СПОСОБ РЕСУРСНЫХ ДОРОЖНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 1995 года по МПК G01M17/07 

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при оценке прочности и характе- ристик колесно-транспортных средств, в частности, автомобилей.

Известен способ дорожных испытаний автомобилей, включающий пробег автомобиля по трассе в различных режимах резонансных колебаний, промежуточные остановки для регулировки механизмов по программе испытаний и оценки состояния узлов автомобиля по результатам отработки отдельных режимов пробега. Испытания по этому способу проводят на трассе с длинными поперечными волнами синусоидального профиля (Яценко Н.Н. Форсированные полигонные испытания грузовых автомашин, М.: Машиностроение, 1984, с. 17).

Недостатками подобного способа являются необходимость постройки и содержания специальных испытательных трасс, отсутствие возможности варьировать на ходу интенсивность (амплитуду) колебаний ввиду неизменной высоты профиля дороги. Известен способ ускоренных испытаний тракторов, изложенный в книге А. Д. Левинтануса и др. "Ускоренные доводочные испытания тракторов", Изд. второе, М.: Машиностроение, 1983, с. 102-103. Этот способ, выбранный нами в качестве прототипа, заключается в том, что производится, как указано, движение трактора с накладками на движителях (выполняющих ту же роль, что и препятствия на полигоне для ускоренных испытаний несущей системы), при этом высота и число накладок на колесах и сопротивление подбирают в зависимости от скорости движения трактора по треку таким образом, чтобы максимальные нагрузки в элементах трактора были близки к соответствующим нагрузкам при его эксплуатации.

Проанализируем этот способ в применении к автомобилю при его движении по автотрассе. Этот способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-4 представлены схемы движений колеса.

При малом числе n накладок и (или) при их малой высоте h характер движения колеса радиуса R по ровной и твердой автотрассе определится схемой, указанной на фиг.1, а при большем числе равномерно распределенных накладок и (или) их большой высоте схемой, указанной на фиг.2. Если обозначить угол между накладками через β, то схема фиг.1 определяется условием
α<β/2, (1)
β = , (2)
где угол α находится из равенства
cosα = (3)
Движение колеса при его перекатывании через одну накладку высотою h создает по схеме фиг.1 вертикальное смещение центра колеса на высоту А = h при любой скорости движения. После перекатывания через накладку колесо на некотором угле Ψ= β-2α будет соприкасаться с автотрассой своей неизменной поверхностью качения и поэтому характер колебания центра колеса будет иметь вид, указанный на фиг.3.

Таким образом, характер колебания определяется только геометрией контактирующих поверхностей колеса с дорогой, т.е. здесь имеет место так называемое кинематическое возбуждение колебаний. Причем, как видно из фиг.3, колебания являются периодическими, но не гармоническими (не по закону Y = asin ωt)
Время одного цикла
Δt_ц= β/ω = , (4) где ω - угловая скорость колеса.

Для ситуации, когда число и высота накладок соответствуют фиг.2.,
т.е. когда
α > (5)
имеет вертикальное смещение поверхности колеса от автотрассы и, следовательно, смещение центра колеса при его перекатывании через накладку будет
A = h - Δy = (R + h)(1 - cos β /2) (6)
Время перекатывания или время цикла будет также определяться формулой (4), но касание неизмененной поверхности колеса с автотрассой отсутствует. Отсюда следует, что характер колебаний будет иметь вид, указанный на фиг.4. В этом случае колебания также будут кинематическими, периодическими, негармоническими, но без интервала нулевого смещения.

Если при этом увеличивать число n накладок, то размах колебаний А уменьшится, а в пределе, при очень большом числе накладок, (когда β->0) величина А -> О, что естественно, так как тогда беговая обычная поверхность колеса заменяется сплошной поверхностью накладок.

Таким образом, в этом способе-прототипе:
1. Размах А (или амплитуда - А/2) колебания центра колеса не зависит от скорости движения ω колеса и определяется:
а) высотой h накладок, в ситуации, согласно фиг.1 и критерию (1);
б) высотой h накладок и их числом n в ситуации, соответствующей фиг.2, и критерию (5).

2. Частота повторения цикла колебаний центра колеса
V = (7)
в обеих ситуациях, указанных на фиг.1 и фиг.2, определяется согласно (4) скоростью движения колеса ω и числом n накладок.

Недостатками приведенного способа испытания колесного трактора для испытания автомобиля являются отсутствие возможности менять размах (или амплитуду) колебания на ходу, в процессе движения автомобиля по автотрассе; негармонический характер процесса колебаний; промышленный вред, который нанесут автотрассе металлические накладки, которые разобьют покрытие автотрассы (а неметаллические разобьются сами).

