способ определения силовых факторов, действующих на колесо

Формула изобретения

1. Способ измерения силовых факторов, действующих на ступицу колеса транспортного средства, 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, действующих на ступицу с учетом направления и угла поворота колеса, отличающийся тем, что измеряют связанные с действующими силовыми факторами относительные перемещения обода и ступицы, а не напряжения в соединительных балках, не менее чем для трех пар точек, лежащих на радиусах окружности с центром, совпадающим с геометрическим центром колеса, причем одна точка пары принадлежит ободу, а другая - ступице, определяют составляющие сил и моментов, вызвавших перемещения для каждой системы координат, связанной с соответствующей измерительной балкой, а суммарные силы и моменты, действующие на ступицу, вычисляют как векторную сумму всех составляющих сил и моментов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что относительные перемещения обода и ступицы измеряют для четырех пар точек.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве измерительных балок используют многокомпонентные датчики силовых воздействий.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве измерительных балок используют Г-образные балки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортной и измерительной техники, в частности к приборам и способам для определения силовых факторов (сил и моментов), действующих на колесо колесного транспортного средства, в частности автомобиля, со стороны опорной поверхности как в процессе его движения, так и в покое. Изобретение найдет широкое применение в автомобильной промышленности при проведении доводочных испытаний автомобилей на заводах-изготовителях при исследованиях колесной техники.

Предшествующий уровень техники

Конструирование и доводочные испытания колесной техники требуют получения детальной информации о нагрузках, действующих на колесо. Нагрузки включают силы и моменты, действующие относительно трех взаимно ортогональных осей: нормальной к опорной поверхности, нормальной к плоскости колеса, а также оси, перпендикулярной двум указанным. Точная оценка нагрузки дает возможность конструкторам создавать более эффективные, безопасные и надежные узлы и детали колесных транспортных средств, а также совершенствовать их тормозные свойства и управляемость.

До сих пор проблема измерения нагрузок, действующих на ступицу колеса транспортного средства, решалась с помощью преобразователей, использующих тензорезисторы, которые наклеиваются, например, на спицы, соединяющие ступицу с ободом.

Известны многочисленные преобразователи для измерения сил и моментов, действующих на колесо транспортного средства. Например, в устройстве по патенту США 5540108 трубчатые элементы, воспринимающие нагрузки, располагаются радиально по периметру ступицы, соединяя ее с ободом, силы и моменты передаются на ступицу, а тензопреобразователи, расположенные на поверхности трубчатых элементов, измеряют относительные деформации, пропорциональные компонентам сил и моментов. Схема соединений тензопреобразователей обеспечивает разделение силовых факторов при измерениях. Для определения углового положения колеса относительно его оси вращения использован оптический датчик. Источник света генерирует конический луч поляризованного света для освещения колеса, а фильтры поляризованного света детектируют угол поляризации по отношению к колесу для определения его углового положения. Компьютер обрабатывает данные от датчиков, передаваемые посредством инфракрасного сигнала. Компьютер расположен на корпусе автомобиля.

Наиболее близким по достигаемому результату, технической сущности и назначению к заявленным способу и устройству является 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. Датчики размещены на балках таким образом, что силы Fx, Fy, Fz и моменты Mx, My, Mz определяются исключительно посредством тензопреобразователей (датчиков относительных деформаций). Схема соединений указанных датчиков разделяет отдельные компоненты сил и составляющие моментов друг от друга. Для определения углового положения и направления вращения колеса предусмотрены импульсное колесо (гребенка) и два активных датчика Холла, а также соответствующее электронное оборудование. Импульсное колесо размещено на внутренней стороне обода, датчики Холла закреплены посредством простого держателя на компонентах шасси.

Известное устройство и способ, им реализуемый, предоставляют достаточно достоверную информацию о действующих нагрузках, однако оно отличаются сложностью конструкции, для его изготовления требуется прецизионная установка большого количества тензопреобразователей, что определяет большую стоимость изделия. Принцип измерения не позволяет полностью разделить составляющие нагрузки и поэтому в показаниях устройства присутствует взаимовлияние каналов измерения, что также снижает точность замеров. Показания устройства существенно зависят от условий окружающей среды, от температуры ступицы в первую очередь, что снижает точность измерений. Для достижения достаточно малой погрешности требуется периодическая калибровка.

