ШИННЫЙ ТЕСТЕР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОПЕРЕЧНОГО СЦЕПЛЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ ШИНЫ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА

Предполагаемая полезная модель относится к технической эксплуатации автомобилей, а именно к устройствам для определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса в условиях эксплуатации.
Из теории эксплуатационных свойств АТС известно, что коэффициент поперечного сцепления представляет собой отношение максимально возможной по условиям сцепления боковой силы к нормальной реакции, действующей в пятне контакта шины с опорной поверхностью. Боковая сила возникает при движении автомобиля на повороте, боковом уклоне, при действии бокового ветра и т.д. и вызывает качение эластичной шины автомобильного колеса с боковым уводом. Определение максимально возможной по условиям сцепления боковой силы заключается в измерении боковой реакции, действующей в пятне контакта эластичной шины перпендикулярно плоскости вращения колеса, что является сложной технической задачей [см. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.: ил.].
При качении эластичной шины с боковым уводом в ней возникают гистерезисные потери, для оценки которых необходимо определять суммарную реакцию в пятне контакта эластичной шины, направленной противоположно тяговой или толкающей силе, приложенной к оси колеса.
Известен шинный тестер с одним измерительным колесом, ось которого жестко устанавливается под углом к направлению движения в одном из узлов трехзвенного шарнира, свободными концами шарнирно соединенного с рамой с двумя последовательно расположенными ходовыми колесами, с помощью которого коэффициент сцепления определяется по измеряемому угловому перемещению звена трехзвенного шарнира под влиянием продольной силы, действующей на колесо при его качении и направленной в сторону, противоположную направлению движения. Шинным тестером измеряется суммарная реакция в пятне контакта измерительного колеса при качении с боковым уводом [см. Авторское свидетельство SU №1153273, МПК AG01N 19/02, опубл. 30.04.85, бюл. №16].
Основным недостатком известного шинного тестера является отсутствие прямого измерения боковой реакции в пятне контакта измерительного колеса, к другим его недостаткам относятся: низкая точность измерения суммарной реакции из-за нестабильности контакта измерительного колеса с опорной поверхностью, обусловленной подвижностью трехзвенного шарнира, отсутствием подвески колеса, действием неуравновешенной поперечной составляющей от боковой реакции, наличием трения в узлах и демпфирующем элементе трехзвенного шарнира, а также, отсутствие систем регулирования нормальной нагрузки на измерительное колесо и измерения угла его бокового увода.
Известны также шинные тестеры с одним измерительным колесом на поворотной раме, жестко соединенной с тягачом вертикальным и продольными шарнирами для установки колеса с необходимыми углами увода и развала. Поперечный шарнир поворотной рамы служит для копирования колесом рельефа поля. Боковая и продольная реакции в пятне контакта колеса определяются измерительными звеньями, связанными с осью колеса, и регистрируются аппаратурой, расположенной в кабине тягача, а суммарная реакция в пятне контакта шины колеса находится расчетным путем. Вертикальная нагрузка на колесо регулируется массами жидкости в баке или балластов, расположенными на раме колеса. Скорость измерительного колеса и угол его бокового увода измеряются с помощью флюгерного колеса [см. Патент RU №2085891, МПК G01M 17/02, опубл. 27.07.1997 г.; Патент RU №2092806, МПК G01M 17/02, опубл. 10.10.1997 г.; Патент RU №2107275, МПК G01M 17/02, опубл. 20.03.1998 г.; Патент RU №2131119, МПК G01M 17/02, опубл. 27.05.1999 г.; Патент RU №2167402, МПК G01M 17/02, опубл. 20.05.2001 г.].
К недостаткам известных шинных тестеров относятся: низкая точность измерения боковой реакции из-за нестабильности контакта измерительного колеса с опорной поверхностью вследствие отсутствия подвески колеса и действия неуравновешенной поперечной составляющей от боковой реакции.
Известны устройства для измерения поперечного коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, которые содержат одно измерительное колесо на коромысле, соединенном вертикальным шарниром с прицепным прибором, жестко сцепленным с автомобилем. Угол бокового увода колеса устанавливается поворотом коромысла с помощью сложного электромеханического привода и измеряется датчиком угла поворота. Поперечный коэффициент сцепления автомобильного колеса определяется по измеренному усилию необходимому для отклонения измерительного колеса при помощи порошковых муфт на заданный угол увода при поступательном движении устройства, буксируемого автомобилем. Нормальная нагрузка на колесо задается только массой прицепного прибора и не регулируется [см. Патент RU №2293816, МПК E01C 23/07, опубл. 20.02.2007 г.; Патент RU №2351705, МПК E01C 23/07, опубл. 10.04.2009 г.].