Указанные недостатки увеличивают время испытаний и затраты на их проведение.

Наиболее близким к заявленному является способ ресурсных дорожных испытаний тракторов, заключающийся в оснащении колес трактора грузами, закрепленными на колесах вне зоны контакта колеса с дорожной поверхностью, и пробеге с заданной скоростью трактора по ровной дорожной поверхности трассы. Изменение динамического воздействия обеспечивается регулировкой положения груза на радиусе качения колеса (авторское свидетельство СССР N 1689785, 1989).

Данный способ ресурсных испытаний позволяет значительно сократить время испытаний за счет введения динамических возбудителей на колесах. При этом исключено использование специальных трасс, испытания можно проводить на любой ровной дорожной поверхности.

Однако данный способ обладает серьезным недостатком, заключающимся в том, что испытания проводятся на заданной скорости движения трактора, например транспортной или технологической. В связи с этим испытания обуславливаются приближение имитационных нагрузок к реально действующим, но не затрагивают вопроса испытаний на прочность до выхода контролируемого агрегата из строя. Следовательно, для оценки причин выхода контролируемого агрегата испытуемого трактора из строя необходимо проведение длительных испытаний.

Целью предложенного способа испытания автомобиля является устранение указанных недостатков, в частности способ должен позволять в процессе движения автомобиля по автотрассе регулировать амплитуду возбуждения колебаний; должен осуществлять гармонический закон возбуждения колебаний, способствующий резонансным явлениям; способ не должен наносить промышленный вред покрытию автострады.

Цель достигается тем, что колебания автомобиля создаются путем их возбуждения на ровной трассе с помощью конструктивно измененных колес, осуществляется динамическое возбуждение его колебаний от временно закрепленной на боковой поверхности колеса металлической массы (груза) с определенным эксцентриситетом центра масс относительно оси колеса, причем крепление груза должно позволять его замену и/или изменение величины эксцентриситета, а поверхность груза не должна контактировать с поверхностью автотрассы.

Перед проведением испытаний на металлическую часть боковой поверхности колеса (например, на диск) с помощью болтов, шайб и гаек (используя, например, отверстия в диске) крепят один или компактно два металлических груза в виде пластин или грузовых плоских гирь определенной массы m с определенным эксцентриситетом r относительно оси колеса. Значения m и r должны обеспечивать заданное в программе их произведение, которое назовем силовым коэффициентом (СК)
К = m ˙ r (8)
СК обеспечивает связь между квадратом скорости движения автомобиля и амплитудой возмущающей силы F_к по формуле
F = K·ω², ω = , (9) где V - путевая скорость автомобиля.

Для изменения СК имеются три варианта; изменение массы путем смены груза; изменение эксцентриситета путем перестановки груза; добавление некоторой меньшей массы m', путем ее крепления на противоположном радиусе колеса со своим эксцентриситетом r '.

В последнем случае
К = m, (10)
где новый эксцентриситет
= r1- (11)
Смену режимов испытаний производят на ходу путем изменения путевой скорости V и фаз вращения грузов колес, расположенных на одной оси, а на промежуточных остановках меняют грузы или их эксцентриситет для изменения СК.

Испытания проводят на стандартной прямолинейной автотрассе с твердым покрытием.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.5 изображена схема расположения неуравновешенного груза и фазы его вращения на колесе автомобиля; на фиг. 6 - изображена схема однофазного расположения грузов на всех колесах автомобиля; на фиг.7 - схема противофазного расположения грузов на передних и задних колесах; на фиг.8 - схема противофазного расположения грузов на левых и правых колесах автомобиля.

Фазовый сдвиг груза можно осуществить не только на промежуточных стоянках. В частности, фазовый сдвиг между левыми и правыми колесами можно осуществить на ходу путем поворота автомобиля по дуге круга на пол-оборота или на полный оборот (петлю) и, если нужно, повторение этого приема.

Если ρ₁,ρ₂ - радиусы дуг с общим центром для левых и правых колес, при движении автомобиля по кругу, то ρ₁-ρ₂=l_y, где l_y- расстояние вдоль оси между средними плоскостями колес, поэтому фазовый сдвиг осуществляется за счет разности длин этих дуг на угол
Ψ = , (19) где Р - число полуоборотов.

От угла Ψ, если он больше 2π , исключается угол 2π или кратный ему.

Например, при R = 0,3, l_y = 1 имеем для Р = 1,2.

