СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СПАРЕННЫХ КОЛЕС ГРУЗОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель стенда для исследования работы спаренных колес грузовых транспортных средств относится к машиностроению и может быть использована для исследования рабочего процесса в контакте с дорогой шин спаренных колес, находящихся под разными вертикальными нагрузками, с разными типами рисунков протектора шин и разными внутренними давлениями воздуха в них, а также на разных типах дорожных покрытий.
Наиболее близкими к предлагаемой полезной модели являются стенды с плоской опорной поверхностью, имитирующие реальную поверхность дороги.
Одним из таких стендов с плоской опорной поверхностью является лабораторный стенд, разработанный в КубГТУ для экспериментальных исследований коэффициента сцепления элемента беговой дорожки автомобильной шины. (Куюков В.В. и др. Экспериментальное исследование сцепления элемента шипы автомобильного колеса в лабораторных условиях. Материалы международной конференции, г. Одесса, 2011 г.).
Стенд содержит однополостной пневмобаллон, на нижней обойме которого закреплен фрагмент беговой дорожки шины. Пневмобаллон создает вертикальную нагрузку па фрагмент шины, а его продольное перемещение по опорной поверхности обеспечивается через тензометрическое звено. Величина касательных напряжений, возникающих в контакте фрагмента, определяет проскальзывание в контакте и коэффициент сцепления.
Недостатком данного стенда является то, что проскальзывание в контакте определяется только в режиме скольжения фрагмента шины, а не в режиме качения реального колеса.
Известен стенд (Патент №2323841) для диагностирования тормозных качеств автомобиля, колеса которого устанавливаются на плоскую бетонную поверхность.
Процесс торможения автомобиля имитируется путем продольного перемещения бетонной поверхности под колесами автомобиля. Стенд позволяет определить силы трения в контактах заторможенных колес и таким образом рассчитать коэффициент сцепления.
Существенным недостатком стенда является значительное трение в опорах бетонной поверхности при ее продольном перемещении, что влияет на точность результатов. Кроме того, нет возможности определить параметры проскальзывания каждого из спаренных колес при его торможении на бетонной поверхности, в виду отсутствия на этом стенде соответствующих датчиков.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является стенд (Патент №119879) с плоской опорной поверхностью, оборудованный конструктивными узлами для установки испытуемого колеса па стенд, обеспечения его перемещения и создания заданных нагрузок.
Недостатком этого стенда является то, что он позволят определить только для одного колеса проскальзывание, вызванное касательными напряжениями в локальных точках контакта. Таким образом, на этом стенде нет возможности исследовать работу спаренных колес, а также определить циркулирующую «паразитную» мощность в контуре спаренных колес грузового автомобиля: «дорога - внутреннее колесо - ступица - внешнее колесо - дорога».
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение ассортимента стендового оборудования предназначенного для исследования рабочего процесса спаренных колес, в варианте их жесткого закрепления на задней ступице грузового автомобиля, а также в варианте их независимого вращения друг от друга на той же ступице.
Технический результат предлагаемой полезной модели позволит оптимизировать подбор шин спаренных колес, устанавливаемых на задние ступицы грузовых автомобилей, минимизировать паразитную циркулирующую мощность, что в практике существенно снизит износ протекторов тин спаренных колес и, соответственно, повысит топливную экономичность автомобилей, а также позволит расширить диапазон исследований
Технический результат достигается предлагаемым мобильным стендом для исследования рабочего процесса спаренных колес грузовых транспортных средств, содержащим металлическую неподвижную раму корытообразной формы с горизонтальной рабочей контактной поверхностью для установки спаренных колес. Внутри рамы размещен сменный фрагмент, имитирующий определенный тип дорожного покрытия, по краям рамы установлены стойки с конечным включателем и конечным выключателем для ограничения движения спаренных колес в пределах рабочей поверхности стенда.
