной пары
83
Рис. 3.23. Схема стенда для испытаний на из-
носостойкость амортизаторов подвески автомо-
билей
и конусного колеса. Привод стенда раз-
мещен на отдельной подставке и состо-
ит из электродвигателя 1, редуктора 2,
соединенных между собой клиноремен-
ной передачей, и муфты 3.
Стенд оснащен механическим счет-
чиком циклов нагружения испытуемых
рессор и мерной линейкой для опреде-
ления их прогиба.
Схема стенда для испытаний на из-
носостойкость амортизаторов передней
подвески автомобилей изображена на
рис. 3.23. Электродвигатель 1 через
втулочно-пальцевую упругую муфту 2
соединен с червячным редуктором 3. На
обоих концах вала червячной шестер-
ни установлены кривошипы, связанные
шатунами 4 с коромыслами 5. При вра-
щении вала электродвигателя коро-
мысло 5, второй конец которого с
помощью качающегося рычага 6 соеди-
няется с нижней головкой амортизато-
ра 7, совершает колебания и обеспечи-
вает возвратно-поступательное движе-
ние корпуса амортизатора. На одном
конце рычага 11 торсиона 12 закрепля-
ется верхняя головка амортизатора, на
другом — рычаг регистрирующего уст-
ройства 10. Рабочая диаграмма измене-
ния усилия на штоке поршня амортиза-
тора записывается на барабан 8, при-
водимый во вращение гибкой нитью 9,
связанной с рычагом коромысла 6. При
закручивании торсиона 12 поворот ры-
чага 10 пропорционален приложенному
усилию.
Автоматическое устройство выклю-
чает стенд при температуре в кожухе
выше допустимой.
Рис. 3.24. Схема стенда для сня-
тия характеристик амортизаторов
84
Рис. 3.25. Установка для испытаний несущих деталей ведущих мостов и осей автомобилей
Для снятия характеристик аморти-
затора на циклах отбоя и сжатия, а
также для имитации поперечных нагру-
зок используют стенд специальной кон-
струкции (рис. 3. 24). Амортизатор 4
устанавливают между нижним 5 и верх-
ним 3 кронштейнами крепления. Вра-
щение вала электродвигателя 13 через
редуктор 12 передается кривошипу И.
Вращательное движение последнего
вызывает качание на оси 6 опоры 7 свя-
занного с ним рычага 8. При этом ниж-
ний кронштейн 5 крепления амортиза-
тора 4 перемещается по дуге, соответ-
ствующей плечу рычага 8, на ход, рав-
ный радиусу кривошипа И. Таким
образом создаются вертикальная и по-
перечная нагрузки на амортизатор.
Верхний кронштейн 3 под действием
усилия, развиваемого амортизатором,
закручивает торсион 2. Тензодатчики 1
выдают электрический сигнал на двух-
координатный самописец 9 и регистр
10 времени работы (ресурса) исследуе-
мого объекта.
Установка для испытаний балок ве-
дущих мостов автомобилей показана
на рис. 3. 25. Мост 3 в сборе с колесами
свободно размещается на опорных
стойках 4, закрепленных на фундамент-
ных плитах 5. Гидравлические цилинд-
ры 6 нагружают его через рессорные
площадки. Картер с гидроцилиндрами
соединяется с помощью плит 1 и шпи-
лек 2, что позволяет изменять расстоя-
ние между плитами и испытывать объ-
екты любых типоразмеров. Для исклю-
чения изгиба штоков гидроцилиндров
и воспроизведения эксплуатационных
нагрузок, соответствующих реальным
жесткостям рессор, используются упру-
гие цилиндрические стержни. Силовая
гидравлическая система установки обе-
спечивает скорость перемещения порш-
ней цилиндров до 1 м/с.
Привод стенда для испытаний меха-
низма подъема платформ автомобилей-
самосвалов (рис. 3.26) включает два
электродвигателя 4 и два шестеренных
насоса, обеспечивающих подачу масла
из бака 5 через предохранительный
клапан 6, клапан управления 3 к ци-
линдру 16 подъема платформы. При
опущенной платформе передний вы-
ключатель 14 отключает электромаг-
нит 19. Воздух выводится в атмосферу
устройством, включающим реле време-
ни 20, ресивер 22, обратный клапан 17,
клапан управления 3. Шток последне-
го перекрывает сливное отверстие, и
платформа идет на подъем. При нажа-
тии на подпружиненный выключатель
85
Рис 3 26. Гидравлическая схема стенда для испытаний механизмов подъема платформ
автомобилей-самосвалов
срабатывает электромагнит. Воздух
через клапан 18 поступает в реле време-
ни 20 и обратный клапан 17, а также
через дроссель 21 и ресивер 22. Проис-
ходит встряхивание платформы По ис-
течении заданного времени реле соеди-
няет клапан 18 с клапаном управления
3, и воздух поднимает шток последне-
го, в результате чего платформа опу-
скается. Обратный клапан 17 ускоряет
выпуск воздуха из ресивера 22. Стаби-
лизатор 11, соединенный через ресивер
15 с клапаном 18, воздействует на гид-
ропневматический аккумулятор 10.
Масло через обратный клапан 9, час-
тично через дроссель 2 и автоматиче-
ский гидроклапан 13 заполняет дубли-
рующий цилиндр 23 при подъеме плат-
формы При ее опускании слив мас-
ла идет через те же аппараты и через
фильтр 1 в масляный бак В случае раз-
рушения испытуемого узла давление
масла в дублирующем гидроцилиндре
резко возрастает и воздействует на
поршень гидроклапана 13. Происходит
автоматическое торможение падения
платформы. В случае привода от одного
электродвигателя запорный кран 7 за
крыт. Давление в системе контролиру-
ется манометрами 8, 12. Стенд снабжен
устройством 24 для поддержания тре-
буемой температуры рабочей жидко-
сти
Сервогидравлические имитаторы и
испытательные стенды на их основе.
В ряде случаев при проведении испы-
таний необходимо обеспечить одно из
следующих воздействий на деталь или
сборочную единицу: крутящий момент,
сосредоточенную нагрузку, давление,
ускорение, перемещение. При этом ука-
занные воздействия должны изменять-
86
ся во времени, имитируя нагружение
объекта в условиях его эксплуатации.
Эксплуатационное нагружение ос-
новных деталей автомобиля, как прави-
ло, носит случайный характер. Для
воспроизведения случайного процесса
нагружения широкое распространение
получили сервогпдравлпческие имита-
торы (управляемые следящие гидрав-
лические механизмы) в виде сервогид-
равлического регулируемого контура.
Регулируемый контур состоит из от-
дельных автономных блоков (модулей),
выполняющих определенные функции:
насосных станций (гидравлических аг-
регатов) , являющихся источником гид-
равлического давления; распредели-
тельных устройств в виде трубопрово-
дов, шлангов, клапанов, аккумулято-
ров; исполнительных механизмов — ци-
линдров; электронных устройств для
задания, контроля и регулирования
требуемых воздействий.
Модули могут быть собраны в сер-
вогидравлическую модульную испыта-
тельную систему, обеспечивающую ста-
тические, плавно изменяющиеся и ви-
брационные нагрузки. И' сдельных
модулей можно компонс машины
или установки, возможно.- < примене-
ния которых почти неограничены.
В научных, а также производственных
исследованиях использ^ ю спытатель-
Рис. 3.27. Принцип действия канала сер-
вогидравлического цилиндра
ные стенды с многоосевым приложени-
ем нагрузок. Сервогпдравлическая ис-
пытательная система обеспечивает
шесть степеней свободы испытуемого
объекта. В настоящее время сервогид-
равлические имитаторы внедрены на
многих предприятиях автомобильной
промышленности.
Принцип действия канала сервогид-
равлического цилиндра для регулиро-
вания нагрузок, контроля перемещений
или деформаций показан на рис. 3.27.
Масло от гидравлического агрегата 9
под давлением подводится к электро-
гидравлическому сервоклапану 3, кото-
рый закреплен на исполнительном ме-
ханизме в виде гидравлического ци-
линдра двойного действия 4. Выход-
ные каналы электрогидравлического
сервоклапана соединены с надпоршне-
вой и подпоршневой полостями гидрав-
лического цилиндра, который может со-
здавать циклическую знакопеременную
нагрузку на испытуемый образец 5. На-
грузка (сила), прикладываемая к испы-
туемому образцу, преобразуется со-
стоящей из датчика силы 6 и измери-
тельного усилителя 7 измерительной си-
стемой в электрическое напряжение,
пропорциональное испытательной на-
грузке и изображаемое, например, на
осциллографе 8. Действительное значе-
ние измеряемой величины сравнивает-
ся в регулирующем усилителе 2 с за-
данным ее значением, получаемым от
задающего устройства А К сервоклапа-
ну 3 подводится регулирующий сигнал,
пропорциональный разности действи-
тельного и заданного значений регули-
руемой величины.
При использовании поворотных ци-
линдров регулируемым воздействием
является крутящий момент или поворот
(угол закручивания).
Основные требования к агрегатам
сервогидравлических систем: высокая
степень чистоты рабочей жидкости
(масла) и обеспечение’ избыточного
87
Рис. 3.28. Насосная станция сервогидравлической системы
давления в нагнетательной магистрали
во всех циклах рабочего процесса.
Как правило, насосная станция сер-
вогидросистемы комплектуется из не-
скольких масляных насосов. Их можно
подключать одновременно или порознь
в зависимости от необходимой их пода-
чи, соответствующей требуемым режи-
мам нагружения.
Насосная станция представляет со-
бой смонтированный на крышке масля-
ного бака 9 виброизолированный дви-
гатель 2 с прифланцованным к нему на-
сосом 1 (рис. 3.28). С насосом винтами
соединен блок управления 4, включаю-
щий высоконапорный фильтр 5 и
фильтр низкого давления 3, предохра-
нительные клапаны и манометры. Кро-
ме того, на крышке бака находится
охладитель масла 6 с регулятором охла-
ждения воды (термостатом) 7, тер-
мометр 13, температурный выключа-
тель 12, датчик (выключатель) уровня
11, фильтр на вентиляционном отвер-
стии 10, заправочный штуцер 14. Для
поддержания необходимого теплового
режима гидравлического агрегата при-
меняется водяное охлаждение. Пульт
управления 8 снабжен тепловой защи-
той.
Потребители напорного масла в сер-
вогидравлической испытательной систе-
88
ме подключаются к гидравлическим
агрегатам или соответствующим систе-
мам трубопроводов шлангами высокого
давления с помощью присоединитель-
ных клапанов. Управление клапанами
осуществляется автоматически или с
пульта управления. Основной характе-
ристикой клапана является его пропуск-
ная способность, в зависимости от ко-
торой тот или иной клапан использует-
ся в соответствующем силовом контуре
сервогидравлической модульной испы-
тательной системы. Клапаны обеспечи-
вают медленный безударный рост дав-
ления рабочей жидкости при включе-
нии, закрываются в течение нескольких
миллисекунд при воздействии электри-
ческого сигнала о неисправности и обес-
печивают плавное снижение давления'"
рабочей жидкости. В случае обрыва
шланга между присоединительным кла-
паном и цилиндром клапан быстро за-
крывается.
Между цилиндром и сервоклапаном
силового контура испытательной систе-
мы устанавливают клапаны многоцеле-
вого назначения (мультиклапаны) для
защиты объекта испытаний от толчков
Рис. 3.29. Нагружающий гидравлический цилиндр с узлом сервоклапанов:
/ — поршень; 2— гидростатический подшипник; 3—каналы подвода масла к подшипникам, 4 — клапанная
коробка; 5 — пластмассовое покрытие цилиндра, 6— датчик перемещений поршня, 7 — штепсельное соеди-
нение кабеля датчика, 8— гидроаккумулятор напорной магистрали, 9 — масляный фильтр; 10— гидроаккуму-
лятор напорной магистрали; 11 — сервоклапан, 12 — блок подсоединения сервоклапанов
89
при включении регулируемой его защи-
ты от неожиданной перегрузки и быст-
рой разгрузки, защиты нагружающего
цилиндра при динамических испыта-
ниях.
Для обеспечения требуемых воздей-
ствий в сервогидравлической испыта-
тельной системе используют гидроци-
линдры, а также специальные устрой-
ства для непосредственного изменения
давления рабочей жидкости по задан-
ному закону ( например, при испытании
трубопроводов, шлангов, емкостей).
В цилиндрах линейного действия стан-
дартного исполнения (рис. 3.29) усилие
на штоке составляет от 10 кН до 10 МН
при нормальных ходах поршня 40 мм,
100, 250 и 400 мм.
Главные требования к гидроцилин-
драм при испытании деталей и узлов
автомобилей: высокая долговечность и
минимальный гистерезис. Поршень ци-
линдра и корпусы гидростатических
подшипников имеют пластмассовое по-
крытие, предохраняющее их от задиров
при продавливании гидростатических
подшипников в аварийных ситуациях.
Гидростатические подшипники штока
не имеют контактных уплотнительных
элементов. Незначительный объем мас-
ла, «выкатываемого» при движении
штока, отсасывается с помощью не-
большого насоса (так называемого от-
сасывающего устройства).
Благодаря указанным конструктив-
ным особенностям цилиндры практиче-
ски работают без трения скольжения.
Даже при значительных (25 % от но-
минального усилия) боковых нагруз-
ках обеспечивается надежная работа
гидростатических подшипников.
Характеристики гидроцилиндра при
прямом и обратном ходах поршня
практически не имеют гистерезиса. По-
этому регулировочная характеристика
цилиндра зависит главным образом
только от характеристик сервоклапана
Рис. 3.30. Схема испытания объекта встряхи-
ванием
и электрических звеньев регулировоч-
ного контура.
Гидравлический цилиндр — испол-
нительный орган регулируемого сило-
вого контура — имеет встроенный дат-
чик хода поршня. К штоку цилиндра
через датчик и специальные устройства
«ввода усилия» подсоединяется испы-
туемый объект.
Динамические характеристики гид-
роцилиндров зависят от режима испы-
таний (рис. 3.30, 3.31). Обычно цилиндр
создает динамическую полную нагруз-
ку, составляющую 80 % от номи-
нальной.
Узел сервоклапана состоит из дета-
лей, необходимых для снабжения ци-
линдра маслом (рис. 3.32).
Сервогидравлические испытатель-
ные системы всегда работают с обрат-
ной связью, т. е. с замкнутым регули-
рующим контуром. Фактическое значе-
ние регулируемой величины постоянно
измеряется и сравнивается с заданным
ее значением. Регулирующее устрой-
ство должно при отклонении заданного
значения регулируемой величины и при
наличии помех обеспечивать по воз-
можности меньшие отклонения ампли-
90
Рис. 3 31. Схема нагружения объекта при замк-
нутом силовом потоке:
1 — рама; 2 —динамометр, 3 — испытуемая деталь;
4 — нагружающий цилиндр
туды и фазы исполнительного цилинд-
ра и одновременно исключать самовоз-
буждение системы.
Следящее регулирование проявля-
ется в том, что фактическое значение
величины без искажения соответствует
ее временной характеристике. Это, од-
нако, возможно только в пределах опре-
деленного частотного диапазона режи-
ма испытаний, верхний предел которого
зависит от динамических свойств объ-
екта и характеристик испытательной
системы. Соответствие режима нагру-
жения объекта заданному является ме-
рой качества регулирования. Регули-
рующие контуры испытательной систе-
мы обеспечивают многоканальное сле-
дящее регулирование. Это означает,
что несколько цилиндров работают
синхронно или по согласованной про-
грамме. В случае нескольких цилинд-
ров, механически соединенных с испы-
туемым объектом, их работа согласует-
ся ЭВМ с учетом кинематики и
передаточных функций испытуемого
элемента.
В сервогидравлических испытатель-
ных системах измерительные усилите-
ли в сочетании с соответствующими
датчиками преобразуют механические
величины в электрические. Датчик из-
меряемой величины, измерительный
усилитель и индикаторный прибор об-
разуют систему средств измерения.
Стенды для испытания на вибро-
прочность агрегатов и деталей авто-
мобиля. В зависимости от цели и за-
дачи исследования такие стенды фор-
мируют из отдельных блоков — мо-
дулей.
Крепежное поле 1 (рис. 3.33)
Рис. 3.32. Гидравлическая схема двухступенчатого сервоклапана-
/ — масляный насос; 2— электродвигатель; 3— сливная магистраль; 4 — напорная магистраль; 5 —- гидроакку-
муляторы; 6 — сервоклапан, 7 — регулируемый дроссель; 8 — гидроцилиндр, 9 — масляный фильтр
91
Рис. 3.33. Принципиальная схема стенда для
испытаний на вибропрочность агрегатов и дета-
лей автомобиля
представляет собой, как правило, под-
весной фундамент с фундаментными
плитами. На крепежном поле устанав-
ливают объект исследования 4 и нагру-
жающие устройства 2 в виде сервогид-
равлических цилиндров-имитаторов.
Каждый такой цилиндр образует сило-
вой контур, включающий насосную
станцию, комплект арматуры, обеспе-
чивающей подачу рабочей жидкости от
насосной станции к нагружающему ци-
линдру, распределительную колонку,
электронную систему управления с об-
ратной связью Эта система позволяет
нагружать объект с регулированием на-
грузки и контролем деформаций или с
регулированием деформаций и контро-
лем нагрузки. Объект исследования 4
(например, кабину автомобиля) за-
крепляют на раме аналогично ее креп-
лению на автомобиле.
Схему и режим нагружения (на-
правление, амплитуду и частоту воз-
действий) выбирают исходя из предва-
рительных расчетов. В соответствии с
расчетным режимом нагружения раз-
рабатывают конструкции крепежных,
направляющих и компенсирующих бо-
ковые нагрузки на штоки нагружаю-
щих цилиндров устройств. Конструкции
крепежных устройств в виде порталь-
ных кронштейнов, рам, как правило, от-
личаются универсальностью. Их разме-
ры можно регулировать по высоте и
ширине, что обеспечивает требуемые
координаты закрепления нагружаю-
щих устройств и различных объектов
исследования. Компенсирующие устрой-
ства 5 выполняют в виде стержней
«ввода усилия», не допускающих пере-
мещения штока цилиндра, перпендику-
лярные к направлению действия на-
грузки, или в виде специальных пла-
стин.
Для исключения боковых нагрузок
па шток нагружающего цилиндра уста-
навливают специальные «беззазорные»
шарниры. В отдельных случаях обеспе-
чивается шарнирное соединение осно-
вания цилиндра с крепежным полем.
Как правило, шарнирные соединения
используют при невысокой частоте на-
гружения (до 20 Гц). Двойные шарни-
ры для компенсации бокового переме-
щения штока цилиндра применяют
только при знакопостоянных или отну-
левых циклах нагружения.
Стенды для диагностирования тех-
нического состояния автомобилей.
Диагностирование технического состоя-
ния автомобиля, его агрегатов и узлов
без их разборки обычно ведут в процес-
се технического обслуживания автомо-
биля. При диагностировании определя-
ют наиболее важные характеристики:
мощность двигателя, скорость движе-
ния и ускорение автомобиля, путь (вре-
92
мя) разгона и торможения, выбег, рас-
ход топлива и др.
На практике используют комплекс-
ные и простые стенды, позволяющие
проводить диагностирование автомоби-
лей с учетом принятой технологии их
технического обслуживания.
Простые стенды применяют при
оценке одного из исследуемых парамет-
ров автомобиля, комплексные стен-
ды — группы параметров. Комплекс-
ные стенды требуют меньшей произ-
водственной площади, на них легче
осуществить автоматизацию диагно-
стических процессов и сократить время
на диагностирование автомобиля.
Комплексные стенды по. тип}' рабо-
чего органа могут быть платформен-
ные или барабанные.
На рис. 3.34 показан комплексный
стенд для диагностирования техниче-
ского состояния грузовых автомобилей
и автобусов. Механическая часть его
состоит из двух тележек и трансмис-
сии. Стенд размещают на осмотровой
яме. Каждая тележка механической ча-
сти (I — правая, II —левая) включает
два беговых барабана, инерционные
массы, ролики-датчики, тормозные
устройства беговых барабанов и на-
тяжные устройства клиноременной пе-
редачи, смонтированные на одной ра-
ме. Беговые барабаны имеют рифле-
ную поверхность. Ведущие и ведомые
Рис. 3.34. Комплексный стенд для диагностирования технического состояния автомобилей:
Z — пульт проверки системы электрооборудования; 2 — подъемник электромеханический; 3 — инерционная мас-
са правая; 4—муфта выключения; 5—беговые барабаны правые; 6— ролик-датчик правый; 7—тахогене-
ратор; S —фиксирующее устройство; 9— беговые барабаны левые; 10— ролик-датчик левый; И кардан-
ная передача; 121— муфта включения; 13 — редуктор угловой; 14 — датчик индуктивный; 15 — карданная пе-
редача; 16— инерционная масса левая; 17—электротормоз; 13—весовой механизм тормоза; 19 пульт
управления центральный; 20 — электрошкаф; 21 — жидкостный реостат; 22 — расходомер топлива; ^ — осцил-
лоскоп
93
беговые барабаны связаны между со-
бой клиноременной передачей.
Трансмиссия стенда включает на-
Iрузочно-приводное устройство 17,
угловой редуктор 13, муфту включе-
ния 12 и карданные валы 11 и 15.
Приводное и нагрузочное устрой-
ciBa стенда обеспечивают вращение
колес автомобиля на барабанах стен-
да при включенном двигателе и созда-
ние нагрузки на двигатель при провер-
ке тягового усилия на ведущих колесах
автомобиля.
В качестве приводного нагрузочно-
го устройства используется балансир-
ная асинхронная электромашина с
фазным ротором, работающая в двух
режимах: двигателя и генератора.
Управление электромашиной осуществ-
ляется жидкостным реостатом 21.
Между ведущими и ведомыми бего-
выми барабанами установлены ролики-
датчики 6 и 10, которые поджимаются
к колесам автомобиля с заданным уси-
лием. Ролики-датчики предназначены
для определения угла сходимости
управляемых колес автомобиля, пути
разгона, наката и тормозного пути каж-
дого колеса автомобиля. При проверке
схождения колес ролик-датчик переме-
щается вправо или влево под действи-
ем боковой силы. Эти перемещения
фиксируются индуктивным датчиком
14. Внутри каждого ролика-датчика
вмонтированы импульсные дат"пки
пути.
Для определения скорости «движе-
ния» автомобиля на стенде установлен
тахогенератор 7, соединенный муфтой
с беговым барабаном.
На стенде можно измерять расход
топлива на разных режимах, время и
путь автомобиля при разгоне и накате,
тормозной путь, время срабатывания
тормозного привода. Всего на такой
станции можно измерять более 80 пара-
метров технического состояния агрега-
тов и узлов автомобиля.
Поэлементное диагностирование ав-
томобилей проводят на инерционных
стендах с беговыми барабанами и сило-
вых стендах с роликами.
Инерционные стенды с беговыми ба-
рабанами или с ленточным опорно-при-
водным устройством (рис 3.35) могут
иметь привод от колес работающего ав-
томобиля или от электродвигателей.
В стенде с электроприводом колеса ав-
Рис. 3 35. Роликовые (а, б) и ленточный (в) инерционные тормозные стенды
1 — ролик; 2— маховик; 3 — цепная передача; 4 — соединительные электромагнитные муфты, 5 —редук-
тор; 6 — передаточный вал, 7 — электродвигатель, 8— ленты
94
Рис. 3.36. Принципиальная схема роликового
стенда для определения тормозного момента:
Z — приводной двигатель, 2 — опорный ролик; 3—ма-
ховик; 4 — динамометр; 5 — измерительный прибор
Рис. 3.37. Принципиальная схема роликового
стенда для определения мощности двигателя:
/ — динамометр; 2 — спидометр, 3 — опорный ролик;
4 — тормозной ролик; 5 — тормоз
томобиля приводятся во вращение ро-
ликами стенда. В случае привода от
автомобильного двигателя ведущие ко-
леса автомобиля приводят во вращение
ролики стенда, а от них при помощи
механической передачи оно передается
передним (ведомым) колесам.
Тормозной путь на таких стендах
определяют по частоте вращения роли-
ков стенда, фиксируемой счетчиком, а
замедление — с помощью углового де-
селерометра. Возможно и прямое изме-
рение тормозного момента по реактив-
ному крутящему моменту на валу стен-
да между маховиком и барабаном
(рис. 3.36).
Принципиальная схема роликового
стенда для определения мощности дви-
гателя показана на рис. 3.37.
Замер мощности двигателя произ-
водят по следующей схеме (рис. 3.38).
Реактивный момент определяют с по-
мощью пружинных весов 1, соединен-
ных с балансирным рычагом тормоза.
Рычаг в соответствии со значением кру-
тящего момента перемещает движок
потенциометра 2 измерительного кон-
тура. Потенциометр соединен с тахо-
метром 3, расположенным на оси роли-
ка. При подаче напряжения с движка
к измерительному прибору отклонение
Мощность Скорость
Рис. 3.38. Схема замера мощности
двигателя
стрелки будет пропорционально произ-
ведению крутящего момента на угло-
вую скорость вращения вала двигате-
ля, т. е. снимаемой мощности.
3.4. Элементы автоматизированной
системы испытаний
Поскольку из отдельных сервогид-
равлических контуров можно состав-
лять (комплектовать) испытательные
установки практически для решения
любой задачи, становится реальным со-
здание автоматизированных испыта-
тельных систем на базе управляющих
вычислительных комплексов, охваты-
вающих полный цикл испытаний.
95
Если исследуются, например, ха-
рактеристики прочности объекта, пол-
ный цикл испытаний должен включать
регистрацию эксплуатационной нагру-
женности его элементов; анализ реги-
стрируемых данных и формирование
программ испытаний; процесс стендо-
вых испытаний; представление резуль-
татов испытания в виде таблиц,
графиков; выводы о свойствах объ-
екта.
В соответствии с методикой испыта-
ния решают конкретные задачи. На-
пример: экспресс-анализ, регистрацию,
накопление на борту автомобиля или
на стендах информации о реальной на-
груженности его деталей, узлов; моде-
лирование и генерирование программ
ускоренных стендовых испытаний кон-
струкций с использованием информа-
ции, полученной на первом этапе, а
также программно-управляемых моду-
лей; измерение, регистрацию и анализ
исследуемых параметров конструкции,
сравнение их с заданными; формиро-
вание информации взаимодействия
пользователя и системы, а также спе-
циальных режимов функционирования
подсистем в зависимости от задачи ис-
следования или испытания.
Технические средства исполнитель-
ного модуля системы включают:
универсальное крепежное поле (си-
ловой пол со специальным фундамен-
том), комплект приспособлений, обес-
печивающий компоновку всех объектов
испытаний и гидравлических нагружа-
телей;
специальные установки для закреп-
ления испытуемых узлов и многоосно-
го приложения нагрузок к картерам
ведущих мостов, балкам передних осей,
осям прицепов, ступицам колес, дета-
лям рулевой трапеции, элементам опе-
рения, кабины и автомобилю в сборе,
элементам крепления узлов к раме
и др.
Многоосное нагружение обеспечи-
вается с помощью электронно-гидрав-
лических имитаторов (цилиндров).
Электронное управление цилиндрами
позволяет использовать их как авто-
номные установки, а также как комп-
лекс, работающий по согласующей про-
грамме.
Для управления стендом и процес-
сом испытания применяют управляю-
щие вычислительные машины (УВМ),
которые выполняют функции контроля
процесса испытания, запоминания и об-
работки измерительных данных.
Дальнейшее развитие структуры и
методов стендовых испытаний опреде-
ляется комплексным подходом к про-
цессу создания, производства и экс-
плуатации автомобильной техники, при
котором стендовые испытания являют-
ся подсистемой автоматизированного
проектирования этой техники, тесно
взаимосвязанной с теоретическими ис-
следованиями.
На базе постоянного обмена инфор-
мацией с УВМ по результатам испы-
таний создается адекватная расчетная
модель объекта. На основе теоретиче-
ских обобщений, дающих новое пред-
ставление о закономерностях форми-
рования повреждений объекта, разра-
батываются новые методы испытаний.
Накапливаются справочные данные,
включающие условия нагружения, ти-
повые повреждения объекта исследова-
ний, обобщенные характеристики его
долговечности, типовые методики рас-
чета элементов образцов и локальных
моделей, натурных конструкций.
Таким образом, с использованием
управляющих вычислительных комп-
лексов на базе ЭВМ обеспечивается
формирование требуемой надежности
машин.
4 ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ
ТЕХНИКА
4.1. Измеряемые параметры
и требования к измерительной
аппаратуре
Испытания автомобилей связаны с
большим количеством разнообразных
измерений.
Измерение — процесс, заключаю-
чающийся в определении значения фи-
зической величины опытным путем с
помощью специальных технических
средств. Результатом измерения явля-
ется некоторое число принятых для
данной физической величины единиц,
дающее количественную информацию о
свойствах измеряемой физической ве-
личины. Измерительный прибор —
средство измерений, предназначенное
для выдачи количественной информа-
ции об измеряемой величине в доступ-
ной для восприятия форме. Измерения
бывают прямые и косвенные. При пря-
мых измерениях искомые значения ве-
личин определяют непосредственно из
экспериментальных данных. При кос-
венных измерениях значения физиче-
ских величин находят по результатам
прямых измерений других величин,
связанных с искомой известной зависи-
мостью. При проведении испытаний за-
меряют кинематические, силовые, теп-
ловые и другие параметры объектов.
Аппаратура, используемая для из-
мерения и регистрации всего комплек-
са параметров, должна 1) быть вибро-
стойкой, а также надежно работать в
достаточно широком диапазоне темпе-
ратур (±50°C); 2) иметь линейные
характеристики во всем диапазоне из-
менения значений измеряемых вели-
чин; 3) иметь массу и геометрические
размеры, позволяющие размещать ее в
салоне легкового или в кабине грузо-
вого автомобилей; 4) быть не сложной
в управлении и настройке, допускаю-
щей работу с ней оператора средней
квалификации; 5) обеспечивать одно-
временную синхронную регистрацию
параметров большого числа процессов.
4.2. Измерительно-информационные
системы.
Классификация и метрологические
характеристики
Измерительно-информационная сис-
тема (ИИС) — комплекс устройств
для получения, преобразования и вы-
дачи измерительной информации.
Возрастающая сложность автомо-
билей, повышение требований к каче-
ству их работы, усложнение условий
эксплуатации вызвали увеличение объ-
ема и необходимость ускорения процес-
са получения измерительной информа-
ции при испытаниях объектов. Это
обусловливает развитие техники изме-
рений, совершенствование измеритель-
ных приборов и измерительно-инфор-
мационных систем, автоматизацию из-
мерений и обработки их результатов.
Условиями обеспечения высокого
качества получаемой информации
являются правильный выбор метода
97
измерения и измерительной схемы, учет
погрешностей отдельных элементов из-
мерительной системы с оценкой сум-
марной погрешности измерительной
схемы в целом, соблюдение техниче-
ских правил работы применяемых
устройств.
Информационно-измерительные сис-
темы в зависимости от вида
выходного сигнала делятся на
два класса: аналоговые и дискретные.
Аналоговые ИИС выдают результат из-
мерения в виде непрерывного во време-
ни сигнала, а дискретные ИИС — в ви-
де множества значений некоторой ве-
личины через определенные временные
или другие интервалы.
По принципу измерения
ИИС разделяют на механические, гид-
равлические, пневматические и элект-
рические. Они могут иметь один или не-
сколько каналов измерения, давать
мгновенное значение измеряемой вели-
чины, вычислять ее среднее или сум-
марное за опыт значение и т. д.
На современном этапе развития из-
мерительной техники, применяемой при
испытаниях автомобилей, наибольшее
распространение получили электриче-
ские измерительные устройства. Они
позволяют выполнять дистанционные
синхронные измерения различных ве-
личин в разных узлах автомобиля, осу-
ществлять функциональное преобразо-
Рис. 4 1 Структурная схема измерительно-
информационной системы
вание сигналов в процессе измерения
при удобстве конструктивного исполне-
ния, унификации и универсальности.
Работают указанные измерительные
устройства по принципу электрических
измерений неэлектрических величин,
т. е. информация о значениях измеряе-
мых величин различной физической
природы преобразуется в электриче-
ские сигналы.
Входным звеном ИИС (рис. 4.1)
является преобразователь 1. Электри-
ческий сигнал, пропорциональный зна-
чению измеряемой механической вели-
чины, поступает на промежуточный
преобразователь 2. Здесь происходит
масштабное преобразование сигнала и
компенсация его температурной и по-
стоянной составляющих. Нормализо-
ванный сигнал по линии связи 3 (токо-
съемник, кабель или телеметрическая
система) поступает на усилитель 4 и
далее на функциональный преобразо-
ватель 5. Окончательный результат из-
мерения выдается на устройство хране-
ния п выдачи информации 6 (осцилло-
граф, магнитограф, показывающий
прибор, печатающая машинка, блок
памяти и т. д.). Для управления и конт-
роля за работой ИИС в ее состав, как
правило, входят пульт управления 7, а
также блок питания 8.
Описанная обобщенная схема изме-
рений справедлива для электрических,
механических, гидравлических и про-
чих измерительных устройств, а также
отдельных приборов.
Результат измерения любой величи-
ны должен иметь критерий точности.
