Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

А.И. Шутов, А.Е. Боровской, И.А. Новиков, И.А. Щетинина

БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Учебно-методический комплекс для студентов специальности

190702 (240400) «Организация и безопасность дорожного движения»

заочной формы обучения с применением дистанционных технологий

Белгород 2007



УДК 629.113(07)

ББК 39.12я7

Б 39

Рецензенты:

Руководитель Управления государственного автодорожного надзора по Белгородской области, к.т.н. А.И. Морозов.

Директор автомобильно-дорожного института Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, заведующий кафедрой ОБД ПГУАС, к.т.н., профессор Э.Р. Домке

Безопасность транспортных средств:

Учеб. пособие/А.И. Шутов, А.Е. Боровской,

И.А. Щетинина.- Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - 83 с.

Приведены сведения о составляющих безопасности транспортных средств и в первую очередь активной безопасности, связанной с устойчивостью движения автомобиля и тормозной динамичностью. В данном издании опущены вопросы пассивной и послеаварийной безопасности, прекрасно отраженные в учебниках А.И. Рябчинского, А.И. Купермана и др.

Пособие предназначено для студентов специальности 190702 - Организация и безопасность движения,

Табл. 6. Ил. 22.Библиогр.:3 назв.

УДК 629.113(07)

ББК 39.12я7

© Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2007



Оглавление

Оглавление

Введение

1. Активная безопасность транспортных средств

1.1 Измерители и показатели эксплуатационных свойств

1.2 Элементы тяговой динамичности автомобиля

1.3 Скорость и ускорение движения автомобиля

1.4 Продолжительность и путь обгона

1.5 Тормозная динамичность автомобиля

1.5.1 Измерители и показатели тормозной динамичности

1.5.2 Путь и продолжительность (время) торможения

1.5.3 Нормативы тормозной динамичности автомобилей

1.5.4 Пути повышения тормозной динамичности

1.5.5 Вопросы для самопроверки

2. Устойчивость автомобиля

2.1 Курсовая устойчивость

2.2 Поперечная устойчивость

2.3 Устойчивость переднего и заднего мостов

2.4 Продольная устойчивость

2.5 Вопросы для самопрверки

3. Управляемость автомобиля

3.1 Плавность хода автомобиля

3.2 Вопросы для самопроверки

4. Информативность автомобиля

4.1 Общие положения

4.2 Вопросы для самопроверки

5. Задания к курсовой работе

5.1 Темы крусовых работ и их структура

5.2 Пример выполнения курсовой работы по БТС

5.3 Тестовые задания по курсу «безопасность транспортных средств»

6. Экзаменационные вопросы

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

безопасность автомобиль устойчивость торможение

При всей многочисленности видов транспорта (железнодорожный, воздушный, речной, морской, трубопроводный и другие) автомобильный имеет целый ряд преимуществ: мобильность, возможность непосредственной доставки грузов и пассажиров «от двери к двери», приспособленность к транспортировке грузов с различными размерами и массой, возможность организации перевозок в короткие сроки.

Эти преимущества являются причиной неуклонного роста подвижного состава, составляющего в настоящее время более 500 млн. единиц в мире.

Одновременно приходится констатировать и отрицательные стороны автомобилизации: появившись в конце XIX века, автомобиль уже через несколько лет стал опасным для жизни человека.

Первое происшествие в форме наезда автомобиля на пешехода произошло уже в 1896 году. Это случилось в Лондоне, когда на автомобильных гонках их лидер, двигавшийся с «бешеной» скоростью 6 км/ч наехал на женщину, переходящую дорогу. Жертва осталась жива, а водителя суд оправдал.

В настоящее время по данным статистики ООН ежегодно от аварий погибает около 300 тыс. человек и около 10 млн. получают телесные повреждения. Начиная с 1899 года, когда в США было зарегистрировано первое дорожно-транспортное происшествие (ДТП) со смертельным исходом, в этой стране к настоящему времени в результате автомобильных аварий погибло свыше 2 млн. человек, что почти в 3 раза превышает людские потери США во всех войнах, которые они вели на протяжении своей истории.

Материальный ущерб от ДТП в мире измеряется сотнями миллиардов долларов.

Россия по количеству ДТП на тысячу транспортных средств относится к неблагополучным странам, этот показатель в 7-10 раз выше, чем в США, Германии, Швеции, Франции, Финляндии и др.

Безопасность дорожного движения складывается из четырех взаимодействующих частей: человек, автомобиль, дорога и среда (ЧАДС). Необходимо изучать и совершенствовать каждый элемент системы.

Из 4-х элементов системы ЧАДС наибольшей потенциальной опасностью обладает транспортное средство. Созданный для передвижения с высокой скоростью автомобиль представляет собой источник повышенной опасности.

Введено понятие конструктивной безопасности автомобиля как свойства предотвращать ДТП, снижать тяжесть его последствий и не причинять вреда людям и окружающей среде.

Конструктивная безопасность автомобиля делится на следующие составляющие: активная, пассивная, послеаварийная и экологическая.

Активная безопасность - свойство автомобиля предотвращать ДТП (снижать вероятность его возникновения). Активная безопасность проявляется в период начальной фазы ДТП, когда водитель в состоянии изменить характер движения автомобиля.

Пассивная безопасность - свойство автомобиля уменьшать тяжесть последствий ДТП. Пассивная безопасность проявляется в период, когда водитель, несмотря на принятые меры безопасности, не может изменить характер движения автомобиля и предотвратить ДТП.

Послеаварийная безопасность - свойство автомобиля уменьшать тяжесть последствий ДТП после его остановки. Это свойство характеризуется возможностью быстро ликвидировать последствия происшествия и предотвращать возникновение новых аварийных ситуаций.

