УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ПОВЕРХНОСТЬЮ И ЕГО ДАТЧИК СИЛЫ ТРЕНИЯ КОЛЕСА О ПОВЕРХНОСТЬ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения фрикционных параметров при взаимодействии колеса транспортного средства с поверхностью преимущественно с целью оценивания состояния поверхности взлетно-посадочных полос аэродромов или дорожных покрытий.
Известны устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью (US 4098111, 1978; SU 1236043 A1, 1986), которые в общей для них части содержат несущую раму, по меньшей мере, одно задающее колесо, установленное на несущей раме с возможностью вращения, измерительное колесо, установленное на несущей раме с возможностью вращения и соединенное кинематически с задающим колесом с помощью привода на основе замкнутой цепи, и датчик силы трения в виде упругого элемента со встроенным тезночувствительным элементом, находящегося во взаимодействии с цепью посредством ролика или звездочки и поэтому чувствительного к крутящему моменту, создаваемому силой трения измерительного колеса о поверхность.
При движении указанных известных устройств по исследуемой поверхности крутящий момент, вызванный силой сцепления задающего колеса с поверхностью, с помощью привода передается от задающего колеса на измерительное колесо. Вследствие того, что радиус измерительного колеса меньше радиуса задающего колеса, измерительное колесо проскальзывает относительно поверхности, в результате чего возникает сила трения, которая создает тормозящий момент, приложенный к измерительному колесу. Сила трения измеряется датчиком силы трения в результате деформации его упругого элемента из-за изменения натяжения цепи привода, обусловленного приложенным к измерительному колесу тормозящим моментом. Поскольку коэффициент сцепления колеса с поверхностью является отношением силы трения колеса о поверхность к силе нормального давления измерительного колеса на поверхность, определяемой при стендовых испытаниях указанных известных устройств или с помощью соответствующих датчиков, электрический сигнал с датчика силы трения оказывается прямо пропорциональным коэффициенту сцепления. При этом коэффициент пропорциональности между значением коэффициента сцепления и сигналом с датчика силы трения зависит от силы нормального давления измерительного колеса на поверхность и радиуса измерительного колеса.
Поэтому, во-первых, погрешность учета радиуса измерительного колеса, возникающая, например, вследствие его износа, приводит к возникновению погрешности определения коэффициента сцепления.
Во-вторых, такое косвенное определение коэффициента сцепления на основании электрического сигнала с датчика силы трения, установленного на удалении от измерительного колеса и связанного с ним многочисленными элементами привода (цепь, звездочки, ролики), приводит к возникновению погрешности определения коэффициента сцепления, которая обусловлена наличием люфтов и зазоров в этих элементах, зависящих от условий и длительности эксплуатации указанных известных устройств.
В-третьих, проскальзывание задающего колеса относительно поверхности также приводит к изменению электрического сигнала с датчика силы трения, что вызывает существенную погрешность определения коэффициента сцепления, в особенности при наличии на поверхности, по которой движется задающее колесо, воды, снега, льда или горюче-смазочных материалов.
И, наконец, в-четвертых, указанные известные устройства характеризуются сложностью конструкции привода измерительного колеса.
Поэтому недостатками указанных выше известных устройств являются недостаточная точность определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью и сложность их конструкции.
Наиболее близким по конструкции к устройству для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, являющемуся предметом настоящей полезной модели, является известное устройство для измерения коэффициента сцепления дорожных и аэродромных покрытий (SU 1604881 А1, 1990). Устройство, являющееся ближайшим аналогом, содержит рамный прицеп с двумя задающими колесами и двумя одинаково нагруженными измерительными колесами, имеющими равные диаметры, два дифференциала, к одному из которых присоединены с помощью полуосей два задающих колеса, а к другому - два измерительных колеса, тормозящий элемент в виде коробки передач с передаточным числом, не равным единице, два карданных вала, соединяющие дифференциалы с коробкой передач, и динамометрический элемент с узлом присоединения прицепа к буксирующему транспортному средству.
