УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2002 года по МПК B60C23/00 

Изобретение относится к устройствам и системам для определения состояния искусственных покрытий, данное устройство может также использоваться в устройствах и системах для управления транспортными средствами.

Известно устройство для оценки наличия льда на поверхности дорожного покрытия (Патент США 4797660, G 08 B 21/00).

Устройство выполнено в виде треугольной линзы, в которую с одной стороны вмонтированы два детектора, а с другой - излучатель энергии и передатчик.

Известное устройство не учитывает другие возможные случаи состояния дорожного покрытия.

Другим известным устройством определения состояния искусственных покрытий является тормозной деселерометр.

Он состоит из амортизируемого воздухом маятника, соединенного со стрелкой, показывающей отрицательное ускорение.

Для измерения состояния искусственного покрытия автомобиль разгоняется до установленной скорости, затем водитель нажимает на педаль ножного тормоза до упора на 1-2 сек. Маятник деселерометра вместе с фиксирующей стрелкой отклоняется в направлении движения. Считывается величина отрицательного ускорения. Путем вычислений определяется состояние искусственных (дорожных) покрытий.

Однако данное устройство имеет значительные погрешности в определении коэффициента сцепления дорожного покрытия. Нет возможности определять состояние дорожного покрытия во время движения автомобиля.

(Устройство и работа деселерометра приведены в Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации. Москва, "Воздушный транспорт", 1955 г., стр.152).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство определения коэффициента буксования, имеющее максимальное количество сходных существенных признаков с признаками заявляемого устройства и поэтому принятое за прототип.

(Устройство и работа описаны в издании "Испытание автомобилей". М. Изд. Машиностроение, 1988 год, стр.168, автор И.В. Балибин).

Известное устройство - прототип (Фиг.1) содержит счетчик оборотов ведущего колеса, вычислитель и калиброванный счетчик пути.

При этом счетчик оборотов ведущего колеса и калиброванный счетчик пути подключены к вычислителю.

Известное устройство работает следующим образом.

Коэффициент буксования является важной характеристикой проходимости автомобиля, который определяют при движении автомобиля по дороге с пониженным коэффициентом сцепления.

Для измерения коэффициента буксования η_б прокалиброванным счетчиком пути 3 измеряют достаточно точно длину маршрута, на котором определяют коэффициент буксования η_б. Счетчиком оборотов ведущего колеса 1 определяют количество оборотов n на выбранном маршруте.

Данные измерения осуществляют в период, когда дорога выбранного маршрута сухая и буксование практически отсутствует.

Коэффициент буксования η_б определяют при пониженном коэффициенте сцепления на выбранном маршруте, при этом определяют число оборотов n_б счетчиком оборотов ведущего колеса.

Вычислителем 2 определяют коэффициент буксования по формуле
η_б = n_б/n,
где n и n_б - число оборотов ведущих колес при движении соответственно без буксования (дорога сухая) и с буксованием (дорога с пониженным коэффициентом сцепления).

При отсутствии буксования
n_б=n; η_б = 1.

При полном буксовании, т.е. остановке автомобиля, при вращающихся ведущих колесах
n_б = ∞; η_б = ∞.

При пониженном коэффициенте сцепления дорожного покрытия
n_б>n; η_б>1.

Величина η_б характеризует проходимость автомобиля, а также состояние дорожного покрытия.

Недостатком известного устройства является то, что коэффициент буксования η_б определяют на ранее установленном маршруте и расстоянии, а также невозможно определить коэффициент буксования во время движения автомобиля на любом участке пути.

Целью предлагаемого устройства является повышение безопасности в управлении автомобилем.

Поставленная цель достигается тем, что коэффициент буксования η_б определяется непрерывно во время движения автомобиля.

Коэффициент буксования η_б характеризует состояние дорожного покрытия, чем больше η_б, тем меньше коэффициент сцепления ϕ между дорожным покрытием и шинами автомобиля. Следовательно, водитель постоянно информируется о состоянии дорожного покрытия. Это особенно важно, когда в результате атмосферных осадков коэффициент сцепления резко падает.

Поставленная цель в устройстве определения состояния дорожного покрытия (Фиг. 2) достигается тем, что в нем, как и в прототипе, содержатся счетчик оборотов ведущего колеса автомобиля и вычислитель, при этом счетчик оборотов ведущего колеса подключен к входу вычислителя.