Основным недостатком известных устройств для измерения поперечного коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием является отсутствие прямого измерения боковой и суммарной реакций в пятне контакта измерительного колеса, другими недостатками этих устройств являются: нестабильность контакта измерительного колеса с опорной поверхностью вследствие отсутствия подвески колеса с жесткой фиксацией коромысла при заданном угле увода и действия неуравновешенной поперечной составляющей от боковой реакции; отсутствие системы регулирования нормальной нагрузки на измерительное колесо.
Известны прицепные устройства с двумя измерительными колесами, расположенные симметрично относительно направления движения, которые позволяют измерять продольные реакции в пятнах контактов измерительных колес, но только при их прямолинейном качении без бокового увода [см. Патент RU №2156333, МПК E01C 23/07, опубл. 20.09.2000 г.; Патент RU №2211891, МПК Е01С 23/07, МПК G01N 19/02, опубл. 10.09.2003 г.; Патент RU №2379408, МПК Е01С 23/07, опубл. 20.01.2010 г.; Патент RU №2415990, МПК Е01С 23/07, опубл. 10.04.2011 г.; Патент RU№109911, МПК G01L 1/00, опубл. 27.04.2011 г.; Патент RU №118753, МПК G01M 17/00, опубл. 27.07.2012 г.].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является транспортное средство со схемой симметричного расположения двух измерительных колес, установленных со схождением к направлению движения с использованием штатных узлов автомобиля: управляемых колес, рулевой трапеции, подвески. Коэффициент сцепления дорожного покрытия рассчитывается на основании измерений нормальной нагрузки от колес на дорожное покрытие, суммарной силы на рычаге тяги рулевого управления с помощью установленного на поперечной тяге силоизмерительного датчика и угла схождения управляемых колес. Симметричное расположение измерительных колес с одинаковыми углами схождения самоуравновешивает поперечные составляющие боковых реакций и обеспечивает стабильность контактов шин колес транспортного средства с опорной поверхностью (см. Патент RU №2498271, МПК G01N 1/00, опубл. 20.09.2000 г.).
Основными недостатками транспортного средства с известной схемой симметричного расположения двух измерительных колес являются: противоречия с положениями теории эксплуатационных свойств АТС (см. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильной хозяйство». - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.: ил.) в определениях сил для нахождения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса; отсутствие систем прямого измерения боковых и результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин измерительных колес; отсутствие систем установки и измерения углов бокового увода колес. Также к другим недостаткам наиболее близкого аналога относятся применение штатной подвески управляемых колес с упругими вставками (сайлент-блоками) и поперечным перемещением направляющих элементов, которая не обеспечивает перпендикулярность плоскости вращения измерительного колеса относительно опорной поверхности и стабильность заданного угла бокового увода; многозвенность рулевого привода; отсутствие систем регулирования нормальной нагрузки на измерительные колеса. При движении такого транспортного средства под управлением водителя с углами бокового увода управляемых колес, приводящими к их скольжению по опорной поверхности, резко снижается устойчивость, управляемость и активная безопасность транспортного средства, возрастает угроза жизни водителя-испытателя.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентной документации и научно-технической литературе, не выявил источников с признаками, аналогичными всем существенным признакам заявляемого устройства - шинного тестера для определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса, изложенных в формуле изобретения.
Техническим результатом, на решение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности, достоверности и безопасности измерений боковой и суммарной реакций в пятне контакта эластичной шины автомобильного колеса при качении с боковым уводом.
Технический результат достигается тем, что в шинном тестере для определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса, содержащем два измерительных колеса, установленных симметрично относительно продольной оси шинного тестера, силоизмерительный датчик, согласно полезной модели два измерительных колеса установлены на независимых рычажных подвесках с продольным перемещением рычагов, в поворотные рамы с возможностью их одновременного углового перемещения винтовым механизмом, расположенным на несущей раме шинного тестера, и жесткой фиксации болтами при установленных углах бокового увода измерительных колес, с возможностью измерения с требуемой точностью указателями угловых перемещений, оси измерительных колес и измерительного дышла шинного тестера установлены на подвижные опоры, расположенные на рычагах подвесок измерительных колес и несущей раме шинного тестера, с возможностью их перемещений только в направлениях действия боковых и результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин измерительных колес, и соединены с силоизмерительными датчиками, закрепленными на рычагах подвесок измерительных колес и несущей раме шинного тестера, металлическими балластными грузами, которые размещены симметрично относительно продольной оси шинного тестера и осей измерительных колес на кронштейнах несущей рамы шинного тестера с возможностью дискретного увеличения нормальной нагрузки на измерительные колеса с сохранением низкого расположения центра масс шинного тестера.
