безопасность автотранспортных средств

В. В. Ломакин, Ю. Ю. Покровский,
И. С. Степанов, О. Г. Гоманчук
БЕЗОПАСНОСТЬ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Под общей ред. В.В. Ломакина
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных
машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебника
для студентов, обучающихся по специальности «Автомобиле- и
тракторостроение»
Москва
2011
УДК 629.113/.115: 658.382.015.12: 331.101.1
Ломакин В. В., Покровский Ю. Ю., Степанов И. С., Гоманчук О. Г.
Безопасность автотранспортных средств: Учебник для вузов. / Под общ. ред.
В.В. Ломакина. – М: МГТУ «МАМИ», 2011. – 299 с.
Рассмотрены конструктивные особенности современных автомобилей,
непосредственно влияющие на активную, пассивную и экологическую
безопасность автотранспортных средств. Разобраны вопросы нормативного
обеспечения безопасности автомобилей, приведены примеры использования
современных достижений науки в их конструкциях.
Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся на
автомобильных специальностях, а также может быть использовано
инженерно-техническими работниками автомобильной промышленности и
автомобильного транспорта.
Рецензенты: Засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф. В.М. Шарипов; д.т.н.,
проф. Г.И. Гладов
© Ломакин В.В.,Покровский Ю. Ю.,
Степанов И. С., Гоманчук О. Г.
© Издательство МГТУ «МАМИ», 2011
2
ВВЕДЕНИЕ
В развитии экономики любой страны огромную роль играет
автомобильный транспорт. Высокие темпы автомобилизации в последние
десятилетия объясняются большей, в сравнении с другими транспортными
средствами (далее — ТС), эффективностью и возможностью автономной
(независимой от других видов транспорта) работы и мобильностью
автомобиля. Как следствие, парк автомобилей и объем перевозок грузов и
пассажиров автомобильным транспортом растет значительно быстрее, чем на
других видах транспорта.
Ежегодно в мире выпускается около 55 млн автомобилей, из них 45
млн легковых, что обеспечивает прирост мирового парка автомобилей, на
15...18 млн единиц в год. В Российской Федерации производится около 1 млн
автомобилей и импортируется около 500 тыс. автомобилей в год. В
настоящее время мировой парк автомобилей составляет более 600 млн
единиц, из которых примерно 80% — легковые автомобили. Увеличение
автомобильного парка приводит к повышению интенсивности движения,
росту загруженности дорог автомобилями (в наиболее развитых странах
интенсивность движения составляет 20...40 автомобилей, а загруженность
дорог — 250...650 тыс. автомобилей на 1 км протяженности дорог) и росту
числа автомобилей, приходящихся на 1 000 жителей (в развитых странах
составляет 300…600 автомобилей, в Российской Федерации — 150...180.
Однако наряду с положительной ролью, которую автомобильный
транспорт играет в развитии экономики, существуют и негативные факторы,
связанные с процессом автомобилизации (например, загрязнение
окружающей среды, возникновение градостроительных проблем, связанных
с обустройством городских улиц и дорог для проезда транспорта и
выделением площадок для стоянок транспортных средств, рост дефицита
нефтепродуктов и т.д.). К числу наиболее отрицательных факторов,
обусловленных
автомобилизацией
относятся
дорожно-транспортные
происшествия (ДТП), их последствия, характеризующиеся ранением и
гибелью людей, материальным ущербом от повреждения транспортных
средств, грузов, дорожных или иных сооружений, выплатой пособий по
инвалидности и временной нетрудоспособности, а также отрицательное
влияние на окружающую среду, вызывающее неизбежное ухудшение
экологической обстановки.
Несмотря на осуществляемые мероприятия по предотвращению
вероятности ДТП, ежегодно в мире на дорогах погибает более 500 тыс. и
получают ранения около 10 млн человек. В Российской Федерации в
результате ДТП ежедневно погибает около 90 человек. Автомобильный
транспорт является наиболее опасным из всех видов транспорта.
Материальный ущерб от ДТП в экономически развитых странах
достигает 10 % годового национального дохода.
3
Следовательно, решение проблемы повышения безопасности
дорожного движения (БДД) имеет большую социальную и экономическую
значимость и является одной из кардинальных проблем автомобилизации.
На безопасность дорожного движения оказывает влияние большое
число факторов. Для удобства изучения все эти факторы условно делят на
четыре взаимосвязанные части (водитель, автомобиль, дорога, среда) и
рассматривают как элементы единого комплекса (ВАДС).
Обеспечить БДД или безопасность комплекса ВАДС — значит
добиться минимально возможного числа ДТП и числа пострадавших в
условиях автомобилизации: роста числа автомобилей и увеличения
скоростей движения.
Конечной целью обеспечения безопасности комплекса ВАДС
является создание и эксплуатация высокоэффективных транспортных систем
на основе рационального использования возможностей человека и
технических средств с минимальным негативным воздействием последних.
В настоящем учебнике рассмотрена одна из составляющих системы
ВАДС - конструктивная безопасность автомобиля.
Конструктивная безопасность автомобиля представляет собой
сложное его свойство. Для удобства изучения отдельных аспектов ее делят
на активную, пассивную, послеаварийную и экологическую.
Активная безопасность автомобиля – свойство автомобиля
предотвращать дорожно-транспортное происшествие (снижать вероятность
его возникновения). Активная безопасность проявляется в период,
соответствующий начальной фазе ДТП, когда водитель в состоянии изменить
характер движения автомобиля.
Активную безопасность ТС определяют следующие его свойства:
- компоновочные параметры автомобиля (габаритные и весовые);
- тяговая динамичность;
- тормозные свойства;
- устойчивость;
- управляемость;
- информативность;
- оборудование рабочего места водителя, его соответствие требованиям
эргономики.
- надежность транспортных средств, их комплектующих и элементов
оборудования, влияющих на вероятность возникновения ДТП.
Важными факторами активной безопасности автомобиля является
обзорность дороги водителем через ветровое стекло и зеркала заднего вида,
удобство размещения водителя на сиденье, защищенность его от вибраций и
шума, характеристики микроклимата, доступность и удобство пользования
органами управления, обзорность и информативность панели приборов, и
многое другое (рис.В.1).
4
Рис. В.1. Структурная схема активной безопасности автомобиля
Пассивная безопасность автомобиля — 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 дорожнотранспортное происшествие (кульминационная фаза ДТП). Различают
внутреннюю пассивную безопасность, снижающую травматизм пассажиров,
водителя и обеспечивающую сохранность грузов, перевозимых автомобилем,
и внешнюю безопасность, которая уменьшает возможность нанесения
повреждений другим участникам движения.
Послеаварийная безопасность автомобиля — свойство автомобиля
уменьшать тяжесть последствий дорожно-транспортного происшествия
после его остановки (конечная фаза ДТП). Это свойство характеризуется
возможностью быстро ликвидировать последствия происшествия и
предотвращать возникновение новых аварийных ситуаций.
Пассивная безопасность тесно взаимосвязана с послеаварийной
безопасностью ТС и обычно их рассматривают совместно.
Структурная схема элементов пассивной безопасности автомобиля
представлена на рис. В.2.
5
Рис. В.2. Структурная схема пассивной безопасности автомобиля
На рис.В.3 условно показана динамика изменения уровней
безопасности комплекса «Водитель-Автомобиль-Дорога-Среда» в различных
фазах дорожно-транспортного происшествия.
Рис. В.3. Динамика изменения уровней безопасности комплекса
«ВАДС» в различных фазах дорожно-транспортного происшествия: 1 уровень активной безопасности; 2 - уровень пассивной безопасности; 3 уровень послеаварийной безопасности.
6
Экологическая безопасность автомобиля — свойство автомобиля,
позволяющее уменьшать вред, наносимый участникам движения и
окружающей среде в процессе его нормальной эксплуатации. Таким образом,
экологическая безопасность, проявляющаяся во время повседневной работы
автомобиля, коренным образом отличается от перечисленных выше трех
видов безопасности, которые выявляются лишь при дорожно-транспортном
происшествии (явлении экстраординарном, хотя и распространенном).
Описанные выше виды безопасности рассматриваются изолированно
один от другого, однако это делается лишь для простоты их изучения. В
действительности все они связаны между собой, влияют один на другой, и не
всегда можно провести четкую границу между отдельными видами
безопасности. Так, например, хорошая тормозная система, позволяющая
остановить автомобиль на коротком расстоянии, повышает вероятность
предотвращения ДТП, улучшая активную безопасность автомобиля. Кроме
того, чем эффективнее тормозная система, тем большее замедление
автомобиля она обеспечивает на том же расстоянии. Следовательно, если
даже не удастся предотвратить наезд или столкновение, то вероятная тяжесть
последствий ДТП все же будет меньше, т.е. повысится пассивная
безопасность. Замки автомобильных дверей должны выдерживать большие
перегрузки, не открываясь, чтобы предотвратить выпадение пассажиров при
ДТП (пассивная безопасность). Вместе с тем они не должны заклиниваться и
препятствовать эвакуации пострадавших из автомобиля (послеаварийная
безопасность).
Безопасность транспортных средств как источников возникновения
ДТП в большой степени определяет БДД в целом.
Конструкция ТС в отличие от других составляющих комплекса ВАДС
подвергается непрерывной модернизации, поэтому появляются практические
возможности для достаточно оперативного внедрения мероприятий по
повышению безопасности.
Предписания
нормативных
документов,
регламентирующих
технические требования, предъявляемые к транспортным средствам и
методам их испытаний, положены в основу регламентации требований
активной и пассивной безопасности, обеспечение соответствия которым
является основной задачей сертификации.
Сертификация транспортных средств — это действие третьей
стороны (независимой от производителей и потребителей продукции),
доказывающее, что должным образом идентифицированная продукция —
транспортные средства — соответствует определенным нормативным
документам, составляющим нормативную базу сертификации.
Определение
перечня
нормативных
документов,
которые
регламентируют технические требования к транспортным средствам,
является важным этапом при создании системы сертификации.
В системе сертификации ТС нормативную базу могут составлять
международные и национальные нормативные документы. В каждой системе
сертификации устанавливается перечень нормативных документов для
7
обязательной и добровольной сертификации. Этот перечень обычно
уточняется и пересматривается один раз в несколько лет, что обусловлено
развитием сертификации.
Российская Федерация как договаривающаяся сторона Женевского
Соглашения 1958 г., приложением к которому являются Правила ЕЭК ООН,
приняла в качестве нормативных документов при сертификации
транспортных средств международные (Правила ЕЭК ООН) и национальные
стандарты (ГОСТы, ОСТы, РД), которые были положены в основу Системы
сертификации механических транспортных средств и прицепов (ГОСТ Р).
В принятом в Женеве 20 марта 1958 г. «соглашении о принятии
единообразных технических предписаний для колесных транспортных
средств, предметов оборудования и частей, которые могут быть установлены
и/или использованы на колесных транспортных средствах, и об условиях
взаимного признания официальных утверждений, выдаваемых на основе этих
предписаний» определено, что термин «колесные транспортные средства,
предметы оборудования и части» включает в себя любые колесные
транспортные средства, предметы оборудования и части, характеристики
которых оказывают влияние на безопасность дорожного движения и охрану
окружающей среды.
Таким образом, Правила ЕЭК ООН, являющиеся приложением к
Соглашению 1958 г. в качестве нормативных документов, устанавливают
уровень конструктивной безопасности колесных транспортных средств
(легковых и грузовых автомобилей и их прицепов, автобусов, мопедов и
мотоциклов, тракторов) и оказывают непосредственное влияние на
безопасность дорожного движения и экологическую безопасность.
В настоящее время принято свыше 120 Правил ЕЭК ООН и пять
проектов Правил находятся в процессе разработки и подготовки к принятию.
Правила ЕЭК ООН, регламентирующие требования, предъявляемые
непосредственно к легковым и грузовым автомобилям, автобусам, их
полуприцепам и прицепам (их общее число свыше 90), можно подразделить
по следующим признакам безопасности:
• активная безопасность (число Правил 44 или 49 % от общего числа);
• пассивная безопасность (23 или 26 %);
• экологическая безопасность (14 или 15 %);
• общие предписания безопасности (9 или 10 %).
Нормативы, регламентирующие активную безопасность, можно
классифицировать на три группы:
• предписания по обеспечению безопасной кинематики и динамики
ТС (т. е. ходовые свойства);
• предписания по информационному обеспечению;
• предписания, косвенно влияющие на активную безопасность.
Предписания, регламентирующие отдельные свойства активной
безопасности, определены следующими Правилами ЕЭК ООН:
ходовые свойства:
• тормозные свойства (Правила № 13, 13-Н, 90);
8
• шины и колеса (Правила № 30, 54, 64, 108, 109);
• органы управления, управляемость и устойчивость (Правила № 35,
79, ОСТ 37.001.471-88, ОСТ 37.001.487-89, РД 37.001.005-86);
• сцепные устройства (Правила № 55, 102);
информационное обеспечение:
• обзорность (ГОСТ Р 51266-99);
• зеркала заднего вида и их установка (Правила № 46);
• стеклоочистители, стеклоомыватели (ГОСТ 18699 — 73 (с
изменениями));
• система освещения и световой сигнализации: фары (Правила № 1, 5,
8, 19, 20, 31, 98, 99, 112, 113), лампы накаливания (Правила № 2, 37),
устройства световой сигнализации — габаритные огни, стоп-сигналы,
указатели поворота и др. (Правила № 3, 4, 6, 7, 23, 38, 77, 87, 91),
опознавательные и предупреждающие знаки (Правила № 27, 65, 69, 70, 104),
установка устройств освещения и световой сигнализации (Правила № 48),
устройства очистки фар (Правила № 45), система сигнализации (Правила №
97);
• звуковые сигнальные приборы и их установка (Правила № 28);
• устройства измерения и ограничения скорости (Правила № 39, 68,
89).
Предписания, регламентирующие свойства пассивной безопасности,
можно разделить условно на две группы: для внутренней и внешней ПБ.
Кроме того, предписания по ПБ, в частности, Правила ЕЭК ООН,
можно разделить на условные группы:
• защитные удерживающие системы — ремни безопасности (РБ),
детские удерживающие системы (ДУС), надувные защитные системы (НЗС),
так называемые подушки безопасности (Правила № 16, 44, 114
соответственно);
• безопасность внутреннего оборудования (Правила N° 11, 12, 14, 17,
21, 25, 34, 80);
• прочность кузова ТС (Правила № 29, 32, 33, 66, 94, 95);
• внешняя травмобезопасность ТС, что актуально для других
участников дорожного движения (Правила № 26, 42,-58 61 73, 93).
Предписания, регламентирующие отдельные виды воздействия ТС на
экологию, можно сгруппировать следующим образом:
• уровень шума (Правила № 51, 59, ГОСТ Р 51616 — 2000);
• выбросы отработавших газов (Правила № 15, 24, 49, 83, 103, ОСТ
37.001.070-94, ГОСТ 12.1.005-88, РД 37.052.154-95, ОСТ 37.001.052-87, ОСТ
37.001.066-85);
• экономия энергии (Правила № 67, 84, 85, 100, 101);
• прочие вредные воздействия (ГОСТ Р 50993 — 96, ОСТ 37.001.24886 (с изменениями), ГОСТ 15150-69 (с изменениями), ОСТ 37.001.481-88,
ОСТ 37.001.482-88, ГОСТ Р 50992-96).
Общие предписания безопасности к конструкции транспортных
средств совмещают в себе требования и активной, и пассивной безопасности,
9
они изложены в Правилах № 36, 52 (Автобусы), 105 (Транспортные средства
для перевозки опасных грузов), 107 (Двухэтажные автобусы).
Настоящий учебник написан авторами на основе собственного опыта
преподавания с учетом результатов проведенных ими исследований в
области безопасности автотранспортных средств, а также на основе
обобщения материалов многочисленных публикаций, прежде всего тех,
которые изданы нашими уважаемыми коллегами, работающими в ведущих
вузах Москвы, С.-Петербурга и других городов Российской Федерации.
Учебное пособие написано авторским коллективом, в состав которого
вошли: Покровский Ю. Ю. (разд. 1.7 – 1.11 главы 1, разд. 2.1 – 2.2 главы 2),
Гоманчук О. Г. (разд. 1.1 – 1.6 главы 1), Степанов И. С. (разд. 2.3-2. главы 2),
Ломакин В. В. (глава 3),общее редактирование учебника произведено
В.В.Ломакиным.
Авторы благодарят аспиранта ТулГУ Власова М. Ю. за помощь,
оказанную в подборе иллюстрации и оформлении текста рукописи.
10
Глава 1. Активная безопасность автомобиля
В настоящее время наблюдается резкое увеличение количества автомобилей,
они становятся более динамичными и мощными. Все это приводит к
повышению числа автомобильных катастроф, поэтому создание максимально
безопасного автомобиля стало одним из приоритетных направлений работы
автопроизводителей. Но создание безопасного автомобиля вовсе не означает
создание медленного или мало энерговооруженного автомобиля. Бывают
случаи, когда в экстремальной дорожной ситуации лучше и безопаснее резко
разогнать автомобиль, чем тормозить. Поэтому большое внимание
конструкторы уделяют усовершенствованию двигателей и трансмиссий. Но
быстро разгоняющийся автомобиль должен и быстро останавливаться. Так с
каждым годом тормозные системы становятся более эффективными.
Многочисленные электронные системы позволяют избежать заноса,
сокращают тормозной путь, распределяют крутящий момент по осям
автомобиля в зависимости от нагрузки и многое другое. На активную
безопасность большое влияние оказывают шины и диски. Именно они
обеспечивают устойчивость автомобиля, надежный контакт с дорогой.
Большое значение для безопасности играет обзорность. Но увеличивать
площадь остекления и уменьшать ширину стоек до бесконечности
невозможно, т. к. необходимо учитывать всю вероятность опрокидывания
автомобиля при аварии. Таким образом, из множества вышеупомянутых
факторов, порой противоречивых, создается активная безопасность
автомобиля, главная задача которой – предотвратить возможную катастрофу.
Итак, активная безопасность – это комплекс организационно-технических
мероприятий, которые с помощью водителя или без него предотвращают
возникновение ДТП.
Активная безопасность автомобиля определяется также отсутствием
внезапных отказов в конструктивных системах автомобиля, особенно
связанных с возможностью маневра, а также возможностью водителя
уверенно и с комфортом управлять системой автомобиль-дорога. К активной
безопасности автомобиля относится также соответствие тяговой и тормозной
динамики автомобиля дорожным условиям и транспортным ситуациям, а
также психофизиологическим особенностям водителей.
Свойства ТС, влияющие на его активную безопасность (перечисленные во
Введении), будут подробно рассмотрены в настоящей главе.
1.1. Компоновочные параметры автомобиля
1.1.1 Общая компоновка автомобиля
С позиций влияния конструкций транспортного средства на его свойства
важное значение имеет компоновка автомобиля – взаимное расположение его
основных систем (двигателя, трансмиссии, движителя, систем управления,
11
несущей системы, кузова). За критерий, который позволит оценить
целесообразность дальнейшего развития того или иного вида компоновки
автомобиля, может быть принято то, насколько данные конструкции
отвечают требованиям активной безопасности. Учитывая это положение,
рассмотрим наиболее характерные виды компоновки современных
автомобилей (рис. 1.1.1.).
Рис. 1.1.1. Компоновка легковых автомобилей: а – классическая;
б – переднеприводная; в – заднемоторная; г – полноприводная
с двигателем на базе классической; д – среднемоторная.
Переднемоторная компоновка является традиционной на всех этапах
развития конструкций автомобиля и характеризуется расположением
двигателя перед пассажирским салоном. Вынесение двигателя далеко вперед
позволяет максимально придвинуть салон к переднему мосту, частично
используя пространство между кожухами передних колес. Таким образом,
обеспечивается наивыгоднейшее использование пространства в пределах
базы и легко достигается необходимая нагрузка на передний мост. Несмотря
на эффективное использование пространства внутри базы, автомобили
данной схемы имеют значительную габаритную длину вследствие
достаточно большого переднего свеса.
Увеличение базы за счет заднего багажника нежелательно из-за чрезмерной
перегрузки переднего моста. Кроме того, расположение двигателя в самой
передней части автомобиля не позволяет улучшить его обтекаемость путем
понижения линии капота. В последнее время широкое распространение
получили переднеприводные автомобили, у которых управляемые колеса
являются ведущими. Автомобиль с такой компоновкой имеет наилучшую
устойчивость и управляемость при движении с высокой скоростью, особенно
по скользкой или мокрой дороге. Популяризации такой компоновки
12
способствовали также изменения в общем облике автомобиля и его
развесовке по осям. Уменьшение габаритных размеров двигателей (при
сохранении их мощности) и применение независимых передних подвесок
позволили располагать двигатель над передним мостом или даже перед ним,
что обеспечило необходимый сцепной вес (более 50% от общего веса
автомобиля) на передние ведущие колеса. Еще одно преимущество
переднеприводных автомобилей - меньший, чем в автомобилях с другой
компоновкой, уровень шума в салоне вследствие удаленности ведущего
моста и отсутствия карданного вала, часто являющегося источником
вибраций. Однако как показывает практика, класс автомобиля (его размеры,
качество изготовления и отделки, наличие шумоизолирующих обивок и
мастик), а также тип кузова (рамный или несущий) влияют на уровень шума
в салоне значительно больше, чем компоновочная схема.
Наряду с достоинствами переднеприводная схема не свободна и от
недостатков, являющихся следствием либо перегрузки переднего моста, либо
наличия передних ведущих колес.
Во-первых, перераспределение веса при торможении приводит к тому, что в
момент торможения на задние колеса приходится лишь 25-30% сцепного
веса, что, с одной стороны, вынуждает предусматривать в системе привода
тормозов ограничитель тормозного усилия на задних колесах, с другой увеличивать эффективность передних тормозов, а следовательно, и их
размеры, что не всегда возможно при использовании современных колес с
малым диаметром диска (10-13").
Во-вторых, шины передних ведущих, управляемых и более нагруженных
колес изнашиваются значительно быстрее, чем задних, поэтому в
эксплуатации требуется достаточно частая перестановка передних колес
назад, и наоборот.
В-третьих, передний ведущий мост требует либо относительно сложных в
производстве и дорогих шарниров равных угловых скоростей, либо
дополнительных устройств (например, упругих муфт или торсионов) при
использовании одинарных карданных шарниров.
В-четвертых, объединение двигателя в один силовой агрегат вместе с
трансмиссией и ведущим мостом усложняет конструкцию и затрудняет
доступ к отдельным элементам и вспомогательным агрегатам, особенно в тех
случаях, когда двигатель расположен поперечно и его картер объединен с
картером коробки передач и дифференциала.
Однако широкое распространение легковых автомобилей с передним
приводом в последние годы свидетельствует о том, что перечисленные
недостатки рассматриваемой схемы не могут служить серьезным
препятствием для ее дальнейшего развития на легковых автомобилях разных
классов.
Долгое время считалось, что переднеприводная компоновка применима лишь
на автомобилях малого и среднего классов, мощность двигателей которых не
превышает 100-110 л. с. На автомобилях больших размеров с мощными
двигателями переднеприводная компоновка не использовалась вследствие
13
опасений за работоспособность и надежность шарниров равных угловых
скоростей, нагруженных большим крутящим моментом. Вызывала
затруднения компоновка двигателя больших размеров в сочетании с
передним ведущим мостом. Трудно было обеспечить необходимую
развесовку. Кроме того, считалось, что для большого автомобиля
достаточную устойчивость и управляемость можно получить и при
классической компоновке. Тщательное изготовление элементов шасси и
широкое применение шумопоглощающих материалов на дорогих моделях
практически исключают возникновение шумов и вибраций даже от
достаточно длинного карданного вала. Тем не менее сегодня даже в
автомобилях с объемом двигателя 2500-3500 см3 передний привод нашел
широкое применение.
На характеристики автомобилей с передним приводом оказывает влияние
относительное положение двигателя и переднего моста. Для автомобилей с
двигателями большего рабочего объема расположение последнего над
ведущим передним мостом - практически единственный возможный вариант,
так как по условиям развесовки и вследствие значительных габаритов
двигателя его расположение впереди или за ведущим мостом невозможно, а
поперечное расположение также не дает преимуществ вследствие примерно
равных габаритов двигателя по длине и ширине. Расположение двигателя над
передним мостом позволяет добиться удовлетворительных результатов по
развесовке и использованию подкапотного пространства без увеличения
переднего свеса (при наличии рядного четырехцилиндрового двигателя с
рабочим объемом 1,3-1,6 л). При этом упрощается управление коробкой
передач, но несколько затрудняется доступ к агрегатам трансмиссии.
Расположение двигателя за передним ведущим мостом позволяет плавно
понизить линию капота до уровня переднего бампера и тем самым
существенно снизить лобовое сопротивление автомобиля. Свободное
пространство под капотом перед двигателем в автомобилях с передним
приводом позволяет разместить там запасное колесо, освободив от него
задний багажник. Недостаток компоновки - внедрение двигателя в нижнюю
переднюю часть пассажирского салона между водителем и пассажиром, что
уменьшает пространство для ног последних. Несколько затруднено также
управление коробкой передач, которая оказывается вынесенной далеко
вперед.
Компоновка автомобиля, когда двигатель размещается в пределах колесной
базы автомобиля, практически за спинками сидений водителя и пассажира,
встречается в автомобилестроении достаточно редко. Для улучшения
развесовки по колесам, в зависимости от объема и конструкции двигателя, он
может размещаться как вдоль, так и поперечно. Хорошее распределение веса
автомобиля по осям и повышенная безопасность при движении - основные
преимущества автомобилей с центральным расположением двигателя.
Поэтому не удивительно, что по среднемоторной компоновке строятся
скоростные, высокоманевренные автомобили, такие как Lamborghini, Ferrari,
MG. Например, Lamborghini - Callardo с двигателем V10 с рабочим объемом
14
4961 см3, способным развивать мощность до 500 л. с., что позволяет
автомобилю развивать скорость до 309 км/ч.
При заднемоторной компоновке двигатель, объединенный с трансмиссией,
располагается за задней подвеской автомобиля, что позволяет значительно
снизить габариты автомобиля, а следовательно, его вес. Но при
заднемоторной компоновке на задние ведущие колеса приходится до 60% от
общего веса автомобиля, что положительно сказывается на проходимости
автомобиля, но отрицательно на его устойчивости и управляемости при
движении с большой скоростью. Поэтому для улучшения развесовки,
приходится сдвигать пассажирский салон вперед, что при ограниченных
габаритах автомобиля сокращает пространство для ног водителя и переднего
пассажира. Сегодня только одна фирма в мире строит свои автомобили по
заднемоторной компоновке – Porsche.
Классическая компоновка это компоновка с передним расположением
двигателя и с приводом на задние колеса. Применение карданного вала не
позволяет создать салон автомобиля без трансмиссионного туннеля, что
сказывается на комфорте пассажиров. Кроме того, вибрации от карданного
вала передаются на кузов автомобиля. Поэтому приходится применять
лучшую шумо- и виброизоляцию, что приводит к удорожанию автомобиля.
Классической компоновке свойственен занос задних колес, особенно при
прохождении поворотов на сырой или скользкой дороге. Сегодня
классическая компоновка встречается реже, но ей остаются верными такие
гранды автомобилестроения, как BMW, Mercedes и Jaguar.
1.1.2. Влияние веса автомобилей на их безопасность
За последние десятилетия безопасность автомобилей во многих отношениях
улучшилась. Автомобили снабжаются различными конструктивными
элементами и системами, повышающими пассивную безопасность. С другой
стороны, существуют сомнения относительно того, что активная
безопасность автомобиля улучшилась в той же степени, что и пассивная
безопасность.
Лица, находящиеся в автомобиле, в значительной степени защищены от
ударов в процессе ДТП, поскольку большая часть энергии ударов приходится
на кузов автомобиля. Тем самым уменьшается степень серьезности телесных
повреждений лиц, находящихся в автомобиле. Это отчетливо видно из
официальной норвежской статистики дорожно-транспортных происшествий
(табл. 1.1.1), которая показывает, каким образом доля травмированных
водителей из общего количества водителей, вовлеченных в ДТП с телесными
повреждениями, варьируется у транспортных средств с разной массой.
Взаимосвязь между массой транспортного средства и долей травмированных
водителей (из всех водителей, вовлеченных в ДТП с телесными
повреждениями в Норвегии)
15
Таблица 1.1.1.
Количество
%
водителей,
Кол-во
водителей,
Группа
транспортных Типичная
Непострада
вовлеченны
средств
масса (кг) Пострадавш
вшие
х в аварию
ие водители
водители
Грузовой автомобиль
20000
21,8
78,2
2723
Автобус
12000
9,9
90,1
1157
Автофургон
2000
37,6
62,4
2985
Комбинированный
1500
32,1
67,9
1273
автомобиль
Такси
1500
28,4
71,6
659
Легковой автомобиль
1200
46,8
53,2
38666
Тяжелый мотоцикл
400
91,0
9,0
1547
Легкий мотоцикл
200
88,0
12,0
251
Мопед
100
90,0
10,0
2977
Велосипед
25
95,3
4,7
4150
Пешеход
99,3
0,7
4545
Обзор отчетливо показывает, что доля водителей, не получивших
повреждения, самая большая для тех транспортных средств, которые
обладают наибольшей массой (весом). Разграничительная линия проходит
между автомобилями, с одной стороны, и другими транспортными
средствами, с другой.
Вот почему соотношение массы является основным условием, когда нужно
объяснить разницу в риске получить телесные повреждения между группами
участников дорожного движения с различной массой. Согласно
исследованию Хармса (Harms, 1992), относительное изменение скорости при
лобовом столкновении пропорционально соотношению массы между
транспортными средствами. Когда два автомобиля – один весом 20 тонн, а
другой весом 2 тонны, которые движутся со скоростью 80 км/ч, –
сталкиваются лоб в лоб, то изменение скорости для тяжелого автомобиля
составит 14,5 км/ч, а для легкого автомобиля – 145,5 км/ч. Сумма изменений
скорости равна относительной скорости столкновения (80 + 80 км/ч = 160
км/ч). А вероятность получения телесных повреждений при ДТП сильно
зависит от относительного изменения скорости при ДТП.
Чем легче транспортное средство, тем меньше риск ДТП с телесными
повреждениями для других участников дорожного движения.
Чем тяжелее транспортное средство, тем меньше риск получения телесных
повреждений в ДТП для тех лиц, которые находятся в этом автомобиле.
Эти законы касаются широкого спектра транспортных средств, от мопедов до
больших грузовых автомобилей.
16
Менее понятно, какое значение масса транспортного средства имеет для
общего количества телесных повреждений в дорожном движении страны, и
возможно ли уменьшить количество пострадавших, предъявив определенные
законодательные требования к массе транспортного средства. Чтобы сказать,
что разница в риске получения телесных повреждений между небольшими и
большими автомобилями зависит от массы автомобиля, следует исключить
другие объяснения этой разницы, что реально почти никогда невозможно
сделать.
Несколько исследователей (Evans og Wasielewski, 1987; Bjоrketun, 1992;
Tapio, Pirtala og Ernvall, 1995; Broughton, 1996b) попытались измерить
влияние массы автомобилей как на риск получения телесных повреждений
лицами, находящимися в автомобиле, так и на риск получения телесных
повреждений противной стороной в большей части происшествий.
Результаты этих четырех исследований показаны на рис. 1.1.2.
Рис. 1.1.2. Взаимосвязь между собственным весом легковых автомобилей в
килограммах и относительным риском получения телесных повреждений при
столкновении автомобиля
На этой схеме представлены автомобили с собственным весом от менее 850
кг до более 1500 кг. Относительный риск получения повреждений для самых
легких автомобилей условно принят за 1,00. Рис. 1.1.2 показывает, что риск
получения телесных повреждений для тех, кто находится в автомобиле,
уменьшается с ростом собственного веса автомобиля, и примерно на 50%
меньше в автомобилях весом более 1500 кг, чем в автомобилях весом менее
850 кг. С другой стороны, с увеличением веса автомобиля увеличивается
риск нанесения повреждений другим участникам дорожного движения. У
самых тяжелых автомобилей риск нанесения повреждений другим
участникам дорожного движения примерно на 75% выше, чем у самых
легких автомобилей. Общее количество лиц, пострадавших в ДТП, в которых
участвовали автомобили с разным весом, приблизительно одинаково,
17
независимо от веса. А повышение чужого риска с увеличением веса
уравновешивает выигрыш в собственном риске.
1.1.3. Габаритные параметры и классификация легковых
автомобилей на их основе
К основным габаритным параметрам автомобиля относятся длина La , ширина
Ba , высота H a и база L , т. е. расстояние между передней и задней осями.
При движении автомобиль подвергается воздействию различных
случайных возмущений, стремящихся изменить характер движения.
Вследствие этого даже на строго прямолинейных участках дороги автомобиль
движется не прямолинейно, а по кривым больших радиусов. При этом
значительную часть времени он находится под углом к оси дороги, и размер
полосы, потребной для его движения, – динамический коридор, превышает его
габаритную ширину. Ширина динамического коридора зависит от размеров
автомобиля и его скорости (рис. 1.1.3.).
Рис. 1.1.3. Динамический коридор на прямолинейном участке дороги.
Эмпирическая зависимость между габаритной шириной автомобиля Ba ,
скоростью его движения v и шириной динамического коридора Bк имеет
следующий вид:
Bк = 0,054v + Ba + 0,3 ,
(1.1.1)
где v – в м/с, а Ba – в м.
Ширина динамического коридора, необходимая для безопасного
движения автомобилей с высокими скоростями, иногда значительно
превышает ширину полосы движения, установленную Строительными
нормами и правилами (СНиП). СНиП предусматривают для дорог с
интенсивностью движения свыше 3000 автомобилей в сутки ширину полосы
движения 3,75 м а для дорог с меньшей интенсивностью 3,0–3,5 м. Эти
размеры не всегда обеспечивают безопасный разъезд автомобилей, поэтому
водитель, чтобы избежать столкновения, вынужден снижать скорость.
Для автопоездов ширина динамического коридора с увеличением
18
скорости возрастает быстрее, чем для одиночного автомобиля, вследствие
угловых колебаний прицепов или полуприцепов в горизонтальной плоскости
(виляния). При определенной скорости размахи прицепов становятся
настолько большими, что водитель не может устранить их поворотом
рулевого колеса и вынужден уменьшать скорость.
Более заметно влияние геометрических параметров автомобиля на
безопасность при криволинейном движении. Хотя при крутых поворотах
скорости автомобиля обычно невелики и случайные возмущения
незначительны, ширина динамического коридора может быть достаточно
большой (рис. 1.1.4.). Ее можно определить по формуле:
(1.1.2)
Bк = Rн − Rв = Rн − Rн2 − ( L′) 2 + Ba ,
где RH и Rв – соответственно наружный и внутренний габаритные радиусы
поворота автомобиля; L′ = L + C – расстояние от заднего моста до передней
части автомобиля ( L – база автомобиля; C – передний свес).
Рис. 1.1.4. Динамический коридор на криволинейном участке дороги.
Согласно выражению (1.1.2) при L′ ≈ RH , величина BK может
значительно превышать Ba , что вынуждает строителей расширять полосы
движения на криволинейных участках дорог.
Габаритная высота H a имеет значение при проезде автомобилей под
путепроводами, мостами и проводами контактной сети. Чрезмерно высокие
транспортные средства (например, двухэтажные троллейбусы или автобусы,
полуприцепы-панелевозы или автомобили-фургоны) с высоко расположенным
центром тяжести испытывают значительные угловые колебания в поперечной
плоскости. При движении по неровной дороге они могут верхним углом
задеть за столб или мачту.
Для обеспечения безопасности дорожного движения грузовые
автомобили, предназначенные для работы на дорогах общей сети РФ, должны
удовлетворять требованиям, ограничивающим их размеры и массу. Такие
требования во всех странах устанавливаются в законодательном порядке. В
19
РФ установлены следующие максимально допустимые значения
геометрических параметров грузовых транспортных средств (в м):
Габаритная ширина……..……………………………..2,55 (2,6 м - для
рефрижераторов и изотермических кузовов)
Габаритная высота……..………………………….........4
Габаритная длина:
одиночного автомобиля...................................................12
автомобиля-тягача с одним прицепом.................…..…20
Перевозка тяжеловесных и опасных грузов, движение транспортного
средства, габаритные параметры которого с грузом или без него превышают
указанные выше, а также движение автопоездов с двумя и более прицепами
осуществляются в соответствии со специальными правилами.
Для легковых автомобилей габаритные параметры (и параметры массы)
не ограничиваются директивными документами, однако получили
распространение различные классификации на основе этих параметров.
Автомобили, продаваемые в странах Европы, разделяются на 6
размерных классов. Каждый класс, в свою очередь, может иметь свой
подкласс (А1, А2 и т.д.). Данная классификация получила большое
распространение и в России. Рассмотрим её.
Класс А (особо малый) – В данный класс входят малогабаритные авто,
предназначенные для эксплуатации в мегаполисах. Эти модели
привлекательны в основном своими сверхмалыми габаритами и
экономичностью, поэтому имеют хороший спрос в Европе. В России этот
класс только недавно начал набирать популярность. Самые яркие
представители категории – Smart, Ford Ka, Citroen C2 и др.
Класс B (малый) – Состоит преимущественно из переднеприводных
моделей с 3- или 5- дверными кузовами типа хэтчбек. Представители класса
«B» конструктивно почти полностью повторяют авто более высокого класса
«С», однако, отличаются от них меньшими габаритными размерами. К «B»
классу относятся такие транспортные средства, как Ford Fusion, Opel Corsa,
Hyundai Getz и т.д.
Класс C (малый средний) – Популярный и массовый «гольф-класс».
Назван так в честь основателя класса – VW Golf, который уже четвёртое
десятилетие является лидером автомашин данной категории. В Европе уровни
продаж таких авто как VW Golf, Opel Astra, Renault Megane превышают
полмиллиона экземпляров в год. Классы «С» и «В» составляют большую часть
легкового парка многих стран мира.
Класс D (средний) – В нём мирно уживаются и недорогие авто (Opel
Vectra, Ford Mondeo) и машины компактного «люкс» – класса (Audi A4, BMW
3-Series, Jaguar X-type, Mercedes C-Class). Наибольшей популярностью в
классе «D» пользуются авто с кузовами седан и хэтчбек. Машины средней
категории представляют собой оптимальное соотношение комфорта,
габаритных размеров и цены. «D» класс постоянно растёт и расширяется,
догоняя в развитии следующую ступень – класс «Е».
Класс E (высший средний) – Этот класс часто именуют ещё и «бизнес»20
классом. Автомобили категории «Е» отличаются высоким уровнем комфорта,
внушительными размерами и, соответственно, высокой ценой. Наиболее
знакомые представители «бизнес»-класса – Audi A6, BMW 5-Series, Mercedes
E-Class, Toyota Camry, Nissan Maxima, Peugeot 607. Этот класс автомобилей
все еще довольно популярен в России, на европейском рынке его доля
постоянно снижается.
Класс F (высший) – «Люкс»-класс, практически все авто класса «F»
выпускаются с кузовами седан. К «люкс»-классу относятся как машины с ярко
выраженной спортивной направленностью (BMW 7-Series, Jaguar XJ), так и
чисто представительские модели (Rolls-Royce Phantom, Mercedes S-Class).
Часто модели этого класса выполняют представительские функции и
используются с водителем.
Таблица 1.1.2
Размерные классы автомобилей, продаваемых в странах ЕС
Класс
Обозначение
Длина (м)
Ширина (м)
Особо малый
A
До 3,6
До 1,6
Малый
B
3,6 – 3,9
1,5 – 1,7
Малый средний
C
3,9 – 4,4
1,6 – 1,75
Средний
D
4,4 – 4,7
1,7 – 1,8
Высший средний E
Более 4,6
Более 1,7
Высший
F
Более 4,6
Более 1,7
1.1.4. Весовые параметры и классификации транспортных средств на их
основе
К весовым параметрам относятся: полный вес автомобиля Ga, вес,
приходящийся соответственно на передний G1 и задний G2 мосты, нагрузка на
ось, масса снаряженного транспортного средства.
Масса транспортного средства, как указывалось в разделе 1.1.2., для
безопасности движения имеет существенное значение. Кроме того, чем
больше масса автомобиля, тем труднее им управлять; тяжелый автомобиль
медленно разгоняется и останавливается, на нем трудно выполнить сложный
маневр. Чем больше масса транспортного средства, тем больше динамические
нагрузки на дорогу, тем меньше срок службы покрытия. Поэтому, несмотря на
очевидные преимущества применения подвижного состава большой массы, во
всех странах строго соблюдают ограничение осевых нагрузок и полных масс
транспортных средств.
В настоящее время в РФ существует несколько нормативных
документов, регламентирующих массу транспортных средств и нагрузку на
ось.
Например, в СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» указано, что
нагрузку на одиночную, наиболее нагруженную ось двухосного автомобиля,
для расчета прочности дорожной одежды следует принимать для дорог:
21
I-II категории
- 115 кН (11,5 тс);
III-IV категории - 100 кН (10 тс);
V категории
- 60 кН (6 тс).
Соответственно, при проектировании автомобиля для эксплуатации по
дорогам определенных категорий, нагрузки, передаваемые на дорогу колесами
одного моста, должны учитывать требования этого СНиП. В первую очередь
это, естественно, касается грузовых автомобилей.
С другой стороны, действует ГОСТ Р 52051-2003 «Механические
транспортные средства и прицепы. Классификация и определения», который
разработан на основе Приложения 7 к «Сводной резолюции о конструкции
транспортных средств» (СР.3), принятой Всемирным форумом для
согласования правил в области транспортных средств КВТ ЕЭК ООН, и
Директивы 2002/24 ЕС.
Российская Федерация приняла в качестве нормативных документов при
сертификации транспортных средств международные (Правила ЕЭК ООН) и
национальные стандарты (ГОСТы, ОСТы, РД), которые были положены в
основу Системы сертификации механических транспортных средств и
прицепов (ГОСТ Р). Правила ЕЭК ООН регламентируют требования к
конструкции транспортных средств и касаются практически всех аспектов
активной, пассивной, послеаварийной и экологической безопасности
конструкций автомобилей.
В соответствии с ГОСТ Р 52051-2003
транспортные средства
подразделяются на следующие категории:
1) Категория L - механические транспортные средства, имеющие менее
четырех колес, и квадрициклы.
1.1) Категория L1. Двухколесный мопед. Двухколесное транспортное
средство, максимальная конструктивная скорость которого не превышает 50
км/ч, характеризующееся:
- в случае двигателя внутреннего сгорания - рабочим объемом
двигателя, не превышающим 50 см3, или
- в случае электродвигателя - номинальной максимальной мощностью в
режиме длительной нагрузки, не превышающей 4 кВт.
1.2) Категория L2. Трехколесный мопед. Трехколесное транспортное
средство с любым расположением колес, максимальная конструктивная
скорость которого не превышает 50 км/ч, характеризующееся:
- в случае двигателя внутреннего сгорания с принудительным
зажиганием - рабочим объемом двигателя, не превышающим 50 см3, или
- в случае двигателя внутреннего сгорания другого типа - максимальной
эффективной мощностью, не превышающей 4 кВт, или
- в случае электродвигателя - номинальной максимальной мощностью в
режиме длительной нагрузки, не превышающей 4 кВт.
1.3) Категория L3. Мотоцикл. Двухколесное транспортное средство,
рабочий объем двигателя которого (в случае двигателя внутреннего сгорания)
превышает 50 см3 и (или) максимальная конструктивная скорость (при любом
двигателе) превышает 50 км/ч.
22
1.4) Категория L4. Мотоцикл с коляской. Трехколесное транспортное
средство с колесами, асимметричными по отношению к средней продольной
плоскости, рабочий объем двигателя которого (в случае двигателя
внутреннего сгорания) превышает 50 см3 и (или) максимальная
конструктивная скорость (при любом двигателе) превышает 50 км/ч.
1.5) Категория L5. Трицикл. Трехколесное транспортное средство с
колесами, симметричными по отношению к средней продольной плоскости
транспортного средства, рабочий объем двигателя которого (в случае
двигателя внутреннего сгорания) превышает 50 см3 и (или) максимальная
конструктивная скорость (при любом двигателе) превышает 50 км/ч.
1.6) Категория L6. Легкий квадрицикл. Четырехколесное транспортное
средство, ненагруженная масса которого не превышает 350 кг без учета массы
аккумуляторов (в случае электрического транспортного средства),
максимальная конструктивная скорость не превышает 50 км/ч,
характеризующееся:
- в случае двигателя внутреннего сгорания с принудительным
зажиганием - рабочим объемом двигателя, не превышающим 50 см3, или
- в случае двигателя внутреннего сгорания другого типа - максимальной
эффективной мощностью двигателя, не превышающей 4 кВт, или
- в случае электродвигателя - номинальный максимальной мощностью
двигателя в режиме длительной нагрузки, не превышающей 4 кВт.
1.7) Категория L7. Квадрицикл. Четырехколесное транспортное средство
иное, чем транспортное средство категории L6, ненагруженная масса которого
не превышает 400 кг (550 кг для транспортного средства, предназначенного
для перевозки грузов) без учета массы аккумуляторов (в случае
электрического транспортного средства) и максимальная эффективная
мощность двигателя не превышает 15 кВт
2) Категория М - механические транспортные средства, имеющие не
менее четырех колес и используемые для перевозки пассажиров.
2.1) Категория М1. Транспортные средства, используемые для перевозки
пассажиров и имеющие, помимо места водителя, не более восьми мест для
сидения.
2.2) Категория М2. Транспортные средства, используемые для перевозки
пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для
сидения, максимальная масса которых не превышает 5 т.
2.3) Категория М3. Транспортные средства, используемые для перевозки
пассажиров, имеющие, помимо места водителя, более восьми мест для
сидения, максимальная масса которых превышает 5 т.
3) Категория N - механические транспортные средства, имеющие не
менее четырех колес и предназначенные для перевозки грузов.
3.1) Категория N1. Транспортные средства, предназначенные для
перевозки грузов, имеющие максимальную массу не более 3,5 т.
3.2) Категория N2. Транспортные средства, предназначенные для
перевозки грузов, имеющие максимальную массу свыше 3,5 т, но не более 12
т.
23
3.3) Категория N3. Транспортные средства, предназначенные для
перевозки грузов, имеющие максимальную массу более 12 т.
4) Категория О - прицепы (включая полуприцепы).
4.1) Категория О1. Прицепы, максимальная масса которых не более 0,75
т.
4.2) Категория О2. Прицепы, максимальная масса которых свыше 0,75 т,
но не более 3,5 т.
4.3) Категория О3. Прицепы, максимальная масса которых свыше 3,5 т,
но не более 10 т.
4.4) Категория О4. Прицепы, максимальная масса которых более 10 т.
В данной классификации применены следующие термины:
Масса ненагруженного транспортного средства категории L
представляет собой массу транспортного средства, подготовленного к
нормальной
эксплуатации
и
укомплектованного
дополнительным
оборудованием, инструментами и приспособлениями, соответствующими
количествами рабочих жидкостей.
Масса снаряженного транспортного средства категории L представляет
собой массу ненагруженного транспортного средства с учетом массы:
- топлива в баке, заполненном не менее чем до 90% объема,
установленного изготовителем;
- оборудования, как правило, придаваемого изготовителем в дополнение
к необходимому для нормальной эксплуатации (контейнер для инструментов,
багажник, ветровой щиток, защитное оборудование и т.п.).
Масса снаряженного транспортного средства категорий M и N
представляет собой массу порожнего транспортного средства с кузовом и
сцепным устройством в случае автобуса-тягача либо массу шасси с кабиной,
если предприятие-изготовитель не устанавливает кузов, и/или сцепным
устройством. Эта масса включает в себя также массы охлаждающей жидкости,
масел, 90% топлива, 100% других жидкостей (за исключением сточных вод),
инструментов, запасного колеса, водителя (75 кг) и (для городских и
междугородних автобусов) члена экипажа (75 кг), если в транспортном
средстве предусмотрено сиденье для него.
Максимальная масса представляет собой массу снаряженного
транспортного средства (тягача) с учетом массы, соответствующей
максимальной статической вертикальной нагрузке, передаваемой на тягач
полуприцепом, а также, если это применимо, максимальной массы груза,
размещенного на тягаче.
В заключение данного раздела необходимо упомянуть, что в нашей
стране несколько десятков лет существует собственная классификация
автомобилей, которая применяется при обозначении модели транспортного
средства (например – КАМАЗ 5320). Данная классификация является
подробной, учитывает многие аспекты, влияющие в том числе и на
безопасность автомобилей (полная масса, габаритные размеры и т.п.), однако
здесь мы не будем её изучать в силу того, что она рассмотрена во многих
других источниках.
24
1.2. Тяговая динамичность транспортных средств
1.2.1. Влияние максимальной скорости движения и мощности
двигателя на активную безопасность
Как показывают данные ряда исследований, водители компенсируют
возросшую пассивную безопасность автомобилей увеличением скорости
передвижения и притуплением чувства осторожности на дорогах. Не
подлежит сомнению, что за последние 40 лет значительно возросла
мощность двигателей и ресурс скорости автомобилей.
Рассмотрим, как влияет на аварийность мощность двигателя.
На рис. 1.2.1 показаны результаты французского исследования (Fontaine og
Gourlet, 1994 г.), в котором оценен риск попадания автомобиля в ДТП на
пройденный километр для автомобилей с разным собственным весом и
мощностью двигателя на тонну собственного веса (кВт на тонну).
Рис. 1.2.1Относительный риск автомобилей попасть в ДТП на пройденный
километр по весу и мощности двигателя на единицу веса.
Из рис. 1.2.1 следует, что влияние повышенной мощности двигателя на
уровень риска в значительной степени меняется с изменением веса
автомобиля. Только для автомобилей в весовом классе 800-1000 килограмм
прослеживается однозначное увеличение риска с увеличением мощности
двигателя.
На рис. 1.2.2 показаны результаты немецкого исследования (Schepers og
Schmid, 1996 г.), в котором исследован сравнительный риск попасть в ДТП с
телесными повреждениями на миллион пройденных километров для
автомобилей с различной мощностью двигателя в кВт. Все автомобили были
разделены на четыре группы.
25
Анализ данных рис. 1.2.2 показывает, что у автомобилей с большой мощностью
двигателя не более высокий риск, чем у автомобилей с малой мощностью
двигателя. Здесь скорее просматривается тенденция к тому, что риск ДТП
уменьшается с увеличением мощности двигателя.
Рис. 1.2.2. Риск быть вовлеченным в ДТП с телесными повреждениями для
автомобилей с разной мощностью двигателя.
Результаты исследований (рис. 1.2.1, 1.2.2) не показывают влияние только
одной мощности двигателя, скорее мощность двигателя переплетается с
рядом других факторов, которые также оказывают воздействие на риск. Если
же, все-таки оценивать результаты исследований, то французское
исследование свидетельствует о том, что автомобили с особенно высокой
мощностью двигателя в худшем случае имеют на 15-25 процентов более
высокий риск попасть в ДТП, чем автомобили с обычной мощностью
двигателя одного с ними веса. С другой стороны, немецкое исследование
свидетельствует о том, что риск понижается с увеличением мощности
двигателя.
Рис. 1.2.3 показывает относительную (нормированную) степень телесных
повреждений при авариях, разделяемых по максимальной предельной
скорости легковых автомобилей. (Bock и другие, 1989).
Во-первых, очевидно, что автомобили с низкой максимальной предельной
скоростью составляют большую часть автомобилей в ДТП как с легкими, так
и с серьезными телесными повреждениями. Эта относительная доля
уменьшается с ростом потенциала максимальной предельной скорости. Эта
схема, показывает правдоподобную зависимость между максимальной
предельной скоростью и степенью защищенности от столкновений, т.е. чем
26
более высокую предельную скорость имеет автомобиль, тем лучше
защищены люди в нем от попадания в ДТП с телесными повреждениями.
Во-вторых, очевидна слабая взаимосвязь между предельной скоростью и
относительной долей ДТП со смертельным исходом. Но, все же, чем выше
потенциал предельной скорости имеет автомобиль, тем выше доля ДТП со
смертельным исходом. Это, вероятно, связано с тем, что скорость перед
происшествием была так высока, что системы пассивной безопасности
автомобиля не смогли противостоять силам, возникшим в результате ДТП.
Рис. 1.2.3. Степень телесных повреждений, разделенных согласно доступной
предельной скорости автомобилей
Графики рис. 1.2.3 построены по данным немецких исследований, где до сих
пор нет ограничения скорости на автомобильных магистралях. Графики
свидетельствуют о том, что возможное конструктивное ограничение
максимальной предельной скорости автомобилей сократит количество ДТП
со смертельным исходом.
1.2.2. Характеристики тяговой динамичности
Рассмотрим свойство активной безопасности – тяговую динамичность.
Чем автомобиль динамичнее, тем быстрее он перевозит пассажиров и грузы,
тем меньше он тратит времени на передвижение, тем выше его средняя
скорость. Таким образом, тяговая динамичность автомобиля имеет большое
значение для повышения его производительности и снижения затрат на
перевозки.
27
Условия движения автомобиля непрерывно меняются, что приводит к
изменению его скорости. На практике существуют большие различия в выборе
разными водителями скорости при одних и тех же внешних обстоятельствах.
Водители, которые выбирают скорость, значительно отличающуюся от
средней скорости всего потока автомобилей, чаще оказываются участниками
ДТП, чем водители, которые следуют со скоростью, близкой к средней.
Высокая скорость и частая перемена скорости движения повышают
вероятность ДТП и серьезных телесных повреждений, поскольку при этом
возрастают требования к способности участников дорожного движения
наблюдать и реагировать на меняющуюся обстановку. При этом длина
тормозного пути возрастает пропорционально квадрату скорости. Кроме того,
риск летального исхода при ДТП возрастает пропорционально квадрату
изменения скорости. Для безопасности движения необходимо, чтобы скорость
в любой момент точно соответствовала дорожным условиям и
психофизиологическим возможностям водителя.
Таким образом, для дорожного движения характерно наличие двух
тенденций. С одной стороны, происходит увеличение максимальных
скоростей автомобилей, вызванное потребностями фирм в повышении
производительности подвижного состава и желаниями большинства людей
обладать мощным и скоростными автомобилями; с другой стороны
увеличение скорости ограничивается с помощью различных мероприятий
(конструктивных, законодательных и т.п.) из-за опасности возникновения
ДТП. Повышение показателей тяговой динамичности автомобиля, повидимому, будет происходить и в дальнейшем, однако должно
сопровождаться целым комплексом мер, улучшающих безопасность
транспортных средств и пешеходов, совершенствующих дорожные условия,
организацию движения и охрану окружающей среды.
При оценке тяговой динамичности автомобиля используют такие
характеристики, как скорость, ускорение, время и путь разгона или наката.
Для безопасности движения имеют значение следующие показатели тяговой
динамичности: максимальная скорость Vmax , и ускорение jmax , а также
минимальные время t p и путь S p разгона на горизонтальной дороге с твердым
покрытием хорошего качества. Также часто используется такая
характеристика транспортного средства, как динамический фактор D.
1.2.3. Максимальная скорость и ускорение автомобиля
Рассмотрим силы, действующие на автомобиль, разгоняющийся на
подъеме, т.е. наиболее общий случай движения (см. рис. 1.2.4.). Эти силы
можно разделить на несколько групп.
28
Рис. 1.2.4. Силы, действующие на автомобиль, разгоняющийся на подъеме.
К первой группе относятся силы, обеспечивающие движение
автомобиля, т.е. тяговые силы PT на ведущих колесах.
Во вторую группу входят силы, направленные против движения
автомобиля и являющиеся силами сопротивления движению:
PK 1 и PK 2 – силы сопротивления качению передних и задних колес (для
упрощения их можно заменить одной силой сопротивления качению – PK );
PП - сила сопротивления подъему автомобиля;
PВ - сила сопротивления воздуха;
PИ - сила сопротивления разгону (сила инерции).
В зоне контакта колес автомобиля с дорогой возникают моменты M K 1 и
M K 2 сопротивления качению.
Третью группу сил составляют нормальные реакции RZ 1 и RZ 2 дороги на
передние и задние колеса, вызванные составляющей GП силы веса
автомобиля, перпендикулярной плоскости дороги.
Для расчета максимальной скорости и ускорения воспользуемся
известным из теории автомобиля уравнением движения разгоняющегося на
подъеме автомобиля (см. рис. 1.2.4.):
Pт − Pи − Pк − Рп − Pв = 0 ,
(1.2.1)
Подставив известные из теории автомобиля выражения для определения
соответствующих сил в формулу (1.2.1), получим:
2
N e maxη тр 
 v  
v
− c м    − G f 0 1 + aк v 2 + sin α д − Mδ вр j − K в Fв v 2 = 0.
 а м + bм
vN
vN

 v N  
Произведя необходимые преобразования, в конечном итоге получим
формулу для определения максимальной скорости:
[ (
(
)
vmax = Bc + Bc2 + 4 AcCc /( 2 Ac ) ,
N
η тр
где Ac = e max
c м + Gf 0 aк + K в Fв ;
v N3
)
]
(1.2.2)
29
Bc =
Cc =
N e maxη трbм
v N2
N e maxηтр
vN
;
a м − G ( f 0 + sin α д ) ,
где:
N emax – максимальная мощность двигателя.
aM , bM
и cM – эмпирические коэффициенты (для четырехтактных
карбюраторных двигателей aM = bM = cM = 1 ; для двухтактных дизелей aM =
0,87, bM = 1,13, cM = 1; для четырехтактных дизелей aM = 0,53, bM = 1,56, cM =
1,09).
VN – скорость автомобиля, соответствующая максимальной мощности
двигателя, м/с, определяемая следующим выражением:
VN = WN ⋅ r U TP ,
где WN – угловая скорость коленчатого вала при N e , рад/с (1 об/мин = 0,1047
рад/с); r – радиус (динамический) ведущих колес; U TP – передаточное число
трансмиссии (произведение передаточных чисел, например КПП и ГП).
ηTP – КПД трансмиссии; при работе трансмиссии с полной нагрузкой он
равен:
Легковые автомобили…………………………………….0,90–0,92
Грузовые автомобили и автобусы……………………….0,82–0,85
Грузовые автомобили повышенной проходимости…….0,80–0,85
max
G – вес автомобиля, Н;
– коэффициент сопротивления качению при малых скоростях
движения. Значения коэффициента f 0 для отдельных видов дорожного
покрытия приведены в табл. 1.2.1.
f0
Таблица 1.2.1
Коэффициенты сопротивления качению при малых скоростях движения
Дорожное покрытие
f0
Цементное и асфальтобетонное в хорошем 0,014.. .0,018
состоянии
Ровное и уплотненное щебенчатое или гравийное 0,02...0,025
покрытие
Брусчатка
0,02...0,025
Булыжник
0,035...0,045
Грунт ровный, сухой, плотный
0,03...0,06
Снежная дорога
0,025...0,03
Песок сухой
0,15...0,3
Песок влажный
0,08...0,1
30
-5
aK – эмпирический коэффициент, равный (4...5)·10 (меньшие значения
для шин с меньшим соотношением высоты профиля h′ к его ширине b′ );
α Д – угол продольного уклона дороги;
K в – коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы и
качества отделки поверхности автомобиля и плотности воздуха, Н*с2/м4;
2
Fв – лобовая площадь автомобиля, м .
Таблица 1.2.2.
Средние значения K в и Fв
Kв ,
2
Fв , м
Автомобили
2 4
Н*с /м
Гоночные
и
спортивные
автомобили
с
обтекаемой 0,13–0,17 1,2–1,5
формой кузова
Современный
легковой
малого класса – 1,5–2,0
автомобиль
с
закрытым 0,18–0,30 средн. и больш. класса – 2,0–
кузовом
2,8
малого класса – 1,5–2,0
Легковой
автомобиль
с
0,35–0,55 средн. и больш. класса – 2,0–
необтекаемой формой кузова
2,8
Автобусы
0,25–0,60 3,0–7,5
Грузовые автомобили
0,50–0,75 3,0–6,5
Максимальная скорость автомобиля является показателем его
предельных возможностей. В практике дорожного движения эту скорость
автомобили развивают довольно редко. Это, с одной стороны, объясняется
напряженным режимом работы агрегатов автомобиля, возникновением
неприятных вибраций и шума, перегревом двигателя. С другой стороны,
водитель, управляя быстро движущимся автомобилем, испытывает большую
психофизиологическую нагрузку, так как при этом резко возрастает объем
воспринимаемой и перерабатываемой им информации. Кроме того, дорожные
условия даже на лучших автомагистралях редко сохраняются постоянными на
большом протяжении, что вынуждает водителя изменять скорость движения
автомобиля.
Максимальное ускорение определяется по следующей формуле:

 B2
jmax =  c + Cc  Dc .
(1.2.3)
A
4

 c
где Dc = Mδ вр .
Здесь:
M – масса автомобиля с данной нагрузкой, кг;
δ вр – коэффициент учета влияния вращающихся масс. Данный
коэффициент учитывает силу, необходимую для ускорения вращающихся
масс и может быть приближенно определен по формуле:
31
δ вр = 1 + (δ ′ + δ ′′ uк2 ) M a / M ,
где δ ′ ≈ δ ′′ ≈ 0,03 − 0,05 ; u K – передаточное число коробки передач; M a – масса
автомобиля с полной нагрузкой, кг.
При разгоне с максимальным ускорением возникают большие
инерционные нагрузки, неприятно действующие на пассажиров и водителя.
Поэтому в обычных условиях движения ускорение не превышает (0,5–0,8) jmax ,
достигая предельных значений лишь в особых случаях: например, при
динамическом преодолении крутого подъема, в процессе обгона или при
выходе из сложной дорожной ситуации.
1.2.4. Динамический фактор автомобиля
В случае обгона, сочетаемого с разгоном, большое значение имеет
приемистость автомобиля, его динамический фактор D . Чем больше
максимальное ускорение автомобиля, тем быстрее будет закончен обгон.
Оценить, как автомобиль будет разгоняться, преодолевать участки тяжелой
дороги или брать подъемы можно по величинам максимальных тяговых сил на
ведущих колесах (при полном газе) на различных скоростях, если вычесть из
них потери на сопротивление воздуха. Если машины разного веса, необходимо
поделить “избыточную” тяговую силу на вес автомобиля – получим
объективную оценку его динамических возможностей, его тяговооруженность.
В автомобильной технике эту величину принято называть динамическим
фактором.
32
40
38
ВАЗ-2106
36
34
Динамический фактор D, %
32 ВАЗ-21053
30
28
26
24
ВАЗ-2106
22
20
18
ВАЗ-21053
16
14
ВАЗ-2106
12
10 ВАЗ-21053
8
ВАЗ-21053
6
ВАЗ-2106
4
2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Скорость автомобиля V, км/ч
Рис. 1.2.5. Сравнение тяговооруженности ВАЗ-2106 и ВАЗ-21053.
Динамический фактор определяется по формуле:
D = ( Pт − Pв ) / G ⋅ 100% ,
N
η 
 v
v
− cм 
где Pт = e max тр aм + bм
vN
vN

 vN



2

,

(1.2.4)
Pв = K в Fв v 2 .
Это наиболее универсальный инструмент сравнения различных
транспортных средств. Кстати, его величина совпадает с величиной угла
подъема дороги, который доступен автомобилю. Понятно, что на
горизонтальной дороге избыток тяговой силы может быть затрачен на разгон
или на преодоление тяжелого участка. Картина представленная на рис. 1.2.5.,
получена расчетом множества значений динамического фактора для
различных скоростей и передач. Здесь показаны величины динамического
фактора автомобиля ВАЗ-21053 и, для сравнения – ВАЗ- 2106.
1.2.5.
Влияние
технического
состояния
автомобиля
на
тяговую
33
динамичность
Техническим состоянием автомобиля называется степень соответствия
его агрегатов, механизмов и приборов нормам, установленным правилами
технической эксплуатации. В первое время после выпуска автомобиля с завода
детали двигателя и других агрегатов прирабатываются, техническое состояние
их улучшается. Затем длительное время оно остается примерно неизменным,
после чего, вследствие изнашивания деталей, изменения их размеров,
образования чрезмерных зазоров, а также возникновения усталостных
напряжений, техническое состояние автомобиля начинает ухудшаться. Замена
негодных деталей и узлов исправными, регулировка механизмов во время
ремонта улучшают их техническое состояние.
Ухудшение технического состояния двигателя прежде всего сказывается
на уменьшении его мощности. Изнашивание деталей цилиндропоршневой
группы вызывает прорыв рабочей смеси в картер двигателя при такте сжатия и
уменьшение давления конца сжатия. У сильно изношенного двигателя
эффективная мощность может составить 80–85% номинальной. В случае
изменения зажигания на позднее мощность может упасть на 25–30%.
Слишком раннее зажигание приводит к возникновению детонации,
вынуждающей водителя уменьшать скорость и переходить на низшие
передачи. При засорении воздушного фильтра ухудшается наполнение
цилиндров, нарушается нормальное смесеобразование, что также вызывает
падение мощности. Выход из строя свечи зажигания также уменьшает
мощность (неработающая свеча в шестицилиндровом двигателе снижает его
мощность на 15–20%). При длительном хранении бензина на складах в нем
образуются высокомолекулярные соединения, которые, соприкасаясь с
горячими стенками впускного трубопровода, оседают на них в виде твердого
слоя. Отложения уменьшают проходное сечение трубопровода и вызывают
неравномерное распределение горючей смеси по цилиндрам. В результате
мощность двигателя может уменьшиться на 15–20%.
В процессе эксплуатации изменяется также техническое состояние
агрегатов шасси автомобиля. При неправильном зацеплении шестерен в
коробке передач и ведущих мостах, а также при чрезмерной затяжке
конических роликоподшипников главной передачи и ступиц колес возрастают
затраты энергии в трансмиссии и ходовой части, приводящие к ухудшению
тяговой динамичности автомобиля. Такие же последствия вызывает
неправильная установка передних колес или задевание тормозных колодок за
барабаны при движении автомобиля.
Величина к.п.д. трансмиссии в значительной степени зависит от
условий ее эксплуатации. С повышением передаточного числа коробки
передач увеличивается сила давления и сила трения между зубьями
шестерен, что несколько уменьшает ηтр. С увеличением скорости вращения
шестерен, погруженных в масло, растут гидравлические потери и,
соответственно, уменьшается ηтр.
Наиболее существенное влияние на ηтр в эксплуатационных условиях
34
оказывает вязкость масла. С уменьшением температуры масла к.п.д. заметно
снижается. С увеличением передаваемой мощности относительное значение
потерь в трансмиссии сокращается, что приводит к повышению ηтр.
Большое значение для тяговой динамичности автомобиля имеет
техническое состояние его шин. Недостаточное давление в них повышает
сопротивление качению и снижает поперечную устойчивость автомобиля. При
изнашивании протектора ухудшаются сцепные свойства, увеличивается
склонность к пробуксовке колес при трогании автомобиля с места и разгоне.
У грузовых автомобилей в процессе эксплуатации тяговая динамичность
может быть повышена путем установки на задней части кабины, на её крыше
и на задней части кузова специальных щитков (обтекателей), уменьшающих
завихрение воздуха и силу PД .
Снижение показателей тяговой динамичности автомобиля по мере
увеличения срока его работы и ухудшения технического состояния
проявляется в уменьшении максимальных скорости и ускорения, а также в
снижении интенсивности разгона. При пробеге автомобиля, равном норме
пробега до капитального ремонта или до списания (100%), максимальная
скорость уменьшается на 10–15%, а время разгона с места увеличивается на
25–30% по сравнению с аналогичными показателями нового автомобиля,
прошедшего обкатку.
Ухудшение
тяговой
динамичности
изношенного
автомобиля
отрицательно сказывается на его безопасности. Такие автомобили медленно
разгоняются, с трудом преодолевают крутые подъемы, для обгона других
транспортных средств им нужно на 30–35% больше времени, чем таким же
автомобилям в исправном техническом состоянии. Соответственно снижается
и активная безопасность автомобиля.
1.2.6. Характеристики современных двигателей
Двигатели внутреннего сгорания насчитывают уже более чем столетнюю
историю. Совсем недавно казалось, что они уже достигли совершенства, и
дальнейших перспектив развития у них уже нет. Но инженеры-двигателисты
считают иначе.
Сейчас ведутся работы в направлении повышения удельной мощности
двигателей, уменьшения токсичности выхлопных газов, повышения
надежности и долговечности. Повышение удельной мощности, надежности и
долговечности двигателей способствует увеличению уверенности водителя в
процессе управления автомобилем, особенно при маневрировании в сложных
ситуациях.
Конструкторы известного японского концерна Mitsubishi предложили
вариант «бензинового дизельного» двигателя, в котором топливовоздушная
смесь впрыскивается не во- впускной коллектор, а непосредственно в камеру
сгорания, подобно обычному дизельному двигателю. Разработанный ими
двигатель получил название GDI (Gasoline Direct Injection непосредственный впрыск топлива) и уже нашел себе применение на
35
автомобиле Mitsubishi Carisma. В этом двигателе происходит так называемое
послойное смесеобразование. При небольших нагрузках он работает на очень
бедных смесях. Для того чтобы поджечь такую смесь, необходимо
впрыскивать топливо в конце такта сжатия, при этом поршни специальной
формы направляют ее непосредственно к электродам свечей. Экономия
топлива в двигателях GDI по сравнению с обычными двигателями достигает
10-15%, но при этом резко повышается температура отработанных газов, а
вместе с ней и количество выбрасываемых в атмосферу окислов азота (NOx),
что делает необходимым использование дорогого катализатора, который
требует использования бензина с минимальным количеством серы, в
противном случае он очень быстро выйдет из строя.
Интересный двигатель разработан шведской фирмой SAAB. Эта фирма
первой освоила серийное производство двигателей с турбонаддувом и
четырьмя клапанами на цилиндр (рис. 1.2.6). Как ясно из названия двигателя
SVC (SAAB Variable Compression), в нем изменяется степень сжатия.
Достигается это путем наклона головки блока двигателя на 4° относительно
картера, что дает возможность увеличить объем камеры сгорания при том же
ходе поршня. Благодаря этому появляется возможность изменить степень
сжатия двигателя в диапазоне от 14:1 до 8:1 (рис. 1.2.7.)
Рис. 1.2.6. Двигатель SVC (SAAB Variable Compression)
36
Рис. 1.2.7. Степень сжатия двигателя в диапазоне от 14:1 до 8:1
На холостых оборотах и при сбросе газа моноблок занимает самое нижнее
положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия —
14:1). Агрегат наддува отключен, и воздух поступает в двигатель напрямую.
Под нагрузкой механизм отклоняет моноблок вбок, и надпоршневой объем
увеличивается. При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух
начинает поступать в цилиндры под избыточным давлением.
Изменение степени сжатия позволяет существенно увеличить КПД
двигателя. Представленный пятицилиндровый образец SVC имел объем
всего 1,6 литра, развивая при этом мощность более 200 л.с. При этом по
сравнению с обычным двигателем он потребляет топлива на 30% меньше. Но
высокий уровень шума при работе, а также другие проблемы сдерживают
пока его серийное производство.
Конструкторами концерна BMW разработан двигатель, названный
Valvetronic, (рис. 1.2.8). Этот двигатель позволяет изменять фазы
газораспределения и степень открытия клапанов. Для изменения степени
открытия клапанов в головке блока цилиндров двигателя кроме двух
распределительных валов, выполняющих свои обычные функции, добавлен
еще один управляющий вал (рис. 1.2.9.). Поворачиваясь вокруг своей оси, он
изменяет положение промежуточного механизма, который воздействует на
клапан, изменяя максимальную величину его открытия от 0,25 мм,
обеспечивая тем самым легкий запуск и устойчивую работу на холостом
ходу и достаточный крутящий момент на небольших скоростях и нагрузках,
до 9,4 мм, необходимых для получения максимальной мощности при
высоких оборотах.
37
Рис. 1.2.8. Двигатель BMW (Valvetronic).
Изменение фаз газораспределения достигается путем использования двух
ползунковых вариаторов, установленных непосредственно на впускном и
выпускном распределительных валах.
Для снижения уровня вибраций 4-цилиндровых двигателей большого объема
в картере двигателя были установлены два балансирных вала, приводящихся
в движение дополнительным цепным приводом от коленчатого вала
двигателя.
В этих двигателях используется система плавного регулирования длины
впускных трубопроводов. Для этого используется вращающийся барабан с
электроприводом, позволяющий за 1 секунду изменить длину трубопровода с
231 до 673 миллиметров. До средних оборотов (3500 об/мин) работает
длинный канал, а по мере роста оборотов он укорачивается. Все эти
38
конструкторские ухищрения позволяют на низких и средних нагрузках
сэкономить до 10% топлива.
Рис. 1.2.9. Механизм регулировки степени открытия клапанов
Появились
двигатели,
в
которых
отсутствуют
традиционные
распределительные валы. В них использовано индивидуальное устройство
управления клапанами с гидроприводом или электроприводом с помощью
соленоидов (рис. 1.2.10.).
Рис. 1.2.10. Привод клапанов газораспределительного механизма с помощью
39
соленоидов - электромагнитов
С помощью такой системы можно не только четко управлять временем
открытия каждого клапана, не только обеспечивать получение максимальной
мощности или максимального крутящего момента, очень маленьких и
экономичных оборотов холостого хода, но и получения некоторых
теоретических возможностей. Например, станет реальным отключать
несколько цилиндров полностью или переводить их на малую нагрузку.
Однако, несмотря на явные преимущества и кажущуюся простоту
электронного привода клапанов, конструкторы столкнулись с рядом
трудностей. Так, для работы 16-клапанного 4-цилиндрового двигателя
требуется мощность около 2 кВт. В этом случае при использовании 12вольтовой бортовой сети автомобиля соленоиды получаются большими и
тяжелыми. Эти проблемы могут быть успешно преодолены переводом
бортовой сети автомобиля на напряжение 36 вольт и применением
генератора напряжения 42 вольта.
1.3. Устойчивость транспортных средств
1.3.1. Понятие устойчивости транспортного средства
Под устойчивостью понимается свойство транспортного средства
сохранять заданные направление движения, ориентацию продольной и
вертикальной оси.
Устойчивость автомобиля непосредственно связана с безопасностью
дорожного движения. Управляя неустойчивым автомобилем, водитель
вынужден внимательно следить за дорожной обстановкой и постоянно
корректировать движение автомобиля, чтобы он не выехал за пределы дороги.
В качестве основных угловых параметров при изучении устойчивости
ТС обычно принимаются следующие:
1. Угол и угловая скорость продольного опрокидывания ТС.
2. Угол и угловая скорость крена ТС (угол и угловая скорость
поперечного опрокидывания).
3. Угол и угловая скорость поворота ТС.
Таким образом, следует различать устойчивость по опрокидыванию
(продольную и поперечную) и по направлению движения (курсовая
устойчивость). Также часто выделяют устойчивость по боковому смещению
(боковая устойчивость).