Ψ = = 3,33 π, Ψ = = 6,66 π
Вычитая углы, кратные 2π , получаем фазовые углы:
Ψ = 1,33 π, Ψ = 0,66 π .

По результатам отработки отдельных режимов пробега производят оценку состояния узлов автомобиля, после чего принимают решение об изменении режимов испытаний или их прекращения.

Появление резонансных явлений определяется водителем по ощущению наиболее значительной амплитуды колебаний автомобиля на определенной скорости или по показаниям виброизмерительной аппаратуры.

В ходе подготовки испытаний проводят динамический расчет нагрузок на автомобиль с использованием следующих зависимостей:
Центробежная сила (фиг.5)
F_к = , (12) где m - масса груза, (m = G/g);
r - эксцентриситет груза;
R - радиус колеса;
V - скорость автомобиля.

Частота возмущений f (Гц) или ω_в (радиан/с) определяется скоростью вращения колеса, т.е.

f = , ω = (13)
Вертикальная возмущающая сила от каждого колеса будет (фиг.5)
F_1z = F_к ˙sinωt (14)
Вертикальная возмущающая сила от 2-х колес (или от двух масс на одном колесе) будет
F_2z = F_к [sin ω t + sin ω t + Ψ], (15) где Ψ - фазовый сдвиг между радиусами, содержащими груз на этих колесах.

Вертикальная возмущающая сила у нескольких колес, при отсутствии фазового сдвига Ψ, арифметически суммируется и, в частности, для всех четырех колес автомобиля составит:
F_4z = 4 ˙ F_1z (16)
Возмущающие моменты М_у и М_х - образующие, соответственно, килевую (фиг. 7) и бортовую (фиг.8) качку определяются по формулам:
М_у = 4Х_к˙ F_1к (17)
М_х = 4Y_к ˙ F_1z (18) где Х_к = ОС - половина расстояния между осями;
Y_к = КС - половина расстояния между плоскостями колес.

Пример расчета динамических сил, действующих на автомобиль:
Возьмем V = 10 м/с (36 км/ч); r = 0,1 м; m = 0,1 кг с²/м; R = 0,3 м; Х_к = 1 м; Y_к = 0,7 м.

По формуле (12) находим центробежную силу
F_к = = 11 кг.

По формулам (13) имеем частоту возмущений
f = = 5,3 Гц, ω = 2π·5,3 = 33 1/c и периодическую гармоническую возмущающую силу для согласованных по фазе, четырех колес автомобиля по формулам (16), (14)
F_4z = 44 ˙ sin33t
По формулам (17), (18) найдем возмущающие моменты при противофазном расположении грузов (фиг.7, 8)
M_y = 44 ˙sin33t кг˙ м;
М_х = 30,8 ˙sin33t кг˙ м
Заметим, что при увеличении скорости автомобиля вдвое, т.е. при V = 20 м/с (72 км/ч) получим в 4 раза большие возмущающие силы: F_к = 44 кг, F_4z = 176 ˙sin66t кг.

Использование изобретения позволяет проводить испытания автомобилей не на специальных полигонах, а на обычных шоссе, имеющихся вблизи любого автопредприятия, исключить строительство специализированных трасс, интенсифицировать процесс испытаний автомобилей, оперативно изменять режимы испытания, сократить сроки проверки машины, их узлов на прочность, значительно расширить программы испытаний автомобилей практически любого класса и назначения, повысить их достоверность и эффективность в целом.

Использование: изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано при оценке прочности и характеристик колесно- транспортных средств, в частности, автомобилей. Сущность способа заключается в том, что при пробеге автомобиля по трассе в различных режимах используют эксцентрично закрепленный на боковой поверхности колеса неуравновешенный груз, не контактирующий с дорогой и изменением путевой скорости движения автомобиля обеспечивают резонансный режим колебаний контролируемого узла, а пробег испытуемого транспортного средства осуществляют с сохранением указанного резонансного режима. 8 ил.

СПОСОБ РЕСУРСНЫХ ДОРОЖНЫХ ИСПЫТАНИЙ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, преимущественно автомобилей, включающий в себя пробег по трассе с ровной дорожной поверхностью испытуемого транспортного средства с возбудителем динамических воздействий на по крайней мере одном колесе вне контакта с дорожной поверхностью и оценке технического состояния по крайней мере одного контролируемого узла испытуемого транспортного средства, отличающийся тем, что изменением скорости обеспечивают резонансный режим колебаний контролируемого узла, а пробег испытуемого транспортного средства осуществляют с сохранением указанного резонанасного режима.