Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ФАКТОРОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к силоизмерительной технике, в частности к способам определения силовых факторов, действующих на колеса транспортных средств, и может быть использовано при проведении испытаний автомобилей.

Известно устройство и реализуемый при его использовании способ по патенту США 5894094. Устройство для измерения силовых факторов по указанному патенту содержит узел ступицы, включающий внешнюю кольцевую часть, предназначенную для установки на ободе колеса, внутреннюю кольцевую часть, устанавливаемую на ступице транспортного средства, множество радиальных измерительных балок, связывающих внешнюю и внутреннюю кольцевые части, и множество тензопреобразователей, размещенных на измерительных балках и предназначенных для измерения силовых факторов, включая моменты. Это устройство и способ, им реализуемый, предоставляют достаточно достоверную информацию о действующих нагрузках. Однако оно отличается сложностью конструкции. Кроме того, принцип измерения не позволяет полностью разделить составляющие нагрузки и поэтому в показаниях устройства присутствует взаимовлияние каналов измерений, что приводит к недостаточной точности измерений.

Наиболее близким из известных технических решений является способ измерения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства (патент РФ №2276777 кл. G01L 5/00; 5/16, 2006 г.), включающий соединение ступицы и обода колеса измерительными балками, измерение величин, связанных с силовыми факторами, измерение направления и угла поворота колеса относительно транспортного средства и вычисление сил и моментов. При этом измеряют связанные с действующими силовыми факторами относительные перемещения обода и ступицы не менее чем для трех пар точек, лежащих на радиусах окружности с центром, совпадающим с геометрическим центром колеса, а суммарные силы и моменты, действующие на ступицу, вычисляют как векторную сумму всех составляющих сил и моментов. В качестве измерительных балок используют Г-образные балки и многокомпонентные датчики силовых воздействий.

Данный способ позволяет определять силы и моменты, действующие между ступицей и ободом колеса, что является основанием для оценки прочностных свойств колес. Однако для оценки и моделирования свойств устойчивости и управляемости автомобилей измеряемые параметры не являются корректными и достаточными, поскольку не учитывают свойства шины колеса, взаимодействующей с ободом. Недостатком данного способа является также отсутствие реализации крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса (при ведущем или тормозном режимах работы колеса), а также невозможность ни измерения, ни вычисления перемещения в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, которое влияет на устойчивость и управляемость автомобиля.

Данный способ имеет сравнительно низкий технический уровень, что обусловлено его содержанием, не обеспечивающим при измерениях сил и моментов учета свойств шины колеса, взаимодействующей с ободом, не позволяющим реализовать крутильный нагружающий силовой фактор в плоскости вращения колеса (при ведущем или тормозном режимах работы колеса), а также не обеспечивающим возможности измерения или вычисления перемещения в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, которое влияет на устойчивость и управляемость автомобиля, и, следовательно, данный способ не обеспечивает требуемой точности измерений.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового способа определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, при котором ступица колеса шарнирно установлена на односторонне шарнирно закрепленную горизонтальную раму с горизонтальным расположением оси колеса, на балки которой воздействуют радиальным нагружающим силовым фактором, причем горизонтальная рама параллельна поворотной измерительной опорной площадке, ось поворота которой всегда параллельна оси колеса, взаимодействующей с шиной колеса и создающей в контактной точке нормальную реакцию опорной поверхности, пропорциональную радиальному нагружающему силовому фактору при отсутствии другого силового фактора, которую вычисляют из первичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки, и не параллельна поворотной измерительной опорной площадке при наличии дополнительного крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса, воздействующего на обод колеса и вызывающего перемещение в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, пропорциональное дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, которое вычисляют из вторичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки, что значительно повышает точность измерения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо, повышает качество измерения параметров испытуемого колеса, расширяет функциональные возможности устройства.

Техническим результатом заявленного способа определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, является создание его новой измерительно-расчетной схемы, что обеспечивает повышенную точность определения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо, высокое качество фиксации силовых параметров колеса, что приведет к существенному повышению точности измерений и расширению функциональных возможностей способа.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, включающем соединение ступицы и обода колеса с балками, измерение величин, связанных с силовыми факторами, и вычисление сил и моментов, действующих на ступицу, при котором вычисляют связанные с действующими силовыми факторами перемещения контактной точки, лежащей на радиусе окружности с центром, совпадающим с геометрическим центром колеса, ступица колеса шарнирно установлена на односторонне шарнирно закрепленную горизонтальную раму с горизонтальным расположением оси колеса, на балки которой воздействуют радиальным нагружающим силовым фактором, создающим радиальную нагрузку в плоскости вращения колеса, проходящую через геометрический центр колеса, причем горизонтальная рама параллельна поворотной измерительной опорной площадке, ось поворота которой всегда параллельна оси колеса, взаимодействующей с шиной колеса и создающей в контактной точке нормальную реакцию опорной поверхности, пропорциональную радиальному нагружающему силовому фактору при отсутствии другого силового фактора, которую вычисляют из первичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки, и не параллельна поворотной измерительной опорной площадке при наличии дополнительного крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса, воздействующего на обод колеса и вызывающего перемещение в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, пропорциональное дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, которое вычисляют из вторичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки. При этом односторонне шарнирно закрепленная горизонтальная рама имеет возможность регулирования пространственного положения оси вращения колеса, а измерительная опорная площадка имеет возможность регулирования своего пространственного положения.

