Устройство для регулирования трения в механизме транспортного средства

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к устройствам вспомогательного назначения для повышения эксплуатационных свойств силовых агрегатов транспортных средств, и может быть использована для обеспечения роста топливной экономичности автомобильного, морского, железнодорожного видов транспорта, работающего на жидком или газообразном видах топлива.
Основной формой диссипации энергии при работе транспортных машин, их агрегатов и составляющих их механизмов служат фрикционные силы. Уменьшение сил трения в контакте материалов, составляющих механизмы машин, позволяет увеличить их коэффициент полезного действия (КПД), а, следовательно, КПД и агрегатов и машин, в которые данные механизмы входят. Рост КПД в результате снижения работы фрикционных сил увеличивает полезную составляющую подводимой энергии, что свидетельствует о более эффективном использовании моторного топлива транспортными машинами, уменьшении его расхода, затрачиваемого на выполнение одинакового количества работы, а соответственно и экологической нагрузки на внешнюю среду в результате уменьшения выбросов отработанных газов.
Известна система активации топлива для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (патент РФ № 2156878, опубл. 25.03.1997 г.), выполненная в виде форсунки для подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя, содержащая положительный и отрицательный электроды, расположенные коаксиально, отличающаяся тем, что положительный электрод подключен к телу иглы с выходом на ее штифт, отрицательный электрод подключен к массе двигателя и с выходом через форсунку на колодец распылителя, причем штифт иглы и колодец установлены коаксиально относительно друг друга с постоянным зазором для прохода топлива и снабжены спиральными мини-ребрами противоположного направления, а поверхность иглы снабжена мини-пазами на уровне оси подачи топлива в карман распылителя и установлена по касательной к указанной оси.
Недостатком известной системы активации топлива является сложность конструкции, вызывающая затруднения в стандартизации и унификации одной конструкции форсунки при использовании для различных двигателей внутреннего сгорания: как с искровым воспламенением топливно-воздушной смеси, так и принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия. Еще одним недостатком известной системы является пожаро- и взрывоопасность эксплуатации транспорта при ее работе.
Известно устройство для обработки топлива (авт.св. №1671934, F 02 M 27|04, опубл.1989 г.), содержащее полый корпус с двумя штуцерами для соединения с подводящим и отводящим топливопроводами, положительный электрод, установленный по оси корпуса и топливоотводящего трубопровода, и отрицательный электрод, размещенный концентрично положительному электроду с образованием между ними канала для прохода топлива, причем с целью упрощения конструкции и повышения эффективности процесса обработки, корпус и отводящий топливопровод выполнены из электроизоляционного материала, положительный электрод частично расположен в топливоотводящем топливопроводе, а отрицательный электрод выполнен в виде оплетки на внешней поверхности отводящего топливопровода, причем последний снабжен вставками для положительного электрода, имеющими каналы для прохода топлива.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, необходимость модернизации топливного оборудования двигателя внутреннего сгорания, обусловливающая трудность осуществления процесса, а также зависимость полученного эффекта от группового и углеводородного составов топлива.
Известно устройство для обработки топлива в двигателе внутреннего сгорания (патент РФ № 2396454, опубл. 2009 г.), содержащее корпус с входным и выходным штуцерами, высоковольтный источник питания, к которому подключены протяженные соосно-расположенные электроды, создающие полость обработки, магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами и охватывающие указанную полость, разделенные магнитопроводами из магнитомягкого материала, помещенные в немагнитный корпус так, что образуют герметично закрытую часть магнитной системы, размещенную в центре корпуса, соединенную с ним электрически и являющуюся отрицательным электродом, а положительный электрод выполнен в форме указанного корпуса тонкостенным из ферромагнитного материала с длиной, равной длине магнитной системы, и расположен между внутренней частью магнитной системы и корпусом, при этом электроды со стороны полости обработки покрыты тонким слоем диэлектрического материала, например тефлоном, и подключены к высоковольтному источнику питания, которым является система зажигания двигателя внутреннего сгорания.
