Устройство для испытания транспортной техники
VEHICLE TESTING DEVICE

Изобретение относится к области механических испытаний и предназначено для испытаний транспортной техники.
Наиболее близкими к заявленному изобретению по совокупности признаков являются способ [1] и реализующее его устройство. Способ [1] и работа устройства заключаются в следующем. Транспортное средство поднимают на определенную высоту, затем вертикально перемещают вниз, используя для разгона силу земного тяготения, и производят его торможение на требуемом основании, при этом, транспортное средство устанавливают на опорах заданной высоты, на каждой опоре размещают взрывчатое вещество и осуществляют подрыв этого взрывчатого вещества в последовательности и с разновременностью, обеспечивающей реализацию моделируемого режима воздействия. При подрыве взрывчатого вещества опоры разрушаются, и происходит падение транспортного средства на требуемое основание. Процесс движения транспортного средства вниз измеряется и регистрируется соответствующей аппаратурой, в том числе видеокамерой.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа и реализующего его устройства, принятого за прототип, относится то, что при подрыве опор возникают нежелательные динамические нагрузки, которые искажают регистрируемые конечные результаты проводимых измерений.
Сущность изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего воспроизведение в широком диапазоне моделирующих факторов или режимов воздействия на конструкционные элементы транспортного средства. При этом важной задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является обеспечение движения транспортного средства (или отдельных его элементов) вниз только под действием силы земного тяготения (без дополнительных сил воздействия).
Техническим результатом при решении данной задачи является получение точных данных о характере падения транспортного средства и реакции конструкционных элементов транспортного средства при воздействии смоделированных эксплуатационных факторов.
1
1
1
1
1
Такое решение обеспечивается устройством «устройство для испытаний транспортной техники», содержащим основание для размещения на нем опор с транспортным средством, новым в заявленном устройстве является то, что каждая опора состоит из рамы в верхней части которой находится опорная площадка со сквозным отверстием, в которое вертикально установлен замок, составленный из двух одинаковых сегментов и который в составленном положении имеет форму прямой правильной полой усеченной конусной фигуры высотой h и основаниями: верхним А и нижним В; причем, геометрические размеры основания А во много раз больше геометрических размеров основания В, к каждому сегменту жестко закреплены кулачки, через которые сегменты замка опираются на опорную площадку, при этом, профиль опорной поверхности кулачков выполнен в виде сегмента окружности, внутрь замка, сверху, со стороны основания А, на глубину s вставлен упорный наконечник, к которому жестко закреплена регулируемая по длине вертикальная штанга, сам упорный наконечник выполнен в виде правильной твердотельной усеченной конусной фигуры высотой h и основаниями А и В, причем, геометрические размеры основания A больше геометрических размеров основания В, упорный наконечник своими внешними гранями опирается на внутренние грани сегментов замка, вертикальное положение штанги дополнительно фиксируется демпфером, а на наружные грани сегментов замка снизу, со стороны основания В установлен фиксатор.
При исследовании отличительных признаков описываемого устройства для испытаний транспортной техники не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся устройств, предназначенных для испытаний транспортной техники.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- увеличение количества однотипных элементов действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов действий;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". Перечень фигур.
На чертежах представлено
1) Общий вид устройства.
2) Устройство замка.
3) Силы, действующие на элементы конструкции замка.
4) Заключительный момент работы замка.
5) Работа устройства.
6) Устройство электропривода разблокировки замка.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства. На раме, состоящей из жестко соединенных между собой стоек (1), обвязки (2) и полого цилиндра (3), закреплена опорная площадка (4) с квадратным сквозным отверстием (5) в которое вертикально установлен замок (6), состоящий из двух одинаковых сегментов, сверху в замок вставлена регулируемая по длине вертикальная штанга (7), состоящая из втулки (8) с закрепленным к ней бруском (9), винта (10) и регулировочной гайки (11), винт (10) штанги (7) жестко скреплен с упорным наконечником (12), (более подробно поз.(12) показана на фиг.2). Длина штанги (7) регулируется гайкой (11), которая еще является опорой для втулки (8). Брусок (9) обеспечивает передачу нагрузки от транспортного средства на штангу (7). В вертикальном положение штанга (7) дополнительно удерживается демпфером, который исключает соударение наконечника (12) с жестким основанием. Демпфер состоит из кольца (13), направляющих пальцев (14), винтовых цилиндрических пружин сжатия (15) и закрепленных к цилиндру (3) и втулок (16) с фиксирующими болтами (17). В нижней части устройства смонтированы элементы блокирующие и разблокирующие составленное положение сегментов замка (6): фиксатор (18), выполненный в виде диска со сквозным центральным отверстием; нажимная вилка (19), скрепленная с рычагом (20); скоба (21), закрепленная на обвязке (2); ось (22), соединяющая рычаг (20) со скобой (21) и обеспечивающая поворот рычага (20) на определенный угол.
