УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ПОВЕРХНОСТЬЮ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
DEVICE FOR DETERMINING COEFFICIENT OF TIRE FRICTION ON THE ROADWAY SURFACE

Изобретение относится к дорожному строительству, а именно к дорожной технике, и может быть использовано для измерения коэффициента сцепления при оценке сцепных качеств дорожных покрытий.
Сцепление колеса автомобиля с дорожным покрытием характеризуется величиной показателя коэффициента сцепления. Коэффициент сцепления (продольный) - отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дороги на площади контакта сблокированного колеса с дорожным покрытием, к нормальной реакции в площади контакта колеса с покрытием. Этот коэффициент определяют при полной блокировке измерительного колеса на предварительно смоченной поверхности покрытия автомобильной дороги при стандартных условиях путем вычисления отношения полученной величины касательного усилия к величине нормальной реакции дорожного покрытия. Коэффициент сцепления проезжей части автомобильной дороги зависит в значительной степени от шероховатости, ровности и чистоты покрытия. Основные причины снижения коэффициента сцепления: изношенность покрытия, загрязненность проезжей части, замасленность, избыток органического вяжущего в покрытии, обледенение проезжей части.
Существуют разные устройства для измерения коэффициента сцепления, например с использованием портативных приборов. В этой группе приборов с помощью имитаторов моделируют взаимодействие автомобильной шины с дорожным покрытием.
Известен портативный прибор для измерения коэффициента сцепления колеса ударного действия МАДИ (Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М., Транспорт, 1985, с. 201-202), состоящий из двух резиновых имитаторов толкающих тяг, соединенных шарнирами с подвижной муфтой и резиновыми имитаторами, а также опорной штанги, в верхней части которой закрепляют подвижный груз, пружин и регистрирующей шайбы. Снятие показаний производится по шкале. Принцип действия прибора основан на использовании энергии падающего груза. При падении груз ударяет о муфту, которая заставляет толкающие штанги преодолевать сопротивление пружины и вынуждать имитаторы шин скользить по покрытию.
Недостатком аналога является низкая производительность прибора, значительный вес, а также большая трудоемкость в сборке и разборке прибора.
Существуют также устройства для измерения коэффициента сцепления колеса на искуственных покрытиях для проверки состояния дорожных покрытий, а также состояния взлетно-посадочных полос аэродромов.
Известно устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью искусственного покрытия (Патент RU №2562355, опубл. 10.09.2015 г.). Устройство содержит измерительное колесо, блок регистрации и управляемый блок питания. Также в устройство включены ведущая автомобильная ось, второе измерительное колесо, управляемый тормоз, первый и второй датчики крутящего момента. Управляемый тормоз через ведущую автомобильную ось механически соединен с измерительными колесами. Аппаратура устройства размещена на раме, которая опирается на измерительные колеса и воздействует на поверхность искусственного покрытия как нормальная сила нагрузки.
Недостатком данного устройства является то, что оно измеряет коэффициент сцепления качения, используемый при проверке состояния взлетно-посадочных полос на аэродромах, а согласно требованиям ГОСТ 33078-2014 на автомобильных дорогах должен измеряться коэффициент сцепления скольжения при полностью заблокированном измерительном колесе.
Для измерения коэффициента сцепления скольжения колеса разработаны устройства с использованием автомобиля и динамометрической тележки. Динамометрическая тележка представляет собой прибор для контроля ровности и скользкости дорожного покрытия ПКРС и выполнена в виде одноколесного прицепа с установленными датчиками ровности и сцепления, буксируемого автомобилем. Вертикальная нагрузка на измерительное колесо составляет около 3 кН.
Наиболее близким по технической сущности является выбранное в качестве прототипа устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием типа ПРКС-2 (Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля. М., Транспорт, 1985 г., с. 196-198). Данное устройство представляет собой прицепную установку, снабженную измерительным колесом от легкового автомобиля с диаметром обода 330 мм, находящимся под нагрузкой 2,94 кН. Измерительное колесо установлено на подрессоренной оси с мягкой подвеской и закреплено на раме прицепа с траверсой и кронштейном сцепки. Рама прицепа выполнена в виде соединенных между собой двух параллельных конструкций, образующих параллелограмм в вертикальной плоскости. Устройство также содержит систему торможения, включающую тормозной привод с гидравлическим цилиндром, расположенными в буксирующем автомобиле, и гидравлический тормоз колеса. Система полива дорожного покрытия включает бак для воды, расширительный бак с запорным клапаном, расположенный на раме прицепа, блок управления поливом и контроля расхода воды, смонтированные в салоне автомобиля тягача. На оси измерительного колеса закреплен одним концом рычаг, на втором конце которого установлена динамометрическая пластина с датчиком тормозной силы - электронным измерителем линейных перемещений, который соединен с блоком управления. Датчиком тормозной силы производится измерение отклонения динамометрической пластины при полной блокировке измерительного колеса.