В устройство определения состояния дорожного покрытия дополнительно введены переключатель, счетчик оборотов ведомого колеса автомобиля и блок индикации, причем переключатель и счетчик оборотов ведомого колеса подключены соответственно ко второму и третьему входам вычислителя, первый выход вычислителя соединен с входом блока индикации, а второй выход вычислителя подключается к автоматической системе управления автомобилем.

В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого устройства, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню.

Предложенное устройство позволяет повысить безопасность управления автомобилем.

На величину η_б (как и на коэффициент сцепления ϕ) оказывает влияние ряд факторов, однако выделяются три главных: качество и состояние дорожного покрытия, состояние протекторов шин и скорость движения автомобиля. С учетом величины η_б определяется скорость, которая будет безопасной.

Сущность предлагаемого устройства определения состояния дорожного покрытия поясняется чертежами, где представлены:
на Фиг.1 - структурная схема прототипа;
на Фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство определения состояния дорожного покрытия, как и прототип, содержит счетчик оборотов ведущего колеса 1 и вычислитель 2, при этом счетчик оборотов ведущего колеса 1 подключен к входу вычислителя 2.

Дополнительно в устройство определения состояния дорожного покрытия введены переключатель 4, счетчик оборотов ведомого колеса 5 и блок индикации 6.

Переключатель 4 и счетчик оборотов ведомого колеса 5 подключены соответственно ко второму и третьему входам вычислителя 2, Первый выход вычислителя 2 соединен с блоком индикации 6, а второй выход вычислителя 2 подключается к автоматической системе управления автомобилем.

Предложенное устройство определения состояния дорожного покрытия работает следующим образом.

Устройство работает в двух режимах: "калибровка" и "измерение".

В режиме "калибровка" вычисляется отношение угловых скоростей ведомого и ведущего колес при движении автомобиля накатом.

В режиме "измерение" вычисляется числовое значение η_б, с учетом которого определяется безопасная скорость движения.

I. Режим "калибровка".

Режим калибровки учитывает конструкцию и давление в шинах ведущего и ведомого колес.

При равномерном движении автомобиля или после предварительного разгона, когда автомобиль переводится в режим движения накатом, переключателем 4 включается режим "калибровка" (коробка передач в нейтральном положении).

При движении накатом ведущие и ведомые колеса катятся без пробуксовки или проскальзывания.

Счетчиками оборотов 1 и 5 измеряют угловые скорости вращения ведущего и ведомого колес ω_в и ω_v. Числовые значения ω_в и ω_v поступают в вычислитель 2, где определяют отношение угловых скоростей ведомого и ведущего колес по формуле
γ = ω_v/ω_в,
где γ - поправочный коэффициент счетчиков (при движении без буксования по дороге с ровным покрытием);
ω_v - угловая скорость вращения ведомого колеса;
ω_в - угловая скорость вращения ведущего колеса.

Полученное числовое значение поправочного коэффициента γ - запоминается.

II. Режим "измерение".

Угловые скорости ω_v и ω_в со счетчиков оборотов 1 и 5 поступают в вычислитель 2. В вычислителе 2 определяют угловую скорость ведомого колеса с учетом поправочного коэффициента γ:
.

Ведомые колеса катятся без пробуксовки. Угловую скорость ведомого колеса с учетом поправочного коэффициента γ принимают равной .

По полученным числовым значениям вычисляют коэффициент буксования
,
где η_б - коэффициент буксования;
ω_в - угловая скорость вращения ведущего колеса;
угловая скорость вращения ведомого колеса с учетом коэффициента γ.
Числовое значение коэффициента η_б будет определяться состоянием дорожного покрытия - сцеплением колес с дорожным покрытием.

Сцепление колес с дорогой зависит от ряда факторов, но из всех факторов выделяют три главных: качество и состояние дорожного покрытия, состояние протектора шин и скорость движения автомобиля.

Состояние дорожного покрытия характеризуется коэффициентом сцепления ϕ и коэффициентом сопротивления движению f.

При движении автомобиля возникает сила сопротивления качению P_f.

Движение ведущих колес возможно при условии, если Р_k>P_f, где P_f - сила сопротивления качению, P_k - тяговая сила на ведущих колесах автомобиля. Следовательно, сила сопротивления качению P_f ограничивает нижний предел диапазона изменения тяговой силы P_k. Тяговая сила P_k образуется в результате сцепления ведущих шин с дорогой. Верхний предел диапазона изменения тяговой силы P_k ограничивается силой сцепления колес с дорогой Р_сц.

