СИСТЕМА ПО УСТРАНЕНИЮ АКВАПЛАНИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Изделие относится к средствам для увеличения силы сцепления колес с поверхностью дороги, предназначено для устранения эффекта аквапланирования автомобиля, при котором одно или несколько колес автомобиля теряют сцепление с дорогой вследствие образования водяной прослойки между колесом и поверхностью дороги.
Известно устройство, описанное в патенте US 4063606 1977 года, автор MAKINSON RUTH G. В данном устройстве применен принцип удаления слоя воды с поверхности дороги непосредственно перед колесами автомобиля с использованием сжатого воздуха. Для этой цели автор предлагает использовать источник сжатого воздуха, в частности, воздушный компрессор, от которого по шлангам воздух подается к соплам, расположенным перед колесами автомобиля. Сопла формируют воздушный поток, который направлен и воздействует на слой воды на поверхности дороги перед колесами. В результате вода удаляется частично либо почти полностью из области дорожного покрытия непосредственно перед тем, как эта область окажется в пятне контакта с колесом автомобиля. Таким образом, фактически устраняются условия, необходимые для развития аквапланирования (при почти полном удалении воды из будущего пятна контакта) либо скорость начала аквапланирования отодвигается в область более высоких значений (при частичном удалении воды).
В данном устройстве автор учитывает необходимость смещения потока воздуха при повороте колеса, однако предложенная им схема расположения сопла на поворотном рычаге непосредственно перед колесом автомобиля является недостатком данного устройства. Эта схема неприменима для современных автомобилей вследствие необходимости значительного увеличения зазора между колесом и колесной аркой для реализации поворота колеса при различных ходах подвески, а также вследствие набивания в колесной нише грязе-снежной массы в период осень-зима-весна.
Вторым недостатком является подача потока воздуха только перед передними колесами автомобиля. Аквапланирование автомобиля может начаться не только на передних, но и независимо от этого, на одном либо обоих задних колесах. Это может происходить, например, при прохождении автомобилем поворотов либо объезде препятствия.
Основным недостатком данного устройства является подача сжатого воздуха через шланги к соплам, расположенным перед колесами автомобиля, непосредственно от компрессора. Хотя данное исполнение устройства автор указывает как частное в зависимом пункте формулы, на чертежах автора везде изображен именно такой вариант. При этом компрессор должен постоянно работать, в противном случае, он не сможет вовремя создать требуемые параметры потока воздуха на срезе сопла (под срезом сопла здесь и далее подразумевается такое сечение сопла, после которого воздушный поток течет, не касаясь стенок сопла, либо уже вне сопла). Необходимо пояснить это. Аквапланирование на современных автомобилях развивается на скоростях, обычно превышающих 60…80 км/ч. Уже при скорости 72 км/ч автомобиль проходит в секунду 20 метров. Чтобы предотвратить полную потерю управления, а также опасные занос задней оси и снос передней оси автомобиля необходимо, чтобы автомобиль проехал в режиме аквапланирования как можно меньшее расстояние (желательно не более 1…2 метров). Это означает, что от подачи сигнала на включение компрессора до создания им на срезе сопла потока воздуха с рабочими параметрами должно проходить не более ОД секунды. Обеспечить такое время при необходимых параметрах давления и расхода воздуха, а также при применимых для автомобиля массо-габаритных показателях компрессора на современном уровне развития компрессорной техники невозможно. В случае если компрессор включен постоянно, он создает дополнительный шум, а также увеличивает расход топлива либо энергии аккумуляторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе по устранению аквапланирования автомобиля является устройство, описанное в патенте ЕР 2058141 2009 года, автор POZZI MARCO. Данное устройство взято за прототип.
В устройстве, предлагаемом этим автором, также используется принцип удаления потоком газа (воздуха) слоя воды с поверхности дороги непосредственно перед колесами автомобиля.
По сравнению с вышеописанным аналогом данное устройство в составе источника сжатого воздуха уже содержит накопительную емкость, наполняемую компрессором, а управляемый клапан регулирует подачу воздуха из накопительной емкости в пневматическую магистраль системы. Этим автор существенно увеличивает быстродействие всей системы, приближая его к практически применимому уровню. Тем не менее, стоит отметить, что данная система содержит один управляемый клапан, который расположен рядом с накопительной емкостью перед воздушным распределителем. Это означает, что после открытия этого клапана сжатый воздух будет сначала заполнять всю воздушную магистраль между клапаном и соплами, прежде чем начнет выходить из сопел. Это потребует дополнительного времени, а как показано выше при описании аналога, для эффективной работы подобной системы необходимо добиться минимального времени реакции системы, которое определяется как промежуток времени между моментом начала аквапланирования на каком-либо колесе и моментом начала подачи потока воздуха с рабочими параметрами перед этим колесом. Эту конструктивную особенность следует отнести к первому недостатку данного устройства.