Измерение, точность которого нельзя
оценить, не имеет смысла. В практиче-
ских измерениях истинное значение из-
меряемой величины не может быть
определено абсолютно точно в силу по-
грешностей измерительных приборов,
обусловленных рядом факторов: осо-
бенностями прибора, скоростью изме-
нения измеряемой величины, влиянием
98
внешних магнитных и электрических
полей, колебаний напряжения питания,
температуры и влажности воздуха
и т. п. Погрешность (точность) измери-
тельной системы или прибора оценива-
ется разностью между показаниями
прибора и истинным значением изме-
ряемой величины.
Средства измерений (СИ) характе-
ризуются статическими и динамически-
ми погрешностями.
Составляющими статической по-
грешности СИ являются основная и до-
полнительная погрешности. Основная
погрешность характеризует работу СИ
в нормальных условиях, оговоренных
техническими условиями (ТУ) завода-
изготовителя. Она обусловлена неиде-
альностью функций преобразования
СИ. Дополнительная погрешность СИ
связана с отклонением внешних факто-
ров от нормируемых в ТУ.
Абсолютная погрешность СИ — наи-
большая (по абсолютной величине)
разность показаний прибора и действи-
тельного значения измеряемой величи-
ны, полученная в условиях плавного
увеличения или уменьшения значений
этой величины. Действительное значе-
ние измеряемой величины определяет-
ся по показаниям образцового прибора.
Для оценки точности СИ использу-
ют его приведенную погрешность — от-
ношение абсолютной погрешности из-
мерения к максимальному значению
шкалы или диапазону измерения дан-
ным прибором.
Средства измерений различают по
классу точности.
Класс точности СИ — обобщенная
характеристика, определяемая его пре-
дельно допустимыми основной и допол-
нительной погрешностями, влияющими
на точность измерений. Общетехниче-
скпе приборы всех видов бывают четы-
рех классов точности (0,2; 0,5; 1,5;
2,5), электроизмерительные приборы —
восьми (0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5;
2,5; 4,0).
В основную погрешность СИ входят
ее систематическая и случайная со-
ставляющие.
Вариация показаний приборов от-
носится к случайным погрешностям.
Она характеризуется наибольшей раз-
ностью показаний данного прибора и
образцового при многократных повтор-
ных статических измерениях (см. гл. 5).
Амплитудные и фазовые искажения
сигнала в измерительных системах и
приборах вызывают динамические по-
грешности СИ. Характер и величина
динамических погрешностей полно-
стью определяются соответствующи-
ми характеристиками измерительных
устройств.
Динамическая характеристика из-
мерительной системы или прибора по-
казывает амплитудные и фазовые иска-
жения изменяющегося во времени сиг-
нала при прохождении его через ИИС.
Динамические характеристики ИИС
бывают полными и частичными. Пол-
ная динамическая характеристика нор-
мируется по характеристике переход-
ного процесса и частотной характери-
стике ИИС (амплитудно-частотной и
амплитудно-фазовой.)
Числовыми оценками отдельных ди-
намических свойств системы являются
частные динамические характеристики:
время реакции, коэффициент демпфи-
рования, постоянная времени, значение
амплитудно-частотной характеристики
на резонансной частоте, резонансная
частота собственных колебаний сис-
темы.
43. Преобразование механических
величин в электрические
Классификация преобразователей.
Под преобразователем понимается
устройство, служащее для первичного
преобразования измеряемой неэлектрп-
99
ческой величины в связанную с ней
функциональной зависимостью элект-
рическую величину.
Преобразователи классифицируют
по различным признакам. Ниже приве-
ден один из вариантов их классифи-
кации.
По назначению различают
преобразователи механических, тепло-
вых, акустических, световых, химиче-
ских и других величин. При испытаниях
автомобилей наибольшее распростра-
нение получили преобразователи меха-
нических величин — перемещений, ско-
ростей, ускорений, сил, давлений, на-
пряжений.
По принципу преобразова-
ния измеряемой неэлектри-
ческой величины в электри-
ческую выделяют генераторные пре-
образователи, в которых измеряемая
неэлектрическая величина преобразу-
ется в ЭДС или силу тока, и парамет-
рические преобразователи, где неэлект-
рическая величина обусловливает
изменение одного или нескольких па-
раметров электрической цепи (сопро-
тивление, емкость, индуктивность,
взаимоиндуктивпость).
Преобразователи классифицируют
также по физическому прин-
ципу работы (изменение сопротив-
ления проволоки при ее деформации,
гальваномагнитные и индукционные яв-
ления, пьезоэлектрический, фотоэлек-
трический, магнитоупругий эффекты
и др.).
Наряду с термином «преобразова-
тель» в технической литературе исполь-
зуется и термин «датчик». Под датчи-
ком будем понимать конструктивно за-
конченный преобразователь, предназна-
ченный для выполнения определенных
функций (датчик давления, датчик ско-
рости, датчик ускорения и т. п.) безот-
носительно к заложенному в нем физи-
ческому принципу преобразования ве-
личин. Когда необходимо указать и фи-
зический принцип их преобразования,
в название датчика включают соответ-
ствующее определение (например, пье-
зоэлектрический датчик ускорений
и т. д.).
Преобразователи должны удовлет-
ворять следующим основным требова-
ниям: иметь необходимую чувствитель-
ность и стабильность работы, допускать
широкий динамический диапазон изме-
нения входной величины. Установка
преобразователя на объекте измерения
не должна существенно влиять на изме-
ряемую величину. Как правило, масса
датчика должна быть в 10 и более раз
меньше массы исследуемого объекта.
Для измерения одних и тех же ме-
ханических величин могут быть исполь-
зованы датчики с различными физиче-
скими принципами работы, не всегда
равнозначные по точности измерений,
чувствительности и т. д. Ниже рассмат-
риваются только те преобразователи
механических величин, которые нашли
широкое распространение при испыта-
ниях автомобилей.
Резистивные преобразователи. Это
наиболее простые преобразователи:
реостатные, тензоэлектрические и кон-
тактные. Наибольшее распространение
получили преобразователи первых двух
типов.
Реостатные преобразователи — это
реостаты, движок которых перемещает-
ся при изменении измеряемой неэлек-
трической величины. Входная величина
такого преобразователя — перемеще-
ние движка, а выходная — изменение
сопротивления.
Реостатные преобразователи изго-
тавливают либо в виде намотанных на
каркас обмоток из изоляционного ма-
териала, либо реохордного типа. Для
изготовления реостатов часто приме-
няют константановую и манганиновую
проволоку.
Индуктивное сопротивление рео-
статных преобразователей обычно ма-
юо
ло, вследствие чего реактивное их со-
противление можно не принимать во
внимание для частот изменяемого сиг-
нала порядка 10...100 кГц.
Недостатком реостатных преобразо-
вателей (за исключением преобразова-
телей реохордного типа) является
дискретность работы — непрерывному
изменению измеряемой величины соот-
ветствует ступенчатое изменение сопро-
тивления, равное сопротивлению одно-
го витка. Это вызывает определенную
погрешность измерений, уменьшаю-
щуюся с увеличением числа витков пре-
образователя. Общее число витков
преобразователя должно быть не ме-
нее 100...200.
Тензорезисторы представляют собой
резисторы, сопротивление которых из-
меняется с изменением их линейных
размеров под действием внешних фак-
торов. Работа тензорезисторов основа-
на на явлении тензоэффекта: измене-
нии сопротивления проводников и по-
лупроводников при их механической
деформации.
Тензорезисторы бывают проволоч-
ные, фольговые и полупроводниковые.
Геометрические размеры тензорезисто-
ров первых двух типов изменяются при
их деформации. Основную роль в обра-
зовании электрического сигнала в по-
лупроводниковых тензорезисторах иг-
рает изменение их удельного сопротив-
ления под действием механической на-
грузки.
При линейном напряженном состоя-
нии чувствительность как металличе-
ских, так и полупроводниковых тензо-
резисторов оценивается коэффициентом
тензочувствительности k, определяе-
мым тензоэффектом.
Для выявления физического смысла
коэффициента k воспользуемся зависи-
мостью омического сопротивления про-
водника R от его геометрических раз-
меров и свойств материала: R = pl/A,
где р — удельное электрическое сопро-
тивление материала проводника; / —
длина проводника; А — площадь попе-
речного сечения проводника. При де-
формации тензорезистора изменяются
все перечисленные параметры, т. е.
R=Hl, рМ)-
Элементарное приращение сопро-
тивления тензорезистора при его де-
формации выражается полным диффе-
ренциалом
dR = -£-dl— ^dA + — dp. (4.1)
A A2 A
Относительное изменение площади
поперечного сечения проводника
dA d (nr2) g dr
A nr2 r
Поскольку коэффициент Пуассона
— ldr/(rdl),
~ = ~ 2|iy, (4.2)
где dl/l — относительная деформация
тензорезистора.
Зависимость удельного сопротивле-
ния проводника от его продольной де-
формации определяется уравнением
Де-Фореста dp/p = vdl/l, где v — коэф-
фициент изменения удельного сопро-
тивления проводника.
Согласно соотношениям (4.1) и
(4.2), основное уравнение характери-
стики тензорезистора
T_(l+2|. + v)T_«T.
или в конечных величинах
дя _ , д/
— К ' .
R I
где коэффициент тензочувствительно-
сти тензорезистора
^ = l + 2n+v=(A7?/7?)/(AZ/Z).
Проволочный тензорезистор (рис.
4.2) представляет собой решетку 1 из
проволоки диаметром 0,02...0,05 мм, на-
ми
Pre. 4.2. Устройство проволочного тензорезис-
тгра
клеенную на основу 2 из тонкой бума-
ги или лаковой пленки. Сверху ее за-
крывают такой же бумагой или плен-
кой 3. В качестве материала для
проволоки используется чаще всего
константан, характеризующийся доста-
точно большим коэффициентом тензо-
чувствительности и малым температур-
ным коэффициентом сопротивления.
Проволочные тензорезисторы выпол-
няют с базой (длиной петли) /б = 5...
30 мм. Тензорезисторы с базой 5...7 мм
называют малобазными и используют
главным образом в местах концентра-
ции напряжений в исследуемых де-
талях.
Коэффициент тензочувствительно-
сти проволочных тензорезисторов, вы-
полненных из константановой проволо-
ки, составляет 2 ±0,2, номинальный
рабочий ток — примерно 30 мА, макси-
мальные деформации не должны пре-
вышать 0,3 %.
Условное обозначение проволочных
тензорезисторов состоит из букв и
цифр, например 2ПКП-5-50Г, 2ПКБ-20-
200Х и т. д. Первая буква (П) указы-
вает, что решетка выполнена из про-
волоки; вторая буква (К — констан-
тан) — материал проволоки; третья (Б
или П) — материал основы (бумага
п.ш пленка). Следующие за буквами
цифры показывают длину базы и номи-
нальное сопротивление решетки, по-
следняя буква (Г пли X) — температу-
ру наклейки (X—не более 30 °C, Г —
че более 180 °C).
Одним из параметров тензочувствн-
тельной решетки является расстояние
между витками. Это расстояние опре-
деляет при заданных габаритах тензо-
резистора число витков и, следователь-
но, сопротивление, а также допусти-
мый ток, который ограничивается тем-
пературой самонагрева тензорезистора
и будет тем меньше, чем меньше рас-
стояние между витками. Кроме того,
сопротивление тензорезистора изменя-
ется за счет деформации витков шири-
ной b при действии сил, перпендикуляр-
ных к оси чувствительности тензорези-
стора (продольной оси тензорезистора,
параллельной виткам решетки). Для
проволочных тензорезисторов отноше-
ние поперечной к продольной чувстви-
Рис. 4.3. Конструкции решеток фольговых тензорезисторов
102
тельности определяется отношением
Ь//б и составляет не более 0,02.
Фольговый тензорезистор в отличие
от проволочного имеет решетку из по-
лосок фольги прямоугольного сечения
толщиной 4... 12 мкм, которые наносят
на лаковую основу. Благодаря боль-
шой площади контакта полосок с объ-
ектом измерения теплоотдача фольго-
вого тензорезистора значительно выше,
чем проволочного, что позволяет уве-
личить силу тока, протекающего через
тензорезистор, до 0,5 А и тем самым
повысить чувствительность измери-
тельной схемы.
Другим преимуществом фольговых
тензорезисторов является возможность
изготовления решеток сложного про-
филя, которые в наибольшей степени
удовлетворяют условиям измерений.
Так, прямоугольные решетки (рис.
4.3, а) наиболее подходят для измере-
ния линейных деформаций, розеточные
(рис. 4.3, б) —крутящих моментов на
круглых валах, а мембранные (рис.
4.3, в) — для наклейки на мембраны.
Примеры обозначений фольговых
тензорезисторов: 2ФКПА-10-100Х,
2ФКРБ-5-50Г, 2ФКМВ-30-200Г. Первая
буква указывает тип тензорезистора
(Ф — фольговый), вторая — материал
решетки (К — константан), третья —
тип тензорезистора (П — прямоуголь-
ный, Р — розеточный, М — мембран-
ный, С — специальный), четвертая (А,
Б. В, Г, Д) — принадлежность тензоре-
зпстора к подгруппе. Остальные цифры
и буквы показывают то же, что и в
условном обозначении проволочных
тензорезисторов. В обозначении мем-
бранных тензорезисторов вместо длины
базы указывается диаметр тензорези-
стора в миллиметрах.
Полупроводниковый тензорезистор
представляет собой тонкую полоску из
полупроводникового материала с про-
водимостью п- и p-типа. Из полупро-
водниковых материалов используют в
основном кремний и германий, отли-
чающиеся высокой тензочувствитель-
ностью, химической инертностью, спо-
собностью выдерживать нагрев до
500...540 °C.
Для получения полупроводника с
«-проводимостью в кремний или герма-
ний, относящиеся к элементам четвер-
той группы по валентности, добавляют
примесь — элемент пятой группы (на-
пример, сурьму), который обеспечивает
избыток электронов в полупроводнике,
создавая электронную (отрицатель-
ную) проводимость. Полупроводник с
р-проводимостью получают введением
примеси третьей группы валентности
(например, индия). Такой полупровод-
ник имеет дырочную (положительную)
проводимость.
Коэффициент тензочувствительно-
сти полупроводникового тензорезисто-
ра, а также удельное его сопротивление
зависят от концентрации примесей.
Тензоэффект при растяжении полупро-
водника «-типа отрицательный, а р-ти-
па — положительный.
Рис. 4.4. Конструкции полупроводниковых тензорезисторов-
1 — выводы из золота; 2— из меди (размеры указаны в мп тллметрах)
103
Тензорезисторы типа КТД имеют
р-проводимость, а типа КТЭ •— «-про-
водимость. Выводы таких тензорезисто-
ров (рис. 4.4, а) имеют два участка.
Полоска из золота служит для соеди-
нения с материалом полупроводника, а
с помощью второй (из меди) осуществ-
ляется монтаж измерительных схем.
Коэффициент тензочувствительности
указанных тензорезисторов— 120+20,
номинальный ток— 15 мА, диапазон
рабочих температур — —160... + 300 °C.
Для измерения деформаций в мес-
тах повышенной концентрации напря-
жений могут быть использованы мало-
габаритные кремниевые тензорезисто-
ры серии Ю-8 с базой, равной 2 мм
(рис. 4.4, б).
Полупроводниковые тензорезисторы
имеют ряд существенных преимуществ
по сравнению с рассмотренными выше:
чувствительность их при меньших раз-
мерах в 50...60 раз превышает чувстви-
тельность проволочных, а высокий уро-
вень выходного сигнала в ряде случаев
позволяет записывать сигнал без ис-
пользования усилителей.
К недостаткам полупроводниковых
тензорезисторов следует отнести их ма-
лые механическую прочность и гиб-
кость. Большую тензочувствительность
этих тензорезисторов реализовать до-
вольно сложно из-за нелинейности ха-'(
рактеристики, высокой их чувствитель-
ности к воздействию внешних факторов
(температуры, освещения и т. д.) и су-
щественного разброса характеристик
от образца к образцу.
Наклейка тензорезисторов — про-
цесс, требующий точности и аккурат-
ности при выполнении отдельных тех-
нологических операций. Технологиче-
ский процесс наклейки тензорезисторов
состоит из следующих операций: вы-
бора и проверки тензорезисторов; под-
готовки поверхности детали; выбора
клея и составления клеевой компози-
ции; непосредственной наклейки тензо-
резисторов на деталь; термообработки
пакленных тензорезисторов; контроля
качества наклейки; герметизации па-
кленных тензорезисторов.
Тип применяемых тензорезисторов,
их конфигурация, геометрические раз-
меры и сопротивление зависят от раз-
меров и формы испытуемой детали, ви-
да и характера измеряемой деформа-
ции. Каждый тензорезистор из числа
отобранных подвергают осмотру и про-
верке. Затем замеряют сопротивление
тензорезисторов и группируют их по
минимальному его разбросу.
Наиболее ответственными опера-
циями являются подготовка поверхно-
сти детали, на которую наклеиваются
тензорезисторы, обеспечение чистоты
склеиваемых поверхностей и исполь-
зуемых химикатов.
Поверхность детали в месте наклей-
ки тензорезисторов шлифуют до шеро-
ховатости с /?а=2,5...1,25 мкм шкуркой
№ 8... 12. Полированные поверхности
также шлифуют. Поверхности детали и
тензорезисторов обезжиривают хими-
чески чистым ацетоном, а затем 96 %-м
этиловым спиртом. Подготовленную
для наклейки деталь обычно нагревают
до температуры 50...70 °C. Для при-
клеивания тензорезисторов применяют
1) клеи: ацетоноцеллулоидный, бутва-
рофенолоформальдегидный БФ-2, эпок-
сидный Д-86 (при измерениях харак-
теристик быстропротекающих процес-
сов при невысоких температурах),
циакриновый, высокотемпературные
В-12, В-15 и В-58; 2) лаки: винилфлек-
совыё ВЛ-7, ВЛ-9 и ВЛ-931 (жест-
кие— при измерениях характеристик
низкочастотных процессов), кремненнт-
роглифталевый 192Т, фуриловый Ф-7Т;
3) цементы: высокотемпературный
кремнийорганический Ц-7-165-32, тер-
моцемент Б-56.
Сначала на детали делают размет-
ку схемы наклейки тензорезисторов.
Технология наклейки зависит от типа
104
детали, вида основы тензорезистора и
от применяемого клея. После наклей-
ки тензорезистор защищают от дей-
ствия влаги, теплоты и от механиче-
ских повреждений. В качестве гидро-
изоляции используют различные масти-
ки, эпоксидную смолу, клеи 88,
ГМ.Н-301 или лак 1201 с наполнителем.
Гидроизоляцию наносят по мере ее вы-
сыхания слоями толщиной до 2...3 мм.
Затем место наклейки закрывают фет-
ром, забинтовывают и закрашивают.
Для устранения местных напря-
жений из-за неравномерного высы-
хания клея под основой тензорези-
стора последний подвергают «трени-
ровочной работе», прикладывая не-
сколько раз к детали циклическую
нагрузку, значение которой изменя-
ется от нулевого до максимального.
Емкостные преобразователи. В ос-
нову работы этих преобразователей
положена зависимость изменения ем-
кости электрического конденсатора
при воздействии на него измеряемой
величины. Емкость плоского конден-
сатора (рис. 4.5, а) определяется соот-
ношением C=e&A[d, где еа — абсо-
лютная диэлектрическая проницае-
мость среды между пластинами; А —
площадь обкладок конденсатора
(A=-bh); d — расстояние между об-
кладками.
В зависимости от того, на какой па-
раметр влияет измеряемая вели-
чина, емкостный преобразователь мо-
жет работать с изменением площади
А, расстояния между пластинами d
или диэлектрической проницаемо-
ст и еа-
Наиболее широко емкостные пре-
образователи используют для измере-
ния перемещений и величин, воз-
действие которых легко преобразо-
вать в перемещение. Если обозначить
емкость конденсатора в начальный
момент Со, а в момент измерения Сь
то изменение его емкости составит
АС= Со— Ci — SgAjd.
Наряду с плоскими конденсатора-
ми для измерения перемещений при-
меняют цилиндрические конденсато-
I
'I
Рис. 4.5. Принципиальные схемы емкостных преобразователей
105
ры (рис. 4.5, б), в которых имеются
два концентрических цилиндра, сдви-
гающиеся относительно друг друга.
Внутренний цилиндр отделен от внеш-
него диэлектриком с большой ди-
электрической проницаемостью. Ем-
кость его определяется выражением
С=2зтеа//1п (Оп/Оп),
а изменение емкости при смещении
внутреннего цилиндра па А/
ДС =
2ле I
а
ЬрнМ)
А/.
Таким образом, для обоих преоб-
разоват-елей характерна линейная за-
висимость приращения емкости АС
от АД или А/.
Принцип действия преобразовате-
лей с переменным зазором показан
на рис. 4 5, в. Абсолютное прираще-
ние емкости конденсатора
еа4 Ad
d d4- Ad’
а относительное — AC/C=Ad/(d± Ad)
(знак плюс соответствует уменьше-
нию емкости, а минус — увеличению).
При изменении зазора не более
чем на 5 % (Admax= ±0,05d) относи-
тельное приращение емкости прак-
тически равно относительному изме-
нению зазора независимо от направ-
ления перемещения подвижного
электрода.
Примером емкостного преобразо-
вателя с переменным зазором между
элы тродами является конденсатор-
ный микрофон для измерения звуко-
вого давления.
Емкость вышеперечисленных пре-
образователей мала и обычно состав-
ляет несколько десятков или сотен пи-
кофарад. Для уменьшения емкостного
сопротивления и увеличения мощно-
сти преобразователей их включают в
измерительные цепи, работающие на
переменном токе высокой частоты.
К преимуществам емкостных пре-
образователей относятся простота и
надежность конструкции, высокая
чувствительность, линейность харак-
теристики при измерении перемеще-
ний от сотых долей микрометра до
десятков миллиметров. Недостатки
емкостных преобразователей: погреш-
ность, обусловленная паразитными ем-
костями соединительных проводов и
других элементов цепи, что требует
тщательного экранирования этих эле-
ментов, а также относительная слож-
ность устройства и настройки измери-
тельной цепи.
Пьезоэлектрические преобразова-
тели. Работа пьезоэлектрических пре-
образователей основана на использова-
нии пьезоэлектрического эффекта. Он
проявляется в способности некоторых
материалов при механическом нагру-
жении образовывать электрические за-
ряды (прямой пьезоэффект), а при
приложении электрического поля ме-
ханически деформироваться (обрат-
ный пьезоэффект).
Количественно пьезоэффект оцени-
вается пьезомодулем а — коэффици-
ентом пропорциональности между воз-
никающим зарядом Q и приложенной
силой F: Q = dF.
К природным материалам, облада-
ющим пьезоэлектрическими свойства-
ми, относятся кварц и турмалин. Наи-
более широко используется кварц,
имеющий удовлетворительные пьезо-
электрические свойства, большое
электрическое сопротивление, а так-
же высокую механическую прочность
и линейность характеристики в широ-
ком диапазоне изменения нагрузки
вплоть до разрушающей.
Для обеспечения наибольшего
пьезомодуля кварцевую пластинку вы-
резают из монокристалла таким обра-
зом, чтобы наибольшая ее грань была
106
Рис 4.6. Схема ориентации пластины пьезо-
элемента в кристалле кварца (а) и соедине-
ние пьезоэлементов в преобразователе (б)
перпендикулярна к кристаллографиче-
ской оси X (рис. 4.6, а), являющейся
электрической (или пьезоэлектриче-
ской) осью. Ребро а вырезанной пря-
моугольной пластднки параллельно
оси X, ребро h — оптической оси Z, а
ребро b — оси У, называемой также
механической осью.
При нагружении такой пластинки
силой F в направлении оси X на ее
гранях образуется заряд Qi = dnFx,
определяемый только приложенной
силой и не зависящий от геометриче-
ских размеров пластинки (продоль-
ный пъезоэффект). Если пластинку
подвергнуть сжатию в направлении
оси У, на тех же гранях вновь появит-
ся заряд противоположного знака
(поперечный пьезоэффект). Заряд при
этом Q2=dnbFy!a зависит от отноше-
ния Ь/а. Путем соответствующего вы-
бора этого отношения можно изме-
нять чувствительность преобразова-
теля. При механическом воздействии
на пластину в направлении оси Z за-
ряд не появляется.
Для увеличения заряда преобра-
зователь набирают из нескольких (п)
пластин, которые механически соеди-
няют последовательно, а электриче-
ски— параллельно (рис. 4.6, б). В
этом случае суммарный заряд Qe =
= hQi. На практике обычно измеряют
не заряд, а напряжение на конденса-
торе, образуемом гранями пластины:
U=QJCR=dxxFIC^ (Сд—емкость кон-
денсатора) .
Наряду с указанными выше при-
родными кристаллами в технике нахо-
дят применение и искусственные кри-
сталлы: сегнетовая соль, дигидрофос-
фат калия и др. В последние годы
широкое распространение получили
сегнетоэлектрики в виде пьезокерамик
титаната бария и его композиций. Все
они по сравнению с кварцем имеют
более высокие пьезомодуль и механи-
ческую прочность и, кроме того, могут
быть изготовлены любой формы и раз-
меров.
Пьезоэлектрические преобразова-
тели пригодны для измерения сил,
давления и других величин, являю-
щихся характеристиками силовых воз-
действий.
Электромагнитные преобразовате-
ли. Эти преобразователи представля-
ют собой один или несколько конту-
ров, находящихся в магнитном поле,
которое может быть создано как тока-
ми, протекающими по контурам, так и
внешним источником. Термин «электро-
магнитные преобразователи» объеди-
няет четыре основных типа преобра-
зователей: индуктивные, трансформа-
торные, магнитоупругие и индукцион-
ные. Во всех этих преобразователях
используется зависимость характери-
стики магнитной цепи (магнитного со-
противления 7?м, магнитной проницае-
мости [I, магнитного потока Ф и др.)
от механического воздействия на эле-
менты этой цепи.
Наибольшее применение при испы-
таниях автомобилей получили индук-
тивные и индукционные преобразо-
ватели.
В индуктивных преобразователях
под воздействием измеряемой не-
электрической величины изменяется
индуктивное сопротивление электри-
107
Рис. 4.7. Конструкции (а—в) и схемы включения (г—е) индуктивных преоб-
разователей
ческой цепи, в которую включен пре-
образователь.
Индуктивный преобразователь
представляет собой дроссель с изме-
няющимися воздушным зазором б
(рис. 4.7, а) или площадью А попе-
речного сечения магнитопривода (рис.
4.7, б). Выходным параметром являет-
ся изменение индуктивности L (или
полного сопротивления Z) обмотки,
надетой на сердечник.
В случае небольшого зазора б ин-
дуктивность дросселя (без учета реак-
тивного сопротивления, обусловленно-
го потерями на вихревые токи и ги-
стерезис)
L — wZ ________w'2
₽'ж + «0 *ж/(КжЛ) + 2б/(РоЛо) ’
где W — число витков обмотки; /?ж,
Ro — магнитное сопротивление соот-
ветственно сердечника и воздушного
зазора; /ж — средняя длина магнитной
силовой линии в ярме и якоре; А, Ао —
площадь сечения соответственно
сердечника и воздушного зазора; цж,
ц0 — магнитная проницаемость мате-
риала сердечника и воздушного за-
зора.
Когда магнитное сопротивление
воздушного зазора значительно боль-
ше сопротивления магнитопровода,
т. е. Ro^Rw,
L = Wl0p0/(26).
Отсюда видно, что зависимость ин-
дуктивности катушки L от зазора б
существенно нелинейна. Линейность
се имеет место при условиях Дб<^б и
26/ (щЛо) (риЛ).
Полное сопротивление обмотки
преобразователя
Z= (R^+^L2)1/2,
108
где R — активная составляющая со-
противления; <в — круговая частота
переменного тока.
Соответственно ток в обмотке
/=г7/(/?2 + (!)2£2)1/2.
Таким образом, относительное из-
менение Z и 1 будет тем больше,
чем меньше сопротивление R, т. е. чем
выше добротность катушки Q = coT/7?.
Чувствительность индуктивного
преобразователя
Sr=lFWo/(262),
т. е. обратно пропорциональна квадра-
ту ширины зазора. Поэтому индуктив-
ные преобразователи особенно чувст-
вительны при малых зазорах и реаги-
руют при их изменении на 0,1...0,5 мкм.
Диапазон измеряемых перемещений —
0,01...2 мм. При большем зазоре зави-
симость L = f(6) становится нелиней-
ной. Поэтому при измерении больших
перемещений (до 5...8 мм) используют
преобразователи с регулируемой пло-
щадью поперечного сечения магнито-
провода (рис. 4.7, б), характеристики
которых ближе к линейным.
Широкое распространение получи-
ли также индуктивные преобразовате-
ли соленоидного типа с разомкнутой
магнитной цепью (рис. 4.7, в). В этих
преобразователях изменение индук-
тивности обмотки вызывается переме-
щением в катушке ферромагнитного
сердечника. При введении сердечника
внутрь катушки индуктивность ее из-
меняется приблизительно пропорцио-
нально массе введенного внутрь об-
мотки сердечника:
L = p>i;lC2 (Пг—П[) ///к,
где Di, D2 — внутренний и наружный
диаметры катушки; 1К— длина катуш-
ки; I—длина введенного в отверстие
катушки ферромагнитного сердечника.
Преимуществом соленоидных пре-
образователей является возможность
измерения больших перемещений (до
200 мм).
Одно из основных достоинств ин-
дуктивных преобразователей — воз-
можность получения большой мощно-
сти на выходе (до 1...5 В-А), что
позволяет пользоваться малочувстви-
тельными указателями и регистрирую-
щими приборами без предварительно-
го усиления сигнала.
Недостаток рассмотренных преоб-
разователей — наличие на выходе по-
стоянной составляющей сигнала. Для
ее компенсации применяют мостовые
(рис. 4.7, г — е) или дифференциаль-
ные схемы, в которых обмотки вклю-
чают навстречу друг другу. Мостовые
и дифференциальные схемы имеют бо-
лее широкий линейный участок рабо-
чей характеристики, в два раза боль-
шую чувствительность и меньшую по-
грешность, чем схема с одним преоб-
разователем.
Работа индукционных преобразо-
вателей основана на использовании
явления электромагнитной индукции.
Согласно закону электромагнитной
индукции, ЭДС в катушке определяет-
ся зависимостью Е= — Wd(p/dt, где
W — число витков катушки; Ф— маг-
нитный поток. Таким образом, выход-
ной величиной индуктивного преобра-
зователя является ЭДС, а входной —
скорость изменения магнитного пото-
ка. Учитывая это обстоятельство, ин-
дукционные преобразователи приме-
няют непосредственно для измерения
скорости перемещений. Для измерения
перемещений или ускорений в измери-
тельную цепь вводят соответственно
интегрирующую или дифференцирую-
щую цепь.
На рис. 4.8 представлены простей-
шие схемы преобразования линейной
(а) и угловой (б) скоростей переме-
щений.
В первом случае при относитель-
на
Рис. 4.8. Принципиальные схемы индукцион-
ных преобразователей
ном перемещении постоянного магни-
та и катушки со скоростью v индуци-
руемая ЭДС
Ду
Е = WBlv = WBl—,
dt
где IE — число витков катушки; В —
индукция поля магнита; I — длина
проводника, пересекающего поле; х—
относительное перемещение катушки.
Схема, изображенная на рис. 4.8, б,
характерна для тахогенератора, ис-
пользуемого в качестве преобразова-
теля при измерениях частоты враще-
ния. Мгновенное значение ЭДС на вы-
ходе преобразователя
Е=B/IEosin (2nnt),
где I — длина витка катушки; v— ли-
нейная скорость вращения катушки;
п — частота вращения катушки.
Для повышения чувствительности
преобразователя целесообразно уве-
личивать число витков катушки, по-
кольку индуцируемая ЭДС прямо про-
порциональна Ж Однако при этом не-
обходимо учитывать, что простое уве-
личение числа витков при заданном
сечении катушки возможно только за
счет уменьшения диаметра проволоки,
что связано с увеличением сопротив-
ления катушки R. Последнее же не мо-
жет быть сколько угодно большим, а
должно соответствовать входному со-
противлению измерительных и регист-
рирующих приборов, которые подклю-
чают к выходу индукционного преоб-
разователя.
4.4. Включение преобразователей
- в измерительные цепи
Преобразователи различных типов,
включают в измерительные цепи. Наи-
более широко используются измери-
тельные цепи последовательного вклю-
чения, потенциометрические (в виде
делителей) и мостовые.
В цепи последовательного включе-
ния (рис. 4.9, а) вводят генератор-
ные преобразователи (пьезоэлектриче-
ские и индукционные). Они характе-
ризуются выходной ЭДС Е, являю-
щейся функцией входной величины х,
и полным внутренним сопротивлением
Z,-. ^Максимальная мощность, которую
может отдать преобразователь 1 в ре-
жиме короткого замыкания: Рк.з=
— E^fZi. Мощность Рн, отдаваемая ге-
нераторным преобразователем на вход
усилителя или регистрирующего .при-
бора 2, имеющих входное сопротивле-
ние Zn, определяется мощностью корот-
кого замыкания Рк,3 и безразмерным
коэффициентом ц. Если принять, что
сопротивления нагрузки и преобразо-
вателя активные,
где т] — коэффициент, характеризую-
щий эффективность использования
возможностей генераторного преобра-
зователя: 1]=7?гРп/(/?1 + Рн)2.
