Совершенствование системы измерения скорости вращения колес автомобиля на диагностических стендах с беговыми барабанами

Заключение. Получена расчетная зависимость для определения коэффициента использования вместимости подвижного состава транспорта общего пользования от программы перевозок и скорости сообщения на маршруте. Предложены показатели: коэффициент неравномерности пикового часа програм-

мы перевозок и коэффициент неравномерности скорости сообщения, - которые позволяют нормировать коэффициент использования вместимости подвижного состава в зависимости от принятой программы перевозок и условий работы на маршруте.

Статья поступила 18.11.2014 г.

Библиографический список

1. Ефремов И.С., Кобозев В.М., Юдин В.А. Теория городских пассажирских перевозок: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1980. 535 с.

2. Спирин И.В. Перевозки пассажиров городским транспортом: справочное пособие. М.: Академкнига, 2004. 413 с.

3. Методика формирования тарифов на перевозки пассажиров и багажа автомобильным транспортом на территории Красноярского края. Утв. постановлением правительства Красноярского края от 28 сентября 2012 г. №492-П [Электронный ресурс]. URL: www. sudact. ru

УДК 629.113:62-592

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ НА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СТЕНДАХ С БЕГОВЫМИ БАРАБАНАМИ

© А.И. Федотов1, А.А. Хамуев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проанализированы метрологические параметры системы измерения скорости вращения колес диагностируемого автомобиля на стендах с беговыми барабанами при помощи следящих роликов. Показана зависимость относительной погрешности измерения при увеличении скорости вращения колес. Определены возможности снижения относительной погрешности измерения скорости вращения колес на стендах с беговыми барабанами. Ил. 3. Библиогр. 11 назв.

Ключевые слова: ролики следящей системы; колесо автомобиля; процесс торможения; стенд с беговыми барабанами; погрешность измерения угловой скорости.

IMPROVING THE MEASURING SYSTEM OF VEHICLE WHEEL ROTATION SPEED ON DIAGNOSTIC CHASSIS DYNO ROLLERS A.I. Fedotov, A.A. Khamuev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper analyzes metrological parameters of the measuring system of wheel rotation speed of the vehicle being diagnosed on the chassis dynamometer test bed using tracking rollers. It shows the dependence of relative measurement accuracy on the increase in the wheel rotation speed. Resources to reduce the relative measurement accuracy of the wheel rotation speed on chassis dyno rollers are identified. 3 figures. 11 sources.

Key words: tracking system rollers; vehicle wheel; braking; chassis dyno roller; measurement error of rotation velocity.

Контроль технического состояния автотранспортных средств (АТС) в условиях эксплуатации выполняется, как правило, на диагностических стендах с беговыми барабанами [1, 2]. Стенды позволяют устранять негативное влияние на качество обследования АТС внешних факторов, таких как погода, осадки, ветер и т.п. Кроме того, они обладают уникальным свойством - исследовать системы и агрегаты неподвижного АТС, что принято называть «принципом обратимости движения» [2].

При всех очевидных достоинствах диагностические стенды имеют ряд недостатков. Так, например, площадочные стенды в силу низких метрологических и

диагностических характеристик, связанных с наличием в их конструкции системных факторов, запрещены к применению при проведении технического осмотра АТС в целом ряде стран мира [3, 4]. Получившие массовое распространение диагностические стенды с беговыми барабанами тоже не безупречны. Они имеют хоть и не системные, но, тем не менее, чувствительные для точности контроля технического состояния АТС недостатки [5]. Одним из них является низкая частота вращения колес при контроле тормозных систем, соответствующая начальной скорости АТС 2+4 км/ч. С одной стороны, для повышения этой скорости на силовых тормозных стендах с беговыми барабана-

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405689, e-mail: fai@istu.edu

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405689, email: fai@istu.edu

2Хамуев Анатолий Андреевич, студент, тел.: 89503991827, e-mail: tolik.khamuev.93@mail.ru Khamuev Anatoliy, Student, tel.: 89503991827, e-mail: tolik.khamuev.93@mail.ru

ми необходимо значительно увеличивать мощность электродвигателей [2]. Но, с другой стороны, для решения задачи повышения скорости можно успешно применять инерционный метод контроля тормозных систем, разработанный учеными ИрГТУ [2, 6-10].

