Способ определения жесткости пневматической шины

(51) 5 0 01 М 17 63 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Ульяновский политехнический институт(УЭ) Ульяновский политехнический институт(84) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИП НЕВМЯТИЧЕСКОЙ ШИНЫ(57) Использование: для экспресс-оценки технического состояния шины без вскрытия вентиля иприменения специальных стендов. Сущность изобретения: вводят в контакт с шиной с заданным усилием поджатия упругого закрепленный груз дополнительной механической колебательной системы сизвестными параметрами массы е и жесткости С,возбуждают импульсным воздействием свободныеколебания системы, измеряют частоту о свободныхколебаний, после чего определяют жесткость шиныС на основании зависимости С =аз гп-С. Изобре 2шштение позволяет увеличить точность измерения ичувствительность за счет исключения из процессаизмерения неопределенного и значительного повеличине параметра - массы шины, позволяет проводить измерение с заданной степенью точности ис требуемой чувствительностью. 2 ип, 2003964налипания на поверхности шины внешних 30 40 50 55 Изобретение относится к способам для экспресс-оценки технического состояния пневматической шины автомобилей без вскрытия вентиля и применения специальных стендов.Известен способ диагностирования технического состояния пневматической шины, заключающийся в нанесении удара по поверхности шины свободно подвешенном телом задней массы и замере времени контакта тела с боковой поверхностью шины (а.с. СССР М 1157374, 1988),Однако данный способ характеризуется низкой точностью и чувствительностью измерения. Низовая точность измерения обьясняется целым рядом факторов. Самое главное в том, что время соударения, па которому происходит диагностирование, считывается зависимым только от жесткости шины, эта жесткость и определяет техническое состояние шины. На самом же деле время соударения зависит, в равной степени как и от жесткости, и от массы шины, Однако массой в способе пренебрегается, и ана считается постоянной.для шин определенного типа. Очевидно, что даже для шин одного типа масса в момент измерения зависит, во-первых, от степени износа протектора шины, во-вторых, - от материалов (грязи и т.п.), что сразу ведет к непосредственной ошибке измерения, которая никоим образом не может быть учтена, Кроме того, сам принцип измерения времени контакта ударника с шиной предусматривает измерение этого времени .с помощью какого-либо контактного датчика, например датчика с эффектом Холла, и заранее несет в себя значительную инструментальную погрешность. Это объясняется значительной зависимостью измеренного времени контактиравания от качества покрытия шины, степени ее износа, чистоты поверхности, находящегося на поверхности постороннего материала, температуры окружающей среды, температуры разогрева шины, короче, - от значительного количества внешних посторонних факторов, в том числе и от фиэико-химических свойств материла на поверхности шины, его электромагнитных свойств, обусловливающих погрешность как датчика Холла, как и любого другого датчика, который может быть использован для измерения времени контактирования.Чувствительность же измерения характеризуется крутизной изменения регистрируемого параметра-времени контактирования - при изменении па раметра, содержащего информацию - жесткости 5 10 15 20 шины. Однако согласно принципу измерения эта крутизна будет зависеть ат массы колеса, которая значительна и не может никак быть изменена, что и определяет низкую чувствительность измерения,Известен также способ диагностирования технического состояния шины, заключающийся в том, что дополнительно са временем контактиравания измеряют ускорения эа время контакта свободно подвешенного тела с боковой поверхностью шины (а.с. СССР М 1356682, 1989),Однака, несмотря на значительное усложнение процесса диагностирования, данный способ также характеризуется низкой точностью и чувствительностью. В отношении чувствительности по сравнению с предыдущим способом ничего не меняется, В отношении точности, ва-первых, нет конкретного параметра ускорения, определяющего жесткость шины, Сказано только, что оператор на экране индикатора или на бу маге снимает график изменения ускорения и судит потом по эталонным шкалам. Это неконкретно, а также трудоемко, т.