СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель стенда для исследования работы управляемых колес транспортных средств относится к машиностроению и может быть использована для исследования рабочего процесса в контакте с дорогой шин управляемых колес, находящихся под разными вертикальными нагрузками, с разными типами рисунков протектора шин, разными внутренними давлениями воздуха в них, на разных типах дорожных покрытий, а также при разных углах их установки.
Наиболее близкими к предлагаемой полезной модели являются стенды с плоской опорной поверхностью, имитирующие реальную поверхность дороги.
Одним из таких стендов с плоской опорной поверхностью является лабораторный стенд, разработанный в КубГТУ для экспериментальных исследований коэффициента сцепления элемента беговой дорожки автомобильной шины, [Куюков В.В. и др. Экспериментальное исследование сцепления элемента шины автомобильного колеса в лабораторных условиях. Материалы международной конференции, г. Одесса, 2011 г.].
Стенд содержит однополостной пневмобаллон, на нижней обойме которого закреплен фрагмент беговой дорожки шины. Пневмобаллон создает вертикальную нагрузку на фрагмент шины, а его продольное перемещение по опорной поверхности обеспечивается через тензометрическое звено. Величина касательных напряжений, возникающих в контакте фрагмента, определяет проскальзывание в контакте и коэффициент сцепления.
Недостатком данного стенда является то, что проскальзывание в контакте определяется только в режиме скольжения фрагмента шины, а не в режиме качения реального колеса.
Известен стенд [Патент №2323841]для диагностирования тормозных качеств автомобиля, колеса которого устанавливаются на плоскую бетонную поверхность.
Процесс торможения автомобиля имитируется путем продольного перемещения бетонной поверхности под колесами автомобиля. Стенд позволяет определить силы трения в контактах заторможенных колес и таким образом рассчитать коэффициент сцепления.
Существенным недостатком стенда является значительное трение в опорах бетонной поверхности при ее продольном перемещении, что влияет на точность результатов. Кроме того, нет возможности определить параметры проскальзывания каждого из спаренных колес при его торможении на бетонной поверхности, в виду отсутствия на этом стенде соответствующих датчиков.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является стенд [Патент №138221 от 05.12 2013 г.] с плоской опорной поверхностью, оборудованный конструктивными узлами для установки спаренных колес на стенд, с целью обеспечения их перемещения и создания заданных нагрузок.
Недостатком этого стенда является то, что он позволят определить проскальзывание двух колес, вызванное касательными напряжениями в контактах шин, только при их плоском качении. Таким образом, на этом стенде нет возможности исследовать работу двух колес при углах их поворота в горизонтальной и вертикальной плоскости, относительно плоской рабочей поверхности.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение ассортимента стендового оборудования предназначенного для экспериментального изучения рабочего процесса одновременно двух исследуемых колес, с некоторыми заданными углами развала и схождения, в варианте их реальной эксплуатации в рабочем режиме управляемого переднего или управляемого заднего мостов транспортного средства.
Технический результат предлагаемой полезной модели позволит оптимизировать углы установки управляемых колес на переднем или заднем мостах, минимизировать потери мощности на сопротивление движению транспортных средств, что в практике существенно снизит износ протекторов шин управляемых колес и, соответственно, повысит топливную экономичность, а также расширит диапазон исследований.
Технический результат достигается предлагаемым стендом для исследования рабочего процесса управляемых колес транспортных средств, с заданными углами развала и схождения, содержащим металлическую неподвижную раму корытообразной формы с горизонтальной рабочей поверхностью. Внутри рамы размещен сменный фрагмент, имитирующий определенный тип дорожного покрытия для установки двух исследуемых колес. По краям рамы установлены стойки с конечным включателем и конечным выключателем для ограничения движения колес по поверхности покрытия стенда.
Стенд содержит также узел создания вертикальной нагрузки на колеса, узел горизонтального перемещения колес, состоящий из шкива, установленного на одном конце рамы и троса прикрепленного к сменному грузу, узел создания крутящего и тормозного моментов, состоящий из сдвоенного силового шкива, установленного на оси колес, двойного шкива, закрепленного на другом конце рамы и троса, концы которого закреплены на двух частях силового шкива и перекинуты через двойной шкив и уравновешивающий шкив со сменным грузом и узел замера и регистрации, включающий датчики импульсов двух исследуемых колес и электронный секундомер, соединенные через аналого-цифровой преобразователь с компьютером.
