PL244771B1

PL244771B1 - Urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdny

Info

Publication number: PL244771B1
Application number: PL438203A
Authority: PL
Inventors: Łukasz Warguła; Mateusz Kukla; Bartosz Wieczorek
Original assignee: Politechnika Poznanska
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2024-03-04
Also published as: PL438203A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdny zawierające zespół mechanizmu napędowego (1) przymocowany nieruchomo do nawierzchni nośnej (2) i połączony przegubowo z obiektem z układem jezdnym (11), w którym druga strona obiektu z układem jezdnym (11) jest trwale połączona liną III (16) z układem ograniczającym luzowanie lin (18) składającym się z mechanizmu wyciągania liny (19) połączonego sprzęgłem III (22) z przekładnią mechaniczną II (23), przy czym na wale wyjściowym przekładni mechanicznej II (23) jest osadzony bęben nawijający (24) linę IV (25), która to lina IV (25) jest przeprowadzona przez podwieszany krążek (26), a na końcu liny IV (25) jest umieszczona masa (27).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdnym, które jest odporne za zakłócenia pomiaru wynikającego ze zmiennego oporu toczenia nawierzchni. Wynalazek przewidziany jest do wykorzystania w dziedzinach techniki zajmujących się eksploatacją maszyn oraz budową nawierzchni użytku zewnętrznego oraz wewnętrznego. Urządzenie może być zastosowane do dowolnego obiektu wyposażonego w układ jezdny oraz dla pomiarów na dowolnych nawierzchniach nośnych. Urządzenie wprawia badany obiekt w ruch i wykonuje pomiar siły oporów toczenia bez konieczności stosowania dodatkowego napędu w obiekcie badanym.

Najbliższym wynalazkowi rozwiązaniem znanym w stanie techniki jest urządzenie opisane w publikacji PL235796 B1. Urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia wykorzystuje układ nawijający linę ze stałą prędkością, na końcu której tuż przed toczonym obiektem znajduje się tensometryczny czujnik pomiaru siły. Badanie w określonych warunkach umożliwi wyznaczenie siły napędowej, która jest równa sile oporów toczenia. Wadą rozwiązania jest wzrost siły oporów ruchu podczas rozpoczęcia wprowadzania obiektu z układem jezdnym w ruch. Siła oporów ruchu jest różna (większa) dla obiektu wprowadzanego w ruch niż dla obiektu będącego w ruchu. Wzrost wartości siły podczas wprowadzania obiektu w ruch powoduje ruch obiektu z większą siłą niż potrzeba do poruszania ze stałą prędkością. Układ wprowadzający obiekt w ruch czyli zespół linowy nawijany na bęben pracuje ze stałą prędkością nawijania. Wzrost impulsu siły wprowadzającej w ruch obiekt, powoduje jego ruch z większą prędkością, przyczyniając się do luzowania liny, a następnie wytracania prędkości przez wózek co przyczynia się do kolejnych impulsów siły wywołanej wprowadzeniem obiektu toczącego się w ruch (dążącego poprzez układ napędowy do ruchu ze stałą prędkością). Wartość tych impulsów maleje aż do stabilizacji ruchu, jednak jeżeli podłoże charakteryzuje się zmiennymi oporami toczenia stabilizacja ruchu jest trudna i wymaga długiego odcinka pomiarowego. Rejestracja takiego sygnału charakteryzuje się dużą oscylacją sygnału, która po wyznaczeniu średniej siły oporów toczenia może charakteryzować się niedokładnością pomiaru.

Pomiar tym urządzeniem może być obarczony niedokładnością wynikającą ze zmian prędkości ruchu obiektu wywołanej zmiennymi oporami toczenia podłoża (przyczynia się to do luzowania liny napędowej). Przekłada się to na wzrost wartości siły napędowej, której składową może być w zdecydowanej większości siła oporów toczenia ale również siła bezwładności wynikająca ze zmiany prędkości obiektu toczonego. W toku prowadzonych prac badawczych okazało się ograniczanie skutków oddziaływania siły bezwładności wynikającej ze zmiennych oporów toczenia nawierzchni może dostarczyć dodatkowych korzyści w postaci dokładniejszego pomiaru siły oporów toczenia na podstawie których można wyznaczyć współczynnik oporów toczenia. Ograniczenie impulsów siły i siły bezwładności wynikającej ze zmiany przyspieszenia tocznego obiektu można uzyskać poprzez układ ograniczający luzowanie lin.

