CN209446440U - 便携式地面摩擦系数测试仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的便携式地面摩擦系数测试仪器，属于检测装置技术领域。通过设置齿轮箱内齿轮的传动参数或前后轮的直径，使前轮与后轮的线速度不相同，后轮与地面间的摩擦力通过后轴传给中间齿轮轴，测试单元将测得的摩擦力数据传输给处理单元，再结合已经输入处理单元的测试仪器的重压力，经数据处理后，将计算得出的摩擦系数实时反映在显示单元上。该测试仪器结构简单、设计合理、结构紧凑、便于单人携带操作，测试原理巧妙，通过搭配不同齿数的前齿轮和后齿轮，或通过不同直径的前轮和后轮，能够实现轮胎与路面间不同滑移率或滑转率下摩擦系数的测量；对测试现场无特定要求，减少了测试者的劳动强度，节约测试时间，节省测试成本。

Description

便携式地面摩擦系数测试仪器

技术领域

本实用新型属于检测装置技术领域，具体涉及一种便携式地面摩擦系数测试仪器。

背景技术

目前为了研究路面铺筑材料的安全性能，评估路面的抗滑能力，必不可少的要定期对路面与车辆轮胎间的摩擦系数进行测定。国内外针对该问题的检测方法主要有三种，即制动距离测试法、摆式仪法、牵引车法或手推车法。其中制动距离测试法，测试方法复杂，对现场条件要求较高，并且测试精度较差；摆式摩擦系数测试仪虽然既可用于现场测试，又可取样用于室内测试，但该方法只适用于定点位置的路面材料测试，与行人(车辆)行走的地(路)面实际应用工况不符，且不能实现连续数据采集，测试过程易受人为因素影响，所测得的摩擦系数不能很好的反映出地(路)面材料的抗滑性能；现在常见的牵引车或手推车式路面摩擦系数测试仪，可以进行连续测试，且无需封闭交通，但其结构复杂、体积较大并且成本高昂，应用场合有限，未能大规模推广，目前国内较少使用。

专利号为CN200910021671.5中国专利提出的路面摩擦系数测试装置，通过链条连接前后轮，利用前后链轮的转动速度不同实现前轮打滑，然后传感器检测前轮轴扭矩，经过转换后得到轮胎与路面之间的摩擦系数，该方式在一定条件下虽能满足道路测试要求，但其通过传感器测量轮轴扭矩的方式需经过特定算法才能转换为摩擦力，由于工作时该轮轴是旋转的，所以信号传输过程需要增加集流环，结构复杂，可靠性低。同时在结构上易使测试装置的体积变大，不便于单人携带，管理部门对少量道路表面进行抽样检测时显得不方便，也不能方便地使用在住宅等建筑物的地面。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种便携式地面摩擦系数测试仪器，结构合理、使用方便、成本低廉、测试数据准确，能方便携带进行路面或建筑物内地面摩擦系数的测量。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

本实用新型公开了便携式地面摩擦系数测试仪器，包括齿轮箱壳体、牵引拉手、后轴、中间齿轮轴、前轴和测试及显示系统；

齿轮箱壳体固定有若干组支撑组件，后轴和前轴均分别可旋转地支承在支撑组件上；后轴固定连接有后齿轮和后轮，前轴固定连接有前齿轮和前轮；中间齿轮轴固定连接在齿轮箱壳体上，位于后轴和前轴之间，中间齿轮通过支撑组件可旋转地支承在中间齿轮轴上；后齿轮和前齿轮均分别与中间齿轮啮合；牵引拉手连接在齿轮箱壳体或前轴上；前轮与后轮的线速度不相等，可以通过改变齿轮箱壳体内的齿轮的连接方式、通过改变前轮和后轮的直径等方式实现。

测试及显示系统包括测试单元、处理单元和显示单元，测试及显示系统通过电源供电，处理单元包括信号放大器、A/D转换器和运算器，测试单元设置在中间齿轮轴上，测试单元依次和信号放大器、A/D转换器、运算器和显示单元电连接，处理单元和显示单元设置在齿轮箱壳体上。

优选地，前轮承受的垂直载荷大于后轮承受的垂直载荷，可以通过结构设计或者增加配重等方式实现。

优选地，牵引拉手铰接在齿轮箱壳体上。

优选地，牵引拉手铰接在前轴上。

进一步优选地，在牵引拉手与前轴铰接的位置设置有限制牵引拉手转动角度的限位装置，可以在齿轮箱壳体外部固定安装一个挡板，当牵引拉手向上转动一定角度时会碰触挡板，转动范围受限；或者是在牵引拉手靠近齿轮箱一侧装一个销轴，在齿轮箱壳体固定一个限位块，牵引拉手转动到一定角度，会受到齿轮箱壳体上限位块限制。