Стенд содержит также узел создания вертикальной нагрузки на колесо, состоящий из Г-образной серьги, установленной на оси колеса и сменного груза, прикрепленного к вертикальной оси серьги, узел горизонтального перемещения колеса, состоящий из шкива, установленного на одном конце рамы и троса прикрепленного к горизонтальной оси серьги и к сменному грузу, узел создания крутящего и тормозного моментов, состоящий из сдвоенного силового шкива, установленного на оси колеса, двойного шкива, закрепленного на другом конце рамы и троса, концы которого закреплены на двух частях силового шкива и перекинуты через двойной шкив и уравновешивающий шкив со сменным грузом и узел замера и регистрации, включающий датчик импульсов исследуемого колеса и электронный секундомер, соединенные через аналого-цифровой преобразователь с компьютером.
Разработанный стенд отличается от прототипа тем, что на оси исследуемого колеса дополнительно установлена ступица с подшипниками для закрепления на ней вместе с датчиком импульсов второго исследуемого колеса. Подшипники ступицы обеспечивают независимое вращение исследуемых колес относительно друг от друга.
При необходимости жесткого соединения двух исследуемых колес между собой, что также требуется при экспериментах, предусмотрена блокировка ступицы на ось с помощью съемного фиксирующего штифта.
Для создания соответствующей вертикальной нагрузки на оба спаренных колеса, сменный груз через компенсирующий шкив с помощью троса прикреплен к вертикальной оси Г-образной серьги.
Кроме того, для расширения диапазона экспериментов, на стенде предусмотрена возможность изменения расстояния между спаренными колесами, путем использования сменных распорных проставок разной длины, находящихся па оси между исследуемыми колесами, частью силового шкива и стенками Г-образной серьги.
В результате применяемых узлов и конструктивных дополнений на стенде обеспечивается проведение широкого диапазона экспериментов и оценка влияния на работу исследуемых спаренных колес разных нагрузочных режимов, разных сцепных свойств покрытия, разных расстояний между колесами, а также и других эксплуатационных факторах.
На фиг. 1, показана общая схема и вид сверху стенда для исследования параметров рабочего процесса спаренных колес грузового транспортного средства на опорной поверхности;
на фиг. 2, вид сверху стенда;
на фиг. 3, показан корпус серьги с осью спаренных колес;
на фиг. 4, показан фрагмент ступицы с подшипниками, сменными распорными проставками, расположенными между колесами, частью силового шкива и стенками Г-образной серьги и съемный фиксирующий штифт.
Стенд содержит:
гр1
гр2
гр3
1 - раму; 2, 3 - испытуемые колеса; 4 - груз с массой m ; 5 - конечный включатель стенда; 6 - компенсирующий шкив; 7 - груз с массой m ; 8 - сдвоенный шкив; 9, 18, 24 - тросы; 10 - электронный секундомер (ЭС); 11 -счетчик импульсов вращения колеса 2; 12 - счетчик импульсов вращения колеса 3; 13 - включатель электропитания стенда (ВК); 14 - блок аналого-цифровых преобразователей (БАЦП); 15 - блок электропитания (БП); 16 -персональный компьютер (ПК); 17 - конечный выключатель стенда; 19 - шкив; 20 - груз с массой m ; 21 - серьга; 22 - горизонтальная рабочая контактная поверхность с фрагментом дорожного покрытия; 23 - двойной силовой шкив; 25 - подшипники ступицы; 26, 27 - датчики импульсов вращения колес 2 и 3; 28 - ступица исследуемого колеса; 29 - набор сменных распорных проставок; 30 - стопорный винт части силового шкива; 31 - ось спаренных колес; 32 - съемный фиксирующий штифт
Стенд включает дополнительные конструктивные решения:
- предусмотрена блокировка ступицы 28 колеса 3 на ось 31 съемным фиксирующим штифтом 32, что при проведении эксперимента жестко соединяет между собой колеса 2 и 3 (фиг. 4);
- применяется компенсирующий шкив 6, который обеспечивает перераспределение вертикальных нагрузок на колеса 2 и 3 при поперечном наклоне оси 31, из-за разности величин радиусов колес 2 и 3, за счет разного износа протекторов шин или разного давления воздуха в них, (фиг. 3);
- применяются сменные распорные проставки 29 разной длины, что необходимо при экспериментах для исследования влияния расстояния между колесами 2 и 5 на работу спаренных колес. Часть силового шкива 23 зафиксирована на оси 31 при помощи стопорного винта 30.
