Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием

 

Изобретение относится к устройствам для оперативного контроля сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов и может быть использовано при расследовании ДТП. Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием включает несущий корпус, имитатор шины, средство управления режимом его перемещения, связанные с имитатором шины основной и дополнительный нагрузочные механизмы, содержащие упругие элементы в виде пружин, а также индикатор величины коэффициента сцепления. Новым является то, что пружина дополнительного нагрузочного механизма одним концом неподвижно связана с несущим корпусом, а другим, свободным соединена непосредственно с имитатором шины, а также соединена этим концом непосредственно или через имитатор шины со средством управления режимом перемещения имитатора шины. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в упрощении конструкции, повышении технологичности и точности оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройствам оперативного контроля сцепных качеств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием, а также аэродромов и может быть использовано при расследовании ДТП.

В настоящее время практическое применение нашли три основные типа портативных устройств, предназначенных для оценки сцепных качеств дорог с твердым покрытием: маятникового, ротационного и ударного. Все они основаны на измерении коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Наиболее стабильные результаты из вышеперечисленных устройств показывает устройство ударного действия [1]. Оно включает движитель в виде имитатора шины, установленный на конце рычага, связанного с регулируемым нагрузочным устройством ударного действия, смонтированным на корпусе. Принцип работы устройства основан на использовании энергии падающего груза для перемещения резиновых имитаторов шины.

Основным недостатком всех вышеупомянутых устройств, в том числе и описанного, является то, что они основаны на определении коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления. Однако известно, что значительное влияние на процесс скольжения оказывает ряд внешних физических факторов, таких как скорость движения, температура в зоне контакта и динамика, в том числе и измерительного средства [2, с.102, 202]. Поэтому все способы измерения, основанные на скольжении имитатора шины по покрытию, а также реализующие эти способы приборы недостоверны по физической сути явления, которое они должны отражать и весьма приблизительны по количественной характеристике. Кроме того, описанный подход к проблеме сцепления находится в противоречии с научной теорией о процессе сцепления колесного движителя с твердым основанием, в частности дорожным покрытием. Так, согласно [2, с.116] качение цилиндра по поверхности характеризуется наличием в площадке контакта двух зон - скольжения и покоя. Установлено, что чем больше площадка покоя, тем эффективнее реализация сцепных качеств взаимодействующих объектов. При полном отсутствии качения, т.е. отсутствии зоны покоя в контакте, что типично для скольжения, нельзя говорить о наличии сцепления в прямом смысле этого слова, а можно говорить о неком интегральном сопротивлении передвижению, которое обусловлено различными, в том числе и субъективными, факторами, не имеющими непосредственного отношения к физическому взаимодействию движителя с покрытием дороги. Это сопротивление лишь в незначительной мере отражает зависимость сцепных качеств покрытия от его шероховатости и влажности и упругости материала (резина) шины. Объективным критерием этих качеств может быть только коэффициент трения покоя [2, с.120].

Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому изобретению является устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающее имитатор шины, средство управления режимом его перемещения, связанные с имитатором шины основной и дополнительный нагрузочные механизмы, содержащие упругие элементы в виде пружин, а также индикатор величины коэффициента сцепления [3]. Основу каждого из идентичных по конструкции нагрузочных механизмов составляют трубы, внутри которых установлены пружины, размещенные между подвижными верхним и нижним поршнями. Оба поршня кинематически связаны с движителем в виде двухплечего рычага, несущего имитатор шины. Нагружение имитатора осуществляется вручную принудительным перемещением верхних поршней: для создания вертикальной нагрузки - поршня основного нагрузочного механизма, а для создания горизонтальной нагрузки - поршня дополнительного нагрузочного механизма. К трубе последнего примыкает индикатор величины коэффициента сцепления, кинематически связанный со средством перемещения верхнего поршня.