优选地，后轮的数量为2。

优选地，前轮的数量为2。

优选地，后轮与前轮采用防滑材质制成，如橡胶、尼龙等。

优选地，测试及显示系统还包括与处理单元电连接的数据存储单元。

优选地，测试及显示系统的处理单元内部有测速单元。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型公开的一种便携式地面摩擦系数测试仪器，通过改变齿轮箱壳体内的齿轮的连接方式、通过改变前轮和后轮的直径等方式实现前轮与后轮的线速度不相同，当牵引拉手受到水平拉力时，测试仪器向前做直线运动，前轮和后轮开始转动，当前轮的线速度大于后轮的线速度时，后轮的理论速度小于实际行进速度，此时后轮打滑并做向前的滑移运动；前轮的线速度小于后轮的线速度时，后轮的理论速度大于实际行进速度，此时后轮打滑并做向后的滑转运动；通过选取不同的前齿轮和后齿轮之间的传动形式、或设计不同的前轮直径和后轮直径，测试仪器可以得到不同滑移率或滑转率。

当后轮做滑移或滑转运动时，后轮与地面间的摩擦力通过后轴传给中间齿轮轴，中间齿轮轴承受载荷产生应力，设置在中间齿轮轴上的测试单元将测得的应力变为电信号传输给处理单元换算成摩擦力，再结合已经输入处理单元的测试仪器的重压力，经数据处理后，将计算得出的摩擦系数实时地反映在显示单元上。该测试仪器结构简单、设计合理、结构紧凑，能够将测量结果实时显示，便于单人携带操作。通过齿轮传动机构将摩擦力转化成中间齿轮轴上可以直接测得的应力，齿轮传动精密、平稳可靠，测试原理巧妙，通过搭配不同齿数的前齿轮和后齿轮、或改变中间齿轮的形式、或不同的前轮直径和后轮直径，能够实现轮胎与路面间不同滑移率或滑转率下摩擦系数的测量；对测试现场无特定要求，减少了测试者的劳动强度，节约测试时间，节省测试成本。

进一步地，前轮承受的垂直载荷大于后轮承受的垂直载荷，以保证前轮做纯滚动运动而不产生滑动，使前轮的理论速度为测试仪器的实际速度，提高测试结果的准确性。

进一步地，牵引拉手铰接在齿轮箱壳体上，能够在坡度变化较大时，牵引拉手在一定范围内具有自适应的调整作用，避免使后轮受到竖直方向的分力，影响测试结果。

进一步地，牵引拉手通过铰接的方式设置在前轴上，能够在坡度变化较大时，牵引拉手在一定范围内具有自适应的调整作用，避免使后轮受到竖直方向的分力，影响测试结果。同时，因连接点设在前轮轴中心线上，所以该力不会对前轮产生力矩，减小测量误差。

更进一步地，正常使用时要按照操作规范进行，理论要求水平牵引，实际使用过程中要求前轮作为驱动轮实现纯滚动，牵引拉手角度通过限位装置调节，确保在牵引最大角度下后轮载荷变化对测试结果影响最小，避免牵引拉手转动幅度过大，影响测试结果。

进一步地，后轮的数量为2，使测试仪器运动平稳，后齿轮轴受力均匀。

进一步地，前轮的数量为2，使测试仪器运动平稳，前齿轮轴受力均匀。

进一步地，后轮与前轮采用防滑材质制成，防止打滑影响测试结果。

进一步地，测试及显示系统的处理单元内部有数据存储单元，可以将一段时间内的数据进行存储，以便进行后续的分析。

进一步地，测试及显示系统还包括与处理单元电连接的测速单元，可以将测试仪器的实时速度显示在显示单元上并进行储存，供测试者参考。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的整体结构俯视示意图；

图3为本实用新型实施例2的整体结构俯视示意图；

图4为本实用新型实施例3的整体结构俯视示意图；

图5为本实用新型的测试及显示系统的原理图；

图中：1为测速单元，2为显示单元，3为处理单元，4为电源，5为箱体盖，6为齿轮箱壳体，7为牵引拉手，8为后轮，9为后轴，10为后齿轮，11为中间齿轮轴，12为中间齿轮，13为前轴，14为前齿轮，15为前轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细描述，其内容是对本实用新型的解释而不是限定：