Экологическая безопасность - свойство автомобиля, позволяющее уменьшать вред, наносимый участникам движения и окружающей среде в процессе его нормальной эксплуатации.

Несмотря на то, что в дальнейшем указанные виды безопасности будут рассматриваться раздельно, все они взаимосвязаны с собой, влияют друг на друга, и иногда трудно провести четкую границу между отдельными видами безопасности.



1. АКТИВНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Транспортные средства (ТС) отличаются значительным многообразием: легковые и грузовые автомобили, автобусы, троллейбусы, трамваи, мотоциклы, автопоезда; на проезжей части могут возникать тракторы и тракторные поезда, сельскохозяйственные и строительные машины (грейдеры, бульдозеры, краны и тому подобные).

По статистике основную массу ТС (до 90%) составляют автомобили, соответственно высока и их доля участия в ДТП. Поэтому безопасность ТС изучают сейчас применительно к автомобилю.

1.1 Измерители и показатели эксплуатационных свойств

По Е.А. Чудакову, к эксплуатационным свойствам автомобиля относятся: динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, проходимость, плавность хода, вместимость, надежность и другие.

Количественный и качественный рост автомобильного парка привел к необходимости комплексного изучения всех факторов, влияющих на безопасность ТС, введено понятие конструктивной безопасности автомобиля как особое его эксплуатационное свойство и обобщающее понятие.

Первой составляющей конструктивной безопасности является габаритная ширина автомобиля В_а. При движении автомобиль подвергается воздействию случайных возмущений, стремящихся изменить характер движения: удары колес о неровности дороги, поперечные уклоны, боковой ветер. В результате этих возмущений автомобиль отклоняется от принятого направления движения, а водитель вынужден поворачивать рулевое колесо, возвращая автомобиль в исходное положение. Другими словами, даже на прямолинейных участках дороги автомобиль движется не прямолинейно, а по кривым больших радиусов.

Следовательно, полоса движения автомобиля - динамический коридор - превышает его габаритную ширину.

Примерные значения ширины динамического коридора В_к составляют:

для легковых автомобилей 2,8-3,1 м;

для грузовых и автобусов 3,5-4,3 м;

для крупногабаритных автомобилей и троллейбусов 3,7-4,5 м.

При этом минимальные значения В_к соответствуют скорости 11 м/с, а максимальные - 33 м/с.

Приведены также эмпирические зависимости, связывающие габаритную ширину В_а, скорость движения автомобиля х (м/с) и ширину динамического коридора:

В_к = 0,054 х+ В_а+0,3, м .

Для автопоездов ширина динамического коридора еще выше вследствие угловых колебаний прицепов и полуприцепов (виляния).

При криволинейном движении ширина динамического коридора в соответствии со схемой (рис. 1.1) будет:

(1.1)

где R_н и R_в - соответственно, наружный и внутренний габаритные радиусы поворота автомобиля, L - база автомобиля, Lґ= L + с, с - передний свес.

Рис. 1.1 Динамический коридор на криволинейном участке

В соответствии с вышеприведенным выражением при малых значениях Lґ ширина динамического коридора незначительно отличается от габаритной ширины, то есть, В_к ? В_а.

При Lґ? R_H ширина В_к значительно превышает В_а, что вынуждает строителей расширять полосы движения на криволинейных участках дороги.

Учитывая этот фактор, рекомендуются следующие максимально допустимые значения геометрических параметров ТС в м:

- габаритная ширина - 2,5;

- габаритная длина:

- одиночного автомобиля - 12;

- тягача с прицепом или полуприцепом - 20;

- тягача с несколькими прицепами - 24.

Габаритная высота Н_а имеет значение при проезде автомобилей под путепроводами и проводами контактной сети. Чрезмерно высокие ТС (например, двухэтажный автобус, панелевоз или автомобили-фургоны) с высоко расположенным центром тяжести испытывают значительные угловые колебания в поперечной плоскости, вследствие чего возможно задевание конструкции за столб или мачту, кроме того, такие ТС более склонны к опрокидыванию. Максимально допустимая габаритная высота ТС составляет 3,8 м.

К безусловным параметрам конструктивной безопасности относится также масса автомобиля. Чем больше масса автомобиля, тем труднее им управлять. Происходит увеличение параметров разгона и торможения, возрастает силовая нагрузка на оси ТС, разрушающая дорожное покрытие. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества применения подвижного состава большой грузоподъемности, во всех странах строго соблюдают ограничение осевых нагрузок и полных масс ТС.

Предельная осевая нагрузка на дорогах с усовершенствованным покрытием составляет 100 кН, а на дорогах других типов - 60 кН. Для спаренных мостов эти нагрузки равны 180 кН и 110 кН, соответственно.

1.2 Элементы тяговой динамичности автомобиля

Подробно тяговая динамика автомобиля рассматривается в курсе «Основы динамики автомобильного транспорта», поэтому в настоящем пособии приводятся лишь основные соотношения без необходимых выводов.

Уравнение движения автомобиля представлено соотношением:

F_Т+F_u+F_д+F_в=0,

где F_Т - тяговая сила на ведущих колесах, F_u- приведенная сила инерции, F_д = F_к+F_n - сила сопротивления дороги (F_к - сила сопротивления качанию, F_n- сила сопротивления подъему).

Сила тяги - отношение момента М_т на полуосях к радиусу качения колеса при равномерном движении автомобиля:

F_T = М_т/r_к = М_е i_тр з_тр/r, (1.2)

где М_е - эффективный крутящий момент двигателя, i_тр и з_тр - передаточное число и КПД трансмиссии.