Часть из тех параметров движения, которые характеризуют
устойчивость автомобиля, являются управляемыми (угол и угловая скорость
поворота, траектория направляющей точки), а часть - неуправляемыми (углы и
угловые скорости поперечного и продольного опрокидывания).
40
1.3.2. Продольная устойчивость
Продольная устойчивость – это устойчивость автомобиля против
опрокидывания относительно передней или задней оси.
Потеря автомобилем продольной устойчивости выражается, как
правило, в буксовании ведущих колес, особенно часто наблюдаемом при
преодолении автопоездом затяжных подъемов со скользкой поверхностью
(следствием буксования является сползание назад).
Характеристиками продольной устойчивости служат: максимальная
величина подъема α max , которую автомобиль с прицепом может преодолеть
при установившейся скорости движения без опрокидывания; максимальная
(критическая) величина угла подъема α бук , преодолеваемого автомобилем без
буксования ведущих колес.
Рассмотрим общий случай движения автомобиля - ускоренное движение
на подъеме прицепом (рис. 1.3.1.).
Рис. 1.3.1. Схема сил при движении автомобиля с прицепом на подъем
Опрокидывание автомобиля через заднюю ось может произойти при
преодолении максимального подъема из-за действия составляющей силы веса
PП , силы инерции PИ и при движении с максимальной скоростью из-за силы
сопротивления воздуха PВ .
При движении автомобиля на максимальный подъем его скорость
бывает мала и поэтому можно пренебречь силой сопротивления воздуха PВ .
Можно принять также, что преодоление подъема происходит с
установившейся скоростью ( j = 0 ), так как разгон на максимально допустимом
подъеме невозможен.
При этих условиях получим выражение, позволяющее определить α max :
 Gпр 
 f ⋅ rк
b − 1 +
G 

,
(1.3.1)
tgα max =
Gпр
hпр
hц +
G
где f – коэффициент сопротивления качению;
GПР – вес прицепа, Н;
41
hПР – высота сцепного устройства, м.
При движении по хорошей дороге ( f ≈ 0 ), без прицепа ( PПР = 0 ) величина
подъема увеличится и станет равной:
b
.
(1.3.2)
tgα max =
hц
Опрокидывание автомобилей обычных конструкций вокруг передней
оси практически невозможно, так как расстояние b > a, а для легковых
автомобилей - величина hЦ мала.
Автомобили по своим тяговым качествам или по сцеплению колес с
дорогой не всегда могут въехать на предельный по опрокидыванию подъем.
Поэтому при проектировании автомобиля необходимо установить, чем
ограничивается максимальный угол подъема - опрокидыванием, буксованием
или недостатком тяговой силы.
Выражение для определения α бук , при котором возможно равномерное
движение автопоезда без буксования ведущих колес тягача, имеет вид:
tg α бук =
Gaϕ x
G ( L − hц ϕ x ) + G пр ( L − hпр ϕ x )
.
(1.3.3)
Согласно формуле, критический угол α бук в большой степени зависит от
коэффициента сцепления и массы прицепа. Чем меньше величина ϕ x и чем
больше масса прицепа по сравнению с массой тягача, тем меньше α бук . Так, на
дорогах с обледенелым покрытием буксование может наступить при α бук = 2–
3°, т. е. на относительно пологих подъемах.
Для одиночного автомобиля (типа 2×1) GПР = 0 и α бук будет, естественно,
больше, чем у автопоезда.
Для автомобиля со всеми ведущими мостами (из треугольника сил)
tgα бук = PT G ⋅ cos α бук , следовательно tgα бук = ϕ x (по определению).
Такие автомобили могут преодолевать без потери продольной
устойчивости весьма крутые подъемы даже при мокром и скользком покрытии
( α бук = 17–19°).
Для того чтобы буксование автомобиля со всеми ведущими колесами
началось до его опрокидывания, необходимо соблюдение следующего
неравенства:
b
tgα бук ≤ tgα max , или ϕ ≤ .
hц
Большинство автомобилей проектируется так, чтобы максимальный
подъем ограничивался буксованием ведущих колес, а не опрокидыванием.
Однако часто для автомобилей повышенной проходимости, у которых высоко
расположен центр масс, а шины с грунтозацепами обеспечивают большие
значения коэффициента сцепления, предельные углы по буксованию и
опрокидыванию очень близки.
42
1.3.3. Поперечная устойчивость
Условием сохранения равновесия неподвижного или равномерно
движущегося автомобиля на уклоне или косогоре является прохождение
вектора силы тяжести внутри опорной площади автомобиля –
прямоугольника, вершины которого совпадают с точками взаимодействия
колес с дорогой (см. рис. 1.3.2.). По мере загрузки автомобиля центр тяжести
смешается вверх, вследствие чего даже незначительный уклон дороги может
привести к потере устойчивости.
Поперечная устойчивость – это способность автомобиля двигаться по
дорогам различного качества без опрокидывания и бокового скольжения
относительно боковых правых и левых колес.
Рассмотрим случай прямолинейного движения автомобиля по дороге с
поперечным уклоном. Тогда опрокидывающая сила равна составляющей силы
веса G sin β (рис. 1.3.2.).
Рис. 1.3.2. Схема сил при прямолинейном движении автомобиля по дороге с
поперечным уклоном.
Из условия равновесия автомобиля относительно оси проходящей через
точки O опоры левых колес получим:
B
Rz 2 B + Ghц sin β − G cos β = 0 ,
2
где RZ 2 - сумма нормальных реакций на правых колесах;
B - колея автомобиля.
В момент начала опрокидывания нормальные реакции на правые колеса
автомобиля становятся равными нулю ( RZ 2 =0), тогда:
tg β опр = B /( 2hц ) .
(1.3.4)
До опрокидывания может начаться скольжение автомобиля под уклон.
Если допустить, что колеса передней и задней осей автомобиля имеют
одинаковое сцепление с дорогой и что боковые реакции Ry1 и Ry 2
распределяются по осям так же, как и составляющие силы веса, то получим:
R y1 + R y 2 = G sin β = ϕ y G cos β ,
откуда
43
tgβ скол = ϕ y ,
(1.3.5)
где ϕ y – коэффициент сцепления в поперечном направлении.
При условии, когда ϕ y ⟨ B 2hц , скольжение колес автомобиля начинается
раньше его опрокидывания.
Теперь рассмотрим случай поворота (криволинейного движения)
транспортного средства на косогоре. Потеря поперечной устойчивости при
криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему
поперечному скольжению шин по дороге (заносу) или опрокидыванию
автомобиля.
Показателями
поперечной
устойчивости
автомобиля
при
криволинейном движении являются максимально возможные скорости
движения по дуге окружности и угол поперечного уклона дороги (косогора).
При криволинейном движении автомобиля потерю устойчивости на
косогоре обычно вызывает центробежная сила Pу (см. рис. 1.3.3.).
Рис. 1.3.3. Движение автомобиля на вираже
Расстояние от точки O (центра поворота) до середины заднего моста при
угле поворота управляемых колес θ ≤ 20o :
R = L tgθ ≈ L θ .
(1.3.6)
Величина максимально допустимого (критического) угла косогора, по
которому автомобиль может двигаться без опрокидывания, равна:
(1.3.7)
tg β опр = (0,5BgR − v 2 hц ) /( hц gR + 0,5Bv 2 ) .
Скорость, с которой автомобиль может двигаться криволинейно по
косогору (а точнее, двигаться по виражу) без опрокидывания:
tgβ + B / 2hц
vопр = Rghц
.
(1.3.8)
1 − ( B / 2hц )tgβ
Устойчивость автомобиля против опрокидывания возрастает с
увеличением колеи B автомобиля и радиуса R , а также при снижении центра
тяжести и уменьшении угла косогора.
Из уравнения (1.3.8) видно, что если выбирать соответствующие углы β
то скорость движения может быть произвольно велика и, если
2hц
,
tgβ =
B
то опрокидывания не произойдет при любой сколь угодно большой скорости.
44
Максимальный (критический) угол косогора дороги, по которому
автомобиль может двигаться без поперечного скольжения:
(1.3.9)
tg β ск = ( gRϕ y − v 2 ) /( gR + v 2ϕ y ) .
Согласно формуле (1.3.9) движение автомобиля устойчивее при
больших значениях ϕ y и R и малых величинах v и β .
Скорость, при которой автомобиль начнет скользить в бок при
движении на вираже:
ϕ у + tgβ
vск = Rg
.
(1.3.10)
1 − ϕ у tgβ
Сравнивая значения VОПР . и VCK , рассчитанные по формулам (1.3.8) и
(1.3.10), можно определить, что наступит раньше, опрокидывание или
скольжение автомобиля вбок. Уравнение (1.3.10) позволяет установить, что
при увеличении угла β скорость движения автомобиля, допустимая по
условию скольжения вбок, также увеличивается, и что при 1 − ϕ tgβ = 0 эта
скорость может быть равна бесконечности. Таким образом, если:
1
tgβ = ,
ϕ
то скольжения вбок не будет, и скорость движения может быть произвольно
велика.
Чтобы увеличить поперечную устойчивость автомобиля при высоких
скоростях движения в реальных дорожных условиях, закругления на
автомагистралях выполняют с большими радиусами, порядка 300...1000 м, а
полотну дороги придают на закруглениях поперечный уклон, направленный к
центру закругления; величина уклона берется в пределах β = 8...12°. Силы Py
и G при этом прижимают автомобиль к дороге, что повышает его поперечную
устойчивость.
Выше было принято, что автомобиль представляет собой твердое тело.
В действительности автомобиль представляет собой сложную систему масс с
шарнирными и упругими связями. Под действием поперечных сил кузов
автомобиля поворачивается и наклоняется в поперечном направлении, при
этом упругие элементы подвески деформируются. При наличии упругой
подвески уменьшается критическая скорость VОПР , с которой можно вести
автомобиль без угрозы опрокидывания.
1.3.4. Явление заноса одной из осей
На практике редко наблюдается, что продольные силы отсутствуют и
оба моста автомобиля скользят в поперечном направлении одновременно,
обычно раньше начинают скользить колеса одного из мостов: заднего или
переднего.
Максимальная скорость, с которой автомобиль может двигаться без
поперечного скольжения при совместном действии касательных (силы тяги
45
или торможения) и поперечных сил v'ск меньше скорости vск, определенной
для случая равномерного движения автомобиля и разгона, примерно на 10–
20%. При интенсивном торможении v'ск ≈ 0 и даже небольшое отклонение
автомобиля от прямолинейного движения может привести к заносу.
Соответствующие критические скорости для переднего и заднего мостов
обозначаются VCK 1 и VCK 2 .
Рис. 1.3.4. Занос переднего и заднего мостов автомобиля.
На рис. 1.3.4, а показан автомобиль, движущийся криволинейно по дуге
радиуса R . Если скорость автомобиля V превысит критическое значение VCK 2 ,
то задний мост будет проскальзывать в поперечном направлении с некоторой
скоростью Vy 2 . В результате сложения скоростей задний мост начнет
перемещаться по направлению вектора v3 и радиус уменьшится до R1 .
Уменьшение радиуса вызовет увеличение центробежной силы, что в свою
очередь приведет к дальнейшему уменьшению радиуса. При некотором
значении радиуса начнут проскальзывать колеса переднего моста. Однако
скорость поперечного скольжения заднего моста все время будет расти
быстрее, и автомобиль будет двигаться по дуге непрерывно уменьшающегося
радиуса. Такое движение автомобиля называется заносом. Занос чрезвычайно
опасен, так как развивается обычно быстро и может привести к выходу
автомобиля за пределы полосы движения или опрокидыванию.
Если VCK 1 < VCK 2 , то при V = VCK 1 начинается поперечное скольжение
переднего моста со скоростью Vy1 (рис. 1.3.4, б). В этом случае передний мост
перемещается по направлению вектора V3 и радиус увеличивается от R до R1 .
Увеличение радиуса приводит к уменьшению центробежной силы, и скорость
Vy1 понижается. Следовательно, такой автомобиль не может войти в занос,
хотя может частично утратить управляемость.
Чтобы прервать начавшийся занос, нужно прекратить торможение или
подачу топлива, уменьшив тем самым величину удельной касательной
реакции ( PTOP PZ или PTOP PZ ). Кроме того, нужно повернуть передние колеса в
сторону скольжения заднего моста. Пусть во время начала заноса передние
колеса занимали нейтральное положение, и центр поворота находился в точке
46
O (рис. 1.3.4, в). После поворота колес на угол θ центр поворота сместится в
точку O1 и радиус поворота увеличится от R до R1 , а центробежная сила
уменьшится.
1.3.5. Курсовая устойчивость
Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться
без корректирующих воздействий со стороны водителя, т.е. при неизменном
положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью
произвольно меняет направление движения (“рыскает” по дороге), создавая
угрозу другим транспортным средствам и пешеходам.
Нарушение курсовой устойчивости при прямолинейном движении
автомобиля происходит под действием возмущающих сил, поперечной
составляющей веса, бокового ветра, ударов колес о неровности дороги, а
также различных по величине продольных сил (тяговой, тормозной),
приложенных к колесам правой и левой сторон автомобиля. При
криволинейном движении автомобиля к этим силам добавляется
центробежная сила. Потеря устойчивости автомобилем может быть вызвана
также
неправильными
приемами
управления
или
техническими
неисправностями.
Часто предпосылкой потери устойчивости является скорость
автомобиля, не соответствующая дорожным условиям. Если автомобиль
движется с излишне высокой скоростью, то тяговая сила PТ приближается по
величине к силе сцепления PСЦ ведущих колес с дорогой, вследствие чего
возможно их пробуксовывание. Скорость, максимально допустимая при
прямолинейном движении автомобиля без пробуксовки ведущих колес,
определяется следующим выражением:
 aϕ x
δ вр 

(1.3.11)
− f − sin α д −
j .

 L −ϕ h
g
x
ц


Скорость Vбук уменьшается при уменьшении коэффициента сцепления,
росте сопротивления дороги, а также при увеличении ускорения. Поэтому
потеря курсовой устойчивости автомобилем наиболее вероятна на участках
дороги со скользким неровным покрытием (укатанный снег, обледенелый
асфальтобетон, булыжник) и подъемами. Часто водители, видя впереди
подъем и не желая терять скорости, увеличивают подачу топлива и
преодолевают подъем “с ходу”. Если при этом на пути встретится участок,
покрытый снежной или ледяной коркой, то значения сил PT и PСЦ могут стать
примерно одинаковыми, тогда даже небольшая поперечная сила может
вызвать боковое скольжение заднего моста.
vбук =
G
Wв
1.3.6. Испытания автомобилей на устойчивость
Как и в других ходовых испытаниях для точной оценки устойчивости
47
автомобиля необходимо возможно более стабильное и фиксируемое состояние
всех элементов системы ВАДС при каждом опыте. Это достигается
регламентацией состояния окружающей среды, дорожных условий, действий
водителя (путем определенных предписаний воздействия на органы
управления), соблюдением заданных скоростей в опытах.
Но как бы строго не регламентировались состояния элементов системы
ВАДС, при испытаниях неизбежен случайный их разброс, в особенности,
вследствие действий водителя-испытателя. Поэтому нормативы показателей
или характеристик автомобиля, определяемые при испытаниях, могут
количественно задаваться только интервально, с определенными пределами.
Технологические операции или виды основных испытаний приведены в табл.
1.3.1.
Таблица 1.3.1
Условное
Оцениваемые
Регистрируемые
и Регламентирую
название
показатели,
нормируемые величины щие документы
вида
характеристики
испытаний
Стабилизац Самовозврат
Скорость
самовозврата ОСТ 37.001.471ия
управляемых колес в рулевого
колеса, 88.
Правила
нейтральное положение остаточный
угол №79 ЕЭК ООН
без воздействия на самовозврата,
угол
рулевое колесо после заброса, время, скорость.
поворота.
Усилие на Нагрузка водителя для Момент
на
рулевом То же
рулевом
поворота.
колесе
для
поворота
колесе
управляемых колес на
месте и в движении (с
исправным
и
неисправным
усилителем),
угол
поворота руля, скорость
движения АТС, время.
Прямая
Способность
Текущее значение угла
сохранения
поворота рулевого колеса,
устойчивого
время,
скорость
прямолинейного
движения,
средняя
поступательного
угловая
скорость
движения.
корректирующих
поворотов руля.
Переставка Способность
смены Скорость движения, угол ОСТ 37.001.471полосы движения при поворота руля, время.
88
возможно
высокой
скорости, устойчивость
при маневре.
48
Двойная
То же
То же
ИСО 3888-75
смена
полосы
движения
Поворот с Предельная
скорость Скорость движения и ОСТ 37.001.471радиусом R выполнения
маневра, боковое
ускорение
в 88
= 35 м
устойчивость
против момент опрокидывания.
опрокидывания
на
повороте.
Рывок руля Реакция автомобиля на Угол
поворота
руля, ОСТ 37 001 471экстренное
угловая скорость поворота 88
управляющее
автомобиля
около
воздействие
по вертикальной оси увод
курсовой устойчивости задней
оси,
заброс
и поворачиваемости в угловой
скорости
переходных режимах. поворота до и после
рывка, время 90%-ной
реакции автомобиля.
Регламентируются испытания различным образом для разных АТС. Так,
при испытаниях “стабилизация” автомобили категории М1 разгоняют до
установившейся скорости 50 км ч, автомобили и автопоезда остальных
категорий до скорости 40 км/ч в движении по окружности радиусом 50 м. По
сигналу руководителя испытаний водитель-испытатель быстро снимает
удерживающее руль усилие до полного возврата или остановки обратного
поворота рулевого колеса. Эта испытательная операция повторяется не менее
трех раз при движении по кругу в двух противоположных направлениях.
Испытания усилий на рулевом колесе проводятся на неподвижном
автомобиле и в движении со скоростью 10±2 км/ч с поворотом руля из
нейтрального
положения
(при
положении
управляемых
колес,
соответствующем прямолинейному поступательному движению) вправо до
упора и затем влево до упора.
Испытания “прямая” дают оценку курсовой устойчивости и
выполняются в движении по размеченному коридору длиной 400 м, со
скоростью не менее 80 км/ч для автомобилей категорий М1, М2, №1, №2 и 60
км/ч для остальных категорий. Количество опытов (заездов) - не менее 10.
Испытания “переставка” определяются величиной пути Sn (во время
которого вращается рулевое колесо) на размеченном участке в средней части
трассы испытаний. Для значений Sn равных 12, 16, 20 и 24 м испытания
проводятся с повышением скорости от заезда к заезду для определения
зависимостей поворотов руля от скорости поступательного движения в
момент пересечения передними колесами границы между участком разгона и
S n . Испытания “переставка” S n = 20 м выполняются без освобождения педали
подачи топлива в момент начала маневра для сохранения постоянной
49
предельно высокой скорости по началу заноса.
Испытания “поворот” с радиусом 35 м выполняются на специально
размеченной трассе с изменяемой от заезда к заезду скоростью в момент
пересечения границы между участком разгона и кольцевым участком.
Изменение скорости производится от 5 км/ч в первом заезде до предельной по
началу сноса или заноса автомобиля через интервал 1,3 км/ч.
Испытания “рывок руля” проводятся с предварительным разгоном на
прямолинейном участке АТС категорий М1, М2, №1, №2 до скорости 80 ± 3
км/ч, а категорий М3, №3, L1–5 – до 60 ± 3 км/ч. При въезде с этой скоростью
на разворотную площадку производится резкий поворот руля с угловой
скоростью не менее 400 град/с. Угол поворота рулевого колеса увеличивают в
последовательных заездах до возникновения бокового (центробежного)
ускорения не менее 4,5 м/с2 или потери сцепления шин, или начала бокового
опрокидывания. Испытания выполняются при рывке руля последовательно в
правую и левую стороны. Предельная скорость характеризует как курсовую
устойчивость, так и поворачиваемость АТС.
В заключение следует отметить, что, несмотря на значимость
устойчивости в оценке активной безопасности АТС, международные
нормативные требования недостаточно разработаны и ограничены.
Международные и национальные стандарты как на требования к АТС, так и на
методы испытаний недостаточно гармонизированы.
1.4. Управляемость автомобиля
1.4.1. Управляемость и ее значение для безопасности дорожного движения
Управляемостью называют способность автомобиля устойчиво
сохранять заданное направление движения и вместе с тем быстро изменять его
при воздействии водителя на рулевое управление.
Управляемость
обеспечивается
соответствующими
элементами
конструкции автомобиля: углами установки управляемых колес,
определенным соотношением углов поворота правого и левого колес,
правильным соотношением давления в шинах передних и задних колес.
От технического состояния автомобиля в большой мере зависит его
управляемость. На нее отрицательно влияют неправильная установка
управляемых колес, увеличенные зазоры в рулевом механизме и приводе,
перекосы осей и ведущего моста, слишком низкое или высокое давление в
шинах. Биение колес на большой скорости может вызвать их виляние, что
также ухудшает управляемость.
Подавляющее большинство опасных дорожных ситуаций (до 80– 85%)
водитель ликвидирует путем своевременного поворота рулевого колеса и
изменения направления движения автомобиля. При этом водитель может,
либо, повернув автомобиль, отвести его от опасной зоны под углом к
прежнему направлению движения, либо выехать в соседний ряд.
50
Поворачивая рулевое колесо, водитель задает новое направление
движению
автомобиля.
При
плохой
управляемости
автомобиля
действительное направление движения не совпадает с желательным и
необходимы дополнительные управляющие воздействия со стороны водителя.
Это приводит к “рысканию” автомобиля по дороге, увеличению
динамического коридора и утомлению водителя. При особенно
неблагоприятных условиях плохая управляемость может явиться причиной
столкновения автомобилей, наезда на пешехода или выезда за пределы дороги.
1.4.2. Поворачиваемость автомобиля и ее влияние на безопасность
движения
Поворачиваемостью называют свойство автомобиля изменять
направление движения без поворота управляемых колес. Есть две основных
причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной
эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью
подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость
автомобиля.
Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При
действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы Py вектор скорости
центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол δ – угол
увода. Сила Py и угол увода δ связаны следующей зависимостью:
Py = k ув ⋅ δ ,
(1.4.1)
где k ув – коэффициент сопротивления уводу (первая производная от
поперечной силы по углу увода), Н/рад.
Величина k ув зависит от многих факторов, из которых наибольшее
значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы,
приложенные к колесу, и наклон колеса к вертикали.
Рис. 1.4.1. Схема движения автомобиля с эластичными шинами
51
При наличии увода центр поворота автомобиля находится не в точке O ,
как у автомобиля с жесткими шинами (рис. 1.4.1), а в точке O1 , т. е. в месте
пересечения перпендикуляров к векторам скоростей V1 и V2 . Траектория
движения автомобиля с жесткими шинами зависит только от угла θ . У
автомобиля с эластичными шинами на нее влияют углы увода, которые в свою
очередь зависят от θ , v и других факторов. При наличии увода автомобиль
может двигаться криволинейно, даже при θ = 0 . Кривизна траектории зависит
от соотношения δ1 и δ 2 (углы увода переднего и заднего мостов).
Если δ1 = δ 2 , то шинную поворачиваемость автомобиля называют
нейтральной. Хотя при этом траектория движения автомобиля о жесткими
шинами не совпадает о траекторией движения автомобиля, имеющего
нейтральную поворачиваемость, так как центры поворота в этих случаях
занимают различные положения. В случае действия поперечной силы на
автомобиль, имеющий жесткие шины, он сохраняет прежнее направление
движения, пока эта сила по величине не станет равной силе сцепления.
Автомобиль, имеющий нейтральную шинную поворачиваемость, под
действием поперечной силы движется под углом δУВ к прежнему направлению
движения.
Рис. 1.4.2. Схемы движения автомобиля с различной
поворачиваемостью: а – с недостаточной; б – с излишней
шинной
Если δ1 > δ 2 , то для движения автомобиля с эластичными шинами по
кривой управляемые колеса нужно повернуть на больший угол, чем при
жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля
называют недостаточной. Под действием поперечной силы PУ (рис. 1.4.2, а)
при прямолинейном движении передняя ось автомобиля с недостаточной
поворачиваемостью в результате увода движется под углом δ1 к прежнему
направлению движения, а задний мост – под углом δ 2 . Автомобиль
поворачивается вокруг центра O1 , вследствие чего возникает центробежная
52
сила PЦ , поперечная составляющая PЦУ которой направлена в сторону,
противоположную силе PУ , что уменьшает результирующую поперечную силу
и увод колес. Следовательно, автомобиль с недостаточной шинной
поворачиваемостью устойчиво сохраняет прямолинейное направление
движения.
Если угол δ1 < δ 2 , то для движения автомобиля с эластичными шинами
по кривой управляемые колеса нужно повернуть на меньший угол, чем при
жестких шинах. В этом случае шинную поворачиваемость автомобиля
называют излишней. Если на автомобиль с излишней поворачиваемостью
действует центробежная сила PЦ , то он тоже движется криволинейно (рис.
1.4.2, б). Однако составляющая PЦУ в этом случае направлена в ту же сторону,
что и сила PУ . В результате увод возрастает, что увеличивает кривизну
траектории и силу PЦУ и т.д. Если водитель не повернет управляемые колеса в
нужном направлении, то центробежная сила PЦ может возрасти настолько, что
автомобиль потеряет устойчивость. Таким образом, автомобиль с
недостаточной поворачиваемостью более устойчив и лучше сохраняет
направление движения, чем автомобиль с излишней поворачиваемостью.
Для количественной оценки шинной поворачиваемости автомобиля
служит коэффициент поворачиваемости
η пов =
G 2 k ув1
G1k ув 2
,
где kУВ1 и kУВ 2 – коэффициенты сопротивления уводу переднего и заднего
мостов автомобиля.
При излишней шинной поворачиваемости автомобиля η ПОВ > 1, при
нейтральной η ПОВ = 1, а при недостаточной η ПОВ < 1. Большинство
автомобилей имеют недостаточную шинную поворачиваемость в
ненагруженном состоянии. При полной нагрузке, напротив, автомобили
имеют излишнюю поворачиваемость.
Креновая поворачиваемость автомобиля связана с конструкцией его
подвески.
Рассмотрим задний мост с рессорной подвеской автомобиля, который
совершает правый поворот. Передние концы рессор соединены с кузовом
простым шарниром, а задние – с помощью серьги. При прогибах рессоры
задний мост перемещается по дуге, причем ось его качания расположена
около шарнира. Под действием поперечной силы кузов автомобиля
наклоняется, вызывая сжатие левых рессор и распрямление правых. Левая
рессора, сжимаясь, перемещает задний мост назад, а правая, распрямляясь,
перемещает его вперед. В результате задний мост поворачивается в
горизонтальной плоскости (см. рис. 1.4.3).
Если углы поворота переднего и заднего мостов не одинаковы по
величине или направлению, то автомобиль вследствие крена поворачивается,
хотя передние колеса остаются в нейтральном положении. Так, при действии
53
одной и той же возмущающей силы PУ автомобиль А (рис. 1.4.3) повернется
вправо, а автомобиль Б – влево. Возникающая при повороте центробежная
сила Рц у автомобиля А направлена в противоположную сторону по
сравнению с возмущающей силой PУ , а у автомобиля Б в ту же сторону.
Поэтому автомобиль А лучше сохраняет направление движения под
действием поперечных возмущающих сил. По аналогии с шинной
поворачиваемостью можно сказать, что автомобиль А имеет недостаточную, а
автомобиль Б излишнюю креновую поворачиваемость.
Рис. 1.4.3. Схемы движения автомобилей с зависимой рессорной подвеской,
имеющих различную креновую поворачиваемость
У автомобиля с излишней креновой поворачиваемостью, на который
действует поперечная сила, кривизна траектории непрерывно увеличивается.
Это приводит к росту центробежной силы и дальнейшему уменьшению
радиуса поворота. Однако максимальное значение угла поперечного крена
обычно ограничено упорами, предусмотренными в конструкции подвески.
Поэтому креновая поворачиваемость не может увеличиваться беспредельно.
Креновая поворачиваемость автомобиля тесно связана с шинной
поворачиваемостью, так как увод колеса возникает не только под действием
сил и моментов, но и при наклоне колеса к вертикали (развале). Если
направление поперечной силы совпадает с направлением развала колеса, то
увод возрастает. Развал колеса, равный 1°, вызывает увод на угол 10–20'. У
автомобилей с независимой подвеской колес на поперечных рычагах крен
кузова вызывает изменение развала колеса. При двухрычажной подвеске
колеса наклоняются в сторону крена кузова в направлении действия
поперечной силы PУ , что увеличивает угол увода моста. При однорычажной
подвеске колеса наклоняются в сторону, противоположную крену кузова,
навстречу поперечной силе. В этом случае угол увода моста уменьшается.
Таким образом, в зависимости от конструкции подвески, креновая
поворачиваемость может либо усиливать, либо ослаблять влияние шинной
поворачиваемости.
54
Для обеспечения недостаточной поворачиваемости автомобиля
необходимо, чтобы угол увода переднего моста был больше угла увода
заднего моста. Поэтому у легковых автомобилей наиболее распространена
передняя независимая подвеска на двух рычагах. Заднюю подвеску
выполняют зависимой или же независимой на одном поперечном рычаге.
Никогда не применяют однорычажную подвеску для переднего моста и
двухрычажную для заднего, так как это приводит к резкому ухудшению
управляемости автомобиля.
Автомобиль может утратить управляемость вследствие поперечного
проскальзывания шин по дороге, а также увода шин.
При повышении скорости автомобиля углы увода также возрастают.
При этом у автомобиля с излишней шинной поворачиваемостью угол δ 2
увеличивается быстрее угла δ1 . При критической скорости автомобиль
начинает двигаться криволинейно, хотя его управляемые колеса находятся в
нейтральном положении. Следовательно, автомобиль с излишней шинной
поворачиваемостью теряет управляемость, если его скорость больше
критической.
У автомобиля с недостаточной или нейтральной шинной
поворачиваемостью критическая скорость отсутствует.
Чтобы обеспечить недостаточную шинную поворачиваемость
автомобиля, несколько уменьшают давление воздуха в шинах передних колес
по сравнению с давлением в шинах задних колес и тем самым снижают
коэффициент η ПОВ . Кроме того, центр тяжести автомобиля немного смещают в
сторону переднего моста, что увеличивает часть центробежной силы,
действующую на управляемые колеса.
1.4.3 Потеря управляемости автомобиля по техническим причинам
Если с правой и с левой сторон автомобиля установлены шины с
различной степенью износа, то при торможении возникает момент, который
может привести к повороту автомобиля и к аварии. Вместе с тем, по мере
изнашивания протектора и уменьшения его высоты увеличивается
сопротивление шины уводу. Коэффициент kУВ у полностью изношенных шин
на 50–70% больше, чем у новых. Поэтому при установке на передний мост
более изношенных шин автомобиль может приобрести излишнюю
поворачиваемость, что ухудшит его управляемость.
Неисправности шин приводят к нарушению устойчивости и
управляемости автомобиля. Когда давление в одной из шин начинает падать,
происходит изменение креновой и шинной поворачиваемости. Рулевое колесо
для движения прямо приходится дополнительно поворачивать на
определенный угол. Кроме того, отклонение автомобиля от намеченной
траектории (“рысканье”) происходит с некоторым запаздыванием.
Автомобиль начинает заносить в сторону проколотой шины из-за большой
неравномерности сопротивлений качению колес правой и левой сторон.
55
Полуспущенные шины задних колес влияют на изменение траектории
значительно меньше, чем шины передних колес.
Если воздух из поврежденной шины выходит не медленно, а вырывается
с большой скоростью, то слышен звук лопнувшей шины и затем чувствуется
резкий увод автомобиля и вращение рулевого колеса.
В такой ситуации надо прежде всего постараться не дать автомобилю
уйти с покрытия на обочину, так как на обочине управлять транспортным
средством труднее. Поворотом рулевого колеса необходимо компенсировать
начинающееся отклонение машины от направления движения. Для этого надо
прочно удерживать рулевое колесо.
Поперечные силы, действующие на автомобиль, особенно велики на
высоких скоростях. Чтобы удержаться на дороге и не опрокинуть машину, при
всех обстоятельствах следует избегать резкого торможения.
Применение
бескамерных
шин
повышает
безопасность,
т.к. герметичный внутренний слой охватывает проколовший шину гвоздь или
другой предмет, за счет чего выход воздуха предотвращается или сильно
замедляется.
Зачастую потеря управляемости происходит внезапно. Какое-либо
повреждение рулевого механизма и связанных с ним деталей (обрыв,
ослабление, заклинивание) лишает водителя контроля над управлением
автомобиля. В таких ситуациях мало что можно сделать, за исключением
нажатия на педаль тормоза.
Наиболее опасные последствия могут возникнуть при внезапном обрыве
продольной рулевой тяги. Такая неисправность опасна потому, что оба колеса
(соединенные вместе поперечными тягами) мгновенно отсоединяются от
рулевого колеса. Поэтому, если водитель почувствует, что рулевое колесо не
оказывает сопротивления при повороте и его поворот на любой угол не влияет
на изменение траектории движения, это - критическая ситуация.
Опытные водители знают, что спешить с торможением в такой
обстановке не следует, так как неуправляемые колеса могут в одно мгновение
повернуться до предела вправо или влево. И в этом, и в другом случае
происходит либо опрокидывание, либо удар об ограждение, либо
столкновение автомобилей. Поэтому, как только рулевое колесо начинает
вращаться очень легко, следует не тормозить сразу, а отпускать педаль
управления дросселем карбюратора, если скорость выше 30-40 км/ч. Если же
скорость ниже, то можно тормозить. Если тормозить в данном случае, то надо
тормозить на “юз” до полной остановки, не отпускать педаль тормоза до тех
пор, пока автомобиль не остановится. В данной ситуации передние колеса
заблокированы, и автомобиль скользит в первоначальном направлении.
При внезапном обрыве поперечной рулевой тяги вначале чувствуется
мгновенное облегчение усилия на рулевом колесе (в момент обрыва), а затем
некоторое увеличение усилия, как при управлении автомобилем со спущенной
шиной переднего колеса. При попытке перестроиться на другую полосу
движения машина ведет себя неестественно: поворачивается значительно
медленнее, чем обычно, вследствие чего траектория ее движения существенно
56
отличается от намеченной.
В такой ситуации необходимо плавно, как и при обычном неаварийном
торможении, остановиться и убедиться в исправности поперечных тяг.
Резкое увеличение прикладываемого к рулевому колесу усилия,
приводящее к потере управляемости автомобилем, может быть вызвано
заклиниванием рулевого управления вследствие поломки деталей рулевого
механизма (ролика, червяка), заедания сухарей в шаровых шарнирах или
неисправности противоугонного устройства. Заклинивание рулевого
управления обычно приводит к весьма тяжелым последствиям, т.к. водитель
не сразу осознает необходимость экстренного торможения, а некоторое время
пытается повернуть рулевое колесо. Автомобиль же, утратив управляемость,
продолжает двигаться с повернутыми колесами и быстро оказывается на
полосе встречного движения или за пределами дороги.
1.5. Трансмиссия автомобиля
Одной из наиболее действенных мер обеспечения активной безопасности
является применение автоматической трансмиссии, так как в этом случае
резко снижает утомляемость водителя, особенно в городском движении, и
тем самым вероятность возникновения аварии из-за усталости и
невнимательности водителя. Так при движении на автомобиле в городских
условиях в часы «пик» требует до 30 выключений сцепления на 1 км пробега.
Это дает основание предполагать, что уже в ближайшее десятилетие большая
часть легковых автомобилей и автобусов будет оборудоваться
автоматической коробкой передач.
Планетарная автоматическая коробка передач впервые появилась на
автомобиле более100 лет назад. Ею оснащались автомобили Cadillack в 1906
году. Но расцвет таких коробок передач пришелся на 50-е годы прошлого
века. Первоначально это были достаточно примитивные 2-3-сту-пенчатые
агрегаты с малым сроком службы. Пытались наладить производство
автоматических коробок передач и в Советском Союзе. Первоначально
планировался серийный выпуск «Волги» ГАЗ-21 как с механической, так и с
автоматической коробками передач. Но технологические трудности и полное
отсутствие сервисной сети не позволили это осуществить. Автоматические
коробки передач в Советском Союзе применялись лишь на
правительственных автомобилях и автобусах ЛиАз-967.
Сегодня автоматические коробки передач стали многоступенчатыми, обычно
количество передач достигает 5-6, а благодаря современным технологиям
срок их службы сравнялся со сроком службы автомобиля. Кроме того, они
предоставляют водителю несколько режимов движения: «экономный»,
«зимний» или «спортивный». Некоторые современные автоматические
коробки передач стали «самообучающимися». Благодаря современной
электронике они «запоминают» индивидуальный стиль вождения водителя и
57
в дальнейшем настраиваются под него. Но автоматическим коробкам передач
присущи и недостатки: дороговизна, сложность, громоздкость, а главное большие потери мощности и динамичности, а значит, повышенный расход
топлива.
Бесступенчатые трансмиссии (Continuosly Variable Transmission - CVT)
известны достаточно давно. К сожалению, малый срок службы клинового
ремня (40 000-50 000 км) и невозможность применения на более тяжелых
автомобилях заставили применять CVT только на легких снегоходах и
квадроциклах. Но в 2000 году известный японский автопроизводитель Nissan
вместо традиционного ремня предложил использовать стальную ленту с
нанизанными на нее трапециедальными элементами (рис. 1.5.1).
Впервые серийно такой вариатор был применен на автомобиле Honda Civile
(рис. 1.5.2). Его конструкция позволяет осуществить как автоматический так
и ручной режимы работы: достаточно ввести в бортовой компьютер
несколько фиксированных значений передаточного отношения, и его можно
выбирать по желанию водителя вручную или рычагом, или кнопками. Так в
новой модели Fiat Punto запрограммировано 7 «передач».
Рис. 1.5.1. Стальная лента
58
Рис. 1.5.2. Вариатор автомобиля Honda Civile
Современные технологии позволили устранить и еще один недостаток
клиноременного вариатора - невозможность передавать большой крутящий
момент. Так немецкая фирма Audi для модели А6, оснащенной двигателем
мощностью 193 л. с. с крутящим моментом 280 Нм, разработала новый
вариатор Multitronic (рис. 1.5.3).
59
Рис. 1.5.3. Вариатор Multitronic
Для передачи такого большого крутящего момента конструкторы
использовали пластинчатую многорядную цепь, которая может служить без
замены несколько сотен тысяч километров. Новый вариатор Audi позволяет
сэкономить 0,9 л топлива на 100 км по сравнению с традиционным
автоматом и 0,2 л при механической 5-ступенчатой коробкой передач. Кроме
того, улучшилась приемистость автомобиля: разгон до 100 км/ч стал
соответственно на 1,2 с меньше. Пожалуй, это первая автоматическая
коробка передач, улучшающая динамику и экономичность автомобиля.
Использование бортового компьютера позволяет обеспечить как
«экономичный», так и «спортивный» режим вождения. Так, в первом
варианте при плавном нажатии на педаль газа при достижении 60 км/ч
включается «повышающая» передача. При резком нажатии на педаль
вариатор автоматически переходит в «спортивный» режим работы и
включается «понижающая» передача. Кроме того, компьютер включает ее
при движении с прицепом, на крутом подъеме, если необходимо торможение
двигателем. Разумеется, предусмотрен и ручной режим работы. В этом
случае вариатор работает как механическая 6-ступенчатая коробка передач.
Интересную трансмиссию SH-AWD (Super Handling All Whell Drive суперуправляемый полный привод) предложила компания Honda (рис. 1.5.4).
60
Рис. 1.5.4. Активная трансмиссия автомобиля Honda
Эта трансмиссия, кроме традиционного распределения крутящего момента
между передним и задним мостами, способна оптимально распределить его
между правым и левым задними колесами автомобиля. Для улучшения
управляемости и уменьшения потерь крутящего момента в заднем
дифференциале добавлен планетарный «ускоритель», обеспечивающий при
повороте более быстрое вращение внешнего колеса по сравнению с
передними. По мнению разработчиков, SH-AWD обеспечит автомобилю
абсолютно нейтральную поворачиваемость в любых дорожных условиях.
Обработав информацию от множества датчиков, измеряющих параметры
движения, режимы работы двигателя, коробки передач, а также учитывая
угол поворота рулевого колеса, компьютер увеличивает тягу на внешнем
заднем колесе, если при повороте происходит разгон, или уменьшает его при
торможении. При движении по прямой, когда на задние колеса приходится
большая масса, на них передается и большее тяговое усилие.
На автомобиле Volvo XC90 V8 впервые нашла применение новая
трансмиссия Instant Traction. Система
полного привода была
усовершенствована так, чтобы она более точно могла передавать мощность
от нового двигателя V8. Максимальный крутящий момент, кратковременно
передаваемый на задние колеса, увеличен на 50% по сравнению с обычным
пяти- или шестицилиндровым Volvo XC90. Если раньше задний мост
подключался после того, как любое из передних колес провернется на 1/7
оборота, то новая муфта Haldex, с усовершенствованным клапаном
постоянного давления, задействует его практически мгновенно после
61
воздействия на педаль газа. В первое мгновение, когда автомобиль трогается
с места и ему особенно «тяжело», крутящий момент передается на колеса
пропорционально распределению на них массы автомобиля. Сцепление колес
с дорогой обеспечивается без проскальзывания, что очень важно при
трогании с места и резком ускорении на мокрой или обледеневшей дороге.
Кроме того, это исключает эффект «закапывания» передних колес на рыхлых
грунтах. После разгона до 15 км/ч задний мост плавно отключается, и
автомобиль превращается в переднеприводной.
1.6. Подвеска автомобиля
Одним из элементов активной безопасности автомобиля является подвеска,
обеспечивающая устойчивость автомобиля на дороге. Считается, что
безопасность автомобиля гарантируется лишь в том случае, если его шасси
рассчитано на большую скорость, чем та, которую может обеспечить
двигатель. Тенденции развития конструкций передних подвесок автомобилей
свидетельствуют о том, что за последние годы значительно увеличилось
количество автомобилей, имеющих переднюю подвеску типа «качающаяся
свеча» (Mac Pherson) (рис. 1.6.1).
Жесткая пространственная конструкция хорошо воспринимает нагрузки,
возникающие в элементах подвески при движении автомобиля.
Распространением кузовов, имеющих такую конструкцию, и объясняется
растущая популярность рычажно-свечнои (или с «качающейся свечой»)
передней подвески типа Мас Pherson. Любая другая система подвески
требует наличия массивной передней поперечины либо существенного
усиления панелей передней части кузова. Амортизационно-пружинная
качающаяся стойка Mac Pherson упирается верхним концом в чашку,
расположенную в вершине передней надколесной арки, несколько впереди
перегородки между отсеком двигателя и салоном. Основной недостаток этой
подвески - необходимо несколько ограничить свободу перемещения колеса в
вертикальном направлении, если капот расположен низко в соответствии с
существующей тенденцией. В противном случае, витки пружины могут
плотно прижаться друг к другу при максимальном ходе сжатия подвески, и
удар передается на кузов. Усилие на рулевом колесе в значительной степени
зависит от величины смещения точки пересечения осевой линии поворотного
шкворня с поверхностью дороги относительно центра отпечатка шины.
Поэтому, при малейшем нарушении балансировки колеса или биении шины
во время качения колеса, возникающие вибрации передаются
непосредственно на амортизационную стойку.
62
Рис.
1.6.1
(Mac Pherson).
Передняя
подвеска
типа
«качающаяся
свеча»
Английская компания, Jaguar, при создании своей новой модели Х-Tupe
также использовала подвеску Mac Pherson, отказавшись от классической
подвески на двух поперечных рычагах. Шведская компания SAAB на своей
модели 9-5 также использует подвеску Mac Pherson. Для увеличения
безопасности автомобиля используется мощный подрамник с широко
расставленными нижними рычагами, а рулевая планка располагается за
двигателем. Конструкторы нового Ford Mondeo также используют стойки
Mac Pherson. Конструкция улучшена за счет применения нижних рычагов с
широко разнесенными опорами, прикрепленными к подрамнику. Для
снижения кренов при прохождении поворотов стабилизатор поперечной
устойчивости имеет дополнительное крепление с амортизационными
стойками посредством длинных шарнирных звеньев.
Однако
не
сдает
свои
позиции
и
двухрычажная
подвеска
(рис. 1.6.2). Так, на автомобиле Alfa Romeo 156, она получила следующие
характерные особенности: нижний рычаг с широко расставленными точками
крепления, стал намного короче верхнего, ось которого составляет большой
угол с продольной осью автомобиля. Рычаг поворотной цапфы получил
«лебединую шею» - он сильно изогнут для более высокого крепления
верхнего рычага. Такая конструкция позволяет оставить дополнительное
пространство для привода к колесам и является наиболее типичной для
подвески на двух рычагах. Но некоторые инженеры используют для
смягчения ударов от дорожных неровностей другие способы крепления
нижних рычагов.
63
Рис. 1.6.2. Схема подвески на двойных рычагах
На автомобилях высокого класса все чаще применяют многозвенные
конструкции, особенно в задней подвеске. Как и в подвеске на двойных
рычагах, центр крена может быть расположен с высокой точностью в
нужном месте, в разумных пределах, и его перемещение может легко
контролироваться. Примером многозвенной подвески может служить задняя
подвеска Ford Mondeo, названная разработчиками Quadrakink. В ней
используются двойные поперечные звенья для передачи боковых усилий с
встроенным «пассивным управлением», которое повышает устойчивость на
поворотах. Кроме того, используются продольные рычаги и вертикальные
амортизационные стойки с пружинами. Все элементы, кроме продольных
рычагов, монтируются на заднем подрамнике для обеспечения двойной
изоляции от дорожного шума и вибрации. В задней многозвенной подвеске
автомобиля SAAB 9-5 самой интересной деталью является подрамник. В
отличие от традиционной прямоугольной формы для повышения жесткости
он имеет достаточно причудливую форму.
В автомобилях малого класса по-прежнему можно встретить заднюю
подвеску на продольных рычагах (рис. 1.6.3).
Рис. 1.6.3. Схема подвески на продольных рычагах
64
Ее конструкция обеспечивает параллельность колес продольной линии
автомобиля все время. Некоторые конструкторы считают, что такая подвеска
дает возможность несколько уменьшить чрезмерную недостаточную
поворачиваемость за счет уменьшения силы сцепления задних шин, но это
приводит к уменьшению общей силы сцепления на поворотах. Часто в этих
конструкциях используются торсионы и компактные рычажные
амортизаторы, дающие возможность разместить подвеску непосредственно
под полом багажника.
В классе малых и среднеразмерных автомобилей продолжает доминировать
задняя подвеска с торсионной балкой, впервые появившаяся на моделях
Volkswagen еще в середине 70-х годов. Она состоит из двух продольных
рычагов, соединенных с поперечной балкой, которая сверху шарнирно
крепится к кузову, а колеса прикрепляются снизу (рис. 1.6.4).
Рис. 1.6.4. Задняя подвеска автомобиля Audi A2 с торсионной балкой
Такой тип подвески хорош с точки зрения структурной и пространственной
эффективности и обеспечивает преимущества настоящей независимой
подвески. Она также относительно дешева в производстве и легко
монтируется в автомобиль на сборочной линии.
Одним из важных элементов подвески является пружина. Наиболее часто
встречаются пружины цилиндрической формы постоянной жесткости. К
сожалению, пружина имеет определенную минимальную длину, когда ее
витки вследствие сжатия соприкасаются друг с другом, и она превращается в
65
жесткий цилиндр, что может привести к серьезному дискомфорту для
пассажиров и к риску потери управления. Для предотвращения этого эффекта
вместе с пружинами устанавливаются ограничители хода подвески при
сжатии. Сегодня эти элементы изготавливаются, как правило, из
полиуретана.
К достоинствам пружин можно отнести легкость, с которой они могут быть
подобраны для необходимой степени жесткости. Обрезав пружину хотя бы
на один виток, можно снизить высоту автомобиля, увеличить жесткость
подвески.
Создание пружин переменной жесткости не предоставляет для
конструкторов особой сложности (рис. 1.6.5). Они могут быть созданы,
например, если расстояние между витками будет сужаться ближе к ее
концам. Тогда при сжатии такой пружины внешние витки постепенно будут
входить в контакт, а оставшаяся часть несжатой пружины будет иметь
большую жесткость. Также можно получить пружину переменной жесткости
путем изготовления пружины, у которой расстояние между витками остается
постоянным, но она изготавливается из прутка, диаметр каждого
уменьшается с каждого конца.
Кроме того, можно изготовить
пружину не цилиндрической формы, а
в
виде
конуса
или
кокона.
Достоинством
такой
пружины
является то, что, обладая переменной
жесткостью, она в полностью сжатом
состоянии занимает меньше места.
Такие пружины сегодня применяются
в
задней
подвеске
многих
переднеприводных
автомобилей
европейского производства.
Некоторые автомобильные фирмы
отказались от подвесок, в которых
упругие
элементы
зависят
от
деформации
металла.
Например,
французский «Ситроен» вот уже
почти
50
лет
использует
гидропневматическую
подвеску
собственной разработки (рис. 1.6.6). В
этой подвеске используется жидкость
Рис. 1.6.5. Пружина переменной для передачи усилия на сферические
газонаполненные элементы.
жесткости.
Регулируя количество жидкости в системе, можно понижать или поднимать
высоту автомобиля даже во время движения. К недостаткам этой системы
можно отнести не только дороговизну и сложность обслуживания и ремонта,
66
но и необходимость использования насоса высокого давления, который
потребляет энергию двигателя, увеличивая при этом расход топлива.
Рис. 1.6.6. Гидропневматическая подвеска
Такие фирмы как Lincoln, Toyota Lexus, последние Merscedes S-classe
используют в подвеске пневматические упругие элементы, позволяющие
обеспечить постоянную высоту при движении автомобиля независимо от
нагрузки автомобиля. Такие подвески позволяют отказаться от
использования жидкости под высоким давлением и необходимости иметь
отдельный резервуар для ее хранения, но, тем не менее для снабжения
системы воздухом требуется приводимый от двигателя или электромотора
насос и ресивер, а также управляющая клапанная система, что значительно
увеличивает сложность и стоимость пневматической подвески.
В последние годы все чаще на автомобилях применяются адаптивные
амортизаторы. Они появились на автомобилях повышенной комфортности
почти 50 лет назад и позволяют водителям самостоятельно выбирать
предопределенные установки амортизатора - от мягкого до жесткого.
Современные системы управляются компьютером (часто остается
возможность настройки регулировок водителем), чтобы выбрать наиболее
подходящую настройку для любой скорости, дороги и условий движения.
Как правило, они имеют один или два электромагнитных перепускных
клапана, которые, открываясь или закрываясь, обеспечивают два или три
демпфирующих режима. При двух закрытых клапанах обеспечивается
наиболее жесткий режим работы амортизаторов — «спортивный». При
одном открытом клапане амортизатор работает в «нормальном» режиме.
Когда открыты оба клапана, амортизатор работает в самом мягком режиме «комфортный». Mercedes предложил новую систему ADS (адаптивную
демпфирующую систему), которая обеспечивает четыре уровня
демпфирования.
В совершенно новом амортизаторе Magneride использован тот факт, что
некоторые вязкие жидкости можно сделать чувствительными к
67
электромагнитным полям, тогда при усилении электромагнитного поля будет
увеличиваться вязкость жидкости и, как следствие, — жесткость
амортизатора. Такие амортизаторы позволяют менять демпфирование
плавно, бесступенчато, в большом диапазоне. Возможно, что амортизаторы
«Магнерайд» появятся на серийных автомобилях уже в ближайшее время.
1.7. Тормозные свойства автомобиля
1.7.1. Требования безопасности, предъявляемые к тормозной системе
автомобиля
Во время движения транспортного средства водитель постоянно
изменяет его скорость, приводя ее в соответствие с окружающей дорожной
обстановкой (вплоть до полной остановки). Остановить автомобиль на
коротком расстоянии возможно лишь при наличии на автомобиле
специальной системы, создающей большое дополнительное сопротивление
движению и быстро снижающей скорость. Сопротивление, создаваемое
тормозными механизмами, дает возможность также удерживать на месте
стоящий автомобиль, а при движении на спуске предохранять его от
нежелательного разгона.
Современные автомобили снабжаются четырьмя тормозными
системами: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной.
Рабочая тормозная система является основной. Она предназначена для
регулирования скорости автомобиля в любых условиях движения.
Запасная система используется в случае отказа рабочей системы, а
стояночная удерживает неподвижный автомобиль на месте.
Вспомогательная тормозная система нужна для поддержания скорости
автомобиля постоянной в течение длительного времени.
На легковых автомобилях и грузовых автомобилях малой и средней
грузоподъемности в качестве запасной тормозной системы часто используют
стояночную, а во вспомогательной системе – двигатель. На грузовых
автомобилях большой грузоподъемности и автобусах большой вместимости
применяют четыре раздельные тормозные системы.
Наибольшее значение для безопасности автомобиля имеет рабочая
тормозная система. Ее применяют для плавного снижения скорости с
замедлением (до 2,5–3 м/с2) – служебное торможение и для резкого ее
уменьшения с максимально возможным в данных дорожных условиях
замедлением (до 8–9 м/с2) – экстренное или аварийное торможение.
Для обеспечения безопасности автомобиля тормозная система должна
удовлетворять следующим требованиям:
1. Время срабатывания системы должно быть минимальным, а
замедление автомобиля – максимальным во всех условиях эксплуатации.
2. Тормозные силы на колесах должны нарастать плавно, в системе не
должно быть заеданий и заклиниваний.
3. Работа тормозной системы не должна вызывать потери устойчивости
68
автомобиля.
4. Стабильность тормозных свойств должна сохраняться при
неоднократном торможении, а эффективность действия системы должна быть
постоянной в течение всего срока службы автомобиля
5. Надежность всех элементов системы должна быть обеспечена на
протяжении гарантированного ресурса, а также должна быть предусмотрена
сигнализация, оповещающая водителя о неисправности тормозной системы.
6. Тормозной привод должен обеспечивать силовое следящее действие,
то есть пропорциональность между усилием на педали и замедлением
автомобиля.
7. Усилия, необходимые для приведения системы в действие и
перемещения рабочих органов управления (педали, рычаги), не должны
превышать
нормированных
величин,
обусловленных
физическими
возможностями водителя.
Полностью удовлетворить все эти требования довольно трудно, хотя
работа над совершенствованием конструкций тормозных механизмов и
тормозного привода ведется постоянно.
1.7.2. Характеристики
тормозных сил
тормозных
свойств. Расчетное определение
Характеристиками тормозных свойств транспортного средства
являются: замедление, время и путь торможения в определенном интервале
скоростей, а также суммарная тормозная сила. Для их определения
рассмотрим подробнее процесс экстренного торможения (рис. 1.7.1).
Рис. 1.7.1. Схема сил, действующих на автомобиль при торможении.
69
Рис. 1.7.2. Зависимость сил сцепления от времени.
Водитель, заметив препятствие, оценивает дорожную обстановку,
принимает решение о торможении, переносит ногу с педали подачи топлива
на тормозную педаль. Время t p , необходимое для этих действий (рис. 1.7.2), –
время реакции водителя – обычно находится в пределах 0,3–2,5 с. Оно зависит
от квалификации водителя, его возраста, степени утомления и других
факторов. При неожиданном возникновении опасности это время принимает
значения, лежащие ближе к верхней границе диапазона.
Время tc (время запаздывания тормозной системы) необходимо для
устранения зазоров в соединениях тормозного привода и перемещения всех
его деталей. Это время, зависящее от конструкции и технического состояния
тормозного привода, колеблется в среднем от 0,2– 0,3 с (гидравлический
привод) до 0,6–0,8 с (пневматический привод). У автопоездов с
пневматическим приводом тормозных механизмов оно может достигать 2–3 с.
В течение времени ( t p + tc ) автомобиль продолжает двигаться равномерно с
начальной скоростью V0 .
В конце этого периода возникают тормозные силы RX 1 и RX 2 ,
вызывающие замедление
движения. Определим
их, пренебрегая
сопротивлением дороги и воздуха, и приняв коэффициент учета вращающихся
масс равным единице.
Согласно условиям равновесия (см. рис. 1.7.1):
(1.7.1)
PИ = M a ⋅ jз = RX 1 + RX 2 ,
Gb + Pи hц
R z1 =
,
(1.7.2)
L
Ga − Pи hц
Rz 2 =
,
(1.7.3)
L
где M a – масса автомобиля; jз – замедление автомобиля (отрицательное
ускорение); RX 1 и RX 2 – касательные реакции дороги, действующие на колеса
70
переднего и заднего мостов автомобиля; RZ 1 и RZ 2 – нормальные реакции
дороги; a , b и hц – расстояния соответственно от центра тяжести автомобиля до
переднего и заднего мостов и до поверхности дороги.
Предельное значение касательной реакции дороги, обусловленное
сцеплением шины с дорогой, называется силой сцепления PСЦ . Силы сцепления
для переднего PСЦ 1 и заднего PСЦ 2 мостов автомобиля определяют по
следующим формулам:
Pсц1 = R x1max = Rz1ϕ x ,
(1.7.4)
Pсц1 = R x1max = Rz1ϕ x ,
(1.7.5)
где ϕ X – коэффициент сцепления.
Чтобы полностью использовать сцепление всех шин автомобиля с
дорогой, конструкция тормозной системы должна создавать разное
соотношение тормозных сил RX 1 и RX 2 при торможении с различной
интенсивностью. Указанное требование трудно выполнимо, и большинство
автомобилей имеют тормозные системы, обеспечивающие постоянное
соотношение, тормозных сил. У таких автомобилей колеса переднего и
заднего мостов блокируются не одновременно. Этот недостаток устраняют
путем применения регуляторов тормозных сил, противоблокировочных
устройств и антиблокировочных систем (АБС).
Если заторможенные колеса еще продолжают вращаться (не
заблокированы), то реакции RX 1 и RX 2 можно считать приблизительно
пропорциональными тормозным моментам. Увеличение тормозного момента,
приложенного к колесу, вызывает рост касательной реакции, который
продолжается до тех пор, пока она не достигнет максимального значения,
обусловленного сцеплением шины с дорогой – (1.7.4), (1.7.5). При экстренном
торможении тормозные моменты можно без большой погрешности
аппроксимировать линейными функциями времени.
Изменение реакций RX 1 и RX 2 по времени показано на рис. 1.7.1
сплошными линиями. У легковых автомобилей центр тяжести расположен
примерно посередине базы. При их торможении нагрузка на передний мост
больше, чем на задний; для более полного использования сцепления
передних шин с дорогой тормозную систему конструируют так, чтобы
тормозная сила, действующая на передний мост росла быстрее. У грузовых
автомобилей и автобусов основная часть нагрузки (до 70%) приходится на
задний мост, и тормозная сила, действующая на него, должна расти быстрее,
чем тормозная сила, действующая на передний мост.
Нормальные реакции дороги RZ 1 и RZ 2 , действующие на передний и
задний мосты автомобиля, в свою очередь зависят от интенсивности
торможения, изменяясь с изменением замедления jз .
В первый период торможения предельное значение касательной реакции
(силы сцепления) на колесах переднего моста увеличивается с течением
времени, а на колесах заднего уменьшается. Если считать коэффициент
71
сцепления постоянным, то силы PСЦ 1 и PСЦ 2 после начала торможения
изменяются пропорционально времени, как показано на рис. 1.7.1
штриховыми линиями.
За время t H 1 касательная реакция на колесах одного из мостов (чаще
всего заднего) достигает предельного значения по условиям сцепления, и
колеса этого моста блокируются (точка A ). После этого касательная реакция
на передних колесах по-прежнему растет (точка A′ ) в соответствии с
формулой (1.7.4), а реакция RX 2 (участок AB ) уже не зависит от тормозного
момента. Водитель может прикладывать к педали сколь угодно большое
усилие, все равно эта реакция будет уменьшаться с течением времени,
оставаясь равной силе сцепления. Однако уменьшение касательной реакции на
задних колесах вызывает уменьшение силы инерции PИ , что в свою очередь,
отражается на динамическом перераспределении нагрузок и величинах
нормальных реакций дороги.
Спустя время t H блокируются колеса и переднего моста, так как
предельного значения по условиям сцепления достигает сила RX 1 (точка B′ ).
После этого касательные реакции на колесах обоих мостов автомобиля
становятся равными силам сцепления (участки BC и B′C ′ ), т.е. достигают
максимальных значений.
Закон изменения касательной реакции на колесах переднего моста в
процессе торможения характеризуется линией OB′C ′ , а на колесах заднего –
линией OABC . Если считать коэффициент сцепления постоянным, то в третьем
периоде (время полного торможения) касательные реакции также постоянны.
Выше предполагалось, что тормозные силы могут беспрепятственно
достигать предельных значений по условиям сцепления. Но иногда
блокируются колеса только одного моста (чаще всего заднего). Тормозные
моменты на колесах другого моста недостаточно велики для доведения их до
юза, и колеса продолжают вращаться.
У автомобиля, оборудованного тормозной системой с пневмоприводом,
рост тормозных сил лимитируется мощностью компрессора и давлением
воздуха в магистрали. Для автомобилей с большой массой нужны тормоза с
большими поверхностями трения, которые необходимо хорошо охлаждать.
Однако большие тормоза трудно разместить внутри колес, а увеличение их
массы нежелательно по соображениям плавности хода автомобиля. Поэтому
максимальные значения касательных реакций грузовых автомобилей большой
грузоподъемности и автобусов большой вместимости при движении по сухим
дорогам иногда (в зависимости от конструкции) меньше силы сцепления.
Показатели тормозной динамичности таких автомобилей ниже, чем у
автомобилей, имеющих меньшую массу. В этих случаях тормозные моменты
часто оказываются недостаточными для блокировки колес даже при полном
использовании конструктивных возможностей автомобиля, и колеса
продолжают вращаться до остановки автомобиля. Рост касательных реакций
прекращается в точках D и D′ , после чего они остаются примерно
постоянными и равными RX 1 max и RX 2 max (штрихпунктирные линии).
72
1.7.3. Определение замедления, времени и пути торможения
Рассмотрим расчетный способ определения скорости, замедления и пути
транспортного средства при торможении.
Оценочными показателями тормозных свойств автомобиля служат
среднее значение предельного замедления за период полного торможения и
тормозной путь (с учетом начальной скорости транспортного средства).
Значения этих показателей используют в качестве нормативов эффективности
тормозных систем.
Тормозным путем ST называется расстояние, пройденное ТС с момента,
когда водитель начал воздействовать на управление тормозной системой до
полной остановки ТС, т. е. за время tс + tн + t уст , где tс – время запаздывания
тормозной системы; tн – время нарастания замедления; t уст – интервал
времени, в котором замедление постоянно и равно j уст (см. рис. 1.7.2).
Начальной скоростью v0 называется скорость в момент, когда водитель
начал воздействовать на управление тормозной системой.
Если у автомобиля блокируются колеса обоих мостов, то
продолжительность периода tн находим из уравнения:
Gϕ x (b + hцϕ x )
,
(1.7.6)
tн =
K1 L
где K1 – скорость нарастания тормозной силы, действующей на передний
мост, кН/с; для тормозных систем с гидроприводом она равна 15–30 кН/с, с
пневмоприводом 25–100 кН/с.
При полном использовании сцепления с дорогой всеми колесами
автомобиля замедление определяют по формуле
j уст = gϕ x .
(1.7.7)
Предположим, что в течение времени tн автомобиль движется
равнозамедленно с замедлением, равным 0,5 j уст и найдем скорость v2 ,
соответствующую моменту блокировки передних колес, т.е. началу движения
с ускорением j уст :
v2 = v0 − 0,5 j уст tн .
Перемещение автомобиля за время tн
S н = v0 tн − 0,25 j уст tн2 ≈ v0tн .
Перемещение автомобиля за время t уст
S уст = v22 /( 2 j уст ) ≈ v02 /( 2 j уст ) − 0,5v0 t н .
Следовательно, тормозной путь
S т = S c + S н + S уст = v0 (tc + 0,5tн ) + v02 /(2 j уст ) .
(1.7.8)
Остановочный путь автомобиля
So = (t p + tc + 0,5tн )v0 + v02 /( 2 j уст ) .
(1.7.9)
Как указывалось выше, у многих автомобилей достичь одновременной
73
блокировки всех колес не удается как по причинам конструктивного характера,
так и вследствие ухудшения эффективности тормозной системы и шин в
процессе эксплуатации. Поэтому для приближения результатов расчета к
фактическим данным в формулы вводят поправочный коэффициент K э –
коэффициент эффективности торможения.
На рис. 1.7.3 показан пример расчетной тормозной диаграммы грузового
автомобиля, построенный при следующих данных: M = 8000 кг; a = 2,5 м, b =
1,5 м; hЦ = 0,7 м; ϕ X = 0,7; K1 = 30 кН/с; tC = 0,2 с. Скорость автомобиля при
t = tн1 уменьшается с 20 до 18,3 м/с, а при t = tн – до 16,1 м/с. Перемещение
автомобиля за время tн равно 17,8 м, а за время t уст 16 м. Общий тормозной
путь составляет около 40 м.
Рис. 1.7.3. Расчетная тормозная диаграмма автомобиля.
1.7.4. Методы испытаний тормозных свойств транспортных средств
Требования к тормозным свойствам транспортных средств категорий М,
N, О регламентируются Правилами № 13, 13-Н, 90 ЕЭК ООН.
Правила № 13 ЕЭК ООН регламентируют требования к тормозным
системам ТС категорий М, N и О.
Тормозная система должна быть сконструирована, изготовлена и
установлена таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации и,
несмотря на вибрацию, которой она может при этом подвергаться,
удовлетворяла следующим требованиям:
– система рабочего тормоза должна позволять контролировать движение
ТС и останавливать его надежным, быстрым и эффективным образом
соответственно его скорости, нагрузке и крутизне подъема или спуска, по
которому оно движется;;
– система запасного тормоза должна обеспечивать остановку ТС на
достаточно коротком пути в случае отказа рабочего тормоза; сила торможения
должна быть регулируемой; водитель должен иметь возможность
осуществлять такое торможение со своего места, контролируя при этом, по
крайней мере, одной рукой рулевое управление (предполагается, что может
74
произойти отказ не более одного контура рабочего тормоза);
– система стояночного тормоза должна обеспечивать неподвижность ТС
на подъеме и спуске даже при отсутствии водителя путем поддержания
рабочих частей в заторможенном положении с помощью механического
устройства; водитель должен иметь возможность осуществлять такое
торможение со своего места при наличии прицепа; устройство стояночного
тормоза должно быть таким, чтобы оно могло приводиться в действие лицом,
стоящим на дороге, однако на прицепах, предназначенных для перевозки
пассажиров, этот тормоз должен быть устроен так, чтобы он мог приводиться
в действие изнутри прицепа.
Эффективность торможения, предписанная для тормозных систем,
оценивается при измерении тормозного пути с учетом начальной скорости ТС
и/или путем измерения среднего значения предельного замедления в ходе
испытания.
Правило № 13 ЕЭК ООН рекомендует определять среднее значение
предельного замедления j (величина, аналогичная j уст ), как отношение
среднего замедления к расстоянию в интервале скоростей, по следующей
формуле:
vb2 − ve2
j=
,
(1.7.10)
25,92( S e − S b )
где j – среднее значение предельного замедления, м/с2;
vb – скорость автомобиля при 0,8 v0 км/ч;
ve – скорость автомобиля при 0,1 v0 км/ч;
Sb – путь, пройденный в интервале скоростей v0 и vb , м;
Se – путь, пройденный в интервале скоростей v0 и ve , м.
Для официального утверждения любого транспортного средства (для
целей сертификации) эффективность торможения следует измерять во время
проведения дорожных испытаний при следующих условиях:
– ТС должно быть нагружено так, как это предписывается для каждого
типа испытаний;
– испытания должны проводить при скоростях, предписываемых для
каждого типа испытаний;
– воздействие, оказываемое на орган управления системой торможения
для получения предписанной эффективности торможения, не должно
превышать максимальной величины для испытываемой категории ТС;
– дорога должна иметь поверхность, обеспечивающую хорошие условия
сцепления;
– испытания следует проводить в отсутствие тех погодных условий
(например, сильного ветра), которые могли бы повлиять на их результаты;
– в начале испытания шины ТС должны быть холодными, а давление в
них равно предписанному для статической нагрузки;
– предписанная эффективность торможения должна достигаться без
заклинивания колес, без бокового заноса ТС и без нетипичной вибрации;
75
– в случае электромобилей с постоянно подсоединенным к колесам
двигателем все испытания проводятся с подсоединенным двигателем;
– в ходе испытания не допускается блокировка колес.
Тормозные системы транспортных средств подвергаются следующим
видам испытаний: типа 0; типа I; типа II или типа IIА (для ТС категорий М2,
М3); типа III (только для ТС категории О4).
Испытание типа 0 – обычное испытание эффективности торможения при
холодных тормозах. Тормоз считается холодным, если температура,
измеренная на тормозном диске или с наружной стороны тормозного
барабана, ниже 100°С.
Испытание типа 0 должно проводиться в следующих условиях:
• транспортное средство должно быть с полной массой, причем
распределение его массы между осями должно соответствовать
распределению, указанному заводом-изготовителем (если предусматривается
несколько вариантов распределения нагрузки между осями, распределение
максимальной массы между осями должно быть таким, чтобы нагрузка на
каждую ось была пропорциональна максимально допустимой нагрузке для
каждой оси); в случае тягачей для полуприцепов нагрузка может быть
приложена примерно на половине расстояния между положением шкворня,
определяемым упомянутыми ранее условиями нагрузки, и центральной
линией задней (задних) оси (осей);
• каждое испытание должно повторяться на транспортном средстве в
снаряженном состоянии (в случае тягача для полуприцепа испытания в
снаряженном состоянии проводятся без полуприцепа, включая массу пятого
колеса; в случае шасси с кабиной, дополнительно может быть размещена
масса, имитирующая кузов и не превышающая минимальную массу,
определенную заводом-изготовителем);
• предписанными пределами для минимальной эффективности
торможения при испытании ТС как со снаряженной массой, так и с полной
массой, являются пределы, определенные для каждой категории транспортных
средств (ТС должно удовлетворять требованиям к тормозному пути и
среднему значению предельного замедления для соответствующей категории
ТС, однако фактическое измерение обоих параметров производить
необязательно);
• дорога должна быть горизонтальной с твердым гладким покрытием.
Испытание типа 0 с отсоединенным двигателем для ТС категорий М и N
следует проводить при скорости, предписанной для конкретной категории ТС;
соответствующие установленные значения могут отклоняться в определенных
пределах. При этом должна достигаться минимальная эффективность
торможения, предписываемая для каждой категории.
Испытание типа 0 с подсоединенным двигателем для ТС категорий М и
N проводят на различных скоростях, причем самая низкая скорость составляет
30 % от максимальной скорости ТС, а самая высокая скорость — 80 % от этой
скорости. Если транспортное средство оборудовано регулятором скорости, то
максимальной скоростью ТС считается максимальная скорость, допускаемая
76
этим регулятором. Проводят замеры величин максимальной эффективности
торможения, а поведение ТС отмечают в протоколе испытания.
Дальнейшие испытания следует проводить с подсоединенным
двигателем, начиная со скорости, предписанной для данной категории ТС.
При этом должна быть достигнута минимальная эффективность торможения,
предписанная для каждой категории. Испытание тяговых единиц для
полуприцепов, условно загруженных для имитации полуприцепа с полной
массой, не должно проводиться при скорости, превышающей 80 км/ч.
При испытании типа 0 для транспортных средств категории О,
оборудованных пневматическими тормозами, эффективность торможения
прицепа может быть рассчитана исходя из коэффициента торможения
транспортного средства-тягача и прицепа и измеренного усилия на сцепном
устройстве, в некоторых случаях эффективность торможения может быть
рассчитана исходя из коэффициента торможения транспортного средстватягача и прицепа при торможении только прицепа. При проведении
испытаний на торможение двигатель транспортного средства-тягача должен
быть отсоединен.
Испытание типа I (испытание на потерю эффективности) в режиме
прерывистого торможения рабочих тормозов всех механических
транспортных средств проводят путем ряда последовательных торможений
груженого ТС с полной массой в соответствии с условиями, указанными в
табл. 1.7.1.
Таблица 1.7.1.
Параметры испытания рабочих тормозов
Условия проведения испытания
v2 , км/ч t , с
n
v1 , км/ч
80% vmax ≤ 120 1/2 v1
М1
45
15
80% vmax ≤ 100 1/2 v1
М2
55
15
80% vmax ≤ 120 1/2 v1
N1
55
15
80% vmax ≤ 60 1/2 v1
М3, N2, N3
60
20
Примечание. v1 — скорость в начале торможения; v2 — скорость в
конце торможения; vmax — максимальная скорость транспортного средства; t
— продолжительность одного цикла торможения; время, прошедшее между
началом одного торможения и началом следующего торможения; n — число
торможений.
Если в силу характеристик транспортного средства соблюдение
предписанной продолжительности не представляется возможным, то
продолжительность можно увеличить; в любом случае помимо периода
времени, необходимого для торможения и ускорения ТС, нужно
предусмотреть для каждого цикла 10 с для стабилизации скорости
торможения v1.
Категория ТС
77
При этих испытаниях усилие, прилагаемое к органу управления
системой торможения, должно регулироваться таким образом, чтобы при
первом торможении достигалось среднее значение предельного замедления,
составляющее 3 м/с2; это усилие должно оставаться постоянным в течение
всех последующих торможений. Во время торможения двигатель остается
подсоединенным при самом высоком передаточном числе (исключая
ускоряющую передачу и т.п.).
При возобновлении движения после торможения изменение скорости
должно производиться таким образом, чтобы скорость v1 достигалась в
течение возможно более короткого промежутка времени (максимальное
ускорение, допускаемое двигателем и коробкой передач).
Для электромобилей, не обладающих достаточной автономией для
осуществления циклов подогрева тормозов, испытания следует проводить на
указанной скорости во время первого торможения и затем путем
использования максимального потенциала ускорения транспортного средства
и последовательных торможений на скорости, достигаемой в конце каждого
цикла, с продолжительностью, указанной для соответствующей категории ТС.
Испытание типа I (испытание на потерю эффективности торможения) в
режиме непрерывного торможения рабочих тормозов прицепов с полной
массой категорий O2 и O3 проводят таким образом, чтобы поглощаемая
тормозами энергия была эквивалентна энергии, производимой за тот же
промежуток времени при движении транспортного средства с полной массой с
постоянной скоростью 40 км/ч по спуску с уклоном 7% на расстояние 1,7 км.
В конце испытания типа I (испытание на потерю эффективности
торможения) в тех же условиях (и, в частности, при постоянном усилии,
прилагаемом к органу управления системой торможения и не превышающем
среднюю величину практически прилагаемого усилия), в которых было
проведено испытание типа 0 с отсоединенным двигателем (температурные
условия могут быть иными), измеряется эффективность нагретых тормозов.
Для механических транспортных средств эффективность нагретых
тормозов должна составлять не менее 80% величины, предписываемой
Правилами для указанной категории, и не менее 60% величины,
зарегистрированной при испытании типа 0 с отсоединенным двигателем.