Недостатками указанной полезной модели является сложность конструкции, необходимость вмешательства в структурную схему топливной системы автомобиля, удорожающая его стоимость в рамках серийного производства, усложнение технического обслуживания автомобиля, малая надежность в условиях эксплуатации: динамических, вибрационных нагрузок и перепада температур за счет необходимости обеспечения герметичности магнитной системы, ограниченная область применения, связанная с требованием установки устройства в подкапотном пространстве автомобиля вблизи карбюратора, в соответствии с чем, устройство не может быть отпозиционировано в подкапотном пространстве инжекторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Кроме того, использование тефлона непосредственно со стороны полости обработки из-за его хладотекучести и невысокой температуры размягчения (от 260°С) не может служить надежным источником изоляции, а, следовательно, снижает надежность работы самого устройства.
Известно устройство адаптивного управления смазочным действием (патент РФ № 2493380, опубл. 20.09.2013 г.), включающее источник низкого напряжения, соединенный с низковольтным двухполярным источником энергии, положительный выход которого соединен с анодом, а отрицательный выход - с катодом, причем анод и катод выполнены в виде гибких проводящих элементов, соединяемых с рабочими элементами узла трения, и индикатор работоспособного состояния, кроме того, содержащее высокочастотный генератор, постоянных во времени для каждого из двух режимов работы устройства электромагнитных импульсов: 1,4 ГГц для работы устройства в антифрикционном режиме и 20 МГц для работы устройства во фрикционном режиме.
Недостатками известного устройства являются его малая эффективность в динамически изменяющихся условиях работы ДВС, ввиду осуществления его работы всего в двух частотных диапазонах воздействия на узлы трения двигателя, в которых происходит рассеивание на трение основного количества воспроизводимой при сгорании топлива подводимой энергии. Кроме того, величина напряженности подаваемого электромагнитного поля и способ соединения анода и катода с рабочими элементами узла трения в целях повышения эффективности влияния устройства на смазочную способность материалов узлов трения и упрощения его конструкции в каждом отдельном случае использования устройства определяется экспериментально, что существенно сокращает область его эксплуатационной применимости и усложняет процесс эксплуатации.
Известно устройство электронный регулятор трения (патент на полезную модель РФ № 59198, опубл. 2006 г.), принятое за прототип, содержащее термодатчик и блок управления, устройство подачи постоянного электрического напряжения, блок усиления сигнала, который соединен с выходом термодатчика, а вход устройства подачи постоянного электрического напряжения через блок управления соединен с блоком усиления сигнала, причем блок управления выполнен в виде блока управления электрическим полем.
Известное устройство является недостаточно эффективным в регулировании трения, поскольку не обеспечивает достижения в транспортном средстве получения высоких показателей антифрикционных свойств и продления ресурса работы узлов трения.
Задачей полезной модели является повышение эффективности регулирования трения силовых агрегатов (двигателей) транспортных машин.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для регулирования трения в механизме транспортного средства, содержащем связанный с узлом трения датчик температуры, выход которого через преобразователь сигнала соединен с входом блока управления электрическим полем, выход которого подключен к устройству подачи постоянного напряжения на узел трения, согласно полезной модели, в устройство введен высокочастотный генератор переменной частоты, в механизме транспортного средства дополнительно установлен датчик виброскорости, в качестве устройства подачи постоянного напряжения используется блок напряжения, подключенный входом к источнику электроэнергии транспортного средства, при этом выход датчика виброскорости подключен через преобразователь его сигналов ко второму входу блока управления, к третьему входу которого подсоединен выход высокочастотного генератора, к четвертому его входу подсоединен выход блока напряжения, при этом блок управления выполнен на микроконтроллере, а все устройство размещено в отдельном корпусе.