Крутящий момент М_е = f(n) вычисляется по известным эмпирическим выражениям.

Сила сопротивления дороги

F_д = mg (f cos б + sin б), (1.3)

где m - масса автомобиля, g - ускорение свободного падения. f - коэффициент сопротивления качению, б - угол продольного уклона дороги.

На дорогах с твердым покрытием выражение (1.3) представляют в упрощенном варианте:

F_д = mg (f + sin б), (1.4)

или

F_д = mgш, (1.5)

где ш =f+ sin б - коэффициент сопротивления дороги.

Сила сопротивления воздуха

(1.6)

где К_в- коэффициент обтекаемости, S_в - лобовая площадь автомобиля, W_в -фактор обтекаемости.

Приведенная сила инерции автомобиля в выражении (1.1) пропорциональна его ускорению j:

(1.7)

где - коэффициент учета вращающихся масс, определяемый по эмпирическому выражению

(1.8)

причём д₁= 0,04-0,06, д₂= 0,03-0,05, m_a- масса автомобиля с полной нагрузкой, m - масса автомобиля с заданной нагрузкой, i_к - передаточное число коробки передач.

1.3 Скорость и ускорение движения автомобиля

Эти параметры также рассматривались нами в курсе динамики автомобиля, поэтому ограничимся фиксированием результатов и конечными выражениями.

Скорость автомобиля х (м/с):

(1.9)

где щ_к - угловая скорость вращения ведущих колес, n_к - частота вращения колес и коленчатого вала двигателя, i_тр- передаточное число трансмиссии.

Переход к более привычной размерности скорости х_a (км/ч) дает:

(1.10)

Формулу (1.10), являющуюся результатом чисто кинематического анализа, необходимо принимать с оговорками при вычислении максимальной скорости движения автомобиля, когда используется силовой баланс (1.1) при j=0, a х_a^max определяют графоаналитическим способом.

Вместе с тем, возможен и аналитический подход, заключающийся в следующем.

Запишем уравнение (1.1) силового баланса в развернутом виде:

(1.11)

С учетом того, что эффективная мощность

Величину P_e принято рассчитывать по формуле С.Р. Лейдермана:

следовательно,

(1.12)

В свою очередь, из формулы (1.10)

,

то есть

(1.13)

Таким образом, развернутое уравнение движения автомобиля будет следующим:

Если структурировать члены с одинаковыми степенями при х_а, то уравнение принимает вид:

(1.14)

где

(1.15)

Поскольку при разгоне при j = 0, х_а = х_max, уравнение (1.14) можно представить так:

а решение его будет:

(1.16)

Если вернуться к уравнению (1.14), разрешив его относительно ускорения автомобиля

то для определения максимального ускорения автомобиля при его разгоне в данных условиях последнее выражение исследуется на экстремум дифференцированием первой части по х_а и приравниванием результата к нулю: , откуда .

Получено значение скорости, соответствующей j_max, следовательно,

(1.17)

Соотношения (1.16) и (1.17), позволяют вычислить максимальные скорость и ускорение автомобиля при движении в заданных условиях.

1.4 Продолжительность и путь обгона

Обгон - сложный и опасный маневр, вызванный желанием водителя сократить время в пути. Обгон связан с выездом на соседнюю полосу движения и требует значительного свободного пространства перед обгоняющим автомобилем. Обгон колонны ТС еще более опасен.

Малейшая неосмотрительность при обгоне может привести к тяжким последствиям, причем, чем выше скорость движения транспортного потока, тем больше вероятность ДТП при обгоне.

Маневр обгона делится на три фазы: отклонение обгоняющего автомобиля влево и выезд на соседнюю полосу движения; движение слева от обгоняемого автомобиля и впереди него; возвращение обгоняющего автомобиля на свою полосу движения. В последующих расчетах время, затраченное на поперечное перемещение обгоняющего автомобиля, связанное с изменением полосы движения, не учитывается.

Схема обгона при постоянной скорости движения ТС приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема обгона:

1 - обгоняющий автомобиль, 2 - обгоняемый автомобиль,

3 - встречный автомобиль

Пусть скорость обгоняющего автомобиля будет х₁, а обгоняемого х₂. Понятно, что х₁ > х₂.

Согласно схеме (рис. 1.2.) путь обгона

(1.18)

с другой стороны

. (1.19)

На схеме и в формуле (1.18) D₁ и D₂ - дистанции безопасности, a L₁ и L₂ - габаритная длина автомобилей.

Путь, который преодолеет обгоняемый автомобиль,

(1.20)

Подставив значение S₂ в выражение (1.18), можно получить:

или

откуда после некоторых преобразований

(1.21)

Продолжительность (время) обгона

(1.22)

Последние соотношения показывают, что путь и продолжительность обгона в значительной степени определяются скоростью обгоняющего автомобиля. Чем динамичнее автомобиль, тем меньше значения S_об и t_об, тем быстрее автомобиль вернется на свою полосу движения, обеспечив необходимую безопасность. Дистанция безопасности D₁ и D₂ могут быть представлены в виде:

где a_об и b_об - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа обгоняемого автомобиля, их значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Эмпирические коэффициенты автомобилей

Тип обгоняемого автомобиля	aоб	bоб
Легковой	0,33	0,26
Грузовой средней грузоподъемности	0,53	0,48
Грузовой большой грузоподъемности, автопоезд	0,76	0,67

Так как коэффициенты D₂ < D₁, то водитель в стремлении быстрого возврата на свою полосу движения иногда «срезает угол».

Для анализа процесса обгона пользуются схемой (рис. 1.3), связывающей все параметры обгона.

