БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ЯЩЕНКО. В. Ф. Юхименко а. А. Яценко безопасность
 Скачать 3.57 Mb.
|
|
2.6. Тяговая динамика автомобиля К характерным видам ДТП, связанным с низкими показателями скоростных свойств автомобиля, можно отнести следующие: – столкновения автомобиля с недостаточной тяговой динамикой в процессе выполнения маневров и обгона со встречным АТС. – столкновения (наезды) вследствие нестабильности скорости дви- жения транспортного потока; – столкновения при объезде препятствий в условиях выезда на по- лосу встречного движения; – столкновения вследствие падения скорости при движении на по- воротах; – столкновения вследствие падения скорости при движении на за- тяжных подъемах; – столкновения вследствие снижения общей маневренности авто- мобиля с недостаточной тяговой динамикой и т.п. Основными причинами недостаточной тяговой динамики автомо- биля могут быть: низкая удельная мощность, повышенные тепловые и механические потери двигателя, низкий КПД трансмиссии, повышен- ные потери на качение, плохая обтекаемость кузова, высокие инерцион- ные потери и т.п. Поэтому логически вытекает требование по БДД, что- бы различные модели АТС имели близкие по своим значениям и доста- точно высокие показатели тягово-скоростных свойств. В условиях эксплуатации не допускается существенное снижение этих показателей. Причем даже для разных типовых групп АТС жела- тельно иметь близкие показатели этих свойств. 81 2.6.1. Факторы (показатели и характеристики) тягово-скоростных свойств автомобиля К основным факторам (показателям и характеристикам) ТСС авто- мобиля, влияющим на БДД, относятся: тяговый и мощностной баланс, удельная мощность, приемистость, максимальные скорости и ускоре- ния, путь и время разгона, характеристики шин, параметры трансмиссии и некоторые другие. Тяговый и мощностной баланс – это зависимость тяговой силы или мощности на ведущих колесах автомобиля от скорости движения авто- мобиля на горизонтальной дороге с твердым и гладким покрытием. Удельная мощность – это отношение максимальной (номинальной) мощности двигателя к полной массе автомобиля. Приемистость – способность автомобиля к наращиванию скорости на горизонтальной дороге при полном использовании мощности двига- теля. Максимальная скорость – скорость, развиваемая автомобилем на горизонтальной дороге с твердым и гладким покрытием при полном использовании мощности двигателя. Условная максимальная скорость определяется при тех же условиях – при разгоне автомобиля на пути 1000 м. Максимальное ускорение – приращение скорости в единицу време- ни при разгоне автомобиля на горизонтальной дороге с твердым и глад- ким покрытием при полном использовании мощности двигателя. Максимальное замедление – падение скорости в единицу времени при аварийном торможении автомобиля на горизонтальной дороге с твердым и гладким покрытием вплоть до его остановки. Путь и время разгона – это измеренные величины пути и времени при разгоне автомобиля с места или в заданном диапазоне скоростей на горизонтальной дороге с твердым и гладким покрытием при полном использовании мощности двигателя. Рассмотрим влияние на БДД некоторых факторов тяговой динами- ки автомобиля. Тяговый и мощностной баланс На графике (рис. 2.19) представлен мощностной баланс автомобиля: исходный (а) и относительный (б); где η тр ·N emax = N kmax – максимальная мощность двигателя, приведенная к ведущим колесам; η тр – КПД транс- миссии; V max (о) – максимальная скорость на горизонтальной дороге (i=0), определяемая максимальной мощностью на ведущих колесах (горизон- тальная линия) и суммарным сопротивлением движению (N c ); V i – текущая (итая) скорость; V max (i) – максимальная скорость на заданном предельном подъеме; N k /N kmax – относительная мощность на ведущих колесах; V/V max – относительная скорость движения; I, II, III, IV – номера передач (ступеней) 82 трансмиссии; N c /N kmax – относительная суммарная мощность сопротивле- ний движению; N i/ N kmax – относительный запас мощности, используемый для разгона автомобиля с