Введение в устройство дополнительно к датчику температуры, позволяющему контролировать усиление или уменьшение трения, датчика виброскорости, обеспечивающего контроль за комплексной характеристикой изменения износа деталей трения во времени (ее увеличение свидетельствует об интенсификации износа, а ее уменьшение о снижении износа), позволяет повысить эффективность регулирования трения. Наличие в устройстве высокочастотного генератора переменной частоты во времени дает возможность модулировать электромагнитными импульсами необходимые уровни подаваемого на узлы трения сигнала электромагнитного поля (напряженность и частота), обеспечивая динамическое изменение во времени высокочастотным генератором абсолютной величины частоты электромагнитного поля, а блоком управления изменять абсолютную величину напряженности электромагнитного поля в зависимости от условий эксплуатации транспортных машин, обеспечивая в итоге эффективное регулирование трения. Этой же цели способствует выполнение блока управления на микроконтроллере и использование преобразователей аналоговых сигналов с датчиков. При этом нет необходимости осуществлять предварительную оценку условий работы или конструкции машины и ее механизмов, геометрических характеристик (величина износа) материалов сопряженных поверхностей трущихся тел.
Технический результат - более полный и динамичный контроль за характеристиками трения и адаптивное воздействие на них, обеспечивающие повышение эффективности регулирования.
Заявляемое устройство обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как введение в устройство высокочастотного генератора переменной частоты, установка в механизме транспортного средства дополнительно датчика виброскорости, использование в качестве устройства подачи постоянного напряжения блока напряжения, запитываемого от источника электроэнергии транспортного средства, подключение выхода датчика виброскорости через преобразователь его сигналов ко второму входу блока управления, к третьему входу которого подсоединен выход высокочастотного генератора, к четвертому его входу подсоединен выход блока напряжения, использование преобразователей для аналоговых сигналов датчиков, выполнение блока управления на микроконтроллере, размещение устройства в отдельном корпусе, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемое устройство может найти широкое применение в транспортном машиностроении, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства.
Устройство для регулирования трения в механизме транспортного средства содержит связанный с узлом трения датчик 1 температуры, выход которого через преобразователь 2 сигнала соединен с входом блока 3 управления электрическим полем, выход которого подключен к устройству 4 подачи постоянного напряжения на узел 5 трения. В устройство введен высокочастотный генератор 6 переменной частоты, а в механизме транспортного средства дополнительно установлен датчик 7 виброскорости. В качестве устройства 4 подачи постоянного напряжения используется блок напряжения, подключенный входом к источнику 8 электроэнергии транспортного средства. Выход датчика 7 виброскорости подключен через преобразователь 9 его сигналов ко второму входу блока 3 управления, к третьему входу которого подсоединен выход высокочастотного генератора 6, к четвертому его входу подсоединен выход блока 4 напряжения. При этом блок 3 управления выполнен на микроконтроллере, а все устройство размещено в отдельном корпусе 10. Выход устройства подключен к узлу 5 трения. Микроконтроллер 3, в соответствии с его определением (см. сайт robotosha.ru/electronics/microcontroller-vs-microprocessor.html) имеет постоянное запоминающее устройство, оперативную память, таймер, счетчики, последовательный интерфейс, встроенные порты ввода/вывода (на чертеже не показаны).
Устройство работает следующим образом.
Действие устройства основано на влиянии электромагнитных полей на фрикционные характеристики материалов в процессе их трения. Датчик 1 температуры узла трения служит источником информации об усилении (рост коэффициента трения) или снижении (падение коэффициента трения) сил трения. Датчик 7 такого параметра, как виброскорость, служит комплексной характеристикой изменения износа деталей трения во времени: ее увеличение свидетельствует об интенсификации износа, а ее уменьшение о снижении износа. Преобразователь 2 сигналов датчика 1 температуры в контролируемых точках узла трения транспортной машины осуществляет преобразование данных о температуре узла трения в сигнал - величину напряженности подаваемого на узел трения электромагнитного поля, а преобразователь 9 сигналов датчика 7 виброскорости в контролируемых точках узла трения - в сигнал модулируемой частоты электромагнитного поля.
