В процессе эксплуатации шина транспортного средства подвергается действию различных сил и моментов, величины которых зависят от конструкции шины и режимов движения. При качении колеса по твердой поверхности шина деформируется. При входе в контакт она деформируется и прогибается, а при выходе из контакта — восстанавливает свою первоначальную форму [3].
Под действием нормальной нагрузки деформируются все элементы шины. В разных точках окружности эта деформация имеет разную величину. Если по горизонтальной поверхности качение колеса отсутствует, то деформация шины по окружности симметрична относительно плоскости, проходящей через ось колеса.
При приложении к колесу крутящего момента происходит крутильность деформирование боковин и протектора шины. В результате обод колеса поворачивается на некоторый угол относительно неподвижного контакта, что приводит к несимметричной эпюре деформаций относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса. Податливость шины в окружном направлении характеризуется коэффициентом крутильной жесткости, который представляет собой первую производную подведенного к колесу крутящего или тормозящего момента по углу закрутки колеса.
Под действием приложению к колесу продольных сил со стороны оси, шина деформируется в продольном направлении. Момент воспринимается реактивным моментом, действующим на шину со стороны дороги. Под действием указанных моментов шина получает деформацию, как в области контакта, так и вне его.
Применения фотограмметрии в исследовании деформации колеса автомобиля возможно при изучении шины, с целью определению её поведение во времени при заданных внешних воздействиях.
Фотограмметрия — это научно-техническая область, занимающаяся определением таких характеристик объектов как их форма, размеры, положение в пространстве и т. д. по их фотографическим изображениям. [1,2,4,5]
Как известно, принцип действия цифровой фотокамеры состоит в следующем. Пучок лучей света от объекта съемки, проходя через линзу (или систему линз) объектива и диафрагму, попадает на матрицу ПЗС (преобразователь «свет-сигнал»). Матрица ПЗС представляет собой прямоугольную матрицу из светочувствительных элементов. Луч света, попадая на чувствительный элемент, преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Аналоговые сигналы от ПЗС преобразуются в цифровые, которые обрабатываются и записываются в память. Преобразование сигналов в цифровую форму производится с помощью аналого-цифрового преобразователя. [4]
В настоящие время для выполнения фотограмметрических съемок созданы цифровые камеры. В этих камерах, как правило, объектив и светоприемная матрица жестко укреплены на корпусе камеры, обеспечивая, таким образом, постоянство элементов внутреннего ориентирования камеры. Элементы внутреннего ориентирования этих камер, включая параметры фотограмметрического искривления объектов, искажения линий, появляющиеся в процессе формирования изображений, определяют на заводе-изготовителе. [4] Помимо метрических камер, для фотограмметрических работ можно использовать любительские и профессиональные цифровые съемочные камеры. Кроме того, во всех съемочных камерах имеется параметры фотограмметрической дисторсии объектива.
Фотограмметрические методы наиболее экономичны и производительны при большом количестве определяемых точек на сооружении. Определение координат точек сооружения через заданные временные интервалы с помощью снимков, выполненных с одной станции, позволяет исследовать высотное сооружение как в статистическом, так и в динамическом состоянии.
Дисторсия — это погрешность изображения в оптических системах, при которой нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением; одна из аберраций оптических систем. Дисторсия особенно вредна в фотографических объективах, применяемых в геодезии или фотограмметрии. Для хороших фотообъективов дисторсия близка к 0,5 %.
Точность определения координат точек зависит от разрешающей способности фотокамеры, условий съемки, расстояния до определяемого объекта, точности измерений на снимках. Современные фотограмметрические приборы позволяют выполнять измерения на снимках с погрешностью 0,001–0,02 мм. Путем фотографирования объекта с разных расстояний позволило определить реальную точность измерения смещений. При расстояниях от 0,5 до 1,5 м величина определения колебалась от 0,01 до 0,025 мм. [2]
В данной работе предложена методика исследования динамики деформации автомобильной шины с применением фотограмметрии и цифровых способов обработки изображения.
Целью исследования деформаций шины автомобиля является выяснение видов и величин деформации шины, а также их изменение во времени при заданных внешних воздействиях.
Исследование проводилось на созданной авторами установке, изображенной на рисунке 1.
