Р. Р. Басыров, А. Д. Галимянов, В. Н. Никишин комфортабельность автомобиля
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМФОРТА В САЛОНЕ АВТОМОБИЛЯ Конкурентная среда вынуждает производителя ориентироваться на удовлетворение требований потребителя. Неверно выбранные технико-экономические параметры новой модели автомобиля сложно скорректировать на стадии производства и эксплуатации, поэтому на стадии разработки технического задания необходимо комплексно прорабатывать технические, экономические, эксплуатационные, производственные и нормативные показатели разрабатываемой техники. Исследование условий работы водителей свидетельствует о существенном значении параметров внутренней среды в автомобиле. Эти параметры лишь с большей или меньшей вероятностью соответствуют установленным нормам. Основными факторами, влияющими на микроклимат в салоне автомобиля, являются распределение температуры по объему салона, наличие токсичных веществ и пылевых частиц в воздухе, а так же вибрация и шум. Изменение распределения температуры в салоне происходит за счет поглощения элементами кузова автомобиля тепловой энергии солнца и силового агрегата. На это распределение влияют внешние факторы, такие как температура наружного воздуха, его влажность, а так же скорость движения автомобиля. Кроме того, к требованиям комфортности относят способ управления климатической системой, при которой от водителя требовался бы минимум внимания. Одной из основных целей повышения комфортности и безопасности движения автомобиля является соответствие современным требованиям Правил ЕЭК ООН. В частности, ГОСТ 28070 «Обзорность с места водителя», ГОСТ 12.1.005 и РД 37.052.154 «Содержание вредных веществ в салоне и 21 кабине», Правила №51, 9, 41, 63 ЕЭК ООН «Внешний шум», ГОСТ 27438 «Внутренний шум», Правило №43 «Безопасные стекла» нормируют требования к салонам автомобилей. Автомобили наносят существенный вред окружающей среде, поэтому должны соответствовать жестким экологическим требованиям, которые отражены в стандартах ИСО-14040 и -14043, директиве 2000/53/ЕС «О транспортных средствах, вышедших из эксплуатации». Требования по разборке, повторному использованию и рециклированию АТС и их узлов необходимо учитывать уже на этапе разработки. Для повышения степени рециклируемости автомобиля разработчики стремятся уменьшить количество уровней разборки, число элементов в сборочной единице и используемых типов материалов, избегать окрашивания поверхностей деталей, применять модульный принцип конструирования, использовать экологически чистые материалы. При отклонении от требуемых параметров автомобиля производителю могут запретить выдачу или продление сертификата соответствия. Поэтому они вынуждены приводить выпускаемый автомобиль в соответствие с современными требованиями. В настоящее время широкое распространение получили методы математического моделирования движения автомобиля, которые очень эффективны для сравнительных расчетов. Современные информационные технологии позволяют разрабатывать конструкторско-технологическую документацию в электронном виде. Моделируя процесс эксплуатации на компьютере, осуществляются расчеты прочности, долговечности, износостойкости, жесткости, вибро- и теплоустойчивости как конструкции в целом, так и ее элементов. Виртуальное проектирование сокращает время создания новых моделей, позволяет вести процесс разработки круглосуточно, повышая качество разработок. 22 Климатическая комфортабельность Ненормальные климатические условия в кабине автомобиля вредно отражаются на здоровье водителя и являются одной из причин, способствующей возникновению ДТП. Под влиянием повышенной или пониженной температуры в кабине автомобиля у водителя притупляется внимание, снижается острота зрения, увеличивается время реакции, быстро наступает усталость, появляются ошибки и просчеты, которые могут привести к ДТП или к снижению качества выполнения технологической операции. Ус- тановлено, что наиболее приемлемой температурой в кабине автомобиля является температура 20...22°С. При снижении температуры до 13°С степень