СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ДОРОЖНЫМ ПОКРЫТИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01M17/02 G01N19/02 B66F7/24 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием. Такой способ может быть использован при анализе дорожно-транспортных происшествий (ДТП), когда необходимо определить коэффициент сцепления каждого из колес автомобиля - участника ДТП с полотном дороги.

Практически все известные способы определения коэффициента сцепления колес автомобиля с полотном дороги позволяют определить некоторую интегральную характеристику сцепления автомобиля с полотном дороги. Так, в соответствии с [1] способ определения коэффициента сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием включает торможение транспортного средства на испытываемом участке дорожного покрытия, выполняемое с 2-х различных начальных скоростей движения транспортного средства. Далее производится измерение в каждом случае торможения длины тормозного пути, времени торможения и последующее вычисление коэффициента сцепления по определенной формуле, приведенной в [1]. Однако этот способ не позволяет не только дифференцированно определить коэффициент сцепления с дорогой каждого колеса автомобиля, но и не позволяет определить эти характеристики для автомобиля, попавшего в ДТП, поскольку после ДТП зачастую автомобиль не способен к движению, а сцепные характеристики его с дорожным полотном могут существенно отличаться от этих же характеристик до момента ДТП.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения коэффициента сцепления колеса с полотном дороги и устройство для его осуществления по патенту РФ на изобретение №2453828 [2], который принят за прототип. Способ заключается в том, что для оценки сцепных качеств автомобильного колеса, установленного на оси автомобиля, с дорожным покрытием определяется в момент перехода колеса из неподвижного состояния в режим буксования, для чего к его ободу прикладывают вращающий момент, который плавно увеличивают до значения, обеспечивающего начало буксования, и величина которого измеряется. После чего к колесу прикладывают дополнительную весовую нагрузку, действующую на колесо, а к его ободу вновь прикладывают вращающий момент, который плавно увеличивают до значения, обеспечивающего начало буксования в новых условиях весового воздействия на колесо, величина которого измеряется. Исходя из разности силовых моментов, приложенных к испытуемому колесу, геометрических размеров колеса (диаметр колеса) и величины дополнительной весовой нагрузки, приходящейся на колесо, судят о сцепных качествах автомобильного колеса с полотном дороги. При этом силовая нагрузка в виде вращающего силового момента, плавно увеличивающаяся во времени до значения, обеспечивающего начало буксования колеса, прикладывается к ободу установленного на оси автомобиля штатного колеса, нагруженного вертикальной силовой нагрузкой, при этом остальные колеса автомобиля зафиксированы с целью исключения перемещения самого автомобиля, а величина силового момента, соответствующего началу буксования, фиксируется. После этого меняется величина нагружения вертикальной силовой нагрузкой испытуемого колеса и к его ободу, вновь плавно увеличивая, прикладывают силовой момент до начала буксования колеса, а величину силового момента, соответствующего началу буксования, также фиксируют и по разности измеренных силовых моментов судят о коэффициенте сцепления испытуемого колеса с полотном дороги.

Недостатком способа-прототипа является то, что прикладывают вращающий силовой момент к ободу колеса, которым, как правило, является шина (покрышка) колеса, что является достаточно сложной технической задачей. Дело в том, что тело покрышки не имеет достаточной жесткости для надежного зацепления с ее поверхностью зацепов, фиксация которых на ободе колеса осуществляется талрепами, как это предлагается в устройстве, реализующем способ-прототип.

Эксплуатация (практика) устройства, изготовленного в соответствии с описанием устройства, реализующего способ-прототип, показала низкую надежность фиксации на ободе колеса узла передачи прикладываемого вращающего силового момента: необходимо обеспечивать одинаковое усилие крепления всех талрепов, используемых в устройстве. Контроль этих величин существенно усложняет процесс работы с устройством при определении коэффициента сцепления колеса с полотном дороги и усложняет конструкцию устройства. Практика показала, что вращающий момент надо прикладывать не к ободу колеса, а к ступице или диску испытуемого колеса.

Вторым недостатком способа-прототипа является необходимость при реализации способа использовать дополнительные грузы для изменения величины нагрузки (вертикальной нагрузки), приходящейся на отдельное колесо при его испытании (тестировании). Это обеспечивается в устройстве, реализующем способ-прототип, путем перемещения груза на штанге устройства. Это не только усложняет конструкцию устройства, но и делает это устройство из-за этого груза более массивным. Величина этого груза, его вес, должен быть соизмерим с величиной вертикальной силовой нагрузки, приходящейся на колесо от веса всего автомобиля.