При равномерном движении всех участников движения (автомобили 1, 2 и 3) их движение можно описать графиком в координатах S - t в форме прямых линий, соответственно I, II, и III. Котангенсы углов наклона прямых б₁, б₂ и б₃ пропорциональны скоростям движения ТС:

Рис. 1.3. Характеристика обгона при равномерном движении автомобиля

Точка А пересечения прямых I и II соответствует моменту обгона, когда обгоняющий автомобиль поравнялся с обгоняемым. Точка С пересечения прямых I и III характеризует момент встречи обгоняющего и встречного автомобилей. В этом случае минимальное свободное расстояние от момента начала обгона до встречного автомобиля будет

а поскольку

то

(1.23)

Таким образом, чем выше скорость обгоняющего автомобиля х₁, тем меньше значения S_об, t_об и S_cв, необходимые для безопасного обгона. Поэтому наиболее безопасен обгон легковым автомобилем тихоходного транспорта.

Обгон с постоянной скоростью движения возможен на дорогах с шириной проезжей части 7-8 м и более, а также интенсивностью движения менее 40-60 автомобилей в час. При интенсивности 150-160 автомобилей в час ТС движутся сплошным потоком. Обгоняющий автомобиль вначале уменьшает скорость до уровня скорости потока, а затем, выбрав момент, совершает обгон с ускорением. Время разгона можно определить из общего выражения:

откуда

Значение ускорения, ранее полученное в разделе 1.3 в виде

и подставленное в соотношение (1.24), позволяет получить время разгона в форме интеграла, реализуемого на ПЭВМ, либо графоаналитически:

.

1.5 Тормозная динамичность автомобиля

Значение тормозной динамики автомобиля в обеспечении безопасности движения чрезвычайно велико, для чего любое ТС оборудуется специальной системой, обеспечивающей снижение скорости движения, удержание автомобиля на месте при стоянке, а также предохранение от нежелательного ускорения при спуске. Все это обеспечивают тормозные системы четырех видов: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной.

Рабочая система является основной. Она предназначена для регулирования скорости движения автомобиля в любых условиях. Запасная система используется при отказе основной, стояночная удерживает неподвижный автомобиль на месте, а вспомогательная нужна для поддержания постоянной скорости в течение длительного времени.

Рабочая система применяется для плавного снижения скорости с замедлением 2,5-3,0 м/с² (так называемое служебное торможение) или резкого уменьшения скорости с максимально возможным для данных дорожных условий замедлением до 8-9 м/с² (экстренное или аварийное торможение).

Основные требования к тормозной системе:

- время срабатывания системы должно быть минимальным, а замедление - максимальным;

- все колеса автомобиля должны затормаживаться одновременно и с одинаковой интенсивностью;

- тормозные силы на колесах должны нарастать плавно, без рывков, заеданий и заклиниваний.

1.5.1 Измерители и показатели тормозной динамичности

Измерителями тормозной динамичности являются: замедление, продолжительность (время) и путь торможения, а также суммарная тормозная сила.

С точки зрения чисто энергетической торможение - это процесс перехода кинетической энергии движения автомобиля в работу трения между фрикционными накладками колодок и тормозных барабанов (дисков), а также между шинами и дорогой.

Понятно, что тепло, выделяющееся в результате трения, рассеивается, вызывая невосполнимые потери энергии.

Величина тормозного момента на колесах зависит от конструкции привода и давления в системе p:

где г_T - коэффициент пропорциональности.

Для определения факторов, влияющих на процесс торможения, рассмотрим силы и моменты, действующие на колесо автомобиля (рис. 1.4.).

Рис. 1.4. Схема сил и моментов на колесе автомобиля при торможении

Напомним, что F_z и F_x, - соответственно вертикальная и горизонтальная силы, передаваемые от автомобиля на ось колеса, М_тор и М_и - тормозной и инерционный моменты, a Z и Х- соответствующие реакции дороги.

Из условий равновесия системы сил и моментов можно получить:

откуда

(1.25)

В соответствии с (1.25) понятно, что касательные реакции растут с увеличением тормозной силы (тормозного момента), однако это может продолжаться лишь до момента, пока по абсолютной величине X не достигнет своего максимального значения - силы сцепления шин с дорогой:

(1.26)

(по направлению X - величина отрицательная), где ц - коэффициент сцепления.

В противном случае колеса блокируются, скользят по дороге, не вращаясь, наступает так называемый «юз» колес.

До блокировки колеса между тормозными накладками и барабанами (дисками) действует сила трения скольжения, а в зоне контакта шины с дорогой - сила трения покоя. После блокировки картина меняется на обратную. В этом случае затраты энергии в тормозных элементах прекращаются, а все тепло, эквивалентное кинетической энергии автомобиля, выделяется при контакте шин с дорогой. Это приводит к повышению температуры шин, размягчению резины и уменьшению коэффициента сцепления с дорогой. В связи с этим наибольшая эффективность торможения достигается при качении колеса на пределе блокировки.

Для определения показателей тормозной динамичности автомобиля используем известное нам уравнение силового баланса:

(1.27)

где приведенная сила инерции автомобиля может быть определена по нижеследующей формуле:

где F_п и F_в - сила сопротивления подъему и сила сопротивления воздуха соответственно.

Подставляя в (1.27) составляющие по (1.25), имеем

где

Группируя члены, содержащие ускорение j, поставив задачу определения замедления автомобиля j_з = -j, обозначив

имеем

или

(1.28)

Полученное уравнение описывает движение автомобиля при торможении с отключенным двигателем без скольжения шин по дороге. Из него видно, что замедление увеличивается по мере роста тормозных сил и сил сопротивлений. Замедление уменьшается при увеличении массы автомобиля и моментов инерции вращающихся масс.

