Механизм нагружения для стендовых испытаний пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к механизмам нагружения для стендовых испытаний пневматических шин и подвесок транспортных средств.
Известен стенд для статических испытаний шин колесных транспортных средств, содержащий механизм нагружения колеса вертикальной силой, обеспечивающий моделирование различных нагрузок, механизм поворота колеса вокруг вертикальной оси и пластинчатый цепной конвейер с плоской жесткой опорной поверхностью пластин, фиксированных от смещения в боковых направлениях и обеспечивающих неограниченную длину качения колеса с минимальным трением, а также датчики действующих усилий, перемещения опорной площадки и деформации шины колеса (патент на полезную модель 161103 РФ (МПК G 01 M 17/02, 2015).
Недостатком данного стенда является невозможность определения динамических характеристик и виброзащитных свойств шин и элементов подвесок при нагружении колеса и подвески реальной подрессоренной массой и задании разного характера кинематического нагружения, имитирующего качение колеса по твердой поверхности с разной высотой и частотой появления неровностей, в том числе по случайному закону, который является основным режимом нагружения транспортных средств.
Наиболее близким из известных технических решений является стенд для испытания пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств, содержащий основание, на котором посредством подвижной в вертикальном направлении рамы установлена траверса, соединенная с грузами, откидывающийся гидроцилиндр, установленный между траверсой и основанием, и механизм нагружения испытуемых элементов, включающий гусеничный движитель и толкатель, связанный с приводом толкателя, установленный в вертикальной направляющей и имеющий на верхней части опорные элементы, выполненные в виде установленных в шахматном порядке жестких роликов, образующих рольганг, на который через гусеничную ленту, охватывающую ведомый барабан и ведущий барабан, связанный с приводом гусеничного движителя, опираются испытуемые элементы, связанные с траверсой. Грузы закреплены сверху траверсы, а механизм нагружения установлен на поворотной раме, ось которой закреплена на нижней части основания стенда и совпадает с вертикальной осью нагружения шины, привод толкателя выполнен в виде гидропульсатора, имеющего шток с поршнем, размещенные в корпусе, который установлен вертикально на поворотной раме стенда сбоку от гусеничного движителя и через сервогидравлический распределитель сообщен с насосом и баком гидростанции, толкатель снабжен двумя горизонтальными рычагами, установленными внутри гусеничного движителя перпендикулярно к гусеничной ленте, одни концы которых через ось соединены с поворотной рамой, другие концы соединены со штоком гидропульсатора посредством двух шатунов, расположенных с двух сторон корпуса гидропульсатора, в средней части горизонтальных рычагов закреплена ось с опорным роликом, взаимодействующим с толкателем, выполненным в виде направляющей буксы, закрепленной на поворотной раме по вертикальной оси нагружения шины, внутри буксы размещен шток толкателя, на верхнем конце которого установлен рольганг, а на нижнем конце закреплена горизонтальная направляющая, опирающаяся на опорный ролик, верхняя ветвь гусеничной ленты фиксируется от смещения в боковом направлении с помощью установленного на поворотной раме бокового катка, ось которого параллельна вертикальной оси нагружения шины, а его ширина больше максимального хода толкателя, между основанием и концом поворотной рамы шарнирно установлен винтовой механизм, ось которого перпендикулярна радиусу, проведенному от оси поворотной рамы до установленного на ней шарнира винтового механизма (патент на изобретение 2767459 РФ, МПК G 01 M 17/02, 2022).
Данный стенд имеет сравнительно низкий технический уровень, обусловленной ограниченными его функциональными возможностями, связанными с высокой сложностью и большой массой конструкции механизма нагружения, выполненного в виде тяжелой металлической гусеницы, вертикальный ход верхней ветви которой ограничен и не позволяет изменять ее продольный и поперечный углы наклона с целью имитации качения испытуемого колеса в гору, под гору или по поперечному уклону дороги с разным профилем неровностей. Кроме того, металлическая гусеница и опорные элементы в виде установленных в шахматном порядке жестких роликов при качении колеса создают большой шум и вибрацию, что ухудшает условия проведения испытаний.
В этой связи важной технической задачей является создание механизма нагружения для испытания пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств, обеспечивающего имитацию качения колеса по опорной поверхности с продольным и поперечным уклоном и разным профилем неровностей, включая короткие одиночные неровности большой высоты или глубины.
Техническим результатом полезной модели является приближение стендовых испытаний колеса к реальным условиям эксплуатации по дорогам с продольным и поперечным уклонами, что повышает достоверность результатов стендовых испытаний пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств.
