Стабилизация трансмиссионных масел коробки передач автобуса работающего на городских маршрутах с уклонами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.113; 621.431.

Кустиков А.Д., Кузьмин Н.А.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

E-mail: kustikov-ad@yandex.ru

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТРАНСМИССИОННЫХ МАСЕЛ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ АВТОБУСА РАБОТАЮЩЕГО НА ГОРОДСКИХ МАРШРУТАХ С УКЛОНАМИ

В работе представлены результаты исследования, направленные на повышение безотказности механических коробок передач при работе городских автобусов ПАЗ на маршрутах с уклонами.

Для формирования выборок предложено кодирование отказов трансмиссий, с применением которого был произведен расчетно-экспериментальный анализ причин увеличения отказов. Получены статистические модели законов распределения отказов КП автобусов ПАЗ. У КП ПАЗ-32054 лимитирующие детали - шестерни, у КП автобусов ПАЗ-4234 - шестерни и корпуса задних картеров.

Установлено, что основной причиной снижения уровня безотказности КП автобусов на маршрутах с уклонами является неудовлетворительное состояние трансмиссионного масла к моменту регламентной замены. Путем химического анализа проб трансмиссионного масла, установлены значения массовой доли и размера механических примесей при эксплуатации автобусов на маршрутах с уклонами. После аппроксимации экспериментальных значений получены зависимости концентрации и размера частиц от пробега на маршруте с уклонами. Предложенная в работе математическая модель позволяет определять износы шестерен 1-ой передачи механических КП городских автобусов, работающих на маршрутах с уклонами.

Рассчитаны оптимальные периодичности замены масла в КП методом определения оптимальной периодичности по допустимому уровню безотказности. Для снижения содержания в картерах остатков отработавшего масла при его замене и продуктов приработки после ремонта предлагается проводить обкатку КП с последующей промывкой для маршрутов с уклонами

Предложенные мероприятия в комплексе позволили снизить содержание примесей в трансмиссионном масле КП, в результате количество их отказов снизилось на 46%.

Ключевые слова: отказ, коробка передач, маршрут с уклонами, трансмиссионное масло, механические примеси, износ, обслуживание.

К спектру основных факторов, влияющих на безотказность автотранспортных средств (АТС), необходимо отнести наличие изменений профиля макрорельефа местности, а именно, уклонов, на маршрутах следования.

Так, например, на берегах самой крупной в Европе реки Волги расположены 65 городов. В таких городах профили макрорельефов маршрутов различны: как абсолютно ровные, так и содержат перепады высот над уровнем моря до 100 м. При этом автотранспортные предприятия (АТП) и частные перевозчики обслуживают как равнинные маршруты, так и маршруты с выраженным макрорельефом. В Нижнем Новгороде показатели безотказности автобусов, обслуживающих маршруты с уклонами, ниже, а расходы на эксплуатацию выше, чем у автобусов на равнинных маршрутах [3], [8], [9]. Существующая система корректирования периодичности и содержания технических обслуживаний (ТО) не учитывает изменений профиля макрорельефа на автомобильных маршрутах, т.к. категория условий эксплуатации определяется типом рельефа местности, имея в виду только высоту полотна дороги над уровнем моря. В этой связи, при эксплуатации АТС увеличивается поток отказов, обусловленных повышенными

нагрузками на основные агрегаты, в том числе, на коробку передач (КП). Вероятной причиной отказов является изменение эксплуатационных свойств трансмиссионных масел. Проблема может быть решена путем корректирования периодичности и содержания ТО и ремонтов (Р) КП автобусов.

С целью выявления причин различных распределений отказов на маршрутах выполнен анализ профилей макрорельефов Ш категории условий эксплуатации. Согласно геодезической карте Поволжья в городах автобусы могут преодолевать от 1 до 5 перепадов высот значением от 20 до 100 м с уклонами до 10%. Для выполнения анализа перепадов высот на путях следования городских автобусов построены диаграммы профилей типичных маршрутов Н.Новгорода (рис. 1).

