Устройство для определения характеристик сил трения качения и скольжения

Полезная модель относится к экспериментальному определению характеристик силы сухого трения.
Известно устройство для определения коэффициента трения качения (Патент на ПМ №177936, МПК G01N 19/02, опубл. 16.03.2018), содержит приведенный во вращение электродвигателем, вращающийся по инерции барабан и взаимодействующий с ним каток, устройство прижатия катка к поверхности барабана и средство измерения накопленного угла поворота барабана.
Недостатками данного устройства являются
1. Не учитывается трение в оси катка, что понижает точность определения коэффициента трения качения.
2. Не определяется величина смещения точки приложения результирующей силы трения при качении катка, необходимая при исследовании динамики катка (например, явления шимми).
3. Нет возможности эффективно определять зависимость характеристик силы трения от скорости вращения катка, так как скорость вращающегося по инерции барабана меняется в ходе эксперимента.
Задачей и техническим результатом заявляемого устройства для определения характеристик силы трения является повышение точности определения характеристик силы трения.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для определения характеристик сил трения качения и скольжения, содержащем приводимый асинхронным электродвигателем во вращение относительно горизонтальной оси барабан и контактирующее с барабаном в верхней точке его боковой поверхности колесо в вилке, скрепленной с нижним концом вертикальной штанги, верхний конец которой закреплен в основании устройства, снабженного средством задания силы прижатия колеса к поверхности барабана, вертикальная штанга имеет в своем составе установленную параллельно осям вращения колеса и барабана пластину, на которой закреплен предварительно откалиброванный тензодатчик с электронной схемой обработки сигнала, регистрирующий величины силы трения в области контакта колеса с барабаном.
Определение силы трения при заданном значении скорости вращения барабана проводится в течение длительного интервала времени, в результате чего точно находятся средние значения силы трения при различных значениях скорости вращения барабана, и определяется зависимость силы трения от скорости.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1. Схема устройства.
Фиг 2. Схема оптического датчика.
В состав предлагаемого устройства (Схема 1) входят установленный на основании (1) устройства асинхронный электродвигатель (2), питание на который подается через преобразователь частоты (на фиг. 1 не показан), что позволяет задавать различные скорости вращения ротора электродвигателя. На валу ротора закреплен барабан (3) с горизонтальной осью вращения. На основании устройства размещены две вертикальные стойки (4), с которыми жестко скреплена горизонтальная планка. На планке закреплена втулка (5), через которую проходит свободно перемещающаяся по вертикали штанга (6). Часть штанги представляет собой пластину (7), на которой закреплен тензодатчик (8). На нижнем конце штанги находится вилка (9), в которой закреплена ось колеса (10) с обрезиненным ободом, контактирующего с барабаном в верхней точке боковой поверхности барабана. На штанге размещаются грузы (11) известного веса. В состав устройства также входит оптический датчик перемещения (Схема 2), состоящий из источника света (12) (лазера), зеркала (13), прикрепленного к области на внешней поверхности обода колеса, экрана (14) с нанесенной на нем сеткой, нити (15), крепящейся к той же области поверхности обода, и грузов известного веса (16).
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Проводится эксперимент, состоящий из двух этапов. На первом этапе проводятся калибровки тензодатчика и оптического датчика угла (Схема 2). Штанга (6) жестко закрепляется в основании так, чтобы пластина (7), входящая в ее состав, была горизонтальна. Колесо с обрезиненным ободом (10) было закрепляется в оси своего вращения. К внешней стороне колеса с обрезиненным ободом (10) в области пересечения оси штанги (6) с поверхностью колеса с обрезиненным ободом (10) крепится нить (15) и зеркало (13). На свободном конце нити (15) закрепляются различные грузы известного веса (16). Вес грузов (16), имитирующий силу трения при контакте колеса (10) с вращающимся барабаном (3), вызывает изгиб пластины (7) и изменения показаний тензодатчика (8). Определяется зависимость, связывающая величину сигнала на выходе тензодатчика (8) с известными значениями веса грузов. На зеркало (13) направляется луч лазера (12) так, чтобы, отразившись от него, луч попадал на экран (14) с нанесенной на нем сеткой. Смещения области крепления зеркала (13) под действием веса грузов (16), вызывают смещения отраженного от зеркала луча по сетке на экране, которые пересчитываются в смещения области на ободе колеса (10). Определяется зависимость, связывающая показания оптического датчика угла с известными значениями веса грузов и соответствующими показаниями тензодатчика (8).
На втором этапе эксперимента оптический датчик перемещений не используется. Штанга (7), часть которой представляет собой пластину с закрепленным на ней тензодатчиком (8), устанавливается на установку так, чтобы колесо с обрезиненным ободом (10), контактировало с барабаном (3) в верхней точке его боковой поверхности, а пластина (7) была бы параллельна осям колеса (10) и барабана (3). В случае определения характеристик трения скольжения колесо (10) жестко закрепляется в оси своего вращения. При определении характеристик трения качения колесо с обрезиненным ободом (10) имеет возможность свободно вращаться относительно своей оси. Барабан (3) приводится во вращение с заданной скоростью. При этом в области контакта колеса (10) с барабаном (3) действует сила трения, вызывающая изгиб пластины (7), что вызывает изменение показаний тензодатчика (8). Сопоставление этих показаний тензодатчика (8) с данными, полученными при калибровке датчиков, позволяет определить величину силы трения (скольжения или качения), а также смещение точки приложения силы трения.
Определение силы трения при заданном значении скорости вращения барабана проводится в течение длительного интервала времени, в результате чего точно находятся средние значения силы трения при различных значениях скорости вращения барабана, и определяется зависимость силы трения от скорости.
Проведение экспериментов при различных известных значениях установленных на штанге грузов позволяет определить зависимость средних значений параметров силы трения (скольжения или качения) от силы прижатия колеса к барабану.
Проведение экспериментов при различных известных значениях скорости вращения барабана позволяет определить зависимость средних значений параметров силы трения (скольжения или качения) от скорости.