ускорением j р или для преодоления дополнитель- ного сопротивления движению (подъем, препятствие). Рис. 2.19. Мощностной баланс автомобиля Вцелом о тягово-скоростных возможностях автомобиля (незави- симо от его типа: легковой, автобус, грузовой) можно судить по относи- тельному мощностному балансу, где показан характер изменения мощ- ности от скорости на различных передачах трансмиссии. Кроме того, им удобно пользоваться для построения мощностного баланса любого кон- кретного автомобиля. Для этого достаточно знать (задать) две исходных величины: V max и N kmax (мощность на ведущих колесах). Текущие значе- ния величин определяют по соотношениям: V=V отн ·V max , N k =N отн ·N kmax Каждая кривая мощности на каждой передаче трансмиссии позво- ляет определить графически запас мощности N j и суммарную мощность сопротивлений движению (рис. 2.19б). Максимальная скорость автомобиля (V max (о) на рис. 2.19а) опреде- ляется, исходя из максимальной мощности двигателя, в точке пересече- ния с кривой Nс суммарных сопротивлений движению. Чем больше ве- личина максимальной скорости, тем выше средняя скорость движения автомобиля в различных условиях эксплуатации. Это, с одной стороны, как бы снижает безопасность дорожного движения, но с другой – по- вышает ее при обгонах, движении на подъемах большой протяженно- 83 сти, способствует выравниванию скоростей транспортных потоков и преодолению различного рода препятствий. С максимальной скоростью связаны и такие сопутствующие пока- затели, как скорость преодоления заданного максимального подъема (рис. 2.19 а), скорости движения V i на подъемах большой протяженно- сти и средние скорости движения на дорогах с переменным продольным профилем. В свою очередь, максимальная скорость зависит от удельной мощности автомобиля. Удельная мощность и характеристика двигателя В ряде стран минимальное значение удельной мощности регламен- тируется в законодательном порядке. Такая мера способствует вырав- ниванию скоростей потока автотранспорта на дорогах общего пользо- вания, что положительно сказывается на БДД. Зависимость времени разгона автомобиля до заданной скорости (60 км/ч и на пути 1000 м на горизонтальной дороге) от удельной мощ- ности показана на графике (рис. 2.20). Рис. 2.20. Зависимость времени разгона от удельной мощности автомобиля: а – до скорости 60 км/ч; б – на пути 1000 м: – математическое ожидание; ---- границы поля рассеивания Видно, что время разгона автомобиля до заданной скорости особенно интенсивно меняется в зоне малых значений удельной мощности (5– 84 10 кВт/т); это существенно сказывается на безопасности обгонов и пре- одолении затяжных подъемов. Например, уровень безопасности автомоби- ля с N уд =5кВт/т значительно ниже, чем автомобиля с N уд =8 кВт/т и т.д. Данная зона относится к грузовым автомобилям и автобусам с малой удельной мощностью. В зоне высоких значений N уд (правое поле графика), принадлежащих к легковым автомобилям, время разгона до заданной ско- рости изменяется плавно, что не оказывает существенного влияния на БДД. Например, автомобили с N уд =20 кВт/т по времени разгона мало отличают- ся от автомобилей с N уд =30 кВт/т и т.д. Однако по времени разгона на пути 1000 м это различие остается существенным. На графике (рис. 2.21) представлены зависимости некоторых пара- метров движения грузового автомобиля от удельной мощности: време- ни разгона до скорости 60 км/ч, максимальной скорости и передаточно- го числа трансмиссии. Изменение этих параметров особенно сущест- венно в зоне малых значений удельной мощности (4... 