относительной опасности ДТП возрастает в 1,5 раза, а при повышении ее до 27°С — в 1,6 раза [33]. Одним из требований техники безопасности и гигиены труда является исключение возможности проникновения в кабину водителя отработавших газов, которые содержат ряд токсичных компонентов, в том числе оксид углерода. В зависимости от доли оксида углерода в воздухе и длительности работы водителя в такой атмосфере воздействие на водителя бывает различным. Наиболее характерными признаками при незначительном отравлении являются сонливость, чувство усталости, интеллектуальная пассивность, нарушение пространственной координации движений, ошибки в определении дистанции и увеличение латентного периода при сенсомоторных реакциях. Проведенные исследования показали, что достаточно лишь незначительного количества оксида углерода, чтобы вызвать у некоторых людей ощущение угара, одурманивание, головную боль, сонливость и потерю ориентировки, т. е. такие отклонения, которые могут привести к съезду с дороги, неожиданному повороту рулевого колеса, засыпанию. 23 Оксид углерода засасывается в салон вместе с отработавшими газами при технических неисправностях автомобиля. Лишенный всякого запаха и цвета, оксид углерода в течение длительного времени остается совершенно незаметным. При этом работающий человек отравляется в три раза быстрее по сравнению с человеком, находящимся в состоянии покоя. Необходимо учитывать, что оксид углерода попадает на рабочее место водителя также вместе с отработавшими газами, выбрасываемыми двигателями других автомобилей. Особенно это опасно для водителей легковых автомобилей — такси, городских автобусов и грузовых автомобилей, систематически работающих в условиях интенсивного и плотного движения транспортных средств в городах, магистрали которых заполнены отработавшими газами. Исследования воздушной среды в кабинах водителей и в пассажирских салонах автобусов показали, что в отдельных случаях содержание оксида углерода достигает 125 мг/м 3 , что в несколько раз превышает предельно допустимую концентрацию для рабочей зоны водителя. Поэтому длительное вождение автомобиля, превышающее 8 ч, в условиях города крайне опасно из-за возможности отравления водителя оксидом углерода. Условия, в которых человек не испытывает перегрева или переохлаждения, резкого движения воздуха и других неприятных ощущений, можно считать в тепловом отношении комфортными. Комфортные условия в зимний период несколько отличаются от этих же условий в летний период, что связано с применением человеком разной одежды. Основными факторами, определяющими тепловое состояние человека, являются температура, влажность и скорость воздуха, температура и свойства окружающих человека поверхностей. При различных сочетаниях этих факторов можно создать одинаково комфортные условия в летний и зимний периоды эксплуатации. 24 Ввиду многообразия особенностей теплообмена между организмом человека и внешней средой выбор единого критерия, характеризующего комфортные условия и являющегося функцией параметров среды, представляет собой трудную задачу. Поэтому комфортные условия обычно выражают совокупностью показателей, ограничивающих отдельные параметры: температуру, влажность, скорость воздуха, максимальный перепад температур воздуха в кузове и вне его, температуру окружающих поверхностей (пола, стен, потолка), уровень радиации, подачу воздуха в огра- ниченное помещение (кузов, кабину) на одного человека в единицу времени или кратность воздухообмена. Комфортные значения температуры и влажности воздуха, рекомендуемые различными исследователями, несколько отличаются. Так, Институт гигиены труда и профессиональных заболеваний рекомендует для человека, выполняющего легкую работу, температуру воздуха в зимнее время 20...22 °С, в летнее 23...25°С при относительной его влажности 40...60%. Допустимой является температура воздуха 28°С при той же влажности и незначительной его скорости (около 0,1 м/с). По результатам французских исследователей, для легких зимних работ рекомендуется температура воздуха 18...20°С при его влажности 50... 