СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ КАЧЕНИЮ
METHOD FOR DETERMINING ROLLING FRICTION COEFFICIENT AND ROLLING RESISTANCE COEFFICIENT

Изобретение относится к технике и способам определения параметров трения, а именно к способам определения коэффициентов трения качения, причем не только в отдельных телах качения - шарах, катках, цилиндрах, но и, в первую очередь, в колесах в собранных функционирующих автомобилях, тракторах и других колесных транспортных средствах. Оно может быть использовано для бесконтактного дистанционного определения коэффициентов трения качения не только у малоподвижных тел качения, но и в скоростных транспортных средствах в процессе их движений. Другим достоинством предлагаемого изобретения является упрощение состава технических средств и методики получения и обработки результатов измерений. Известен способ определения коэффициентов трения и скольжения (А.С. СССР №405056 «Способ определения коэффициентов трения». МПК G01N 19/02. Автор Д.М.Толстой. Бюл. №4, 1973), согласно которому образец, выполненный в виде тела вращения, например шара, жестко закрепляют в физическом маятнике, помещают на наклонную плоскость с переменным углом наклона и измеряют угол наклона маятника и угол наклона плоскости и определяют указанные выше коэффициенты в функции этих углов, маятниковости и радиуса тела вращения. Недостатком способа является то, что коэффициенты трения качения и скольжения определяются для малых углов наклона наклонной плоскости маятника с шаром от исходного положения, т.е. в статике. После начала скольжения коэффициенты практически не могут быть определены из-за того, что в этом режиме качение отсутствует, а коэффициент трения скольжения динамический отличается от коэффициента скольжения трогания.
Указанный недостаток устранен в изобретении А.С. СССР №1434334 «Способ определения коэффициента трения». МПК G01N 19/02. Автор А.П.Рамзаев. Бюл. №40, 1988. Эффект достигнут за счет того, что испытуемое тело вращения закрепляют, как и в маятнике по предыдущему изобретению, помещают на наклонную плоскость для придания ему движения. При скатывании тела измеряют с помощью двух акселерометров линейные ускорения двух точек физического маятника, связанного с испытуемым телом качения. Результаты измерения линейных ускорений учитывают в виде углового ускорения в формуле при расчете динамического коэффициента трения качения. Недостатком изобретения является сложность реализации способа - нужны наклонная плоскость с изменяемым углом наклона, два акселерометра, физический маятник с устройством их крепления на нем, а кроме того, знание момента инерции тел, входящего в формулу коэффициента трения, устройство для измерения угла наклона маятника по отношению к вертикали.
k
k
Известно устройство для определения коэффициента сцепления пневматических колес (А.С. СССР №976778 «Устройство для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием». МПК G01N 19/02. Авторы Печерский М.А. и др. Бюл. №4, 1981). В этом изобретении отражено не только устройство, но и способ измерения коэффициента трения сцепления в пневматическом колесе. Способ состоит в том, что входящее в состав устройства измерительное колесо приводится во вращение благодаря его связи посредством трансмиссии и верхнего плеча двуплечего рычага с неведущими колесами транспортного средства. Возникающая при этом сила трения в контакте измерительного колеса с поверхностью дорожного покрытия регистрируется с помощью динамометрического элемента, расположенного на измерительной тяге. Благодаря двуплечему рычагу, установленному на оси колеса под углом φ к горизонту, где φ=π/2-arctgµ (µ - коэффициент сопротивления качению, определенный заранее), нагружатель воздействует на ось измерительного колеса в вертикальном направлении, через коэффициент сцепления в горизонтальном направлении возникает сила, равная сопротивлению качения его по поверхности дорожного покрытия. В результате динамометрический элемент регистрирует лишь силу трения скольжения между измерительным колесом и поверхностью дорожного покрытия. По величине этой силы и нормальной нагрузке с учетом силы от нагружателя определяют коэффициент сцепления между измерительным колесом и дорожным покрытием.
k
тркач
Недостатком описанного способа является использование сложной конструкции - специального измерительного колеса с двуплечим рычагом, имеющим возможность поворачиваться вокруг оси подвеса. Верхний конец рычага связан через трансмиссию с неведущими колесами транспортного средства, с другим концом рычага связана измерительная тяга с динамометром. Все это делает устройство дорогим и сложным в эксплуатации. Не сказано, как регистрировать показания динамометра. Визуально - сложно, а если электрическим путем, это требует применения измерительных средств. К тому же коэффициент µ в процессе эксплуатации меняется, а т.к. угол φ=const, то это приводит к увеличению погрешности. Не сказано, как изменять нагрузку на пружину. Много неясного в применении способа и технических устройств, снижающих его точность и удобство пользования. В книге. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение. 1977. - 528 с. на с.259-263 приведены данные по определению коэффициентов сопротивления качению. Так, на рис.7, для бронзы (прямые 2) при N=3 кгс имеем F=10 гс, т.е. .