Poprzez opracowanie urządzenia do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdny będącego przedmiotem wynalazku możliwe jest wykonywanie badań siły oporów toczenia oraz wyznaczania współczynnika oporów toczenia:

• w rzeczywistych warunkach eksploatacji, • z zachowaniem rzeczywistego kontaktu koła z nawierzchnią badaną, • badania układów z układem jezdnym, bez lub z własnym napędem, • badania wewnątrz budynków o ograniczonych powierzchniach badawczych, • badania nawierzchni drogowych zewnętrznych, • badania układów osadzonych na prowadnicach, • badania na zróżnicowanych typach nawierzchni nośnych, • badania na powierzchniach nośnych zanieczyszczonych lub pokrytych warstwami wynikającymi z warunków atmosferycznych, np. śnieg, lód, • badania na powierzchniach sypkich, • badania obiektów o zmiennej konstrukcji w zakresie: rodzaju i kształtu opony, ciśnienia w oponie, liczby kół, • badania z różnymi prędkościami napędzania badanych obiektów, • badania obiektów niezależnie od ich masy, • szerokie spektrum możliwości obiektów badawczych od wagonów kolejowych, poprzez pojazdy ciężarowe i osobowe, wózki magazynowe, bramy przesuwne do wózków inwalidzkich itp.

• jako sumaryczną wartość siły oporów toczenia dla wszystkich kół obiektu badanego.

Istotą wynalazku jest urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdny zawierające zespół mechanizmu napędowego przymocowany nieruchomo do nawierzchni nośnej połączony przegubowo z jedną stroną obiektu z układem jezdnym. Urządzenie charakteryzuje się tym, że druga strona obiektu z układem jezdnym jest trwale połączona liną III z układem ograniczającym luzowanie lin.

Układ ograniczający luzowanie lin składa się natomiast z mechanizmu wyciągania liny i jest połączony sprzęgłem III z przekładnią mechaniczną II. Na wale wyjściowym przekładni mechanicznej II jest osadzony bęben nawijający linę IV, która to lina IV jest przeprowadzona przez podwieszany krążek, a na końcu liny IV jest umieszczona masa (ciężarek).

Korzystnie mechanizm wyciągania liny stanowią walec III i walec IV o regulowanej odległości między sobą. Ruch walców ze stałą prędkością zapewnia stały ruch ciągniętego obiektu, który jest wyposażony w układ jezdny. Zastosowanie dwóch walców zamiast bębna nawijającego, zapewnia możliwość wciągania liny o dowolnej długości, ponadto rozwiązuje problem wymiarów geometrycznych bębna które ograniczają długość nawijanej liny.

Korzystnym jest także kiedy zespół mechanizmu napędowego przymocowany nieruchomo do nawierzchni nośnej składa się z silnika elektrycznego, sprzęgła I, przekładni mechanicznej I, sprzęgła II i mechanizmu wciągającego linę. Przy czym mechanizm wciągający linę zespołu mechanizmu napędowego składają się z dwóch walców tj. walca I oraz walca II. Nadto mechanizm wciągający linę posiada możliwość regulacji odległości między walcem I i walcem II, w celu regulacji i możliwości wciągania lin I o różnych grubościach. Lina I jest przymocowana poprzez przegub I do czujnika siły, który poprzez przegub II jest połączony bezpośrednio i trwale do obiektu z układem jezdnym.

Wariantowo przewiduje się, że czujnik siły można połączyć pośrednio poprzez przegub II, który jest połączony z liną II przymocowaną trwale do obiektu z układem jezdnym. W tym wariancie czujnik tensometryczny powinien być obciążany siłami rozciągającym lub ściskającymi, w tym celu układ pomiarowy powinien być wyposażony w przegub I oraz przegub II, zapewniającymi działanie sił w osi czujnika siły.