Отсюда следует, что максимальная
мощность Рн, отдаваемая генератор-
ным преобразователем нагрузке Zb, а
следовательно, и максимальная эф-
фективность преобразования ц дости-
гаются при Zh=Z;.
В ряде случаев приходится созна-
тельно отступать от условия согласо-
вания преобразователя и нагрузки ра-
ди уменьшения тех или иных погреш-
ностей измерительной аппаратуры.
Пьезоэлектрический и индукционный
110
Рис. 4.9. Схемы включения преобразователей
преобразователи обладают реактив-
ными внутренними сопротивлениями,
что приводит к зависимости выходно-
го сигнала от частоты изменения вход-
ной величины х. При этом для пьезо-
электрических преобразователей ха-
рактерна частотная погрешность в
области низких частот входной величи-
ны, а для индукционных — в области
высоких частот. Уменьшение частот-
ных погрешностей в обоих случаях до-
стигается при RU^>Z,.
Параметрические преобразователи
включают, как правило, в потенцио-
метрические и мостовые цепи.
Сопротивление параметрического
преобразователя является функцией
измеряемой величины (R—f(x)) и мо-
жет быть выражено как R = R0 + &R,
где Ro — начальное значение сопро-
тивления; ДД — приращение сопротив-
ления в результате воздействия изме-
ряемой величины х.
Потенциометрическая схема (рис.
4.9, б) включает источник питания, ге-
нерирующий ЭДС Е, и два последова-
тельно включенных преобразователя,
полное сопротивление которых Zx и Z2,
или один преобразователь с'сопротив-
лением Z2 и резистор с сопротивлени-
ем R\. В случае использования двух
преобразователей их устанавливают
на исследуемом объекте таким обра-
зом, чтобы при одном п том же значе-
нии входной величины их выходные
сигналы имели разные знаки. При ак-
тивных сопротивлениях преобразова-
телей и их изменении соответственно
+ Д/?1 и — Д/?2 входное напряжение на
резисторе нагрузки /?п (при условии
Д/7 = E(RlbR2+Rz&Ri)/[(Ri+R2)2 +
+ (/?! +Д2) (Л^2 — A^?l) г
Когда /?[ = /?2 = Д и |Д/?1| =
= |ДД2|=ДД,
ill
A.U=0,5E (A.R/R).
Потенциометрические схемы ха-
рактеризуются зависимостью i\U от
относительного изменения сопротивле-
ния e = AR/R (рис. 4.9, в, a=RB/R).
Для обеспечения линейности характе-
ристики приходится отказываться от
согласования нагрузки. Измеритель-
ные приборы с малым сопротивлением
нагрузки (а<10) необходимо исполь-
зовать при небольших изменениях со-
противления AR, соответствующих на-
чальному участку характеристики.
Существенным недостатком рас-
сматриваемой схемы является наличие
на ее выходе значительной постоянной
составляющей напряжения, чго за-
трудняет непосредственное измерение
малых AU. Этот недостаток при изме-
рении переменных величин устраняет-
ся с помощью разделительного кон-
денсатора С (см. рис. 4.9, б), отделяю-
щего постоянную составляющую на-
пряжения.
Более совершенной является мосто-
вая схема включения преобразовате-
лей (рис. 4,9, г). Существуют два ме-
тода измерений с помощью мостовых
схем: нулевой и метод разбаланса.
При нулевом методе разбаланс мо-
ста, вызванный приращением сопро-
тивления преобразователя, компенси-
руется изменением сопротивления дру-
гого плеча до тех пор, пока указатель
измерительного прибора, включенного
в диагональ моста cd, не установится
на нуль. Об изменении значения изме-
ряемой величины судят по уравнове-
шивающему сопротивлению дополни-
тельно введенных резисторов. Преиму-
ществом метода является высокая
точность и возможность его использо-
вания при малых изменениях сопро-
тивления преобразователей; недостат-
ком — невозможность применения при
замерах динамических нагрузок.
При измерениях методом разба-
ланса изменение значения измеря-
емой величины оценивают по отклоне-
нию указателя измерительного прибо-
ра. Метод разбаланса универсален,
пригоден как для статических, так и
динамических измерений с использо-
ванием регистрирующих приборов, од-
нако он менее точен (точность обыч-
но не превышает ±1 %).
Для исключения начальной по-
стоянной составляющей напряжения
на выходе схемы мост должен быть
уравновешен. Условием равновесия яв-
ляется соотношение RiRi=R2Rs. При
выполнении этого условия разность
потенциалов и ток в измерительной
диагонали cd будут равны нулю.
Выходной ток мостовой цепи опре-
деляется выражением
/г = £(/?1/?4-/?2/?3)/[/?г(/?1 + /?2)(/?з +
+ R'l) ERlR2(RsER4) +^3^4(^l + ^2)] ,
где Е — напряжение питания моста;
Rr — сопротивление измерительного
прибора.
Часто в качестве указателя степени
разбаланса используют напряжение в
измерительной диагонали cd. При под-
ключении к указанным точкам вольт-
метра с большим входным сопротивле-
нием (/?->оо) напряжение сигнала на
выходе моста в случае полной симмет-
рии и включении преобразователя в
одно плечо (Л?1)
AUl = EAR/(4R).
Если преобразователи включены в
два смежных плеча и Ri при входном
воздействии увеличивается, а /?2 умень-
шается (схема полумоста),
AUZ=EAR/(2R).
При четырех преобразователях,
включенных во все плечи (схема пол-
ного моста), напряжение на выходе
моста
au4=ear/r.
112
Pul 4 10 Схемы балансировки мостов по-
стоянного (а) и переменного (б) тока
Мостовые измерительные цепи мо-
гут питаться как от источника посто-
янного тока, так и переменного.
Мосты постоянного тока включают
только резисторы с активным сопро-
тивлением, поэтому их балансировка
(первоначальное уравновешивание) не
представляет трудностей. Балансиров-
ка производится с помощью низкоомно-
го резистора с сопротивлением /?б
(рис. 4.10, а). Сопротивление потенцио-
метра выбирают из условия перекры-
тия возможного диапазона начального
разбаланса моста. Схемы на постоян-
ном токе нечувствительны к распреде-
ленным электрическим емкостям, вно-
сящим дополнительные погрешности
(распределенные емкости — это пара-
зитные емкости преобразователей от-
носительно чувствительного элемента
и емкости проводов относительно смеж-
ных проводов, экрана и земли). Кроме
того, схемы на постоянном токе мало-
чувствительны к промышленным шу-
мам — паводкам переменного тока про-
мышленной частоты. Поэтому в изме-
рительных схемах па постоянном токе
экранировать провода не требуется, что
является их преимуществом в сравне-
нии со схемами переменного тока.
Мосты переменного тока несколько
сложнее мостов постоянного тока. Но
так как некоторые преобразователи
(электромагнитные, емкостные) не мо-
гут работать при питании постоянным
током, мосты переменного тока находят
достаточно широкое применение.
Схемы на переменном токе чувстви-
тельны к распределенным электриче-
ским емкостям. Эти емкости обуслов-
ливают искажение результатов изме-
рений в тем большей степени, чем выше
частота переменного тока питания мо-
ста. Поэтому частоту тока следует вы-
бирать наименьшей, но не менее чем
в 5 раз превышающей основные часто-
ты исследуемого процесса.
При работе измерительных схем на
переменном токе значительные искаже-
ния в исследуемый процесс вносят на-
водки промышленной частоты. Для их
уменьшения применяют экранирован-
ные кабели, соединяющие усилитель с
преобразователями, оплетку их тща-
тельно заземляют. Балансировка моста
переменного тока (рис. 4.10, б) связа-
на с компенсацией как активной, так
и реактивной составляющих сопротив-
ления преобразователя. При этом из-
мерительный мост приходится уравно-
вешивать как по амплитудам,так и по
фазам. Реактивная составляющая со-
противления плеч моста компенсирует-
ся с помощью потенциометра с сопро-
тивлением Rc. При балансировке моста
переменного тока производят прибли-
жение к нулю выходного сигнала U
последовательной регулировкой с по-
мощью потенциометров, имеющих со-
противления /?б и Rc.
4.5. Усилители
Мощность измерительного сигнала,
поступающею от преобразователя к ре-
гистрирующему прибору, в ряде случа-
ев оказывается недостаточной для его
регистрации, поэтому измерительный
сигнал приходится усиливать. Выбор
усилителя определяется частотой реги-
стрируемых процессов, их числом и тре-
буемым коэффициентом усиления. В из-
113
мерительной технике применяют усили-
тели постоянного и переменного тока.
Усилители постоянного тока (УПТ)
по сравнению с усилителями перемен-
ного тока имеют ряд положительных
качеств. Они отличаются простотой схе-
мы и удобством управления, могут ра-
ботать как с параметрическими, так и
с генераторными датчиками. Рабочая
полоса частот усиливаемого сигнала —
до 20 кГц. Это позволяет использовать
данные усилители при исследовании
как статических, так и динамических
процессов. В схеме усилителя отсут-
ствуют реактивные элементы (конден-
саторы и катушки индуктивности), по-
этому при усилении сигнала нет частот-
ных и фазовых искажений. При отсут-
ствии мощных источников помех вход-
ные кабели, соединяющие усилитель с
преобразователями, могут быть не-
экранированными и иметь большую
длину.
Основным недостатком рассматри-
ваемых усилителей является значитель-
ный «дрейф нуля» во времени и в зави-
симости от температуры. Это обстоя-
тельство долгое время сдерживало при-
менение этих усилителей. Однако
последние достижения электроники
позволили разработать усилители по
двухтактной дифференциальной схеме
с симметричными входом и выходом,
характеризующиеся незначительным
«дрейфом нуля». В настоящее время
выпускаются трех- и десятиканаль-
ные тензоусилители «ТОПАЗ-1» и
«ТОПАЗ-2», имеющие малые габари-
ты и массу. При незначительной по-
требляемой мощности эти усилители
вибростойки и надежны в работе, что
обеспечивает широкое их применение
при дорожных испытаниях автомоби-
лей. Недостатком подобных усилите-
лей является малый выходной ток (не
более 12 мА).
Усилители переменного тока отли-
чаются от УПТ отсутствием «дрейфа
нуля» и возможностью их работы с ин-
дуктивными преобразователями. Одна-
Табл. 41. Характеристики некоторых типов тензоусилителей
Характеристика ТА-5 8АНЧ-7М ТОПАЗ-1 ТОПАЗ-2 KWS 673. D8 (ФРГ)
Число каналов 4 8 10 3 6
Несущая частота, кГц 7 3,5 — —. 5
Диапазон частот регистрируе- 0...1000 0...500 0...800 0...800 0...1000
мых сигналов, I ц
Предельная измеряемая отно- 1 0,5 0,5 0,5 0,5
сительная деформация, %
Сопротивление тензорезнсто- 100...400 200...400 100...800 100...800 40...1400
ров, Ом
Напряжение питания тензо- 6 7; 14 9 9 1; 2,5; 5
моста, В
Максимальный выходной ток, 35 30 12 12 20
мА
Максимальное выходное на- пряжение, В — — — •— 10
Напряжение питания, В
переменное ПО; 220 НО; 220 -— — 220
постоянное — —- 10,5...15 10,5...15 11,5...30
Потребляемая мощность (ток) 120 В А 270 В А 1,5 А 1,5 А 20 В • А
Масса прибора, кг 14 45 10,2 6,2 16,5
114
Рис. 4.11. Функциональная схема усилителя переменного тока, работающе-
го на несущей частоте (а), п временные диаграммы его работы (б, в)
ко они обладают теми же недостатка-
ми, что и мосты переменного тока. Хо-
рошие характеристики имеют широко
распространенные четырехканальный
усилитель ТА-5, восьмиканальный
8АНЧ-7М, двенадцатиканальный
УТС1-ВТ-12 и усилители KWS фирмы
НВМ (ФРГ) (табл. 4.1).
На рис. 4.11, а представлена функ-
циональная схема усилителя перемен-
ного тока. Генератор G вырабатывает
переменный ток с частотой в несколь-
ко килогерц (несущая частота) и пи-
тает мост, состоящий из преобразова-
телей, наклеенных на деталь. Графи-
ки, поясняющие получение модулиро-
ванного сигнала на выходе моста, при-
ведены на рис. 4.11, б. Напряжение на
выходе генератора Ur питает мостовую
схему. В результате изменения сопро-
тивления преобразователей, вызванно-
го воздействием измеряемой величины
x(t), имеет место разбаланс моста и в
диагонали измерительной схемы со-
здается напряжение переменного тока
несущей частоты. Амплитуда этого на-
пряжения изменяется припорциональ-
но изменению сопротивления преобра-
зователей с частотой, соответствующей
частоте исследуемого процесса. На вы-
ходе мостовой схемы модулируется
сигнал с постоянной частотой колеба-
ний и переменной амплитудой Uv. Мо-
дулируемый сигнал через входной
115
трансформатор поступает на вход
предварительного усилителя (ПУ) и
далее в масштабный усилитель (МУ),
где происходит его масштабирование
Балансировка моста достигается по-
дачей на вход предварительного усили-
теля компенсирующего напряжения с
выхода генератора, значение которого
задается с помощью потенциометра R.
Масштабный усилитель включает сту-
пенчатый переключатель диапазона
измерений (грубая настройка), а так-
же потенциометр для плавного измене-
ния коэффициента усиления (точная
настройка). После масштабирования
сшнал поступает в фазочувствитель-
пый детектор (ФД). Одновременно
туда же подается сигнал и о г генера-
тора несущей частоты, преобразован-
ный в формирователе импульсов (ФИ)
в прямоугольные импульсы, сдвинутые
на полупериод по фазе. Это напряже-
ние «управляет» работой диодов ФД,
и детектор работает как выпрямитель.
Форма'сш нала (7ф л на выходе фазо-
чувствительного детектора показана
на оис. 4 11, в. Фильтр низких частот
(ФНЧ) пропускает лишь ток низкой
частоты и выделяет, таким образом,
усиленный сигнал от преобразовате-
лей. Усилитель мощности (УМ) фор-
мирует на выходе сигнал как по на-
пряжению U, так и по току I
Итак, схема усиления сигналов не-
сущей частоты состоит из четырех ос-
новных элементов: модулятора, роль
которого выполняет мостовая схема,
питаемая переменным током; обычного
усилителя переменного тока с узкой
полосой пропускания; детектора и филь-
тра, осуществляющих процесс демоду-
ляции сложного сигнала.
Перспективной является импульс-
ная тензометрия. Питание тензомоста
одноканального импульсного тензоме-
трического усилителя (рис. 4.12, а) про-
изводится от генератора прямоуголь-
ных импульсов G. Напряжение разба-
Рис 4 12 Функциональная схема одноканально-
ю импульсного тензо усилителя (а) и времен-
ные диаграммы его работы (б)
лапса тензомоста, вызванное воздей-
ствием измеряемой величины x(t), мо-
дулируется импульсным усилителем
(ПУ) и подается на управляемый де-
тектор (УД). Управление пиковым де-
тектором производится короткими им-
пульсами от генератора управляющих
импульсов (ГУП).
При измерении не постоянной во
времени величины напряжение на за-
поминающем конденсаторе (С) пико-
вого детектора ступенчато изменяется
116
и через усилитель постоянного тока
(УПТ) подается на регистрирующие
приборы. Временные диаграммы изме-
нения напряжений в различных эле-
ментах импульсного усилителя показа-
ны на рис. 4.12, б. Здесь x(f) —изме-
ряемая величина; UT — напряжение пи-
тания моста; Дм — выходное напряже-
ние моста; Uy — импульсы управления
детектором; Uc — напряжение на входе
усилителя постоянного тока.
Одними из основных преимуществ
аппаратуры импульсной тензометрии
являются ее повышенная чувствитель-
ность и относительно небольшое по-
требление энергии. Особенно заметно
эти преимущества проявляются в мно-
гоканальных устройствах, где удается
легко осуществить временное разделе-
ние каналов. Это позволяет значитель-
но уменьшить взаимное влияние кана-
лов, повысить точность измерений, со-
четать работу аппаратуры с работой
ЭВМ и осуществлять передачу инфор-
мации по одной линии связи.
Многоканальная радиотелеметричес-
кая тензостанция (рис. 4.13) имеет пе-
редающую и приемную части. Первая
предназначена для выработки радио-
импульсов, временной интервал между
которыми пропорционален измеряемой
с помощью датчиков величине. Прием-
ная часть разделяет сигналы по кана-
лам, дешифрует временные интервалы
в напряжение для его регистрации.
В передающую часть входят такто-
вый генератор 1, который обеспечивает
запуск генераторов импульсов (G) пи-
тания мостовых измерительных схем
(М) с помощью распределителя им-
пульсов 2. Сигналы от мостовых изме-
рительных схем поступают в усилитель
разбаланса 3 и далее в преобразова-
тель 4. Он осуществляет модуляцию и
преобразование сигнала к виду, наибо-
лее удобному для передачи (во времен-
ной интервал между радиоимпульса-
ми), и передает сигнал в передатчик 5.
В приемной части радиосигнал, вос-
принимаемый приемником 6, поступает
в коммутатор 7, который производит
дешифрацию принятой информации и
распределение ее по каналам. Каждый
канал имеет преобразователь сигналов
разбаланса (П), принцип работы кото-
рого такой же, как и одноканального
импульсного тензоусилителя. От преоб-
разователей сигналы поступают на рс-
шетраторы (Р).
Диапазоны частот регистрируемых
сигналов для многоканальной и одно-
канальной радиотелеметрическпх тен-
Рис 4 13 Функциональная схема mhoiоканальной радиотеле-
метрической тензостанцич
117
зостанций одинаковы. При этом потреб-
ление энергии многоканальными тен-
зостанциями (например, шестиканаль-
ными) всего на 30 % больше. Это
подтверждает целесообразность при-
менения источников импульсного пи-
тания в тензометрических установках.
4.6. Регистрирующая аппаратура
Общие сведения. При испытаниях
автомобилей, их узлов и агрегатов ин-
формация, поступающая от различных
преобразователей, должна быть пере-
работана, классифицирована и пред-
ставлена в виде, удобном для работы
с ней. В некоторых случаях при изме-
рении постоянных величин, характери-
зующих установившиеся процессы, до-
статочно показаний стрелочных прибо-
ров. При неустановившихся процессах
информацию можно подать на устрой-
ства обработки (классификаторы, ана-
лизаторы, режимомеры и т. д.) или за-
писать на осциллографы, магнитогра-
фы и т. д. Устройства для непо-
средственной обработки информации
позволяют получать необходимые ре-
зультаты сразу после окончания изме-
рений, но они не дают полного пред-
ставления об исследуемом процессе.
Устройства записи хранят информа-
цию в полном объеме, и ею можно вос-
пользоваться в любое время для по-
следующей обработки.
Осциллографы. Это приборы маг-
нитоэлектрической системы, которые с
помощью специальных чувствительных
элементов (гальванометров) регистри-
руют на светочувствительной бумаге 7
электрические сигналы. Число одновре- ‘
менно анализируемых процессов (кана-
лов) может быть более 20 (их количе-
ство определяется числом гальваноме-
тров) .
Осциллограф состоит из пяти функ-
циональных устройств: гальванометра,
преобразующего с помощью подвиж-
ного зеркальца колебания электриче-
ского сигнала, подаваемого на него, в
колебания светового луча; оптической
системы для образования и передачи
светового луча на зеркальце гальвано-
метра и от него на светочувствитель-
ную бумагу; лентопротяжного механиз-
ма с кассетой для светочувствительной
бумаги; устройства отметки времени на
фотобумаге; механизма развертки для
визуального анализа характеристик ис-
следуемого процесса.
В светолучевом осциллографе
(рис. 4.14) луч света от лампы 3, прой-
дя через линзу 4 конденсора и линзу 10,
попадает на зеркальце 11 гальваномет-
ра. От зеркальца луч через линзы 10
и 16 отражается на движущуюся све-
точувствительную бумагу 2, намотан-
ную на кассету 1. Скорость движения
бумаги можно изменять с помощью
коробки скоростей. Часть светового лу-
ча, идущего от гальванометра, отсека-
ется зеркальцем 15, проходит через
линзу 9 и попадает на вращающийся
зеркальный барабан 8 механизма раз-
вертки. От граней барана луч отража-
ется на цилиндрический матовый эк-
ран 7 и дает на нем изображение ха-
рактеристики исследуемого процесса,
которое можно наблюдать в зеркале 5
!Б 15 13
Рис. 4.14 Принципиальная оптическая схема
магнитоэлектрического осциллографа
118
Табл. 4.2. Технические характеристики осциллографов
Показатель Осциллограф
Н117 I Н109 Н700 Н041 К12-22 К26-22
Количество гальва- 12 20 14 16 12 20
нометров Интервал отметок 0,002.. 2 0,01...1 0,005...0,1 0,01...1 0,1 .1,0 0,01...1
времени, с Ширина фотоленты, 35.. 120 120...300 120 60...120 120 200
мм Длина фотоленты, м 25 25 12 20 20 30
Скорость протяжки 0,5 ..10 000 12 ..2500 2,5...2500 2,5...2500 0,81...1000 1...2500
фотоленты, мм/с Напряжение пита- 220 220 27* 27* 27* 27*
ния, В Масса, кг 30 51 ,18 18 15 27
* Постоянный ток.
через окно 6 в корпусе осциллографа.
Кроме светового луча, воспроизво-
дящего исследуемый процесс, к фото-
пленке направляется также луч от от-
метчика времени. Штриховой отметчик
состоит пз двух дисков 14 с радиаль-
ными щелевыми окнами, щелевой диа-
фрагмы 13 и зеркальца 12. Диски 14
насажены на один вал и приводятся во
вращение от электродвигателя. Число
окон в дисках разное, количество сов-
падающих окоп устанавливается по же-
ланию оператора. Соответственно ли-
нейный луч отметчика будет прочерчи-
вать на осциллограмме одну или не-
сколько линий за один оборот дисков.
Основные технические характери-
стики осциллографов, наиболее часто
применяемых при испытаниях автомо-
билей, приведены в табл. 4.2.
Наиболее важным узлом светолуче-
вого осциллографа является гальвано-
метр. Магнитоэлектрические гальвано-
метры, применяемые в светолучевых ос-
циллографах, классифицируют 1) по
конструктивному оформлению (авто-
номные гальванометры, в корпус кото-
рых помещена магнитная система;
гальванометры-вставки с общей маг-
нитной системой); 2) по конструкции
подвижной части (петлевые с подвиж-
ной частью в виде проволочной петли,
рамочные с подвижной частью в виде
рамки, подвешенной на растяжках);
3) по виду успокоения (на четыре груп-
пы: с жидкостным успокоением, магни-
тоиндукционным обмоточным, магни-
тоиндукционным каркасным, с комби-
нированным успокоением).
Устройство петлевого гальваномет-
ра (рис. 4.15, а) следующее. В узком
зазоре сильного постоянного магнита 4
помещена бифилярная петля 2 из про-
волочной нити толщиной в несколько
сотых долей миллиметра. Нити петли
расположены на близком расстоянии
одна от другой и с обоих концов опира-
ются на призмы 1 из изоляционного
материала. Концы нитей припаяны к
контактам 5. Со стороны петли нити
натягивает пружина 6. Посередине ни-
тей к обоим их ветвям приклеено зер-
кальце 3 площадью около 1 мм2. Петля
вместе с зеркальцем образуют подвиж-
ную систему гальванометра.
Если через петлю пропустить элек-
трический ток, то в результате взаи-
модействия электромагнитного поля
нитей петли с полем, создаваемым по-
стоянным магнитом, создается враща-
119
Рис. 4.15. Устройство магнитоэлектрических
гальванометров:
а — петлевого; б — рамочного
ющий момент, поворачивающий зер-
кальце на угол, соответствующий зна-
чению протекающего тока. Повороту
подвижной системы противодействует
момент, определяемый жесткостью ни-
тей петли.
Внутри герметичного цилиндриче-
ского корпуса рамочного гальваномет-
ра (рис. 4.15, б) на бронзовой растяжке
1, закрепленной в корпусе, прикрепле-
на очень легкая миниатюрная рамка 3,
на которую намотано от 1,5 (в высоко-
частотных гальванометрах) до 500 (в
низкочастотных высокочувствительных
гальванометрах) витков медного изо-
лированного провода. Натяжение рас-
тяжки обеспечивается пружиной 4.
К верхней части растяжки приклеено
зеркальце 2. В корпусе гальванометра
напротив зеркальца имеется отверстие
для прохода светового луча, в которое
вставлена плосковыпуклая линза.
Качество магнитоэлектрических
гальванометров характеризуется сле-
дующими основными параметрами:
1) чувствительностью к току S =
= Ah/Ai, где Л/г — отклонение светово-
го луча на длине 1 м, мм; At — ток, вы-
звавший это отклонение, мА. Так как
в различных осциллографах расстояние
от гальванометра до фотоленты раз-
лично, чувствительность гальваномет-
ров относят к длине луча в 1 м. Чувст-
вительность современных гальваномет-
ров— от 1 до 1000 мм/(мА-м);
2) частотой собственных колебаний
f0. Она колеблется в пределах от 20 до
7000 Гц. Чем выше чувствительность
гальванометра, тем меньше частота его
собственных колебаний;
3) рабочей полосой частот тока, т. е.
интервалом частот, в котором чувстви-
тельность гальванометра отличается от
его чувствительности на нулевой часто-
те не более чем на 5 %;
4) добротностью A = чем выше
чувствительность и частота собствен-
ных колебаний, тем лучше гальвано-
метр.
Петлевые гальванометры имеют
меньшую чувствительность, но более
широкую рабочую полосу частот тока
и используются для записи его высоко-
частотных колебаний. Рамочные высо-
кочувствительные гальванометры ино-
гда используют для записи процессов
по безусилительной схеме.
Технические характеристики неко-
торых гальванометров приведены в
табл. 4.3.
При выборе типа гальванометра для
регистрации исследуемого процесса сле-
дует руководствоваться следующими
основными принципами.
Гальванометр выбирают так, чтобы
верхняя граница его частотного диапа-
зона была в 10 раз больше частоты
основной гармонической составляющей
регистрируемого процесса. В этом слу-
чае амплитудная погрешность будет со-
ставлять не более 1 %.
Чувствительность гальванометра
должна быть такой, чтобы обеспечива-
ло
Табл. 4.3. Технические характеристики гальванометров
Показатель Гальванометр
НУ-8455 типа I НУ-8457 типа III НУ-8460 типа VI М001-1А М001-4 М001-002 М1012-300 М1015-2500 М1015-15000
Чувствитель- ность, мм/(мА • м) 0,23 2,5 600 420 1,8 18 000 150 6,0 0,22
Частота собст- венных колеба- нии зеркальца, Гц 6500 1500 80 120 2500 20 300 2500 15 000
Рабочий диа- пазон частот, Гц 0. ..500 0.. .150 0...30 0...48 0...800 0.. .12 0...180 0...1500 0...9000
Внутреннее сопротивление, Ом 16 8 48 35 15 120 60 300 300
Максимальная сила тока, мА 30 15 0,2 0,3 50 0,007 0,8 14 30
;юсь желаемое отклонение светового
луча под действием регистрируемого
сигнала. При этом очень важно учи-
тывать максимальный допустимый ток,
чтобы исключить перегрузку гальвано-
метра. Максимальное допустимое от-
клонение луча на фотопленке при по-
стоянном токе /imax=S7-Zmax, при пере-
менном — /lmax = 1,41Sj/max-
Следует учитывать, что чем больше
отклонение луча, тем больше степень
его расфокусировки при перемещении
из одного крайнего положения в другое
п тем больше погрешность измерения.
Практика осциллографпрованпя пока-
зывает, что для получения достаточно
четкой, с минимальными погрешностя-
ми записи отклонение луча не должно
превышать 50 мм.
Важно также правильно согласо-
вать сопротивление гальванометра RF
с сопротивлением цепи /?ц, в которую он
включается. Рассмотрим различные ва-
рианты согласования этих сопротивле-
нии при условии,'что напряжение источ-
ника сигналов Uc не превышает макси-
мального допустимого напряжения
гальванометра Йг.
Если сопротивление /?Г>РЦ, после-
довательно с гальванометром включа-
ют дополнительный резистор с сопро-
тивлением РДоп=^г—(рис. 4.16, а).
При этом чувствительность гальвано-
метра как по току, так и по напряже-
нию не изменяется.
Если Рц>Рг, для их согласования
необходимо шунтировать гальванометр
резистором (рис. 4.16, б), сопротивле-
ние которого Рш = /?ц/?г/(Ац — Rr). При
наличии шунта чувствительность галь-
ванометра как по току, так и по напря-
жению уменьшается:
S; = SjRJiR. + /?ш);
RrR,. + Rw (Rr -1- Ru)
Если гальванометр работает совме-
стно с усилителем, необходимо обеспе-
чить оптимальную нагрузку усилителя
и силу тока, позволяющую получить
достаточное отклонение луча. В этом
121
в
Рис. 4.16. Варианты согласования сопротивле-
ния гальванометра с сопротивлением внешней
цепи
случае между усилителем и гальвано-
метром подключают цепочку из трех
резисторов (рис. 4.16, в), сопротивле-
ния которых:
— ^z(l—&) (^ = /l/(<Sj/max) !
k(Rll~Rn)(RT+RK) _
Rli-',-RII~^(Rr+RK)’
Яз=(1-&) (Rz-RJ/k,
где Rn — выходное сопротивление уси-
лителя; h — требуемое отклонение све-
тового луча на фотоленте; /щах — мак-
симальный выходной ток усилителя;
RH — оптимальное сопротивление на-
грузки усилителя; RK — внешнее успо-
каивающее сопротивление гальвано-
метра.
Магнитографы. Магнитографами
называют регистрирующие приборы
для записи измерительной информации
на магнитную ленту. Широкое их при-
менение при испытаниях автомобилей
обусловлено удобством использования,
возможностью работы в широком диа-
пазоне изменения значений температу-
ры, высокой точностью регистрации из-
меряемых параметров, большими плот-
ностью и длительностью записи. Кроме
того, параметры, записанные на магни-
тографе, можно многократно воспро-
изводить, легко передавать в ЭВМ или
электронные анализаторы для дальней-
шей обработки результатов испытаний.
В основе работы магнитографов ле-
жит принцип записи сигнала с помо-
щью частотной модуляции (ЧМ). Ча-
стотная модуляция представляет собой
воздействие сигнала низкой частоты
(регистрируемого процесса) на пере-
менный ток высокой частоты (несущей
частоты), при котором амплитуда тока
высокой частоты остается неизменной,
но частота его колебаний изменяется
в зависимости от тока низкой частоты.
В основном используется широко-
полосная ЧМ-запись, поскольку она
характеризуется меньшим искажением
сигнала и более высокой помехозащи-
щенностью при изменениях скорости
движения магнитной ленты. Широко-
полосная ЧМ-запись имеет глубину мо-
дуляции ±40 %. Глубина модуляции —
безразмерный параметр, выражающий
степень изменения частоты несущего
сигнала при воздействии на него реги-
стрируемого процесса с максимальной
амплитудой. Частотно модулированная
запись позволяет регистрировать про-
цессы весьма малой частоты. Основ-
ным недостатком ЧМ-записи является
относительно узкий частотный диапа-
зон регистрируемых сигналов, который
ограничивается по максимуму несущей
частотой.
Магнитографы позволяют также
регистрировать сигналы в режиме не-
посредственной, или прямой, записи
(ПЗ). В этом случае на магнитную
ленту записывается непосредственно
входной сигнал, как в обычном магни-
тофоне. Прямая запись немодулирован-
ных сигналов с высокочастотным под-
магничиванием производится в тех слу-
чаях, когда входные процессы являют-
ся широкополосными. По сравнению с
122
Рис. 4.17. Функциональная схема матитографа
другими методами ПЗ имеет наиболь-
шую разрешающую способность. Не-
достатки ее — ограничение нижней гра-
ницы диапазона частот регистрируемо-
го сигнала (около 300 Гц) и большая
погрешность воспроизводимых сигна-
лов по сравнению с ЧМ-записью.
В 14-канальном магнитографе
(рис. 4.17) сигнал каждого канала за-
писывается на отдельную дорожку на
магнитной ленте. Магнитограф состоит
из следующих основных функциональ-
ных узлов: блоков записи и воспроиз-
ведения информации, комментаторско-
го усилителя, генератора образцовой
частоты и блока компенсации. Блок за-
писи предназначен для преобразования
входного сигнала путем широкополос-
ной частотной модуляции, усиления
сигнала и записи его на магнитную
ленту. При прямой записи сигнал сра-
зу же через усилитель поступает на го-
ловки магнитной записи. Кроме того,
в блоке предусмотрены вспомогатель-
ные выходы из каждого канала для
непосредственного соединения с входом
блока воспроизведения. Блок воспро-
изведения обрабатывает ЧМ-сигнал,
считываемый с магнитной ленты, про-
пуская его через демодулятор и фильтр.