Расчеты и практика проектирования устройства указанного типа свидетельствуют, что масса устройства существенно превышает массу частей серийного автомобиля (диска колеса), которые оно собой заменяет. Это изменяет динамические характеристики подвески транспортного средства и снижает достоверность результатов измерения.

Рассматриваемое оборудование, как очевидно, является сложным и трудно воспроизводимым.

Техническая сущность заявленных изобретений

Заявленные изобретения направлены на решение задачи упрощения и удешевления конструкции датчика и процесса определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, повышение точности измерений и снижение массы устройства.

Дополнительный технический результат заключается в снижении влияния на результаты измерений изменяющихся условий окружающей среды.

Дополнительный технический результат состоит в сокращении времени проведения испытаний и уменьшении числа калибровок.

Указанный технический результат достигается благодаря способу измерения силовых факторов, действующих на ступицу колеса со стороны обода, путем измерения относительных перемещений не менее чем трех пар противолежащих точек, находящихся на радиусах окружности, в плоскости, параллельной плоскости вращения колеса, причем центр окружности совпадает с осью вращения колеса и одна из пары точек принадлежит ступице, а другая - ободу. Способ измерения включает в себя определение направления вращения и угла поворота колеса относительно цапфы, и вычисление сил и моментов, действующих на ступицу с учетом направления вращения и угла поворота колеса. Причем силовые факторы (силы и моменты), действующие на ступицу колеса, вычисляют как векторную сумму сил и моментов, определенных через относительные перемещения указанной пары точек в каждый момент времени, с учетом угла поворота колеса относительно цапфы, являющейся элементом автомобиля.

Технический результат усиливается за счет того, что относительные перемещения обода и ступицы измеряют для четырех пар точек.

Технический результат также усиливается за счет того, что в качестве измерительных балок используют многокомпонентные датчики относительных перемещений.

Технический результат усиливается за счет того, что измеряются не только линейные, но и угловые относительные перемещения противолежащих элементов обода и ступицы. Это позволяет повысить точность измерений благодаря более определению сил и для моментов для каждой пары точек. Эти моменты возникают при деформации обода под действием внешних нагрузок и зависят, кроме того, от его податливости. Измерение этих моментов позволяет более точно разделить силовые факторы с учетом податливости обода колеса. В других конструкциях податливостью обода пренебрегают. Учет силовых факторов указанным способом позволяет применять самые различные обода колес без ущерба для точности измерений.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения силовых факторов, действующих на ступицу колеса транспортного средства, включающем обод колеса, ступицу, соединяющие их измерительные балки и датчик углового положения колеса относительно транспортного средства, содержащий размещенную на колесе гребенку и установленный на элементе транспортного средства датчик, в качестве измерительных балок использованы не менее трех многокомпонентных датчиков относительных перемещений, силовоспринимающие центры которых жестко закреплены, например, на ободе колеса, а корпусы жестко связаны со ступицей (или наоборот). Электрические выводы каждого датчика через усилитель, фильтр, аналого-цифровой преобразователь и кодирующее устройство соединены с передатчиком кодированного сигнала, имеющим возможность передачи кодированных сигналов на приемник кодированных сигналов, связанный через декодер с вычислителем сил и моментов, ко входу которого также подключен выход датчика угла поворота.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения будет более понятна из описания, приведенного далее со ссылками на позиции чертежей, где на фиг.1 представлен общий вид устройства с четырьмя измерительными балками Г-образной формы, на фиг.2 представлен вариант устройства с тремя многокомпонентными датчиками силовых факторов, на фиг.3 - общий вид варианта устройства с четырьмя такими датчиками, на фиг.4 - чертеж датчика, используемого в заявленном устройстве, продольный разрез, фиг.4а - поперечный разрез, на фиг.5 - схема блока телеметрии (кодированной передачи данных), на фиг.6 - схема системы координат.

