Расчёт параметров безопасности автомобиля

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра менеджмент на автомобильном транспорте



















Расчёт параметров безопасности автомобиля

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Безопасность транспортных средств























Иркутск 2009 г.


1. Расчёт замедления автомобиля на разных дорожных покрытиях



Тормозные свойства. Возможность предотвращения ДТП чаще всего связана с интенсивным торможением, поэтому необходимо, чтобы тормозные свойства автомобиля обеспечивали его эффективное замедление в любых дорожных ситуациях.

Для выполнения этого условия сила, развиваемая тормозным механизмом, не должна превышать силы сцепления с дорогой, зависящей от весовой нагрузки на колесо и состояния дорожного покрытия. Иначе колесо заблокируется (перестанет вращаться) и начнет скользить, что может привести (особенно при блокировке нескольких колес) к заносу автомобиля и значительному увеличению тормозного пути. Чтобы предотвратить блокировку, силы, развиваемые тормозными механизмами, должны быть пропорциональны весовой нагрузке на колесо. Реализуется это с помощью применения на передней оси более эффективных дисковых тормозов, а на задней - барабанных, причем с ограничителем тормозных сил.
На современных автомобилях используется антиблокировочная система тормозов (АБС), корректирующая силу торможения каждого колеса и предотвращающая их скольжение.

Зимой и летом состояние дорожного покрытия разное, поэтому для наилучшей реализации тормозных свойств необходимо применять шины, соответствующие сезону.

Максимальное установившееся замедление наступает при достижении максимально возможной продольной реакции Rx, т.е. при полном использовании сцепных качеств колеса с дорогой. При замедлении, меньшем по значению, чем максимально установившееся, продольная реакция Rx не достигает своего максимального значения, т.е. при торможении не происходит полного использования сцепных качеств колеса и дороги. Это происходит при служебном торможении, когда используется часть сцепных качеств. Иначе говоря, коэффициент сцепления можно рассматривать как переменную величину, меняющуюся от нуля до максимального значения, соответствующего экстремальному торможению. И замедление при торможении также может изменяться от нуля до максимально возможного по условиям сцепления.

Расчёт замедления автомобиля производится по формуле:



,(1)



где J - замедление автомобиля, м/с2;

 - коэффициент сцепления шин с дорогой;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

э – коэффициент эффективности торможения, он учитывает степень использования теоретически возможной эффективности тормозной системы автомобиля, э=1,3

При  = 0,6 для щебеночного сухого покрытия:

J = (0,6*9,8)/1,3 = 4,5 м/с2.

При  = 0,5 для щебеночного мокрого покрытия:

J = (0,5*9,8)/1,3 = 3,8 м/с2.



2. Расчёт остановочного пути автомобиля при разных скоростях его движения



Остановочный путь автомобиля рассчитывается по формуле:



(2)



где V - скорость движения автомобиля, м/с;

tр – время реакции водителя, tр = 0,8 с;

tпр – время срабатывания тормозного привода, для автомобиля с пневматическим приводом tпр = 0,4 с;

tн – время нарастания замедления, c;

J – замедление автомобиля, м/с².

При V = 2,3 м/с для щебеночного сухого покрытия:

Sост = 2,8*(0,8+0,4+0,5*0,8) + 1,3*2,82/2*4,5 = 5,6 м

Аналогично проводим расчёт для значений V =5,6; 8,3; 11,1; 13,9; 16,6; 19,4; 22,2 м/с для мокрого щебеночного покрытия и результаты расчётов сводим в таблицу 1.



Таблица 1 – Остановочный путь автомобиля

Скорость движения автомобиля, м/с

Остановочный путь Sост, м при J



щеб. дорога сухое 4,5

щеб. дорога мокрое 3,8

0

0

0

2,8

5,6

5,6

5,6

13,3

13,8

8,3

23,4

24,6

11,1

35,6

38,1

13,8

50,1

54,2

16,6

66,8

72,9

19,4

85,7

94,3

22,2

106,9

118,4



На основании таблицы 1 строится график зависимости остановочного пути автомобиля от скорости движения Sост = f(V) для грунтового покрытия рисунок 1.




