УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НОРМАЛЬНОЙ ЖЁСТКОСТИ СПИЦ БЕЗВОЗДУШНОЙ ШИНЫ
DEVICE FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF NORMAL STIFFNESS OF AIRLESS TYRE SPOKES

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к испытанию элементов подрессоривания автомобиля.
Колесный движитель является простым и, в то же время, эффективным механизмом для преобразования своего вращательного движения в поступательное движение транспортного средства. Именно поэтому колесо получило широкое распространение и применяется практически на всех наземных транспортных средствах, в том числе на автомобилях. Изобретение в XIX веке пневматической шины, которая является конструктивным элементом колеса, позволило значительно улучшить эксплуатационные свойства первых автомобилей и обеспечило быстрое развитие автомобильной промышленности.
Стремление повысить безопасность движения привело к появлению ряда новых конструкций шин, которые вообще не боятся проколов, т.к. не содержат воздуха. Подобные шины получили название безвоздушные. Конструкция такой шины лишена боковин и состоит из наружного и внутреннего колец. Наружное кольцо предназначено для установки протектора, а внутреннее - для посадки и жесткого крепления на колесном диске. Кольца соединены между собой упругими полиуретановыми спицами, изменяя геометрические параметры которых существует возможность подбора вертикальной жесткости колеса, влияющей на плавность хода, и поперечной, определяющей управляемость автомобиля.
В настоящее время некоторые зарубежные конструкторы ведут разработки колес, упругими элементами которых являются полиуретановые спицы. Например, фирмы Michelin [www.motormedia.ru], Bridgestone [www.zr.ru] и Amerityre [www.astera.ru].
Как известно, расчет конструкции шин является сложной теоретической задачей.
При проектировании пневматических шин широкое распространение получили многие численные методы: метод конечных разностей, метод конечных элементов и другие, что связано с наличием быстродействующих вычислительных машин. Для исследования устойчивости оболочек используется ряд пакетов прикладных программ, таких как ANSYS, ABAQUS и другие, основанных на методе конечных элементов [Викторов И.В. Устойчивость оболочек вращения, армированных волокнами: дис. … канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2011. - 73 с.].
Вместе с тем разработанные программные комплексы, имеют ряд не решенных проблем: во-первых, подготовка геометрических моделей таких конструкций непосредственно средствами универсальных CAD FEM пакетов достаточно затруднительна, и в настоящее время занимает большую часть времени, затрачиваемого на вычисления [Мазин А.В. Разработка систем автоматизированного проектирования: дис. … канд. техн. наук. - Ярославль, 2004. - 198 с.]; во-вторых, существует некоторое отличие механических характеристик материалов используемых в расчете, от механических характеристик конкретного образца шины, что в свою очередь приводит к несоответствию расчетных и экспериментальных результатов.
В настоящее время механические свойства шинных резин и полиуретанов задаются при проектировании в большинстве случаев всего двумя характеристиками, а именно модулем Юнга и коэффициентом Пуассона.
Одним из методов определения модуля упругости является одноосное сжатие [Швачич М.В. Оценка упругих свойств резин и резинокордных композитов в сложном напряженно-деформированном состоянии: дис. … канд. техн. наук. - М., 2002. - 158 с.] испытуемого образца, при котором проводят ряд замеров деформации стержня Δl при заданной силе F. В дальнейшем полученные эмпирические данные при известных размерах образца позволяют определить модуль Юнга по специальной формуле.
Полученное значение модуля упругости можно использовать в расчетах при проектировании шин. Но, как уже известно, это довольно сложный процесс и не всегда позволяет получить достаточно точные данные.
Z
Проектирование же безвоздушных шин является более трудоемким ввиду большого количества элементов и сложности процесса их взаимодействия, особенно в случае их армирования. Поэтому чтобы ускорить проектирование шины, а также получить достоверные результаты вне зависимости от сложности армирования спиц и используемых материалов, можно использовать способ расчета характеристики нормальной жесткости безвоздушной шины по характеристике продольной жесткости спицы безвоздушной шины. Для этого по методике определения модуля упругости строиться зависимость деформации Δl от силы F образца изготовленного из материала конкретной спицы и по ее размерами. Полученную экспериментальную характеристику продольной жесткости спицы C=dF/dΔl используют при расчете характеристики безвоздушной шины.
Известно, что для определения характеристик нормальной жесткости шин в лабораторных условиях применяют специальные стенды. Наиболее простым по конструкции является стенд радиального сжатия, при помощи которого испытывают колеса, нагруженные внутренним давлением воздуха и нормальной нагрузкой. Более широкий диапазон видов нагружения колес имеет универсальный стенд с автономными гидравлической и тормозной системами. На стенде создают нормальную, продольную и боковую силы. Режим нагружения контролируется с помощью динамометрической ступицы, на которой закреплено колесо. [Савельев Г.В. Автомобильные колеса. - М.: Машиностроение, 1983 - 151 с., ил.]
