ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к автомобилестроению.
Известен испытательный стенд, содержащий опорные ролики, кинематически связанные с маховиками, устройства для измерения веса на диагностируемое колесо, угловых скоростей, крутящих моментов, пропорциональных тормозным силам, компьютер, аналого-цифровой-преобразователь (пат. РФ №2297932, G01L 5/28, опубл. 27.04.2007).
Недостатком известного испытательного стенда является наличие приводного электродвигателя, маховиков с необходимостью их строгой центровки и балансировки. Диагностирование осуществляется последовательной установкой на ролики стенда каждой испытуемой оси.
Известно устройство испытательного стенда, принятое за прототип, с приводом от колес испытуемого автотранспортного средства АТС, содержащее опорные и следящие ролики, кинематически связанные с четырьмя маховиками, установленными по периметру стенда, измерительные устройства для определения скорости вращения и крутящих моментов, пропорциональных тормозным усилиям на колесах испытуемого автомобиля. Секции опорных роликов размещены на платформах с возможностью изменения расстояния в зависимости от продольной базы испытуемого АТС (пат. РФ №2276026, В60Т 17/22 G01L 5/28, опубл. 10.05.2006. Бюл. №13).
Недостатком известного устройства испытательного стенда является то, что в его конструкции необходимо иметь четыре маховика при частоте их вращения 3000-5000 об/мин, что требует высокой точности их балансировки. Длительность цикла испытания ограничена запасом кинетической энергии маховиков, зависящей от его размера.
-1
2
2·
2
Например, при массе АТС 3000 кг, линейной максимальной скорости движения 40 м/с, скорости вращения опорных роликов 300 с эквивалентный момент инерции каждого маховика должен составить 3000.40/(3004)=13,3 кгм,
т.е. ориентировочно в шестнадцать раз больше маховика двигателя испытуемого АТС, а масса его составит более 300 кг.
2
-5
Балансировка маховика с точностью расположения центра вращения 0,0001 м (0,1 мм) даст динамическую неуравновешенность порядка 330·0.0001·300=2970 Н (300 кгс). Чтобы ограничить динамическую силу в пределах до 50 Н, потребуется обеспечить точность расположения центра вращения 0,0001.5/300=0,17.10 м. Этого сложно добиться без прецизионной динамической балансировки маховика массой 300 кг с точностью до 1,5 гр.
2
-1
2
Продолжительность замедления суммарной вращающейся массы маховиков 4·13,3 кгм со скоростью 300 с, эквивалентной массе АТС 3000 кг, при стандартной норме замедления 0.5g (м/с) составит 4·13.3·300/(0.5·g·3000)=1 с.Функциональные возможности стенда при этом ограничиваются только диагностированием тормозных свойств испытуемого автомобиля в режиме динамического торможения.
Технический результат- упрощение конструкции стенда за счет исключения из схемы маховиков, кинематически связанных с опорными роликами колес испытуемого автомобиля, расширение его функциональных возможностей за счет имитации режимов движения: установившийся прогон с нагрузкой, разгон, торможение, дорожные регулярные неровности с регистрацией нормальных, тангенциальных и поперечных сил.
Указанный технический результат достигается тем, что в испытательном стенде, содержащим опорные ролики, расположенные по периметру стенда и снабженные устройством для измерения их угловых скоростей и крутящих моментов, пропорциональных тормозным силам на колесах АТС, следящие ролики, кинематически связанные между собой посредством клиноременных передач и регулирующего вала, установленного в направляющих между парами тензометрических секций, связанных единой платформой с возможностью изменения расстояния между передней и задней платформами, и приведения его в действие ведущими колесами испытуемого АТС, каждая пара его опорных роликов снабжена автономными
устройствами для нагружения колес, приводимых через трансмиссию двигателем, в режимах с имитацией установившегося движения, разгона или торможения, дополнительно оснащен шумовиброизмерительной аппаратурой с размещением датчиков на двигателе и трансмиссии для диагностирования их шумовиброактивности, аппаратурой видеонаблюдения, включающей в себя видеокамеры для наблюдения и регистрации перемещений двигателя, трансмиссии, остова, осей колес с имитацией тех же режимов движения, а на цилиндрической поверхности опорных роликов установлены съемные накладки, взаимодействующие с протектором шины колес испытуемого АТС, имитирующие дорожные неровности, для последующего получения амплитудно- частотной характеристики вертикальных колебаний, и тензометрические секции дополнительно снабженные датчиками измерения поперечных сил.
Таким образом, технический результат- упрощение конструкции стенда- достигается заменой привода от специально предусмотренных маховиков стенда по прототипу на привод от крутящего момента газовых сил двигателя и инерционных моментов вращающихся масс двигателя, трансмиссии, опорных колес и роликов стенда при торможении.