Отличительными особенностями предлагаемой конструкции полезной модели являются: установка двух измерительных колес на независимые рычажные подвески с продольным перемещением рычагов в поворотные рамы симметрично относительно продольной оси шинного тестера с заданными измеряемыми углами бокового увода измерительных колес; установка осей двух измерительных колес и измерительного дышла шинного тестера на подвижные опоры, перемещающиеся только в направлениях действий боковых и результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин измерительных колес и передающие эти воздействия соединенным с ними силоизмерительным датчикам; низкое размещение под несущей рамой шинного тестера металлических балластных грузов симметрично относительно продольной оси шинного тестера и осей измерительных колес, которые обеспечивают безопасное прямолинейное и устойчивое движение шинного тестера при его буксировании с качением измерительных колес с боковым уводом.
Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображен вид сверху шинного тестера, на фиг. 2 изображен вид сбоку шинного тестера, на фиг. 3 изображен вид сзади шинного тестера, на фиг. 4 изображена структурная схема компьютерного измерительного комплекса.
Шинный тестер представляет собой динамометрический прицеп (см. фиг. 1, 2, 3), содержащий несущую раму 1, на которой установлены поворотные рамы 2 и 3 с рычажными подвесками 4 и 5 измерительных колес 6 и 7, винтовой механизм 8, измерительное дышло 9, два силоизмерительных датчика 10 и один силоизмерительный датчик 11, балластные грузы 12. В качестве измерительных колес использованы штатные автомобильные колеса, состоящие из дисков 13 с эластичными шинами 14.
Поворотные рамы 2 и 3 установлены на осях 15 симметрично относительно продольной оси шинного тестера с возможностью фиксирования при заданных углах бокового увода 8 болтами 16 на несущей раме 1. Для угловых перемещений поворотных рам 2 и 3 устройство снабжено винтовым механизмом 8, состоящим из винта 17, подвижной гайки 18 и двух тяг 19. Вращением винта 17 с помощью съемной рукоятки (на фиг. 1, 2, 3 не показана) перемещаются гайка 18, две тяги 19 и поворотные рамы 2 и 3 на одинаковые углы бокового увода 5, определяемые с точностью до тридцати минут указателями угловых перемещений 20. Максимальные углы бокового увода 5 измерительных колес 6 и 7 составляют тридцать градусов.
Рычажная подвеска 4 измерительного колеса 6 (см. фиг. 2, 3) представляет собой двойной, внутренний и наружный угловой рычаг 21, вертикальные концы которого шарнирно, без упругих вставок, закреплены на поворотной раме 2, а горизонтальные концы соединены с поворотной рамой 2 цилиндрической пружиной 22 и амортизатором 23. На горизонтальной части углового рычага 21 шпильками (последние на фиг. 1, 2, 3 не показаны) закреплены две угловые упругие пластины 24, в вертикальные части которых установлен колесный узел в сборе: ось 25 со ступицей (последняя на фиг. 1, 2, 3 не показана) и закрепленным на ней диском 13 с эластичной шиной 14. Ось 25 измерительного колеса 6 соединена с силоизмерительным датчиком 10 измерения боковой реакции в пятне контакта эластичной шины 14, установленным на угловом рычаге 21 (см. фиг. 1 и 3). Угловые упругие пластины 24 закреплены с возможностью перемещения их вертикальных частей только в направлении действия боковой реакции в пятне контакта эластичной шины 14 с передачей этого воздействия оси 25 измерительного колеса 6 и, соединенному с ним, силоизмерительному датчику 10. Аналогично устройство независимой рычажной подвески 5 измерительного автомобильного колеса 7. Независимые рычажные подвески 4 и 5 измерительных колес 6 и 7 установлены без упругих вставок с возможностью стабилизации нормальной нагрузки на измерительные колеса 6 и 7, и контактов эластичных шин 14 с опорной поверхностью дороги при качении измерительных колес 6 и 7 с боковым уводом.