Благодаря тому, что ступица колеса шарнирно установлена на односторонне шарнирно закрепленную горизонтальную раму, на балки которой воздействуют радиальным нагружающим силовым фактором, создающим радиальную нагрузку в плоскости вращения колеса, проходящую через геометрический центр колеса, исключается возможность возникновения продольных и боковых реакций в контактной точке, что повышает точность измерения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо.

Вследствие того, что ось колеса расположена горизонтально, а ось поворотной измерительной опорной площадки всегда параллельна оси колеса, обеспечивается получение пятна контакта шины колеса с измерительной опорной площадкой правильной геометрической формы с центром в контактной точке, а также обеспечивается расположение нагружающих и измеряемых сил и моментов в одной плоскости - плоскости вращения колеса, проходящей через геометрический центр колеса, что улучшает качество измеряемых параметров испытуемого колеса.

Благодаря тому, что горизонтальная рама параллельна поворотной измерительной опорной площадке, взаимодействующей с шиной колеса и создающей в контактной точке нормальную реакцию опорной поверхности, пропорциональную радиальному нагружающему силовому фактору при отсутствии другого силового фактора, которую вычисляют из первичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки, и не параллельна поворотной измерительной опорной площадке при наличии дополнительного крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса, воздействующего на обод колеса и вызывающего перемещение в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, пропорциональное дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, которое вычисляют из вторичных показаний датчика силовых воздействий измерительной опорной площадки, обеспечивается возможность вычисления на основе измерений продольного перемещения контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, что расширяет функциональные возможности способа.

На фиг.1 изображена схема, поясняющая способ определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства.

Ступица 1 с ободом 2 колеса 3 шарнирно установлена на горизонтальную раму 4, односторонне закрепленную в шарнирах 5. Горизонтальная рама 4 содержит горизонтальную ось 6 колеса 3, шина 7 которого постоянно взаимодействует с поворотной измерительной опорной площадкой 8, которая одним своим концом установлена в шарнирах 9 на оси 10, всегда параллельной оси 6 колеса 3, для создания пятна контакта правильной геометрической формы с центром в точке А, а также для обеспечения расположения нагружающих и измеряемых сил и моментов в одной плоскости - плоскости вращения колеса, проходящей через геометрический центр колеса, что улучшает качество измеряемых параметров испытуемого колеса. Поворотная измерительная опорная площадка 8 другим своим концом установлена на датчик силовых воздействий 11, служащий для измерения сил, действующих на колесо 3.

В качестве нагружающих силовых факторов используют радиальный и крутильный. Горизонтальная рама 4 содержит балки 12 для обеспечения возможности воздействия на нее радиальным нагружающим силовым фактором в виде груза 13 весом G для создания радиальной нагрузки на колесо в плоскости его вращения, проходящей через геометрический центр колеса и возникновения в точке A пятна контакта шины 7 и поворотной измерительной опорной площадки 8 нормальной реакции опорной поверхности, пропорциональной действующему радиальному нагружающему силовому фактору и вычисляемой как и с взаимосвязанной с первичными показаниями датчика силовых воздействий 11 через соотношение:

,

где Р_д0 - первичные показания датчика силовых воздействий 11 при наличии только радиального нагружающего силового фактора; R_z - нормальная реакция опорной поверхности.

При этом, благодаря тому, что рама 4 горизонтальна, исключается возможность возникновения продольных и боковых реакций в контактной точке А, что повышает точность измерения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо. Эта горизонтальность достигается подъемными устройствами 14 шарниров 5.

При наличии только радиального нагружающего силового фактора поворотная измерительная опорная площадка 8 параллельна горизонтальной раме 4, что повышает точность измерения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо. Эта параллельность достигается подъемными устройствами 15 шарниров 9.

При наличии дополнительного крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса 3, в виде момента М_кр, создаваемого грузом 16 весом Q, путем воздействия на обод 2 колеса 3 через посредство системы гибких тяг 17, взаимодействующих с блоками 18, опоры которых располагаются на одной высоте благодаря подъемным устройствам 19 блоков, а М_кр=Q·δ, поворотная измерительная опорная площадка 8 не параллельна горизонтальной раме 4 вследствие перемещения в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса 3, контактной точки A приложения нормальной реакции опорной поверхности R_z в новое положение B. Это перемещение а, пропорциональное дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору и вызывающее появление вторичных показаний датчика силовых воздействий 11 измерительной опорной площадки 8, взаимосвязано со вторичными показаниями датчика силовых воздействий 11 через соотношение:

,

где Р_д1 - вторичные показания датчика силовых воздействий 11 при наличии радиального и крутильного нагружающих силовых факторов; R_z - нормальная реакция опорной поверхности.