Повышение начальной скорости АТС на стендах ставит новую задачу - увеличение точности контроля частоты шк вращения колес АТС. От ее решения зависит достоверность определения режима, в котором находится колесо диагностируемого АТС. В свою очередь, режим (тяговый, тормозной, ведомый, свободный и пр.) определяется величиной проскальзывания Б пятна контакта шины относительно опорной поверхности опорных роликов стенда по формуле [2]:

5 = 1

а  r

р р

те в пятнах контакта шины с опорными роликами возникают реакции и Колесо вращается с начальной угловой скоростью шк.

Следящий ролик 3 прижат к колесам диагностируемого АТС усилием развиваемым пружинно-рычажным механизмом, состоящим из нажимного рычага 6, опоры 4 и пружины 5. Ролик следящей системы 3 кинематически жестко не связан с колесом 1 и приводится во вращение только силой трения:

Fv= FN '

р.

При увеличении или снижении угловой скорости вращения колеса 1 сила трения Рр обеспечивает разгон или замедление ролика следящей системы 3, но только в том случае, если инерционный момент М¡ ролика не превысит момента его сцепления Мр с беговой дорожкой шины:

где шк - угловая скорость колеса; гко - радиус качения колеса в ведомом режиме; шр - угловая скорость опорного ролика стенда; гр - радиус опорного ролика стенда.

И если с обеспечением требуемой точности измерения угловой скорости шр опорных роликов стенда обычно проблем не возникает, то с точностью измерения угловой скорости колеса обстоит иначе. Причем, чем выше угловая скорость колеса шк, тем больше погрешность ее измерения.

В настоящее время контроль частоты вращения колес АТС на диагностических стендах с беговыми барабанами осуществляют следящие системы. Датчиками этих систем являются следящие за вращением колес ролики 2 (рис. 1). Ролики следящей системы 2 кинематически не связаны с опорными роликами 1 стенда.

Для анализа системы измерения угловой скорости колес автомобиля на стенде с беговыми барабанами рассмотрим схему, представленную на рис. 2. Мы видим схему сил и моментов, действующих на колесо АТС, диагностируемого на стенде с беговыми барабанами. Колесо 1 установлено на опорные ролики 2 диагностического стенда и нагружено частью веса автомобиля 6к, приходящегося на это колесо. В результа-

М-, < Мр

Величина действующего на ролик следящей системы инерционного момента М, определяется по формуле

М = Г

dt

где

da dt

- первая производная угловой скорости

вращения ролика следящей системы; - момент инерции ролика следящей системы.

Момент сцепления следящего ролика с беговой дорожкой шины найдем из выражения

Мр = Fp  r„ или Мр = Fn  р  г„

где Рр - сила сцепления следящего ролика с беговой дорожкой шины; - нормальная сила, прижимающая следящий ролик к беговой дорожке шины; гг -радиус следящего ролика стенда; р - коэффициент сцепления следящего ролика с беговой дорожкой шины.

Рис. 1. Платформа диагностического стенда с беговыми барабанами: 1 - опорные ролики;

2 - ролик следящей системы

Рис. 2. Схема сил и моментов, действующих на колесо диагностируемого АТС на стенде с беговыми барабанами: 1 - колесо диагностируемого АТС; 2 - опорные ролики стенда; 3 - ролик следящей системы; 4 - опора нажимного

рычага; 5 - пружина; 6 - нажимной рычаг

Как показывает опыт эксплуатации стендового оборудования, при малых скоростях диагностирования АТС (2+4 км/ч) на стендах с беговыми барабанами условие (3) выполняется вполне удовлетворительно. Но вот с увеличением скорости диагностирования на стендах как в тормозном, так и в тяговом режимах возникают погрешности измерения угловой скорости, вызванные проскальзыванием ролика следящей системы относительно беговой дорожки шины. На рис. 3 показаны осциллограммы изменения угловой скорости

колеса и сигнала от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом на стенде с беговыми барабанами при начальной относительно небольшой скорости 15,5 км/ч.