Urządzenie pozwala przeprowadzić pomiar wartości siły w warunkach kiedy przemieszczany obiekt porusza się ze stałą prędkością, na poziomej nawierzchni oraz przy małych prędkościach (do 15 km/h opór powietrza jest tak nieznaczny, iż można go pominąć w obliczeniach, jak wskazano w publikacji Lanzendoerfer J. Badania pojazdów samochodowych, Warszawa, WKŁ 1977.) przy czym pozwala także przyjąć, że mierzona wartość siły jest siłą napędową która jest równa sile oporów toczenia. Jednak zmiana wartość siły oporów toczenia np. wynikające z nawierzchni o zmiennej charakterystyce siły oporów toczenia powoduje w takim układzie zmian prędkości poruszanego obiektu, a to przekłada się na luzowanie wciąganej liny oraz dzielenie siły bezwładności. Wyeliminowanie zjawiska luzowania liny i działania siły bezwładności zapewnia dodatkowy układ tj. układem ograniczający luzowanie lin. Układ ten jest połączony z poruszającym się obiektem przy pomocy drugiej liny (liny wyciąganej z układu ograniczającego luzowanie liny). Mechanizm wyciągający linę zapewnia stałą znaną siłę przeciwdziałającą powstawaniu siły bezwładności poruszanego obiektu. Ruch obiektu powoduje wyciąganie liny wywołując ruch obrotowy walców tego układu. Jeden z walcy tego układu jest połączony sprzęgłem przekładnią mechaniczną, na której wale wyjściowym jest osadzony bęben nawijający linę. Wyciągana lina jest przeprowadzona przez krążek, na końcu liny jest umieszczona masa (ciężarek). Masa swobodnie zwisająca na linie generuje znaną i stałą siłę, przeciwstawną do siły napędowej, dodatkowo siła ta ogranicza możliwość luzowania liny. Odliczenie wartości siły wywołanej masą od siły napędowej pozwala wyznaczyć siłę oporów toczenia pozbawioną wpływu siły bezwładności wynikające ze zmiany prędkości poruszanego obiektu.

Widok urządzenia do pomiaru siły oporów toczenia z układem jezdnym odpornego za zakłócenia pomiaru wynikającego ze zmiennego oporu toczenia nawierzchni przedstawia fig. 1.

Urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów z układem jezdnym odporne za zakłócenia pomiaru wynikającego ze zmiennego oporu toczenia nawierzchni składa się z mechanizmu napędowego 1 przymocowanego nieruchomo do nawierzchni nośnej 2. Mechanizm napędowy 1 składa się z silnika elektrycznego 3, sprzęgła I 4, przekładni mechanicznej I 5, sprzęgła II 6, mechanizmu wciągającego linę 7 składających się z dwóch walców, walca I 8 oraz walca II 9. Mechanizm wciągający linę 7 posiada możliwość regulacji odległości między walcem I 8 i walcem II 9, w celu regulacji i możliwości wciągania lin I 10 o różnych grubościach. Ruch obiektu z układem jezdnym 11, jest realizowany poprzez wciąganie liny I 10 przez mechanizm wciągający linę 7. Jeden koniec liny I 10 jest wciągany przymocowany poprzez przegub I 12 do czujnika siły 13, który poprzez przegub II 14 jest połączony bezpośrednio

PL 244771 Β1 i trwale do obiektu z układem jezdnym 11. Opcjonalnie czujnik siły 13 można połączyć pośrednio poprzez przegubu 14, który jest połączony z liną I115 przymocowaną trwale do obiektu z układem jezdnym 11. Ważne jest żeby czujnik tensometryczny był obciążany siłami rozciągającym lub ściskającymi w tym celu układ pomiarowy 17 powinien być wyposażony w przegub I 12 oraz przegub 1114, zapewniającymi działanie sił w osi czujnika siły 13. Po drugiej stronie obiektu z układem jezdnym 11 jest trwale przymocowana lina III 16. Lina III 16 łączy obiekt z układem jezdnym 11 z układem ograniczającym luzowanie lin 18. Lina III 16 jest umieszczona w mechanizmie wyciągania liny 19. Mechanizm wyciągający linę 19 posiada możliwość regulacji odległości między walcem III 20 i walcem IV 21, w celu regulacji i możliwości wyciągania lin III 16 o różnych grubościach. Ruch obiektu z układem jezdnym 11, powoduje wyciąganie liny III 16 z mechanizmu wyciągania liny 19 wywołując ruch obrotowy walca IV 21 oraz walca III 20. Walec III 20 jest połączony sprzęgłem III 22 z przekładnią mechaniczną II 23, na wale wyjściowym z przekładni mechanicznej II 23 jest osadzony bęben nawijający 24 linę IV 25. Lina IV 25 jest przeprowadzona przez krążek 26, na końcu liny IV 25 jest umieszczona masa 27 (ciężarek). Masa 27 swobodnie zwisająca na linie generuje znaną i stałą siłę, przeciwstawną do siły napędowej, dodatkowo siła ta ogranicza możliwość luzowania liny 110. Odliczenie wartości siły wywołanej masą 27 od siły napędowej pozwala wyznaczyć siłę oporów toczenia pozbawioną wpływu siły bezwładności wynikające ze zmiany prędkości poruszanego obiektu.