12 кВт/т). В зоне высоких значений (от 16 и более кВт/т) характеристики протекают более плавно, но влияние N уд остается заметным. С точки зрения БДД важна именно первая зона. Это подтверждает целесообразность регла- ментации нижнего предела удельной мощности для обеспечения БДД. Рис. 2.21. Зависимости параметров движения грузового автомобиля от удельной мощности: а – времени разгона до скорости 60 км/ч и максимальной скорости; б – частоты вращения коленчатого вала на единицу пути, пройденного на передачах, и среднего передаточного числа трансмиссии 85 Влияние таких факторов, как рабочий объем двигателя, турбонад- дув, дефорсировка двигателя, мощностные потери, подчинено общей закономерности влияния удельной мощности. Если то или иное меро- приятие повышает удельную мощность, то оно повышает и среднюю скорость автомобиля, а если же снижает N уд , то снижает и среднюю ско- рость. Следует, однако, выделить особо влияние характеристики двигате- ля, так как это не находит отражения в понятии удельной мощности. На графике (рис. 2.22) показано влияние формы характеристики двигателя на параметры движения автомобиля. По мере увеличения частоты вра- щения вала двигателя от минимума к максимуму кривые мощности N e и крутящего момента M e могут занимать положения 1, 2 или промежуточ- ные между ними (рис. 2.22). Рис. 2.22. Влияние формы характеристики двигателя на параметры движения автомобиля: а – варианты 1 и 2 характеристики двигателя; б – режимы разгона автомобиля; в – скоростные характеристики автомобиля; II, III, IV, V – номера передач 86 В большинстве случаев при решении практических задач можно ограничиться подсчетом только одного значения η j , соответствующего той или иной характерной скорости движения. Наиболее характерной в потоке автотранспорта можно считать скорость 60 км/ч. Значения η j при этой скорости для ряда отечественных и зарубежных автомобилей (ав- топоездов) представлены в табл. 2.7. Таблица 2.7 Показатель приѐмистости АТС при скорости 60 км/ч Легковые автомобили Автобусы Грузовые автомоби- ли и автопоезда ЗАЗ-968 0,47 ПАЗ-672 0,57 УАЗ-451 0,51 Фиат- 127 0,68 ПАЗ-3203Т 0,67 ГАЗ-53 0,53 Фиат-128 0,70 Магирус-Дойц 75Е6 0,62 ЗИЛ-130 с прицепом 0,42 Фиат-124 0,75 Витцерой-37 0,57 ЗИЛ-130 0,56 ВАЗ-2101 0,73 ЛАЗ-693 0,60 МАЗ-500 0,50 ВАЗ-2103 0,75 ЛиАЗ-677 0,64 МАЗ-504 0,34 М-412 0,73 Шкода ШМII 0,49 МАЗ-503Б 0,51 Рено-16ТА 0,74 Магирус- Дойц150LS12 0,58 КрАЗ-256 0,04 Фольксваген К70 0,80 Магирус- Дойц150E12 0,58 Мереедес- Бенц L1817 0,46 Мерседес-Бенц- 220Д 0,60 Мереедес-Бенц 0302 0,59 ГАЗ-24 0,69 Мереедес-Бенц 0305 0,59 Фиат-130 0,82 Из приведенных данных видно, что при скорости 60 км/ч значения показателя приемистости у современных легковых автомобилей состав- ляют примерно 0,7–0,8, у автобусов 0,6–0,7, у грузовых автомобилей 0,5–0,6 и автопоездов 0,4–0,5. Особая роль показателю приемистости отводится при выборе мощ- ности двигателя автомобиля, предназначенного для городских и горных условий эксплуатации, так как в этих условиях высокая потребляемая мощность определяется не максимальной скоростью, а повышенными 87 сопротивлениями дороги и инерционными сопротивлениями при разго- нах автомобиля. Значения показателя приемистости для автомобилей разных типов при скорости движения 60 км/ч приведены в табл. 2.7. Видно, что при одинаковой максимальной мощности двигателя ха- рактеристики крутящего момента, мощности, разгонные и скоростные характеристики автомобиля не одинаковы. Характеристики максималь- ной мощности протекают более благоприятно и лежат выше характери- стики крутящего момента. Это благоприятно влияет на все параметры движения, в том числе на БДД. Экспериментально установлено, что увеличение коэффициента приспособленности (отношение максимального крутящего момента к моменту при максимальной мощности) способствует увеличению мак- симальной скорости автомобиля, сокращению времени разгона и увели- чению средней скоростидвижения. Аналогичный характер зависимо- стей наблюдается и при сокращении частоты вращения вала двигателя, так как при этом увеличивается величина крутящего момента. Такая тенденция в изменении характеристик двигателя наблюдается в ряде зарубежных стран, что способствует повышению БДД за счет большей устойчивости движения, преодоления подъемов и меньшего числа пере- ключения передач. Приемистость автомобиля Существенное влияние на БДД указывает приемистость автомоби- ля. Показатель приемистости η j в значительной степени зависит от ско- рости движения (при прочих равных условиях). Чем ниже скорость движения, тем