METHOD FOR DETERMINATION OF FRICTIONAL PROPERTIES OF MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
Способ определения фрикционных свойств материалов и устройство для его реализации

Изобретение относится к области трибологии и механики деформируемого твердого тела, а именно к методам испытания и анализа физико-механических свойств материалов, преимущественно фрикционных.
Известен способ определения коэффициента трения [1], в котором тело вращения (шар), имея заданную угловую скорость, падает  с определённой высоты на неподвижный образец. В период соударения оно получает импульс в горизонтальном направлении, обусловленный наличием сил трения, и совершает отскок под углом к горизонту.
В качестве тела вращения могут быть использованы пневматические колёса, которые соударяются с поверхностями дорожных покрытий  и совершают ряд последовательных отскоков, получая при этом некоторую скорость перекатывания в направлении движения.  Коэффициенты трения  определяют по высоте падения тела вращения, длине и максимальной высоте его отскока.
Дальнейшее описание заявки проведём применительно к использованию в качестве образца пневматического колеса, а в качестве контробразца дорожного покрытия, с которым взаимодействует колесо.
Недостатком известного способа определения фрикционных свойств материалов по патенту США № 3,852,993 [1] является то, что по нему испытания проводятся в режиме ведущего колеса и невозможно получить параметры взаимодействия колёс с покрытиями, характерные для режима торможения колеса автомобиля или самолёта. При этом даже в ведущем режиме параметры фрикционного взаимодействия определяются при изменяющейся только в узких пределах и нерегулируемой скорости качения.
На практике требуется оценка сцепления автомобильных колёс при пробуксовке автомобиля, движущегося с заданной скоростью, или испытания колёс применительно к торможению самолётов на взлётно-посадочных полосах и автомобилей на покрытиях дорог.
При взаимодействии колёс с мокрыми покрытиями различия между режимами ведущего и тормозящего колеса существенны, т.к. сказывается, так называемое «гидроглиссирование» и коэффициенты трения колёс в ведущем и тормозном режимах отличаются значительно. Гидроглиссирование состоит в образовании эластогидродинамических режимов контакта колеса с покрытием, т.е. областей контакта, разделённых слоем воды, и приводит к резкому снижению коэффициентов трения и сцепления. Для самолётов это приводит к увеличению длины торможения и опасности выката за пределы взлётно-посадочной полосы, а также резкому снижению допустимой скорости бокового ветра при посадке самолёта.
Гидроглиссирование важно также для взлёта самолётов по мокрым покрытиям, т.к. создаёт дополнительное сопротивление качению колёс. Увеличивается путь разгона самолётов для взлёта.
Для  автомобилей ограничивается скорость движения  в периоды дождей и таяния снегов.
Задачей изобретения является определение коэффициентов сцепления или трения скольжения колес при их качении с заданной поступательной скоростью, характерной для режима торможения автомобилей или самолётов, а также при пробуксовывании колёс автомобилей.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе определения фрикционных свойств материалов тангенциальную скорость относительного перемещения колеса и покрытия на поверхности их соударения, которая создаётся вращением колеса вокруг его оси, дополняют заданной скоростью поступательного перемещения колеса, причём соотношение этих скоростей выбирают из условия получения требуемых параметров ведущего или тормозного режимов фрикционного взаимодействия колеса и покрытия при заданной скорости качения или режима свободного качения колеса.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет охватить весь возможный диапазон параметров взаимодействия колёс с покрытиями, которые встречаются в практике эксплуатации авиационной и автомобильной техники.
Возможность оценки сцепления автомобильных колёс при пробуксовке автомобиля, движущегося с заданной поступательной скоростью, даёт возможность определения коэффициента сцепления на ледяных и заснеженных покрытиях с высокой точностью, так как он зависит от количества, выделяющегося при трении тепла и подплавления исследуемой поверхности. Соотношение скоростей качения колеса и скорости его проскальзывания является определяющим фактором для воспроизведения реальных   параметров взаимодействия колёс с поверхностью качения, позволяет более совершенно моделировать их фрикционный контакт и существенно повысит точность измерений. Получение реальных для эксплуатации в этих условиях параметров фрикционного взаимодействия даст возможность разработки новых концепций создания трансмиссий автомобилей, которые повысят сцепление и проходимость транспортных машин.
Поступательная скорость перемещения колеса относительно покрытия задаётся путём установки устройства на беспилотнике, самолёте, вертолёте, автомобиле или прицепе к нему, движущихся над покрытием или по покрытию взлётно-посадочных полос аэродромов и автомобильных дорог.