Для прицепов сила торможения нагретых тормозов на наружной части
колес при испытании со скоростью 40 км/ч должна составлять не менее 36%
максимальной нагрузки, приходящейся на колеса неподвижного
транспортного средства, и не менее 60% величины, зарегистрированной в ходе
испытания типа 0 при той же скорости.
Для механического транспортного средства, у которого эффективность
нагретых тормозов соответствует 60%, последующее испытание для
определения эксплуатационных показателей нагретых тормозов может
проводиться с приложением усилия к органу управления системой
торможения, не превышающего величину, указанную для соответствующей
категории транспортного средства.
Испытание типа II (испытание на поведение транспортного средства на
78
затяжных спусках) груженых механических транспортных средств проводят
таким образом, чтобы поглощаемая энергия была эквивалентна энергии,
производимой за тот же промежуток времени при движении транспортного
средства с полной массой со средней скоростью 30 км/ч по спуску с уклоном
6% и на расстояние 6 км с включением соответствующей передачи и с
использованием износостойкой тормозной системы, если транспортное
средство оборудовано таковой. Должна быть включена такая передача, при
которой частота вращения двигателя не превышает предписанной заводомизготовителем максимальной величины.
Для транспортных средств, в которых энергия поглощается только за
счет торможения двигателем, для средней скорости допускается отклонение
±5 км/ч. Испытание производится на передаче, которая позволяет на спуске с
уклоном 6% стабилизировать скорость как можно ближе к значению 30 км/ч.
Если определение эффективности торможения только двигателем
осуществляется путем измерения замедления, достаточно, чтобы измеренное
среднее значение замедления составляло по крайней мере 0,5 м/с2.
В конце испытания в тех же условиях, в которых было произведено
испытание типа 0 с отсоединенным двигателем (но с учетом того, что
температурные условия могут быть иными), также измеряется эффективность
нагретых рабочих тормозов. Эта эффективность нагретых тормозов должна
обеспечивать тормозной путь, который можно определить по следующим
формулам:
для транспортных средств категории М3
2
S т = 0,15v + (l,33v /130),
где второй член соответствует среднему значению предельного замедления j =
3,75 м/с2;
для транспортных средств категории N3
2
S т = 0,15v + (l,33v /115),
где второй член соответствует среднему значению предельного
замедления j = 3,30 м/с2.
Средние значения предельного замедления для ТС категорий М2 и N3
должны быть не менее указанных величин при условии приложения к органу
управления усилия, значение которого не превышает 700 Н.
Вместо испытания типа II испытанию типа IIА (оценка эффективности
износостойких систем торможения) подвергают транспортные средства
следующих категорий:
– автобусы категории М3, класс III например, междугородные и
туристические автобусы дальнего следования;
– транспортные средства категории N3, которым разрешается
буксировать прицеп категории O4;
– транспортные средства для перевозки опасных грузов (например,
нефтеналивные цистерны).
Рабочие
характеристики
износостойкой
тормозной
системы
испытывают при полной массе транспортного средства или на составе
79
транспортных средств. Испытание транспортных средств с полной массой
следует проводить таким образом, чтобы поглощаемая энергия была
эквивалентна энергии, производимой за тот же промежуток времени при
движении транспортного средства с полной массой со средней скоростью 30
км/ч по спуску с уклоном 7% на расстояние 6 км. В ходе испытания не
должны включаться системы рабочего, аварийного и стояночного
торможения. Должна быть включена такая передача, при которой частота
вращения двигателя не превышает максимальной величины, предписанной
заводом-изготовителем.
Комплексная износостойкая тормозная система может использоваться
при условии, что она вводится в действие постепенно, таким образом, чтобы
не включалась система рабочего торможения; это можно проверить,
удостоверившись, что тормоза остаются холодными.
Испытание типа III (испытания на потерю эффективности торможения
транспортных средств категории O4) проводят на специальном треке при
следующих условиях:
• число торможений – 20;
• продолжительность цикла – 60 с;
• скорость в начале торможения – 60 км/ч.
При этом испытании усилие, прилагаемое к органу управления системой
торможения, должно быть скорректировано таким образом, чтобы среднее
значение предельного замедления составляло 3 м/с2 по отношению к массе
прицепа при первом нажатии на тормоз. Кроме того, это усилие должно
оставаться постоянным при всех последующих нажатиях на тормоз.
Тормозные
системы,
оборудованные
антиблокировочными
устройствами, подвергают испытанию для оценки своей эффективности.
Учитывая неизбежное ухудшение технического состояния автомобилей
при эксплуатации, нормативы тормозной динамичности, предъявляемые к
ним, мягче тех требований, которые предъявляются к новым автомобилям.
В России действует Государственный стандарт РФ ГОСТ Р 51709-2001
"Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому
состоянию и методы проверки", который распространяется на легковые
автомобили, автобусы, грузовые автомобили, прицепы и полуприцепы,
эксплуатируемые на дорогах.
Данный стандарт предусматривает три типа испытаний тормозных
свойств:
– проверка на роликовых стендах;
– проверка в дорожных условиях с использованием прибора для
проверки тормозных систем;
– проверка в дорожных условиях с регистрацией параметров
торможения.
Рабочую тормозную систему проверяют по показателям эффективности
торможения и устойчивости ТС при торможении, а запасную, стояночную и
вспомогательную тормозные системы - по показателям эффективности
80
торможения.
Согласно этому стандарту, автомобили, находящиеся в эксплуатации
испытываются при начальной скорости торможения равной 40 км/ч (для всех
категорий), при "холодных" тормозных механизмах.
Масса ТС при проверках не должна превышать разрешенной
максимальной. В дорожных условиях при торможении рабочей тормозной
системой с начальной скоростью торможения 40 км/ч транспортное средство
не должно ни одной своей частью выходить из нормативного коридора
движения шириной 3 м.
Проверки на стендах и в дорожных условиях проводят при работающем
и отсоединенном от трансмиссии двигателе, а также отключенных приводах
дополнительных ведущих мостов и разблокированных трансмиссионных
дифференциалах (при наличии указанных агрегатов в конструкции АТС).
При проверках на стендах допускается относительная разность
тормозных сил колес оси (в процентах от наибольшего значения) для осей ТС
с дисковыми колесными тормозными механизмами не более 20% и для осей с
барабанными колесными тормозными механизмами не более 25%. Для
транспортных средств категории М, до окончания периода приработки
допускается применение нормативов, установленных изготовителем в
эксплуатационной документации.
1.7.5. Требования к эффективности торможения транспортных средств
Рассмотрим требования к эффективности торможения транспортных
средств категорий М, N, устанавливаемые Правилами № 13 ЕЭК ООН.
Рабочие тормоза ТС категорий М и N должны испытываться и иметь
характеристики, при условиях, указанных в табл. 1.7.2.
Для транспортного средства, допущенного к буксировке не оснащенного
тормозами прицепа, минимальная эффективность торможения, предписанная
для соответствующей категории ТС (для испытания типа 0 с отсоединенным
двигателем), должна быть достигнута с не оснащенным тормозами прицепом,
соединенным с транспортным средством, и с не оснащенным тормозами
прицепом с полной массой, указанной заводом –изготовителем ТС.
Таблица 1.7.2.
Условия испытаний и регламентированные характеристики
транспортных средств
Характеристики ТС при испытании типа 0
Катего Тип с
отсоединенным с подсоединенным двигателем
рия ТС испыт двигателем
ания
2
v,
= SТ , м, не более j ,
F , Н, не
SТ , м, не j , м/с , v
2
км/ч более
80%vmax,
не
м/с , более
менее км/ч,
не
но
не
81
М1
М2
М3
0-I
0-I
80
60
0.1v + v 150 5,8
2
0.15 v + v 2 130 5,0
выше
160
100
90
N1
0-I-II 60
или
IIА
0-I
80
N2
0-I
100
N3
0-I -II 60
60
0.1 v + v 130
2
0.1v + (v 2 130) + 5
менее
5,0
500
4,0
700
120
90
Примечание: v – скорость при испытании; SТ – тормозной путь; j –
среднее значение предельного замедления; F – прилагаемое усилие; vmax –
максимальная скорость транспортного средства.
Система стояночного тормоза, даже если она связана с одной из
остальных тормозных систем, должна удерживать ТС с полной массой,
остановившееся на спуске или подъеме с уклоном 18 %.
На транспортных средствах, которые допускаются к буксировке
прицепа, система стояночного тормоза тягача должна удерживать весь состав
на спуске или на подъеме с уклоном 12 %.
Если управление является ручным, то прилагаемое к нему усилие не
должно превышать 400 Н для транспортных средств категории M1 и 600 Н для
всех других ТС.
Если управление является ножным, то прилагаемое к нему усилие не
должно превышать 500 Н для транспортных средств категории М1 и 700 Н для
всех других ТС. Допускается использование системы стояночного тормоза,
которая для достижения предписанной эффективности торможения должна
приводиться в действие несколько раз.
В целях проверки эффективности торможения необходимо проводить
испытание типа 0, которое осуществляется с отсоединенным двигателем при
начальной скорости, предписанной для категории, к которой принадлежит
данное транспортное средство. Среднее замедление во время торможения и
замедление в момент остановки ТС в результате приведения в действие либо
устройства управления стояночным тормозом, либо дополнительного
устройства управления рабочим тормозом, должно быть не меньше 1,5 м/с2.
Испытание следует проводить на транспортном средстве с полной массой;
считается, что ТС удовлетворяет предписаниям, если эффективность
торможения обеспечивается один раз. Усилие, прикладываемое к органу
управления, не должно превышать предписанных значений. Для ТС категорий
M1 и N1 со стояночным тормозом, оснащенным фрикционными накладками,
иными, чем накладки рабочего тормоза, испытание осуществляется по просьбе
82
завода-изготовителя, начиная со скорости 60 км/ч. В этом случае среднее
значение предельного замедления должно составлять не менее 2 м/с2, а
замедление в момент остановки — не менее 1,5 м/с2.
Требования к эффективности торможения тормозных систем
транспортных средств категории О, устанавливаемые Правилами № 13 ЕЭК
ООН. Эффективность торможения системы рабочего тормоза у транспортных
средств категории О1 когда система рабочего тормоза обязательна, должна
соответствовать предписаниям, указанным для ТС категорий О2 и О3.
Если прицеп оборудован системой пневматических тормозов, то
давление в трубопроводе управления и в питающем пневмопроводе во время
испытания на торможение не должно превышать 6,5 бар. Испытание проводят
при скорости 60 км/ч. Дополнительное испытание прицепа с полной массой
следует проводить при скорости 40 км/ч для сравнения с результатами
испытаний типа I.
Если тормозная система является инерционной, то она должна
удовлетворять условиям контроля ТС, оборудованных инерционными
тормозами.
Кроме того, транспортные средства следует подвергать испытанию типа
I. При проведении испытаний типа I для полуприцепа масса, затормаживаемая
его осями, должна быть равна массе, соответствующей максимальной нагрузке
на ось (или на оси) полуприцепа без учета нагрузки на сцепное устройство.
Для транспортных средств категорий О2, О3, О4, если система рабочего
торможения относится к непрерывному или полупрерывному типу, то
суммарная сила, прилагаемая к наружной части колес при торможении,
должна составлять, по крайней мере, х% от максимальной нагрузки на
неподвижное колесо, где х принимает следующие значения:
Полный прицеп с полной массой
и снаряженной массой...............................................50 %
Полуприцеп с полной массой
и снаряженной массой...............................................45 %
Прицеп с центральной осью с полной
массой и снаряженной массой..................................50 %
Если прицеп оборудован системой пневматических тормозов, то
давление в управляющей магистрали не должно превышать 6,5 бар, а давление
в питающей магистрали не должно превышать 7,0 бар при испытании на
торможение. Скорость испытания составляет 60 км/ч. Кроме того,
транспортные средства категории О4 должны подвергаться испытанию типа
III.
При проведении испытания типа III для полуприцепа масса торможения
на его оси должна соответствовать максимальной нагрузке (нагрузкам) на ось.
Система стояночного тормоза, которой оборудован прицеп, должна
удерживать на остановке прицеп с полной массой, отцепленный от
транспортного средства-тягача, на спуске или подъеме с уклоном 18 %.
Усилие, прилагаемое к органу управления, не должно превышать 600 Н.
Рассмотрим требования к эффективности торможения транспортных
83
средств, находящихся в эксплуатации, устанавливаемые Государственным
стандартом РФ ГОСТ Р 51709-2001. Нормативы эффективности торможения
АТС при помощи рабочей тормозной системы приведены в табл. 1.7.3, 1.7.4,
1.7.5.
Таблица 1.7.3.
Нормативы эффективности торможения АТС при помощи рабочей тормозной
системы при проверках на роликовых стендах
Наименование
Категория АТС
Усилие на органе Удельная
вида АТС
управления Pп , Н тормозная сила
γт, не менее
Пассажирские
и М1
490
0,53
грузопассажирские М2, М3
686
0,46
автомобили
Грузовые
N1, N2, N3
686
0,46
автомобили
Прицепы с двумя и О1, О2, О3, О4
686
0,45
более осями
Прицепы
с О1, О2, О3, О4
686
0,41
центральной осью
и полуприцепы
Таблица 1.7.4.
Нормативы эффективности торможения АТС при помощи рабочей тормозной
системы в дорожных условиях с использованием прибора для проверки
тормозных систем
Наименование
Категория АТС
Усилие на органе Тормозной путь
вида АТС
управления Pп , Н АТС SТ , м, не
более
Пассажирские
и М1
490
15,8
грузопассажирские М2, М3
686
19,6
автомобили
M1
Легковые
490
15,8
автомобили
с
прицепом
без
тормозов
Грузовые
N1, N2, N3
686
19,6
автомобили
Таблица 1.7.5.
Нормативы эффективности торможения АТС при помощи рабочей тормозной
системы в дорожных условиях с регистрацией параметров торможения
Наименование
Категория Усилие на Установившееся Время
вида АТС
АТС
органе
замедление j уст , срабатывания
управления м/с2, не менее
тормозной
84
Pп , Н
системы, tc ,
с, не более
0,6
0,8 (1,0)
Пассажирские
и М1
490
5,2
грузопассажирские М2, М3
686
4,5
автомобили
M1
Легковые
490
5,2
0,6
автомобили
с
прицепом
без
тормозов
Грузовые
N1, N2, N3 686
4,5
0,8 (1,0)
автомобили
Примечание: В скобках указаны данные для АТС, изготовленных до 01.01.81.
Стояночная тормозная система считается работоспособной в том случае,
если при приведении ее в действие достигается:
1) для ТС с технически допустимой максимальной массой:
- или значение удельной тормозной силы не менее 0,16;
- или неподвижное состояние ТС на опорной поверхности с уклоном (16
± 1)%;
2) для ТС в снаряженном состоянии:
- или расчетная удельная тормозная сила, равная меньшему из двух
значений: 0,15 отношения технически допустимой максимальной массы к
массе ТС при проверке или 0,6 отношения снаряженной массы, приходящейся
на ось (оси), на которые воздействует стояночная тормозная система, к
снаряженной массе;
- или неподвижное состояние ТС на поверхности с уклоном (23 ± 1)%
для ТС категорий М1, М2, М3 и (31 ± 1)% для категорий N1, N2, N3.
Усилие, прикладываемое к органу управления стояночной тормозной
системы для приведения ее в действие, не должно превышать:
- в случае ручного органа управления:
392 Н - для ТС категории М1;
589 Н - для ТС остальных категорий.
- в случае ножного органа управления:
490 Н - для ТС категории М1;
688 Н - для ТС остальных категорий.
Вспомогательная тормозная система, за исключением моторного
замедлителя, при проверках в дорожных условиях в диапазоне скоростей 2535 км/ч должна обеспечивать установившееся замедление не менее 0,5 м/с2
для ТС разрешенной максимальной массы и 0,8 м/с2 - для ТС в снаряженном
состоянии с учетом массы водителя.
85
1.7.6. Тормозные системы
Надежные и эффективные тормоза - основной элемент активной
безопасности современного автомобиля. Если надежность обеспечивается
конструкцией привода, то эффективность главным образом зависит от
конструкции непосредственно самих тормозов. В этой связи особенный
интерес представляет применение дисковых тормозов, что является
характерной чертой современного автомобилестроения (рис. 1.7.4).
Дисковые тормоза были запатентованы еще в 1902г., однако только с 1953г.
стали применяться на автомобилях общего назначения, причем первой стала
их применять фирма Jaguar, имевшая опыт использования дисковых
тормозов на гоночных автомобилях. В последнее время на многих
автомобилях дисковые тормоза устанавливаются на всех колесах. Основное
достоинство дисковых тормозов — их меньший перегрев, а следовательно, и
более высокая работоспособность в тяжелых условиях, что сейчас особенно
важно, если учесть значительный рост максимальных и средних скоростей
движения. Кроме того, дисковые тормоза имеют меньшее число деталей, что
упрощает проблему применения сборочных автоматов в их производстве.
Дисковые тормоза устанавливаются чаще всего на передних колесах. Так
делают не только потому, что тормоза передних колес более нагружены (на
них приходится 60% и более общего тормозного усилия). При
одновременной установке дисковых тормозов на задних колесах трудно
добиться, чтобы привод стояночного тормоза получился несложным и
дешевым. Поэтому на всех колесах они встречаются либо у спортивных,
либо у более дорогих легковых автомобилей. Но имеются примеры
использования дисковых тормозов на всех колесах и в недорогих
автомобилях.
86
Рис.
1.7.4..
Дисковый
1 – колодки; 2 – суппорт; 3 – диск
тормозной
механизм:
Внедрение дискового тормоза с автоматической регулировкой зазора
послужило толчком к созданию барабанных тормозов с автоматической
регулировкой, особенно в тех случаях, когда применяются комбинированные
тормозные системы, имеющие как барабанные (рис. 1.7.5), так и дисковые
тормоза. Проблема предотвращения излишней регулировки барабанного
тормоза, имеющего автоматическую регулировку зазора, была успешно
решена путем применения такого механизма регулировки, который
срабатывает только тогда, когда автомобиль движется задним ходом. В этих
условиях температура нагрева тормозного барабана будет сравнительно
невысокой, и размеры барабана сохранятся практически неизменными.
Эффективность тормозов в значительной мере зависит от применяемых
конструкционных материалов. В качестве материала для тормозных
барабанов и дисков наиболее пригодным является перлитный чугун ввиду
его высокой износостойкости. К парам трения должно прежде всего
предъявляться требование независимости коэффициента трения от
температуры и скорости движения. Этому требованию в наибольшей степени
отвечают тормозные колодки из органических связывающих материалов и
87
колодки, полученные спеканием. При колодках из органических материалов
образуемое тепло почти полностью отводится к барабану или диску.
В последнее время хорошо зарекомендовали себя комбинированные
накладки из органических материалов и металлокерамики. Подобные
колодки дают хорошие результаты при экстренном и длительном
торможении.
Все больший интерес проявляется к раздельным дисковым тормозам с
двойными гидроцилиндрами и фрикционными колодками на каждом
переднем дисковом тормозе, обслуживаемым раздельным гидроприводом.
Несмотря на большую стоимость, такая система более эффективна, чем
тормозная система с простым разделением привода к передним и задним
колесам, и обеспечивает большую безопасность.
Современная тормозная система, как правило, двухконтурная, состоит из
дисковых тормозных механизмов (на автомобилях класса D и ниже можно
еще встретить барабанные тормоза) на всех четырех колесах с передними
вентилируемыми дисками, гидравлического привода с вакуумным
усилителем и АБС. Дисковые тормозные механизмы неизменно совмещены
со ступицей колеса, что приводит к увеличению неподрессоренной массы
колеса. Некоторые производители, например Jaguar, пытались решить эту
проблему, перенося тормозные механизмы на приводные валы как можно
ближе к дифференциалу. Но практика показала, что кроме усложнения
конструкции и дополнительной стоимости какие-либо существенные выгоды
получены не были.
Гидравлическим системам тормозов присущ один коренной недостаток. При
частом и активном торможении температура тормозной жидкости может
достигнуть настолько большой температуры, что она потеряет свои
функциональные свойства, а это чревато полным отказом тормозов.
Для лучшего охлаждения конструкторы стали применять вентилируемые
диски (рис. 1.7.6). Все чаще можно встретить диски, изготовленные из
композитных материалов. Но несмотря на хорошую теплопроводность и
механическую твердость (выше, чем у стальных), их широкое
распространение сдерживает высокая стоимость. Инженеры фирмы Siemens
предложили обойтись вообще без тормозной жидкости. Для привода
тормозных колодок используется высокооборотный реверсивный двигатель.
88
Рис. 1.7.5. Барабанный механизм с равными приводными силами
и
односторонним
расположением
опор
колодок:
1 – тормозной барабан; 2 – фрикционная накладка; 3 – колодка;
4
–
тормозной
щит;
5
–
тормозной
цилиндр;
6
–
возвратные
(стяжные)
пружины;
7 – эксцентрик регулировки тормоза
Рис. 1.7.6. Тормозной механизм с вентилируемым диском.
Применение такого тормозного механизма существенно облегчает переход к
системам управления торможением электроникой - «торможение по
проводам ». При этом можно достичь распределения усилия торможения
89
согласно нагрузке на каждое колесо, что значительно увеличит устойчивость
торможения автомобиля. Кроме того, исчезает механическая связь между
тормозной педалью и исполнительными механизмами, что сокращает время
срабатывания системы, а значит, повышает безопасность. При создании
«электронных тормозов» необходимо разработать такое программное
обеспечение, при котором компьютер может определить по сигналу, с какой
силой водитель давит на педаль, скорость ее перемещения. Для комфортного
управления тормозами водитель должен ощущать некоторое сопротивление
на педали тормоза. «Торможение по проводам» открывает возможность
создания «интеллектуального круиз-контроля», обеспечивая автоматическое
торможение автомобиля для поддержания безопасной дистанции движения,
вплоть до полной остановки. Но для реализации концепции «торможения по
проводам» необходимо обеспечение напряжения бортовой сети 36 V.
Для 12 V бортовой сети разработано и испытывается электрогидравлическое
управление торможением. В этой системе связь между тормозной педалью и
компьютером осуществляется по проводам. Затем сигнал управления
поступает на электрический насос, который создает давление в аккумуляторе
тормозной жидкости. Комплект соленоидных клапанов управляет потоком
давления жидкости, подводимой к каждому тормозному суппорту. Действие
клапана задается регулятором тормозной системы, который принимает и
обрабатывает сигналы усилия на педали тормоза и датчиков движения. На
практике эта система объединяет пакет: АБС плюс электрическая передача
сигналов и электронная обработка.
1.8. Автомобильные шины
Шины современного автомобиля – один из наиболее важных компонентов
его активной безопасности. Высокий коэффициент сцепления с дорогой гарантия во многих случаях безопасного движения автомобиля. Очень важно
обеспечение высокого коэффициента сцепления на мокром дорожном
покрытии. Исследования показали, что коэффициент сцепления на мокром
дорожном покрытии зависит в большой степени от состава резины
протектора, его рисунка и давления в шине. Кроме всего указанного, шина
влияет на комфортабельность, плавность хода и управляемость автомобиля.
Шина (рис. 1.8.1) должна обеспечивать: высокий коэффициент сцепления
при различных режимах движения и различных состояниях дорожного
покрытия; плавность хода; высокий коэффициент увода; безопасность
движения при утечке воздуха до полной остановки автомобиля. Сделать
шину с хорошей комфортабельностью и одновременно удовлетворяющую
всем желаемым требованиям безопасности при нагрузках и скоростях,
которые предпочитает потребитель, практически невозможно. Поэтому для
различных типов и классов автомобилей часто выбираются совершенно
90
различные по конструкции шины в зависимости от того, какое требование
является превалирующим в каждом определенном случае.
Предписаниями Правил ЕЭК ООН регламентируются следующие требования
к шинам:
• для новых шин легковых и грузовых автомобилей (Правила № 30
и 54);
• для шин с восстановленным протектором (Правила № 108 и 109);
• запасных колес легковых автомобилей (Правило № 64).
Нормативы регламентируют требования к функциональным свойствам шин и
колес. Для оценки шин и колес используются геометрические параметры и
прочностные (нагрузочно-скоростные) характеристики.
Основными задачами любой шины являются: во-первых, выдерживать вес
автомобиля и, во-вторых, создавать и передавать все нагрузки, связанные с
ускорением, торможением и управлением. В зависимости от того, как
движется автомобиль - прямолинейно или криволинейно, в пятнах контакта
шин возникают силы, действующие симметрично при разгоне и торможении,
или несимметрично соответственно. Несимметричная деформация шины при
прохождении поворота ощущается водителем как стремление к
самоцентрированию рулевого управления. Во многом поведение автомобиля
на дороге зависит от рисунка шин. Главная задача протектора - обеспечить
выдавливание воды из пятна контакта шины для исключения эффекта
аквапланирования, который приводит к потере управления. Но, создавая
рисунок протектора, необходимо помнить, что вибрации, создаваемые в
пятне контакта, производят существенный шум, который определяет общий
шум от движущегося автомобиля, в настоящее время строго
регламентируемый для новых автомобилей. Поэтому на ведущих фирмахпроизводителях существуют специальные камеры, где испытываются новые
рисунки протекторов. При этом производимый ими шум записывается и
тщательно подгоняется под установленные нормы.
С ростом скорости автомобиля требуется применение более эффективных
тормозов. Но диаметр используемых тормозных дисков, связан в первую
очередь с размерами колесного диска. Для использования дисков
увеличенного диаметра шинники уменьшают отношение высоты профиля к
его ширине. Кроме того, уменьшение деформации боковых стенок шины
приводит к снижению выделяемого тепла, что обеспечивает возможность
движения
на
более
высоких
скоростях.
Но
распространение
сверхнизкопрофильных шин сдерживается уменьшением стабилизирующего
момента, что приводит к ухудшению «чувства руля».
91
а
б
Рис. 1.8.1. Конструкция диагональной (а) и радиальной (б) шины:
1 — борта; 2 — бортовое кольцо; 3 — каркас; 4 — брекер;
5 — боковая стенка; 6 — протектор
Сложные задачи перед разработчиками ставит сопротивление качению. По
мнению специалистов, уже при скорости 100 км/ч оно составляет 20% всех
сил сопротивления. Для снижения сопротивления качению производители
шин разрабатывают новые материалы протектора, способные поглощать
меньше энергии при растяжении и сжатии, но обеспечивающие хорошее
сцепление с дорогой. Все чаще вместо традиционного каучука используются
силиконовые компаунды, обеспечивающие лучшее сцепление с дорожным
покрытием, особенно на мокрой дороге. Известный французский
производитель Michelin утверждает, что серия его новых шин обеспечивает
снижение сопротивления качению на 35% без потери сцепных свойств, при
этом экономия топлива достигает 3—5%.
На протяжении всех лет существования пневматических шин существовала
проблема их прокола, поскольку прокол колеса при движении с большой
скоростью может привести к самым катастрофическим последствиям. В
последние годы работы в области создания «противоаварийных» шин
ведутся практически всеми производителями.
В течение многих лет ведущие производители шин делали попытки создания
шин, которые не боятся проколов. Некоторые производители (Goodyear,
Michelin) выпускали бескамерные шины с несколькими герметизирующими
слоями, которые очень медленно выпускали воздух в случае небольших
повреждений. Другие (Dunlop, Continental) устанавливали внутри шины
специальные капсулы, которые при смятии шины в результате выхода
воздуха разрушались и выделяли герметизирующий состав и газ, который
накачивал шину. Существуют и другие варианты безопасных конструкций
шин и устройств для быстрого ремонта поврежденных шин.
92
Компания Michelin разработала безопасную шину «PAX» (рис. 1.8.2), которая
действительно не боится проколов и дает возможность автомобилю
двигаться на проколотой шине около 160 км со скоростью до 88 км/ч,
сохраняя управляемость и устойчивость. Этого, как правило, достаточно для
того, чтобы добраться до ремонтной мастерской.
Кроме повышенной безопасности шина «PAX» обладает меньшим
сопротивлением качению и меньшей деформацией при действии боковых
сил, что улучшает показатели устойчивости и управляемости автомобиля.
Бортовая часть шины имеет специальную конструкцию, за счет которой
шина прочно удерживается на ободе. Обод колеса, предназначенного для
шины «PAX», несимметричен и не может использоваться для стандартных
шин. Обод имеет плоское металлическое кольцо, покрытое эластичным
материалом. Кольцо располагается внутри смонтированной на ободе шины и
при выходе из нее воздуха обеспечивает необходимую опору.
а
б
Рис. 1.8.2. Шины «РАХ» компании Michelin а: 1 – профиль шины и обода; 2 –
конструкция борта шины обеспечивает плотное прижатие к полке обода; 3 –
в спущенном состоянии шина опирается на усиленное кольцо; б: шины
«РАХ» устанавливаемые на новые автомобили Audi
К недостатку шины «PAX» следует отнести то, что она требует
нестандартный обод, а для ее монтажа необходимо специальное
оборудование. Тем не менее, некоторые серийные автомобили
комплектуются такими шинами.
Компания Goodyear выпускает шину ЕМТ (Extended Mobility Tire — шина
повышенной мобильности). Шина ЕМТ (рис. 1.8.3) внешне мало отличается
от обычной и может устанавливаться на стандартный обод.
93
Рис. 1.8.3. Шина повышенной мобильности ЕМТ: 1 – слои брекера;
2 – дополнительная вставка в плечевой зоне; 3 – каркас шины;
4
–
бортовое
колесо;
5
–
слои
в
каркасе;
а – складывание обычной шины; б – складывание шины ЕМТ
При проколе воздух из шины выходит, но она поддерживается в рабочем
состоянии за счет особой конструкции. В плечевой зоне шины, боковине и
брекере имеются специальные вставки из синтетического материала, которые
не позволяют шине складываться и разрушаться от нагрева.
Водитель автомобиля, оборудованного безопасными шинами, может не
заметить прокола, поэтому производители таких шин требуют, чтобы на
автомобили устанавливались системы, предупреждающие водителя о
падении давления в шинах (рис. 1.8.4). Некоторые автомобили уже
комплектуются этими системами, а с ноября 2006 г. все легковые
автомобили, выпускаемые в США, должны быть оборудованы ими в
обязательном порядке.
94
Рис.
1.8.4.
Система
постоянно
контролирует
давление
воздуха
в
шинах
посредством
датчиков,
установленных в колесах
Увеличить безопасность и сберечь шины могут не только описанные
конструкции, но и системы постоянной подкачки шин. Такие системы
успешно используются на некоторых грузовых автомобилях повышенной
проходимости, но они имеют довольно сложное устройство и требуют
наличия постоянно работающего компрессора. Фирма Cycloid изготавливает
небольшие насосы (рис. 1.8.5), которые устанавливаются на ступицу колеса и
соединяются шлангом с вентилем шины. Такой насос приводится от
вращающейся ступицы колеса и при этом гарантированно поддерживает
постоянное давление воздуха в шине.
Рис. 1.8.5. Насос фирмы Cycloid
Пока такие насосы предназначены только для грузовиков, но фирма заявляет
о скором выпуске насосов и для легковых автомобилей.
95
1.9. Органы управления автомобилем
Важным связующим звеном между водителем и автомобилем являются
органы управления, поскольку их характеристики оказывают огромное
влияние на точность и надежность процесса управления.
К конструкции органов управления предъявляются следующие
требования:
- высокий уровень автоматизации управления автомобилем;
- малые время и усилия, необходимые для выполнения рабочих
движений;
- удобная траектория движения рук и органов управления;
- травмобезопасная конструкция органов управления;
- обеспечение информативности и удобная форма рукояток;
- соответствие эстетическим требованиям.
Выполнение указанных выше требований достигается путем
автоматизации переключения передач, применения гидравлических и
пневматических приводов, размещение органов управления в оптимальных
зонах рабочих движений водителя, применение тактильно-гностических и
гигиенических форм рукояток.
Предписаниями Правил ЕЭК ООН регламентируются:
• требования к расположению и способам действия педалей
управления легковых автомобилей (Правила № 35);
• требования к механизмам рулевого управления (Правила № 79).
Нормативы регламентируют следующие свойства элементов
управления, косвенно и напрямую влияющие на изменение управляемости и устойчивости движения ТС:
функциональные свойства (для педалей управления — расположение; для
механизмов рулевого управления (РУ) — геометрические, силовые и
временные характеристики);
надежность.
Для оценки функциональных свойств педалей управления в качестве
измерителей используются геометрические и размерные параметры
размещения педалей управления и водителя с использованием трехмерного
посадочного манекена; для оценки механизмов РУ — угол поворота ТС в
зависимости от угла поворота рулевого колеса, номинальный радиус органа
рулевого управления, усилия на рулевом колесе и в рулевом механизме, время
управления; для оценки надежности механизмов РУ — способность
нормально функционировать во всех эксплуатационных режимах движения и
возможность быстрой передачи информации при возможных неисправностях.
К рулевому колесу предъявляются два основных эргономических
требования: прилагаемое усилие при его вращении не должно превышать 3050Н для одной руки и 100- 110Н для двух; его угловая скорость должна
обеспечивать надежное управление автомобилем при любой скорости
движения.
96
Чаще всего диаметр рулевого колеса составляет 350...420 мм, однако на
спортивных автомобилях он может быть и 280 мм, а на тяжелых грузовиках и
автобусах — до 600 мм. С увеличением диаметра, естественно, увеличивается
крутящий момент, который водитель может приложить к нему при
одинаковом усилии на ободе, но одновременно уменьшается достижимая
скорость вращения руля («скорость руления»). Именно поэтому на спортивных
машинах применяют руль малого размера, а на тяжелых машинах — большого,
это увеличивает безопасность в случае отказа рулевого усилителя. Диаметр
обода руля обычно около 20... 30 мм.
На усилие, которое водитель может приложить к ободу рулевого колеса,
существенно влияет угол его наклона (рис. 1.9.1). Если принять за 100 %
достижимое усилие при почти вертикальном положении плоскости руля (10°
относительно вертикали), то при почти горизонтальном положении (80°)
усилие увеличивается примерно на 25 %. Это объясняется анатомическими
особенностями человека.
Любая точка рулевого колеса должна находиться на расстоянии не менее
80мм. От других деталей автомобиля, за исключением переключателей,
которыми пользуются, не снимая рук с руля.
Параметры рабочего места водителя для грузовых автомобилей, автобусов
и троллейбусов, регламентированные ОСТ 37.001.413 — 86, приведены на рис.
1.9.2 и в табл. 1.9.1.
Рис. 1.9.1. Зависимость усилия Рк на рулевом колесе от угла его
наклона α.
97
Рис. 1.9.2. Параметры рабочего места водителя грузового автомобиля
(наименования и численные значения параметров см. в табл. 1.9.1)
Таблица 1.9.1.
Параметры рабочего
автобуса и троллейбуса.
места
Наименование параметра
водителя
грузового
автомобиля,
Обозначение Значение,
на рис. 1.9.2 мм
Расстояние от нижнего края нерегулируемого
рулевого колеса до ненагруженной поверхности
подушки сиденья при при верхнем положении е
сиденья на всем диапазоне - продольной
> 180
Расстояние от точки L до внутренней обивки
крыши (сиденье в крайнем заднем нижнем h
положении по регулировке)_
1100
Ширина рабочего места водителя
>750
b
Расстояние от левой внутренней стенки кабины
b1
до оси симметрии сиденья
>350
98
Примечание. В обоснованных случаях (оговоренных в стандарте) значения е,
h, b1 могу быть уменьшены.
Рис. 1.9.3. Расположение основных органов управления грузовым
автомобилем
(наименования и численные значения параметров см. в табл. 1.9.2)
Таблица 1.9.2.
Расположение
автомобилем
основных
Наименование параметра
органов
управления
грузовым
Обозначение
Значение
на рис. 1.9.3
Смещение центра рулевого колеса от
продольной плоскости симметрии сиденья t
водителя, мм, не более
±30
Угол наклона плоскости рулевого колеса от
φ
горизонтали в вертикальной плоскости, не менее
15
Расстояние между краями педалей тормоза и
F*
сцепления, мм, не менее
100
Расстояние между краями педалей тормоза и
Е*
акселератора, мм, не менее
50
99
Расстояние от левого края педали сцепления до
G*
левой боковой стенки кабины, мм, не менее
120
Расстояние от правого края педали тормоза до
К*
правой боковой стенки кабины, мм, не менее
150
Расстояние от правого края педали акселератора
S*
до правой боковой стенки кабины, мм, не менее
25
Осевое смещение левого края педали тормоза от
продольной плоскости симметрии сиденья i
водителя, мм, не более
75
Примечание. Размеры, отмеченные знаком * , должны замеряться на
расстоянии 2/з длины стопы манекена от точки пятки.
100
Рис. 1.9.4. Расположение педалей управления легковым автомобилем:
а - общее расположение основных органов управления; б - три педали –
трансмиссия со ступенчатой коробкой передач; в-две педали – автоматическая
трансмиссия (численные значения параметров см. в табл. 1.9.3.)
Таблица 1.9.3.
Расположение педалей управления легковым автомобилем
Обозначение
на
рис. 1.9.4
Е
F
G
Н
J
Значение в зависимости от трансмиссии, мм
Со
ступенчатой
коробкой
Автоматическая
передач
МаксиМиниМаксиМинимальное
мальное
мальное
мальное
100
50
100
50
—
50
—
—
—
50
—
—
—
130
—
130
—
160
—
120
101
Рис. 1.9.5. Зоны расположения рулевого колеса и педалей легкового
автомобиля:
1 – зона расположения точки В; 2 – зона расположения точки А; 3 –
целесообразная зона расположения рулевого колеса; 4 – допустимая зона
расположения рулевого колеса; 5 – зона вероятного расположения глаз
водителя.
Удобство управления автомобилем во многом зависит от формы рычагов
и рукояток органов управления, их размещения относительно тела водителя,
удаленности друг от друга, направления перемещения, усилий, которые
нужно прикладывать для их перемещения. Учитывая наличие различных по
степени удобства зон в пределах моторных полей водителя, органы
постоянного использования следует размещать в оптимальной рабочей зоне, а
органы эпизодического использования – в нормальных и максимальных
зонах. На рулевой колонке располагают рычаги переключения указателей
поворота, рукоятки управления стеклоочистителем и омывателем стекол,
кнопку звукового сигнала. На передней панели находятся ключ зажигания,
рукоятки управления воздушной заслонкой, включателем отопления,
вентиляции и т. п.
Место расположения рычага переключения передач зависит от усилия,
необходимого для его перемещения. Вследствие этого рычаг следует
располагать в оптимальной зоне рабочих движений водителя. Рукоятку
стояночного тормоза размещают в этой же зоне.
Размеры, определяющие расположение основных органов управления
грузовым автомобилем, приведены на рис. 1.9.5 и в табл. 1.9.3.
Рукоятка рычага управления коробкой передач должна располагаться в
зоне, выделенной штриховкой на рис. 1.9.3.
102
На легковых автомобилях педали управления располагаются в
соответствии с рис. 1.9.5 (ГОСТ Р 41.35 — 99) и табл. 1.9.3.
Для определения положения основных органов управления легковым
автомобилем относительно точки R можно пользоваться данными,
приведенными на рис. 1.9.5, где штриховкой выделены целесообразные зоны
расположения точки А — условной точки приложения усилий ноги водителя
к педалям, точки В — пятки (располагается на уровне пола), рулевого колеса
и педалей (РД 37.001.003 — 82). Расстояние между точками А и В — 200 мм
вдоль стопы, остальные размерные соотношения определяются с помощью
координатной сетки рисунка.
Интересное рулевое колесо преложила известная своими инновациями фирма
Citroen: на модели С4 она установила руль, на ступице которого собраны
практически все необходимые для управления автомобилем кнопки (рис.
1.9.6). На ступице разместились кнопки управления коробкой передач,
аудиоаппаратурой и многое другое. Причем новая ступица привлекает
внимание не столько своей многофункциональностью, а тем, что остается на
месте, несмотря на угол поворота рулевого колеса.
Рис. 1.9.6. Руль Citroen С4
Среди современных автомобилей больше становится тех, что оснащены
усилителем рулевого управления (PAS). Этому способствуют два фактора.
Первый - тенденция конструкторов использовать преимущества PAS для
получения характеристик, которые облегчали бы управление. Другой способность покупателя оплатить системы, облегчающие вождение.
Переход от обычного рулевого управления на привод с усилителем, вызван
необходимостью снижения усилия, прикладываемого к рулевому колесу при
движении с низкой скоростью и при максимальном угле поворота рулевого
колеса.
103
Много лет стандартный метод обеспечения PAS энергией состоял в том, что
использовался приводимый двигателем гидравлический насос, давление
которого подавалось с любой стороны силового цилиндра через клапаны,
управляемые поворотом рулевого колеса. Со временем гидроусилители стали
более функциональными и надежными, обеспечивая такие особенности, как
чувствительная к скорости степень усиления и обеспечения более высокого
качества обратной связи, чтобы водитель не чувствовал, что его
«разъединили» с передними колесами - недостаток большинства ранних
конструкций усилителей рулевого управления, особенно в американском
производстве.
Системы PAS работают, как правило, используя систему контрольных
клапанов, а не управляя непосредственно через систему сервоклапанов,
которая требовала бы более высоких давлений. Citroen - единственный
производитель, который использовал систему высокого давления в массовом
производстве, получая его от гидропневматической системы подвески. В
подавляющем большинстве систем гидроусилителей давление от
управляемого двигателем насоса больше необходимого. Полное
использование мощности, как на Citroen, имеет множество преимуществ,
включая интересную особенность рулевого управления возвращаться в
нейтральное положение, когда автомобиль неподвижен, пока двигатель
работает, обеспечивая усилитель энергией. Для обеспечения полной
безопасности конструкция PAS должна быть спроектирована таким образом,
чтобы обеспечить возможность перехода к обычному ручному управлению в
случае нарушения герметичности гидропровода или любой другой
неисправности.
Некоторые производители оборудуют свои автомобили системой управления
усилия на руле (PPS - progressive power steering). В ней с помощью
компьютера усилие на руле изменяется в зависимости от угла поворота
рулевого колеса и скорости движения автомобиля. В результате этого при
парковке и низких скоростях руль крутится очень легко. А при движении по
трассе с высокими скоростями это усилие значительно тяжело и руль
«наливается» тяжестью.
В последнее время наблюдается тенденция перехода к усилителям, которые
имеют электрогидравлический (рис. 1.9.7) или электрический (рис. 1.9.8)
привод.
104
Рис. 1.9.7. Электрогидравлический рулевой усилитель
Рис.
1.9.8.
Электрические
усилители
рулевого
управления:
а
–
с
воздействием
на
рулевой
вал;
б
–
с
воздействием
на
шестерню
рулевого
механизма;
в – с воздействием на рейку рулевого механизма
Оба новых типа усилителей потребляют энергию только тогда, когда нужна
помощь рулевому управлению, а их установка более проста, так как не
требует дополнительного подключения управляющего насоса ременным
приводом к коленчатому валу, что снижает нагрузку на двигатель и, как
следствие,
повышает
его
экономичность.
Электрогидравлическая
конструкция требует емкости для гидравлического насоса, приводимого в
действие электрическим двигателем и трубопроводом, хотя данная
конструкция может уместиться в довольно компактный модуль. Чистая
электрическая система состоит, по существу, из электрического двигателя,
пристроенного к рулевому приводу, модулю управления и соответствующих
датчиков. Наиболее важным является датчик угла поворота управляемых
колес автомобиля.
Полностью электрические усилители управления (EPAS) имеют еще и
дополнительное преимущество, они легко адаптируются к скорости
движения автомобиля, получая от двигателя сигнал управления. Но
недостаток систем ЕРAS заключается в том, что они требуют
дополнительной электрической энергии, запас которой на борту
105
современного автомобиля уже приблизился к критической планке. Впервые
серийное использование EPAS началось на небольших переднеприводных
автомобилях Renault Twingo и Fiat Punto. Испытания, проведенные фирмой
Delphi, которая поставляет свои EPAS для Fiat Punto, подтвердили, что
переход от гидравлического к электрическому усилителю приводит к
повышению эффективности и экономии. Так, при использовании EPAS была
достигнута экономия топлива 0,3 л/100 км, выигрыш 0,5с при разгоне с места
до 100 км/ч и 3 с при разгоне с места на дистанции в 400 м. Delphi также
указывает на легкость, с которой могут быть изменены характеристики
EPAS. Fiat Punto имеет выключатель, управляемый водителем, который
вдвое увеличивает усиление рулевого управления при движении по городу с
низкой скоростью и при постановке автомобиля на стоянку. Но если
появился датчик угла поворота рулевого колеса, то почему тогда вообще не
отказаться от традиционной конструкции руля? Отказ от традиционной
рулевой колонки позволит исключить из салона автомобиля один из
травмоопасных предметов. Кроме того, джойстик мог бы нести функции
педали акселератора: качнул вперед - быстрее, качнул назад медленнее.
Джойстиком, установленным на центральном пульте, могут управлять как
водитель, так и пассажир, не придется строить отдельно автомобили с
правым или левым рулем, можно будет использовать подушки безопасности
равного объема.
1.10. Электронные системы управления автомобилем
В настоящее время автомобиль трудно представить без широко
используемой электроники.
Первые патенты на антиблокировочные системы (АБС) появились в конце
20-х гг. Однако лишь в 1969г. началась серийная установка
антиблокировочной системы тормозов на легковых автомобилях, а
впоследствии и на грузовых.
Применение АБС способствовало:
- повышению активной безопасности автомобиля, т. е. повышению
тормозной эффективности (особенно на скользких поверхностях),
улучшению устойчивости и управляемости;
- увеличению средней скорости движения;
- продлению срока службы шин.
По существующим международным нормам сегодня в обязательном порядке
должны
оборудоваться
антиблокировочной
системой
следующие
транспортные средства:
- грузовые автомобили весом более 3,5 т;
- автобусы весом более 5 т;
- прицепы и полуприцепы весом более 5 т.
Другие автотранспортные средства, в т. ч. легковые автомобили оборудуются
АБС по желанию покупателя или по инициативе фирм-изготовителей
106
автомобилей. Следует отметить, что для большинства современных легковых
автомобилей АБС уже стала штатным оборудованием.
Существующие конструкции АБС имеют различный уровень технического
совершенства, поэтому их разделили на три категории (1, 2, 3) для
автомобилей, на две (А, Б) — для прицепов. Так, например, междугородные
и туристические автобусы могут оснащаться только самыми совершенными
АБС категории 1. На других типах ТС могут применяться относительно
дешевые и простые АБС, устанавливаемые, например, только на задней оси.
АБС должна обеспечивать:
- минимальный тормозной путь (не менее 75 % от максимально возможного);
- устойчивость при торможении;
- сохранение управляемости при торможении;
- приспособляемость к изменяющимся внешним условиям, например
сцеплению на сухой, мокрой и скользкой дороге (адаптивность);
- плавное торможение, без рывков;
- возможность торможения при выходе из строя АБС;
- минимальный расход рабочего тела;
- минимальное потребление электроэнергии;
- помехоустойчивость по отношению к внешним магнитным полям;
- сигнализацию при выходе из строя АБС, диагностику неисправности;
- общие требования (надежность, низкая стоимость и т. п.).
В состав электронной антиблокировочной системы входят (рис. 1.10.1):
- датчики (угловой скорости колеса, замедления и т. д.);
- электронный блок управления, получающий информацию отдатчиков,
обрабатывающий ее и подающий сигналы на исполнительные механизмы и
сигнальную лампу;
- исполнительные механизмы (модуляторы давления рабочего тела).
Для поддержания требуемого проскальзывания (пробуксовки) колес
необходимо знать значения линейной скорости автомобиля в каждый момент
времени, угловую скорость тормозящего колеса, рассчитывать скольжение и
управлять модуляторами, установленными в тормозном приводе. С помощью
модуляторов изменяют тормозное давление, поступающее к тормозным
камерам или рабочим цилиндрам и тем самым, регулируют тормозные силы
на колесах.
107
Рис. 1.10.1. Схема электронной АБС: 1 – датчик; 2 – замер скорости;
3
–
модулятор;
4
–
блок
управления;
5 – тормозной цилиндр; 6 – замер давления.
Угловую скорость колеса определяют датчиками, установленными в ступице
колеса, или, реже, в главной передаче. Датчик состоит из ротора в виде
зубчатого диска (или перфорированного кольца), закрепленного на колесе, и
катушки индуктивности, установленной неподвижно с некоторым зазором
относительно зубцов диска.
Линейную скорость автомобиля чаще всего определяют косвенным путем —
перерасчетом значений, полученных от датчиков угловой скорости колес.
Иногда, например, на полноприводных автомобилях линейную скорость
рассчитывают по значению замедления в продольном направлении,
определяемому с помощью датчика замедления. При достижении величины
заданного относительного скольжения (порогового значения) блок
управления подает соответствующую команду исполнительному механизму.
Существуют различные принципы регулирования: по величине замедления
тормозящего колеса; по заданной величине угловой скорости тормозящего
колеса; по заданной величине относительного скольжения; по давлению
рабочего тела и т. д.
В подавляющем большинстве случаев для выполнения всех требований по
адаптивности применяется регулирование тормозящего колеса по его
замедлению и скольжению.
Исполнительные механизмы (модуляторы) АБС могут иметь различное
устройство: клапанное, золотниковое, диафрагменное, смешанное.
Модуляторы по командам блока управления изменяют давление рабочего
тела в тормозных камерах или цилиндрах.
108
Различают модуляторы, работающие по двухфазовому (увеличение-сброс
давления) и трехфазовому (сброс-выдержка-увеличение давления) рабочим
циклам. Современные модуляторы часто имеют усложненный рабочий цикл.
Например, фаза увеличения или уменьшения давления состоит из нескольких
этапов, отличающихся темпом изменения давления. От частоты, с которой
модулятор может осуществлять рабочий цикл, зависит качество работы АБС.
Трехфазовый модулятор обеспечивает несколько меньший расход рабочего
тела.
Тормозная динамика автомобиля в большой степени зависит от схемы
установки элементов АБС на автомобиле и выбранного принципа
регулирования.
Наиболее распространены следующие принципы регулирования скольжения
колес:
- индивидуальное регулирование скольжения каждого колеса в отдельности
(Individual Regelung) — IR;
- «низкопороговое» регулирование, т. е. регулирование, предусматривающее
подачу команд на растормаживание и затормаживание обоих колес оси
одновременно по сигналу датчика колеса, находящегося в худших по
сцеплению условиях, — «слабого» колеса (Select Low) — SL;
- «высокопороговое» регулирование колес одной оси, когда сигнал подается
датчиком «сильного» колеса, т. е. находящегося в лучших по сцеплению
условиях (Select High) — SH;
- модифицированное индивидуальное регулирование — Modifizierte
Individual Regelung (MIR) представляет собой компромиссное регулирование
между SL и IR. Смысл MIR заключается в том, что вначале регулирование
осуществляется по «низкопороговому», а затем постепенно происходит
переход к индивидуальному регулированию. MIR целесообразно
использовать при торможении на опорной поверхности с различным
сцеплением под левым и правым колесами, а также на повороте и
поперечном уклоне.
Индивидуальное регулирование является оптимальным с точки зрения
обеспечения наилучшей тормозной эффективности (минимального
тормозного пути). Для этой цели на каждом колесе размещается датчик
частоты вращения и модулятор давления и их параметры регулируются
отдельным каналом управления в электронном блоке. Индивидуальное
регулирование дает возможность получить оптимальный тормозной момент
на каждом колесе в соответствии со сцепными условиями и, как следствие,
минимальный тормозной путь. Однако если колеса одной оси будут
находиться в неодинаковых сцепных условиях, то тормозные силы на них
также будут неодинаковыми. В этом случае возникает разворачивающий
момент, приводящий к потере устойчивости (рис. 1.10.2). Управляемость
автомобиля при этом сохраняется, т. к. колеса не заблокированы и запас
боковой устойчивости остается достаточным. Схема с индивидуальным
регулированием является наиболее сложной и дорогой.
109
При выборе схемы АБС обычно исходят из технической и экономической
целесообразности. Как показали исследования, соответствуют всем
требованиям, а следовательно, относятся к категории 1 АБС имеющие схему
регулирования (передние колеса/задние колеса) IR/IR и MIR/IR, а также
другие схемы (MIR/SL, SL/IR) если принцип SL используется на оси (осях),
обеспечивающей не более 50 % суммарной тормозной силы. АБС,
использующие принцип SL на обеих осях АТС (SL/SL), относятся к
категории 2. В АБС категории 3, как правило, реализуется схема — SL.
Система встраивается в штатную тормозную систему и не требует изменения
ее конструкции. Преимущества таких систем заключаются в простоте и
удобстве компоновки на автомобиле.
Система содержит гидравлический узел, располагаемый между главным
тормозным и колесным цилиндрами, датчики частоты вращения,
монтируемые у передних колес и у главной передачи, и электронный блок
управления (ЭБУ), устанавливаемый в салоне или в моторном отсеке
автомобиля. На полноприводных автомобилях к датчикам частоты вращения
добавляется датчик продольного замедления. Гидравлический узел состоит
из насоса с электродвигателем, модулятора с тремя электроклапанами, двух
аккумуляторов с демпфирующими камерами.
Рис.
1.10.2.
Разворачивающий
приводящий к потере устойчивости
момент,
На рис. 1.10.3 показана схема системы АБС 2-го поколения, разработанная
фирмой Bosch для легковых автомобилей с гидравлическим тормозным
приводом.
110
Рис. 1.10.3. Схема системы АБС 2-го поколения фирмы «Bosсh» для
легкового автомобиля: 1 – датчик; 2 – сигнальная лампа;
3 – блок управления; 4 – модулятор.
В системе используется трехфазный рабочий цикл. При торможении без
блокировки колес электроклапан соединяет колесный цилиндр с
соответствующей секцией главного цилиндра и тормозная система работает
обычным образом. Если ЭБУ выявляет тенденцию к блокированию колеса,
то электроклапан переводится в положение, при котором колесный
тормозной цилиндр отсоединяется от главного тормозного цилиндра и,
наоборот, соединяется с магистралью слива. Жидкость перетекает в
демпфирующую камеру, а затем перекачивается насосом в главный
тормозной цилиндр. Давление в колесном цилиндре уменьшается. В фазе
выдержки давления электроклапан переводится в положение, при котором
все магистрали разъединены между собой. Следующая фаза нарастания
давления осуществляется переводом электроклапана в первоначальное
положение. Жидкость из главного тормозного цилиндра вновь поступает в
колесный цилиндр. В случае отказа насоса торможение с антиблокировочной
функцией прекращается, но работоспособность тормозного привода
сохраняется.
Типичная схема установки пневматической АБС на двухосном грузовом
автомобиле с пневмоприводом показана на рис. 1.10.4. Эта система состоит
из блока управления, соединенного с колесными датчиками и модуляторами.
111
Рис. 1.10.4. Пневматическая АБС
Модулятор АБС имеет, как правило, диафрагменную конструкцию. Такая
конструкция обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с
поршневой. Модулятор (рис. 1.10.5) имеет два электроклапана 1 и 2 и два
пневмоклапана. Выходы модулятора подключены к тормозному крану, к
тормозной камере и к атмосфере.
При торможении без срабатывания АБС воздух поступает от крана на выход
к тормозному крану, отжимает диафрагму верхнего пневмоклапана и
проходит на выход к тормозной камере. Одновременно он поступает через
большой канал к нижнему пневмоклапану, который дополнительно
прижимается к своему седлу, перекрывая атмосферный выход. Верхний
пневмоклапан находится в открытом положении, т. к. полость соединена с
атмосферой через электроклапан отсечки. При растормаживании тормозным
краном воздух проходит через модулятор в обратном направлении, от выхода
к тормозной камере к тормозному крану.
112
Рис. 1.10.5. Принципиальная схема пневматического модулятора АБС:
1, 2 – электромагнитные клапаны; 3 – следящий поршень;
4, 6 – пружина; 5 – корпус впускного и атмосферного клапана;
А – полость, соединяющая тормозной кран с модулятором;
Б – полость, соединяющая воздушный баллон с модулятором;
Г – полость, соединяющая модулятор с рабочей полостью тормозной камеры;
Д
–
полость,
соединяющая
тормозную
камеру
через модулятор с атмосферой
При работе АБС модулятор обеспечивает трехфазный рабочий цикл.
В фазе сброса давления на оба электроклапана модулятора подается
напряжение от электронного блока управления. Электроклапан отсечки
закрывает атмосферный выход и одновременно пропускает воздух от выхода
к тормозному крану через малый канал в полость. Давление с обеих сторон
диафрагмы верхнего пневмоклапана выравнивается, и он усилием пружины
закрывается. Одновременно из-за срабатывания электроклапана сброса
открывается нижний пневмоклапан. Через него воздух из тормозных камер
выходит в атмосферу.
Выдержка тормозного давления (вторая фаза) на постоянном уровне
производится при подаче напряжения только на электроклапан отсечки. В
этом случае оба пневмоклапана закрыты.
В третьей фазе электроклапаны обесточены и воздух проходит из тормозного
крана в тормозную камеру.
Установка трехфазовых модуляторов около каждого колеса автомобиля
позволяет реализовать любой принцип регулирования.
113
Несмотря на установленную на автомобиле АБС рекомендуется сохранять в
тормозном приводе регулятор тормозных сил, хотя это и не требуется
нормативами. Считается, что регулятор сохраняет комфортабельность
движения и расход воздуха и снижает вероятность вступления в работу АБС.
Неисправность АБС не может быть полностью исключена, поэтому
необходимо выбирать такое подключение датчиков и модуляторов, которое
обеспечит сохранение свойств системы даже при наличии некоторых
отказов. Часто выбирается диагональная схема подключения. К каждому
процессору подключаются датчик и модулятор двух колес по диагонали:
одного переднего и одного заднего. В этом случае при единичной
неисправности отключается только одна диагональ. Одно незаблокированное
переднее колесо и одно заднее колесо обеспечат остаточную устойчивость и
управляемость автомобиля. Лампа, сигнализирующая о неисправности АБС,
подключается параллельно к обоим каналам блока управления. Поэтому,
даже если она горит, одна из диагоналей еще может находиться в исправном
состоянии. Самодиагностика исправности АБС начинается при включении
зажигания и производится непрерывно при движении ТС. Концепция
двухканальной электроники с диагональным распределением каналов
считается важным элементом надежности АБС для грузовых автомобилей и
автобусов, т. к. единичный отказ в АБС не может застать врасплох водителя,
привыкшего к помощи системы при торможении. К блоку управления АБС
может подключаться тормоз-замедлитель. Электроника автоматически
отключает замедлитель, когда АБС вступает в работу.
Опыт эксплуатации АБС свидетельствует о высокой надежности этой
системы. Отказы составляют около 0,2 %. Наиболее часто отказывают
электрические соединения блока управления, датчиков и модуляторов, а
также соединения между тягачом и прицепом. Отказы модуляторов (в том
числе из-за замерзания) незначительны. Неисправности датчиков связаны в
основном с увеличением зазоров в подшипниках ступицы колеса.
Сегодня многие автомобили, и не только полноприводные, оснащаются
электронной блокировкой дифференциала (EDS). Она работает совместно с
АБС. Работу системы EDS рассмотрим на примере уже знакомого VW Passat.
Если одно из ведущих колес начинает пробуксовывать, то частотные датчики
распознают различные частоты вращения колес. При этом комбинированный
блок управления АБС и EDS побуждает дисковые тормоза действовать на
проворачивающееся колесо. Это происходит посредством пары магнитных
клапанов в гидравлическом блоке АБС. Открывается соединение от
регулятора давления к колесному тормозному цилиндру соответствующего
тормозного диска до тех пор, пока колесо настолько затормозит, что
достигнет надежного сцепления с грунтом. Как только на ведущих колесах
будет одинаковое скольжение, блок управления заканчивает регулировку и
закрывает магнитные клапаны. Чтобы исключить неправильное
функционирование, EDS снабжена предохранительным выключателем. На
основе тормозного давления, а также и после установленного максимального
времени EDS выключается, чтобы избежать перегрузки тормозов; при
114
скорости свыше 40 км/ч EDS выключается. Если блок управления определяет
ошибку в EDS, то он отключает ее; АБС при этом продолжает
функционировать. Если ошибка присутствует в определении частотного
сигнала или в электронике, то АБС и EDS отключаются вместе, при этом
автомобиль остается способным к торможению.
Наряду с использованием АБС сравнительно недавно на автомобилях стали
применять противобуксовочные системы (ПБС), которые при тяговом
режиме движения препятствуют пробуксовке ведущих колес автомобиля.
ПБС не относятся к тормозному управлению, но, ввиду идентичного
принципа работы и использования одних и тех же аппаратов, часто
рассматриваются совместно с АБС.
ПБС часто устанавливаются в сочетании с АБС, что позволяет ускорить
процесс разгона, а также повысить проходимость на мягких грунтах и
скользких дорогах. Принцип действия системы основан на автоматическом
подтормаживании буксующего колеса (рис. 1.10.6).
При этом другое ведущее колесо, находящееся на дорожном покрытии с
хорошими сцепными характеристиками, может воспринимать больший
крутящий момент. В результате, как и при блокировке дифференциала,
увеличивается суммарная сила тяги, автомобиль может трогаться с места и
разгоняться с большим ускорением. Кроме того, система при необходимости
уменьшает подачу топлива в двигатель и ограничивает общую тяговую силу
на ведущих колесах.
К преимуществам ПБС относят:
- увеличение силы тяги и повышение устойчивости автомобиля при троганьи
с места, разгоне и движении на скользкой дороге;
- увеличение проходимости по мягким грунтам;
- уменьшение нагрузок в трансмиссии при резком изменении коэффициента
сцепления;
- снижение расхода топлива, особенно в зимних условиях;
- уменьшение износа шин;
- снижение утомляемости водителя.
В настоящее время во всех ПБС для автоматического ограничения
буксования колес применяется электроника.
115
Рис. 1.10.6. Принцип действия ПБС: Fi – тяговая сила (без ПБС);
FB
FB *
– тормозная сила;
- дополнительная тяговая сила;
Fh – суммарная тяговая сила
Схема комплексной АБС/ПБС показана на рис. 1.10.7 АБС дополняется
модулятором ПБС, который имеет два цилиндра, включенных в
гидромагистрали, соединяющие главный тормозной цилиндр через
модулятор АБС с колесными цилиндрами. Внутри цилиндров модулятора
расположены плавающие поршни с центральными клапанами. Последние
соединяют входную и выходную магистрали цилиндра. Поршни управляются
посредством трехпозиционных электромагнитных и двухпозиционных
дросселирующих клапанов.
При торможении автомобиля жидкость беспрепятственно проходит через
цилиндры модулятора к задним колесным цилиндрам.
116
Рис. 1.10.7. Схема комплексной ПБС/АБС легкового автомобиля:
1 – датчик скорости колеса; 2 – модулятор АБС; 3 – модулятор ПБС;
4 – блок управления АБС; 5 – блок управления ПБС
Во время работы ПБС по команде блока управления на притормаживание
одного или обоих ведущих колес электромагнитный клапан переводится в
положение, при котором давление из гидронасоса передается в
управляющую полость цилиндра модулятора, слева от поршня. Под
действием давления жидкости поршень перемещается вправо и перекрывает
центральный клапан. Дальнейшее движение поршня приводит к повышению
давления в колесных цилиндрах. Выдержка или сброс давления
осуществляются
по
команде
электронного
блока
переводом
электромагнитного клапана в соответствующее положение.
Для получения большей точности и плавности регулирования скольжения
колес в тяговом режиме в ПБС изменение давления необходимо производить
более медленно, чем в АБС. Для этого в модулятор введены дросселирующие
клапаны с меньшим проходным сечением, которые срабатывают в начале
функционирования ПБС.
Рассмотренная конструкция модулятора может применяться отдельно от
АБС, для чего автомобиль должен быть дооборудован колесными датчиками
угловых скоростей, блоком управления и иметь гидросистему высокого
давления.
Регулирование крутящего момента двигателя производится комплексным
воздействием на дроссельную заслонку, на системы зажигания и впрыска
топлива.
Положение
дроссельной
заслонки
может
изменяться
электромеханическим или электромагнитным устройством.
Чаще всего используется электромеханическая система, известная под
названием «электронная педаль газа». В этой системе изменение положения
117
педали «газа» с помощью датчика перемещения педали преобразуется в
электрический сигнал. В блоке управления данный сигнал преобразуется с
учетом ряда заданных переменных и сигналов от других датчиков
(температуры, частоты вращения двигателя и т. п.), а затем передается к
электродвигателю, который перемещает дроссельную заслонку или рейку
топливного насоса (в случае управления дизелем). Сигнал обратной связи о
положении заслонки или рейки также поступает в блок управления.
Команды, поступающие от блока управления ПБС, имеют приоритет по
отношению к сигналам, поступающим от датчика перемещения педали
«газа». Например, если водитель открывает дроссельную заслонку на угол,
обеспечивающий подачу к колесам крутящего момента, большего, чем
можно реализовать по условиям сцепления, то по команде от блока
управления ПБС угол открытия может быть уменьшен до 10° за время 100
мс.
ESP - электронная система курсовой устойчивости. Основной задачей
электронной системы стабилизации траектории ESP (Electronic Stability
Programm) является предотвращение выхода автомобиля за пределы полосы
движения на повороте при ошибочных действиях водителя (например, при
попытке пройти поворот со слишком высокой скоростью в момент начала
заноса и т. д.).
Система ESP (рис. 1.10.8) включает в себя: датчики, электронный блок
управления, гидравлическую систему подтормаживания того или другого
колеса и систему управления двигателем.
В системе подтормаживания задействованы агрегаты антиблокировочной
системы автомобиля (АБС). Электронный блок управления (ЭБУ) постоянно
получает и анализирует сигналы отдатчиков угла поворота рулевого колеса,
бокового ускорения, угловой скорости вращения кузова относительно
вертикальной оси, частоты вращения колес. В момент, когда сочетание
показаний датчиков воспринимается ЭБУ как приближение к критическому
режиму (занос, начало бокового скольжения), он выдает сигнал
гидравлической системе подтормаживания и блоку управления двигателем.
При этом одно или несколько колес одного борта начинают
подтормаживаться, что приводит к возникновению поворачивающего
момента относительно вертикальной оси, который предотвращает развитие
аварийной ситуации (рис. 1.10.9). Одновременно воздействие на блок
управления двигателем позволяет уменьшить подачу топлива и снизить
скорость движения до безопасного уровня.
118
Рис.
1.10.8.
Электронная
система
стабилизации
траектории:
1- блок управления АБС; 2 – датчик скорости вращения колес;
3- датчик угла поворота руля; 4 – датчик бокового ускорения и угловой
скорости; 5 – электронный блок управления; 6 – электропривод дроссельной
заслонки
(бензиновый
двигатель)
или
ТНВД
(дизаль);
7 – датчик давления в тормозной системе
Для облегчения спуска с гор с большим уклоном используется система
Downhill assistant (помощник на наклонах) - система контроля устойчивости.
При спуске с уклона она будет автоматически подтормаживать то или иное
колесо, исключая, тем самым ситуацию, когда задние колеса стараются
«обогнать» передние и предохранят автомобиль от разворота.
119
Рис. 1.10.9. Поворот в критической ситуации при заносе
В концерне BMW аналогичная система получила название HDS - контроль
спуска с холма. Кроме того, нажав на соответствующие клавиши на
многофункциональном рулевом колесе, можно запрограммировать скорость
движения автомобиля под уклон в диапазоне от 8 до 26 км/ч.
Зачастую у многих, особенно начинающих, водителей возникают проблемы с
началом движения на подъем. На этот случай предусмотрена система Hillstarting assistant (помощник старта на холме), предотвращающая откат
автомобиля, стоящего на уклоне.
Уже известную систему ESP французские автостроители дополнили опцией
USC - контроль недостаточной поворачиваемости. Как известно, для
переднеприводных
автомобилей
характерна
недостаточная
поворачиваемость: при повышенной скорости передние колеса стремятся
спрямить траекторию. USC должна устранить этот хронический недостаток
переднеприводных
автомобилей.
Установленные
на
автомобиле
гироскопические датчики определяет намечающееся расхождение между
траекторией, заданной водителем, и реальной. Для более точного
прохождения поворота USC чуть сбрасывает газ. Если этого оказывается
недостаточно, то она подтормаживает внутреннее заднее колесо. В случае
необходимости USC начинает подтормаживать переднее внутреннее колесо.
При возникновении особенно сложных случаев она подтормаживает оба
передних колеса. Система USC успешно прошла испытания и сегодня
серийно устанавливается на автомобили концерна Renault Laguna и Espace.
Немалое значение в обеспечении активной безопасности автомобиля играет
освещение дороги в впереди автомобиля.
120
На современных автомобилях все чаще используются ксеноновые фары. В
этих фарах свет производится электрическим разрядом между двумя
электродами внутри кварцевого сосуда, содержащего под высоким
давлением смесь инертного газа ксенона и галогена. Технические
преимущества HID (разряд высокой интенсивности) освещения — более
низкое потребление энергии, больше время наработки на отказ и лучший
световой поток и по качеству и по количеству. Например, 35-ваттная HID
лампа производит вдвое более яркий световой поток, чем 60-ваттная
галогеновая лампа. Фирма Valeo, которая вместе с Bosch и Hella стала одной
из главных поставщиков HID ламп, говорит, что ее образцы достигают 3000часовой жизни. Сейчас HID лампы используются в основном для ближнего
света фар с дальними галогеновыми лампами, но уже появились HID лампы,
в которых колбы дальнего и ближнего света объединены в одной колбе,
такие фары получили название биксеноновых.
К сожалению, обычный параболический отражатель не позволяет заставить
лучи, отраженные нижней половиной рефлектора, не задираться вверх, в
глаза водителю встречного автомобиля. Для устранения этого дефекта были
разработаны так называемые мультифокальные (Hella) или вариофокусные
отражатели - VF (Bosch). Сфера таких фар состоит из множества маленьких
сегментов, имеющих свои точки фокусов, не обязательно совпадающих с
нитью накаливания. Каждый из этих сегментов освещает только ему
предназначенную точку дороги, что позволяет организовать световой поток
таким образом, чтобы он не светил в глаза водителю встречного автомобиля.
Кроме того, такие фары позволили отказаться от традиционных ребристых
рассеивателей — автомобиль «прозрел». Для получения идеального
светораспределения количество сегментов должно быть как можно большим.
В результате они становятся настолько меленькими, что зрительно сливаются
в одну сплошную форму.
В середине 60-х годов прошлого века модернизированный Citroen 21 получил
вместо двух фар четыре, причем внутренние фары с помощью кинематики
были связаны с управляющими колесами и при повороте руля
поворачивались, пытаясь «заглянуть за угол». Конечно в XXI веке такое
техническое решение выглядит примитивным. Для реализации этой идеи в
настоящее время привлечена электроника. Система управления фарами,
получившая название AFS - передовая система освещения, включает в себя
два шаговых электродвигателя и датчик поворота руля.
Один шаговый двигатель корректирует положение фары по вертикали в
зависимости от нагрузки автомобиля. Другой по команде от бортового
компьютера поворачивает фару в зависимости от угла поворота руля. При
испытаниях системы AFS было установлено, что автомобиль с такими
фарами останавливался на расстоянии 2 метра дальше до внезапно
появившегося на повороте препятствия, чем автомобиль с обычными фарами.
При прохождении сложных поворотов фары AFS оказались на 58%
эффективнее, чем обычные (рис. 1.10.10).
121
Рис.
1.10.10.
Освещение
дороги
а
–
обычными
фарами
с
б – активной системой освещения.
фарами
ближнего
ассиметричным
света:
лучом;
В автомобилях прежних лет выпуска основными потребителями
электроэнергии являлись: освещение, вентилятор отопителя, радиоприемник.
Но со временем к ним добавились другие потребители: кондиционер, люк с
электроприводом, обогрев заднего и лобового стекол, электрические
стеклоподъемники и многое другое. Кроме того, управление впрыском
топлива, многочисленные вспомогательные и электронные системы также
требуют дополнительную электроэнергию, в результате чего, современный
автомобиль повышенной комфортности потребляет около 2 кВт
электроэнергии. В перспективе разработчики хотели бы многие
механические приводы, осуществляемые сегодня через многочисленные
шкивы и ременные передачи, заменить на более надежные электромоторы, а
они требуют дополнительной электроэнергии. В этом случае мощность
генератора переменного тока должна быть увеличена до 5 кВт. Для
достижения такой большой мощности необходима замена генераторов 14
вольт на генераторы с рабочим напряжением 42 вольта и перевод бортовой
сети автомобиля на рабочее напряжение 36 вольт вместо традиционных 12
вольт. Дальнейший рост напряжения бортовой сети нецелесообразен, т. к.
при превышении порога 50 вольт, в целях безопасности, понадобится
использование двойной изоляции, что неизменно приведет к увеличению
веса и стоимости автомобиля. Разумеется, использование нового стандарта
бортового напряжения создаст и определенные дополнительные трудности.
Так, нить ламп накала, рассчитанных на работу с напряжением 36 вольт,
должна быть слишком тонкой, а значит, она будет более уязвима для
вибрации. Возможно, что в первое время будут использоваться обычные
лампы накаливания, но тогда придется снизить подаваемое на них
напряжение до стандартных на сегодня 12 вольт. Разрешит эту проблему
более широкое применение фар системы HID, а также твердотельных
технологий (LED). Кроме того, использование генераторов 36 вольт
потребует создания более мощной системы передачи.
Многие фирмы, в том числе Renault, Siemens, сконцентрировали свое
внимание на проекте «тороид-в-маховике». В этой разработке в единое целое
сведено несколько устройств - маховик, генератор, стартер и гаситель
крутильных колебаний. Новая разработка сулит ряд существенных выгод.
Например: используя новое устройство как демпфер, можно уменьшить
циклическое изменение крутящего момента двигателя, добавляя или
122
уменьшая крутящий момент в течение цикла, создавая ощущение более
гладкой работы, сглаживать эффект резкого изменения мощности при
переключении передач.
1.11. Информативность автомобиля
Одним из основных элементов активной безопасности является
информативность, то есть способность автомобиля обеспечивать
необходимой информацией водителя и других участников движения.
Недостаток информации от других транспортных средств о состоянии
дорожного покрытия и т. д. часто становится причиной ДТП с
катастрофическим результатом.
Информативность автомобиля принято подразделять на внутреннюю и
внешнюю.
1.11.1 Внутренняя информативность автомобиля
Внутренняя дает возможность водителю воспринимать информацию,
необходимую для управления автомобилем. К одним из основополагающих
ее факторов относится обзорность с места водителя.
Обзорность автомобиля является одной из важных его эксплуатационных
характеристик, оказывающих значительное влияние на его активную
безопасность, так как именно она определяет возможность водителя
наиболее полно воспринимать и правильно оценивать дорожные условиях.
В России параметры обзорности с места водителя определяет ГОСТ Р 5126699.