Предпочтительный пример осуществления изобретения

Устройство 1 включает изготовляемые по размерам колеса, для которых используется заявленное устройство, обод 2 и ступицу 3. На внутренней стороне 4 обода 2 закрепляется гребенка 5 датчика углового положения колеса относительно автомобиля. Измеритель (не показан), который может иметь любое уместное выполнение (например, может быть использован электромагнитный датчик, см. патент США 5894094), размещается на элементах подвески колеса и служит для измерения направления вращения колеса и его углового положения относительно транспортного средства (системы координат, связанной с транспортным средством). На фиг.1 представлен вариант выполнения устройства с Г-образными измерительными балками 26 и емкостными преобразователями относительных перемещений 27-34. Фиг.2, 3 иллюстрируют варианты, использующие соответственно три и четыре многокомпонентных датчика относительных перемещений 7. Количество датчиков (измерительных балок) зависит от конкретного технического проекта и определяется главным образом той нагрузкой, которая действует на колесо транспортного средства со стороны опорной поверхности, а также размерами колес. Однако их количество не может быть менее трех, поскольку именно три точки определяют положение твердого тела в пронстранстве. При количестве датчиков менее 3-х для обеспечения исходной геометрии датчики должны ограничивать не только линейные перемещения обода, но и угловые. Это означает, что датчики должны воспринимать избыточный изгибающий момент.

Силовоспринимающий центр 6 каждого многокомпонентного датчика 7 относительных перемещений жестко крепится на ободе 2 колеса. Корпус 8 датчика 7 жестко закрепляется на ступице 3. Для решения поставленных задач целесообразно использовать измерители на основе емкостных преобразователей, к особенностям которых относятся высокая чувствительность и относительная стабильность показаний, малая масса, незначительное влияние внешних факторов, таких как температура, положение в пространстве, внешние вибрации, а также простота и технологичность конструкции.

Указанный датчик 7 (см. фиг.4) состоит из корпуса 8, имеющего предпочтительно цилиндрическую форму и изготовленного из металла, в корпусе выполнена полость 9, в которой размещен первый упругий элемент 10, представляющий собой полый усеченный конус, верхняя часть корпуса 8 жестко соединена с концом упругого элемента 10, нижний конец элемента 10 выполнен свободным и имеет возможность перемещения. С нижним концом упругого элемента жестко соединен нижний конец подвижного элемента 11, размещенного в полости упругого элемента 10 соосно с ним и корпусом 8, центральная ось которого 13 является общей для этих элементов осью.

Второй упругий элемент 14 выполнен в виде мембраны с центром 6, воспринимающим силовые воздействия, и соединен с первым упругим элементом 10 по периферии. При этом между первым и вторым упругим элементами 10, 14 образована полость 15. В датчике установлены емкостные преобразователи перемещений - датчики относительных перемещений упругих элементов. Первый-четвертый датчики перемещений 16-19 попарно установлены диаметрально противоположно во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центральную ось первого упругого элемента 10 между фиксированным на корпусе 8 концом первого упругого элемента 10 и свободным концом подвижного элемента 11. Пятый-восьмой датчики перемещений 21-24 установлены в нижней части корпуса между корпусом 8 и подвижным концом первого упругого элемента 10 также попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через упомянутую центральную ось 13. Девятый датчик относительных перемещений 25 установлен между подвижным концом первого упругого элемента 10 и вторым упругим элементом 14 в полости 15, образованной между ними. Все датчики образованы двумя электродами плоской формы и установлены на параллельных друг другу поверхностях соответствующих элементов конструкции. Электроды изолированы от корпуса и упругих элементов, на которых они установлены, специальными вставками. Электрические выводы датчиков 16-19, попарно размещенных на противоположных сторонах упругих элементов, соединены встречно с возможностью вычитания их сигналов, что позволяет увеличить чувствительность и линейность прибора. Сигналы на выходах датчиков определяют соответствующие составляющие силовых факторов и определяются из соотношений:

Z=K₀P_z

X₁=K₁ P_x+K₂M_y

Х₂=K ₃P_х+K₄M_y

Y₁ =K₁P_y+K₂M_x

Y₂=K₃Р_у+K₄М_х ,

где Z - относительное перемещение вдоль оси Z, вызванное действием силы Р_z,

X₁, X₂ - относительные перемещения вдоль оси X, вызванные действием силы Р_х и момента M_y,

Y₁ , Y₂ - относительные перемещения вдоль оси Y, вызванные действием силы Р_у и момента М_х,

K ₁, K₂, K₃, K₄ - тарировочные коэффициенты.