Расширение функциональных и информационных свойств достигается увеличением длительности цикла испытания, предоставляемого более энергоемкими тормозными устройствами опорных роликов, что дает возможность воспроизводить эксплуатационные режимы с приводом от двигателя на установившихся частичных режимах его нагружения и с имитацией разгона, торможения по передачам трансмиссии и оборотам двигателя. Измеряемые и регистрируемые параметры торможения по усилию и скорости с учетом передачи коробки позволяют оценить инерционный момент со стороны привода. Сопоставление тормозного и инерционного моментов дает величину эффективного момента от газовых сил. Располагая приведенными к валу двигателя величинами крутящего момента от газовых сил и скоростью вращения, с компьютерной поддержкой обработки
результатов измерения по заданному алгоритму, можно получить динамическую внешнюю полную или частичную характеристики двигателя.
Дополнительное оснащение измерительных устройств шумовиброизмерительной аппаратурой, позволяет диагностировать техническое состояние двигателя, трансмиссии, кузова, колесных опор и др.
За счет торможения с максимальной интенсивностью на высшей передаче появляется возможность определить запас муфты по фрикционной связи и прогнозировать ее ресурс.
Оснащение испытательного стенда видеокамерами позволит регистрировать взаимные относительные перемещения сопряженных агрегатов двигателя, трансмиссии, остова и др. в режимах динамического изменения скорости при имитации разгона, торможения, повышенного сопротивления перекатыванию колес и выявлять нерегламентированные изменения жесткости опорных кронштейнов и их изношенность.
Снабжение опорных роликов съемными накладками, имитирующими дорожные неровности, позволит при изменении частоты вращения колес с изменением режима двигателя или номера передачи коробки определять динамические вертикальные нагрузки каждой колесной опоры и получать АЧХ вертикальных колебаний остова.
Измерение сил на опорных роликах в поперечной плоскости позволит получать результирующую характеристику по соответствию параметров «развала», схождения и фактического поперечного увода при имитации прямолинейного направления движения.
тор
дин
На фиг.1 дан общий вид испытательного стенда в продольной вертикальной плоскости вместе с установленным на нем заднеприводным испытуемым АТС. На фиг.2 представлен повернутый поперечный разрез опорного ролика и, частично, ведущего колеса (справа) и - ведомого (слева) переднеприводного АТС. На фиг.3 представлены получаемые измерением: M - тормозной суммарный момент на опорных роликах, М - динамический реактивный момент от изменения количества движения
дв
вращающихся масс стенда совместно с испытуемым АТС и получаемый в виде их разности, с учетом к.п.д. трансмиссии, эффективный крутящий момент от газовых сил двигателя М в функции времени торможения с последующим пересчетом и получением внешней скоростной характеристики двигателя на частичном режиме по соотношению крутящего момента и скорости его вала.
Стенд содержит, с каждой стороны, пару передних и пару задних 1 (фиг.1) платформ, на каждой из которых установлены соосно, жестко спаренные по сторонам, но кинематически автономные две секции (внутренняя 2 и внешняя 3) опорных роликов 4. Каждая секция опорных роликов 4 имеет индивидуальный тормозной механизм 5 (фиг.2) с автономным приводом парных секций одной платформы 1 и с возможностью блокирования одновременного привода по осям и сторонам в любом сочетании. Ролики 4 внутренних секций 2 каждой стороны кинематически связаны, например, ременной передачей 6. Натяжение ремней осуществляется роликом 7 регулирующего вала каждой стороны. При испытаниях полноприводных автомобилей, с целью устранения циркулирующей мощности при торможении опорных роликов 4 стенда, указанная кинематическая связь отключается, например, устранением натяжения ремня 6 роликом 7.
Каждый опорный ролик 4 секции опирается на платформу 1 через тензометрическую стойку. Коммутация групп датчиков стойки в пределах секций одной платформы позволяет определять силовую нагрузку, приходящуюся на платформу 1, продольную горизонтальную силу на колесо 8, пропорциональную тормозному моменту на опорных роликах 4 парных секций, и поперечную силу, пропорциональную несоответствию геометрических параметров установки колес по развалу, схождению и пр. на оси испытуемого АТС. На одной из секций каждой платформы устанавливается тахометр 9. Измеряемые величины преобразуются АЦП
(аналого-цифровым преобразователем) и вводятся в компьютер для последующей обработки по программе, предусмотренной алгоритмом.
Измерительные устройства стенда дополнительно включают в себя шумовибро-измерительную аппаратуру, например, SVAN В 12 М, вибродатчики 10 которой размещаются на корпусных деталях двигателя 11, трансмиссии 12, остова 13, а микрофоны 14 ориентируются относительно шумо излучающих источников.
