Стенд для исследования рабочего процесса колесного движителя транспортных средств
Полезная модель относится к транспортным средствам и разработана для исследования рабочего процесса эластичного колесного движителя транспортного средства, может быть использована в качестве стендового оборудования, позволяющего оценить эффективность работы колес автомобилей и тракторов в разных условиях эксплуатации. Предложенный в полезной модели стенд содержит раму с плоской опорной поверхностью и несколько конструктивных узлов для установки испытуемого колеса, обеспечивающих перемещение колеса, заданную вертикальную нагрузку, крутящий и тормозной моменты, блок управления стендом и устройство для изменения сцепных свойств дорожных покрытий. Рабочая поверхность рамы позволяет закреплять на ней разные типы фрагментов дорожных покрытий, в сухом и влажном их состояниях, а также имитировать гололед и заснеженную дорогу. Стабильность нагрузок и моментов обеспечивается строго тарированными грузами, выбранными для конкретного вида испытаний. Узел замера и регистрации обеспечивает фиксацию параметров качения и сцепления колеса с опорной поверхностью с помощью датчиков и электронных преобразователей, подключенных к компьютеру.
Полезная модель стенда для исследования рабочего процесса колесного движителя относится к транспортным средствам и может быть использована в качестве стендового оборудования для исследований, испытаний и технической диагностики колес автомобилей и тракторов.
Известен барабанный стенд для определения сопротивления качению автомобильных колес в лабораторных условиях. (Туревский И.С. Теория автомобиля: Учебное пособие / И.С.Туревский. - М.: Высшая школа, 2005 г.). Стенд содержит две электрические машины, одна из которых соединена посредством карданной передачи с испытуемым колесом, а вторая - с беговым барабаном. Вертикальная нагрузка на колесо создается гидроцилиндром, встроенным в гидравлическую систему. Тормозной момент на колесе создается тормозным генератором, а его величина измеряется динамометрической муфтой.
Недостатком барабанного стенда является нестабильность вертикальной нагрузки из-за колебаний рабочего давления и трения в гидроцилиндре, а качение испытуемого колеса происходит по выпуклой поверхности барабана, что искажает форму контакта шины с опорной поверхностью в вертикальной плоскости и, соответственно, влияет на точность результатов.
Известен карусельный стенд, который содержит плоский беговой диск, с наружным диаметром, сопоставимым с размером испытуемого колеса. (Чудаков Е.А. Теория автомобиля. Избранные труды. Из-во Академии наук СССР, М.: 1961 г.). Колесо опирается на поверхность диска и приводит его во вращение от балансирной электрической машины. Мощность, передаваемая от колеса на диск, поглощается механическим тормозом, установленным на валу диска. Через параметры частоты вращения диска и мощности рассчитывается коэффициент сопротивления качению.
Недостатком карусельного стенда является нестабильность тормозного момента, создаваемого механическим тормозом и кривизна траектории качения испытуемого колеса, вызывающая искривление формы контакта шины в горизонтальной плоскости, что также влияет на точность результатов.
Известен стенд для динамических испытаний шин, (Патент 
2328714 от 10.07.2008 г.). Стенд содержит стальной барабан с приводом от электродвигателя и гидравлическую систему, одновременно нагружающую две испытуемые шины, стенд располагается в изолированном от шума помещении. Динамические испытания шин обеспечиваются переменностью вертикальных нагрузок на два испытуемых колеса.
Недостатком данного стенда является использование сложной гидравлической системы вертикальной нагрузки и кривизна поверхности барабана, не обеспечивающая точность определения коэффициента сопротивления качению.
Наиболее близкими к предлагаемой полезной модели является стенды с плоской контактной поверхностью, имитирующие плоскую реальную поверхность дороги.
Одним из таких стендов с плоской контактной поверхностью является лабораторный стенд, разработанный в КубТТУ для экспериментальных исследований коэффициента сцепления элемента беговой дорожки автомобильной шины. (Куюков В.В. и др. Экспериментальное исследование сцепления элемента шины автомобильного колеса в лабораторных условиях. Материалы международной конференции, г.Одесса, 2011 г.).