Рисунок 1 – График остановочного пути



При увеличении скорости движения автомобиля увеличивается и остановочный путь. Тип покрытия также влияет на длину остановочного пути: на асфальтобетонном сухом покрытии остановочный путь менее 100 метров, а при гололеде при скорости движения 100 км/ч достигает 500 



3. Расчёт тормозного пути автомобиля при разных скоростях его движения



Тормозной путь автомобиля определяется по формуле:



(3)



При V = 2,8 м/с для щебеночного сухого покрытия:

Sт = 2,8*(0,4 + 0,5*0,8) +1,3*2,82/2*4,5 = 3 м.

Аналогично проводим расчёт для значений V = 5,6; 8,3; 11,1; 13,9; 16,6; 19,4; 22,2 м/с для мокрого покрытия, и результаты расчётов сводим в таблицу 2.


Таблица 2 – Тормозной путь автомобиля

Скорость движения автомобиля, м/с

Тормозной путь Sт, м при J



щеб. дорога сухое 4,5

щеб. дорога мокрое 3,8

0

0

0

2,8

3

3

5,6

9

9

8,3

17

18

11,1

27

29

13,8

39

43

16,6

53

60

19,4

70

79

22,2

89

101



На основании таблицы 2 строится график зависимости тормозного пути автомобиля от скорости движения Sт = f(V) рисунок 2.





Рисунок 2 – График тормозного пути



4. Влияние тормозных свойств на среднюю скорость движения



Тормозные свойства влияют не только на безопасность движения, но и на среднюю скорость движения. Допустимая по тормозным свойствам скорость движения может быть определена из условия,


,(4)



где Sв - расстояние видимости дороги или препятствия, м;

Sост - остановочный путь, определенный по формуле (2);

Sб - расстояние безопасности, Sб=10 м.

При V=2,8 м/с для щебеночного сухого покрытия:

Sв = 6 + 10 = 16 м.

Аналогично проводим расчёт для значений V = 5,6; 8,3; 11,1; 13,9; 16,6; 19,4; 22,2 м/с для мокрого покрытия, и результаты расчётов сводим в таблицу 3.



Таблица 3 – Расстояние видимости дороги или препятствия в светлое время суток

Скорость движения автомобиля, м/с

Расстояние видимости дороги или препятствия в светлое время суток Sв, м при J





щеб. дорога сухое 4,5

щеб. дорога мокрое 3,8

0

10

10

2,8

16

16

5,6

23

24

8,3

33

35

11,1

46

48

13,8

60

64

16,6

77

83

19,4

96

104

22,2

117

128



В темное время суток при пользовании фарами



,(5)



где Sосв - максимальная протяженность участка дороги, освещенного фарами, для дальнего света Sосв=150 м, для ближнего 50 м.

- коэффициент, учитывающий уменьшение расстояние видимости от скорости движения, (принимаем =1,8).

Для дальнего света: 

При V = 2,8 м/с Sв = 150-1,8*2,8 = 132 м;

При V = 5,6 м/с Sв = 150-1,8*5,6 = 114м;

При V = 8,3 м/с Sв=150-1,8*8,3 = 96м

При V = 11,1 м/с Sв=150-1,8*11,1 = 78м;

При V = 13,9 м/с Sв=150-1,8*13,9 = 60м;

При V = 16,7 м/с Sв=150-1,8*16,7 = 42м.

При V = 19,4/с Sв=150-1,8*19,4 = 24м.

При V = 22,2 м/с Sв=150-1,8*22,2 = 6м.

Для ближнего света:

При V = 2,8м/с Sв=50-1,8*2,8 = 45м;

При V = 5,6м/с Sв=50-1,8*5,6 = 40м;

При V = 8,3м/с Sв=50-1,8*8,3 = 35м

При V = 11,1м/с Sв=50-1,8*11,1 = 30м;

При V = 13,9м/с Sв=50-1,8*13,9 = 25м;

При V = 16,7м/с Sв=50-1,8*16,7 = 20м.