Это дает возможность вычисления продольного перемещения a контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности R_z, пропорционального дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, при разных моментах М_кр, что расширяет функциональные возможности способа.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Ступицу 1 с ободом 2 колеса 3 шарнирно устанавливают на горизонтальную раму 4, односторонне закрепленную в шарнирах 5 и содержащую горизонтальную ось колеса 6. Шина 7 колеса 3 опирается на поворотную измерительную опорную площадку 8, которая одним своим концом установлена в шарнирах 9 на оси 10. При этом горизонтальность рамы 4 с осью 6 обеспечивают подъемными устройствами 14 шарниров 5, а горизонтальность поворотной измерительной опорной площадки 8 обеспечивается подъемными устройствами 15 шарниров 9, в результате чего ось 10 поворотной измерительной опорной площадки 8 всегда параллельна оси 6 колеса 3, что создает пятно контакта правильной геометрической формы с центром в точке A, а также обеспечивает расположение нагружающих и измеряемых сил и моментов в одной плоскости - плоскости вращения колеса, проходящей через геометрический центр колеса, для повышения точности измерения сил и моментов, действующих на колесо 3.

На балки 12 горизонтальной рамы 4 воздействуют радиальным нагружающим силовым фактором в виде груза 13 весом G для создания радиальной нагрузки на колесо точно в плоскости его вращения, проходящей через геометрический центр колеса и возникновения в точке A пятна контакта шины 7 и поворотной измерительной опорной площадки 8 нормальной реакции R_z опорной поверхности, прямо пропорциональной действующему радиальному нагружающему силовому фактору. Для создания заданной реакции R_z используют груз соответствующего веса G, исходя из соотношения

.

При создании нормальной реакции R_z постоянно следят за сохранением горизонтальности рамы 4 и поворотной измерительной опорной площадки 8, используя подъемные устройства 14 и 15 шарниров 5 и 9, что исключает возможность возникновения продольных и боковых реакций в контактной точке A и повышает точность измерения сил и моментов, действующих на испытуемое колесо.

Реализованная нормальная реакция R_z вызывает появление первичных показаний Р_д0 датчика силовых воздействий 11, служащего для измерения сил, действующих на колесо 3. При этом первичные показания Р_д0 прямо пропорциональны и однозначно соответствуют реализованной нормальной реакции R_z, так как эти силы расположены в одной вертикальной плоскости - плоскости вращения колеса, проходящей через геометрический центр колеса, для улучшения качества измеряемых параметров.

Обеспечивается точное соотношение:

,

где Р_д0 - первичные показания датчика силовых воздействий 11 при наличии только радиального нагружающего силового фактора; R_z - нормальная реакция опорной поверхности.

Таким образом, реализованную нормальную реакцию R_z уточненно измеряют как

.

Затем к колесу 3 прикладывают дополнительный крутильный нагружающий силовой фактор точно в плоскости вращения колеса, в виде момента М_кр, создаваемого грузом 16 весом Q, путем воздействия на обод 2 колеса 3 через посредство системы гибких тяг 17, взаимодействующих с блоками 18, опоры которых располагают на одной высоте подъемными устройствам 19 блоков. Необходимый вес груза Q рассчитывают таким образом, чтобы реализованный крутящий момент М_кр имел требуемое значение:

М_кр=Q·δ.

После приложения к колесу 3 дополнительного крутильного нагружающего силового фактора поворотная измерительная опорная площадка 8 поворачивается вокруг шарниров 9 и отклоняется от параллельности горизонтальной раме 4 вследствие перемещения в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси колеса 3, контактной точки A приложения нормальной реакции опорной поверхности R_z в новое положение В. Это перемещение a прямо пропорционально дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору. Оно вызывает появление вторичных показаний Р_д1 датчика силовых воздействий 11 измерительной опорной площадки 8. Эти вторичные показания прямо пропорциональны и однозначно связаны с величиной перемещения a нормальной реакции R_z и с самой нормальной реакцией R_z, так как обеспечено пятно контакта правильной геометрической формы, а силы и моменты расположены в одной вертикальной плоскости - плоскости вращения колеса, проходящей через геометрический центр колеса, для повышения точности измерений и улучшения качества измеряемых параметров.

Обеспечивается точное соотношение:

,

где Р_д1 - вторичные показания датчика силовых воздействий 11 при наличии радиального и крутильного нагружающих силовых факторов; R_z - нормальная реакция опорной поверхности.

Из уточнения измеренных величин сил: Р_д1 и нормальной реакции опорной поверхности R_z вычисляют продольное перемещение a контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности R_z, прямо пропорциональное приложенному дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, при разных моментах М_кр по формуле:

,

что позволяет получить зависимость а=f(М_кр) при R_z=const, тем самым расширяет функциональные возможности способа.

Предлагаемый способ определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, обеспечит значительное повышение точности измерений сил благодаря наличию в нем новой расчетно-измерительной схемы с новой схемой нагружения, а также обеспечит расширение функциональных возможностей способа благодаря появлению возможности измерения продольного перемещение контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности.