Устройство для повышения безопасности конструкции автобуса при опрокидывании

УДК 629.3.02

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИИ АВТОБУСА ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ

© 2012 г. Б.Ю. Калмыков, И.Ю. Высоцкий, Н.А. Овчинников

Южно-Российский государственный университет South-Russian State University

экономики и сервиса, г. Шахты of the Economy and Service, Shahty

Предложен способ определения общей энергии удара автобуса при опрокидывании для условий Правил ЕЭК ООН №66, предназначенных для сертификации пассажирских автотранспортных средств категории М3. Предлагаются скорректированные формулы для расчета высоты падения центра тяжести автобуса.

Ключевые слова: автобус; безопасность конструкции; прочность; деформация; центр масс; энергия.

The authors propose a method for determining the total impact energy of a bus rollover to the conditions of the Rules of the United Nations Economic Commission for Europe № 66 (UNECE) intended for the certification of passenger motor vehicles of category M3. Propose an adjustment to the formula for calculating the height of the fall of the center of gravity of the bus.

Keywords: the bus; safety of bus construction; strength; deformation; a centre of mass; energy.

Безопасность пассажирского автотранспорта является одним из важнейших условий сохранения жизни и здоровья пассажиров и водителя. Особое внимание следует уделять проектированию и разработке конструкций автобусов, обеспечивающих максимальную безопасность движения.

По уровню риска пассажиров и водителей, который определяется отношением числа пострадавших на 10 тыс. транспортных средств, автобусный транспорт является наиболее опасным. Количество ДТП на 10 тыс. единиц транспортных средств при перевозке пассажиров автобусами составило 31,4, в целом же на автомобильном транспорте в Российской Федерации этот показатель равен 25,6 [1].

Статистические данные по общему количеству ДТП и по ДТП с участием автобусов за период 20042010 гг. приведены в табл. 1. Из приведенных данных видно, что ДТП с участием автобусов составляет 5,5 -

6 % от общего количества ДТП.

Из них по видам ДТП особо выделяется опрокидывание, во время которого происходит снижение объема условного остаточного (жизненного) пространства пассажирского салона. Усугубляет этот процесс очень короткий промежуток времени от 3 -

7 с. В результате число жертв ДТП возрастает.

Для снижения этого показателя выдвигаются требования к конструкции автобуса. Например, в США технические требования к школьным автобусам следующие: наличие продублированного тормоза, дополнительного аккумулятора, буксирной штанги, запасного выхода, внешней световой сигнализации (специальный проблесковый маячок, работающий при движении автобуса по школьному маршруту) и маркировки (катафоты), откидного освещаемого знака «STOP» для остановок, трапа для инвалидного кресла, ремней безопасности, системы видеонаблюдения. Конструкция автобуса снабжена дополнительными рамами жесткости - автобус не сомнется даже при сильном ударе, а его остекление типа триплекс не вылетит. Правила дорожного движения дают наивысший приоритет школьным автобусам. Водители других машин должны остановиться не менее чем за 6 м до ведущего погрузку/выгрузку детей автобуса при движении в попутном направлении и не менее чем за 15 м - при движении навстречу. По статистике, школьные автобусы в США - самый безопасный вид транспорта. Аварии с их участием, повлекшие жертвы, случаются в сто раз реже, чем с обычным автотранспортом.

Таблица 1

Статистические данные по ДТП за 2004 - 2010 гг.

Показатель 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Общее 208558 223342 229140 233809 218322 203618 199431

С участием автобусов 12306 13226 13840 13397 12662 11418 11468

Удельный вес, % 5,9 5,9 6 5,7 5,8 5,6 5,7

Для оценки качества изготовления и безопасности конструкции автотранспортных средств в России действует технический регламент «О безопасности колесных транспортных средств» [2].

Согласно техническому регламенту конструкция транспортного средства с учетом его категории и назначения должна обеспечивать в том числе и «минимизацию травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей и возможность их эвакуации после дорожно-транспортного происшествия».

В отношении автобусов в техническом регламенте сформулированы требования, предъявляемые к конструкции, для обеспечения «минимизации травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей и возможность их эвакуации после дорожно-транспортного происшествия» (табл. 2).