Рис. 1. Схема установки
В способе определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, включающем соединение ступицы 1 и обода 2 колеса 3 с балками 12, измерение величин, связанных с силовыми факторами и вычисление сил и моментов, действующих на ступицу 1, при котором вычисляют связанные с действующими силовыми факторами перемещения контактной точки, лежащей на радиусе окружности с центром, совпадающим с геометрическим центром колеса 3, ступица 1 колеса 3 шарнирно установлена на односторонне закрепленную в шарнирах 5 горизонтальную раму 4 с горизонтальным расположением оси 6 колеса 3, на балки 12 которой воздействуют радиальным нагружающим силовым фактором, создающим радиальную нагрузку в плоскости вращения колеса 3, проходящую через геометрический центр колеса 3, причем горизонтальная рама 4 параллельна поворотной измерительной опорной площадке 8, ось поворота 10 которой установлена в шарнирах 9 и всегда параллельна оси 6 колеса 3, взаимодействующей с шиной 7 колеса 3 и создающей грузом 13 в контактной точке нормальную реакцию опорной поверхности, пропорциональную радиальному нагружающему силовому фактору при отсутствии другого силового фактора, которую вычисляют из первичных показаний датчика 11 силовых воздействий измерительной опорной площадки 8, и не параллельна поворотной измерительной опорной площадке 8 при наличии дополнительного крутильного нагружающего силового фактора в плоскости вращения колеса 3, воздействующего грузом 16 через гибкие тяги 17 и блоки 18 с подъемными устройствами 19 на обод 2 колеса 3 и вызывающего перемещение в горизонтальной плоскости, перпендикулярно оси 6 колеса 3, контактной точки приложения нормальной реакции опорной поверхности, пропорциональное дополнительному крутильному нагружающему силовому фактору, которое вычисляют из вторичных показаний датчика 11 силовых воздействий измерительной опорной площадки 8. При этом горизонтальная рама имеет возможность регулирования пространственного положения оси 6 вращения колеса 3 с помощью подъемных устройств 14, а измерительная опорная площадка 8 имеет возможность регулирования своего пространственного положения с помощью подъемных устройств 15.
Методика исследования деформации шины автомобиля с применением фотограмметрии заключатся в следующем. Для начала необходимо каким-либо способом нанести радиальную и кольцевую контрастную разметку на испытуемое колесо, затем расположить фотокамеру на требуемое расстояние от исследуемой части шины. Далее требуется сфотографировать шину автомобиля в ненагруженном состоянии. Затем при заданных внешних воздействиях, вызывающих соответствующие деформации шины, необходимо сделать серию снимков, отображающих конкретные ситуации нагружения шины. Это позволяет обработать фотографии в компьютере с помощью программного обеспечения «ImageJ». [5] Под обработкой подразумевается измерение количество пикселей между делениями разметки в ненагруженном и в нагруженном состояниях, с дальнейшим переводом их разницу в единицы длины. Это позволит изобразить сетку деформаций шины.
ImageJ — это программа с открытым исходным кодом для анализа и обработки изображений, написана на языке Java сотрудниками National Institutes of Health и распространяемая без лицензионных ограничений как общественное достояние. Это программа позволяет гибко наращивать функциональность за счёт подключаемых плагинов, а встроенный макроязык — автоматизировать сложные повторяющиеся действия. ImageJ широко применяется в биомедицинских исследованиях, астрономии, географии и других дисциплинах, связанных с анализом изображений [5].
Построение по результатам исследования сетки деформаций шины позволит выяснить их виды, величины и динамику изменения при различных видах нагружения шины.
Литература:
1. Лобанов А. Н., Буров М. И., Краснопевцев Б. В. Фотограмметрия: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1987. — 309 с.
2. Лобов М. И., Переварюха А. Н., Чирва А. С. Применение наземной фотограмметрии и лазерного сканирования для исследования динамического состояния мачтовых сооружений // Вестник. — 2010. — С. 111–116.
3. Кнороз В. И., Кленников Е. В. Работа автомобильной шины. — М., «Транспорт», 1976. 238 с.
4. Шикин Е. В., Боресков А. В. Компьютерная графика. Полигональные модели. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. — 464 с.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ImageJ
