БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЯЩЕНКО. В. Ф. Юхименко а. А. Яценко безопасность
 Скачать 3.57 Mb.
|
|
2.6.3. Нормативные требования к тяговой динамике В настоящее время нормативная база по тяговой динамике разрабо- тана очень слабо, за исключением некоторых показателей, которые обычно указывают в ТУ на автомобиль (мощность двигателя, макси- мальная скорость, время разгона до заданной скорости и на заданном пути). Международными стандартами (в том числе Правилами ЕЭКООН) эти показатели пока не регламентируются. Среди национальных стандартов в России действует ГОСТ 22576- 90 «Автомобили и автопоезда. Номенклатура показателей скоростных свойств и методы их определения» (М.: Изд-во стандартов, 1990). Данным ГОСТом установлены следующие показатели и характери- стики скоростных свойств АТС: – максимальная скорость; – время разгона на заданном пути; – время разгона до заданной скорости; – скоростная характеристика «разгон – выбег»; – скоростная характеристика «разгон на заданной передаче». ГОСТом установлены условия и методы испытаний АТС при опре- делении перечисленных показателей и характеристик. В некоторых странах регламентируется только нижний предел удель- ной мощности АТС. На сегодня нормативная база по тяговой динамике нуждается в существенном пополнении и обновлении, так как выпускае- мые промышленностью автомобили, обладающие различной максималь- ной скоростью и приемистостью, попадая на дороги общего пользования, создают взаимные помехи и нарушают равномерность общего потока ав- томобильного транспорта, тем самым не обеспечивают БДД. Для устранения этого недостатка представляется целесообразным зна- чения некоторых главных показателей регламентировать. Рекомендуемые авторами величины приведены ниже (табл. 2.8). Эти рекомендации учиты- вают тип, назначение автомобилей и условия их эксплуатации. Введение таких ограничений способствовало бы выравниванию по- токов грузового и легкового автотранспорта. 93 Таблица 2.8 Рекомендуемые значения показателей тяговой динамики По ка за тел и Легковые автомобили Автобусы Грузовые автомобили ос обо м ал ог о кл ас са м ал ог о кл ас са ср едн ег о кл ас са М ежду го ро дн ие и ту ри ст иче ск ие го ро дс кие по лн опр ив одн ы е не по лн опр ив одн ы е ав то по ез да Продольный уклон, % основной 5 5 5 5 5 5 5 5 максимальный 35 35 35 20 20 60 25 18 Удельная мощ- ность (кВт/т), не менее 50 50 50 15 10 12 12 6 Максимальная скорость (км/ч) по мощности двигателя не менее на горизонталь- ной дороге 130 140 150 100 80 80 90 80 на основном ук- лоне* 100 120 125 40 40 40 45 25 на максимальном уклоне* 25 25 30 12 12 5 12 8 Показатель приѐ- мистости при скорости 60 км/ч, не менее 0,70 0,72 0,75 0,55 0,55 0,50 0,50 0,36 Время разгона с места до скорости (км/ч) 60, не более (с) – – – 40 37 40 40 75 100, не более (с) 20 18 15 Время разгона с места на пути 1000 м, не более (с) 44 42 40 70 70 70 70 82 Примечание: * величины основного и максимального уклонов. 94 Отметим, что для практики испытаний удобнее и точнее опреде- лять время разгона на заданном пути, так как момент достижения за- данной скорости не может быть зафиксирован с высокой точностью, причем требует применения записывающего прибора, в то время как в первом случае достаточно секундомера. Наряду с этим в ТУ отсутствует такой важный, на наш взгляд, по- казатель, как скорость движения на заданном основном подъеме (5%), которая оказывает существенное влияние на равномерность потоков автотранспортных средств. В перечне рекомендуемых показателей (табл. 2.28) этот недостаток устранен. Кроме того, введены показатели – скорость на максимальном укло- не и коэффициент приемистости. Рекомендуемые значения показателей скоростных свойств должны учитываться при составлении нормативно- технической документации конкретных моделей автомобилей (автопо- ездов), а также при разработке типажа АТС. Контрольные вопросы 1. Характерные виды ДТП, связанные с низкими скоростными свойствами автомобиля. 2. Основные факторы тягово-скоростных свойств автомобиля. 3. Тяговый и мощностной баланс автомобиля. 4. Какие факторы двигателя влияют на его удельную мощность? 5. Показатели приѐмистости у современных легковых автомобилей, автобусов, грузовых и автопоездов. 6. Связь коэффициента приспособленности с повышением БДД. 7. Схема обгона «с ожиданием». 