Ко второму недостатку следует отнести то, что автор обошел стороной какие-либо меры, направленные на защиту находящихся перед колесами сопел от грязи и наледи. Поскольку автомобили по всему миру ездят не в идеальных условиях, нужно учесть два очень важных фактора, а именно:
1. из-под колес автомобиля часто летит не чистая, а грязная вода, которая при высыхании со временем образует грязевую корку, которая, оседая на соплах, может затруднять либо вовсе блокировать воздушных поток, выходящий из сопел;
2. подавляющее число всех автомобилей мира ездит в климатических условиях, когда температура окружающего воздуха некоторое время находится вблизи 0°C, что может вызывать образование наледи на соплах, которая в свою очередь может затруднять либо вовсе блокировать воздушных поток, выходящий из сопел.
Таким образом, без адекватных мер, противодействующих вышеописанным факторам окружающей среды, сопла могут оказаться частично либо полностью блокированными, что снизит эффективность либо вовсе выведет систему из строя. Следует отметить, что наиболее простым и в то же время весьма надежным решением по противодействию наледи будет применение подогреваемых сопел. Подобная практика хорошо себя зарекомендовала на примере подогреваемых форсунок омывателя лобового стекла.
Третьим недостатком данного устройства является то, что в нем проигнорирована необходимость учета поворота управляемых колес автомобиля (у весьма малого числа автомобилей управляемыми колесами являются не только передние, но и одновременно с ними - задние). Наибольшую опасность аквапланирование автомобиля представляет при прохождении поворотов, когда боковые силы, действующие на автомобиль, значительны и поддержание курсовой устойчивости и управляемости наиболее важно. Когда управляемые колеса автомобиля поворачиваются, а сопла остается в прежнем положении, эффективность воздействия потока воздуха на слой воды непосредственно перед пятном контакта таких колес снижается, и при этом возрастает риск развития аквапланирования.
Важно подчеркнуть, что наличие системы курсовой устойчивости в автомобиле, конечно, помогает при аквапланировании, но эта система не способна в полной мере обезопасить автомобиль, поскольку она действует по принципу притормаживания отдельных колес автомобиля, а при аквапланировании колесо, которое необходимо притормозить, может в данный момент не иметь контакта с дорогой.
Принцип работы заявляемой системы по устранению аквапланирования автомобиля, в общем, схож с принципом работы вышеописанных аналога и прототипа. Однако благодаря применению новых элементов, а также изменению конструктивного исполнения некоторых элементов системы, качественные параметры работы заявляемой системы существенно улучшены по сравнению с прототипом. В частности, в ней устранены все обнаруженные недостатки аналога и прототипа, а также добавлен новый функционал: электронное управление, возможность подстройки под дорожные условия, защита от грязи и наледи вкупе с возможностью самоочистки.
Алгоритм работы заявляемой системы можно описать следующим образом. После включения зажигания, электронный блок управления переводит заявляемую систему из выключенного состояния в режим ожидания, при котором он, протестировав систему на исправность, ожидает, пока скорость автомобиля не превысит установленного значения. После достижения этой скорости, электронный блок управления переводит заявляемую систему в режим готовности, при котором он, получая сигналы от доступных датчиков, постоянно анализирует эту информацию в соответствии со встроенной программой. Когда на основе поступившей информации электронный блок управления делает вывод о возникновении аквапланирования на каком-либо колесе, он незамедлительно переводит заявляемую систему в активный режим и направляет набор управляющих команд на исполнительные механизмы заявляемой системы для формирования потока воздуха перед этим колесом. При этом учитывается изменение положения автомобиля в пространстве (его скорость и ускорение) и положение рулевого колеса. Когда по сигналам от доступных датчиков электронный блок управления сделает вывод о том, что аквапланирование успешно устранено, он в соответствии со встроенной программой прекращает подачу воздуха к этому колесу. Если при этом аквапланирование ни на одном из колес автомобиля не обнаружено, то электронный блок управления переводит заявляемую систему обратно в режим готовности. Для увеличения точности распознавания аквапланирования электронный блок управления может быть снабжен дополнительными датчиками.