85%, а для летних 24...28°С при влажности воздуха 35...65%. По другим зарубежным данным, водители автомобилей должны работать при более низких температурах (15...17°С в зимний период эксплуатации и 18...20°С в летний) при относительной влажности воздуха 30...60 % и скорости его движения 0,1 м/с. Кроме того, перепад температур наружного воздуха и внутри кузова в летний период не должен превышать 10°С. Разность температур внутри ограниченного объема кузова во избежание простудных заболеваний человека не должна превышать 2... 3°С. 25 В зависимости от условий работы для обеспечения комфортных условий температуру в зимний период можно принимать равной 21°С при легкой работе, 18,5°С при умеренной, 16°С при тяжелой. В настоящее время в России микроклиматические условия на автомобилях и тракторах регламентированы. Так, для автомобилей температура воздуха в кабине (кузове) в летний период не должна быть выше 28°С, в зимний (при наружной температуре -20°С) — не менее 14°С. В летнее время при движении автомобиля со скоростью 30 км/ч перепад между внутренней и наружной температурой воздуха на уровне головы водителя не должен быть более 3°С при наружной температуре 28°С и более 5°С при наружной температуре 40°С. В зимнее время в зоне расположения ног, пояса и головы водителя следует обеспечить температуру не ниже 15°С при наружной температуре -25°С и не ниже 10°С при наружной температуре -40°С. Влажность воздуха в кабине должна быть 30...70%. Подвод свежего воздуха в кабину должен быть не менее 30 м 3 /ч на одного человека, скорость движения воздуха в кабине и салоне автомобиля 0,5...1,5 м/с. Предельная концентрация пыли в кабине (салоне) не должна превышать 5 мг/м 3 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочих зон салона и кабины автомобиля и трактора регламентируются ГОСТ Р 51206–98 для автомобилей и ГОСТ 12.2.019–86 для тракторов, в частности: оксид углерода (СО) — 20 мг/м 3 ; оксиды азота в пересчете на 1ЧО2 — 5 мг/м 3 ; углеводороды суммарные (С n Н m ) — 300 мг/м 3 ; акролеин (С 2 Н 3 СНО) — 0,2 мг/м 3 Концентрация паров бензина в салоне и кабине автомобиля не должна быть более 100 мг/м 3 По Фангеру [10], при данном уровне активности и данной одежде на тепловой комфорт влияют три физических параметра: средняя скорость и температура окружающего воздуха, а также средняя температура всех поверхностей, с 26 которыми тело человека обменивается излучением тепла. То есть, при определенной деятельности (вождение) и определенной одежде (например, легкий костюм), а также при данной средней скорости перемещения воздуха и данной температуре излучения имеется некоторая температура окружающего воздуха, при которой наступает тепловой комфорт. Если температура окружающего воздуха ниже оптимальной, то тело теряет слишком много тепла и возникает ощущение холода, а если она слишком высокая, то тело отдает мало тепла и человеку в этой среде жарко. Таким образом, если все тепло, вырабатываемое организмом, воспринимается окружающей средой, то такое состояние можно считать оптимальным, и наоборот, если в окружающую среду отводится больше тепла, чем вырабатывается, то человек ощущает холод, если же меньше, то перегрев. Особенности теплового комфорта в салоне автомобиля обусловлены размещением окон в верхней части салона и поэтому излучение тепла с головы до ног сильно отличается. Рекомендации к тепловому режиму вокруг определенных областей даны на рисунке 2.1. Решающее значение имеет область 1 (голова). Конъюнктива и роговица глаза очень чувствительно реагируют на слишком высокую температуру воздуха повышенным выделением влаги и высыханием слизистой оболочки глаза. Из-за сухости конъюнктивы возникает рефлекс частого мигания и чувство усталости глаз. Чрезмерно высокая скорость обдува воздухом оказывает аналогичное действие. Таким образом, в области головы водителя температура и скорость обдува воздуха должны быть умеренными в пределах относительно узкого поля допуска. Необходимо избегать сильного локального отвода тепла в областях 2, 4 -на тех участках тела, которые скрыты 27 под одеждой (бедра, руки, голени), так