Третьим недостатком устройства, реализующего способ-прототип, является высокая погрешность передачи вращающего силового момента от динамометрического ключа к ободу колеса при изменении величины вертикальной нагрузки, приходящейся на колесо. Фактически в способе-прототипе передача вращающего момента производится по схеме динамического винта, т.е. силовой момент должен прикладываться в плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса, а эта ось должна совпадать с осью динамического винта [3]. Однако при обеспечении соосности динамического винта и оси вращения тестируемого (испытуемого) колеса в начале процесса тестирования колеса, при изменении вертикальной нагрузки на колесо происходит смещение (деформация) обода колеса и поворота оси вращения колеса относительно плоскости горизонта. В результате происходит рассогласование осей динамического винта и оси вращения колеса. Это не только приводит к появлению паразитных сил, искажающих полученный результат, но и изменяет условия крепления и нагружения отдельных талрепов, поскольку плоскость их крепления становится неперпендикулярной оси вращения колеса, что дополнительно искажает результат тестирования.

Четвертым недостатком способа-прототипа является сложность его использования для тестирования колеса большого диаметра, что определяется сложностью приложения вращающего силового момента к ободу колеса большого диаметра и большими значениями таких силовых моментов.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности определения коэффициента сцепления отдельного колеса с полотном дороги и расширение диапазона использования способа для тестирования колес большого диаметра.

Указанная цель достигается тем, что для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием к ступице колеса или к его диску, находящемуся в неподвижном состоянии нагруженного вертикальной основной нагрузкой от веса автомобиля, производят поддомкрачивание автомобиля известной силой с той стороны, где расположено тестируемое колесо, и плавно увеличивая от нуля, прикладывают вращающий силовой момент, максимальное значение которого соответствует началу буксования колеса (проворот колеса), при этом сам автомобиль фиксируется от возможности его движения по полотну дороги. При этом величина поддомкрачивания соответствует определенному силовому воздействию автомобиля на опорную площадку домкрата. Поддомкрачивание позволяет уменьшить величину силового вращающего момента в момент буксования колеса. Значение прикладываемого к испытуемому колесу силового момента в начале буксования колеса используется в дальнейших расчетах. Далее испытуемое колесо вновь поддомкрачивают за счет известной силы и, плавно увеличивая от нуля, прикладывают к испытуемому колесу вращающий силовой момент, максимальное значение которого соответствует режиму буксования колеса при измененной весовой нагрузке на испытуемое колесо. Значение силового момента, прикладываемого к колесу автомобиля в новых условиях его весового нагружения и соответствующее началу его буксования, также используется в дальнейших расчетах. В результате, по разности измеренных силовых моментов судят о коэффициенте сцепления испытуемого колеса с полотном дороги.

Принципиальным отличием предлагаемого изобретения от способа-прототипа является то, что вращающее усилие (вращающий силовой момент) прикладывается не к ободу колеса, а к ступице колеса, или к диску колеса, а изменение величины вертикальной нагрузки, действующей на колесо, осуществляется путем поддомкрачивания автомобиля. При этом предлагаемый способ значительно расширяет диапазон тестируемых колес по диаметру по сравнению со способом-прототипом.

Как и для прототипа, силовые моменты для обоих случаев, прикладываемые к колесу в начальный момент его буксования, могут быть рассчитаны по следующим формулам:

где F_TP1, F_TP2 - силы трения в пятне контакта шины с полотном дороги, соответственно при первом и втором эксперименте по буксованию колеса;

L₁, L₂ - крутящие моменты, соответствующие началу буксования испытуемого колеса при первом и втором эксперименте;

R - расстояние от центра испытуемого колеса до опорной поверхности (дорожного полотна);

f - искомый коэффициент сцепления;

P₁ - вертикальная силовая нагрузка, действующая на колесо в первом эксперименте;

P₂ - вертикальная силовая нагрузка, действующая на колесо во втором эксперименте.

Поскольку нагрузка на колесо при первом и втором его буксовании отличалась на известную величину Q=Р₂-Ρ₁, из системы уравнений (1-2) легко получить выражение для искомого коэффициента сцепления

Как и в способе-прототипе, для реализации предлагаемого способа определения коэффициента сцепления автомобильного колеса с полотном дороги, в устройстве, реализующем способ, должна быть система нагружения испытуемого колеса вертикальной силовой нагрузкой и система нагружения его крутящим моментом, а также должна быть в устройстве измерительная система (измерение величины крутящего момента). Кроме этого оба этих способа при их реализации в определенном устройстве имеют и узел передачи вращающего силового момента от источника силового момента к испытуемому колесу, что определяет отличия устройств, реализующих способ-прототип и предлагаемый способ.

Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, схема которого приведена на фиг. 1 (вид сбоку) и фиг. 2 (вид сверху).

Устройство состоит из станины 1, на которой установлен подъемник 2, например, ромбического типа, на опорной платформе 3 которого закреплен редуктор 4, а на выходном консольном валу 5 редуктора 4 установлен карданный узел 6. К испытуемому колесу 7 вращающий силовой момент передается с помощью фланца 8, закрепленного на ступице колеса 7 или его диске. На хвостовике 9 фланца 8 закреплен второй карданный узел 10. Карданные узлы 6 и 10 соединены друг с другом валом 11, который предназначен для передачи силового вращающего момента от карданного узла 6 к карданному узлу 10, для чего вал 11 выполнен в виде цилиндра, имеющего некруглое, например квадратное поперечное сечение. Для компенсации угловой и осевой несоосности выходного вала 5 и хвостовика 9, хвостовики 12 и 13 карданных узлов 6 и 10 выполнены полыми линейного перемещения по этим полостям вала 11. Силовой вращающий момент создается на входном валу 14 редуктора с помощью динамометрического ключа 15. В подъемнике 2 перемещение опорной платформы 3 осуществляется силовым винтом 16 с помощью шкива 17. Для поддомкрачивания автомобиля используется гидравлический домкрат 18 с манометром 19, показания которого характеризуют величину (силу) поддомкрачивания. Сам домкрат 18 установлен на каретке 20, имеющей возможность перемещения вдоль траверсы 21 с узлом фиксации каретки на траверсе 21, который не показан на фиг. 1 и фиг. 2. В свою очередь, траверса 21 крепится на станине 1 осью 22 с возможностью поворота траверсы относительно этой оси и имеет узел фиксации углового положения траверсы, который не показан на фиг. 1 и фиг. 2. При этом горизонтальная проекция оси входного вала 14 редуктора 4 и горизонтальная проекция выходного вала 5 редуктора 4 расположены под углом относительно друг друга в 90 градусов.

Устройство работает следующим образом.

При определении коэффициента сцепления устройство устанавливается напротив испытуемого колеса 7, обеспечивая соосности колеса 7, обозначенного на фиг. 1 пунктиром, и выходного вала 5 редуктора 4, перемещая для этого опору 3 с помощью винта 16, используя маховик 17. Расстояние S от колеса 7 до устройства выбирают по месту. Далее на ступицу колеса 7 или диск колеса устанавливают фланец 8 с карданным узлом 10. Аналогично на выходной вал 5 редуктора 4 устанавливают второй карданный узел 6. Карданные узлы 6, 10 соединяются друг с другом валом 11, имеющим некруглое поперечное сечение. При измерении коэффициента сцепления с дорогой ведущего колеса коробка передач должна быть переведена в нейтральное положение - передача выключена. При измерении коэффициента сцепления на задних колесах автомобиля, автомобиль должен быть снят с ручного тормоза. Далее все колеса автомобиля, кроме испытуемого, блокируются, например, противооткатными упорами. Под автомобиль устанавливается домкрат. Следующей операцией является проведение поддомкрачивания автомобиля, в результате чего колесо отклоняется от плоскости горизонта по сравнению с первоначальным положением. Для этого положения колеса обеспечивается соосность колеса и выходного вала 5 редуктора 4, для чего перемещают в подъемнике 2 опорную платформу 3 с помощью винта 16, проворачивание которого производится маховиком 17. После выполнения всех операций устройство готово к работе.

Работа с устройством производится следующим образом. Динамометрическим ключом 15 на входном валу 5 редуктора 4 с постоянным нарастанием создается силовой момент, который через редуктор 4, карданный узел 6, вал 11, карданный узел 10 и вал 4 через фланец 8 передается на испытуемое колесо 7. Динамометрический ключ 15 покажет максимальное значение крутящего силового момента L₁, создаваемого на входном валу редуктора, соответствующего началу буксования испытуемого колеса. Значение максимального крутящего силового момента L₁ фиксируется и производится перевод показаний динамометрического ключа в нулевое положение.