Контроль прочности конструкции кузова новых автобусов обеспечивается при сертификационных испытаниях по Правилам ЕЭК ООН № 66 [3]. Согласно указанным нормативным правилам, каждый тип транспортных средств категории М3 классов II и III подвергается проверке в соответствии с одним из выбранных заводом-изготовителем либо соответствующим компетентным органом методом:

- испытанию на опрокидывание комплектного транспортного средства;

- испытанию на опрокидывание секции или секций кузова, типичных для всего транспортного средства;

- испытанию на маятниковом копре секции или секций кузова;

- проверке прочности верхней части конструкции кузова посредством расчетов.

Автобус соответствует требованиям Правил ЕЭК ООН № 66, если его кузов имеет достаточную прочность для того, чтобы во время и после его испытаний или расчетов удовлетворялись следующие условия:

- ни один из сместившихся элементов кузова не заходил в остаточное пространство;

- ни одна из частей остаточного пространства не выступала за пределы кузова.

Расчет прочности кузова автобуса основывается на определении общей энергии удара при его опрокидывании Е , Дж. Формула для ее расчета приведена в приложении 5 Правил ЕЭК ООН № 66. При этом используются следующие допущения:

- поперечное сечение кузова четырехугольное;

- система подвески жестко закреплена;

- движение кузова представляет собой чистое вращение вокруг оси опрокидывания.

Если высота падения центра тяжести h, м (рис. 1) определяется графическим методом, то энергия удара Е , Дж, рассчитывается по следующей формуле:

E* = 0,75 Mgh ,

где М - полная масса транспортного средства, кг; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; 0,75 -коэффициент, учитывающий массу автобуса, влияющую на энергию удара.

Кроме того, энергия удара может быть определена по формуле:

( Г Г^--Л

E* = 0,75Mg

2H

+ 0,8-

H

H

/

где Ж - общая ширина транспортного средства, м; Н3 - высота центра тяжести транспортного средства, м; Н - высота транспортного средства, м; 0,8 - минимальное значение высоты опрокидывающей платформы, м.

К недостаткам метода проверки прочности верхней части конструкции кузова посредством расчетов можно отнести:

1) отсутствие процедуры выбора в определении значения высоты опрокидывающей платформы, а также не оговорено, как изменится расчетная формула (2) определения общей энергии удара Е при значении высоты опрокидывающей платформы более 0,8 м;

2) отсутствие формулы для определения высоты падения центра тяжести h, м, для автобуса, оснащенного антиопрокидывающим узлом, и, как следствие, отсутствие метода проверки прочности верхней части конструкции кузова на прочность посредством расчетов.

Таблица 2

Требования, предъявляемые к конструкции автобуса

№ п/п Элементы объектов технического регулирования, в отношении которых установлены требования безопасности Наименование и происхождение документа, подтверждающего соответствие

1 Места крепления ремней безопасности Правила ЕЭК ООН № 14-06, включая дополнение 1

2 Требования к ремням безопасности и оснащению удерживающими системами Правила ЕЭК ООН № 16-04, включая дополнения 1 - 7

3 Сидения автобусов, прочность сидений и их креплений Правила ЕЭК ООН № 80-01, включая дополнение 2

4 Прочность верхней части конструкции пассажирских транспортных средств Правила ЕЭК ООН № 66-00, включая пересмотр 1

5 Безопасные стекла Правила ЕЭК ООН № 43-00, включая дополнение 8

Существующая формула для расчета высоты падения центра тяжести не учитывает отличные от прямоугольного поперечного сечения конструкции кузовов автобусов, в частности формула, приведенная в Правилах ЕЭК ООН № 66, не учитывает выступающих частей антиопрокидывающего узла.

Ниже приведем расчетные формулы, учитывающие первый и второй недостатки.

Используя рис. 1, можно определить высоту падения центра тяжести транспортного средства из равенства:

г + к0 = к + х,

где г - расстояние от общего центра тяжести до внешней стороны колеса, отрезок BG, м; к0 - высота опрокидывающей платформы для случая, когда к0 > 0,8, на рис. 1 - отрезок GF, м; х - расстояние от центра тяжести в момент удара до поверхности, отрезок ВС, м.