При определении коэффициента сцепления с помощью устройства, являющегося ближайшим аналогом, прицеп буксируют за узел присоединения динамометрического элемента. Крутящие моменты от измерительных колес через дифференциалы и карданные валы передаются на коробку передач, которая за счет соответствующего передаточного числа создает тормозящий момент, обеспечивающий вращение измерительных колес с пробуксовкой. Коэффициент сцепления измерительных колес с поверхностью оценивают по силе трения измерительных колес о поверхность при пробуксовке, определяемую по показаниям динамометрического элемента.
Однако, точность определения коэффициента сцепления колеса с покрытием с помощью ближайшего аналога оказывается недостаточной из-за погрешностей измерения силы трения измерительных колес о поверхность, которые обусловлены, во-первых, зависящими от условий и длительности эксплуатации трением, люфтами и зазорами в механических узлах, обеспечивающих передачу крутящего момента между измерительными колесами и коробкой передач, и, во-вторых, сопротивлением воздуха при движении прицепа. Кроме того, проскальзывание задающих колес относительно исследуемой поверхности также вызывает существенную погрешность определения коэффициента сцепления, в особенности при наличии на поверхности, по которой движется задающее колесо, воды, снега, льда или горюче-смазочных материалов.
Известен датчик силы трения измерительного колеса о поверхность, который использован в устройстве для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью (US 4098111, 1978) и содержит кронштейн, консольно установленный на кронштейне упругий элемент в виде пластины со встроенным тензочувствительным элементом и звездочку, установленную на конце упругого элемента с возможностью взаимодействия с замкнутой цепью привода измерительного колеса.
При проскальзывании измерительного колеса относительно покрытия возникает сила трения, которая создает тормозящий момент, приложенный к измерительному колесу и передаваемый на цепь привода. В результате увеличивается натяжение цепи, которое вследствие взаимодействия звездочки датчика силы трения с цепью приводит к деформации упругого элемента. Формируемый тензочувствительным элементом электрический сигнал оказывается пропорциональным величине деформации упругого элемента и, следовательно, тормозящему моменту, который связан с силой трения измерительного колеса о поверхность через радиус измерительного колеса.
Наиболее близким по конструкции к датчику силы трения колеса о поверхность, являющемуся предметом настоящей полезной модели, является датчик силы трения измерительного колеса о поверхность, который использован в известном устройстве для определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием (SU 1236043 А1, 1986). Датчик силы трения колеса о поверхность, являющийся ближайшим аналогом, содержит направляющую в виде тяги, концы которой установлены с возможностью скольжения во втулках, установленных на осях задающего и измерительного колес. На направляющей закреплен кронштейн с поддерживающим роликом и упругим элементом в виде пластины со встроенным тензочувствительным элементом. На конце упругого элемента установлен подвижный ролик. При этом поддерживающий ролик и подвижный ролик установлены с возможностью взаимодействия с замкнутой цепью привода измерительного колеса вследствие того, что цепь натянута между этими роликами.
При проскальзывании измерительного колеса относительно покрытия возникает сила трения, которая создает тормозящий момент, приложенный к измерительному колесу и передаваемый на цепь привода. В результате увеличивается натяжение цепи, которое вследствие взаимодействия поддерживающего и подвижного роликов датчика силы трения с цепью приводит к деформации упругого элемента. Формируемый тензочувствительным элементом аналоговый электрический сигнал оказывается пропорциональным величине деформации упругого элемента и, следовательно, тормозящему моменту, который связан с силой трения измерительного колеса о поверхность через радиус измерительного колеса.
Однако, точность измерения силы трения измерительных колес о поверхность с помощью ближайшего и рассмотренного выше аналога оказывается недостаточной из-за погрешностей, которые обусловлены, во-первых, зависящими от условий и длительности эксплуатации трением, люфтами и зазорами в механических узлах, обеспечивающих передачу тормозящего момента от измерительного колеса и вследствие этого деформацию упругого элемента, а, во-вторых, погрешностью учета радиуса измерительного колеса, возникающей, например, вследствие его износа.