Это позволяет осуществлять динамически активную регулировку режимов трения при изменении условий работы транспортной машины, в результате воздействия переменного во времени сигнала электромагнитного поля на узлы трения ее механизмов. Таким образом, динамический характер воздействия устройства обусловлен тем, что параметры генерируемого устройством электромагнитного поля изменяются непрерывно в процессе работы транспортной машины в зависимости от изменения условий ее работы.
С помощью устройства генерируется электромагнитное поле с переменной во времени величиной частоты и напряженностью - т.е. переменных во времени величин электромагнитных импульсов, воспринимаемых узлами трения машины. Данный процесс представляет собой перебор в блоке 3 управления величины напряженности электромагнитного поля в рабочем для устройства диапазоне с одновременным перебором подаваемых от высокочастотного генератора частот от 10 МГц до 10 ГГц для каждого единичного значения величины напряженности электромагнитного поля до установления его оптимального соотношения напряженность/частота, отвечающего минимальным значениям температуры и виброскорости в контролируемых точках узла трения.
Питание от бортовой электрической сети 8 транспортной машины подается на блок 4 подачи напряжения по истечении 10 минут после включения транспортной машины, что необходимо для прогрева силового агрегата машины и составляющих его механизмов. От блока 4 напряжения запитываются микроконтроллер 3, преобразователи сигналов 2 и 9, датчики 1 и 7 и высокочастотный генератор 6 (запитка на чертеже не показана). При работе узла трения выделяется тепло, которое регистрируется с помощью датчиков 1 температуры. Информация о дискретной величине температуры в контролируемой точке узла трения регистрируется датчиком 1, преобразуется в преобразователе 2 сигналов датчиков температуры в сигнал с интервалом 0,1 секунды, а затем считывается в запоминающий модуль 1' блока 3 управления через каждые 10 секунд в виде обобщенного значения температуры узла трения. От запоминающего модуля микроконтроллера 3 каждые 100 секунд сигнал подается на блок 4 напряжения для преобразования величины входного напряжения от электрической сети транспортной машины в величину напряженности электромагнитного поля устройства, принимаемой номинальной, отвечающей данному режиму работы узла трения.
Информация о дискретной величине виброскорости в контролируемой точке узла трения регистрируется датчиком 7 виброскорости, считывается с преобразователя 8 сигналов датчика 7 виброскорости с интервалом 0,001 секунды в запоминающий модуль 7' микроконтроллера 3 каждые 0,01 секунд в виде обобщенного значения виброскорости узла трения. Из микроконтроллера 3 от запоминающего модуля 7' скорректированный сигнал виброскорости каждые 0,1 секунду подается на высокочастотный генератор 6, преобразующий величину виброскорости в частоту генерируемого устройством электромагнитного поля, принимаемую в качестве номинальной, отвечающей данному режиму работы узла трения. При этом для каждого значения напряженности электромагнитного поля, задаваемого с интервалом в 100 секунд, в микроконтроллере 3 происходит перебор всех частот электромагнитного поля рабочего диапазона устройства от 10 МГЦ до 10 ГГц до установления оптимальных значений, отвечающих минимальной в течение 100 секунд величине температуры и виброскорости контролируемых точек узла трения. В случае, если температура узла трения в последующие после предыдущего преобразования 100 секунд начинает подниматься, что свидетельствует о росте коэффициента трения и износе материалов трущихся тел, величина напряженности электромагнитного поля также растет от ее номинального значения с соответствующим повторением цикла перебора частот от номинального значения для каждого значения этой напряженности до останова роста температуры и параметра виброскорости. При уменьшении температуры узла трения ниже установленного для данного отрезка времени (100 секунд) минимума величина напряженности электромагнитного поля и его частота остаются неизменной. Память запоминающих модулей 1' и 7' для сигналов с преобразователей 2 и 9 рассчитана на 30 циклов (3000 секунд). При выключении транспортной машины информация в запоминающих модулях 1' и 7' стирается. Выход устройства с микроконтроллера 3 с помощью электрических проводов осуществляется к электропроводящим частям узла трения 5.
