АВТОМОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
AUTOMOTIVE DEVICE FOR MEASURING ADHERE RATIO TO THE ROAD

Изобретение относится к дорожному строительству, точнее к устройствам (дорожным лабораториям) для оперативного измерения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным или аэродромным покрытием.
Известен прицепной прибор для периодического измерения коэффициента сцепления дорожной поверхности, содержащий измерительное колесо, на оси которого установлен зубчатый шкив, соединенный зубчатым приводным ремнем со вторым зубчатым шкивом, установленным на валу электромотора. Вблизи от зубцов второго шкива, между ветвями зубчатого ремня установлен датчик, выдающий импульс при прохождении мимо него очередного зубца. Импульсы с датчика поступают на центральный процессор, где по частоте их следования вычисляется окружная скорость измерительного колеса, раскручиваемого перед измерением электромотором и опускаемого на измеряемую поверхность с помощью шарнирно-рычажного механизма [US №6681614]. Известный прибор не может выполнять измерения в движении и требует специальной подготовки поверхности измерительного колеса и участка дороги перед измерением. Кроме того, методика измерения, осуществляемого известным прибором, не соответствует установленным действующим ГОСТ 30413-96.
Известен также одноколесный прибор для непрерывного измерения коэффициента сцепления дорожной поверхности, предназначенный для установки на автомобиле, содержащий измерительное колесо, установленный соосно с ним зубчатый диск из ферромагнитного материала и установленный вблизи зубцов диска датчик, выдающий импульс при прохождении мимо него очередного зубца. Импульсы с датчика поступают на центральный процессор, где по частоте их следования вычисляется окружная скорость измерительного колеса, а результаты вычисления сравниваются с показаниями спидометра автомобиля, на котором это устройство установлено. В результате сравнения вырабатывается сигнал для водителя, предупреждающий о скользкой дороге [US №6276189].
Недостатком известного устройства является то, что оно не предназначено и не может выполнять функции измерительной лаборатории. Измеряемые величины лишь сравниваются между собой. Абсолютных, причем точных данных о коэффициенте сцепления известное устройство не предоставляет.
Наиболее близким к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является испытательное автомобильное устройство для измерения коэффициента дорожных покрытий, состоящее из автомобиля с механической коробкой передач и прицепного одноколесного прибора типа ПКРС-2 с измерительным колесом, тормозным и измерительными устройствами. Измерительные устройства, установленные на прицепном приборе, включают динамометр тягового усилия, используемый при измерении коэффициента сцепления, и средства для передачи в электрической форме сигналов с датчика и динамометра в устройство для обработки и фиксации данных, называемое далее «вычислительное устройство», установленное в автомобиле. Исходным для расчета коэффициента сцепления результатом измерения является тяговое усилие на сцепном устройстве прибора в момент, когда измерительное колесо полностью заторможено (сблокировано) при движении с заданной поступательной скоростью [«Средства измерений, допущенные к выпуску в обращение в СССР. Описание утвержденных образцов» / М.: Изд-во стандартов, 1988. (ПКРС-2 зарегистрирован под №10913-87)]. Согласно п. 4.1.1 ГОСТ 30413-96 «Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием» именно это устройство является стандартным средством измерения коэффициента сцепления.
Согласно этому же стандарту измерение коэффициента сцепления производится на скорости 60±5 км/ч. Поскольку ни автомобиль, ни прицепной прибор не содержат специальных устройств для измерения скорости поступательного движения измерительного колеса, в ходе измерений скорость устанавливается по показаниям спидометра автомобиля, служащего тягачом для прицепного прибора.
Согласно ГОСТ 1578-76 (Спидометры автомобильные и мотоциклетные с приводом от гибкого вала) и ГОСТ 12936-72 (Спидометры автомобильные с электроприводом) погрешность показаний спидометра должна быть только положительной и при скорости 60 км/ч не должна превышать 4 км/ч. К этому значению добавляется дополнительная погрешность указателя скорости спидометра в случае отличия температуры окружающего воздуха от +20°C. Эта погрешность не должна превышать ±2% на каждые 10°C отличия от +20°. Поскольку согласно ГОСТ 30413-96 измерения проводятся в диапазоне температур от 0 до +40°C, может появиться дополнительная погрешность величиной до 4%.