Указанный технический результат достигается тем, что в механизме нагружения для стендовых испытания пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств, содержащем установленные на поворотной раме ленточный движитель, состоящий из ленты, охватывающей ведомый барабан и ведущий барабан, связанный с приводом движителя, и толкатель, включающий опорные элементы, расположенные под верхней ветвью ленты, и два горизонтальных рычага, одни концы которых через ось соединены с поворотной рамой, а другие концы соединены со штоком гидропульсатора посредством двух шатунов, расположенных с двух сторон гидропульсатора, корпус которого сообщен через сервогидравлический распределитель с насосом и баком гидростанции, горизонтальные рычаги установлены с двух сторон ленточного движителя и их ось качания совпадает с осью ведущего барабана, ведущий и ведомый барабаны выполнены в виде попарно установленных пневматических колес, оси которых установлены на горизонтальных рычагах, опорные элементы выполнены в виде пустотелых опорных роликов, установленных с помощью подшипниковых опор в средней части горизонтальных рычагов перпендикулярно к ленточному движителю, лента которого выполнена из резинокордного материала и с двух сторон имеет боковые бурты, которые взаимодействуют с пневматическими колесами и опорными роликами, при этом ведущий барабан соединен ременной передачей с валом электропривода, а для создания продольного и поперечного уклонов ленты изменяется длина шатунов и под подшипниковые опоры устанавливаются клиновидные прокладки с разной толщиной для левого и правого концов опорных роликов.
Вследствие того, что ленточный движитель, состоящий из ведомого и ведущего барабанов, опорных роликов и ленты, установлен на горизонтальных рычагах, одни концы которых через ось соединены с поворотной рамой, а другие концы соединены со штоком гидропульсатора посредством двух шатунов, обеспечивается возможность задания больших неровностей дороги, ограниченных только ходом штока гидропульсатора, что расширяет функциональные возможности механизма нагружения, приближая условия стендового испытания к реальным условиям эксплуатации пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств, из-за чего повышается достоверность результатов стендовых испытаний.
Вследствие того, что горизонтальные рычаги за счет изменения длины шатунов могут быть установлены под углом к горизонту, то возможно имитировать качение колеса в гору и под гору по ровной и неровной дороге, что повышает достоверность результатов стендовых испытаний из-за приближения стендовых испытаний к реальным условиям.
Благодаря тому, что под подшипниковые опоры устанавливаются клиновидные прокладки с разной толщиной для левого и правого концов опорных роликов, создается поперечный уклон ленты, что расширяет функциональные возможности механизма нагружения и, как следствие, повышает достоверность результатов стендовых испытаний пневматических шин и упругих элементов подвесок транспортных средств.
Изображение размещения механизма нагружения на стенде (без испытуемых элементов) показано на фиг. 1, общий вид механизма нагружения (без ленты) - на фиг. 2, вид механизма нагружения сбоку (без ленты) - на фиг. 3, вид механизма нагружения на стенде сбоку (с испытуемыми элементами) - на фиг. 4, выносные элементы фиг. 3 и 4 - на фиг. 5-8.
Стенд с установленным на нем механизмом нагружения содержит основание 1, имеющее нижнюю плоскую часть и верхнюю часть, выполненную в виде вертикальной стойки 2, на которой установлены вертикальные направляющие элементы в виде двух продольных полозьев с четырьмя подвижными роликовыми опорами 3, соединенными с подвижной рамой 4, выполненной в виде плиты с многочисленными отверстиями для крепления разных типов испытуемых элементов (фиг. 1 и 4). На верхней части подвижной рамы 4 установлена траверса 5 с закрепленным сверху на ней грузом 6, который выполнен составным из отдельных чугунных пластин, что позволяет изменять подрессоренную массу.
На верхней части основания 1 установлена поворотная рама 7, ось 8 которой закреплена на основании 1 и совпадает с вертикальной осью нагружения испытуемого колеса с шиной 9 (фиг. 4). Для дополнительной фиксации поворотной рамы 7 в одном положении предусмотрены держатели, выполненные в виде прижимных планок 10 и болтов 11. Для задания бокового увода колеса с шиной 9 поворотная рама 7 может быть повернута вокруг оси 8 относительно основания 1 на угол α (фиг. 1).
Механизм нагружения (фиг. 1, 2, 3) испытуемых элементов смонтирован на поворотной раме 7 и включает гидропульсатор 12 и ленточный движитель, установленный на двух горизонтальных рычагах 13, одни концы которых соединены через ось 14 с поворотной рамой 7 (фиг. 8), а другие концы соединены со штоком 15 (фиг. 5) гидропульсатора 12 посредством двух шатунов 16, расположенных с двух сторон корпуса гидропульсатора 12.