Полезная модель может быть проиллюстрирована следующим примером.
Пример 1. Для сравнения степени влияния заявляемого к патентной защите устройства на эксплуатационные характеристики машин в отношении известного технического решения Электронный регулятор трения, отраженного в патенте на полезную модель №59198 были проведены испытания на стенде, моделирующем работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Стенд представляет собой малогабаритную одноцилиндровую, четырехтактную установку - карбюраторный двигатель внутреннего сгорания: Honda: WX15 (Honda Motor Co. Ltd.).
Тип топлива - АИ-92.
Тип масла - минеральное, «Oregon» (Solar Petroleum Ltd.), 10W-40, API SF/CC - для 4-тактных двигателей.
Время одной серии испытаний 4 часа.
Загрузка двигателя установки 100 кгс.
Загрузка двигателя установки осуществляется с помощью коллекторного двигателя постоянного тока, нагруженного на балансное сопротивление (реостат). Величина загрузки контролируется путем изменения электрического сопротивления реостата и в течение одной экспериментальной серии поддерживается постоянной, изменение регистрируется по величине электрической мощности.
В эксперименте масса, температура используемого топлива фиксированная. Число оборотов поддерживается постоянным: 1790…1795 об./мин.
Показания снимаются через каждые 5 минут.
Регистрируемые показатели:
часовой расход топлива,
мгновенный расход топлива,
изменение мощности двигателя внутреннего сгорания,
Для сравнения эффективности устройств: прототипа и заявляемого технического решения при динамическом изменении условий работы двигателя в стохастическом порядке (не соблюдалась периодичность интервалов времени загрузки двигателя и ее продолжительность) трижды осуществлялось увеличение загрузки двигателя соответственно в 2,5; 2; 1,5 раза.
Для сравнения эффективности устройств: прототипа и заявляемого технического решения при работе двигателя транспортной машины со смазочным материалом, в который введена присадка, включающая минералы (слоистые силикаты), испытания на стенде проведены в течение 8 часов.
По результатам стендовых испытаний установлено:
1. В условиях постоянной загрузки
1.1. Относительное уменьшение расхода топлива при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 6,88%.
1.2. Относительное увеличение мощности двигателя установки при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 7,18%.
2. В условиях переменной загрузки
2.1. При стохастическом увеличении загрузки двигателя в 2,5 раза в течение 2 минут. Среднее уменьшение расхода топлива при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 2,5 раза. Это свидетельствует, что прототип не способен в столь короткое время осуществить динамическую приспособляемость к изменению условий работы агрегата.
2.2. При стохастическом увеличении загрузки двигателя в 2 раза в течение 1,5 минут. Среднее уменьшение расхода топлива при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 2 раза. Это свидетельствует, что прототип не способен в столь короткое время осуществить динамическую приспособляемость к изменению условий работы агрегата.
2.3. При стохастическом увеличении загрузки двигателя в 1,5 раза в течение 3 минут. Среднее уменьшение расхода топлива при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 1,5 раза. Это свидетельствует, что прототип не способен в столь короткое время осуществить динамическую приспособляемость к изменению условий работы агрегата.
3. В условиях введения в состав смазочного материала присадки, включающей минералы (слоистые силикаты) установлено:
3.1. Относительное уменьшение расхода топлива при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 4,5%.
1.2. Относительное увеличение мощности двигателя установки при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составило 3,18%.
1.3. Снижение содержание оксида углерода (II) в отработанных газах при использовании предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом составляет 8% (параметр определен с помощью газоанализатора ГИАМ 27).
Таким образом, практически было установлено, что в сравнении с прототипом заявляемое устройство является более эффективным, поскольку его использование позволяет получить эксплуатационные характеристики, превосходящие аналогичные показатели прототипа.