Установка для измерения коэффициента сцепления при сложном движении заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам оперативного измерения коэффициента сцепления заблокированного автомобильного колеса при его скольжении по твердому дорожному покрытию, и может быть использована при расследовании дорожно-транспортных происшествий (ДТП).
Известен  «Шинный тестер для определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса» (RU № 181521, публ. 17.07.2018), который содержит два измерительных колеса, установленных симметрично относительно продольной оси шинного тестера, силоизмерительный датчик. Два измерительных колеса установлены на независимых рычажных подвесках с продольным перемещением рычагов в поворотные рамы с возможностью их одновременного углового перемещения винтовым механизмом, расположенным на несущей раме шинного тестера, и жесткой фиксации болтами при установленных углах бокового увода измерительных колес с возможностью измерения с требуемой точностью указателями угловых перемещений. Оси измерительных колес и измерительного дышла шинного тестера установлены на подвижные опоры, расположенные на рычагах подвесок измерительных колес и несущей раме шинного тестера, с возможностью их перемещений только в направлениях действия боковых и результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин измерительных колес, и соединены с силоизмерительными датчиками, закрепленными на рычагах подвесок измерительных колес и несущей раме шинного тестера, металлическими балластными грузами, размещаемыми симметрично относительно продольной оси шинного тестера и осей измерительных колес, на кронштейнах несущей рамы шинного тестера с возможностью дискретного увеличения нормальной нагрузки на измерительные колеса с сохранением низкого расположения центра масс шинного тестера. Недостатком данного технического устройства является то, что оно позволяет проводить измерения только боковой и суммарной реакций в пятне контакта эластичной шины автомобильного колеса при качении с боковым уводом.
Известен портативный прибор ударного действия МАДИ (Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М.: Транспорт, 1985, с. 201-202), позволяющий имитировать процесс скольжения заблокированного автомобильного колеса по дорожному покрытию, который состоит из двух резиновых имитаторов толкающих тяг, соединенных шарнирами с подвижной муфтой и резиновыми имитаторами, опорной штанги, в верхней части которой закрепляется подвижной груз, пружин и регистрирующей шайбы.
Данный прибор не позволяет с высокой точностью воспроизвести движение (трение, скольжение) именно автомобильного колеса, поскольку не имитирует резиновыми имитаторами его конструкцию как таковую (отсутствует форма шины колеса и дифференцируемое давление воздуха в нем, свойства имитации сцепных качеств ограничены характеристиками имитаторов), что влечет за собой погрешности. Помимо этого, недостатком прибора является то, что перед использованием прибор сначала необходимо оттарировать на ровном месте, затем на исследуемом.
Известно техническое решение «Динамометрическая тележка конструкции Э.Г. Подлиха (МАДИ)» (Боровский Б.Е. Безопасность движения автомобильного транспорта. – Л.: Лениздат, 1984. - 304 с., ил., с. 102-103), состоящая из прицепного устройства, колеса с шиной, несущей рамы, рамы загрузки амортизатора и металлических дисков в качестве груза.
Основным недостатком описанной установки является то, что её работа ограничивается использованием несъемного универсального измерительного автомобильного колеса (независимо от целей измерения), что значительно снижает возможности моделирования поведения автомобильного колеса, привязанного к определенному ДТП, на дорожном покрытии при различных условиях, а, следовательно, достоверность и точность проводимых измерений. Действительно, сцепные качества дороги определяются, главным образом, за счет ее шероховатости и степени увлажнения, в то время как те же качества автомобиля зависят от ряда факторов, не имеющих никакого отношения к качеству эксплуатируемого покрытия, в частности, состояния контактной поверхности автомобильного колеса (его протектора шины - высота износа грунтозацепов, геометрический рисунок протектора и т.д.), степени его накаченности и конструктивных его особенностей (диаметр, высота профиля боковины шины и т.д.), нагрузки на колесо (которая изменяется при торможении за счет перераспределения сил) и т.д. Также к недостаткам следует отнести и то, что данное устройство (впрочем, как и другие) обладает возможностью измерения только параметров прямого торможения (измерение параметров бокового скольжения исключается конструктивной особенностью установки) испытуемого колеса по испытуемой поверхности.
