УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ КОЛЕС С ДОРОЖНЫМ ПОКРЫТИЕМ
DEVICE TO DETERMINE COEFFICIENT OF FRICTION BETWEEN PNEUMATIC WHEELS AND ROAD SURFACE

Изобретение относится к техническим устройствам для определения параметров трения качения колес, а именно для определения коэффициентов сцепления и трения качения.
Известно устройство для определения коэффициента трения по патенту (RU №2340886. Кл. G01N 19/02. Устройство для определения коэффициента трения. Лобачевский П.Я., Несмиян А.Ю., Хижняк В.И. 2008) - аналог. Оно содержит образец, расположенный на исследуемой поверхности, связанную с грузом нить, а также датчик включения и выключения электросекундомеров, установленных соответственно в начале и конце метрового участка. Образец закреплен в каретке, жестко соединенной с горизонтальным поводком, второй конец которого шарнирно соединен с рамой. Масса поводка значительно меньше массы образца с кареткой, а исследуемая поверхность выполнена в виде цилиндра, жестко соединенного со шкивом равного радиуса, при этом нить намотана на шкив.
Недостатком устройства по патенту RU №2340886 является то, что коэффициент трения определяется для ограниченного угла поворота колеса, коэффициент трения скольжения определяется для пары шкив - образец, что непригодно для пневматических колес.
Известен способ определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромного покрытия (Патент РФ №2390003, кл. G01N 19/02 от 2010 г., авторов Низового А.В. и Луканова Н.И.), в котором определение силы динамического торможения измерительного колеса производится с помощью электродвигателя, работающего в режиме генератора.
Недостатком способа по патенту №2390003 является сложность конструкции и необходимость применять электродвигатель достаточно большой мощности, чтобы преодолевать момент трения сцепления в колесе.
Известно устройство для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием (А.С. СССР №976778, МПК G01N 19/02, авторов Печерского М.А. и др. 1981 г.) - прототип.
k
k
Устройство содержит транспортное средство, измерительное колесо, трансмиссию, связывающую измерительное колесо с неведущими колесами транспортного средства, двуплечий рычаг, установленный на оси измерительного колеса с возможностью поворота, тягу, одним концом шарнирно соединенную с одним плечом рычага, установленного под углом φ к горизонту, а другим - с транспортным средством, нагружатель с амортизатором, взаимодействующий с этим плечом рычага, и измерительную тягу с динамометрическим и раздвижным устройством, соединенную с другим концом рычага и с опорой. Угол наклона рычага φ равен φ=π/2-arctgµ, где µ - коэффициент сопротивления качению.
Недостатками устройства по а.с. СССР №976778 являются:
1. Наличие погрешности из-за установки двуплечего рычага под углом φ к горизонту, т.к. в этом случае создается горизонтальная сила от веса нагружателя, которая вопреки утверждению в описании патента не компенсирует силу трения качения. Она приводит к возникновению горизонтальной силы, приводящей к погрешности. Это объясняется тем, что момент трения качения образован парой сил, направленных встречно-вертикально, т.е. с результирующей силой, равной нулю (с.251 - Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение. 1977. - 528 с.), (§30 - Воронков И.М. Курс теоретической механики. - М.: ГИТТЛ, 1955. -552 с.).
сц
2. В колесе имеет место качение и практически отсутствует сила трения скольжения, для создания скольжения должно быть тормозное устройство, обеспечивающее независимое от транспортного средства торможение измерительного колеса, при котором появляется сила трения скольжения и при котором возможно измерение этой силы, а следовательно, коэффициента сцепления К. Из книги (Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. редактор академик A.M.Прохоров. Научн. изд-во БРЭ, М.: 1998 г., с.766-767) имеем формулу:
сц
К=F/N,
где F - неполная сила трения скольжения; N - нормальная сила реакции измерительного колеса. В прототипе эта сила, видимо, создается при торможении неведущих колес транспортного средства. Это сложно конструктивно и не контролируемо.
3. Погрешность от негоризонтальности дорожного покрытия. Она может быть устранена путем проезда измерительного колеса по участку дороги взад-вперед. Но для этого случая не предусмотрена в конструкции смена знака угла φ при отрицательной скорости движения.
Задачей данного технического решения является устранение указанных выше недостатков прототипа, а именно устранение горизонтальной составляющей силы от давления нагружателя на колесо, обеспечение создания сил торможения скольжения, что обеспечивает условия для определения коэффициента сцепления, в том числе при изменении знака скорости движения транспортного средства. Указанные меры направлены на повышение точности устройства.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении условий повышения точности определения коэффициента сцепления и обеспечении измерения указанных параметров при смене знака скорости движения колеса.
