СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ КАЧЕНИЮ КОЛЕСА С ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ШИНОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01M17/02 

Группа изобретений относится к испытательной технике, в частности к устройствам тензометрического типа для определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной.

Известен способ экспериментального определения коэффициента сопротивления качению колеса, заключающийся в измерении крутящего момента, необходимого для вращения стального барабана при качении по нему испытуемой шины, либо продольной силы, действующей на ось катящегося по барабану колеса [1].

К недостаткам известного способа относят необходимость измерения малых сил сопротивления качению в условиях действия на колесо больших нагрузок и несоответствие условий нагружения шины реальным условиям ее работы, что приводит к значительным погрешностям результатов испытаний.

Известен способ экспериментального определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной, заключающийся в измерении пути выбега автомобиля [1].

К недостаткам известного способа относят сложность вычленения потерь на качение колеса из общих потерь при движении автомобиля.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной, в котором силы сопротивления движению автомобиля определяются при буксировании автомобиля [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят сложность вычленения потерь на качение колеса из общих потерь при движении автомобиля и значительную погрешность результатов измерений вследствие колебаний сцепного устройства.

Известно устройство для построения характеристик радиальной упругости шины на вращающемся колесе, содержащее раму, соединенную с буксирующим автомобилем, ось, являющуюся вместе с наклеенными на нее тензорезисторами измерительным звеном нормальной нагрузки и установленную в опорных узлах рамы и в ступице, которая обеспечивает крепление колеса с испытуемой шиной и рамку, закрепленную в одной плоскости с тензорезисторами измерительного звена нормальной нагрузки, на диске колеса и протекторе шины (см. патент на изобретение RU 2199102 С2, МКИ⁷ G01M 17/02, опубл. 20.02.2003).

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, при использовании известного устройства относят то, что в известном устройстве отсутствует звено для измерения длины пятна контакта шины в процессе нагружения фиксированного сечения шины.

Технический результат группы изобретений заключается в определении выходной характеристики шины для оценки ее качества и эксплуатационных свойств автомобиля.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в отличие от известного способа определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной путем буксирования, особенность заключается в том, что коэффициент определяют построением и обработкой характеристики жесткости шины в произвольно взятом сечении при повороте его на угол, охватывающий длину отпечатка шины, с определением этой длины, через параметры эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины по формуле

где k_l - коэффициент пропорциональности между длиной пятна контакта и нормальным прогибом шины;

Н_ш, n - параметры эллиптическо-степенной модели (коэффициент пропорциональности и показатель степени соответственно);

h_zmax - полный прогиб шины в радиальном направлении;

r_d - динамический радиус колеса;

P_z - нормальная нагрузка на колесо.

Согласно исследованиям А.С.Литвинова [2] коэффициент сопротивления качению шины при движении колеса по недеформируемой поверхности включает две составляющие. Первая характеризует силовые потери, связанные с гистерезисным трением при радиальной деформации элементов шины; вторая - кинематические потери, связанные с проскальзыванием элементов шины относительно опоры. В теории используют значения коэффициента сопротивления качению, полученные опытным путем обычно в ведомом режиме качения колеса, т.е. силовую составляющую коэффициента.

Предлагаемый способ определения коэффициента сопротивления качению колеса базируется на эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины [3]. Эта модель в отличие, например, от модели вязкостного трения строится не из априорного признания какой-либо гипотезы о физической природе сил неупругого сопротивления, а путем математического описания экспериментальных характеристик нормальной жесткости. Характеристика жесткости представляет собой графическое изображение в координатах «сила - деформация» функциональной зависимости нормальной нагрузки, действующей на колесо, от вызванного ею нормального прогиба шины при изменении нагрузки как на ходе нагружения колеса, так и на ходе его разгружения. Характеристика в явном виде, в виде площади замкнутой петли отражает энергию, теряемую при деформации шины от действия сил неупругого сопротивления (гистерезисные потери), а наклон средней линии характеристики отражает упругие свойства шины.

Характер изменения характеристик жесткости шин, особенно получаемых в динамическом режиме нагружения колеса, дает основание аппроксимировать их уравнением эллипса вида

где F, F_a - текущее и амплитудное значения силы неупругого сопротивления в шине;

h_z, h_za - текущее и амплитудное значения нормального прогиба шины.

Другим экспериментально подтвержденным фактом является функциональная зависимость амплитудных значений силы неупругого сопротивления от амплитудных значений радиальной деформации шины, которая в самом общем виде может быть выражена степенной функцией:

где коэффициент пропорциональности Н_ш и показатель степени n являются параметрами модели и отражают степень проявления поглощающих свойств шины.

Таким образом математическое описание эллиптическо-степенной модели поглощающей способности может быть определено следующим уравнением:

где - функция «знак ».