е. зто уже не экпресс-контроль. Главное же в следующем. Как известно из теории колебаний, характер свободных колебаний, возбуждаемых ударом, без учета затуханияЧоможно описать выражением х = - о з ил, где Е - собственная частота колебаний, Чо - начальнал скорость, сообщаемая колебательной системе, Характер изменения ускорения х = -ЧйзпИ, фиксируемое же время контактирования 1 с = йй. Сравнивая два эти выражения видно, что при заданной начальной скорости характер изменения ускорения зависит только от частоты К или, что то же самое, от времени 1, т.е, измерение ускорения не несет дополнительно никакой информации. Кроме того, для удара отводят ударное тело ат вертикали на угол 40 - 60 О; т.е. разброс 20, На это же совсем разные начальные скорости, соответственно разный характер ускорений, который больше будет зависеть от угла отклонения, чем от жесткости шины, Таким образом, необходимо дополнительно предельно жестко задавать угол отклонения ударного тела от вертикали.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения давленил воздуха в пневматических шинах, заключающийся в том, что возбуждают свободные колебания поверхности шины приложением к шине ударного воздействия, измеряют частоту колебаний шины и по соответствующей тари 2003964частоту, причем эта погрешность случайна и никак не может быть учтена.Низкая чувствительность обьясняется тем, что собственная частота в качестве регистрируемого параметра содержит инфориацию не только о жесткости, но и о массе шины, которая значительна по величине, Этим снижается крутизна изменения частоты при изменении жесткости, т,е. снижается чувствительность измерения. Кроме того, известный способ предусматривает необходимость возбуждения в свободных колебаний всей шины, причем ударное устройство и измеритель колебаний шины разнесены. Поэтому малая интенсивность ударного возбуждения обуславливает низкую чувствительность самого способа измерения, требует применения высокочувствительного датчика для регистрации свободных колебаний шины. Увеличение же интенсивности ударного возмущения приведет к еще большему снижению точности измерения, так как при значительной интенсивности начнут проявляться не линейные свойства шины (с возрастанием нагрузки жесткость шин возрастает, т,е. начинает проявляться нелинейность),Желательно было бы разработать способ измерения жесткости пневматическойшины, при реализации которого жесткость шины измеряется не косвенно по 30 35 40 45 50 55 ровочной зависимости определяют величину давления в шине (а.с. СССР М 1397757, 1986),Хотя данный способ претендует на измерение давления в шине, здесь также можно говорить об измерении жесткости, Тарировочная зависимость, по которой определяют давление, снята для эталонной шины определенного качества с определенной степенью износа протектора и т.п, Для реальной шины все это, конечно, будет другое. Поэтому можно говорить об интегральной оценке жесткости шины как за счет внутреннего давления воздуха, так и за счетпокрышки (Кнороза В,И., Кленников Е,В. Шины и колеса, М., 1975, с. 68 - 72),Однако известный способ измерения жесткости шины характеризуется низкойточностью и чувствительностью измерения. Низкая точность обьясняется тем, что жесткость шины определяется по измеренной собственной частоте колебаний шины, которая зависит не только от жесткости, но и В равной степени от массы шины, За счетВоэможности изменения массы в реальнойшине и возникает погрешность измерения жесткости при фиксации жесткости не напрямую, а косвенно - через собственную 10152025 времени контактирования либо собственной частоте шины, а непосредственно, при этом в измерительную цепь никоим образом не должна входить масса шины, так как этот параметр плавающий и при экспресс-методе измерения жесткости не может быть учтен, Кроме того,для получения максимально возможной чувствительности и возможности получения заранее заданной чувствительности измерения в качестве регистрируемого параметра должен использоваться параметр, не содержащий такие неинформативные параметры, как масса шины, снижающие чувствительность измерения, который, к тому же не может быть выбран заранее с целью получения