Установленные в корпусе гидропульсатора 12 поршень 17 со штоком 15 образуют в нем поршневую 18 и штоковую 19 полости (фиг. 5), сообщенные через сервогидравлический распределитель 20 (фиг. 3) с насосом и баком гидростанции (насос и бак на чертежах не показаны). Программное обеспечение сервогидравлического распределителя 20 обеспечивает следующие режимы перемещения штока 15: гармонический; с постоянной скоростью; в виде короткого импульса; случайный закон, имитирующий реальный профиль дороги.
Ленточный движитель (фиг. 1, 2, 3 и 8) состоит из ведомого и ведущего барабанов, выполненных в виде попарно установленных пневматических колес 21, 22, и расположенных между ними опорных элементов, выполненных в виде нескольких пустотелых опорных роликов 23. Пневматические колеса 22 установлены на правом краю горизонтальных рычагов 13, а пневматические колеса 21 и опорные ролики 23 установлены в средней части на горизонтальных рычагах 13 перпендикулярно к ленточному движителю, лента 24 которого охватывает колеса 21, 22 и ролики 23. Лента 24 выполнена из резинокордного материала и с двух сторон имеет боковые бурты 25, которые взаимодействуют с боковыми поверхностями пневматических колес 21, 22 и опорных роликов 23, обеспечивая удержание ленты 24 от бокового смещения (фиг. 7). Натяжение ленты 24 обеспечивается заданием необходимого давления воздуха в пневматических колесах 21 и 22. Вал ведущих пневматических колес 22 совпадает с осью 14 и соединен ременной или цепной передачей 26 с валом электропривода 27 (фиг. 4 и 8).
Для создания продольного уклона ±β ленты 24 необходимо предварительно укоротить или удлинить шатуны 16 (фиг. 3). Для создания поперечного уклона γ ленты 24 под подшипниковые опоры роликов 23 устанавливаются клиновидные прокладки 28, имеющие разную толщину для левого и правого концов опорных роликов 23 (фиг. 7).
Испытуемое колесо с шиной 9 устанавливается на верхнюю ветвь резинокордной ленты 24 в средней ее части, что соответствует нагружению в основном двух средних опорных роликов 23. Колесо с шиной 9 крепится к подвижной раме 4 либо непосредственно через неподвижную часть ступицы, либо с помощью направляющих рычагов 29, на которых установлены упругий и демпфирующий элементы испытуемой подвески (фиг. 4).
Для обеспечения установки и снятия испытуемых элементов подвески и колеса с шиной 9 на основании 1 установлена лебедка 30, а на вертикальной стойке 2 - стрела 31 с блоками, через которые перекинут трос 32 с крюком 33 на его конце (фиг. 1 и 4).
Для фиксации подвижной рамы 4 с траверсой 5 и грузом 6 относительно вертикальной стойки 2 основания 1 при любом их взаимном положении между ними установлен блокирующий механизм, который выполнен в виде двух подпружиненных прижимных планок 34, установленных вертикально на стопорных болтах 35.  Болты 35 установлены подвижно в горизонтальных отверстиях подвижной рамы 4. Левые концы болтов 35 расположены в продольных щелях вертикальной стоки 2, выполненной в виде двутавров, и имеют резьбу для соединения с левой прижимной планкой 34. Правая прижимная планка 34 имеет возможность перемещения вдоль оси болтов 35 до упора в наружные выступы болтов 35. Между планками 34 на болтах 35 установлены пружины сжатия, разжимающие прижимные планки 34 в разные стороны, что обеспечивает зазоры с двух сторон полок двутавров вертикальной стойки 2. С помощью болтов 35 обеспечивается надежная фиксация подвижной рамы 4 относительно вертикальной стойки 2, что необходимо для определения статических упругих характеристик шины 9 и упругого элемента подвески, а также для определения рабочих диаграмм испытуемых элементов при динамических испытаниях. Для восприятия вертикальной нагрузки при фиксации подвижной рамы 4 относительно вертикальной стойки 2 на подвижной раме 4 закреплены верхний и нижний горизонтальные упоры 36, которые установлены в продольных щелях вертикальной стоки 2 с двух сторон вплотную к верхнему и нижнему торцам прижимных планок 34 (фиг. 4 и 6).
Измерительные элементы стенда включает четыре датчика силы, четыре датчика перемещений, два датчика вертикальных ускорений и датчик угла поворота, которые подключены к измерительному комплексу стенда. Для фиксации показаний используется тензометрическая измерительная аппаратура.
Предлагаемый стенд с механизмом нагружения работает следующим образом.