Warunki niezbędne do wykonania pomiaru:

• nieruchome mocowanie mechanizmu wciągające linę 7 oraz układu ograniczającego luzowanie liny 18, • przyłożone siły powinny być równoległe do osi symetrii czujnika siły 13, • stała prędkość poruszającego się obiektu badawczego utrzymywana poprzez działanie układu mechanizmu wciągające linę 7 oraz układu ograniczającego luzowanie liny 18, • stała prędkość generowanego napędu, • pomiar powinien odbywać się na nawierzchni poziomej, • analizie pomiaru siły podlega odcinek wyników realizowany ze stałą prędkością obrotową z pominięciem stanów przejściowych, rozpędzania i zatrzymania obiektu badawczego.

Uzyskane wyniki z pomiarów przy znajomości równania całkowitej siły ruchu pojazdu służą do wyznaczenia współczynników oporów toczenia, równanie (1).

F_N = F+F_p+F_w+F_{b +} F_u (1) gdzie:

Fn - siła napędowa,

Ft - siła oporów toczenia,

F_p - siła oporów powietrza,

F_w - siła oporów wzniesienia,

Fb - siła oporów bezwładności,

F_u - siła oporów ruchu wytwarzana przez układ ograniczający luzowanie lin.

Opcjonalnie może występować siła działająca na hak holowniczy, związana z ciągnięciem przyczep.

Opór toczenia oraz opór powietrza występują zawsze tworząc opór podstawowy. Opór wzniesienia i opór bezwładności występuje okresowo. Opór wzniesienia występuje tylko podczas jazdy pod górę, stanowi go równoległa do nawierzchni składowa siły ciężkości. Podczas zjazdu w dół składowa przyjmuje zwrot zgodny z kierunkiem jazdy, stając się siłą wymuszającą ruch obiektu. Opór bezwładności występuje wyłącznie podczas przyspieszania. Wtedy równoległa do nawierzchni siła bezwładności samochodu jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu. W ruchu opóźnionym siła ta zmienia zwrot. Opór uciągu to jest to suma oporów holowanej przyczepy lub naczepy. Niezależnie od bryły pojazdu podczas badań poniżej 15 km/h opór powietrza jest tak nieznaczny, iż można go pominąć w obliczeniach, jak wskazano w publikacji Lanzendoerfer J. Badania pojazdów samochodowych, Warszawa, WKŁ 1977.

Podczas badań we wskazanych warunkach pomiarowych siła fwjest równa sile oporów toczenia Ft oraz sile oporów ruchu wytwarzana przez układ ograniczający luzowanie lin F_u (2).

f_n=f+f (2)

PL 244771 Β1

Wartość siły napędowej Fn jest mierzona i jest znana, dodatkowo znana jest wartość siły oporów ruchu wytwarzana przez układ ograniczający luzowanie lin F_u.

Siła oporów ruchu wytwarzana przez układ ograniczający luzowanie lin F_u można wyznaczyć zgodnie z równaniem (3), na którą składa się z siła ciężkości ciężarka G_c, oraz siły oporów wewnętrznych w mechanizmie układu ograniczania luzowania lin F_ou·

P.=G.⁺ P_m O)

Gdzie:

^Ge = ^mc'9c

Gdzie:

m_c - masa ciężarka, g_c - przyspieszenie ziemskie.

Siłę oporów wewnętrznych w mechanizmie układu ograniczania luzowania lin F_ou można wyznaczyć eksperymentalnie lub teoretycznie zgodnie z ogólnie znanymi zasadami konstrukcji maszyn.