заданной чувствительности измерения,Цель изобретения - повышение очности и чувствительности процесса измерения жесткости пневматической шины,Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения жесткости пневматической шины, включающем возбуждение свободных колебаний и определение жесткости шины по зафиксированной частоте колебаний, вводят в контакт с шиной с заданным усилием поджатия упруго закрепленный груз дополнительной механической колебательной системы с известными параметрами массы гп и жесткости С, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания данной системы, измеряют частоту в свободных колебаний, после чего определяют жесткость шины сщ на основании зависимости Сш - йР гп - с.Предложенный способ по сравнению с аналогами отличается принципиальной новизной, Здесь . не измеряются динамические характеристики шины: ни собственная частота, ни время контактирования с ней, что практически то же, что собственная частота, Измеряются динамические характеристики дополнительной колебательной механической системы, параметры массы и жесткости которой могут быть подобраны любыми с высокой точностью для обеспечения заданной точности и чувствительности процесса измерения. Шина просто включается в измерительную цепь как дополнительный элемент, влияющий на изменение динамических характеристик эталонной дополйительной колебательной системы. На данное изменение характеристик прямо влияет тот параметр шины, который надо измерять, а именно жесткость шины. Подчеркиваем, что влияет он напрямую, именно жесткость шины определяет собственную частоту дополнительной колебательной си 2003964стемы, Этим сразу устраняются все проблемы. Во-первых, достигается точность, так как сразу из рассмотрения исключается масса шины, она вообще не влияет на процесс и результат измерения, играет роль только масса дополнительной колебательной системы и жесткости; во вторых, достигается высокая чувствительность, причем ее можно заранее регулировать.На фиг.1 приведена структурная схема устройства для реализации способа измерения жесткости, на фиг,2 - обобщенная физическая модель процесса измеренияУстройство для измерения содержит колебательную систему, состоящую иэ цилиндрического груза 1, выполненного в виде намагниченного в осевом направлении постоянного магнита и закрепленного одним торцом нэ винтовой цилиндрической прукине 2 с продольной жесткостью С, Груз 1 установлен концентрично в осевых отверстиях катушки возбуждения 3, подключенной к выходу дифференцирующей цепи 4, и катушки измерения 5, подключенной к частотомеру 6. Катушки закреплены по наружному диаметру внутри немагнитного полого стакана 7, имеющего резьбовую крышку 8 с одного торца и отверстие 9 с другого, Основание пружины 2 жестко прикреплено к резьбовой крышке 8, а на противоположном от пружины торце груза 1 закреплен немагнитный (пластмассовый) шток 10, имеющий возможность свободного перемещения в отверстии 9 стакана 7 и вхождения в контакт с шиной 11. Соотношение диаметра пружины 2 с ее высотой ыполнено достаточным для обеспечения устойчивости продольного перемещения пружины без радиальных. деформаций.Способ измерения с помощью данного устройства осуществляет следующим образом. В начальный момент при отсутствии шины 11 пружина 2 находится в свободном состоянии и конец штока 10 чероотверстие 9 выступает наружу стакана 7, Величина этого выступания может быть отрегулирована перемещением резьбовсй крышки 8 относительно стакана 7. Конец штока 10 вводят в контакт с шиной 11 и прижимают с усилием поджатия Рп до. полного ухода штока 10 в отверстие 9 и упора шины 11 в дно стакана 7, Таким образом, необходимое усилие поджатия штока 10 к шине 11 может быть заранее отрегулировано перемещением реэьбовой крышки 8; Масса а груза 1 и продольная жесткость с пружины 2 известны с требуемой степенью точности, Замыканием ключа (не показан) подают с выхода дифференцирующей цепи 4 в катушку возбуждения 3 электрический импульс типа короткий удар, длительность которого меньше периода колебаний механической колебательной системы. За счет взаимодействияимпульсного поля с постоянным магнитом возникают свободные колебания груза 1, зажатого между двумя пружинами; пружиной2 и пружиной, роль которой выполняет шина11 фиг.2), Частотомером 6 фиксируется частота свободных колебаний в, после чего 10 жесткость шины Сш вычисляется на основании зависимости Сш.