Далее производится повторное (дополнительное) поддомкрачивание автомобиля, в результате чего колесо дополнительно отклонится от положения, которое занимало колесо после первого поддомкрачивания, на величину ε. В результате нарушается соосность ступицы колеса и выходного вала 5 редуктора 4, но силовая связь между карданными узлами 6 и 10 не нарушается и посредством вала 11 силовой момент может быть передан от редуктора 4 к колесу 7. Аналогично, как и в первом опыте динамометрическим ключом 15 на входном валу 14 редуктора 4 с постоянным нарастанием создается силовой момент, который через редуктор 4 в соответствии с передаточным отношением редуктора 4 передается через узлы 6, 11, 10, 8 на колесо 7, несмотря на угловые осевые отклонения осей ступицы колеса и выходного вала 5 редуктора 4. Динамометрический ключ 15 покажет максимальное значение крутящего силового момента L2, создаваемого на входном валу редуктора 4, соответствующего началу буксования испытуемого колеса. Значение максимального крутящего силового момента L2 фиксируется, и производится перевод показаний динамометрического ключа в нулевое положение. При передаточном отношении редуктора равном φ, силовые крутящие моменты, действующие на колесо 7, будут соответственно равны L₁φ и L₂φ. Тогда легко показать, что формула (3) для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным полотном будет иметь вид

При этом надо определить величину вертикальных нагрузок Q₁, Q₂, действующих на колесо при первом и втором тестировании колеса. Расчетная схема для определения величины вертикального усилия, действующего на колесо в процессе тестирования и изменяющегося в зависимости от величины поддомкрачивания автомобиля, представлена на фиг. 3.

Величина поддомкрачивания определяется усилием Ρ₁, в зависимости от величины которого в точке контакта А домкрата с автомобилем перемещение будет определяться параметром δ_i. В результате перемещения точки A по вертикали на величину δ_i точка B, соответствующая следу оси ступицы тестируемого колеса на величину Δ_i. Если предположить, что система подвески автомобильного колеса эквивалентна пружинной подвеске с жесткостью С, то тогда при деформации этой пружины на величину Δ_i тестируемое колесо будет разгружено на величину CΔ_i. Тогда между величинами P_i и величиной разгрузки колеса существует очевидная зависимость

Точка Ε соответствует следу оси ступицы другого нетестируемого колеса по борту автомобиля, где располагается тестируемое колесо. Из фиг. 3 следует, что величина P_i пропорциональна величине δ_i, измерив которую можно определить усилие P_i. Однако измерять такие перемещения опорной поверхности домкрата является дополнительной сложностью при эксплуатации устройства. Поэтому целесообразно для поддомкрачивания использовать масляной домкрат, с установленным на нем манометром: по показаниям манометра можно судить о величине усилия P_i. Можно предположить, что усилие P_i пропорционально показаниям манометра домкрата

где k - коэффициент пропорциональности;

p_i - давление в манометре.

Тогда усилия, действующие на поверхность грунта (дороги) со стороны тестируемого колеса, будут равны

где p_i - давление в рабочей полости домкрата, используемого для поддомкрачивания автомобиля;

- коэффициент пропорциональности для испытательной системы;

Q₀ - номинальное вертикальное усилие, приходящееся на тестируемое колесо без поддомкрачивания.

С учетом (7) выражения (1) и (2) примут вид

В выражениях (8), (9) параметр χ является характеристикой тестирующего устройства (стенда) и автомобиля, колесо которого тестируется.

Коэффициент пропорциональности k в выражении (6) может быть предварительно определен путем тестирования используемого в устройстве домкрата за счет прикладывания к его опорной поверхности известных усилий, как это делается при градуировке динамометров. В соответствии с фиг. 3 параметр Η является базовым параметром автомобиля и может быть взят из паспорта автотранспортного средства или может измерен непосредственно на месте тестирования колеса. Тем самым параметр χ является для системы (8), (9) известной величиной. При этом при установке домкрата необходимо выполнить требование

для того, чтобы разгружалось тестируемое колесо.

Тогда из системы (8), (9) будем иметь

В выражении (11) R - радиус тестируемого колеса. При этом следует отметить, что формула (11) является несколько приближенной, поскольку на практике плечо приложения силы сцепления (силы трения) не соответствует радиусу колеса по причине деформации колеса (шины колеса) под действием вертикальной нагрузки. Поэтому целесообразно измерять параметр - R, как расстояние от ступицы колеса до полотна дороги.

Тем самым, для определения коэффициента сцепления с полотном дороги необходимо провести геометрические измерения для определения параметров позиционирования домкрата, используемого для поддомкрачивания автомобиля, измерение базы автомобиля, и при проведении двух экспериментов по тестированию автомобильного колеса для двух различных величин поддомкрачивания, проводить измерения расстояния расположения центра ступицы колеса от полотна дороги. В ходе тестирования определяют силовые моменты L₁ и L₂ и фиксируются показания манометра домкрата p₁ и p₂, соответствующие первому и второму поддомкрачиванию автомобиля.

Для устройства, реализующего способ-прототип, экспериментально была выявлена необходимость увеличения опорной плиты устройства за счет выдвинутых консолей, которые исключали бы перемещение тестирующего устройства под действием реактивного момента от силового момента, создаваемого на входном валу редуктора.