Параметры эллиптическо-степенной модели (3) являются константами для конкретной шины, т.е. не зависят от внутреннего давления воздуха, уровня статистической нагрузки, температуры покрышки, частоты изменения вертикальной нагрузки, скорости качения колеса, догружения крутящим моментом и боковой силой. А конструктивные особенности шин (норма слойности, материал корда, степень износа протектора) оказывают влияние только на коэффициент пропорциональности Н_ш.

Рассмотрим схему взаимодействия эластичного колеса при качении без скольжения с ровной недеформируемой поверхностью дороги (фиг.1). Примем следующие допущения: реальное колесо приводится к плоскому, вследствие чего действующие силы и моменты будут иметь приведенные значения; зона радиальной деформации шины ограничивается зоной пятна контакта (для плоского колеса - длиной l_к).

Изменение реальной эпюры (линии 1 и 2) нагруженности сечения шины по отношению к идеальной (штриховые линии), свойственной абсолютно упругому телу, связано с проявлением в шине при ее деформировании гистерезисных потерь. Поэтому равнодействующая R_z нормальных реакций опорной поверхности дороги при качении колеса будет смещена вперед по отношению к линии действия нормальной нагрузки P_z и проходить через центр тяжести криволинейного треугольника ABC (заштрихованная фигура). А абсцисса центра тяжести заштрихованной фигуры будет равна смещению нормальной реакции и, следовательно, определять коэффициент сопротивления качению шины.

Определим абсциссу центра тяжести криволинейной фигуры (реальной эпюры P_z). Для этого воспользуемся положением, принятым при построении эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины, о возможности аппроксимации характеристики нормальной жесткости (линии 1 и 2) уравнением эллипса.

Тогда, учитывая соотношения геометрии плоских сечений, можно получить выражение для определения абсциссы центра тяжести наклоненного полуэллипса:

где F_a - амплитудное значение силы неупругого сопротивления в шине (половина малого диаметра эллипса);

γ - угол, ограничивающий зону деформации шины.

Поскольку эпюра нагруженности состоит из равнобедренного треугольника ABC и двух полуэллипсов, один из которых добавлен к треугольнику, а другой исключен, а также учитывая выражение (2), можно вывести формулу для определения центра тяжести эпюры и, следовательно, смещения нормальной реакции дороги, т.е.

Так как , a , то окончательно получим

Учитывая, что а для размерностей P_z [H], l_к [мм] соблюдается условие tg²γ>>1, то можно преобразовать последний сомножитель к виду

Следовательно,

Можно также учесть известные соотношения:

h_za=h_{z max}/2, l_к=k_lh_{z max}.

Тогда

Поскольку коэффициент сопротивления качению шины f_c связан со смещением нормальной реакции дороги выражением вида

то можно получить формулу для определения коэффициента f_c через параметры Н_ш, n эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины вида

Необходимо подчеркнуть, что в полученных формулах (7) и (8) для заданного эксплуатационного состояния шины и режима нагружения колеса все входящие в выражения величины (кроме h_{z max}, r_d и P_z) определяются в предварительном эксперименте, как при исследовании поглощающей способности, и при изменении этих условий остаются неизменными, т.е. константами. Величина P_z задается как исходная, а величины h_{z max} и r_d легко определяются из простейшего эксперимента по обжатию шины либо берутся из справочной литературы.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что в отличие от известного устройства для построения характеристик радиальной упругости шины на вращающемся колесе, содержащего раму, соединенную с буксирующим автомобилем, ось, являющуюся вместе с наклеенными на нее тензорезисторами измерительным звеном нормальной нагрузки и установленную в опорных узлах рамы и в ступице, которая обеспечивает крепление колеса с испытуемой шиной, и рамку с тензорезисторами, являющуюся измерительным звеном радиальной деформации шины и закрепленную в одной плоскости с тензорезисторами измерительного звена нормальной нагрузки на диске колеса и протекторе шины, особенность устройства для определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной заключается в том, что для измерения длины отпечатка шины в конструкцию добавляют проводник электрического тока, укладываемый вдоль траектории движения колеса на расстоянии, обеспечивающем контакт проводника с поперечной пластиной рамки, и что токопроводящую поперечную пластину рамки соединяют с регулируемыми тягами через электрические изоляторы.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема взаимодействия эластичного колеса с поверхностью дороги с наложенной на нее эпюрой нормальной нагрузки P_z, действующей в фиксированном сечении шины при прохождении его через зону контакта (заштрихованная фигура): 1 - линия нагружения сечения шины, 2 - линия разгружения; на фиг.2 - общий вид устройства для определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной; на фиг.3 - разрез по оси колеса; на фиг.4 - вид на крышку ступицы колеса.