= аР а - С,При заданных параметрах С и а колебательной системы шкала частотомера 6 непосредственно градуируется в единицах жесткости Сш, т,е. нет необходимости каждый раз проводить вычисление. Как видноиэ принципа измерения, практически исключена возможность появления погрешности изменения; величины С и а задаются, а20 величина а измеряется с любой степеньюточности, что обеспечивает требуемую точность процесса измерения, Усилие Рп предварительного поджатия штока 10 к шине 11выбирается из совокупности условий:оно не25 должно быть очень велико, так кэк шток 10вдавливается о шину 11 внутрь стакана 7вручную при значительных деформацияхшины возникает нелинейность, что вызоветпогрешность при определении в. но с другой стороны, не должно быть очень малым,чтобы при заданной интенсивности возбуждающего электрического импульса при колебаниях системы не происходит отрывштока 10 от поверхности шины 11.Вывод расчетной зависимостиКак известно, собственная частота колебательной системы ш =4.Ра, где Сэ -эквивалентная жесткость, Для данной схемы подключения механической системы(фиг.2) Сэ = С + Сш. Тогда йР= (С + Сш)/а,откуда и получаем расчетную зависимостьдля определения Сш,Сравнение чувствительности. В известном способе (прототипе) для определения жесткости Сш шины используется зависимость и =Йд 7 аш, где аш - масса шины, Правда, там измеряется не жесткость, а Р - давление воздуха в шине, однако на самом деле измеряют Сш, но считают для эталонного колеса, что зто одно и то же(что, естественно, приводит к погрешности измерения для реального колеса), Так как и у нас и в прототипе фиксируемый параметр о, а информативный параметр Сш, то, определяя чувствительность измерения в том и другом способах как бю /дсш - Я, получим для прототипа Я = - , Для127 сшаш2003964 10 предлагаемого способа Я = Для обозначения чувствительности в предложенном способе в знаменателе вместо массы шины стоит масса груза, т,е, чувствительность в несколько раз больше. К жесткости шины прибавляется в знаменателе жесткость пружины, что несколько уменьшает чувствительность, однако несмотря на это чувствительность значительно повышается.Пример реализации способа измерения Реализация способа была проведена для шины легкового автомобиля размером 6;45-13. В устройстве для измерения масса груза в = 0,04 кг, жесткость пружины С = 3000 Н/м, шток выступает на 0,01 м, т.е. усилие поджатия для его полного углубления в стакан Рп =30 Н, длительность импульса с дифференцирующей цепи к = 20 10 з с. Измеренное значение частоты 1 = 130,57 Формула изобретенияСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ШИНЫ; включающий возбуждение свободных колебаний и определение жесткости шины по зафиксированной частоте колебаний, отличающийся тем, что вводят в контакт с шиной с заданным усилием поджатия упруго закрепленГц ( и = 820 с ). Вычисляем по формуле жесткость шины Сш - 23900 Н/м.Вычислим чувствительность способовпри указанных данных по приведенным 5 выше формулам: для способа-прототипа3 = 0,0026 скг, для предлагаемого способа 3 = 0,015 с/кг. Таким образом, чувствительность предлагаемого способа практически в шесть раз выше чувствительно сти прототипа.Построив график зависимости. жесткости шины Сш от давления Р воздуха в шине для эталонной шины, данный способ, как и способ-прототип, можно использовать для 15 измерения давления воздуха в шине. Однако такое измерение весьма приближенно и может быть использовано только для приближенной зкпресс-оценки давления воздуха.20(56) Авторское свидетельство СССР М 1397757, кл. б 01 М 17/02, 1986. ный груз дополнительной механической колебательной системы с заданными параметрами массы в и жесткости С, возбуждают импульсным воздействием свободные колебания данной системы, из. меряют частоту м свободных колебаний, а жесткость шины Сщ определяют на основании зависимости Сш = и а - С.22003964 ставитель Д,Белыйхред М.Моргентал рректор М,Демчик едактор Т.Павловска Тирахс Подписное НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Закаа 3322 оизводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,