как это действует как сквозняк. В противоположность этому для области 3 (кисти рук) может быть определено широкое поле допуска, поскольку руки быстро приспосабливаются к меняющимся тепловым условиям окружающей среды. Рисунок 2.1 – Рекомендации по тепловому режиму: 1 - область, требующая более низкую температуру и скорость перемещения воздуха (на 3-5°С ниже, чем в ногах); 2, 4 - в этих областях не должно быть сквозняков; 3 - эта область не имеет решающего значения, так как руки быстро адаптируются к изменению теплового режима; 5 - область медленной адаптации (до 5 часов). Слабое 28 кровообращение в ногах. Малая подвижность, требующая обеспечения узкого поля допуска температур (температура выше на 3-5°С, чем у головы); 6 - область туловища, где не должен образовываться пот Критическим является также тепловой режим воздуха в области 5 (ноги). Кровообращение в ногах является относительно слабым, а их подвижность в автомобиле весьма ограничена. В области ног должна быть повышенная температура окружающего воздуха - на 3-5°С выше, чем средняя температура окружающего воздуха. Серьезно влияет на комфорт также область 6 (туловище), находящаяся в постоянном контакте с сиденьем (спина и бедра). Воздух здесь застаивается, а материал обивки создает высокое тепловое сопротивление отводу тепла от тела. Возможно образование пота, с чем связано значительное снижение комфорта. Человеческий организм обладает способностью регулировать теплоотдачу. Однако возможности организма не беспредельны. Бывают условия, вызывающие ухудшение самочувствия и снижение работоспособности человека, способствующие возникновению заболеваний и даже угрожающие жизни. Индивидуальное напряжение человека возрастает в линейной зависимости от интенсивности нагрузки и в экспотенциальной от продолжительности нагрузки. Мерой интенсивности тепловой нагрузки является разность между образованием тепла в теле человека и общим отводом тепла. Чем больше разница, тем меньше тепловое равновесие и тем больше тепловой дискомфорт. При этом решающую роль играет фактор продолжительности нагрузок. Основной задачей климатической системы является создание благоприятного микроклимата в салоне автомобиля - оптимальных окружающих условий для работы человека. В широком понимании микроклимат представляет собой комплекс физических факторов окружающих условий, 29 способных влиять на тепловое состояние организма и его терморегуляторные реакции. Факторы, которые должны регулировать климатические системы, следующие: температура, влажность, скорость движения воздуха и тепловое облучение. Более дорогие системы, разработанные для автомобилей представительского класса, обеспечивают также дезодорацию, озонирование, ионизацию и парфюмеризацию воздуха в салонах автомобилей. Условия, в которых человек не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения, ни сильного движения воздуха, сквозняков, ни других неприятных ощущений, принято считать в тепловом отношении комфортными. Общеизвестно, что комфортные условия для зимы несколько отличаются от летних. Более целесообразно оперировать понятием «допустимое комфортное условие», определяющееся как совокупность показателей, ограничивающих отдельные параметры: температуру, влажность, скорость воздуха, максимальный перепад температур воздуха в салоне и вне его, температуру наружных поверхностей деталей салона, радиационный баланс поверхности тела человека, испарение пота, предельно допустимые концентрации посторонних примесей в воздухе, подачу воздуха в ограниченное помещение на 1 человека в единицу времени или кратность воздухообмена. Вышеперечисленные параметры регламентируются требованиями санитарных норм, а также РД 37.001.018-84 и ГОСТ Р 50993-96. Салон транспортного средства представляет собой замкнутую вентилируемую камеру с прозрачными и непрозрачными ограждениями, в которой находятся водитель и пассажиры. Уравнение теплового баланса салона, при котором температура воздуха остается постоянной, можно представить в следующем виде: 30 ∑Qi = Q4 + Оп.о. + Онп.о. + Одв.