Максимальное значение замедления ограничивается сцеплением колес с дорогой по условию (1.26), когда

В этом случае уравнение (1.27) принимает вид:

откуда

(1.29)

При экстренном торможении mgц=F_тор значительно дольше составляющих F_п и F_в и, если принять, что д_вр?1, то

(1.30)

Вследствие влияния многочисленных дополнительных факторов (неодновременность действия тормозов по различным колесам, различие в вертикальной составляющей сил по осям автомобиля и других) формула (1.30) дает несколько завышенный результат по сравнению с экспериментальными исследованиями.

По Д.П.Великанову рекомендуется коррекция выражения (1.30) введением коэффициента эффективности торможения Кэ:

(1.31)

Для легковых автомобилей К_э = 1,2, а для грузовых и автобусов К_э = 1,3-1,4. При торможении на влажных и скользких дорогах сила сцепления на всех колесах достигается практически одновременно, поэтому при ц ? 0,4 необходимо принимать К_э =1.

1.5.2 Путь и продолжительность (время) торможения

Рассмотрим качественную картину изменения скорости и ускорения в процессе торможения (рис.1.5).

Как видно в промежутке времени (t_p + t_пp) х_a = const, при ускорении j = 0 в течение времени t_y скорость автомобиля падает от х_a до х_a', а ускорение растет почти линейно от 0 до j_з, и при j = const скорость падает от х_a до 0.

Общая продолжительность (время) остановки автомобиля от момента возникновения препятствия

t_o = t_p+t_пp + t_y+t_т . (1.32)

Сумму (t_пp + t_y) называют временем срабатывания тормозного привода.

Время t_p зависит от квалификации водителя, его возраста, состояния утомляемости и других субъективных факторов. Оно колеблется в пределах 0,2 - 1,5 с. В расчеты обычно закладывают 0,8с.

Рис. 1.5. Изменение скорости и ускорения при экстренном торможении:

t_p - время реакции водителя,

t_пp - время от нажатия на педаль тормоза до момента начала их действия,

t_y - время увеличения замедления,

t_т - время непосредственного торможения,

t₀ - «остановочное время»

Время t_пp необходимо для выбора зазоров и перемещения всех деталей привода. Его продолжительность определяется конструкцией системы и ее техническим состоянием. В среднем для гидравлического привода оно составляет 0,2 с, а для пневматического - 0,6 с. У автопоездов t_пp может достигать 2,0 с.

Отрезок t_y характеризует динамику нарастания замедления от 0 до максимального значения t_y ? 0,5 с.

Для определения остановочного времени рассмотрим подробнее схему, представленную на рис. 1.5. На отрезке t_y замедление изменяется по линейному закону, поэтому можно считать, что автомобиль движется с постоянным замедлением, равным 0,5 j₃ (штриховая линия). В этом случае

(1.33)

Если считать, что в дальнейшем j₃ = const, то на участке t_т скорость изменяется от х_a до 0 по линейному закону, в этом случае

, (1.34)

откуда

(1.35)

Таким образом,

,

или

(1.36)

Обозначив

и привлекая соотношение (1.31) имеем

(1.37)

Для определения остановочного пути S_o при торможении используют графоаналитический метод, аналогичный тому, как это делалось при определении пути разгона. Эту же величину можно определить, исходя из следующих соображений

S_o = S_p + S_пp + S_y + S_т, (1.38)

где

так как в этот период скорость х_a = const. Путь, проходимый автомобилем за промежуток времени t_y вычисляем, исходя из схемы (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема для вычисления пути S_y

На участке t_y ввиду его относительной малости можно считать, что замедление автомобиля увеличивается от 0 до j₃ по линейному закону, а скорость - уменьшается от х_a до хЧ_a по закону, близкому к линейному. Такой характер движения можно эквивалентно описать движением с постоянным ускорением, равным 0,5 j₃ (штриховая линия). В этом случае величина среднего замедления на участке t_y

(1.39)

С другой стороны,

,

где

В этом случае

, (1.40)

что вместе с выражением (1.39) обеспечит вычисление S_y

,

откуда

(1.41)

Составляющую непосредственного торможения S_Т определим, используя известное выражение из общей механики для движения с постоянным ускорением (замедлением) j_з и изменением скорости от х_a до 0:

Таким образом, общий остановочный путь в соответствии с полученными соотношениями будет:

,

или

С учетом выражения (1.33) и пренебрегая малым членом, содержащим t_y², получаем:

(1.42)

Величины продолжительности (времени) и пути торможения являются минимально возможным. Для анализа процесса торможения от скорости 100 км/ч и выше приведенные формулы неприемлемы, так как торможение с полным использованием сил сцепления может привести к потере устойчивости и управляемости.

По данным исследований США для расчета тормозного пути на сухом асфальтобетоне при х_a > 100 км/ч используют следующую формулу:

(1.43)

1.5.3 Нормативы тормозной динамичности автомобилей

В соответствии с ГОСТ 25478-91 «Автотранспортные средства. Требования к техническому состоянию по условиям безопасности движения. Методы проверки» проводятся дорожные испытания с целью определения эффективности тормозной системы.

Испытания проводятся на горизонтальном участке дороги с ровным, сухим и чистым цементно- или асфальтобетонном покрытии при скорости с начала торможения 40 км/ч - для автомобилей, автобусов и автопоездов и 30 км/ч - для мотоциклов и мопедов. Транспортные средства испытывают в снаряженном состоянии с водителем путем однократного воздействия на орган управления рабочей тормозной системы. Нормативные значения тормозного пути и установившегося замедления приведены в нижеследующей таблице 1.2. Значения тормозного пути и установившегося замедления, приведенные в скобках, распространяются на транспортные средства, произведенные до 1984 года.