выше значение показателя η j , и наоборот. При малых скоростях движения значения η j приближаются к единице, а при высо- ких – к нулю. В связи с этим сравнительную оценку приемистости ав- томобилей по этому показателю целесообразно проводить только при одинаковой (заданной) скорости движения, причем значения этой ско- рости должны лежать в средней, а не в крайних зонах скоростного ин- тервала. Данный показатель может быть эффективно применен как для сравнительной оценки приемистости автомобилей, так и для выбора их мощностных параметров. При проектировании новых или модернизации выпускаемых авто- мобилей значения коэффициентов η N и η j необходимо принимать по лучшим аналогам. При наличии графика N, V мощностного баланса (рис. 2.19а), кото- рый обычно является исходным для тяговых расчетов, значения показа- теля η j можно подсчитать практически при любых интересующих нас мощностях и скоростях движения, а при необходимости и построить график, выражающий зависимость η j =φ·(N e ,V). Сначала надо задать N t и 88 η N (его можно принять равным КПД трансмиссии). Затем, задавая зна- чения V I , подсчитать значения N c 2.6.2. Определение параметров обгона Обгон является важным маневром, который позволяет водителю автомобиля поддерживать оптимальную, по условиям задачи управле- ния, среднюю скорость. Возможность выполнения обгона зависит от скорости обгоняемого А 2 и скоростных свойств обгоняющего А 1 авто- мобиля, наличия необходимого интервала во встречном потоке. Обгон может выполняться «схода» и «с ожиданием» возможности обгона, ко- гда начальная скорость обгоняющего А 1 автомобиля равна скорости об- гоняемого А 2 автомобиля. Последняя схема является наиболее типичной для сегодняшнего состояния автотранспортного потока (АТП). Обгон «схода», при отсутствии встречных автомобилей, наиболее прост. Об- гон «с ожиданием» сложнее. На рис. 2.23 представлена схема обгона «с ожиданием». Перед на- чалом обгона водитель обгоняющего А 1 следует за обгоняемым А 2 авто- мобилем с временным интервалом t 12 , которому соответствует дистан- ция S 12 . В процессе обгона в определенный момент (в данном случае расчет ведется для положения 1.1, когда обгоняющий А 1 догнал А 2 ) во- дитель должен принять окончательное решение о завершении или пре- кращении обгона. В случае продолжения обгона А 1 опережает А 2 и воз- вращается на свою полосу движения (положения 2.3 и 1.2). В момент завершения обгона между обгоняемым и обогнавшим автомобилями должен быть временной интервал t 21 , которому соответствует дистанция S 21 , при этом встречный A 3 автомобиль может свободно пройти по своей полосе. В последующие моменты времени интервал S 21 быстро увели- чивается, так как скорость у обгоняющего автомобиля выше, чем у об- гоняемого. Рис. 2.23. Схема обгона «с ожиданием»: Разгон автомобиля при обгоне должен выполняться с максималь- ной интенсивностью и : прекращаться плавно после его завершения. 89 Реализация такого, режима возможна только в том случае, когда имеет- ся необходимый интервал времени и запас пути между обгоняемым А 2 автомобилем и автомобилем А 3 , движущимся ему навстречу. (В против- ном случае водитель обгоняющего А 1 автомобиля после завершения обгона будет вынужден экстренно затормозить.) Описанный режим движения обеспечивает минимальные значения пути и времени обгона по схеме «с ожиданием». Значения времени обгона t обг , пути обгона S обг и скорости обгоняющего А 1 автомобиля в момент завершения обгона V обг в зависимости от скорости обгоняемого A 2 – определяют предель- ные условия, при которых обгон может быть завершен. На рис. 2.24 показана схема незавершенного обгона. В положе- нии 1.1 водитель А 1 принимает решение прекратить обгон. В положе- нии 1.2 он притормаживает и отстает от обгоняемого автомобиля А 2 , а на дистанции примерно в один метр прекращает торможение и начинает перестраиваться в свой ряд; в этот момент, обгоняемый автомобиль А 2 уходит вперед, а автомобиль А 1 возвращается на свою полосу движения, совершая маневр за время t п (время перестроения). Рис. 2.24. Схема незавершѐнного обгона: За это время А 1 проходит путь S п перестроения. Торможение вы- полняется с максимальным замедлением для данной категории АТС. Значения времени t нобг и пути S нобг незавершенного обгона определяют предельные условия, при которых возможно избежать ДТП при неза- вершенном обгоне. Сопоставление значений t обг и t нобг , S обг и S нобг позволяет оценить правильность выбора момента о возможности или невозможности за- вершить обгон. Для того чтобы решение о прекращении обгона повышало безопас- ность (т.