Задачей настоящей полезной модели является уменьшение погрешностей измерений.
Поставленная задача решена, согласно настоящей полезной модели, во-первых, тем, что устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, несущую раму, два измерительных колеса, дифференциал, механически соединенный с измерительными колесами с помощью полуосей, элемент торможения, механически соединенный с дифференциалом, и измеритель силы трения, отличается от ближайшего аналога тем, что измеритель силы трения выполнен в виде двух датчиков силы трения колеса о поверхность, причем силовоспринимающие элементы одного датчика силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме и ступице одного измерительного колеса, а силовоспринимающие элементы другого датчика силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме и ступице другого измерительного колеса.
При этом датчик силы трения колеса о поверхность содержит рамку, выполняющую функцию одного силовоспринимающего элемента и закрепленную на несущей раме, по меньшей мере, одну направляющую, установленную внутри рамки, каретку, выполняющую функцию другого силовоспринимающего элемента, установленную на направляющей с возможностью перемещения и закрепленную на ступице измерительного колеса, тензочувствительный элемент, установленный между рамкой и кареткой, и аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу тензочувствительного элемента.
При наилучшем осуществлении настоящей полезной модели датчик силы трения колеса о поверхность содержит две направляющие, установленные параллельно. Каретка датчика силы трения колеса о поверхность установлена на направляющих с помощью подшипников. Аналого-цифровой преобразователь установлен на тензочувствительном элементе и выполнен с возможностью преобразования аналогового электрического сигнала в последовательный цифровой код.
Выполнение измерителя силы трения устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, являющегося предметом настоящей полезной модели, в виде двух датчиков силы трения колеса о поверхность, когда силовоспринимающие элементы одного датчика силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме и ступице одного измерительного колеса, а силовоспринимающие элементы другого датчика силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме и ступице другого измерительного колеса, обеспечивает измерение сил трения о поверхность, действующих на измерительные колеса, непосредственно на ступицах измерительных колес. В результате этого исключаются погрешности измерений силы трения колеса о поверхность, которые обусловлены, во-первых, зависящими от условий и длительности эксплуатации трением, люфтами и зазорами в механических узлах, обеспечивающих передачу крутящего момента от полуосей измерительных колес к элементу торможения. Во-вторых, поскольку сила сопротивления воздуха при движении действует, прежде всего, на установленный на несущей раме кузов прицепа, погрешность измерения силы трения о поверхность, обусловленная сопротивлением воздуха существенно уменьшается.
Поставленная задача решена, согласно настоящей полезной модели, во-вторых, тем, что датчик силы трения колеса о поверхность, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, тензочувствительный элемент и, по меньшей мере, одну направляющую, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен рамкой, внутри которой установлена направляющая, кареткой, установленной на направляющей с возможностью перемещения и выполненной с возможностью закрепления на ступице колеса, и аналого-цифровым преобразователем, подключенным входом к выходу тензочувствительного элемента, причем тензочувствительный элемент установлен между рамкой и кареткой.
При наилучшем осуществлении полезной модели датчик силы трения колеса о поверхность содержит две направляющие, установленные параллельно. Каретка установлена на направляющих с помощью подшипников. Аналого-цифровой преобразователь установлен на тензочувствительном элементе и выполнен с возможностью преобразования аналогового электрического сигнала в последовательный цифровой код.