При переключении скорости воспроиз-
ведения происходит автоматическое
переключение демодулятора и фильт-
ра. Генератор образцовой частоты
предназначен для получения высокоча-
стотного сигнала подмагничивания и
подачи его на вход усилителя записи
в период, когда магнитограф работает
123
Табл. 4.4. Технические характеристики магнитографов
Харака еристнка НО-36 (СССР) ТЕСЛА Е AM-500 (Чехослова- кия) ТЕАС R-570 (Япония) ТЕАС MR-30C (Япония) Брюль и Къер 700В (Дания)
Количество дорожек 7 14 13 7 4
Ширина магнитной ленты, 12,7 25,4 12,7 3,81 6,25
ММ
Число скоростей записи 4 5 6 6 2
Скорость движения ленты, см/с Полоса регистрируемых ча- стот, кГц, при максимальной скорости ленты: 4,76...38,1 4,76...76,2 4,76...152,4 1,2...38,1 3,81; 38,1
прямая запись 0,3. 16 0,3...120 — •— 0,004...60
ЧМ-запись 0...4 0...10 0...20 0...5 0...12,5
Колебания скорости маг- нитной ленты, % 0,4 0,2...0,5 0,4...1,0 0,4...1,0 0,5; 0,7
Напряжение питания, В 220 220 220 220 220
27 27 11...30 6,5...15
Потребляемая мощность, Вт 300 200 400 30 12
Масса, кг 109 86 78 11,5 8,8
Примечание В знаменателе указано напряжение питания при постоянном токе
в режиме ПЗ. Комментаторский усили-
тель служит для записи речевого ком-
ментария испытателя с целью облегче-
ния расшифровки записанных процес-
сов при их воспроизведении и обра-
ботке.
С целью исключения влияния коле-
баний скорости магнитной лепты на
качество работы тракта запись — вос-
произведение в магнитографе имеется
блок компенсации, который обеспечи-
вает обработку компенсирующего сиг-
нала по амплитуде и фазе. Во время
работы блока компенсации входы ка-
налов 7 и 8 блока записи замыкают на
землю и ведут запись только сигнала
несущей частоты, что соответствует ну-
левому уровню входного сигнала. Сиг-
нал, считываемый с 7-го и 8-го каналов
блока воспроизведения, обрабатывает-
ся в блоке компенсации по амплитуде
и фазе и подается на компенсационные
входы остальных каналов блока вос-
произведения. Здесь происходит его
вычитание из воспроизводимого сигна-
ла и, таким образом, исключается вли-
яние колебаний скорости протяжки маг-
нитной ленты. Для оперативной про-
верки правильности работы каналов
блока записи на вход каждого канала
подводится постоянное напряжение
±1 В с помощью кнопок «+1» или
« -1».
Основные технические характеристи-
ки некоторых магнитографов приведе-
ны в табл. 4.4.
4.7. Методы измерения параметров
работы автомобиля и его узлов
Определение механических напря-
жений. При действии на некоторый
элемент длиной I с поперечным сече-
нием площадью А растягивающей пли
сжимающей силы F в нем возникают
напряжения g=FIA. Одновременно про-
исходит деформация элемента (удли-
нение или укорочение) Al=Fl/(АЕ) —•
124
Рис. 4 18 Схемы включения тензорезисторов для измерения деформаций при
растяжении (сжатии) и пзшбе
— al/E, где Е— модуль упругости ма-
териала.
Обычно оценивают не абсолютную,
а относительную деформацию е=Д///=
= Г/(Л£).
Зависимость, выражающая связь
между относительной деформацией и
напряжением о=е£', называется зако-
ном Гука. Эта зависимость положена
в основу измерения напряжений: отно-
сительная деформация на длине, рав-
ной базе преобразователя, определяет-
ся достаточно просто.
Измерение деформаций и напряже-
ний проводят с помощью тензо-
резисторов. Их применяют для из-
мерения относительных деформаций до
0,3 %.
На детали тензорезистор для изме-
рения напряжений должен быть ори-
ентирован так, чтобы нити решетки
вдоль его чувствительной оси подвер-
гались максимальному растяжению или
сжатию, т. е. ось базы тензорезистора
должна совпадать с осью главной де-
формации. Тензорезисторы с одинако-
выми знаками приращения сопротив-
лений должны включаться в противо-
положные плечи моста, а с различны-
ми — в смежные.
На точность измерений существен-
но влияет температура детали, на ко-
торую наклеен тензорезистор. Для ком-
пенсации дополнительной температур-
ной погрешности рабочего плеча
тензомоста используют тензорезистор
соседнего плеча. Этот тензорезистор на-
клеивают на находящуюся рядом и ра-
ботающую в тех же температурных
условиях недеформируемую деталь или
на деформируемую деталь, но ориенти-
руют его так, чтобы он не подвергался
деформации. Если два (или четыре)
смежных плеча являются рабочими,
125
компенсация температурной погрешно-
сти происходит автоматически.
Рациональные схемы наклейки тен-
зорезисторов показаны на рис. 4.18.
При одном рабочем плече R1
(рис. 4.18, а) термокомпенсационный
тензорезпстор R2 наклеивают перпен-
дикулярно к направлению действия
растягивающей (сжимающей) силы F.
Кроме температурной погрешности при
таком расположении тензорезисторов
компенсируются также потери тензо-
чувствительности рабочего плеча, воз-
никающие из-за поперечных деформа-
ций решетки тензорезистора. Недостат-
ком данной схемы является и мини-
мальная чувствительность. Кроме того,
в случае эксцентричного приложения
нагрузки деталь изгибается и тензо-
резистор R1 подвергается одновремен-
но растяжению и изгибу.
Схема на рис. 4.18, б характеризует-
ся вдвое большей чувствительностью и
полной компенсацией температурной
погрешности. Эта схема нечувствитель-
на к изгибу детали, так как при этом
относительные приращения сопротивле-
ний тензорезисторов R1 и R3 противо-
положных плеч одинаковы по значе-
нию, но имеют противоположные
знаки.
В схеме на рис. 4.18, в для измере-
ния деформаций при изгибе тензоре-
зистор R1 наклеен на растягиваемые
волокна детали, a R2 — на сжимаемые.
Схема имеет вдвое большую чувстви-
тельность, чем схема с одним рабочим
плечом, в ней полностью компенсиру-
ется температурная погрешность и ис-
ключается влияние деформации растя-
жения — сжатия.
Схема на рис. 4.18, г обладает вдвое
большей чувствительностью, чем пре-
дыдущая. Она применяется, когда име-
ется возможность наклеить четыре тен-
зорезистора и включить их в мостовую
схему.
В тех случаях, когда аппаратура, с
которой работают тензорезисторы, рас-
считана на подключение полумоста, два
тензорезистора подключают в полумост
по схеме, приведенной на рис. 4.18, е,
четыре тензорезистора — на рис. 4.18, д.
При измерениях крутящих моментов
на валах схема, показанная на рис.
4.19, а, является наиболее простой и
широко применяется в практике тензо-
метрпрования. Оба тензорезистора на-
Рис. 4.19. Схемы наклейки тензорезисторов для измерения крутящего момента
126
ходится в непосредственной близости
друг от др^га, а их продольные оси
расположены в направлении главных
деформаций Данная схема позволяет
осуществить полную компенсацию тем-
пературной погрешности и исключает
влияние осевой нагрузки. При действии
на вал изгибающего момента деформа-
ции обоих тензорезисторов будут раз-
личаться по значению и знаку, что вы-
зовет появление на выходе тензомоста
сигнала. Поэтому данная схема наклей-
ки тензорезисторов пригодна только в
тех случаях, когда вал не подвергается
действию изгибающего момента.
На рис. 4.19, б четыре рабочих тен-
зорезистора наклеены по окружности
вала таким образом, что они строго
симметричны друг другу, а деформа-
ции диаметрально противоположных
тензорезисторов одного знака. Это
обусловливает в два раза большую чув-
ствительность схемы, чем предыдущей,
полную компенсацию температурной
погрешности, а также исключение вли-
яния осевой силы и изгибающего мо-
мента.
Кроме рассмотренных методов из-
мерения напряжений в деталях и узлах
автомобилей с помощью тензорезисто-
ров, существуют методы, позволяющие
определять характер распределения на-
пряжений в поверхностных слоях дета-
ли без необходимости наклейки боль-
шого количества тензорезисторов и
использования сложной тензометриче-
ской и регистрирующей аппаратуры.
Методом хрупких покры-
т и й исследуют напряженность различ-
ных деталей автомобилей. С его помо-
щью получают качественную оценку
распределения напряжений в объем-
ных деталях. Суть метода состоит в
том, что на деталь наносят хрупкое по-
крытие, которое при нагружении дета-
ли разрушается с образованием тре-
щин. Характер трещинообразования и
направление трещин соответствуют
распределению главных напряжений в
поверхностных слоях детали.
Наиболее распространенным мате-
риалом для такого покрытия является
канифоль с добавкой парафина (0,5...
2 %). «Порог чувствительности» покры-
тия — 40...60 МПа. Более чувствитель-
но покрытие из резината бария, кото-
рый в виде раствора наносят на тща-
тельно подготовленную поверхность
детали. Подготовка заключается в очи-
стке ее от грязи, ржавчины и обезжи-
ривании каким-либо растворителем.
Чтобы трещины были лучше видны, на
поверхность покрытия наносят слой ве-
щества с повышенной отражательной
способностью. Если покрытие наносят
в виде расплава, деталь предваритель-
но нагревают для лучшего его сцепле-
ния с ее поверхностью. Толщина слоя
должна составлять около 0,1...0,2 мм.
Метод остаточного маг-
нитного поля используют для ко-
личественной оценки распределения
напряжений. Он основан на пропорцио-
нальности изменения остаточного маг-
нитного поля (ОМП) (или его градиен-
та) в зависимости от механического
напряжения, действующего в месте на-
магничивания: Ла=/гДо, где Да — при-
ращение ОМП; k — коэффициент про-
порциональности; До — приращение на-
пряжения.
Этот метод получил наибольшее
применение при оценке распределения
напряжений в деталях кузовов, несу-
щих конструкций и кабин автомобилей.
На стенки кабин в тех местах, где пред-
полагается определить напряжения,
наносят краской контрольные точки,
которые нумеруют. Перед началом экс-
перимента производят намагничивание
каждой i-й контрольной точки и изме-
рение остаточного магнитного поля
(ац). По окончании испытания или
заезда автомобиля по маршруту ре-
гистрируют ОМП (агО в тех же точ-
ках. Изменение остаточного магнитно-
127
Рис. 4.20. Общая схема соединения тензоаппаратуры при измерении сил и
их моментов
го поля Да( = а1г —а2г позволяет в соот-
ветствии с вышеприведенным выраже-
нием определить максимальное напря-
жение, действовавшее в i-й точке во
время испытаний.
Измерение сил и моментов сил.
При испытаниях автомобилей часто
возникает необходимость определения
сил и их моментов, действующих на уз-
лы автомобилей. В большинстве случа-
ев эти величины переменные и для их
регистрации применяют различные пре-
образователи в комплекте с измери-
тельной и регистрирующей аппарату-
рой. Наибольшее применение для изме-
рения сил и моментов сил получили ре-
зистивные (тензорезисторы) и пьезо-
электрические преобразователи.
Измерительные цепи включают, как
правило, тензорезисторы, соединенные
по мостовой пли полумостовой схеме.
Для связи измерительной цепи с тензо-
усплптелямп (рис. 4.20) используют ка-
бели пли радпотелеметрическую аппа-
ратуру. При измерении сил и моментов
на вращающихся деталях в линию свя-
зи включают токосъемные устройства.
Между усилителем и регистрирующим
прибором часто устанавливают фильт-
ры, которые подавляют высокочастот-
ные составляющие регистрируемого си-
гнала, обусловливающие слабозатуха-
ющие высокочастотные колебания по-
движных частей гальванометров и
«размытую» запись сигналов. Фильтры
позволяют выделить из всего частот-
ного спектра, пропускаемого измери-
тельной цепью и усилителем, лишь ту
частоту пли область частот измеряемо-
го сигнала, которая представляет ин-
терес для испытателя.
Измерение сил с промежу-
точным преобразованием в
деформацию имеет наибольшее
распространение. В большинстве случа-
ев преобразователь устанавливают на
самой детали, подвергающейся воздей-
ствию измеряемой силы. В качестве
преобразователей чаще всего использу-
ют тензорезисторы.
Кольцевое динамометрическое звено
(рис. 4.21, о) имеет две прицепные
серьги для включения его в силовую из-
мерительную цепь. На внутреннюю ци-
линдрическую поверхность звена накле-
ены четыре тензорезистора, включен-
ные в измерительный мост. Два тензо-
резистора размещены в зоне растя-
жения и два — в зоне сжатия.
Для измерения усилия в сцепке при
буксировке (например, при определе-
нии силы тяги автомобиля) использу-
ют специальное устройство с чувстви-
тельным элементом в виде стержня, ра-
ботающего на растяжение (рис. 4.21,
'б), на который наклеены тензорези-
сторы.
Предельное значение измеряемой с
помощью пьезоэлектрического элемента
силы определяется его площадью, а
максимальное напряжение в пьезоэле-
менте не должно превышать допустимо-
го. Вследствие большой жесткости пье-
зоэлектрического элемента преобразо-
вателя эти датчики силы имеют высо-
кую частоту собственных колебаний и
используются для измерения высоко-
частотных (до 10 кГц) динамических
сил.
Особенностью датчика, изображен-
ного на рис. 4.21, в, является то, что он
работает только на сжатие. Передача
128
Рис. 4 21. Конструкции датчиков для измерения сил
усилия осуществляется через стальные
закаленные шарики. Это обеспечивает
равномерное распределение нагрузки
по всей площади пьезопластин. В датчи-
ке, предназначенном для измерения как
сжимающих, так и растягивающих сил
(рис. 4.21, г), создается предваритель-
ное напряжение сжатия, равное при-
мерно половине максимального допу-
стимого напряжения в пьезокристалле,
за счет поджатия кристалла верхней 1
и нижней 2 гайками. Абсолютное значе-
ние силы сжатия зависит от соотноше-
ния жесткостей пьезоэлемента и корпу-
са датчика 3.
Измерение крутящего момента на
валах может проводиться непосред-
ственно либо замером реактивного мо-
мента на корпусе. В обоих случаях оп-
ределяется деформация детали или кор-
пуса, передающих этот момент.
Метод замера реактивно-
го момента нашел применение при
испытаниях в лабораторных условиях.
Иногда он используется и при дорож-
ных испытаниях автомобилей. В боль-
шинстве случаев применяют в основном
метод, основанный на измерении угла
закручивания валов с помощью индук-
тивных или тензорезисторных преобра-
зователей. Однако установка на валах
тензорезисторов и токосъемных
устройств не всегда возможна. Кроме
того, все эти приспособления, создавае-
мые для каждой конструкции отдельно,
требуют тарировки и оценки погреш-
ностей.
Находит применение иметод за-
129
я
Рис. 4.22. Индуктивный преобразователь кру-
тящего момента:
а — общий вид, б — развертка магнитопровода
мера моментов с помощью
специальных преобразовате-
лей, устанавливаемых последователь-
но с валом, на котором выполняют
замер. Они работают в комплекте с ти-
повой измерительной аппаратурой, и их
характеристики не изменяются при пе-
реходе от одного объекта измерения к
другому. Калибровку и оценку погреш-
ностей преобразователей производят
заранее.
Индуктивный преобразователь кру-
тящего момента (рис. 4.22) имеет дина-
мометрический вал 3 с жестко связан-
ными с ним магнитопроводами 2. В
середине динамометрического вала за-
креплен магнитопровод 1. На подшип-
никах 6 установлены в магнитонепро-
ницаемом корпусе 4 обмотки двух кату-
шек 5. Если вал не передает крутящий
момент, воздушные зазоры и 62 меж-
ду магнитопроводами 1 и 2 остаются
одинаковыми. При передаче динамоме-
трическим валом крутящего момента
происходит скручивание вала и измене-
ние зазоров 61 и 62 (например, 61 умень-
шается, а 62 увеличивается). Это при-
водит к изменению индуктивного со-
противления катушек (сопротивление
катушки L1 увеличится, a L2 —умень-
шится). Подключив катушки последо-
вательно по полумостовой схеме на
вход усилителя переменного тока, мож-
но регистрировать значение крутящего
момента, передаваемого преобразова-
телем.
Для измерения механических на-
пряжений на вращающихся валах при-
меняют токосъемные устройства. Их
разделяют на контактные и бесконтакт-
ные. Любой токосъемник состоит из
двух основных частей: вращающейся
(ротора) и неподвижной (статора).
В контактных токосъемниках элек-
трический контакт токопроводящих де-
талей ротора и статора осуществляется
либо за счет трения скольжения, либо
через прослойку ртути, которая запол-
няет свободное пространство между
поверхностями контактирующих де-
талей.
В зависимости от расположения от-
носительно испытуемого вала токосъем-
ники делят на проходные, насаживае-
мые на вал, и концевые, или торцевые,
ротор которых соединяют со свободным
концом вала. Любая контактная пара,
соединяющая две части одного провода
измерительной цепи, называется кана-
лом токосъемника. Число каналов зави-
сит от числа коммутируемых цепей.
Токосъемники должны 1) иметь ми-
нимальное и не изменяющееся во вре-
мени переходное сопротивление в месте
контакта вращающихся и неподвижных
частей; 2) обеспечивать минимальную
окружную скорость контактных пар,
так как она определяет их срок службы
и качество работы; 3) отличаться про-
стотой устройства, обслуживания и ре-
130
Рис. 4.23. Токосъемники:
а — щеточный; б — ртутно-амальгамированный
монта. Установка токосъемника не
должна быть связана с изменением
формы и размеров исследуемой детали,
так как последнее может привести к ис-
кажению результатов измерений.
Наиболее просты по конструкции
токосъемники трения скольжения. В за-
висимости от исполнения пары трения
их делят на щеточные, лепестковые и
струнные.
Кольца щеточного токосъемника
(рис. 4.23, а) через прокладки изоляци-
онного материала закрепляют на вра-
щающейся детали, а щетки устанавли-
вают на неподвижной. Основной недо-
статок этих токосъемных устройств —
изменение переходного сопротивления и
появление в зоне контакта термоЭДС в
зависимости от наличия окислов в этой
зоне, запыленности и влажности возду-
ха и т. п. Одним из методов уменьше-
ния термоЭДС и переходного сопротив-
ления контактов является рациональ-
ный выбор материалов контактных пар.
Для изготавливания контактных колец
применяют медь, латунь, бронзу, сереб-
ро. Материалами для щеток могут
служить мягкий уголь или графитовые^
медно-графитовые и серебряно-графи-
товые композиции. Наиболее удачно со-
четание серебряных колец с серебряно-
графитовыми щетками (60 % серебря-
ного порошка и 40 % графита по
массе).
Лучшая работа контактных пар ха-
рактерна для токосъемников, в которых
электрическая связь токопроводящих
деталей ротора и статора осуществля-
ется через ртутную прослойку. К ним
относят ртутно-амальгамированные то-
косъемники, широко используемые при
испытаниях автомобилей. Промышлен-
ностью выпускаются токосъемники двух
типов: проходные (ТРАП) и концевые
(ТРАК) с 4, 6 и 8 контактными коль-
цами.
В корпусе проходного ртутно-амаль-
гамированного токосъемника (рис.
4.23, б) неподвижные 1 и вращающие-
ся 2 медные контактные кольца распо-
ложены с радиальным зазором 0,1 мм.
Контактные поверхности колец амаль-
гамированы, ртуть между ними удержи-
вается за счет свойств капиллярности.
Для заполнения контактного зазора
ртутью вывертывают винты 3 и в отвер-
стия заливают несколько капель рту-
ти. Контактные кольца собраны в блок
с кольцами 5 и 6 из органического стек-
ла. Подвижную часть 8 корпуса токо-
съемника надевают на вал, на котором
установлены датчики. Неподвижная
131
часть 9 сопряжена с подвижной через
шарикоподшипники. Проводники 7 от
вращающихся колец подключают к дат-
чикам, от неподвижных — к прибору.
Планки 4 и 10 вмонтированы в корпус
для изоляции проводников 11 и вин-
тов 3.
В хорошо изготовленных ртутных
токосъемниках обеспечивается надеж-
ный и стабильный контакт вращающих-
ся и неподвижных частей в течение до-
статочно длительного времени при
окружной скорости контактных пар
10...12 м/с.
Работа с ртутными токосъемниками
и их хранение требуют особой осторож-
ности ввиду токсичности паров ртути.
Амальгамирование должно произво-
диться в закрытом вытяжном шкафу с
помощью манипуляторов или с исполь-
зованием рукавов-перчаток. Хранить
токосъемники следует в герметичной
таре. В испытательных боксах, где
установлены стенды с ртутными то-
косъемниками, должна быть достаточ-
но мощная система вытяжной венти-
ляции.
Бесконтактные токосъемники под-
разделяют на емкостные и трансфор-
маторные. Наибольшее распростране-
ние. 4.24. Бесконтактный токосъемник:
а — схема включения; б — конструкция
132
ние получили трансформаторные
устройства (рис. 4.24). В них через один
из вращающихся трансформаторов
(TV1) подводится напряжение питания
тензорезисторов (ТМ) от генератора
(G), а через второй (TV2) принимается
сигнал разбаланса моста и передается
на усилитель (У). Обмотки трансфор-
маторов 5 расположены соосно и вкле-
ены в металлокарбональные сердечни-
ки, которые состоят из собственно
сердечника !? и кожухов 4 и 6. Непо-
движные сердечники закреплены в кор-
пусе 2 статора, который через подшип-
ники 7 крепится на роторе 1.
Основными недостатками трансфор-
маторных токосъемников являются низ-
кий КПД, необходимость обеспечения
минимальных торцевого зазора и торце-
вого биения обмоток трансформаторов,
значительные габариты и масса.
Измерение давления. При испыта-
ниях автомобилей часто приходится из-
мерять давление жидкостей и газов.
/
Рис 4.25. Датчики давления
133
Для этого в случае постоянного давле-
ния применяют различные манометры.
Наиболее распространены стрелочные
манометры, в состав которых входит
манометрическая трубка (трубка Бур-
дона). Если давление в манометриче-
ской трубке отличается от атмосферно-
го, она стремится выпрямиться и через
рычажный механизм перемещает
стрелку.
Для определения переменного дав-
ления, а также и постоянного, когда не-
посредственные измерения невозможны
(при дистанционных замерах), приме-
ня’от датчики давления.
Характерной особенностью датчиков
давления является промежуточное пре-
образование давления в перемещение
(деформацию) упругих элементов и из-
мерение перемещения (деформации) с
помощью преобразователей различных
типов. Простейшим датчиком давления
может служить манометрическая труб-
ка 1, на боковые поверхности которой
наклеены тензорезисторы 2 (рис. 4.25,
а). Однако в связи со значитель-
ной инерционностью манометрической
трубки ее можно применять для изме-
рения медленно изменяющегося давле-
ния (с частотой не более 1 Гц).
Апрелевский завод средств автома-
тики и контроля выпускает датчики
ТДДМ для измерения давления от 0,1
до 2,5 МПа, в которых тензорезисторы
наклеены на мембрану. Более высокие
давления (от 5 до 40 МПа) можно из-
мерить с помощью датчиков ТДД (рис.
4.25, б). Чувствительным элементом в
них является упругий цилиндр 4, па ко-
торый наклеены два рабочих тензоре-
зистора 3 и два компенсационных 5.
Выводы тензорезисторов подсоединены
к штекерному разъему 1, закрепленно-
му к верхней части корпуса 2. Этот дат-
чик позволяет проводить изменения
при пульсации давления с частотой до
80 Гц.
При испытаниях автомобилей нахо-
дят применение датчики давления с
чувствительным элементом мембранно-
го типа и индуктивным преобразовате-
лем. Конструкция одного из них •— фир-
мы Хётингер (ФРГ) — приведена на
рис. 4.25, в. Чувствительным элементом
является мембрана 3, зажатая между
двумя одинаковыми частями 1 и 2 кор-
пуса. В центре мембраны закреплены
два ферритовых диска 4. Давление ра-
бочей среды на мембрану передается по
шести каналам 5, просверленным в
корпусе. В центрах каждой из частей
корпуса вклеены две индуктивные ка-
тушки 6. Перемещение мембраны под
давлением рабочей среды приводит к
изменению зазоров между ферритовы-
ми дисками и катушками и разбалансу
измерительной схемы, в которую вклю-
чены катушки 6. Данный датчик рабо-
тает на переменном токе частоты
5 кГц. Диапазон измеряемых давле-
ний — до 0,001; 0,01; 0,1; 1 и 2 МПа, по-
лоса регистрируемых частот изменения
давления — от 0,3 до 8 кГц.
На рис. 4.25, а показана принципи-
альная схема рабочей части дифферен-
циального индуктивного датчика
ИД-240 с сильфонным чувствительным
элементом для измерения давления до
24 МПа. Измеряемое давление рабочей
среды воздействует на сильфон 1, кото-
рый передает измерительное перемеще-
ние якорю 2, находящемуся между сер-
дечниками 4 дифференциальных кату-
шек 3. Зазор между торцом якоря и
сердечниками катушек можно регули-
ровать перемещением сердечников.
Датчик допускает ток до 100 мА, имеет
высокую чувствительность, линейную
характеристику и не требует примене-
ния усилительных устройств
Измерение пути, скорости и отно-
сительных перемещений. При испыта-
ниях автомобилей для измерения пути
и скорости применяют так называемое
«пятое колесо» (рис. 4.26). Легкое, с
тонким ободом колесо 5 устанавливают
134
Рис 4 26. Схема установки прибора «пятое колесо» для измерения скоро-
сти движения автомобиля
в вилке и с помощью карданного шар-
нира 7 соединяют с автомобилем 1. Та-
кое крепление обеспечивает самоуста-
новку колеса при движении автомоби-
ля. Для обеспечения постоянного кон-
такта шины колеса с дорогой служит
пружина 6. Примером «пятого колеса»
является прибор ПВС-ЭСА («путь —
время — скорость») конструкции
НАМИ.
Путь определяется по дискретному
изменению угла поворота колеса.
С осью колеса через гибкий вал 4 свя-
зано устройство 3, вырабатывающее
импульсы тока, соответствующие опре-
деленному углу поворота колеса и крат-
ные некоторому пути, проходимому ко-
лесом. Импульсы тока по электрическо-
му кабелю 2 передаются регистрирую-
щей аппаратуре, а также фиксируются
счетчиком импульсов. Одновременно
регистрируется время. При автоматиче-
ской обработке результатов замеров по
этим данным определяют не только
пройденный путь, но также скорость и
ускорение автомобиля.
В последнее время в практике испы-
тания автомобилей широко применяют
бесконтактные оптические измерители
пройденного пути и скорости движения,
заменяющие классическое «пятое ко-
лесо».
Работа бесконтактного измерителя
пути и скорости движения автомобиля
основана на использовании метода оп-
тической корреляции. Суть метода за-
ключается в следующем. Изображение
движущегося объекта 1 (дорожной по-
верхности) через оптическую систему 5
(рис. 4.27, а) передается на дифракци-
онную решетку 2. Световой поток, про-
ходящий через дифракционную решет-
ку, фокусируется линзой 4 на фотодат-
чик 3. Электрический сигнал S(t), сни-
маемый с фотодатчика (рис. 4.27, б),
включает низкочастотную составляю-
Рис. 4.27. Оптический измеритель скорости:
а — принципиальная схема; б — диаграмма выходно
го электрического сигнала фотодатчика
135
Рис. 4.28. Оптический бесконтактный измеритель скорости движения автомобиля:
а — принципиальная схема; б — конструкция; 1 — дорожная поверхность; 2 — оптическая система. 3 — при-
зматическая решетка, 4 — фотодатчики, 5 — источник света, 6 — корпус пои бора
щую, на которую накладывается высо-
кочастотный сигнал с частотой /, зави-
сящей прямо пропорционально от ско-
рости v движения автомобиля: f=
= k~^mv (km — постоянная дифракци-
онной решетки; т — коэффициент
увеличения оптической системы 5).
Стрелка 6 на рис. 4.27, а показывает
направление движения.
Расшифровка электрического сигна-
ла S(t) практически невозможна, так
как амплитуда низкочастотной его со-
ставляющей в десятки раз больше, чем
высокочастотной, несущей полезную
информацию. Для выделения высоко-
частотной составляющей электрическо-
го сигнала в конструкции измерителя
вместо дифрационной используют при-
зматическую решетку (рис. 4.28, а).
Световой поток, попадающий на грани
решетки, разделяется на два пучка, ко-
торые, пройдя через собирающую лин-
зу, фокусируются на двух фотодатчи-
ках.
Электрические сигналы, вырабаты-
ваемые фотодатчиками, идентичны по
амплитуде, но высокочастотные состав-
ляющие сигналов сдвинуты по фазе
одна относительно другой на 180°.
Дифференциальный усилитель, на вход
которого подаются сигналы с обоих фо-
тодатчиков, усиливает противофазные
сигналы и ослабляет синхронные. Та-
ким образом, с помощью призматиче-
ской решетки производится выделение
высокочастотной составляющей элек-
трического сигнала, по которой можно
определить как скорость движения ав-
томобиля, так и пройденный им путь.
Для того чтобы электрический сигнал
на выходе измерителей не зависел от
интенсивности естественного источника
света, в их конструкциях используют
независимые источники света от мощ-
136
ных электроламп, освещающих участок
дорожного полотна, отображающегося
в оптической системе измерителя.
Конструкция оптического измерите-
ля скорости автомобиля в продольном
направлении приведена на рис. 4.28 б.
Так как измеритель скорости в реаль-
ных условиях анализирует случайную
стохастическую структуру поверхности
дорожного покрытия, то случайные че-
редования светлых и темных точек до-
рожного полотна, преобразуемые в из-
мерителе в электрический сигнал, обра-
батываются в усилителе статистически-
ми методами . Оптическая система из-
мерителя способна различать частицы
дорожного покрытия размером до
0,5 мм.
Выпускающиеся в настоящее время
измерители позволяют оценивать ско-
рость автомобиля в диапазоне от 1,5 до
400 км/ч с точностью ±0,2 °/о-
Принцип работы измерителей скоро-
сти автомобиля в боковом направлении
Рис. 4.29. Принципиальная схема оптического
бесконтактного измерителя скорости движения
автомобиля в боком направлении
такой же. Однако в отличие от описан-
ных выше рассматриваемые измерите-
ли имеют встроенную систему для обе-
спечения несущей частоты 15 кГц.
Изображение дорожной поверхно-
сти 1 через оптическую систему 2 и
призматическую решетку 5 передается
на фотодатчики 3 (рис. 4.29). Призма-
тическая решетка измерителя выполне-
на в виде кругового кольца, приводи-
мого во вращение электродвигателем 7.
Для получения несущей частоты через
эту решетку пропускается световой луч
от отдельного источника света 6 и фо-
кусируется на фотодатчике 4. Электри-
ческие сигналы от фотодатчпков 3 и
датчика 4 поступают в суммирующий
усилитель, где производится вычитание
сигнала несущей частоты из информа-
ционного сигнала. Это дает возмож-
ность определять не только скорость
автомобиля, но и ее направление. Су-
ществующие измерители позволяют ре-
гистрировать скорость автомобиля в
боковом направлении в пределах от
нуля до ±36 км/ч с точностью ±1 %.
Для определения угловых скоростей
вращения используют приборы механи-
ческого, электрического или электрон-
ного типа. К механическим приборам
относят тахометры и тахоскопы. В тахо-
метре под действием центробежных сил
расходятся грузики, которые переме-
щают стрелку прибора. Тахоскоп фик-
сирует суммарное число оборотов вала
за определенный промежуток времени,
задаваемый часовым механизмом.
Шкала тахоскопа проградуирована та-
ким образом, что суммарное число обо-
ротов вала за установленный промежу-
ток времени соответствует среднему
числу оборотов в 1 мин.
Электрический тахометр (рис. 4.30)
состоит из датчика (тахометрического
генератора) и измерителя (тахометри-
ческого указателя). Тахогенератором
является трехфазный синхронный гене-
ратор с ротором 1 в виде колоколооб-
137
Рис. 4.30. Схема электрического тахометра
разного постоянного магнита, который
приводится во вращение от вала, угло-
вая скорость вращения которого опре-
деляется. Трехфазная обмотка 2 стато-
ра помещена внутри ротора.
Тахоуказатель — трехфазный реак-
тивный синхронный электродвигатель.
Трехфазный ток, вырабатываемый та-
хогенератором, создает в обмотках 3
статора двигателя тахоуказателя вра-
щающееся магнитное поле, приводящее
во вращение ротор 4. На одном валу с
ротором двигателя находится второй
ротор (постоянный магнит) — звездоч-
ка 5. Вращаясь, она увлекает за собой
чувствительный элемент 6, который за-
кручивает возвратную пружину 7 и пе-
ремещает по циферблату стрелку ука-
зателя 9. Узел 8 является успокоителем.
Для измерения относительных пе-
ремещений узлов и деталей автомобиля
также используются преобразователи
различных типов. Выбор способа пре-
образования перемещений зависит от
их амплитуды и имеющихся измери-
тельных средств. Наибольшее распро-
странение получили индуктивные пре-
образователи соленоидного типа.