К недостаткам известного устройства следует отнести нетехнологичность конструкции обоих нагрузочных механизмов, содержащих значительное количество деталей, требующих механической обработки. Наличие в них узлов трения (поршни в трубах) влияет на точность оценки измеряемого параметра. Снижает эту точность также необходимость вручную осуществлять нагружение имитатора шины через дополнительный нагрузочный механизм. Как показали результаты исследований, проведенных авторами, различная скорость нагружения дает разброс в показаниях на 5-10%. Меняющееся во времени психоэмоциональное состояние даже одного и того же оператора способно в значительной мере повлиять на величину измеряемого коэффициента сцепления. Даже два измерения, проведенные подряд на одном и том же месте, по этой причине могут оказаться разными. Тем более, разброс показаний будет присутствовать у различных операторов, использующих одно и то же устройство. Однако основным недостатком является то, что принудительное перемещение имитатора даже при весьма малых скоростях (что имеет место у известного устройства) все же является скольжением, коэффициент трения которого по результатам исследований, проведенных авторами, весьма чувствителен к скорости перемещения. Разница в его величине достигает 0,15 при движении, например, со скоростями от 1 до 10 мм/мин. При более высоких скоростях разброс увеличивается. Таким образом, в устройстве не реализуется определение коэффициента трения покоя, которое, как указано выше, характеризует сцепные качества дорог с покрытием при взаимодействии с движителем транспортного средства.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение технологичности и точности оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающем несущий корпус, имитатор шины, средство управления режимом его перемещения, связанные с имитатором шины основной и дополнительный нагрузочные механизмы, содержащие упругие элементы в виде пружин, а также индикатор величины коэффициента сцепления, согласно изобретению пружина дополнительного нагрузочного механизма одним концом неподвижно связана с несущим корпусом, а другим, свободным соединена непосредственно с имитатором шины, а также соединена этим концом непосредственно или через имитатор шины со средством управления режимом перемещения имитатора шины. При этом средство управления режимом перемещения имитатора шины может быть выполнено в виде двухплечего рычага, одним концом взаимодействующего с имитатором шины, а другим - с винтовым механизмом. Соединение свободного конца пружины и имитатора шины может быть выполнено в виде гибкой связи, например зубчатого ремня, взаимодействующего с соответствующим шкивом, который кинематически связан с индикатором величины коэффициента сцепления.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в упрощении конструкции, повышении технологичности и точности оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием.

Помимо повышения технологичности за счет упрощения конструкции дополнительного нагрузочного механизма и уменьшения количества механообрабатываемых деталей, в устройстве по изобретению значительно повышается точность измерения путем исключения влияния человеческого фактора при определении коэффициента трения покоя в качестве коэффициента сцепления. Это происходит без вмешательства оператора под действием запасенной силы упругой деформации пружины, перемещающей имитатор шины в оптимальном скоростном режиме на стадии его самостоятельного движения, т.е. без воздействия средства управления режимом перемещения. Самостоятельное движение, особенно на конечной стадии, есть результат релаксации внутренних напряжений в упруго-эластичном материале имитатора, которая приводит при остановке последнего к равновесию силы трения покоя и остаточной упругой силы в пружине. Измерение этой остаточной силы и определение отношения ее с вертикальной силой, действующей на имитатор, дают коэффициент сцепления, действительно отражающий сцепные качества покрытия. Конструкция устройства по изобретению сводит функции оператора, воздействующего на средство управления режимом перемещения имитатора, к роли пускового механизма, исключающего динамику и принудительно обеспечивающего плавное начало движения имитатора шины.

На фиг.1-3 даны различные конструктивные схемы устройства.

На фиг.4 изображен график, поясняющий работу устройства.

Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием состоит из несущего корпуса 1, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения установлен имитатор шины, представляющий собой металлическую пластину 3 с приклеенной к ней резиновой пластиной 4 с твердостью 50-60 единиц по Шору. Имитатор шины взаимодействует с основным нагрузочным механизмом 5, создающим вертикальную нагрузку, который включает пружину 6, одним концом упирающуюся в пластину 3, а другим - в несущий корпус 1 посредством опоры качения 7. Дополнительный нагрузочный механизм представлен пружиной 8, один конец которой неподвижно связан непосредственно с несущим корпусом 1 (см. фиг.2) или через направляющую гильзу 9 (см. фиг.1). Свободный конец пружины 8 соединен с имитатором 2 шины. Для управления режимом перемещения последнего предусмотрено специальное средство, включающее двухплечий рычаг 10, который посредством шарнира 11 связан с корпусом 1. Один конец рычага 10 взаимодействует в упор с торцом винта винтового механизма 12, приводимого в действие рукояткой 13, а другой конец связан с пружиной 8 (фиг.1) или непосредственно с имитатором 2 (фиг.2). Как показано на фиг.3, связь между пружиной 8 и имитатором 2 выполнена в виде гибкого зубчатого ремня 14, к которому примыкает зубчатый шкив 15, образующий со шкивами 16 и 17 мультипликатор, преобразующий ограниченный угол поворота шкива 15 в полный оборот барабана 18, несущего шкалу, отградуированную в единицах коэффициента сцепления.