Чтобы определить параметры обзорности, необходимо построить
характеристические точки положения глаз водителя. Их положение
определяется относительно точки H , как это показано на рис. 1.11.1. На
расстоянии 68 мм назад (вправо по чертежу) относительно точки H
проводится вертикальная прямая и на ней откладывается отрезок V 0 H 0
длиной 627мм. От полученной точки V0 вверх и вниз откладываются отрезки
длиной по 38мм. Полученные точки V1 и V2 считаются характеристическими
точками положения глаз водителя, от них и проводятся построения,
определяющие обзорность. В соответствии с ГОСТ Р 51266-99 при
построении положения характеристических точек учитывается диапазон
регулирования положения сиденья (изменяется размер 68мм) и
конструктивный угол наклона спинки сиденья.
123
Рис. 1.11.1. Положение характеристических точек V1 и V2 , определяющих
обзорность
автомобиля:
1 – ось рулевого колеса при виде сверху
Обзорность через ветровое стекло определяется условными зонами А и Б на
наружной поверхности стекла автомобиля. При этом нормативная зона А
располагается внутри нормативной зоны Б непосредственно перед
водителем. Нормативное поле обзора П - условное поле передней обзорности
в 180°-ном секторе, расположенном между горизонтальной плоскостью,
проходящей на уровне глаз водителя (верхняя граница поля), и тремя
другими плоскостями, составляющими в совокупности нижнюю границу
поля, о чем подробнее сказано ниже.
Принцип построения нормативных зон А и Б поясняется рис. 1.11.2.
124
Рис.
1.11.2.
Принцип
через ветровое стекло
построения
нормативных
зон
обзора
Из характеристических точек V1 и V2 под некоторыми нормативными углами
( α1 , α 2 ) проводятся вперед две плоскости: от точки V1 — вверх, а из точки
V2 — вниз. Линии пересечения этих плоскостей с ветровым стеклом дают
соответственно верхнюю и нижнюю границы нормативных зон А и Б. Для
получения боковых границ зоны Б проводятся вертикальные плоскости,
также под нормативными углами ( β1 , β 2 ), влево и вправо, причем левая
плоскость проводится из точек V1 и V2 (при виде сверху они сливаются в
одну), а правая плоскость проводится из точки V, расположенной
симметрично относительно продольной вертикальной плоскости автомобиля.
Для получения боковых границ зоны А идущие вперед под нормативными
углами плоскости проводятся только из точек V1 и V2 . Расположение
нормативных зон на ветровом стекле показано на рис. 1.11.3.
Конкретные значения нормативных углов, в соответствии с ГОСТ Р 5126699, различаются в зависимости от категории АТС и от его компоновки
(капотная, полукапотная или вагонная).
Например, для обычного легкового автомобиля (категория М1) нормативные
углы (в градусах): для зоны А — вверх 3, вниз 1, влево 13, вправо 20; для
зоны Б — вверх 7, вниз 5, влево и вправо по 17, причем вправо — из точки,
симметричной V1,2. Для грузового автомобиля полной массой свыше 12 т:
для зоны А — вверх 6, вниз 7, влево 15, вправо 16; для зоны Б — вверх 6,
вниз 10, влево 18, вправо 18 (из симметричной точки). Для других категорий
и компоновок нормативные углы указаны в стандарте.
125
Рис. 1.11.3. Расположение нормативных зон А и Б переднего окна
и нормативного поля обзора П:1 – граница прозрачной части левого бокового
окна;
2
–
левая
боковая
стойка
переднего
окна;
3 – контур очистки переднего окна; 4 – граница нормативной зоны А;
5 – граница нормативной зоны Б; 6 – граница прозрачной части
переднего окна; 7 – правая боковая стойка переднего окна;
8
–
граница
прозрачной
части
правого
бокового
окна;
9
–
следы
от
плоскостей,
являющихся
границами
нормативного поля обзора П
Расстояние между границами прозрачной части ветрового стекла и
нормативной зоны Б должно быть не менее 25 мм.
Нормативная зона А должна очищаться практически на 100 %, нормативная
зона Б - на 80 % (для некоторых случаев — на 70 %).
Принцип построения нормативного поля обзора П поясняется на рис. 1.11.4.
Из нижней характеристической точки V2 под некоторым нормативным углом
вниз проводятся три плоскости, как показано на рис. 1.11.4, причем значение
этого угла 4°, обозначенное на рисунке, относится к обычным легковым
автомобилям. В некоторых случаях (например, автомобиль категории М3 с
полукапотной или вагонной компоновкой) этот угол может достигать 17°.
В нормативном поле обзора П не должно быть непросматриваемых зон,
кроме создаваемых стойками окон и рамками поворотных форточек,
зеркалами заднего вида, деталями стеклоочистителей, наружными
радиоантеннами.
126
Рис. 1.11.4. Принцип построения нормативного поля обзора П
Таким образом передняя обзорность определяется (см. рис. 1.11.3)
- размерами и расположением нормативных зон А и В переднего окна;
- степенью очистки нормативных зон А и В;
- непросматриваемыми зонами, создаваемыми стойками переднего окна (если
они есть);
- непросматриваемыми зонами в нормативном поле обзора П.
В зависимости от степени влияния на условия зрительной работы водителя
при управлении автомобилем параметры обзорности подразделяются на
основные и дополнительные. Основными являются те параметры обзорности
автомобиля, которые характеризуют условия видимости водителем важных
объектов транспортной обстановки, обычно пространственно расположенных
в направлении основного движения автомобиля. Дополнительными являются
те параметры обзорности автомобиля, которые характеризуют условия
видимости областей окружающего пространства, по своему положению не
совпадающих с направлением основного движения автомобиля и обычно
являющихся местом расположения объектов, содержащих дополнительную
информацию о состоянии транспортной обстановки: углы видимости в
горизонтальной плоскости (через боковые стекла салона); в поперечной
вертикальной плоскости (через боковые стекла салона); в продольной
вертикальной плоскости (через заднее стекло салона). К дополнительным
также относятся параметры, характеризующие условия видимости областей
окружающего пространства с помощью специальных оптических
приспособлений, крепящихся к автомобилю (зеркала заднего вида и др.).
Каждое автотранспортное средство должно быть оснащено зеркалами
заднего вида, позволяющими водителю при обычной рабочей позе наблюдать
дорогу позади транспортного средства и с боков от него. Геометрические
построения для определения поля обзора через зеркала проводятся из
окулярных точек, соответствующих расположению глаз водителя, процедура
этих построений описана в ГОСТ Р 41.46 — 99. Размеры и параметры зеркал
также указаны в стандарте. На рис. 1.11.5. показано поле обзора через
127
внутреннее зеркало заднего вида легкового автомобиля, а на рис. 1.11.6 и
1.11.7 — поля обзора через наружные зеркала заднего вида.
Рис. 1.11.5 Поле обзора через внутреннее зеркало заднего вида:
1 – окулярные точки водителя; 2 – поле обзора на уровне дороги
Рис. 1.11.6. Поле обзора через наружные зеркала заднего вида грузовых
автомобилей:
1 — окулярные точки водителя; 2 — правое внешнее зеркало заднего
вида; 3 — левое внешнее зеркало заднего вида; 4 — поле обзора на уровне
дороги.
Рис. 1.11.7. Поле обзора через наружные зеркала заднего вида АТС
категорий М1 и N1 массой до 2 т:
1 — окулярные точки водителя; 2 — правое внешнее зеркало заднего вида;
3 — левое внешнее зеркало заднего вида;
4 — поле обзора на уровне дороги.
128
Как показал анализ условий зрительного восприятия водителя, в результате
изменений в видимом пространстве при высоких скоростях движения
автомобиля в поле обзора водителя появляется область, в которой
восприятие информации от объектов невозможно -зона потери видимости
(ЗПВ). Именно границы этой ЗПВ, определяющей физиологический предел
водителя по восприятию, будут регламентировать максимально
целесообразные углы видимости с места водителя, превышение которых
помимо увеличения конструктивной сложности решения компоновочных
задач не дает никакой выгоды, так как избыточная обзорность не сможет
практически использоваться водителем при управлении автомобилем.
Данное положение подтверждается результатами экспериментальных
исследований, проведенных в Японии, в ходе которых изучалось влияние
обзорности на психологическое состояние водителя.
В поле обзорности водителя существуют области восприятия информации, в
пределах которых информация воспринимается водителем не на всем
протяжении процесса управления автомобилем, а лишь периодически, как
правило, при малых скоростях или в состоянии неподвижности (в конце или
в начале движения). Основные из этих областей: область в верхней части
поля обзора, в которой обычно воспринимаются средства регулирования
движения, достаточно высоко подвешенные над проезжей частью дороги,
область в нижней части поля обзора, видимость в пределах которой
необходима для обеспечения безопасности водителя при маневрировании в
стесненных условиях с большим скоплением людей (въезд и выезд со
стоянки, подъезд к местам погрузки-выгрузки) и при движении или
маневрировании на плохих дорогах (при наличии глубокой колеи, ям,
траншей, оврагов и узких мостиков).
Первую область можно представить состоящей из двух частей:
I - часть области, величина которой определяется необходимостью для
водителя увидеть предупреждающий (желтый) сигнал светофора на таком
расстоянии от места его установки, чтобы водитель принял решение и в
случае надобности достаточно плавно остановил автомобиль;
II -часть области, величина которой определяется необходимостью для
водителя увидеть красный сигнал светофора на расстоянии 12 м от переднего
крыла автомобиля, стоящего на линии «стоп» у перекрестка.
Величина каждой из составных частей этой области будет характеризоваться
определенными значениями угла видимости с места водителя, причем для I
части это будет минимально необходимый угол видимости, а для II части максимально возможный угол видимости.
Расчет для интервала скоростей движения 30-150 км/ч показал: величина
искомого угла видимости колеблется в пределах от 20° при скорости 150
км/ч до 3-5° при скорости 30 км/ч; максимально возможная величина угла
видимости водителем красного сигнала светофора для различных типов
автомобиля - 23°; наиболее реальные величины этого угла -14—18°, что
соответствует типажу легковых и спортивных автомобилей; 8,5-11,5° и ниже,
129
что соответствует типажу автобусов, грузовых и специальных
большегрузных автомобилей.
Прежде чем определить возможность обеспечения для водителя области
видимости, необходимой с точки зрения безопасного маневрирования в
стесненной дорожной обстановке, отметим следующее:
1. Маневрирование в стесненных условиях для большинства автомобилей, за
исключением отдельных типов, представляет собой кратковременный,
довольно редкий процесс, происходящий на очень малых скоростях
движения, которые позволяют водителю достаточно полно оценить
окружающую обстановку. Необходимо отметить также, что в этих условиях
на основании опыта работы сложилось такое положение, когда водитель при
необходимости увеличивает свои возможности в зрительном восприятии
окружающего пространства за счет привставания с сиденья, выглядывания
через открытое боковое окно, открытую дверь. Такие действия, совершаемые
изредка, не могут привести к значительному его утомлению и в разумных
пределах могут применяться в практике управления автомобилем.
Следовательно, при определении величин нижних углов обзорности для
большинства автомобилей нет необходимости ориентироваться на эти
условия, так как это привело бы к неоправданному увеличению требуемых
нижних углов видимости в продольной плоскости автомобиля.
2. Для водителей автомобилей, которые по роду выполняемых работ
постоянно маневрируют в стесненных условиях или в местах большого
скопления людей, необходимо иметь максимально возможную видимость
поверхности дороги непосредственно перед автомобилем, чтобы таким
образом исключить возможный наезд на пешехода. К таким автомобилям
относятся уборочные машины, маршрутные автобусы, фургоны и другие
специализированные автомобили, обслуживающие магазины, склады,
пункты питания. Эти автомобили изготавливаются на базе автомобилей
общего назначения за счет смены кузова, навешивания специального
оборудования и частичного изменения некоторых узлов и агрегатов. Причем
большинство специализированных автомобилей имеет ту же кабину, что и
базовые автомобили, со всеми свойственными им параметрами обзорности.
Некоторые из этих параметров, как, например, угол обзорности, не
соответствуют требованиям безопасности в новых условиях работы и
нуждаются в изменении. Особое место в этой группе автомобилей занимают
маршрутные автобусы, для водителей которых необходимо обеспечить
видимость бровки тротуара с правой стороны при подъезде к остановке.
Такой маневр обычно осуществляется в случае отсутствия видимости за счет
«чувства правой стороны», выработанного водителем за время работы на
данном автомобиле. Однако целиком полагаться на это «чувство» нельзя, так
как оно связано с определенным стажем работы, нестабильно и при
выполнении маневра требует эмоционального напряжения. Поэтому для
водителей автобусов необходимо обеспечить видимость правой бровки при
управлении автомобилем.
130
3. Автомобили повышенной проходимости, предназначенные для работы в
условиях плохих дорог и бездорожья, выпускаются промышленностью, за
исключением нескольких специальных моделей, на базе автомобилей общего
назначения, в конструкции которых изменены параметры, определяющие их
проходимость. Обычно таковыми являются: клиренс, углы свеса, число
ведущих осей, характеристики трансмиссии и подвески, мощность двигателя
и др. Кабина и ее параметры обзорности остаются неизменными.
Следовательно, и в этом случае возникает несоответствие между
конструктивными условиями видимости и условиями видимости,
требуемыми для обеспечения уверенного управления автомобилем, которое
указывает на необходимость изменения параметров кабины. Реконструкция
кабины при специализации автомобиля может проводиться двумя путями.
Полное или частичное изменение конструкции кабины. Для данного шасси
создается новая конструкция кабины, как, например, на ряде уборочных и
машин повышенной проходимости, или вносятся некоторые конструктивные
изменения в старую кабину (увеличение по высоте вниз поверхности
остекления, перемещение всей кабины вперед, поднятие сиденья водителя и
др.). Но этот путь реконструкции кабины является наименее целесообразным,
так как в большинстве случаев такие изменения требуют серьезных
конструкторских доработок, больших дополнительных затрат при
производстве.
Введение дополнительных приспособлений в конструкцию кабины. На
кабине автомобиля устанавливаются специальные, дополнительные зеркала,
помимо стандартных зеркал заднего вида. Для установки могут применяться
зеркала самой различной формы (плоские, угловые, криволинейные,
сферические), в зависимости от их назначения и компоновки автомобиля.
Места установки этих зеркал также могут быть различными. Они могут
устанавливаться над верхней кромкой ветрового стекла слева, справа или по
центру, а также могут крепиться на передней части капота мотоотсека или
крыльев. Зеркало должно быть наклонено таким образом, чтобы водитель
мог видеть в нем отражение поверхности дороги, как можно ближе к
автомобилю на расстоянии 0,5-1,5 м от его переднего края.
Дополнительное зеркало в продольной плоскости может быть установлено у
верхней кромки ветрового стекла и около нижней кромки ветрового стекла
или другого элемента салона, ограничивающего нижний угол обзорности.
Каждое из возможных мест расположения дополнительных зеркал имеет
свои преимущества и недостатки. Верхнее расположение. При верхнем
расположении дополнительное зеркало и крепящие кронштейны лучше
компонуются, не нарушая общей гармонии внешнего вида салона в целом.
Недостаток - ограниченные возможности в обеспечении степени увеличения
нижнего угла обзорности, особенно для салонов, расположенных за
двигателем и имеющих большую длину капота. При нижнем расположении
появляется возможность обеспечения дополнительным зеркалом нижнего
угла обзорности почти в 90°. Недостаток - трудность обеспечения хорошей
компоновки зеркала с крепящим кронштейном, особенно для автомобилей,
131
имеющих капот. Для салонов, расположенных над двигателем или перед
ним, такая компоновка осуществляется легче. Таким образом, при выборе
места установки дополнительного зеркала, которое в основном определяется
условием обеспечения определенного нижнего угла обзорности, необходимо
также учитывать возможные достоинства и недостатки каждого из
положений. В основном может быть рекомендовано верхнее расположение
дополнительного зеркала. Оно может крепиться на специальном кронштейне
к передней кромке крыши салона или в случае серийного изготовления кабин
для специальных автомобилей определенным образом конструктивно
объединяться с нижней поверхностью козырька крыши над ветровым
стеклом. Нижнее расположение можно рассматривать как дополнительное
место установки в том случае, когда при расположении зеркала сверху нельзя
обеспечить необходимый нижний угол обзорности. При компоновке
автомобиля «кабина за двигателем» нижнее расположение может быть
рекомендовано только в случае очень длинных капотов, значительно
снижающих эффективность верхней установки дополнительного зеркала, так
как при верхнем расположении обеспечение необходимой величины нижнего
угла обзорности потребовало бы применения длинного кронштейна
крепления. Такой кронштейн невыгоден как с эстетической, так и с
конструкторской точек зрения. Верхнее расположение имеет ограниченные
возможности в увеличении верхнего угла обзорности. Расположение
дополнительного зеркала по ширине кабины автомобиля может быть
различным. Зеркало может располагаться перед водителем, на продольной
оси симметрии автомобиля, справа и слева относительно водителя. Место
установки будет определяться конструктивными параметрами самого зеркала
(размеры, форма поверхности, отражение и др.) и теми задачами, решение
которых облегчают водителю дополнительные зеркала.
По своей конструкции и отражательным способностям дополнительные
зеркала должны отвечать требованиям, предъявляемым к автомобильным
зеркалам, с той только разницей, что для них не обязательна большая
четкость изображения отражаемого объекта, так как водителя интересует
только наличие или отсутствие этого объекта.
Стремясь обеспечить максимально возможную площадь очищаемой
поверхности ветрового стекла, конструкторы пришли к выводу, что почти
для всех типов автомобилей практически невозможно обеспечить полную
очистку ветрового стекла тем способом, который в основном применяется в
настоящее время, т. е. щетками. Это связано с тем, что при увеличении
длины щетки стеклоочистителя ухудшаются условия прилегания ее кромки к
поверхности стекла, т. е. качество очистки. В связи с этим стали появляться
другие способы очистки ветрового стекла, такие как пневматическая очистка,
очистка ультразвуком, покрытие поверхности стекла специальным слоем и
другие, которые не показали достаточной надежности и эффективности и не
нашли пока широкого применения в практике автомобилестроения.
Кроме того, большое влияние на внутреннюю информативность оказывают
расположение панели приборов, кнопок и клавиш управления, рычага
132
переключения передач, легко читаемая информация приборов. Все это
должно обеспечивать водителю минимальное время для контроля показаний,
воздействия на переключатели. Поэтому при разработке салона автомобиля
большое внимание уделяется эргономике панели приборов и органов
управления.
1.11.2. Внешняя информативность автомобиля
Внешняя информативность - это возможность обеспечения других
участников движения информацией от автомобиля, которая необходима для
правильного взаимодействия с ним, помогающая точно определить его
месторасположение. Она обеспечивается системой внешней световой
сигнализации, расположением световозвращателей, размерами, формой и
особенно окраской автомобиля.
Принято различать пассивную и активную внешнюю информативность.
Пассивная информативность — способность автомобиля передавать
информацию без затрат энергии (формой, цветом, световозвращающими
устройствами).
Активная информативность — способность передавать информацию с
затратами энергии для осуществления этого (система освещения и световой
сигнализации).
Чтобы другие водители могли правильно воспринять информацию об
автомобиле и оценить ее, автомобиль должен внятно «заявлять о себе». Это
помогает другим водителям прогнозировать возможные изменения скорости
или траектории движения автомобиля. Например, компактный легковой
автомобиль в условиях плотного транспортного потока может резко
ускориться или повернуть, но этого трудно ожидать от автобуса или
тяжелого грузового автомобиля.
Форма кузова содержит определенную информацию о потенциальных
динамических свойствах автомобиля. Если водитель, например, собирается
совершить обгон, то он оценивает дистанцию до встречного автомобиля и в
зависимости от предполагаемой скорости этого встречного автомобиля
принимает решение о начале обгона или об отказе от него. При этом имеет
значение информация о скоростных возможностях встречной машины,
которая и сообщается водителю, в частности, посредством формы этого
автомобиля.
Цвет (точнее — цветографические свойства) транспортного средства
характеризуется следующими параметрами:
сигнальностью, т. е. возможностью четкого выделения транспортного
средства из потока;
опознаваемостью (возможностью определить с помощью цвета
или
сочетания цветов тип и назначение транспортного средства);
психофизиологической комфортностью (отсутствием нарушения восприятия
при длительном воздействии цвета на зрение).
133
Для пояснения значения цвета в восприятии объекта обратимся к
представителям живой природы. В результате эволюции у них выработано
несколько видов окраски, помогающих выживанию. Аналогичные приемы
используют и люди, в частности военные.
Маскирующая окраска помогает живому существу зрительно слиться с
фоном, сделаться незаметным. Заяц, например, зимой — белый, а летом —
коричневато-серый. У обитателей моря верхняя часть тела окрашена в
коричневато-синий цвет, а нижняя — серебристо-белая, что соответствует
цвету глубокой воды при взгляде сверху или, наоборот, из глубины к
поверхности. Некоторые живые существа (осьминоги, хамелеоны) меняют
окраску в зависимости от цвета конкретного места, в котором они находятся.
Для армейской формы маскирующую окраску (цвет «хаки») впервые
применили, по-видимому, японцы во время русско-японской войны. Это
давало японским солдатам несомненные преимущества по сравнению с
белыми гимнастерками русских солдат.
Разбивающая окраска характеризуется более или менее крупными пятнами
двух-трех контрастных цветов. Она рассчитана на то, что какой-либо из
цветов сольется с цветом фона местности, и тогда наблюдателем живое
существо не воспринимается как таковое, он видит лишь несколько
беспорядочных пятен.
Этим приемом пользуются для окрашивания армейской техники и одежды
(камуфляж).
В природе живые существа используют также пугающую, угрожающую
окраску. Например, бабочки на крыльях могут иметь пятна, напоминающие
глаза крупного животного.
Сказанное дает представление о том, как не надо окрашивать обычное
транспортное средство.
С точки зрения сигнальности целесообразно окрашивать транспортные
средства в такие цвета, которые в наибольшей степени контрастировали бы с
цветом фона, с преобладающим цветом местности, в которой они в основном
эксплуатируются. Белый автомобиль зимой на снегу плохо заметен, что
повышает вероятность ДТП с его участием. Автомобиль цвета «мокрый
асфальт» плохо различим в сумерках на обычной дороге.
Сформулируем некоторые общие рекомендации по выбору цвета
автомобиля.
Белый цвет зрительно увеличивает размеры предмета. В результате
маленький легковой автомобиль будет казаться больше, он лучше заметен на
дороге практически при любом освещении.
Черный цвет традиционно используется для автомобилей, имеющих
официальное назначение (для служебных и представительских автомобилей).
Такие машины обычно имеют большие габариты, а черный (или темносиний) цвет окраски зрительно несколько уменьшает их. Для маленьких
легковых автомобилей черный цвет вряд ли уместен.
Яркие цвета (красный, оранжевый, желтый, ярко-зеленый, голубой) делают
автомобиль хорошо заметным на дороге и снижают вероятность ДТП.
134
Светло-коричневый, бежевый и приглушенный темно-желтый цвета
практичны, на них мало заметна дорожная грязь, но они хуже
воспринимаются как зрительный сигнал. Трудно представить себе
скоростной спортивный автомобиль такого цвета.
Все темные цвета (темно-серый, черный, темно-синий, темно-зеленый и др.)
даже при легком тумане и в сумерках делают автомобиль малозаметным и
повышают вероятность ДТП.
Кроме перечисленных соображений в пользу того или иного цвета окраски
автомобиля, приходится учитывать требования моды и индивидуальные
запросы потенциального покупателя. Многие автомобильные фирмы,
озабоченные увеличением продаж своей продукции, проводят специальные
исследования с привлечением профессиональных психологов и
маркетологов. Время от времени результаты таких исследований
публикуются в средствах массовой информации. Чаще всего эти публикации
носят шутливый характер, но в основе исследований лежат серьезные
психофизиологические
факторы.
Ознакомимся
с
некоторыми
закономерностями, связывающими цвет легкового автомобиля с
особенностями характера его владельца (разумеется, это справедливо только
в том случае, если человек свободно выбирает цвет приобретаемого
автомобиля):
• белый автомобиль (прежде всего большой белый автомобиль) - владелец
любит себя; такой автомобиль используется кино- и телезвездами, знатными
персонами (или считающими себя знатными) для различных торжественных
мероприятий; очень уместен при свадебных церемониях;
• небольшой белый автомобиль — владелец — спокойный уравновешенный
человек, отец семейства, имеющий неплохую работу и уверенность в
будущем, возможно — наиболее «безопасный» водитель;
• черный — владелец точно знает, чего он хочет, часто является (или считает
себя) официальным лицом, уверен в себе;
• ярко-красный — человек любит быть в центре компании; чаще всего
относительно молод; полагает, что обладает высоким водительским
мастерством; манера езды — агрессивная;
• серый (различных оттенков) — владелец — настоящий профессионал,
невозмутимый, спокойный, открытый, предельно рациональный, умеет
доводить начатое дело до конца;
• голубой, «морская волна» — владелец доволен своей жизнью, в меру
общителен, но несколько замкнут, великодушен, тактичен;
• серебряный — владелец обостренно реагирует на юмор, производит
впечатление таинственного, загадочного;
• темно-зеленый — у владельца всегда хорошее настроение, он добрый и
порядочный человек, чувствует себя счастливым;
• желтый, золотистый — владелец надежен и умеет обращаться с деньгами, в
неясных обстоятельствах предпочитает выждать.
Если считать, что приведенная зависимость цвета автомобиля от характера
его владельца справедлива, то надо учитывать, что существует и
135
определенная обратная зависимость: водитель ярко-красного легкового
автомобиля, скорее всего, будет иначе вести себя по отношению к другим
участникам движения, чем тот же водитель, если он едет на темно-сером
автомобиле той же марки или, тем более, на тихоходном грузовике.
Автомобили специального назначения (пожарные, аварийные, скорой
медицинской помощи и др.) имеют специальную раскраску, предписанную
руководящими документами.
В темное время суток основные сигнальные функции выполняются
приборами наружного освещения и системой световой сигнализации
автомобиля. При этом наружное освещение выполняет две задачи:
обеспечивает водителю видимость и делает транспортное средство заметным
для других участников движения. Для выполнения первой задачи —
освещения — служат фары, для второй — фонари и пассивные
светосигнальные устройства (светоотражатели, катафоты).
В ГОСТ Р 41.48 — 99 (Правило ЕЭК ООН № 48) устройства,
предназначенные для освещения дороги и подачи световых сигналов другим
участникам дорожного движения, именуются «огнями».
Огни характеризуются расположением, углами видимости в вертикальном и
горизонтальном направлениях, цветом. Под углами геометрической
видимости понимаются углы, определяющие зону минимального телесного
угла, в которой должна быть видна видимая поверхность огня.
Огни, расположенные на передней части автомобиля, показаны на рис.
1.11.8.
Фары 1 дальнего света (белые, две или четыре) могут комбинироваться с
фарами ближнего света или устанавливаться отдельно, в любом случае —
симметрично относительно продольной средней вертикальной плоскости
транспортного средства. Фара дальнего света — огонь, предназначенный для
освещения дороги на большое расстояние спереди от транспортного средства
(на автомобиле обязательна, на прицепе запрещена). Обязательно наличие
контрольного сигнала о включении фар дальнего света, обычно это
индикатор синего цвета на панели приборов.
Рис. 1.11.8. Осветительное устройство и сигнальные огни на передней части
транспортного средства: 1 – фара дальнего и ближнего света;
2
–
габаритный
огонь;
3
–
указатель
поворота;
4 – противотуманная фара; 5 – фара ближнего света
136
Габаритный огонь 2 (белый) служит для сигнализации спереди
транспортного средства и его габаритной ширины (его установка обязательна
на автомобилях и прицепах шириной более 1600 мм). Расположение: по
ширине — наружная точка видимой поверхности должна находиться на
расстоянии не более 400 мм от наружной габаритной поверхности
транспортного средства; по высоте — ; нижняя кромка видимой поверхности
на высоте не менее 350 мм от дороги, верхняя кромка — на высоте не более
1500 мм (в некоторых случаях до 2100 мм). Контрольный сигнал о
включении для водителя (лампочка на панели приборов) обязателен.
Указатель поворота 3 (желтый) сигнализирует о намерении водителя
повернуть вправо или влево. Огонь мигающий, часто совмещается с
габаритным огнем, контрольный сигнал для водителя обязателен.
Противотуманная фара 4 (белая или желтая) факультативна на автомобилях,
запрещена на прицепах, обязательна парная установка. Световой поток почти
«плоский» по высоте, но широкий в роковых направлениях. Требования к
расположению: по ширине — (наружная точка должна находиться на
расстоянии не более 400 мм от наружной габаритной поверхности
автомобиля; по высоте — нижняя точка — не менее 250 мм от дороги,
верхняя — не выше верхней точки фары ближнего света.
Фара 5 ближнего света (белая, две); имеет то же назначение, что и фара
дальнего света, но излучаемый ею световой поток сформирован таким
образом, чтобы не ослеплять чрезмерно и не причинять неудобства
водителям встречных транспортных средств и другим участникам дорожного
движения. Световой поток ограничен сверху и сделан асимметричным: в
сторону обочины дороги (для России — вправо) фара светит на большее
расстояние. Расположение: по ширине — не более 400 мм от наружной
габаритной поверхности автомобиля, по высоте — минимум 500 мм (нижняя
точка фары), максимум — 1200 мм (верхняя точка) от дороги.
Схема расположения огней в задней части транспортного средства показана
на рис. 1.11.9.
Рис. 1.11.9. Схема расположения огней в задней части транспортного
137
средства: 1 – фонарь освещения номерного знака; 2 – фонарь света заднего
хода;
3
–
стоп-сигнал;
4
–
габаритный
огонь;
5 – указатель поворота; 6 – противотуманный фонарь
Фонарь 1 освещения заднего номерного знака (белый) является обязательным
для всех транспортных средств, включается одновременно с включением
габаритных огней, поэтому специальная индикация включения не требуется.
Специальных предписаний по месту установки нет, но обязательное
требование сводится к тому, что должно освещаться место расположения
номерного знака.
Фонарь 2 света заднего хода (белый, один или два) служит для освещения
дороги при движении задним ходом и для оповещения об этом других
участников дорожного движения (должен включаться автоматически при
включении передачи заднего хода). Обязателен для всех транспортных
средств, кроме прицепов (для прицепов — факультативен). Минимальная
высота расположения над дорогой – 250 мм, максимальная – 1200 мм.
Стоп-сигнал 3 (красный) зажигается при включении рабочего тормоза
(обычно парный, минимальное расстояние между правым и левым — 600
мм).
Габаритный огонь 4 (красный, парный) устанавливается: по ширине — на
расстоянии не более 400 мм от наружной габаритной поверхности
транспортного средства и на высоте не менее 350 мм и не более 1500 мм от
грунта (в отдельных случаях — 2100 мм).
Со стоп-сигналом или задними габаритными огнями могут комбинироваться
(если они не устанавливаются отдельно) задние светоотражающие
устройства нетреугольной формы (два, симметрично). Они обязательны для
автомобилей, располагаются: по ширине на расстоянии не более 400 мм от
наружной габаритной поверхности, на высоте от 250 до 900 мм над дорогой.
Указатель поворота 5 (желтый) так же, как и передний, сигнализирует о
намерении водителя повернуть вправо или влево. Расположение: по ширине
— не более 400 мм от наружной габаритной поверхности транспортного
средства, по высоте — обычно от 500 до 1500 мм над дорогой (в отдельных
случаях — от 350 до 2300 мм).
Задний противотуманный фонарь 6 (красный) является обязательным, он
может быть парным или одиночным, в последнем случае устанавливается
(для стран с правосторонним движением) слева от продольной плоскости
симметрии транспортного средства. Включается отдельным включателем,
контрольный сигнал обязателен.
Кроме описанных сигнальных огней применяются и другие.
Аварийный сигнал создается одновременным включением в мигающем
режиме всех указателей поворота, установленных на автомобиле. Обязателен
контрольный сигнал, также работающий в мигающем режиме.
Применяются также стояночный огонь, контурный огонь, различные
светоотражающие устройства. Их расположение оговорено в стандарте.
138
Никакой огонь не может быть мигающим, за исключением огней указателей
и огней аварийного сигнала, которые мигают 60...120 раз в минуту. Никакой
свет красного цвета не должен излучаться вперед от транспортного средства,
аналогично никакой свет белого цвета не должен излучаться назад, кроме
света фонарей заднего хода.
В некоторых случаях, оговоренных стандартами, транспортные средства
оборудуются мигающими огнями («маячками»), видимыми со всех сторон.
Кажется, что нет ничего проще стоп-сигнала. Но интенсивность его свечения
не позволяет определить служебное или аварийное торможение производит
впереди идущий автомобиль. Поэтому, начиная с 2000 года, конструкторы
французской Peugeot стали оснащать свои автомобили модели 607
пульсирующими стоп-сигналами (рис. 1.11.10). Алгоритм пульсации зависит
от конкретной ситуации, в том числе и от интенсивности торможения, и
контролируется системой ESP и тормозным ассистентом. В ближайшее время
такие фонари найдут себе применение на автомобилях Mercedes и BMW.
Рис. 1.11.10. Пульсирующий стоп-сигнал
Большие надежды конструкторы возлагают на светодиоды. Они в сотни раз
экономичнее и во столько же эффективнее обычных ламп накаливания. По
данным специалистов, светодиоды вспыхивают на 0,2 с раньше
газонаполненной лампы. В пересчете на пройденный путь до начала
торможения это составит лишние 8 метров при скорости 120 км/ч.
139
1.12. Дополнительные предупреждающие и предохранительные
устройства
Современный автомобиль помимо основных устройств, обеспечивающих
нормальную работу силовых агрегатов и ходовой части, в настоящее время
начал оснащаться большим числом дополнительных, вспомогательных
устройств, прямо или косвенно влияющих на надежность и безопасность
процесса движения. По своему назначению дополнительные устройства
могут быть разделены на предупреждающие (информирующие) и
предохранительные. Рассмотрим некоторые из этих устройств. В практике
дорожного движения довольно частым может быть случай, когда водитель
слишком поздно реагирует на маневр впереди едущего автомобиля.
Следствие этого - дорожно-транспортное происшествие. Если снабдить
автомобиль аппаратурой, позволяющей постоянно контролировать
относительную скорость и дистанцию между автомобилями, то в опасной
ситуации водитель может заблаговременно получить предупреждающий
сигнал, а при полностью автоматизированной системе тормоза автомобиля
могут быть своевременно приведены в действие без учета времени реакции
водителя. Разумеется, что подобная аппаратура при радиусе действия 100200 м должна обладать надежностью при самых неблагоприятных дорожных
условиях, быть универсальной и стоить сравнительно недорого. Действие
аппаратуры может базироваться на радарном принципе: автомобиль
снабжается излучателем и приемником; часть энергии, посылаемой
излучателем, отражается от целевого объекта (впереди идущего автомобиля)
и воспринимается приемником; информация от приемника может
регистрироваться индикатором, расположенным на панели приборов.
Такой радар используют специалисты фирмы Honda в своей системе CMS.
В качестве основного источника информации в ней используется радар с 16градусным сектором обзора. Дальность обнаружения - 100 метров. Чтобы
система сработала, разница в скорости обоих автомобилей должна составлять
не менее 15 км/ч. В противном случае электроника сочтет грядущее
столкновение неопасным и попросту не сработает. По мере сокращения
дистанции между автомобилями сначала на панели приборов сзади идущего
автомобиля вспыхивает предупреждающая табличка «BREAKE». Если после
зажигания предупреждающего табло никакой реакции водителя не
последовало, то в салоне автомобиля начинает звучать зуммер. Если и после
второго предупреждения водитель не начинает торможение, то ремни
безопасности начинают подергиваться (они установлены на Honda с
«многоразовыми» электромеханическими преднатяжателями, а не с
пиротехническими). Если и после этого водитель ничего не предпринял заснул за рулем, с сердцем стало плохо, тогда электроника идет на крайние
меры - туго натягивает водительский ремень, ликвидируя его слабину, и
тормозит с замедлением 0,6 g, что составляет около 60% от максимального
замедления
140
В качестве опции для последних моделей концерна Volvo предлагается
система «BLIS». Она представляет собой пару миниатюрных фотокамер,
смонтированных под наружными зеркалами заднего обзора. Фотокамеры
делают 25 снимков в минуту и смонтированы таким образом, что
фотографируют пространство сзади/сбоку автомобиля, которое не видно
водителю из-за слепой зоны зеркал. Бортовой компьютер анализирует
изображение, и если он замечает движущийся объект, то начинает мигать
тревожная красная лампа, расположенная около зеркала. Фотокамера
начинает работать при достижении скорости 10 км/ч. Она способна работать
и ночью и настроена таким образом, что старается не замечать неподвижных
объектов. К сожалению, она не работает в тумане и снегопаде, в этом случае
камера автоматически отключается и на панели приборов появляется
предупреждающий сигнал.
Анализ ДТП в показывает, что 55% наиболее тяжелых транспортных
происшествий со смертельным исходом происходят вследствие случайного
выезда с полосы движения. Японская фирма Nissan разработала систему
контроля над рядностью движения. В салоне автомобиля размещается
миниатюрная камера, которая контролирует дорожную разметку. В случае
если водитель не включил сигнал поворота, а автомобиль близко подъехал к
разделительной полосе, звучит тревожный зуммер и начинает мигать лампа
тревоги. Аппаратура начинает работать при достижении скорости 70 км/ч.
Ранее аналогичные системы были испытаны на тяжелых грузовиках и дали
обнадеживающие результаты.
Подобные системы разработаны и испытаны концерном WV. He за горами их
серийное производство. Но главным их недостатком является необходимость
наличия четкой дорожной разметки, а значит, такие системы
неработоспособны в России по определению.
Ну, а что делать, если водитель после многочасовой поездки уснул за рулем?
Разработана система, которая позволяет определить состояние сидящего за
рулем человека. Миниатюрная видеокамера передает изображение его глаз
на компьютер, и тот по количеству морганий век, перемещению глаз, а также
по количеству подруливаний определяет состояние человека. Если по
«мнению» компьютера он засыпает, то в салоне автомобиля звучит сигнал
зуммера.
Парковочные радары появились лет пять назад и были первоначально
прерогативой престижных и дорогих автомобилей. Например, автомобили
BMW 7-серии оснащался системой контроля парковки (РДС), которая имела
ультразвуковые датчики, чтобы «охранять» четыре угла автомобиля и
сообщать водителю, насколько далеко находится автомобиль от препятствия.
РДС система включается всякий раз при включении передачи заднего хода.
Первоначально
использовались
ультразвуковые
датчики,
которые
информировали водителя о свободном пространстве, изменяя интенсивность
звукового или светового сигнала. Но в последнее время наметилась
тенденция использовать вместо радара миниатюрные видеокамеры и
141
передавать изображение на информационный дисплей, установленный на
панели управления автомобилем.
Разработка систем безопасности автомобиля идет постоянно. Каждый год
появляются системы (в основном электронные), которые делают автомобиль
все более безопасным как для водителя и пассажиров, так и для других
участников дорожного движения и пешеходов. На сегодняшний день
основным направлением повышения безопасности является увеличение
«зоны безопасности» вокруг автомобиля электронными средствами. Уже
имеются системы, обнаруживающие близлежащие, но не видимые водителю
объекты. Эти системы, в частности, помогают водителю при парковке
автомобиля.
Аналогичные системы могут использоваться для обнаружения движущихся
объектов. Например, в случае бокового столкновения должен ,быть
чрезвычайно малый промежуток времени между моментами удара и
наполнения боковой подушки. Если бы датчик мог предупреждать даже за
долю секунды до столкновения, можно было бы обеспечить лучшую защиту.
Даже при лобовом столкновении раннее предупреждение может сыграть
положительную роль для вычисления характера и серьезности столкновения
и создать наиболее оптимальное срабатывание систем безопасности
(подушек, натяжителей ремней и т. д.). Раннее предупреждение удара сзади
может
обеспечить
наилучшее
срабатывание
системы
активных
подголовников. Поэтому сейчас многие исследователи занимаются
созданием защитного пространства вокруг автомобиля с помощью
электроники, использующей датчики, сканирующие пространство вокруг
автомобиля в различных направлениях. Например, система distronic (рис.
1.12.1) автомобиля Mercedes-Benz S-класса может автоматически
поддерживать расстояние до впереди идущего автомобиля и при
необходимости сбрасывать обороты двигателя, включать торможение и
систему ESR.
142
Рис.
1.12.1.
Система
раннего
предупреждения
о возможности столкновения distronic:
1 – радарный датчик расстояния; 2 – блоки управления двигателя,
трансмиссией и ЕSР; 3 – приборный щиток с дисплеем distronic;
4
–
рычаг
круиз-контроля;
5
–
контрольный
блок;
6 – вакуумный усилитель; 7 – блок управления distronic
Подобные системы, даже по современным стандартам, должны быть
чрезвычайно «умными». Они должны учитывать случаи, когда подушки
безопасности не должны срабатывать, например: автомобиль припарковался
очень близко к другому автомобилю, или к стене гаража, или даже случайно
задел другой автомобиль. Для создания работоспособных систем
безопасности такого типа нужно решить еще очень много проблем, но это
направление является наиболее важным из числа тех, которые призваны
модернизировать системы защиты.
143
1.13. Комфортабельность салона автомобиля
Исследование условий работы водителей свидетельствует о существенном
значении параметров внутренней среды в автомобиле. Эти параметры лишь
с большей или меньшей вероятностью соответствуют установленным
нормам, что позволяет распространить понятие надежности и на систему,
обеспечивающую условия обитаемости людей в автомобиле. Косвенным
свидетельством ее недостаточной надежности в ряде случаев являются
эксплутационные наблюдения. По результатам опроса большого числа
профессиональных водителей о влиянии факторов внутренней среды
отрицательно оценен температурный режим в кабине (жарко летом,
холодно зимой) – 49% водителей; наличие токсичных веществ (загрязнение
воздуха отработанными газами) – 60%; влияние вибраций – 45%, шума –
56% обследованных водителей.
1.13.1. 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.
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 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.
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.
144
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/м3, что в несколько раз превышает предельнодопустимую 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.
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
ограниченное 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
145
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.
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
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 м3/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/м3.
Устройства системы вентиляции должны создавать в закрытой кабине
избыточное давление не менее 10 Па.
Предельная концентрация пыли в кабине (салоне) не должна
превышать 5 мг/м3.
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочих зон
салона и кабины автомобиля регламентируются ГОСТ Р 51206 — 98 для
автомобилей, в частности: оксид углерода (СО) — 20 мг/м3; оксиды азота в
пересчете на NO2 – 5 мг/м3; углеводороды суммарные (Сn Нm) – 300 мг/м3;
акролеин (С2Н3СНО) – 0,2 мг/м3.
Концентрация паров бензина в салоне и кабине автомобиля не должна быть
более 100 мг/м3.
Температурный режим в кабине (кузове) может быть ориентировочно
рассчитан по уравнению теплового баланса, согласно которому температура
воздуха в кабине (кузове) остается постоянной:
ΣQi = 0 ,
где Qi — поступление теплоты в кабину от различных источников. В
большинстве случаев тепловой баланс кабины (салона) определяется рядом
факторов, основными из которых являются: число людей в кабине (салоне) и
количество теплоты QЧ , поступающей от них; количество теплоты,
поступающей через прозрачные ограждения QП .О (главным образом от
146
солнечной радиации) и непрозрачные ограждения QНП .О (количество теплоты,
поступающей от двигателя Q ДВ , трансмиссии QТР , гидрооборудования QГО ,
электрооборудования QЭО ) и вместе с внешним воздухом QВН , подаваемым
вентилятором.
Таким образом,
ΣQi = QЧ + QЧ + QП .О + QНП .О + Q ДВ + QТР + QГО + QЭО + QВН = 0
Следует отметить, что слагаемые теплового баланса, входящие в уравнение,
следует учитывать алгебраически, т.е. с положительным знаком при
выделении теплоты в кабину и с отрицательным при ее отводе из кабины.
Очевидно, что условие теплового баланса выполняется в том случае, если
количество теплоты, поступающее в кабину, равно количеству теплоты,
отводимому из нее.
Температурные условия и подвижность воздуха в кабинах автомобилей
обеспечиваются системами отопления, вентиляции и кондиционирования.
В настоящее время существуют различные системы вентиляции и отопления
кабин и салонов автомобилей, отличающиеся компоновкой и конструкцией
отдельных узлов. Наиболее экономичной и широко применяемой на
современных автомобилях является система отопления, использующая
теплоту жидкостного охлаждения двигателя. Совмещение систем отопления и
общеобменной вентиляции кабины позволяет повысить экономичность всего
комплекса устройств обеспечения микроклимата в кабине в течение года.
Системы отопления и вентиляции отличаются в основном расположением
воздухозаборника на наружной поверхности автомобиля, типом
применяемого вентилятора и его расположением относительно радиатора
отопителя (на входе или на выходе из радиатора), типом применяемого
радиатора
(трубчато-пластинчатый,
трубчато-ленточный,
с
интенсифицированной поверхностью, матричный и др.), методом управления
работой отопителя, наличием или отсутствием обводного воздушного канала,
рециркуляционного канала и т.д.
Забор воздуха снаружи кабины в отопитель производится в месте минимальной
запыленности воздуха и максимального динамического давления,
возникающего при движении автомобиля. В грузовых автомобилях
воздухозаборник располагают на крыше кабины. В воздухозаборнике
устанавливают водоотражательные перегородки, жалюзи и крышки,
приводимые в действие изнутри кабины.
Для обеспечения подачи воздуха в кабину и преодоления аэродинамического
сопротивления радиатора и воздуховодов используется вентилятор осевого,
радиального, диаметрального, диагонального или другого типа. В настоящее
время наибольшее распространение получил двухконсольный радиальный
вентилятор, так как он имеет относительно малые размеры при большой
производительности.
147
Для привода вентилятора применяют электродвигатели постоянного тока.
Частоту вращения электродвигателя и соответственно рабочего колеса
вентилятора регулируют двух- или трехступенчатым переменным
резистором, включенным в цепь питания электродвигателя.
От конструктивного и технологического исполнения теплопередающей
поверхности радиатора зависят производительность теплоты отопителя и его
аэродинамическое сопротивление. Для повышения эффективности
теплоотдачи от радиатора усложняют форму его каналов, по которым
движется воздух, применяют различные турбулизаторы.
Решающую роль в эффективном равномерном распределении температур и
скоростей воздуха в кабине играет воздухораспределитель. Насадки
воздухораспределителя выполняют различной формы: прямоугольной,
круглой, овальной и т.д. Их размещают перед стеклом ветрового окна,
вблизи стекол дверей, в центре панели приборов, у ног водителя и в других
местах, определяемых требованиями к распределению приточных воздушных
потоков в кабине.
В насадках устанавливают различные заслонки, поворотные жалюзи,
управляющие пластины и т.д. Привод к заслонкам и поворотным жалюзи
чаще всего располагают непосредственно в корпусе воздухораспределителя.
Воздуховоды к воздухораспределителю изготавливают из тонколистовой
стали, резиновых шлангов, гофрированных пластмассовых труб и т.д. В
некоторых автомобилях в качестве воздуховодов используют детали кабины,
полость щитка приборов. Однако такое выполнение воздуховодов является
нерациональным, так как не обеспечивается герметичность и увеличивается
расход воздуха. Безопасность движения автомобиля в значительной степени
зависит от надежной и эффективной защиты ветрового стекла от
запотевания и обмерзания, что достигается равномерным его обдувом
теплым воздухом и подогревом до температуры выше точки росы.
Такая защита стекла конструктивно проста, не ухудшает его оптических
свойств, но требует увеличения производительности системы вентиляции и
высокой теплоемкости стекла. Эффективность струйной защиты стекла от
запотевания определяется температурой и скоростью воздуха на выходе из
насадки, расположенной перед кромкой стекла. Чем выше скорость воздуха
на выходе из насадки, тем меньше температура в зоне стекла отличается от
температуры на выходе из насадки.
Компоновка системы вентиляции и отопления зависит от конструкции
автомобиля, кабины, отдельных узлов и их размещения.
В настоящее время получили распространение кондиционеры – устройства для
искусственного охлаждения воздуха, поступающего в кабину (кузов). По
принципу действия кондиционеры подразделяются на компрессионные, с
воздушной холодильной машиной, термоэлектрические и испарительные.
Автоматическое управление режимом работы отопителя некоторых
автомобилей производится изменением расхода жидкости или воздуха через
радиатор отопителя. При автоматическом регулировании за счет изменения
148
расхода воздуха параллельно радиатору выполняют обводной воздушный
канал, в котором устанавливают управляемую заслонку.
Как уже отмечалось, важное место в системе вентиляции кабины (кузова)
автомобиля занимает очистка вентиляционного воздуха от пыли.
Самым распространенным способом является очистка вентиляционного воздуха
при помощи фильтров из картона, синтетических волокнистых материалов,
модифицированного пенополиуретана и др. Однако для эффективного
использования таких фильтров, отличающихся небольшой пылеемкостью, с
меньшим числом технических обслуживании необходимо снижать
концентрацию пыли на входе в фильтр. Для предварительной очистки воздуха
на входе в фильтр устанавливают пылеотделители инерционного типа с
непрерывным удалением уловленной пыли.
Основные принципы обеспыливания вентиляционного воздуха основаны на
использовании одного или нескольких механизмов осаждения частиц пыли из
воздуха: инерционный эффект отделения и эффекты зацепления и
осаждения.
Инерционное осаждение осуществляется при криволинейном движении
запыленного воздуха под действием центробежных и кориолисовых сил. На
поверхность осаждения отбрасываются такие частицы, у которых масса или
скорость значительны и они не могут следовать вместе с воздухом по линии
потока, огибающей препятствие. Инерционное осаждение проявляется и
тогда, когда препятствиями являются элементы заполнения фильтров из
волокнистых материалов, торцы плоских листов инерционных жалюзийных
решеток и т.д.
При движении запыленного воздуха через пористую перегородку частицы,
взвешенные в воздухе, задерживаются на ней, а воздух полностью проходит
через нее. Исследования процесса фильтрации направлены на установление
зависимости эффективности пылеулавливания и аэродинамического
сопротивления от структурных характеристик пористых перегородок, свойств
пыли и режима течения воздуха.
Процесс очистки воздуха в волокнистых фильтрах происходит в две стадии.
На первой стадии частицы осаждаются в чистом фильтре без структурных
изменений пористой перегородки. При этом изменения пылевого слоя по
толщине и составу не существенны и ими можно пренебречь. На второй
стадии происходят непрерывные структурные изменения пылевого слоя и
дальнейшее осаждение частиц в значительном количестве. При этом
изменяется эффективность пылеулавливания фильтра и его аэродинамическое
сопротивление, что осложняет расчет процесса фильтрации. Вторая стадия –
сложная и мало изученная, в условиях эксплуатации именно она определяет
эффективность работы фильтра, так как первая стадия очень кратковременна.
Из всего многообразия фильтрующих материалов, применяемых в фильтрах
системы обеспыливания вентиляционного воздуха кабин, можно выделить три
группы: тканые из природных, синтетических и минеральных волокон;
нетканые – войлок, бумага, картон, иглопробивные материалы и др.;
ячеистые — пенополиуретан, губчатая резина и др.
149
Для изготовления фильтров используются материалы органического
происхождения и искусственные. К органическим материалам относится
хлопок, шерсть. Они имеют низкую термостойкость, высокую влагоемкость.
Общим недостатком всех фильтрующих материалов органического
происхождения является их подверженность гнилостным процессам и
отрицательному действию влаги. К синтетическим и минеральным
материалам относятся: нитрон, имеющий высокую стойкость к воздействию
температур, кислот и щелочей; хлоран, имеющий низкую термостойкость, но
высокую химическую стойкость; капрон, характеризующийся высокой
устойчивостью к истиранию; оксалон, имеющий высокую термостойкость;
стекловолокно и асбест, отличающиеся высокой термостойкостью, и др.
Высокие показатели пылеулавливающих, прочностных и регенерационных
параметров имеет фильтрующий материал из лавсана.
Широкое применение в фильтрах с импульсной продувкой воздуха при
регенерации фильтра получили нетканые иглопробивные лавсановые
фильтрующие материалы. Эти материалы получают уплотнением волокон с
последующей прошивкой или иглопрокалыванием.
Недостатком таких фильтрующих материалов является прохождение более
мелких частиц пыли через отверстия, образованные иглами.
Существенным недостатком фильтров из любого фильтрующего материала
является необходимость их замены или технического обслуживания с целью
регенерации (восстановления) фильтрующего материала. Частичная
регенерация фильтра может быть проведена непосредственно в системе
вентиляции обратной продувкой фильтрующего материала очищенным
воздухом из кабины автомобиля или струйной локальной продувкой воздухом
от компрессора с предварительной очисткой сжатого воздуха от паров воды и
масла.
Конструкция фильтров из тканых или нетканых фильтрующих материалов
для систем вентиляции кабин должна иметь максимальную поверхность
фильтрации при минимальных размерах и аэродинамическом сопротивлении.
Установка фильтра в кабине и его смена должны быть удобными и
обеспечивать надежную герметичность по периметру фильтра.
1.13.2. 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,
150
горло – 6...27 Гц, грудная клетка – 2...12 Гц, ноги и руки – 2...8Гц, 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 циркуляции крови и высшей
нервной деятельности с последующим развитием вибрационной болезни.
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 az сидящего человека от частоты колебаний при его
постоянной вибронагруженности приведена на рис. 1.13.1 (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 гармонической вибрации.
Гигиеническую оценку вибрации проводят одним из трех методов: раздельночастотным (спектральным) анализом; интегральной оценкой по частоте и
«дозой вибрации».
При раздельно-частотном анализе нормируемыми параметрами являются
средние-квадратические значения виброскорости V и их логарифмические
уровни Lv или виброускорения аz для локальной вибрации в октавных полосах
частот, а для общей вибрации – в октавных или третьоктавных полосах частот.
При нормировании вибрации кривые «равного сгущения» впервые стали
учитываться в стандарте ИСО 2631-78. Стандарт устанавливает допускаемые
средние квадратические значения виброускорения в третьоктавных полосах
151
частот в диапазоне среднегеометрических частот 1...80 Гц при различной
продолжительности
действия
вибрации.
Стандарт
ИСО
2631-78
предусматривает оценку как гармонической, так и случайной вибрации. При
этом направление общей вибрации принято оценивать вдоль осей
ортогональной системы координат (х — продольная, у — поперечная, z —
вертикальная).
Рис. 1.13.1. Кривые «равного сгущения» при гармонической вибрации:
1 – порог ощущений; 2 – начало неприятных ощущений
Аналогичный подход к нормированию вибрации использован в ГОСТ
12.1.012-90, положения которого являются основой определения критерия и
показателей плавности хода автомобилей.
В качестве критерия плавности хода введено понятие «безопасность», не
допускающее нарушения здоровья водителя.
Показатели плавности хода обычно назначают по выходной величине, которой
является вертикальное виброускорение аz или вертикальная виброскорость Vz ,
определяемые на сиденье водителя. Здесь необходимо отметить, что при
оценке вибрационной нагрузки на человека предпочтительной выходной
величиной является виброускорение. Для санитарного нормирования и
контроля интенсивность вибрации оценивают средним квадратическим
значением az вертикального виброускорения, а также его логарифмическим
уровнем Laz (дБ):
a
Laz = 20 lg z ,
a z0
где az 0 — пороговое среднее квадратическое значение вертикального
виброускорения.
Среднее квадратическое значение
az
называют «контролируемым
параметром», а плавность хода машины определяют при постоянной
вибрации в диапазоне частот 0,7...22,4 Гц.
152
При интегральной оценке получают корректированное по частоте значение
контролируемого
параметра,
с
помощью
которого
учитывается
неоднозначность восприятия человеком вибрации с различным спектром
частот. Корректированное по частоте значение контролируемого параметра a~z
и его логарифмический уровень La~z определяют из выражений:
a~z =
n
∑ (k zi a zi ) 2 ;
i =1
n
La~z = 10 lg ∑10
0,1( Lazi + Lkzj )
,
i =1
где azi и Lazi – среднее квадратическое значение контролируемого параметра
и его логарифмический уровень в i -й октавной или третьоктавной полосе;
k zi и Lkzi – весовой коэффициент для среднего квадратического значения
контролируемого параметра и его логарифмический уровень в i -й полосе
частот, Lkzi =201g k zi i ; n – число полос в нормируемом диапазоне частот.
Значения весовых коэффициентов приведены в табл.1.13.1.
Таблица 1.13.1
Третьоктавная
Среднее значение
частоты третьоктавной и полоса частот
октавной полос f cpi , Гц
k zi
Lkzi
0,80
1,00
1,25
1,60
2,00
2,50
3,15
4,00
5,00
6,30
8,00
10,00
12,50
16,00
20,00
0,45
0,50
0,56
0,63
0,71
0,80
0,90
1,00
1,00
1,00
1,00
0,80
0,63
0,50
0,40
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0
0
0
-2
-4
-6
-8
Октавная
частот
полоса
k zi
Lkzi
0,50
-6
0,71
-3
1,00
0
1,00
0
0,50
-6
Согласно санитарным нормам, при длительности смены 8 ч и общей вибрации
нормативное
среднее
квадратическое
значение
вертикального
2
виброускорения составляет 0,56 м/с , а его логарифмический уровень 115 дБ.
153
При определении вибрационной нагрузки на человека с использованием
спектра вибрации нормируемыми показателями являются среднее
квадратическое значение виброускорения или его логарифмический уровень в
третьоктавных и октавных полосах частот.
Допускаемые значения спектральных показателей вибрационной нагрузки на
человека приведены в табл. 1.13.2.
Таблица 1.13.2
Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки для
вертикального виброускорения
Нормативное
среднее
Среднее
Нормативное
квадратическое
значение логарифмического
геометрическое
2
значение частоты
виброускорения azi , м / с
виброускорения Lazi , дБ
третьоктавной
Третьоктавная
Октавная
Третьоктавная
и
октавной
полоса частот
полоса частот полоса частот
п
полос f cpi ,
0,80
0,710
117
1,10
1,00
0,630
116
1,25
0,560
115
1,60
0,500
114
0,79
2,00
0,450
113
2,50
0,400
112
3,15
0,335
111
0,57
4,00
0,315
110
5,00
0,315
110
6,30
0,315
110
8,00
0,315
110
0,60
10,00
0,400
112
12,50
0,500
114
16,00
0,630
1,13
116
20,00
0,800
118
В случае применения интегрального и раздельно-частотного методов оценки
вибрационной нагрузки на человека можно прийти к различным результатам. В
качестве приоритетного рекомендуется использовать метод раздельночастотной (спектральной) оценки вибрационной нагрузки.
В настоящее время определены и используются в практике нормативные
показатели плавности хода машин, такие как виброускорения и
виброскорости в вертикальной и горизонтальной плоскостях, устанавливаемые
дифференцированно для различных частот колебаний.
Последние группируются в семь октавных полос со средней геометрической
частотой от 1 до 63 Гц (табл. 1.13.3.).
154
Таблица 1.13.3
Нормативные показатели плавности хода транспортных машин
Средняя геометрическая частота колебаний, Гц
Параметр
1
2
4
8
16
31,5
Виброскорость,
м/с:
0,011
0,011
0,013
0,025
0,071
0,200
вертикальная
0,032
0,032
0,032
0,032
0,035
0,063
горизонтальная
Виброускорение,
м/с2:
2,26
1,14
0,60
0,57
0,79
1,10
вертикальное
6,38
3,20
1,62
0,80
0,42
0,39
горизонтальное
63
0,011
0,032
4,49
12,76
На ряде специальных колесных и гусеничных машин, эксплуатируемых в
тяжелых дорожных условиях, где амплитуды микропрофиля значительные,
трудно обеспечить значения показателей плавности хода, регламентируемые
для транспортной техники. Поэтому для таких машин устанавливают
нормативные показатели плавности хода на более низком уровне (табл.
1.13.4).
Таблица 1.13.4
Нормативные показатели плавности хода для машин, работающих в тяжелых
дорожных условиях
Машина
Ускорения на рабочем месте
Транспортно
водителя
–
Тяговая
(оператора)
тяговая
Вертикальные:
средние квадратические
0,5 g
0,6 g
максимальные
от
эпизодиче
1,5 g
2,5 g
ских толчков
максимальные от поворотных
0,7 g
1,0 g
толчков
Горизонтальные
средние
0,4 g
0,4 g
квадратические
Нормы плавности хода для грузовых автомобилей, автобусов, легковых
автомобилей, прицепов и полуприцепов определены для трех типов участков
автополигона НАМИ:
I – цементная динамометрическая дорога со среднеквадратическим значением
высот неровностей 0,006 м;
II – булыжная мощеная дорога без выбоин со среднеквадратическими
значениями неровностей 0,011 м;
155
III – булыжная дорога с выбоинами со среднеквадратическими значениями
неровностей 0,029 м.
Нормы плавности хода автомобилей, установленные ОСТ 37.001.291-84,
приведены в табл. 1.13.5, 1.13.6, 1.13.7.
Для улучшения показателей плавности хода автомобилей используют
следующие мероприятия:
• выбор компоновочной схемы автомобиля,
обеспечивающей
независимость колебаний на передней и задней подвесках подрессоренной
массы машины;
• выбор оптимальной характеристики упругости подвески;
• обеспечение оптимального соотношения жесткостей передней и задней
подвесок автомобиля;
• уменьшение массы неподрессоренных частей;
•подрессоривание кабины и сиденья водителя грузового автомобиля и
автопоезда.
Таблица 1.13.5
Предельные технические нормы плавности хода грузовых автомобилей
Средние
Корректированные
значения
2
виброускорений на сиденьях, м/с , не квадратические
значения
более
вертикальных
горизонтальных
Тип
виброускорений в
дороги
характерных точках
вертик
прод
попере
альных
подрессоренной
ольных
чных
части,
м/с2,
не
более
1,3
0,65
0,65
1,0
I
1,8
0,80
1,00
1,5
II
2,7
1,60
0,60
2,5
III
Таблица 1.13.6
Предельные технические нормы плавности хода легковых автомобилей
Корректированные
значения
виброускорений на сиденьях водителя и
Тип дороги
пассажиров, м/с2, не более
вертикальных
горизонтальных
0,6
0,8
I
0,8
1,1
II
1,3
2,0
III
156
Таблица 1.13.7
Предельные технические нормы плавности хода автобусов
Корректированные значения виброускорений на сиденьях
автобусов, м/с2, не более
остальных
Т
городских
типов
ип
водителя
и
водителя
пассажиров
д
пассажиров
ороги
горизон
вертигоризонвертигоризон- вертикальных тальных
кальных тальных кальных
тальных
I 0,65
0,45
0,8
0,6
0,8
0,6
II 0,90
0,65
1,1
0,8
1,1
0,8
1.13.3. Акустическая комфортабельность
В кабине автомобиля возникают различные шумы, которые отрицательно
сказываются на работоспособности водителя. Прежде всего, страдает слуховая
функция, но шумовые явления, обладая кумулятивными свойствами (т.е.
свойствами накапливаться в организме), угнетают нервную систему, при этом
изменяются психофизиологические функции, значительно снижается скорость
и точность движений. Шум вызывает отрицательные эмоции, под его
влиянием у водителя появляются рассеянность, апатия, нарушение памяти.
Воздействие шума на человека может быть подразделено в зависимости от
интенсивности и спектра шума на следующие группы:
• очень сильный шум с уровнями 120...140 дБ и выше — независимо от
спектра способен вызывать механические повреждения органов слуха и быть
причиной тяжелых поражений организма;
• сильный шум с уровнями 100...120 дБ на низких частотах, выше 90дБ
на средних и выше 75... 85 дБ на высоких частотах – вызывает необратимые
изменения в органах слуха, а при длительном воздействии может быть
причиной ряда заболеваний и в первую очередь – нервной системы;
•
шум более низких уровней 60...75 дБ на средних и высоких частотах
оказывает вредное воздействие на нервную систему человека, занятого
работой, требующей сосредоточенного внимания, к которой относится работа
водителя автомобиля.
Санитарные нормы подразделяют шумы на три класса и устанавливают для
них допустимый уровень:
1 класс – низкочастотные шумы (наибольшие составляющие в спектре
расположены ниже частоты 350 Гц, выше которой уровни понижаются) с
допустимым уровнем 90...100 дБ;
2 класс – среднечастотные шумы (наибольшие уровни в спектре
157
расположены ниже частоты 800 Гц, выше которой уровни понижаются) с
допустимым уровнем 85...90 дБ;
3 класс – высокочастотные шумы (наибольшие уровни в спектре
расположены выше частоты 800Гц) с допустимым уровнем 75...85 дБ.
Таким образом, шум называют низкочастотным при частоте колебаний не
более 400 Гц, среднечастотным – 400... 1000 Гц, высокочастотным – более
1000 Гц. При этом по частоте спектра шум классифицируют на
широкополосный, включающий почти все частоты звукового давления
(уровень измеряется в дБА), и узкополосный (уровень измеряется в дБ).
Хотя частота акустических звуковых колебаний находится в пределах 20...20 000
Гц, ее нормирование в дБ осуществляется в октавных полосах с частотой 63...
8000 Гц постоянного шума. Характеристикой же непостоянного и
широкополосного шума является эквивалентный по энергии и восприятию
ухом человека уровень звука в дБА.
Допустимые уровни внутреннего шума для автотранспортных средств по
ГОСТ Р 51616 – 2000 приведены в табл. 1.13.8.
Следует отметить, что допустимые уровни внутреннего шума в кабине или
салоне установлены безотносительно к тому, имеется ли здесь один источник
шума или их несколько. Очевидно, что если звуковая мощность, излучаемая
одним источником, удовлетворяет предельно допустимому уровню звукового
давления на рабочем месте, то при установке нескольких таких источников
указанный предельно допустимый уровень будет превышен из-за сложения их
воздействия. В результате общий уровень шума определяется по закону
энергетического суммирования.
158
Таблица 1.13.8
Допустимые уровни внутреннего шума автотранспортных средств
Допустимый
Автотранспортное средство
уровень звука, дБ
А
Автомобили
и
автобусы
для
перевозки
пассажиров
78
Категория M 1 , кроме моделей вагонной или
полукапотной компоновкой кузова
Категория M 1 - модели с вагонной или
80
полукапотной компоновкой кузова.
Категории
M2,
M3 ,
кроме
моделей
с
расположением двигателя впереди или рядом с местом
водителя:
78
на рабочем месте водителя
80
в пассажирском помещении автобусов классов II
82
и III
в пассажирском помещении автобусов класса I
Категории M 2 , M 3 - модели с расположением
80
двигателя впереди или рядом с местом водителя:
на рабочем месте водителя и в пассажирском
80
помещении
Автомобили для перевозки грузов
Категория N1 полной массой до 2 т
80
82
Категория N1 полной массой от 2 до 3,5 т
Категории
N2 ,
N3 ,
кроме
моделей,
80
предназначенных
для
международных
и
междугородных перевозок
Категории N 2 , N 3 - модели для международных и
80
междугородных перевозок
Прицепы, предназначенные для перевозки
80
пассажиров
Суммарный уровень шума, дБА, от нескольких одинаковых источников
LΣ = L1 + 10 lg⋅ n ,
где L1 – уровень шума одного источника, дБА;
n – число источников шума.
При одновременном действии двух источников с разными уровнями звукового
давления суммарный уровень шума
LΣ = La + ∆L ,
159
где La – наибольший из двух суммируемых уровней шума;
∆L – добавка, зависящая от разности уровней шума двух источников La − Lb .
Значения ∆L в зависимости от разности уровней шума двух источников
(при La > Lb ) приведены ниже:
La − Lb , дБА…..0
1
∆L , дБА…...3 2,5
2,5 4 6 10
2 1,5 1 0,5
Очевидно, что если уровень шума одного источника выше уровня другого на
8...10 дБА, то будет преобладать шум более интенсивного источника, так как
в этом случае добавка ∆L очень мала.
Общий уровень шума различных по интенсивности источников
определяется по выражению
(
−0,1∆L
−0,1∆L
−0,1∆L
)
1, 2
1, 3
1,n
LΣ = L1 + 10 lg 1 + 10
+ 10
+ ... + 10
,
где L1 — наибольший уровень шума одного из источников;
— уровни шума
∆L1, 2 − L1 − L2 ;
∆L1,3 = L1 − L3 ; ∆L1,n = L1 − Ln ⋅ (L2 , L3 ,...., Ln )
соответственно 2-го, 3-го, ..., n-го источников). Расчет уровня шума, дБ А,
с изменением расстояния до источника выполняется по формуле
Lr = Lu − 201gr − 8 ,
где Lu – уровень шума источника; r – расстояние от источника шума до
объекта его восприятия, м.
Общий шум движущегося автомобиля складывается из шума, создаваемого
двигателем, агрегатами, кузовом автомобиля и его составными частями,
шумом вспомогательного оборудования и качения шин, а также шумом от
потока воздуха.
Шум в конкретном источнике порождается определенными физическими
явлениями, среди которых в автомобиле наиболее характерными являются:
ударное взаимодействие тел; трение поверхностей; вынужденные
колебания твердых тел; вибрация деталей и узлов; пульсация давления в
пневматических и гидравлических системах.
В целом источники шума автомобиля можно разделить на следующие:
• механические – двигатель внутреннего сгорания, корпусные детали,
трансмиссия, подвеска, панели, шины, гусеницы, система выпуска;
• гидромеханические – гидротрансформаторы, гидромуфты, гидронасосы,
гидромоторы;
• электромагнитные – генераторы, электромоторы;
• аэродинамические – система впуска и выпуска двигателя внутреннего
сгорания, вентиляторы.
Шум имеет сложную структуру и складывается из шума отдельных
источников. Наиболее интенсивными источниками шума являются:
160
структурный шум двигателя (механический и шум процесса сгорания), шум
впуска и его системы, шум выпуска и его системы, шум вентилятора системы
охлаждения, шум трансмиссии, шум качения шин (шум шин), шум кузова.
Многолетними исследованиями установлено, что к основным источникам
шумообразования в автомобиле следует отнести двигатель внутреннего
сгорания, элементы трансмиссии, шины, аэродинамический шум. Вторичным
источником шума являются панели кузова. К дополнительным источникам
относятся шумы навесных агрегатов двигателя, некоторых элементов
трансмиссии, электродвигателей, отопителей, обдува стекол, хлопанье
дверей и т. п.
Перечисленные источники генерируют механические и акустические
колебания, разные по частоте и интенсивности. Характер спектра частот
возмущений весьма сложен для анализа ввиду наложения и
взаимосвязанности по частотам рабочих процессов и возмущений от
элементов трансмиссии, ходовой части, аэродинамических процессов и т.д.,
а также ввиду того, что многие источники являются одновременно
возбудителями механических и акустических колебаний. В спектрах вибрации
основных агрегатов трансмиссии и шума проявляются, главным образом,
гармонические составляющие от основных источников возбуждения
(двигателя и трансмиссии).
Динамическое взаимодействие частей агрегатов автомобиля порождает
колебательную энергию, которая, распространяясь от источников колебаний,
создает звуковое поле автомобиля, трактора, т.е. шум автомобиля.
В соответствии с этим для снижения интенсивности шума можно наметить
следующие пути:
• снижение виброактивности агрегатов, т.е. уменьшение уровня
колебательной энергии, генерируемой в источнике;
• принятие мер для снижения интенсивности колебаний на пути их
распространения;
• воздействие на процесс излучения и передачи вибраций
присоединенным деталям, т.е. уменьшение их виброакустической активности.
Уменьшение виброактивности источника достигается улучшением
кинематических свойств систем автомобиля и выбором параметров
механических систем таким образом, чтобы их резонансные частоты были
максимально удалены от частотного диапазона, содержащего рабочие
частоты агрегатов, а также снижением до минимума уровней колебаний в
опорных точках и минимизацией амплитуд вынужденных колебаний.
Снижение шума может быть достигнуто созданием малошумного процесса
сгорания, улучшением виброакустических характеристик корпусных
деталей, агрегатов, введением в их конструкцию демпфирования,
усовершенствованием конструкции и качества изготовления подвижных
деталей, повышением акустической эффективности глушителей шума
впуска и выпуска и т.д.
Борьба с шумом и вибрациями при их распространении в процессе
излучения и передачи колебательной энергии присоединенным деталям и
161
агрегатам может производиться «отстройкой» системы несущих элементов
от резонансных состояний путем виброизоляции, вибродемпфирования и
виброгашения.
Виброизоляция – выбор таких параметров механических систем, которые
обеспечивают локализацию вибраций в определенной зоне автомобиля без
дальнейшего ее распространения.
Вибродемпфирование – использование систем, с помощью которых
осуществляется активное рассеивание энергии колебаний вибрирующих
поверхностей, а также применение материалов с большим декрементом
затухания.
Виброгашение – применение в агрегатах, настроенных на определенную
частоту и форму колебаний, систем, действующих в противофазе.
Подавление шума в самом источнике его возникновения является активным
способом шумоглушения и наиболее радикальным средством борьбы с
шумами. Однако во многих случаях этот метод по тем или иным причинам не
удается применить. Тогда приходится прибегать к пассивным методам защиты
от шума – это вибродемпфирование поверхностей, звукопоглощение,
звукоизоляция.
Под звукоизоляцией понимается снижение звука (шума), поступающего к
приемнику, вследствие отражения от препятствий на пути передачи.
Звукоизолирующий эффект возникает всегда при прохождении звуковой
волны через границу раздела двух разных сред. Чем больше энергия
отраженных волн, тем меньше энергия прошедших и, следовательно, тем
больше звукоизолирующая способность границы раздела сред. Чем больше
звуковой энергии поглощается преградой, тем выше ее звукопоглощающая
способность.
Шум, вызванный средними и высокочастотными колебаниями, передается в
салон в основном по воздуху. Для уменьшения этой передачи следует особое
внимание уделить герметизации салона, выявлению и устранению
акустических дыр (акустических отверстий). Акустическими дырами могут
быть сквозные и несквозные щели, технологические отверстия, участки с
низкой звукоизоляцией, значительно ухудшающие общую звукоизоляцию
конструкции.
С точки зрения особенностей передачи звуковой энергии различают
большие и малые акустические отверстия. Большое акустическое отверстие
характеризуется большим в сравнении с единицей отношением линейных
размеров отверстия к длине падающей на отверстие звуковой волны.
Практически можно считать, что звуковые волны проходят через большое
акустическое отверстие по законам геометрической акустики и прошедшая
через отверстие звуковая энергия пропорциональна его площади. Для
каждой категории отверстий имеется один или несколько эффективных
методов их устранения.
Для определения эффективных путей снижения шума необходимо знать
наиболее интенсивные источники шума, провести их разделение, а также
определить необходимость и величины снижения уровней каждого из них.
162
Имея результаты разделения источников и их уровни, можно определить
очередность доводки автомобиля по шуму.
Контрольные вопросы
1. С какой целью регламентируется безопасность конструкции транспортных
средств?
2. Назовите основные свойства, определяющие безопасность конструкции
транспортных средств
3. По каким критериям определяется влияние активной безопасности
транспортных средств на безопасность дорожного движения?
4. Какова зависимость между весом транспортного средства и риском
получения телесных повреждений в ДТП для его пассажиров?