Известна динамометрическая установка для измерения коэффициента сцепления заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием (Установка для измерения коэффициента сцепления заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием (RU № 159197, публ. 10.02.2016), состоящая из прицепного устройства, колеса с шиной, несущей рамы, рамы загрузки амортизатора и металлических дисков в качестве груза.
Основным недостатком описанной установки является то, что её работа ограничивается двумя фазами измерения – коэффициента сцепления при прямом торможении и коэффициента сцепления при боковом скольжении, что значительно снижает возможности моделирования поведения автомобильного колеса в состоянии сложного перемещения (под разными углами продольной оси колеса относительно вектора его перемещения) на дорожном покрытии при различных условиях, а следовательно, достоверность, вариативность и точность проводимых измерений.
В качестве прототипа принято техническое решение «Установка для измерения коэффициента сцепления при сложном движении заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием» (RU № 210446, публ. 15.04.2022), содержащая горизонтально расположенные подвижную раму, на которой закреплено более одной стойки, и несущую раму с автомобильным колесом и отверстиями под стойки, через которые осуществляется ее крепление с подвижной рамой. Подвижная и несущая рамы выполнены круглого сечения, кроме того, несущая рама выполнена с конструктивными сквозными каналами в боковой поверхности и горизонтальными штангами, имеющими возможность горизонтального радиального перемещения по конструктивным сквозным каналам относительно несущей рамы на необходимый угол разворота.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности имитации характера поступательного перемещения автомобильного колеса с учетом амортизационных свойств подвески автомобиля, что не позволяет получить экспериментальные данные с минимальным порогом погрешности измерения.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения измерения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием в состоянии бокового скольжения под разными углами скольжения для более достоверной имитации перемещения колеса при сложном движении с учетом подрессоренной массы подвески.
Это достигается тем, что установка для измерения коэффициента сцепления при сложном движении заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием, содержащая горизонтально расположенные подвижную раму, на которой закреплено более одной стойки и несущую раму с автомобильным колесом и отверстиями под стойки, через которые осуществляется ее крепление с подвижной рамой, при этом подвижная и несущая рамы выполнены круглого сечения, кроме того, несущая рама выполнена с конструктивными сквозными каналами в боковой поверхности и горизонтальными штангами, имеющими возможность горизонтального радиального перемещения по конструктивным сквозным каналам относительно несущей рамы на необходимый угол разворота, причем, между подвижной и несущей рамами дополнительно установлены амортизаторы  пружинного типа.
Технический результат заключается в конструктивном универсализме установки, который позволяет в равной степени измерять коэффициент сцепления заблокированного автомобильного колеса, привязанного к конкретному ДТП, с дорожным покрытием непосредственно на месте ДТП, как при прямом торможении, так и при боковом скольжении под различными углами колеса относительно вектора волочения и с учетом амортизационных свойств подвески автомобиля.
Сущность установки для измерения коэффициента сцепления заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием поясняется графическими изображениями, на которых изображены:
Фиг. 1 – общий вид установки.
Фиг. 2, 3 – вид установки сверху и сбоку.
Фиг. 4 – общий вид установки.