Wynika stąd, że mierząc siłę napędową Fn i znając siłę siły oporów ruchu wytwarzaną przez układ ograniczający luzowanie lin F_u. Można wyznaczyć siłę oporów toczenia zgodnie z równaniem (4).

p_N-p_u=p< (4)

Siła oporów toczenia wyznaczana podczas badań na urządzeniu będącym przedmiotem wynalazku to:

• suma właściwego oporu toczenia wszystkich kół obiektu, której wartość można podzielić na wszystkie koła pojazdu i przyjąć jako jednostkową wartość oporów toczenia dla konkretnego koła (z wyjątkiem pojazdów o zróżnicowanych wymiarach kół), • suma oporów połączeń kół z obiektem, najczęściej tarcia tocznego lub ślizgowego w łożyskach układu zawieszenia oraz tłumienia, ewentualnie sprzężonego układu przeniesienia napędu np. mechanizmu różnicowego, • suma oporów związana z brakiem zbieżności kół układu.

Ograniczając wpływ zbieżności układu, ujednolicając rodzaj kół oraz odliczając opór generowany w łożyskach kół można wyznaczyć ogólne równanie siły oporów toczenia na płaskiej nawierzchni, równanie (5).

F.=G.'f, (5)

Gdzie:

Go - siła ciężkości obiektu przemieszczanego, ft - współczynnik oporów toczenia.

Gdzie:

G =m q o o 3 o

Gdzie:

m₀ - masa ciężarka, g₀ - przyspieszenie ziemskie.

Przekształcając równanie (5) można wyznaczyć równanie umożliwiające wyznaczenie współczynnika oporów toczenia, znając wartość generowanej siły podczas badań z czujnika pomiaru siły; masę obiektu badanego oraz przyspieszenie ziemskie, równanie (6).

p< (⁶)

Stanowisko umożliwia wyznaczenie współczynnika oporów toczenia poprzez pomiar siły oporów toczenia podczas zachowania odpowiednich warunków pomiaru. Dodatkowo stanowisko umożliwia pomiar wpływu zmian konstrukcji badanych obiektów na tę wartość w zakresie: rodzaju i kształtu opony, ciśnienia w oponie, prędkości obiektu w zakresie bez korekcyjnym do 15 km/h, powyżej wymaga

PL 244771 Β1 uwzględnienia współczynnika korekcyjnego związanego z oporem powietrza. Stanowisko poprzez opracowaną metodykę oraz mobilną konstrukcję pozwala badać wpływ rodzaju i jakości nawierzchni na generowane wartości współczynnika oporów toczenia. Jest to połączenie badań charakteryzujących się cechami badań drogowych oraz stanowiskowych.

Claims

1. Urządzenie do pomiaru siły oporów toczenia obiektów wyposażonych w układ jezdny zawierające zespół mechanizmu napędowego przymocowany nieruchomo do nawierzchni nośnej i połączony przegubowo z obiektem z układem jezdnym, znamienne tym, że druga strona obiektu z układem jezdnym (11) jest trwale połączona liną III (16) z układem ograniczającym luzowanie lin (18) składającym się z mechanizmu wyciągania liny (19) połączonego sprzęgłem III (22) z przekładnią mechaniczną II (23), przy czym na wale wyjściowym przekładni mechanicznej II (23) jest osadzony bęben nawijający (24) linę IV (25), która to lina IV (25) jest przeprowadzona przez podwieszany krążek (26), a na końcu liny IV (25) jest umieszczona masa (27).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mechanizm wyciągania liny (19) stanowią współpracujące ze sobą walec III (20) i walec IV (21) o regulowanej odległości między sobą.

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że zespół mechanizmu napędowego (1) przymocowany nieruchomo do nawierzchni nośnej (2) składa się z silnika elektrycznego (3), sprzęgła I (4), przekładni mechanicznej I (5), sprzęgła II (6) i mechanizmu wciągającego linę (7) składającego się z dwóch walców, walca I (8) oraz walca II (9), nadto mechanizm wciągający linę (7) posiada możliwość regulacji odległości między walcem I (8) i walcem II (9), przy czym lina I (10) jest przymocowana poprzez przegub I (12) do czujnika siły (13), który poprzez przegub II (14) jest połączony bezpośrednio i trwale do obiektu z układem jezdnym (11).

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że czujnik siły (13) można połączyć pośrednio poprzez przegub II (14), który jest połączony z liną II (15) przymocowaną trwale do obiektu z układem jezdnym (11).