Стенд содержит однополостной пневмобаллон, с закрепленным на нем элементом беговой дорожки шины. Пневмобаллон установлен на раме полуприцепа автопоезда. Пневмобаллон создает вертикальную нагрузку на элемент шины, а его продольное перемещение по контактной поверхности обеспечивается движением автопоезда. Перемещение элемента шины создает касательные напряжения в его контакте, значения которых позволяют определить величину коэффициента сцепления с высокой точностью.
Недостатком этого стенда является невозможность определения на нем коэффициента сопротивления качению колеса.
Прототипом предлагаемой полезной модели является стенд для диагностирования тормозных качеств автомобиля, заторможенные колеса которого устанавливаются на горизонтальную контактную поверхность. Процесс торможения автомобиля имитируется путем принудительного перемещения двумя силовыми цилиндрами двух контактных поверхностей под двумя заторможенными колесами автомобиля в продольном направлении по подвижным опорам. (Патент 2391237 от 2010 г.). Контактные поверхности имеют полимерное покрытие с высоким коэффициентом сцепления. Стенд позволяет определить величины тормозных сил на заторможенных колесах и рассчитать реализованный коэффициент сцепления, в зависимости от усилия, приложенного к тормозной педали.
Однако данный стенд не позволяет экспериментально оценить весь комплекс параметров рабочего процесса колесного движителя. Так сила трения, возникающая при продольном перемещении контактной поверхности по направляющим стенда, сопоставима с силой сопротивления качению колес автомобиля, поэтому на этом стенде не возможно точно определить коэффициент сопротивления качению колеса и коэффициенты скольжения и буксования колеса на опорной поверхности, в виду отсутствия на этом стенде соответствующих датчиков.
С учетом недостатков данного прототипа и других известных стендов, задачей предлагаемой полезной модели является разработка такого стенда, конструкция которого с наибольшей полнотой и точностью позволяла бы раскрыть потенциальные возможности рабочего процесса колесного движителя в ведомом, тормозном и тяговом режимах
Техническим результатом применения предлагаемого стенда является повышение точности определения параметров рабочего процесса колесного движителя, за счет стабилизации нагрузок, действующих на колесо, замера и регистрации параметров качения колеса, а также путем изменения сцепных свойств разных типов дорожных покрытий.
Технический результат достигается на стенде для исследования рабочего процесса колесного движителя транспортного средства, содержащий металлическую раму с горизонтальной контактной поверхностью для установки колеса, датчики замера и регистрации параметров, соединенные через аналого-цифровой преобразователь с компьютером, отличающийся тем, что содержит узлы создания вертикальной нагрузки на колесо, горизонтального перемещения колеса и крутящего и тормозного моментов; причем узел создания вертикальной нагрузки на колесо состоит из серьги Г-образной формы, устанавливаемой на оси колеса и сменного груза, прикрепленного к вертикальной оси серьги, узел горизонтального перемещения колеса состоит из шкива, установленного на одном из концов рамы и троса, прикрепленного к горизонтальной оси серьги и к сменному грузу, узел создания крутящего и тормозного моментов состоит из сдвоенного силового шкива, установленного на оси колеса, двойного шкива, закрепленного на другом конце рамы и тросов, концы которых закреплены на двух частях силового шкива и перекинуты через двойной шкив и уравновешивающий шкив со сменным грузом, кроме того, на вертикальном кронштейне над колесом закреплена емкость для абразивного компонента или жидкости; рама стенда выполнена неподвижной и имеет корытообразную форму, для ограничения движения колеса по контактной поверхности на раме установлены стойки с включателем и конечным выключателем и размещен сменный фрагмент, имитирующий определенный тип дорожного покрытия, а в состав узла замера и регистрации входит датчик импульсов вращения колеса, счетчик импульсов и электронной секундомер.