Таким образом, если водитель автомобиля, руководствуясь показаниями спидометра, выдерживает скорость 65 км/ч, полагая, что он еще не выходит из требуемого ГОСТ 30413-96 поля допусков, то с учетом положительной погрешности спидометра 4 км/ч, фактическая скорость составит 61 км/ч. Если измерения проводятся при температуре воздуха, близкой к 0°C, то дополнительная погрешность в 4% составит 2,6 км/ч. Таким образом, фактическая скорость испытания может составить 63,6 км/ч. Если же водитель выдерживает минимально допустимую скорость в 55 км/ч, то с учетом положительной погрешности спидометра, фактическая скорость составит 51,3 км/ч, а если при этом температура воздуха близка к 0°C (дополнительная погрешность 2,2 км/ч), то минимальная фактическая скорость при указанных погрешностях может оказаться равной даже 49,1 км/ч.
Еще одним источником погрешности является меняющееся во времени психоэмоциональное состояние даже одного и того же водителя. Скорость 60 км/ч сравнительно велика, и внимание водителя в период выполнения измерений коэффициента сцепления направлено преимущественно на дорогу, а не на спидометр. Даже два измерения, проведенные подряд на одном и том же месте, по этой причине могут различаться по своим фактическим значениям. Простейшим решением этой проблемы было бы использование в качестве тягача автомобиля, оснащенного системой круиз-контроля. Однако по ряду причин, в первую очередь экономической, автомобили с автоматической коробкой передач, которые только и оснащаются электронной системой автоматического поддержания скорости (далее - «САПС»), в обиходе называемой «круиз-контроль», в качестве тягача дорожной лаборатории не используются.
Из-за указанных погрешностей отдельные участки дороги с абсолютно идентичным по свойствам покрытием могут быть забракованы, либо, наоборот, приняты в эксплуатацию, будучи с браком. Экономические последствия таких ошибок очень велики.
Целью и техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является повышение точности и воспроизводимости результатов измерения коэффициента сцепления дорожного покрытия испытательным устройством, автомобиль которого оснащен механической коробкой передач.
Указанный результат достигается тем, что в известное автомобильное устройство для измерения коэффициента сцепления дорожных покрытий, содержащее прицепной прибор с измерительным колесом, сцепленный с ним автомобиль с механической коробкой передач и бортовым компьютером, а также вычислительное устройство, дополнительно включены датчик пройденного пути, подключенный к вычислительному устройству, система автоматического поддержания скорости автомобиля и мультисистемный маршрутный компьютер, один из входов которого подключен к вычислительному устройству, а один из выходов - к дисплею, установленному в передней части кабины автомобиля-тягача.
Кроме того, датчик пройденного пути установлен на одном из колес автомобиля.
Кроме того, дисплей мультисистемного маршрутного компьютера установлен справа от рулевой колонки автомобиля вне проекции рулевого колеса на его переднюю панель.
Кроме того, вход бортового компьютера подключен через вычислительное устройство к датчику пройденного пути.
Предложенное техническое решение основано на полученном авторами новом знании о влиянии скорости, при которой измеряется коэффициент сцепления, на результат. Было впервые установлено, что это влияние намного сильнее, чем предполагали составители вышеуказанных документов, и что существующие и используемые средства измерений сцепных свойств дорожных покрытий по своим конструктивным особенностям не могут обеспечить поддержание скорости с точностью, требуемой для удовлетворительной воспроизводимости и точности измерений. Потребовалось создание устройства, способного обеспечить проведение измерений при скорости, которая изменялась бы не более чем на ±1,6 км/ч от требуемого стандартом значения. При этом были решены две задачи: автоматического поддержания с высокой точностью заданной скорости автомобиля с механической коробкой передач и точного измерения этой скорости с представлением результатов измерения в форме, легко считываемой одновременно оператором и водителем.
Благодаря дополнению известного автомобильного устройства датчиком пройденного пути, подключенным к вычислительному устройству, становится возможным точное, свободное от погрешностей спидометра и человеческого фактора, измерение скорости движения испытательной установки. При этом данные о скорости в ходе испытаний объективно фиксируются в памяти вычислительного устройства.