е. уменьшало вероятность столкновения со встречным автомо- билем) по сравнению с решением продолжать обгон, необходимо, что- бы время и путь незавершенного обгона были меньше, чем при его за- 90 вершении. Разница между этими значениями завершенного и незавер- шенного обгонов определяет величину резервов безопасности. Если резервы равны нулю или становятся отрицательными, то это означает, что решение о необходимости прекратить обгон надо было принимать раньше, чем обгоняющий автомобиль догонит обгоняемый АТС. Условия завершения обгона можно записать вследующем виде: 2 1 21 2 12 L L S S S S (2.9) где S 12 – дистанция между автомобилями А 1 и А 2 перед обгоном, м; S 2 – путь, проходимый обгоняемым А 2 за время обгона, м; S 21 – дистанция между обгоняемым А 1 и обгоняющим А 2 автомоби- лями после завершения обгона, м; L 1 – длина обгоняющего А 1 автомобиля, м; L 2 – длина обгоняемого А 2 автомобиля, м; Вычисление значений S 12 , S 2 , S 21 производится по формулам: 6 , 3 2 12 12 V t S , (2.10) 6 , 3 2 2 V t S обг , (2.11) 6 , 3 2 21 21 V t S (2.12) В ряде случаев можно принять: S 12 =S 21 (0,3... 0,5) V 2 ; большее зна- чение (0,5) принимают при движении по магистральным дорогам. Длины L 1 и L 2 принимают в зависимости от типа АТС. Если легко- вой и грузовой, то можно принять L 1 = 5м, и L 2 = 10 м. Значение пути обгоняющего автомобиля принимается равным пути обгона (при обгоне схода): S 1 = S обг V·t обг , м. При обгоне «с ожиданием» скорость разгона обгоняющего автомо- биля подсчитывается по формулам: t j V V p 2 , (2.13) t j V V си p 2 , (2.14) где j – среднее заданное ускорение. j – среднеинтегральное ускорение при изменяющемся реальном ус- корении. Способ определения ускорения j в первом случае прост. Ускорение обычно принимают j=0,4... 0,8 м/с 2 (не более). Последнее соответствует легковым автомобилям высокого класса. Здесь учитывается, что разгон вданном случае осуществляется либо на прямой, либо на предшест- вующей (обгонной) передаче. При вычислении V p при переменном ус- 91 корении рекомендуется использовать способ, описанный ниже, с помо- щью графика относительных ускорений (рис. 2.25б). Значения скорости V p , при заданном интервале времени А 1 , можно определить также по формуле: V = V max (1-е -t/Tv ) где V max – максимальная скорость обгоняющего АТС, км/ч; t – текущее время, с; T V – постоянная времени разгона, с; Определение пути разгона можно определить по формуле: 6 , 3 ) 1 ( / max V T t V e T t V S , м (2.15) Если процесс обгона длился в течение всего времени t обг , то S обг S 1 = S р , м. Если нет, то следует учесть другие элементы пути S 21 , L 1 , L 2 соглас- но (2.9). Описание графического способа определения параметров обгона начнем с ускорений разгона обгоняющего автомобиля: Рис. 2.25. а – зависимость ускорения от скорости при разгоне автомобиля на горизонтальной дороге; б – зависимость относительного ускорения от относительной скорости при разгоне автомобиля на горизонтальной дороге 92 Статобработка ускорений разгона, выполненная на центральном автополигоне НАМИ, позволила получить универсальную зависимость ускорений разгона АТС различных типов от скорости разгона (рис. 2.25а), и относительных ускорений от относительной скорости (рис. 2.25б). Видно, что все точки j отн АТС различных типов лежат на одной кривой (рис. 2.25б). Пользуясь этим графиком, можно построить зависимость ускоре- ний разгона от скорости для любого типа АТС. Для этого следует за- даться лишь двумя величинами: V max и j max |