1
1
1
На фиг. 2 показано устройство замка. Замок (6) предназначен для удержания от движения вниз штанги (7), на которую действует сила тяжести Р, создаваемая элементом (элементами) конструкции транспортного средства, предварительно поднятого на определенную высоту и опущенного на брусок (9) штанги (7) (см. фиг. 1). Замок (6) составлен из двух одинаковых сегментов (23) и в этом положении имеет форму правильной полой конусной фигуры. В частности, на фиг.2 показаны составленные сегменты (23), образующие правильную усеченную полую пирамиду высотой h и квадратными основаниями А и В, имеющие стороны размерами а и b соответственно, причем а>>b. Сегменты (23) выполнены из уголкового профиля путем обрезки полок под определенным углом. Сегменты (23) замка (6) опираются на наружную поверхность опорной площадки (4) через жестко закрепленные к ним кулачки (24). Профиль опорной поверхности кулачков выполнен в виде сегмента окружности, упорный наконечник (12) штанги (7) выполнен в виде твердотельной усеченной пирамиды высотой h с квадратными основаниями А1 и В1, соответственно имеющие стороны a и b. В общем случае, сегменты (23) могут иметь и иные формы, которые в составленном положении образуют такие прямые правильные конусные фигуры, как усеченный круговой конус и усеченная пирамида в основаниях которых лежат соответственно окружности и правильные многоугольники. При этом, геометрическая форма упорного наконечника (12) должна соответствовать той фигуре, которую образуют сегменты (23).
Принцип действия замка поясняется фиг. 3, где показаны силы и реакции, действующие на детали замка, создаваемые действием силы тяжести Р, которая передается от элемента (элементами) конструкции транспортного средств к штанге (7). Когда к штанге (7) приложена сила тяжести Р (при этом фиксатор (18) насажен на сегменты (23)), упорный наконечник (12) осажен на глубину s от верха опорной площадки (4) и своими внешними гранями опирается на внутренние грани сегментов (23) (наконечник (12) в таком положении выполняет функции клина, а внутренняя полость замка (6) клинового отверстия), сила Р через опорный наконечник (12) создает силы давления Fд на внутренние грани сегментов (23) с реакциями их плоскостей N. Для одной внутренней грани сегмента (23) Fд составит [2]:
где Р - усилие, создаваемое весом конструкции; α - угол между линией действия силы Р и гранями упорного наконечника (12); ϕ - угол трения на опорной поверхности наконечника (12). Между внутренними гранями сегмента (23) и наружными гранями упорного наконечника (12) возникает сила трения Fтр покоя, направленная в противоположную сторону силе Р [3]:
где f - коэффициент трения; Fд - прижимающая сила (сила давления). Так как угол трения ϕ зависит от коэффициента трения f [3]:
то член tg(α+ϕ) в формуле (1) меньше единицы, сила Fд при этом значительно превышает силу Р. Силы Fд, Fтр, Р и реакции N в описанном положении замка уравновешены, а наклонные внутренние грани сегментов (23) «удерживают» упорный наконечник (12) и нагруженную штангу (7) от движения вниз. Для дальнейшего пояснения принципа действия замка, применяя допущения, принятые в дисциплинах «Сопротивление материалов» [4] и «Теоретическая механика» [5], на фиг. 3 отдельный сегмент (23) представлен некоторой системой, состоящей из недеформируемого бруса, закрепленного на опорах А и В, и на который перпендикулярно действует сила Fд, приложенная в точке, находящейся на расстоянии L1 от опоры А и на расстоянии L2 от опоры В. Опора А шарнирно подвижная, замещает кулачки (24) и внутренние стенки отверстия (5), а опора В шарнирно неподвижная и замещает стенки отверстия фиксатора (18). Опорные реакции Ra и Rb совместно с противоположно направленной силой Fд удерживают брус (сегмент (23)) в равновесии. Теперь, если «изъять» опору В, то реакция Rb пропадет, а вся система становится мгновенно изменяемой, так как в этом случае оставшаяся опора А не препятствует повороту бруса под действием момента, создаваемого силой Fд относительно опоры А [4]. Направление поворота бруса на фиг. 3 указано стрелкой. «Изъятие» опоры В соответствует снятию фиксатора (18) с сегментов (23). Причем, величина силы Fc, прикладываемая для снятия фиксатора (18), соразмерна с величиной опорной реакции Rb, которая, в свою очередь, меньше Fд на значение L2/L1 [5]. Сила трения Fтр здесь не учитывалась по причине того, что она действует вдоль бруса (вдоль сегмента (23)) и при выводе его из равновесного состояния, практически сразу же пропадает и в его повороте не участвует. Под действием силы Fc, стенки отверстия фиксатора (18) движутся по наклонной поверхности вниз, а возникающая в этом месте сила трения будет иметь небольшое значение, практически не влияющее на величину Fc. В целом, особенностью конструкции замка (6) является то, что при относительно большой удерживаемой им нагрузке в виде приложенной силы тяжести Р, необходимое усилие Fc для снятия этой нагрузки с замка будет меньше силы Р и Fд: Fc<Р<Fд. На величину силы Fд, при постоянном значении силы Р, влияет угол α - угол между линией действия силы Р и гранями упорного наконечника (12), исходя из формулы (1), чем меньше угол α, тем больше Fд (и наоборот). Угол α определяет конусность фигуры, составленной из сегментов (23) (см. доп. фиг. 2) и зависит от сочетания геометрических размеров а, b и h [6].