Автомобили, у которых эксплуатационные свойства по тормозной динамичности не удовлетворяют требованиям вышеприведенной таблицы, к эксплуатации не допускаются.

Таблица 2

Коэффициенты тормозной динамичности различных автомобилей

Транспортное средство	Тормозной путь, м, не более	Установившееся замедление, м/с2, не менее
Одиночные транспортные средства: - легковые автомобили и их модификация для перевозки грузов; - автобусы с разрешенной максимальной массой до 5 т; - то же, свыше 5 т; - грузовые автомобили с разрешенной максимальной массой до 3,5 т; - то же, от 3,5 до 12 т; - то же, свыше 12 т;	12,2 (14,5) 13,6 (18,7) 16,8 (19,9) 15,1 (19) 17,3 (18,4) 16,0 (17,7)	6,8 (6,1) 6,8 (5,5) 5,7 (5,0) 5,7 (5,4) 5,7 (5,7) 6,2 (6,1)
- двухколесные мотоциклы и мопеды; - мотоциклы с боковым прицепом.	7,5 (7,5) 8,2 (8,2)	5,5 (5,5) 5,0 (5,0)
Автопоезда с тягачами в виде
- легковых автомобилей и их модификаций для перевозки грузов; - автобусов с разрешенной максимальной массой до 5 т; - то же, свыше 5 т; - грузовых автомобили с разрешенной максимальной массой до 3,5 т; - то же, от 3,5 до 12 т; - то же, свыше 12 т.	13,6 (14,5) 15,2 (18,7) 18,4 (19,9) 17,7 (22,7) 18,8 (22,1) 18,4 (21,9)	5,9 (6,1) 5,7 (5,5) 5,5 (5,0) 4,6 (4,7) 5,5 (4,9) 5,5 (5,0)

Кроме того, автомобили не подлежат эксплуатации при наличии нижеприведенных дефектов:

- нарушена герметичность гидравлического тормозного привода;

- нарушение герметичности пневматического и пневмогидравлического тормозных приводов вызывает падение давления воздуха при неработающем двигателе более чем на 0,05 МПа (0,5 атм) за 15 мин после полного приведения их в действие.

- не действует манометр пневматического или пневмогидравлического приводов.

- стояночная тормозная система не обеспечивает неподвижное состояние транспортных средств с полной нагрузкой на уклоне до 16% включительно, по легковым автомобилям и автобусам эта норма составляет 23%, а по грузовым автомобилям и автопоездам - 31%.

1.5.4 Пути повышения тормозной динамичности

Для повышения тормозной динамичности и активной безопасности автомобиля применяют регуляторы, обеспечивающие более полное использование сцепления колес с дорогой каждым колесом и антиблокировочные системы (АБС), предотвращающие «юз». Для уменьшения времени t_пр устанавливаются быстродействующие тормозные приводы, а для увеличения тормозного момента - усилители. Наиболее эффективными в любом случае являются АБС, появившиеся впервые в 1954 году.

В АБС любого типа используется зависимость коэффициента сцепления , от степени проскальзывания колеса , определяемой по соотношению:

,

где _к и _к - линейная скорость центра и угловая скорость вращения колеса соответственно.

Если _к=_к, то имеет место чистое качение, при этом =0 проскальзывания нет.

Если _к>_к, то колесо катится с проскальзыванием (ведомый и тормозной режимы), 0 << 1.

Если _к = 0, то =1, и колесо двигается не вращаясь, что соответствует режиму «юза». При _к<_кч колесо катится с пробуксовкой (активный режим) и < 0. При уменьшении скорости до нуля колесо вращается, но автомобиль остается на месте -.

Экспериментальная зависимость ()показана на рис. 1.7.

В ведомом режиме (участок ОА) колесо нагружено силами сопротивления движению и касательная реакция невелика. Соответственно малы касательная деформация шины ц и л. При введении в действие тормозного момента касательная реакция дороги возрастает, коэффициент сцепления увеличивается по АВ, достигая ц_max, а степень проскальзывания - граничного значения л_гр. В этот момент эффективность действия тормозов - наивысшая.



Рис. 1.7. Зависимость коэффициента сцепления от степени проскальзывания в пассивном режиме движения

При дальнейшем увеличении тормозного момента по дороге начинает скользить почти вся зона контакта, возникает трение скольжения, а касательная реакция уменьшается, в результате чего в некоторой точке С наступает процесс л = 1. По времени этот процесс занимает меньше 1с, величина ц_ю меньше ц_max при движении по сухому покрытию на 10-15%, по мокрому - на 20-30%.

Основное назначение АБС - создание режима торможения в зоне точки В (рис. 1.7). Для решения этой задачи рассмотрим силовое взаимодействие колеса с дорогой.

Рис. 1.8. Силовое взаимодействие колеса с дорогой при проскальзывании

При воздействии тормозного момента на колесо М_тор его угловая скорость уменьшается, вызывая появление инерционного момента М_и (рис. 1.8, а).

Величина его

где I_к и Е_к - момент инерции и угловое замедление колеса.

Момент касательной реакции дороги

.

Если приближенно считать величины Z и r постоянными, то момент M_x прямо пропорционален ц, то есть кривая М_х=f(л) будет аналогична ц(л) (рис. (1.7)) с максимумом при л=л_гр . В то же время момент M_x в любой точке графика (по абсолютной величине) является разностью тормозного M_тор и инерционного М_и моментов. При =1, как известно, возникает недопустимый «юз» колес. Во избежание этого АБС срабатывает в некоторой точке С, в результате чего тормозной момент принудительно снижается до уровня точки Е и поддерживается на постоянном уровне EF.