Стенд дополнительно снабжается видео регистрирующей аппаратурой, видео камеры 15 которой ориентируются на сопряженные агрегаты 11, 12, 13. Фактическое их смещение представляет интерес особенно при имитации динамических режимов разгона, торможения, преодоления повышенных дорожных сопротивлений, неровностей. Для этого на цилиндрической поверхности роликов 4 попарно с противоположных сторон устанавливаются съемные накладки 16, имитирующие кинематические возмущения от дорожных неровностей, а повышенные сопротивления вызываются подтормаживанием опорных роликов 4. Тензометрическая секция 3 дополнительно предусматривает регистрацию поперечных сил.
Испытательный стенд работает по следующим вариантам.
р
к
рк
к
рк
к
Для испытания тормозных механизмов 17 АТС нагружается до полной разрешенной массы m и устанавливается колесами 8 на опорные ролики 4 (фиг.1 и 2). Включается первая передача и осуществляется привод колес 8 и роликов 4. Тормозятся все восемь опорных роликов 4 суммарным моментом, величина которого определяется соотношением М=λ·m·g·r, где λ≈0,5 регламентируемый стандартом коэффициент торможения, равный отношению регламентируемой суммарной тормозной силы λ·m·g к полному весу АТС m·g или показывающий регламентируемое замедление j в отношении к ускорению силы тяжести, т.е. λ=j/g. Ориентировочно тормозной момент на каждом ролике должен задаваться М=m·g·r/8 и при λ=0,5 имеем М=m·g·r/16.
дв
I
М
М
дв
I
M
к
рк
ок
шк
шк
ок
max
Так как приводной суммарный момент на колесах АТС M·i·η от двигателя на первой передаче с учетом к.п.д. η трансмиссии больше или сопоставим с суммарным тормозным моментом, т.е. M ·i·η·N>0.5m·g·r, то полное торможение может вызывать полную блокировку колес или сопровождаться некоторым падением их скорости вращения. Измерительным устройством фиксируются тормозные моменты М и угловые скорости ω на опорных роликах 4. Снимается торможение опорных роликов 4 и устанавливается прежний режим привода. Выполняется плавное, полное торможение штатной системой АТС. Измеряются угловые скорости ω колес. Если ω≤ω, то тормозные свойства находятся в пределах регламентируемых норм. Если неравенство не выполняется, то испытание повторяется с дополнительным подтормаживанием соответствующего колеса тормозным моментом ролика 4. Величина дополнительного подтормаживания является количественной оценкой недостаточного торможения штатной тормозной системы. Если несколько колес обладают недостаточным торможением, то описанная операция повторяется по каждому колесу.
Увеличение приводного момента можно обеспечить за счет динамической составляющей при увеличении темпа нарастания тормозного момента. Отключение ременного привода позволит дифференцировать тормозные свойства колес ведущей оси.
Испытание полноприводного АТС упрощается, так как может выполняться без ременной передачи 6, а недостаточное торможение обнаруживается по большей угловой скорости соответствующего ролика 4 и количественно отслеживается дополнительным подтормаживанием.
Для выявления скоростной внешней характеристики двигателя выполняется разгон на высшей или иной передаче и при поддержании установившихся оборотов резко, без выключения передачи, затормаживаются ролики 4. Замеряются и фиксируются нагрузки на ось, тормозные моменты, скорости вращения опорных роликов 4 стенда и колес 8
дв
дин
испытуемого АТС до полного блокирования или буксования шин. Обрабатываются замеренные и содержащиеся в базе данных массогеометрические параметры АТС и стенда: моменты инерции вращающихся масс двигателя, трансмиссии, стенда, шин и др. Путем компьютерных вычислений, основные этапы которых приведены ниже, получаем нагрузочную ветвь частичной или полной скоростной характеристики двигателя М(ω) (фиг.3), инерционный динамический момент М, которые в сумме обеспечивают привод тормозимых колес испытуемого АТС.
дв
т
Физическая и соответствующая динамическая модели испытуемого АТС совместно с опорными роликами стенда представлены на фиг.1 и 2. Алгоритм расчетного определения суммарного крутящего момента от газовых М и инерционных сил, приведенных к валу двигателя, от вращающихся масс двигателя, трансмиссии, колес АТС и роликов стенда, изложен ниже. Суммарный приводной крутящий момент вызывается тормозным моментом M=μ·t на опорных роликах 4 и, соответственно, на колесах 8, с интенсивностью μ задаваемого темпа возрастания по времени t, с учетом передаточного числа i до того же вала двигателя и к.п.д. трансмиссии η.