Индуктивный датчик перемещений
(рис. 4.31) конструктивно выполнен в
виде цилиндра. Крепление корпуса 3
датчика на объекте осуществляется с
помощью клеммового зажима или цан-
гового устройства. В отверстие, распо-
ложенное по оси цилиндра, входит по-
движный ферромагнитный сердечник 1,
связанный с помощью стержня 2 с по-
движной деталью. Внутри корпуса на-
ходятся две катушки 4. При перемеще-
нии подвижного сердечника происходит
изменение индуктивности катушек. Обе
катушки включены в измерительную
цепь по дифференциальной схеме. Ка-
тушка 5 и сердечник 6 выполняют роль
«подстроечного конденсатора» для ре-
гулировки чувствительности датчика.
В настоящее время разработана серия
датчиков данного типа, которые позво-
ляют измерять перемещения в пределах
±2...±200 мм; погрешность измере-
ния — менее 1 % •
Измерение температуры. Измери-
тельную аппаратуру для замеров тем-
пературы выбирают в зависимости от
Рис. 4.31. Индуктивный датчик перемещений
138
в
Рис. 4.32. Схемы измерения температуры
диапазона значений рабочей температу-
ры исследуемого агрегата.
Для определения значений темпера-
туры до 200 °C используют манометри-
ческие термометры (аэротермометры).
Эти приборы (рис. 4.32, а) состоят из
баллона 1, заполненного рабочим те-
лом, капиллярной трубки 2 и маномет-
ра 3, градуированного в градусах Цель-
сия. При погружении баллона в жид-
кость, температуру которой надо изме-
рить, давление рабочего тела в баллоне
увеличивается и заполняется капилляр-
ная трубка, связанная с манометром.
В качестве рабочего тела использу-
ют газ (азот, гелий), пар низкокипящих
жидкостей (хлорметила, хлорэтила,
этилового спирта и т. д.), а также жид-
кости (ртуть, ксилол), объем которых
при нагревании значительно увеличива-
ется. Манометрические термометры
обеспечивают точность измерений 2...
3 %, но обладают инерционностью.
Значения температуры до 300...
350 °C измеряют с помощью полупро-
водниковых термометров сопротивления
(терморезисторов). Терморезисторы
(термисторы) изготавливают из порош-
ков оксидов железа, никеля, мар-
ганца, смесь которых со связующим
веществом спрессовывают для получе-
ния элементов необходимой формы и
размеров. Эти приборы имеют неболь-
шие размеры (2...6 мм) и обладают вы-
сокой чувствительностью. При нагре-
вании терморезистора его электриче-
ское сопротивление уменьшается по
экспоненциальному закону за счет того,
что при тепловом воздействии увеличи-
вается число свободных носителей за-
рядов. При измерении температуры
термистор включают в мостовую схему
в качестве одного из плеч. Недостатком
термисторов является нелинейность их
температурной характеристики.
При испытаниях используют терми-
сторы ММТ-1, КМТ-1 (негерметизиро-
ванные) и ММ.Т-4, КМТ-4, КМГ-14
(герметизированные).
Значения температуры выше 400 °C
оценивают с помощью термопар. При
нагреве спая двух проводников, выпол-
ненных из разнородных металлов, в
них возникает термоЭДС. Значение
ЭДС, пропорциональное разности тем-
ператур /1 — /г горячего 1 и холодного 2
спаев (рис. 4.32, б), измеряется прибо-
ром 3. Холодный спай 2 помещают в со-
суд со льдом или в термостат, темпера-
тура в котором соответствует условиям
градуировки термопары. Кроме сосуда
или термостата, где температура под-
держивается постоянной, применяют
также различные схемы компенсации
погрешностей и способы внесения по-
правок, зависящих от температуры хо-
лодного спая.
На рис. 4.32, в изображена схема ав-
томатической компенсации температур-
ной погрешности, обусловленной холод-
ными спаями термопары, с помощью
мостовой схемы. Мостовая схема смон-
тирована в отдельной коробке и питает-
ся током от источника постоянного ста-
билизированного напряжения. В каче-
139
стве чувствительного элемента в схему
включен медный резистор R.
В термопарах из благородных ме-
таллов толщина проводов составляет
0,5 мм, из других металлов—1,5...
3,0 мм. Для точных измерений темпера-
туры в динамично изменяющихся про-
цессах используют более тонкую прово-
локу.
Для придания термопарам механи-
ческой и термической прочности их за-
ключают в фарфоровые (для работы
при высокой температуре) или сталь-
ные оболочки. В процессе испытаний
агрегатов автомобилей применяют хро-
мель-копелевые термопары с высокими
термоЭДС и верхним температурным
пределом (600...800 °C).
Измерение расхода топлива. При
испытаниях автомобилей измерения
расхода топлива выполняют двумя ме-
тодами: весовым и объемным.
Весовой метод применяют в
лабораторных условиях. По этому ме-
тоду измеряют время потребления топ-
лива, массу которого определяют взве-
шиванием. В автоматических устройст-
вах измерения расхода топлива весо-
вым методом время прохождения
заданного объема топлива определяет-
ся электронным секундомером с по-
мощью фотоэлектрических преобразо-
вателей, контролирующих положение
весов. Заполнение прибора топливом и
Рис. 4.33. Приборы для измерения расхода топлива объемным
методом
140
управление его расходом производят с
помощью электромагнитных клапанов.
При использовании этого метода на ре-
зультатах измерений не сказываются
погрешности, связанные с изменением
плотности топлива при изменении тем-
пературы.
Объемные методы многооб-
разны и находят применение как в стен-
довых, так и в дорожных испытаниях
автомобилей. Наиболее просто можно
измерить расход топлива с помощью
открытого мерного цилиндра или дру-
гой емкости, например сферической
формы (рис. 4.33, а). В дорожных усло-
виях на участке замера двигатель ра-
ботает на топливе, поступающем из
мерной емкости. Объем израсходован-
ного топлива определяют по шкале мер-
ного цилиндра или по числу заполнен-
ных сферических емкостей.
При наиболее простом способе
включения мерного цилиндра непосред-
ственно перед карбюратором двигате-
ля погрешность измерения связана с
уменьшением напора топлива при по-
даче его из мерной емкости (приблизи-
тельно 1 м по сравнению с напором
3...4 м, который создает бензонасос).
Для устранения этого недостатка мож-
но использовать дополнительный бен-
зонасос.
На рис. 4.33, в представлена схема
включения мерного цилиндра в топлив-
ную систему автомобиля между топлив-
ным баком и бензонасосом. Во время
движения автомобиля перед заездом
на мерный участок кран 2 поворачи-
вают в положение II, соответствую-
щее подаче топлива от бензонасоса 3
в карбюратор /ив мерный цилиндр 4.
После заполнения мерного цилиндра
кран 2 возвращают в исходное поло-
жение I. В период заезда кран 5 по-
ворачивают в положение II, при кото-
ром бензонасос отсоединяется от топ-
ливного бака 6 и подключается к мер-
ному цилиндру.
Универсальными приборами для
измерения расхода топлива малыми
дозами являются расходомеры и топ-
ливомеры.
Серия топливомеров модели Т4П
четырехцилиндровых поршневого типа
разработана НАМИ. Они позволяют
производить замеры в диапазонах из-
менения расхода топлива 0,5...40 л/ч и
3...10 л/ч с дискретностью 0,1 см3 и
1 см3 соответственно.
Топливомеры устанавливают между
топливным насосом и карбюратором,
а у дизелей — на выходе из топливо-
подкачивающего насоса низкого дав-
ления. Действие их основано на после-
довательном перемещении поршней 5
(рис. 4.34) в цилиндрах под давлением
топлива, поступающего от топливного
насоса двигателя. Поршни связаны ша-
тунами 6 с кривошипом 7 центрального
валика. Диаметр цилиндров и ход
поршней рассчитаны так, что за один
оборот валика вытесняется 2 см3 топли-
ва. С осью валика связан импульсный
датчик, который дает 20 или 2 импуль-
са за оборот. Интервал между двумя
импульсами соответствует расходу топ-
лива 0,1 см3 или 1 см3. Погрешность из-
мерения составляет около 1 %.
Измерительное устройство работает
следующим образом. Топливо, пройдя
фильтрующий элемент и воздухоотде-
лительное устройство, поступает в кри-
вошипную камеру 8. Выходные отвер-
стия 01—О4 связаны общим коллекто-
ром с выходом топливомера. Каждый
из четырех поршней действует как
трехходовый клапан относительно со-
седнего (против часовой стрелки) изме-
рительного цилиндра.
В фазе I положение кривошипа и
поршней таково, что канал открыт
и топливо поступает в полость цилин-
дра 1. Поршень Д1 перемещается вверх
и через шатун 5 приводит во вращение
(по часовой стрелке) кривошип 7 цен-
трального вала. Под давлением топлива
141
Рис. 4.34. Фазы работы измерительного устройства поршневого топливомера
поршень /73 также начинает переме-
щаться вверх. Кривошип вращается в
том же направлении и вытесняет топ-
ливо из цилиндра через канал Кз и от-
верстие О4 на выход топливомера.
Когда кривошип достигнет положе-
ния, соответствующего фазе II, будет
открыт канал К2. Топливо поступает в
полость цилиндра 2, поршень /74 пере-
мещается вправо, выталкивая топливо
на выход топливомера. Кривошип под
воздействием шатунов поршней /72 и
/74 продолжает вращать центральный
вал по часовой стрелке.
В фазе III под давлением топлива в
кривошипной камере поршень Пг пере-
мещается вниз, а топливо из полости
цилиндра 1 через канал и отверстие
Ог поступает на выход топливомера.
Наконец, в фазе IV поршень П2 пе-
ремещается влево и выталкивает топ-
ливо через канал К2 и отверстие Оз. По
каналу К4 топливо поступает в полость
цилиндра 4. Затем цикл повторяется
142
Для измерения мгновенных расхо-
дов топлива используют специальные
приборы — флоуметры и ротаметры,
характеризующиеся точностью и ста-
бильностью работы при анализе уста-
новившихся процессов (при постоян-
ной температуре).
Флоуметр измеряет разность дав-
лений в трубопроводе, имеющем ка-
либровочное отверстие (жиклер). В ро-
таметрах поплавок, который несколько
тяжелее вытесняемого объема топлива,
расположен в коническом раструбе
большей стороной вверх. В узкую часть
раструба снизу поступает топливо. Вы-
сота подъема поплавка пропорциональ-
на расходу топлива.
На рис. 4. 33,6 приведена принци-
пиальная схема ротаметра с индуктив-
ным преобразователем для измерения
перемещения поплавка. В конической
части корпуса 1 находится поплавок 2,
связанный с сердечником 5 индуктив-
ного преобразователя 4. Пружина 3
обеспечивает плотную насадку поплав-
ка в конической части раструба.
Турбинные измерители расхода
жидкости — это миниатюрные турбин-
ки или крыльчатки, установленные в
цилиндрическом корпусе, диаметр кото-
рого соответствует диаметру топливо-
провода. Частота вращения турбинки
пропорциональна расходу жидкости и
определяется с помощью импульсного
преобразователя электромагнитного
типа. Погрешность измерения состав-
ляет 0,5 %. Приборы ДТ-25 и ДРМ
устанавливают в трубопроводах диа-
метром соответственно 4 и 10 мм. Диа-
пазон изменения значений измеряемых
величин в первом случае составляет
3,5...35 см3, а во втором — 80.. 800 см3
соответственно при давлении до 25 и
8 МПа Недостатком этих измерителей
Нис 4 35 Схема установки для измерения расхода топлива в дизельных двигателях:
/ — теплообменник, 2 — топливный бак. 3, 5 — места подключения топливомеров, 4 — топливомер, 6 — топ-
ливный фильтр, 7— топливный насос высокого давления, Н1—топливный насос двигатетя Н2 — топлив-
ный насос вторичного круга циркуляции
143
является значительное гидравлическое
сопротивление протеканию топлива (до
0,5 МПа).
Для измерения расхода топлива в
дизельных двигателях, а также бензи-
новых двигателях с впрыском топлива
используется установка, изображенная
на рис. 4.35. Включается она в систему
питания двигателя следующим обра-
зом. Стандартную систему подачи и
возврата топлива в бак 2 автомобиля
разрывают в указанных на рисунке ме-
стах на два отдельных круга циркуля-
ции: часть А — первичный круг цирку-
ляции, В — вторичный. Вторичный
круг циркуляции соответствует по сво-
им параметрам стандартной системе
подачи топлива, в которой теплообмен-
ник 1 выполняет роль топливного бака.
Подачу топлива в круг циркуляции
В обеспечивает топливный насос Н2 с
независимым приводом, в первичный
круг циркуляции А — стандартный на-
сос Н1, входящий в систему питания
двигателя. Между первичным и вторич-
ным кругами циркуляции включается
топливомер 4 (например, Т4П). Излиш-
ки топлива из топливного насоса высо-
кого давления 7 и форсунок возвраща-
ются во вторичный круг циркуляции.
Так как давление топлива во вторич-
ном круге остается постоянным, то объ-
ем топлива, прошедшего через топливо-
мер, соответствует его расходу через
форсунки двигателя.
Теплообменник обеспечивает равен-
ство значений температуры топлива во
вторичном круге циркуляции и в топ-
ливном баке автомобиля. Это способ-
ствует снижению погрешности замера
расхода топлива.
Измерение уровня шума и вибра-
ций. Такие измерения, а также запись
и анализ их результатов можно про-
водить, в основном, с помощью од-
ной и той же аппаратуры. Выбор типа
аппаратуры зависит от характера ре-
шаемых задач и условий измерений.
Рис. 4.36. Блок-схема универсального шумо-
виброизмерительного тракта:
1 — микрофон; 2 — вибродатчик; 3 — интегратор; 4 —
шумом ер; 5 — магнитограф; 6 — анализатор; 7 — са-
мописец; 8 — ЭВМ; 9 — осциллограф; 10 — другие при-
боры
Примерная блок-схема измерительных
трактов приведена на рис. 4.36.
В большинстве случаев при измере-
нии уровня шума и вибраций достаточ-
но иметь шумомер и набор частотных
фильтров. Иногда, особенно при про-
ведении испытаний в дорожных усло-
виях, исследуемый сигнал удобно за-
писывать с помощью магнитофона, а
затем в лабораторных условиях про-
водить всесторонний анализ записан-
ного сигнала на стационарном обору-
довании.
Преобразователем звукового давле-
ния в электрический сигнал при изме-
рении акустических- характеристик слу-
жит микрофон.
В практике, в основном, применяют
измерительные микрофоны двух ти-
пов — конденсаторные и пьезоэлектри-
ческие.
Основным элементом конденсатор-
ного микрофона является емкостный
преобразователь (рис. 4.37). Он состо-
ит из металлической пластины 1 и изо-
лированной пластины 5, расположен-
ной внутри корпуса 3. Мембрана и пла-
стина изолированы друг от друга и со-
ставляют электроды конденсатора.
Корпус, изолятор 2 и мембрана образу-
ют замкнутую камеру, связанную с
окружающей средой специальным ком-
144
Рис. 4.37. Схема устройства конденсаторного микрофона
пенсационным отверстием 4. Чувстви-
тельным к звуковому давлению элемен-
том является мембрана, изготовленная
из тонкой никелевой фольги толщиной
4...5 мкм. Механические колебания
мембраны преобразуются в переменное
электрическое напряжение, пропорци-
ональное воздействующему звуковому
давлению.
В пьезоэлектрическом микрофоне
чувствительным к звуковому давлению
элементом является пьезоэлектриче-
ский кристалл. При сжатии кристалла
возникает электрический сигнал, про-
порциональный воздействующему зву-
। овому давлению. Такие микрофоны
могут использоваться с относительно
длинными кабелями, соединяющими их
с измерителями, без снижения чувст-
вительности.
При выборе микрофона для реше-
ния определенной измерительной за-
дачи необходимо учитывать такие фак-
торы, как диапазон частот шума, его
направленность, динамический диапа-
зон (диапазон изменения уровней) и др.
Чем меньше размеры конденсаторного
микрофона, тем шире его частотный
диапазон и тем меньше влияние на-
правленности шума. С другой стороны,
с уменьшением размеров микрофона
снижается его чувствительность. Диа-
пазон воспринимаемых частот зависит
также от угла падения звуковой волны
на диафрагму микрофона.
В зависимости от диаметра конден-
саторные микрофоны относят к трем
группам: 1 — 1"; 2 — 1/2"; 3 — 1/4"
(табл. 4.5). Иногда применяют также
микрофоны диаметром 1/8".
Табл. 4.5. Технические характеристики конденсаторных микрофонов
Характеристика
3 качение характеристики для микрофона
1" 1/2" 1/4"
Диапазон частот, Гц
по свободному полю
по давлению
Чувствительность, дБ (относительно 1 В • Па-1)
Максимальный измеряемый уровень шума, дБ (от-
носительно 2 • 10—5 Па)
Уровень собственных шумов (относительно 10“6 Па)
Диаметр, мм, микрофона
с сеткой
без сетки
20. . .18 000
20...7100
—26+3
114
120.. .40 000
120... 16000
—40+3
154
30... 100 000
30. ..70000
Не
менее —63
170
22...34
40...46
64...70
23,77+0,02
23,11+0,01
13,20+0,03
12,70+0,03
7,00+0,03
6,35+0,03
145
Каждый микрофон снабжен инди-
видуальной калибровочной картой, в
которой даются основные параметры
микрофона и его частотная характери-
стика.
При проведении измерений вне по-
мещений можно значительно умень-
шить помехи за счет применения ветро-
вого экрана, представляющего собой
насадку из пористого полиуретана.
Для анализа вибраций используют
датчики различных типов, с помощью
которых можно измерять одну из вели-
чин — смещение, скорость перемеще-
ния или ускорение.
Наибольшее применение в практике
нашли пьезоэлектрические датчики
ускорений (акселерометры), которые
отличаются широкими рабочими час-
тотным и динамическим диапазонами,
линейными характеристиками в этих
диапазонах, а также прочностью, на-
дежностью и стабильностью в работе.
Вибродатчик ускорения позволяет так-
же измерять скорость и смещения. Не-
обходимое преобразование обеспечива-
ют интеграторы, которыми снабжены
виброизмерительные приборы.
Колебания исследуемого объекта
передаются встроенной в корпус датчи-
ка 1 (рис. 4.38) сейсмической массе 2
и преобразуются пьезоэлектрическим
элементом 3 в электрический сигнал.
Верхняя граница рабочего частотного
диапазона акселерометра определяется
резонансной частотой системы масса —
пружина. Резонансная частота для
малогабаритных акселерометров с не-
большой собственной массой достигает
180 кГц, в то время как для акселеро-
метров общего назначения она не пре-
вышает 30 кГц.
По принципу возбуждения пьезо-
электрического элемента датчики бы-
вают трех типов: с возбуждением про-
дольных колебаний элемента (рис. 4.38,
а, б); с возбуждением поперечных ко-
лебаний элемента, работающего на из-
гиб (рис. 4.38,г); с элементом, работаю-
щим на срез (рис. 4.38, в).
Основной характеристикой датчи-
ков ускорений является коэффициент
передачи, отражающий связь между
механическим и электрическим сигна-
лами. Значение его указывается в пас-
порте датчика.
В зависимости от вида измерений
выбирают тип датчика, основные его
характеристики и способ закрепления
на исследуемом объекте. Собственная
масса датчика может существенно вли-
ять на результаты измерений при ис-
следовании легких объектов, поэтому
масса датчика должна быть в десять и
более раз меньше массы исследуемого
объекта. Точность измерений зависит и
от способа крепления датчика. Идеаль-
ным является его крепление на гладкой
плоской поверхности с помощью сталь-
ной резьбовой шпильки, хорошим — с
помощью воска или специальных эпок-
сидных смол и клеев. Крепление с по-
мощью магнита осуществляется весьма
просто, однако при этом значительно
уменьшается (приблизительно до
7 кГц) резонансная частота. Поэтому
146
такое крепление датчиков используют
только при измерениях в области низ-
ких частот регистрируемых процессов.
При оценочных акустических испы-
таниях автомобилей целесообразно
применение портативных шумомеров в
комплекте с октавными или 1/3-октав-
ными фильтрами. Как правило, эти шу-
момеры имеют автономное питание и
корректированные частотные характе-
ристики, которыестандартизованы меж-
дународной электротехнической ко-
миссией и обозначаются латинскими
буквами А, В, С, D. Характеристика А
приближенно воспроизводит чувстви-
тельность человеческого уха. Вид этой
характеристики, а также других харак-
теристик, используемых для решения
некоторых специальных технических
задач, представлен на рис. 4.39. Изме-
рения уровня звука по линейной харак-
теристике (Lin) записываются в деци-
белах, а при включении других харак-
теристик — в децибелах с указанием
соответствующей шкалы А (например,
дБА и т. д.).
Временные характеристики шумоме-
ров обозначают буквами F, S, I. Харак-
теристика F (быстро) соответствует по-
стоянной времени измерительного при-
бора 125 мс, характеристика S (мед-
ленно) — 1 с, а характеристика I (им-
пульс) — 35 мс. Для постоянных шу-
мов показания шумомеров с любой та-
кой характеристикой одинаковы. Одна-
ко чем больше проявляется импульсный
Табл. 4.6. Технические характеристики шумомсров
Марка прибора Тип микрофона Частотный ди- апазон, Гц Динамиче- ский диа- пазон. дБ Частотные и времен- ные характеристики Пита ние
Измеритель шума и М101 10...20000 30...130 А, В, С, F, S От батареи или вибраций ВШВ-003 сети (СССР) Измеритель шума и М101 10... 12 500 30... 130 То же То же вибраций ИШВ-1 (СССР) Шумомер Ш-71 М101 40... 10 000 30... 130 » От батареи (СССР) Шумомер ШУМ-1М М101 30...8000 30... 120 » То же (СССР) Точный импульсный МК102 20.. .2000 24... 140 » От батареи или шумомер PSI-202 с на- МК201 30...35 000 сети бором октавных фильт- МК301 30... 40 000 ров OF-101 (ГДР) Импульсный шумо- МК1С2 30...63 000 20... 140 А, В, С, D, F, S, I От батареи мер 00017 (ГДР) Импульсный шумо- МК101 20...8000 30... 140 A, F, S, I . То же мер 00014 с октавными фильтрами 01016 (ГДР) Прецизионный шумо- 4131 30...35 000 20... 140 А, В, С, F, S » мер 2203 с октавными фильтрами 1613 (Да- ния) Прецизионный им- 4145 10... 18000 15... 140 А, В, С, D, F, S, » пульсный шумомер 4133 10...40000 38... 140 I 2209 с октавными 4135 10...70000 60... 160 фильтрами 1613 (Да- ния)
147
Рис. 4.39. Стандартные частотные характеристики фильтров шумоме-
ров
характер шума, тем большая разница
будет в показаниях шумомеров с ха-
рактеристиками I, F и S.
С помощью шумомеров можно из-
мерять также уровни вибраций и про-
водить их частотный анализ, если вме-
сто микрофона подключить вибродат-
чик с интегрирующим устройством.
В табл. 4.6 приведены основные тех-
нические характеристики наиболее ча-
сто применяемых шумомеров.
В лабораторных условиях для ча-
стотного анализа шума и вибраций ис-
пользуют избирательные фильтры, про-
пускающие только составляющие ана-
лизируемого процесса. Полосы пропус-
кания фильтров (табл. 4.7) перекрыва-
ют анализируемый частотный диапазон,
а в результате анализа получается ряд
значений уровней звукового давления в
отдельных узких полосах. Октавой на-
зывается полоса частот, в которой верх-
няя граничная частота в два раза боль-
ше нижней, причем Ат= (/н/в) 1/2=
= (2/н) ’/2= 1,41/н, где fH и — соответ-
ственно верхняя и нижняя граничные
частоты. Для третьоктавной полосы
fcP=(2fn)’/6=l,i3fH.
В зависимости от конструкции ча-
стотный анализатор может иметь на-
бор полосовых фильтров, переключае-
мых автоматически или вручную, а так-
же только один полосовой фильтр, кото-
рый плавно настраивается в определен-
ном частотном диапазоне. Измеряемые
сигналы могут отсчитываться по стре-
Табл. 4.7. Стандартные частотные полосы пропускания фильтров
Граничная частота октавных полос, Гц Среднегеометрические час- тоты, Гц, полос Граничная частота октавных полос, Гц Среднегеометрические частоты, Гц, полос
октавных j третьоктавных октавных^ третьоктавных
0,7. • 1,4 1 0,8; 1; 1,25 180. .355 250 200; 250; 315
1 4 2 1,6; 2; 2,5 355. .710 500 400; 500; 630
2,8. .5,6 4 3,15; 4; 5 710. .1400 1000 800; 1000; 1250
5,6. .11,2 8 6,3; 8; 10 1400. .2800 2000 1600; 2000; 2500
11,2. .22 16 12,5; 16; 20 2800. .5600 4000 3150; 4000; 5000
22. .45 31,5 25; 31,5; 40 5600. .11 200 8000 6300; 8000; 10 000
45. .90 63 50; 63; 80 11200. .22 400 16 000 12 590; 16 000; 18 0 00
90. . 180 125 100; 125; 160 22 400. . 44 800 25 000 20 000; 25 000; 31 500
148
Табл. 4.8. Технические характеристики анализаторов спектра
Марка прибора Вид анализа Частотный ди- апазон, Гц Динамический диапазон, дБ Частотные ха- рактеристики Масса, кг
С пектрометр-ин дика - тор СИ-1 (СССР) Октавный 1 /3-октавный 2.. 20.. .45 000 . 18 000 30. .130 А, В, С 115
Третьоктавный ана- лизатор 01024 (ГДР) Октавный 1 /3-октавный 2.. 20.. .24 000 .20 000 24. .138 А, В, С, D 18,3
Узкополосный фильтр 01013 (ГДР) А/ = 1,5...24 % 0,2. .20 000 — 3,5
Анализатор в реаль- ном масштабе времени 01012 (ГДР) 1 /3-октавный 25. .20 000 35. .140 А, В, С, D 60
Спектрометр 2113 (Дания) Октавный или 1 /3-октавный 25. .20 000 25. ..140 То же 20
Анализатор в реаль- ном масштабе времени 3347 (Дания) 1 /3-октавный 12,5. ..40 000 30. . .140 » 30
лочному или цифровому индикатору, а
также фиксироваться на ленте само-
писца.
Наиболее широкими возможностя-
ми, особенно с точки зрения быстродей-
ствия обработки большого количества
данных и удобства эксплуатации, об-
ладают анализаторы в реальном мас-
штабе времени (табл. 4.8). Они обеспе-
чивают одновременный анализ резуль-
татов во всех частотных полосах и вы-
дачу их в реальном масштабе времени.
Результаты анализа выводятся на эк-
ран электронно-лучевого осциллогра-
фа, а также на самописец или в вычис-
лительную машину.
В практике виброакустических иссле-
дований широко применяются измери-
тельные магнитофоны, которые особен-
но эффективны при записи процессов в
дорожных испытаниях автомобилей и
последующем их анализе в лаборатор-
ных условиях. Воспроизведение при по-
вышенной скорости движения ленты
магнитофона дает возможность частот-
ного преобразования низкочастотных
процессов в рабочий диапазон частот-
ных анализаторов, а также сокращает
время анализа. Измерительные магни-
тофоны используют также при анали-
зе кратковременных и импульсных про-
цессов. Ограниченная продолжитель-
ность таких процессов исключает воз-
можность применения для их анализа
нормальных частотных анализаторов.
В случае применения магнитофона,
снабженного бесконечной петлей лен-
ты для записи исследуемого процесса,
появляется возможность многократно-
го воспроизведения этого процесса и
проведения его частотного анализа.
4.8. Тарировка измерительной
аппаратуры
Общие сведения. Тарировка изме-
рительной аппаратуры заключается в
нахождении функциональной зависимо-
сти между нагрузкой, действующей на
деталь, и выходным сигналом аппара-
туры. Для этого, создавая заранее из-
вестные нагрузки на деталь, на которой
установлены преобразователи, и срав-
нивая значения этих нагрузок с интен-
сивностью выходного сигнала, опреде-
ляют аналитически или графически их
соотношения.
В зависимости от размеров, конфи-
гурации и других особенностей иссле-
дуемой детали используют два спосо-
149
ба тарировки приборов: непосредствен-
ный и косвенный. Для получения досто-
верных результатов измерений условия
тарировки приборов должны как мож-
но меньше отличаться от условий про-
ведения экспериментальных исследо-
ваний объектов. Это означает, что схе-
ма нагружения детали, состав измери-
тельной системы, условия ее эксплуа-
тации как при тарировке прибора, так
и при испытаниях должны быть одина-
ковыми. Номера каналов, закреплен-
ных за определенными процессами при
тарировке, порядок расстановки галь-
ванометров в магнитном блоке осцил-
лографа не должны изменяться в про-
цессе измерения.
Непосредственная статическая тари-
ровка. Суть метода состоит в том, что
испытуемую деталь загружают силами
или моментами в пределах рабочего
диапазона нагрузок последовательны-
ми ступенями (не менее 5) с последу-
ющей разгрузкой в том же порядке. На
каждой ступени нагружения и разгруз-
ки производят замер измеряемой ве-
личины. Для повышения точности та-
рировочных замеров их повторяют не
менее трех раз и находят среднее зна-
чение величины.
Косвенная тарировка. В тех случа-
ях, когда непосредственная тарировка
прибора невозможна, прибегают к ме-
тоду сравнения деформации тарировоч-
ной балки с деформацией испытуемой
детали. Одну часть измерительного
тензомоста или полумоста наклеивают
на испытуемую деталь, а другую — на
тарировочную балку, изготовленную из
того же материала, что и деталь. При
различных деформациях тарировочной
балки снимают показания измерителя.
Затем, разгрузив балку, нагружают
испытуемую деталь и по показаниям
измерителя судят о деформациях, воз-
никающих в месте наклейки тензоре-
зистопов.
В процессе проведения эксперимен-
та приходится часто контролировать ко-
эффициент усиления измерительного
канала. Он может изменяться в про-
цессе проведения замеров под влия-
нием различных факторов (колебаний
напряжения в питающей сети, темпе-
ратуры окружающей среды, значений
параметров деталей усилителя и т. д.).
Для анализа коэффициента усиления
измерительного канала используют
электрическую калибровку тензометри-
ческой аппаратуры: на вход усилителя
подается напряжение, которое являет-
ся эквивалентом заранее заданной де-
формации, воспринимаемой тензорези-
стором. Это напряжение принято назы-
вать контрольным сигналом. Он может
быть образован двумя способами: ис-
кусственным разбалансом тензомоста
или подачей на вход усилителя напря-
жения от калиброванного источника.
В тензоусилителях наиболее часто ис-
пользуется первый способ. Схема под-
ключения тарировочного резистора
(RT) показана на рис. 4.40. Наличие
контрольного сигнала позволяет не
только компенсировать возможное из-
менение коэффициента усиления, но и
при необходимости изменять его в про-
цессе проведения замеров.
Обработка результатов тарировки
приборов. Она сводится к нахождению
Рис. 4.40. Схема включе-
ния тарировочного резис-
тора
150
функциональной зависимости между
отклонением hi луча осциллографа или
стрелочного прибора и значением на-
грузки Мг, приложенной к детали, а
также определению масштабного ко-
эффициента Км, наиболее точно удов-
летворяющего всем опытным данным
тарировки, и оценке точности его опре-
деления.
Обычно зависимость M=f(h) ли-
нейная (AI = /\Mh) или может быть при-
ведена к этому виду. Опытные данные
тарировки описываются, как правило,
нормальным уравнением
(4.3)
Обрабатывая опытные данные по
методу наименьших квадратов, из
уравнения (4.3) получают выражение
для определения масштабного коэффи-
циента
При этом среднеквадратическая по-
грешность определения масштабного
коэффициента
2(4- -зд2
(п-1) 2Л?
1/2
где п — общее число замеров.
Приведенная относительная погреш-
ность (в процентах) оценки масштаб-
ного коэффициента
6 = ± 100о/Км.
Для определения суммарной погреш-
ности результатов тарировки дополни-
тельно находят погрешность замеров
нагрузки. Суммарная приведенная от-
носительная погрешность тарировки
А = 6 + 6ц,
где 6Н — приведенная относительная
погрешность определения нагрузки.
Суммарная среднеквадратическая
погрешность определения масшабного
коэффициента
ол= ± 100ДДм.
Погрешность определения масштаб-
ного коэффициента учитывают при
оценке точности обработки результатов
испытания автомобилей.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1. Общие требования к методикам
обработки результатов измерений
Основная цель обработки экспери-
ментальных данных, полученных при
испытаниях автомобиля и его агрега-
тов,— определение результата измере-
ний и оценка его погрешности.
Выбор метода обработки экспери-
ментальных данных зависит от их чис-
ла (многократные или однократные из-
мерения), вида распределения погреш-
ностей и вида измерений.
При однократном измерении для
оценки погрешности С' о результата ис-
пользуют данные предварительных ис-
следований условий измерения, о по-
i решностях используемых средств и ме-
м" ;ов, а также погрешности оператора.
Для оценки результата многократ-
ных измерений и оценки его погрешно-
сти используют статистические методы.
Выбор метода зависит от закона рас-
пределения результатов, метода изме-
рения, использованного для их получе-
ния (прямой, косвенный и т. д.).