Уменьшение M_тор вызывает снижение углового замедления, которое в точке D снижается до нуля, а затем становится отрицательным, что означает разгон автомобиля. В точке F тормозной момент начинает увеличиваться, доводя режим движения колеса до равномерного вращения (точка G), и до исходного значения M_тор (точка А), после чего цикл работы повторяется.

Таким образом, при работе АБС тормозной момент изменяется по контуру ACDEFGA, в результате чего значения коэффициента проскальзывания близки к _гр, а значения - к _max. В современных системах колебания относительно _гр не превышают 0,05-0,10, а коэффициент сцепления близок к максимальному с точностью до 1%. Частота колебаний по заданной схеме составляет 2-10 Гц.

В АБС используют механические и электронные датчики в комплексе с модуляторами давления в тормозной системе. Определенно, что при движении автомобиля, оборудованного АБС, по сухой дороге с твердым покрытием тормозной путь уменьшается на 10-15%, а по дороге с мокрым покрытием - на 25-30%.

1.5.5 Вопросы для самопроверки

1. Виды конструктивной безопасности автомобиля.

2. Основные эксплуатационные свойства автомобиля, влияющие на безопасность.

3. Параметры, имитирующие габаритные размеры транспортного средства (ТС).

4. Что такое динамический коридор и как его рассчитать?

5. Как определить динамический коридор при повороте ТС?

6. Как назначается предельная осевая нагрузка ТС?

7. Как выглядит уравнение движения автомобиля?

8. Из чего складывается сила сопротивления дороги?

9. Как определить силу тяги на ведущих колесах автомобиля?

10. Как рассчитать силу сопротивления воздуха?

11. Что такое приведенная сила инерции автомобиля и как ее рассчитать?

12. Как рассчитать скорость движения автомобиля?

13. Что описывает формула Лейдермана?

14. Как определить максимальную скорость движения автомобиля из уравнения движения?

15. Как определить максимальное ускорение автомобиля из уравнения движения?

16. Из чего складываются фазы обгона автомобиля?

17. Как выбираются дистанции безопасности при обгоне?

18. Из каких составляющих складывается общий путь обгона?

19. Как определить общую продолжительность обгона?

20. Как выглядит графическая интерпретация процесса обгона?

21. Какие существуют тормозные системы автомобилей?

22. Что такое рабочая тормозная система и ее возможности?

23. Какие силы и моменты возникают при торможении автомобиля?

24. Какие ограничения накладываются на величину тормозной силы колеса?

25. Чем чревато возникновение юза колес при торможении?

26. Как определить максимальное замедление автомобиля при торможении?

27. Что такое коэффициент эффективности торможения и как его выбрать?

28. Как выглядят кривые скорости и замедления при экстренном торможении?

29. Как назначить величину времени реакции водителя?

30. Как определить общее время, затрачено на остановку при экстренном торможении автомобиля?

31. Как определить величину остановочного пути при экстренном торможении автомобиля?

32. Чем отличается тормозной и остановочный пути автомобиля при экстренном торможении?

33. Как определить тормозной путь, если скорость автомобиля превышает 100 км/ч?

34. Какие нормативы тормозной динамичности заложены в стандарты?

35. Наличие, каких дефектов тормозных систем запрещает эксплуатацию автомобиля?

36. Как работают системы АБС?



2. Устойчивость автомобиля

Устойчивость автомобиля непосредственно связана с безопасностью дорожного движения. В ситуации, когда движение автомобиля неустойчиво, корректируется движение ТС, что приводит к нервному перенапряжению и быстрой утомляемости, а также повышает вероятность ДТП.

Нарушение устойчивости автомобиля выражается в произвольном изменении направления его движения, его опрокидывании или скольжения шин по дороге. Различают продольную и поперечную устойчивость.

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя, то есть, при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью произвольно меняет направление движения, «рыскает» по дороге.

Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к заносу или опрокидыванию, а потеря продольной устойчивости выражается, как правило, в буксовании ведущих колёс, особенно часто наблюдаемом при преодолении автопоездом затяжных подъёмов на скользких дорогах.

2.1 Курсовая устойчивость

Причинами нарушения курсовой устойчивости являются возмущающие силы от действия следующих факторов:

- поперечной составляющей силы собственного веса автомобиля;

- бокового ветра;

- ударов колёс о неровности дороги;

- неоднородность продольных сил с правой и левой стороны.

При криволинейном движении к ним добавляются центробежные силы.

Одной из предпосылок потери устойчивости является скорость автомобиля, не соответствующая дорожным условиям, когда тяговая силаприближается по величине к силе сцепления колес с дорогой .

Тяговая сила при движении на подъем с ускорением:

. (2.1)

Для определения величины силы сцепления F_сц рассмотрим распределение нагрузки на колеса автомобиля (рис.2.1).

Рис.2.1. Распределение весовой нагрузки автомобиля по осям

На схеме точкой С обозначен центр массы автомобиля, - высота центра масс, а и в - расстояние от осей автомобиля до центра масс, L - база автомобиля.

При заднем приводе .