Анализ представленных на рис. 3 осциллограмм убедительно показывает, что сигнал системы измерения угловой скорости колеса сильно отстает от реальной скорости вращения колеса как при его затормаживании (рис. 3, а), так и при его растормажи-вании (рис. 3, б). Наибольшее значение приведенной погрешности измерения угловой скорости Дш достигает 80% и выше. Это связано в первую очередь с тем, что не обеспечивается условие (3) и ролик следящей системы проскальзывает относительно беговой дорожки шины. Т.е. ролик не успевает за динамично изменяющим свою угловую скорость колесом. Увеличение начальной скорости, а следовательно, и угловой скорости колеса шк приводит к еще большим погрешностям Дш измерения угловой скорости колеса.

Для устранения проскальзывания ролика следящей системы относительно беговой дорожки шины необходимо проанализировать условие (3). Здесь возможны два варианта: либо снижать величину момента инерции Jr ролика следящей системы, либо повышать момент сцепления М< следящего ролика с беговой дорожкой шины.

Снижение величины момента инерции Jr ролика

следящей системы малоэффективно. Во-первых, это убавляет его прочность и жесткость. Во-вторых, уменьшение диаметра ролика приводит к увеличению его угловой скорости при одновременном сокращении площади пятна контакта.

Повышение момента сцепления Мф ролика следящей системы с беговой дорожкой шины возможно на основе анализа выражения (5). Анализ показывает, что повышение момента сцепления Мф ролика возможно за счет:

- увеличения коэффициента < сцепления следящего ролика с беговой дорожкой шины;

- увеличения радиуса г следящего ролика;

- увеличения нормальной силы FN, прижимающей следящий ролик к беговой дорожке.

Увеличение коэффициента < сцепления следящего ролика с беговой дорожкой шины выполняется посредством нанесения на его наружную поверхность абразивного слоя. Такое покрытие (рецепт покрытия - ноу-хау СибАДИ) позволяет довести максимально возможную величину коэффициента сцепления < следящего ролика с шиной до значения 1,1.

Увеличение радиуса гг следящего ролика технически нецелесообразно, поскольку ведет к увеличению момента инерции Jr ролика.

Рассмотрим возможность обеспечения условия (3) на основе увеличения нормальной силы FN, прижимающей следящий ролик к беговой дорожке шины. Для этого рассмотрим баланс моментов сил, обеспечивающих равновесие рычага 6 (рис. 2):

^ • в

Fn  а = Fp  в, или

F =

а

где Fp - сила упругой деформации пружины 5 (рис. 2); а и в - плечи приложения сил FN и Fp.

Выражение (6) показывает, что увеличение нормальной силы FN технически вполне возможно как за

а)

б)

Рис. 3. Осциллограммы изменения угловой скорости шк колеса и сигнала Шд от системы измерения этой угловой скорости со следящим роликом на диагностическом стенде с беговыми барабанами при начальной скорости 15,5 км/ч: а - в режиме затормаживания колеса; б - в режиме растормаживания

счет изменения соотношения плеч а и в, так и за счет повышения усилия упругой деформации пружины 5. Но при этом следует учитывать, что увеличение нормальной силы приведет к разгружению колеса диагностируемого АТС. Чтобы убедиться в сказанном, рассмотрим уравнение сил, действующих вдоль вертикальной оси:

вк - • оо$/=  оо$р1 + оо$р2 .

При решении задачи снижения погрешности измерения угловой скорости колеса не следует забывать и о том, что на стенде измеряют силу Рк, действующую от шины колеса на опорные ролики 2. А величина этой силы зависит от реакций Яг1 и

Рк1 =  Рх и Рк2 =  Рх,

где Рк1 и Рк2 - составляющие измеряемой на стенде тормозной силы рх - коэффициент сцепления шины с поверхностью опорных роликов стенда.

Анализ слагаемых в выражении (7) с учетом выражений (6) и (8) показывает, что идеальным для измерения тормозной силы на стенде является следующее условие:

• оов/^ 0.

Выполнение этого условия позволяет обеспечить максимально возможную загрузку колеса и, как следствие, - максимально возможный «сцепной» вес вк. Увеличение же нормальной силы прижатия следящего ролика к колесу приводит к разгружению колеса, снижению реакций и действующих в пятнах контакта шины с опорными роликами стенда, и, опять же как следствие, - к уменьшению тормозной силы Рк на стенде.