Благодаря установке на автомобиле-тягаче с механической коробкой передач системы автоматического поддержания скорости (далее - системы круиз-контроля) обеспечивается автоматическое поддержание заданной водителем скорости движения установки, свободное от ошибок водителя. Тем самым достигается высокая воспроизводимость результатов измерений, проводимых строго при одной и той же скорости.
Благодаря дополнению известной установки мультисистемным маршрутным компьютером, один из входов которого подключен к вычислительному устройству, а один из выходов - к дисплею, установленному в передней части кабины тягача, повышаются точность и воспроизводимость результатов измерений за счет предоставления водителю хорошо заметной и легко считываемой информации о скорости движения в каждый данный момент.
Благодаря установке дисплея мультисистемного маршрутного компьютера справа от рулевой колонки автомобиля вне проекции рулевого колеса на его переднюю панель, повышается точность и воспроизводимость результатов измерений, поскольку экран дисплея становится доступным для обозрения оператору установки, принимающему решение о начале измерения.
Благодаря подключению входа бортового компьютера через вычислительное устройство к датчику пройденного пути повышается точность и воспроизводимость измерений, поскольку рывки и колебания трансмиссии в момент блокирования измерительного колеса не создают ложных сигналов, которые поступали бы через датчик числа оборотов вторичного вала коробки передач, как это обычно устроено в системах круиз-контроля, к бортовому компьютеру.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид сбоку на испытательную автомобильную установку.
На фиг. 2 изображена структурная схема, включающая основные элементы заявленной установки с указанием связей между ними.
На фиг. 3 изображена структурная схема устройства с системой круиз-контроля, подключенной по входу через вычислительное устройство к датчику пройденного пути.
На фиг. 4 показаны результаты измерений коэффициента сцепления, полученные на одном и том же испытательном участке установкой-прототипом и предложенной установкой.
Предложенное автомобильное устройство для измерения коэффициента сцепления дорожного покрытия состоит из автомобиля 1, имеющего механическую коробку передач, и прицепного прибора 2, включающего измерительное колесо 3, тормоз 4, средства для увлажнения дорожного покрытия, необходимые датчики измеряемых параметров и средства для передачи информации. В салоне автомобиля 1 установлено вычислительное устройство 5, в качестве которого обычно используют персональный компьютер достаточной вычислительной мощности. Там же находится оператор установки.
Общими для автомобиля известной установки и предложенной являются (фиг. 2) двигатель 6, устройство 7 управления оборотами двигателя (например, дроссельная заслонка карбюратора), механическая коробка передач 8, трансмиссия 9, включающая  карданный вал и задний мост, задние колеса 10, рулевое колесо 11 с рулевой колонкой 12, передняя приборная панель 13 и бортовой компьютер 14.
Дополнительно в установку включен датчик пройденного пути 15, подключенный к вычислительному устройству 5. Датчик может быть индуктивного типа, источником сигнала для которого служат ферромагнитные зубцы, насечки или отверстия в установленном на колесе диске 16, либо активного типа, если диск 16 состоит из чередующихся магнитов разной полярности. Поскольку современные автомобили включают в себя антиблокировочную систему (АБС), элементами которой являются установленные на колесах диски, аналогичные диску 16, то дополнительного диска устанавливать на колесо нет необходимости. Достаточно лишь установить датчик 15 рядом со штатным датчиком АБС автомобиля, причем он может быть того же типа. Удобнее устанавливать датчик 15 у задних неповоротных колес автомобиля.
Датчик 15, работающий на эффекте Холла, подключен к вычислительному устройству 5, где сигнал с него преобразуется в значение скорости автомобиля с учетом диаметра колеса. При измерении коэффициента сцепления именно это значение принимается за скорость, при которой проводится испытание.
Дополнительно включенная в состав предложенного устройства система круиз-контроля содержит датчик числа оборотов 17, установленный у вторичного вала 18 коробки передач 8 и подключенный к входу бортового компьютера 14, выход которого подключен к устройству 7 управления оборотами двигателя 6. Для задания скорости, которую должна поддерживать система круиз-контроля, служит кнопочное устройство, или пульт 19, соединенный с бортовым компьютером 14.