Максимальное значение силы тяги P_k на ведущих колесах автомобиля, при котором возможно движение без пробуксовки, и коэффициент η_б будут иметь минимальное значение (сухое, чистое асфальтовое покрытие).

P_kmax = ϕ_xR_z,
где ϕ_x/- коэффициент сцепления, соответствующий началу пробуксовки или проскальзывания колеса при качении его в плоскости вращения;
R_z - суммарное значение нормальной реакции на ведущих колесах автомобиля.

Однако увеличение скорости движения сопровождается снижением коэффициента сцепления ϕ_x. Это особенно заметно на мокрых дорогах, так как влага остается в зоне контакта шины с поверхностью дороги. В этих условиях увеличение скорости на 20 км/час приводит к снижению коэффициента сцепления ϕ на 0,2.

Следовательно, движение автомобиля со значительной скоростью с низким коэффициентом сцепления создает предпосылки к пробуксовке ведущих колес - увеличению коэффициента η_б.
В любых условиях движение колес с изношенным протектором шин приводит к снижению коэффициента сцепления ϕ_x, создавая условия к пробуксовке ведущих колес и увеличению коэффициента буксования η_б.
Управляемое движение автомобиля возможно при условии
fR_z⊆P_k⊆ϕ_xR_z.

Если условие правой части неравенства не выполнено, то ведущие колеса будут частично или полностью пробуксовывать и коэффициент η_б будет иметь максимальное числовое значение.

С вычислителя 2 в блок индикации 6 поступают сигналы, характеризующие состояние дорожного покрытия:
частичная пробуксовка отсутствует (состояние дорожного покрытия, изношенность протектора шин и скорость автомобиля соответствуют норме);
частичная пробуксовка имеет место при данной скорости автомобиля (дорожное покрытие имеет низкий коэффициент сцепления ϕ_x или изношены протекторы шин);
есть значительная частичная или полная пробуксовка ведущих колес - необходимо снижение скорости движения автомобиля (мокрое дорожное покрытие, снег, гололед или изношены протекторы шин).

Численное значение коэффициента η_б или сигналы, характеризующие сцепление колес с дорожным покрытием, могут подаваться с вычислителя 2 на автоматическую систему управления, если такая система в автомобиле предусмотрена.

Положительный эффект предложенного устройства заключается в повышении безопасности движения, так как скорость движения автомобиля контролируется с учетом качества и состояния дорожного покрытия, а также изношенности протектора ведущих колес автомобиля.

Предлагаемое устройство определения состояния дорожного покрытия может быть реализовано следующим образом:
- счетчики числа оборотов ведущего 1 и ведомого 5 колес могут быть выполнены с использованием тахогенераторов. Ф.М. Юферов "Электрические машины автоматических устройств", стр.365. Изд. "Высшая школа", 1988.

- вычислитель 2 - микроЭВМ. Описан в литературе: В.Я. Нерода "Однокристальные МикроЭВМ MCS-51", Изд. "Диджитал Компонентс", Москва, 1995. Структурная схема, стр. 19; 128.

- блок индикации 6 может быть выполнен на микросхемах и светодиодах. Описан в литературе: В. Н. Вениаминов "Микросхемы и их применение". Изд. "Радио и связь", 1989.

- переключатель 4 - переключатель или кнопка на два положения.

Изобретение относится к устройствам и системам для определения состояния искусственных покрытий. Целью изобретения является повышение безопасности в управлении автомобилем. Устройство содержит счетчик оборотов ведущего колеса автомобиля и вычислитель, при этом счетчик оборотов ведущего колеса подключен к входу вычислителя. Дополнительно в устройство введены переключатель, счетчик оборотов ведомого колеса автомобиля и блок индикации. Переключатель и счетчик оборотов ведомого колеса подключены соответственно ко второму и третьему входам вычислителя, а выход вычислителя соединен с входом блока индикации. 2 ил.

Устройство определения состояния дорожного покрытия, содержащее счетчик оборотов ведущего колеса автомобиля и вычислитель, при этом счетчик оборотов ведущего колеса подключен к входу вычислителя, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены переключатель, счетчик оборотов ведомого колеса автомобиля и блок индикации, причем переключатель и счетчик оборотов ведомого колеса подключены соответственно к второму и третьему входам вычислителя, а выход вычислителя соединен с входом блока индикации.