Устройство содержит раму 1, соединенную при помощи шарнирного узла 2 с буксирующим автомобилем 3. На раме смонтированы грузы 4 для нагружения колеса 5 с испытуемой шиной и опорные узлы 6. В свою очередь, ось 12 установлена в опорных узлах 6 и в ступице 11 при помощи сферических шарикоподшипников 8 и 9 по посадке с гарантированным зазором, на ее наружной поверхности в центральном сечении наклеены тензорезисторы 13. Крышки 10 фиксируют положение оси 12 относительно ступицы 11 таким образом, чтобы ось могла свободно деформироваться в плоскости наклейки тензорезисторов 13 и одновременно вращаться синхронно с колесом. Колесо 5 с испытуемой шиной установлено и закреплено через переходной диск 19 на фланце ступицы 11.

К переходному диску 19 крепятся две балочки равного сопротивления 21, шарнирно связанные свободными концами при помощи регулируемых тяг 7 через электрические изоляторы 22 с поперечной пластиной 20, которая жестко закреплена на протекторе шины. На балочки сверху и снизу наклеены тензорезисторы 23.

Балочки равного сопротивления в сборе с регулируемыми тягами и поперечной пластиной образуют рамку, которая является звеном радиальной деформации шины и устанавливается в одной плоскости с тензорезисторами 13 измерительного звена нормальной нагрузки.

На уровне опорной поверхности дороги закладывается проводник электрического тока 18 длиной более длины окружности колеса, подключенный к отрицательной клемме источника постоянного тока.

Тензорезисторные датчики 13 и поперечная пластина 20, подключенная к положительной клемме источника постоянного тока, включены через токосъемник 14 в измерительную цепь, состоящую из тензоусилителя 15, аналого-цифрового преобразователя 16 и ПЭВМ 17.

При вращении колеса 5, нагруженного нормальной силой, происходит деформация оси 12 звена нагрузки и балочек равного сопротивления 21 звена деформации. Это вызывает соответствующую деформацию решеток тензорезисторов 13 и 23, наклеенных на поверхностях оси 12, и балочек 21, и, следовательно, изменение их активных сопротивлений, которые пропорциональны нормальной нагрузке на колесо и радиальной деформации шины. При включении тензорезисторов звена нагрузки и звена деформации в измерительную цепь происходит преобразование изменения сопротивлений тензорезисторов в электрические напряжения, усиление их по величине, преобразование в цифровой код и обработка на ЭВМ с построением характеристики нормальной жесткости P_z(h_z) для сечения шины, проходящего через зону контакта при повороте колеса. Длина контакта определяется и регистрируется ЭВМ по изменению напряжения при замыкании и размыкании электрической цепи посредством вращающейся вместе с колесом 5 поперечной пластины рамки 20 и электрического проводника 18.

Источники информации

1. Хиллард Д., Спрингер Дж. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 520 с.

2. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

3. Рыков С.П. Моделирование и оценка поглощающей и сглаживающей способности пневматических шин в расчетах подвески, плавности хода и подрессоривания автомобиля. - Братск: БрГТУ, 2004. - 124 с.

Группа изобретений относится к испытательной технике, в частности к устройствам тензометрического типа для определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной. Коэффициент сопротивления качению колеса с пневматической шиной при буксировании определяют через параметры эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины по формуле

где k_l - коэффициент пропорциональности между длиной пятна контакта и нормальным прогибом шины; Н_ш, n - параметры эллиптическо-степенной модели (коэффициент пропорциональности и показатель степени соответственно); h_zmax - полный прогиб шины в радиальном направлении; r_d - динамический радиус колеса; P_z - нормальная нагрузка на колесо. Устройство для определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной содержит раму, соединенную с буксирующим автомобилем, ось, являющуюся вместе с наклеенными на нее тензорезисторами измерительным звеном нормальной нагрузки. В устройстве имеются тензорезисторные датчики, которые включены через токосъемник в измерительную цепь. При этом для измерения длины отпечатка шины в конструкцию добавлен проводник электрического тока, уложенный вдоль траектории движения колеса на расстоянии, обеспечивающем контакт проводника и упомянутой поперечной пластины рамки. Технический результат - определение выходной характеристики шины для оценки ее качества и оценки эксплуатационных свойств автомобиля. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения коэффициента сопротивления качению колеса с пневматической шиной при буксировании, отличающийся тем, что коэффициент определяют через параметры эллиптическо-степенной модели поглощающей способности шины по формуле

где k₁ - коэффициент пропорциональности между длиной пятна контакта и нормальным прогибом шины;

Н_ш, n - параметры эллиптическо-степенной модели (коэффициент пропорциональности и показатель степени соответственно);

h_zmax - полный прогиб шины в радиальном направлении;

r_d - динамический радиус колеса;

P_z - нормальная нагрузка на колесо.