Наименьшая трудоемкость и быст-
рота получения результата измере-
ний обеспечиваются в тех случаях, ко-
гда в качестве такого результата при-
нимают среднее арифметическое ре-
зультатов измерений, а в качестве ха-
рактеристики его погрешности — сред-
нее квадратическое отклонение (СКО).
Получение кривых распределения ре-
зультатов измерений, их корреляцион-
ных зависимостей и спектральных плот-
ностей при отсутствии специальных
приборов — достаточно трудоемкий
г~оц 'сс даже при использовании ЭВМ.
Точность результата измерения опре-
деляется точностью получаемых экс-
периментальных данных и последую-
щих вычислений, связанных с обработ-
кой этих данных. При математической
их обработке число значащих цифр в
результатах промежуточных вычисле-
ний должно быть на 1—2 больше, чем
в конечном результате Например, если
конечный результат требуется иметь с
точностью до десятых долей единицы,
промежуточные результаты вычисля-
ются с точностью до сотых или тысяч-
ных долей единицы.
5.2. Виды измерений и представление
их результатов
Классификация. Результаты изме-
рения любой физической величины
можно представить в виде
Л = ф+А,
где Q — истинное значение физической
величины; А — абсолютная погреш-
ность.
Так как Q=A —А, то, зная погреш-
ность А, можно оценить истинное зна-
чение физической величины.
Измерения классифицируют 1) по
точности (равноточные, неравно-
точные); 2) по числу измерений
в серии (однократные, многократ-
ные) ; 3) по скорости измене-
152
ния измеряемой величины (ста-
тические, динамические); 4) по и а-
значению (технические, метроло-
гические) ; 5) по способу выра-
жения результатов (абсолют-
ные, относительные); 6) по общим
приемам получения резуль-
татов (прямые, косвенные, совмест-
ные, совокупные).
Равноточные измерения — ряд изме-
рений какой-либо величины, выполнен-
ных средствами измерений одинаковой
точности в одних и тех же условиях.
Многократное измерение — измере-
ние одной и той же величины, резуль-
тат которого получают из результатов
нескольких следующих друг за другом
однократных измерений. Измерения от-
носят к многократным, если число их
nZ^.4. Ряд результатов таких измере-
ний может быть обработан методами
математической статистики.
Абсолютное измерение основывает-
ся на прямых измерениях одной или не-
скольких основных величин.
Относительное измерение дает оцен-
ку отношения значения величины к зна-
чению одноименной величины, играю-
щей роль единицы, или изменения зна-
чения величины относительно значения
одноименной величины, принимаемого
за исходное.
В прямом измерении значение фи-
зической величины получают непосред-
ственно.
В косвенном измерении значение
физической величины определяют на
основании результатов прямых изме-
рений других физических величин,
функционально связанных с исследу-
емой.
Совокупные измерения предполага-
ют измерения нескольких однородных
величин в различных сочетаниях, зна-
чения которых определяют путем реше-
ния системы уравнений.
Совместные измерения — одновре-
менные измерения двух или несколь-
ких неоднородных величин для уста-
новления зависимости между ними.
Полученные путем измерения зна-
чения физической величины называют-
ся неисправленными результатами из-
мерения, а если в них внесены поправ-
ки — исправленными.
Представление результатов измере-
ний. Установлены стандартизованные
способы и формы представления коли-
чественных показателей измерений и
их точности.
1. Интервал, в котором с установ-
ленной вероятностью Р находится сум-
марная погрешность А измерения:
Л; А от Ап до Ав; Р,
где А — результат измерения в едини-
цах измеряемой величины; Ан, Ав —
соответственно нижняя и верхняя гра-
ницы погрешности измерения в тех же
единицах.
2. Интервал, в котором с установ-
ленной вероятностью Рс находится сис-
тематическая составляющая Ас погреш-
ности измерения, стандартная аппрокси-
мация функции распределения (g)
случайной составляющей погрешности
(нормальное распределение, равномер-
ное и т. п.) и среднее квадратическое
отклонение составляющей случайной
погрешности сг(А):
А; Ас от Ас.н до Ас.в; Рс; о (А); /”(£)•
3. Стандартная аппроксимация функ-
ций распределения систематической
/д* (Ю и случайной /£т (В) составляю-
щих и их средние квадратические от-
клонения 5(Ас) и и (А):
А- и (Ас); Дтс(£); Ъ (A); f7(g).
4. Функции распределения система-
тической и случайной составляющих
погрешности измерения:
А; МВ); /Д(В),
153
где /дс (?), /д(Ю—соответственно функ-
ции распределения (плотности вероят-
ностей) систематической и случайной
составляющих погрешности измерения,
задаваемые таблично, графиками или
формулами с указанием численных зна-
чений параметров. При этом обе функ-
ции должны быть заданы в одинаковой
форме.
Наименьшие разряды значений ре-
зультатов и числовых показателей точ-
ности измерений должны быть одина-
ковы, причем значащих цифр в показа-
теле точности измерений должно быть
не более двух. Формы представления
результатов измерений установлены
Методическими указаниями МИ 1317—
86.
5.3. Классификация погрешностей
измерений
Вследствие погрешностей, присущих
методу и средству измерений, отличия
внешних условий, в которых выполня-
ются измерения, от установленных, а
также из-за других причин результат
практически каждого измерения имеет
погрешность.
Погрешности результатов измере-
ний классифицируют по следующим
признакам: по характеру про-
явления (систематические, случай-
ные) ; по способу выражения
(абсолютные, относительные); п о ско-
рости изменения измеряе-
мойвеличины (статические, дина-
мические) ; по способуобработ-
ки результатов измерений
(средние арифметические, средние ква-
дратические и т. д.).
Систематическая погрешность —
составляющая погрешности результата
измерения, постоянная для данного ря-
да измерений или закономерно изме-
няющаяся при повторных измерениях
одной и той же величины.
По характеру проявления система-
тические погрешности подразделяют на
постоянные, прогрессивные и перио-
дические.
Постоянные погрешности сохраня-
ют свое значение, например, в течение
серии измерений. Это наиболее часто
встречающиеся погрешности. Прогрес-
сивные погрешности непрерывно воз-
растают или убывают в процессе изме-
рений (например, погрешности, связан-
ные с падением напряжения аккумуля-
тора, используемого для питания
тензоусилителя). Периодическая по-
грешность является функцией времени
или перемещения указателя измери-
тельного прибора.
В зависимости от причин появления
систематических погрешностей различа-
ют инструментальные погрешности, по-
грешности метода измерения, субъек-
тивные погрешности и погрешности
вследствие отклонения внешних усло-
вий измерения от установленных мето-
диками.
Инструментальная погрешность яв-
ляется следствием ряда причин: изна-
шивания деталей прибора, трения в его
механизмах, старения элементов в элек-
тронных приборах и др.
Погрешность метода обусловлена
несовершенством метода измерений, его
упрощением в соответствии с методи-
кой измерения. Например, такая по-
грешность может быть связана с недо-
статочным быстродействием средств
измерений при анализе быстропротека-
ющих процессов.
Субъективная погрешность опреде-
ляется индивидуальными особенностя-
ми оператора (например,запаздывание
в принятии им сигнала, отсчете пока-
заний прибора).
Для исключения и учета погрешно-
стей результатов измерений использу-
ют четыре основных способа.
1. Устранение источников погрешно-
сти до начала измерений. Этот способ
154
наиболее рационален, так как полно-
стью или частично освобождает иссле-
дователя от необходимости устранять
погрешности в процессе измерения или
вычислять результат с учетом попра-
вок. Устранение источников погреш-
ностей обеспечивается использованием
поверенных средств измерений и созда-
нием условий (температура и влаж-
ность воздуха, помехи), оговоренных
методикой исследования.
2. Исключение погрешностей в про-
цессе измерений различными приема-
ми, например способами замещения,
компенсации, погрешности по знаку,
симметричных наблюдений и др.
3. Внесение известных поправок в
результат измерений (исключение си-
стематических погрешностей).
4. Оценка границ систематических
погрешностей, если их исключить не-
льзя.
При внесении поправок обычно учи-
тывают сумму неисключенных погреш-
ностей (устанавливают их границы).
Если число слагаемых Л^З, границы
неисключенных систематических по-
грешностей вычисляют по формуле
6= ±2 m
i=i
а если то
6 = + k
где k — коэффициент зависимости не-
исключенных систематических погреш-
ностей от выбранной доверительной ве-
роятности Р при их равномерном рас-
пределении. При Р = 0,99 6=1,4, при
Д=0,956=1,1.
Случайная погрешность изменяется
случайным образом при повторных из-
мерениях одной и той же величины.
Случайные погрешности обусловлены
вариациями показаний приборов, изме-
нением условий эксперимента, округ-
лением результатов при отсчете по
приборам и др.
Случайные погрешности результа-
тов измерений оценивают размахом,
средней арифметической погрешностью,
средней квадратической погрешностью
(отклонением), абсолютной, относи-
тельной погрешностями и т. п.
Размах результатов измерений —
алгебраическая разность наибольшего
и наименьшего результатов п измере-
нии, образующих ряд (выборку): R-n =
= -^шах
В качестве оценки измеряемой ве-
личины принимают среднее арифмети-
ческое результатов измерений
п
а в качестве оценки параметра случай-
ной погрешности — их среднее квадра-
тическое отклонение
5(Л) =
" _ ni/2
2 (хг-Л)2/(«-1) - (5.2)
1=1
где Хг — результат /-го измерения.
Величина 5(Л) является оценкой
сгж теоретического распределения ре-
зультатов измерений.
Для большей уверенности в пра-
вильности оценки погрешности резуль-
тата измерений вычисляют доверитель-
ные границы погрешности или довери-
тельную погрешность. При нормальном
законе распределения доверительные
границы погрешности вычисляют как
= /5(Л), где t — число, зависящее от
доверительной вероятности Р и числа
измерений п. Величина А = /3(Л) опре-
деляет погрешность измерения.
Предельная погрешность результа-
тов измерения — максимальная их по-
грешность, вероятность которой не пре-
вышает Р, если разность 1 — Р незна-
чительна. При нормальном законе рас-
пределения погрешностей результатов
155
измерений за предельную Лир прини-
мают___ доверительную погрешность
±33(Л), т. е. Дпр= ±3£(Л), так как
при этом Р=0,997, а разность 1 — Р=
= 0,003 незначительна.
Относительная погрешность резуль-
тата измерения 6 = Д/Л.
5.4. Выбор числа измерений
Объем работы при выполнении из-
мерений в значительной мере зависит
от их числа. Путем увеличения числа
измерений (выборки) можно умень-
шить случайную погрешность. Несмот-
ря на введение поправок, в результа-
тах измерений остаются неисключен-
ные систематические погрешности. По-
этому случайную погрешность имеет
'смысл уменьшать только до разумных
пределов, зависящих от границ неис-
ключенной систематической погрешно-
ности.
При однократном измерении погреш-
ность результата
Д=К(52+62/3) V2,
где К — поправочный коэффициент, за-
висящий от доверительной вероятности
Р и вида распределения суммарной по-
грешности; S — среднее квадратичес-
кое отклонение случайной составляю-
щей погрешности результата; 9 — гра-
ница неисключенной систематической
составляющей погрешности измерения.
При многократных измерениях
(л^4) суммарная погрешность изме-
рения
Л'^К'^Д+е^/З)1/2.
Так как значения К и К' отличают-
ся незначительно, то, принимая К—К',
можно оценить, как изменяется по-
грешность результата при увеличении
числа измерений:
_ Д' = { (6/.S)2/3 1/п Д/2
V д L (e/S)2/3+i J
Рис. 5.1. Погрешность результата измерений
в зависимости от их числа при различных со-
отношениях ненсключенных систематических
и случайных погрешностей
При 8fS — 8 у практически не зави-
сит от п (рис. 5.1). Следовательно, при
6/5 = 8 нет необходимости в проведении
многократных измерений.
5.5. Проверка гипотезы о виде
распределения экспериментальных
данных
Практика обработки эксперимен-
тальных данных в машиностроении
показывает, что наиболее часто по-
грешности измерений подчиняются
нормальному закону распределения.
Поэтому проверка гипотезы о нор-
мальности распределения данных яв-
ляется составной частью обработки ре-
зультатов измерений. Для такой про-
верки используют критерии Колмого-
рова, <»2, у2 Пирсона.
Критерий х2 при числе эксперимен-
тальных данных и > 50 используется
наиболее часто. Все данные группируют,
вычисляют середины интервалов х(0, со-
ответствующие им эмпирические часто-
ты, определяют среднее арифметическое
А и среднее квадратическое S (Л). Да-
лее определяют число данных, которые
находятся в данном интервале, если их
распределение соответствует предпола-
гаемому: = nhq> (zi)/S (Л). Для каж-
156
Табл. 5.1. Проверка соответствия распределения экспериментальных данных нормальному
закону
Номер интер- вала i Середина ин- тервала xi0 Число данных в интервале ХЮ~А х10~А Теоретическое число данных в интервале П; 2 Xi
~1 ' S (Д)
1 —0,14 31 11 —0,1116 —2,17 3,01 9 4
2 —0,12 8J 11 —0,0916 —1,78 6,4] 914
3 —0,10 11 —0,0716 — 1,39 13,6 0,50
4 —0,08 20 —0,0516 —1,00 18,8 0,08
• 5 —0,06 27 —0,0316 —0,61 26,0 0,04
6 —0,04 36 —0,0116 —0,23 30,2 1.11
7 —0,02 29 0,0084 0,16 30,8 0,10
8 0,00 18 0,0284 0,55 26,8 2,89
9 0,02 17 0,0484 0,94 19,8 0,40
10 0,04 17 0,0684 1,33 12,8 1,38
11 0,06 8 0,0884 1,72 7,0 0,14
12 0,С8 41 0,1084 2,10 3,4
13 0,10 1 6 0,1284 2,49 1,4 5,2 0,12
14 0,10 1 0,1484 2,88 0,4
Сумма: 200 0 200,4 7,03
дого интервала вычисляют %/=(«,—
— nif/tii, где щ— действительное чис-
ло данных в i-м интервале. Просумми-
2
ровав х, по вс ем г интервалам, получают
Г
2 V1 2
X = X/ при определенном числе сте-
1=1
пеней свободы f. Для нормального
закона распределения f = г — 3.
Выбрав уровень значимости q, по
таблицам распределения х2 (прил. 1)
находят Хи и Хв- Гипотезу о соответст-
вии экспериментальных данных нор-
мальному закону распределения прини-
мают, если Хн<Х2<Хв-
Пример 5.1. Проверить соответствие рас-
пределения данных эксперимента (табл. 5.1)
нормальному закону.
Результаты экспериментов разбиты на
/-=14 интервалов. Так как в первом, втором и
в трех последних интервалах число данных
меньше пяти, их можно соответствующим об-
разом объединить. Тогда число интервалов бу-
дет г=11, а число степеней свободы /=11 —
— 3 = 8. Согласно расчету, Л = —0,0294, 5(Л) =
= 0,0514.
Примем уровень значимости <7 = 0,1. По
прнл. 1 найдем %2 = 2,73 и у2 = 15,51 (гра-
ничные значения критерия Пирсона). Так как
2,73 < 7,03 < 15,5, гипотеза о нормальном
распределении экспериментальных данных при-
нимается.
При числе опытов п<10 проверить
гипотезу о виде распределения экспе-
риментальных данных невозможно. По-
этому всегда п^Ю. Отдельные группы
данных небольшого объема, получен-
ные в аналогичных условиях, считают-
ся подчиняющимися распределению,
вид которого был установлен при
большем объеме экспериментальных
данных.
При 10sCnsC50 используют состав-
ной критерий. Если гипотеза о нормаль-
ности распределения данных отверга-
ется хотя бы по одному из указанных
ниже критериев, считают, что их рас-
пределение не подчиняется нормально-
му закону.
Критерий I. Вычисляют значе-
ние d по формуле
157
Табл. 5.2. Проверка соответствия распределения экспериментальных данных нормальному
закону по составному критерию
i xi —Л i Х1 xi~ А (Ч-А)2
1 18,305 —0,003 9,0 • 10—6 11 18,312 0,004 1,6 • 10-5
2 18,308 0 0 12 18,305 —0,003 9,0 10-°
3 18,311 0,003 9,0 • 10 —6 13 18,307 —0,001 1,0 10 —6
4 18,309 0,001 1,0 • 10~6 14 18,308 0 0
5 18,304 —0,004 1,6 • 10 —5 15 18,309 0,001 1,0 10—6
6 18,306 —0,002 4,0 • 10—6 16 18,308 0 0
7 18,310 0,002 4,0 • 10—6 17 18,307 —0,001 1,0 10—6
8 18,303 —0,005 2,5 • 10—5 18 18,309 —0,001 1,0 10—6
9 18,308 0,0 0 19 18,310 0,002 4,0 • 10_6
10 18,306 —0,002 4,0 • IO-8 Сумма: 347,845 0,035 1,05 • 10 —4
п
<5=2 к-Л|/(иЗ*),
1=1
(5.3)
где S* — смещенное среднее квадрати-
ческое отклонение результатов экспе-
римента:
S* =
2 (^-л)7«
1=1
(5.4)
При числе данных 10sCnsC20 при-
нимают т=1, при 20sense50 — m = 2.
Если при проверке гипотезы для од-
них и тех же данных уровни значимо-
сти критериев приняты разными (</i
для первого и q2 для второго), уровень
значимости составного критерия не пре-
вышает их суммы (q^qi + q2) •
Гипотеза о нормальности распреде-
ления подтверждается, если c/i—91/2 <С
< d < dqj2, где di-91/2- и г/91/2-процент-
ные точки распределения значений d
можно найти по прил. 2.
Критерий II. Гипотеза о нор-
мальности распределения эксперимен-
тальных данных подтверждается, если
не более т разностей |Xi—Л| превы-
шают значение SzPj2, где
' 1/2
?р/2 — верхняя Р/2-процентная точка
нормированной функции Лапласа;
Р (п, q) — доверительная вероятность,
определяемая из уравнения
т
1 — 2 C*(l —P)kPn~k = q2-
а=о
Значения Р для т=1 и т = 2 при-
ведены в прил. 3.
Пример 5.2. В эксперименте проведено
19 измерений (табл. 5.2). Проверить соответ-
ствие их результатов нормальному закону рас-
пределения.
Оценка измеряемой величины (формула
(5.1)):
А = 347,845/19= 18,308.
Средние квадратические отклонения резуль-
татов измерений (формулы (5.2) и (5.4)):
5=У1,05- 10-4/(19-1) =2,415 • 10~3;
5*=У1,05.10-4/19=2,351 • 10-3.
Оценка параметра d (формула (5.3)):
3=0,035/(19-2,351 • 10-3)=0,78.
Примем уровень значимости критерия I
71 = 0,62. По прил. 2 найдем интерполирова-
нием = 3099 = 0,686 и = d0 01 =
= 0,904. Так как 0,686 < 0,78 < 0,904, кри-
терий I выполняется.
Применим критерий II. Выбрав г/д-0,05,
для п=19 по прил. 3 найдем Р=0,98. По
прил. 4 определим zP/2=2,33. Тогда
SzP/2=2,415 • 10~3 • 2,33 = 0,0056.
Согласно критерию II, только одна раз-
ность |хг—Л| может превышать 0,0056. Из
158
табл. 5 2 следует, что ни одно отклонение
|хг—Л| не превосходит 0,0056
Следовательно, гипотеза о нормальном
законе распределения экспериментальных дан-
ных подтверждается. Поскольку 7=7i + '72=
= 0,02 + 0,05 = 0,07, гипотеза подтверждается
при уровне значимости не более 0,07.
Для того чтобы проверить, содер-
жат ли результаты измерений Xi, х2,
хп грубую погрешность, считая, что вы-
борка данных подчиняется нормально-
му распределению, вычисляют
2тах = | Ящах А | /S.
Если гтах>зт (теоретическое значе-
ние гт при выбранном уровне значимо-
сти q определяется по прил. 5), то Хшах
следует исключить, как содержащее
грубую погрешность. При n^50 zT =
zP/2(l—1/п)1/2, где Zp/2 находят по
прил. 4.
Пример 5.3. Проверить, не содержит ли х&
из табл. 5.2 грубую погрешность.
Вычислим
118,303— 18,3081
2тях = J-----г-----а =2,07.
тах 2,415 • 10"-3
Примем Р=0,95, тогда <7=0,05. По прил. 5
найдем zT=2,75. Так как Zmax<zT, то х&=
= 18,303 не содержит грубой ошибки.
5.6. Обработка результатов
прямых измерений
Общие положения. Получаемая по
экспериментальным данным оценка из-
меряемой величины считается наилуч-
шей, если она несмещенная, состоя-
тельная и эффективная.
Оценка будет состоятельной, если
с увеличением числа измерений она
приближается к истинному значению
измеряемой величины. При несмещен-
ной оценке ее математическое ожида-
ние равно значению измеряемой вели-
чины. Оценка называется эффективной,
если ее среднее квадратическое откло-
нение меньше среднего квадратическо-
го отклонения любой другой оценки той
же величины.
Для результатов, имеющих нормаль-
ное распределение, наилучшей оцен-
кой измеряемой величины является
среднее арифметическое, а наилучшей
оценкой случайной погрешности —
среднее квадратическое отклонение.
Основные требования к обработке ре-
зультатов прямых многократных изме-
рений для получения оценки измерения
стандартизованы.
Обработка нормально распреде-
ленных данных. При прямых измере-
ниях за значение измеряемой величи-
ны А принимают среднее арифметичес-
ское исправленных экспериментальных
данных А, а в качестве характеристики
случайного рассеивания эксперимен-
тальных данных — S (А), вычисленные
по формулам (5.1) и (5.2).
С КО среднего арифметического ре-
зультата измерения А, вычисленное по
ограниченному числу эксперименталь-
ных данных:
5(А) =
1
п (п — 1)
или S(A) =S/^n.
Интервал, в котором с заданной (до-
верительной) вероятностью находится
истинное значение измеряемой величи-
ны, называется доверительным. При
нормальном законе распределения дан-
ных истинное значение величины А с
доверительной вероятностью находится
в интервале [A — tS(А), А + /5(A)], где
t — «/-процентная точка распределения
Стьюдента.
Значение £S(A) —доверительная
граница случайной погрешности резуль-
тата измерения е(Р), пли доверитель-
ная случайная погрешность: е(Р) =
= AS(A).
159
Пример 5.4 Найти доверительный интер-
вал для данных, приведенных в табл. 5 2.
Примем доверительную вероятность Р =
= 0,95 Имеем А = 18,308; 3(Л) =5/уи=2,415Х
X 10-3/yi9 = 5,54 • 10~4; п=19; /=19-1 = 18.
По прил. 6 для f—18 и Р=0,95 находим
f=2,10 Доверительня граница случайной по-
грешности е(Р) =2,10 • 5,54 • 10-4=1,16- 10~3.
Истинное значение измеряемой величины нахо-
дится в интервале [18,3068, 18,3092] Резуль-
тат измерения может быть записан в виде
18,308+ 0,001, Р=0,95
Оценка неисключенных системати-
ческих погрешностей результатов свя-
зана с построением композиции их со-
ставляющих. В связи с большими труд-
ностями построения этой композиции,
полагая равномерность распределения
иеисключенных систематических по-
грешностей внутри заданных границ
6, для нахождения доверительной гра-
ницы неисключенной систематической
погрешности 6(Р) используют фор-
мулу
/ т \ 1/2
е(П = М2б/ ,
' 7=1 /
где k — коэффициент, соответствующий
выбранной доверительной вероятности
Р, зависящий от числа составляющих
неисключенной систематической по-
грешности и их соотношения; 6,- — гра-
ница t-й неисключенной систематичес-
кой погрешности.
При доверительной вероятности
Рис. 5.2. График зависимости k—f(m, I)
при Р=0,99
Р=0,90 и Р=0,95 значения k малочув-
ствительны к изменению числа неис-
ключенных систематических составля-
ющих погрешностей. При Р=0,90 при-
нимают Л=0,95, а при Р=0,95—1г-= 1,1.
Если Р = 0,99, &=1,49 для т>5. Если
/п^5, для нахождения значений k ис-
пользуют график (рис. 5.2) зависимо-
сти k=k{m, I), где т — число суммиру-
емых неисключенных составляющих си-
стематической погрешности; I — пара-
метр, зависящий от соотношения гра-
ниц этих составляющих.
При определении k границы 6, рас-
полагают в порядке их возрастания и
вычисляют отношения границ 1[ — 62/61;
/2=6m/6m-i. Найдя по графику значе-
ния ^1 = А(/Ь т) и k^—k(l2, tn), в каче-
стве поправочного коэффициента k при-
нимают наибольшее из них.
Если неисключенные систематиче-
ские погрешности по сравнению со слу-
чайными малы (6/5(Л) <0,8), погреш-
ность результатов измерений может
характеризоваться только доверитель-
ными границами случайной погрешно-
сти. Если пренебрежимо_малы случай-
ные погрешности (6/5(Л)>8), резуль-
таты измерений характеризуются неис-
ключенными систематическими погреш-
ностями.
При 0,8^6/S (Л) sj 8 результат со-
держит как случайные, так и неисклю-
ченные систематические погрешности.
Для расчета доверительной погрешно-
сти используется зависимость
+ б7з]’/2,
Л(Р)=К[6(Р)+е(Р)], (5.5)
где
К={1+е2/[352(4)]}1/2/{1 +
+e/[V3S0)]}, (5.6)
160
а в квадратных скобках — арифмети-
ческая сумма границ случайной и не-
исключенной систематической погреш-
ностей.
Пример 5.5. Статистической обработкой
результатов измерений получено: >4 = 1,95;
X(А) =0,05; 0=0,03; п- 20. Найти погрешность
измерений с заданной вероятностью /’ = 0,95.
Так как 0/Х(А) =0,03/0,05= 0,6 <0,8, ре-
зультат измерения может быть представлен в
вице- А = 1,95; Х(А)=0,05; п=20.
Доверительную границу случайной по-
грешности результата е(Р) вычислим следу-
ющим образом При Р = 0,95 по прил. 6 най-
дем /=2,09. Тогда е(Р) = /5(А)_«0,1. Это
означает, что с вероятностью 0,95 истинное
значение измеренной величины находится в
доверительном интервале [1,95—0,1; 1,95 + 0,1].
Допустим, что граница неисключенных
систематических погрешностей больше, на-
пример 0 = 0,18. Запись результата измерений
будет иной: >4 = 1,95;_6=0,18; Х(А)=0,05;
п=20, поскольку 0/Х (Л) = 0,18/0,05= 3,6 > 0,8.
При /-' = 0,95 коэффициент Стьюдента /=
= 2,09, поэтому е(Р) = /Х(А) = 0,1. Так как
Q/S (Л)= 3,6, значение Д(Р) необходимо вы-
числять. Для этого найдем по формуле (5.6)
К = ]/1 + 0,182/(3 • 0,052)/[1 +0,18/(]/3'- 0,05)]=
= 0,749,
а затем Д(Р) по формуле (5.5): ДР = 0,749Х
Х(0,18+0,1) = 0,21.
На основании изложенного результат из-
мерений можно представить в форме: Л =1,95;
Д(Р) = 0,21; Р=0,95; п=20.
Обработка результатов прямых од-
нократных измерений. Перед проведе-
нием прямого однократного измерения
проверяют исправность средств изме-
рений, их метрологические характери-
стики, оценивают погрешность метода
измерения, погрешность оператора.
Возможность однократного измерения
реализуется в случае незначительных
случайных погрешностей измерений
(они малы по сравнению с неисключен-
нымн систематическими погрешностя-
ми). При существенных случайных по-
грешностях их доверительная граница
не должна превышать границ заданной
погрешности результата измерения.
В противном случае выбирают более
точное средство измерений.
Во избежание промахов иногда про-
водят два-три измерения. За оконча-
тельный результат принимают среднее
арифметическое результатов, получен-
ных в этих измерениях.
Погрешности средств измерений, ме-
тода и оператора могут включать не-
исключенные систематические и слу-
чайные составляющие. Неисключенные
систематические погрешности задают
границами ±0 или доверительными
границами ±0(Р), случайные погреш-
ности — средним квадратическим от-
клонением S или доверительными гра-
ницами ±е(Р).
Если неисключенная систематичес-
кая погрешность результата связана
только с методом измерений, эту по-
грешность определяют ее границами.
При наличии нескольких неисключен-
ных систематических погрешностей с
границами 03 доверительную границу
результата измерений вычисляют по
формуле
1/2
0 (Р) = k
р
i=i
В случае отсутствия информации о
значениях 03(Р) коэффициент k может
быть принят равным 0,95 при Р=0,90,
1,1 при Р=0,95 и 1,4 при Р=0,99.
Доверительные границы случайной
погрешности результата измерений
e(P)=Zp/2S (Д),
/ I \ 1/2
где S (Л) = 2 S/ — СКО результа-
\/=1 /
та измерений; S-L —CKO результата
измерений, обусловленное /-м фактором
(погрешностью средства измерений, ме-
тода, оператора); z>/2 — Р/2-процентная
точка нормированной функции Лапласа.
Если случайные погрешности пред-
ставлены доверительными границами,
соответствующими разным доверитель-
161
ным вероятностям, сначала определяют
СКО результата измерения по формуле
5(Л) =
2 A (Pi )l4il2
i=l
а затем вычисляют доверительные гра-
ницы случайной погрешности результа-
та измерений.
5.7. Обработка результатов
косвенных измерений
Если величина А и ее аргументы
alt а2, ..., а.т выражены в виде явной
функции A=f(ai, а2, ..., ат), то значе-
ние величины А может быть определе-
но путем соответствующей обработки
измеренных значений аргументов
При этом значения di получают в ре-
зультате прямых, косвенных и других
измерений.
Математический аппарат обработки
результатов косвенных измерений де-
тально разработан для случая линей-
ной зависимости измеряемой величины
от ее аргументов. При нелинейной их
зависимости не всегда удается найти
несмещенные, эффективные и состоя-
тельные оценки измеряемой величины.
В этом случае используют различные
методы в зависимости от вида уравне-
ния измерений и наличия корреляцион-
ной зависимости между погрешностями
измеряемых аргументов.
При линейной функции Л=/(аь
а2, ..., ат) уравнение измерений имеет
вид
A = b[di + b2d2 -|- ...-{-bidi+...+bmdm>
где &i, b2, ..., bm — постоянные коэффи-
циенты.
Если коэффициенты Ь{ определены
экспериментально, сначала оценивают
каждое слагаемое bidi, а затем находят
результат косвенного измерения
А = X bidi,
где di — результат измерения i-ro ар-
гумента; т—число аргументов.
Среднее квадратическое отклонение
косвенной оценки
т 1/2
s(3) = ,
Li=l
где *$ (di) — СКО результата измерений
i-ro аргумента.
При нормальном распределении по-
грешностей измерений аргументов до-
верительные границы случайной по-
грешности результата косвенного из-
мерения вычисляют по формуле
е(Р)=А$(Л),
где t — коэффициент Стьюдента, соот-
ветствующий доверительной вероятно-
сти Р и числу степеней свободы
{Гт 2 т
5 b2iS2 (щ) -2 2 b4iS4 (di)l(ni+
L J i~l
)j Г fbl
О ь№(щ)1(гц+ 1)
/ L<=i
14 — число измерений при определении
аргумента di.
Формулы для расчета 5(Л) и /эф
справедливы, если отсутствует корре-
ляционная зависимость между резуль-
татами измерений аргументов, т. е. при
выполнении условия
где t — коэффициент Стьюдента, соот-
ветствующий уровню значимости q=
= 1— Р и числу степеней свободы f=
= п — 2 (см. прил. 6); г — значение ко-
эффициента корреляции между резуль-
татами измерений dh и а3:
162
хм, хц — результаты i-го измерения со-
ответственно h-ro и /-го аргументов.
При зависимости измеряемой вели-
чины от т аргументов проверяют от-
сутствие корреляционных связей меж-
ду погрешностями всех парных соче-
таний аргументов. Если между по-
грешностями аргументов существует
корреляционная зависимость, то СКО
результата косвенного измерения
ным дифференциалом
А
л— Да,-
Остаточным членом
т т
S ^2(аг)+2^ b^S^x
i=l h, I
пренебрегают, если
x S (at) rht
1/2
=
где гы — значение коэффициента кор-
реляции между погрешностями измере-
ний h-ro и 1-го аргументов.
Доверительные границы неисклю-
ченной систематической погрешности
результата косвенного измерения 9 (Р)
определяют по формуле
/ т \ 1/2
0 (Р) = k S b№ ,
\ г=1 /
где k — поправочный коэффициент,
определяемый принятой доверительной
вероятностью и числом т составляю-
щих Qi (см. § 5.6).
При косвенных измерениях нелиней-
ную зависимость между величиной А
и ее аргументами линеаризуют, исполь-
зуя разложение функции в ряд Тейлора
f («1, ат) = f(ai, ..., ат} —
т
VI bf А
~2i~&ai+R'
1=1
где Aat — отклонение отдельного ре-
зультата измерения i-ro аргумента от
среднего арифметического: Дщ—а —я,;
Р — остаточный член.
Метод линеаризации допустим, если
приращение функции f (ai, ..., ат) —
— /(cii, ..., ат) можно заменить ее пол-
Отклонения Да, при этом должны быть
взяты из возможных значений погреш-
ностей и такими, при которых функция
f(at+Aat... ат + АОт) имеет макси-
мум.
