СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ДАВЛЕНИЙ МЕЖДУ ДВУМЯ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИМИ ЖЕСТКОЙ И ЭЛАСТИЧНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01L19/12 

Изобретения относятся к области контрольно-измерительной техники, предназначены, преимущественно, для измерения контактных давлений шины на обод колеса, в частности автомобильного, и могут быть использованы в различных отраслях производства изделий, содержащих два взаимодействующих между собой элемента, один из которых жесткий, другой - эластичный, например шарнира "сайленд-блок", а также при их проектировании и/или проведении экспериментальных исследований.

Известен способ измерения контактных давлений, основанный на тензометрических преобразованиях упругих деформаций балки, по которым опосредованно судят об измеряемом давлении (Успенский И.Н., Шуртыгин К.И. О нагрузках на обод автомобильного колеса. «Автомобильная промышленность», 1964, №11, с.31...33). Недостатком этого аналога является большая погрешность измерения, а также зависимость результатов измерения от ряда побочных эффектов, например «мостового эффекта».

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа по числу совпадающих существенных признаков является способ определения давления в изделии по давлению подаваемой извне текучей среды, реализуемый устройством по авторскому свидетельству SU 1104365, G01L 19/12, 1984 г., при котором путем подключения к изделию и механизму подачи среды извне датчика давления с полостью приема среды и регулируемым контактным элементом создают измерительный контур. Контактный элемент датчика устанавливают в первоначальное положение, соответствующее исходному состоянию контакта в измерительном контуре, и подключают его к электрическому сигнализатору. Затем извне подают технологическую текучую среду и ее давлением изменяют первоначальное состояние контакта, отслеживают сигнал об этом изменении, а по получению сигнала определяют давление в измерительном контуре путем сравнения его с эталонным и по нему судят об изменении контролируемого давления.

К недостаткам прототипа следует отнести пониженную точность и достоверность получаемых результатов измерений, а также ограниченный функциональный диапазон, так как этим способом невозможно напрямую замерить давление в абсолютных единицах.

Известно устройство для измерения контактных давлений шины на обод колеса (Успенский И.Н., Шуртыгин К.И. О нагрузках на обод автомобильного колеса. «Автомобильная промышленность», 1964, №11, с.31...33), содержащее датчик, закрепленный с помощью неподвижного соединения на внутренней поверхности обода, в котором в точках измерения были просверлены отверстия для выхода в контакт с шиной контактного элемента в виде поршня, связанного через штангу с упругой консольной балкой. С помощью наклеенных на нее тензорезисторов измеряется деформация балки, пропорциональная действующему на поршень усилию от шины. Для установки контактирующей с шиной поверхности поршня на одном уровне с поверхностью обода в измерительном устройстве предусмотрен регулировочный болт. Использование упругой консольной балки увеличивает габариты устройства и создает трудности при его установке на ободе, особенно в тех случаях, когда требуется установка нескольких датчиков на небольшом расстоянии друг от друга для достоверного выявления конфигурации эпюры давлений, характеризующихся относительно большими градиентами изменения.

Известно также устройство определения давления в изделии по давлению подаваемой извне технологической среды (SU 1104365, G01L 19/12, 1984 г.), являющееся наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства по числу совпадающих существенных признаков, которое содержит исполнительный механизм подачи технологической текучей среды, датчик давления с расположенными в корпусе регулируемым контактным элементом и полостью приема текучей среды, вход которой связан трубопроводом с исполнительным механизмом подачи текучей среды, а выход подключается к изделию, а также электрическую систему сигнализации с электрическими выводами, в контур которой включен контактный элемент датчика.

В нем датчик имеет две полости, разделенные упругим чувствительным элементом, одна полость служит для приема технологической среды и сообщается с полостью контролируемого изделия, связанной через клапан с каналом эталонного давления, а в другой полости размещена контактная группа, неподвижный контакт которой установлен на корпусе, а подвижный контакт выполнен подпружиненным и раздвижным, так что одна часть его взаимодействует с неподвижным контактом, а другая скреплена с опорным пятачком, установленным на упругом чувствительном элементе, и индикатор.