На фиг.1 представлен основной вид стенда
На фиг.2 представлено поперечное сечение стенда по оси колеса
На фиг.3 представлен вид на левую сторону стенда
На фиг.4 представлен вид сверху
Стенд содержит:
1 - раму; 2 - испытуемое колесо; 3 - датчик импульсов вращения колеса (ДИВК); 4 - груз с массой m гр1; 5 - включатель стенда; 6 - стойка включателя стенда; 7 - груз с массой mгр2; 8 - двойной шкив; 9, 18 - тросы; 10 - электронный секундомер (ЭС); 11 - электронный счетчик импульсов вращения колеса (СИ); 12 - емкость для абразивного материала или жидкости; 13 - включатель электропитания стенда (ВК); 14 - блок аналого-цифровых преобразователей (БАЦП); 15 - блок электропитания (БП); 16 - персональный компьютер (ПК); 17 - конечный выключатель стенда; 19 - одинарный шкив; 20 - груз с массой mгр3; 21 - электромагнитный клапан; 22 - кронштейн емкости для абразивного материала; 23 - сдвоенный силовой шкив; 24 - серьга с поперечиной для закрепления троса; 25 - подвес груза с массой mгр2; 26 - фрагмент дорожного покрытия; 27 - стойка двойного шкива 8; 28 - стойка одинарного шкива 19; 29 - уравновешивающий шкив; 30 - ось испытуемого колеса.
Узел, создающий вертикальную нагрузку на испытуемое колесо 2, состоит из серьги 24 и сменного груза 4. Серьга закреплена на оси 30 колеса (фиг.1), а груз 4 закрепляется на ее вертикальных пластинах. Стабильность вертикальной нагрузки на испытуемое колесо обеспечивается за счет тарировки сменного груза 4.
Узел продольного перемещения испытуемого колеса (фиг.1 и фиг.4) состоит из серьги 24 шкива 19, троса 18, сменного груза 20. Трос 18 закреплен на поперечине серьги 24, (фиг.4), и перекинут через шкив 19. Минимальное трение при экспериментах обеспечивается за счет подшипников качения, установленных на оси 30 испытуемого колеса.
Узел, создающий на испытуемом колесе крутящий или тормозной моменты (фиг.1 и фиг.4), состоит сдвоенного силового шкива 23 установленного на оси колеса (фиг.2), троса 9, двойного шкива 8 установленного на раме, уравновешивающего шкива 29, подвеса 25, груза 7, (фиг.3). Сдвоенный силовой шкив 23 состоит из двух частей, одна его часть закреплена на оси 30 по одну сторону колеса 2, другая - по другую сторону. Трос 9 двумя концами закрепляется на двух частях сдвоенного силового шкива, обматывается вокруг каждого из них и перекидывается через сдвоенный шкив 8 на уравновешивающий шкив 29. Стабильность создаваемых моментов на колесе обеспечивается постоянными радиусами частей двойного силового шкива 23 и тарировкой сменного груза 7.
Узел, обеспечивающий замер и регистрацию параметров рабочего процесса, (фиг.1) состоит из датчика импульсов вращения испытуемого колеса 3, электронного секундомера 10, счетчика импульсов вращения колеса 11, блока аналого-цифровых преобразователей 14, включателя 5, конечного выключателя 17, блока питания 15 и включателя питания 13, компьютера 16. Пройденный путь испытуемого колеса определяется по сигналам включателя 5 и конечного выключателя 17.
Устройство, обеспечивающее изменение сцепных свойств шины и покрытия (фиг.2), состоит из воронкообразной емкости 12 для абразивного компонента или жидкости и электромагнитного клапана 21. Емкость 12 при помощи кронштейна 22 закреплена над испытуемым колесом на вертикальных пластинах серьги 24.
Полезная модель стенда для исследования рабочего процесса колесного движителя работает следующим образом:
Испытуемое колесо 2, при помощи груза 4 нагружается вертикальной нагрузкой, соответствующей номинальной для данного типа шины, с номинальным давлением воздуха в ней.
Перед началом испытаний колесо 2 принудительно перемещается по раме стенда в крайнее левое положение до размыкания включателя 5, расположенного на стойке 6 и в таком положении удерживается оператором. На основании предварительных опытов и выбранного режима испытаний, подбирается вес грузов 7 и 20.