При V = 19,4м/с Sв=50-1,8*19,4 = 15м.

При V = 22,2м/с Sв=50-1,8*22,2 = 10м.

Подставляем в уравнение (2) вместо Sост расстояние видимости Sв, получим квадратное уравнение,



(7)



Решая данное уравнение, определим безопасную скорость движения. Данное уравнение имеет два корня, с положительным и отрицательным значениями. Положительная величина является безопасной максимальной скоростью.

Для различных условий видимости определяется безопасная скорость Vб и строятся графики зависимости Vб = f(Sв).

Сухое щебеночное покрытие Vб = 21; 23; 25; 33; 46; 60; 77; 96; 117 

Мокрое щебеночное покрытие Vб = 19; 21; 23; 26; 29; 32; 35; 38; 42

В темное время суток:

Дальний свет: Сухое покрытие Vб = 43; 40; 37 ; 34; 31; 28; 25; 23; 21

Мокрое покрытие Vб = 42; 38; 35; 32; 29; 26; 23; 21; 19

Ближний свет: Сухое покрытие Vб = 43; 40; 37; 34; 31; 28; 25; 23;21

Мокрое покрытие Vб = 42; 38; 35; 32; 29; 26; 23; 21;19





Рисунок 3 – График безопасной скорости в светлое время суток



При увеличении расстояния видимости в светлое время суток безопасная скорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость больше чем при гололеде. 




Рисунок 4 - График безопасной скорости в тёмное время суток при пользовании фарами дальнего света



При увеличении расстояния видимости в темное время суток при пользовании фарами дальнего света безопасная скорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость значительно больше чем при гололеде. 





Рисунок 5 - График безопасной скорости в тёмное время суток при пользовании фарами ближнего света


При увеличении расстояния видимости в темное время суток при пользовании фарами ближнего света безопасная скорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость значительно больше чем при гололеде. 

При увеличении расстояния видимости при движении в тумане или при осадках безопасная скорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость больше чем при гололеде. 



5. Определение коэффициента перераспределения тормозных сил



Рабочая тормозная система характеризуется коэффициентом распределения тормозной силы:



,(8)



где Ртор1, Ртор2 - тормозная сила соответственно на передних и задних колесах автомобиля.

Коэффициент βт зависит от коэффициента сцепления шин с дорогой  и рассчитывается по формуле:



,(9)



где b – расстояние от центра тяжести автомобиля до задней оси, м;

hцт - высота центра тяжести автомобиля, м;

L - база автомобиля, м.


(10)



где F- масса автомобиля, кг;

а - расстояние от центра массы автомобиля до передней оси, м.





(11)

b=L-a.(12)



а = (5287*3.6)/7825 = 2,4 м;

b = 3.6-2,4 = 1.2м.

При =0,6 для автомобиля в груженном состоянии:

Т = (1,2+0,6*1,1)/3,6 = 0,51.

Аналогично проводим расчёт для автомобиля в порожнем и груженном состоянии при мокром покрытии, и результаты расчётов сводим в таблицу 4.



Таблица 4 – Коэффициент перераспределения тормозных сил

Коэффициент перераспределения тормозных сил

Коэффициент сцепления шин с дорогой



Шеб покрытие сухое 0,6

Шеб покрытие мокрое 0,5

для автомобиля в порожнем состоянии

0,49

0,46

для автомобиля в груженном состоянии

0,51

0,48



На основании таблицы 5 строится график зависимости коэффициента перераспределения тормозных сил от коэффициента сцепления шин с дорогой Т = f() рисунок 6.




	Рисунок 6 – График зависимости коэффициента перераспределения тормозных сил от коэффициента сцепления шин с дорогой



Изменение коэффициента сцепления шин с дорогой способствует и изменению коэффициента перераспределения тормозных сил. Для асфальтобетонного и цементобетонного покрытий коэффициент перераспределения тормозных сил максимальный. Для порожнего автомобиля коэффициент перераспределения тормозных сил больше чем для автомобиля в груженом состоянии.