Количественно это выражается так: для полного устранения проскальзывания ролика следящей системы при начальной скорости 40 км/ч необходимо, чтобы сила прижатия следящего ролика составляла не менее 37% от веса вк, приходящегося на это колесо. Другими словами, повышая точность из-

мерения угловой скорости колеса, мы снижаем точность измерения тормозной силы. Вполне очевидно, что такой подход к решению задачи недопустим, поскольку негативно скажется на качестве контроля АТС.

Итак, на основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Существующие системы измерения угловой скорости колес АТС на стендах с беговыми барабанами, имеющие прижимные следящие ролики, удовлетворительно выполняют свои функции только при малых (до 6 км/ч) скоростях.

2. Увеличение начальной скорости выше 6 км/ч приводит к большим погрешностям измерения угловой скорости, величина которых может достигать 80% и выше. Погрешности эти вызваны проскальзыванием следящего ролика относительно беговой дорожки шины.

3. Попытки снижения проскальзывания следящего ролика относительно беговой дорожки шины и тем самым уменьшение погрешности измерения угловой скорости колес малоэффективны и могут приводить к недостаточной точности измерения тормозной силы вследствие снижения, приходящегося на колесо «сцепного» веса вк.

Кроме того, как частный случай возможно соединение следящего ролика с боковой поверхностью шины. Это позволит избавиться от влияния силы прижатия следящего ролика на величину «сцепного» веса вк, но тогда возникнут проблемы точности его позиционирования на всевозможных формах бокового профиля шин.

4. Наиболее перспективным направлением решения задачи повышения точности измерения угловой скорости колес АТС на стендах с беговыми барабанами следует считать применение бесконтактных (в том числе лазерных) методов измерений.

Статья поступила 17.11.2014 г.

1. Федотов А.И. Государственный технический осмотр. Проблемы и решения // Автотранспортное предприятие. 2007. № 9. С. 26.

2. Федотов А.И. Диагностика автомобиля: учебник. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. 467 с.

3. Федотов А.И., Мороз С.М. О применимости площадочных стендов для проверки тормозных систем АТС при техническом осмотре // Автомобильная промышленность. 2014. № 12.

4. Федотов А.И., Власов В.Г. Анализ конструктивных и метрологических параметров площадочных стендов для контроля тормозных систем автомобиля // Журнал автомобильных инженеров. 2013. № 2 (79). С. 36-43.

5. Федотов А.И., Бойко А.В., Потапов А.С. О повторяемости измерений параметров процесса торможения автомобиля на стенде с беговыми барабанами // Вестник ИрГТУ. 2008. № 1. С. 63-71.

6. Федотов, А.И., Портнягин Е.М., Доморозов А.Н. Стенд и метод контроля процесса торможения автомобиля с АБС // Автомобильная промышленность. 2009. № 11. С. 28-31.

ский список

7. Патент на изобретение RUS 2241618, Испытательный стенд / Федотов А.И., Шульгин А.Н., Веретенин О.В., Портнягин Е.М., Мальцев А.С., Кобелев А.В. // 04.02.2004.

8. Патент на изобретение RUS 2365516, Способ оценки тормозной эффективности и устойчивости автомобиля, оборудованного антиблокировочной системой, способ оценки работоспособности антиблокировочной системы автомобиля и устройство для осуществления способов / Федотов А.И., Портнягин Е.М. // 08.04.2008.

9. Патент на изобретение RUS 2242386, Устройство для контроля эффективности торможения автотранспортного средства / Федотов А.И., Шульгин А.Н., Веретенин О.В., Портнягин Е.М., Мальцев А.С., Кобелев А.В. // 04.02.2004.

10. Федотов А.И., Григорьев И.М. Экспериментальные исследования динамического метода диагностирования автомобильных регуляторов тормозных сил // Социально-экономические и технические системы: Исследование, проектирование, оптимизация. 2006. № 3. С. 6.

11. Патент на изобретение RUS 2375218, Способ динамического диагностирования антипробуксовочных систем автомобилей и устройство для его осуществления / Федотов А.И., Григорьев И.М., Потапов А.С. // 17.06.2008.