5. От чего зависит ширина динамического коридора при криволинейном
движении?
6. На какие размерные классы подразделяются автомобили, продаваемые в
странах Европы?
7. На какие категории подразделяются транспортные средства в соответствии
с ГОСТ Р 52051-2003?
8. Какие силы действуют на автомобиль, разгоняющийся на подъем?
9. Какие изменения технического состояния автомобиля влияют на его
тяговую динамичность и как?
10. Что такое динамический фактор автомобиля?
11. Что называется поперечной устойчивостью автомобиля?
12. Что называется продольной устойчивостью автомобиля?
13. Что такое курсовая устойчивость автомобиля?
14. Какие основные технические требования (методы испытаний)
предъявляют к тормозным свойствам транспортных средств?
15. По каким нормативам регламентируются устойчивость и управляемость
транспортных средств как свойств активной безопасности?
16. Какие вы знаете виды испытаний на устойчивость?
17. Какие показатели оцениваются при испытании «стабилизация»?
18. Какие виды поворачиваемости автомобиля существуют?
19. По каким техническим причинам возможна потеря управляемости
автомоибля?
20. Что такое тормозной путь автомобиля?
21. Как проводится испытание типа 0 тормозных систем транспортных
средств?
22. Какие показатели определяют требования к шинам и колесам?
23. Укажите основные характеристики сцепных устройств.
24. Какие приборы используются для информационного обеспечения
транспортных средств?
25. Какие технические требования предъявляют к устройствам освещения и
световой сигнализации?
163
Глава 2. Пассивная безопасность
Пассивная безопасность включает в себя множество элементов, и один из
основных - ремень безопасности. Если пассажиры не пристегнуты, то очень
маловероятно, что раскрывшиеся подушки безопасности спасут их. Вторым
по значимости элементом пассивной безопасности является кузов
автомобиля. Его передняя или задняя часть должны, сминаясь, максимально
рассеять высвободившуюся энергию удара, а центральная часть кузова
должна предоставить как можно больше места для выживания пассажирам
автомобиля. Материалы салона должны быть не только приятными на ощупь
и радовать глаз в случае необходимости они должны максимально смягчить
удар. При этом они не должны растрескаться, чтобы своими осколками не
нанести дополнительные повреждения пассажирам.
После удара бензобак автомобиля должен не воспламениться и не
растрескаться, чтобы исключить разлив топлива по дороге. Большое
значение придается дверным проемам и замкам. Как показывает статистика
ДТП, наиболее тяжелые травмы, часто не совместимые с жизнью, получают
пассажиры, вывалившиеся в раскрывшиеся двери автомобиля. В то же время
после ДТП замки и двери должны легко открыться без использования
дополнительного оборудования для обеспечения быстрой и своевременной
эвакуации находящихся в салоне людей.
Сложенная из ряда факторов, зачастую противоречивых, пассивная
безопасность служит достижению одной главной задачи - в случае ДТП,
независимо от его тяжести, сделать все максимально возможное для
сохранения жизни людей, находящихся в автомобиле.
2.1.
Травмирование
происшествиях
человека
в
дорожно-транспортных
2.1.1. Классификация видов травм человека
Исследование дорожно-транспортных происшествий при автомобильных
авариях преследует цели:
- сбор статистических данных о несчастных случаях на автомобильном
транспорте;
- анализ динамики травматизма;
- сравнительный анализ характера и степени травм, получаемых при ударе о
различные детали интерьера (рулевые колонки, ветровые стекла, приборные
щитки и т. д.);
- выявление общего предельного уровня выносливости человеческого
организма в условиях кратковременных аварийных перегрузок.
Различают закрытые и открытые механические повреждения. К закрытым
повреждениям относятся те, при которых отсутствует нарушение целости
наружных покровов (кожи и слизистых оболочек). Например, ушибы мягких
164
тканей, растяжение связок, большинство вывихов и переломов,
травматическая асфиксия (кислородное голодание и избыточное накопление
углекислоты в организме вследствие прекращения или затруднения дыхания)
и др. К открытым повреждениям относятся те, при которых имеется та или
иная степень нарушения целости наружных покровов, - раны, открытые
вывихи и переломы, ожоги и т.п.
Ушибы мягких тканей характеризуются в основном повреждением
подкожной клетчатки и других мягких тканей и их мелких сосудов, в
результате чего в поврежденных тканях появляются кровоизлияния. Эти
кровоизлияния могут быть разной величины - от небольших «точечных» до
больших ограниченных скоплений крови (так называемая гематома). При
сильных ушибах возможно повреждение различных внутренних органов,
например брюшной полости.
Признаки ушиба: боль; ограниченная или разлитая припухлость;
кровоподтеки, появляющиеся на второй-третий день после ушиба в виде
синих пятен («синяки»), которые постепенно меняют свой цвет на синебагровый, зеленый и желтый; небольшое нарушение функции в виде,
например ограничения движений ушибленной конечностью.
Общих функциональных расстройств при ушибах, как правило, не
наблюдается.
Растяжения и разрывы связок чаше всего происходят в области
голеностопного сустава и реже в области других суставов (коленный,
лучезапястный и др.). Возникают при резких или насильственных движениях
в области суставов, вызывающих чрезмерное растяжение или даже разрыв
связок.
Признаки растяжения и разрыва связок напоминают признаки, наблюдаемые
при ушибах. Однако характерна более острая, резкая местная боль у места
прикрепления связок или по их ходу, а также и более резкое нарушение
функций конечности в виде ограничения движений.
Вывихом называют ненормальное и стойкое смещение концов костей,
входящих в состав того или иного сустава. Такое смещение происходит лишь
при разрыве суставной капсулы (сумки, которая в норме охватывает или
окутывает эти поверхности).
Признаки вывихов: боль в области поврежденного сустава, нарушение
функции, т. е. утрата обычной подвижности в суставе, типичное
вынужденное положение конечности и ее деформация, смещение суставной
головки и пружинящая фиксация конечности.
Синдром сдавления (травматический токсикоз). В результате длительного
сдавливания, сжатия или раздавливания отдельных частей тела (чаще всего
конечностей) у человека возникает закрытое повреждение мягких тканей с
функциональными
расстройствами,
которое
называют
синдромом
(совокупность характерных признаков) сдавливания, или травматическим
токсикозом (отравление токсинами - ядами).
Переломы костей. Переломом называется полное или частичное нарушение
целости кости, возникающее под влиянием внешней травмы или вследствие
165
болезненных изменений кости и сопровождающееся обычно повреждениями
мягких тканей. Нарушение целости кости может захватывать всю ее толщу,
причем части поврежденной кости, т. е. ее обломки, оказываются
совершенно отдельными друг от друга. Это так называемые полные
переломы. Если же нарушена целость лишь части поперечника кости, это
будут неполные переломы. К ним относится меньшая часть повреждений трещины, надломы. Бывают одиночные и множественные переломы, в
зависимости от того, в скольких местах нарушена целость кости.
Признаки перелома: боль, причем резкая, так называемая местная боль.
Нарушение функции, т.е. невозможность производить движения, наиболее
резко выражено при полных переломах и малозаметно или даже полностью
отсутствует при неполных и осколочных переломах, или при переломе лишь,
одной из двух костей, имеющихся в пострадавшей части конечности
(например в случае перелома лучевой кости при целости локтевой).
Повреждения черепа могут быть закрытыми и открытыми. При закрытых
повреждениях наблюдаются сотрясения, ушиб, сдавление головного мозга и
закрытые переломы костей черепа.
Признаки сотрясения и ушиба головного мозга: потеря сознания, рвота,
бледность, глаза открыты, зрачки сужены, дыхание поверхностное, пульс
замедленный, слабый. Иногда наблюдается непроизвольное отхождение
мочи и кала. Больной, приходя в сознание, жалуется на головную боль,
головокружение, тошноту, шум в ушах, общую слабость, быструю
утомляемость и др.
Переломы черепа. Различают открытые и закрытые переломы костей черепа,
непроникающие и проникающие, если повреждена твердая мозговая
оболочка.
Переломы свода черепа. При этом наблюдается повреждение одной или
нескольких костей, чаще всего в виде вдавления или трещины кости, или
сочетания вдавления с трещиной. Часто небольшой трещине наружной
пластинки соответствует обширный оскольчатый перелом внутренней
пластинки. Повреждение внутренней пластинки может наблюдаться даже
при полной целости наружной пластинки.
При повреждении костей черепа наблюдаются известные признаки перелома:
боль, кровоизлияние, болезненные точки при ощупывании, иногда ощущение
вдавления или щели в костях, подвижность костных осколков.
При повреждении головного мозга, его оболочек и кровеносных сосудов
наблюдаются потеря сознания, рвота, замедление пульса, нарастание
головной боли, иногда потеря речи, паралич конечностей, нарушение
дыхания и пр. Все эти явления зависят от сотрясения, ушиба и сдавления
головного мозга.
Переломы костей основания черепа относятся к числу весьма тяжелых и
опасных. Тяжесть этих переломов обусловлена повреждениями головного
мозга, черепно-мозговых нервов и твердой мозговой оболочки, вследствие
чего полость черепа сообщается (через ушную, носовую и ротовую полости)
с внешней средой. Поэтому переломы основания черепа следует отнести к
166
открытым проникающим повреждениям черепа. Признаки: выделение крови
или светлой мозговой жидкости через нос или уши, скашивание лица в одну
сторону, расстройство слуха, кровоподтеки вокруг глаз (в виде «очков»),
появляющиеся обычно через сутки после повреждения.
Ранения глаз наблюдаются в виде различных повреждений век,
конъюнктивы, роговицы и других частей глаза. Особенно опасны пробойные
ранения глазного яблока. Признаки: боли в глазу, наличие ран век, роговицы,
склеры, отек и кровоизлияние под кожу и конъюнктиву, наличие инородных
тел (частиц металла, стекла и др.), слезотечение, светобоязнь, помутнение
роговицы, а в тяжёлых случаях - выпадение внутренних оболочек глаза и
даже полное разрушение глазного яблока.
Повреждение уха. Различают повреждения поверхностные (ушная раковина,
наружный слуховой проход) и глубокие (барабанная перепонка, среднее ухо
и др.). Признаки: наличие раны, шум в ушах, понижение слуха, кровотечение
из уха, боли при движении нижней челюсти, иногда головокружения,
тошнота, рвота, истечение светлой мозговой жидкости.
Повреждения носа могут быть изолированными или в сочетании с
повреждением придаточных полостей (гайморова полость и др.). Признаки:
боли, носовое кровотечение, кровоподтеки, изменение формы носа, иногда
эмфизема (вздутие) лица.
Переломы позвоночника относятся к числу весьма тяжелых повреждений,
так как они могут сопровождаться сдавливанием или повреждением
спинного мозга, а это, в свою очередь, вызывает паралич конечностей,
тазовых органов и пр. Помимо обычных признаков перелома здесь следует
иметь в виду такие характерные симптомы, как выпячивание и резкая
болезненность остистых отростков поврежденных позвонков, резкая
болезненность, а иногда и полная невозможность каких-либо движений в
области позвоночника. Во многих случаях точное распознавание переломов
позвоночника возможно только при помощи рентгеновского снимка.
В области шеи расположены крупные кровеносные сосуды, нервы, гортань,
трахея и пищевод, поэтому при ранениях шеи возможно их повреждение с
весьма опасными последствиями (большая кровопотеря, воздушная эмболия
и др.).
Повреждения крупных сосудов шеи (сонные артерии, яремные вены и др.)
могут вызвать такое сильное кровотечение, что раненый погибает в
ближайшие минуты после повреждения. При ранении вен воздух может
всасываться в кровь и вызвать воздушную эмболию. Признаки: сильное
артериальное или венозное кровотечение, острое малокровие. При
вхождении воздуха (воздушная эмболия) возникает особый свистящий звук,
раненый бледнеет, сердечная и дыхательная деятельность прекращается, и
раненый погибает.
В связи с тем, что органы, расположенные в грудной клетке (сердце, легкие,
пищевод), имеют жизненно важное значение, повреждения и заболевания их
относятся, как правило, к числу тяжелых, а иногда и опасных для жизни.
167
Переломы ребер весьма часты и возникают как от прямых (удары, падение),
так и от непрямых (перегиб ребра от сдавления грудной клетки) травм.
Различают одиночные и множественные переломы ребер. Переломы
наблюдаются чаще всего у пожилых людей и преимущественно в области VVIII ребер. При переломах ребер может возникнуть повреждение
пристеночной (реберной) плевры, межреберных сосудов и нервов, а в
тяжелых случаях - даже легкого, печени, селезенки и др. Признаки: резкая
местная боль, усиливающаяся при движениях, ощупывании, вздохе, кашле,
чиханье.
2.1.2. Особенности ранений людей в дорожно-транспортных
происшествиях
Ранения, получаемые в ДТП, совершенно не похожи на ранения от других
источников повреждений, и кроме того, в этих ранениях более или менее
явно проявляется характер их нанесения (переезд, сжатие, столкновение) и
особенности самих автомобилей. Ведь автомобили по конструкции и форме
представляют собой довольно крупные и чрезвычайно сложные агрегаты,
наделенные как широкими и плоскими элементами, так и узкими, острыми и
твердыми деталями. К тому же автомобили обычно движутся с высокой
скоростью. Но травмы людям наносят не только сами автомобили. Часто
источниками травмирования являются элементы дороги. Ранения,
полученные таким путем, как правило, разнообразны, сложны и
характеризуются многочисленными разрывами мышечных тканей. В
последние годы проводятся исследования, направленные на изучение связей
между этими столь разнообразными ранениями и формой или конструкцией
автомобиля. Появилось немало публикаций, в которых раскрываются
особенности ранений, полученных в автодорожных происшествиях.
Чрезвычайно специфичны раны пешеходов, сбитых автомобилями,
поскольку внешние конструктивные элементы последних примерно
одинаковы. Самую непосредственную связь с формой ран имеют такие
элементы автомобиля, как бамперы, крылья, капот, наружные зеркала
заднего вида, ветровое стекло, указатели поворотов (выполненные в форме
различных стрелок) и другие элементы и детали конструкции автомобиля,
расположенные снаружи и выступающие за габариты.
При анализе 425 случаев ДТП, происшедших в г. Бирмингеме за два года
были получены следующие данные. Во-первых, степень тяжести травмы во
всех случаях была мало связана со скоростью автомобиля. Во-вторых, число
пешеходов составляло 35% числа всех жертв, причем 60% их травм
происходило не от удара автомобиля в пешехода, а от вторичного удара при
падении последнего на дорогу. Что касается травм, вызванных ударом
автомобиля в пешехода, то 29% из них являются результатом удара о клыки
бампера, 13,5% - о крылья, 9,4% -о фары. Этим можно объяснить тот факт,
что 45,6% всех травм, полученных пешеходами, приходится на части тела,
расположенные ниже пояса. При рассмотрении случаев травмирования
168
пассажиров, находящихся в автомобиле, можно отметить, что наибольшее
число травм человек получает при ударе о двери и проемы дверей (14%),
устройства для крепления зеркала заднего вида и стеклоочистителя (11,5%),
ветровое стекло (8% - водители и 14% - передние пассажиры), рулевое
колесо (13%). Анализ случаев со смертельным исходом показал, что 52% из
них — результат получения смертельных травм из-за деформации кузова
автомобиля, 46% — из-за удара пассажира об отдельные детали и элементы
конструкции автомобиля.
Среди ран, полученных при ударах, особенно специфичны те, которые
причиняют бамперы автомобилей. Передний бампер - это деталь, которая
первой приходит в соприкосновение при столкновении или наезде. Бампер
располагается достаточно низко и потому при наездах на пешеходов
травмирует им ноги. Бамперы грузовых автомобилей и автобусов, как
правило, ударяют человека среднего роста по бедру, бамперы легковых
автомобилей среднего класса травмируют верхнюю часть голени человека, а
мало- и микролитражки — ее нижнюю часть. В результате ударов бамперов
автомобилей могут быть контузии и ушибы. Однако бывают случаи, когда
снаружи у пострадавшего нет никаких повреждений, но произошло
внутреннее кровоизлияние в мышцы, прилегающие к кости, и их разрушение.
Во всех случаях, когда травму наносит автомобиль, движущийся со
скоростью более 50 км/ч, результатом будут различные переломы костей.
Чаще всего переломы получаются из-за наезда на пешехода спереди и сбоку,
реже при наездах сзади, ибо в последнем случае мышцы и коленные суставы
выполняют функции компенсаторов.
В зависимости от силы и других характеристик удара капотом могут
произойти кровоизлияния под кожу, может быть содрана кожа, а также могут
быть и другие виды травмирования. Травмы от удара капотом, внешне
кажущиеся легкими, на самом деле нередко являются очень тяжелыми разрывы и кровоизлияния в мышцы бедра, переломы таза, поясницы, ушибы
и разрушения брюшной полости. В некоторых случаях пешеход
подбрасывается капотом вверх и затем падает на проезжую часть. При этом
он ударяется о покрытие головой или другими частями тела.
Для исследования повреждений, которые люди получают при ДТП,
используются специально созданные манекены (рис. 2.1.1).
На таких манекенах определяют и измеряют повреждение организма во
время ДТП. Преимущества манекенов в том, что они могут быть
использованы в гораздо большем количестве экспериментов. Однако для
анализа желательно сравнивать результаты отдельных экспериментов,
проводимых с одним и тем же или, в крайнем случае, с похожими
манекенами. Неудобство использования манекенов заключается в отсутствии
прямого метода измерений повреждений манекена. Схожесть скелета
манекена и человека ограничена позвоночным столбом, ребрами и
несколькими другими костями. Сочленения скелета - обычные шарниры, в то
время как у человека в каждом сочленении имеется большее число степеней
свободы. Из-за иного способа прикрепления мягких тканей при ударе
169
возникают иные силы и ускорения, которые вызывают иные повреждения,
чем у реального человека. Стандартный манекен является аналогом мужчины
среднего роста и имеет соответствующие размеры, вес и свободу
перемещений в отдельных суставах. Одно из важных требований к манекену
- это совпадение центра тяжести отдельных его частей с реальными данными
для мужчины среднего роста, так как в противном случае кинематика частей
манекена при аварии не будет отражать реальной картины, происходящей
при ДТП.
Рис. 2.1.1. Манекены
Манекены обычно изготавливают из резины и снабжают стальным каркасом
с необходимым числом шарнирных соединений. Шарнирам металлического
каркаса стремятся придать жесткость, идентичную жесткости суставов
скелета человека, а прочность отдельных частей сделать равной прочности
соответствующих частей человеческого тела.
Довольно трудной задачей оказалась надежная регистрация места, характера
и степени тяжести травмы, полученной манекеном. Один из применяемых
приемов - покрытие наружной поверхности манекена двумя слоями краски,
внутреннего слоя — красной и весьма прочной, а наружного слоя - белой и
сравнительно непрочной. Такой прием дает возможность достаточно точно
фиксировать места травм по участкам обнажившейся красной краски, но не
позволяет оценивать тяжесть травмы и лишь весьма приблизительно
характеризует истинную реакцию человеческого тела при аварии.
Наружная оболочка головы манекена имеет слоистую структуру,
имитирующую строение кожи и лицевых мышц. Голова присоединена к
туловищу таким образом, что сохраняет вертикальное положение до
ускорения 2g. Строение туловища манекена допускает его посадку в такой
позе, которую занимает человек на сиденье автомобиля. Грудная клетка
манекена должна быть достаточно твердой, упругой и иметь
соответствующую жесткость. Для определения величины замедления в
170
процессе испытаний в голове, груди, коленях и других местах манекена
размещают датчики-десселерометры инерционного типа, соединенные
проводами с электронным регистрирующим устройством на пульте
управления. В большинство постоянно используемых манекенов встраивают
травмозаписывающие датчики.
Отдел исследований безопасности пассажиров фирмы General Motors
разработал новую серию манекенов, которые близки по своим свойствам к
человеческому телу. Скелет манекена повреждается при тех же нагрузках,
что и скелет живого человека, а порезы на его коже появляются в результате
таких же динамических воздействий, которые приводят к порезам на коже
человека. В местах ушибов кожа изменяет цвет, коленные чашечки
смещаются, при ударах сочлененные части тела поворачиваются
относительно друг друга. При сильных ударах на черепе появляются
трещины. «Кожа» манекена изготовлена из синтетического материала и
отделена слоем натуральной резины от материала красного цвета, который
при порезах кожи создает впечатление кровотечения. Во время
экспериментов исследователи вели киносъемку, при помощи которой затем
были
восстановлены
все
перемещения
манекена
в
процессе
экспериментального происшествия. Затем производили внешний осмотр и
вскрытие манекена и таким путем выясняли причину полученных им
наружных и внутренних повреждений. Дальнейшее совершенствование
конструкции манекенов позволит оценивать не только количество, но и
степень тяжести получаемых травм.
На каждое полученное повреждение влияют различные факторы: вид ДТП и
его характеристика (скорость столкновения, угол удара, марки автомобилей);
физиологические свойства пассажира (вес, рост, возраст, пол человека);
использование безопасных элементов конструкции автомобиля (ремни с
инерционным устройством сокращают травмы головы до 40% и травмы в
области грудной клетки до 65%; ремни безопасности снижают на 62-75%
количество смертельных случаев; безопасная рулевая колонка - на 30-40%
опасность травмирования); квалификация водителя - умение подставить
нужную сторону автомобиля при ДТП.
Исследования показывают, что отдельные части тела травмируются не
одинаково. Наиболее часто травмируется голова (около 80%). Повреждения
ног чаще всего сопутствуют повреждениям головы (примерно 40%). Одна
треть повреждений приходится на бедренную кость. Затем следуют травмы
грудной клетки и позвоночника (25-30%) и, наконец, травмы рук (около
30%). Повреждения рук обычно не опасны, но лечение продолжительно, так
как руки не скоро обретают потерянные функции. Травмы живота и таза
встречаются реже (примерно 1%), но среди них всегда больше опасных и
смертельных. Травмы шеи и шейных позвонков встречаются также редко
(около 7%), но они в наибольшей степени смертельны.
Аналогичные по характеру данные получены и исследователями в Германии.
Так, наиболее часто травмируется голова (65,5%), затем следуют травмы ног
(10,9%), рук (8,1%). Следует отметить, что тяжесть травмирования одного и
171
того же органа, например, перелом руки, приводит к различным
последствиям, т. е. место перелома руки может качественно влиять на
состояние (больного) раненого. Наиболее опасными являются переломы в
поперечном сечении, примерно посредине между локтем и плечом, так как
сдвиг костей в этом месте может привести к разрыву нервов и, в конечном
счете, к полному параличу руки.
2.1.3. Влияние
автомобиля
антропометрии
на
пассивную
безопасность
При конструировании многих технических систем, с которыми человек
имеет контакт в своей производственной деятельности антропометрические
данные являются исходным материалом. В области конструирования
автомобилей антропометрические данные до последнего времени
использовали главным образом с целью удовлетворения требований
эргономики. Исследования в области пассивной безопасности показали, что
использование антропометрических данных является необходимым условием
при создании безопасных конструкций автомобилей.
При посадке в автомобиль человек (водитель или пассажир) занимает
специфичное положение, которое обусловлено интерьером автомобиля и
возможностями регулировки сиденья или органов управления. Кроме того,
существуют специфичные положения частей тела человека, характерные для
определенных условий, в которых может оказаться человек, находящийся в
автомобиле. Например, при столкновении автомобиля человек, находящийся
в нем, принимает положение, характерное только для данных условий.
Антропометрия обозначает измерение человека. Многие исследователи
пришли к мнению, что не существует среднего человека, который часто
фигурировал раньше как критерий конструктивных ограничений сферы
действия человека. Речь может идти лишь о предельных размерах человека,
полученных при измерении определенной популяции населения и
применимых к системе, с которой эти люди взаимодействуют (рис. 2.1.2 и
рис. 2.1.3).
Антропометрическая
Размеры, см.
Область применения
172
характеристика
мужчины
М
σ
женщины
М
σ
167 5,8
,8
156,7 5,7
Длина тела с вытянутой 213 8,4
вверх рукой (2)
,8
198,1 7,6
Внешняя ширина пле (3)
2,2
41,8
2,4
3,3
59,3
3,1
3,3
56,8
3,0
1,7
30,2
1,6
Высота коленного сустава 90, 4,3
(7)
1
Высота глаз от пола (8)
155 5,8
,9
Высота плечевой точки 137 5,5
(9)
,3
83,5
4,1
Рабочая поза – стоя
Длина тела (рост) (1)
44,
6
Длина руки, вытянутой 64,
вперед (кулак сжат) (4)
2
Длина руки, вытянутой в 62,
сторону (кулак сжат) (5)
3
Длина плеча (6)
32,
7
Высота ладонной точки 51,
(10)
8
3,5
145,8 5,5
128,1 5,2
48,3
3,6
Определение
высоты
оборудования,
высоты
пассажорского
салона
автобуса
Зоны досягаемости по
вертикали,
поручни
пассажиров в автобусе
Размеры
кузова
по
ширине
Зоны досягаемости по
глубине
То же
Высота
расположения
рабочей зоны и органов
управления
То же
Высота
рабочей
поверхности, зоны обзора
Высота
рабочей
поверхности и органов
управления
Зоны захвата
Рис. 2.1.2. Антропометрические характеристики (рабочая поза – стоя)
Антропометрическая
характеристика
Рабочая поза – стоя
Длина тела (11)
Размеры, см.
мужчины
М
σ
женщины
М
σ
130,9
121,1
4,3
4,5
Область
применения
Высота кабины
173
Высота глаз от пола (12)
118,0
4,3
109,5
4,2
Высота плеча от пола 100,8
(13)
4,2
92,9
4,1
Высота локтя (14)
Высота колен (15)
Длина части тела от
сиденья (16)
Высота глаз от сиденья
(17)
Высота плеча от сиденья
(18)
65,4
50,6
88,7
3,3
2,4
3,1
60,5
46,7
84,1
3,5
2,4
3,0
76,9
3,0
72,5
2,8
58,6
2,7
56,0
2,7
Высота локтя от сиденья
(19)
Длина
предплечья
(кулак сжат) (20)
Длина вытянутой ноги
(21)
Длина бедра (22)
23,2
2,5
23,5
2,5
36,4
2,0
33,4
1,8
104,2
4,8
98,3
4,7
59,0
2,7
56,8
2,8
Высота
рабочей
поверхности,
средств индикации
Высота
рабочей
поверхности, зоны
управления
рычагами
То же
Высота сидения
Высота кабины
Обзор дороги и
приборов
Размещение
рабочей
поверхности
и
органов управления
Размещение
подлокотников
Зоны досягаемости
по глубине
Размещение
пола
кабины и педали
Размеры сиденья
Рис. 2.1.3. Антропометрические характеристики (рабочая поза – сидя)
Различают статические и динамические (или функциональные) измерения.
Статические измерения производятся при неподвижном, фиксированном в
определенном положении теле человека и могут быть использованы для
обеспечения приспособляемости человека к условиям интерьера автомобиля,
т. е. его размещения в определенном пространстве. Динамические измерения
устанавливают пределы, которые необходимы для осуществления человеком
функции управления.
Применимость антропометрических данных характеризуется так называемой
репрезентативностью. Репрезентативность - это степень охвата данным
размером
определенного
контингента
людей.
Количественно
репрезентативность представляет собой часть площади (в процентах) под
кривой
нормального
распределения
значений
какого-либо
антропометрического признака (размера) для определенного контингента
людей при сплошном отборе индивидов (рис. 2.1.4). Зная закон
распределения вероятностей, среднюю величину признака (М) и
среднеквадратичное отклонение (б), можно определить число людей, у
174
которых величина антропометрического признака укладывается в тот или
иной интервал.
Рис. 2.1.4. График нормального закона распределения случайной величины
интервалу М±2б соответствует 95-процентная обеспеченность
Пользуясь этими данными, можно в каждом конкретном случае рассчитать
число людей, размерам которых будет удовлетворять данная конструкция.
Как правило, в настоящее время при конструировании технических систем
«человек-машина» невозможно добиться полного соответствия машины
требованиям всех людей, от самых больших до самых малых. Обычно не
учитываются размеры 5% самых высоких или самых низких людей, в
зависимости от того, на что влияет данный размер. В автомобилестроении
при равной вероятности для самых больших и для самых низких людей не
учитываются их размеры. Это можно пояснить на следующих примерах.
Выбирая высоту салона автомобиля, можно ограничиться размером,
соответствующим наименьшему росту 5% самых высоких людей. Напротив,
располагая органы управления, можно пренебречь тем, что часть из них
окажется вне зоны досягаемости для 5% самых низких людей. Таким
образом, в каждом случае для 95% людей будут обеспечены
соответствующие условия. Если же рассматривать салон автомобиля в целом,
то 90% людей будут иметь достаточный комфорт и лишь 5% самых высоких
и 5% самых низких людей будут испытывать некоторые неудобства. Как
показывает опыт, такой компромисс вполне оправдан и экономически
целесообразен (рис. 2.1.5).
175
Рис.
2.1.5.
Построение
кривой
антропометрической характеристики
распределения
значений
В исследовании пассивной безопасности человек является одним из главных
объектов изучения. Однако условия испытаний должны имитировать
аварийные условия при ДТП, представляющие опасность для человека.
Поэтому неизбежно встает вопрос о применении моделей тела человека антропометрических манекенов. Создание манекенов, наиболее близко
имитирующих тело человека по его физико-механическим свойствам,
невозможно без знания антропометрических характеристик человека.
Представительность манекенов также характеризуется репрезентативностью.
Различными зарубежными фирмами выпускаются антропометрические
манекены мужчин и женщин 5%, 50%, 90% и 95% репрезентативности (рис.
2.1.1), а также манекены детей определенного возраста (рис. 2.1.6). Кроме
того, разработана стандартная конструкция трехмерного или посадочного
манекена (ГОСТ 20304-90), основные размеры которого могут
регулироваться в пределах от 5 до 95% репрезентативности (рис. 2.1.7)
Создание антропометрических манекенов не означает, однако, что имеется
универсальная модель, способная полностью заменить человека. Во-первых,
при создании манекена приходится принимать компромиссные решения,
поскольку при настоящем уровне науки и техники еще не удается достигнуть
полной идентичности конструкции манекена строению тела человека.
Поэтому создаваемые манекены необходимо специально исследовать для
определения их характеристик и соответствия этих характеристик
характеристикам
тела
человека.
Во-вторых,
антропометрические
характеристики населения меняются с течением времени.
176
Рис. 2.1.6. Манекены детей
Антропометрические размеры - важнейшая составная часть так называемого
жизненного пространства в салоне автомобиля. Жизненное пространство —
это минимальный объем пассажирского салона, который необходимо
обеспечить при ДТП, для того чтобы предотвратить травмирование людей,
находящихся в автомобиле (рис. 2.1.8, 2.1.9, 2.1.10). При столкновении
человек небольших габаритов может оказаться в более тяжелых условиях.
Дело в том, что благодаря возможности продольной регулировки сиденья
человек малого роста может переместиться (для удобства управления) вперед
настолько, что его грудь, например, окажется ближе к элементам интерьера,
чем грудь человека большого роста. В процессе столкновения в силу упругих
или пластических деформаций элементы интерьера могут достигнуть груди и
нанести человеку травму. Это может также отрицательно повлиять на
эффективность ремней безопасности или других удерживающих систем.
177
Рис. 2.1.7. Трехмерный посадочный манекен:1 - голеностопный шарнир;
2 - кронштейн голенного груза; 3 - коленный шарнир; 4 - бедренный груз; 5 тазобедренный груз; 6 - сектор; 7 - кронштейн продольного уровня;
8 - регулировочный винт; 9 - спинной груз; 10 - поворотный шток;
11 - наконечник поворотного штока; 12 - кронштейн спинной панели;
13 - остов торса; 14 - кронштейн спинных грузов; 15 - спинная панель;
16 - седалищная панель; 17 - съемная пробка; 18 - ось тазобедренного
шарнира; 19 - кронштейн коленных шарниров; 20 - остов тазобедренной
части; 21 - продольный уровень; 22 - поперечный уровень;
23 - голень; 24 - голенный груз; 25 - стопа; A, B, D, E, F, K, M - линейные и
угловые шкалы
Математическое моделирование, широко применяемое в исследованиях
пассивной безопасности, также основывается на антропометрических
данных. Кроме размерных характеристик, для создания математических
моделей тела человека необходимо иметь также данные об инерционных
свойствах, положениях центров тяжести и артикуляции (подвижности)
частей тела человека. С помощью математических моделей, путем изменения
вводных характеристик (размеров, веса и т. д.) можно наиболее подробно
исследовать такой сложный процесс, как перемещение человека внутри
автомобиля при ДТП.
178
Рис. 2.1.8. Жизненное пространство,
автомобилей: 1 – в Италии; 2 – в США
рекомендуемое
для
легковых
Рис. 2.1.9. Жизненное пространство в кабине грузового автомобиля
179
Рис. 2.1.10. Жизненное пространство в автобусе: 1 – центральная линия
транспортного
средства;
2
–
центральная
линия
сидений;
3 – переднее пассажирское сиденье транспортного средства
Приведенный обзор использования антропометрических данных для целей
пассивной безопасности позволяет судить о важности и необходимости
специальных антропометрических исследований в решении проблемы
повышения безопасности автомобильного транспорта.
2.2. Анализ последствий ДТП
2.2.1. Статистические данные последствий ДТП
При разработке конструкции автомобиля необходимо учитывать, насколько
тот или иной элемент опасен для человека. Исследования, проведенные
Корнельской лабораторией аэронавтики в соответствии с Американской
программой изучения травматизма в ДТП, показали, что основная причина
получения тяжелых и смертельных травм - удары о передний щиток и
рулевую колонку. На втором месте - удары о ветровые стекла, на долю
которых приходится 11,3% тяжелых травм и смертельных случаев (табл.
2.2.1). Кроме того, ветровое стекло - причина 21% травм (пробивание черепа,
сотрясение мозга и т. д.).
Таблица 2.2.1
180
Повреждения,
%
Источники
США ФРГ
Рулевое управление 20,5
14,6
Панель приборов
Ветровое стекло
20,2
18,7
19,4
15,9
Двери
11,2
18,6
Крыша
Днище
4,3
-
4,6
5,5
Повреждения,%
Источники
США
переднего 6,8
Спинка
сиденья
Передняя стойка
Зеркало
заднего
обзора
Подвижные
предметы
Прочие
ФРГ
6,1
3,3
2,0
3,7
-
0,6
18,0
11,2
Во время ДТП водитель чаще всего ударяется об автомобиль головой (13%),
а передний пассажир - ногами (11,3%). Те, кто пристегивался ремнями
безопасности, получили серьезные травмы только в 7% случаев и легкие в
34% случаев.
При использовании более эффективных ремней безопасности с инерционным
устройством в результате ДТП лишь 5% пострадавших получили тяжелые
травмы и 29% легкие, в то время как при использовании обычных ремней с
трехточечным креплением соответственно 8 и 37%, а при использовании
диагональных ремней - 7 и 41%. Американские ученые Д. Ф. Хьюэлк и П. У.
Джикас из Мичиганского университета расследовали 104 автомобильные
аварии, в которых погибло 136 человек. В результате были сделаны выводы:
основных причин смерти пассажиров четыре (выброс с сиденья, удары о
рулевое управление, о дверь и о щиток приборов); около 50% жертв могло бы
спастись, если бы пассажиры и водители были закреплены ремнями
безопасности; дальнейшее уменьшение количества несчастных случаев
может быть получено благодаря изменению конструкции автомобиля - путем
установки устройств, уменьшающих силу удара при столкновении. Из 136
пострадавших 38 человек были выброшены из автомобиля. Если бы они
были пристегнуты ремнями, то 18 из 28 выброшенных водителей и 6 из 10
пассажиров, располагавшихся на переднем сиденье, были бы спасены. Из 24
водителей, получивших смертельные травмы от рулевого управления, 18
были убиты от удара о рулевое колесо и спицы. Причем 16 водителей не
сумели бы спастись даже при наличии ремней безопасности. Рулевая колонка
и рулевое колесо настолько выдвигались в зону водителя, что шансы
спастись сводились к минимуму. В 19 случаях смертельным для водителей и
пассажиров явился удар о дверь кузова. И в данном случае
предохранительный ремень безопасности мог дать только минимальную
защиту, так как только два пассажира, размещавшихся на переднем сиденье,
могли быть спасены при применении соответствующей привязной системы.
Панель приборов явилась причиной смертельного исхода в 15 случаях (5
181
водителей и 10 пассажиров переднего сиденья). Большинство из них могли
бы спастись, используя ремни безопасности. Такие элементы конструкции,
как потолок, рама автомобиля и некоторые другие, послужили причиной
смертельных травм в 20 случаях. Свыше половины смертельных случаев
пришлось на водителей автомобилей и четверть — на пассажиров переднего
сиденья. Исследованиями установлено, что подавляющее большинство
погибших - 120 из 136 человек - во время аварии находились на переднем
сиденье. Поэтому, основное внимание должно быть уделено обеспечению
безопасности водителя и пассажира переднего сиденья. Кроме того, анализ
показал, что около 50% жертв погибли бы даже при использовании
предохранительных ремней безопасности. Поэтому большое внимание
следует обратить на изменение обустройства салона и конструкции
некоторых деталей, чтобы устранить острые режущие кромки, а также
жесткие элементы, которые служат причиной травмирования водителей и
пассажиров.
Изучение статистических данных итальянских, американских и немецких
исследователей позволяет выявить элементы конструкции салона
автомобиля, которыми наиболее часто травмируется человек. Первые три
места по опасности заняли: рулевая колонка, щиток приборов, ветровое
стекло. За ними следуют: двери, зеркало заднего вида. Физиологически люди
настолько разнообразны, что при установлении уровня выносливости по
слабейшему субъекту требования к конструкции будут практически
невыполнимы.
В
настоящее
время
конструирование
защитных
приспособлений в автомобиле должно в первую очередь исключать
получение человеком тяжелых и серьезных ранений, пренебрегая при этом
увеличением (относительным) количества легких травм.
2.2.2
Виды
происшествиях
столкновений
при
дорожно-транспортных
Дорожно-транспортные происшествия классифицируются по следующим
видам: столкновение транспортных средств; опрокидывание транспортных
средств; наезд транспортных средств на препятствие; наезд транспортных
средств на стоящий автомобиль; наезд транспортных средств на
велосипедиста; наезд транспортных средств на пешехода; наезд
транспортных средств на животных; наезд на гужевой транспорт; падение
пассажиров из автомобиля.
Один из наиболее частых и тяжелых видов ДТП — столкновение
транспортных средств, которые, в свою очередь, классифицируются на
лобовые, боковые и задние. В каждом из перечисленных видов столкновений
можно выделить удары прямые, эксцентричные и косые.
Наиболее важный фактор, который необходимо учитывать при
сравнительном анализе автомобильных ДТП, - это вид происшествия. Самым
тяжелым является наезд автомобиля на неподвижное препятствие (барьер).
Последствия этого типа ДТП обычно тяжелее, чем при всех прочих
182
столкновениях, совершенных на бол ее высоких скоростях. Например, наезд
на барьер со скоростью 60 км/ч по своим последствиям соответствует
лобовому столкновению двух автомобилей, движущихся навстречу друг
другу со скоростью 60 км/ч каждый. Кроме того, «приведенная скорость
удара» при лобовых столкновениях двух автомобилей уменьшается по мере
того, как направление удара смещается в сторону относительно продольных
осей симметрии автомобилей. При возрастании величины смещения
увеличивается угловая скорость вращательного движения, получаемого
автомобилями в момент столкновения. В результате происшествие имеет
менее тяжелые последствия.
Хотя лобовые столкновения автомобилей и менее опасны, чем наезд на
неподвижное препятствие, это вовсе не означает, что их тяжесть невелика.
Лобовые столкновения - тоже тяжелый и опасный вид ДТП, на долю
которых, по зарубежным данным, приходится от 30 до 70% всех
происшествий (рис. 2.2.1). Так, американская исследовательская группа
Корнельской лаборатории аэронавтики приводит следующие цифры:
лобовые столкновения - 56,5% от общего числа ДТП; наезд сзади - 7,8%;
43,9% от числа лобовых ударов приходится на взаимное столкновение
автомобилей, а 12,6% на столкновения одиночных автомобилей; 50% лобовых ударов происходит при скорости ниже 65 км/ч.
Рис. 2.2.1. Лобовое столкновение
Тяжесть лобового удара проще всего моделировать на примерах свободно
падающего тела. Например, тяжесть травмирования, полученного
пассажиром при лобовом столкновении автомобилей со скоростью 30 км/ч,
соответствует падению человека с высоты 4 м. Тяжесть лобового удара
быстро растет с увеличением скорости. Если скорость удваивается, то
эквивалентная высота растет в 4 раза. По тяжести травм, которые получают
пассажиры, лобовые столкновения автомобилей разделяются на: легкие (при
скорости менее 15 км/ч); средней тяжести (при скорости 15-40 км/ч);
183
тяжелые (при скорости более 40 км/ч). Автомобильные ДТП рекомендуется
классифицировать по двум диапазонам скоростей: до 50 км/ч - диапазон
выносливости пострадавших; до 100 км/ч - диапазон выживания
пострадавших.
2.2.3. Внешние повреждения автомобиля
При определении степени серьезности аварии обычно используют величину
деформации автомобиля. В конкретных условиях удара энергия,
затрачиваемая на деформацию, будет являться функцией скорости. При
оценке аварийной деформации автомобиля необходимо воспользоваться
каким-либо методом подсчета энергии в зависимости от величины
деформации. К важнейшим параметрам, влияющим на деформацию
наружных частей автомобиля, относятся: начальная скорость удара; вид
ДТП; зона удара или та часть автомобиля, на которую приходится удар;
направление удара; жесткость ударяемого предмета (автомобиль - стена;
автомобиль - автомобиль; автомобиль - столб; автомобиль - человек);
геометрия предмета; размеры предмета; конструкция кузова автомобиля.
Многие из перечисленных факторов взаимосвязаны, и все они должны быть
учтены при оценке деформации наружных частей автомобиля с целью
определения силы удара.
Несколько лет назад при университете г. Бирмингема (Англия) была
организована исследовательская группа для всестороннего изучения аварий
автомобилей. Всего было обследовано 636 дорожных происшествий, в том
числе 482 (76%) в городе и 154 (24%) в сельской местности и на
автомобильных магистралях. В обследовавшихся ДТП участвовало 1049
автомобилей, из них 72,3% легковых и легких грузовых автомобилей типа
фургон.
Количество повреждений передней части автомобилей (передка и обоих
передних углов) вследствие фронтальных ударов о движущееся или
неподвижное препятствие составляло около 50% всех повреждений, а
количество повреждений боковой задней части (вследствие наездов сзади) и
опрокидываний равно соответственно 25 и 10% от общего количества всех
повреждений. Опрокидывание автомобилей может происходить как без
столкновения, например вследствие заноса, так и в результате столкновения
автомобиля с движущимся или неподвижным препятствием. Опрокидывание
тяжелых грузовых автомобилей происходит довольно редко (всего менее
4%). Легкие грузовые автомобили типа фургон переворачиваются чаще, чем
легковые автомобили, что объясняется высоким расположением их центра
тяжести. У каждого опрокинувшегося автомобиля замерялась величина
деформации крыши и регистрировались травмы пассажиров. Отмечено, что
травмы пассажиров при деформациях крыши более 150 мм (39% всех случаев
опрокидывания автомобилей) значительно тяжелее, чем в случаях
опрокидывания с меньшей величиной деформации крыши.
В результате исследования было установлено:
184
1. Количество наездов автомобилей на пешеходов вне города очень мало.
Наезд на пешеходов обычно происходит с небольшой скоростью, в среднем
32 км/ч.
2. Количество столкновений автомобилей с объектами, расположенными вне
дорог, велико как при движении в городе (14,4%), так и при движении за
городом (28,7% случаев).
3. При загородном движении почти 25% происшествий произошло
вследствие наездов автомобилей на насыпи, канавы, что указывает на
необходимость улучшения планировки загородных дорог.
4. Столкновения автомобилей с другими автомобилями составляют почти две
трети всех дорожных происшествий как в городских условиях, так и при
движении по загородным дорогам.
На обследованных пострадавших автомобилях имелось 1740 дверей, из
которых 197 (11%) открылись во время аварии. Чаще других открываются
передние двери: 15,1% случаев - когда открывались двери у водителя, 12,3%
- у переднего пассажира. Задние двери открываются значительно реже
(обращенные к оси улицы - 5,3% случаев, а обращенные к тротуару - 4,1%).
Пассажиры, вылетающие из пострадавшего автомобиля наружу через
раскрывшиеся двери, получают особенно серьезные, часто смертельные
травмы.
Двери автомобиля открываются в основном потому, что при опрокидывании
автомобиля наружная ручка или кнопка запорного механизма приходит в
соприкосновение с поверхностью дороги, вследствие чего не запертая на
запорное приспособление дверь открывается. Она также может открыться в
результате скручивания кузова автомобиля во время опрокидывания, когда
язык замка выходит из гнезда. Подобное явление наблюдается и при ударе в
бок автомобиля, при котором возникают деформации на противоположной
стороне. Это явление реже наблюдается при дверных замках, имеющих
устройство, препятствующее появлению зазора между дверью и проемом
кузова. Например, количество открывшихся дверей (у водителя),
оборудованных замками со стягивающими устройствами и без них,
составило соответственно 7,7 и 17,5%, а для всех обследованных дверей
соответственно 4,3 и 12%. Двери открываются также из-за удара о них
пассажира или сиденья; это часто случается в автомобилях, оборудованных
сиденьями типа диван, когда они ударяют в дверь, элементы конструкции
которой уже находятся под динамически ми воздействиями; дверь водителя
открывается чаще, чем другие двери.
2.2.4. Возгорание автомобилей при столкновениях
Особую опасность при автомобильных катастрофах представляет возгорание
автомобилей. В Италии, насчитывающей более 9 млн. автомобилей,
ежегодно происходит 350 тыс. столкновений, из которых 0,03%
заканчиваются возгоранием автомобилей. В США были проведены
статистические исследования возгораний при наиболее тяжелых ДТП. Из 32
185
065 ДТП, в которых, по крайней мере, один человек был ранен, возгорание
автомобилей произошло в 148 случаях (0,46%). Отсюда можно сделать
вывод, что возгорание автомобилей происходит довольно редко.
Чаще возгорание происходит при тяжелых происшествиях, таких как лобовое
столкновение, наезды на мачты или столбы, а также падение автомобилей с
высоты нескольких метров. Эти катастрофы вызывают почти полное
разрушение автомобиля. Исследования показывают, что количество
возгораний прямо пропорционально тяжести происшествий и что отношение
между количеством возгораний и количеством столкновений не меняется в
зависимости от места расположения двигателя (впереди или сзади). Во всех
катастрофах топливо выливается из бака или из топливоналивной горловины,
крышка которой обычно отлетает далеко от автомобиля или сильно
повреждается.
Известно, что топливно-воздушная смесь загорается только при содержании
в ней топлива в пределах 1,4-6%. В топливном баке концентрация паров
бензина составляет от 10 (при 17 °С) до 50% (при 40 °С). Это исключает
возможность загорания топлива в баке. Пары бензина имеют больший
удельный вес, чем воздух, поэтому они оседают вниз. Эти пары могут
задержаться в закрытых и невентилируемых пространствах, таких как
автомобильный багажник, в то время как отделение для двигателя открыто
снизу и сверху и интенсивно вентилируется. В багажном отделении,
содержащем топливный бак или заливную горловину, бензиновые пары
могут образовываться в основном при неправильной заправке топлива на
топливозаправочной станции (последующее неплотное закрытие крышки
горловины, случайное расплескивание бензина в багажнике и т. п.).
Таким образом, даже в критическом случае при расплескивании топлива во
время заправки последующая вентиляция при движении уменьшает
концентрацию паров до безопасного уровня. Отсюда можно заключить, что
присутствие топливно-воздушной смеси в багажном отделении в
критической концентрации до столкновения является исключительным
случаем. Теоретически утечка топлива может происходить в результате
повреждения системы питания. Однако при многих испытаниях автомобилей
на столкновения, даже при расположении топливопроводов в критических
местах, никогда не наблюдалось их повреждений. Следовательно, можно
заключить, что топливопроводы также не являются постоянным источником
возгорания. Источником возгорания может служить топливный бак. Поэтому
при проектировании автомобиля расположению топливного бака необходимо
уделять особое внимание. До сих пор нет критерия для оптимального
расположения бака.
При определении места расположения топливного бака обычно
руководствуются основными положениями:
1) бак располагают в отдалении от двигателя (если двигатель находится
впереди, то бак - сзади и наоборот);
186
2) установка бака сзади более желательна, так как самые тяжелые
катастрофы происходят при лобовых столкновениях, а наезды происходят в
основном при средних скоростях;
3) некоторые конструкторы, стремясь создать более комфортабельные
условия и исключить попадание топлива внутрь салона, располагают
топливный бак снаружи кузова. Однако в этом случае бак более подвержен
вероятным повреждениям не только при катастрофах, но и от неровностей
дорожного полотна.
Наиболее безопасным можно считать размещение бака, где он смонтирован
внутри крепкой переборки.
Испытания показали, что топливо может расплескиваться и из отверстия
наливной горловины, закрытого пружинной крышкой недостаточно плотно.
При испытаниях на столкновение с различными скоростями был проведен
тщательный анализ этого явления: если деформация бака незначительна,
крышка поднимается на несколько миллиметров, при этом образуется
кольцевой зазор, через который расплескивается бензин; если же деформация
топливного бака велика, крышка выпадает, а сама горловина повреждается.
При концентрации динамического усилия на баке последний получал
значительные повреждения, и фонтанирующая струя топлива из наливной
горловины поднималась на высоту около 4 м.
Все сказанное свидетельствует о том, что при подобном повреждении бака
может образовываться горючая смесь. Когда крышка наливной горловины
закрыта плотно, расплескивания бензина не происходит. Было доказано, что
для повреждения топливного бака требуются очень большие усилия. При
специальных испытаниях на отдельном топливном баке было определено,
что он может быть сильно деформирован без образования трещин, т.е. течей,
даже если он был заполнен жидкостью.
Результаты испытаний автомобилей на удар о металлический барьер
(топливный бак располагался спереди) при различных скоростях позволяют
сделать следующие выводы: удар на малой скорости - трещины в стенках
бака не образуются, и он остается на своем месте; удар на средней скорости
— легкая деформация стенок бака, которая не вызывает образования трещин;
бак работает как элемент, передающий усилие к кузову и деформирующий
последний; при дальнейшем увеличении скорости перед ударом деформация
бака возрастает, появляются небольшие трещины в тех местах, где бак
соприкасается с выступающими частями (крепежные болты кузова, элементы
кузова и рамы и т. п.). При этом происходит расплескивание топлива; удар на
очень больших скоростях - бак разрушается полностью, топливо быстро
растекается вокруг автомобиля на несколько метров. Результаты испытаний
показали, что топливный бак имеет хорошее механическое сопротивление
динамическим усилиям, но если столкновение происходит на большой
скорости, топливо расплескивается из отверстия горловины, а в
исключительных случаях - и из трещин в стенках самого бака.
Было проведено несколько опытов по исследованию воспламенения
топливной смеси. Например, если на бензин, растекающийся по земле,
187
падает горящая сигарета, то он не всегда загорается, так же как и при
попадании на раскаленную металлическую пластину. Необходимо
подчеркнуть, что возгорание автомобиля при катастрофе возможно при двух
обстоятельствах:
1) образование топливно-воздушной горючей смеси (состав которой
находится в интервале воспламеняемости) в результате расплескивания
топлива из бака (наличие течей или расплескивание из отверстия наливной
горловины);
2) зажигание смеси электрической искрой или от других источников.
Эта искра может иметь различное происхождение: из-за удара или трения
металлических частей (что случается сравнительно редко) или из-за
повреждения электрической цепи. В последнем случае происходит короткое
замыкание между токонесущим проводом и элементами кузова (массой) или
же расплавление участка электропроводки из-за перегрева.
Топливный бак следует размещать в местах, наименее подверженных
разрушению при любой катастрофе. Он должен иметь такую форму, чтобы
противостоять любым деформациям без повреждений. Различные
выступающие части кузова, которые могут повредить бак, необходимо
устранить. Крышка топливоналивной горловины должна иметь плотную
посадку, чтобы предотвратить расплескивание топлива даже при
незначительной деформации стенок бака.
Для того чтобы исключить возможность возгорания автомобиля, следует
применять детали и узлы из огнеупорных материалов, правильно располагать
топливный бак, усовершенствовать различные узлы в системе
топливопровода и систему аварийного выхода из автомобиля при пожаре.
Бензобаки, заливные горловины и бензопроводы легковых и грузовых
автомобилей должны быть безопасны в противопожарном отношении при
столкновении.
2.2.5. Стендовые испытания автомобилей
При
необходимости
исследования
всего
комплекса
явлений,
сопровождающих
дорожно-транспортное
происшествие
(величину
возникающих замедлений, характер травм манекена, величину деформаций
отдельных элементов конструкции автомобиля и пр.), проводят испытания на
полигонах, где производится намеренное столкновение автомобиля с
неподвижной стенкой или другим автомобилем. При этом сталкивающиеся
автомобили могут двигаться навстречу друг другу (лобовое столкновение), в
одном направлении (задний удар), в поперечном направлении (боковой
удар). Может быть произведено и опрокидывание автомобиля.
В 1960г. фирма Mercedes впервые стала производить стендовые испытания
автомобилей, направленные на определение степени безопасности
конструкции.
Стенд
представлял
собой
платформу-тележку,
передвигавшуюся по рельсам и приводимую в движение тросом от двух
188
лебедок, применяемых обычно для запуска планеров. На платформе можно
закрепить как переднее сиденье автомобиля с рулевым управлением, так и
всю переднюю часть автомобиля со всем внутренним оборудованием и
органами управления. Двигающаяся по рельсам тележка под влиянием тяги
лебедок набирает заданную начальную скорость и затем ударяется о
неподвижный барьер или стенку. Лобовая стенка барьера снабжена упругими
амортизаторами или облицована упругим материалом, жесткость которых
подобрана таким образом, чтобы по возможности полнее имитировать
деформацию передка автомобиля, происходящую в реальных условиях
столкновения. Стенды, подобные описанному, теперь применяются в
лабораториях многих других фирм и исследовательских учреждений. При
этом для приведения тележки в движение наряду с тросовым (лебедочным)
приводом используют энергию распрямляющейся пружины, давление
сжатого воздуха и реактивную тягу, возникающую при сгорании взрывчатого
вещества.
Позднее была создана специальная лаборатория по полномасштабным
испытаниям автомобилей на удар и столкновение. Испытываемые
автомобили движутся по специальной дорожке длиной около 52м с помощью
линейного индукционного электродвигателя. Начальное ускорение
автомобиля ограничено величиной 15g, с тем чтобы исключить нарушения в
положении элемента автомобиля и манекена. Для приспособления к
испытаниям автомобилей различного веса и класса на стенде имеется
десятипозиционный переключатель напряжения электродвигателя. Когда
автомобиль находится на расстоянии 3 м от барьера, электродвигатель,
расположенный в траншее под направляющей дорожкой, автоматически
разобщается с автомобилем и тормозится, в то время как автомобиль
продолжает движение на барьер по инерции почти без потери приобретенной
скорости. Все испытание занимает лишь несколько секунд. Полностью
автоматическое управление испытанием дает возможность проводить точный
хронометраж и воспроизводить все необходимые условия испытания.
Осветительные устройства мощностью 50 кВт, позволяют вести
высокоскоростную киносъемку испытания. Все приборы системы освещения
и кинокамеры включаются в работу автоматически, чем обеспечивается
синхронность их действия. На этом стенде можно испытывать также
различные элементы конструкции автомобиля, которые устанавливают на
специальных тележках. Деформируемые буферные устройства используются
для создания различного диапазона замедлений.
Интересен по своей конструкции стенд, созданный в США и названный
«ударными салазками», на котором можно воспроизводить конечные
результаты столкновения автомобиля с препятствием. Отличие этого стенда
от других стендов подобного типа заключается в том, что если обычно
автомобиль, двигаясь с какой-то скоростью, в момент столкновения резко
замедляет ее, снижая до нуля, то здесь наоборот, автомобиль, находящийся в
покое, в момент, соответствующий моменту столкновения, начинает
ускоренно двигаться, но в направлении, обратном направлению обычного
189
движения. При этом картина нагружения автомобиля и манекенов силами
инерции получается совершенно такой же, как и при реальном столкновении,
хотя автомобиль в конечный момент столкновения (удара) получает
максимальную скорость, а не нулевую, как обычно. При экспериментах
использовали специальную тележку. На ней установлены обтянутые мягким
материалом и снабженные соответствующими приборами поверхности,
имитирующие элементы автомобиля, о которые ударяется манекен при
резкой остановке тележки. За время экспериментов было сделано 15 заездов,
причем тележка имела различную скорость в момент встреч с тормозным
блоком, а манекен закрепляли на сиденье предохранительными ремнями
безопасности различных типов. Экспериментальная тележка весит около
1000кг и движется по рельсу длиной до 10м. Движение тележки ускоряется
на пути длиной 2,5м при помощи пневматического силового цилиндра. Для
достижения желаемой скорости изменяют давление подводимого в
пневмоцилиндр сжатого азота. После пробега 6м тележка ударяется о
тормозной блок, в котором имеются гидравлические тормозные устройства,
позволяющие изменять величину тормозной силы.
Процесс перемещения тележки и манекена в момент удара регистрируется
тремя кинокамерами. Две из них производят съемку сбоку, а третья —
спереди. Одна из боковых кинокамер имеет скорость киносъемки 500 кадров
в секунду, а другая - 1000 кадров в секунду. Для подачи отметок времени,
которые записываются на киноленте, используют неоновые лампы.
Контактные устройства на рельсах и на тележке служат для включения
датчиков времени и освещения (вспышками) снимаемого процесса удара.
Ударные нагрузки, приложенные к поверхности, с которой сталкивается
манекен, регистрируют двумя датчиками, один из которых измеряет
перпендикулярные, а другой тангенциальные усилия, действующие на
поверхности. Нагрузки на ремень безопасности измеряют в его анкерных
креплениях. В лабораториях фирм General Motors и Ford применяют стенды
для испытаний конструкций панелей приборов, а также с целью подбора для
них мягких предохранительных накладок. Стенд представляет собой
массивный молот-маятник с укрепленной на его внешнем конце головой
манекена, ударяющейся в панель приборов. Примерно такую же
конструкцию имеет гравитационная установка фирмы Ford для определения
воздействия грудной клетки манекена на рулевое колесо при ударе.
Совершенствование стендов для испытаний автомобиля и частей его
конструкции дает возможность лучше исследовать процесс столкновения на
всех «промежуточных» этапах. Любое нововведение в конструкции
автомобиля должно пройти тщательный контроль на стендах.
При испытаниях на удар автомобиль может приводиться в движение силой
тяги (через трос) другого вспомогательного автомобиля или толканием в
задний буфер, а также силой тяги собственных ведущих колес. На участках
разгона испытываемый автомобиль обычно направляется принудительно с
помощью монорельсов. В дальнейшем им управляют по радио из
190
сопровождающего автомобиля или из центрального диспетчерского пункта,
находящегося на испытательной площадке.
Использование такого большого количества методов испытаний доказывает,
что не существует оптимального варианта: каждый метод имеет свои
достоинства и недостатки. Например, при буксировке, при спуске по
наклонной направляющей и при использовании импульса силы допустима
только ограниченная скорость движения; при испытаниях на падение не
гарантируется правильное положение испытуемого автомобиля во время
удара. Движение автомобиля с помощью постороннего источника энергии,
необходимость блокировки руля или использование направляющего рельса
не дают полной картины столкновения. Последний недостаток, присущий
большинству методов испытаний, является одним из наиболее серьезных.
При испытаниях на опрокидывание также используются несколько методов.
Рекомендуется стандартизировать испытательные методы для получения
сравнимых результатов при различных способах испытаний. В то же время
стандартизация позволяет выбирать оптимальный для данных условий
вариант испытаний.
Статические испытания. Этот метод базируется на том принципе, что к
каждому элементу автомобиля крепятся тросы, к которым затем
прикладывают силу, пропорциональную произведению массы данного
элемента на его замедление. Тросы, связанные с элементами автомобиля,
натягивают, а перемещению автомобиля препятствует барьер, который
представляет собой как бы реакцию к прилагаемым силам. Соотношения
этих сил, величина которых разнится для каждого троса, соответствует
соотношениям замедлений, приложенных на том же типе автомобиля во
время динамических барьерных испытаний на столкновение. Этот метод
испытаний имеет два важных преимущества: он допускает замедленное и
видимое разрушение конструкции автомобиля и позволяет измерить
нагрузки, соответствующие различным степеням деформации. Сравнение
результатов, полученных при статическом и барьерном испытаниях,
показало, что между этими двумя методами нет больших расхождений.
Упрощенное испытание может быть проведено путем закрепления
центральной части кузова и динамического воздействия на переднюю
(имитация лобового удара) или на заднюю часть (задний удар) автомобиля.
Динамическое воздействие осуществляется с помощью толкающего
плунжера. Максимальное упрощение состоит в продольном сжатии
испытуемого автомобиля с помощью пресса.
Метод испытаний с использованием катапульты еще больше приближается к
реальным условиям столкновений. К тому же он достаточно прост,
экономичен и пригоден для разнообразных условий испытаний. На
катапульте можно производить испытания при низкой и средней скоростях
автомобиля, принимая во внимание, что повреждения конструкции
автомобиля, получающиеся при столкновениях на скорости 40 км/ч, уже
значительны, особенно в ослабленных местах кузова; согласно статистике,
большинство дорожных происшествий в городах происходит на скорости
191
около 40 км/ч. Именно поэтому большинство испытаний проводится на этой
скорости. В последнее время стали увеличивать скорость автомобиля при
испытаниях, что вызвано изменением характера движения на дорогах за
последнее десятилетие. При этом исследуют также возможность возгорания
автомобилей при столкновениях с высокими скоростями.
Цели испытаний: выявить безопасность пассажиров при столкновении и
возможность последующего восстановления автомобиля. При этом строят
диаграммы деформации при замедлении для различных точек автомобиля в
зависимости от скорости столкновения. Кроме того, исследуют: поведение
элементов усиления кузова (лонжеронов, траверсов, крепежных узлов и т. п.);
состояние обшивки кузова и панелей в зависимости от материала (пластмасса
или металл) или метода сборки (точечная сварка или съемная панель);
поведение деталей и надежность дверных замков при ударных нагрузках в
связи с возможностью самопроизвольного открывания дверей и
выбрасывания пассажиров; возможность вдавливания двигателя в
пассажирский салон; прочность сидений и мест крепления ремней
безопасности; опасность травм водителя и пассажиров со стороны рулевого
колеса, рулевой колонки и других частей, выступающих внутрь кузова;
различные типы стекол и возможность их разрушения.
Результаты исследований: точная оценка серьезности травм и аварии; при
наличии показателя серьезности аварии можно будет определить предел
выносливости человеческого организма к воздействию ударных нагрузок, в
результате чего будут изменены оценочные критерии конструкции
автомобиля, сведен к минимуму травматизм при авариях на автомобильном
транспорте; более реальная оценка вариантов конструкций деталей,
образующих интерьер салона; статистические данные по травматизму на
автомобильном транспорте можно будет систематизировать по признаку
тяжести травм; будет исключена возможность неправильного анализа причин
и последствий травм, полученных в автомобильных катастрофах.
Динамическое испытание автомобилей обеспечивает большую полноту
информации о деформации и ускорении различных точек автомобиля и
манекена. Этот метод является достаточно приближенным к реальным
условиям ДТП, так как позволяет определить и оценить поведение
автомобиля и манекена, движущихся с определенной скоростью.
2.2.6. Исследование процесса столкновения
Столкновение автомобилей происходит в течение десятых, а иногда и сотых
долей секунды. Конструкция и скорость — вот основные факторы, влияющие
на величину разрушения (деформации) и его время. Для наглядности
представим себе автомобиль в виде железнодорожного состава. Вагоны —
это всевозможные элементы автомобиля, следующие друг за другом в
определенном порядке (бампер, радиатор, вентилятор, двигатель и т. д.), а
сцепки вагонов - элементы крепления (болты, сварка).
192
Во многих фильмах мы наблюдали драматический момент столкновения
поездов. Поезда уже столкнулись, но движение вагонов продолжается: они
надвигаются, корежатся, перевертываются, соскальзывают с рельс и,
наконец, все замирает. Где-то посредине груда искореженного металла, а по
обе стороны от нее стройный ряд оставшихся невредимыми вагонов. То же
самое происходит и с автомобилем. Энергия, которой он обладал в момент
столкновения, должна быть поглощена (рассеяна). Сминается бампер, фары,
кузов, затем происходит сдвиг двигателя; если энергия еще велика, то
разрушаются рама и салон автомобиля.
Время поглощения кинетической энергии деформацией рассматриваемого
элемента конструкции автомобиля, можно распределить следующим
образом: смятие бампера - 0,01; фар - 0,02; радиатора - 0,003; капота - 0,005;
вентилятора, - 0,0003; сдвиг двигателя - 0,008; дальнейшая деформация
кузова с перемещением двигателя - 0,03 с. Итого общее время деформации 0,0588 с для скорости соударения около 50 км/ч.
Когда два транспортных средства, например автомобили, сталкиваются, то
между ними происходит взаимодействие, называемое ударом. Удар - это
явление, происходящее в механической системе, характеризуемое резким
изменением скоростей ее точек за очень малый промежуток времени и
обусловленное кратковременным действием очень больших сил.
Столкновение автомобиля с препятствием (неподвижным или другим
автомобилем) состоит из двух фаз: само столкновение (от момента
соприкосновения до момента наибольшего сближения) и последующее
перемещение автомобиля (от момента наибольшего сближения до момента
разъединения). В первой фазе - кинетическая энергия относительного
движения автомобилей переходит в остаточную деформацию и частично в
потенциальную энергию упругой деформации, тепловую энергию, энергию
звуковых колебаний и др. Во второй фазе - при восстановлении или
разъединении потенциальная энергия упругой деформации преобразуется
вновь в кинетическую энергию автомобиля. Для совершенно неупругих тел
удар заканчивается на первой фазе. Иногда неупругий удар бывает и при
столкновении автомобилей. В этом случае они продолжают движение вместе
как одно целое с одинаковой скоростью. (идеально упругих ударов
автомобилей практически не бывает.)
Прямая, проходящая через точку соприкосновения автомобилей при их
столкновении, направленная параллельно относительной скорости их
центров тяжести в начале столкновения, называется линией удара или
столкновения. Понятие линии удара имеет существенное значение, так как
именно по этой линии действует ударный импульс при столкновении
автомобилей. Различают следующие виды столкновений. Если скорости
автомобилей до столкновения параллельны линии удара, то столкновение
называется прямым, а если не параллельны, то столкновение называется
косым. Столкновение называется центральным, если линия удара проходит
через центры тяжести автомобилей, в противном случае оно будет
эксцентричным или внецентральным. Следует иметь в виду, что направление
193
линии удара при столкновении автомобилей зависит не только от
направления движения, но и от величины скорости движения каждого из них.
Если скорости движения автомобилей различны, то линия удара будет
расположена под меньшим углом к продольной оси того из них, который
перед столкновением имел большую скорость.
Специалисты многих стран мира уделяют значительное внимание изучению
последствий лобовых столкновений легковых автомобилей. Для этого на
специальных полигонах проводят испытания автомобилей на столкновения.
В ходе таких испытаний автомобили получали значительные повреждения
узлов и деталей передней части, происходившие обычно в следующем
порядке: бампер, крылья, капот, радиатор, в который вдавливался
вентилятор, и водяной насос. Затем в ряде случаев наблюдался прогиб рамы
и деформация пола автомобиля. Все эти процессы протекали в течение 0,010,06 сек.
Кинетическая энергия обычного легкового автомобиля, движущегося с
умеренной скоростью, очень велика. Так, автомобиль стандартных размеров,
весящий 1800 кг, при наезде на неподвижное препятствие со скоростью
около 50 км/ч обладает кинетической энергией, в момент удара равной 16
800 кГм. Вся эта энергия, рассеиваемая в виде тепла при нормальном
торможении за относительно длительный промежуток времени, при
столкновении должна рассеяться за доли секунды. По имеющимся данным,
энергия, развивающаяся при катастрофах тяжелых автомобилей, достигает
сотен тысяч килограммометров. Автомобили, ударяющиеся в неподвижную
прочную стенку большой массы, поглощают при этом всю энергию удара,
так как жесткая стенка практически не деформируется. Если два одинаковых
легковых автомобиля весом по 1800 кг сталкиваются лоб в лоб на скорости
50 км/ч, эффект бывает таким же, как если бы каждый ударился о
неподвижное препятствие. Если же один из них движется медленнее, чем
другой, то суммарная энергия, выделяемая при столкновении, будет
несколько меньше, чем в предыдущем случае. Однако автомобилю с
меньшим весом или движущемуся с меньшей скоростью придется поглотить
большую энергию, чем та, которой он обладал к моменту столкновения.
Кинетическая энергия движущегося автомобиля при столкновении должна
превратиться в механическую работу, а не в теплоту, как это бывает при
обычном торможении. Как правило, эта энергия превращается в работу
деформации остова автомобиля и его узлов. Сила удара при столкновении
может быть уменьшена, если автомобиль или его деталь в результате удара
перемещаются на возможно большее расстояние. Таким образом, качество
легкового автомобиля с точки зрения безопасности пассажиров определяется
его способностью поглощать энергию удара при столкновении. Водитель и
пассажиры при столкновении после мгновенной остановки автомобиля еще
продолжают двигаться в течение нескольких долей секунды, сохраняя
скорость движения, которую автомобиль имел в момент, предшествующий
аварии. Именно в этот отрезок времени происходит большая часть увечий и
194
травм со смертельным исходом в результате удара головой о ветровое стекло
или грудью о рулевое колесо.
Несомненный
интерес
представляют
результаты
испытаний,
характеризующие энергетическую сторону процесса столкновения
автомобилей. По данным американских исследователей фирмы Ford, при
лобовом ударе автомобилей, движущихся со скоростью от 34 до 83 км/ч,
мощность разрушений и деформаций изменялась в пределах 850-5980 л. с.
Соответственно сила, сминавшая переднюю часть автомобиля на длине 1 м,
составляла 12—39 т. Под действием этой силы передняя часть автомобиля
сжималась подобно гармошке (упругая и остаточная деформации на длине от
0,33 до 1,33 м). Такую деформацию автомобиля в дальнейшем будем
называть телескопированием.
Имея в виду квадратичную зависимость живой силы автомобиля перед
ударом его в препятствие от величины скорости движения, нетрудно
предположить, что уже при начальной скорости 100 км/ч последствия удара
будут гибельны для находящихся в нем людей. Эту мысль подтверждают
результаты испытании автомобилей, ударяющихся в дерево с начальной
скоростью 103 км/ч, проведенные на испытательном полигоне фирмы
General Motors. Кривая зависимости поглощаемой кинетической энергии,
полученная экспериментально, показывает, что по истечении 0,03 сек с
начала столкновения мощность разрушения передка автомобиля достигла
внушительной величины - около 17 тыс. л. с. Инженеры фирмы просто не
представляют себе «безопасную» конструкцию автомобиля, способную
поглотить столь огромную энергию, гарантируя одновременно такой
характер изменения и максимальную величину замедления, которые были бы
безопасны для находящихся в кузове людей.
2.2.7. Кинематика перемещения человека в автомобиле
Качество легкового автомобиля с точки зрения безопасности пассажиров
определяется его способностью поглощать энергию удара при столкновении,
т.е. проходить после удара такое расстояние, которое могло бы ограничить
усилия, действующие на водителя и пассажиров в течение долей секунды
после удара. Водитель и пассажиры при столкновении автомобиля с другим
или с препятствием после мгновенной его остановки продолжают двигаться в
направлении первоначального движения еще в течение некоторого времени
со скоростью, предшествовавшей моменту аварии. Именно в этот отрезок
времени происходит большая часть увечий и травм со смертельным исходом
в результате удара головой о ветровое стекло или грудью о рулевое колесо.
В существующих конструкциях автомобилей расстояние от головы до
ветрового стекла почти всегда меньше, чем расстояние от тела пассажира до
приборного щитка (рис. 2.2.2). При перемещении не зафиксированного на
сиденье тела чаще всего голова ударяется о лобовое стекло, воспринимая
основную энергию удара, в то время как тело еще не дошло до приборного
195
щитка. Расстояние от коленей пассажира до щитка или кузова обычно еще
меньше, чем от туловища до щитка.
Рис. 2.2.2. Размещение человека в кабине
Такое расположение приводит к следующим движениям человека (рис.
2.2.3):
1) если колени находятся рядом со щитком, то при столкновении они
ударяются о щиток, туловище поворачивается так, что голова водителя или
пассажира ударяется о верх ветрового стекла или раскладку;
2) если колени удалены на значительное расстояние от щитка приборов, то
туловище пассажира двинется вперед, голова ударится о стекло, а затем все
туловище ударится о щиток.
Рис.
2.2.3
Механизмы
при столкновении автомобилей.
образования
травм
у
водителей
Это простейшие виды перемещения людей, которые приняты сейчас для
анализа безопасности автомобилей при столкновениях. Фактически
перемещение человека значительно сложнее.
196
2.3. Разработка конструкции безопасного автомобиля
2.3.1. Общие закономерности создания безопасного автомобиля
Обеспечение «пассивной» безопасности автомобиля практически имеет не
меньшее значение чем обеспечение его активной безопасности и является
частью одной общей проблемы - обеспечения безопасности движения.
Работая над повышением пассивной безопасности, конструктор должен
стремиться:
- обеспечить защитную зону вокруг каждого пассажира;
-ограничить перемещение водителя и пассажиров относительно сиденья;
-уменьшить уровень травматизма от ударов о внутренние поверхности
пассажирского помещения кузова;
-уменьшить нагрузки, действующие на пассажира;
-принять меры к уменьшению вероятности травмы в послеаварийной
обстановке;
-предусмотреть удобный выход из потерпевшего аварию автомобиля.
Один из важнейших факторов, вызывающих повреждения человеческого
организма, - перегрузки (при ускорениях и замедлениях). Цель
проектирования безопасного автомобиля - создание такого внутреннего и
внешнего конструктивного обустройства, которое помогало бы водителю и
пассажирам выдерживать большие перегрузки, возникающие при ДТП.
Проектирование безопасного автомобиля должно быть основано на анализе
количественных данных о повреждениях. Анализ помогает определить
наиболее опасные элементы конструкции автомобиля с точки зрения
вероятности получения травм водителями и пассажирами. На основании
подобного анализа проводятся необходимые конструктивные мероприятия
для снижения травмоопасности того или иного элемента.
