СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение может быть использовано для определения коэффициента сцепления транспортного средства с дорожным покрытием. Изобретение может быть реализовано в портативных устройствах оперативной оценки сцепных качеств дорог.

Сцепные качества дорожных покрытий оценивают с помощью портативных и динамометрических приборов. В настоящее время сцепные качества дорожных покрытий регламентируются государственным стандартом ГОСТ 30413-96, называемым "Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием". Суть метода сводится к тому, что коэффициент продольного сцепления, определяемый как "отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дороги, на площадь контакта сблокированного колеса с дорожным покрытием к нормальной реакции в площади контакта колеса с покрытием", находят при использовании автомобильной динамометрической установки типа ПКРС-2, состоящей из автомобиля и прицепного одноколесного прибора, оборудованного датчиками ровности и коэффициента сцепления, системами увлажнения покрытия и управления и регистрации. Другими словами, для определения коэффициента сцепления находят силу трения скольжения сблокированного колеса по покрытию и соотносят ее с нормальной реакцией, что, в конечном итоге, дает значение коэффициента трения скольжения колеса по покрытию. При этом, указанный выше ГОСТ устанавливает ряд параметрических ограничений. В частности, нормальная нагрузка на колесо должна быть в пределах 3,0±0,03 кН, что соответствует удельному давлению около 50 Н/см², скорость движения - 60 км/ч. Названные параметры являются не единственными в ГОСТе, но наиболее влияющими на значение коэффициента сцепления. К ним же следует отнести и требование увлажнения поверхности покрытия с нормой - 1,0-0,2 л/м².

Портативные устройства оценки сцепных качеств дорог су твердым покрытием реализуют способ определения коэффициента скольжения в качестве коэффициента сцепления. Этот способ заключается в нагружении резинового имитатора шины вертикальной силой и принудительное перемещение последнего под действием горизонтальной силы, являющейся следствием динамического, ударного воздействия на имитатор (устройства маятникового и ударного типа). В процессе скольжения (торможения) имитатора под действием силы трения последнюю соотносят с вертикальной силой и таким образом дают оценку сцепных качеств дороги с твердым покрытием. При этом обязательным условием является постоянство вертикальной силы, что дает возможность сравнительно оценивать сцепление различных покрытий за счет изменения силы трения, возникающей при скольжении имитатора [1].

Недостатками динамометрических тележек и портативных приборов является то, что измерения выполняются только на отдельных, малых по длине участках дорожного покрытия, значения коэффициента сцепления колес с дорожным покрытием не учитывают реальное состояние покрытия в момент движения, значения коэффициента сцепления колес с дорожным покрытием полностью недоступны водителю автомобиля, движущегося по дороге.

Известны способы определения коэффициента сцепления дорожного покрытия с пневматической автомобильной шиной с использованием устройств, оборудованных автомобильной шиной. При этом измеряется продольная сила F скользящего по покрытию колеса и нормальная нагрузка на это колесо Q, а коэффициент сцепления вычисляется по формуле: φ=F/Q (3, 4).

Недостатки этого способа заключаются в том, что он требует применения пневматической шины, физические параметры которой трудно контролировать, кроме того, он не позволяет определить коэффициент сцепления на ограниченной (локальной) площади покрытия, и кроме этого при выполнении измерений требуется обязательное увлажнение покрытия и соблюдение определенной скорости движения измерительного колеса, а также указанный способ не позволяет учесть влияние геометрических характеристиках соприкасающихся поверхностей: покрытия дороги и шины.

Цель настоящего изобретения заключается в создании такого способа определения коэффициента сцепления, который позволил бы избежать применения специальной шины или имитаторов шины, необходимости увлажнять покрытие при измерении, уменьшить трудоемкость процесса измерений, а также учесть геометрические характеристики поверхности покрытия дороги, рисунок и состояние шины установленной на конкретном автомобиле.

Аналогов предлагаемого способа ни в России, ни за рубежом найдено не было.

Указанная цель достигается тем, что при использовании данного способа определения коэффициента сцепления дорожного покрытия заключающийся в измерении параметров дорожного покрытия и вычислении коэффициента сцепления отличается тем, что одновременно измеряются три величины: N - нормальная нагрузка от колес на дорожное покрытие; Р_тяг - суммарная сила на рычаге тяги рулевого управления, возникающей при движении колес под углом к направлению движения транспортного средства и α - угол схождения колес управляемых колес, при этом коэффициент сцепления рассчитывается по формуле .

