Устройство для контроля давления воздуха в шинах колес транспортных средств

 

Использование: в транспортной технике, в качестве устройств контроля падения давления в пневматических шинах колес движущегося автомобиля на любых легковых и грузовых автомобилях. Сущность изобретения: устройство для контроля давления воздуха в шинах колес транспортного средства содержит два индукционных преобразователя 1 и 2 в виде постоянных магнитов 3 и 4, выполненных с возможностью установки на соответствующих колесах, и индукционных катушек 5 и 6, выполненных с возможностью установки на неподвижной части транспортного средства и взаимодействующих с соответствующими магнитами, а также блок 8 обработки и индикации сигналов, включающий два информационных световода 9 и 10, блокировочный диод 11, индикаторный световод 12 и шунтирующий резистор 13. Изменение давления воздуха в шинах колес сопровождается изменением их радиусов и соответствуюшим изменением частот их вращения. Информационные сигналы колес, возбуждаемые в индукционных катушках 5 и 6, поступают по каналу 7 связи на световоды 9 и 10, которые фиксируют частоту их вращения. Индикаторный светодиод 12 выделяет разность этих частот. Блокировочный диод 11 защищает индикаторный светодиод 12 от двойного обратного напряжения, а шунтирующий резистор 13 выбирается таким образом, чтобы индикаторный светодиод 12 загорался только при совпадении импульсов на светодиодах 9 и 10. По частоте загорания индикаторного светодиода 12 можно судить о разности давлений вохдуха в соответствующей паре колес автомобиля. 6 ил.

Устройство относится к транспортной технике, в частности к устройствам контроля падения давления в пневматических шинах движущегося автомобиля.

Известно устройство для сигнализации падения давления в шине движущегося автомобиля, содержащее датчик поворота, датчик оборотов колес, RS-триггеры, элементы И и ИЛИ, счетчики, один из выходов одного из которых соединен с одним из входов одного из RS-триггеров, а другой с одним из входов одного из элементов И, и сигнальный блок [1] Однако указанное устройство требует использования в качестве источника питания бортовой электросети, что снижает его помехозащищенность, требуя специальной защиты от бортовых электромагнитных помех, помех от распределителя зажигания и т.д. а также имеет сложную конструкцию.

Наиболее близким к изобретению является устройство для контроля давления шин транспортных средств, содержащее индукционные преобразователи в виде постоянных магнитов, установленные на колесах, индукционные катушки, установленные на неподвижной части транспортного средства и взаимодействующие с соответствующими магнитами, а также блок обработки и индикации сигналов, состоящий из счетчиков, автогенератора, логических элементов и сигнализаторов [2] Недостатками данного устройства являются необходимость в источнике стабилизированного бортового питания, чувствительность к электромагнитным помехам, в частности от распределителя зажигания, сложность конструкции и низкое быстродействие, связанное с необходимостью накопления информации на счетчиках, а также зависимость результатов контроля от частоты тахогенератора автомобиля, которая не дает однозначной оценки скорости вращения колес при движении на пониженных, прямой или ускоряющей передачах.

Задача изобретения создание многофункционального устройства для контроля состояния ходовой части движущегося транспортного средства за счет измерения частот вращения колес и прецизионного измерения их разности при предельном упрощении конструкции и повышении надежности.

Для этого в устройстве для контроля давления воздуха в шинах колес транспортных средств, содержащем два индукционных преобразователя в виде постоянных магнитов, выполненных с возможностью установки на соответствующих колесах, и индукционных катушек, выполненных с возможностью установки на неподвижной части транспортного средства и взаимодействующих с соответствующими магнитами, блок обработки и индикации сигналов выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго светодиодов, последовательно соединенных блокировочного диода и индикаторного светодиода, катод которого соединен с катодом второго светодиода, индикаторный светодиод зашунтирован резистором, катушки индукционных преобразователей соединены последовательно, первый вывод одной катушки соединен с анодами первого светодиода и блокировочного диода, первый вывод другой катушки соединен с катодом второго светодиода, а вторые выводы катушек объединены вместе и соединены с общей точкой первого и второго светодиодов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения заключается в том, что предложенная конструкция устройства позволяет повысить безопасность движения, уменьшить износ протектора, снизить расход горючего, увеличить срок службы корда шин и улучшить условия работы водителя за счет контроля в движении давления воздуха в шинах колес. Конструкция устройства позволяет отказаться от подключения устройства к бортовой электросети автомобиля, что исключает влияние сетевых помех, возникающих при переключениях с аккумуляторного на генераторное питание, при включениях и выключениях звуковых сигналов, фар, стоп-сигналов, указателей поворотов и других электропотребителей. Помехозащищенность устройства, достигается за счет использования токовой схемы в блоке обработки и индикации сигналов, позволяет уменьшить его чувствительность к электромагнитным помехам распределителя зажигания. Устройство имеет простую конструкцию, технологично в изготовлении и обладает высокой надежностью.