На маршруте 1, соединяющем Нагорную и Заречную части города, отмечены два значительных подъема (А и В с перепадами высот 75 м и 63 м, соответственно). При этом маршрут 2 является равнинным.

На первом этапе для формирования выборок при построении статистических моделей безотказности и их оперативной обработки в работу технического отдела АТП включена воз-

можность классификации отказов автобусов (их кодирование). Фрагмент классификатора представлен в таблице 1.

В 4-значной кодировке первая цифра означает крупную систему автомобиля (цифра 1 - трансмиссия, цифра 0 оставлена для двигателя, 2 - для тормозной системы и т. д.), вторая цифра - агрегат трансмиссии (цифра 0 - сцепление), третья цифра - название отказа, четвертая цифра - причина отказа. Набор 01 присвоен наиболее частой причине отказа по опыту эксплуатации, а далее - по уменьшению частоты их возникновения.

Исследования автобусов ПАЗ-32054 и ПАЗ-4234 проводились в три этапа: 1) анализ всех отказов автобуса с целью выявления наименее надежной системы; 2) анализ системы с наибольшим количеством отказов; 3) построение статистических моделей наименее надежного агрегата.

Установлено, что наибольшее количество от отказов агрегатов и систем автобусов ПАЗ-32054 приходится на трансмиссию (23,6%). Наибольшему влиянию изменений профиля макрорельефа на маршрутах подвержена КП (39,1% от всех отказов конструкционных элементов трансмиссий).

Для систематизации исследований безотказности трансмиссий и их КП автобусов ПАЗ-32054 были построены статистические модели

(выражение 1 - для КП на маршрутах с подъемами, 2 - для КП на равнинных маршрутах).

(х-41,989)2

/(х) = 0,0269е /(х) = 0,0207 е

(х-52,680)2 738,663

(1) (2)

Выявлено, что отказы КП автобусов подчиняются нормальному закону распределения, что представлено на рисунке 2, где Дх) - плотность вероятности отказов.

Аналогичные исследования и математические модели получены для автобусов ПАЗ-4234 в целом, их трансмиссий и отдельно КП. Здесь также характерно преобладание отказов трансмиссий (26,5%) и КП (49%). У КП автобусов ПАЗ-32054

30 25 20 15 10 5

0

М-ю1

/ х

/ / Л ^ \

X 4 2

0

30000

60000

90000

120000 Пробег жм

Рисунок 2. Распределение отказов КП ГАЗ-3307 автобусов ПАЗ-32054: 1 - маршруты с уклонами; 2 - равнинные

Таблица 1. Классификатор отказов трансмиссий автобусов ПАЗ (фрагмент)

Код Название Причина

11 Коробка передач

1111 Шум при работе КП Ослабление крепления к картеру сцепления

1112 Выкрашивание зубьев шестерен

1113 Износ подшипников

1114 Низкий уровень масла

1121 Трудное переключение передач Неполное выключение сцепления

1122 Износ зубчатого венца муфты, венца шестерни 2-ой передачи, торцев зубьев 1-ой передачи

Высота над уровнем моря, м

--—* 1

/ \=7% ¡=3%К /¡=4 %

Й*' ¡=0% 2

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Протеженность, м

Рисунок 1. Профили маршрутов: 1 - с уклонами, 2 - равнинный, i - уклон

лимитирующие детали - шестерни (27% от всех отказов деталей КП), у КП автобусов ПАЗ-4234 -шестерни и корпуса задних картеров.

Основной причиной существенного увеличения количества отказов КП ГАЗ-3307 автобусов ПАЗ-32054, эксплуатирующихся на маршрутах с выраженным макрорельефом, являются неудовлетворительные изменения качества масел в их картере до наступления регламентных замен. Значительные отклонения были зарегистрированы в образцах, отобранных через 38400 км пробега (периодичность регламентной замены) из КП автобусов ПАЗ-32054, работающих на маршрутах с уклонами (табл. 2) [1], [6], [7], [8]. Все эксперименты по анализу химического состава трансмиссионных масел проводились в специальной сертифицированной лаборатории Дзержинского политехнического института НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Следствием повышенного содержания механических примесей является увеличение скорости изнашивания зубчатых зацеплений (особенно 1-ой передачи в связи с передачей максимального крутящего момента).