图1为本实用新型的整体结构示意图，在齿轮箱壳体6上装有箱体盖5，将测速单元1、显示单元2、处理单元3、电源4均整合在箱体盖5上。

其余结构见以下具体实施例：

实施例1

如图2，在齿轮箱壳体6的侧壁后部，通过轴承支承有后轴9，在后轴9上固定安装有一个后齿轮10和两个后轮8，后齿轮10位于后轴9中部，两个后轮8分别固定安装在后轴9的两端。在齿轮箱壳体6的侧壁中部，固定安装有中间齿轮轴11，在中间齿轮轴11的中部通过轴承支承有中间齿轮12。在齿轮箱壳体6的侧壁前部，通过轴承支承有前轴13，在前轴13上固定安装有一个前齿轮14和两个前轮15，前齿轮14固定在前轴13中部，两个前轮15分别固定安装在齿轮箱壳体6的外边并靠近齿轮箱壳体6。在前轴13上安装有牵引拉手7，牵引拉手7铰接在前轴13的两端，并设有限制牵引拉手7转动角度的限位装置。中间齿轮12分别与后齿轮10和前齿轮14相啮合。

在箱体盖5上，安装有接近开关作为测速单元1，接近开关1的感应头靠近后齿轮10，当后齿轮10转动时，接近开关将输出脉冲信号。两个前轮15和两个后轮8都采用轮胎橡胶制造。

工作时，将摩擦系数测试仪器放置于待测量(地)路面上，通过牵引拉手7水平拉动仪器向前运动，则前轮15和后轮8开始转动，两个后轮8通过后轴9与后齿轮10固连在一起不能产生相对转动，两个前轮15通过前轴13与前齿轮14固连在一起不能产生相对转动，则后轮8的转速与后齿轮10转速相同，前轮15的转速与前齿轮14转速相同，中间齿轮12作为动力传动的过渡齿轮保证前轮15与后轮9的转动方向相同，中间齿轮12不影响传动比，由于前齿轮14与后齿轮10的齿数不同，导致前轮15与后轮8的转速不同，因前轮15和后轮8的直径相等，在轮胎向前行进时会导致在相同时间内前轮15和后轮8转过的圈数不等，也就是前轮15与后轮8的线速度不同，使得前轮15或后轮8打滑。

本实施例中，前齿轮14的齿数小于后齿轮10的齿数，这样前轮15的转速大于后轮8的转速，测试仪器在制作时通过改变结构、增加配重等方式确保前轮15所承受的垂直载荷明显大于后轮8所承受的垂直载荷，以保证前轮15做纯滚动运动而不滑动，使测试仪器前轮15的理论速度为测试仪器的实际速度，由于后轮8的转速较慢，后轮8的理论速度小于前轮15的理论速度，也就是后轮8的理论速度小于测试仪器的实际行进速度，即后轮8产生向前打滑形成滑移。后轮8行进时的滑移率s可按下式计算：

式中s为后轮8的滑移率，z₁为后齿轮10齿数，z₂为前齿轮14齿数，实际中可根据需要选择不同的齿轮齿数，得到不同的滑移率。

后轮8与地面之间形成滑移运动，则会受到地面所施加的滑动摩擦力，通过后轴9传给后齿轮10，由机械原理可知，摩擦力的大小与后齿轮10和中间齿轮12之间的啮合力成正比，该啮合力的大小与中间齿轮轴11受到的径向力成正比。由于中间齿轮轴11不转动，在中间齿轮轴11上按常见销轴传感器的方法粘贴应变片，应变片将感受到的径向力转化为电信号，经过处理单元3的信号放大器对该电信号进行过滤、放大，再通过A/D转换器变为数字信号，运算器根据这个数字信号就可以求得摩擦力。由于牵引拉手10铰接在前轴13上，牵引力的变化不会影响后轮8的接地重量，可以认为后轮8的对地面的重压力为一个常数，根据这个重压力和摩擦力，由摩擦系数＝摩擦力/重压力，就可以得出摩擦系数。A/D转换器可采用PCF8591模块，测试单元可采用YHC-110销轴传感器或力传感器，处理器可以采用带有信号放大功能的单片机电路板16F877A。

如图5，在齿轮箱壳体6外侧靠近后齿轮10上侧的地方布置有接近开关，当后齿轮10旋转时，接近开关输出脉冲信号，记录脉冲信号的变化频率，就可以得出该测试仪器的行进速度。处理单元3根据上述算法进行处理计算，将所检测的摩擦系数及行驶速度显示在显示单元2上。测试仪器自带电源4，处理单元3中处理器检测电源电压，并对电池电量进行监控，当电池电量过低时报警；处理单元3带有时间模块，可将电源4电量和时间信息显示在显示单元2上，方便测试人员随时查看，显示单元2可以为LED屏幕或者液晶显示屏，如LQ035NC111 3.5寸液晶屏。所有采集到的数据实时存储至数据存储单元内，可在测量结束后通过附带的USB接口将数据导出，以供后续的分析、保存。