Для установки испытуемых элементов подвески и шины 9 крюк 33 на конце троса 32 лебедки 30 продевают в проушину траверсы 5, далее лебедкой 30 осуществляется предварительное натяжение троса 32. После этого с помощью стопорных болтов 35 блокирующего механизма создают зазор между полками двутавров вертикальной стойки 2 и подпружиненными прижимными планками 34, вследствие чего подвижная рама 4, установленная на четырех роликовых опорах 3, разблокируется относительно вертикальной стойки 2 основания 1 (фиг. 4 и 6). Далее лебедкой 30 посредством троса 32, стрелы 31 и крюка 33 осуществляют подъем подвижной рамы 4 и траверсы 5 с грузом 6 на необходимую высоту для возможности установки на верхнюю ветвь резинокордной ленты 24 испытуемой подвески и колеса с шиной 9, подъем которых также осуществляют с помощью лебедки 30. Затем с помощью направляющих рычагов 29 на подвижной раме 4 закрепляют испытуемую подвеску и колесо с шиной 9 (фиг. 4). Далее устанавливают необходимый угол α поворота рамы 7 вокруг оси 8, обеспечивая заданный угол увода колеса с шиной 9 в пределах 0…20 градусов относительно направления движения резинокордной ленты 24 (фиг. 1). После этого поворотную раму 7 фиксируют на основании 1 с помощью прижимных планок 10 и болтов 11.
Определение статических упругих характеристик испытуемой подвески и шины 9 возможно с помощью гидропульсатора 12.
При использовании гидропульсатора 12 подвижную раму 4 фиксируют относительно вертикальной стойки 2 с помощью стопорных болтов 35, прижимающих с двух сторон подпружиненные планки 34 к полкам двутавров вертикальной стойки 2. При этом в зависимости от направления движения штока 15 гидропульсатора 12 вертикальная нагрузка в основном воспринимается верхним и нижними упорами 36. Далее с помощью гидростанции медленно перемещают шток 15 гидропульсатора 12, который через шатуны 16 поднимает или опускает концы горизонтальных рычагов 13, поворачивая ленточный движитель относительно оси 14, что приводит к сжатию или растяжению испытуемых элементов подвески и колеса с шиной 9, установленной сверху ленты 24 в средней ее части (фиг. 1, 2, 3, 4 и 8). При этом гидропульсатор 12 работает следующим образом.
На ходе сжатия испытуемых элементов жидкость от насосной станции через сервогидравлический распределитель 20 поступает в поршневую полость 18 гидропульсатора 12, поршень 17 со штоком 15 перемещаются вверх и вытесняют жидкость из штоковой полости 19 в бак насосной станции. На ходе растяжения испытуемых элементов жидкость от насосной станции через сервогидравлический распределитель 20 поступает в штоковую полость 19 гидропульсатора 12, поршень 17 со штоком 15 перемещаются вниз и вытесняют жидкость из поршневой полости 18 в бак (фиг. 5).
При этом одновременно измеряют деформации испытуемых элементов соответствующими датчиками перемещений и нагрузку по оси нагружения датчиком силы. По результатам измерений в координатах «сила - деформация» строят статические упругие характеристики для каждого испытуемого элемента.
Для проведения испытаний при свободных колебаниях методом толчка с помощью гидропульсатора 12 задается импульс вверх или вниз, в результате чего шток 15 вместе с шатунами 16 резко поднимается или опускается, поворачивая горизонтальные рычаги 13 вместе с ленточным движителем относительно оси 14, что вызывает резкий толчок испытуемого колеса с шиной 9, опирающейся через резинокордную ленту 24 на ролики 23 (фиг. 4 и 7). В результате груз 6 через испытуемые элементы получает импульс силы вверх или вниз, что вызывает его свободные затухающие колебания вместе с подвижной рамой 4, которые также фиксируются измерительной системой стенда.