В прототипе конструкция датчика усложнена, а устройство в целом имеет ограниченные функциональные возможности: не позволяет реализовать способ измерения контактных давлений между жесткой и эластичной составляющими изделия с необходимой точностью и достоверностью и не может быть использовано при исследовательских работах, т.к. не определяет размер давления в абсолютных единицах.

Задача, решаемая предлагаемыми изобретениями, заключается в создании способа и устройства для измерения контактных давлений между жесткой и эластичной составляющими изделия, обеспечивающих повышение точности и достоверности измерений, с расширенными функциональными возможностями, например замером давления внутри изделия в абсолютных единицах.

Технический результат, получаемый от реализации изобретений, заключается в повышении точности и достоверности измерений давлений, расширении функциональных возможностей.

Для достижения технического результата в способе измерения контактных давлений между двумя взаимодействующими жесткой и эластичной составляющими изделия по давлению технологической текучей среды, подаваемой извне от исполнительного механизма, при котором создают измерительный контур путем подключения к изделию и исполнительному механизму датчика давления с полостью приема среды и регулируемым контактным элементом, устанавливают контактный элемент в первоначальное положение, соответствующее исходному состоянию контакта, и подключают его к электрическому контуру сигнализации о состоянии этого контакта, затем подачей извне давления текучей среды изменяют исходное состояние контакта и отслеживают сигнал об этом изменении, а по получению сигнала определяют давление в измерительном контуре и по нему судят об измеряемом давлении, согласно изобретению используют датчик давления с открытой в сторону изделия полостью приема среды и контактным элементом в виде электропроводного стержня, расположенного в этой полости, датчик устанавливают в отверстии, выполненном в жесткой составляющей изделия в зоне измерения, при этом для установки контактного элемента датчика в исходное положение его выставляют по линии контакта между жесткой и эластичной составляющими изделия до обеспечения взаимодействия его рабочего торца с участком поверхности эластичной составляющей изделия, на который предварительно нанесен слой электропроводящего состава, противоположным торцом контактный элемент подключают к первому выводу упомянутого сигнального контура, второй вывод которого замыкают на жесткой составляющей изделия, затем через открытую полость датчика подают технологическую текучую среду между составляющими изделия, причем подачу текучей среды осуществляют до получения сигнала о размыкании исходного контакта, соответствующего равенству давления технологической текучей среды контактному давлению между жесткой и эластичной составляющими изделия, а определение давления в измерительном контуре производят путем замера давления среды на выходе исполнительного механизма сразу после этого сигнала.

Дополнительное отличие способа состоит в том, что замер давления в измерительном контуре производят многократно, а полученные данные усредняют.

Благодаря определению давления в измерительном контуре напрямую на выходе исполнительного механизма и в абсолютных величинах и по сигналу, который соответствует равенству давления технологической текучей среды контактному давлению между жесткой и эластичной составляющими изделия, повышаются точность и достоверность измерений, так как измерение давления обеспечивается методом непосредственной оценки, что особенно важно при проведении исследовательских работ. При реализации предлагаемых изобретений исключается необходимость градуировки измерительных средств и какого-либо пересчета показаний, а значит отсутствует зависимость от методических погрешностей.

Для реализации предлагаемого способа с заявленным техническим результатом в устройстве для измерения контактных давлений между взаимодействующими жесткой и эластичной составляющими изделия, содержащем исполнительный механизм подачи технологической текучей среды, датчик давления с расположенными в корпусе регулируемым контактным элементом и полостью приема текучей среды, вход которой связан трубопроводом с исполнительным механизмом подачи текучей среды, а выход подключается к изделию, а также электрическую систему сигнализации с электрическими выводами, в контур которой включен контактный элемент датчика, согласно изобретению исполнительный механизм на выходе снабжен измерителем давления технологической текучей среды, корпус датчика снабжен установочными элементами для его крепления в зоне измерения в жесткой составляющей контролируемого изделия, полость приема текучей среды в датчике выполнена открытой со стороны выхода, а контактный элемент выполнен в виде электропроводного стержня, размещенного в этой полости, так что его рабочий торец находится в одной плоскости с упомянутым выходом полости и при этом контур электрической сигнальной системы образован путем подключения одного вывода через контактный элемент датчика к эластичной составляющей, а другого - непосредственно к жесткой составляющей изделия.