Цель большинства исследовательских работ: анализ некоторых основных
правил безопасности при авариях; обсуждение с инженерной точки зрения
различных типов повреждений при ДТП; анализ основных узлов и деталей
автомобиля, наиболее часто причиняющих пассажирам и водителям травмы
и ушибы; проверка некоторых существующих методов и программ,
применяемых для установления количественных значений уровня
терпимости человеческого организма к ударам.
Принцип конструирования защитных приспособлений в автомобиле должен
в первую очередь предполагать уменьшение серьезных и смертельных травм.
Следовательно, при конструировании нужно соблюдать это условие в
первую очередь, иногда даже пренебрегая возможностью увеличения
количества легких травм.
Технико-эксплуатационные требования, которые должны быть предъявлены
к автомобильной промышленности с целью повышения безопасности
пассажиров при ДТП, могут быть установлены только тогда, когда будут
точно определены все причины, вызывающие травмы людей, находящихся в
197
автомобиле. Некоторые факторы, влияющие на характер повреждения при
ударе - мягкие поверхности и большие площади соприкосновения, уменьшают трав мы, однако удар в голову опаснее, чем удар в корпус.
Возможность травмирования человека необходимо оценивать не только
качественно, но и количественно, для чего следует найти параметр,
определяющий величину вероятности повреждения.
Потенциальную возможность получить повреждение можно подразделить на
две области: первую - до порогового значения получения травмы и вторую получение травм от незначительных до смертельных. Очевидно, что между
этими двумя областями нельзя провести строгой границы. Поэтому следует
применять «уровни выносливости», которые определяют потенциальную
возможность излечимости травмы, не ведущей к инвалидности. Требуется
установить «уровни выносливости» для всех частей тела человека и
зависимость этих уровней от элементов автомобиля, наносящих травму.
Самый низкий «уровень выносливости» и определит требования к
безопасной конструкции автомобиля.
Говоря о насущных вопросах создания безопасного автомобиля, можно
сделать выводы:
-наибольшая защита водителя и пассажиров требуется при лобовых
столкновениях;
-наибольшая безопасность пассажира обеспечивается применением ремней
безопасности; количество и тяжесть травм значительно снижаются при
правильном проектировании передней части автомобиля с точки зрения
восприятия и гашения энергии удара;
- защитное приспособление должно находиться как можно ближе к телу
человека во избежание эффекта «удара кнутом».
Эффективность ремней безопасности может быть значительно повышена:
- при создании меньшего удельного давления на тело человека;
-при надлежащей упругости (динамической емкости) ремня в момент начала
удара;
-при изменении размеров салона с целью увеличения пространства для
растягивания ремня;
- при правильном соотношении динамических емкостей ремня и передней
части автомобиля по деформации.
Удары сбоку и сзади доставляют меньше неприятностей, чем лобовые,
поэтому основное внимание должно уделяться обеспечению безопасности
людей при лобовых ударах.
При проектировании безопасного автомобиля:
1) уровень безопасности нового автомобиля должен быть значительно выше,
чем у любого другого для всех расчетных условий (он также будет
относительно выше и для «сверхрасчетных», непредвиденных условий, хотя
и в меньшей степени);
2) пассажирское отделение должно удовлетворять всем требованиям
безопасности, т. е. чтобы двигатель или колеса не «въехали» в него от удара;
198
3) ни удар, ни любая поломка не должны вызывать подачи назад рулевой
колонки;
4) руль и колонка должны перемещаться и поглощать энергию удара
(телескопировать), а также распределять удар по груди водителя без
нанесения травм при ускорениях и силах в расчетных пределах;
5) выброс пассажиров должен быть исключен в любых расчетных условиях;
6) все пассажиры должны иметь индивидуальные защитные и удерживающие
средства, особенно на местах размещения детей;
7) перед пассажирами не должно быть никаких острых и выступающих
деталей;
8) если деталь убрать нельзя, то она должна быть такова, чтобы уменьшить
силу ее давления на тело;
9) если и этого нельзя сделать, то нужно выполнить ручки и щитки такими,
чтобы они легко прогибались (деформировались) под нагрузкой, поглощали
энергию удара и распределяли удар на большую площадь тела;
10) стекла окон должны быть максимально гибкими, чтобы не повредить
голову, а расстояние от головы водителя до ветрового стекла - выбираться в
зависимости от размеров и конструкции автомобиля;
11) бензобаки не должны перемещаться или рваться от внутреннего давления
при любых условиях.
2.3.2. Защитные свойства кузова
Основной метод уменьшения нагрузок, действующих на пассажира, —
восприятие кинетической энергии удара при помощи демпфирующей
системы. По существу, чем продолжительнее период замедления автомобиля,
тем меньше инерционные нагрузки и, следовательно, меньше усилия,
воздействующие на предмет. Кинетическая энергия удара может
восприниматься как самим автомобилем, так и системой ограничения
перемещения пассажира внутри кузова. При лобовом ударе возникают
наиболее высокие ударные нагрузки, поэтому этот случай аварии требует
особого внимания при конструировании автомобиля. Проектировщик должен
стремиться к тому, чтобы уменьшить пиковые инерционные нагрузки;
подчинить контролю темп нарастания величины замедления; установить
допустимый уровень замедления; свести к минимуму толчок, ощущаемый
пассажиром в начальный момент удара; обеспечить отклонение в безопасном
направлении предметов, проникающих внутрь салона; предусмотреть
достаточно жесткую конструкцию салона. При лобовом ударе с начальной
скоростью 80 км/ч замедления достигают 65 g. При соответствующем же
изменении конструкции автомобиля значение пикового замедления можно
уменьшить до 35-45 g.
Если в конструкции передней части кузова использовать материалы,
обладающие повышенной ударной энергоемкостью, как, например,
различные материалы сотовой структуры, гидравлические амортизаторы и
хрупкие алюминиевые трубы, то защитные свойства кузова при лобовом
199
ударе существенно возрастут. При использовании для амортизации удара
алюминиевых труб вес конструкции возрастает незначительно, в то время
как характер протекания инерционных нагрузок при ударе значительно
изменяется. Кроме того, положительных результатов можно добиться и при
помощи обычных стальных элементов кузова, если при их конструировании
исходить из задачи обеспечения прогрессивной деформации передней части
кузова при ударе. На некоторых моделях американских автомобилей впереди
жесткой оболочки средней части кузова размещена усиленная перегородка,
которая является не только поперечной деталью пространственной
конструкции кузова, но служит и преградой, способной отклонить вниз
двигатель, который при лобовом ударе стремится переместиться в сторону
салона. При сильном лобовом ударе демпфирующая способность передней
перегородки
недостаточна.
Поэтому
необходимо
предотвратить
проникновение тяжелого агрегата внутрь салона введением дополнительных
элементов и изменением конструкции рамы или подрамника. Защитная зона
вокруг водителя и пассажиров обеспечивается благодаря жесткому каркасу
пассажирского салона в сочетании с легко деформирующимися при ударе
передней и задней частью кузов (рис.2.3.1, 2.3.2). Такого рода «мягкие» части
кузова предназначены в возможно большей степени поглощать энергию
удара и тем самым не допускать деформации кузова непосредственно вокруг
пассажиров, одновременно снижая возникающие при этом ускорения людей
в автомобиле.
Таким образом, разрабатывая кузов «безопасного» автомобиля, нельзя
ограничиваться добавлением отдельных безопасных элементов к
существующим конструкциям. Следует основываться на совершенно новых
конструкциях и принципах. В соответствии с патентом ФРГ, выданным
фирме Mercedes еще в 1952 г., № 854157 (см. рис. 2.3.1), «безопасный»
автомобиль должен иметь жесткий снаружи салон и двери с надежными
замками. Все внутренние элементы салона должны быть деформируемыми, а
ремни - пластически растяжимыми. Система «автомобиль-ремень-человек»
должна создаваться таким образом, чтобы протекание во времени замедления
автомобиля, рулевой колонки и панели приборов было полностью
соразмерно в отношении человеческих возможностей энерговосприятия и
соотношений «сила—путь» и «сила-время». Такие конструкции несущей
системы получили название «сотовых». Фирма Mercedes запатентовала ряд
конструктивных мероприятий, обеспечивающих создание кузова с особо
прочной и жесткой
«коробкой» пассажирского
помещения и
энергопоглощающими передней и задней частями.
200
Рис. 2.3.1. Патент ФРГ № 854157.
В 1950-х гг. начали выпускаться серийные Mercedes, которые воплощали в
себе запатентованные ранее принципы. Важнейшая особенность
подмоторной рамы таких автомобилей — такая форма и жесткость передних
частей лонжеронов, благодаря которым она при ударе автомобиля отгибается
вверх и назад над поперечиной узла подвески передних колес. Одновременно
концы лонжеронов несколько расходятся в стороны, принимая V-образную
форму. Таким образом, деформация передка автомобиля в направлении его
продольной оси при ударе протекает постепенно в два этапа и тем
существенно демпфирует силу удара.
Рис.
2.3.2.
Оптимальный
характер
деформации
передней
и
задней
частей
автомобиля
соответственно
при наезде на препятствие и при ударе сзади
Обращают на себя внимание особая прочность и жесткость лонжеронов рамы
на участке от поперечины подвески до щита передка кузова, а также формы
лонжеронов, предохраняющих картер рулевого механизма от восприятия
энергии удара. Конструкция, размеры и общая жесткость передней части
рамы выбраны так, что при лобовых столкновениях автомобилей (с полной
нагрузкой) на скорости 80 км/ч деформация лонжеронов и брызговиков колес
201
заканчивается еще до того, как силовой агрегат может соприкоснуться с
препятствием. Конструкция кузова Mercedes имеет предохранительные
перекладины из стали с высокой прочностью на разрыв, которые
размещаются между внутренней и внешней дверными панелями, хорошо
сопротивляются внедрению ударяющего автомобиля и предотвращают его
скачок вверх. Кроме того, в этой конструкции кузова усилены замки и петли
дверей, а также дверные стойки на участке от их середины до пола кузова.
Сечение указанной предохранительной балки - перекладины составляет 5,1 х
20,3см, и четыре таких перекладины, используемые обычно в автомобиле,
весят около 22,7кг.
Одним из первых английских автомобилей, кузов которого был построен по
этому принципу, был Rover-2000, признанный еще в 1963 г. наиболее
безопасным автомобилем массового производства. В настоящее время почти
все зарубежные легковые кузова строятся по принципу прогрессивной
энергоемкости. В период с 1965 г. при разработке конструкции автомобиля с
повышенной способностью передней части поглощать энергию удара на
полигоне фирмы Ford (США) было разрушено свыше 175 автомобилей. При
этом испытуемый автомобиль, едущий со скоростью 48 км/ч, сталкивается с
200-тонным барьером, что соответствует лобовому столкновению
автомобилей, движущихся по шоссе со скоростью примерно 72 км/ч.
Количество энергии, которое должно поглотиться при таких ударах,
огромно: приблизительно 16 600 кГм для автомобиля полным весом 1800 кг.
Эта энергия поглощается при деформации автомобиля меньше чем за 0,1сек.
Однако нужно иметь возможность управлять этой деформацией и
локализовать ее. Проблема создания передней части кузова с заданной
степенью смятия при столкновениях в настоящее время уже практически
решена. Например, на всех легковых автомобилях концерна Ford
усовершенствована конструкция передней части автомобиля для улучшения
ее относительной энергопоглощающей способности без уменьшения
надежности и долговечности. Следует отметить, что точно определить
необходимую дополнительную защиту пассажиров и водителя невозможно
из-за недостатков существующих методов оценки и трудностей в
установлении
соотношений
между
результатами
испытаний
и
действительных аварий на шоссейных дорогах. Работа концерна «Ford» в
этом направлении является, очевидно, лишь первым шагом. Следующим
шагом в этой области должна быть совершенно новая конструкция
автомобиля, при создании которой в основу легли бы требования о
значительном улучшении ударостойкости автомобиля. Основные изменения
свелись к усилению одних и ослаблению других деталей рамы или
штампованных деталей переднего оперения и кузова в нижней части
автомобиля в целях локализации поглощения энергии как можно дальше от
пассажирского помещения. Для этой цели были добавлены отверстия и
углубления на передних лонжеронах подрамника, ребра жесткости на
брызговиках колес, распорные кронштейны «торпедо», косынки на
лонжеронах в средней части подрамника, амортизирующие удлинители к
202
передним лонжеронам и пр. Одновременно была повышена жесткость салона
автомобиля.
В автомобилях рамной конструкции увеличению жесткости средней части
кузова способствует рама, однако она в известной мере затрудняет
обеспечение прогрессивной деформации передней части кузова; для
устранения этого недостатка на американских автомобилях Ford и Mercuri и
применяется рама с измененной конфигурацией передней части, которая
складывается в «гармошку» при ударе. Таким образом, энергия удара
локализуется в передней части автомобиля, на достаточно безопасном
расстоянии от пассажирского салона. Для обеспечения безопасности крыша
легкового автомобиля должна быть достаточно жесткой, чтобы воспринять
вертикальные нагрузки, возникающие при опрокидывании автомобиля.
Жесткость крыши можно увеличить путем применения целого ряда
дополнительных вертикальных усиливающих элементов арочного типа,
имеющих жесткую продольную связь друг с другом. Вертикальные элементы
воспринимают нагрузку, действующую в их плоскости. При наличии
жесткой
продольной
связи
между
вертикальными
элементами
обеспечивается распределение приложенной в одном месте нагрузки на
несколько смежных вертикальных элементов. Рациональное распределение
скручивающих и сдвигающих напряжений обеспечивается за счет панелей
пола и дверей.
Большие нагрузки в продольном, поперечном и вертикальном направлениях
действуют при ударах на двери, дверные замки и петли дверей. Двери
должны защищать салон сбоку от проникновения внутрь него посторонних
предметов при аварии. Сейчас двери являются наиболее уязвимыми деталями
в наружной оболочке кузова. Они не должны открываться при аварии, для
того чтобы увеличить общую жесткость салона, а также, чтобы пассажиры не
могли вывалиться из кузова. Для защиты пассажиров применяются
комбинированные вертикальные элементы, способствующие усилению
дверей. Кроме того, защитные свойства дверей возрастают при применении
усиливающих кронштейнов, амортизирующих материалов и высоких
лонжеронов, верхняя поверхность которых располагается на одном уровне с
бамперами. Наилучшие результаты дает одновременное сочетание всех
способов усиления дверей.
Обычно для поглощения энергии удара автомобилем при столкновении
требуется значительное расстояние смятия (до 1 м и более). Таким
расстоянием располагают деформируемые передняя и задняя части
автомобилей (рис.2.3.3). При ударе сбоку для поглощения этой энергии
имеется расстояние всего около 25 мм. Однако было обнаружено, что при
ударе одного автомобиля в бок другого последний начинает скользить в
сторону движения ударившей машины, а это позволяет ему поглотить
энергию почти на таком же расстоянии, какое имеется при деформации
передней и задней частей автомобиля.
В настоящее время рассматриваются различные типы кузовов с точки зрения
использования их для изготовления безопасного легкового автомобиля.
203
Анализируются грузопассажирские кузова, такси, спортивные модели.
Исследуются разнообразные системы привода и компоновочные схемы.
Определяются защитные свойства узлов и агрегатов современных
автомобилей. Цель этой работы - рациональное использование стандартных
узлов при проектировании безопасного автомобиля, с тем чтобы стоимость
его незначительно превышала стоимость стандартных легковых
автомобилей.
Повышение требований к обеспечению безопасности водителей и
пассажиров привело к тому, что в США каждая новая модель автомобиля,
предназначенная для продажи после 1 января 1968 г., должна быть
подвергнута испытаниям на столкновение с неподвижным барьером при
скорости 48 км/ч, и конструкции этих моделей должны быть
модифицированы в соответствии с требованиями стандартов. Основные
европейские автомобилестроительные фирмы также создали установки для
барьерных испытаний. В этих установках автомобиль перемещается к
барьеру с помощью простых буксирных устройств или силой собственной
тяжести. Подобные испытания проходят как существующие, так и новые
конструкции - прототипы автомобилей.
Рис. 2.3.3. Смятие передней части кузова при ударе
При конструировании безопасных кузовов необходимо:
- установить предохранительный боковой брус, отклоняющий наезжающий
сбоку автомобиль от мест пассажиров;
- усилить кронштейны кузова, дверных петель и защелки замков; применить
деформируемые переднюю и заднюю части кузова автомобиля,
поглощающие энергию удара при столкновении;
- применять двери новых конструкций (выдвижных и подъемных);
- увеличить площадь остекления, чтобы улучшить обзорность с места
водителя;
204
- пассажирский салон должен быть жестким снаружи, а двери - иметь
надежные замки;
- все внутренние элементы салона должны быть деформируемыми, а ремни
безопасности пластически растяжными.
Основная задача, которую надо решить при проектировании кузова,
заключается в том, чтобы при минимальном расходе металла построить
жесткую пространственную конструкцию, одновременно уменьшив
жесткость передней и задней части кузова, повысив их демпфирующие
качества. Применением рамной конструкции трудно добиться требуемых
защитных свойств кузова. Это существенный недостаток по сравнению с
несущими кузовами, жесткость которых в любом месте легко варьируется
путем изменения толщины листового металла, идущего на изготовление того
или иного элемента кузова. Другой метод, обеспечивающий местное
ослабление или усиление несущего кузова, - изменение формы отдельных его
панелей и балок. Этим же способом можно при той же жесткости
существенно уменьшить толщину листовой стали, идущей на изготовление
несущих деталей кузова, и, следовательно, их вес. Однако при уменьшении
толщины металла необходимо пропорционально уменьшать допуски на этот
размер. В результате несколько усложняется технологический процесс
прокатки стального листа и возрастает его стоимость, т. е. экономия в весе не
приводит
к
пропорциональному
уменьшению
себестоимости
модифицированной детали кузова. Обычно из компромиссных соображений
не все элементы несущих кузовов штампуются из стального листа одной
толщины.
Все чаще конструкторы при расчете кузова автомобиля применяют «решетку
безопасности». Она должна обеспечивать приемлемые нагрузки на тело
человека от резкого замедления при ДТП и сохранять пространство
пассажирского салона после деформации кузова.
При тяжелой аварии существует вероятность проникновения двигателя в
салон автомобиля. Поэтому передняя часть салона имеет специальные ребра
жесткости и обрусья. При создании Mercedes А-класса конструкторы
рассчитали жесткость подрамника автомобиля таким образом, что в случае
удара он должен переломиться и направить двигатель вниз, под пол
автомобиля (рис.2.3.4). На фирме Audi, при создании автомобилей
последнего поколения, также была разработана и применена своя «решетка
безопасности», получившая название ASF (Audi Space Frame). При
проектировании кузова для автомобиля Skoda Octavia II для увеличения
жесткости кузова были разработаны пороги новой конструкции. Многие
элементы кузова, такие как крыша, боковины, задние двери свариваются с
помощью лазера. Все эти конструктивные и технологические нововведения
позволили значительно повысить пассивную безопасность автомобиля, что
обеспечило автомобилю четыре звезды на испытаниях по методике
EuroNCAP.
Обеспечивая все большую пассивную безопасность для водителя и
пассажиров автомобиля, конструкторы не забывают и о пешеходах (рис.
205
2.3.5). Так, Правило № 26 ЕЭК ООН регламентирует требования к наружным
выступам легковых автомобилей с целью уменьшения вероятности
травмирования пешеходов. В соответствии с этим Правилом ни одна
выступающая часть наружной поверхности не должна иметь радиус кривизны
менее 2,5 мм, кроме деталей, которые выступают менее чем на 5 мм при
условии, что наружные углы таких деталей сглажены.
Наружная поверхность автомобиля не должна иметь выступающих наружу
остроконечных или режущих частей или выступов (выступающие части
наружной поверхности, изготовленные из материала, твердость которого не
превышает 60 единиц по Шору (А), могут иметь радиус кривизны менее 2,5
мм).
Рис. 2.3.4. Процесс деформации передней части легкового автомобиля
и перемещение его силового агрегата после столкновения:
а
–
положение
легкового
автомобиля
в момент его столкновения с препятствием;
б
–
деформация
передней
части
автомобиля
(поглощение кинетической энергии), перемещение силового агрегата;
в
–
окончание
деформирования
передней
части
автомобиля
и перемещение силового агрегата под пол
Декоративные дополнительные детали, выступающие по отношению к своей
опоре более чем на 10 мм, должны утапливаться, отрываться или изгибаться
под действием силы 100 Н.
Предохранительные планки или пластинки на наружной поверхности должны
прочно крепиться на автомобиле.
Выступающие ободки и козырьки фар разрешается применять при условии,
что максимальная их высота по отношению к наиболее выступающей точке
поверхности стекла фары не превышает 30 мм и что радиус их кривизны в
любом месте составляет не менее 2,5 мм.
У наружных решеток, у которых имеется щель размером 25... 40 мм, радиус
кривизны должен составить не менее 1 мм. Если же расстояние между двумя
расположенными последовательно элементами решеток не превышает 25 мм,
206
то радиус кривизны наружной поверхности элементов должен составлять не
менее 0,5 мм.
Крепление щеток стеклоочистителей должно быть таким, чтобы рычаг
щеткодержателя был прикрыт защитным элементом, имеющим радиус
кривизны более 2,5 мм и минимальный размер поверхности не менее 150 мм2.
Щетки или любые опорные детали стеклоочистителей не должны иметь
острых углов и остроконечных или режущих частей.
Концы бамперов должны быть загнуты в направлении наружной поверхности
таким образом, чтобы свести к минимуму опасность зацепления окружающих
предметов. Это предписание считается выполненным, если для бампера
предусмотрено специальное углубление в кузове.
Составные элементы бамперов должны иметь такую конструкцию, чтобы
минимальный радиус кривизны всех обращенных наружу жестких
поверхностей составлял 5 мм. (Требования не распространяются на элементы,
установленные на бампере, составные части бампера или детали, вставленные
в бампер, в частности, на стыковые накладки и жиклеры стеклоомывателей
фар. которые выступают на расстояние менее 5 мм.)
Для ручек двери или багажника выступы не должны превышать 40 мм. Если
на боковых дверях установлены ручки поворотного типа, то они должны
отвечать любому из следующих двух требований:
• при наличии ручек, поворачивающихся параллельно плоскости двери, концы
ручек должны быть направлены назад и загибаться по направлению к плоскости
двери, а также ограждаться дополнительной рамкой или находиться в
углублении;
• ручки, поворачивающиеся наружу в любом направлении, но не параллельно
плоскости двери, в закрытом положении ограждаются предохранительной
рамкой или находятся в углублении и конец такой ручки должен быть направлен
либо назад, либо вниз.
Колеса, гайки крепления колес, колпаки ступиц и декоративные колпаки
колес не должны иметь никаких остроконечных или режущих выступов,
выходящих за пределы внешней полосы обода колеса (использование корончатых
гаек не допускается).
При следовании в прямом направлении ни одна часть колес, за
исключением шин, не должна выступать за контуры вертикальной проекции
наружной поверхности кузова на горизонтальную плоскость более чем на 30 мм.
Устройство желобов, служащих, например, в качестве волан стоков или
направляющих для раздвижных дверей, разрешается только при условии, что они
будут загнуты внутрь или их края будут иметь защитное устройство
(незащищенный желоб считается загнутым, если он загнут назад приблизительно
на 180° или если он загнут по направлению к кузову таким образом, что но
сможет соприкоснуться с шаром диаметром 100 мм).
Радиус кривизны изгибов на обшивке кузова должен был! не менее 2,5
мм. Радиус кривизны краев боковых обтекателей я щитков, которые могут
выступать наружу, должен быть не менее 1 мм.
207
Кронштейны для домкрата и выхлопная труба не должны вы ступать более
чем на 10 мм за вертикальную проекцию л пола.
Заслонки впускных/выпускных вентиляционных отверстий должны
соответствовать техническим требованиям во всех положениях, возможных при
эксплуатации.
Стекла окон, открывающиеся наружу по отношению к внешней
поверхности автомобиля, должны соответствовать следующим требованиям:
• ни один из краев стекла не должен выступать вперед;
ни одна из частей стекла не должна выступать за край габаритной ширины
автомобиля Держатели номерных знаков должны иметь радиус кривизны более
2,5 мм (если они соприкасаются с шаром диаметром 100 мм), при условии, что
номерной знак установлен по рекомендации завода — изготовителя
автомобиля.
На поверхностях багажников и приспособлений для перевозки лыж,
которые после установки такого приспособления могут соприкасаться с шаром
диаметром 165 мм, не должно быть деталей с радиусом кривизны менее 2,5 мм, а
такие крепежные элементы, как болты, не должны выступать более чем на 40 мм
за пределы поверхностей.
Радиоантенны следует устанавливать на автомобили таким образом, чтобы в
случае, когда их незакрепленный конец находится на высоте менее 2 м от
поверхности дороги в любом положении, возможном при эксплуатации, он не
должен выходить за пределы зоны, ограниченной вертикальными плоскостями,
располагающимися на расстоянии 10 см внутрь от края габаритной ширины.
В последнее время применяются передние крылья, изготовленные из
специального пластика (рис.2.3.5).
208
Рис. 2.3.5. Пассивная безопасность для пешеходов
В случае наезда на пешехода они разрушаются, нанося пострадавшему
наименьшие повреждения, некоторые производители ведут испытания
своеобразных «подушек безопасности» для пешехода (рис. 2.3.6). В момент
наезда они раздуваются и, амортизируя удар, опускают пешехода на капот.
Рис. 2.3.6. Внешние подушки безопасности
209
2.3.3. Безопасный бампер
Основной функцией бампера является защита дорогостоящих элементов
кузова от повреждений при столкновении или наездах, происходящих на
относительно невысоких скоростях. При этом бамперы практически не
предохраняют пассажиров и водителей от травмирования при более
серьезных дорожно-транспортных происшествиях. Сейчас они служат в
основном лишь защитой от повреждения фар и задних фонарей при заезде на
стоянку и выполняют эти функции на скорости до 3 км/ч. Бампер
современного легкового автомобиля представляет собой скорее область
работы художника-стилиста, чем инженера-конструктора, так как многие
считают, что бампер не в состоянии как-либо защитить автомобиль, вес
которого обычно колеблется в пределах 1,5-2 т. Между тем ясно, что энергия
удара не может исчезнуть, а должна быть поглощена элементами кузова на
возможно большем удалении от пассажирского помещения. В этой связи
нельзя игнорировать защитные свойства бампера, каковы бы они ни были. В
будущем, очевидно, конструкторы решат технические проблемы упругого
соединения бампера с кузовом автомобиля. Такое соединение должно
поглощать большую часть кинетической энергии удара, возникающую при
столкновении автомобилей. Введение бамперов, расположенных на
одинаковой, стандартной для всех автомобилей высоте над уровнем дороги,
несомненно, приведет к снижению количества и тяжести повреждений
кузовов автомобилей.
Следует отметить, что материалы, используемые в настоящее время для
автомобильных бамперов, разрушаются при столкновении с относительной
скоростью, равной 9 км/ч, а при больших относительных скоростях
происходят значительные повреждения кузова. Фирма Ford предлагает в
будущем применять покрытые резиной подковообразные бамперы,
предохраняющие кузов от повреждений при столкновении с относительной
скоростью 16 км/ч. Комбинированные бамперы, покрытые резиной и
опирающиеся на спиральные пружины могут предохранить кузов от
значительных повреждений при столкновениях с относительной скоростью
до 36 км/ч, однако при этом выдвигать бампер приходится на значительное
расстояние, да и наезды автомобилей один на другой чаще всего происходят
на стояночных площадках, где скорости движения невелики и поэтому нет
смысла рассчитывать бамперы на значительную скорость.
Кроме того, при дальнейших испытаниях выяснилось, что прочные бамперы,
покрытые резиной и опирающиеся на стальные пружины, предохраняя
элементы кузова от повреждений, в то же время препятствуют поглощению
энергии удара деформирующейся передней частью автомобиля, в результате
чего пассажиры с большей силой ударяются о внутренние детали салона и
получают серьезные травмы. Необходимо найти такие конструкции бампера
и передней части автомобиля, такие соотношения их жесткости и прочности,
чтобы при слабом ударе бампер защищал от повреждения элементы кузова
автомобиля, имеющие большую стоимость, а при тяжелых столкновениях
210
бампер и передняя часть автомобиля деформировались бы совместно,
поглощая значительную часть энергии удара и защищая, таким образом,
пассажиров от серьезных травм.
Предложено много конструкций безопасных бамперов. Вначале бампер
обтягивали толстым слоем пористой резины или упругого пластика, однако
это не привело к желаемым результатам. Было установлено, что бампер при
слабых толчках должен защищать от повреждения дорогие элементы кузова,
а при сильных ударах деформироваться вместе с передней частью
автомобиля.
Безопасные бамперы содержат энергопоглощающий элемент, в котором
энергия удара преобразуется в работу деформации или тепловую энергию.
По типу упругого элемента бамперы могут быть механические,
гидравлические, пневматические и комбинированные.
На рис. 2.3.7, а показан бампер с механическим амортизирующим элементом,
работающем на сжатие. Бампер состоит из средней балки 1 и двух боковых
крыльев 2, соединенных шарниром 3. Энергопоглащающий элемент
выполнен в виде конуса 7, жестко соединенного с кузовом автомобиля.
Внутри конуса проходит стержень 4 с коническим блоком 6 из упругой
пластмассы, упирающимся в буртик 5. К стержню 4 гайкой 8 прикреплена
тяга 9 вспомогательного элемента, состоящего из конуса 11 и упругого
элемента 10. Верхняя часть конуса соединена с боковым крылом 2. При
ударе эластичные блок 6 и элемент 10 вдвигаются внутрь конусов и,
сжимаясь, поглощают энергию удара.
На некоторых американских автомобилях бамперы имеют резиновые блоки,
растягивающиеся в процессе удара и поглощающие до 70% энергии (при
скорости 2,2 м/с). При этом на каждый амортизатор действует усилие около
60кН. В конце удара между бампером и кузовом автомобиля остается зазор,
равный примерно 13 мм.
В механических амортизаторах упругий элемент может работать на сдвиг
(рис. 2.3.7, б). Поперечный брус 15 бампера соединен со стальной. пластиной
16, привулканизированной к резиновому элементу 14. Наружная часть
элемента закреплена в обойме 13. При ударе пластина перемещается назад до
тех пор, пока не упрется в упругий буфер 12 на кузове автомобиля. Резина
элемента при этом деформируется, как показано в нижней части рис. 2.3.7, б.
211
Рис.
2.3.7.
Безопасные
бамперы
с упругими амортизирующими элементами:
а – схема бампера с элементами, работающими на сжатие;
б - схема бампера с элементами, работающими на сдвиг; 1 – балка;
2 – боковое крыло; 3 – шарнир; 4 – стержень; 5 – буртик; 6 – конический
блок; 7 – энергопоглощающий корпус; 8 – гайка; 9 – тяга;
10 – упругий элемент; 11 – конус; 12- - буфер; 13 – обойма;
14 – резиновый элемент; 15 – поперечный брус бампера; 16 - пластина
M ⋅ v02 = W p ⋅ G ⋅ e ,
где M – масса автомобиля;
v 0 – скорость автомобиля в момент соударения;
W p – объем резины в упругих элементах;
-5
G p – модуль сдвига резины 4⋅10 МПа;
e – относительная деформация резины при сдвиге, равная для натурального
каучука 2,5, для специальных сортов резины 3,5–4.
Высота резинового элемента:
h = ∆ e,
где ∆ – абсолютная деформация резины, равная перемещению автомобиля
при остановке (если кузов автомобиля не деформировался).
Площадь горизонтального сечения резинового элемента равна:
Wp h
Обычно применяют несколько блоков (рис. 2.3.7, б), имеющих квадратную
форму со стороной квадрата ηh , где η = 1÷2. Тогда
W p h = 2 nη 2 ⋅ h 2 ,
где n – число энергопоглощающих элементов.
Отсюда число элементов
n = W p (2h 3 ⋅ η 2 ) = M ⋅ v 02 ⋅ e (2G p ⋅ η 2 ⋅ ∆3 )
Элементы, работающие на сдвиг, удобны тем, что их жесткость не зависит от
направления перемещения бампера при ударе. Наиболее приемлемым
оказался для них материал, синтезированный на основе этиленпропиленовых
соединений.
Предложены также конструкции бамперов, в которых металлический корпус,
воспринимая удар, надвигается на стальные ножи, укрепленные на кузове.
Верхний слой металла бампера срезается ножами, и работа, затрачиваемая на
образование стружки, поглощает кинетическую энергию.
В пневматических и гидравлических амортизирующих элементах энергия
удара поглощается при сжатии газа или перетекании жидкости через
дросселирующие отверстия. Схема бампера с гидропневматическим
амортизатором показана на рис. 2.3.8,а. На кузове автомобиля установлен
цилиндр 6 с гильзой 2, соединенной с корпусом 9. Поршень 7 закреплен на
штоке 4 с конической передней частью. Между корпусом 9 и штоком 4
имеется кольцевое дросселирующее отверстие 3. Задний конец штока жестко
212
укреплен на кузове автомобиля. Полости 5 корпуса бампера и цилиндра
заполнены вязкой жидкостью (глицерином, минеральным или силиконовым
маслом), а полость 8 - инертным газом, например азотом. Утечки
предотвращаются уплотнениями 1. При ударе корпус 9 перемещается назад,
и поршень 7 сжимает газ. Одновременно гильза 2 вдвигается в цилиндр 6,
вытесняя жидкость через дросселирующее отверстие в полость,
расположенную за поршнем. Благодаря конической форме штока расход
жидкости через отверстие 3 уменьшается при перемещении корпуса 9,
скорость поршня снижается в каждую секунду на одну и ту же величину, и
автомобиль движется с постоянным замедлением.
Характеристика бампера — зависимость между деформацией и замедлением
— имеет форму, близкую к прямоугольнику (штриховая линия на рис. 2.3.8,
б). Количество энергии, поглощаемой бампером при такой форме
характеристики, максимально. Для автомобиля массой 2040 кг при v0 = 22,4
м/с и п - 2 удалось получить перемещение в процессе удара, равное всего
0,76 м, при этом 0,3 м - ход поршня, а 0,46 м - деформация рамы. Сила,
действующая на бампер, составила 80,3кН, а среднее замедление 33,4g, что
значительно ниже предельных значений. При давлении около 4 МПа диаметр
поршня равен 11см, что вполне приемлемо по конструктивным
соображениям. После удара инертный газ в полости 8 увеличивается в
объеме и корпус возвращается в исходное положение. Иногда вместо газа
используют спиральную или тарельчатую пружину, однако они недостаточно
долговечны.
Рис.2.3.8.
Безопасный
с гидропневматическим амортизирующим элементом:
а- схема бампера; б- характеристика бампера;
1уплотнение;
2гильза;
3дросселирующие
4шток;5полость
корпуса
бампера;
67- поршень; 8- полость; 9- корпус бампера
бампер
отверстие;
цилиндр;
У некоторых моделей автомобилей гидравлические элементы безопасного
бампера автоматически выдвигаются вперед на 30 - 40см при достижении
скорости движения 10 - 15 м/с. Это обеспечивает нужный зазор между
213
бампером и кузовом при ударе, позволяя вместе с тем сохранить небольшую
габаритную длину автомобиля на стоянках.
Применяются
также
гидропневматические
бамперы
из
легко
деформируемого
упругого
синтетического
материала,
например
поливинилхлорида. В этом случае бампер представляет собой оболочку
толщиной около 6 мм, внутренняя полость которой объемом 10-20л
заполнена водой (рис. 2.3.9, а). Во время столкновения автомобилей сначала
деформируется корпус бампера и сжимается воздух, находящийся над водой.
Затем под действием давления воздуха и воды выталкиваются пробки,
закрывающие небольшие (диаметром 24-40 мм) отверстия в верхней части
оболочки, и вода выбрасывается из отверстий. При ударе такого бампера
автомобиля, движущегося со скоростью до 14 м/с о стоящий автомобиль, оба
автомобиля получают лишь незначительные повреждения, а при скорости
менее 8м/с не остается ни каких следов столкновения. Зимой бампер
заполняют антифризом.
Рис. 2.3.9. Безопасные бамперы из синтетических материалов:
а – бампер с выбиваемыми заглушками; б – бампер с растягивающимся
сильфоном; 1 – упругая оболочка; 2 – суживающаяся часть трубки;
3 – трубка; 4 – корпус; 5 – сильфон; 6 – пружина
Другой вариант гидропневматического бампера показан на рис. 2.3.9, б. В
этом бампере нет отверстий в упругой оболочке 1, внутренняя полость
которой сообщается трубкой 3 с сильфоном 5 из синтетической ткани,
находящимся в отдельном корпусе 4. Пружина 6 внутри сильфона
удерживает его в сжатом состоянии. При ударе жидкость из внутренней
полости через трубку 3 выбрасывается внутрь сильфона, увеличивая его
объем (на рисунке сильфон показан в разжатом состоянии) и преодолевая
сопротивление пружины. Трубка 3 имеет суживающуюся часть 2, которая
214
увеличивает сопротивление перетеканию жидкости. Энергия удара гасится
вследствие перетекания жидкости через небольшое отверстие (диаметром
19— 40 мм) и преодоления силы пружины сильфона.
В ФРГ разработан безопасный пневматический бампер (рис. 2.3.10),
состоящий из двух рукавов 1, уложенных параллельно выемки каркаса 5 из
алюминиевого сплава. Опорный рукав 4 лежит в выемке кузова и сообщается
с внутренней полостью каркаса через клапан 3. Все элементы бампера
закрыты защитной оболочкой 2. При наездах и столкновениях усилие через
рукава и каркас передается на опорный рукав 4. Давление в рукаве 4
повышается, и воздух через клапан 3 с малым проходным сечением
поступает в полость каркаса.
Применение бамперов, поглощающих энергию удара, требует изменения
конструкции многих элементов кузова. Для размещения амортизаторов
необходимо усиливать рамы и нижние части несущих кузовов и изменять их
конфигурацию. Вследствие увеличения массы бампера приходится
устанавливать более жесткие и прочные рессоры. На многих моделях
автомобилей изменены колеса, шины, рулевые механизмы, детали подвески.
У некоторых американских автомобилей при установке новых бамперов
собственная масса автомобиля увеличилась на 24—59 кг.
Рис. 2.3.10. Безопасный бампер с пневматическим амортизирующем
элементом:1 – рукава; 2 – защитная оболочка; 3 – клапан;
4 – опорный рукав; 5 – каркас
Большое количество наездов транспортных средств на пешеходов и большая
тяжесть последствий этого вида ДТП привели к изменениям внешнего
оформления автомобилей. В последние годы скруглены острые углы
облицовки радиатора, устранены выступавшие предметы (в том числе
декоративные детали). Прекращена установка фигурных фирменных эмблем
на передней части капота, например оленя на автомобилях ГАЗ или собаки
на автомобилях Линкольн. Бамперы легковых автомобилей делают без
клыков, а у бамперов грузовых убраны буксирные крюки.
Бампер современного автомобиля должен удовлетворять требованиям
Правила № 42 ЕЭК ООН. При испытаниях по нему наносят удар маятником
215
весом, соответствующим массе автомобиля на высоте 455мм от земли,
скорость столкновения - 4 км/ч. Кроме фронтального удара, бампер
испытывают на косой удар. Его наносят под углом 30° к продольной оси, при
этом скорость столкновения составляет 2,5 км/ч. После удара не должны
пострадать элементы кузова, светотехника, детали системы охлаждения,
выпуска.
По американским и канадским стандартам скорость столкновения задается в
2 раза выше европейской — 8 км/ч. Поэтому многие автомобили,
поставляющиеся на американский рынок, отличаются от европейских
бамперами (добавим, еще и светотехникой, так как по американским стандартам должна быть другая регулировка светового пучка). Кроме того, по
канадским требованиям бампер должен сохранять свои свойства при
температуре до —30 °С.
Сегодня бампер не только защищает автомобиль от удара, он стал
неотъемлемой деталью, обеспечивающей аэродинамику автомобиля. Его
отогнутые края выполняют функции спойлеров, увeличивaют прижимную
силу и препятствуют возникновению вихрей.
Французские автопроизводители предлагают изготавливать бамперы из
специального пластика. Благодаря его свойствам бамперы, внешне ничем не
отличающиеся от обычных, после удара со скоростью до 10 км/ч способны
самостоятельно восстанавливать свою заводскую форму.
В последнее время наметилась тенденция совмещать бампер с
фальшрадиаторной решеткой. Все чаще конструкторы используют так
называемые фронтэнд (Front-end), представляющие собой отдельные модули,
в которые вмонтированы не только поглощающие удар элементы, но и
светотехника, детали системы охлаждения, климатической установки,
датчики парковки и ускорений. Такие фронтэнды уже применяются серийно
на Audi A6. Они значительно облегчают жизнь производителям — элемент
приходит на сборку уже полностью собранный, что позволяет значительно
сократить время и качество сборки. Но они имеют и существенный
недостаток для потребителя — в случае повреждения приходится менять
сразу весь фронтэнд, а обходится в несколько раз дороже.
2.3.4. Двери автомобилей
Самопроизвольное открывание дверей салона при аварии кроме серьезной
опасности выпадения пассажиров чревато еще и тяжелыми травмами
вследствие интенсивно развивающихся деформаций и разрушений
структурных элементов кузова. Поэтому двери кузова не должны
открываться при ударе, т.е. их замки должны иметь предохранительные
устройства, способные выдерживать любые возможные нагрузки. Наиболее
удачно эта проблема может быть решена путем применения дверей,
скользящих в продольных направляющих кузова.
Требования к замкам и устройствам крепления дверей, таким, как
петли, и другие удерживающие устройства регламентированы Правилом №
216
11 ЕЭК ООН. В соответствии с ним каждый дверной замок должен иметь
положение, в котором дверь полностью закрыта; для навесных дверей должно
быть предусмотрено также промежуточное положение, в котором дверь закрыта
не полностью.
Раздвижная дверь, не имеющая промежуточного положения закрытия,
должна, если она оказалась не полностью закрытой, автоматически возвращаться
в положение, в котором она частично приоткрыта; необходимо, чтобы водитель и
пассажиры ТС могли видеть, что дверь частично приоткрыта.
Замки должны быть сконструированы таким образом, чтобы исключить
непроизвольное открытие дверей.
Устройства крепления боковых дверей на петлях (за исключением
складных дверей, располагаемых по бокам ТС) устанавливаются в передней
части в направлении движения. Для двойных дверей это требование должно
применяться к створке двери, которая открывается первой; в этом случае
необходимо, чтобы вторую створку можно было застопорить.
Система замок — личинка дверного замка должна выдерживать:
• продольную нагрузку, равную 4,44 кН, когда замок находится в
промежуточном положении закрытия, и 11,11 кН, когда я мок полностью
закрыт;
• поперечную нагрузку, равную 4,44 кН, когда замок находится в
промежуточном положении закрытия, и 8,89 кН, когда замок полностью
закрыт.
Дверной замок должен оставаться в полностью закрытом со стоянии,
когда при отключенном механизме блокировки на сив тему замка, включая
механизм по приведению его в действе действует в продольном и
поперечном направлениях ускорения равное 30g.
Комплект устройств крепления для каждой двери должен выдерживать
продольную нагрузку 11,11 кН и поперечную нагрузку 8,89 кН, действующие
в обоих направлениях.
Для раздвижных дверей система направляющих и ползуна (или система
любых других устройств крепления) не должна разъединяться под действием
поперечной нагрузки 8,89 кН, приложенной в направлении наружу к
несущим элементам, находящиеся на противоположных краях двери (всего
17,8 кН).
Кроме перечисленных основных требований, дверные замки не должны
срабатывать под действием инерционных нагрузок, приложенных к
замочным ручкам в направлении «по ходу» или «против хода» на аварийной
стороне автомобиля. Наличие наружного предохранительного устройства,
исключающего возможность открывания дверей детьми изнутри салона,
обязательно для всех моделей автомобилей. Нужны усиленные пружины
запирающего механизма и дополнительное приспособление, удерживающее
дверь в соединении со стойкой кузова даже в случае сильной деформации
дверного проема, при которой неизбежно разъединение деталей
запирающего механизма. Это может быть прочный шип в замках с «языком»
или Г-образная скоба, объединенная с защелкой в замках роторного типа.
217
Дверные замки необходимо оборудовать надежной системой блокировки,
предотвращающей случайное отпирание двери как изнутри, так и снаружи,
которое может произойти, при соприкосновении кнопки замка с каким-либо
предметом, под действием инерционных нагрузок и при ударе в момент
аварии. Однако после аварии система блокировки дверных замков не должна
препятствовать открыванию двери для быстрого выхода из автомобиля.
Такой системой оборудованы, например, автомобили Mercedes.
2.3.5. Ремни безопасности
При лобовом столкновении автомобиля, в случае если пассажир имеет
свободу перемещений в салоне, он под действием сил инерции продолжает
двигаться вперед со скоростью, которую имел автомобиль в момент начала
удара, и в результате ударяется о детали интерьера кабины уже в то время,
когда автомобиль остановился. Сидящий резко останавливается,
подвергается крайне высоким замедлениям и испытывает так называемый
«вторичный» удар. В том случае, если пассажир связан с автомобилем какимнибудь удерживающим приспособлением, скорость его перемещения при
ударе по своему значению будет близка к скорости автомобиля, а
эффективный путь остановки пассажира зависит от величины деформации
передней части кузова и будет равен 0,5-0,8 см против 2-4 см в предыдущем
случае. Таким образом, наблюдается уменьшение величины замедления в 2025 раз.
Наиболее простым и эффективным средством, ограничивающим
перемещение людей внутри автомобиля при авариях, являются ремни
безопасности. Правилами ЕЭК ООН № 16 и национальными стандартами
многих стран предусмотрено применение ремней безопасности в
автомобилях. В России требования к ремням безопасности и местам их
крепления изложены в ГОСТ 18887-89 и ГОСТ Р 41.14-99 (Правила ЕЭК
ООН № 14).
В зависимости от конструкции ремни безопасности подразделяются на
поясные, диагонально-поясные (трехточечные), диагональные и двойные
плечевые. В общем случае комплект ремня безопасности состоит из лямок,
пряжки, приспособления для регулировки, устройства для поглощения
энергии, втягивающего устройства и деталей крепления. Места крепления
ремней безопасности должны быть оборудованы на всех посадочных местах,
предназначенных для взрослых пассажиров и водителей, в автобусах места
крепления ремней безопасности должны быть расположены на сиденьях
первого ряда.
Простой набедренный (поясной) предохранительный ремень не
предотвращает серьезной опасности удава головой о некоторые внутренние
поверхности салона. Кроме того, во время аварии пассажир может
проскочить под такой ремень. Поясной ремень можно использовать только
218
для средних мест сиденья, а также для других мест в автомобиле с открытым
кузовом, где нельзя использовать верхнюю точку крепления.
Наибольшее распространение получили диагонально-поясные ремни с
трехточечным креплением.
На рис.2.3.11 показаны различные конструкции ремней безопасности.
Рис. 2.3.11. Ремни безопасности: а – диагонально-поясной с трехточечным
креплением (трехточечный); б – двойной плечевой; в – поясной;
Исследования диаграмм и кинопленок, полученных при испытаниях этих
ремней, дают возможность выявить недостатки ремней безопасности этого
типа (рис.2.3.12):
1. Наличие зазора между ремнем и пассажиром вызывает в начальный
момент удара автомобиля резкое натяжение ремня, в результате чего
последний может разорваться.
219
Рис.2.3.12. Фазы перемещения манекена, закрепленного трехточечным
ремнем
безопасности,
при
лобовом
столкновении:
а - движение вперед; б – движение назад
2. В активной фазе удара тело пассажира по инерции продолжает движение
вперед. Наличие элементов поясного ремня ведет к тому, что верхняя часть
тела получает вращательное движение вперед, в результате чего значительно
увеличиваются инерционные нагрузки, приходящиеся на грудную клетку.
Голова, перемещаясь по инерции, вызывает изгиб позвонков. Однако нижняя
челюсть при этом опирается на верхнюю часть грудной клетки, и
сравнительно небольшие напряжения сдвига позвонков не приводят к такому
их перемещению, которое будет сопровождаться ущемлением спинного
мозга.
Если в результате столкновения пассажир ударяется в ветровое стекло или
переднее сиденье, то к простому изгибу добавляется продольное усилие
сжатия, что может повлечь за собой раздавливание хрящевых позвоночных
дисков и серьезные повреждения самих позвонков. Это является важным
аргументом для оборудования автомобиля таким образом, чтобы обеспечить
возможно более свободное пространство между пассажирами и стенками, о
которые они рискуют удариться.
3. Во время фазы возврата пассажир резко возвращается на сиденье, что
вызывает опрокидывание головы назад под действием сил инерции.
Позвоночник при этом находится в сверхнапряженном состоянии,
характеризуемом серьезными повреждениями позвонков и нервных центров.
Этот недостаток можно частично исправить, применяя подголовники, жестко
соединенные со спинкой сиденья. Но, тем не менее, замедление, сообщаемое
пассажиру при возврате его назад, остается практически таким же высоким
(около 40 g),как и в случае прямого удара.
Для исключения эффекта «второго удара» были разработаны
инерциональные катушки безопасности. Они позволяют пользоваться
ремнем безопасности, вытягивая его из катушки без особых усилий, но в
случае резкого ускорения он надежно блокируется фиксирующим
устройством. На рис. 2.3.13 изображена инерционная катушка, реагирующая
на замедление как тела человека, так и автомобиля и действующая на
плечевой ремень.
В неподвижном корпусе 7 катушки вращается ось 8, одним концом
соединенная с возвратной пружиной 9, а другим-с подвижной частью 4
храповика, маховиком 2 и маятником 1. Неподвижная часть 6 храповика
закреплена на корпусе 7. На торце подвижной части храповика
выфрезерованы три профильных канавки, в которых расположены стальные
шарики 3. При плавных движениях тела человека вытягиванию ремня
препятствует только сила возвратной пружины 9, так как части 4 и 6
храповика раздвинуты пружиной 5 и шарики находятся в глубокой части
канавок. В случае выдергивания ремня с большой скоростью маховик 2
вследствии инерции начинает вращаться позднее храповика. Шарики
220
выкатываются в мелкую часть канавок и, преодолевая сопротивление
пружины 5, перемещают подвижную часть храповика до зацепления ее с
неподвижной частью. Маятник 1 обеспечивает блокировку ремня при
больших замедлениях автомобиля. Нижняя часть маятника перемещается
вперед, а верхняя соединяет части 4 и 6 храповика.
Рис.
2.3.13.
Инерционная
катушка
ремня
безопасности:
1 – маятник; 2 – маховик; 3 – шарик; 4 и 6 – подвижная и неподвижная части
храповика; 5 – пружина; 8 – ось; 9 – возвратная пружина.
Для более надежной работы и исключения повторного удара предложены
преднатяжители ремней безопасности (рис.2.3.14). В случае наступления
экстремальной ситуации срабатывает пиротехническое устройство, ремень
подтягивается на несколько сантиметров, плотно прижимая тело водителя к
спинке сиденья, исключая тем самым и обратный удар и возможность
«подныривания» водителя под ремень безопасности (рис. 2.3.15).
Рис.
2.3.14.
Пиротехнический
действующий
на
замок
ремня
и подтягивающий обе лямки одновременно
преднатяжитель,
безопасности
221
Рис. 2.3.15. Схема крепления ремня безопасности с преднатяжителем
Интересную конструкцию преднатяжителей предложила фирма Autoliv.
Разработанный ею преднатяжитель оснащен искусственным «интеллектом»:
он сам настраивается под конкретного седока, спасая его при конкретном
ДТП. Кроме того, новый преднатяжитель работает в паре с подушкой
безопасности, снижая вероятность повреждения лица и туловища при встрече
с ней. Отличие новой разработки заключается в том, что она оснащена
подобием двухступенчатой коробки передач. Срабатывание той или иной
передачи определяется компьютером, который учитывает силу удара,
позицию и массу пассажира. В первой фазе столкновения ремень работает с
максимальным усилием, плотно прижимая его к спинке сиденья. При
приближении раскрывающейся подушки безопасности включается «вторая»
ослабляющая хватку «передача», и контакт с подушкой существенно
смягчается. Если, по мнению компьютера, удар не очень сильный, то
натяжение ремня ослабевает через 40 мс, если удар очень сильный, то время
начала ослабления вырастает в два раза до 70-80 мс. Такие преднатяжители
уже нашли применение в автомобилях Mercedes и BMW. К недостаткам
пиротехнических преднатяжителей ремней безопасности можно отнести их
«одноразовость» и требование соблюдения высоких мер безопасности при
работе в салоне автомобиля, например при демонтаже сидений. Поэтому все
большее применение находят «многоразовые» электромеханические
преднатяжители ремней безопасности. Очень интересную конструкцию
предложили американские инженеры. Они предложили ремень безопасности,
совмещенный с подушкой безопасности. Она уже встроена в ремень. Садясь
в автомобиль, пассажиры пристегиваются таким ремнем, как обычным. В
случае столкновения ремень надувается, накрепко фиксируя пассажира.
Время срабатывания ремня-подушки всего 10 мс против 25-30 у подушки
безопасности, поэтому вероятность получения травм при встрече с подушкой
безопасности во много раз снижается.
Чтобы избежать превышения нагрузки на грудь, такие ремни имеют
ограничители усилия натяжения. Ограничители работают следующим
образом: вначале достигается максимум разрешенной нагрузки, после чего
222
механическое устройство позволяет пассажиру продвинуться вперед на
некоторое расстояние при поддержании нагрузки на постоянном уровне.
Фирма Renault первой установила такую систему на серийном автомобиле, с
тех пор эти системы стали широко распространенными. Инерционная
катушка с блокировкой устанавливается на скобе, ограничивающей усилие
воздействия ремня на тело человека (рис. 2.3.16). Ограничение усилия
достигается контролируемым ослаблением натяжения ремня путем
пластического углового деформирования стержня (оси инерционной
катушки). Такое устройство уменьшает усилия, действующие на грудную
клетку, шею и голову на 30-50 %.
Рис. 2.3.16. Инерционная катушка, ограничивающая усилие
2.3.6. Подушки безопасности
При резких фронтальных ударах, воспринимаемых автомобилем, его
пассажиры получают ускорение до 40-50 g. Если пассажиры имеют надежное
амортизирующее ограждение, они могут перенести подобные ускорения без
каких-либо значительных травм. Новое решение проблемы ограничения
перемещения водителя и пассажиров при столкновениях - создание системы
пневматических подушек, мгновенно надувающихся за тот промежуток
времени, который проходит с момента удара автомобиля о препятствие до
момента удара водителя о рулевое колесо или пассажиров об элементы
интерьера. Этот промежуток времени весьма невелик и составляет 30-40 мс.
Однако и этого времени оказывается достаточно для срабатывания данной
системы, которая не только весьма эффективна, но и удобна, так как
срабатывает автоматически при ударе без всяких дополнительных условий
(например, ремни безопасности эффективны, только если ими, естественно,
пользуются) и не стесняет движений, поскольку подушки вмонтированы в
центральную часть рулевого колеса, в арматурный щит и в заднюю часть
спинки переднего сиденья и в ненадутом состоянии вообще незаметны. По
команде специального инерционного датчика подушка должна заполниться
223
сжатым воздухом в течение 30-40 мс. При объеме индивидуального
ограждения, равном 140—280 л, интенсивность наполнения такой подушки
газом должна быть не менее 3500 л/с, что предъявляет очень жесткие
требования к конструкции системы. Расширение оболочки воздушной
подушки примерно на 0,6 м соответствует скорости 30,5 м/с в конце процесса
заполнения. Пассажир после столкновения перемещается вперед в сторону
надутой подушки, сжимая находящийся в ней газ, который выпускается
через калиброванное отверстие в атмосферу. Таким образом, рассеивается до
90 % кинетической энергии удара, а оставшаяся часть используется для
возвращения пассажира в нормальное положение (рис. 2.3.17).
Как показали многочисленные эксперименты при ударе автомобиля о
препятствие со скоростью 48 км/ч, водитель и пассажир, пристегнутые
ремнями безопасности, начнут перемещаться относительно салона
приблизительно через 40 мс после момента удара.
Для эффективной амортизации верхней части их тел подушки безопасности
должны быть развернуты и готовы к действию в течение такого короткого
промежутка времени. Только в этом случае водитель будет защищен от удара
о рулевую колонку, который при отсутствии предохранительного устройства
происходит через 70 мс, а пассажир - от удара о панель приборов (90 мс
после столкновения). Что же успевает произойти за эти роковые 40 мс? В
первые 3 мс быстродействующий сенсор определяет удар и отдает команду
на срабатывание системы безопасности. На протяжении последующих 20 мс
происходит срабатывание пиросистемы, образование азота (он выбран
потому, что не горюч) и открытие подушки. На 35 мс после удара подушка
открыта полностью, и спустя 5 мс происходит защита водителя и пассажира,
и кинетическая энергия верхней части тела рассеивается путем
упорядоченного истечения газа из подушки в атмосферу.
Уже на 105 мс после удара происходит вентиляция системы и сдутие
подушки. Действие системы завершено. В качестве материала для подушек
безопасности первоначально был выбран нейлон, покрытый уретановой
пленкой, который затем заменили простым винилом. Винил прекрасно
работает при комнатной температуре, однако и он был заменен
многослойным нейлоном, т. к. последний сохраняет необходимую
эластичность в диапазоне температур от -30° С до +80° С.
Исследования влияния надувных подушек безопасности на вероятность
гибели водителя при фронтальных ускорениях показали, что таковая
уменьшается на 20-25% . Напомним, что при срабатывании подушки
безопасности объем салона уменьшается на 200-250 дм3 в: течение 40 мс, что
дает немалую нагрузку на барабанные перепонки. Кроме того, вылетающая
со скоростью более 300 км/ч подушка таит в себе немалую опасность для
людей, если они не пристегнуты ремнем безопасности и ничто не
задерживает инерционное движение тела навстречу подушке. Если в
автомобиле имеется подушка безопасности, не стоит размещать повернутые
назад сиденья для перевозки детей на сиденья автомобиля, напротив
которого находится эта подушка безопасности. При срабатывании подушка
224
может сдвинуть детское сиденье и нанести травму ребенку. Не рекомендуем
также перевозить на пассажирском сиденье детей до 13 лет ростом ниже 150
см, т. к. отрывающаяся с огромной скоростью подушка безопасности может
ударить его в голову, что приведет к фатальным результатам.
Рис. 2.3.17. Схема действия подушки безопасности
Существуют различные степени защиты подушек безопасности. Так
американское Национальное управление безопасности на дорогах NHTSA
(National Highway Traffic Sufety Administration) разработал «звездную» шкалу
оценки этого параметра. Количество набранных при испытаниях звездочек
означает процент получения людьми серьезного ущерба при фронтальном
столкновении автомобиля (под серьезным ущербом подразумевается
необходимость немедленной госпитализации с угрозой для жизни):
***** — 10% или менее вероятность серьезного повреждения
**** — 11-20% вероятность серьезного повреждения
***
— 21-35% вероятность серьезного повреждения
**
— 36-45% вероятность серьезного повреждения.
*
— 46% или выше вероятность серьезного повреждения.
Но главным недостатком подушки безопасности является то, что она
работает отдельно от ремня безопасности. Исследования, проведенные в
Хайдельбергском университете и уже упоминавшейся NHTSA, убедительно
доказали, что при тяжелых авариях, спасая жизнь человеку, сильные травмы
его телу наносит сам ремень безопасности — от его воздействия остаются
долго не заживающие ссадины и синяки.
Ремни с ограничителем силы натяжения в получившие аббревиатуру PRS
(Puogammed Restraint System) уже используются на автомобилях Renault
Megane с 1995 года. Создавая второе поколение PRS II, французские
производители решили связать в одно целое подушку и ремень безопасности.
225
Теперь подушка безопасности берет на себя часть нагрузки, которая раньше
приходилась на ремень. При этом она наполняется азотом по очень хитрому
алгоритму. Сначала раскрывается низ подушки, защищающий нижнюю часть
туловища человека, затем раскрываются бока и верхняя часть. Таким
образом, подушка принимает на себя не только голову, но и тело человека.
Система PRS II работает следующим образом. Первым срабатывает
пиротехнический натяжитель ремня безопасности. Ремень подтягивается и
удерживает тело человека. Одновременно с этим срабатывает датчик
подушки безопасности. В течение последующих 3 мс надувается подушка, ее
форма и давление внутри стабилизируются. Сила натяжения ремней
возрастает пропорционально перемещению тела человека. Затем срабатывает
ограничитель натяжения ремня. Он чуть ослабевает и позволяет телу
податься чуть вперед. В момент касания человека подушки в ней
открываются специальные клапаны, через которые стравливается газ, и
давление начинает падать. Подушки безопасности работают вместе,
распределяя равномерное усилие нагрузки на живот и грудную клетку.
Проведенные в течение 2-х лет, затраченных на разработку и реализацию
проекта, 200 «аварий» на компьютере и более 100 реальных краш-тестов,
показали эффективность и жизнеспособность системы PRS II. Они показали,
что вероятность получения травмы головы снижается в 3 раза. Нагрузка от
ремня на туловище и шею также снижается в 3 раза. Замедления,
испытываемые головой и коленями, снижены в 2 и 1,25 раза, соответственно.
Система безопасности PRS II уже серийно устанавливается на автомобили
Renault Megane 2-го поколения.
Известная своими наработками в области пассивной безопасности известная
шведская фирма Volvo (напомним, что именно она стала первой в мире
комплектовать серийные автомобили ремнями безопасности) в 1991 году
стала опционно оснащать свою продукцию системой защиты от бокового
удара SIPS (Side Impact Protection System). Второй этап наступил в 1994 году,
когда Volvo стал устанавливать серийно SIPS на модель Volvo 850. Сегодня
боковые подушки безопасности устанавливаются на все автомобили
шведского концерна. Статистические данные говорят, что применение SIPS
снижает вероятность смертельного исхода при боковом ударе на
внушительные 40%.
Сейчас конструкторы работают над третьим этапом развития SIPS. Теперь
она должна при боковом ударе защитить голову человека (рис. 2.3.18).
226
Рис. 2.3.18. Боковые подушки безопасности
Проведенные исследования показали, что из-за травм головы происходит
25% смертей при катастрофах, причем большая часть этих аварий - боковые
удары или групповые столкновения. При этом люди ударяются головой об
боковые стойки или о стекла.
Конструкторы предложили натянуть между людьми и боковой частью
автомобиля защитную надувную занавеску. По-английски это звучит как
inflatable curtain, поэтому система получила сокращенное название IC.
Учитывая, что в сложенном состоянии система занимает не очень много
места, ее расположили прямо в продольном ребре крыши. Как только
происходит боковой удар, датчики посылают сигнал на срабатывание IC.
Занавесь выстреливается из своего места хранения и заполняется газом за 25
мс. В надутом состоянии она представляет собой «трубу», которая
располагается на уровне глаз пассажира. Боковая подушка безопасности
защищает при этом туловище пассажира. Учитывая, что занавеска очень
длинная - от лобового до заднего стекла, она одновременно защищает как
впереди сидящих, так и сзади сидящих пассажиров. Система 1C поможет
также и в том случае, когда автомобиль, вылетев с дороги, «обмотал» боком
столб или дерево. Пока занавеска безопасности находится на стадии
доводочных работ, но можно смело предположить, что в течение пары лет
она войдет в серийную комплектацию автомобилей Volvo.
Несколько другим путем пошли разработчики концерна BMW. Они
предложили систему безопасности, получившую название ITS (Integrated
Tubular Sidebag), что расшифровывается как «встроенная подушка-труба». И
это название не случайно, т. к. в надутом состоянии ITS представляет собой
действительно трубу. В нерабочем состоянии она размещается в стойке
ветрового стекла и в верхней части проема передней двери. На концах трубы
227
размещены мощные ремни, которыми она крепится под панелью приборов с
одной стороны и в районе задней двери - с другой.
Активизируясь от датчиков удара, аналогичных датчикам боковой подушки
безопасности, она за тысячные доли секунды в несколько раз увеличивается в
диаметре. При этом значительно сокращается диаметр трубы, благодаря чему
существенно увеличивается ее жесткость в поперечном направлении. Причем
конструкторы позаботились о том, чтобы труба одинаково защищала
человека независимо от его роста: она натянется точно на уровне его головы.
Проведенные при испытаниях краш-тесты показали эффективность системы
ITS. Вначале наносили удар автомобилю без боковой защиты, затем оснащенному подушкой-трубой. Измерения показали, что в первом случае
манекен получал повреждения головы, гарантирующие смерть человека в
реальных условиях. В автомобиле, оснащенном ITS, тяжесть повреждения
головы была в 7 раз меньше. Испытания показали, что новая система отлично
защищает не только голову, но и шейные позвонки. При боковом ударе
весьма велик риск их повреждения из-за резкого перемещения головы. Труба
выполняет роль своеобразного подголовника. По заверениям разработчиков,
система ITS прекрасно защищает пассажиров не только в случае
столкновения легковых автомобилей, но и при ударах большими джипами с
«кенгуринами», грузовиками и автобусами. Кроме того, учитывая, что
подушка-труба раскрывается поперек оконного проема, то она препятствует
выпадению через окно при опрокидывании автомобиля, частично защищает
глаза от разбившегося стекла. В ближайшее время ITS начнут серийно
устанавливать на автомобили «седьмой» и «пятой» серий. Таким образом,
общее число подушек безопасности на автомобиле BMW возрастет до 8. В
современном автомобиле все большее применение находят адаптивные
подушки безопасности. В отличие от традиционных подушек безопасности
они определяют вес защищаемого ими человека, силу удара. В зависимости
от нее компьютер в доли секунды определяет количество газа, подаваемого в
подушку, чтобы снизить вероятность получения травм пассажирами
автомобиля в момент ее раскрытия. Надувными шторками на окнах,
предназначенными для снижения количества травм пассажирами автомобиля
при боковом ударе, сегодня снабжаются десятки моделей автомобилей.
Французские разработчики предложили к уже имеющимся подушкам
безопасности (зачастую их количество достигает восьми) добавить еще две.
Они смонтированы в нижней части панели приборов. Одна из них должна
защитить колени и голени водителя от возможных ударов о рулевую
колонку, другая - оградить пассажира от возможного «подныривания» под
ремень безопасности. В последнее время наметилась тенденция изменения
места расположения датчика замедления. До сего времени его располагали на
центральном тоннеле кузова в районе передних сидений. Фирма Bosch
разработала систему, датчики которой буквально опутывают весь
автомобиль. Датчик фронтального удара располагается под фарами и
посылает сигнал о столкновении уже через 10 мс (при «классическом»
расположении сенсора - через 50 мс). Кроме того, в дверные пороги
228
вмонтировано по два сенсора удара, срабатывающие при боковом ударе.
Частично эта система уже нашла применение на серийном Ford Mondeo.
Правда, пока устанавливается один сенсор на переднем бампере.
Но сколько бы ни было в автомобиле установлено подушек безопасности,
они могут спасти только при одном условии - если водитель и пассажир
пристегнуты ремнями безопасности, в противном случае подушки могут
привести к очень тяжелым увечьям.
2.3.7. Приборные панели
При конструировании панели приборов и выборе материалов для ее
изготовления необходимо учитывать, что голова человека может вынести
замедление до 80 g при его продолжительности не более 3 мс. Приборная
панель автомобиля должна рассматриваться состоящей из двух зон - зоны
водителя и зоны переднего пассажира. При закреплении пассажира поясным
ремнем безопасности голова его ударяется в определенное место щитка
приборов - обычно сверху и сзади (рис. 2.3.12). Это необходимо учитывать
при изготовлении щитка.
При скорости 24 км/ч и постоянном замедлении 80 g величина перемещения
до полной остановки должна составлять 28,4 мм, при скорости 48 км/ч - 114
мм. Для обеспечения безопасности пассажиров от травм при лобовом ударе
на скорости 50 км/ч необходимо обеспечить сминание мягкой обивки
приборного щитка на глубину 460 мм. Это конструктивно сделать трудно, и
поэтому сочетание трех факторов (деформация рамы в 600 мм, ремни
безопасности и мягкая обивка интерьера) позволяет получить перемещение в
750 мм, достаточное, чтобы снизить скорость пассажира.
В соответствии с Правилом № 21 ЕЭК ООН детали панели, ограничивающие
не должны иметь острых граней и углов, выступающие части (кнопки, ручки)
должны быть утоплены и покрыты мягкой обивкой. Переключатели, кнопки,
расположенные на панели приборов в зоне возможного удара о них водителя
и выступающие над поверхностью панели на 3...9,5 мм, должны иметь
минимальное поперечное сечение площадью 200мм2 и закругленные кроя с
радиусом закругления не менее 2,5 мм. Детали, выступающие над панелью
более чем на 9,5 мм, должны под действием горизонтального усилия 378 Н,
направленного вперед, отсоединяться, обламываться или утапливаться, так
чтобы высота части детали, выступающей над панелью, была не более 9,5
мм.
В процессе испытаний различных конструкций панелей установлено, что
величина замедления не является постоянной, и поэтому для поглощения
достаточного количества энергии толщина панелей должна быть удвоена.
Форма поперечного сечения должна быть выбрана так, чтобы происходил
прогиб при ударе. Однако материал панелей должен обладать достаточной
прочностью, чтобы не разрушаться в процессе изготовления и эксплуатации.
Поверхность должна быть гладкой, чтобы не допускать повреждений
конечностей при слабых ударах, и в то же время щиток должен достаточно
легко ломаться при ударах головой. Этим требованиям не удовлетворяют
229
упругие пенистые материалы, которые вызывают обратный отброс головы
после удара. Необходимого разрушения можно добиться, используя
материалы, поглощающие энергию при остаточных деформациях.
Конструкция панелей должна быть малочувствительной к изменению места
удара. На основании предварительных проверок для проведения
последующих испытаний был разработан полукруглый щиток. Испытания
проводили на секции панели длиной 916 мм и на полной панели - для
установления соответствующих соотношений. Тип пластмассы оказывает
существенное влияние на энергопоглощающие характеристики конструкций.
Были проверены и панели, выполненные полностью из пластмассы, но без
наружной губчатой облицовки. При этом, несмотря на низкие замедления,
наблюдается пробой щитка до соприкосновения головы манекена с нижним
основанием. Этот недостаток удалось устранить, подложив под щиток
жесткий уретановый пенопласт. Энергия поглощается еще больше, если в
пенопласте сделать пустоты в виде прорезей и отверстий. Испытания секций
панелей из различных пластмасс с губчатой облицовкой и виниловым
покрытием показали, что разница в способности поглощать энергию хорошо
обнаруживается при ударе со скоростью 49 км/ч и почти неразличима при
скорости 24 км/ч. Наилучшие результаты получены при использовании
панели из стирана с 20%-ным содержанием стекловолокна или из нейлона с
30% -ной примесью стекловолокна. Уретановый пенопласт облицовки имел
толщину 19 мм и плотность 127,5 кг/м3, виниловое покрытие имело
прочность 84,4 кг/см2 и удлинение 200%. Облицовка панели уретановым
пенопластом в месте удара уменьшает высокочастотные пики, но не обладает
способностью поглощать энергию. При жесткой панели добавление
винилового покрытия существенного изменения не вносит. Для сильно же
деформирующихся и равномерно разрушающихся панелей с виниловым
покрытием получены совершенно другие результаты. Покрытие
распределяет усилие более равномерно по панели и тем самым обеспечивает
уменьшение ускорений, делая диаграмму ускорения более пологой и
увеличивая в то же время скорость отдачи.
2.3.8. Автомобильные сиденья
Автомобильное сиденье отличаются от сидений, предназначенных для
использования в домах и общественных местах (кресел, диванов, стульев и
т.п.), прежде всего тем, что они находятся в движущемся объекте, который
подвергается динамическим воздействиям. Это определяет требования,
которым автомобильные сиденья (прежде всего сиденье водителя) должны
удовлетворять.
Эти сиденья должны обеспечивать:
- удобную позу водителя и пассажира;
- благоприятное распределение давлений на участки тела;
- защиту человека от вибраций и других динамических воздействий;
- передачу телу человека (водителя) необходимых динамических
воздействий, чтобы он мог «чувствовать» автомобиль;
230
- фиксацию тела в определенном положении, несмотря на динамические
воздействия, прежде всего горизонтальные;
- возможность изменения позы.
Материал обивки сиденья должен быть паропроницаемым, но в то же
время обеспечивать необходимую термоизоляцию, обивка сиденья должна
противостоять загрязнениям, легко очищаться, быть износостойкой и не
изнашивать одежду.
Как видно, требования во многом противоречивы и взаимно исключают
друг друга, рациональное решение, как обычно, достигается в результате
разумного компромисса.
Сиденье должно соответствовать стандартным требованиям пассивной
безопасности, прежде всего должна быть обеспечена необходимая прочность
сиденья (ГОСТ Р 41.80—99 (Правило № 80 ЕЭК ООН)). Автомобильное
сиденье (подушка, спинка и их крепление) должно выдерживать
горизонтальную нагрузку, направленную вперед и назад, приложенную в
центре масс сиденья и равную двадцатикратному весу сиденья, и
направленный назад момент относительно точки H около 530 Н·м.
Удобная поза водителя и пассажира обеспечивается габаритными
параметрами сиденья, формой и упругостью подушки сиденья и спинки.
Основная нагрузка от веса сидящего человека приходится на седалищные
бугры, сравнительно небольшие зоны на ягодицах, которые «приспособлены»
для восприятия значительных давлений. В зависимости от наклона подушки
сиденья и ее формы таз человека может занимать различное положение (рис.
2.3.19).
На рис. 2.3.19, а изображено положение таза водителя или пассажира при
плоском сиденье. Вес верхней части корпуса создает на плече l вращающий
момент, действующий на таз. При этом седалищные бугры сползают вперед, а
позвоночник неестественно изгибается. Стрелки показывают основные силы,
сдвигающие тело человека. На рис. 2.3.19, б изображено сиденье, имеющее
опорный валик 1, который препятствует скольжению туловища вперед. Опора
2 в зоне поясницы поддерживает таз, он занимает анатомически правильное
положение, и мышцы туловища расслабляются. Стрелки поясняют
направление сил, удерживающих тело человека. Положительный эффект
достигается также наклоном подушки сиденья спереди назад. При этом
необходимый угол наклона зависит от высоты сиденья и положения бедер.
Способность человека чувствовать давление на различные участки кожи
называется тактильной чувствительностью. Когда человек занимает на
сиденье правильное положение, основная вертикальная нагрузка приходится
на седалищные бугры или располагается несколько впереди них. Здесь между
костями таза и сиденьем находятся только кожа и жировые прослойки
(мышечных волокон нет). Величина давления в этой зоне может быть около 7
кПа. В других местах подушки сиденья, с которыми соприкасается тело
человека, давление должно быть существенно ниже. На рис. 2.3.20 показаны
эпюры удовлетворительного распределения давления на подушке и спинке.