Поставленная задача решается тем, что в состав устройства для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием, содержащего транспортное средство с измерительным колесом, тягу, соединенную с одной стороны через посредство пары шарниров с рамой транспортного средства, с другой стороны, с помощью шарнира - с верхним плечом двуплечего рычага, установленного на валу измерительного колеса с возможностью поворота, нагружатель с амортизатором, соединенным с верхним плечом двуплечего рычага, измерительную тягу с динамометрическим устройством и раздвижным устройством, при этом измерительная тяга с помощью шарнира соединена одним концом с нижним плечом двуплечего рычага, а другим - с опорой, закрепленной на кронштейне тяги, дополнительно введены электродвигатель, тахогенератор, датчик перемещения, компьютер, при этом измерительная тяга выполнена в виде двух звеньев, соединенных между собой через посредство шарнира, причем на том из звеньев, которое с помощью шарнира соединено с нижним плечом двуплечего рычага и содержит динамометрическое устройство, установлен датчик перемещения его чувствительного узла, с одной стороны на измерительное колесо установлены электродвигатель и тахогенератор, с другой стороны - двуплечий рычаг, который установлен вертикально и в средней части имеет крестовину с горизонтальной прорезью, в которую вставлена предоконечная часть вала квадратного сечения измерительного колеса, обеспечивающие вместе с элементами крепления к конечной части вала и крестовине эксцентриковое их соединение, в кабине транспортного средства установлен компьютер, электрически связанный с электродвигателем, тахогенератором и датчиком перемещения.
На фиг.1 изображена плоская кинематическая схема соединения устройства для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием для транспортного колесного средства в виде автомобиля. На фиг.2 изображена конструктивная схема измерительного колеса. На фиг.3 представлена схема сил и моментов сил в измерительном колесе.
Устройство содержит (фиг.1, фиг.2) транспортное средство 1, тягу 2, соединяющую измерительное колесо 3 двойным шарниром с рамой 4 (для обеспечения азимутальной устойчивости движения) транспортного средства 1. Другой конец тяги 2 шарнирно соединен с верхним плечом двуплечего рычага 5, установленного с возможностью поворота на валу 6 измерительного колеса 3. С верхним же плечом двуплечего рычага 5 соединен нагружатель 7, оснащенный амортизатором 8, предназначенным для гашения вертикальных колебаний измерительного колеса 3 при движении его по неровному дорожному покрытию. Измерительная тяга выполнена в виде двух звеньев: первого звена, содержащего два элемента: на первом звене 9 закреплен корпус динамометрического элемента 10 и датчик перемещения 11. Он служит для измерения деформаций чувствительного узла динамометрического устройства 10. Второе звено измерительной тяги состоит из ее элемента 12, включающего в свой состав регулятор длины в виде раздвижного устройства 13. Оно необходимо для ориентирования двуплечего рычага 5 по вертикали места. На противоположной части колеса установлены электродвигатель 14 и тахогенератор 15, причем оба, например, постоянного тока, которые по линиям и цепям связи через электронное устройство сопряжения и усиления соединены с компьютером, например ноутбуком, установленным перед оператором в кабине транспортного средства (не показаны). Левый конец элемента 12 измерительной тяги имеет осевую упругую связь с опорой 16, размещенной на кронштейне тяги 2 и имеющую конструкцию, обеспечивающую восприятие нагрузки как при движении транспортного средства 1 влево, так и вправо. Первое и второе звенья измерительной тяги соединены между собой с помощью шарнира. Имеются аккумуляторные батареи для питания электрических и электронных компонентов устройства. Конструкция двуплечего рычага 5 такова, что он в средней части содержит крестовину 17 с горизонтальной прорезью 18. В прорезь 18 вставлен передний предоконечный квадратного сечения конец вала 19 колеса, крепящегося на его средней цилиндрической части через посредство шарикоподшипников к измерительному колесу 3. На противоположном конце вала крепятся электродвигатель 14 и тахогенератор 15. На передний с резьбой конец вала надеваются гладкая шайба, гайка и контргайка для предотвращения самооткручивания (не показаны). Против прорези на горизонтальной части рычага могут быть нанесены метки с определенным интервалом для определения места крепления вала 19, смещающего крестовину от центра вала вправо эксцентрично или влево эксцентрично согласно расчетам коэффициента сопротивления качения и в зависимости от знака скорости движения транспортного средства 1. Элемент 12 имеет возможность передавать усилия влево-вправо, обеспечивая повороты двуплечего рычага 5 либо по часовой стрелке, либо в обратном направлении в зависимости от величины силы сцепления между колесом 3 и дорожным покрытием 20. Информация, которая должна выводиться на дисплей компьютера, будет пояснена при рассмотрении работы устройства.