8. Величина резерва безопасности при незавершѐнном обгоне. 9. Нормативные требования к тяговой динамике. 2.7. Управляемость и устойчивость автомобиля 2.7.1. Управляемость автомобиля Управляемость – свойство транспортного средства сохранять или из- менять направление движения, заданное водителем с определенной физи- ческой энергией. Из определения следует, что управляемость больше, чем другие эксплуатационные свойства транспортного средства, связана с во- дителем. Необходимые качества управляемости могут быть достигнуты при условии выполнения следующих требований: – качение управляемых колес при криволинейном движении долж- но происходить без бокового скольжения; – углы поворота управляемых колес должны иметь необходимое соотношение; – стабилизация управляемых колес должна быть обеспечена; 95 – произвольные колебания управляемых колес должны быть ис- ключены; – углы поворота передней и задней осей должны находиться в оп- ределенном соотношении; – в рулевом управлении должна быть обратная связь, обеспечи- вающая водителя информацией о значении и направлении сил, дейст- вующих на управляемые колеса. Исходя из этих требований, критериями оценки управляемости транспортного средства являются: – критическая скорость; – поворачиваемость; – соотношение углов поворота управляемых колес; – стабилизация управляемых колес; – автоколебания управляемых колес. Критической скоростью, по условиям управляемости, называют максимальную скорость криволинейного движения автомобиля (рис. 2.26) без поперечного проскальзывания управляемых колес: cos / 2 2 Lg f tg f у упр , где φ у – коэффициент поперечного сцепления, f – коэффициент сопро- тивления качению. Рис. 2.26. Схема сил, действующих на автомобиль при криволинейном движении: Р Х2 – сила тяги колѐс задней оси; P f1 и P f2 – сила сопротивления качению передней и задней оси соответственно; R y1 и R y2 – поперечная реакция колѐс передней и задней оси соответственно; θ – угол поворота управляемых колѐс; L – база автомобиля; ΔХ – смещение центра поворота; R – радиус поворота; δ 1 и δ 2 – углы увода колѐс передней и задней оси соответственно 96 При достижении критической скорости υ упр движения на повороте управляемые колеса проскальзывают в поперечном направлении и даль- нейшее увеличение угла поворота управляемых колес не меняет направле- ния движения. При увеличении угла θ критическая скорость υ упр уменьша- ется. При высоком коэффициенте сцепления φ у автомобиль сохраняет управляемость на кривых малых радиусов. При незначительном φ у (обле- денелое покрытие) или высоком коэффициенте сопротивления качению (песок, неукатанный снег) значения коэффициентов φ у и f сближаются, что приводит к снижению критического значения скорости. Если φ у ≤f, то подкоренное выражение в формуле или равно нулю, или является мнимой величиной и, следовательно, автомобиль стано- вится практически неуправляемым. В случае полного скольжения пе- редних колес (блокировка при торможении) поперечная реакция дороги отсутствует, и автомобиль теряет управляемость. Разворачиваемость – свойство транспортного средства с эластичны- ми шинами двигаться по траектории, не совпадающей с траекторией, опре- деляемой положением управляемых колѐс. При криволинейном движении в результате действия поперечной силы качения, колѐса автомобиля в силу своих эластичных свойств сопровождаются уводом, т.е. качением колеса под некоторым углом к плоскости вращения колеса. Угол, образуемый век- тором скорости центра колеса с плоскостью его вращения, называется уг- лом увода δ (рис. 2.27). Увод может быть вызван также наклоном управ- ляемых колѐс к вертикальной плоскости (развалом) или углом к направле- нию движения (схождением). Между поперечной силой Р у и углом увода δ существует зависимость (рис. 2.28): y y y K P , где К у – коэффициент сопротивления уводу. а) б) Рис. 2.27. Увод колеса: а – вид спереди; б – вид сверху 97 Рис. 2.28. Зависимость угла увода от поперечной силы Р у при различных φ и ε. В нижней части рис. 2.28 изображены контактные отпечатки шины ε (зоны скольжения заштрихованы). Коэффициент сопротивления уводу численно равен поперечной си- ле, вызывающей увод на 1 0 или 1рад. В первом случае К у измеряется в Н/град, во втором случае – в Н/рад. При небольших углах увода (4…6°) коэффициент