231
Рис. 2.3.19. Влияние профиля сиденья на положение позвоночника:
а – при плоском сиденье; б – при сиденье с опорным валиком;
1 – опорный валик; 2 – опора в зоне поясницы
Рис. 2.3.20. Эпюра удовлетворительного распределения давлений (кПА)
на спинку (а) и подушку (б) сиденья
Позвоночник человека имеет выгибы вперед (например, поясничный
лордоз) и назад (например, кифоз в области лопаток). В области под
лопатками надо обеспечить поддержку спины, давление в этой зоне будет
выше. В области крестца давление также может быть высоким, особенно
если водитель с большой силой нажимает на педали. Такое распределение
давлений благоприятно.
232
Для удерживания тела от смещения в боковом направлении можно
сделать форму сиденья вогнутой, чашеобразной, но такое сиденье, удобное,
например, для гонщиков на соревнованиях типа ралли, при обычной езде
будет сковывать движения и затруднять изменение позы, что в конечном
итоге приведет к усталости. Поэтому для обычных автомобилей
ограничиваются тем, что в боковых частях подушки делают валики, которые
не увеличивают существенно давление на внешние стороны бедер, но
препятствуют боковому смещению тела при крутых поворотах. Вогнутая
форма придается также и спинке.
Способность сиденья изолировать человека от динамических, прежде
всего вибрационных, воздействий определяется упругостью сиденья и
способностью демпфировать колебания. Человек, сидящий на упругом
сиденье, представляет собой колебательную систему. Эта система имеет
определенную частоту собственных колебаний, и если эта частота совпадает с
собственной частотой колебаний подрессоренной массы автомобиля или
близка к ней, то возникает резонанс (амплитуда колебаний человека на
сиденье резко возрастает). Амплитуда колебаний уменьшается с увеличением
демпфирования колебательной системы. Если характеристика упругости
подушки сиденья нелинейна, т. е. ее жесткость возрастает с увеличением
сжимающей силы, то резонансные явления проявляются слабее. Свойства
колебательной системы «человек—сиденье» удобно оценивать величиной
статического прогиба, т.е. деформацией сиденья под действием веса человека.
Статический прогиб однозначно связан с частотой собственных колебаний. В
среднем для комфортабельных мягких сидений можно принять деформацию
подушки от веса человека равной около 80 мм, для жестких спортивных
сидений — около 45 мм.
Упругодемпфирующие характеристики автомобильных сидений зависят
от их конструкции, в частности, от того, какой вид упругого элемента
использован. Сиденья с металлическими упругими элементами показаны на
рис. 2.3.21. Система из стальных пружин, независимо от их вида,
накрывается сверху каким-либо мягким материалом, а уже затем — обивкой.
Различные пружины из стальной проволоки обеспечивают при правильном
конструировании хорошие упругие свойства сиденья, но демпфирование
иногда оказывается недостаточным. Повысить демпфирующие свойства
сиденья удается, например, если каждую из витых пружин заключить в
отдельный чехол из ткани, но это можно сделать только вручную, и сиденье
получается дорогим.
233
Рис. 2.3.21. Сиденья с металлическими упругими элементами:
а - цилиндрические пружины сжатия; б – пружины непрерывного
плетения; в – змейковые пружины; г – горизонтальные пружины растяжения
Пример такой конструкции показан на рис. 2.3.21, а справа. Пружины
непрерывного плетения (рис. 2.3.21, б), для которых используется тонкая
стальная проволока, тесно соприкасаются между собой, их витки входят друг
в друга, и возникающее трение интенсивно гасит колебания. Такие сиденья
применяются на многих легковых автомобилях. Змейковые (зигзагообразные)
пружины (рис. 2.3.21, в), используемые иногда в сочетании с витыми
пружинами, позволяют получить хорошие характеристики упругости сиденья
с правильным ее распределением по поверхности, но при этом не всегда
могут обеспечить достаточное демпфирование. Стальные пружины
растяжения используются на недорогих автомобилях, и при их применении
правильное
распределение
жесткости
по
поверхности
сиденья
затруднительно.
В качестве упругих элементов сидений часто используются различные
вспененные синтетические материалы. Примеры конструкций таких сидений
приведены на рис. 2.3.22. Для получения нужных характеристик упругости
сиденья в массиве подушки устраиваются воздушные полости (рис. 2.3.22, а).
Сиденье с резиновыми (чаще с резинотканевыми) лентами в качестве
основного упругого элемента (рис. 2.3.22, б) имеет примерно те же свойства,
что и сиденье со стальными пружинами растяжения, но расположенную над
ними прослойку можно делать более тонкой и мягкой, потому что ленты шире
пружин и не продавливают ее. Жесткое формованное основание под
подушкой из вспененного материала (рис. 2.3.22, в), которое часто
выполняется штамповкой из стального листа, обеспечивает нужную форму
подушки, но защита от вибраций ограничена. Такие сиденья часто
используются в городских автобусах, иногда наряду с ними применяются
жесткие сиденья, часто отформованные заодно со спинкой (рис. 2.3.22, г).
234
Рис. 2.3.22. Сиденья с неметаллическими упругими элементами:
а – с подушкой из вспененной резины или полиуретана; б – с
резиновыми лентами; в – с подушкой на жестком основании; г – жесткое
сиденье
Наилучшую защиту от низкочастотных колебаний обеспечивает
подрессоренное сиденье (рис. 2.3.23).
Подушка и спинка такого сиденья обычно выполняются из вспененного
материала на штампованных из стального листа основаниях. Основное
устройство сиденья — система подрессоривания. Она включает в себя
направляющее устройство, упругий элемент и демпфирующее устройство.
Упругий элемент может быть разных типов и конструкций: стальная
пружина или торсион, пневматический баллон. Упругий элемент имеет
устройство для регулирования в зависимости от массы человека,
пользующегося сиденьем. Такие сиденья, как правило, применяются для
водителей тяжелых грузовых автомобилей и тракторов. Демпфирующее
устройство, чаще всего гидравлический амортизатор, обеспечивает нужную
степень затухания колебаний, иногда имеет регулировки. Для подгонки
положения сиденья под размеры конкретного человека оно снабжается
системой регулировок.
Из-за трения тела о сиденье при движении транспортного средства, от
теплоты и испарений, выделяемых телом, между телом человека и сиденьем
возникает неблагоприятная среда. Одежда становится влажной, создается
ощущение дискомфорта. Важнейшим свойством обивки и непосредственно
прилегающего
к
ней
изнутри
материала
сиденья
является
паропроницаемость. Наилучшей паропроницаемостью обладают ткани из
натуральных волокон. Однако для сидений большинства транспортных
средств они применяются ограниченно, потому что часто не обладают
необходимой износостойкостью, сравнительно легко загрязняются и с
трудом чистятся.
235
Рис. 2.3.23. Подрессоренное сиденье
Для сидений дорогих автомобилей применяются ткани из натуральных
волокон в комбинации с синтетическими, чаще всего имеющие короткий
мягкий ворс. Полностью синтетические ткани успешно используются на
автомобилях малых и средних классов. Натуральная кожа обладает
большинством желательных свойств, однако она дорогая, поэтому
применяется на дорогих автомобилях. Очень часто используются различные
материалы под общим названием «искусственная кожа». Обычно это ткань с
покрытием из синтетического материала. Для обеспечения необходимой
паропроницаемости искусственная кожа делается перфорированной.
На дорогих автомобилях иногда применяются специальные
вентиляционные устройства, расположенные внутри сидений, которые
позволяют создавать наиболее комфортные условия для человека.
Необходимо, чтобы обивка сиденья имела определенные фрикционные
свойства, шероховатость. Это препятствует нежелательному перемещению
человека при горизонтальных ускорениях. В то же время поверхность
материала обивки не должна быть излишне грубой, потому что это будет
способствовать изнашиванию одежды.
Для повышения комфортабельности транспортного средства, особенно в
холодное время года, на многих автомобилях устанавливается система
подогрева сидений.
Помимо разработки специальных безопасных сидений, постоянно
улучшаются существующие конструкции: усиление крепления сидений;
фиксация спинок передних сидений защелками; ограничение перемещения
головы в момент удара при помощи подголовников. Рассмотрим, как эти
изменения могут влиять на характер травм, получаемых пассажирами.
Усиленное крепление передних сидений применяется с целью уменьшить
аварийные нагрузки на сидящих в них людей, особенно когда пассажиры,
находящиеся сзади, не имея предохранительных устройств, упираются в
спинки передних сидений. Однако в этом случае задний пассажир ударяется
о спинку переднего сиденья с большей силой и получает более тяжелую
травму. В последние годы серьезное внимание стали уделять надежному
236
креплению подушки заднего сиденья и его спинки. В результате существенно
уменьшилось число случаев, когда подушка или спинка отрываются,
дополнительно нагружая пассажиров, сидящих сзади, во время аварии.
Аварийная нагрузка на сидящих спереди уменьшается в случае фиксации
опрокидывающейся спинки переднего сиденья при помощи защелки. Однако
при этом возрастает число травм шеи, получаемых передними пассажирами
при наезде на автомобиль сзади, если на спинках передних сидений не
установить подголовники. При фиксации спинок сидений с помощью
защелок задние пассажиры не ударяются о детали интерьера передней части
салона. В результате предотвращаются травмы, получаемые при
откидывании вперед спинок передних сидений. Но если пассажир, сидящий
сзади,
не
имеет
какого-либо
предохранительного
устройства,
ограничивающего его перемещение, то он ударяется о неподвижную спинку
сиденья с большей силой, чем в том случае, когда спинка переднего сиденья
откидывается под действием его веса вперед. Следовательно, при лобовых
аварийных ударах травматизм задних пассажиров при ударе о жесткую
неподвижную спинку возрастает.
Дополнение спинок сидений подголовниками должно производиться с
учетом безопасности пассажиров, сидящих сзади. Многие из таких устройств
имеют металлическую фурнитуру, отдельные детали которой выступают
назад, представляя собой повышенную опасность для заднего пассажира. Для
уменьшения травматизма пассажиров, сидящих сзади, необходимо снять
металлические детали отделки с верхней и боковых граней спинок передних
сидений; на задней поверхности спинок передних сидений поставить
накладки из пластика или другого материала, обладающего повышенной
ударной энергоемкостью; усилить конструкцию задней двери и задней части
боковины кузова, а также изменить расположение или конфигурацию
жестких ручек, подлокотников, пепельниц и прочих деталей, выступающих
внутрь пассажирского помещения.
Задние сиденья современных легковых автомобилей отличаются
повышенной прочностью. При скорости наезда 48 км/ч деформация задней
части сиденья практически отсутствует, а при скорости 89 км/ч величина
деформации очень незначительна - всего 38 мм. Однако высоту спинки
заднего сиденья рекомендуется увеличить, с тем чтобы пассажиры получили
надежную опору для головы. При установке на стандартное заднее сиденье,
имеющее высоту спинки 533 мм, подголовников высотой 152 мм, даже
высокие пассажиры хорошо защищены от травм при наезде на автомобиль
сзади со скоростью 48 км/ч.
Поскольку задние пассажиры находятся намного ближе к месту удара, чем
передний пассажир и водитель, то инерционные нагрузки, воздействующие
на их грудную клетку и голову, в два раза больше. При наезде сзади задний
пассажир может удариться головой о задний брус крыши. В результате на
позвоночник будет действовать значительное вертикальное усилие, которое
может послужить причиной многих серьезных травм. Удар головой о крышу
сопровождается большими ускорениями головы и грудной клетки
237
(соответственно 24 g и 23 g). Таким образом, использовать заднее стекло и
задний брус крыши для того, чтобы удерживать пассажира на сиденье, не
рекомендуется. Если задний пассажир не ударяется головой о крышу, то
воздействующие на него ускорения имеют меньшее значение, но возможен
опасный перелом шейных позвонков при откидывании головы назад под
действием сил инерции. Во избежание перелома необходимо увеличить
высоту задних сидений. В соответствии с зарубежными нормативами остов
сиденья и его салазки должны быть прочно закреплены на полу кузова,
чтобы успешно сопротивляться действию сил инерции, направленных вперед
и назад и превышающих собственный вес сиденья в 20 раз. При ударе в
спину сиденья манекена, закрепленного поясным ремнем на заднем сиденье
и перемещающегося со скоростью около 7 м/с, спинка должна
деформироваться так, чтобы замедление манекена не превышало 80 g в
течение 60 мс.
Сиденья автомобилей должны снабжаться подголовниками (рис. 2.3.24).
Они играют важную роль в системе пассивной безопасности, и требования к
ним оговариваются ГОСТ 24309 — 90 (Правило № 25 ЕЭК ООН).
Минимальная высота подголовника над точкой Н при измерении под углом
25° должна составлять 700 мм. Ширина подголовника не должна превышать
170 мм, и он не должен смещаться назад под действием статической нагрузки
890 Н более чем на 102 мм. Кроме того, к подголовнику предъявляются
определенные требования по энергопоглощающим свойствам.
Рис. 2.3.24. Варианты конструктивного исполнения сидений автомобиля
В последнее время все большее применение находят так называемые
активные подголовники (рис. 2.3.25). В момент удара сзади они отклоняются
вперед, сокращая расстояние между головой и подголовником. Тем самым
значительно уменьшается вероятность повреждения шейных позвонков.
238
Рис. 2.3.25. Сиденье с активными подголовниками.
2.3.9. Безопасные рулевые колонки
Исследованию влияния рулевой колонки на безопасность водителя при ДТП
уделяется большое внимание. В настоящее время уже доказано, что при
хорошо сконструированной и правильно расположенной рулевой колонке
опасность травмирования водителей уменьшается на 30-40%. Испытания
рулевых колонок производят с помощью специальных манекенов на
различных стендах и движущихся автомобилях. Фирмой «Дженерал Моторс»
были проведены обширные исследования эффективности рулевых колонок,
поглощающих энергию удара. Из 1100 случаев повреждения передней части
кузова легкового автомобиля отобрали 222 случая, в которых рулевая
колонка была сжата, а рулевое колесо - деформировано. При анализе
указанных случаев было обнаружено, что на величину продольного сжатия
рулевой колонки при ударе об нее тела водителя влияют: рост и вес водителя,
его положение на сиденье, наличие ремней безопасности, тип препятствия, о
которое ударяется автомобиль, и скорость (относительная) в момент
столкновения. Первые четыре фактора учитываются статистическим
анализом. Что же касается относительной скорости автомобиля в момент
столкновения, то она пропорциональна величине продольной деформации
рулевой колонки. Степень поглощения удара рулевой колонкой в большой
мере зависит от относительной скорости автомобиля в момент столкновения,
что в конечном счете влияет на тяжесть ранения водителя. Характеристики
безопасного рулевого управления были также проанализированы в
отношении ранений головы водителя при ударе ее о рулевое колесо
автомобиля.
Исследовались также влияния направления удара автомобиля о препятствия
(лобовое или смещенное относительно оси автомобиля) на характер ранения
водителя о рулевую колонку. Тяжесть ранений водителя при ударе о рулевую
колонку при столкновении автомобиля под углом к своей продольной оси
239
уменьшена по сравнению с лобовым столкновением, так как тело водителя
при этом скользит в сторону и с меньшим усилием ударяется о рулевую
колонку. Для воссоздания более объективной картины к рассмотренным
ранее 222 случаям было добавлено еще 22 случая с тяжелыми ранениями
водителей. При продольном сжатии рулевой колонки менее 125 мм около
80% водителей или имели небольшие ранения туловища, или вовсе
оставались невредимыми. Даже при продольном сжатии свыше 125 мм около
50% водителей не получали серьезных повреждений. Большинство
смертельных случаев произошло при столкновениях с относительной
скоростью выше 105 км/ч и при продольном сжатии колонки от 150 до 220
мм. Для оценки эффективности применения рулевых колонок, поглощающих
энергию удара, было проведено сравнение характера ранения водителя при
столкновении автомобилей, оснащенных подобными рулевыми колонками
(148 случаев), с характером ранения водителя при столкновении обычных
автомобилей (1500 случаев). Эти данные были получены от организации по
исследованию последствий автомобильных катастроф. Выявлено, что
вероятность получения тяжелых ранений увеличивается при использовании
обычной рулевой колонки. Более тщательные исследования поглощающих
энергию удара рулевых колонок и характера ранений водителя при
автомобильных столкновениях различного типа были выполнены в Научноисследовательском центре биомеханики Университета Вейн.
При лабораторных испытаниях рулевой колонки, поглощающей энергию
удара, с использованием манекена, пристегнутого ремнем безопасности к
сиденью, суммарное динамическое воздействие тела манекена-водителя на
рулевое колесо составляло от 750 до 830 кг. Это динамическое воздействие
делилось между нагрузкой на ступицу рулевого колеса (245-335 кг) и
нагрузкой на обод (около 495 кг). Скорость в момент столкновения
динамических саней с барьером составляла от 39,3 до 47,4 км/ч. Рулевое
колесо с тремя спицами, которое использовали в этих опытах,
деформировалось при приложении к нему статической нагрузки 363-454 кг
(при действии сил поперек ступиц) или 113 кг (при концентрированном
осевом усилии в верхней части обода рулевого колеса). Средние нагрузки на
рулевое колесо были значительно меньше максимальных, равных 830 кг.
Если принять, что эта максимальная нагрузка вызывает продольное сжатие
(или продольный изгиб) рулевой колонки на 20 см, то рулевая колонка
способна поглотить 166 кгм энергии. По расчетам, такая энергия может быть
полностью поглощена рулевой колонкой (при весе водителя 75 кг), если
скорость автомобиля в момент столкновения с препятствием равна 24 км/ч.
При скорости же автомобиля, равной 48 км/ч, рулевая колонка может
поглотить только 25% кинетической энергии удара, а при скорости 96 км/ч только 6,7%,
Продольное сжатие рулевой колонки не должно начинаться, если силы,
действующие на тело водителя со стороны рулевого колеса, ниже уровня,
вызывающего травмы. Такое сжатие должно начинаться только при
240
динамическом усилии на тело водителя, вызывающем травмы, и прекращаться, когда эти усилия упадут до уровня, безопасного для человека.
Итак, рулевая колонка является основным источником травм водителя при
лобовых ударах. Ее опасность усугубляется еще и тем, что до сих пор многие
водители не пользуются предохранительными ремнями. Рулевая колонка
может быть безопасной в том случае, если при лобовом ударе водителя о
рулевое колесо (вторичный удар) не возникает чрезмерных нагрузок.
Требования к системе рулевого управления регламентируются Правилом №
12 ЕЭК ООН. В соответствии, с которым при испытании на лобовое
столкновение с барьером при скорости 48,3 км/ч верхняя часть рулевой
колонки не должна перемещаться в горизонтальном и в вертикальном
направлении более чем на 127 мм. Во время удара туловища сила, с которой
рулевая колонка воздействует на туловище не должна превышать 11,11 кН.
В соответствии с этим все автомобиля «General Motors» еще в 1967 г. были
оборудованы энергоемкими рулевыми колонками, которые были
разработаны в результате многолетних исследовательских работ.
В конечном итоге выбранная конструкция с сетчатым энергопоглощающим
элементом, рассчитанная на заданную деформацию при лобовых ударах,
удовлетворяла предъявляемым требованиям и была достаточно технологична
для производства. Однако эта конструкция на американских автомобилях
уже в 1969 г. была заменена на другую, более дешевую и технологичную.
В этом случае рулевую колонку делают телескопической (рис. 2.3.26). Между
внутренней и наружной трубами колонки располагают с натягом несколько
кольцевых сепараторов с закаленными стальными шариками. При сильном
ударе одна труба входит в другую, вдавливая шарики в их стены, и тем
самым гася энергию по заданной характеристике.
Европейские безопасные рулевые колонки более разнообразны. В некоторых
случаях рулевой вал делается многозвенным (например, «Porsche»), что
предотвращает его внедрение в салон при ударе (рис. 2.3.27).
Рулевая колонка состоит из трех валов, имеющих два карданных сочленения.
Рулевой механизм реечный, причем шестерня рулевого вала установлена
точно посередине рейки. При лобовом столкновении с любой скоростью
энергия удара не передается той части рулевого вала, которая смонтирована в
щите передка кузова и заканчивается рулевым колесом. Фирма «Volkswagen»
использует в нижней части рулевого вала энергоемкий элемент,
представляющий собой сетчатую трубку большего, чем вал, диаметра,
способную передавать необходимый крутящий момент при повороте колес.
241
Рис. 2.3.26. Безопасная рулевая колонка со стальными шариками
Рис.2.3.27.
Безопасные
рулевые
а – отклоняющийся в строну; б – откидывающийся вверх
валы:
242
Рис. 2.3.28. Рулевой вал со сминаемыми при ударе элементами:
1 – вал до удара;2 – вал в процессе смятия;
3 – полностью «сложенный» вал; 4 – максимальный ход рулевого вала
Все большее применение в автомобилестроении находят сминающиеся
рулевые колонки (рис. 2.3.28). Колонка представляет собой вал, имеющий на
нижнем конце один или два пояска пониженной жесткости за счет
ослабления вала по диаметру отверстиями. Во время столкновения водитель
ударяется о рулевое колесо, которое передает усилие на рулевую колонку,
сжимая ее. Величина деформации зависит от скорости, веса человека,
толщины трубы и материала.
2.3.10. Безопасное рулевое колесо
В 1959 г. фирма «Mercedes Benz» сконструировала безопасное рулевое
колесо, имеющее ступицу увеличенного диаметра, снабженную
предохранительной мягкой накладкой. С этого времени такое колесо
применяется в качестве стандартного на автомобилях всех моделей этой
фирмы. Для выявления влияния упругости рулевого колеса на величину
динамических нагрузок при соударении с телом человека в 1961 г. в ФРГ
проводились исследования. Было установлено, что рулевое колесо
«тюльпанного» типа оптимальной с точки зрения безопасности конструкции
должно иметь две спицы, расположенные не диаметрально противоположно,
а под углом 140-160°. Кроме того, чтобы исключить возможность удара
водителя грудью в ступицу, последнюю нужно «утопить» настолько, чтобы
спицы оказались наклонными к плоскости обода на угол не менее 20°.
Энергопоглощающая рулевая колонка увеличивает путь замедления и
выполняет, таким образом, роль деформируемого
контрпункта,
предотвращая деформацию грудной клетки. Запатентованная в 1954 г, Б.
Барени (В. Barreny) безопасная конструкция рулевого колеса объединяет в
243
себе преобразование энергии с оптимальным распределением давления по
всей площади тела (грудной клетки). В этой конструкции смягчение удара
происходит не только благодаря пластической деформации колонки в
продольном направлении, но и благодаря тому, что грудная клетка приходит
в соприкосновение с расположенной под соответствующим углом
площадкой. В США впервые выпустили серии энергопоглощающих колонок,
показавших высокую эффективность с точки зрения безопасности
конструкции. Так, рулевое колесо с предохранительной мягкой накладкой,
площадь которой (подобранная экспериментально) составляет ступенчатую
телескопическую ступицу (типа сильфон), запатентовано фирмой Ford. В
настоящее время большое внимание уделяется конструированию рулевого
колеса с гибким ободом, допускающим упругую деформацию не менее 100
мм и остаточную деформацию порядка 250мм (рис. 2.3.29).
Рис. 2.3.29. Безопасные рулевые колеса:
а – рулевое колесо со ступицей большого диаметра; б – тюльпановое колесо;
в и г – рулевое колесо с гофрированным элементом соответственно до удара
и после него; 1 – гофрированный элемент
2.3.11. Ветровые стекла
Статистика дорожно-транспортных происшествий убедительно показывает,
что большое количество травм водителей и пассажиров передних сидений
связано с ветровым стеклом. Около 10-15% всех повреждений от внутренних
элементов в салоне автомобиля приходится на ветровые стекла.
Примерно такую же роль играют они и в нанесении смертельных ран.
Вообще травмы, наносимые ветровым стеклом, всегда отличаются особенной
тяжестью: сотрясение мозга, пробивание черепа, повреждение глаз и т.п.
Поэтому исследования, направленные на повышение безопасности ветровых
стекол, имеют особую актуальность.
244
В соответствии с Правилом № 43 ЕЭК ООН главными требованиями к
стеклам транспортных средств являются высокая прочность и обеспечение
определенного вида разрушений. Ветровые стекла из трехслойного стекла
испытываются при температуре -20 и +40 °С ударом шара массой (227 + 2) г,
падающего с высоты 8,5... 12 м, при этом масса осколков не должна быть
более 12... 25 г при толщине стекла 4,5... 6,5 мм. Они должны быть стойкими
к пробиванию шаром массой (2260 ± 20) г диаметром около 82 мм,
падающим с высоты 4 м. Такой шар не должен проходить сквозь стекло в
течение 5 с после удара. Ветровые стекла должны также выдерживать удар
манекеном, падающим с высоты 1,5 м.
Изделия из закаленного стекла должны выдерживать удар шаром массой (227
± 2) г, падающим с высоты 2...3 м. Характер разрушения изделий из
закаленного стекла должен быть таким, чтобы в любом квадрате размером 50
х 50 мм было не менее 40 и не более 400 элементов.
В настоящее время применяют ветровые стекла двух типов: закаленные и
слоистые. Большое преимущество ветровых стекол, прошедших закалку,
заключается в том, что они при разбивании не дают осколков с острыми
углами и гранями, которые могут причинить глубокие и опасные порезы.
Закаленные стекла более упруги, нежели слоистые, поэтому при ударе
изнутри они лучше поглощают кинетическую энергию удара, т. е. менее
опасны с точки зрения получения сотрясения мозга. Закалка стекла
обеспечивает ему повышенные прочностные показатели. Однако при этом
возникают остаточные напряжения, под действием которых при малейшем
повреждении все стекло трескается и становится непрозрачным. Чем толще
закаленное ветровое стекло, тем больше оно теряет свою прозрачность при
повреждении. Подобное ухудшение видимости очень опасно, особенно при
движении с больший скоростью. В случае растрескивания рекомендуется
быстро выбить ветровое стекло, если оно не вылетело под воздействием
динамического давления. Для того чтобы уменьшить потерю видимости,
стали применять ветровые стекла с закалкой не по всей поверхности, а
только в некоторых местах, непосредственно перед водителем или в виде
закаленной полосы. Однако местная закалка ведет к тому, что ослабляется
прочность стекла в зонах, не подвергнутых закалке.
В разных странах требования к ветровым стеклам различны. Во Франции и
Германии можно применять безопасные ветровые стекла любого типа. В
таких же странах, как США, Канада, Швеция, Италия, разрешается
применять лишь слоистые стекла, которые состоят обычно из двух
профилированных стекол с прослойкой из прозрачного пластика, например
поливинилбутирола. Основное преимущество слоистых ветровых стекол в
том, что при ударе в них трещины распространяются из центра в радиальном
направлении. В результате даже поврежденное стекло практически сохраняет
свою прозрачность. Кроме того, оно сохраняет свою форму и не выпадает из
проема кузова, так как осколки удерживаются на пластмассовой прослойке.
Однако слоистые стекла более хрупки, чем закаленные, и поэтому менее
упруги. Их осколки имеют острые углы и режущие кромки. Таким образом,
245
при аварии слоистое ветровое стекло может дать глубокие порезы и привести
к сотрясению мозга. Особую опасность представляют случаи, когда при
аварии пострадавший головой пробивает слоистое ветровое стекло.
Пластмассовая прослойка удерживает острые осколки вокруг шеи, и при
отдаче они глубоко врезаются в шею, причем исход почти всегда смертелен,
так как вытащить голову обратно невозможно.
Для того чтобы избежать этой опасности, в США применяют только стекла,
отличающиеся повышенной ударной прочностью или имеющие высокое
сопротивление деформации. У этих стекол толщина пластмассовой
прослойки увеличена с 0,38 до 0,76 мм.
В настоящее время делают попытки изготовить стекла, сочетающие
положительные свойства слоистых и закаленных стекол. Стекло такого типа
изготовлено бельгийской фирмой Glawerbe. Впервые подобные стекла были
применены на автомобиле Alfa Romeo 33. Новое стекло состоит из двух
тонких листов обычного стекла толщиной от 0,9 до 1,5 мм, склеенных друг с
другом при помощи прослойки из поливинилбутирола толщиной 0,7g мм.
Листы стекла предварительно подвергают специальной химической
обработке, существенно повышающей их прочность. Повышенная прочность
позволяет уменьшить толщину ветрового стекла в 2-3 раза, в результате чего
вес стекла уменьшается примерно на 50%. Экономия в весе составляет от 2,5
до 4 кг в зависимости от размеров стекла. При уменьшении толщины стекло
становится более упругим, что способствует снижению травматизма. При
ударе прозрачность стекла нарушается только в месте удара, а радиальные
трещины распространяются на незначительную длину.
При ударе изнутри сначала вследствие деформации трескается парусный
лист стекла и только потом уже внутренний. При пробивании стекла
пластмассовая
прослойка
обволакивает
проникшую
часть
тела
пострадавшего, предохраняя ее от дальнейших поражений. Получающиеся
при этом осколки очень мелкие и не имеют острых углов и режущих кромок.
При воздействии статической изгибающей нагрузки максимальное
напряжение составляет 70-100 кг/см (у обычного стекла - 10, а у закаленного
- 35-40 кг/см). Под действием статической нагрузки максимальное
растягивающее напряжение у такого стекла в два раза больше, чем у
закаленного, и в 5-10 раз больше, чем у слоистого стекла, несмотря на то, что
толщина такого стекла равна 1,5 мм, в то время как у закаленного толщина 46 мм, а у слоистого — по 3 мм каждый слой. Стекло подобного типа
значительно превосходит все остальные стекла и по своей сопротивляемости
динамическим нагрузкам. Его динамическая прочность в 2-3 раза больше,
чем у закаленного, и в 5—10 раз больше, чем у обычного слоистого стекла.
Подобное безосколочное ветровое стекло разработано американской фирмой
Korning glas Wek.
Это трехслойное ветровое стекло имеет обработанный термохимический
внутренний слой, который при сильном ударе растрескивается на множество
гранул с тупыми краями, не вызывающими порезов, Внутренний слой
толщиной 1,8 мм изготовлен из стекла марки «Чемкор», а промежуточный
246
слой - из труднопробиваемого полимера толщиной 0,8 мм. Внешний слой из
отожженного стекла имеет толщину 2,6 мм. Общая толщина стекла -5,2 мм,
тогда как толщина обычного безосколочного ветрового стекла 7,1 мм. Вес
нового стекла уменьшен с 16 до 11кг.
При ударе пассажира головой о стекло в первую очередь разрушается
внешний слой, уменьшая сопротивление вдавливанию. Тонкий внутренний
слой продолжает изгибаться, поглощая энергию удара, прежде чем
разобьется на тысячи мелких, не вызывающих порезов гранул. Полимерный
амортизирующий слой затем растягивается, амортизируя удар головы
пассажира. Боковые стекла также являются частью поверхности автомобиля,
о которую может удариться пассажир. Однако требований безопасности к
ним предъявляется неизмеримо меньше: эти стекла должны быть только
безосколочными, не дающими при разрушениях острых кусков.
На долю лобовых стекол приходится от 10 до 34% всех повреждений,
получаемых водителями и пассажирами при ударе о внутренние элементы
салона. Пока еще трудно сказать, какие стекла более «безопасны»:
закаленные или слоистые. И те, и другие имеют свои недостатки. Различные
комбинации этих стекол (местная закалка) пока также неоптимальны. Работа
по созданию безопасных стекол ведется, и возможно, в скором времени мы
будем иметь новый тип стекол, которые полностью удовлетворят
требованиям безопасности.
2.3.12. Элементы интерьера
Анализ протоколов дорожных происшествий показывает, что пассажиры
нуждаются в защите от удара и о внутренние поверхности салона.
Пассажирское помещение должно быть спроектировано таким образом,
чтобы исключить или ослабить «вторичный» удар, который происходит при
недостаточной эффективности описанных выше ограничительных систем.
Очевидно, что для высоких начальных скоростей удара невозможно
предусмотреть абсолютно надежную защиту пассажира от травм вследствие
удара о детали салона, особенно при ударах сбоку. Таким образом, при
проектировании салона нужно стремиться путем совершенствования
конструкции элементов, удар о которые служит причиной травм, свести к
минимуму тяжесть травм. Это достигается применением материалов с
повышенной энергоемкостью и использованием принципиально новых
конструкций.
Требования безопасности, предъявляемые к внутреннему оборудованию
легковых автомобилей регламентирует Правило № 21 ЕЭК ООН.
В соответствии с этим Правилом внутренние передние детали кузова, не
являющиеся неотъемлемыми частями панели приборов, находящиеся в зоне
возможного удара головы и расположенные ниже уровня крыши и выше
уровня панели приборов, за исключением частей, расположенных на
расстоянии менее 100 мм от стенок и окон (стекол) кузова, должны обладать
247
способностью поглощать энергию. Металлическая арматура основания этих
деталей не должна иметь выступающих и острых краев.
Полочка для мелких вещей и другие аналогичные элементы должны быть
спроектированы и изготовлены так, чтобы их кронштейны не выступали в
салон за габарит изделия. Части конструкций, обращенные внутрь салона,
должны иметь поверхности шириной не менее 25 мм с закругленными
краями радиусом не менее 3,2 мм и должны быть покрыты материалом,
способным поглощать энергию. В другом случае полочка и другие
аналогичные элементы должны быть спроектированы так, чтобы они могли
отделяться, ломаться, значительно деформироваться или утапливаться под
действием направленной вперед продольной горизонтальной силы величиной
378 Н. При этом не должно оставаться опасных выступов как на
кронштейнах, так и на полочке.
Нижний край панели приборов должен быть закруглен радиусом не менее 19
мм.
Определенные требования предъявляются к крышам автомобиля, в том числе
и к открывающимся. Ширина выступающих конструктивных деталей крыши
не должна быть менее высоты выступа, направленного внутрь салона, а
радиусы закруглений краев не должны быть менее 5 мм. Если эти условия не
выполняются, то эти элементы должны быть покрыты материалом, способным поглощать энергию. Для автомобилей с мягким открывающимся
верхом эти требования распространяются только на внутренние части
верхних элементов дуг безопасности.
Люк открывающейся крыши должен быть изготовлен из материала,
способного поглощать энергию, или покрыт таким материалом в нерабочем
(закрытом) положении, либо должен закрываться заподлицо с крышей, либо
иметь скругленную форму, а поверхность должна заканчиваться
закругленными краями радиусом не менее 5 мм.
Устройства для открывания или приведения люка в действие должны при
закрытом положении люка помещаться в зонах, с которыми не может
соприкоснуться голова. Если это требование не выполняется, то эти
устройства должны изготавливаться из материала, способного поглощать
энергию, либо при закрытом положении люка покрываться таким
материалом, либо устанавливаться заподлицо, либо должны быть
спроектированы и изготовлены так, чтобы под воздействием силы величиной
378 Н, приложенной в направлении возможного удара, выступали не более
чем на 25 мм над поверхностью, на которой они установлены, или
отсоединялись (в этом случае не должно оставаться опасных выступов).
Задняя часть спинок сидений в зоне возможного удара должна обладать
способностью поглощать энергию.
Части конструкций сидений, не входящие в зоны возможного удара, должны
иметь мягкую обивку для того, чтобы избежать непосредственного
соприкосновения головы с элементами конструкции. Элементы конструкции
в этих зонах должны иметь радиусы закруглений не менее 5 мм.
248
Жесткие края противосолнечных козырьков (шторок) и деталей их
крепления, о которые может удариться голова, должны иметь радиусы
закруглений не менее 3,2 мм.
Изложенные требования в отношении внутреннего оборудования в основном
касаются легковых автомобилей. Однако их выполнение крайне желательно
для грузовых автомобилей.
Высота ручек, выступающих над поверхностью двери кабины грузового
автомобиля, не должна быть более 35 мм для ручек стеклоподъемников и
более 25 мм для остальных ручек. Если высота выступающих ручек
превышает заданные пределы, то они должны отгибаться или отсоединяться
под действием направленной вперед горизонтальной силы 378 Н. При этом
не должно оставаться опасных выступов высотой более 35 мм для ручек
стеклоподъемников и 25 мм для остальных ручек. Концы внутренних ручек
привода замка следует закруглить, загнуть по направлению к поверхности
двери и направить вперед по ходу автомобиля. Грани внутренних ручек
также нужно закруглить радиусом не менее 3,2 мм. Форма внутренних ручек
должна способствовать уменьшению тяжести ранения водителя или
пассажира при ударе о них.
Концерн General Motors применил на некоторых своих моделях особую
конструкцию стойки ветрового окна, которая, по мнению концерна,
обеспечивает лучшую защиту от ударов, чем конструкция с мягкой обивкой.
Мягкая обивка распределяет силы удара по большей части тела, но она
фактически не снижает эти силы. В новой конструкции несущий элемент
стойки заключен с воздушной прослойкой в герметический кожух из
малоуглеродистой листовой стали. Объем такой конструкции не превышает
объема стойки с мягкой обивкой. При достаточно сильном ударе кожух
деформируется, и нагрузки поэтому меньше, чем при стойке с мягкой
обивкой, даже если удары выше средних по силе. Кроме того, концерн
General Motors ввел на свои автомобили еще одно важное новшество безопасный внутренний брус над ветровым стеклом. Он должен переводить
любой удар головы человека о крышу выше ветрового окна в скользящий
удар. При этом создается эффект действия уклона, направляющего голову
вниз, что должно способствовать сокращению числа случаев повреждения
шеи и головы людей при тяжелых лобовых столкновениях.
Несмотря на то что зеркало заднего вида, располагающееся обычно внутри
салона в зоне удара, всегда служило одной из основных причин нанесения
травм водителю и пассажирам при авариях, только в 1960 г. на автомобилях
«Mercedes Benz-220» появилось зеркало безопасной конструкции. Это была
одна из первых попыток решения данного вопроса. Конструкторы фирмы
Mercedes предложили такое крепление кронштейна зеркала, которое бы при
воздействии нагрузки в 5-6 кг позволяло ему выпадать из гнезда в панели
крыши. В обычных же условиях кронштейн удерживается в гнезде
посредством полусферических выступов двух штырей, раздвигаемых
пружиной. В дальнейшем появились зеркала, кронштейны которых либо
телескопируются, либо разрушаются при ударе о них головы человека.
249
Срабатывание кронштейна должно происходить при ударе в зеркало головы
манекена (закрепленного только поясным ремнем) с силой 40 кг. В качестве
дополнительных мер безопасности рекомендуется применять безосколочное
зеркало, помещенное в легко деформирмируемый резиновый или
пластмассовый кожух.
2.3.13 Послеаварийная безопасность
Послеаварийная безопасность – это совокупность конструктивных
особенностей и дополнительных устройств, снижающих тяжесть
последствий ДТП.
К числу опасных явлений, которые могут возникнуть в результате ДТП,
относят пожар, заклинивание дверей и заполнение водой салона, если
автомобиль затонул.
Наиболее тяжелым последствием ДТП для пассажиров и водителя является
возгорание автомобиля. Чаще возгорание происходит при тяжелых ДТП,
таких как столкновение, наезды на неподвижные препятствия, а также
опрокидывание. Несмотря на небольшую вероятность возникновения
возгорания (0,3... 1,2 %), их последствия тяжелейшие. Они вызывают почти
полное разрушение автомобиля, и в случае невозможности эвакуации –
гибель людей. Во всех подобных ДТП топливо выливается из бака через
отверстия, появившиеся в результате его повреждения, или через заливную
горловину, при этом образуется топливно-воздушная смесь, которая и
воспламеняется.
К
элементам
послеаварийной
безопасности
относят
средства
противопожарной безопасности, средства эвакуации людей из салона
автомобиля, кабины грузового автомобиля, средства герметизации
автомобиля и средства оказания пострадавшим медицинской помощи.
Конструкция моторного отсека не должна допускать накопления топлива
или масла в любом его месте.
Заливные горловины топливных баков не следует располагать в
пассажирском помещении или отделении водителя. Их рекомендуется
размещать таким образом, чтобы исключалась возможность попадания
топлива на двигатель или выхлопную трубу при заправке.
Не допускается утечка топлива через пробку заливной горловины, которая не
должна самопроизвольно открываться и выступать за поверхность кузова.
Топливный бак должен быть прочным и коррозионно-стойким, он не должен
выступать за габаритную ширину кузова.
Трубопроводы системы питания нельзя располагать в пассажирском
помещении и отделении водителя, их необходимо защищать от
повреждения. Недопустимо попадание топлива при утечке из
трубопроводов на элементы выхлопной системы.
Все провода системы электрооборудования должны быть надежно защищены
от обрыва, перетирания и изнашивания, они должны выдерживать
воздействия высокой температуры и влажности, а в моторном отделении –
250
испарения масла и топлива; сила тока в них не должна превышать
допустимого значения. Необходимо иметь не менее двух независимых
цепей внутреннего освещения, чтобы выход из строя одной из них не
отражался на функционировании другой.
Все электрические цепи питания приборов электрооборудования, за
исключением стартера, системы зажигания, устройств остановки
двигателя и зарядной цепи аккумуляторной батареи, должны снабжаться
плавкими
предохранителями.
Аккумуляторные
батареи
следует
располагать в доступных местах, надежно изолировать от пассажирского
помещения и вентилировать окружающим воздухом.
На автобусах устанавливают аварийный выключатель, предназначенный
для быстрой остановки двигателя, приведения в действие устройств для
прекращения подачи топлива, отключения аккумуляторных батарей и
включения аварийной сигнализации, а также, как и на других
автотранспортных средствах, огнетушители и медицинские аптечки.
Требованиями к пожарной безопасности предусмотрена установка
перегородки из огнестойкого материала между моторным отделением или
любым другим источником теплоты и остальной частью автобуса.
Основными
направлениями
совершенствования
противопожарных
устройств являются:
• установка автоматически включающихся пенных огнетушителей;
• применение
устройств,
автоматически
размыкающих
электрическую цепь автомобиля при возникновении механических
перегрузок определенного уровня;
• использование устройств, автоматически впрыскивающих во время
аварии в топливный бак вещества, превращающие топливо в
трудносгораемое
вещество
(композиции
галогенов,
кремниевые
соединения и специальные смолы).
В легковых автомобилях и кабинах грузовых автомобилей эвакуация людей
после аварии обеспечивается через входные двери. Для этого замки дверей
не должны заклиниваться, о чем существует указание в отраслевых
стандартах, определяющих требования к ударно-прочностным свойствам
кузовов и кабин.
В автобусах предусматриваются аварийные выходы (двери и окна) и
аварийные люки. Аварийные двери должны открываться снаружи и
изнутри, не должны иметь устройств, предусматривающих использование
любых видов энергии, кроме мускульной, должны иметь только переднюю
навеску и открываться наружу. Аварийные окна должны выставляться
только наружу и иметь устройства для быстрого удаления из проема.
Аварийные люки должны открываться изнутри и снаружи, разрешено
применение люков скользящего или отбрасываемого типов и запрещено
применение откидных люков.
Аварийные выходы должны открываться без помощи инструмента. При
этом время открывания аварийного выхода не должно превышать 3 с.
251
Если конструкция не обеспечивает полное открывание застекленных окон,
являющихся аварийными выходами, в кабине должны находиться средства,
которыми при аварийной ситуации можно разбить стекло.
Двери кабины должны быть оборудованы замками, запирающимися на
ключ, и стопориться автоматически в крайних положениях.
Допускается устанавливать замок на одной двери при наличии на другой
двери и аварийном выходе (если он имеется) внутренних запоров.
Предотвращение попадания воды в салон, кабину автомобиля при его
затоплении пока не регламентировано. Единственный путь борьбы с этим
явлением – повышение герметичности салона. Однако в этом направлении
много нерешенных вопросов, так как спасение людей из затонувшего
автомобиля зависит не только от его конструкции, но и от многих других
факторов.
Таким образом, при конструировании автомобиля для обеспечения
требований послеаварийной безопасности необходимо:
• топливный бак располагать в отдалении от двигателя;
• устанавливать бак сзади, так как встречные столкновения имеют
более тяжелые последствия;
• устанавливать систему автоматического отключения источника
электроэнергии при ДТП;
• обеспечивать пожаробезопасность топливных баков, заливных
горловин и топливопроводов;
• предусматривать огнетушители;
• предусматривать устройства автоматического впрыска в бензобак
веществ, снижающих возгораемость бензина;
• снабжать дверные замки системой блокировки в момент ДТП,
предусматривать возможность их беспрепятственного открывания после
ДТП для быстрой эвакуации людей;
• предусматривать устройства аварийной эвакуации людей (люки в
крышах и на задней торцовой стенке, скатывающиеся крыши);
• предусматривать внутри салона инструменты для разбивания
или выдавливания стекол.
Контрольные вопросы
1. Чем определяется актуальность обеспечения пассивной безопасности
транспортных средств?
2. Каковы различия внутренней и внешней пассивной безопасности?
3. Указать нормативы, комплексно регламентирующие пассивную
безопасность легковых автомобилей.
4. Какие регламентируемые технические требования (методы испытаний)
применяются к специальным удерживающим средствам (системам)?
5. Указать нормативы, регламентирующие требования к отдельным
элементам (узлам) легковых автомобилей, влияющие на пассивную безопасность транспортных средств.
252
6. Какие технические требования регламентируют пассивную безопасность
грузовых автомобилей?
7. По каким показателям определяется пассивная безопасность автобусов?
253
Глава 3. Экологическая безопасность
Экологическая безопасность – эксплуатационное свойство автомобиля,
обеспечивающее снижение его отрицательного воздействия на человека,
животный мир и окружающую среду.
Автомобиль является источником загрязнения воздуха, воды и почвы.
С углублением понимания негативного воздействия автомобилей на
окружающую среду усиливаются работы, направленные на повышение
уровня экологической безопасности автомобиля. Важную роль в этом играет
выявление тех конструктивных решений и элементов конструкции
автомобиля, которые связаны с наибольшими негативными воздействиями на
окружающую среду.
Когда речь касается воздействия автомобильного транспорта на
окружающую среду, подразумевается не только влияние подвижного состава,
а всего автотранспортного комплекса. В него входят следующие элементы:
- автотранспортные средства;
- автодорожная сеть;
- автовокзалы, автовокзалы, мотели и т. п.;
- хозяйственные объекты (склады, площадки, специальная техника);
- дорожно-ремонтное хозяйство;
- предприятия технического обслуживания и ремонта;
- предприятия топливообеспечения и др.
Вместе с тем, воздействие автомобильного транспорта на окружающую
среду следует оценивать в комплексе, т. е. рассматривать AT как индустрию,
связанную с производством, обслуживанием и ремонтом автомобилей, их
эксплуатацией, производством горючего и смазочных материалов, с
развитием и эксплуатацией дорожно-транспортной сети и др.
С этой позиции можно сформулировать следующие негативные
воздействия автомобилей на окружающую среду (ОС).
Первая группа связана с производством автомобилей:
- высокая
ресурсно-сырьевая
и
энергетическая
емкость
автомобильной промышленности;
- собственное негативное воздействие на ОС автомобильной
промышленности (литейное производство, инструментально-механическое
производство, стендовые испытания, лакокрасочное производство,
производство шин и др.).
Вторая группа обусловлена эксплуатацией автомобилей:
- потребление и воздуха, выделение вредных выхлопных газов;
- продукты истирания шин и тормозов;
- шумовое загрязнение окружающей среды;
- материальные и человеческие потери в результате транспортных
аварий
Третья группа связана с отчуждением земель под транспортные
254
магистрали, гаражи и стоянки:
- развитие инфраструктуры сервисного обслуживания автомобилей
(автозаправочные станции, станции технического обслуживания,
- поддержание транспортных магистралей в рабочем состоянии
(использование соли для таяния снега в зимние периоды).
Четвертая группа объединяет проблемы регенерации и утилизации
шин, масел и другие технологических жидкостей, самих отслуживших
автомобилей.
Тепловое излучение от работающих двигателей носит местный
характер и оказывает незначительное влияние на температурный режим ОС;
тем не менее, автотранспорт, ввиду многочисленности парка, является
наибольшим тепловым загрязнителем ОС.
Образование дыма, пыли, различных частиц при износе узлов и
агрегатов, тормозных накладок транспортных средств, а также при их
движении влияют на чистоту обитания человека. Особенно вредны
дисперсные частицы, сопровождающие дымный выхлоп. (Правило №24 ЕЭК
ООН). Под дисперсными частицами подразумеваются углеродные частицы
(сажа), аэрозоли масла и несгоревшее топливо. Размер дисперсионных
частиц находится в диапазоне 0,2…5,0 мкм, которые, попадая в дыхательные
пути человека, вызывают различные заболевания. Наибольшую опасность
вызывает сажа, на поверхности которой абсорбируются тяжелые
ароматические углеводороды, в том числе бенз(а)пирен. Нормирующим
параметром дымности дизелей является оптическая плотность отработавших
газов (ОГ), выраженная в %. В условии эксплуатации дымность ОГ дизелей в
РФ не должна превышать 15 % в режиме максимальной частоты вращения
коленчатого вала на холостом ходу и 40 % в режиме свободного ускорения.
По этим параметрам автомобильный транспорт является наибольшим
загрязнителем.
Причем такая оценка конструкции должна учитывать все стадии
жизненного цикла автомобиля: производство, эксплуатацию и утилизацию. В
последние годы были разработаны и находят все более широкое применение
методики оценки экологичности конструкции автомобиля с учетом полного
жизненного цикла – от изготовления до утилизации. Эти методики
позволяют комплексно оценить экологическую «дружественность»
автомобиля и уже на стадии проектирования заложить конструктивные
решения, которые в последствии приведут к наименьшим негативным
последствиям для окружающей среды.
Жизненный цикл автомобиля можно определить как последовательные
и взаимосвязанные стадии производства и использования автомобиля, от
добычи сырья до окончательного захоронения отходов. Основными стадиями
жизненного цикла автомобиля являются: добыча (получение) сырья;
переработка сырья и получение конструкционных материалов, топлива и
энергии; изготовление узлов и деталей автомобиля, сборка; эксплуатация
автомобиля (в т.ч. ремонт); разборка и утилизация автомобиля, захоронение
отходов.
255
3.1. Вредные выбросы автотранспорта в атмосферу
Угарный газ и оксиды азота, столь интенсивно выделяемые на первый
взгляд невинным голубоватым дымком глушителя автомобиля – вот одна из
основных причин головных болей, усталости, немотивированного
раздражения, низкой трудоспособности. Сернистый газ способен
воздействовать на генетический аппарат, способствуя бесплодию и
врожденным уродствам, а все вместе эти факторы ведут к стрессам, нервным
проявлениям, стремлению к уединению, безразличию к самым близким
людям. В больших городах также более широко распространены заболевания
органов кровообращения и дыхания, инфаркты, гипертония и
новообразования. По расчетам специалистов, «вклад» автомобильного
транспорта в атмосферу составляет до 90% по оксиду углерода и 70 % по
оксиду азота. Автомобиль также добавляет в почву и воздух тяжелые
металлы и другие вредные вещества.
Основными источниками загрязнения воздушной среды автомобилей
являются отработавшие газы ДВС, картерные газы, топливные испарения.
Двигатель внутреннего сгорания – это тепловой двигатель, в котором
химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу. По виду
применяемого топлива ДВС подразделяют на двигатели, работающие на
бензине, газе и дизельном топливе. По способу воспламенения горючие
смеси ДВС бывают с воспламенением от сжатия (дизели) и с
воспламенением от искровой свечи зажигания.
Дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов нефти с
температурами кипения от 200 до 3500С. Дизельное топливо должно иметь
определенную вязкость и самовоспламеняемость, быть химически
стабильным, при сгорании иметь минимальную дымность и токсичность. Для
улучшения этих свойств в топлива вводят присадки, антидымные или
многофункциональные.
Образование токсичных веществ – продуктов неполного сгорания и
оксидов азота в цилиндре двигателя в процессе сгорания происходит
принципиально различными путями. Первая группа токсичных веществ
связана с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в
предпламенный период, так и в процессе сгорания – расширения. Вторая
группа токсичных веществ образуется при соединении азота и избыточного
кислорода в продуктах сгорания. Реакция образования оксидов азота носит
термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления
топлива. Поэтому рассмотрение механизма образования данных токсичных
веществ целесообразно вести раздельно.
К основным токсичным
выбросам автомобиля
относятся:
отработавшие газы (ОГ), картерные газы и топливные испарения.
Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат оксид углерода
(СО), углеводороды (СХHY), оксиды азота (NOX), бенз(а)пирен, альдегиды и
сажу. Картерные газы – это смесь части отработавших газов, проникшей
256
через неплотности поршневых колец в картер двигателя, с парами моторного
масла. Топливные испарения поступают в окружающую среду из системы
питания двигателя: стыков, шлангов и т.д. Распределение основных
компонентов выбросов у карбюраторного двигателя следующее:
отработавшие газы содержат 95 % СО, 55 % СХHY и 98 % NOX, картерные
газы по – 5 % СХHY, 2 % NOX, а топливные испарения – до 40 % СХHY.
Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей
внутреннего сгорания представлено в табл.3.1.
Таблица 3.1
Содержание токсичных выбросов в отработавших газах двигателей.
Компоненты
CO
NOX
СХHY
Бенз(а)пирен
Альдегиды
Сажа
Доля токсичного компонента в ОГ ДВС
Карбюраторные
Дизельные
В%
на
1000л в %
топлива, кг
0,5-12,0
до 200
0,01-0,5
до 0,8
20
до 0,5
0,2 – 3,0
25
0,009-0,5
3
до 10 мкг/м
до 0,2мг/л 0,0010,09мг/л
3
до 0,04 г/м 1
0,01-1,1г/м3
на
1000л
топлива, кг
до 25
36
8
3
В общем случае в составе отработавших газов двигателей могут
содержаться следующие нетоксичные и токсичные компоненты: О, О2, О3, С,
СО, СО2, СН4, CnHm, CnHmО, NO, NO2, N, N2, NH3, HNO3, HCN, H, H2, OH,
H2O.
Основными токсичными веществами – продуктами неполного сгорания
являются сажа, оксид углерода, углеводороды, альдегиды.
Вредные токсичные выбросы можно разделить на регламентированные
и нерегламентированные. Они действуют на организм человека по-разному.
Вредные токсичные выбросы: СО, NOX, CXHY, RXCHO, SO2, сажа, дым.
СО (оксид углерода) – этот газ без цвета и запаха, более легкий, чем
воздух. Образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором
активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки,
плохого распыления топлива и диссоциации СО2 на СО и О2 при высоких
температурах.
Во время работы дизеля концентрация СО незначительна (0,1…0,2 %).
У карбюраторных двигателей при работе на холостом ходу и малых
нагрузках содержание СО достигает 5…8 % из-за работы на обогащенных
смесях. Это достигается для того, чтобы при плохих условиях
смесеобразование обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания
число испарившихся молекул.
257
NOX (оксиды азота) – самый токсичный газ из ОГ.
N2 (азот) – инертный газ при нормальных условиях. Активно реагирует
с кислородом при высоких температурах.
Выброс с ОГ зависит от температуры среды. Чем больше нагрузка
двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно
увеличивается выброс оксидов азота.
Кроме того, температура в зоне горения (камера сгорания) во многом
зависит от состава смеси. Слишком обедненная или обогащенная смесь при
горении выделяет меньшее количество теплоты, процесс сгорания
замедляется и сопровождается большими потерями теплоты в стенке, т.е. в
таких условиях выделяется меньшее количество NOx, а выбросы растут,
когда состав смеси близок к стехиометрическому (1 кг топлива к 15 кг
воздуха). Для дизельных двигателей состав NOx зависит от угла опережения
впрыска топлива и периода задержки воспламенения топлива. С увеличением
угла опережения впрыска топлива удлиняется период задержки
воспламенения, улучшается однородность топливовоздушной смеси,
большее количество топлива испаряется, и при сгорании резко (в 3 раза)
увеличивается температура, т.е. увеличивается количество NOx.
Кроме того, с уменьшением угла опережения впрыска топлива можно
существенно снизить выделение оксидов азота, но при этом значительно
ухудшаются мощностные и экономические показатели.
Углеводороды (СxНy) – этан, метан, бензол, ацетилен и др. токсичные
элементы. ОГ содержат около 200 разных углеводородов.
В дизельных двигателях СxНy образуются в камере сгорания из-за
гетерогенной смеси, т.е. пламя гаснет в очень богатой смеси, где не хватает
воздуха за счет неправильной турбулентности, низкой температуры, плохого
распыления.
ДВС выбрасывает большее количество СxНy, когда работает в режиме
холостого хода, за счет плохой турбулентности и уменьшения скорости
сгорания.
Дым – непрозрачный газ. Дым может быть белым, синим, черным.
Цвет зависит от состояния ОГ.
Белый и синий дым – это смесь капли топлива с микроскопическим
количеством пара; образуется из-за неполного сгорания и последующей
конденсации.
Белый дым образуется, когда двигатель находится в холодном
состоянии, а потом исчезает из-за нагрева. Отличие белого дыма от синего
определяется размером капли: если диаметр капли больше длины волны
синего цвета, то глаз воспринимает дым как белый.
К факторам, определяющим возникновение белого и синего дыма, а
также его запах в ОГ, относятся температура двигателя, метод образования
смеси, топливные характеристики (цвет капли зависит от температуры ее
образования: при увеличении температуры топлива дым приобретает синий
цвет, т.е. уменьшается размер капли).
Кроме того, бывает синий дым от масла.
258
Наличие дыма показывает, что температура недостаточна для полного
сгорания топлива.
Черный дым состоит из сажи.
Дым отрицательно влияет на организм человека, животных и
растительность.
Сажа – представляет собой бесформенное тело без кристаллической
решетки; в ОГ дизельного двигателя сажа состоит из неопределенных
частице с размерами 0,3...100 мкм.
Причина образования сажи заключается в том, что энергетические
условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются достаточными, чтобы
молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода
диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как
бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.
Образование сажи зависит от температуры, давления в камере
сгорания, типа топлива, отношения топливо-воздух.
Содержание сажи в ОГ уменьшается с увеличением угла опережения
впрыска топлива, а при уменьшении угла опережения впрыска топлива,
выделение сажи заметно возрастает.
Количество сажи зависит от температуры в зоне сгорания.
Существуют другие факторы образования сажи – зоны обогащенной
смеси и зоны контакта топлива с холодной стенкой, а также неправильная
турбулизация смеси.
Скорость сжигания сажи зависит от размера частиц, например, сажа
сжигается полностью при размере частиц меньше 0,01 мкм.
SO2 (оксид серы) – образуется во время работы двигателя из топлива,
получаемого из сернистой нефти (особенно в дизелях); эти выбросы
раздражают глаза, органы дыхания.
SO2,H2S – очень опасны для растительности.
Главным загрязнителем атмосферного воздуха свинцом в Российской
Федерации в настоящее время является автотранспорт, использующий
этилированный бензин: от 70 до 87 % общей эмиссии свинца по различным
оценкам. РbО (оксиды свинца) – возникают в ОГ карбюраторных двигателей,
когда используется этилированный бензин, чтобы увеличить октановое число
для уменьшения детонации (это очень быстрое, взрывное сгорание
отдельных участков рабочей смеси в цилиндрах двигателя со скоростью
распространения пламени до 3000 м/с, сопровождающееся значительным
повышением давления газов). При сжигании одной тонны этилированного
бензина в атмосферу выбрасывается приблизительно 0,5...0,85 кг оксидов
свинца. По предварительным данным, проблема загрязнения окружающей
среды свинцом от выбросов автотранспорта становится значимой в городах с
населением свыше 100 000 человек и для локальных участков вдоль
автотрасс с интенсивным движением. Радикальный метод борьбы с
загрязнением окружающей среды свинцом выбросами автомобильного
транспорта – отказ от использования этилированных бензинов. По данным
1995г. 9 из 25 нефтеперерабатывающих заводов России перешли на выпуск
259
неэтилированных бензинов. В 1997 году доля неэтилированного бензина в
общем объеме производства составила 68%. Однако, из-за финансовых и
организационных трудностей полный отказ от производства этилированных
бензинов в стране задерживается.
Альдегиды (RxCHO) – образуются, когда топливо сжигается при
низких температурах или смесь очень бедная, а также из-за окисления
тонкого слоя масла в стенке цилиндра.
При сжигании топлива при высоких температурах альдегиды исчезают.
Загрязнение воздуха идет по трем каналам: 1) ОГ, выбрасываемые
через выхлопную трубу (65 %); 2) картерные газы (20 %); 3) углеводороды в
результате испарения топлива из бака, карбюратора и трубопроводов (15 %).
Каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу с отработавшими газами
около 200 различных компонентов. Самая большая группа соединений –
углеводороды. Эффект падения концентраций атмосферных загрязнений, то
есть приближение к нормальному состоянию, связан не только с
разбавлением выхлопных газов воздухом, но и со способностью
самоочищения атмосферы. В основе самоочищения лежат различные
физические, физико-химические и химические процессы. Выпадение
тяжелых взвешенных частиц (седиментация) быстро освобождает атмосферу
только от грубых частиц. Процессы нейтрализации и связывания газов в
атмосфере проходят гораздо медленнее. Значительную роль в этом играет
зеленая растительность, поскольку между растениями идет интенсивный
газообмен. Скорость газообмена между растительным миром в 25…30 раз
превышает скорость газообмена между человеком и ОС в расчете на единицу
массы активно функционирующих органов. Количество атмосферных
осадков оказывает сильное влияние на процесс восстановления. Они
растворяют газы, соли, адсорбируют и осаждают на земную поверхность
пылевидные частицы.
Автомобильные выбросы распространяются и трансформируются в
атмосфере по определенным закономерностям.
Так, твердые частицы размером более 0,1 мм оседают на
подстилающих поверхностях в основном из-за действия гравитационных сил.
Частицы, размер которых менее 0,1 мм, a также газовые примеси в виде
CO, СХНУ, NOX, SOX распространяются в атмосфере под воздействием
процессов диффузии. Они вступают в процессы физико-химического
взаимодействия между собой и с компонентами атмосферы, и их действие
проявляется на локальных территориях в пределах определенных регионов.
В этом случае рассеивание примесей в атмосфере является
неотъемлемой частью процесса загрязнения и зависит от многих факторов.
Степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами объектов АТК
зависит от возможности переноса рассматриваемых загрязняющих веществ
на значительные расстояния, уровня их химической активности,
метеорологических условий распространения.
Компоненты вредных выбросов с повышенной реакционной
способностью, попадая в свободную атмосферу, взаимодействуют между
260
собой и компонентами атмосферного воздуха. При этом различают
физическое, химическое и фотохимическое взаимодействия.
Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во
влажном воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель
жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе. Жидкие и твердые
частицы могут объединяться, адсорбировать или растворять газообразные
вещества.
Реакции синтеза и распада, окисления и восстановления
осуществляются между газообразными компонентами загрязняющих веществ
и атмосферным воздухом. Некоторые процессы химических преобразований
начинаются непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу,
другие – при появлении для этого благоприятных условий – необходимых
реагентов, солнечного излучения, других факторов.
При выполнении транспортной работы существенным является выброс
соединений углерода в виде CO и СХНУ.
Моноксид углерода в атмосфере быстро диффундирует и обычно не
создает высокой концентрации. Его интенсивно поглощают почвенные
микроорганизмы; в атмосфере он может окисляться до СО2 при наличии
примесей - сильных окислителей (О,О3), перекисных соединений и
свободных радикалов.
Углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям
(окислению, полимеризации), взаимодействуя с другими атмосферными
загрязнениями, прежде всего под действием солнечной радиации. В
результате этих реакций образуются перекиси, свободные радикалы,
соединения с оксидами азота и серы.
В свободной атмосфере сернистый газ (SО2) через некоторое время
окисляется до сернистого ангидрида (SО3) или вступает во взаимодействие с
другими соединениями, в частности углеводородами. Окисление сернистого
ангидрида в серный происходит в свободной атмосфере при фотохимических
и каталитических реакциях. В обоих случаях конечным продуктом является
аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде.
B сухом воздухе окисление сернистого газа происходит крайне
медленно. В темноте окисления SO2 не наблюдается. При наличии в воздухе
оксидов азота скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается
независимо от влажности воздуха.
Сероводород и сероуглерод при взаимодействии с другими
загрязнителями подвергаются в свободной атмосфере медленному
окислению до серного ангидрида. Сернистый ангидрид может
адсорбироваться на поверхности твердых частиц из оксидов металлов,
гидрооксидов или карбонатов и окисляться до сульфата.
Соединения азота, поступающие в атмосферу от объектов АТК,
представлены в основном NO и NO2. Выделяемый в атмосферу моноксид
азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется
атмосферным кислородом до диоксида азота. Кинетика дальнейших
превращений диоксида азота определяется его способностью поглощать
261
ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на моноксид азота и атомарный
кислород в процессах фотохимического смога.
Фотохимический смог – это комплексная смесь, образующаяся при
воздействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов
автомобильных двигателей – NO и углеводородных соединений. Другие
вещества (SO2), твердые частицы также могут участвовать в смоге, но не
являются основными носителями высокого уровня окислительной
активности, характерной для смога. Стабильные метеорологические условия
благоприятствуют развитию смога:
• городские эмиссии удерживаются в атмосфере в результате инверсии,
• служащей своеобразной крышкой на сосуде с реактивами,
• увеличивая продолжительность контакта и реакции,
• препятствуя рассеиванию (новые эмиссии и реакции добавляются к
первоначальным).
Рис.3.1. Фотохимический смог
Формирование смога и образование оксиданта обычно останавливается
при прекращении солнечной радиации в темное время суток и дисперсии
реагентов и продуктов реакции.
В Москве при обычных условиях концентрация тропосферного озона,
который является предвестником образования фотохимического смога,
достаточно низкая. Оценки показывают, что генерация озона из оксидов
азота и углеводородных соединений вследствие переноса воздушных масс и
повышение его концентрации, и следовательно, неблагоприятное
воздействие происходит на расстоянии 300…500 км от Москвы (в районе
Нижнего Новгорода).
Помимо метеорологических факторов самоочищения атмосферы
262
некоторые компоненты вредных выбросов автомобильного транспорта
участвуют в процессах взаимодействия с компонентами воздушной среды,
результатом которых является возникновение новых вредных веществ
(вторичные атмосферные загрязнители). Загрязнители вступают с
компонентами атмосферного воздуха в физическое, химическое и
фотохимическое взаимодействия.
Многообразие продуктов выхлопов автомобильных двигателей может
быть классифицировано по группам, сходным по характеру воздействия на
организмы или химической структуре и свойствам:
1) нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар и
углекислый газ, содержание которых в атмосфере в обычных условиях не
достигает уровня, вредного для человека;
2) моноксид углерода, наличие которого характерно для выхлопов
бензиновых двигателей;
3) оксиды азота (~98 % NО, ~2 % NO2), которые по мере пребывания в
атмосфере соединяются с кислородом;
4) углеводороды (алкаин, алкены, алкадиены, цикланы, ароматические
соединения);
5) альдегиды;
6) сажа;
7) соединения свинца.
8) серистый ангидрид.
Чувствительность населения к действию загрязнения атмосферы
зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего
состояния здоровья, питания, температуры и влажности и т.д. Лица пожилого
возраста, дети, больные, курильщики, страдающие хроническим бронхитом,
коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.
Общая схема реакции организма на воздействие загрязнителей ОС по
данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) представлена на
рис.3.2.
Рис. 3.2. Реакция организма на воздействие загрязнителей воздуха:
1 – смертность; 2 – заболеваемость; 3 – физиологические признаки
заболевания; 4 – сдвиги жизнедеятельности организма неизвестного
назначения; 5 – накопление загрязнений в органах и тканях.
Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов
автотранспорта становится все более актуальной. Это можно проследить уже
263
на примере Москвы. В 1982 г. вклад автотранспортных средств в суммарное
загрязнение атмосферы составлял 69 %, в 1990 г. – 74,6 %, в 1993 г. – 79,6 %
и т.д.
Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения
окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое
место, поскольку воздух – продукт непрерывного потребления организма.
Дыхательная система человека имеет ряд механизмов, помогающих
защитить организм от воздействия загрязнителей воздуха. Волоски в носу
отфильтровывают крупные частицы. Липкая слизистая оболочка в верхней
части дыхательного тракта захватывает мелкие частицы и растворяет
некоторые газовые загрязнители. Механизм непроизвольного чихания и
кашля удаляет загрязненные воздух и слизь при раздражении дыхательной
системы.
Тонкие частицы представляют наибольшую опасность для здоровья
человека, так как способны пройти через естественную защитную оболочку в
легкие. Вдыхание озона вызывает кашель, одышку, повреждает легочные
ткани и ослабляет иммунную систему.
Влияние загрязнения воздуха на здоровье населения состоит в
следующем.
Взвешенные частицы. Частицы пыли размером от 0,01 до 100 мкм
классифицируются следующим образом: более 100 мкм – осаждающиеся,
менее 5 мкм – практически неосаждающиеся.
Частицы первого типа безвредны, поскольку быстро осаждаются либо
на поверхности земли, любо в верхних дыхательных путях. Частицы второго
типа попадают глубоко в легкие. Установлено присутствие соединений
углерода, углеводорода, парафина, ароматических веществ, мышьяка, ртути
и др. в легких вследствие проникновения пыли, a также связь с частотой
заболевания раком, хроническим заболеванием дыхательных путей, астмой,
бронхитом, эмфиземой легких. Резкое увеличение частоты хронических
бронхитов начинается с концентрации 150 – 200 мг/м3. При попадании в
дыхательные пути сажи, возникают хронические заболевания (размеры
твердых частиц 0.5…2 мкм), ухудшается видимость, а также сажа
абсорбирует на своей поверхности сильнейшие канцерогенные вещества
(бенз(а)пирен), что опасно для человеческого организма. Норма сажи в ОГ
составляет 0.8 г/м3.
Сернистый ангидрид. Оказывает пагубное влияние на слизистую
оболочку верхних дыхательных путей, вызывает бронхиальную закупорку.
Начиная с 500 мг/м3 у больных бронхитом наблюдаются осложнения, 200
мг/м3 вызывает увеличение приступов у астматиков.
Оксиды азота. Диоксид азота и фитохимические производные являются
побочными продуктами нефтехимических производств и рабочих процессов
дизельных двигателей. Оказывают влияние на легкие и на органы зрения.
Начиная с 150 мг/м3, при длительных воздействиях происходит нарушение
дыхательных функций Оксиды азота раздражают слизистую оболочку глаз и
носа, разрушают легкие. В дыхательных путях оксиды азота реагируют с
264
влагой, которая находится в этом месте. Оксиды азота способствуют
разрушению озонового слоя.
Считается, что токсичность NOx больше в 10 раз, чем СО. N2O
действует как наркотик. Норма NOx в воздухе – 0,1 мг/м3.
Озон. Повышение концентрации оксидов азота и углеводородов под
действием солнечной радиации порождает фотохимический смог (озон, ПАН
и др.) Фоновая концентрация озона в природе 20…40 мг/м3. При 200 мг/м3
наблюдается заметное негативное воздействие на организм человека.
Моноксид углерода. При сжигании топлива в условиях недостатка
воздуха, CO генерируется в процессе работы автомобильных двигателей.
Соединяясь с гемоглобином (Нb), из вдыхаемого воздуха попадает в кровь,
препятствуя насыщению крови кислородом, а следовательно, и тканей,
мышц, мозга. При концентрации 20…40 мг/м3 в течение 1 часа содержание
НbСО в крови повышается на 2…3 %, что вызывает ослабление зрения,
ориентации в пространстве, реакций. СО вызывает нарушение нервной
системы, головную боль, похудение, рвоту.
Диспансерные исследования Института экологии человека и гигиены
окружающей среды им. А. Н. Сысина РАМН показали, что длительное
вдыхание воздуха, содержащего моноксид углерода в концентрациях 3…6
ПДК и диоксид азота 2…3 ПДК, вызывает в детском организме ряд ответных
реакций. Установлены удлинение времени латентного периода зрительно –
моторной реакции, хронический тонзиллит, хронический ринит, гипертрофия
миндалин, снижение жизненной емкости легких.
Основными
представителями
альдегидов,
поступающих
в
атмосферный воздух с выбросами автомобилей, являются формальдегид и
акролеин. Действие формальдегида характеризуется раздражающим
эффектом по отношению к нервной системе. Он поражает внутренние органы
и анактивирует ферменты, нарушает обменные процессы в клетке путем
подавления цитоплазматического и ядерного синтеза. Именно RxCHO
определяют запах ОГ.
Биологическое действие фотооксидантов (смесь озона, диоксида азота
и формальдегида) на клеточном уровне подобно действию радиации,
вызывает цепную реакцию клеточных повреждений.
Углеводороды (СxНy) имеют неприятные запахи. СxНy раздражают
глаза, нос и очень вредны для флоры и фауны. СxНy от паров бензина также
токсичные, допускается 1,5 мг/м3 в день.
Оксиды свинца накапливаются в организме человека, попадая в него
через животную и растительную пищу. Свинец и его соединения относятся к
классу высокотоксичных веществ, способных причинить ощутимый вред
здоровью человека. Свинец влияет на нервную систему, что приводит к
снижению интеллекта, а также вызывает изменения физической активности,
координации, слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя
к заболеваниям сердца. Свинцовое отравление (сатурнизм) занимает первое
место среди профессиональных интоксикаций.
Содержание свинца в растениях, которые растут около дорог, зависит
265
от расстояния растения до дороги. Норма Рb в Европе – 10 мг Рb в 1 кг травы.
Современные исследования в области влияния состояния атмосферного
воздуха на здоровье населения можно характеризовать табл.3.2.
Таблица 3.2
Влияние кратности превышения ПДК на здоровье людей
Кратность
Ответ состояния здоровья населения
превышения
ПДК
1
Нет изменений в состоянии здоровья
2-3
Изменение
состояния
здоровья
по
некоторым
4- 7
Выраженные функциональные сдвиги
8- 10
Рост специфической и неспецифической заболеваемости
100
Острые отравления
500
Летальные отравления
Значительная масса вредных выбросов, рассеянных в атмосфере,
является результатом работы автомобиле.
Вредные выбросы – это вещества, поступившие в атмосферу из
агрегатов и систем автомобиля. В атмосферу поступают вещества из систем
двигателя: картерные выбросы из системы смазки и вентиляции картера,
топливные испарения из системы питания топливом, отработавшие газы –
смесь газов с примесью взвешенных частиц, удаляемых из цилиндров или
камер сгорания через систему выпуска, а также топливный бак и агрегаты
трансмиссии.
Они характеризуются токсичностью вредных выбросов (ВВ) и
дымностью отработавших газов(ОГ).
Токсичность выбросов двигателя – способность выбросов оказывать
вредное воздействие на людей и животный мир. Вредное воздействие
оказывают оксид углерода СО, углеводороды СН и оксиды азота NOх.
Дымность
отработавших
газов
двигателя
показатель,
характеризующий степень поглощения светового потока, просвечивающего
отработавшие газы. Нормируемым параметром дымности является
оптическая плотность отработавших газов количество поглощенного света
частицами сажи и другими светопоглощающими дисперсными частицами
отработавших газов автотракторных дизелей, определяемое по шкале
измерительного прибора.
В США, например, доля выбросов токсичных соединений в атмосферу
автомобилей составляет 60 %, а в странах Западной Европы – до 40 %.