Результат измерения — A = f(al,
ат). Среднее квадратичное его откло-
нение
3(А)=-
df
да1
\2 О
1 S2
/
1/2
Доверительные границы случайной
погрешности и границы неисключенной
систематической погрешности результа-
та косвенных измерений определяют по
формулам для расчета е(Р), 9(Р) при
линейной зависимости измеряемой ве-
личины и ее аргументов, где вместо
Ь\, ..., Ьт соответственно подставлены
производные дЦдах, ..., дЦдат. Довери-
тельная погрешность результата опре-
деляется так же, как и при линейной
зависимости величины и ее аргументов.
Метод нахождения результатов кос-
венных измерений и оценки их погреш-
ностей описан в методических указа-
ниях РД 50-555—85 «Косвенные изме-
рения. Определение результатов изме-
рений и оценивание их погрешностей».
163
Ь ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
6.1. Основные понятия и определения
Любой эксперимент включает сле-
дующие основные этапы: а) постанов-
ку задачи и выбор плана эксперимен-
та; б) проведение эксперимента, сбор
и обработку данных; в) анализ резуль-
татов эксперимента и формулирование
выводов.
Согласно ГОСТ 24026—80 «Иссле-
довательские испытания. Планирование
эксперимента. Термины и определе-
ния», эксперимент — это система опе-
раций, воздействий и (или) наблюде-
ний, направленных на получение ин-
формации об объекте при исследова-
тельских испытаниях.
Опыт — воспроизведение исследуе-
мого явления в определенных условиях
проведения эксперимента при возмож-
ности регистрации его результатов.
Опыт является отдельной элементар-
ной частью эксперимента.
План эксперимента — совокупность
данных, определяющих число, условия
и порядок реализации опытов.
Планирование эксперимента — вы-
бор плана эксперимента, удовлетворя-
ющего заданным требованиям. В ши-
роком смысле слова планирование экс-
перимента — это научная дисциплина,
занимающаяся разработкой и изуче-
нием оптимальных планов проведения
экспериментальных исследований.
Фактор — переменная величина, по
предположению влияющая на резуль-
таты эксперимента. Фактором может
быть сопротивление движению автомо-
биля, удельная мощность двигателя,
передаточное число трансмиссии и т. Д.
Эти величины обозначают обычно Xi,
Xg, Хп*
Уровень фактора — фиксированное
значение фактора относительно начала
отсчета. Факторы различают по числу
уровней, фиксируемых в конкретной
задаче.
Различают эксперимент пассивный
и активный.
При проведении пассивного экспе-
римента испытатель практически не
вмешивается в его ход. Основная зада-
ча такого эксперимента состоит в вы-
явлении и обработке необходимой ин-
формации. Примером пассивного экс-
перимента являются исследования
автомобиля в процессе его эксплуата-
ции, когда испытатель может только
измерять уровни некоторых факторов,
определяющих режимы работы агрега-
тов автомобиля, и фиксировать отказы
отдельных деталей, узлов или систем.
При проведении активного экспери-
мента имеются широкие возможности
изменять режимы функционирования
объекта испытаний, подбирать экспери-
ментальные точки (составлять план
эксперимента) так, чтобы обеспечить
наименьшие погрешности результатов,
варьировать уровни факторов или ре-
жимы работы объекта до тех пор, по-
ка результаты эксперимента не будут
соответствовать их оптимальному соче-
танию. Поэтому планируемый актив-
164
ный эксперимент при прочих равных
условиях точнее и информативнее, а
иногда и дешевле пассивного.
Традиционная форма планирования
активного эксперимента — однофактор-
ный эксперимент. Если необходимо ис-
следовать влияние нескольких факто-
ров на характеристики объекта, то их
анализируют поочередно: сначала варь-
ируют уровни одного фактора, а уровни
остальных выдерживают постоянными,
затем варьируют уровни другого факто-
ра при постоянных уровнях других
и т. д. Такой метод имеет ряд недостат-
ков. Значительная часть получаемой
информации часто не представляет
практического интереса, велика вероят-
ность появления дополнительных оши-
бок в связи с тем, что в течение дли-
тельного времени, необходимого для
эксперимента, трудно поддерживать
стабильными уровни факторов, опреде-
ляющих состояние объекта испытаний.
Из-за необходимости проведения боль-
шого количества опытов велика стои-
мость испытаний. Представление ин-
формации в виде громоздких таблиц и
графиков затрудняет интерпретацию
получаемых результатов.
Современный подход к планирова-
нию эксперимента состоит в том, что
выбор того или иного его плана осуще-
ствляют исходя из задачи исследова-
ния. Целью эксперимента может быть
обеспечение минимальных затрат тру-
да, времени или средств на испытания
объектов или уменьшение влияния оши-
бок (систематических и случайных) на
результаты исследования. Специальные
планы эксперимента составляют для
проверки гипотез, решения оптимиза-
ционных задач и др.
Наблюдаемая случайная перемен-
ная, по предположению зависящая от
факторов, называется откликом и обо-
значается у3.
Функция отклика представляет со-
бой зависимость математического ожи-
Рис. 6.1. Поверхность отклика в двух-
факторном эксперименте
дания отклика от факторов и может
быть представлена в виде
Ц = ЧЬ(*Ь х2, ..., Хп), (6.1)
где /= 1, 2, ..., т.
Геометрическое представление функ-
ции отклика (6.1) называют поверхно-
стью отклика (рис. 6.1). Если каждо-
му фактору Хг (i— 1, 2, ..., п) соответ-
ствует координатная ось, образованное
пространство называют n-мерным фак-
торным пространством. Поверхность
отклика представляет в этом случае ги-
перповерхность в (п+1)-мерном про-
странстве (размерность факторного
пространства здесь увеличивается на
единицу, так как добавляется коорди-
натная ось отклика).
Для удобства рассмотрения поверх-
ность отклика может быть представле-
на на факторной плоскости (хь х2) ли-
Рис. 6 2. Типы поверхностей отклика
165
ниями постоянных значений функции
отклика (рис. 6.2, а). Если факторов
больше двух, для изображения поверх-
ности отклика пользуются ее двухмер-
ными сечениями (рис. 6.2, б): считают
постоянными уровни всех факторов,
кроме двух.
Часть факторного пространства, в
которой находятся точки, отвечающие
условиям проведения опытов, называ-
ют областью планирования или об-
ластью экспериментирования.
6.2. Проверка воспроизводимости
результатов опытов
Прежде чем приступить к планиро-
ванию эксперимента, необходимо убе-
диться в том, что опыты воспроизводи-
мы. Для этой цели проводят несколь-
ко серий параллельных опытов в рас-
сматриваемой области факторного
пространства. Результаты опытов за-
носят в таблицу (табл. 6.1).
Для каждой серии параллельных
опытов вычисляют среднее арифмети-
ческое функции отклика
k
а-1’ 2> •••’
1=1
(6.2)
Табл. 6.1. Результаты эксперимента по про-
верке воспроизводимости опытов
Номер се- рии опы- тов Результаты параллель- ных опытов vi ср 1
1 Уц У12 У1Ь Дер
2 У21 У22 У 2k Дер
/ Ур Ур • У-lk у. 1 ср 9
N Ут УП2 Ут> у z 7V ср °N
где k — число параллельных опытов,
проведенных при одинаковых условиях.
Затем вычисляют оценку дисперсий
для каждой серии параллельных опы-
тов:
k
°j~ ь__ । ср) • (6-3)
i=l
Для проверки воспроизводимости
опытов находят отношение наибольшей
из оценок дисперсий к сумме всех оце-
нок дисперсий:
Gp-О^ахДХ (6.4)
Эта величина называется расчет-
ным значением критерия Дохрена. Зна-
чения критерия Дохрена G, соответ-
ствующие доверительной вероятности
Р = 0,95, с которой принимается гипо-
теза о воспроизводимости опытов, при-
ведены в прил. 7. Определить G мож-
но по общему количеству оценок дис-
персий N и числу степеней свободы f,
связанных с каждой из них: f = k— 1.
Если выполняется условие
Gp^G, (6.5)
опыты считают воспроизводимыми,
а оценки дисперсий — однородными.
Если опыты невоспроизводимы, можно
попытаться достигнуть их воспроизво-
димости путем выявления и устране-
ния источников нестабильности резуль-
татов эксперимента, а также использо-
вания более точных методов и средств
измерений. Если же никакими способа-
ми достичь воспроизводимости опытов
невозможно, математические методы
планирования такого эксперимента при-
менять нельзя.
Пример 6.1. Рассмотрим эксперимент, в
котором измерялся расход топлива у (в лит-
рах на 100 км пробега) при установившемся
движении автобуса, зависящий от двух факто-
ров количества пассажиров в автобусе xt
(чел.) и средней скорости движения автобуса
166
Табл. 6.2. Условия проведения опытов и ре-
зультаты измерений
на маршруте х% (км/ч). Условия проведения
опытов и результаты измерений приведены
в табл. 6.2.
Значения у ср и Оу определяем соответст-
венно по формулам (6.2) и (6.3). Расчетное
значение критерия Кохрена находим по форму-
ле (6.4):
1,28
(7 =------------------=0,51.
р 0,5 4-0,72+ 1,28
Соответствующее значение 0=0,967 нахо-
дим по прил. 7 при _Р = 0,95; N=3; f=k—l =
= 2—1 = 1. Условие (6.5) выполнено, следова-
тельно, опыты можно считать воспроизво-
димыми.
6.3. Полный факторный план
эксперимента
Планирование эксперимента связано
с использованием математического ап-
парата при подготовке и проведении
опытов. Результаты эксперимента пред-
ставляют в виде математической мо-
дели — модели регрессионного анализа
(регрессионной модели, уравнения ре-
грессии). Модель регрессионного ана-
лиза — это зависимость отклика от
факторов и ошибок наблюдения от-
клика.
Модель регрессионного анализа вы-
ражается соотношением
т
У = S (м, х2, х„) + е,
1=о
где Рг — коэффициенты модели; (pi —
известные функции факторов х,-; е —
случайная ошибка.
Рис. 6.3. К введению кодированных
уровней факторов
Полный факторный план (ПФП) дает
возможность получать математическое
описание исследуемого процесса в об-
ласти факторного пространства, лежа-
щей в окрестности точки с координатами
( о о о\
(Xi, Х2, ..., хл)> соответствующей нуле-
вым уровням всех факторов в нормали-
зованных (безразмерных) координатах.
Такая точка называется центральной
точкой плана или центром плана.
Перенесем начало координат фак-
торного пространства в эту точку (рис.
6.3) и введем новые уровни переменных
г — х°
2’ °)’ <6-6)
где Xi, Xi — кодированный и натураль-
ный уровни i-ro фактора; Ах, — интер-
вал варьирования уровня i-ro фактора.
Функцию отклика в окрестности но-
вого начала координат разложим в ряд
Тейлора:
, У — PojT- P1X1 +Р2Х2 + ... -|- -)-
+ Р12Х1Х2 + + Р(п—1)пХП—(Хп +
+ ₽пХ? + р22Х| + ... + ₽„„Х2„ + ..., (6.7)
где р0 — значение функции отклика в
167
центре плана; рг-, ргз, р!г — коэффициен-
ты модели:
р dY . р _ д2У .
Р/ dXt ’ Р'7 дХ^Х; ’
п 1 д2Г
₽“=т^г“т'д-
Метод ПФП позволяет получать
математическое описание процесса в
виде отрезка ряда Тейлора (6.7). При
этом обычно ограничиваются линейной
частью разложения и членами, содер-
жащими произведения факторов в пер-
вой степени. Коэффициенты искомого
уравнения вычисляют на основе экспе-
риментальных данных, которые всегда
определяются с погрешностями. Чтобы
подчеркнуть это обстоятельство, в урав-
нении (6.7) вместо символов (э, обозна-
чающих истинные значения коэффици-
ентов, записывают выборочные оценки
b коэффициентов р.
Математическое описание процесса
в виде уравнения
У = 60++ ... -\-ЬпХп + b 12^1^2+— +
+ Ьп^Хп^Хп (6.8)
называют полиномиальной моделью
регрессионного анализа, а входящие в
него коэффициенты — коэффициентами
регрессии.
Для удобства вычисления коэффи-
циентов регрессии используют кодиро-
ванные уровни факторов: « + » — верх-
ний уровень и « — » — нижний.
Таким образом, в ПФП реализуется
система опытов со всеми возможными
сочетаниями уровней факторов. Общее
количество экспериментальных точек
для ПФП N=mn, где m — число уров-
ней, одинаковое для всех факторов;
п — число факторов.
Число уровней каждого из факторов
не может быть меньше двух. Но так
как число уровней факторов определя-
ет различные состояния объекта испы-
таний и, следовательно, сложность экс-
Табл. 6.3. Полный план двухфакторного экс-
перимента
Номер опыта
Уровень фактора
Отклик
— 1
1
1
1
2
3
4
— 1
1 2
у3
г4
перимента, число уровней рассматрива-
емых факторов редко принимают боль-
ше трех.
Планы, в которых число уровней п
факторов равно двум, называются пла-
нами типа 2й. Условия опытов соответ-
ствующего эксперимента показаны в
табл. 6.3. Часть таблицы, обведенная
штриховой линией, называется матри-
цей плана. Матрица плана — это стан-
дартная форма записи условий прове-
дения эксперимента в виде прямоуголь-
ной таблицы, строки которой соответ-
ствуют номерам опытов, элементы
столбцов — уровням факторов.
В табл. 6.3 представлены кодиро-
ванные уровни факторов Xi и Х2.
Для большей наглядности полный
план двухфакторного эксперимента
изображают в виде квадрата, вершины
которого соответствуют номерам и
Рис. 6.4. Геометрическое изображение полного
факторного плана эксперимента типа 2*
168
Табл. 6.4 Полный план трехфакторного экс-
перимента
Номер ________Уровень фактора________
опыта X. I Х2 | Х3
1 —1
2 +1
3 —1
4 +1
5 —1
6 +1
7 —1
8 +1
условиям проведения опытов (рис. 6.4).
В табл. 6.4 показан полный план
трехфакторного эксперимента, т. е. ти-
па 23. Точки плана соответствуют в фак-
торном пространстве вершинам куба с
центром в начале координат.
Основные принципы построения мат-
риц ПФП следующие: уровни первого
фактора чередуют от опыта к опыту;
частоту смены уровней каждого после-
дующего фактора принимают вдвое
меньшей, чем предыдущего.
Для матриц ПФП справедливы со-
отношения:
f Xsl = 0; (6.9)
/=1
N
У х2ц = N- (6.10)
ЛГ
У ХцХ]т= О (1^т). (6.11)
В выражениях (6.9) — (6.11) N —
число опытов; /— номер опыта; i, I,
tn — номера факторов.
Свойство, выраженное уравнением
(6.11), называется ортогональностью
матрицы плана. Оно позволяет вычис-
лять коэффициенты регрессии, поль-
зуясь следующими формулами:
у
= (6Л2)
7=1
Отклик
bim. = ^ХцХ^Уj (I -f= m). (6.14)
6.4. Оценка адекватности модели
Вычисление коэффициентов регрес-
сии еще не означает решения постав-
ленной задачи, так как отсутствуют све-
дения о качестве (точности) модели.
Основой суждений о качестве моде-
ли служит ошибка опыта. Для того
чтобы можно было установить ошибку
опыта, неободимо для кажой точки
плана проводить параллельные опыты
(не менее двух). Важным обстоятель-
ством в этом случае является близость
значений ошибок в разных точках фак-
торного пространства, т. е. однород-
ность дисперсий.
Уверенность испытателя в однород-
ности дисперсий дает возможность ве-
сти параллельные опыты только в цен-
тре плана, по их результатам вычислять
оценку дисперсии и утверждать, что она
справедлива для всех точек факторно-
го пространства.
Если нет уверенности в однородно-
сти дисперсий, приходится проводить
параллельные опыты во всех или по
крайней мере в нескольких точках пла-
на, вычислять оценки дисперсий и про-
верять их однородность. Для этой цели
используют критерий Дохрена (6.4).
Оценку дисперсии вычисляют по фор-
муле (6.3). Считают, что дисперсии од-
нородные, если расчетное значение кри-
терия Дохрена Gp не превышает таб-
личного G.
Ошибка опыта в случае однородно-
сти дисперсий
N
(6J5)
/=1
169
Эту величину называют оценкой
дисперсии воспроизводимости резуль-
татов эксперимента. Число степеней
свободы при этом определяют по фор-
муле
fv=N(k-l),
(6.16)
где k — число параллельных опытов в
строке матрицы плана.
При вычислении ошибки опыта толь-
ко в центре плана используют форму-
лу (6.3).
В связи с наличием дублирующих
опытов вычисляют оценку дисперсии
среднего значения отклика
^ср=~-°»- (617)
k
Некоторые из коэффициентов ре-
грессии могут оказаться пренебрежимо
малыми — незначимыми. Чтобы уста-
новить, значим коэффициент или нет,
необходимо прежде всего вычислить
оценку дисперсии
<7в — Ь- ov ср (6.18)
и среднеквадратичную ошибку его
определения
Ob-VoL (6.19)
Следует отметить, что на основе
ПФП все коэффициенты определяются
с одинаковой погрешностью. Принято
считать, что коэффициент регрессии
значим, если выполняется условие
|&|^пв(, (6.20)
где / — значение критерия Стьюдента
(прпл. 6) при числе степеней свободы
f-fy
В противном случае коэффициент
регрессии незначим, и соответствующий
член можно исключить из уравнения
регрессии.
Зная ошибку опыта, можно выявить
пригодность модели, проверить ее адек-
ватность. Эту проверку осуществляют
с помощью критерия Фишера
Гр=Оад/о^ (6.21)
2
где оад — оценка дисперсии адекватно-
сти:
n
= (6.22)
г=1
В — число коэффициентов регрессии ис-
комого уравнения, включая и свободный
член; Y3j, Yr, — значения функций от-
клика, полученные соответственно экс-
периментально в результате проведения
/-го опыта и расчетным путем — реше-
нием регрессионного уравнения (6.8) при
уровнях факторов, соответствующих
- му опыту; N —• число опытов.
Число степеней свободы при этом
определяется по формуле
fav=N—B. (6.23)
Уравнение регрессии считается адек-
ватным, если выполняется условие
(6.24)
где F — табличное значение критерия
Фишера (прил. 8).
Для отыскания табличного значе-
ния F-критерия необходимо знать чис-
ла степеней свободы fi = fa,T и fs=fy,
связанные соответственно с числите-
лем и знаменателем выражения (6.21).
Пример 6.2. Найти полиномиальную мо-
дель для определения расхода топлива авто-
мобилем ЗНЛ-4331. Считается, что отклик
У — расход топлива Q (в литрах на 100 км
пробега) — определяют четыре фактора:
%! — уклон продольного профиля апр дороги;
х2— коэффициент сопротивления качению /У;
Xs — коэффициент ИЗВИЛИСТОСТИ ДОРОГИ /Сизв
(град'км), представляющий собой отношение
суммы углов поворота к длине дороги; х$ —
удельная мощность Руд двигателя (Вт/т).
Принятые основные (нулевые) уровни, ин-
тервал варьирования уровней факторов приве-
дены в табл. 6.5.
170
Табл. 6.5. Уровни и интервал варьирования
факторов
Уровень фактора с Г» СМечС -s хз (Кизв)- град/™ (Руд), Вт/т
Основной 33,7 0,0265 30,0 11,7
Нижний 16,6 0,0130 5,0 10,2
Верхний Интервал варь- 50,8 0,0400 55,0 13,2
ирования 17,1 0,0135 25,0 1,5
Используя формулу (6.6), перейдем от
действительных уровней факторов к кодиро-
ванным:
V- “пр-33,7. у __ /к-0,0265.
1 17,1 ’ 2 0,0135 ’
Математическ) ю модель рассматриваемо-
го процесса будем искать в виде уравнения
регрессии
Y = Ъо +&iXi + 62-^2+ ^3-^3 +
+ 513X1X3 + ЬцХ 1Л 4 + ЬгзХ3Х3+ЬМХ3Х 4+
+ /’34X3X4. (6.25)
Составим матрицу плана и занесем резуль-
таты опытов для четырех факторов в табл. 6.6.
В этой таблице j/1; j/?, Уз— результаты парал-
лельных опытов; Yj Ср — их среднее значение;
У’Р —расчетное значение отклика.
Определим оценки дисперсий о2 для каждой
из 16 серий опытов по формуле (6.3). Напри-
мер, для 9-го опыта
з
°9 у X ~ ср)2 =
г==1
у [(43,1-
_ 43,0)2 4- (43,8 — 43,0)2 + (42,1 - 43,0)2]
= — 1,46 =• 0,73.
2
Значения оценок дисперсий записаны в пос-
леднем столбце табл. 6.6.
Для проверки однородности дисперсий най-
дем расчетное значение критерия Кохрена по
формуле (6 4): Gp -= 0,73/5,79 = 0,126. Таб-
личное значение критерия Кохрена при N — 16
ъ f \ =2 G =- 0,322. Так как Gp < G,
заключаем, что с доверительной вероятностью
0,95 дисперсии о2 однородны.
Табл. 6.6. План и результаты полного четырехфакторного эксперимента
Ноь’ер опыта Уровни факторов и их взаимодействия Расход топлива на 100 км пробега, л 2 °/
/Г, О) X со X О] со * СО X о» X СО X CS со Л О л--.
1 —1 —1 —1 —1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 4-1 40,0 40,7 39,0 39,9 40,28 0,73
2 + 1 —1 —1 —1 —1 —1 —1 4-1 4-1 4-1 53,0 52,5 53,5 53,0 52,60 0,25
3 —1 4-1 —1 — 1 —1 4-1 4-1 —1 —1 4-1 58,5 59,0 57,6 58,4 58,03 0,50
4 + 1 4-1 —1 —1 4-1 —1 —1 —1 —1 4-1 67,6 67,0 68,2 67,6 67,98 0,36
5 — 1 —1 4-1 — 1 4-1 —1 4-1 —1 4-1 —1 52,1 52,8 51,9 53,2 51,90 0,23
6 + 1 —1 ±1 — 1 —1 4-1 —1 —1 4-1 —1 60,7 60,5 51,2 60,8 61,18 0,13
7 — 1 4-1 +1 — 1 —1 —1 4-1 4-1 —1 —1 63,0 64,0 63,5 63,5 63,88 0,25
8 + 1 4-1 4-1 — 1 4-1 4-1 —1 +1 —1 —1 71,2 70,7 71,8 71,2 70,80 0,30
9 — 1 —1 —1 4-1 4-1 4-1 —1 4-1 —1 —1 43,1 43,8 42,1 43,0 43,38 0,73
10 + 1 —1 —1 +1 —1 —1 4-1 4-1 —1 —1 57,8 57,3 58,3 57,8 57,42 0,25
11 —1 4-1 —1 4-1 —1 -Н —1 —1 + 1 —1 61,6 62,1 60,7 61,5 61,12 0,50
12 + 1 4-1 —1 4-1 4-1 —1 4-1 —1 4-1 —1 72,4 71,8 73,0 72,4 72,80 0,36
13 — 1 —1 4-1 4-1 4-1 —1 —1 —1 —1 4-1 55,2 55,9 55,1 55,4 55,00 0,19
14 4-1 -1 4-1 4-1 —1 4-1 4-1 —1 —1 4-1 65,2 65,3 66,0 65,5 66,00 0,19
15 —1 4-1 т-1 4-1 —1 —1 —1 4-1 4-1 4-1 66,1 67,1 66,6 66,6 66,98 0,25
16 + 1 4-1 + 1 + 1 + 1 + 1 4-1 +1 4-1 + 1 76,0 75,1 76,6 75,9 75,62 0,57
171
Определяем ошибку опыта по формуле
(6.16):
о^ = 5,79/16 = 0,362; ау= 0,601.
Коэффициенты регрессионной модели (6.25)
вычисляем по формулам (6.12) — (6.14). В част-
ности,
16
/=1
+ (+ 1) 53,0 ф- (— 1) 58,4 + (+ 1) 67,6 +
+ ( -1) 52,3 + (+ 1) 60,8 + (— 1) 63,5 +
+ (+ 1) 71,2 + (— 1) 43,0 ф- (+ 1) 57,8 +
+ (—1)61,5+(+1)72,4+(— 1)55,4 +
+ (+ 1) 65,5 + (— 1) 66,6 + (+ 1) 75,9] = 5,24;
16
613== 11[(+!) 39’9 +
/=1
+ (— 1) 53,0 + (+ 1) 58,4 + (— 1) 67,6 +
+ (— 1) 52,3 + (+ 1) 60,8 + (— 1) 63,5 +
+ (+ 1) 71,2 + (+ 1) 43,0 + (— 1) 57,8 +
+ (+ 1) 61,5 + (— 1) 72,4 + (— 1) 55,4 +
+ (+ 1)65,5 + (— 1)66,6+ (+ 1)75,9] =-
= — 0,775.
Аналогично находим Ьо =- 60,31; Ь2 = 6,84|
*з = 3,61; *4=1,98; *12 = — 0,59; *14 = 0,43;
*23 — — 1,44; *24 = 0; 634 = 0.
Для анализа среднеквадратичной ошибки
определения коэффициентов регрессии находим
оценку дисперсии среднего значения отклика
по формуле (6.17)
ср = ~-^ = ^°>362 = 0,121
О о
гласно соотношению (6.20), незначимыми ока-
зались коэффициенты *24 и *34. Следователь-
но, искомое уравнение регрессии имеет вид
У=60,31 + 5,24Х]+6,84Л2+3,61Х3 +1,98ХЛ -
-0,59XiX2-0,77X1X3+0,43XiX4- 1,44А2Х3. (6.26)
Проверим адекватность модели. Найдем
расчетные значения функции отклика. На-
пример,
У? = 60,31 +5,24 (— 1) + 6,84 (— 1) +
+ 3,61 (— 1) + 1,98 (— 1) — 0,59 (4- 1) —
— 0,77 (+ 1) + 0,43 (+ 1) — 1,44 (+ 1) =- 40,28.
f? Осталгные расчетные значения функции
отклика записаны в предпоследнем столбце
табл 6.6.
По ф срмуле (6.22) вычисляем опенку дис-
персии а декватнссти:
16
° j=l
— 40.28)2 + (53,00 —52,60)2+ (58,40 —
— 58,ОЗ)2 + (67,60 —67,98)2 + (52,30 —
— 51,90)2 + (60,80 — 61,18)2 + (63,50 —
— 63,88)2 + (71,20 —70,80)2 + (43,00 —
— 43,38)2 + (57, 80 — 57,42)2 + (61,50 —
— 61,12)2 + (72,40 — 72,80)2 + (55,40 —
— 55,00)2+ (65,50 —66,00)2+ (66,60 —
— 66,98)2+ (75,90 — 75,62)2 = -у 3,95 =
= 0,564.
Число степеней свободы по формуле (6.23)
)ад =Л-В=16-9 = 7.
Вычис ляем расчетное значение F-критерия
(6.21):
и оценку дисперсии (6.18) коэффициентов
9 1 9 0,121
(TZ —----(Tz — -----------
в 16 V с₽ 16
= 0,0075.
°2у
0,564
------ = 1,558.
0,362
Среднеквадратичная ошибка определения
коэффициентов, согласно формуле (6.19):
ов = |/ = К0,0075 = 0,0868.
Оценим значимость коэффициентов ре-
грессии. Пользуясь прил. 6, находим, что при
доверительной вероятности А=0,95 и числе
степеней свободы f=fy=16(3—1)=32 (см.
формулу (6.16)) значение критерия Стьюден-
та /=2,04. Тогда о®/= 0,0868 • 2,04 = 0,177. Со-
Табличное значение F-критерия находим
по прил. 8 при F=0,95, /1=(ад 7, f2=fy=32:
F=2,32.
Так как FP<F (см. условие (6.24)), с до-
верительной вероятностью 0,95 модель (6.26)
адекватно описывает изучаемую зависимость.
Эта модель справедлива для интервалов
варьирования уровней факторов, указанных в
табл. 6.5.
Анализ выражения (6.26) показывает, что
по степени влияния на расход топлива факто-
172
ры, судя по значениям коэффициентов регрес-
сии, располагаются в следующем порядке:
коэффициент сопротивления качению; уклон
продольного профиля дороги, коэффициент
извилистости дороги; удельная мощность дви-
гателя. При возрастании уровня этих факто-
ров расход топлива увеличивается Эффекты
взаимодействия факторов (за исключением
X2As) примерно на порядок меньше их линей-
ных эффектов.
6.5. Дробный факторный план
эксперимента
В полном факторном плане экспе-
римента количество опытов превышает
число коэффициентов линейной модели
тем больше, чем больше число рассма-
триваемых факторов. Если не требует-
ся оценивать эффекты взаимодействия
факторов или частью их можно прене-
бречь, можно обойтись меньшим чис-
лом опытов, используя дробный фак-
торный план (ДФП) эксперимента.
В ДФП существенно сокращается
число опытов по сравнению с ПФП за
счет привлечения дополнительной
априорной информации о свойствах ис-
следуемого объекта. Эта информация
может быть сформулирована в виде
списка существенных факторов и их
взаимодействий, представляющих ин-
терес для дальнейшего анализа. Харак-
тер априорной информации должен
быть таким, чтобы исследователь на
ее основе мог задать вид регрессионной
модели, т. е. указать те базисные функ-
ции, которые первоначально вводятся
в эту модель.
Табл. 6.7. ДФП типа 23”1
Номер х х Хо=Х.Х2 Y;
опыта 1 л 1 z J
1 —1 —1 -т-1 Yi
2 +1 —1 —1 У2
3 —1 -pi —1 У3
4 Т-1 -|-i -|-1 Y ji
Список существенных факторов или
первоначальную регрессионную модель
получают в результате изучения физи-
ческой сути исследуемого явления пу-
тем опроса специалистов, анализа ли-
тературных данных.
Дробный факторный план (дробная
реплика полного факторного плана)
содержит часть комбинаций ПФП.
ДФП обладают свойствами (6.9) —
(6.11) и позволяют находить оценки
коэффициентов регрессии, оценку их
дисперсий по простым формулам
(6.12), (6.13) и (6.18). Проверку зна-
чимости коэффициентов и адекватности
математической модели производят так
же, как и при ПФП эксперимента.
Пусть, например, требуется найти
коэффициенты регрессионной модели
У = ^0 + ^1-^1 + ^2-^2 + Мз-
Если для решения этой задачи со-
ставить полный план эксперимента, не-
обходимо провести 1V=23=8 опытов.
Однако можно ограничиться только че-
тырьмя опытами, если воспользоваться
ПФП 22 3 4, который позволяет построить
модель вида
У= bg-YbjXi +b2X2+ Ь12Х{Х2.
Для вычисления коэффициента Ь3
по плану 22 приравниваем фактор Xs
произведению XtX2 (табл. 6.7).
Пользуясь формулой (6.12), можно
вычислить
Ьо = ~~ (Ут + ¥г + Уз + ^)>
4
а с помощью формулы (6.13)
61_±(_У14-У2-У8+У4);
4
^=4-(-У1-У2 + Гз + У4)-
4
Так как столбцы в табл. 6.7 для
XjX2 и Xs полностью совпадают, коэф-
фициенты bi2 и Ьз не могут быть опре-
173
делены раздельно. По формуле (6.13)
может быть найдена только их сумма
^12 4~ bs = — (Ух Y2 Е3|- УД,
4
т. е. их смешанная оценка.
Этот недостаток рассматриваемого
плана компенсируется уменьшением об-
щего количества опытов.
Смешивание оценок коэффициентов
отражается записью &з=₽12 + ₽з, где
греческими буквами обозначены неиз-
вестные истинные значения коэффици-
ентов регрессии. Однако в данном слу-
чае постулируется линейная модель и
все парные взаимодействия факторов
считаются незначимыми. Существенно
то, что для изучения влияния трех фак-
торов можно ограничиться четырьмя
опытами вместо восьми. При этом мат-
рица плана не теряет своих оптималь-
ных свойств.
Таким образом, чтобы сократить
число опытов, нужно уровни нового
фактора приравнять взаимодействию,
которым можно пренебречь.
Такое планирование эксперимента
называется планированием со смешива-
нием. Его обозначают символом 2ЭТ'Г’
(п — общее число факторов; р — чис-
ло факторов, приравненных к произве-
дениям).
Соответствующие ДФП принято на-
зывать репликами с указанием их сте-
пени дробности. Так, план 2П-1— это
1/2-реплика плана 2П, план 2Г,~2— 1/4-
реплика плана 2П и т. д. Регулярные
дробные реплики получают делением
количества опытов ПФП на число,
кратное двум.
Табл. 6.7 представляет матрицу пла-
на 23-1 — полуреплику плана 23.
Дробные реплики могут иметь раз-
ные системы смешивания. Испытатель
всегда стремится к тому, чтобы число
линейных эффектов, не смешиваемых
с парными взаимодействиями факто-
ров, было максимальным. Число таких
линейных эффектов называется разре-
шающей способностью дробной реп-
лики.
Порядок разбиения матрицы ПФП
и система смешивания оценок коэффи-
циентов регрессии определяются ра-
венствами X3=XiX2, Х3= — XtX2 и т. п.,
которые при ДФП называются генери-
рующими соотношениями, так как они
генерируют систему смешения оценок.