Величина боковой силы, возникающей при движении колес под углом к направлению движения, зависит от нормальной нагрузки, угла схождения колес, и коэффициента сцепления в режиме скольжения. Таким образом, при закреплении на одном уровне силового фактора и угла установки колес для конкретной шины в текущем ее состоянии, величина боковой силы зависит только от коэффициента сцепления колеса с дорожным покрытием.

Эта регистрирующая и показывающая система измерения трех величин должна быть установлена непосредственно на автомобиле и должна позволять оценивать сцепную силу колес с учетом всего многообразия факторов, ее определяющих, как со стороны автомобиля, так и дороги.

На рис.1 дано схематическое изображение колес по отношению к продольному рычагу, на рис.2 - схематическое разложение сил, рис.3 - схематическое изображение сил действующих на колесо.

Для определения коэффициента сцепления φ необходимо определить две величины: боковое касательное усилие на контакте скользящего контакта колеса - Ð_á и нормальную реакцию - N в площади контакта.

При прямолинейном движении нормальная реакция N в площади контакта равна по величине нормальной нагрузке от колеса 1 на дорогу.

Управляемые колеса 1 автомобиля, с целью повышения управляемости автомобиля, имеют положительное схождение, которое регулируется изменением длины продольного рычага 2 (рис.1).

Величина схождения колес оценивается в угловой мере. Обозначим этот угол - α (рис.2). При движении колеса 1, установленного под углом α по направлению движения полную силу сцепления можно разложить на две: проекцию силы на направление движения и проекцию на направление перпендикулярное направлению движения (рис.2).

Р_б=φ·N·tgα.

Коэффициент φ имеет физический смысл коэффициента сцепления при полном проскальзывании.

Для определения величины боковой силы Р_б рассмотрим систему сил, действующих на колесо 1 и элементы рулевого управления, в данном случае продольного рычага 2 и поперечного рычага 3 (рис.3).

Из условия равновесия (сумма моментов сил относительно оси поворота колеса 1 равна нулю) получаем

; ; ,

где Р_тяг - сила, возникающая в тяге рулевого управления;

к_pm - коэффициент, учитывающий особенности конструкции рулевого управления конкретной марки автомобиля;

b - длина поперечного рычага 3 рулевого управления (элемент рулевой трапеции).

Величину «а» можно приближенно определить по формуле [4] a=f·r_∂, где f - коэффициент сопротивления качению; r_ä - динамический радиус колеса 1, приближенно равный статическому радиусу r_ñò шины).

Точное значение коэффициента определяются при тарировке системы измерения на эталонном покрытии.

Коэффициент сцепления предлагается рассчитывать по формуле , в которой используются три измеряемые величины: N - нормальная нагрузка от колеса на дорожное покрытие; Р_тяг - суммарная сила на рычаге тяги рулевого управления, возникающей при движении колес под углом к направлению движения транспортного средства и α - угол схождения колес управляемых колес.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества по сравнению со всеми методами, применяемыми в настоящее время:

- для измерения используется элементы конструкции транспортного средства (управляемые колеса и рычаги рулевого управления);

- позволяет учесть индивидуальные характеристики шины (тип, конструкцию каркаса, вид и состояние протектора, температуру в зоне взаимодействия);

- позволяет учесть как гистерезисную, так адгезионную составляющие сцепления колеса с покрытием;

- позволяет определять коэффициент сцепления непосредственно по траектории движения колес транспортного средства;

- позволяет учесть влияние скорости движения на величину коэффициента сцепления.

Предлагаемый метод технически реализуем, так как боковая сила, возникающая при движении колеса, воспринимается тягой (тягами) рычажной системы рулевого управления транспортного средства, на которой (которых) она и может быть зарегистрирована. Нагрузка на колесо N и угол схождения колес α также могут быть зарегистрированы.

Литература

1. В.В. Сильянов, Транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог. - М.: Транспорт, 1984, с.287.

2. Авт. свидетельство СССР N159323, кл. G01N 19/02, 1963 г.

3. Патент RU 2134415 C1, кл. G01N 19/02, 1999 г.

4. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. / А.С. Литвинов, Я.С. Фаборин - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.