Дополнительное отличие состоит в том, что контактный элемент установлен в корпусе датчика посредством регулировочной втулки.

Упрощенная конструкция датчика позволяет значительно минимизировать его габариты при обеспечении высоких эксплуатационных качеств устройства, а это не только упрощает устройство в целом и обеспечивает его экономичность при изготовлении и эксплуатации, но и значительно расширяет его функциональный диапазон за счет контроля самых разнообразных изделий, в том числе малогабаритных.

Изобретения проиллюстрированы чертежом, где дан общий вид устройства в разрезе.

Устройство содержит электрогидравлический датчик давления (ЭГДД) 1, в корпусе 2 которого имеется полость 3 для приема технологической текучей среды и размещенный в ней контактный элемент в виде электропроводного стержня 4. Полость 3 со стороны входа в нее текучей среды штуцером 5 подключена с помощью трубопровода 6 к исполнительному механизму 7, служащему для подачи среды извне. Полость 3 со стороны выхода текучей среды выполнена открытой. Механизм 7 может иметь любое известное исполнение, например, в качестве механизма 7 может быть использован автомобильный тормозной цилиндр. В конкретном примере исполнения в соответствии с приведенным чертежом механизм 7 выполнен в виде силового гидроцилиндра с управляемым вручную поршнем для создания требуемого давления.

На выходе технологической среды из цилиндра в трубопровод 6 встроен манометр 8.

Втулки 9 и 10 служат для установки стержня 4 в корпусе 2 ЭГДД 1 с возможностью регулировочных перемещений, например за счет резьбового соединения между втулкой 9 и корпусом 2. Втулка 10 выполнена из электроизолирующего материала, например пластмассы, и служит для изоляции стержня 4 в процессе эксплуатации устройства.

Снаружи корпус 2 снабжен установочным элементом 11, например наружной резьбой, для закрепления датчика на жесткой составляющей 12 изделия. Верхний рабочий торец 13 стержня 4 предназначен для взаимодействия с участком эластичной составляющей 14 изделия, на который в зоне контакта предварительно нанесен слой электропроводящего состава, например, на основе смеси мелкодисперсного графитового порошка и технического вазелина. Толщина слоя составляет 0.01-0.02 мм, что значительно меньше допусков формы поверхности жесткой составляющей 12 и не вносит заметных возмущений в процесс измерений.

К нижнему (по чертежу) торцу 15 стержня 4 подключен вывод 16 электрической системы сигнализации, состоящей из последовательно включенных в цепь источника питания 17 и индикатора 18 (светового, звукового и т.д.). Второй вывод 19 системы сигнализации предназначен для подключения к жесткой составляющей 12 изделия.

При работе устройство представляет собой совокупность двух контуров: электрического (сигнального) и гидравлического (измерительного).

Первый контур - это электрическая цепь с включенными последовательно источником питания 17 и индикатором 18, которая одним выводом 16 через стержень 4 подключена к эластичной составляющей 14 и другим выводом 19 замкнута на жесткой составляющей 12.

Устройство может работать по принципу прямого визуального наблюдения при ручном создании давления технологической среды и может быть автоматизировано и подключено к компьютеру.

Способ заключается в том, что сначала создают измерительный контур. Для этого ЭГДД 1 с помощью установочных элементов 11 закрепляют на изделии, например вворачивают в резьбовое отверстие, предварительно выполненное в жесткой составляющей 12. При этом полость 3 открыта в сторону эластичной составляющей 14. Через штуцер 5 трубопроводом 6 ЭГДД подключают к исполнительному механизму 7.

Рабочий торец 13 стержня 4 устанавливают в первоначальное положение, соответствующее исходному состоянию сигнальной системы. Для этого стержень 4 с помощью регулировочной втулки 9 выставляют по линии контакта между составляющими 12 и 14 так, чтобы его торец 13 контактировал с участком поверхности эластичной составляющей, на которой предварительно нанесен электропроводящий состав.