К у можно считать постоянным и равным для шин легко- вых автомобилей К у =15...40 кН/рад; для шин грузовых автомобилей и автобусов К у = 30…100 кН/рад. В зависимости от соотношения углов увода колес передней и зад- ней оси различают нейтральную, недостаточную и избыточную повора- чиваемость. При нейтральной поворачиваемости углы увода колес передней и задней оси равны (δ 1 = δ 2 ). Траектория движения такого автомобиля соответствует траектории движения автомобиля с жесткими шинами, отличаясь от последней на величину, пропорциональную углу увода колес. При недостаточной поворачиваемости, когда δ 1 > δ 2 (рис. 2.29а), для движения по кривой радиусом R управляемые колеса необходимо повернуть на больший угол, чем при жестких шинах. При движении по прямой под действием поперечной силы Р у в результате увода автомо- биль начинает двигаться под углом к своей продольной оси, поворачи- ваясь вокруг центра О 1 (рис. 2.29а). В результате возникновения поперечной составляющей Р цу центро- бежной силы Р ц , направленной в противоположную сторону от силы Р у , автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения. 98 При избыточной поворачиваемости, когда δ 1 < δ 2 (рис. 2.29б), для движения по кривой управляемые колеса необходимо повернуть на угол меньший, чем при жестких шинах. Рис. 2.29. Соотношение углов увода колѐс автомобилей с разной поворачиваемостью: V 1 и V 2 – векторы передней и задней оси соответственно При движении по прямой и возникновении поперечной силы Р у по- перечная составляющая центробежной силы направлена в ту же сторо- ну, что и Р у . В результате увод возрастает, что увеличивает кривизну траектории, а это приводит к увеличению Р цу . Этот процесс может про- грессировать вплоть до потери устойчивости, если водитель не повернет управляемые колеса в нужном направлении. Чтобы обеспечить недостаточную поворачиваемость автомобиля, уменьшают давление воздуха в шинах передних колес и немного сме- щают центр масс в направлении переднего моста, что снижает коэффи- циент сопротивления уводу передних колес и увеличивает центробеж- ные силы, действующие на управляемые колеса. Необходимое соотношение углов поворота управляемых колес дос- тигается конструкцией рулевого привода. При криволинейном движении ввиду того, что внутренние и внеш- ние управляемые колеса описывают кривые разного радиуса, внутрен- ние по отношению к центру поворота колеса должны быть повернуты на больший угол θ в > θ н (рис. 2.30), что достигается конструкцией руле- вой трапеции. Строго говоря, с увеличением скорости движения и изме- 99 нением радиуса кривизны должно автоматически меняться соотноше- ние углов поворота управляемых колес. Однако из-за значительного усложнения конструкции рулевой привод с автоматически меняющимся соотношением углов поворота управляемых колес не применяется. Рис. 2.30. Соотношение углов поворота управляемых колес Стабилизацией управляемых колес называют их свойство сохра- нять и восстанавливать нейтральное положение, соответствующее пря- молинейному движению, после прекращения действия внешних сил. Это свойство проявляется в результате действия стабилизирующих мо- ментов, причины возникновения которых заключаются в появлении боковых деформаций в элементах шины в области контакта с опорной поверхностью и элементарных боковых реакций, различных в разных точках контакта. Результирующая боковая реакция создает упругий ста- билизирующий момент, который и возвращает управляемые колеса в нейтральное положение. Дополнительный стабилизирующий момент возникает в результате наклона шкворней поворотных цапф в продольной и поперечной плос- костях. Автоколебания управляемых колес (шимми) у автомобиля прояв- ляются при движении по неровному покрытию в определенном диапа- зоне скоростей в случае их неуравновешенности и кинематически несо- гласованных конструкций подвески и рулевого привода. Частота этих колебаний 1,0...3,0 Гц, а амплитуда достигает нескольких градусов. Это явление затрудняет управление автомобилем и приводит к ускоренному износу шин и деталей рулевого управления. Одной из причин возникно- вения шимми является гироскопический момент. Его возникновение является результатом изменения положения управляемых колес при одновременном их вращении. Основным способом снижения автоколе- баний является применение независимых подвесок управляемых колес. 