Предлагаемое устройство дополнительно позволяет: определять неравномерность износа протектоpа колес на начальных стадиях, когда визуальный контpоль неэффективен; определять появление недопустимых люфтов колес в подшипниках или при отворачивании колесных болтов, что сопровождается повреждениями индукционного преобразователя и пропаданием сигналов на блоке обработки и индикации; определять пробуксовывание колес или колеса, не выходя из транспортного средства при застревании в грязи, в снегу и т.д.

определять блокировку колес при торможении на юз.

Кроме того, данное устройство измеpяет непосредственно частоты вращения колес транспортного средства и, следовательно, результаты контроля не зависят от того на какой передаче происходит движение.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема; на фиг. 2 временная диаграмма сигналов индукционного преобразователя; на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема; на фиг. 4 временная диаграмма функционирования блока обработки и индикации сигналов; на фиг. 5 график расчетной зависимости интервала повторения сигнала на индикаторном светодиоде от разности радиусов колес; на фиг. 6 график экспериментальной зависимости интервала повторения сигнала на индикаторном светодиоде от разности давлений в шинах колес.

Устройство для контроля давления воздуха в шинах колес транспоpтных средств (фиг. 1) содержит два индукционных преобразователя 1 и 2, каждый из которых включает в себя постоянные магниты 3 и 4, которые могут быть установлены на соответствующих колесах, индукционные катушки 5 и 6, установленные на неподвижной части транспортного средства и взаимодействующие с соответствующими магнитами 3 и 4. Индукционные преобразователи 1 и 2 с помощью кабеля (канала) 7 связи соединены с блоком 8 обработки и индикации сигналов, который выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго светодиодов 9 и 10 соответственно, последовательно соединенных блокировочного диода 11 и индикаторного светодиода 12, катод которого соединен с катодом второго светодиода 10. Индикаторный светодиод 12 зашунтирован резистором 13. Катушки 5 и 6 индукционных преобразователей 1 и 2 соединены последовательно, первый вывод катушки 5 соединены с анодами первого светодиода 9 и блокировочного диода 11. Первый вывод катушки 6 соединен с катодом второго светодиода 10, а вторые выводы катушек 5 и 6 объединены вместе и соединены с общей точкой первого и второго светодиодов 9 и 10.

Блок 8 обработки и индикации сигналов может быть установлен на приборной панели транспортного средства.

На эквивалентной электрической схеме (фиг. 3) дополнительно обозначены R1 (14), R2 (15) соответственно, внутренние сопротивления индукционных катушек 5, 6; E1, E2 источники ЭДС индукционных преобразователей 1 и 2 соответственно.

Индукционные катушки 5 и 6 соединены с блоком 8 обработки и индукции сигналов (фиг. 1), при этом пары индукционных катушек 5 и 6 могут составляться из пар колес одной оси (передних или задних) либо из пари колес одного борта (левого или правого), либо при соединении пар колес по диагоналям.

Светодиоды 9 и 10 предназначены для фиксации частоты вращения колес транспортного средства, индикаторный светодиод 12 выделяет разность частот вращения колес. Блокировочный диод 11 предназначен для защиты индикаторного светодиода 12 от двойного обратного напряжения.

Шунтирующее сопротивление 13 обеспечивает заданный режим работы индикаторного диода 12.

Устройство для контроля давления воздуха в шинах транспортных средств работает следующим образом.

При вращении колеса в соответствующих индукционных катушках 5 и 6 наводится сигнал ЭДС в виде двух разнополярных полуволн с периодом, равным Т 1/f_с, где f_c частота информационного сигнала, поступающего с индукционных катушек 5 и 6 (фиг. 2). Эта частота f_c информационного сигнала пропорциональна частоте вращения колеса. Поскольку изменение давления воздуха в шине колеса сопровождается изменением радиуса колеса, то с изменением давления будет также изменяться и частота вращения колеса.

Таким образом, принцип действия данного устройства основан на измерении разностей частот вращения колес транспортного средства, возникающей при снижении давления в одном из пары колес и соответствующем уменьшении радиуса этого колеса, которое фиксируется блоком 8 обработки и индикации сигналов.

Информационный сигнал с частотой f_c подается по кабелю 7 связи на светодиоды 9 и 10. В зависимости от состояния колес и вида движения возможны следующие режимы работы светодиодов 9 и 10: в случае одинакового давления воздуха в парах соответствующих колес, т. е. при равенстве частот информационных сигналов, светодиоды 9 и 10 загораются с одной частотой; при уменьшении давления в одной из шин пары колес уменьшается радиус колеса при движении транспортного средства, что влечет за собой увеличение частоты его вращения относительно другого колеса с номинальным давлением и, следовательно, это приводит к изменению частоты свечения светодиодов 9 или 10 по отношению друг к другу; при пробуксовке одного или двух колес одновременно загораются соответственно либо светодиод 9 или 10, либо оба светодиода 9 и 10; при торможении на юз одного или обоих колес пары, гаснут соответственно либо светодиод 9 или 10, либо оба светодиода 9 и 10;
возникновение недопустимого люфта колеса в подшипниках или самопроизвольное отворачивание колесных болтов сопровождается повреждением одного из индукционных преобразователей 1 или 2 и гашением светодиодов 9 или 10.

При достижении порога срабатывания U_пор соответствующего полному открытию светодиодов 9 и 10, на них устанавливается стабилизированные по уровню напряжения, не зависящие от амплитуды информационного сигнала. Таким образом, из разнополярных полуволн получаем последовательность импульсов, которая и определяет режим работы индикаторного светодиода 12 (фиг. 4).

При несовпадении во времени импульсов возможны два случая (фиг. 3):
индикаторный светодиод 12 подключается через индукционную катушку 6 с R2 (15) при Е2 0 к светодиоду 9, открывающемуся от сигнала индукционной катушки 5 с R1 (14) при Е1 > U_пор;
индикаторный светодиод 12 подключается через индукционную катушку 5 с R1 (14) при Е1 0 к светодиоду 10, открывающемуся от сигнала индукционной катушки 6 с R2 (15) при Е2 > U_пор.

В этих случаях напряжение на индикаторном светодиоде 12 ниже U_пори, следовательно, он не загорается.

При совпадении во времени импульсов светодиоды 9 и 10 открываются и индикаторный светодиод 12 оказывается под двойным напряжением, превышающем его напряжение загорания. При этом блокировочный диод 11 защищает индикаторный светодиод 12 от двойного обратного напряжения.

При неравенстве частот импульсов f₁ и f₂ с преобразователей 1, 2 загорание индикаторного светодиода 12 происходит с частотой (f₁-f₂). Предположим, что период следования импульсов на первом светодиоде 9 равен Т₁ 1/f₁, на втором Т₂ 1/f₂. Допустим, что в начальный момент времени импульсы совпадают. В конце первого периода импульс более высокой частоты f₁ будет сдвинут относительно импульса частоты f₂ на Δ Т 1/f₂ 1/f₁ (f₁ f₂)/(f₁*f₂). На каждом последующем периоде он будет сдвигаться на ΔТ и через k периодов, равном Т_а/ ΔT (1/f₂)*(f₁*f₂)/(f₁-f₂)) f₁/(f₁-f₂) совпадает с импульсом частоты f₂. Число таких совпадений в единицу времени равно Δf f₁/k f₁-f₂.

Таким образом, по частоте загорания индикаторного светодиода 12 можно судить о величине отклонения давления в одном из колес в их паре. Для измерения разности давлений в колесах по значениям разностной частоты (f₁-f₂) используются следующие соотношения:
ϕ₁(t₁) 2π f₁(t)dt+ϕ₁(t_o); (1)
ϕ₂(t₁) 2π f₂(t)dt+ϕ₂(t_o), (2) где Ψ₁(t), Ψ₂(t) углы поворота первого и второго колес;
Ψ₁(t_o), Ψ₂(t_o) начальные углы поворота в момент времени t t_о.

Разность углов Ψ₁(t₁) и Ψ₂(t₁) равна:
ϕ₁(t₁)-ϕ₂(t₁) 2π (f₁(t)-f₂(t))dt+ϕ₁(t_o)-ϕ₂(t_o). (3) Операция интегрирования разности частот f₁ и f₂ выполняется парой колес, причем на каждом последующем интервале времени (t_o + t₁) начальные значения Ψ₁(t_o) и Ψ₂(t_o) равны нулю.

Совпадение по фазе положений первого и второго колес, при котором импульсы с преобразователей 1 и 2 совпадают по времени, повторяется через угол, равный ±2 π/k_магн. Так, например, если число постоянных магнитов на ободе k_магн равно единице, этот угол равен 2 π. Если k_магн 2, то этот угол равен π, т.е. половина оборота колеса и т.д. При k_магн > 1 принимается, что магниты располагаются на ободе симметрично через угол, равный 2 π/k_магн.