Затем ЭГДД 1 включают в электрический контур подключением вывода 16 к торцу 15 стержня 4, вывод 19 при этом замыкают на жесткой составляющей 12, на предварительно зачищенном участке ее поверхности.

Первоначальное исходное состояние контакта между стержнем 4 и эластичной составляющей 14 фиксируется исходным сигналом в электрическом контуре, например лампа-индикатор 18 загорается.

Перемещением поршня силового цилиндра создают давление технологической текучей среды и подают его через полость 3 ЭГДД по линии контакта между составляющей 14 и стержнем 4. Под действием давления поверхность этой составляющей в зоне измерения отходит от поверхности торца 13 стержня 4 и, когда давление среды и давление эластичной составляющей на жесткую составляющую будут равны, цепь электрического контура размыкается и индикатор 18 выдает сигнал о размыкании контакта. Получив этот сигнал, снимают показание с манометра о величине давления технологической текучей среды и принимают его за величину контактного давления между составляющими 12 и 14 контролируемого изделия.

При необходимости процесс повторяют неоднократно, а полученные данные усредняют.

В дополнение к пояснению сущности предлагаемого способа и устройства для его осуществления дан следующий конкретный пример измерения контактного давления между ободом и шиной автомобильного колеса в ходе проведения исследовательских работ.

После установки измерительного устройства на колесе и создания измерительного и сигнального контуров (по описанному выше алгоритму) шину накачивают предварительно давлением 0,05 МПа (для колес легковых автомобилей) и 0,1 МПа (для колес грузовых автомобилей и автобусов). Эта предварительная подкачка производится для того, чтобы шина заняла штатное положение по поверхности обода. Значение величины давления предварительной подкачки определяют экспериментально.

Как только шина после предварительной подкачки занимает свое штатное положение на ободе, контакт ЭГДД через электропроводный слой и лампу-индикатор 18 замыкается на корпус. Лампа-индикатор загорается. После этого накачивают шину заданным давлением. При этом вследствие эластичности шины она в зоне своего контакта с ЭГДД несколько вдавится в кольцевой промежуток между корпусом 2 ЭГДД и его стержнем 4. Величина этого вдавливания, хотя и влияет на картину напряженно-деформированного состояния, но не влияет на погрешность измерения и его конечный результат, так как это вдавливание устраняется на последующем этапе проведения способа. Затем гидросистему заполняют технологической текучей средой и поднимают давление среды в ней. Давление, достигнутое в гидросистеме, отображает манометр 8. При подъеме давления участки шины, вдавленные контактным давлением шины на обод в кольцевой зазор между стержнем 4 и корпусом 2 датчика, начинают выдавливаться из этого зазора до достижения шиной номинального штатного состояния поверхности в зоне измерения, что характеризует равенство давления технологической текучей среды в гидросистеме и контактного давления шины на обод. Торец 13 стержня 4 из-за равенства давлений больше не будет прижат к шине, так как между ним и электропроводящим слоем шины возникнет тонкий (0,001˜0,005 мм) слой рабочей жидкости, который разомкнет электрическую цепь. Рабочая жидкость не выходит в это время в пространство между ободом и шиной. Лампа-индикатор погаснет. В этот момент снимают показания манометра, которые будут равны контактному давлению шины на обод. В момент отключения лампы индикатора (то есть в момент поступления сигнальной информации) шина имеет неискаженную номинальную поверхность контакта с ободом. Таким образом, в предлагаемом способе в отличие от известных аналогов устраняется систематическая составляющая погрешности измерения, связанная с появлением "мостового эффекта" измерения. Проводимые по данному способу измерения относятся к методам непосредственной оценки.

После того как лампа-индикатор погаснет и будут сняты показания манометра, несколько снижают давление в гидросистеме и вследствие эластичности шина под воздействием контактного давления снова прижмется к стрежню 4 и замкнет электрическую цепь. После этого, повторно поднимая давление в цилиндре, можно выполнить еще несколько измерений в этой зоне, а полученные данные усреднить. При таком способе проведения повторных измерений получается равное число измерений с подходом к моменту снятия показаний "сверху" и "снизу" по шкале. Это создает возможность устранить погрешности из-за переустановки измерительного прибора. Таким образом можно выполнить неограниченное число замеров в максимально схожих условиях. В дальнейшем результаты серии замеров используются для статистической обработки с целью устранения влияния случайной погрешности измерения.