Схема заявляемой системы по устранению аквапланирования автомобиля представлена на фигуре 1, где: 1 - компрессор, 2 - накопительная емкость для сжатого воздуха, 3 - предохранительный клапан, 4 - датчик давления, 5 - основной клапан, 6 - распределитель потоков сжатого воздуха, 7 - электронный блок управления, 8 - воздушные трубопроводы, 9 - индивидуальный клапан, 10 - сопло либо блок подвижных сопел, 11 - электрические кабели (обозначены пунктиром), 12 - входящие сигналы от датчиков.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая система по устранению аквапланирования автомобиля, является надежная защита автомобиля от негативных факторов аквапланирования, таких как полная потеря управления, занос задней оси, снос передней оси.
Поставленная цель достигается:
- использованием в составе заявляемой системы по устранению аквапланирования автомобиля новых элементов: электронного блока управления и индивидуальных клапанов, расположенных в пневматическом тракте перед соответствующими соплами. В этом случае при переходе системы из режима готовности в активный режим время будет требоваться в основном только на открытие индивидуальных клапанов, поскольку вся воздушная магистраль от накопительной емкости до индивидуальных клапанов уже находится под давлением. Эти меры вкупе позволяют существенно уменьшить время реакции системы, а это, как показано выше, критически важный параметр;
- возможностью перемещения сопел для подачи потоков воздуха перед управляемыми колесами автомобиля для учета поворота этих колес;
- расположением сопел в оптимальном месте перед колесом, у нижнего края передней части колесной ниши. Схема расположения представлена на фигуре 2, где: 1 - колесная ниша переднего колеса, 2 - колесная ниша заднего колеса, 3 - месторасположение сопел либо блоков подвижных сопел (подробнее о блоках подвижных сопел см. стр.9 данного описания), 4 - колесо автомобиля. При этом учитывается баланс таких показателей как: расстояние от среза сопла до поверхности дороги, угол наклона сопла к поверхности дороги, пассивная защита от механических повреждений и летящей из-под колес грязи, минимальное вмешательство в конструкцию автомобиля;
- использованием грязеотталкивающего покрытия сопел, что позволяет значительно снизить риск образования наледи и грязевых корок на соплах;
- использованием в составе источника сжатого воздуха подсистемы осушки сжатого воздуха. Следует обратить внимание, что осушка воздуха в пневматической технике, в частности, в источниках сжатого воздуха, давно известна и широко используется, однако в общедоступных источниках информации нет упоминания о ее необходимости и ее использовании в системах, аналогичных заявляемой. Это очень существенный аспект, поскольку влага вызывает коррозию, но что самое главное, при температурах окружающего воздуха близких к 0°C и ниже, влага в пневматическом тракте системы будет замерзать, что может уменьшить сечение воздушных магистралей и даже заблокировать их (в частности, клапаны). Кроме того, осенью, например, часто идет дождь, а к вечеру температура падает ниже 0°C. Если при езде в дождь заявляемая система переходила в активный режим, то она будет восполнять потери воздуха в накопительной емкости непосредственно в дождливую погоду, когда влажность окружающего воздуха очень высока. Это означает, что даже при относительно невысоких давлениях сжатия, в компрессоре и накопительной емкости будет выделяться влага, которая рискует замерзнуть при понижении температуры окружающего воздуха, что может привести к затруднениям работы системы либо вообще к ее отказу. Для предотвращения подобных ситуаций, источник сжатого воздуха заявляемой системы содержит подсистему осушки воздуха.
Различные варианты конструктивного исполнения заявляемой системы по устранению аквапланирования автомобиля позволяют реализовать дополнительные возможности по увеличению эффективности и надежности этой системы. Ниже указаны наиболее важные из возможных улучшений.
1. Специальная форма воздушного потока. Из гидродинамики хорошо известно, что сопротивление среды при обтекании препятствия при прочих равных условиях существенно зависит от формы препятствия. Именно поэтому все быстроходные лодки имеют вытянутую форму и остроконечный нос. Соответственно, если для сдувания слоя воды перед колесом используется классическое круглое сопло с круглым поперечным сечением среза, то оно формирует на поверхности дороги близкое к круглому воздушное пятно. Его существенным недостатком является неэффективность расходования кинетической энергии воздушной струи для удаления воды из будущего пятна контакта, поскольку значительная часть этой энергии идет на формирование обратной волны в слое воды перед воздушным пятном. В результате образования обратной волны, толщина водяного слоя перед воздушным пятном увеличивается. Это может привести к лавинообразному росту толщины водяного слоя и прорыву воды сквозь воздушный поток. Соответственно, для исключения этой возможности и увеличения общей эффективности нужно приблизить форму пятна к наиболее оптимальной, при которой обратная волна будет минимальна либо отсутствовать, и вода будет вытесняться только в стороны. Такой формой является треугольник либо близкая к нему, например, форма классического бумеранга. В этом случае обратная волна практически отсутствует, а вся энергия воздушной струи используется для удаления слоя воды в стороны от колеса.