+ Отм + Огдр + Оэл + Овнт, где Qi - тепловой баланс салона; Q4 - количество людей в салоне и их тепловыделения; Qп.о. - количество тепла, поступающего через прозрачные ограждения (главным образом, через стекла от солнечной радиации); Онп.о. - количество тепла, поступающее через непрозрачные ограждения; Qдв. - тепловыделение от двигателя; Qтм - тепловыделение трансмиссии; Qгдр - тепловыделение находящихся в салоне узлов гидрооборудования; Qэл — тепловыделение находящегося в салоне электрооборудования; Qвнт -теплопоступление вместе с воздухом, подаваемым вентилятором. Условия теплового баланса выполняются в том случае, если тепловые потоки, поступающие в кабину, равны потокам, выходящим из нее. Наряду с обычными требованиями к климатической системе к ней предъявляется требование и по динамике создания комфорта. Состояние теплового комфорта должно создаваться настолько быстро, насколько это возможно, особенно при низкой или очень высокой температуре внешнего воздуха и в случае, когда автомобиль долго стоял. 31 Вибрационная комфортабельность С точки зрения реакции на механические возбуждения человек представляет собой некоторую механическую систему. При этом различные внутренние органы и отдельные части тела человека можно рассматривать как массы, соединенные между собой упругими связями с включением параллельных сопротивлений. Относительные перемещения частей тела человека приводят к напряжениям в связках между этими частями и взаимному соударению и надавливанию. Такая вязкоупругая механическая система обладает собственными частотами и достаточно ярко выраженными резонансными свойствами. Резонансные частоты отдельных частей тела человека следующие: голова — 12...27 Гц, горло — 6...27 Гц, грудная клетка — 2...12 Гц, ноги и руки — 2...8 Гц, поясничная часть позвоночника — 4...14 Гц, живот — 4...12 Гц. Степень вредного воздействия колебаний на организм человека зависит от частоты, продолжительности и направления действия вибрации, индивидуальных особенностей человека. Продолжительные колебания человека с частотой 3...5 Гц вредно отражаются на вестибулярном аппарате, сердечно- сосудистой системе и вызывают синдром укачивания. Колебания с частотой 1,5...11 Гц вызывают расстройства вследствие резонансных колебаний головы, желудка, кишечника и в конечном счете всего тела. При колебаниях с частотой 11...45 Гц ухудшается зрение, возникает тошнота, рвота, нарушается нормальная деятельность других органов. Колебания с частотой более 45 Гц вызывают повреждение сосудов головного мозга, происходит расстройство циркуля- ции крови и высшей нервной деятельности с последующим развитием вибрационной болезни. 32 Поскольку вибрация при постоянном воздействии оказывает неблагоприятное влияние на организм человека, ее нормируют. Общий подход к нормированию вибрации заключается в ограничении виброускорения или виброскорости, измеренных на рабочем месте водителя, в зависимости от направления действия вибрации, ее частоты и продолжительности. Отметим, что плавность хода машины характеризуется общей вибрацией, передающейся через опорные поверхности на тело сидящего человека. Локальная же вибрация передается через руки человека от органов управления машиной, и ее влияние менее существенно. Зависимость среднего квадратического значения вертикального виброускорения аг сидящего человека от частоты f колебаний при его постоянной вибронагруженности приведена на рисунке 2.2 (кривые «равного сгущения»), из которого видно, что в диапазоне частот f = 2...8 Гц чувствительность организма человека к вибрации повышается. Причина этого как раз и заключается в резонансных колебаниях различных частей тела человека и его внутренних органов. Большинство кривых «равного сгущения» получены при воздействии на организм человека гармонической вибрации. При случайной вибрации кривые «равного сгущения» в различных диапазонах частот имеют общий характер, но количественно отличаются от гармо- нической вибрации. Гигиеническую оценку вибрации проводят одним из трех методов: раздельно-частотным (спектральным) анализом; интегральной оценкой по частоте и «дозой вибрации». |