Установка для измерения коэффициента сцепления заблокированного автомобильного колеса с дорожным покрытием (Фиг. 1, 3) содержит горизонтально расположенную круглую подвижную раму 1, снизу на которой диагонально установлены по два колеса 2 свободного вращения подшипникового типа с каждой стороны от продольной оси установки. К верхней части подвижной рамы 1 жестко закреплены, например, сваркой, вертикальные направляющие стойки 3, не менее двух с каждой стороны от продольной оси установки. Вертикальные направляющие стойки 3 предназначены для установки на подвижной раме 1 круглой несущей рамы 4 через соответствующие сквозные отверстия, изготовленные в стенках несущей рамы 4. Между подвижной и несущей рамами дополнительно установлены амортизаторы пружинного типа 12, предназначенные для имитации подвески автомобиля. К боковой стенке несущей рамы 4 крепятся две штанги 5, на которые, например, через фланец 6 крепится автомобильное колесо 7. Штанги 5 через фланцы 8 и 9 закреплены болтовыми соединениями с боковой стенкой несущей рамы 4 через конструктивные сквозные каналы 10, вырезанные в этой стенке. На верхней поверхности несущей рамы 4 соосно продольной оси закреплено прицепное устройство 11 (Фиг. 2). Для снятия показаний и имитации нагрузки используется соответственно измерительное устройство, например динамометр, и дополнительные грузы, в общей сложности до 120 кг (на фиг. не показаны).
Пример использования установки.
Для измерения коэффициента сцепления при прямом торможении круглую несущую раму 4 через сквозные отверстия, с помощью вертикальных направляющих стоек 3, устанавливают на круглую подвижную раму 1, закрепляют амортизаторы 12.  Через фланец 6 к двум штангам 5 крепят автомобильное колесо 7, демонтированное с автомобиля, участвовавшего в ДТП. Через фланцы 8 и 9 и конструктивные сквозные каналы 10 штанги 5 крепят к несущей раме 4. С помощью такого соединения несущая рама 4 свободно перемещается вверх и вниз относительно вертикальных направляющих стоек 3 (перемещение ограничено конструктивными размерами колеса) и имеет возможность демонтажа с подвижной рамы 1 для транспортировки.  Конструктивные сквозные каналы 10 позволяют радиально перемещать штанги 5 с закрепленным на них колесом 7 внутри несущей рамы 4, что позволяет измерять коэффициент бокового скольжения колеса 7 в различных угловых положениях. Для имитации фактической нагрузки, приходящейся на колесо автомобиля, несущую раму 4 нагружают дополнительными грузами (например, в общей сложности до 120 кг) и настраивают натяжение амортизационных элементов 12. Распределение нагрузки дополнительными грузами происходит равномерно или из расчета перераспределения нагрузки при торможении на автомобильное колесо, при давлении в колесе 0,2 МПа (или иное, если оно отличалось на момент ДТП). Прицепное устройство 11 сцепляют жестко через измерительное устройство, например, динамометр (на фиг. не показан), с автомобилем, который осуществляет транспортировку установки, с помощью установленных снизу на подвижной раме 1 колес 2, по участку дороги с постоянной заданной скоростью с целью измерения коэффициента сцепления. Для измерения коэффициента сцепления при боковом скольжении, штанги 5 перемещают радиально внутри несущей рамы 4 по конструктивным сквозным каналам 10, выставляя необходимый угол разворота колеса для измерения. Дальнейшая работа по измерению коэффициента сцепления при прямом торможении или боковом скольжении сводится к перемещению устройства в ведомом режиме по поверхности дороги. Динамометром измеряется сила тяги, исходя из которой вычисляется искомый коэффициент по формуле
,
где m – нагрузка на колесо, кг;
V – скорость перемещения установки, м/с;
S – перемещение установки, м;
q – удельное давление в колесе, МПа;
2
A – площадь пятна контакта шины с опорной поверхностью, м;
Р – буксирующая сила, Н.
Предлагаемая установка мобильна, имеет небольшие габаритные размеры, может быть использована в различных условиях непосредственно на месте ДТП (что, ввиду сложности сохранения дорожных условий на момент ДТП с течением времени, обеспечивает необходимую оперативность и качество измерения), а также  позволяет использовать широкий спектр колес (независимо от конструктивных размеров) легковых автомобилей, обеспечивая вариативность их использования (накаченность колеса, износ и рисунок протектора шины, высота его грунтозацепов и т.д.), а также позволяет измерять в равной степени, как прямое торможение, так и боковое скольжение при различных углах поворота колес с учетом амортизационных свойств подвески, что увеличивает точность измерений, т.е. установка является универсальной.