实施例2

如图3，本实施例中前齿轮14的齿数大于后齿轮10的齿数，其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。这样前轮15的转速小于后轮8的转速。该测试仪前轮15的理论速度为实际速度，由于后轮8的转速较快，后轮8的理论速度大于前轮15的理论速度，也就是后轮8的理论速度大于该测试仪器的实际行进速度，即后轮8产生向后打滑形成滑转。后轮8这时的滑转率可按下式计算：

式中σ为后轮8的滑转率，实际中可根据需要选择不同的齿轮齿数，得到不同的滑转率。摩擦系数的测试原理与实施例1相同，在不同滑转率的场景下，可以测得相应的摩擦系数。

实施例3

如图4，将前轮15固定安装在前轴13的两端，牵引拉手7活动套装在两前轮15内侧的前轴13上，其它零部件以及零部件的连接关系、测试原理与实施例1相同。

实施例4

本实施例中前齿轮14的齿数等于后齿轮10的齿数，前轮15的直径大于后轮8的直径。

这时，前轮15与后轮8的转速相同，但由于后轮8的直径比前轮15的直径小，导致后轮8的线速度比前轮15的线速度小，测试时，后轮8将向前滑移，后轮8这时的滑移率s可按下式计算：

式中D₁为后轮8的直径，D₂为前轮15的直径，实际中可根据需要选择不同的前后轮直径，得到不同的滑移率。

其它零部件以及零部件的连接关系、测试原理与实施例1相同。

实施例5

本实施例中前齿轮14的齿数等于后齿轮10的齿数，前轮15的直径小于后轮8的直径。

这时，前轮15与后轮8的转速相同，但由于后轮8的直径比前轮15的直径大，导致后轮8的线速度比前轮15的线速度大，测试时，后轮8将向后滑转，后轮8这时的滑转率σ可按下式计算：

其它零部件以及零部件的连接关系、测试原理与实施例1相同。

其余零部件及其连接关系还可以做如下调整：

1)后轮8和前轮15的数量可以都为1，也可以一者为1，另一者为2；

2)测速单元1也可以采用速度传感器；

3)电源4可以采用外接，也可以采用充电式，便于携带；

4)测试单元也可以采用力传感器；

5)牵引拉手7可以铰接在齿轮箱壳体6上

6)可以加装行程开关开监控牵引拉手7的转动角度，当超过特定角度会报警并停止记录测试数据。

Claims (10)

1.便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，包括齿轮箱壳体(6)、牵引拉手(7)、后轴(9)、中间齿轮轴(11)、前轴(13)和测试及显示系统；

齿轮箱壳体(6)固定有若干组支撑组件，后轴(9)和前轴(13)均分别可旋转地支承在支撑组件上；后轴(9)固定连接有后齿轮(10)和后轮(8)，前轴(13)固定连接有前齿轮(14)和前轮(15)；中间齿轮轴(11)固定连接在齿轮箱壳体(6)上，位于后轴(9)和前轴(13)之间，中间齿轮(12)通过支撑组件可旋转地支承在中间齿轮轴(11)上；后齿轮(10)和前齿轮(14)均分别与中间齿轮(12)啮合；牵引拉手(7)连接在齿轮箱壳体(6)或前轴(13)上；前轮(15)与后轮(8)的线速度不相等；

测试及显示系统包括测试单元、处理单元(3)和显示单元(2)，测试及显示系统通过电源(4)供电，处理单元(3)包括信号放大器、A/D转换器和运算器，测试单元设置在中间齿轮轴(11)上，测试单元依次和信号放大器、A/D转换器、运算器和显示单元(2)连接，处理单元(3)和显示单元(2)设置在齿轮箱壳体(6)上。

2.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，前轮(15)承受的垂直载荷大于后轮(8)承受的垂直载荷。

3.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，牵引拉手(7)铰接在齿轮箱壳体(6)上。

4.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，牵引拉手(7)铰接在前轴(13)上。

5.根据权利要求4所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，在牵引拉手(7)与前轴(13)连接位置处设置有限制牵引拉手(7)转动角度的限位装置。

6.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，后轮(8)的数量为2。

7.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，前轮(15)的数量为2。

8.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，后轮(8)与前轮(15)采用防滑材质制成。

9.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，测试及显示系统的处理单元(3)内部有数据存储单元。

10.根据权利要求1所述的便携式地面摩擦系数测试仪器，其特征在于，测试及显示系统还包括与处理单元(3)电连接的测速单元(1)。