Работает устройство следующим образом.

Оператор (см. фиг.3) рукояткой 13, воздействуя последовательно на винтовой механизм 12 и рычаг 10, перемещает имитатор шины 2 в исходное положение. При этом натянутый зубчатый ремень 14 сожмет в гильзе 9 пружину 8, подготовив ее к работе. Отодвинув имитатор 2 влево на величину его последующего рабочего хода, оператор осуществляет и сжатие пружины 8 с максимальным для нее усилием, которое является расчетным и зависит от ряда параметров, например, площади имитатора шины, выбранной удельной нагрузки на него и т.п. Через мультипликатор, образованный шкивами 15, 16 и 17, барабан 18 индикатора численного значения коэффициента сцепления будет установлен в исходное положение, т.е. на наибольшую возможную величину коэффициента сцепления. Подготовленное к работе устройство устанавливается оператором на исследуемое покрытие и прижимается им же с использованием собственного веса путем вставания на специальные подножки (на чертеже не показаны), прикрепленные к несущему корпусу 1. Затем, плавным вращением рукоятки 13 в обратную сторону (скорость вращения не имеет значения) оператор отодвигает рычаг 10 от имитатора 2 шины, который в первый момент под воздействием максимального значения упругой силы пружины 8 будет перемещаться принудительно и совместно с рычагом 10 в контакте с ним, испытывая торможение. Затем, по мере растяжения пружины 8 и, как следствие, уменьшения упругой силы, скорость перемещения имитатора 2 будет падать, и рычаг 10, ведомый оператором, перестанет задавать скоростной режим движения имитатора и выйдет из контакта с ним. На фиг.4 зона зависимого от оператора, или принудительного, перемещения имитатора, обозначенная скоростями V₁-V_n, призвана показать, что в процессе вращения рукоятки 13 в силу различных причин эта скорость может “плавать”. На части кривой, обозначенной как “зона самостоятельного перемещения имитатора” последний не испытывает тормозящего влияния оператора и движется только под воздействием упругой силы пружины 8. Силой, уравновешивающей эту упругую силу, является сила трения скольжения, т.е. система имитатор-пружина будет находиться в состоянии динамического равновесия, которое со временем перейдет в состояние статического равновесия, или полную остановку системы, означающую равенство силы трения покоя и упругой силы пружины. Однако даже видимая остановка, фиксируемая по индикатору 18, не означает момента снятия показаний, так как требуется время выдержки 10-20 секунд, в течение которых возможна автоматическая корректировка величины коэффициента сцепления из-за релаксации внутренних напряжений в резине, способная на 0,01-0,02 изменить показания, повысив тем самым точность измерения.

Проведенные авторами эксперименты позволили получить весьма близкие (разница 0,001-0,003) по величине значения коэффициента трения покоя для пары материалов независимо от первоначальной скорости перемещения имитатора и за счет реализации релаксационного процесса в резине. Полученные таким образом трибологические характеристики могут однозначно и объективно оценить сцепные качества взаимодействующих материала автомобильного колеса и покрытия, устранив влияние факторов, не имеющих отношение к процессу сцепления и, более того, искажающих его картину.

Источники информации

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

2. И.В.Крагельский, В.С.Щедров. Развитие науки о трении. Академия наук СССР, 1958, с. 290.

3. SU №2156844 С2, Е 01 С 23/07, 27.09.2000 - прототип.

Формула изобретения

1. Устройство для оценки сцепных качеств дороги с твердым покрытием, включающее несущий корпус, имитатор шины, средство управления режимом его перемещения, связанные с имитатором шины основной и дополнительный нагрузочные механизмы, содержащие упругие элементы в виде пружин, а также индикатор величины коэффициента сцепления, отличающееся тем, что пружина дополнительного нагрузочного механизма одним концом неподвижно связана с несущим корпусом, а другим, свободным, соединена непосредственно с имитатором шины, а также соединена этим концом непосредственно или через имитатор шины со средством управления режимом перемещения имитатора шины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления режимом перемещения имитатора шины выполнено в виде двухплечего рычага, одним концом взаимодействующего с имитатором шины, а другим - с винтовым механизмом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение свободного конца пружины и имитатора шины выполнено в виде гибкой связи, например, зубчатого ремня, взаимодействующего с соответствующим шкивом, который кинематически связан с индикатором величины коэффициента сцепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4