В предлагаемом нами изобретении этого можно избежать за счет того, что оператор при тестировании автомобильного колеса располагается на станине 1, что за счет веса оператора и того, что червячный редуктор передает вращение по осям, перпендикулярным друг другу, удается гарантировать устойчивость положения устройства на месте тестирования колеса.

Тем самым, предлагаемый способ определения коэффициента сцепления конкретного колеса автомобиля непосредственно на месте ДТП без демонтажа колеса с автомобиля - участника ДТП, позволяет упростить устройство для его реализации и процесс тестирования испытуемого колеса, что повышает достоверность и объективность определения коэффициента сцепления колеса с полотном дороги непосредственно на месте ДТП.

Источники информации

1. Способ определения коэффициента сцепления. А.с. СССР №1404903, G01N 19/02; G01Μ 17/02. Опубл. 23.06.88. Бюл. №23.

2. Способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2453828. МПК-6 G01N 19/02. Заявл. 15.11.2010. Опубл. 20.06.2012.. Бюл. №17. (прототип).

3. Бутенин Н.В. Курс теоретической механики. Т. 1. Статика и кинематика / Н.В. Бутенин, Я.Л. Лунц, Д.Р. Меркин - М.: Наука, 1970. - 240 с.

Группа изобретений относится к области оперативного контроля коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием. Способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием заключается в определении величины силового вращающего момента, приложенного к ступице или к диску тестируемого колеса. После чего дважды меняют вертикальную силовую нагрузку, действующую на тестируемое колесо, за счет поддомкрачивания автомобиля, и вновь определяют вращающий силовой момент. По разности измеренных в экспериментах силовых вращающих моментов для различных случаев поддомкрачивания судят о коэффициенте сцепления колеса с дорогой. Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, содержащее систему нагружения колеса вертикальной нагрузкой и крутящим моментом. Устройство содержит станину, домкрат для поддомкрачивания автомобиля, имеющий датчик усилия, воспринимаемый домкратом. Достигается повышение точности определения коэффициента сцепления отдельного колеса с полотном дороги и расширение диапазона использования способа для тестирования колес большого диаметра. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, состоящий в приложении к неподвижному колесу, нагруженному вертикальной нагрузкой, плавно изменяющейся нагрузки, по величине которой, соответствующей началу буксования колеса, с учетом его геометрических характеристик, вычисляют коэффициент сцепления, при этом остальные колеса автомобиля зафиксированы с целью исключения перемещения самого автомобиля, а величина силового момента, соответствующего началу буксования фиксируется, после чего меняется величина нагружения вертикальной силовой нагрузкой испытуемого колеса, вновь плавно увеличивая прикладывают силовой момент до начала буксования колеса, а величину силового момента, соответствующего новым условиям буксования, также фиксируют и по разности измеренных силовых моментов судят о коэффициенте сцепления испытуемого колеса с дорожным покрытием, отличающийся тем, что силовая нагрузка в виде вращающего силового момента прикладывается к диску колеса или к его ступице, а изменение вертикальной нагрузки, действующей на испытуемое колесо, обеспечивается путем поддомкрачивания автомобиля.

2. Устройство для определения коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием, содержащее систему нагружения тестируемого автомобильного колеса, непосредственно установленного на оси автомобиля, систему нагружения колеса вертикальной нагрузкой и систему нагружения его крутящим моментом, отличающееся тем, что устройство содержит станину, на которой установлен подъемник, имеющий опорную платформу с возможностью ее позиционирования относительно полотна дороги, причем на опорной платформе закреплен редуктор, на выходном валу которого установлен карданный узел, а на входном валу редуктора установлен динамометрический ключ, позволяющий измерять величину силового момента, прикладываемого к входному валу редуктора и, соответственно, с учетом передаточного отношения измерять величину силового момента, прикладываемого к колесу, причем входной вал и выходной вал редуктора перпендикулярны друг другу, а узел передачи вращающего момента от выходного вала к колесу состоит из фланца, закрепляемого на ступице тестируемого колеса или его диске, причем фланец имеет хвостовик, выполненный в виде карданного узла, который соединен с карданным узлом, установленным на выходном валу редуктора, валом с некруглым поперечным сечением, а для изменения величины вертикальной силовой нагрузки, действующей на испытуемое колесо, устройство снабжено домкратом для поддомкрачивания автомобиля, имеющим датчик усилия, воспринимаемого домкратом, а сам домкрат имеет систему его позиционирования под кузовом автомобиля, позволяющую определить геометрические характеристики позиционирования домкрата относительно тестируемого колеса.