k
k
k
k
k
k
k
k
На стр.263, рис.10, коэффициенты сопротивления качению цилиндров по резине, отмеченные линиями 1, 2, 3, лежат в пределах µ=(0,005…0,025) безразм. ед. Эти данные свидетельствуют о том, что угол µ мал (tgµ=T/N, Т - сила трения качения; N - нормальная нагрузка). Самый большой коэффициент по рис.10 µ - 0,025 соответствует углу µ=0,025 рад =1,44 угл. град =85 угл. мин. По результатам экспериментов, проведенных автором для легкового автомобиля, величина µ сопоставима со значением 1,44 угл. град. Данные результаты свидетельствуют о том, что угол µ мал и что при увеличении нагрузки по фиг.2, с.259 (Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение. 1977. - 528 с.) он будет увеличиваться, что снизит точность измерений. К тому же при смене знака скорости автомобиля у угла µ должен смениться знак, чего не предусмотрено. Другой недостаток способа и устройства по [А.С. СССР №976778 «Устройство для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием». МПК G01N 19/02. Авторы Печерский М.А. и др. Бюл. №4, 1981.] - это то, что измерения производятся в измерительном колесе, а коэффициент сцепления нужно определять в колесах автомобиля. Это еще один источник погрешности. Кстати, в этом изобретении коэффициент сцепления в режиме качения (скольжения) совпадает с коэффициентом сопротивления качению.
Данное изобретение принято за прототип. 3адача, решаемая предлагаемым изобретением, - упрощение способа и технических средств, повышение точности и расширение функциональных возможностей.
Предлагаемое изобретение гораздо проще по способу определения коэффициента трения качения и коэффициента сопротивления качению. Соответственно, для его технической реализации требуется несопоставимо меньший набор технических средств, не требуется усложнять конструкцию транспортного средства, ибо не требуются дополнительные измерения по отношению к параметрам исследуемого пневматического колеса. При этом измерения могут быть произведены в любых колесах транспортного средства, интересующих исследователей, при любом знаке и величине скорости.
Технический результат изобретения состоит в применении устройств видеосъемки для отображения и фиксации контактной линии, являющейся пересечением исследуемого колеса транспортного средства с дорожным покрытием, в аналоговой или цифровой форме. Этот результат с аналогового носителя видеокамеры при ее подключении переносят в компьютер с помощью редактора «Windows Movie Maker». С помощью, например, компьютерного редактора видеоизображений «Virtual Dub-MPEG2» производят разбиение всего временного процесса съемки на кадры. Затем изображение каждого кадра увеличивают и в нем в нужных элементах производят необходимые измерения. После этого для последовательных моментов времени с шагом дискретности следования кадров получают последовательность значений коэффициента трения качения.
H
H
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения коэффициентов трения качения и сопротивления качению, включающем операцию размещения испытуемого пневматического колеса на горизонтальном твердом дорожном покрытии, а также операцию фиксации деформации пневматической части колеса, эта операция выполняется с помощью записи видеокамерой картины деформации зоны контакта пневматической части колеса и твердого дорожного покрытия, возникающей при придании колесу движений взад-вперед, после чего заснятый на носитель процесс с помощью компьютера разбивают на кадры с дискретностью 0,04 с или меньше, интересующие кадры вызывают на экран дисплея, увеличивают изображение до нужных размеров и с помощью координатной сетки на экране определяют величину и направление горизонтального смещения центра контактной площадки пневматической части колеса с твердым покрытием в плоскости, параллельной его движению, относительно точки пересечения перпендикуляра, проведенного через ось подвеса колеса к твердой поверхности, т.е. величину предварительного смещения Δх, при этом с учетом масштаба изображения, найденного путем сопоставления размера известного элемента транспортного средства в натуре х и размера этого же элемента на экране дисплея компьютера х, равного отношению х/х, определяют величину предварительного смещения в натуре по формуле
,
C
которая является коэффициентом трения качения, после этого определяют коэффициент сопротивления качению К по формуле
,
где R - радиус колеса,
H
C
и эти операции повторяют для всех кадров съемки, обеспечивая определение коэффициентов Δ и К на всех стадиях движения колеса.
На фиг.1 представлена расчетная схема для определения коэффициентов трения качения и сопротивления качению по упругой деформации пневматической части колеса в горизонтальном направлении в плоскости, параллельной плоскости его движения. На фиг.2 изображен снимок фрагмента машины с испытуемым колесом при испытаниях.
Суть способа раскрывается описанием следующих операций.
1. Испытуемое транспортное средство размещают на горизонтальной площадке с твердым покрытием. Около испытуемого колеса на кузове помещают отсчетную шкалу.