6. Расчёт оценочных параметров поперечной устойчивости автомобиля



Устойчивость автомобиля - способность автомобиля сохранять движение по заданной траектории, противодействуя силам, вызывающим его занос и опрокидывание в различных дорожных условиях при высоких скоростях движения. 

Различают следующие виды устойчивости: 

поперечная при прямолинейном движении (курсовая устойчивость). Ее нарушение проявляется в рыскании (изменении направления движения) автомобиля по дороге и может быть вызвано действием боковой силы ветра, разными величинами тяговых или тормозных сил на колесах левого или правого борта, их буксованием или скольжением, большим люфтом в рулевом управлении, неправильными углами установки колес и т.д.;

поперечная при криволинейном движении, нарушение которой приводит к заносу или опрокидыванию автомобиля под действием центробежной силы. Особенно ухудшает устойчивость повышение положения центра масс автомобиля (например, большая масса груза на съемном багажнике на крыше);

Критериями поперечной устойчивости являются максимально возможные скорости движения по окружности и углы поперечного уклона дороги (косогора). Поэтому поперечная устойчивость оценивается:

критической скоростью движения на кривой в плане, соответствующей началу заноса или скольжения автомобиля;

критической скоростью движения на кривой в плане, соответствующей началу опрокидывания;

критическим углом косогора, при котором возникает поперечное скольжение транспортного средства;

критическим углом косогора, соответствующим началу опрокидывания транспортного средства.

Расчёт критической скорости по условию опрокидывания порожнего и груженого автомобиля при разных радиусах поворота

Расчёт критической скорости по условию опрокидывания автомобиля определяется по формуле: 



(13)



где В – ширина колеи автомобиля, м; 

R – радиус поворота, м;

hцт – высота центра тяжести, м.

Для автомобиля в порожнем состоянии при радиусе поворота 100 м.:

Vкр.о. = = 29,7 м/с.

Аналогично проводим расчёт для значений R = 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 м для автомобиля в порожнем и груженом состоянии и результаты расчётов сводим в таблицу 5.



Таблица 5 - Критическая скорость по условию опрокидывания

Критическая скорость по условию опрокидывания, м/с

Радиус поворота, м

для автомобиля в порожнем состоянии

29,7

42

51,4

59,4

66,4

72,7

78,6

84

89,1

93,9

в груженном состоянии

28,3

40

49

56,6

63,3

69,4

74,9

80

84,9

89,5



На основании таблицы 5 строится график зависимости критической скорости по условию опрокидывания от радиуса поворота Vкр.о. = f(R) рисунок 7.





Рисунок 7 – График зависимости критической скорости по условию опрокидывания от радиуса поворота


При увеличении радиуса поворота критическая скорость по условию опрокидывания также увеличивается. Для порожнего автомобиля критическая скорость по условию опрокидывания больше чем для автомобиля в груженом состоянии.

Расчёт критической скорости по условию скольжения автомобиля

Расчёт критической скорости по условию скольжения автомобиля при разных радиусах поворота на дорогах с разным покрытием находится по формуле:



,(14)



При радиусе поворота 100 м для щебеночного сухого покрытия:

Vкр.с. = = 24 м/с.

Аналогично проводим расчёт для значений R = 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 м для всех типов покрытий, и результаты расчётов сводим в таблицу 6.



Таблица 6 – Критическая скорость по условию скольжения

Критическая скорость по условию скольжения (м/с) при радиусе поворота, м:

Коэффициент сцепления шин с дорогой



Щеб. дорога сухое 0,6

Щеб. дорога мокрое 0,5

100

24

22

200

34

31

300

42

38

400

48

44

500

54

49

600

59

54

700

64

58

800

69

62

900

73

66

1000

77

70


На основании таблицы 6 строится график зависимости критической скорости по условию скольжения от радиуса поворота Vкр.с. = f(R) рисунок 8.