В проведенном исследовании значение износа и его скорости для 1-ой передачи рассчитывалось по формулам Крагельского И.В. [4], [8]:

h « 6,8

8 2/30 25Г05

г'дИБу5ИБ2* а v1+ ß v

'.4 ■ 10

2 e2/3y25r05 e'0HB115HB2

v, - v,

6v1 + ev2

(3)

(4)

где е - концентрация абразивных примесей, %; о - условно разрушающее напряжение, кгс/мм2; г - средний размер частиц, мм; е0 - относительное удлинение материала при разрыве, %; t - коэффициент усталости материала при пластических деформациях; НВ1, НВ2 - твердости сопряженных поверхностей по Бринеллю, НВ; р* - приведенный радиус кривизны поверхностей, мм; у1 и у2 - скорости поверхностей 1 и 2, мм/с; а и в - вероятности закрепления частицы на поверхностях 1 и 2; пщ1 - число нагружений для поверхности 1.

В формулах (3) и (4) степень влияния величины подъемов на маршрутах движения автобусов опосредовано характеризуют два параметра - концентрация механических примесей е и средний размер г частиц. При этом е связано с массовой долей механических примесей им по выражению:

е=и •р/р , (5)

м г 'м' 4 '

где р и рм - соответственно, плотность масла и механических примесей.

Износ при одном контакте зубьев сопряженных шестерен КП (одно нагружение) на подъемах практически в 2 раза выше, чем при эксплуатации автобусов на равнинном маршруте (таблица 3).

Согласно (3) можно записать, что износ за одно нагружение ^ - это функция двух параметров: концентрации еi и среднего размера г:

¿1 =Р(г1,г1). i (6)

Путем анализа проб трансмиссионного масла, забор которых осуществлялся с перио-

Таблица 2. Показатели свойств трансмиссионного масла марки ТАп-15В при пробеге 38400 км

на городских маршрутах (фрагмент)

v1 2

v

n

1

Наименование показателей Нормативное значение Фактическое значение ГОСТ испытаний

Маршрут равнинный Маршрут с уклонами

Массовая доля механических примесей, %, не более 0,03 0,0291 0,0466 6370-83

Массовая доля воды, %, следы следы 0,21 2477-65

Совместимость с резиной УИМ-1,% 4-10 10,09 11,01 23652-79

Таблица 3 Параметры для расчета и износы 1 передачи КП ПАЗ-32054

Параметр Обозначение Маршрут с подъемом Равнинный маршрут

Концентрация абразива 8, % 0,0056 0,0034

Средний размер частицы г, мм 0,03 0,015

Износ за одно нагружение h1, мкм 2.10-6 12.10-6

Скорость изнашивания V1, мкм/ч 0,1124 0,0574

дичностью 6400 км из КП ПАЗ-32054, установлены значения массовой доли и размера механических примесей на пробегах И при эксплуатации автобусов на маршрутах с уклонами. Далее получены значения концентрации по формуле (5). Результаты эксперимента приведены на рисунке 3.

Для экспоненциальной зависимости можно записать [2]:

г = Ь/Ь

(7)

Параметры а0, а1 и Ь0Ь1 аппроксимирующих функций находятся методом наименьших квадратов, тогда функции концентрации и размера частиц от пробега на маршруте с уклонами примут вид:

8г. = 0,00051 • в0'05579 4; г = 0,00866 • в0'03085 1 (8) Подставляя полученные функции параметров частиц от пробега (8) в формулу (3), получим зависимость износа от пробега.