Для определения динамических характеристик испытуемой подвески и колеса с шиной 9 с помощью лебедки 30, стрелы 31 и троса 32 с крюком 33 осуществляют подъем или опускание подвижной рамы 4 и траверсы 5 с грузом 6 на необходимую высоту и блокируют подвижную раму 4 относительно вертикальной стойки 2 с помощью подпружиненных прижимных планок 34 и стопорных болтов 35 блокирующего механизма (фиг. 6). С помощью гидропульсатора 12 задают необходимое предварительное сжатие испытуемой подвески и колеса с шиной 9, а затем обеспечивают режим нагружения с разной частотой и амплитудой перемещения его штока 15, в том числе и при случайном характере их распределения. Перемещение штока 15 вызывает угловые перемещения горизонтальных рычагов 13 вокруг оси 14 вместе с ленточным движителем. При включении электропривода 27 ведущие пневматические колеса 22 через ременную или цепную передачу 26 приводят в движение резинокордную ленту 24, передача тяговой силы и натяжение которой обеспечивается заданием необходимого давления воздуха в колесах 21 и 22. Движение ленты 24, выполненной из резинокордного материала, вызывает вращение испытуемого колеса с шиной 9. При этом лента 24 взаимодействует своими боковыми буртами 25 с боковыми поверхностями пневматических колес 21, 22 и опорных роликов 23 (фиг. 7), что обеспечивает ее удержание от бокового смещения. Скорость движения ленты 24, а значит и скорость качения испытуемого колеса с шиной 9, может изменяться плавно путем регулирования оборотов электродвигателя 27 с помощью частотного преобразователя (фиг. 1, 2 и 3).
При необходимости создания продольного уклона ±β ленты 24 необходимо предварительно укоротить или удлинить шатуны 16 (фиг. 3), а для создания поперечного уклона γ ленты 24 под подшипниковые опоры роликов 23 устанавливаются клиновидные прокладки 28, имеющие разную толщину для левого и правого концов опорных роликов 23 (фиг. 7). В результате обеспечивается имитация качения колеса по дороге в гору или под гору с продольным уклоном ±β и с поперечным уклоном γ, изменяемых в пределах 0…15 % и 0…10 % относительно горизонтальной плоскости, соответственно.
При этом с помощью датчиков силы и датчиков перемещений определяют динамические характеристики испытуемых элементов (рабочие диаграммы, динамические упругие характеристики и демпфирующие характеристики).
Для определения амплитудно- и фазо-частотных характеристик колебаний подрессоренной и неподрессоренной масс испытуемая подвеска и колесо с шиной 9 нагружаются подрессоренной массой, величина которой задается весом чугунных пластин 6, закрепленных на траверсе 5. Далее гидропульсатором 12 механизма нагружения задается гармонический закон вертикального перемещения ленточного движителя с разной частотой, вызывающий вынужденные колебания подрессоренной и неподрессоренной масс. Вертикальные перемещения средней части горизонтальных рычагов, на которые через ленту 24 опирается колесо с шиной 9 (кинематическое возмущение), траверсы 5 с грузом 6 (подрессоренной массы) и оси колеса с шиной 9 (неподрессоренной массы), а также их ускорения фиксируются с помощью датчиков. Эти данные поступают в измерительный комплекс стенда, записывающий осциллограммы колебаний подрессоренной и неподрессоренной масс и кинематическое возмущение, на основании чего можно построить амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики абсолютных и относительных перемещений и ускорений, характеризующие виброзащитные свойства упругих элементов подвески и не вращающегося колеса с шиной 9. Аналогично проводят испытания и при вращающемся колесе с шиной 9, для чего включают ленточный движитель.
Для определения коэффициента сопротивления качению шины по твердой поверхности дороги при отсутствии кинематического возмущения испытуемое колесо с шиной 9 прижимают к резинокордной ленте 24 штоком 15 гидропульсатора 12 до заданной нагрузки, определяемой по датчику силы, и блокируют подвижную раму 4 относительно вертикальной стойки 2 основания 1 стопорными болтами 35 и прижимными планками 34 блокирующего механизма. Включают электропривод 27 резинокордной ленты 24 и с помощью частотного преобразователя задают необходимую скорость качения испытуемого колеса с шиной 9. При этом с помощью датчика силы определяют суммарную тангенциальную силу. Делением последней на вертикальную силу определяют коэффициент сопротивления качению. Данное испытание проводят при различных скоростях качения испытуемого колеса с шиной 9 и по результатам измерений строят график в координатах «коэффициент сопротивления качению - скорость».
Для определения коэффициента сопротивления качению шины при силовом возбуждении колебаний и отсутствии кинематического возмущения на обод испытуемого колеса с шиной 9 эксцентрично закрепляют небольшой груз для задания необходимой величины дисбаланса. Далее испытания проводят аналогично указанному выше.
Для определения коэффициента сопротивления качению шины при кинематическом возбуждении колебаний испытуемое колесо с шиной 9 прижимают к резинокордной ленте 24 подрессоренной массой. Включают электропривод 27 резинокордной ленты 24 и испытания проводят аналогично указанному выше.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, заключающийся в приближении стендовых испытаний колеса к реальным условиям эксплуатации по дорогам с продольным и поперечным уклонами, а также в упрощении конструкции механизма нагружения и снижении шума и вибрации при его работе, что расширяет функциональные возможности механизма нагружения, повышает его надежность и улучшает условия проведения испытаний.