100 2.7.2. Устойчивость движения автомобиля Устойчивость автомобиля характеризуется несколькими пока- зателями. Основные из них: максимальная скорость движения авто- мобиля по окружности, соответствующая началу его заноса; макси- мальная скорость движения автомобиля по окружности, соответст- вующая началу его опрокидывания; максимальный угол косогора, соот- ветствующий началу поперечного скольжения колес; максимальный угол косогора, соответствующий началу опрокидывания автомобиля. Устойчивость движущегося по дороге автомобиля зависит от мно- гих факторов: от высоты его центра тяжести, базы, колеи, размера шин, их конструкции и состояния, от радиуса кривизны дороги и состояния ее поверхности, от скорости движения. На скользкой дороге более вероятен занос автомобиля и его сколь- жение, чем опрокидывание. На дороге с хорошими сцепными качества- ми наиболее вероятно опрокидывание. Устойчивость грузовых автомо- билей хуже по сравнению с легковыми в связи с высоким расположени- ем центра тяжести. В результате загрузки грузового автомобиля его центр тяжести поднимается еще выше и устойчивость ухудшается. По- тере устойчивости грузового автомобиля может способствовать неза- крепленный груз. При движении на повороте незакрепленный груз мо- жет перемещаться по грузовой платформе и, ударяя в ее борт, приво- дить к опрокидыванию автомобиля. Аналогичные явления происходят при движении автомобильной цистерны или самосвала с текучим гру- зом (например бетонным раствором). При движении автомобиля с жид- ким грузом по кривой происходят перемещения груза от одного борта к другому. Раскачиваясь и ударяя в борта, жидкий груз также может вы- звать потерю устойчивости автомобиля. Продольная устойчивость транспортного средства заключается в со- хранении ориентации вертикальной оси в продольной плоскости в задан- ных пределах, т.е. без опрокидывания или скольжения при движении на продольном уклоне. Вероятность продольного опрокидывания современ- ных автомобилей маловероятна ввиду низкого расположения центра тяже- сти. Чаще возникает скольжение автомобиля при буксовании ведущих ко- лес на крутых подъемах значительной протяженности. Оценочным крите- рием продольной устойчивости транспортного средства является макси- мальный (критический) угол подъема, который он может преодолеть при равномерном движении без буксования ведущих колес. Считая, что силы сопротивления воздуха и качения ввиду малой скорости движения и твердого покрытия незначительны, максимальный (критический) угол подъема α, при котором возможно движение оди- ночного автомобиля без буксирования ведущих колес, равен: ) ( ц x a x h L a arctg 101 Очевидно, что критический угол подъема α в большей степени за- висит от коэффициента сцепления. Для автопоездов при φ х ≈0,3α состав- ляет 4…6°, для одиночных автомобилей с одной ведущей осью α= 10…15°, для автомобилей со всеми ведущими колесами α = 17…19°. Поперечная устойчивость – это свойство транспортного средства сохранять ориентацию вертикальной оси в поперечной плоскости в за- данных пределах. Она определяет его способность противостоять зано- су и опрокидыванию при криволинейном движении по дороге или уча- стку со значительным поперечным уклоном (косогору). Показателями поперечной устойчивости являются: критическая скорость криволинейного движения транспортного средства, соответст- вующая началу заноса; критическая скорость криволинейного движения транспортного средства, соответствующая началу его опрокидывания; критический угол косогора, соответствующий началу поперечного скольжения колес; критический угол косогора, соответствующий началу поперечного опрокидывания транспортного средства. При повороте автомобиля на кривой радиусом R n (рис. 2.31) в цен- тре масс О ц возникает центробежная сила Р ц ,стремящаяся сместить ав- томобиль в боковом направлении: П a a Ц R g V G P 2 Р ц раскладывается на две составляющие: продольную Р х и попе- речную Р у . Для безопасного движения основное значение имеет сила Р у , вызывающая скольжение и опрокидывание автомобиля. Величину Р ц можно рассчитать по формуле: cos 2 П a a Ц R g V G P , где γ – угол между радиусом траектории центра масс автомобиля и про- должением оси задних колес (рис. 2.31). Рис. 2.31. Схема