2. Использование блока подвижных сопел вместо одиночного сопла. Как было показано выше, форма воздушного потока сильно влияет на эффективность удаления слоя воды. Создание воздушных потоков, по форме напоминающих треугольник, возможно как с помощью одиночного сопла с особой формой, так с помощью нескольких близко расположенных сопел, причем даже с классической круглой формой. Также дополнительная подвижность сопел позволяет им подстраиваться под дорожную ситуацию, в частности, не только отклоняться в сторону поворота управляемых колес, но и подстраивать свое положение для учета скорости и ускорения движения автомобиля. Последнее одинаково справедливо и эффективно как для блока подвижных сопел, так и для одиночного сопла.
3. Защитные шторки. Кроме грязеотталкивающего покрытия для защиты внутренней части сопел от грязи и наледи могут дополнительно применяться защитные шторки. Во всех режимах, кроме активного, шторки закрывают внутренние части сопел, таким образом, ни вода, ни грязь, ни пыль, ни песок не могут попасть внутрь. При переходе системы в активный режим шторки открываются и закрываются совместно с индивидуальным клапаном. Естественно, для уменьшения вероятности блокировки шторок грязевой коркой либо наледью, шторки также имеют грязеотталкивающее покрытие.
4. Модуль ультразвуковой очистки. Когда автомобиль ездит в условиях грязных дорог либо когда днем температура окружающего воздуха выше 0°C, а ночью ниже, и при этом система длительное время не используется в активном режиме, даже с грязеотталкивающим покрытием сопел и шторками возможно образование грязевых корок и наледи, в частности, берущих начало с соседних деталей автомобиля. Для решения данной проблемы на каждом сопле или блоке подвижных сопел может быть установлен модуль ультразвуковой очистки, который продуцирует высокочастотные колебания, разрушающие загрязнения в виде грязевых корок и наледи. Таким образом, эффективность и надежность системы сохраняются даже в самых суровых для данной системы условиях эксплуатации.
5. Эффект Котоусова. Оригинальная статья опубликована в Журнале технической физики, 2005, том 75, выпуск 9, страница 8, автор Л.С. Котоусов. Статья посвящена изучению параметров водяных струй после истечения из сопел с различной геометрией. Автор обнаружил и исследовал новый гидродинамический эффект, при котором происходит передача внутренней энергии из окружающего воздуха в вытекающую струю, которая при этом приобретает дополнительную кинетическую энергию. Л.С. Котоусов провел аналогичные эксперименты, в которых вместо воды использовался воздух, т.е. воздушная струя вытекала в атмосферу. Автор отмечает, что передача струе энергии в этом случае идет с меньшей эффективностью, но, тем не менее, возможно получить прирост более 30% энергии. Изменение конфигурации сопел в заявляемой системе для эффективного использования этого явления позволит снизить давление и расход воздуха из накопительной емкости при одинаковых показателях эффективности удаления слоя воды с поверхности дороги. Благодаря этому можно будет использовать меньшее давление в пневматическом тракте, и применять менее производительный компрессор.
Нужно отметить, что при движении по дорогам общего пользования из-под колес нередко могут лететь песок и гравий, способные оказывать абразивное действие на поверхность сопел, а при парковке возможно задеть бордюрным камнем за нижние части сопел либо шторок, если расположить их значительно выступающими за пределы кузова автомобиля. Поэтому выбранное в заявляемой системе месторасположение как одиночных сопел, так и блоков подвижных сопел, является оптимальным, в том числе, и по показателям пассивной защиты. Кроме того, возможно использовать штатные детали автомобиля, например, пластиковые подкрылки, для улучшения пассивной защиты.
Таким образом, заявляемая система для устранения аквапланирования автомобиля имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом. В частности, в ней улучшены показатели быстродействия, эффективности и надежности.
Проведя анализ уровня техники по научно-техническим источникам информации, заявитель не обнаружили аналог с признаками, идентичными существенным признакам заявляемой полезной модели.
Выбранный прототип изделия позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом изделии, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель «Система для устранения аквапланирования автомобиля» соответствует критерию новизны.
Критерий промышленной применимости заявленной полезной модели «Система для устранения аквапланирования автомобиля» подтверждается тем, что данное изделие не нарушает ни один из принципов функционирования конструктивных элементов и устройств, входящих в его состав, и открывает новые возможности для сохранения курсовой устойчивости и управляемости автомобиля, тем самым сокращая число дорожных аварий.