Существует правило, позволяющее
определить, какие коэффициенты ре-
грессии определяются совместно при
планировании эксперимента со смеши-
ванием. Рассмотрим это правило на
конкретном примере.
Пример 6.3. Найти математическое описа-
ние процесса в виде уравнения регрессии
+ ^2-^2 4- bj,brtXc..
Воспользуемся планом 25~2 и примем в
качестве генерирующих соотношений Х^—
= —Х]Х2; Xs=A'1X2^3. Выбор генерирующих со-
отношений в общем случае произволен. Одна-
ко он существенно влияет на характер сов-
местных оценок коэффициентов регрессии.
Правило определения совместных оценок
коэффициентов состоит в следующем.
1. Примем во внимание, что Х?=\-, XiX
Х1=А„
2. Умножив обе части генерирующих со-
отношений соответственно на Х4 и Х5, полу-
чим: 1 = —Х]Х2Х4; 1 =А'\Л2Л3Л5. Эти равенства
называются определяющими контрастами. Пе-
ремножая их почленно, получают новые опре-
деляющие контрасты: в данном случае 1 =
= -Л3Х4Х5.
3. Составим алгебраическую сумму из
единицы и правых частей всех полученных
определяющих контрастов
S= 1
4. Умножив уровень каждого нз факторов
на эту сумму и заменив их соответствующими
коэффициентами разложения (6.7), найдем
Ь\-->P1 — P24+P235 — Р1345',
bz—>- i?— P14+P13S — Р2345;
ba >- 5з— Р1234+Р125-P*Sj
bi >- 54—Р12 + Р12345—Pss;
be, > Рб—Р1245 +Р123 — Рз4-
Система смешивания оценок коэффициен-
тов регрессии довольно сложная. Линейные
эффекты, отражаемые коэффициентами Ь,,
174
смешаны с эффектами двойных (Ьг}), трой-
ных (Ъг,к) и четверных (Ь»3ы) взаимодейст-
вий факторов и удовлетворительно могут быть
оценены только при незначимости коэффи-
циентов Ьц, Ъгзк, Ьгзм
Дробные реплики широко исполь-
зуют при получении линейных моделей
процессов. Эффективность их примене-
ния возрастает с увеличением количе-
ства исследуемых факторов.
6.6. Метод рационального
планирования эксперимента
По плану 2” можно построить ма-
тематическую модель изучаемого про-
цесса с учетом лишь линейных эффек-
тов и взаимодействий факторов, прове-
дя N=2п опытов. Когда такой план не
позволяет получить адекватную регрес-
сионную модель или если заранее из-
вестно, что объект исследования имеет
существенно нелинейные свойства,
применяют планы более высоких по-
рядков.
По сравнению с планами первого
порядка такие планы эксперимента бо-
лее сложные (больше число точек в
матрице плана и уровней каждого фак-
тора), требуют для своей реализации
проведения большего количества опы-
тов. Уже для построения квадратичной
модели (модели второго порядка) на-
до иметь план, в котором число уровней
каждого фактора было бы не менее
трех. С увеличением числа уровней
факторов возрастает количество опы-
тов. Так, например, для анализа
влияния четырех факторов, для каж-
дого из которых исследуется пять уров-
ней, потребуется выполнить 54 = 625
опытов (не считая повторений опытов
в идентичных условиях для получения
устойчивых средних значений отклика).
Проведение такого количества опытов
требует больших затрат времени и ма-
териальных ресурсов
Эффективным средством, позволяю-
щим при минимальном числе опытов
наиболее равномерно охватить всю по-
верхность факторного пространства и
получить достоверную математическую
модель объекта исследования, являет-
ся метод рационального планирования
эксперимента.
Построение плана эксперимента по
указанному методу производят следу-
ющим образом.
На рис. 6.5 изображен один из воз-
можных планов четырехфакторного
эксперимента при пяти уровнях каждо-
го из факторов. Большой комбинацион-
ный квадрат состоит из 52 = 25 средних
квадратов, каждый из которых в свою
очередь тоже разбит на 52 = 25 малых
квадратов. Таким образом, всего име-
ется 54 = 625 клеток (точек плана), как
и в плане типа 54. Номер столбцов сред-
них квадратов соответствует номеру
уровня фактора Xlt а номер строк —
номеру уровня фактора Xs. Из 25 воз-
можных сочетаний уровней факторов
Х2 и Х^ в каждом из средних квадра-
тов выбираем только один (заштрихо-
ванная клетка). Нетрудно убедиться,
Рис 6 5 Комбинационный квадрат пла-
нирования четырехфакторного экспери
мента при пяти уровнях факторов
175
что при каждом уровне одного из фак-
торов (например, Х\ = 1) все уровни
прочих факторов встречаются одинако-
во часто. Так, Хг=3, 4, 5, 2, 1; Х3=1,
2, 3, 4, 5 и Х4= 1, 2, 3, 5, 4. Поэтому при
получении результатов для Xi = 1 влия-
ние трех других факторов усреднится
и результат будет соответствовать
-Хгср=3, Хзср=3, Х4ср=3. В приведен-
ной схеме такое усреднение может быть
проведено для любого уровня каждого
фактора.
Производя такое усреднение при
каждом из уровней фактора Хь можно
найти зависимость результата только
от этого фактора при нейтрализации
влияния остальных трех факторов.
Аналогично можно выявить влияние
только фактора Х% при нейтрализации
влияния факторов Х1г Х5, Х4 и т. д. Ме-
няя порядок усреднения, можно по ре-
зультатам 25 опытов оценить влияние
всех четырех первичных факторов. Та-
ким образом, данный метод планирова-
ния эксперимента позволяет заменить
ПФП, включающий 625 опытов, экспе-
риментом из всего лишь 25 опытов со
специально подобранными условиями,
т. е. сократить объем эксперимента в
25 раз.
Рассмотрим теперь метод рацио-
нального планирования эксперимента
более подробно.
Рис. 6.6. Построение комбинационного квад-
рата:
а — большой комбинационный квадрат, б — средние
комбинационные квадраты н определяющий ромб
Поместим рядом с большим комби-
национным квадратом (рис. 6.6, о) от-
дельный средний квадрат в окружении
таких же средних квадратов, примыка-
ющих к нему крест накрест (рис.
6.6, б). Пронумеруем в среднем квадра-
те все клетки цифрами от 1 до 9. Затем
отметим клетки определящего ромба,
как показано на рисунке. Перенесем
клетки, пронизанные стрелкой А, в ана-
логичные им клетки первой строки
справа налево в большой квадрат; клет-
ки, отмеченные стрелкой В,— во вто-
рую строку большого квадрата, а от-
меченные стрелкой С — в третью
строку.
Получаем расположение всех девя-
ти клеток в большом комбинационном
квадрате, причем все клетки имеют раз-
личные номера, т. е. соответствуют раз-
ным сочетаниям уровней факторов.
В каждой строке и каждом столбце на-
ходится только одна нумерованная
клетка; в каждом ряду или в каждой
строке средних квадратов встречают-
ся все три варианта строк и столбцов
из клеток.
Полученный комбинационный квад-
рат обладает одним недостатком. Для
некоторых его частей наблюдается мо-
нотонное изменение уровней несколь-
ких факторов одновременно. Так, на-
пример, для клеток 1, 5, 9 при постоян-
ном уровне фактора Х\ = 2 уровни фак-
торов Хг, Х3 и Х4 монотонно возрастают
в порядке 1, 2, 3.
Точно так же для клеток 3, 5, 7 при
постоянном уровне фактора Хз—2 уров-
ни факторов Xi и Х2 убывают по зако-
ну 3, 2, 1, а уровни фактора Х4 столь
же монотонно возрастают в порядке 1,
2, 3. Это ведет к зависимости измене-
ния уровней факторов, что не позво-
ляет в окончательных эмпирических
выражениях выделить их влияние друг
на друга. Можно учесть только их со-
вокупное влияние на окончательный ре-
зультат, что нежелательно.
176
Рис. 6.7. Способы перестановки элементов ком-
бинационного квадрата.
а — столбцов, б — строк
Для устранения этого недостатка
полученный комбинационный квадрат
можно трансформировать путем пере-
становки его столбцов и строк. Так,
если поменять местами второй и тре-
тий столбцы (рис. 6.7, а), а затем пер-
вую и вторую строки большого комби-
национного квадрата, можно получить
новый комбинационный квадрат (рис.
6.7, б).
Аналогичными приемами могут
быть построены комбинационные квад-
раты для других уровней каждого из
четырех факторов, однако практичес-
ки в этом нет необходимости.
Определяющий ромб плана четы-
рехфакторного эксперимента при пя-
ти уровнях факторов изображен на
рис. 6.8.
Если необходимо исследовать одно-
временно влияние на отклик не четы-
рех, а большего числа факторов, мож-
но применить следующий прием. В од-
ной из полученных для четырех факто-
ров схем каждую из выбранных 25
клеток нужно разбить на 25 более мел-
ких клеток и выбрать среди них толь-
ко по одной. Причем следует взять од-
ну из возможных схем для четырех-
факторного комплекса, но только не
ту, которая уже использована в дан-
ном построении, так как в этом случае
нельзя будет выделить влияние новых
факторов.
Так, например, на рис. 6.9 можно
Рис 6.8. Определяющий ромб плана четырех-
факторного эксперимента при пяти уровнях
факторов
Рис. 6.9. Комбинационный квадрат для плана
шестифакторного эксперимента
выбрать более мелкие клетки согласно
рис. 6.5. На рис. 6.9 в квадрате (Л\ =
1; Х3=1) выбрана клетка (Х2=4; Х4=
= 3). В этой клетке (см. рис. 6.5) при
Xi = l, Х3=1 уровни других факторов
Х5 = 3, Х6=1. В квадрате (Xj = 2; Xs—
= 1) выбрана клетка (Х2=1; Х4=2).
В ней, согласно рис. 6.5, выбраны
уровни других факторов (X5=5, Х6=
= 4). При таком способе построения
ни в одной строке и ни в одном столб-
177
це не будут повторяться одинаковые
факторы, а при усреднении любого из
них будут встречаться все уровни дру-
гих факторов.
Таким образом, комбинационный
квадрат для шести факторов, каждый
из которых имеет пять уровней, что
дает 56=15 625 комбинаций, заменен
всего лишь 25 комбинациями, т. е. чи-
сло необходимых опытов сокращено в
625 раз.
Указанный выше прием может быть
распространен и на случай с большим
числом факторов. Так, например, для
восьмифакторного комплекса нужно
будет в каждой из выбранных на рис.
6.9 мелких клеток разместить по 25 еще
более мелких клеток и взять из них
только по одной, пользуясь новым ва-
риантом четырехфакторной схемы (см.
рис. 6.5).
Если же понадобится схема для
трех или пяти факторов, можно исполь-
зовать соответственно схемы для четы-
рех или шести факторов и принять уро-
вень одного из них постоянным.
6.7. Построение полиномиальной
модели
На практике часто требуется опре-
делить функциональную зависимость
между переменными х и у по совокуп-
ности их экспериментальных значений
Xi и у,. Для отыскания этой зависимо-
сти используют метод наименьших
квадратов.
Идея метода заключается в опреде-
лении параметров искомой функцио-
нальной зависимости таким образом,
чтобы сумма квадратов отклонений эк-
спериментальных значений уг от соот-
ветствующих значений, вычисленных
по аппроксимирующей зависимости
ф(х7, о,), была минимальной:
п
2 [&1 — ф (Хь П;)]2-> min, (6.27)
1=1
где п — число точек исходной инфор-
мации с координатами (хъ уг)-, a,(j=
= 1, 2, ..., tn) —параметры модели.
Для определения значений alt а2, ...,
От, соответствующих минимуму функ-
ции (6.27), приравнивают нулю част-
ные производные этой функции по каж-
дому параметру а; и получают систему
уравнений:
—ф(хг, t?i, а2, ...,
Т7 ' 1 1
VI , \
7 j — q\xi, alt a2, ..., am)] I ~). = 0;
2 1
vi / (d,i- \
fp(Xi, ab a2, ..., a,„)l b— .-=0,
,< \ mil
z=I
где dtf/da} — частные производные ф
ПО Gj ПрИ фИКСИрОВаННОМ Хг-
Проиллюстрируем сущность метода
на примере аппроксимации полиномом
второй степени (/zz= 3), когда функция
Ф задана в виде квадратичной пара-
болы:
У1 = О1 + O2Xt + С3Хп
Выражение (6.27) в этом случае при-
нимает вид
п
2 {yi — Щ — a2Xi — a3x?)2->-min. (6.28)
z=i
Приравняв нулю частную производную
выражения (6.28) по at, получим
2 (уг — Щ — a2xt — а3х2) (— 2) = 0.
(6.29)
Здесь и далее пределы суммирования
для упрощения записи опущены.
Выражение (6.29) можно перепи-
сать в виде
псу + (2 Xi) а2 (2 *t) a3=^yt.
Из условия равенства нулю част-
ных производных <р по а2 и аз получаем
178
еще два уравнения. Таким образом, за-
дача определения искомой функци-
ональной зависимости сводится к ре-
шению системы трех линейных алге-
браических уравнений с тремя неиз-
вестными:
X аз = X х2ц,.
Особенность полученных уравнений:
показатель степени при Xi для всех
членов в уравнениях равен сумме но-
мера строки и номера столбца матрицы
коэффициентов уравнений минус 2.
Это свойство используется при состав-
лении программы расчета на ЭВМ.
Линейные алгебраические уравне-
ния (6.30) называются нормальными.
При аппроксимации результатов экспе-
римента функциональной зависимо-
стью в виде полинома m-й степени си-
стема нормальных уравнений прини-
мает вид:
nai + (£Xi) а2 + ... + хТ) am+i =
= ILyr,
ф(2х?)«2 + ... + (2хГ+1) X
х ат4-1 = 2 Xiyr,
) О,„+1 -= 2.Xt yt.
Как видно, получается система т+
+ 1 уравнений с т-\-1 неизвестными а\,
а2, От+1- Решение этой системы
уравнений позволяет завершить по-
строение полиномильной модели.
Для решения систем линейных ал-
гебраических уравнений на ЭВМ широ-
ко используется метод Гаусса с выбо-
ром главного элемента. При вычисле-
ниях выполняется примерно 2т3/3
арифметических операций. Метод Га-
усса является одним из наиболее уни-
версальных и эффективных, он наде-
жен, точен и прост в использовании,
входит в состав математического обе-
спечения ЕС и СМ ЭВМ.
* * *
Высокие темпы развития техники
требуют непрерывного совершенствова-
ния испытательного и измерительного
оборудования и методик испытаний
технических объектов. Наиболее про-
грессивным направлением является
автоматизация всех процессов испыта-
ний. Перспективный испытательный
комплекс для пробеговых испытаний
автомобилей — это комплекс специ-
альных дорог, где управление движе-
нием автомобилей осуществляется
автоматически или дистанционно. Вы-
бор режимов движения, контроль со-
стояния объектов испытаний, обработ-
ку и оформление их результатов будут
осуществлять центральные станции,
оснащенные мощными вычислительны-
ми машинами. Связь объектов испыта-
ний со станцией должна реализовы-
ваться с помощью телеметрической ап-
паратуры. Доля стендовых испытаний в
общем объеме испытательных работ бу-
дет непрерывно возрастать. Стендовый
испытательный полигон — это комплекс
стендов с робототехническими устрой-
ствами и ЭВМ. Элементы таких ком-
плексов уже используются на передо-
вых автомобилестроительных и испы-
тательных предприятиях в Советском
Союзе и за рубежом.
179
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Значения q-процентных точек для распределения %2
р(х2>4) Число степеней свободы f
4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 30
0,99 0,30 0,87 1,65 2,56 3,57 4,66 5,81 7,02 8,26 11,52 14,95
0,95 0,71 1,64 2,73 3,94 5,23 6,57 7,96 9,39 10,85 14,61 18,49
0,90 1,06 2,20 3,49 4,86 6,30 7,79 9,31 10,89 12,44 16,47 20,60
0,10 7,78 10,64 13,36 15,99 18,55 21,06 23,54 25,99 28,41 34,38 40,26
0,05 9,49 12,59 15,51 18,31 21,03 23,68 26,30 28,87 31,41 37,65 43,77
0,01 13,28 16,81 20,09 23,21 26,22 29,14 32,00 34,80 37,57 44,31 50,89
2. Значения ^-процентных точек для распределения d
1—<7/2 <7/2 Число измерений в группе п
11 1 16 1 21 1 26 | 31 1 36 41
0,99 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,72
0,95 0,72 0,72 0,73 0,74 0,74 0,74 0,75
0,90 0,74 0,74 0,75 0,75 0,76 0,76 0,76
0,10 0,89 0,87 0,86 0,86 0,85 0,85 0,84
0,05 0,91 0,89 0,88 0,87 0,86 0,86 0,85
0,01 0,94 0,91 0,90 0,89 0,88 0,88 0,87
3. Значения доверительной вероятности Р для q2
J Яг п
10 11-14 15—20 21, 22 23 24-27 28—32 33—35 '36-49
т
1 1 1 2 2 2 2 2 2
1,о 0,9% 0,99 0,99 0,98 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99
2,0 0,9° 0,98 • 0,99 0,97 0,98 0,98 0,98 0,98 0,99
5,0 0,96 0,97 0,98 0,96 0,96 0,97 0,97 0,98 0,98
4. Значения Р-процентных точек нормированной функции Лапласа
Р 0,90 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99
7Р/2 1,65 1,96 2,06 2,17 2,33 2,58
180
5. Значения ^-процентных то чек наибольшего по абсолютному значению нормированного
выборочного отклонения
Уровень Число измерений
значимо- । । стн 4 | 6 1 8 10 | 12 | 15 | 20 | 25 | л 30 | 35 | 40 | 45 | 50
0,01 1,73 2,16 2,43 0,02 1,72 2,13 2,37 0,05 1,71 2,10 2,27 0,10 1,69 2,00 2,17 2,62 2,75 2,90 3,08 3,20 3,29 3,36 3,42 3,47 3,52 2,54 2,66 2,80 2,96 3,07 3,16 3,22 3,28 3,33 3,37 2,41 2,52 2,64 2,78 2,88 2,96 3,02 3,08 3,12 3,16 2,29 2,39 2,49 2,62 2,72 2,79 2,85 2,90 2,95 2,99
6. Коэффициенты t распределения Стьюдента
Доверитель- ная вероят- ность Р Число степеней свободы
3 4 5 6 8 10 12 18 22 30 40 60 120 оэ
0,90 2,35 2,13 2,01 1,94 1,86 1,81 1,78 1,73 1,72 1,70 1,68 1,67 1,66 1,64 0,95 3,18 2,78 2,57 2,45 2,31 2,23 2,18 2,10 2,07 2,04 2,02 2,00 1,98 1,96 0,99 5,84 4,60 4,03 3,71 3,36 3,17 3,06 2,88 2,82 2,75 2,70 2,66 2,62 2,58
7. Значения критерия Кохрена (Р — 0,95)
N f = k-l
1 1 2 3 1 4 1 5 1 6 1 7 8
Г) 0,999 0,975 0,939 0,906 0,877 0,853 0,833 0,816
3 0,967 0,871 0,798 0,746 0,707 0,677 0,853 0,633
4 0,997 0,768 0,684 0,629 0,590 0,560 0,637 0,518
5 0,841 0,684 0,598 0,544 0,507 0,478 0,456 0,439
6 0,781 0,616 0,532 0,480 0,445 0,418 0,398 0,382
7 0,727 0,561 0,480 0,431 0,397 0,373 0,354 0,338
8 0,680 0,516 0,438 0,391 0,360 0,336 0,319 0,304
9 0,639 0,478 0,403 0,358 0,329 0,307 0,290 0,277
10 0,602 0,445 0,373 0,331 0,303 0,282 0,267 0,254
12 0,541 0,392 0,326 0,288 0,262 0,244 0,230 0,219
15 0,471 0,335 0,276 0,242 0,220 0,203 0,191 0,182
16 0,455 0,322 0,265 0,232 0,210 0,195 0,183 0,174
20 0,389 0,271 0,221 0,192 0,174 0,160 0,150 0,142
24 0,343 0,235 0,191 0,166 0,149 0,137 0,129 0,122
30 0,293 0,198 0,159 0,138 0,124 0,114 0,106 0,100
40 0,237 0,158 0,126 0,108 0,097 0,089 0,083 0,078
OQ 0 0 0 0 0 0 0 0 1
181
8. Значения критерия Фишера (Р -= 0,95)
степе эбоды Число степеней свободы
Число ней св< ь I 2 3 4 5 6 7 8
1 161,45 199,50 215,71 224,58 230,16 233,99 236,77 238,88
2 18,51 19,00 19,16 19,25 19,30 19,33 19,35 19,37
3 10,13 9,55 9,28 9,12 9,01 8,94 8,89 8,85
4 7,71 6,94 6,59 6,39 6,26 6,16 6,09 6,04
5 6,61 5,79 5,41 5,19 5,05 4,95 4,88 4,82
6 5,99 5,14 4,76 4,53 4,39 4,28 4,21 4,15
7 5,59 4,74 4,35 4,12 3,97 3,87 3,79 3,73
8 5,32 4,46 4,07 3,84 3,69 3,58 3,50 3,44
9 5,12 4,26 3,86 3,63 3,48 3,37 3,29 3,24
10 4,97 4,10 3,71 3,48 3,33 3,22 3,14 3,07
11 4,84 3,98 3,59 3,36 3,20 3,10 3,01 2,95
12 4,75 3,89 3,49 3,26 3,11 3,00 2,91 2,85
13 4,67 3,81 3,41 3,18 3,03 2,92 2,83 2,77
14 4,60 3,74 3,34 3,11 2,96 2,85 2,76 2,70
15 4,54 3,68 3,29 3,06 2,90 2,79 2,71 2,64
16 4,49 3,63 3,24 3,01 2,85 2,74 2,66 2,59
17 4,45 3,59 3,20 2,97 2,81 2,70 2,71 2,55
18 4,41 3,56 3,16 2,93 2,77 2,66 2,58 2,51
19 4,38 3,52 3,13 2,90 2,74 2,63 2,54 2,48
20 4,35 3,49 3,10 2,87 2,71 2,60 2,51 2,45
30 4,17 3,32 2,92 2,69 2,53 2,42 2,33 2,27
40 4,08 3,23 2,84 2,61 2,45 2,34 2,25 2,18
50 4,03 3,18 2,79 2,56 2,40 2,29 2,19 2,13
100 3,94 3,09 2,69 2,46 2,30 2,19 2,11 2,03
OQ 3,84 2,99 2,60 2,37 2,21 2,09 2,01 1,94
182
ЛИТЕРАТУРА
Безопасность конструкции автомобиля/
М. А. Андриков, Ф. Е. Межевич, Ю. М. Нем-
цев и др.— М.: Машиностроение, 1985.— 160 с.
Гришкевич А. И. Автомобили. Теория.—
Мн.: Выш. шк., 1986.— 208 с.
Испытания автомобилей/В. Б. Цимбалин,
И. Н. Успенский, В. Н. Кравец и др.— М.: Ма-
шиностроение, 1978.—199 с.
Красовский Г. И., Филаретов Г. Ф. Плани-
рование эксперимента.— Мн.: Изд-во БГУ,
1982,— 302 с.
Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электри-
ческие измерения физических величин. Изме-
рительные преобразователи.— Л.: Энергоатом-
издат; Ленингр. отд-ние, 1983.— 320 с.
Логинов В. Н. Электрические измерения
механических величин.— М.: Энергия, 1976.—
104 с.
Луканин В. И., Гузцов В. Н., Боча-
ров Н. Ф. Снижение шума автомобилей.— М.:
Машиностроение, 1981.— 158 с.
Методы обработки результатов наблюдений
при измерениях/Тр. метролог, ин-тов СССР.—
Вып. 172 (232).—Л.: Энергия, 1985.— 71 с.
Справочник по технической акустике/Под
ред. М. Хекла и X. А. Мюллера.— Л.: Судо-
строение, 1980.— 437 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ *
А
Аппаратура регистрирующая 118—124
Б
Безопасность автомобиля активная 33
---- пассивная 33
Безотказность автомобиля 28
В
Вариация показаний средства измерения 99
Воздействия на испытуемые объекты 59—60
Воспроизводимость результатов опытов 166—
167
Время разгона автомобиля 19
Г
Газы отработавшие 55—57
Гальванометр 118, 119—122
— магнитоэлектрический петлевой 119
— рамочный 120
Гипотеза о распределении экспериментальных
данных 156—159
д
Датчик 100
— давления мембранный 134
---- тензометрический 134
— крутящего момента 130
— перемещений индуктивный 138
— силы пьезоэлектрический 128
----тензометрический 128
— ускорения пьезоэлектрический 146
Дорога динамометрическая 14
— испытательная горная 13
---- грунтовая равнинная 13
-------тяжелая 13
---мощеная 13
•--скоростная 12
3
Замедление автомобиля установившееся 22
И
Измерение 97
— давлений 133—134
— косвенное 97
— крутящих моментов 129
— напряжений механических 124—128
— перемещений относительных 138
— прямое 97
— пути 134—137
— расхода топлива 140—144
— сил 128—129
— скорости 134—138
— температуры 138—140
— шума автомобиля 49—54
Измеритель скорости движения автомобиля
135—137
Имитатор сервогидравлический 87—92
Имитация наезда на автомобиль сзади 36—38
Испытания диагностические 52
— доводочные 7
— кабин автомобилей 40
• — квалификационные 9
— контрольные 8
— на опрокидывание 38
Испытания на удар боковой 38
•------фронтальный 34—36, 40
* Составил А И Гришкевич
184
— неразрушающие 60
— образцов установочной серии 8
— оценочные 50
— предварительные 7
— приемочные 7—8
— пробеговые 26
— — форсированные 29
— разрушающие 60
— ремней безопасности 47
— ресурсные 8
— рулевых управлений 45
— сертификационные 9
— сидений 46
— специальные 52
— типовые стендовые 60
— эксплуатационные 9
К
Камера заглушенная 53
— реверберационная 54
Квадрат комбинационный в планировании эк-
сперимента 175—178
Класс точности средства измерения 99
Комиссия приемочная 8
Комплекс акустический для испытания мото-
циклов 54
Коэффициент приведения режимов работы ав-
томобиля 29
— регрессии 168
— тензочувствительности резистора 101
М
Магнитограф 122—124
Манекен 42, 48
— антропоморфный 44
— для испытания ремней безопасности 47
— трехмерный посадочный 43
Матрица плана эксперимента 168—169
Метод остаточного магнитного поля 127
— хрупких покрытий 127
Методика испытаний 11
Микрофон конденсаторный 144
— пьезоэлектрический 145
Модель полиномиальная 168, 178—179
— регрессионного анализа 167
Модуляция сигнала частотная 122
---широкополосная 122
Мост тока переменного 113
--- постоянного 113
— уравновешенный 112
Н
Наработка на отказ 28
----ремонтное воздействие 28
О
Область планирования эксперимента 165
Обработка результатов измерений косвенных
163
--------нормально распределенных 159
----— однократных 161—162
--------прямых 159—162
Осциллограф 118—119
Отказ автотранспортного средства 28
Отклик в планировании эксперимента 165
Оценка токсичности отработавших газов 55—
56
П
Плавность хода автомобиля 23
План эксперимента 164
----дробный 173—175
----полный 167—169
Планирование эксперимента 164—179
Поверхность отклика в планировании экспери-
мента 165
Поглотитель звука объемный 53
Погрешность измерений 154—156
---- инструментальная 154
---- постоянная 154
---- предельная 155
----прогрессивная 154
---- систематическая 154
---- случайная 155
---- субъективная 154
— метода измерений 154
— результата измерений относительная 156
— средства измерения абсолютная 99
— динамическая 99
--------дополнительная 99
-------- основная 99
-------- приведенная 99
--------систематическая 99
-------- случайная 99
-------- статическая 99
Подъем большой крутизны 18
— малой крутизны 17
Поле звуковое диффузионное 54
---- свободное 54
Полигон испытательный 11
185
Преобразователи 99—113
— емкостные 105—106
— потенциометрические 111
— пьезоэлектрические 106—107
• — резистивные 100—105
Преобразователи ризистивные реостатные
100—101
— электромагнитные 107—110
----индуктивные 107—109
----индукционные 109—ПО
Прибор «пятое колесо» 134—135
Программа испытаний рабочая 9
---типовая 9
Р
Работа лабораторная 10, 18
— лабораторно-дорожная 10, 18
Распределение экспериментальных данных
156—159
Расход топлива в ездовом цикле 21
----контрольный 21
Режим стендовых испытаний 62—65
Ротаметр 143
С
Свойства автомобиля скоростные 19
----тормозные 22
----эргономические 9
Система измерительно-информационная 97—99
— испытаний автоматизированная 95—96
Скорость автомобиля максимальная 19
-------- условная 19
Стенд для диагностирования технического со-
стояния автомобиля 92—95
----испытаний амортизаторов 84—85
--------аэродинамических 67—70
--------агроклиматических 70—72
— — — карданных валов 74
•-------механизма подъема кузовов автомо-
билей-самосвалов 85—86
-------- рулевого управления 76—79
--------тормозных механизмов 79—81
--------трансмиссий 72—76
--------ходовой части 81—84
--------шарниров рулевых тяг 79
— испытательный диагностический 60
----инерционный 94—95
--------лабораторно-исследовательский 60
----с беговыми барабанами 55, 66—67
-------гидравлическим загружающим устрой-
ством 82—83
-------замкнутым контуром нагружения 61
-------нагружением от маховых масс 61
---------- прямым 61
----------циклическим 83—84
-----специальный 60
----- технологический 60
— — универсальный 60
Схема потенциометрическая 111
Т
Тарировка аппаратуры 149—151
----- косвенная 150
----- непосредственная 150
Тахометр 137
Тахоскоп 137
Тахоуказатель 138
Тензорезисторы 101—105
— проволочные 101—102
— фольговые 103
Тензостанция радиотелеметрическая 117
Тензоусилитель 116
Тензоэффект 101
Термометр манометрический 139
Термопара 139
Терморезистор 139
Токосъемник 130—133
— бесконтактный 132—133
— контактный 130
— проходной 130
— ртутно-амальгамированный 131
— торцовый 130
— трения скольжения 131
— щеточный 131
Токсичность отработавших газов 55—56
Топливомер 141
Труба аэродинамическая 68—70
У
Управляемость и устойчивость автомобиля 23
Уровень фактора в планировании эксперимен-
та 154
Усилитель тензометрический 116—117
— тока 114
Установка для испытания балок ведущих мо-
стов автомобилей 85
186
Устойчивость автомобиля 24
Устройство нагрузочное гидравлическое 66
-----инерционное 66
•— токосъемное 130—133
Ф
Фактор в планировании эксперимента 153
Флоуметр 143
Функция отклика в планировании эксперимен-
та 165
— распределения погрешности результатов из-
мерений 153
X
Характеристика автомобиля «выход из поворо-
та» 25
----- «время разгона до заданной скорости»
20
----- «время разгона на участках 400 и
1000 м» 20
-----«разгон — выбег» 19
-----«разгон на высшей и предшествующих
передачах» 19—20
-----«рывок руля» 25
— измерительной системы динамическая 99
---------- полная 99
---------- частичная 99
— статической траекторной устойчивости авто-
мобиля 25
— установившегося движения топливная 20
Ц
Центр плана эксперимента 167
Цепь измерительная мостовая 110, 112
-----потенциометрическая 111
Цикл ездовой 55
— стендовых испытаний дизелей 57
Цилиндр гидравлический 87, 89—90
Ш
Шум автомобиля 49—50
Шумомеры 147—149
Э
Экономичность автомобиля топливная 20
Эксперимент активный 164
— пассивный 164
Эффект пьезоэлектрический 106
-----обратный 106
-----поперечный 107
-----продольный 107
-----прямой 106
187
Учебное издание
Беляев Владимир Михайлович, Высоцкий Михаил Степанович,
Гилелес Лев Хацкелевич, Горбацевич Мйхаил Иванович,
Гришкевич Аркадий Иванович, Круглик Владимир Михайлович,
Ломако Дмитрий Матвеевич, Руктешель Олег Степанович
АВТОМОБИЛИ. Испытания
Художник обложки
и художественный редактор В. Н. Валентович
Художник технического рисунка В. М. Шмидов
Технический редактор М. Н. Кислякова
Корректоры Т. К. Хваль, Л. А. Шлыкович
ИВ № 2928
Сдано в набор 14 02.90 Подписано в печать 08.10 90. Формат 70X90l/t6 Бумага тип.
№ 1. I арнитура литературная. Высокая печать. Усл. печ. л. 14,04. Усл.-кр.-отт. 14.04.
Уч изд л. 14 67 Тираж 3300 экз Заказ 359. Цена 2 р 30 к
Издательство «Вьпиэйшая школа» Государственного комитета БССР по печати.
220048, Минск, проспект Машерова, 11.
Набрано на Минском ордена Трудового Красного Знамени полиграфкомбинате МППО
им Я Кол аса 220005 Минск, ул Красная, 23
Отпечатано в типографии им. Франциска Скорины издательства «Навука i тэхшка».
220600, Минск ул Жодииская, 18