После подготовки механической части стенда к работе, оператор подключает электропитание включателем 13 блок питания 15 к схеме управления.
В момент начала качения испытуемого колеса 2 по стенду, автоматически срабатывает включатель 5, подключающий импульсный датчик вращения колеса 3, счетчик импульсов 11, электронный секундомер 10 к блоку преобразователей 14 и к компьютеру 16.
В ведомом режиме установившееся качение колеса 2 вправо, обеспечивается подбором веса груза 20, (фиг.1). Отношение веса груза 20 к весу груза 4 позволяет рассчитать коэффициент сопротивления качению колеса.
В тормозном режиме колесо катится по контактной поверхности вправо, при этом, за счет приложенного к колесу тормозного момента, процесс качения сопровождается проскальзыванием в контакте. Тормозной момент на колесе создается подбором веса грузом 7. Отношения веса груза 7, к весу груза 4 позволяет рассчитать реализованный коэффициент сцепления колеса на выбранном дорожным покрытии.
В ведущем режиме колесо катится в левую сторону, (фиг.1), за счет крутящего момента, создаваемого грузом 7, при этом в контакте шины с контактной поверхностью возникает процесс буксования. Для стабилизации поступательной скорости колеса, оно удерживается от разгона подбором веса груза 20.
При качении колеса по поверхности стенда в любом из режимов нагрузки регистрируются и обрабатываются сигналы датчиков. На основании этой информации компьютером рассчитываются значения всех коэффициентов, характеризующих рабочий процесс колесного движителя.
При наезде колеса в конце эксперимента на конечный выключатель 17, расположенного на стойке 28 в конце рамы 1, происходит отключение питания всех датчиков. Оператор принудительно возвращает испытуемое колесо в исходное положение. Дальнейшие опыты повторяется при изменении соответствующих нагрузок.
Если при экспериментах требуется изменить сцепные свойств покрытия (например, на гололеде, заснеженной или влажной дороге), то с помощью электромагнитного клапана 21 открывается емкость 12 с абразивным компонентом или с жидкостью, в результате компонент попадает одновременно на беговую дорожку шины и на покрытие. В качестве абразивного компонента используется кварцевый песок с размером зерен в пределах 0,5-1,0 мм. Для имитации скользких дорог на слой дорожного покрытия добавляется жидкость и охлаждаются в морозильной камере до образования на ней поверхности тонкого слоя льда.
Стенд для исследования рабочего процесса колесного движителя транспортного средства, содержащий металлическую раму с горизонтальной контактной поверхностью для установки колеса, датчики замера и регистрации параметров, соединенные через аналого-цифровой преобразователь с компьютером, отличающийся тем, что содержит узлы создания вертикальной нагрузки на колесо, горизонтального перемещения колеса и крутящего и тормозного моментов; причем узел создания вертикальной нагрузки на колесо состоит из серьги Г-образной формы, устанавливаемой на оси колеса и сменного груза, прикрепленного к вертикальной оси серьги, узел горизонтального перемещения колеса состоит из шкива, установленного на одном из концов рамы и троса, прикрепленного к горизонтальной оси серьги и к сменному грузу, узел создания крутящего и тормозного моментов состоит из сдвоенного силового шкива, установленного на оси колеса, двойного шкива, закрепленного на другом конце рамы и тросов, концы которых закреплены на двух частях силового шкива и перекинуты через двойной шкив и уравновешивающий шкив со сменным грузом, кроме того, на вертикальном кронштейне над колесом закреплена емкость для абразивного компонента или жидкости; рама стенда выполнена неподвижной и имеет корытообразную форму, для ограничения движения колеса по контактной поверхности на раме установлены стойки с включателем и конечным выключателем и размещен сменный фрагмент, имитирующий определенный тип дорожного покрытия, а в состав узла замера и регистрации входит датчик импульсов вращения колеса, счетчик импульсов и электронной секундомер.