Измерительное дышло 9 (см. фиг. 2) выполнено в виде трубы квадратного сечения, подвешенной на маятниковые опоры 26, установленные на несущей раме 1. Один конец измерительного дышла 9 соединен с силоизмерительным датчиком 11 измерения результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин 14, установленным на несущей раме 1 шинного тестера, а другой конец измерительного дышла 9 соединен с тягово-сцепным устройством 27. Маятниковые опоры 26 установлены с возможностью качания только в направлении действия результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин 14 и передаче этого воздействия измерительному дышлу 9 и, соединенному с ним, силоизмерительному датчику 11.
Дискретное увеличение нормальных нагрузок на измерительные колеса 6 и 7 обеспечено шестнадцатью металлическими балластными грузами 12 массой 13 кг, размещаемыми симметрично относительно продольной оси шинного тестера и осей 25 измерительных колес 6 и 7, на четырех кронштейнах 28 несущей рамы 1 на уровне осей измерительных колес 6 и 7 с возможностью сохранения низкого расположения центра масс шинного тестера для обеспечения его устойчивости движения при качении измерительных колес 6 и 7 с боковым уводом.
Измерение и регистрация боковых и результирующей суммарных реакций в пятнах контактов эластичных шин 14 выполнено с помощью компьютерного измерительного комплекса (см. фиг. 4), размещаемого в кабине автомобиля-тягача. В качестве силоизмерительных датчиков 10 и 11 использованы балочные тензометрические датчики с наибольшими пределами измерений, соответственно, 5 и 10 кН, с классом точности (по ГОСТ 30129) С3. Два силоизмерительных датчика 10 и один силоизмерительный датчик 11 соединены с многоканальным усилителем сигналов 29, подключенным к шине USB ноутбука 31, с возможностью их электропитания постоянным напряжением ± 5В и усиления их выходных сигналов с коэффициентом усиления - одна тысяча. Для преобразования усиленных аналоговых сигналов силоизмерительных датчиков 10 и 11 в цифровые сигналы использован многоканальный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 30, подключенный к шине USB ноутбука 31, с возможностью ввода цифровых сигналов по шине USB в ноутбук 31, с последующим их измерением и регистрацией в программной среде АЦП.
Шинный тестер для определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса работает следующим образом. Автомобиль-тягач (на фиг. 1, 2, 3, 4 не показан) с шинным тестером размещается на горизонтальном прямолинейном участке автомобильной дороги. Устанавливается необходимое давление сжатого воздуха в испытуемых эластичных шинах 14 при начальных нормальных нагрузках на измерительные колеса 6 и 7, создаваемых массой шинного тестера без балластных грузов 12.
Устанавливаются необходимые углы бокового увода 8 эластичных шин 14 измерительных колес 6 и 7 шинного тестера перемещением винтовым механизмом 8 поворотных рам 2 и 3 на углы бокового увода, отмеряемыми указателями угловых перемещений 20, с предварительным ослаблением и последующим усилением затяжки болтов 14.
Выполняется буксирование шинного тестера с требуемой постоянной скоростью движения, измеряемой по спидометру автомобиля-тягача. В процессе буксирования тяговая сила автомобиля-тягача через тягово-сцепное устройство 27, измерительное дышло 9, несущую раму 1 передается рычажным подвескам 4, 5 и осям 25 измерительных колес 6 и 7, вызывая их качение в ведомом режиме с боковым уводом. В пятнах контактов эластичных шин 14 возникают суммарные реакции, действующие противоположно прямолинейному направлению движения шинного тестера, которые оказывают действие на измерительное дышло 9 и их результирующая измеряется силоизмерительным датчиком 11.
Составляющие суммарных реакций, действующие в пятнах контактов эластичных шин 14 перпендикулярно плоскостям вращения измерительных колес 6 и 7, или боковые реакции, действуют на оси 25 и измеряются силоизмерительными датчиками 10. Вследствие симметричности расположения измерительных колес 6 и 7 относительно продольной оси шинного тестера поперечные составляющие боковых реакций в пятнах контактов эластичных шин 14 взаимно уравновешиваются и не вызывают отклонение шинного тестера от прямолинейного направления движения.
Увеличиваются нормальные нагрузки на измерительные колеса 6 и 7 шинного тестера размещением балластных грузов 12 в необходимом количестве на каждый из четырех кронштейнов 28 несущей рамы 1.
Коэффициент поперечного сцепления эластичной шины 14 автомобильного колеса на примере измерительного колеса 6 определяется, как отношение измеренной боковой реакции в пятне контакта эластичной шины 14 измерительного колеса 6 к его нормальной нагрузке.