Данный способ  определения  фрикционных свойств материалов  реализуется  устройством,  содержащим держатель образца в виде качающегося рычага, механизм вращения образца вокруг горизонтальной оси, задающий ему требуемую угловую скорость, механизм сбрасывания образца с требуемой высоты на контробразец, систему измерения параметров соударения образца,  причем  система измерения параметров соударения образца снабжена средством регистрации угловой скорости образца в процессе его соударения и средством измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока, при этом устройство снабжено средством для создания требуемой поступательной скорости перемещения образца.
В качестве образца может использоваться упругое или пневматическое колесо, а в качестве контробразца  дорожное покрытие, покрытие взлётно-посадочной полосы или грунты поверхности планет.
Приведём описание одного из устройств, для исследования взаимодействия пневматического колеса с поверхностью покрытия.
Средство регистрации угловой скорости колеса в процессе его соударения выполнено в виде нанесённых на диск колеса реперных меток и снабжено кинокамерой для регистрации их угловой скорости.
Средство регистрации угловой скорости колеса в процессе его соударения с покрытием может быть выполнено в виде электронного датчика его углового положения во времени.
Средство измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока колеса выполнено в виде лазера,  направляющего луч вдоль оси колеса, и кинокамеры для фиксации перемещения луча.
Средство для создания требуемой поступательной скорости перемещения колеса выполнено в виде прицепа к автомобилю, или другому транспортному средству, перемещающему прицеп с заданной скоростью по исследуемому участку дорожного покрытия или взлётно-посадочной полосы.
В качестве средства для создания требуемой поступательной скорости перемещения колеса может быть использован беспилотник, самолёт или вертолёт.
На Фиг.1 изображено устройство для реализации способа определения фрикционных свойств материалов.
На Фиг. 2 изображено средство регистрации угловой скорости колеса в процессе его соударения и средство измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока колеса.
Устройство для осуществления способа определения фрикционных свойств материалов (Фиг.1) содержит  держатель колеса в виде качающегося рычага  5 , механизм вращения колеса вокруг горизонтальной оси 4, задающий ему требуемую угловую скорость, механизм 6 сбрасывания колеса с требуемой высоты на контробразец, систему измерения параметров соударения колеса,  причем  система измерения параметров соударения колеса снабжена средством регистрации угловой скорости колесав процессе его соударения 9,10 (Фиг.2) и средством измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока 11, 12, при этом устройство снабжено средством  2 для создания требуемой поступательной скорости перемещения колеса.
При перемещении колеса 1 с заданной поступательной скоростью, с помощью средства для создания требуемой поступательной скорости перемещения колеса,   например, автомобилем, буксирующим  прицепное устройство 2 (Фиг.1), его раскручивают до требуемой угловой скорости  приводом  3 на оси 4 в подшипниках качения держателя 5 колеса, выполненном в виде качающегося рычага. Механизмом 6 сбрасывания колеса с требуемой высоты сбрасывают колесо 1 на исследуемую поверхность покрытия 7. Колесо 1, оставаясь закреплённым в держателе 5, соударяется с поверхностью покрытия  7 и отскакивает вверх с поворотом держателя 5 колеса, выполненном в виде качающегося  рычага. Поворот держателя 5 колеса  относительно корпуса прицепа осуществляется на подшипниках качения 8. В верхнем положении колесо 1  фиксируется тормозом механизма сбрасывания 6. Держатель 5 колеса выполнен максимально лёгким для уменьшения погрешностей измерений.
Средство регистрации угловой скорости колеса в процессе его соударения выполненов виде нанесённых на диск колеса 1  на определенном радиусе от его оси (Фиг. 2) реперных меток 10  и снабжено кинокамерой 9  для регистрации их угловой скорости.
Возможно, измерение угловой скорости датчиком углового положения колеса 1 во времени. Изменение  угловой скорости колеса в процессе удара при известном моменте инерции колеса используется для расчёта тангенциального импульса, вызываемого трением.
Средство для измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока колеса выполнено в виде лазера 11, установленного на оси колеса и кинокамеры 12 для фиксации перемещения луча лазера (Фиг.2). По этим параметрам рассчитывается величина нормального импульса.
Определение фрикционных свойств  материала происходит следующим образом.