Полезная модель стенда работает следующим образом:
Исследуемые колеса 2 и 3 устанавливаются на рабочую поверхность стенда 22 с разблокированной от оси 31 ступицей 28 для независимого вращения колес 2 и 3, (фиг. 1, 4).
Перед началом экспериментов, на выбранном типе дорожного покрытия, колеса 2 и 3 вместе с серьгой 21 принудительно прокатываются по рабочей поверхности 22 стенда в крайнее левое положение до размыкания конечного включателя 5, после чего оператор подключает включателем 13 блок питания 75 к схеме управления.
Эксперименты проводятся в двух вариантах:
1-й вариант - при независимом качении спаренных колес;
2-й вариант - при жестком соединении спаренных колес
При проведении эксперимента по 1-му варианту, в момент начала качения спаренных колес 2 и 3 по рабочей поверхности стенда 22 срабатывает конечный включатель 5, подключающий датчики импульсов 26 и 27 и электронный секундомер 10 к преобразователям БЛЦП 14 и к компьютеру 16, (фиг. 1). Спаренные колеса 2 и 3, в соответствии с выбранным режимом, вместе с серьгой 21 и осью 31 принудительно перекатываются по опорной поверхности покрытия 22 вдоль рамы 1.
2
3
Так как каждое из спаренных колес 2 я 3 снабжены датчиками импульсов 26 и 27, (фиг. 3, 4), то их сигналы, совместно с сигналом электронного секундомера 10, позволяют компьютеру 16 рассчитать угловые скорости ω и ω каждого из колес 2 и 3.
∂2
∂3
Действительные скорости V и V каждого из исследуемых колес определяются соответственно в ведомом, тормозном или ведущем режимах:
∂2
2
∂2
∂3
3
∂3
V=ω·r; V=ω·r,
∂2
∂3
где r, r - действительные радиусы качения колес 2 и 3.
∂2
∂3
∂2
∂3
Действительные радиусы r и r колес 2 и 3, а, следовательно, действительные скорости V и V отличаются друг от друга за счет влияния на них разных эксплуатационных факторов.
В связи с тем, что в первом варианте эксперимента исследуемые колеса вращаются независимо друг от друга, то при их качении по рабочей поверхности стенда циркулирующей паразитной мощности не возникает.
При исследовании по 2-му варианту параметров проскальзывания двух жесткого спаренных колес 2 и 3 перед началом эксперимента ступица блокируется на ось 31 при помощи съемного фиксирующего штифта 32, фиг. 4.
В этом случае в контуре: «опорная поверхность 22 - колесо 2 - ось колес 31 - колесо 3 - опорная поверхность 22» возникает циркулирующая паразитная мощность ΔN.
Циркулирующая паразитная мощность ΔN всегда характерна для реальной эксплуатации автомобиля с жестко спаренными задними колесами и вызывает дополнительные потери энергии при движении автомобиля.
гр3
∂2
∂3
Циркулирующая мощность в тормозном режиме работы колес равна, фиг. 1: ΔN=m·g·(V-V),
где g - ускорение свободного падения.
Циркулирующая мощность в тяговом режиме работы колес равна, фиг. 1:
гр2
∂2
∂3
ΔN=m·g·(V-V).
Величина ΔN зависит от эксплуатационных факторов, вызывающих буксование или скольжение в контактах спаренных колес и является причиной повышенного сопротивления движению автомобиля, а в реальной эксплуатации это влечет за собой существенное повышение износа шин и дополнительный расход топлива.
Стенд позволяет исследовать также влияния расстояния между колесами на работу спаренных колес, для этого колесо 3 перемещается в по перечном направлении относительно колеса 2, путем подбора длины сменных распорных проставок 29, (фиг. 4).
Таким образом, величина ΔΝ, в зависимости от сцепных свойств покрытий и других факторов, является необходимой информацией для рационального подбора шин спаренных колес, устанавливаемых на задние ступицы грузовых автомобилей, причем необходимо, чтобы циркулирующая мощность ΔN→min, что в практике должно существенно снизит износ протекторов шин и, соответственно, повысить топливную экономичность автомобилей.