сил, действующих при криволинейном движении 102 При поворотах угол γ имеет небольшое значение и поэтому в рас- четах на устойчивость автомобиля используют не составляющую силы Р у от Р ц , а полное значение сил Р ц . Противодействует смещению автомобиля сила сцепления колес с дорогой Р сц : n k y a y k сц G G Р 1 , где G k – сила тяжести, приходящаяся на колесо, кг; φ у – коэффициент сцепления шин с дорогой в поперечном направлении. Условие неустойчивого равновесия: y a n a a G R g V G 2 Отсюда легко рассчитать скорость (критическую), с которой можно вести автомобиль без опасности заноса по горизонтальному участку, м/с: n y з кр R g V Согласно этой формуле движение автомобиля будет устойчивее на дорогах с пологими поворотами, хорошим качеством и состоянием по- крытия, а также при ограниченных скоростях движения. Условие устойчивости автомобиля в случае возможного опрокиды- вания получаем, составляя уравнение моментов относительно центра опрокидывания – точки О (рис. 2.32), в котором опрокидывающему действию поперечной силы Р ц на плече h ц , возникающей при движении автомобиля на повороте, характеризующемся радиусом R п , противодей- ствует сила G а на плече B/2. 2 B G h Р a ц ц или 2 2 В R g h V G n ц a a , где h ц – высота центра масс, м; В – колея, м. Рис. 2.32. Действие в поперечной плоскости моментов от сил Р ц и G a на повороте радиусом R n 103 Плечо действия силы G а будет несколько меньше Б/2 вследствие деформации упругих элементов подвески под действием центробежной силы и крена подрессоренных масс. Это учитывается введением коэф- фициента η кр . После преобразования максимально возможная скорость (критическая), с которой можно вести автомобиль без опасности опро- кидывания по горизонтальному участку, м/с: ц n кр опр кр h R B g V 2 , где η кр – коэффициент, учитывающий деформацию упругих элементов подвески (рессор, шин), η кр = 0,85–0,95. При движении транспортного средства по дороге с поперечным ук- лоном потеря устойчивости может произойти в результате действия поперечной составляющей силы тяжести, равной G g sinβ. В случае, если вектор силы тяжести пересекает опорную поверхность вне колеи, опро- кидывание неизбежно. Критический угол косогора по условиям заноса: у з arctg Критический угол косогора по условиям опрокидывания при дви- жении на прямолинейном участке (без учета деформации рессор и шин): arctg h B arctg 2 0 , где В/(2h)=η – коэффициент поперечной устойчивости транспортного средства. Коэффициент поперечной устойчивости – переменная величина, так как высота h g расположения центра масс зависит от степени загруз- ки автомобиля, характера и расположения груза. Для сравнительной оценки поперечной устойчивости различных транспортных средств применяют значения h g , соответствующие полной нагрузке при равно- мерном распределении наиболее характерного для данного автомобиля груза. При движении по дороге одновременный занос обоих мостов авто- мобиля происходит редко. Чаще начинается скольжение одного из мос- тов. Очевидно, что менее вероятен занос моста, колеса которого имеют большую силу сцепления с дорогой и меньшую касательную реакцию. Большие касательные реакции имеют колеса, нагруженные силой тяги или тормозной силой. Следовательно, при движении без торможения большую вероятность попасть в занос имеют ведущие колеса. При зано- се заднего моста (рис. 2.33а) поперечная составляющая Р у центробеж- ной силы Р ц действует в направлении скольжения моста, увеличивая занос. Поэтому занос заднего моста является прогрессирующим. 104 Рис. 2.33. Схемы заноса мостов автомобиля и гашения его: V 1 и V 2 – соответственно скорости движения передней и задней оси; V a – скорость движения автомобиля; V 3 – скорость заноса оси автомобиля Гашения заноса в этом случае можно достичь, уменьшив каса- тельную реакцию на задних колесах в результате прекращения тор- можения и, если они ведущие, выключив сцепление. Кроме того, не- обходимо повернуть передние колеса в сторону заноса, в результате чего центр поворота сместится из точки О в точку О 1 . При этом уве- личится радиус поворота и снизится центробежная сила Р ц (рис. 2.33в). При заносе передней оси (рис. 2.33б) поперечная составляющая Р у центробежной силы Р ц направлена в сторону, противоположную заносу, и происходит автоматическое гашение (рис. 2.33б). |