Известен способ определения жесткости и неупругого сопротивления автомобильной шины и стенд для испытаний автомобильных шин [патент RU №2382346, МПК G01M 17/02]. Стенд представляет собой установленную на опоре шарнирно закрепленную раму, к которой крепится тензометрическая ступица, предназначенная для измерения вертикальной нагрузки на колесо с испытываемой автомобильной шиной. Бесступенчатое нагружение шины вертикальной силой, также как и разгружение осуществляются изменением момента инерции рамы стенда относительно оси ее крепления путем продольного перемещения грузовой тележки нагружающего устройства.
Также известно устройство для измерения сил на колесе транспортного средства [SU №1515077, МПК G01L 1/22], содержащее раму, соединенную с помощью шарнирного узла со стойкой, жестко закрепленной на фундаменте, ось, установленную в опорных узлах, ступицу для установки колеса с испытуемой шиной и измерительным звеном. С целью повышения точности измерения, в устройство введены два кронштейна, связанных между собой регулируемой тягой, причем один кронштейн жестко закреплен на стойке под шарнирным узлом, а другой - на оси, установленной на опорных узлах и ступице посредством сферических подшипников по посадке с гарантированным зазором.
Недостатком конструкций является то, что известные устройства имеют большие размеры и не позволяют осуществлять определение характеристик продольной жесткости отдельных элементов конструкций шин, в том числе спиц.
Технический результат заключается в уменьшении размеров устройства и возможности определения характеристик продольной жесткости спиц.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит верхний и нижний прижимной и упорный уголки с болтами крепления, расположенными с зазором с обеих сторон испытываемой спицы, как в верхней, так и в нижней частях, при этом прижимные уголки имеют овальные отверстия для регулирования их положения относительно упорных, датчик сил установлен на опорных пластинах и положение датчика сил по высоте регулируется их количеством, а датчик линейных перемещений закреплен в одной вертикальной плоскости со спицей и закрепленной на датчике сил отражательной пластиной.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство для определения характеристик продольной жесткости спиц, общий вид, на фиг.2 - устройство для определения характеристик продольной жесткости спиц, разрез по сечению А-А, на фиг.3 - верхние прижимной и упорный уголки, разрез по сечению Б-Б.
Устройство для определения характеристик продольной жесткости спиц безвоздушной шины содержит в своей конструкции раму 7, устройство нагружения испытываемой спицы 11 вертикальной силой, датчик силы 15, датчик линейных перемещений 18 и регистрирующую аппаратуру, верхний 10 и нижний 13 прижимной уголки, а также верхний 9 и нижний 12 упорный уголки с болтами 17 крепления, расположенными с зазором L с обеих сторон испытываемой спицы 11, как в верхней, так и в нижней частях. Прижимные уголки 10 и 13 имеют овальные отверстия для регулирования их положения относительно упорных уголков 9 и 12, что позволяет испытывать спицы различной толщины. Датчик 15 сил установлен на опорных пластинах 16 и положение датчика сил по высоте регулируется их количеством, что позволяет испытывать спицы 11 различной длины. Датчик линейных перемещений 18 закреплен в одной вертикальной плоскости со спицей 11 и закрепленной на датчике сил 15 отражательной пластиной 20. Устройство нагружения испытываемой спицы 11 вертикальной силой состоит из рычага 4, кронштейна крепления рычага 1, направляющей рычага 2 с ограничителями 21, подшипников 3, штока 5, направляющей штока 6, пластины соединительной 8.
Бесступенчатое нагружение спицы 11 вертикальной силой, также как и разгружение, осуществляются воздействием рычага 4 на шток 5 через подшипники 3 направляющей рычага с ограничителями 21, препятствующими соскальзыванию рычага 4 с подшипников 3. Шток 5 перемещается в направляющей штока 6 и закреплен одним концом в направляющей рычага 2, а другим в пластине соединительной 8. Датчик силы 15, например, выполнен в виде пластины с наклеенными тензорезисторами 14, которые изменяют свое сопротивление пропорционально деформации пластины. Датчик линейных перемещений 18 может быть, например лазерным, тогда излучатель излучает лазерный луч 19, который, отражаясь от отражательной пластины 20, возвращается в приемник датчика. Регистрация характеристики продольной жесткости спицы 11 осуществляется с помощью компьютера и аналого-цифрового преобразователя, на один из каналов которого поступает напряжение с датчика силы 15, на другой - с датчика линейных перемещений 18.