Датчик такой конструкции измеряет три составляющие силы Р_x, P_y, P_z и два составляющих момента М_x, М_y.

В целях наглядности и простоты более подробно рассмотрен пример вычисления силовых факторов для устройства с четырьмя многокомпонентными датчиками. С каждым датчиком связана соответствующая ортогональная система координат - X₁, Y₁, Z₁, X ₂, Y₂, Z₂, Х₃, Y₃ , Z₃, X₄, Y₄, Z₄. Как очевидно, оси датчиков неподвижны относительно системы координат X, Y, Z, связанной с колесом и с началом координат в геометрическом центре колеса, и вращаются вместе с колесом, причем оси Х1, X2, Х3 совпадают с продольной осью датчиков и пересекаются с осью вращения колеса в одной точке, а оси Y1, Y2, Y3 параллельны плоскости вращения колеса. Положительным направлением по осям Х считается направление от датчика к оси вращения колеса, по осям Y - направление, обратное направлению вращения колеса при движении автомобиля вперед, а по осям Z - направление от автомобиля. Обработка информации производится в блоке телеметрии, который имеет размещенную на колесе транспортного средства мобильную часть и стационарную часть, установленную на автомобиле (см. патент США 5894094). Информация от датчиков 7 поступает на размещенный на колесе аналого-цифровой преобразователь 37 и далее в блок обработки сигналов 36 (фиг.5), преобразующий их в составляющие сил и моментов, затем преобразует эту информацию в цифровую форму, затем она кодируется в блоке кодирования 38 и поступает на передатчик кодированного сигнала 39. Перечисленные выше блоки входят в состав мобильной части блока телеметрии и размещены на колесе транспортного средства. Приемник 40 телеметрии принимает сигналы, передаваемые передатчиком в последовательном коде. Далее информация обрабатывается в декодере 41 и предается на вычислитель (например, микропроцессор) 42, сюда же поступает информация от датчика углового положения колеса относительно автомобиля 43. Вычислитель 42 вычисляет суммарные силы и моменты, действующие на ступицу колеса, как векторную сумму составляющих сил и моментов согласно следующему алгоритму:

F_cz=F_1z+F_2z+F_3z +F_4z

F_cy=F_1y+F_2y +F_3у+F_4y

F_cx=F_1x +F_2x+F_3x+F_4x

M_cx =M_1y1K₁+M_3y3K₁+M _2y2K₂+M_4y4K₂+F_2z2 K₂R+F_4z4K₂R+F_1z1RK ₁+F_3z3RK₁

М_су=M _1y1K₂+М_3у3K₂+M_4y4 K₁+M_2y2K₁+F_1z1RK ₂+F_3z3RK₂+F_4z4RK₁ +F_2z2RK₁

M_cz=M_1z1 +M_2z2+М_3z3+M_4z4+F_1y1 R+F_2y2R+F_3y3R+F_4y4R,

где F_1x, F_1y, F_1z - векторы-силы, действующие вдоль осей X,Y,Z соответствующих датчиков 1-4, i - 1, 2, 3, 4i, М_iyi, M_izi - моменты, действующие относительно осей Y, Z соответствующих датчиков, R - расстояние между точкой крепления датчика на ободе и центром колеса, K ₁, K₂ - коэффициенты, зависящие от угла поворота колеса. Вычислитель 42 далее пересчитывает все данные о силах и моментах в систему отсчета, связанную с автомобилем. При этом используется информация с датчика углового положения колеса относительно автомобиля, синхронизированная по времени с измерительными сигналами. Таким образом, получают значения силовых факторов в системе координат автомобиля, которые не зависят от поворота колеса. Полученная информация сохраняется в блоке памяти 44.