В этом случае
ϕ₁(t₁)-ϕ₂(t₁) 2π (f₁(t)-f₂(t))dt ± (4) знаки ± соответствует случаям f₁ > f₂ и f₂ > >f₁ соответственно.

Таким образом, устройство выделяет разность в последовательностях импульсов частот f₁ и f₂, равную одному импульсу.

Учитывая, что скорость движения автомобиля V_авт(t) 2 π R₁f₁ 2πR₂f₂, где R₁ и R₂ радиус колес, получим:
ϕ₁(t₁)-ϕ₂(t₁) v_авт(t)(1/R₁-1/R₂)dt
1/R₁ v_авт(t)dt-1/R₂ v_авт(t)dt L. (5) где L путь, пройденный автомобилем за интервал времени (t_o t₁).

Условие совпадения по фазе положений первого и второго колес
L ± . (6) Поднимая, что R₂ R₁ + ΔR при f₁ > f₂ и R₂R₁ Δ R при f₁ < f₂получим
(7) Расчетная зависимость интервала пути L от разности радиусов колес ΔR при R₁ 0,28 м для колес типа ИН251 175/70 R13 приведена на фиг. 5. Экспериментальная зависимость интервала пути L от разности давлений в колесах L(Δ P) была получена по результатам натурных испытаний на автомобиле ВАЗ 2101 с шинами указанного типа при номинальном давлении в передних колесах 1,6 кгс/см² и в задних 1,8 кгс/см² при стравливании давлений в колесах передних и задних осей на 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8 кгс/см².

Анализ расчетной и экспериментальной зависимостей (фиг. 5, 6) показывает, что характер зависимости L от ΔR аналогичен зависимости L от Δ Р, а изменение давления на 0,1 кгс/см² эквивалентно изменению Δ R на 0,1 мм.

Таким образом, измерение Δ Р сводится к оцениванию по счетчику пути спидометра автомобиля величины интервала L между моментами загорания индикаторного светодиода 12.

Результаты стендовых и натурных испытаний устройства показали, что оно позволяет достоверно оценивать разность давлений в парах колес, начиная с 0,1 кгс/см² и выше в диапазоне скоростей движения автомобиля от 20 до 200 км/ч.

Компенсация влияния виражей может быть обеспечена при соединении в пары индукционных преобразователей 1 и 2, установленных на передних и задних колесах соответственно левого и правого бортов автомобиля. Электромагнитные помехи от распределителя зажигания подавляются за счет использования токовой схемы в блоке 8 обработки и индикации сигналов полностью, что позволяет применять в качестве кабеля 7 связи неэкранированный провод.

Устройство может монтироваться на автомобиле или автопоезде без переделки конструкции агрегатов, число контролируемых колесных пар не ограничивается, пары могут отличаться диаметрами колес.

Малый габарит блока 8 обработки и индикации позволяет устанавливать его на приборной панели водителя, не закрывая других приборов контроля. Устройство не требует источника питания и обладает высокой помехозащищенностью и надежностью.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при эксплуатации любых транспортных средств с пневмомашинами. Применение данного устройства в транспортных средствах позволяет:
уменьшить износ протектора;
увеличить срок службы корда шин и улучшить условия работы водителя;
определять появление недопустимых люфтов;
определять пробуксовывание колес или колеса;
определять блокировку колес при торможении на юз.

Устройство не требует технического обслуживания и регулировок, не подвержено влиянию внешних факторов изменению температуры, влажности, вибрации, загрязнению и коррозии. Нечувствительно к электромагнитным бортовым помехам и может быть подключено как первичный преобразователь к бортовой компьютерной системе. Устройство имеет простую конструкцию, технологично в изготовлении и обладает высокой надежностью. Может быть использовано на любых легковых и грузовых автомобилях, в том числе грузовых многоосных с прицепами, автопоездов и т.д. независимо от дорожного покрытия.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ШИНАХ КОЛЕС ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, содержащее два индукционных преобразователя в виде постоянных магнитов, выполненных с возможностью установки на соответствующих колесах, и индукционных катушек, выполненных с возможностью установки на неподвижной части транспортного средства и взаимодействующих с соответствующими магнитами, и блок обработки и индикации сигналов, отличающееся тем, что в нем блок обработки и индикации сигналов выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго светодиодов, последовательно соединенных блокировочного диода и индикаторного светодиода, катод которого соединен с катодом второго светодиода, индикаторный светодиод зашунтирован резистором, катушки индукционных преобразователей соединены последовательно, первый вывод одной катушки соединен с анодами первого светодиода и блокировочного диода, первый вывод другой катушки соединен с катодом второго светодиода, а вторые выводы катушек объединены и соединены с общей точкой первого и второго светодиодов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6