Предложенное устройство содержит также мультисистемный маршрутный компьютер 20, один из входов которого подключен к вычислительному устройству 5, а один из выходов - к дисплею 21, установленному в передней части кабины в поле зрения водителя. Компьютер 20 служит для преобразования выраженной в цифровой форме информации о скорости установки в форму, доступную для визуального восприятия. Для удобства проведения измерений и повышения их точности предпочтительно, чтобы дисплей 21 был установлен на приборной панели 13 автомобиля правее рулевой колонки 12 так, чтобы его было хорошо видно и водителю и находящемуся позади него оператору.
Усовершенствованием предложенного устройства является вариант, когда вход бортового компьютера 14 подключен не к датчику числа оборотов 17, а через вычислительное устройство 5, работающем на эффекте Холла, к датчику пройденного пути 15, работающем на эффекте Холла (фиг. 3). Вычислительное устройство 5 преобразует сигнал с датчика 15 в сигнал, подобный генерируемому датчиком 17.
В этомварианте крутильные колебания карданного вала трансмиссии 9, вызванные рывками в момент блокирования измерительного колеса 3, не создают ложных сигналов, поступающих через датчик 17 к бортовому компьютеру 14. Это повышает точность измерений. Для сохранения возможности возврата к схеме круиз-контроля, основанной на измерении числа оборотов вторичного вала 18, например, при отладочных работах, предложенное устройство может содержать переключатель 22.
Работает предложенное устройство следующим образом.
Водитель устанавливает с помощью пульта 20 заданное значение скорости, руководствуясь показаниями дисплея 21, на который выводится информация о скорости, первичным источником которой является датчик 15. Показания спидометра автомобиля при этом во внимание не принимаются. Система круиз-контроля поддерживает заданное значение скорости с точностью не хуже ±3% (60 км/ч ± 1,8 км/ч), освобождая внимание водителя от управления оборотами двигателя. Водителю остается лишь следить по штатному тахометру или сигнальной лампе, чтобы обороты двигателя не выходили за пределы оптимального диапазона. Если же это произойдет, например, на крутом подъеме, водитель включает более подходящую передачу и заново устанавливает режим круиз-контроля в соответствии с заданной скоростью.
Находящийся позади водителя оператор следит за величиной скорости, показываемой дисплеем 21, и выбирает момент начала измерений. При этом водитель своей спиной дисплей 21 не загораживает. По команде оператора включается устройство для увлажнения дорожного покрытия перед измерительным колесом 3, которое затормаживается тормозом 4 до полной блокировки, а установленный на прицепном приборе динамометр измеряет горизонтальное тяговое усилие, по которому вычислительное устройство 5 рассчитывает коэффициент сцепления дорожного покрытия.
Проведенные заявителем натурные исследования предложенного автомобильного устройства показали, что оно в состоянии выдерживать заданную скорость в 60 км/ч, являющуюся стандартной для измерений с разбросом менее ±2 км/ч. Причем эти исследования подтвердили ранее установленный факт, что требуемая для обеспечения воспроизводимости результатов измерений точность поддержания скорости, должна быть существенно выше, чем та, которую обеспечивают стандартные автомобильные спидометры. Применение системы круиз-контроля снизило влияние человеческого фактора на точность измерений. Водителю достаточно, руководствуясь показаниями дисплея 21, установить требуемую условиями измерения скорость, включить систему круиз-контроля и сосредоточиться на управлении автомобилем. Заданная скорость будет поддерживаться автоматически, причем точнее, чем это бы сделал водитель.
На фиг. 4 представлены графики вероятности Р того, что фактическая скорость движения v автомобиля-тягача совпадет с нормативной (60 км/ч), полученные при измерениях на одном и том же приборе с одним и тем же автомобилем до и после оснащения испытательной установки предложенным устройством. Наличие второго максимума на графике «ДО» объясняется скорее всего человеческим фактором. Из графиков видно, насколько точность выдерживания заданной нормативной скорости повышается от использования предложенного устройства. В свою очередь, это позволяет обеспечить высокую достоверность, точность и прецизионность результатов измерений коэффициента сцепления.