Полезная модель стенда для исследования работы управляемых колес транспортных средств отличается от прототипа тем, что диапазон функционирования узла создания вертикальной нагрузки на колеса и узла горизонтального перемещения колес расширен, за счет специально разработанного кронштейна и разделения общей оси двух исследуемых колес на две отдельные полуоси, индивидуальные для каждого колеса.
Кронштейн состоит из центральной тяговой пластины и двух боковых регулируемых пластин, при этом боковые пластины закреплены между собой и с центральной тяговой пластиной четырьмя регулировочными шпильками с гайками. На двух боковых регулируемых пластинах кронштейна жестко закреплены две полуоси исследуемых колес, а трос узла горизонтального перемещения колес прикреплен к центральной тяговой пластине.
Сменный груз вертикальной нагрузки на колеса прикреплен к концам полуосей двумя тросами, за счет гибкости которых компенсируется наклон полуосей при изменении углов развала и схождения колес.
Путем изменения направления вращения гаек на регулировочных шпильках кронштейна, можно изменять зазоры между двумя боковыми пластинами и центральной пластиной. Величины зазоров между пластинами, соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскости, позволяют изменять углы развала и схождения колес, относительно рабочей поверхности стенда.
На обеих полуосях закреплены направляющие ролики, корректирующие перемещение тросов вдоль стенда при любом угле наклона исследуемых колес.
Исследуемые колеса вместе с датчиками импульсов вращения закреплены на ступицах, установленных на полуосях на роликовых подшипниках. Подшипники ступиц обеспечивают легкое вращение исследуемых колес независимо друг от друга, при этом осевое перемещение ступиц колес на полуосях ограничивается фиксирующими шайбами.
В результате применяемых узлов и дополнительного оборудования, на стенде обеспечивается проведение широкого диапазона экспериментов с оценкой влияния разных нагрузочных режимов, разных сцепных свойств покрытия рабочей поверхности стенда, разных углов установки колес, а также других эксплуатационных факторов на работу исследуемых колес.
На фиг. 1, показана общая электрическая схема стенда и вид сбоку стенда;
на фиг. 2, вид сверху стенда;
на фиг. 3, показан кронштейн с полуосями исследуемых колес.
Полезная модель стенда содержит: 1, 2 - исследуемые колеса; 3, 4 - датчики импульсов вращения колес; 5, 7, 18 - грузы; 6, 17 - конечные включатели и выключатели; 8 - шкивы; 9 - тросы; 10 - электронный секундомер; 11 - счетчики импульсов вращения колес; 12 - рама стенда с фрагментом дорожного покрытия рабочей поверхности стенда; 13 - включатель питания схемы; 14 - блок электронных преобразователей; 15 - блок питания; 16 - компьютер; 19 - направляющие ролики; 20 - кронштейн; 21 - силовые шкивы; 22 - полуоси колес; 23 - роликовые подшипники; 24 - регулировочные шпильки с гайками; 25 - боковые регулируемые пластины, 26 - боковые тросы; 27 - уравновешивающий шкив; 28 - центральная тяговая пластина; 29 - фиксирующие шайбы.
Полезная модель стенда работает следующим образом:
Исследуемые колеса 1 та 2 устанавливаются на рабочую поверхность стенда 12 (фиг. 1).
Перед началом экспериментов, на выбранном типе дорожного покрытия, колеса 1 и 2 принудительно прокатываются по рабочей поверхности стенда 12 в крайнее левое положение до размыкания конечного включателя 6, после чего оператор подключает включателем 13 блок питания 15 к схеме управления.
Эксперименты проводятся в следующих вариантах: 1-й вариант - при плоском качении колес 1 и 2 с равной вертикальной нагрузкой на каждое из них;
2-й вариант - при качении колес 1 и 2 с углом развала и равной вертикальной нагрузкой на каждое из них;
3-й вариант - при качении колес с углом схождения и равной вертикальной нагрузкой на каждое из них;
4-й вариант - при качении колес с комбинацией углов развала и схождения и равной вертикальной нагрузкой на каждое из них.
Другие варианты экспериментов с управляемыми колесами на стенде не рассматриваются.