Изобретение может применяться в различных отраслях производства изделий, содержащих два взаимодействующих между собой элемента, один из которых жесткий, другой - эластичный. Изделие подключают к измерительному (гидравлическому) и сигнальному (электрическому) контурам устройства. Для этого изделие присоединяют через электрогидравлический датчик давления (ЭГДД) и трубопровод к силовому гидроцилиндру с технологической текучей средой. Для подключения изделия к сигнальному контуру одним выводом электрическую цепь замыкают непосредственно на жесткой составляющей, а другим выводом, который подсоединяют к стержню ЭГДД, - на эластичной составляющей. Выставляют контактный стержень датчика в исходное положение. Электроцепь замыкается и наличие контакта фиксируется индикатором. Затем работой поршня силового гидроцилиндра создают давление технологической текучей среды, которое подают в полость ЭГДД. Как только под действием давления эластичная составляющая отойдет от стержня, электроцепь разомкнется и индикатор выдаст соответствующий сигнал. Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности измерений, а также расширение функциональных возможностей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения контактных давлений между двумя взаимодействующими жесткой и эластичной составляющими изделия по давлению технологической текучей среды, подаваемой извне от исполнительного механизма, при котором создают измерительный контур путем подключения к изделию и исполнительному механизму датчика давления с полостью приема среды и регулируемым контактным элементом, устанавливают контактный элемент в первоначальное положение, соответствующее исходному состоянию контакта, и подключают его к электрическому контуру сигнализации о состоянии этого контакта, затем подачей извне давления текучей среды изменяют исходное состояние контакта и отслеживают сигнал об этом изменении, а по получению сигнала определяют давление в измерительном контуре и по нему судят об измеряемом давлении, отличающийся тем, что используют датчик давления с открытой в сторону изделия полостью приема среды и контактным элементом в виде электропроводного стержня, расположенного в этой полости, датчик устанавливают в отверстии, выполненном в жесткой составляющей изделия в зоне измерения, при этом для установки контактного элемента датчика в исходное положение его выставляют по линии контакта между жесткой и эластичной составляющими изделия до обеспечения взаимодействия его рабочего торца с участком поверхности эластичной составляющей изделия, на который предварительно нанесен слой электропроводящего состава, противоположным торцом контактный элемент подключают к первому выводу упомянутого сигнального контура, второй вывод которого замыкают на жесткой составляющей изделия, затем через открытую полость датчика подают технологическую текучую среду между составляющими изделия, причем подачу текучей среды осуществляют до получения сигнала о размыкании исходного контакта, соответствующего равенству давления технологической текучей среды контактному давлению между жесткой и эластичной составляющими изделия, а определение давления в измерительном контуре производят путем замера давления среды на выходе исполнительного механизма после этого сигнала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замер давления в измерительном контуре производят многократно, а полученные данные усредняют.3. Устройство для измерения контактных давлений между взаимодействующими жесткой и эластичной составляющими изделия, содержащее исполнительный механизм подачи технологической текучей среды, датчик давления с расположенными в корпусе регулируемым контактным элементом и полостью приема текучей среды, вход которой связан трубопроводом с исполнительным механизмом подачи текучей среды, а выход подключается к изделию, а также электрическую систему сигнализации с электрическими выводами, в контур которой включен контактный элемент датчика, отличающееся тем, что в нем исполнительный механизм на выходе снабжен измерителем давления технологической текучей среды, корпус датчика снабжен установочными элементами для его крепления в зоне измерения в жесткой составляющей контролируемого изделия, полость приема текучей среды в датчике выполнена открытой со стороны выхода, а контактный элемент выполнен в виде электропроводного стержня, размещенного в этой полости, так что его рабочий торец находится в одной плоскости с упомянутым выходом полости, и при этом контур электрической сигнальной системы образован путем подключения одного вывода через контактный элемент датчика к эластичной составляющей, а другого - непосредственно к жесткой составляющей изделия.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что контактный элемент установлен в корпусе датчика посредством регулировочной втулки.