Отработавшие газы, смешиваясь с туманом, образуют плотную завесу
смога, против которого не найдено еще средств. В дни смога резко
увеличивается число аллергических заболеваний, инсультов, нервных
припадков.
266
Под действием солнечных лучей углеводороды и оксиды азота,
содержащиеся в атмосфере, вступают в фотохимическую реакцию, образуя
соединения, вызывающие резь в глазах. Особенно велик уровень
загазованности в местах скопления автомобилей (тракторов).
Следует отметить, что в настоящее время по дорогам мира движутся
более 300 млн автомобилей, которые потребляют около 3,5 млрд кг топлива
на каждые 100 км пробега, а при сгорании 1 кг топлива в двигателе
выделяется 446 г СО и около 16 г оксидов азота.
Доля загрязнения воздуха отработавшими газами составляет 65 %,
газами, выделяемыми из картера двигателя, 20 %, из карбюратора 9 % и из
топливного бака 6 %.
Проблема защиты окружающей среды от отрицательного воздействия
автомобилей связана прежде всего со снижением выбросов токсичных
веществ ДВС.
Предельные концентрации вредных и токсичных веществ в воздухе
устанавливают в качестве гигиенических норм. Однако большой вред
здоровью человека наносит длительное воздействие вредных веществ малых
концентраций и нескольких токсичных компонентов.
Особенно опасны для здоровья человека оксид углерода и оксиды
азота.
Воздействие
оксидов
азота
нельзя
ослабить
никакими
нейтрализующими веществами. Не полностью сгоревшие углеводороды – это
несколько сотен химических соединений. Эта смесь является причиной
многих хронических заболеваний. Наиболее опасным соединением считается
бенз(а)пирен, обладающий также канцерогенными свойствами. Некоторые
ароматические
углеводороды
являются
сильными
отравляющими
веществами, они воздействуют на системы кровообращения, центральную
нервную и мышечную. Диоксид серы также оказывает вредное воздействие
на кроветворные органы (костный мозг и селезенку) человека, его слизистую
оболочку, вызывает бессонницу. Сильными токсичными веществами
являются свинец и его соединения. Они содержатся в этилированном
бензине. Попадая в организм, они вызывают нарушения обмена веществ.
Загрязнение
окружающей
среды
токсичными
веществами
отработавших газов приводит к существенным отрицательным последствиям.
Грунтовые и поверхностные воды в большой степени подвержены опасности
загрязнения топливом, маслами, смазочными материалами и другими
специальными жидкостями. Даже минимальное количество этих веществ
может сильно изменить качество воды. Пленка из углеводородов на
поверхности воды затрудняет процессы окисления, что отрицательно влияет
на живые организмы. Особенно опасным для лесов и лесопарков является
диоксид серы, разрушающий хлорофилл. Установлено, что растения
чувствительны даже к очень малым концентрациям SO2 в воздухе.
Точно определить количество выбросов вредных веществ в атмосферу
двигателями практически невозможно. Величина этих выбросов зависит от
многих факторов: типа двигателя, его конструктивных параметров, процесса
267
подготовки и сгорания смеси топлива и воздуха, режима работы,
технического состояния и др.
В настоящее время строго регламентируются предельные значения
выбросов вредных веществ (ВВ) и дымности отработавших газов (ОГ).
Для их определения проводят испытания. Процедура испытаний
включает 3 различных цикла: ESC и ETC, предназначенные для определения
выбросов ВВ, и ELR – для определения дымности отработавших газов (ОГ).
Цикл ESC по принципу построения близок к «старому» 13-и
ступенчатому европейскому циклу. При испытаниях по циклу ESC
проверяется содержание NОХ в трех дополнительных «случайных» точках,
лежащих в области режимов работы двигателя, заданной по нагрузке и
частоте вращения коленчатого вала. Увеличение содержания NОХ в этих
«случайных» точках по сравнению с результатами, полученными при
испытаниях в соответствующих близлежащих точках цикла, не должно
превосходить 10 %. Это требование введено с целью исключения «обхода»
цикла, когда заданные экологические показатели достигаются только на
регламентированных режимах цикла, а на всех остальных режимах остаются
вне контроля или устанавливаются заведомо завышенными для обеспечения
наилучших мощностных, экономических и эксплуатационных показателей,
что на двигателях с электронными системами управления не представляет
никакого труда.
ETC – это цикл с непрерывным (посекундным) изменением нагрузки и
частоты вращения двигателя. Цикл состоит из трех фаз, имитирующих
движение в условиях города, пригорода и автострады.
ELR – цикл для определения дымности ОГ – представляет собой цикл
динамического нагружения. Испытания проводятся на тех же скоростных
режимах, что в цикле ESC, а также на одном дополнительном «случайном»
режиме, выбираемом Технической службой, проводящей испытания.
Испытания проводятся следующим образом. Первоначально двигатель
paботает на заданном скоростном режиме с нагрузкой 10 %. Затем регулятор
подачи топлива быстро выводится в положение, соответствующее
максимальной подаче топлива, закон нагружения при этом обеспечивает
поддержание заданной постоянной частоты вращения коленвала двигателя.
Дымность двигателя определяется как среднее значение дымности на
заданных скоростных режимах.
Предполагается следующий порядок применения испытательных
циклов:
- для испытания «обычных» дизелей, включая двигатели с
электронным управлением топливоподачей, системой рециркуляции ОГ,
окислительными нейтрализаторами, применяются циклы ESC и ELR;
- для испытаний двигателей, оснащенных такими средствами
уменьшения выбросов, как, например, восстановительные нейтрализаторы
NОХ и уловители частиц, применяются все указанные циклы — ESC, ELR,
ETC;
- газовые двигатели испытываются только по циклу ETC.
268
Европейские требования по предельным значениям содержания ВВ в
ОГ к автомобилям категорий M1 и N1 с бензиновыми, газовыми и дизельными
двигателями приведены в табл.3.3.
Таблица 3.3
Предельные величины содержания ВВ
Вид
нормы
Евро-1
Евро-2
Евро-3
2000 г.
Категория,
класс
Полная
масса
автомобиля, кг
М(1)
N(2) I
II
Оксид
углерода
(СО),
г/км
Бенз Диз.
2,72
2,20 1,00
2,30 0,64
2,30 0,64
4,17 0,80
Углеводо
роды (СН)
г/км
Бенз
Диз.
Оксиды
азота
(NOX)
г/км
Бенз Диз.
Углеводо
роды + оксиды азота
г/км
Бенз Диз.
0,97
0,50 0,70
0,56
0,56
0,72
Все
0,20 0,15 0,50
m<1305
0,20 0,15 0,50
1305<m<
0,25 0,18 0,65
1760
III
m>1760
5,22 0,95 0,29 0,21 0,78 0,86
(1)
Евро-4 М
Все
1,00 0,50 0,10 0,08 0,25 0,30
2005 г. N(2) I
m<1305
1,00 0,50 0,10 0,08 0,25 0,30
II
1305<m< 1,81 0,63 0,13 0,10 0,33 0,39
1760
III
m>1760
2,27 0,74 0,16 0,11 0,39 0,46
(1) Кроме автомобилей, максимальная масса которых превышает 2500 кг.
(2) Включая автомобили категории М, указанные в примечании 1
Частицы
г/км
Диз.
0,14
0,10
0,05
0,05
0,07
0,10
0,025
0,025
0,04
0,06
Для автотранспортных средств (АТС) категорий М1 полной массой
более 3500 кг, М2, М3, N1, N2, N3 c дизельными и газовыми двигателями
нормативные требования к вредным выбросам представлены в табл. 3.4 и 3.5.
Таблица 3.4
Предельные величины содержания ВВ и ОГ при выполнении ESC и
ELR
Евро-3 2000г.
Оксид
углерода
(СО),
г/кВт.ч
2,1
Углеводород
ы
(СН),
г/кВт.ч
0,66
Оксид
Азота
(NOX)
г/кВт.ч
5,0
Евро-4 2005г.
Евро-5 2008г.
С (EEV)(2)
1,5
1,5
1,5
0,46
0,46
0,25
3,5
2,0
2,0
Вид
нормы
Частицы
(Рm)
г/кВт.ч
Дымность
м -1
0,10
0,13(1)
0,02
0,02
0,02
0,8
0,5
0,5
0,15
(1) – Для двигателей с рабочим объёмом менее 0,75дм3 на цилиндр и номинальной
частотой вращения более 3000 мин-1.
(2) – «Форсированные» добровольные требования.
269
Таблица 3.5
Предельные величины содержания ВВ и ОГ при выполнении
ЕТС цикла
Вид
нормы
Евро-3
2000г.
Евро-4
2005г.
Евро-5
2008г.
С (EEV)
Частицы(2)
(Рm)
г/кВт·ч
Оксид
углерода
(СО),
г/кВт·ч
5,45
Неметановые
углеводороды
(NMCH)
г/кВт·ч
0,78
Метан
(СН4)(1)
г/кВт·ч
1,6
Оксиды
азота
(NOX)
г/кВт·ч
5,0
4,0
0,55
1,1
3,5
0,16
0,21(3)
0,03
4,0
0,55
1,1
2,0
0,03
3,0
0,40
0,65
2,2
0,02
(1) – Только для двигателей, работающих на природном газе.
(2) – Не применяется по отношению к двигателям, работающим на газе.
(3) – Для двигателей с рабочим объёмом менее 0,75дм3 на цилиндр и номинальной
частотой вращения более 3000 мин-1.
В России к выбросам вредных веществ (ВВ) АТС категорий М1 полной
массой более 3500 кг, М2, М3, N1, N2, N3 c дизельными и газовыми
двигателями действуют требования Евро-2. К этих же АТС с бензиновыми
двигателями применяются требования, представленные в табл.3.6.
Таблица 3.6
Предельные величины содержания ВВ
Дата
введения
требований
01.01.2003
01.01.2005
01.01.2008
Предельно-допустимые выбросы,
г/кВт·ч
Оксид
углерода
СО
Углеводороды
СН
Оксиды
азота NOX
11,2
4,0
5,45
2,4
1,1
2,38
14,4
7,0
5,0
Цикл
13-и ступенчатый
13-и ступенчатый
ЕТС
В отношении АТС категорий M1 и N1 применяются требования,
соответствующие уровню Евро-2 для пассажирских автомобилей (М1) и
Евро-1 для грузовых (N1). Эти требования представлены в табл.3.7.
270
Таблица 3.7.
Предельно-допустимые величины содержания ВВ
Категория Полная масса Оксид
автомобиля, углерода
(СН),
(m), кг
г/км
M1(1)
N1(2)
Все
m<1305
1305<m<1760
m>1760
Общая масса
Частицы,
углеводородов г/км
и
оксидов
азота
(СН+NOX )
г/км
Искр.
Дизель
Искр.
Дизель
Дизель
2,2
2,72
5,17
6,9
1,0
2,72
5,17
6,9
0,5
0,97
1,4
1,7
0,7
0,97
1,4
1,7
0,08
0,14
0,19
0,25
Полный переход (100 % выпускаемых АТС) России на уровень
Европейских требований состоялся: Евро-2 - 2004 год; Евро-3, 4 -2008 год.
Уровень загазованности может быть снижен рядом конструктивных и
эксплуатационных мероприятий, направленных не только на снижение
объема выбросов, но и их токсичности. Среди мероприятий конструктивного
характера можно отметить следующие:
применение устройств нейтрализации и очистки выбросов от
токсичных компонентов;
применение
устройств,
оптимизирующих
дозирование,
смесеобразование топлива, а также рабочий процесс (электронные и
электромеханические системы впрыска топлива, транзисторные системы
зажигания, форкамерно-факельные дожигатели, рециркуляция выхлопа,
термостатирование воздуха и пр.);
применение нетрадиционных видов топлива (газовое топливо, водород,
синтетический бензин, спирт);
создание новых силовых установок.
Значительное уменьшение выброса СО может быть достигнуто
равномерным распределением смеси путем непосредственного впрыска
топлива или улучшения условий испарения топлива в карбюраторе и во
впускном трубопроводе; обеспечение состава и качества образуемой смеси
нагрузке и частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Для снижения выброса углеводородов СnНm, двигатель внутреннего
сгорания переводят на работу на бедных смесях, стремясь достичь большей
однородности смеси и равномерности ее распределения по цилиндрам.
Кроме того, стараются уменьшить долю остаточных газов в смеси при работе
двигателя на частичных нагрузках правильным выбором формы и размеров
камеры сгорания. Значительно сократить выбросы СО и СnНm с
отработавшими газами можно использованием для питания двигателя
водорода или газообразного топлива, а также послойным смесеобразованием.
271
Уменьшение выброса NOх у карбюраторных двигателей достигается
снижением максимальной температуры цикла, обогащением смеси или
сокращением продолжительности реакций, при которых происходит
образование соединений азота. На практике наряду с обогащением смеси и
уменьшением угла опережения зажигания понижают степень сжатия,
увеличивают частоту вращения коленчатого вала двигателя, впрыскивают
воду во впускной трубопровод или осуществляют частичную рециркуляцию
отработавших газов.
Все применяемые в настоящее время способы уменьшения
токсичности выбросов по всем основным компонентам (СО, СnНm, NOх)
основаны на комбинации рассмотренных выше способов. Чаще всего это
достигается следующим образом:
уменьшением выброса СО и СnНm, обеднением смеси и изменением
угла опережения зажигания. Эти параметры подбирают для каждого режима
работы двигателя. Устойчивая работа на обедненных смесях достигается
улучшением качества смесеобразования и увеличением энергии искры на
электродах свечи, для чего применяют непосредственное впрыскивание
топлива и тиристорное зажигание. Для уменьшения выброса NOх используют
частичную рециркуляцию отработавших газов. При использовании системы
непосредственного впрыскивания топлива с электронным управлением,
отрегулированной на экономичный состав смеси (в зависимости от
разрежения во впускном трубопроводе, частоты вращения вала и теплового
режима двигателя), удается снизить концентрацию токсичных веществ и
уменьшить расход топлива на 8...10 %;
переводом двигателя на газообразное топливо с одновременной его
регулировкой для работы на обедненных смесях. При этом достигается
значительное уменьшение выброса продуктов неполного сгорания, т. е. СО и
СnНm. Одновременно для уменьшения выброса NOx применяют, например,
частичную рециркуляцию отработавших газов.
В карбюраторных двигателях во всех случаях используют специальные
устройства для подачи дополнительного воздуха во впускной трубопровод на
режимах разгона и торможения колесной машины. Широко применяют
устройства, предотвращающие выброс в атмосферу паров углеводородов из
картера двигателя и топливной системы.
Рециркуляцию газов для уменьшения выброса оксидов азота
осуществляют все шире как в двигателях с искровым зажиганием, так и в
дизелях. При этом понижают температуру процесса сгорания в результате
уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндры, и большей
теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.
При рециркуляции 5 % отработавших газов концентрация NOх уменьшается
примерно на 47 %, а при рециркуляции 15 % газов – на 84 %. Одновременно
наблюдаются небольшое уменьшение выброса СnНm и некоторое увеличение
выброса СО, а в дизелях – увеличение дымности. При рециркуляции газов
более 10 % происходит заметное падение мощности двигателя,
272
увеличивается расход топлива и ухудшаются динамические характеристики
автомобиля (трактора).
Такие компоненты отработавших газов, как оксид углерода и
углеводороды, могут быть нейтрализованы в выпускной системе двигателя.
Для этого в поток горячих отработавших газов непосредственно за
выпускным клапаном подают воздух под давлением 0,05...0,06 МПа.
Количество подаваемого воздуха зависит от коэффициента избытка воздуха.
По мере обеднения смеси подачу воздуха прекращают.
Чем выше температура смеси отработавших газов с воздухом, тем
эффективнее процесс окисления в выпускной системе. Увеличивают
температуру уменьшением угла опережения зажигания, использованием
тепловой изоляции выпускного трубопровода, снижением потерь теплоты в
камере сгорания, установкой в системе выпуска специальных реакционных
камер. Однако при этом несколько снижается мощность двигателя
(увеличивается сопротивление на выпуске) и повышается удельный расход
топлива.
Каталитические нейтрализаторы служат для сжигания продуктов
неполного сгорания (СО и СnHm) и разложения оксидов азота NOх. Их
действие основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных
веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию.
Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов
через слой носителя с катализатором (например, платины). Скорость
сгорания зависит от температуры носителя (достигает 800 °С).
Каталитические
нейтрализаторы
используются
для
очистки
отработавших газов двигателей с искровым зажиганием и дизелей. Все
нейтрализаторы, монтируемые в выпускной системе, увеличивают
сопротивление прохождению газов и приводят к снижению мощности
двигателя на 10...20 %. Основным их недостатком является неэффективная
работа в диапазоне низких температур отработавших газов. В связи с этим
разработаны устройства, состоящие из плазменного и каталитического
нейтрализаторов. В плазменном газы разогреваются, а в каталитическом
происходит основной процесс окисления. Такие устройства эффективно
работают на всех режимах независимо от нагрузки и частоты вращения вала
двигателя. Их недостатком являются относительная сложность конструкции
и повышенный расход топлива.
Дальнейшее усовершенствование ДВС для уменьшения выброса
токсичных компонентов без увеличения расхода топлива практически
невозможно. В этом отношении заслуживают внимания силовые агрегаты,
например с газотурбинными двигателями и двигателями Стирлинга.
Значительное уменьшение выброса токсичных компонентов с
уменьшением расхода топлива может быть достигнуто созданием
автомобилей с гибридными силовыми установками.
273
3.2. Шумовое воздействие
Шум, создаваемый автомобилями и тракторами, вызывает раздражение
у 36 % населения, находящегося дома, и у 20 % – на улице.
Известно, что даже весьма низкие уровни акустических воздействий в
условиях
нарастающей
психоэмоциональной
напряженности
и
интеллектуализации трудовых процессов обуславливают преждевременное
утомление и приводят к снижению производительности труда, способствуют
повышению заболеваемости самого разнообразного характера.
Шум – это беспорядочное сочетание звуков различной часты и силы.
Источниками шума являются колеблющиеся тела.
Влияние шума на человека оценивается уровнем звукового давления (в
децибелах) определяется по формуле:
L = 10 ln( 1
Вт
J0
),
2
м :
где J0 – пороговая интенсивность звука,
J0 = 10–12.
Шум может быть постоянным и прерываемым, а также
широкополосным, импульсным.
Постоянным считается шум, уровень которого меняется в течение
определенного времени не более чем на 5 дБ. Шум одиночного автомобиля и
автотранспортного потока является непостоянным и оценивается
эквивалентным уровнем звука Lэкв. Эквивалентный уровень звука
непостоянного шума равен уровню звука постоянного шума, который
оказывает на человека такое же воздействие, как и постоянный шум.
Эквивалентный уровень звука определяют по результатам измерений
уровней звука шумомером по шкале А (дБ). Уровень звука измеряют в
течение наиболее шумного отрезка времени и рассчитывают по формуле:
Lэкв = (10 lg
1
⋅ ∑ f i ⋅ 10 0,1Li )),
100
где fi – доля времени воздействия шума i-го класса по отношению ко всему
периоду измерения шума, %; Li – средний уровень звука i-го класса, дБ по
шкале А.
Шум неблагоприятно влияет на работоспособность человека. Под
действием шума увеличивается скрытый период двигательной реакции,
снижается зрительное восприятие, ослабевает сумеречное зрение,
нарушается координация движений и функций вестибулярного аппарата,
наступает преждевременное утомление.
Вредное воздействие шума возрастает при увеличении его громкости,
частоты и информативности.
В связи с этим уровни внешнего шума автомобиля строго
регламентируются и приведены в табл.3.8.
274
Измерение шума, производимого транспортного средства, проводится
по двум методам, для транспортного средства, находящегося в движении, и
для транспортного средства, находящегося в неподвижном состоянии.
Испытание транспортного средства, находящегося в неподвижном
состоянии, проводят для установления контрольной величины, необходимой
административным органам, применяющим этот метод для контроля
транспортных средств, находящихся в эксплуатации. Транспортное средство,
приводимое в движение с помощью электродвигателя, измерение
производимого им шума должно осуществляться только в движении.
Транспортные средства, максимально допустимая масса которых
превышает 2 800 кг, должны дополнительно подвергаться испытанию на
измерение уровня шума, производимого сжатым воздухом, в неподвижном
состоянии если соответствующее тормозное оборудование является частью
транспортного средства.
Общий шум движущегося автомобиля, складывается из шума,
создаваемого двигателем, агрегатами, кузовом автомобиля и его составными
частями, шумом вспомогательного оборудования и качения шин, а также
шумом от потока воздуха.
Шум в конкретном источнике порождается определенными
физическими явлениями, среди которых в автомобиле наиболее
характерными являются: ударное взаимодействие тел; трение поверхностей;
вынужденные колебания твердых тел; вибрация деталей и узлов; пульсация
давления в пневматических и гидравлических системах.
Таблица 3.8
Предельные значения уровней внешнего шума
автотранспортных средств
Категории транспортных средств
Предельные
значения
уровня
звука, дБ(А)
Транспортные средства для перевозки пассажиров,
которые могут иметь не более девяти сидячих мест,
74
включая место водителя
Транспортные средства для перевозки пассажиров,
которые имеют более девяти сидячих мест, включая
место водителя, и максимально разрешенная масса
которых превышает 3,5 т:
78
- с двигателем мощностью менее 150 кВт
80
- с двигателем мощностью 150 кВт или более
Транспортные средства для перевозки пассажиров,
которые имеют более девяти сидячих мест, включая
место водителя; транспортные средства для
перевозки грузов:
275
- с максимально разрешенной массой, не
превышающей 2 т
- с максимально разрешенной массой, превышающей
2 т, но не превышающей 3,5 т
Транспортные средства для перевозки грузов,
имеющие максимально разрешенную массу более 3,5
т:
с двигателем мощностью менее 75 кВт
с двигателем мощностью 75 кВт или более, но менее
150 кВт
с двигателем мощностью 150 кВт или более
76
77
77
78
80
Примечание:
1) Транспортные средства, оборудованные двигателем внутреннего сгорания с
воспламенением от сжатия и прямым впрыском, предельные значения увеличиваются на 1
дБ (А);
2) Транспортные средства, предназначенные для использования в условиях
бездорожья и имеющих максимально разрешенную массу более 2 т, предельные значения
увеличиваются:
на 1 дБ (А), если они имеют двигатель мощностью менее 150 кВт;
на 2 дБ (А), если они имеют двигатель мощностью 150 кВт или более.
3) Транспортные средства для перевозки пассажиров, которые могут иметь не
более девяти сидячих мест, включая место водителя, оснащенных коробкой передач,
имеющей более четырех передач переднего хода, и двигателем, развивающим
максимальную мощность более 140 кВт , и имеющих соотношение максимальная
мощность/максимальная масса более 75 кВт/т, предельные значения увеличиваются 1 дБ
(А), если скорость, на которой задняя часть транспортного средства пересекает
контрольную линию, на третьей передаче превышает 61 км/ч.
В целом, источники шума автомобиля можно разделить на
механические, гидромеханические, электромагнитные, аэродинамические.
Полная классификация основных источников шума автомобиля
представлена на рис.3.3.
Анализ этих источников показывает, что внешний шум имеет сложную
структуру и складывается из шума отдельных источников. Наиболее
интенсивными источниками внешнего шума являются:
- структурный шум двигателя (механический и шум процесса
сгорания);
- шум впуска и его системы;
- шум выпуска и его системы;
- шум трансмиссии;
- шум качения шин (шум шин);
- шум вентилятора системы охлаждения;
276
- шум кузова.
Рис.3.3. Классификация источников шума автомобилей
Многолетними исследованиями установлено, что к основным
источникам шумообразования в автомобиле следует отнести двигатель
внутреннего
сгорания
(ДВС),
элементы
трансмиссии,
шины,
аэродинамический шум. Вторичным источником шума являются панели
кузова. К второстепенным источникам относятся шумы навесных агрегатов
двигателя, некоторых элементов трансмиссии, электродвигателей,
отопителей, обдува стекол, хлопание дверей и т.п..
Перечисленные источники генерируют механические и акустические
колебания, разные по частоте и интенсивности. Характер спектра частот
возмущений весьма сложен для анализа ввиду наложения и
взаимосвязанности по частотам рабочих процессов и возмущений от
элементов трансмиссии, ходовой части, аэродинамических процессов и т.д., а
также, ввиду того, что многие источники являются одновременно
возбудителями механических и акустических колебаний. В спектрах
вибрации основных агрегатов трансмиссии и шума проявляются, главным
образом, гармонические составляющие от основных источников
возбуждения (двигателя и трансмиссии).
Динамическое взаимодействие частей агрегатов автомобиля, трактора
порождает колебательную энергию, которая, распространяясь от источников
277
колебаний излучается в окружающую среду и создает звуковое поле
автомобиля, трактора (шум автомобиля, трактора).
В соответствии с этим для решения задачи снижения интенсивности
шума можно наметить следующие пути:
- снижение виброактивности агрегатов, т.е. уменьшение уровня
колебательной энергии, генерируемой в источнике;
- принятие мер к снижению интенсивности колебаний на пути их
распространения;
- воздействие на процесс излучения и передачи вибраций
присоединенным деталям, то есть уменьшение их виброакустической
активности.
Уменьшение виброактивности источника заключается в улучшении
кинематических свойств систем автомобиля, трактора в выборе параметров
механических систем таким образом, чтобы их резонансные частоты были
максимально удалены от частотного диапазона, содержащего рабочие
частоты агрегатов, а также в снижении до минимума уровней колебаний в
опорных точках и минимизации амплитуд вынужденных колебаний.
Снижение шума может быть достигнуто созданием малошумного
процесса сгорания, улучшением виброакустических характеристик
корпусных деталей, агрегатов, введением в их конструкцию демпфирования,
усовершенствованием конструкции и качества изготовления подвижных
деталей, понижением частоты вращения коленчатого вала ДВС, повышением
акустической эффективности глушителей шума впуска и выпуска и т, д.
Борьба с шумом и вибрациями при их распространении в процессе
излучения во внешнюю среду, а также передачи колебательной энергии
присоединенным деталям и агрегатам, может производиться «отстройкой»
системы несущих элементов от резонансных состояний путем
виброизоляции, вибродемпфировання и виброгашения.
Виброизоляция – выбор таких параметров механических систем,
которые обеспечивают локализацию вибраций в определенной зоне
автомобиля, трактора без дальнейшего её распространения.
Вибродемпфирование – использование систем, с помощью которых
осуществляется активное рассеивание энергии колебаний вибрирующих
поверхностей, а также применение материалов с большим декрементом
затухания.
Виброгащеиие – применение в агрегатах, настроенных на
определенную частоту и форму колебаний систем, действующих в
противофазе.
Подавление шума в самом источнике его возникновения
является активным способом шумоглушения и наиболее радикальным
средством борьбы с шумами. Однако во многих случаях этот метод по тем
или иным причинам не удается применить или его эффективность
оказывается недостаточной для снижения шума до требуемого уровня. Тогда
приходится прибегать к пассивным методам защиты от шума – это
вибродемпфирование поверхностей, звукопоглощение, звукоизоляция.
278
Под
звукоизоляцией
понимается
снижение
звука
(шума),
поступающего к приемнику, вследствие отражения от препятствий на пути
передачи. Звукоизолирующий эффект возникает всегда при прохождении
звуковой волны через границу раздела двух разных сред. Чем больше энергия
отраженных волн, тем меньше энергия прошедших, и, следовательно, тем
больше звукоизолирующая способность границы раздела сред. Чем больше
звуковой энергии поглощается преградой, выше её звукопоглощающая
способность.
Для определения эффективных путей снижения шума необходимо
знать наиболее интенсивные источники шума необходимо провести
разделение источников внешнего шума, а также определить необходимость и
величины снижения уровней каждого из них.
Имея результаты разделения источников можно определить
очередность по доводке автомобиля, трактора по шуму.
Двигатель является совокупностью большого количества механизмов
(процессов), генерирующих значительные уровни вибрационной и
акустической энергии, что приводит к превращению его в основной источник
шума и вибраций автомобиля. Шум двигателя образуется во все фазы
рабочего цикла. Особенно интенсивное образование шума происходит в
момент открытия и закрытия клапанов и процесс сгорания. Шум при этом
образуется в виде кратковременных импульсов. При осуществлении рабочего
цикла существуют следующие причины возникновения акустического
излучения: сила давления газов, опрокидывающий момент, возмущения во
впускных и выпускных системах, силы, развивающиеся в механизмах
двигателя.
Шум, излучаемый двигателем, имеет широкий спектр частот и состоит
из тональных составляющих и сплошной области. Наиболее интенсивные
уровни
звукового
давления
располагаются
в
области
частот,
соответствующих основной частоте рабочего процесса двигателя. Максимум
излучения акустической энергии заключен в диапазоне частот от 800 до 2500
Гц. Шум двигателя существенно зависит от режима его работы.
Под структурным шумом двигателя обычно подразумевается шум двух
источников: шум сгорания и механический шум. Шум сгорания взывает
колебания среды, Эти колебания обусловлены пульсацией давления,
вихреобразованием и неоднородностью потока. Доля шума сгорания в
высокочастотной области мала по сравнению с другими источниками,
поэтому больше внимания следует уделить снижению механического шума.
Он вызывается инерционными возмущениями в механизмах, соударениями и
трением между деталями в кинематических парах и представляет собой два
вида акустических излучений: воздушный шум или звуковые волны,
распространяющиеся в воздушной среде; звуковые вибрации – структурный
шум в деталях конструкции. Оба вида обуславливают друг друга, возникают,
как правило, одновременно и часто переходят друг в друга.
Возбудителями структурного шума являются: кривошипно-шатунный
механизм, газораспределительный механизм и прочие механизмы. На
279
установившихся динамических режимах акустические излучения источников
создают установившееся звуковое поле вокруг двигателя. Периодичность и
характер возмущающих усилий в источниках определяют основную частоту
(тон) и гармонические составляющие (обертоны) излучаемых звуков. Эти
частоты на установившихся режимах работы связаны с частотой вращения
коленчатого вала двигателя.
Излучателями являются все корпусные детали с достаточно большой
поверхностью, то есть те детали, которые непосредственно передают шум
двигателя в окружающую среду. Не являясь источниками шума в прямом
смысле, они могут усиливать акустические излучения в результате вибраций
и резонансных явлений. Только после эффективной виброзащиты они
становятся не излучателями, а наоборот, препятствиями (экранами) на пути
распространения звуковых волн.
Снижение излучательной способности деталей двигателя в первую
очередь необходимо начинать со снижения виброактивности силового
агрегата.
Для снижения виброактивности силового агрегата важное значение
имеет правильное расположение опор подвески двигателя и их жесткость. Их
необходимо располагать в узлах упругой линии. Особое внимание должно
быть удалено частотам собственных колебаний двигателя. Опоры двигателя
и других агрегатов и систем необходимо располагать в местах с
минимальными амплитудами изгибных колебаний. Если это невозможно, то
на них должны проявляться минимальные уровни вибрации; точки с
минимальными амплитудами должны быть расположены как можно ближе к
элементам, передающим вибрации на кузов.
Подбором жесткости опор можно снизить уровень вибраций,
передающихся на кузов.
Перспективно применение нелинейной системы виброизоляции
силового агрегата. Ее применение позволяет на 50 % уменьшить
виброактивность силового агрегата.
С колебаниями силового агрегата связаны акустические излучения
поверхностей двигателя и его деталей, а также вспомогательных агрегатов
прикрепляемых к нему.
Процесс сгорания вызывает главным образом изгибные колебания
блока и головки цилиндров. Кроме того, происходят единые и раздельные
изгибные колебания коренных подшипников и блока. Вибрации передаются
на поддон, и он становится интенсивным источником шума ДВС.
Расположение коренных подшипников в едином блоке значительно снижает
вибрацию и шум двигателя.
Изменение жесткости параметров деталей двигателей позволяет
снизить их акустические излучения.
Дальнейшее уменьшение внешнего шума автомобилей может быть
получено дополнительным поглощением звуковой энергии в моторном
отсеке. Установка развитого брызговика, что эквивалентно частичному
280
капсулированию двигателя и является эффективным и недорогим средством
снижения шума автомобиля, трактора на 2…3 дБ(А).
В ряде случаев целесообразно применение экранов, закрывающих зоны
максимального излучения поверхности двигателя. Суммарная эффективность
экранных устройств невелика: 1…2 дБ(А) по отношению ко всему
излучению.
По конструкции экранные устройства представляют собой пластины,
обычно выполненные из материала с улучшенными виброизолирующими
свойствами, например, многослойные асбестовые листы со специальными
прослойками в качестве связки и свинцовой фольги, выполняющей функции
наполнителя или панели из текстильно-битумного материала.
Большинство исследований подтверждают, что эффективной мерой
снижения шума ДВС является применение звукопоглощающих кожухов
распределительных механизмов, специальных поддонов картеров и крышек
шестерен привода вспомогательных агрегатов. Максимальный эффект
достигается при изготовлении указанных элементов из свинца.
Результаты многолетних исследований показали, что снижение шума
производимого корпусом двигателя более чем на 10 дБ весьма
затруднительно. Поэтому наиболее эффективным методом борьбы с шумом
самого двигателя является полная изоляция.
Шум во впускной системе двигателя внутреннего сгорания вызван
изменениями давления и скорости течения воздуха благодаря открыванию и
закрыванию клапанов цилиндров, а также обтеканию массивных элементов
во впускном трубопроводе, например, обтекание воздушной и дроссельной
заслонок впускных клапанов.
Уровень шума впуска увеличивается с увеличением оборотов нагрузки,
причем с приближением к полной нагрузке шум возрастает особенно резко.
Приращение нагрузки от 90 до 100 % например, вызывает изменение общего
и спектрального (на основной частоте) уровней на 13…14 дБ.
Шум впуска двигателей внутреннего сгорания имеет весьма высокие
уровни, определяя в ряде случаев общий уровень шума двигателя.
Известно, увеличение шума впуска при росте частоты вращения от nmin
до nmax у карбюраторных двигателей составляет 12…17 дБ. Если двигатель
работает по частичной скоростной характеристике, то с увеличением числа
оборотов двигателя уровень шума возрастает на 5…10 дБ на каждые 1000
об/мин. При частичных нагрузках шум впуска всегда меньше, чем на режиме
100 %-ого открытия дроссельной заслонки.
При работе по нагрузочной характеристике шум впуска
карбюраторного двигателя изменяется в широких пределах. Если нагрузка
увеличивается от 0 до Nmax, то уровень шума впуска возрастает на 10…15 дБ.
Спектр шума впуска карбюраторных двигателей состоит из зоны
низких и средних частот. Частота и уровень наиболее интенсивных
составляющих меняется в зависимости от скоростного режима работы
двигателя. Ряд составляющих в спектре шума впуска не кратен частоте
вращения. Спектральный состав шума впуска карбюраторного двигателя не
281
остается постоянным при работе по загрузочной характеристике. На режиме
холостого хода в спектре шума впуска преобладают высокочастотные
составляющие.
Для эффективного снижения шума на впуске воздуха в двигатель
внутреннего сгорания применяются либо специальные глушители, либо их
сочетают с воздухоочистителями. Глушители шума должны иметь высокую
эффективность заглушения при малом гидравлическом сопротивлении,
габаритах и весе. Вследствие недостаточности проработки этой проблемы, не
ясны приемы конструирования впускных систем.
В настоящее время широкое распространение получили глушители
активно-реактивного (комбинированного) типа. Такой глушитель имеет
хорошие акустические свойства, невысокое гидравлическое сопротивление.
В некоторых случаях снижение шума впуска обеспечивается за счет
облицовки воздуховодов впускной системы перфорированными экранами со
звукопоглощающей набивкой. Такой метод дает хорошее снижение шума в
широком диапазоне частот. Однако для обеспечения требуемого
гидравлического сопротивления системы требуется значительно увеличить
наружный диаметр воздуховодов, что не всегда оказывается возможным.
Воздушный фильтр работает в области низких частот как последовательно
включенный резонатор (камерный глушитель), который на резонансной
частоте fp, зависящей от его размеров, усиливает шум вследствие резонанса и
ослабляет на частоте fp 2 .
Но необходимо сказать, что для эффективного глушения шума впуска
желательно, чтобы объем глушителя (воздушного фильтра) и длина
впускного патрубка была как можно больше, а поперечное сечение
трубопровода – меньше. Это позволит сместить резонансную частоту fp в
область более низких частот.
Однако, выполнение первого требования ограниченно объемом места
установки глушителя, а второго - допустимой скоростью потока во впускном
трубопроводе, так как в противном случае гидравлическое сопротивление
впускной системы может неограниченно возрасти. Во всех случаях
целесообразно, чтобы впускной парубок имел форму диффузора с углом
раствора корпуса ∼ 70. Во всех случаях необходимо согласовывать
заглушающие свойства воздушного фильтра со спектром шума впуска
любого автомобильного двигателя.
Учитывая, что наиболее интенсивные составляющие спектра шума
впуска располагаются в области низких и средних частот, наибольшее
распространение получили глушители шума реактивного типа.
По данным специалистов акустическая энергия, выделяемая впуском
приблизительно пропорциональна кубу рабочего объема цилиндра, кубу
скорости вращения коленчатого вала и обратно пропорциональна квадрату
свободного объема между клапаном всасывания и всасывающим отверстием.
Шум впуска может быть уменьшен с помощью воздухоочистителя с
увеличенным объемом, путем настройки длины выпускной трубы.
282
Шум выпуска отработавших газов является самым мощным
источником шума автомобиля. Испытания показали заметное до 7…12 дБ(А)
– увеличение шума незаглушенного выпуска с увеличением нагрузки на
двигатель от холостого хода до максимальной. Значительное, до 20…26
дБ(А), увеличение уровня шума незаглушенного впуска отмечено при
возрастании оборотов двигателя легкового автомобиля до 3000 об/мин. При
дальнейшем изменении оборотов приращение не превышает 2…3 дБ(А).
Измерения на автомобилях с разными по литражу двигателями дают
примерно одинаковые результаты, что связано с близостью характеристик
начальной фазы выпуска.
Эффективное снижение шума выпуска – одна из наиболее сложных
проблем, решение которой должно способствовать улучшению акустической
характеристике автомобиля, трактора. Сложность проблемы заключается в
том, что постоянный рост мощностных и скоростных показателей неизбежно
влечет за собой увеличение уровня шума, при этом ужесточаются требования
к допустимому уровню шума. В то же время система выпуска должна
создавать минимально возможное гидравлическое сопротивление потоку
отработавших газов, так как эта величина определяет потери мощности
двигателя и существенно влияет на характер его рабочего процесса.
По принципу работы глушители можно разделить на две основные
группы: отражающие и диссипативные. Во-первых уменьшение колебаний за
глушителем достигается путем отражения набегающих на него волн, вовторых за счет превращения звуковой энергии набегающих волн в тепловую
в элементах глушителя. С точки зрения эффективности шумоглушения,
оптимальными являются сильно отражающие структуры с элементами
диссипации в трубах или, при необходимости, вводимыми дополнительно.
Наиболее просты и употребительны в качестве отражающих элементов
расширительные камеры. В области низких частот они работают как
идеальные акустические емкости.
Для подавления высокочастотных колебаний лучше диссипативные
системы. Это, во-первых, облицованные каналы и, во-вторых, облицованные
звукопоглощающими материалами и выполняющие одновременно и роль
низкочастотных отражателей.
Задача заглушения шума выпуска может быть решена за счет
глушителя,
спроектированного
на
основании
теории
синтеза
расширительных камер. В основе этой теории лежит использование свойств
собственных форм колебаний в простых объемах.
Весьма хорошие результаты по снижению шума выпуска дает
применение расширителей, конденсаторов, эжекторов при их правильном
расположении по тракту системы.
Применение двухканальной системы выпуска отработавших газов с
двумя перепусками и звукопоглощающими элементами из материала МР
позволило снизить уровень внешнего шума легкового автомобиля на 3...3,5
дБ(А) при одновременном уменьшении металлоемкости выпускной системы
на 5 кг.
283
Следует отметить, что процесс образования шума в выпускных
системах ДВС еще изучены недостаточно. Видимо поэтому, создаваемые
конструкции выпускных систем и глушители не всегда обладают высокими
заглушающими качествами. Нарушение заглушающих свойств глушителя,
сопровождающееся появлением характерного шума на неустановившихся
режимах работы, особенно часто наблюдается при движении в городе.
Важное значение для снижения шума выпуска имеет правильное
расположение и конструкция крепления системы выпуска к кузову.
Крепежные места должны быть выбраны по возможности наиболее близко к
главным видам колебаний системы. Опоры должны быть по возможности
мягкими.
Учитывая высокую виброактивность конструкции выпускной системы,
особенно участков системы, расположенных ближе к выпускным
коллекторам двигателя, важным фактором является использование
различных
конструктивных
возможностей
для
увеличения
вибродемпфирующих свойств конструкции системы.
Представляется перспективным: вибрационной «развязка» системы
выпуска двигателя через податливые герметичные конструкции в виде
сильфонов.
Значительная часть звуковой энергии излучается в окружающую среду
моторным отсеком автомобиля.
Механические колебания силового агрегата на частоте рабочих циклов
вызывают колебания объема воздуха в подкапотном пространстве. Таким
образом, высокие уровни звукового давления могут быть вызваны
резонансом воздушного объема моторного отсека и отражением от капота
вниз звуковой волны, создаваемой вертикальными колебаниями силового
агрегата. С целью его уменьшения ведутся экспериментальные работы по
установке нижнего щита моторного отсека, который позволяет снизить
уровень внешнего шума на 3,5…4 дБ(А).
Стремление к значительному снижению внешнего шума легковых
автомобилей привело к разработке специальных систем изоляции двигателя
и его вспомогательных устройств от окружающей среды.
Значительное уменьшение внешнего шума получается при
капсулировании двигателя. Заключение силового агрегата в полностью
герметичную акустическую камеру (капсулу) позволяет уменьшить шум
двигателя более чем на 10 дБ(А). Однако при этом затрудняется охлаждение
двигателя, для чего возникает необходимость разработки специальной
системы охлаждения и обслуживания двигателя. Кроме того, такая система
требует значительных экономических затрат.
Существенная доля шума в общий уровень вносится трансмиссии.
Частота вращения и нагрузка являются основными факторами,
определяющими шум и вибрации узлов трансмиссии. Увеличение обоих
факторов приводит к росту уровня излучаемого шума.
Основными причинами повышенного шума агрегатов трансмиссии
являются: жесткость картера и валов, погрешности в изготовлении
284
отдельных деталей и особенно зубчатых колес, качество применяемых
подшипников и качество сборки, изгибно-крутильные колебания карданных
передач, использование материалов с низким декрементом звуковых волн.
Шум особенно возрастает, если резонансные частоты изгибных и
крутильных колебаний трансмиссии близки к резонансным частотам
колебаний агрегатов трансмиссии на подвеске и к частоте возмущений,
создаваемых в зубчатом зацеплении при работе трансмиссии.
Возбуждения во вращающейся системе происходит в зацеплении зубов
через деформационные изменения в их контакте. У зубчатых механизмов,
заключенных в корпусе, основная доля акустических излучений
распространяется по пути: зацепление – шестерня (диск колеса) – вал –
подшипник – корпус – окружающая среда. Часть колебательной энергии
распространяется по пути зацепления: шестерня – воздушное пространство
внутри корпуса – стенка корпуса – окружающая среда. Определяющими
величинами в возникновении шума являются кинематические и циклические
погрешности зубчатых колес, т.е. акустическое излучение зубчатых передач
зависит от типа и точности используемых шестерен.
В «идеальных» зубчатых передачах в процессе пересопряжения не
возникает ни нарушений мгновенных передаточных отношений, ни
изменений величины передаваемой нагрузки. Условия работы реальных
передач характеризуются приведенной действующей ошибкой зацепления
(действительной точности). Действительная точность передачи определяется
взаимодействием отклонения в геометрических размерах (в том числе и в
элементах зацепления) и в расположении контактирующих поверхностей
деталей передачи с упругими тепловыми деформациями этих деталей, имея в
виду при этом также и изменение формы контакта в связи с износом и
прирабатываемостью.
Динамические процессы в зубчатых передачах, порождающие
колебательную энергию, условно могут быть подразделены на три группы:
динамическое взаимодействие зубчатых колес, вызываемое внешними
источниками, например, неравномерностью нагрузки или неравномерным
режимом работы двигателя, взаимодействием масла и воздуха при истечении
из впадин между зубьями и др.;
динамические процессы, обусловленные спецификой передачи
крутящего момента через зубчатое зацепление - неизбежностью кромочного
удара при пересопряжении зубьев реальных зубчатых колес, изменением по
направлению и величины силы трения на разных участках
взаимодействующих зубчатых профилей;
динамические
процессы,
возникающие
при
взаимодействии
сопрягаемых зубьев вследствие дефектов, связанных с нарушением точности
изготовления зубчатых колес и их монтажа.
Многообразие и взаимное влияние перечисленных факторов приводят
к тому, что частотный спектр даже простой зубчатой передачи является
практически сплошным и сложен для анализа. Однако такой анализ
285
необходим для определения наиболее эффективных направлений поиска
путем снижения виброакустической активности передач.
Изысканию путей снижения виброакустической активности зубчатых
передач постоянно уделяется большое внимание. Основными направлениями
исследований являются поиск путей снижения уровня колебательной
энергии, генерируемой в зубчатом зацеплении; разработка методов снижения
интенсивности колебаний на пути их распространения, передачи, излучения.
В разработке первого направления достигнуты большие успехи,
базирующиеся
на
совершенствовании
технологических
процессов
изготовления зубчатых колес, обеспечивающих высокую точность зубчатых
профилей. Однако, реализация этих разработок в условиях производства
весьма трудоемка и кроме того, путем повышения точности зубчатых
профилей виброактивность зубчатых передач может быть снижена лишь до
определенных пределов. Перспективными представляются исследования по
второму направлению. Прежде всего, это поиски оптимальных
конструктивных решений узлов и автомобиля в целом, обеспечивающих
«отстройку» системы несущих частей от резонансных состояний путем
виброизоляции, вибродепфирования и виброгашения (выбора их
оптимальных параметров).
Одним из методов этого направления является применение в передачах
зубчатых колес с упругими соединениями.
Виброакустическая активность корпусных деталей может быть
снижена использованием для их изготовления материалов с хорошими
демпфирующими свойствами. Резонирующие степени могут изолироваться.
Резонансные режимы крутильных и изгибных колебаний в
трансмиссии, возникающие в результате неравномерности работы двигателя,
а также дисбаланса вращающихся деталей трансмиссии вызывают
повышенную ее шумность, за счет повышения ее виброактивности.
Уменьшение вибрации может быть достигнуто соответствующим
выбором конструктивных параметров трансмиссии с целью выведения
основных резонансных режимов из зоны эксплутационных скоростей
движения автомобиля. Следует отметить, что эта работа может быть
выполнена уже на стадии проектирования.
Достаточно перспективным является введение в трансмиссию
нелинейных элементов, которые позволяют уменьшить динамическую
нагруженность трансмиссии.
С целью снижения динамической нагруженности трансмиссий
переднеприводных автомобилей в полуоси включаются демпферы
крутильных колебаний.
Возможной мерой по снижению шума в трансмиссии является
виброизоляция валов шестерен от картеров, что весьма затруднительно
вследствие необходимости удовлетворения противоположных требований
введения упругой виброизоляции и поддержания жесткости в соответствии с
геометрическими допусками на зазор в шестернях под действием
переменных нагрузок.
286
Одним из источников акустических излучений является карданная
передача. Правильный выбор кинематических параметров карданной
передачи и конструкции деталей позволяет снизить ее шумность.
Эффект по снижению шума карданной передачи может быть получен
заполнением карданного вала самовспенивающимся пенополиуретаном.
Рациональный метод борьбы с повышенным шумом и высокими
вибрациями в трансмиссии автомобиля в рабочем диапазоне – применение
разрезной карданной передачи с введениями промежуточной опоры.
В ряде случаев погрешности в изготовлении шестерен в главной
передаче ведущего моста легкового автомобиля вызывают изгибные и
крутильные колебания трансмиссии, которые усиливаются на разрезанных
частях и передаются кузову. Шум особенно возрастает, если резонансные
частоты изгибных и крутильных колебаний агрегатов трансмиссии на
подвеске близких частотам возмущений, создаваемых в зубчатом зацеплении
при работе трансмиссии. Для уменьшения можно изменить указанные
резонансные частоты так, чтобы они не были близки, можно сдвигать их в
зону более приемлемых частот и можно уменьшать уровень вибраций путем
их деформирования. Однако при всех этих способах уменьшения шума
необходимо вводить значительные конструктивные изменения в элементы
трансмиссии, например, изменять их жесткость или вес, что связано с
увеличением затрат.
Проблема снижения шума и вибрации радиальных и конических
подшипников является весьма важной и состоит из трех самостоятельных
задач: разработки и применения подшипников качения с улучшенными
виброакустическими
характеристиками;
демпфирования
колебаний,
передаваемых на корпус с агрегата; создания наиболее благоприятных
условий эксплуатации подшипников в автомобиле. Излучение звука
вследствие возмущений, возникающих в подшипнике, происходит, как
правило, сопряженными с ним деталями. Важнейшим условием улучшения
виброакустических характеристик подшипников является уменьшение
волнистости и огранности тел качения и желобов колец и отклонений
размеров тел качения.
Уровень шума подшипника определяется сочетанием отклонений
формы деталей подшипника и характером контакта шариков (роликов) с
кольцами. Важнейшим параметром конических подшипников, влияющим на
уровень его шума, является отклонение угла между дорожками качения
колец в собранном подшипнике.
На высоких скоростях движения (свыше 60 км/ч) преобладающим
источником шума является шум шин. Основные факторы – истечение
сжатого воздуха между поверхностью шины и неровностями дороги,
вибрации из-за неравномерной радиальной жесткости шин, турбулентные
потоки давления воздуха при аэродинамическом обтекании поверхности
шин. Только поняв влияние этих факторов, можно проектировать
относительно бесшумную шину без ухудшения основных свойств, например,
сцепления с опорной поверхностью и сопротивляемости заносу (шум шин
287
уменьшается при гладкой поверхности шины и дороги, что вступает в
противоречие с проблемами увеличения сцепления шины с дорогой).
Шум автомобильной шины в настоящее время является одним из
факторов, который ограничивает дальнейшее снижение уровня шума
автомобиля. Исследования, проведенные за рубежом, показывают, что
данная проблема столь же важна, как проблема снижения шума силового
агрегата.
Уровень шума, возникающего при качении автомобильной шины,
возрастает с увеличением скорости движения автомобиля и начинает
оказывать существенное влияние на общий уровень внешнего шума
автомобиля. При скоростях движения свыше 90 км/ч он становится
преобладающим. Основными причинами и факторами, влияющими на шум
генерируемого
шинами,
являются:
конструктивные
параметры,
геометрические соотношения профиля шины, скорость, нагрузка, износ,
рисунок протектора, материал дорожного полотна, влажность покрытия
дороги и др.
Установлено, что низкопрофильные шины более шумные, чем
высокопрофильные, увеличение ширины приводит к возрастанию уровня
шума.
Радиальные и диагональные излучают шумы разные по уровню и
спектру. Причем радиальные шины излучают шум несколько меньший, чем
диагональные с тем же рисунком.
Шины, изготовленные из резины с высоким гистерезисом, обладают
пониженными шумовыми характеристиками.
Шум шины с закрытыми полостями в рисунке протектора выше, чем с
поперечным расчленением рисунка протектора создает шум меньше. Самые
малошумные - шины с продольными ребрами. Результаты получены при
учете вида покрытия дороги.
Увеличение нагрузки влечет за собой рост шума, причем это рост у
шин с замкнутыми колебаниями в рисунке протектора выше, чем у шин
поперечным рисунком. Шины с продольным рисунком протектора почти не
испытывают влияния нагрузки.
С увеличением износа шин шум растет, а затем снижается.
Исключение составляют шины с замкнутыми полостями в рисунке, для
которых шум падает с увеличение износа.
Старение резины шин и увеличением влажности поверхности дороги
приводит к увеличению уровня шума шин.
Испытания, проведенные по оценке шума, излучаемого шинами, на
фоне общего шума легкового автомобиля, показали, что внешний шум,
излучаемый шинами свободно катящегося автомобиля при скоростях
движения 90…110 км/ч, достигает 77…82 дБ(А). При этом радиальные шины
создают меньший внешний шум, чем диагональные: при малых и средних
скоростях движения эта разница более значительная – 2…4 дБ(А), с
повышением скорости качения она несколько снижается до 1…2 дБ(А).
288
Особенно остро стоит вопрос снижения шума шин полноприводных
автомобилей. Значительный вклад в общий уровень шума вносит
интенсивное звуковое излучение, производимое шинами с вездеходным
рисунком протектора. Шум качения в значительной степени формирует
звуковое поле в частотных диапазонах 250…315 и 500…630 Гц, которые
обуславливаются ударами грунтозацепов протектора шин о дорожное
покрытие.
Тип дорожного покрытия (асфальт или бетон) также влияет на уровень
внешнего шума шин. Уровень шума при движении автомобиля по шоссе с
бетонным покрытием выше, чем в случае асфальтового покрытия. Это
особенно заметно при высоких скоростях. У автомобиля с шинами
радиальной конструкции уровень излучаемого звука при движении по
бетонному покрытию возрастает в большей степени, чем у автомобиля с
диагональными шинами на 5…7 дБ(А).
Проблема уменьшения внешнего шума требует создания и применения
конструкций шин с уменьшенной акустической активностью.
На внешний шум легковых автомобилей существенное влияние
оказывает аэродинамическое обтекание поверхностей деталей кузова, с резко
изменяющейся геометрической поверхностью или выемками. Примером
таких шумов может служить шум турбулентного срыва потока воздуха за
багажником или от приоткрытого окна. Основной мерой борьбы с
источниками таких шумов является повышение плавности очертаний кузова,
удаление или замена на детали без открытых полостей.
В процессе эксплуатации увеличение шума является результатом
разрегулировки отдельных элементов, поломок зубьев шестерен, дисбаланса
вращающихся масс и т. д. Это говорит о необходимости своевременной и
правильной эксплуатации транспортного средства как меры снижения уровня
шума. Кроме того, одним из способов снижения шума транспортного потока
является совершенствование методов организации дорожного движения.
3.3. Электромагнитные излучения
Работа системы зажигания автомобильного двигателя вызывает радиои телепомехи. Чем выше напряжение в системе, тем больше сферы влияния
помех. Борьба с помехами ведется постоянно. Измерителями уровня
радиопомех служат квазипиковые значения напряженности поля радиопомех
в децибелах относительно 1 мкВ/м, создаваемых автотранспортными
средствами во всей нормируемой полосе частот. Допустимые значения
напряженности поля радиопомех для всех автотранспортных средств равны:
34 дБ - в полосе частот от 30 до 75 МГц, 45 дБ - в полосе частот от 400 до
1000 МГц; в полосе частот от 75 до 400 МГц напряженность поля
радиопомех рассчитывается.
На уровень радиопомех оказывают влияние конструктивные
особенности автотранспортных средств:
289
1) различия в степени сжатия по цилиндрам двигателя;
2) использование пластмассовых или металлических деталей для
изготовления крыш, крыльев, Обивки кузова, воздушных фильтров;
3) размеры, форма и расположение воздушных фильтров;
4) расположение распределителя и катушки зажигания на двигателе
или в моторном отделении;
5) размеры и формы моторного отделения и размещение
высоковольтных проводов;
6) различия в зазорах между левым и правым передними колесами и
моторным отделением;
7) расположение рулевого управления (правое или левое),
оказывающее влияние на компоновку автомобиля;
8) наличие
на
автотранспортном
средстве
вспомогательных
двигателей.
Указанные особенности следует учитывать при компоновочных
работах, поскольку они могут оказать влияние на уровень радиопомех.
3.4. Уплотнение почвы движителем
Во всем мире неуклонно растет производство автомобилей для
эксплуатации вне дорог и в первую очередь – полноприводных.
Полноприводные автомобили не только для военных, специальных целей и
сельскохозяйственного назначения, но и для широкого круга населения и все
большее значение приобретают их экологические показатели, а как известно
автомобильный транспорт является одним из основных источников
негативного воздействия на окружающую среду.
В процессе движения автомобиля по грунту происходит уплотнение
слоев почвы, а также сдвиг и вынос части грунта вследствие буксования
движителей, криволинейного движения автомобиля и т.д. Результатом
переуплотнения и изменения структуры почвы является нарушение
нормального естественного хода процессов жизнедеятельности в почве,
нарушение соотношений влаги, газа и скелетных частиц, стерилизация почв,
что в свою очередь не способствует развитию почвенной флоры и фауны, а
при определённых условиях, ведет к эрозии, выдуванию почв и т. д.
Так, согласно исследованиям в области сельского хозяйства, недобор
урожая вследствие уплотнения движителями поверхности поля достигает 40
%.
Что касается мобильной сельскохозяйственной техники, то в 1986 году
были введены нормативные документы, ограничивающие удельное давление
на почву и механическое напряжение на глубине 0,5 м. (ГОСТ 26955-86
«Нормы воздействия движителей на почву»), а также разработаны методики
оценки воздействия на почву: ГОСТ 26953-86 «Методы определения
воздействия движителей» и ГОСТ 26954-86 «Методы определения
нормальных напряжений в почве».
290
И в свете этих норм показатели колесных машин (которые
подразумевают универсальное их применение) значительно отличаются от
желаемого (превышение норм ГОСТ 26955-86 в среднем в два и более раза):
Результаты агротехнической оценки, проведенной для группы
автомобилей сельскохозяйственного назначения, согласно вышеупомянутым
нормативным методикам приведены в табл. 3.9.
Таблица 3.9
Агротехническая оценка АТС по ГОСТ 26955-86
Модель
АТС
Позиция
шины
Модель Нагрузк Площад
шины а, Н
ь
контакта
, см2
Нормальное
механическое
напряжение в почве
на глубине0,5м,кПа
715
Норм.
67,5
Факт.
203,6
210,0
50,0
111,1
КАЗ4540
Передняя НР-56
ось
Урал5557
Передняя И-247Б 21500
ось
1114,5
Задняя ось
30500
1353,3
10775
270,3
15900
636,8
ГАЗ-6008 Передняя КИ-63
ось
Задняя ось
29900
Максимальное
давление на почву
колесного
движителя, кПа по
ГОСТ 26955-86
Норм.
Факт.
241,5
512,3
236,3
276,1
241,5
450,8
282,3
137,1
57,5
130,1
86,1
Примечания:
1. В таблице приведены нормы для летне-осеннего периода.
2. Нормы увеличены на 15 %, т.к. высота рисунка протектора не
превышает 25 мм.
В общем случае, негативное воздействие движителей на почву
складывается из двух взаимосвязанных составляющих: уплотнения почвы в
вертикальном направлении, а также сдвиг и вынос части грунта в
горизонтальном направлении. Характеризующими данные процессы
величинами являются глубина образуемой автомобилем колеи (h) и
максимальное значение буксования колес автомобиля (s). Зависимыми от
этих величин являются объёмный вес (масса), твердость и влажность почвы,
структурный состав и биологическая урожайность почвы после воздействия
на неё движителями автомобиля. Очевидно, что наиболее комплексным
показателем, характеризующим вредность воздействия движителями
автомобиля на почву, является уменьшение биологической урожайности (для
сельского хозяйства) или снижение общих темпов воспроизводства и
жизнедеятельности растительности.
291
Современные требования к автомобилям постоянно ужесточаются год
от года. Сегодня основной упор при проектировании автомобилей делается
на важнейшие направления опытно-конструкторских работ. Это
безопасность, экономичность, экологическая чистота, надежность и удобство
управления транспортным средством. Для обеспечения выше перечисленных
аспектов все более широко применяются на автомобиле автоматические
системы с электронным управлением трансмиссии автомобилей.
В настоящее время много времени уделяется разработке и
совершенствованию трансмиссии полноприводных автомобилей. В основном
на автомобилях применяются ступенчатые механические трансмиссии или
гидромеханические, оснащенные системами автоматического управления.
Возможные варианты снижения вредного воздействия на опорную
поверхность движителем зависят от 2 основных факторов:
- снижение уплотнения слоев почвы;
- снижение сдвига и выноса части грунта вследствие буксования
движителя.
Снижение уплотнения слоев почвы можно добиться применением
различных типов движителей:
- применением автомобильных шин (арочные, шины со сниженным и
сверхнизким давлением);
- применением гусеничных и пневмо-гусеничных движителей.
А снижение второго фактора добиваются еще на первом этапе
проектирования автомобиля (подбором передаточных чисел, компоновке и
др.)
Ограничение
буксования
достигают
правильным
подбором
передаточных чисел, регулированием числа ведущих и ведомых осей,
правильным распределением мощности и момента между осями и колесами и
др.
В настоящий момент имеется множество различных путей повышения
проходимости и снижения уровня вредного воздействия на грунт:
- снижение давления на почву за счет изменения параметров колесных
движителей;
- уменьшения общей массы автомобиля;
- увеличение числа ведущих колес автомобиля.
3.5. Утилизация автомобилей
В последние пятнадцать лет проблемой утилизации вышедших из
эксплуатации АТС активно занимаются всем мире, так как число
автомобилей, выходящих эксплуатации и подлежащих утилизации, растет
пропорционально росту парка, то есть чрезвычайно быстро. По прогнозам, за
период с 2001 по 2020 г. в мире будет произведено и продано свыше 1,5 млрд
автомобилей, из которых 100 млн прогнозируется на 2020 г. Число на
дорогах будет составлять 1,1 млрд. Соответственно вырастет и число
292
автомобилей, подлежащих утилизации (сейчас только в Европе ежегодно
утилизируется около 9 млн старых автомобилей).
В РФ эксплуатируется свыше 17 млн автотранспортных средств
(легковые и грузовые автомобили), при этом их суммарное количество
ежегодно увеличивается еще почти на миллион машин.
Несмотря на то что в нашей стране автомобиль обычно
эксплуатируется «до упора» (меняя владельцев и местонахождение – от
центра к периферии), эти цифры помогают более четко представить
масштабы проблемы в самом недалеком будущем, даже если сейчас за
пределами Московской области и некоторых других регионов (С.-Петербург,
Самара) о ней можно и не задумываться. О неотложности принятия мер по
утилизации автомобилей сигнализирует и структура автомобильного парка в
России. Так, в Москве и Московской области, где эксплуатируется около 4
млн. АТС, почти половина из них имеет возраст более 10 лет, а свыше 10 % –
более 20 лет.
Транспортные средства, вышедшие из эксплуатации, – это отходы,
которые из-за большого их количества, огромной суммарной массы и
наличия в них токсичных веществ создают серьезную угрозу для
окружающей среды и оказывают длительное негативное воздействие на
здоровье людей и на экосистемы. Однако отходы можно и нужно превращать
в доходы. Утилизация автомобилей и рециклирование материалов на 80 %
позволяют снизить расход природных ресурсов почти в 4,5 раза, что для
одного нового легкового автомобиля среднего класса составляет экономию
примерно 3,3 т ископаемого сырья. Расход энергии при этом снижается более
чем в 2,5 раза, а уменьшение загрязнения окружающей среды – в 4-5 раз.
В ведущих странах сбором и переработкой отслуживших автомобилей
(в мире используется аббревиатура ELV – End-of-Life Vehicle, то есть конец
жизни автомобиля) и изношенных автомобильных деталей занимается
специализированная отрасль производства, при этом различные аспекты
проблемы утилизации автомобилей регламентируются законодательнонормативной базой, которая создавалась с определенными трудностями
несколько лет.
Принятие в 2001 г. Директивы Европейского Союза 2000/53/ЕС
«Транспортные средства, вышедшие из эксплуатации» дало ориентиры (и не
только для стран, входящих в ЕС) по самым различным аспектам проблемы
утилизации. Главной целью Директивы является уменьшение количества
неиспользуемых отходов, образующихся при утилизации (то есть
«употребление с пользой») отслуживших автомобилей или предупреждение
образования этих отходов, а также повышение рециклируемости
автомобилей. В Директиве определены все основные направления работ,
которым необходимо следовать, чтобы максимально экономить природные
ресурсы и снизить негативное воздействие на окружающую среду. В
частности, в Директиве сформулировано требование о необходимости
обеспечить степень утилизации (с учетом получения энергии при сжигании
отходов) не менее 85 % к 2006 г. и не менее 95 % – к 2015 г. На базе
293
положений Директивы 2000/53/ЕС страны ЕС разрабатывают национальные
нормативно-законодательные акты, устанавливающие ограничения на
применение в легковых автомобилях экологически опасных материалов, а
также требования по маркировке компонентов и материалов, по
представлению автопроизводителем технических руководств по разборке
автомобилей и т.д.
Наличие такой информации позволит быстро, безопасно и
экономически эффективно разобрать любой автомобиль, одновременно
сортируя снятые детали и узлы, направляя их по различным потокам для
повторного использования, рециклирования материалов, сжигания,
захоронения или другого вида утилизации компонентов.
Введение в действие регламента будет означать, что с помощью
экономических и правовых рычагов государство стимулирует производство
автомобилей и их компонентов с более высокой степенью утилизации и
рециклирования. Его принятие должно способствовать минимизации
негативного влияния на окружающую среду колесных транспортных средств
по окончании их эксплуатации, снижению потребления природных ресурсов
и энергии, уменьшению выбросов парниковых газов и гармонизации
российского и европейского законодательства.
В настоящее время одобрены так называемые «Предложения
2004/0053/ЕС», согласно которым процедура получения одобрения типа
должна включать обеспечение пригодности к утилизации новых легковых
автомобилей и малотоннажных грузовиков весом до 3500 кг, а сфера
действия Директивы 70/156/ЕС о единообразии требований по безопасности
конструкции колесных транспортных средств при европейской процедуре
получения ОТТС будет распространяться не только на легковые автомобили,
но и на другие транспортные средства.
Таким образом, система омологации АТС будет включать и требования
по минимальной степени рециклирования и утилизации легковых
автомобилей и малотоннажных грузовиков. Подготовка к выполнению этих
требований является весьма длительным процессом, который практически
все мировые автомобильные компании ведут достаточно давно. В России,
которая является участницей Женевского соглашения 1958 г.,
автопроизводителям также необходимо готовиться к проведению процедуры
получения одобрения типа с учетом новых требований.
Согласно этим «Предложениям» производитель автомобилей должен
предоставить компетентному сертифицированному органу следующие
документы:
• расчет степени утилизации и рециклирования согласно стандарту
ИСО 22628:2002;
• руководство по демонтажу деталей из неметаллических материалов,
рекомендации по последовательности демонтажа и рекомендуемые
технологии восстановления деталей и переработки материалов. Каталог
демонтированных комплектующих деталей;
294
• эталонные автомобили для проверки заявленных характеристик, то
есть те модификации, которые являются наиболее проблемными с точки
зрения их утилизации.
В «Предложениях» содержится перечень компонентов, которые не
должны быть повторно использованы в конструкции автомобиля, так как они
могут негативно повлиять на характеристики безопасности или
экологичности:
- любые подушки безопасности, включая мешки, пиротехнические
пускатели, блоки электронного управления и датчики;
- автоматические или неавтоматические ремни безопасности в сборе,
включая тканую ленту, пряжки, натяжители, пиротехнические пускатели;
- сиденья (только в случаях, когда крепления ремней и/или подушки
безопасности встроены в сиденья);
- ограничители поворота колес в сборе, воздействующие на колонку
рулевого управления;
- каталитические нейтрализаторы;
- глушители выхлопа.
Введение в действие поправок к Директиве 70/156/ЕС намечено на
2010 г., после чего одобрение типа смогут получить только те АТС, которые,
кроме всех прочих требований, выполняют требования по утилизации.
Проблема утилизации автомобилей имеет много аспектов – технический,
технологический,
правовой,
экономический,
организационный,
экологический, социальный и др.
Говоря о регламентации последней стадии жизни автомобиля, как
правило, имеют в виду собственно процессы утилизации. Необходимо чётко
регламентировать процессы, реализуемые на стадии проектирования
автомобиля. Необходимо учитывать, что утилизация автомобилей не может
быть экономически эффективной и по возможности экологически безопасной
без внесения значительных изменений как в конструкцию самого
автомобиля, так и в идеологию его проектирования.
К настоящему времени разработаны следующие документы:
• концепция специального технического регламента по утилизации
АТС;
• проект стандарта «Утилизация автотранспортных средств. Метод
расчета степени рециклируемости автомобилей»;
• методические указания по совершенствованию конструкции
автомобиля с учетом требований утилизации по окончании срока службы;
• рекомендации по выбору применяемых в автомобилестроении
материалов;
• методика создания электронных технических руководств по
разборке, сортировке и утилизации продукции автомобилестроения по
окончании эксплуатации.
295
Список литературы
1. Основы эргономики и дизайна автомобилей и тракторов: Учебник /
Н. С. Степанов, А. Н. Евграфов, А. Л. Карунин и др.; Под общ.ред. В.М.
Шарипова – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 256 с.
2. Безопасность конструкции автомобиля / М. А. Андронов, Ф. Е.
Межевич, Ю. М. Немцев, Е. С. Савушкин. – М.: Машиностроение, 1985. –
273 с.
3. Конструктивная безопасность автомобиля/ Л. Л. Афанасьев, А. Б.
Дьяков, В. А. Иларионов.-М.: Машиностроение, 1983.- 212с.
4. Регламентация
активной
и
пассивной
безопасности
автотранспортных средств/ А. И. Рябчинский, Б. В. Кисуленко, Т. Э.
Морозова.-М.: Издательский центр «Академия», 2006.- 462 с.
5. Современные системы конструктивной безопасности автомобилей/
Ю. Ю. Покровский, К. С. Ремнев, И. С. Степанов, В. В. Ломакин. - Тула.:
Издательство ТулГУ, 2007. - 163 с.
296
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение………………………………………………………………….
Глава 1. Активная безопасность автомобиля……………..…………….
1.1. Компоновочные параметры автомобиля…………………………..
1.1.1. Общая компоновка автомобиля…………………………………..
1.1.2. Влияние веса автомобилей на их безопасность………………….
1.1.3. Габаритные параметры и классификация легковых
автомобилей на их основе……………………………………………….
1.1.4. Весовые параметры и классификации транспортных средств на
их основе…………………………………………………………………..
1.2. Тяговая динамичность транспортных средств…………………….
3
11
11
11
15
18
21
25
1.2.1.Влияние максимальной скорости движения и мощности
двигателя на активную безопасность…………………………………… 25
1.2.2. Характеристики тяговой динамичности…………………………. 27
1.2.3. Максимальная скорость и ускорение автомобиля………………. 28
1.2.4. Динамический фактор автомобиля………………………………. 32
1.2.5. Влияние технического состояния автомобиля на тяговую
динамичность……………………………………………………………... 34
1.2.6. Характеристики современных двигателей………………………. 35
1.3. Устойчивость транспортных средств………………………………. 40
1.3.1. Понятие устойчивости транспортного средства………………… 40
1.3.2. Продольная устойчивость………………………………………… 41
1.3.3. Поперечная устойчивость………………………………………… 43
1.3.4. Явление заноса одной из осей…………………………………….. 45
1.3.5. Курсовая устойчивость……………………………………………. 47
1.3.6. Испытания автомобилей на устойчивость……………………….. 47
1.4. Управляемость автомобиля…………………………………………. 50
1.4.1. Управляемость и ее значение для безопасности дорожного
движения………………………………………………………………… 50
1.4.2. Поворачиваемость автомобиля и ее влияние на безопасность
движения………………………………………………………………… 51
1.4.3 Потеря управляемости автомобиля по техническим причинам… 55
1.5. Трансмиссия автомобиля……………………………………………. 57
1.6. Подвеска автомобиля………………………………………………... 62
1.7. Тормозные свойства автомобиля…………………………………… 68
1.7.1. Требования безопасности, предъявляемые к тормозной системе
автомобиля………………………………………………………………... 68
1.7.2. Характеристики тормозных свойств. Расчетное определение
тормозных сил……………………………………………………………. 69
297
1.7.3. Определение замедления, времени и пути торможения………... 73
1.7.4. Методы испытаний тормозных свойств транспортных средств.. 74
1.7.5. Требования к эффективности торможения транспортных
средств…………………………………………………………………….
1.7.6 Тормозные системы……………………………………………..…
1.8 Автомобильные шины……………………………………………….
1.9 Органы управления автомобилем…………………………………..
1.10 Электронные системы управления автомобилем………………..
1.11Информативность…………………………………………………..
1.11.1 Внутренняя информативность автомобиля……………………..
1.11.2. Внешняя информативность автомобиля……………………….
1.12 Дополнительные предупреждающие и предохранительные
устройства…………………………………………………………………
1.13. Комфортабельность салона автомобиля………………………….
1.13.1. Климатическая комфортабельность……………………………..
1.13.2. Вибрационная комфортабельность ……………………………...
1.13.3. Акустическая комфортабельность………………………………..
Глава 2. Пассивная безопасность………………………………………..
2.1. Травмирование человека в дорожно-транспортных
происшествиях…………………………………………………………..
2.1.1. Классификация видов травм человека………………………
2.1.2. Особенности ранений людей в дорожно-транспортных
происшествиях………………………………………………………….
2.1.3. Влияние антропометрии на пассивную безопасность
автомобиля…………………………………………………………….
2.2. Анализ последствий ДТП…………………………………………
2.2.1. Статистические данные последствий ДТП………………….
2.2.2 Виды столкновений при дорожно-транспортных
происшествиях …………………………………………………………
2.2.3. Внешние повреждения автомобиля…………………………
2.2.4. Возгорание автомобилей при столкновениях………………
2.2.5. Стендовые испытания автомобилей…………………………
2.2.6. Исследование процесса столкновения………………………
2.2.7. Кинематика перемещения человека в автомобиле……………..
2.3. Разработка конструкции безопасного автомобиля……………….
2.3.1. Общие закономерности создания безопасного автомобиля …..
2.3.2. Защитные свойства кузова………………………………………
2.3.3. Безопасный бампер……………………………………………….
2.3.4. Дверные замки………………………………………………….....
2.3.5. Ремни безопасности………………………………………………
2.3.6. Подушки безопасности………………….………………………..
2.3.7. Приборные панели………………………..……………………….
2.3.8. Сиденья автомобиля……………………………..………………..
2.3.9. Безопасные рулевые колонки…………………………………….
2.3.10. Безопасное рулевое колесо……………………………………..
2.3.11. Ветровые стекла…………………………………………………
81
86
90
96
106
123
123
133
140
143
143
150
157
164
164
164
168
172
180
180
182
184
185
188
192
195
197
197
199
210
216
218
223
229
230
239
243
244
298
2.3.12. Элементы интерьера……………………………………………..
Глава 3. Экологическая безопасность ………………………………….
3.1. Вредные выбросы автотранспорта в атмосферу …….………….
3.2. Шумовое воздействие ……………………………………………..
3.3. Электромагнитные излучения ……………………………………
3.4. Уплотнение почвы движителем …………………………………..
3.5. Утилизация автомобилей ………………………………………….
Список литературы……………………………………………………..
247
256
258
276
280
289
292
296
299