, 0,00394а

п1 = —-—-

ЕдНВ]' НВ2

У2 в0 ,0191451

аУ1 + Р^2

(9)

Рисунок 3. Зависимости параметров механических примесей масла в КП автобуса ПАЗ-32054, обслуживающего маршрут с уклонами, от пробегов

Математическая модель (9) позволяет определять износы шестерен 1-ой передачи механических КП городских автобусов, работающих на маршрутах с уклонами. Адекватность её проверена на примере автобусов ПАЗ-4234, оснащенных дизельными двигателями и КП ГАЗ-3309, работающих на маршрутах с уклонами в Нижнем Новгороде. Для этого по выражению (3) подсчитан износ для предельно-допустимого значения юм=0,03% при среднем размере частиц 0,015 мм. А далее с использованием модели (9) определено значение пробега при этом 1=38719 км.

В дальнейшем проведен комплекс исследований с химическим анализом проб масел КП и получением подобных (7) аппроксимирующих зависимостей. Экспериментальные исследования позволили установить, что массовая доля механических примесей ю =0,03% в трансмиссионном масле КП автобусов ПАЗ-4234, работающих на маршрутах с уклонами, наблюдается при 1=37726 км. Совпадение полученных пробегов с точностью до 3% свидетельствует о более чем высокой сходимости результатов, а значит об адекватности математической модели (9).

Таким образом, подтверждено, что основной причиной снижения уровня безотказности КП автобусов на маршрутах с уклонами является неудовлетворительное состояние трансмиссионного масла к моменту регламентной замены.

Проблема может быть решена путем корректирования периодичности его замены. Для этого необходимо формирование выборки отказов, что в разрезе данной работы означает момент, когда в трансмиссионном масле массовая доля механических примесей достигнет предельно-допустимого значения согласно ГОСТ 6370, а именно, 0,03%.

Выборка отказов была сформирована из реальной эксплуатации 30 автобусов ПАЗ-32054, работающих на маршрутах с уклонами в Нижнем Новгороде. Для этого, начиная с пробега 33000 км, раз в 2 дня, проводился химический анализ проб масел (табл. 4). Безусловно, у автобусов в пробах трансмиссионных масел КП, которых при 33000 км пробега массовая доля

механических примесей была заведомо ниже

Таблица 4. Наработки до превышения содержания механических примесей, км

35996 38894 38178 35527 38641 35349 37428 38730 39224 40112

33349 39844 41901 39779 40007 36826 37829 38912 37020 37855

36464 37858 39022 37331 37859 39095 36752 37129 36948 40535

Массовая Золя механических примесей,%

О,Об

О 20 40

1 - до внедрения мероприятий, 2 - после внедрения мероприятий

бО ВО

Пробег, тыс.км

Рисунок 6. Содержание примесей в трансмиссионном масле автобусов ПАЗ-32054 работающих на маршрута с уклонами

предельного значения, измерения проводились с пропусками дней обследования.

Вероятность отказа исследуемой операции определяется по выражению [5], [6]:

F =

1о

J f(x)dx

= F

f izZ'

CT

(10)

где 10 - оптимальная периодичность операции

ТО, км; X - выборочное среднее, км; о - сред-неквадратическое отклонение, км.

Следуя алгоритму метода определения оптимальной периодичности по допустимому уровню безотказности, принимаем величину риска отказа ^=0,1 (как для конструкционного элемента автомобиля, не отвечающего за БДД) [6]. Из таблицы нормального распределения получено - при F(z)=0,1, 2= -1,3. Значение оптимальной периодичности вычисляется по выражению:

10 = Z-ст + Х = -1,3-1363 + 36013 = 34441 (11) Однако, в целях оптимизации рабочего времени принимаем периодичность замены равной 35200 км, что является кратным 3200 км, а для исследуемых автобусов ПАЗ-32054 это значение пробега является половиной периодичности ТО.

Аналогичным образом рассчитана периодичность замены масла в КП ПАЗ-4234, работающих на городских маршрутах с уклонами, и получено 36281 км.

Для снижения содержания в картерах остатков отработавшего масла при его замене и продуктов приработки после ремонта предлагается проводить обкатку КП с последующей промывкой для маршрутов с уклонами: на первой пере-

даче - 40 минут; на второй передаче - 30 минут с короткими тремя переключениями на третью передачу и обратно; на третьей передаче -20 минут с короткими переключениями на четвертую передачу и обратно; на четвертой передаче -15 минут; на пятой передаче - 15 минут; при этом частота вращения коленчатого вала всегда должна соответствовать максимальному крутящему моменту на данной передаче. Установлено, что после обкатки КП скорость накопления суммарных примесей в трансмиссионном масле в процессе эксплуатации снижается на 6-7%. Количество отказов деталей КП уменьшается, например, для шестерен - до 25%.