Снабжение датчика силы трения колеса о поверхность рамкой, внутри которой установлена направляющая, кареткой, установленной на направляющей с возможностью перемещения и выполненной с возможностью закрепления на ступице колеса, и аналого-цифровым преобразователем, подключенным входом к выходу тензочувствительного элемента, когда тензочувствительный элемент установлен между рамкой и кареткой, в отличие от рассмотренных аналогов обеспечивают возможность определения силы трения колеса о поверхность не посредством измерения тормозящего момента, который связан с силой трения измерительного колеса о поверхность через радиус измерительного колеса, а путем непосредственного измерения силы, действующей на ступицу измерительного колеса. В результате этого, во-первых, исключается погрешность измерения силы трения колеса о поверхность, которая обусловлена погрешностью учета радиуса измерительного колеса, возникающей, например, вследствие его износа. Во-вторых, исключаются погрешности измерений силы трения колеса о поверхность, которые обусловлены зависящими от условий и длительности эксплуатации трением, люфтами и зазорами в механических узлах, обеспечивающих передачу крутящего момента от полуосей измерительных колес к элементу торможения.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью и датчика силы трения колеса о поверхность перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показан схематичный общий вид снизу устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, где 1 - несущая рама, 2 - буксировочное приспособление, 3 - полуось, 4 - измерительное колесо, 5 - дифференциал, 6 - элемент торможения, 7 - датчик силы трения колеса о поверхность и 8 - ступица.
На фиг.2 показан датчик силы трения колеса о поверхность со стороны расположения измерительного колеса 4, установленный на несущей раме 1, где 9 - рамка, 10 - направляющая, 11 - каретка, 12 - тензочувствительный элемент, 13 - аналого-цифровой преобразователь, 14 - отверстие для полуоси, 15 - отверстие крепления ступицы, 16 - кронштейн, 17 - болт крепления тензочувствительного элемента и 18 - болт крепления датчика.
На фиг.3 показан схематичный горизонтальный разрез ступицы 8 измерительного колеса 4 с закрепленной на ней кареткой 11, где 19 - фланец полуоси, 20 - подшипник ступицы, 21 - диск колеса, 22 - болт крепления каретки, 23 - шпилька и 24 - гайка.
Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, являющееся предметом настоящей полезной модели, выполнено в виде прицепа и содержит несущую раму 1 с буксировочным приспособлением 2, установленный на несущей раме 1 дифференциал 5 и элемент 6 торможения, установленный на несущей раме 1 и механически соединенный с дифференциалом 5. Элемент 6 торможения может быть выполнен в виде типовой пневматической или гидравлической тормозной системы транспортного средства, в виде коробки передач (как в ближайшем аналоге) или, как в известных устройствах, в виде электромагнитного тормоза, например, на основе электромагнитной порошковой муфты (RU 2211891 С1, 2003) или на основе генератора постоянного тока с подключенной к его выходу активной нагрузкой (RU 2259569 С1, 2005). Устройство содержит два измерительных колеса 4, закрепленных на несущей раме 1 с помощью элементов подвески и механически соединенных с дифференциалом 5 посредством полуосей 3. Кроме того, устройство содержит измеритель силы трения, который выполнен в виде двух датчиков 7 силы трения колеса о поверхность, причем силовоспринимающие элементы одного датчика 7 силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме 1 и ступице 8 одного измерительного колеса 4, а силовоспринимающие элементы другого датчика 7 силы трения колеса о поверхность закреплены на несущей раме 1 и ступице 8 другого измерительного колеса 4.
Датчик 7 силы трения колеса о поверхность, являющийся предметом настоящей полезной модели, содержит рамку 9, выполняющую функцию одного силовоспринимающего элемента и закрепленную на несущей раме 1 с использованием болтов 18 крепления датчика, и, по меньшей мере, одну направляющую 10 или, при наилучшем осуществлении полезной модели, две направляющие 10, установленные параллельно внутри рамки 9 (см. фиг.2). Датчик 7 силы трения колеса о поверхность содержит каретку 11, выполняющую функцию другого силовоспринимающего элемента, установленную на направляющих 10 с возможностью перемещения с использованием подшипников (на чертежах не показаны) и закрепленную на ступице 8 измерительного колеса 4 с помощью болтов 22 крепления каретки (см. фиг.3), установленных в отверстиях 15 крепления ступицы. В каретке 11 выполнено отверстие 14 для полуоси 3. Полуось 3 с напрессованным на нее фланцем 19 полуоси установлена в отверстии ступицы 8 измерительного колеса 4 с возможностью вращения с использованием подшипника 20 ступицы. Фланец 19 полуоси снабжен шпильками 23, на которые надет диск 21 колеса, зафиксированный на фланце 19 полуоси с помощью гаек 24.