Рисунок 8 - График зависимости критической скорости по условию скольжения от радиуса поворота



При увеличении радиуса поворота критическая скорость по условию скольжения также увеличивается. Тип покрытия также влияет на критическую скорость по условию скольжения: на асфальтобетонном сухом покрытии критическая скорость больше чем при гололеде. 

Расчёт критического угла по условию опрокидывания порожнего и груженого автомобиля

Критический угол по условию опрокидывания определяется по формуле:



, (15)



где В/hц.т.- коэффициент поперечной устойчивости.

Для порожнего автомобиля:

кр.о. = аrctg(1.8/2*1) = 71º

Для груженого автомобиля:

кр.о. = аrctg(1.8/2*1,1) = 75º

Расчёт критического угла по условию скольжения автомобиля на дорогах с разным покрытием

Критический угол по условию скольжения рассчитывается по формуле:



.(16)



Для щебеночного сухого покрытия:

кр.с. = arctg0,6=54º

Аналогично проводим расчёт для грунтового мокрого покрытия, и результаты расчётов сводим в таблицу 7.



Таблица 7 – Критический угол по условию скольжения

Критический угол по условию скольжения, º

Коэффициент сцепления шин с дорогой



щебеночное сухое 0,6

щебеночное мокрое 0,5



54

46



На основании таблицы 8 строится график зависимости критического угла по условию скольжения от коэффициента сцепления шин с дорогой кр.с. = f() рисунок 9




Рисунок 9 - График зависимости критического угла по условию скольжения от коэффициента сцепления шин с дорогой



При изменении коэффициента сцепления шин с дорогой критический угол по условию скольжения также изменяется. Для асфальтобетонного и цементобетонного покрытий критический угол по условию скольжения минимальный, а при гололёде максимальный.

Коэффициент поперечной устойчивости

Потеря устойчивости по опрокидыванию более опасна, чем по боковому скольжению. Для предотвращения опрокидывания необходимо выполнения следующего условия, 



(17)



или



(18)



Нормативными документами НАМИ установлены нормы для автотранспортных средств различных категорий по определению критического угла по условию опрокидывания βкр.о. при неподвижном автомобиле.

 при 0,551;

 при >1.

Т.к. п.ц.=B/2hц.т.=0,9<1 поэтому 

Минимально допустимое значение кр.о. для порожнего автомобиля:

кр.о. = 42.4*0.9-2.4º=35º.

Для груженого:

кр.о. =42,4*0,81-2,4º=32º

Поэтому максимальная высота центра тяжести автомобиля hц.т. при обеспечении минимально допустимого значения кр.о. для порожнего автомобиля:

hц.т. = 1,8/2*tg35º=0,42;

Для груженного:

hц.т. =1,8/2*tg32º=0.59

Значение коэффициента,  при котором не будет опрокидывания для порожнего автомобиля:

=1,8/2*0.42=2.15

Для груженого:

=1,8/2*0.59=1.5



7. Расчёт оценочного параметра продольной устойчивости



Под продольной устойчивостью понимается возможность преодоления уклона без пробуксовывания ведущих колес, так как у имеющих низкое расположение центра тяжести современных автомобилей опрокидывание в продольной плоскости маловероятно. Критерием оценки продольной устойчивости служит максимальный уклон подъема, преодолеваемый с постоянной скоростью без пробуксовывания ведущих колес.

Критический угол подъема в значительной мере зависит от значения коэффициента сцепления . 

Расчёт оценочного параметра продольной устойчивости (критического угла подъёма) определяется по формуле:



,(19)



где а - расстояние от центра тяжести автомобиля до его передней оси, м;

L – база автомобиля, м. 

Для порожнего автомобиля, для щебеночного сухого покрытия:

 = arctg(2,4*0,6/(3,6-1*0,6))=44º.