В статистическом состоянии реакции дороги и определяется из рассмотрения условий равновесия системы сил, представленной рис.2.1:

Таким образом, после некоторых преобразований имеем:

При движении автомобиля происходит известное перераспределение нагрузки по осям вследствие общего продольного наклона (дифферент), действие инерционной нагрузки и сопротивление воздуха. Учет такого факта проводится путем введения коэффициента изменения реакций по осям m_p1 и m_p2 и:

(2.2)

Причем для условий разгона автомобиля m_p1=0,65-0,70, а m_p2=1,20-1,35. Следовательно, для ведущих колес в условиях разгона сила сцепления

. (2.3)

Приравнивая правые части выражений (2.1) и (2.3) и разрешая их относительно _a, получаем выражение для скорости, максимально допустимой при прямолинейном движении без пробуксовки ведущих колес (км/ч):

, (2.4)

из которого понятно, что _бук уменьшается при уменьшении коэффициента сцепления , а также при увеличении ускорения j.

Движение автомобиля со скоростью, близкой к _бук, является одной из предпосылок заноса.

Новые (экспериментальные) автомобили обязательно испытывают на курсовую устойчивость по отраслевым нормалям.



2.2 Поперечная устойчивость

Причиной потери поперечной устойчивости автомобиля являются центробежные силы, возникающие при криволинейном его движении.

Рассмотрим схему поворота автомобиля в плане (рис.2.2).

На участке 1 - 2 автомобиль движется прямолинейно. От точки 2 до точки 3 водитель поворачивает рулевое колесо, автомобиль движется по кривой уменьшающегося радиуса. На участке 3 - 4 положение на угол остается постоянным, автомобиль движется по дуге окружности. Участок 4 - 5 - возврат рулевого колеса в исходное состояние, участок 5 - 6 - прямолинейное движение в новом направлении.

Мгновенный центр скоростей (центр поворота) автомобиля располагается в точке пересечения перпендикуляров к векторам скоростей средних точек мостов. При отсутствии увода и скольжения колес по вертикали (на схеме) точка О лежит на продолжении оси задних колес. Расстояние от точки О до середины заднего моста

. (2.5)

Центробежную силу F_сц, приложенную в центре масс автомобиля (точка С), можно разложить на две составляющие F_x и F_y, причем с точки зрения безопасности основное значение имеет сила F_y, стремящаяся вызвать занос или опрокидывание автомобиля.

Рис. 2.2. Схема поворота автомобиля

При равномерном движении по дуге

,

где центростремительное ускорение

,

то есть

. (2.6)

Полученное соотношение позволяет рассмотреть устойчивость автомобиля против поперечного скольжения на вираже (рис 2.3).

Рис. 2.3. Движение автомобиля на вираже

В центре масс (точка С) действуют две силы: сила собственного веса автомобиля F_G и центробежная F_y. Разложив каждую из них на две - параллельно и перпендикулярно плоскости дорожного полотна, получаем

- суммарную силу, опрокидывающую автомобиль (или вызывающую занос)

,

- суммарную силу, прижимающую автомобиль к дорожному полотну

.

Таким образом, сила поперечного сцепления

( - коэффициент поперечного сцепления), а условием отсутствия заноса будет неравенство:

,

или

.

После некоторых преобразований получаем:

(2.7)

В предельном случае из выражения (2.7) можно получить значение максимальной скорости автомобиля при отсутствии бокового скольжения:

. (2.8)

При движении по дороге без поперечного уклона ( = 0)

. (2.9)

Из выражения (2.7) можно найти максимальный (критический) угол косогора дороги, по которому автомобиль может двигаться без поперечного скольжения:

(2.10)

При движении по прямолинейному участку

. (2.11)

Для повышения безопасности при скоростных магистралях выполняются виражи, имеющие поперечный уклон, направленный к центру закругления. При левом повороте автомобиля поперечные силы F_ycos и F_ysin, складываясь, могут вызвать его опрокидывание.

Уравнение моментов сил относительно оси, проходящей через контакты шин внешних колес, имеет вид:

.

Подставив сюда значение силы F_y из (2.6) и проведя необходимые преобразования, получим максимально возможное значение скорости, которую может иметь автомобиль без угрозы опрокидывания:

. (2.12)

При движении по горизонтальному участку (=0)

(2.13)

Из (2.12) можно определить величину максимально допустимого (критического) угла косогора, по которому автомобиль может двигаться без опрокидывания

.

Как видно, устойчивость автомобиля возрастает с увеличением колеи В и радиуса R, а также при снижении центра тяжести и уменьшении угла косогора.

Отношение В/2h_ц называют коэффициентом поперечной устойчивости, величина его колеблется от 0,7 (грузовые автомобили) до 1,4 (легковые высокоскоростные).

В вышеприведенных выводах предполагалось, что автомобиль представляет собой абсолютно жесткое тело. В действительности это не так, имеются подрессорные и неподрессорные массы, связанные друг с другом упругой подвеской. В результате этого центр масс имеет тенденцию к смещению, в частности, при поперечных крепах кузова. Это приводит к фактическому уменьшению скорости опрокидывания по сравнению с расчетной на 10-15%.

2.3 Устойчивость переднего и заднего мостов

При определении скорости бокового скольжения _ск (см. рис. 2.2) предполагалось, что оба моста скользят в поперечном направлении одновременно. На практике в начальный период наблюдается занос одного из мостов.

Как известно, для качения колеса без поперечного и продольного проскальзывания необходимо соблюдать условие:

(2.15)

где X ,Y и Z - касательная, поперечная и нормальная реакция дороги.

Из исходного выражения (2.15) можно найти:

где X - удельная касательная реакция, равная для ведущего колеса , а для тормозного для ведомого колеса X=f. Приравнивая Y к ранее найденному значению по формуле (2.6), имеем в предельном случае (2.16)

Без учета динамических нагрузок, тогда максимальная скорость, при которой автомобиль будет двигаться без скольжения,

(2.17)

...