Датчик 7 силы трения колеса о поверхность снабжен (см. фиг.2) тензочувствительным элементом 12, который установлен между рамкой 9 и кареткой 11 и прикреплен своими силовоспринимающими элементами к кронштейнам 16, выполненным на рамке 9 и каретке 11, с использованием болтов 17 крепления тензочувствительного элемента 12. Датчик 7 силы трения колеса о поверхность снабжен также аналого-цифровым преобразователем 13, который установлен на тензочувствительном элементе 12 и подключен входом к выходу тензочувствительного элемента 12. Аналого-цифровой преобразователь 13 выполнен с возможностью преобразования аналогового электрического сигнала в последовательный цифровой код. В качестве тензочувствительного элемента 12 может быть использован датчик силы фирмы Vishay, модель 616, а в качестве аналого-цифрового преобразователя 13 - микроконтроллер ADUC 812, производство фирмы Analog Device.
Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью и его датчик силы трения колеса о поверхность работают следующим образом.
Для определения фрикционных параметров при взаимодействии колеса транспортного средства с поверхностью, например, с покрытием взлетно-посадочной полосы аэродрома или с дорожным покрытием устройство для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью буксируют по исследуемой поверхности тягачом за буксировочное приспособление 2. При этом элемент 6 торможения создает тормозящий момент, который через дифференциал 5 и полуоси 3 передается на измерительные колеса 4, вызывая их проскальзывание относительно исследуемой поверхности. При этом необходимая величина тормозящего момента, создаваемого элементом 6 торможения, задается из условий обеспечения требуемой степени проскальзывания измерительных колес 4. В результате проскальзывания каждого измерительного колеса 4 относительно исследуемой поверхности возникает сила трения измерительного колеса 4 о поверхность, которая направлена противоположно направлению движения устройства и через измерительное колесо 4, диск 21 колеса, шпильки 23, фланец 19 полуоси, подшипник 20 ступицы, ступицу 8 и болты 22 крепления каретки воздействуют на каретку 11, стремясь сдвинуть ее вдоль направляющих 10. Указанное силовое воздействие от каретки 11 через кронштейн 16 и болт 17 крепления тензочувствительного элемента передается к одному силовоспринимающему элементу тензочувствительного элемента 12. Однако, другой силовоспринимающий элемент тензочувствительного элемента 12 через болт 17 крепления тензочувствительного элемента, кронштейн 16 и рамку 9 зафиксирован относительно несущей рамы 1 устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью.
В результате такого воздействия силы трения колеса о поверхность на тензочувствительный элемент 12 происходит его деформация и на выходе тензочувствительного элемента 12 возникает аналоговый электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенной к нему силе трения измерительного колеса 4 о поверхность. Поскольку коэффициент сцепления измерительного колеса 4 с поверхностью является отношением силы трения измерительного колеса 4 о поверхность к силе нормального давления измерительного колеса 4 на поверхность, которая известна на основании результатов стендовых испытаний устройства для определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью, электрический сигнал с тензочувствительного элемента 12 оказывается прямо пропорциональным коэффициенту сцепления измерительного колеса 4 с поверхностью. Аналоговый электрический сигнал с тензочувствительного элемента 12 преобразуется аналого-цифровым преобразователем 13 в последовательный цифровой код, который затем может быть передан, например, по двухпроводной линии связи для дальнейшей обработки и регистрации.
Таким образом, полезная модель обеспечивает уменьшение погрешностей измерений.