Количественно подтверждена целесообразность промывки картеров КП перед сменой масел. Это существенно снижает содержание и динамику увеличения примесей в них по мере эксплуатации. При применении промывки количество отказов КП по некоторым деталям снижается до 22%. В процессе исследования проверена эффективность различных промывочных масел КП, включая иностранные. Наиболее эффективным по шкале «цена-качество» является отечественное промывочное масло ЛАВР LN 1006.

Предложенные мероприятия в комплексе позволили снизить содержание примесей (рисунок 6) в трансмиссионном масле КП, что позволило снизить количество их отказов на 46%.

Результаты исследований одобрены и приняты к внедрению в НПАП J№3, внедрены в ЗАО «Автокомплекс», в ЦБДДиТЭ НГТУ, а также используются в учебном процессе НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

11.03.2015

Список литературы:

1. Аметов, В. А. Повышение эксплуатационной надежности агрегатов автотранспортных средств путем контроля и модифицирования смазочного масла. Дисс. ... докт. техн. наук. М.: ТГАСУ, 2006. - 382 с.

2. Денисов, А.С. Научные основы формирования структуры эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей. Дисс. ... докт. техн. наук. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1999. - 428 с.

3. Хорчажкин, М. Г. Повышение эксплуатационной надежности двигателей городских автобусов, работающих на режимах высоких тепловых нагрузок. Дисс. ... канд. техн. наук. М; 2005. - 185 с.

4. ^ательски^ И. В., Добычин М. Н., Kомбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ/ И.В. ^ательски^ М.Н. Добычин, В.С. Kомбалов. - М.: Машиностроение. - 1977. - 526 с.

5. Еузьмин, Н.А. Теоретические основы обеспечения работоспособности автомобилей: учебное пособие/ Н.А. Еузьмин. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2014. - 272 с.

6. Еузьмин, Н.А. Теория эксплуатационных свойств автомобиля / Н.А. Еузьмин, В.И. Песков. - М.: ФОРУМ; НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 256 с.

7. Еузьмин, Н.А. Проблемы надежности трансмиссий городских автобусов/ Н.А. Еузьмин, А.Д. Е^стиков// Автотранспортное предприятие, 2013, №8 - С.39-42.

8. ^зьмин, Н.А. Особенности работы механических коробок передач городских автобусов при эксплуатации на маршрутах с подъемами / Н.А. Kузьмин, А.Д. R^rara», В.В. Ясенов // Автотранспортное предприятие, 2014, №4 - С.37-39.

9. Турсунов, А.А. Экспериментальная оценка приспособленности АТС к горным условиям эксплуатации / А.А. Турсунов // Актуальные проблемы современной науки. - М., 2002. - №2. - С. 322 - 324.

10. Barbero, Ever J. Finite element analysis of composite materials/ Ever J Barbero - CRC Press - 2008 - 332p

11. Cezary Bojanowski. Verification. Validation and optimization Finite Element Model of bus for rollover Test: dis. ... Doctor of Philosophy./ Cezary Bojanowski - . USA., 2009.

12. Zienkiewich, O. C. The finite element method in engineering sience. - Mcgraw-Hill-London, 1971. - 541с.

Сведения об авторах:

Кузьмин Николай Александрович, заведующий кафедрой автомобильного транспорта НГТУ им. Р.Е. Алекеева, профессор, доктор технических наук, е-mail knanntu@mail.ru,

Кустиков Александр Дмитриевич, ассистент кафедры автомобильного транспорта НГТУ им. Р.Е. Алексеева,

е-mail kustikov-ad@yandex.ru,

603950, ГСП-41, Н.Новгород, ул. Минина, 24, тел. (831) 4364383