Недостатком прототипа является невысокая надежность работы привода системы торможения, возможное возникновение заноса устройства при торможении, а также значительная погрешность в измерении тормозной силы, что снижает надежность работы всего устройства.
Технической задачей данного решения является повышение надежности работы устройства для измерения коэффициента сцепления покрытия дорожной одежды, за счет повышения надежности работы системы торможения, с одновременным устранением заноса устройства при торможении, а также уменьшения погрешности в измерении тормозной силы.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью дорожного покрытия содержит измерительное колесо, установленное на подрессоренной оси подвески, закрепленной на раме прицепа с траверсой и кронштейном сцепки. На раме установлена нагрузка на колесо. Система торможения включает тормозной привод с гидравлическим цилиндром, соединенным с гидравлическим тормозом колеса. На раме прицепа расположен расширительный бак системы полива дорожного покрытия. На оси измерительного колеса закреплен одним концом рычаг, на втором конце которого установлена динамометрическая пластина с датчиком тормозной силы, соединенным с блоком управления. Рама прицепа выполнена в виде соединенных между собой двух параллельных конструкций, образующих параллелограмм в вертикальной плоскости. Новым является то, что тормозной привод, расположенный на раме прицепа, дополнительно содержит мотор-редуктор, соединенный с блоком управления, и кривошипно-шатунный механизм, соединенный с гидравлическим циллиндром тормозного привода. На траверсе сцепки установлен суппорт, между тормозными колодками которого расположен диск кронштейна сцепки, закрепленный с возможностью поворота на траверсе сцепки. Гидравлический привод суппорта соединен с гидравлическим цилиндром тормозного привода.
Кроме этого в качестве датчика тормозной силы использован лазерный датчик, измеряющий прогиб динамометрической пластины. Дополнительно установлен датчик угла поворота измерительного колеса, соединенный с блоком управления. В тормозной привод дополнительно введен электронный модуль, снимающий при перегрузке подачу питания на мотор-редуктор.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 - вид устройства сверху, на фиг. 3 представлена конструкция тормозного привода.
Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью дорожного покрытия состоит из (фиг. 1, 2) измерительного колеса 1 с диаметром обода 330 мм, установленного на подрессоренной оси подвески 2. Подвеска 2 закреплена на раме 3 прицепа. Ось подвески 2 позволяет колесу совершать вертикальные колебания относительно рамы 3. Рама 3 прицепа выполнена в виде соединенных между собой двух параллельных конструкций, образующих параллелограмм в вертикальной плоскости с помощью двух вилок 4. Рама 3 крепится к траверсе сцепки 5, которая соединена с кронштейном сцепки 6, для соединения с буксирующим автомобилем. Благодаря параллелограммной сцепке рама 3 постоянно сохраняет положение, параллельное поверхности дороги. На раме 3 размещены грузы 7 для создания необходимого усилия прижатия измерительного колеса к дороге. Измерительное колесо находится под нагрузкой, например, 2,94 кН. Система торможения содержит гидравлический тормоз 9, расположенный на оси измерительного колеса 1, который соединен с гидравлическим цилиндром 20 тормозного привода 13 (фиг. 3). Тормозной привод 13 установлен и закреплен на раме 3 прицепа и содержит также мотор-редуктор 21, соединенный с кривошипно-щатунным механизмом 22, и электронный модуль 14, соединенный с мотор-редуктором. Мотор-редуктор 21 соединен с блоком управления 19, который может быть расположен в буксирующем автомобиле. Кривошипно-шатунный механизм 22 соединен с гидравлическим цилиндром 20 и создает усилие для перемещения штока гидравлического цилиндра. Электронный модуль 14, реализующий тип релейной защиты «токовая отсечка», снимает подачу питания на мотор-редуктор 21 при превышении заданного порога по току и предохраняет его от выхода из строя. Система полива содержит бак для воды, расположенный в буксирующем автомобиле и соединенный с расширительным баком 15, расположенным в передней части прицепа. Расширительный бак имеет сопло 18 с запорным клапаном для равномерного вытекания воды. Запорный клапан соединен с тормозным приводом 13. На одной оси с колесом 1 закреплен одним концом рычаг 8. На втором конце рычага 8 установлена динамометрическая пластина 10, рядом с которой расположен бесконтактный лазерный датчик 11, измеряющий прогиб динамометрической пластины. На оси измерительного колеса 1 установлен также датчик угла поворота (энкодер) 17. На траверсе сцепки 5 установлен суппорт 16, который состоит из корпуса, гидравлического привода и тормозных колодок. Между тормозными колодками суппорта расположен диск 12 кронштейна сцепки 6, который закреплен с возможностью поворота на траверсе сцепки 5. Гидравлический привод суппорта 16 соединен с гидравлическим цилиндром 20 тормозного привода 13. Лазерный датчик 11, датчик угла поворота 17 и мотор-редуктор 21 тормозного привода соединены с блоком управления 19, расположенным в буксирующем автомобиле.