В период соударения колесо 1 подвергается одновременному действию нормальных сил, задаваемых скоростью падения колеса 1, и тангенциальных сил, задаваемых относительной скоростью взаимодействия колеса и покрытия или грунта 7. Коэффициенты сцепления и трения скольжения определяются как отношение тангенциального и нормального импульсов.
Заявляемый способ определения фрикционных свойств материалов реализуется  заданием вращающемуся с требуемой угловой скоростью  колесу 1 дополнительно поступательного перемещения с заданной скоростью, например, автомобилем, буксирующим  прицепное устройство 2 с испытываемым колесом 1, причём соотношение этих скоростей  выбирают из условия получения при соударении колеса с дорожным покрытием 7 требуемых параметров ведущего или тормозного режимов взаимодействия колеса и дорожного покрытия при заданной скорости его качения или режима свободного качения.
Изменяя высоту падения колеса можно задавать величину нормальной реакции при соударении шины  колеса с исследуемой поверхностью и получать площади контакта, соответствующие условиям её эксплуатации. Для некоторых типов колёс с целью ограничения высоты сбрасывания, могут быть использованы дополнительные массы. Они должны быть выполнены в виде маховых колёс, чтобы обеспечить высокое отношение момента инерции к массе нагрузки. Маховые массы жёстко закрепляются на диске колеса.
Одним из вариантов реализации устройства является создание стенда для испытаний, в котором скорость поступательного перемещения создаётся разгоном специальной тележки, на которой установлены механизм вращения колеса вокруг горизонтальной оси, задающий ему требуемую угловую скорость, механизм сбрасывания колеса с требуемой высоты на дорожное покрытие, средство регистрации угловой скорости колеса в процессе его соударения и средство измерения вертикальной составляющей скорости падения и отскока.
Стенд устанавливается на поле аэродрома, колёса и покрытия для испытаний подвержены действию атмосферных осадков и окружающей температуры. Поступательная скорость и высота падения колеса задаётся применительно к модели самолёта, заходящего на посадку. Это даёт возможность создать параметры определения фрикционных характеристик, максимально приближённые к условиям эксплуатации авиационной техники.
Предлагаемое изобретение позволит проводить определение фрикционных характеристик материалов при всех режимах взаимодействия колёс транспортных средств с покрытиями дорог, взлётно-посадочных полос аэродромов или грунтами планет во всём диапазоне скоростей их работы.
Устройство может быть установлено на самолётах для измерения сцепления колёс при их разгоне по взлётно-посадочным полосам и посадке на них, на автомобилях или прицепах к ним, на устройствах для изучения сцепления и скольжения колёс по поверхностям Луны, Марса и других планет.
Устройство предназначено для исследования фрикционных характеристик вновь созданных колёс, фрикционных характеристик дорожных покрытий в реальных условиях. Испытания можно проводить в условиях образования гололёда, а также на мокрых покрытиях и дорогах. Это важно для обеспечения безопасной посадки самолётов и движения автомобилей. Испытания сцепления колёс с покрытиями можно проводить до скоростей 500 км/час и более.
Достоинством устройства является то, что колесо закреплено в его держателе и свободно не отскакивает при взаимодействии с покрытиями, как было в прототипе. При высоких скоростях взаимодействия это создавало большие проблемы его перехвата и безопасности проведения экспериментов.
Используя известные величины гистерезисных потерь конкретного колеса можно определить значение несущей способности деформируемых грунтов, а также их упругость по изменению вертикальной составляющей скорости отскока колеса.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве экспресс-метода оценки сцепления и скольжения колёс по покрытиям, когда измерения проводятся на стандартном колесе, падающем с заданной постоянной высоты, без измерения скорости отскока колеса. Допустимость использования взлётно-посадочной полосы для посадки самолётов или автомобильных дорог для движения автомобилей при гололёде, а также во время дождя определяется на основе составленных номограмм сравнительных испытаний.
Предлагаемое изобретение может быть применено для изучения предварительного смещения и скольжения колёс в режиме их качения применительно к колебаниям неподрессоренных масс транспортных средств.
Литература
1. MaratAlexandrovichBronovets, MikhailNikolaevichDobychin, IgorViktorovichKragelsky, NikolaiMatveevichMikhin. Method of Determining the Frictional and Mechanical Properties of Materials and a Device for the Realization Thereof, United State Patent, № 3,852,993, Dec. 10, 1974, U.S. Cl. 73/12, Int.Cl. G01n 3/52.