Дифференциальное уравнение вращения вала двигателя с учетом перечисленных силовых факторов будет:
max
max
х
max
max
дв
m
-1
где M (Н·м) - максимальный крутящий момент двигателя, ω, (с) - максимальная угловая скорость вала, α=α÷1 - коэффициент частичного режима, Δω=ω-ω(M) - разность угловых скоростей максимальной при М=0 и при максимальном моменте на полном режиме при α=1, μ=М/Т (Н·м/с)- темп нарастания тормозного момента; i - передаточное число
Д
M
м
bi
b
д
bi
bi
2
2
трансмиссии; J=1.2·J+, (кгм); J - момент инерции маховика 18 двигателя 11 и кинематически связанная с ним масса муфты сцепления и первичного вала коробки передач; J (кгм) - моменты инерции вращающихся масс валов трансмиссии, колес АТС, роликов стенда; i=ω/ω - передаточные числа от каждого вращающегося вала с моментом инерции J до вала двигателя, η - к.п.д. трансмиссии.
max
хх
х
max
Решением уравнения (1) будет текущая величина угловой скорости вала двигателя в процессе торможения от начальной максимальной ωα с учетом частичного режима α, до минимальной, соответствующей холостому ходу ω=αω двигателя:
и ускорение:
дв
дв
пр
дв
дин
Располагая решением ω(t) (3) и учитывая (2), получаем М(ω) (фиг.3б) с последующим переходом к внешней скоростной характеристике двигателя М(t) (фиг.3а) и далее с учетом  на основе (4) к суммарному моменту привода от газовых и инерционных сил M=M+M со стороны двигателя.
Для динамической оценки тормозных свойств АТС выполняется разгон на высшей передаче трансмиссии и далее выявляется скоростная характеристика двигателя. Выполняется резкое торможение штатной тормозной системой с измерением скорости вращения роликов стенда. Компьютерной обработкой получаем динамический момент от замедления вращающихся масс трансмиссии, двигателя, роликов стенда, и в сумме с моментом от газовых сил двигателя с учетом передаточного числа трансмиссии, получаем суммарный тормозной момент.
Если суммарный тормозной момент оказался недостаточным, то выявляем, на какой из колесных опор он оказался меньшим. Для этого включаем первую передачу, отключаем ременный привод и подтормаживаем с плавным нарастанием нагрузки. Выявляем колесо, обладающее недостаточным тормозным свойством.
Испытание полноприводного АТС упрощается, так как может выполняться без кинематической связи колес передней и задней осей, т.е. без ременного привода. Недостаточное торможение колеса обнаруживается запаздыванием снижения его скорости, а количественно оценивается последовательным регистрируемым подтормаживанием опорных роликов под колесом, обладающим недостаточным торможением.
Для оценки шумовиброактивности агрегатов АТС устанавливаются вибродатчики на корпусные детали двигателя 11, трансмиссии 12, остова 13 и др., микрофоны 14 шумомеров, ориентируются на те же корпусные детали. Имитируются режимы установившегося прогона с воспроизведением заданного уровня дорожного сопротивления, разгона или торможения. Измеряются и регистрируются оценочные показатели шумовиброактивности агрегатов. Видеокамерами 15 фиксируются абсолютные и относительные смещения агрегатов 8, 11, 12, 13, которые синхронизируются по времени с регистрацией скорости и нагрузки имитационного режима.
Для диагностики подвески с определением амплитудно-частотной характеристики АЧХ на цилиндрическую поверхность вдоль образующей опорных роликов 4 с противоположных сторон по диаметру закрепляются съемные накладки 16 высотой 0,02-0,05 м. Осуществляется привод стенда с варьированием частоты вращения колес 8 за счет поочередного переключения передач от первой до высшей и изменения частоты вращения вала двигателя от минимально устойчивых до 2/3 от максимальных. На каждом режиме измеряются силовые реакции в тензоизмерительной секции 3 под испытуемым колесом 8 подвески и его частота вращения. Результаты
r
r
kol
измерений через АЦП передаются на компьютер для графического построения АЧХ подвески с условной массой, приходящейся на исследуемую опору m=R(n)/g. Если в исследуемом диапазоне частот вращения колеса динамическая нагрузка более, чем в полтора раза превосходит статическую, то демпфирующие свойства амортизатора недостаточны и его следует заменить. Если резонансная частота выходит за пределы 1-2,5 Гц при загрузке АТС полной массой, то упругий элемент подвески не соответствует регламентированной норме.
По усмотрению оператора на стенде можно реализовать весь комплекс испытаний по всем вариантам или выборочно по любому из них.
Изготовление стенда можно существенно упростить, если опорные ролики выполнить на базе заднего ведущего моста АТС более высокого по нагрузке класса, чем испытуемый объект.