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы водитель буксирующего автомобиля выезжает на исходную позицию. Буксирующий автомобиль начинает движение на рабочей скорости 60 км/ч. Водитель с помощью электронного спидометра поддерживает требуемую скорость движения автомобиля в диапазоне ±2 км/ч. Вода из бака, расположенного в буксирующем автомобиле, самотеком поступает в расширительный бак 15. От блока управления 19 подают команду начала цикла измерений на мотор-редуктор 21 тормозного привода 13. Тормозной привод 13 через кривошипно-шатунный механизм 22 последовательно открывает запорный клапан расширительного бака 15 для полива дорожного покрытия и создает необходимое усилие на гидравлический цилиндр 20 тормозного привода 13. Вода из расширительного бака 15 через сопло 18 равномерно распределяется на траектории торможения колеса 1 и создает водяную пленку толщиной 1 мм. Перемещением штока гидравлического цилиндра 20 в системе торможения создают избыточное давление в гидравлическом тормозе 9 измерительного колеса 1 и гидравлическом приводе суппорта 16. За счет этого блокируют вращение измерительного колеса 1 с помощью гидравлического тормоза 9 и занос устройства за счет блокировки диска 12 кронштейна сцепки суппортом 16. Надежность блокировки измерительного колеса 1 контролируют датчиком угла поворота 17. При вращении колеса датчик вырабатывает импульсы пропорционально углу поворота, а при надежной блокировке колеса в процессе торможения сигналы с датчика 17 на блок управления 19 не поступают, что позволяет контролировать полную блокировку измерительного колеса 1. При блокировке измерительного колеса 1 рычаг 8 поворачивается и воздействует на динамометрическую пластину 10. Изгиб пластины, зависящий от сцепления колеса с дорогой, определяют с помощью бесконтактного лазерного датчика 11. Длительность цикла торможения составляет 3-4 секунды.
В блоке управления 19 фиксируют величину изгиба динамометрической пластины 10 в течение цикла торможения и определяют коэффициент сцепления как отношение полученной величины касательного усилия к величине нормальной реакции дорожного покрытия, зависящего от нагрузки 7 на колесо. При этом оператор имеет возможность визуально наблюдать за работой устройства с помощью видеокамеры. Использование бесконтактного лазерного датчика 11 для измерения прогиба динамометрической пластины 10 уменьшает погрешность измерения тормозной силы по сравнению с датчиком линейных перемещений и не требует демонтажа на перегоны. Тормозной привод 13, расположенный на раме прицепа и получающий команду от блока управления 19, позволяет более надежно осуществлять торможение измерительного колеса по сравнению с тормозным приводом, который приводится в действие водителем в кабине буксирующего автомобиля. Кривошипно-шатунный механизм 22 тормозного привода 13 обеспечивает максимальное усилие в конце хода нарастания избыточного давления в тормозной гидравлической системе и обеспечивает полное торможение колеса, что контролируется также работой датчика угла поворота 17 на блоке управления 19. Данное устройство обеспечивает рациональное использование крутящего момента мотор-редуктора 21, а электронный модуль 14, который снимает подачу питания на мотор-редуктор при превышении заданного порога по току, предохраняет его от перегорания. Все это повышает надежность работы системы торможения устройства. Суппорт 16, соединенный с тормозным приводом 13, обеспечивает одновременное предотвращение заноса устройства с блокировкой колеса на время цикла торможения, что также позволяет снизить погрешность измерения и повысить надежность работы предлагаемого устройства. Таким образом, предлагаемая конструкция тормозного привода системы торможения и сцепки обеспечивают надежную блокировку измерительного колеса и позволяет повысить надежность работы устройства в целом.