Аналогично проводим расчёт для автомобиля в порожнем и груженом состоянии при различных значениях коэффициентов , и результаты расчётов сводим в таблицу 8.



Таблица 8 – Критический угол подъема 

Критический угол подьема, º

Коэфициент сцепления шин с дорогой



щеб.покрытие сухое 0,6

щеб.покрытие мокрое 0,5

без нагрузки

44

37

с полной нагрузкой

45

39



На основании таблицы 8 строится график зависимости критического угла подъёма от коэффициента сцепления шин с дорогой = f() рисунок 10.




Рисунок 10 - График зависимости критического угла подъёма от коэффициента сцепления шин с дорогой



Изменение коэффициента сцепления шин с дорогой способствует и изменению критического угла подъёма. Для асфальтобетонного и цементобетонного покрытий критический угол подъёма минимальный, а при гололёде максимальный. Для порожнего автомобиля критический угол подъёма больше чем для автомобиля в груженом состоянии, однако для укатанного снега и обледенелой дороги критический угол подъёма для автомобиля в груженом состоянии больше чем для автомобиля в порожнем состоянии.



8. Расчёт критической скорости по условию управляемости



Управляемость транспортного средства - способность сохранять или изменять траекторию движения, заданную водителем, позволять управление при наименьших затратах механической и физической энергии. Управляемость требует выполнения следующих требований:

качение управляемых колес автомобиля при криволинейном движении должно происходить без бокового скольжения;

углы поворотов управляемых колес должны иметь необходимое соотношение;

должна быть обеспечена стабилизация управляемых колес;

должны быть исключены произвольные колебания управляемых колес;

углы увода передней и задней осей должны иметь определенное соотношение.

Критическая скорость по условиям управляемости - максимальная скорость криволинейного движения без поперечного проскальзывания управляемых колес. При достижении такой критической скорости движения при повороте, управляемые колеса проскальзывают, и увеличение угла поворота управляемых колес не меняет траекторию движения автомобиля. Для каждого угла поворота есть свое критическое значение скорости. При этом с увеличением угла поворота значение критической скорости уменьшается. При незначительном коэффициенте сцепления (сырое загрязненное покрытие, гололед) значение критической скорости существенно снижается. Автомобили, имеющие большую базу по длине, по этому показателю имеют лучшую управляемость.

Критическая скорость по условию управляемости находиться по формуле:



,(20)



где  - угол поворота управляемых колёс.

Для грунтового сухого покрытия при =20º:

Vупр ==5.8 м/с

Аналогично проводим расчёт для значений =20º; 40º; для мокрого покрытия, и результаты расчётов сводим в таблицу 9.


Таблица 9 - Критическая скорость по условию управляемости

Критическая скорость по условию управляемости (м/с) при угле поворота управляемых колёс,º

Коэффициент сцепления шин с дорогой



Щебеноч. дорога сухое 0,6

Щебеноч. дорога мокрое 0,5

20

5.8

4.9

40

3.45

2.7



На основании таблицы 10 строится график зависимости критической скорости по условию управляемости от коэффициента сцепления шин с дорогой Vупр = f() рисунок 11.





Рисунок 11 - График зависимости критической скорости по условию управляемости от коэффициента сцепления шин с дорогой



При увеличении угла поворота управляемых колёс критическая скорость по условию управляемости падает. Тип покрытия также влияет на критическую скорость по условию управляемости: на асфальтобетонном сухом покрытии критическая скорость больше чем при гололеде. 


Список литературы



Афанасьев Л.Л., Дьяков А.Б., Иларионов В.А. Конструктивная безопасность автомобилей. – М.: Иашиностроение,1983. – 212 с.

Иларионов В.А. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий. Учеб. для вузов. - М.: Транспорт, 1989. - 225 с.

Коноплянко В.И. Организация и безопасность дорожного движения. М.: Транспорт, 1993. - 183 с.

Основы обеспечения безопасности дорожного движения. / Под редакцией В.А. Печкина. – Иркутск: ИрГТУ, 1999. – 138 с.