На фиг. 4 представлен заключительный момент работы замка. При снятии с сегментов (23) фиксатора (18), например, нажимной вилкой (19) (см. фиг. 1), под действием сил Fд сегменты (23) раздвигаются (поворачиваются на определенный угол), а наклонные внутренние грани сегментов (23) под действием силы Р перестают удерживать упорный наконечник (12) и нагруженную штангу (7) от движения вниз (на фиг. 4 показан винт (10), как часть штанги (7)). Профиль опорной поверхности кулачков (24) позволяет сегментам (23) поворачиваться практически без влияния сил сопротивления. Продольные силы деформации [4], возникающие в нагруженной штанге (7) до момента разблокировки замка (6), после разблокировки совместно с силой тяжести Р придают штанге ускорение, которое больше ускорения свободного падения.
Работа устройства.
min
mах
На фиг. 5 пояснен принцип работы устройства. Транспортное средство (25) (или его часть) поднимают над основанием (26) на заданную высоту Н и подставляют под соответствующие детали транспортного средства устройство (опору), приведенное в рабочее положение (замок (6) заблокирован). H и Н определяются диапазоном регулировки длины штанги (7). Далее с сегментов (23) снимают фиксатор (18) нажимной вилкой (19) с помощью рычага (20), после этого замок (6) срабатывает (см. доп.фиг. 1 и фиг. 4), а транспортное средство (или его часть) под действием силы тяжести Р падает вниз с высоты Н на основание (26). Причем, как было описано выше, штанга (7) падает с более большим ускорением, чем ускорение свободного падения и тем самым не влияет на процесс падения испытуемого объекта. Процесс падения и результат падения фиксируют соответствующей аппаратурой. Рычаг (20) облегчает снятие фиксатора (18) с сегментов (23), а усилие Fcp, прикладываемое к рычагу (20) много меньше силы тяжести Р: Fcp<<Р.
Для реализации моделируемых режимов воздействия на транспортное средство в определенной последовательности и с заданной разновременностью, используются несколько опор, снабженных электроприводом разблокировки замка (6). Устройство электропривода приведено на фиг. 6. К раме опоры жестко закреплен подрамник (27), на котором смонтирован держатель (28) электромагнита (29), втягивающийся якорь электромагнита (29) (на фиг. 6 якорь не показан) соединен с рычагом (20) посредством тяги (30). При подаче на электромагнит (29) рабочего напряжения, якорь посредством тяги (30) тянет рычаг (20) вверх, далее происходит процесс срабатывания замка (6) (см. описание выше), а штанга (7) и испытуемый объект падают вниз. При использовании нескольких опор рабочее напряжение может подаваться как синхронно на все электромагниты, так и с заданной разновременностью на каждый электромагнит. Описание электропривода приведено для пояснения возможности использования нескольких опор. Сам электропривод на изобретательский уровень не претендует.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
• средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, расширяет существующий арсенал механических устройств, предназначенных для испытания транспортных средств;
• для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью приведенного в заявке описания конструкции и принципа действия;
• средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно: получение точных данных о характере падения транспортного средства и реакции конструкционных элементов транспортного средства при воздействии смоделированных эксплуатационных факторов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Торопов Алексей Юрьевич, Бригадин Иван Владимирович, Карасев Анатолий Степанович, Мыркин Виктор Георгиевич, Городов Сергей Владимирович. Способ испытания транспортных средств. Патент РФ на изобретение №2376566.
2. Зубарев Ю.М. Расчет и проектирование приспособлений в машиностроении: Учебник. - СПб.: Издательство «Лань», 2015. - 320 с: ил.
3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Наука. Гл. ред. Физ. -мат.лит., 1988. - 640 с.
4. Дарков А.В., Шпиро Г.С.Сопротивление материалов. - М: «Высшая школа»., 1965 г., 762 с. с илл.
5. Митюшов Е.А., Берестова С.А. Теоретическая механика: Статика. Кинематика. Динамика. - М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. - 176 с.
6. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. - М., Физматгиз, 1962 г., 420 стр. с илл.