2. Сбоку от него на штативе размещают видеокамеру объективом против испытуемого колеса и устанавливают в кадре размер изображения. Водитель совершает с транспортным средством движения вперед-назад, при которых испытуемое колесо не выходит за пределы кадра видеокамеры.
3. На твердом покрытии на пневматической части колеса наносят одна против другой пометки, обозначающие нижнюю среднюю точку пневматической части колеса.
4. После этого включают видеозаписывающее устройство на запись съемки транспортного средства. Транспортному средству задают движения вперед-назад на расстояния, при которых линия пересечения пневматической части испытуемого колеса и твердого покрытия не выходит за пределы кадра изображения видеокамеры.
5. Останавливают автомобиль и выключают процесс записи. Носитель записи, например лазерный диск, помещают в компьютер, в котором в соответствии с редактором «Virtual Dub-MPEG2» производят разбиение заснятого процесса на кадры. При обычной съемке каждый кадр снимается через время с дискретностью 0,04 с, при скоростной - с меньшим временем дискретности. Дискретность 0.04 с определена в киносъемках для обеспечения при движении кадров восприятия глазами непрерывного движения изображения. Это используется и в видеотехнике. Так меньшую величину дискретности можно применять при съемке движения автомобиля со скоросью больше 1.5 м/с, при которой сделан снимок фиг.2. На нем уже заметна некоторая размытость изображения, не исказившая результата. Отметим, что, например,в видеокамере «Panasonic» предусмотрена дискретность съемки 0.01 с.
6. В соответствии с программой просмотра «Windows» на экране компьютера устанавливают нужный кадр с нужным его увеличением и производят измерения в колесе согласно схеме фиг.1 либо с помощью пикселей по редактору «Virtual Dub-MPEG2», либо с помощью мерной линейки. В этом случае на экране помещают координатную сетку соответствующих размеров, нанесенную на прозрачную пленку.
7. На экране компьютера проводят перпендикуляр OO' к поверхности (фиг.1). Измеряют части O'B и O'А хорды AB, контактной площадки колеса, сместившейся в направлении движения транспортного средства на величину:
1
В'B=О'O=A'A.
Определяют разность частей O'А и O'В хорды АВ и величину предварительного смещения
O'A-O'B=2Δx;
H
н
8. Определяют масштаб изображения путем измерения размера x элемента на экране и сопоставления с известным размером x в натуре. Это, например, диаметр обода колеса. Определяют натуральную величину Δ предварительного смещения на основе пропорции:
H
x→x
H
Δx→Δ
Из этой пропорции рассчитывают величину предварительного смещения:
H
9. Повторяют операции 6-7 для других кадров съемки. При необходимости строят график для Δ для части или полной дистанции.
н
H
10. Из теории известно (Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М: Машиностроение. 1977. - 528, с.251-252; Плотников П.К. Модель сил трения шара с предварительным смещением качения по шероховатой поверхности // ДАН РФ, 2010, том. 432, №4, с.481-485), что смещение пятна контакта Δ, т.е. величина предварительного смещения, есть в то же время коэффициент трения качения, т.е. Δ=k. Поэтому, зная нормальную нагрузку N на испытуемое колесо, определяют по формуле
момент сил трения качения в колесе. Зная радиус колеса R (фиг.1), определяют силу трения качения:
C
Согласно книге (Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М: Машиностроение. 1977. - 528 с.) величина  есть коэффициент сопротивления качению. Согласно А.С. СССР №976778 «Устройство для определения коэффициента сцепления пневматических колес с дорожным покрытием». МПК G01N 19/02. Авторы Печерский М.А. и др. Бюл. №4, 1981 и фиг.1 . По этой формуле рассчитывают коэффициент сопротивления качению К.
H
с
11. В случае, если требуется определять коэффициенты трения качения Δ=k и сопротивления качению К на большой дистанции, видеокамеру нужно закрепить на корпусе автомобиля с помощью кронштейна, направив объектив на место контакта колеса с покрытием, и повторять операции по п.4-9. При этом можно применять скоростную видеосъемку. Следует заметить, что описанный способ поддается автоматизации операций измерений, что можно произвести с помощью компьютера.
Технико-экономический эффект изобретения состоит в существенном упрощении методики и техники определения коэффициентов трения качения и сопротивления качению, в повышении точности. Т.к. способ является бесконтактным и дистанционным, опирающимся на возможности видеотехники и компьютерные технологии, это дает возможность определять параметры трения в автомобилях, тракторах и другом колесном транспорте без вмешательства в их конструкции при их движении с произвольными скоростями. Зная вес транспортного средства, приходящийся на колесо, по формулам (Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение. 1977, с.251)
;
H
Δ=K;
определяют момент и силу трения качения, т.е. в итоге находят  и . Налицо признаки упрощения процедуры, повышения точности измерений в движении, сокращения времени и экономических затрат.