Устройство работает следующим образом. При движении транспортного средства 1 измерительное колесо 3 с помощью тяги 2, соединенной с рамой 4, и за счет сил трения между колесом 3 и дорожным покрытием 20 приводится во вращение и движется вместе с транспортным средством 1. Величина силы трения качения обеспечивается нормальной силой, действующей на него со стороны пружины 8, деформируемой нагружателем 7, и за счет коэффициента трения качения. При движении транспортного средства 1 влево возникает момент силы трения качения. Он образован парой вертикальных сил на плече k (фиг.3). Это плечо направлено вперед по ходу движения транспортного средства 1. Для его компенсации ось приложения силы пружины 8, в отличие от прототипа, направлена вертикально вниз через двуплечий рычаг 5 и смещена вправо на расчетную величину k. При определении коэффициента сцепления качению в электродвигатель 14 подается напряжение, задаваемое компьютером. Оно должно быть таких величины и знака, чтобы возникала сила торможения, направленная против движения - это неполная сила трения скольжения, обеспечивающая неполное торможение измерительного колеса. Скорость движения определяется тахогенератором 15. Сила торможения измеряется динамометрическим элементом 10 и преобразуется в электрический сигнал датчиком перемещения 11. От него сигнал передается в компьютер для наблюдения и записи сил, например, во флэш-память, а также для определения коэффициента сцепления. Дифференциальные уравнения его движения представлены ниже. Так, уравнения движения колеса имеют вид (Андронов В.В., Журавлев В.Ф. Сухое трение в задачах механики. - Москва. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». 2010. 184 с., стр.17) (фиг.3):
CK
кач
упр
где m - масса колеса с закрепленными на нем элементами; Т - движущая сила, создаваемая транспортным средством 1; J - момент инерции колеса вокруг оси вращения; F - сила трения скольжения; М - момент сил трения качения; V - скорость движения центра масс колеса; М - момент упругих сил, развиваемый в двуплечем рычаге; M(t) - момент сил от двигателя. При этом
кач
где Q - нормальная реакция, равная весу измерительного колеса вместе с силой от нагружателя; f - коэффициент трения скольжения; М - момент сил трения качения, равный
кач
М=kQ,
где k - коэффициент трения качения, имеющий размерность длины и изображенный на фиг.3 в виде плеча смещения. Нетрудно видеть, что по техническому решению в прототипе при наклоне двуплечего рычага на угол
CK
возникает сила компенсации, направленная влево. При V=const, Т=F=fQ, сила компенсации [указанные выше книги] есть:
кач
т.е. при V=const произойдет компенсация силы трения скольжения, и измерения в прототипе будут неточными. То есть из уравнения (2) видно, что момент трения качения будет влиять на точность измерения динамометрического элемента 10. В предложенном решении эта погрешность исключена. При ω=const и при выполнении равенства - М+kQ=0 в правой части уравнения (2) имеем сумму моментов:
дин
CK
M
Для силы, измеряемой динамометром, из уравнения равновесия двуплечего рычага получили выражение: F=(R+r)(F+CI/r)/2R,
дин
дин
кач
где F - сила, фиксируемая динамометром 10 и преобразованная его упругим элементом, т.е. чувствительным узлом, измеряется датчиком перемещения 11 в виде электрического сигнала, R - длина плеча рычага 5. Он затем отображается в ноутбуке. Сила F через элементы 9 и 12 измерительной тяги развернет вокруг оси вала 6 двуплечий рычаг 5, динамометрический элемент 10 его преобразует в пропорциональную деформацию, а датчик перемещения 11 преобразует в электрический сигнал. Он поступит в компьютер и будет в нем отображен на экране и записан в блок памяти. Из (7) следует, что нужно компенсировать момент трения качения М, что и осуществляется за счет эксцентриситета k на фиг.2, задаваемого путем смещения вала 19 по прорези 18 крестовины 17 и фиксации этого положения. В результате в формуле остаются члены
CK
что свидетельствует о снижении погрешности по сравнению с прототипом. При подаче напряжения от сигналов компьютера на обмотку электродвигателя 14, например постоянного тока, направленного против угловой скорости ω и, следовательно, против направления движения транспортного средства, F в (7) увеличится на величину тормозящей силы от двигателя:
CK
M
дин
F+CI/r=F,
М
где I, С - ток и константа по моменту электродвигателя 14. В этом случае определяют коэффициент сцепления
сц
дин
К=F/Q, Q=N,
M
что подтверждает работоспособность устройства. К тому же за счет члена CI/r повышается точность измерения. При изменении знака V плечо k на фиг.3 сменит знак. Соответственно, на фиг.2 нужно будет переустановить колесо так, чтобы сменился знак смещения k на противоположный. Описание устройства и работы предложенного устройства, уравнения движения и функциональные соотношения свидетельствуют об улучшении свойств устройства и повышении его точности перед прототипом.