Subskrybuj nas na Youtube
Zazwyczaj kojarzą nam się z przykrym obowiązkiem wymiany. Rzadko przy tym pamiętamy, ile naukowcy włożyli pracy w to, by jak najlepiej zrozumieć zasadę ich działania. I wciąż wkładają – także dzięki takim wynalazkom jak czujnik z Politechniki Wrocławskiej
Kiedy Robert William Thomson jako pierwszy w 1847 r. opatentował oponę w prawie takiej formie, jaką znamy ją dzisiaj – gumowej poduszki powietrznej – miał nadzieję, że trafi ona na wyposażenie powozów konnych. Jego wynalazek, pomimo doniesień o podwyższonym komforcie jazdy, jednak się nie przyjął. Szkot zmarł 23 lata przed tym, jak jego „dzieło” zostało w końcu docenione. W 1895 r. bracia Michelin zamontowali napełnione powietrzem opony w swoim bolidzie biorącym udział w wyścigu Paryż – Bordeaux. Późniejsza motoryzacyjna rewolucja napędziła zapotrzebowanie na wynalazek, który dał początek całej nowej gałęzi przemysłu.
Dzisiejsze opony są znacznie bardziej skomplikowane, ale stawiane przed nimi podstawowe zadanie się nie zmieniło. Wciąż stanowią jedyny punkt kontaktu samochodów z podłożem, przenosząc siłę napędową na podłoże. Dalej są na pierwszej linii ognia w walce o komfort, a w miarę upływu czasu stały się również kluczowe dla ekonomiki jazdy. Jeśli się weźmie pod uwagę, że zależy od nich także ludzkie bezpieczeństwo, nic dziwnego, że naukowcom zależy na jak najdokładniejszym poznaniu różnorodnych sił działających na opony w trakcie eksploatacji. Do tego olbrzymiego korpusu wiedzy przyłoży się także czujnik opracowany na Politechnice Wrocławskiej. – Opony w trakcie użytkowania ulegają odkształceniom w trzech różnych kierunkach. W osi pionowej deformacja następuje np. wtedy, kiedy opona jest obciążona ciężarem pojazdu lub na coś najedzie. Kiedy jedziemy po zakręcie, opony odkształcają się wzdłuż osi biegnącej w poprzek samochodu. Przyspieszanie bądź hamowanie powoduje deformację wzdłuż osi przód–tył auta. Zazwyczaj dokonuje się pomiarów tylko jednej, ewentualnie dwóch składowych deformacji. Pomiar wszystkich trzech wymaga kompleksowego podejścia – tłumaczy Jakub Chołodowski, doktorant w Katedrze Inżynierii Maszyn Roboczych i Pojazdów Przemysłowych Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej.
Odpowiedzią na to wyzwanie jest czujnik, który jest w stanie dokonywać pomiarów odkształceń we wszystkich trzech wspomnianych kierunkach jednocześnie. Urządzenie powstawało przez trzy lata, najpierw jako przedmiot pracy inżynierskiej Jakuba Chołodowskiego, a następnie jako główny bohater pracy magisterskiej – cały czas pod opieką prof. Piotra Dudzińskiego.
Czujnik, chociaż po zmontowaniu wygląda na jedno urządzenie, składa się właściwie z trzech urządzeń pomiarowych ukrytych wewnątrz obudowy, z których każde odpowiada za badanie deformacji w innym kierunku. Na razie powstał jeden prototyp urządzenia, który można nazwać „mechanicznym”. Wyglądem przypomina wał, z którego wysunięta jest zakończona na ostro końcówka. Element ten, zwany trzpieniem pomiarowym, zbiera informacje o deformacji opony w osi pionowej. Wewnątrz obudowy ukryte są jeszcze dwie przekładnie podłączone do innych czujników, których obroty są tłumaczone na deformacje w pozostałych kierunkach. W przygotowaniu jest także bardziej zaawansowana wersja wynalazku, zakładająca minimalne użycie ruchomych części. W tym drugim wariancie trzpień pomiarowy byłby podłączony do czujnika optycznego, a deformacje w pozostałych dwóch wymiarach byłyby badane za pomocą żyroskopów (czujników mierzących prędkość kątową), akcelerometrów (przyspieszenie) oraz magnetometrów (pole magnetyczne).
Wrocławscy inżynierowie podkreślają, że urządzenie przeznaczone jest przede wszystkim do celów badawczych. W związku z czym jego naturalnym środowiskiem jest specjalne stanowisko badawcze w laboratorium. – Ze względu na gabaryty i masę urządzenia jego adaptacja do pracy w typowych warunkach eksploatacji samochodu wydaje się trudna. Wyposażone w czujnik koło trzeba byłoby wyważyć dynamicznie – w procedurze identycznej do tej stosowanej dzisiaj przy wymianie opon w samochodach pasażerskich – za pomocą przeciwwagi o masie przewyższającej masę typowych ciężarków do wyważania – tłumaczy prof. Dudziński. Z tego względu wynalazcy nie myśleli o tym, żeby urządzenie trafiło np. do zwykłych samochodów osobowych. Mogłoby być natomiast wykorzystywane w terenie w trakcie testowania ogumienia dużych pojazdów, które nie osiągają dużych prędkości (jak maszyny budowlane).
Do czego w związku z tym można wykorzystać wynalazek? – Należy patrzeć na niego przede wszystkim przez pryzmat informacji, jakie można dzięki niemu uzyskać. Wyniki pomiarów można wykorzystywać w przewidywaniu zachowania się pojazdów przemysłowych jeszcze na etapie ich projektowania – tłumaczy mgr inż. Chołodowski. W idealnym scenariuszu producent specjalistycznego sprzętu mógłby dzięki temu urządzeniu zlecać Politechnice badania, które zaowocowałyby konstrukcjami wygodniejszymi dla operatorów (nikogo nie trzeba przekonywać, jak ważny jest komfort w trakcie ośmiu godzin spędzonych na jeżdżeniu po budowlanych wertepach), a także bardziej przyjaznymi środowisku, dzięki czujnikowi można bowiem również szacować, oprócz tłumienia, opory toczenia na dowolnym podłożu, co ma wpływ na energochłonność opon, a w efekcie na ekonomikę jazdy.
Dodatkowo wynalazek może zaoszczędzić potencjalnym konstruktorom sporo wstydu, bo niektóre specjalistyczne pojazdy muszą mieć bardzo nietypową budowę wpływającą na ich właściwości jezdne. Jeśli taka maszyna jest np. bardzo wysoka, to ma wysoko umieszczony środek ciężkości, co wpływa na jej skłonność do wywracania się, której można zapobiec również przez zastosowanie odpowiednich opon. – Generalnie w literaturze jest bardzo mało badań opon wielkich pojazdów. A przecież dzisiaj te maszyny to już nie są powolne olbrzymy, bo – np. w wojsku – osiągają prędkości rzędu 60 km/h. My jeszcze nie wiemy, co dokładnie dzieje się w takich oponach podczas ich dynamicznej eksploatacji – tłumaczy prof. Dudziński.
Eureka! DGP
Trwa trzecia edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 47 nadesłanych przez 15 uczelni oraz 35 zgłoszonych przez 23 instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN.
Konkurs zostanie rozstrzygnięty pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.