гр1
При проведении эксперимента по 1-му варианту, в момент начала качения исследуемых колес 1 и 2 по рабочей поверхности стенда 12 срабатывает конечный включатель 6, подключающий датчики импульсов 3 и 4 и электронный секундомер 10 к преобразователям БАЦП 14 и к компьютеру 16, (фиг. 1). Исследуемые колеса 1 и 2, установленные параллельно друг другу принудительно перекатываются с помощью тросов 9, шкивов 8 и груза m по рабочей контактной поверхности стенда с заданным типом дорожного покрытия вдоль рамы 12.
1
2
Так как каждое из исследуемых колес 1 и 2 снабжены датчиками импульсов 3 и 4 (фиг. 1), то их сигналы, совместно с сигналом электронного секундомера 10, позволяют компьютеру 16 рассчитать угловые скорости ω и ω вращения каждого из колес 1 и 2.
гр1
f
∂1
∂2
По подобранной величине груза m экспериментально определяется сила сопротивления качению P исследуемых колес по стенду. Действительные скорости V и V каждого из исследуемых колес определяются, при необходимости, в ведомом, тормозном или ведущем режимах:
1
1
∂1
2
2
∂2
V∂=ω·r; V∂=ω·r,
∂1
∂2
где r, r - действительные радиусы качения колес 1 и 2.
∂1
∂2
1
2
Действительные радиусы r и r колес 1 и 2, а, следовательно, действительные скорости V∂ и V∂ отличаются друг от друга за счет влияния, например, вертикальной нагрузки и других эксплуатационных факторов.
1
2
При равной нагрузке она оба колеса V∂=V∂=V∂, при этом:
f
f
N=P·V∂
При качении колес с углом развала γ (по 2-му варианту) требуется соответствующая мощность на преодоление силы сопротивления качению, увеличивающейся за счет угла γ, т.е.:
fδ
f
N=P·V∂/cosδ,
где γ - заданный угол развала исследуемых колес.
При качении колес с углом схождения δ (по 3-му варианту) требуется соответствующая мощность на преодоление силы сопротивления качению с учетом угла 3, т.е.:
fγ
f
N=P·V∂/cosγ,
где δ - заданный угол схождения исследуемых колес.
Таким образом, во 2-м и 3-м вариантах требуется соответствующая мощность на преодоление сопротивления качению колес, с заданными углами развала γ и схождения 3.
При исследовании качении колес с комбинацией углов схождения δ и развала γ (по 4-му варианту) требуется соответствующая мощность на преодоление силы сопротивления качению с учетом комбинации углов схождения 3 и развала γ, т.е.:
fδγ
f
f
f
N=P·V∂/cosδ+P·V∂/cosγ-P·V∂/(cosδ+cosδ).
δ
Таким образом, в контуре: «рабочая поверхность стенда 12 - колесо 1 -оси 20 - колесо 2 - рабочая поверхность стенда 12» при качении со схождением возникает дополнительная мощность ΔN, вызванная углам схождения:
δ
fδ
f
ΔN=N-N,
а при качении с развалом:
γ
fγ
f
ΔN=N-N,
аналогично и в комбинации углов δ и γ:
f
ΔNfδγ=Nfδγ-N.
δ
γ
fδγ
δγ
Дополнительные мощности ΔN, ΔN и ΔN, затрачиваемые на качение колес с углами схождения и развала ΔN всегда характерны для реальной эксплуатации транспортного средства с управляемыми колесами и вызывают дополнительные потери энергии на его движение.
δ
γ
fδγ
Величины мощностей ΔN, ΔN и ΔN зависят от эксплуатационных факторов, вызывающих проскальзывание в контактах управляемых колес и являются причиной повышенного сопротивления движению транспортного средства, а в реальной эксплуатации это влечет за собой существенное повышение износа шин и дополнительный расход топлива.
δ
γ
fδγ
δ
γ
fδγ
Таким образом, экспериментально полученные величины ΔN, ΔN и ΔN в зависимости от эксплуатационных факторов, являются необходимой информацией для рационального подбора углов установки управляемых колес, причем необходимо, чтобы дополнительные мощности, в любом из сочетаний: (ΔN, ΔN и ΔN)→min, что в практике должно существенно снизит износ протекторов шин и, соответственно, повысить топливную экономичность транспортных средств.