Из равенства (3) можно определить искомую величину к:

к = г + к0 - х.

Определив составляющие г и х и подставив их в выражение (4), получим искомую величину к:

После определения высоты падения центра тяжести по формуле (5) подставим полученное значение к в формулу (1) и определим общую энергию удара автобуса при опрокидывании:

Как видно из выражения (1), снизить энергию удара Е возможно за счет уменьшения массы автобуса, ускорения свободного падения или высоты падения центра тяжести. Наиболее перспективным на данный момент является уменьшение высоты падения центра тяжести автобуса. Для этого воспользуемся устройством для предотвращения опрокидывания транспортного средства [4]. Принцип действия устройства состоит в следующем. В процессе эксплуатации автобуса 1 (рис. 2) текущее значение угла крена кузова определяется датчиком углового положения (крена). В том случае, если текущее значение угла крена кузова станет равным или превысит на малую величину критическое значения угла косогора, блок управления подключит источник тока к пиропатрону газогенератора. Пиропатрон активизируется и поджигает горючее вещество, содержащееся в газогенераторе. Образующийся газ поступает в пневмоцилиндр, воздействует на поршень, закрепленный на штоке 2, и выталкивает его вместе с закрепленным на другом его конце упором 3. При достижении поршня крайнего положения он неподвижно фиксируется с помощью пружинных фиксаторов. Автобус продолжает изменять свое положение относительно продольной оси до соприкосновения упора 3 с опорной поверхностью колес 4.

Рис. 1. Схема для определения высоты падения центра тяжести

Необходимо учесть, что конструкция предлагаемого устройства, во-первых, не доведена до совершенства и авторы продолжают работу над ним. Во-вторых, область применения этого устройства ограничена скоростью движения автобуса в момент опрокидывания. Наиболее эффективным применением устройства для предотвращения опрокидывания на крышу кузова автобуса является смешанный вид ДТП, начинающийся как столкновение, а заканчивающийся как опрокидывание. При таких ДТП конечная фаза столкновения автобуса с другим транспортным средством характеризуется резким снижением скорости его поступательного движения, таким образом, опрокидывание автобуса происходит с небольшой скорости, которая является допустимой для предлагаемой конструкции устройства.

Примером подобного ДТП является авария, произошедшая 13 мая 2012 г. на автодороге между Пятигорском и Ессентуками в Ставропольском крае. Автобус ПАЗ, который перевозил детей, во время обгона едущего впереди него автобуса МАН столкнулся с ним по касательной и опрокинулся в кювет. В результате ДТП погибли четыре человека - два ребенка и две женщины. Еще 17 человек пострадали.

Рассмотрим далее схему опрокидывания автобуса по Правилам № 66 (рис. 1) и сравним ее с опрокидыванием автобуса, оснащенного антиопрокидывающим узлом (рис. 2). Отличие в представленных схемах будет заключаться в наличии на транспортном средстве конструктивных элементов - штока 2 с упором 3, изменяющих высоту падения центра тяжести.

фикационных испытаний автобусов введением функционального способа определения высоты падения центра тяжести.

С учетом предлагаемых изменений схема опрокидывания по Правилам ЕЭК ООН № 66 для автобуса, оснащенного и неоснащенного антиопрокидывающим узлом, будет выглядеть следующим образом (рис. 3). При изменении начального положения автобуса изменится формула для расчета высоты падения его центра тяжести.

Ч*

Рис. 3. Определение высоты падения центра тяжести автобуса для расчета энергии удара по Правилам № 66: ^ -высота падения центра тяжести автобуса, оснащенного антиопрокидывающим узлом; ^ - высота падения центра тяжести автобуса, неоснащенного тиопрокидывающим узлом

На рис. 4 представлена схема для определения высоты падения к, центра тяжести автобуса.

Рис. 2. Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства: 1 - автобус в исходном положении; 2 - положение центра тяжести автобуса максимально удаленно от опорной поверхности колес; 3 - положение автобуса, оснащенного антиопрокидывающим узлом в момент касания поверхности; 4 - положение автобуса, неоснащенного антиопрокидывающим узлом в момент касания поверхности

Задача предлагаемого метода - расширение возможностей применения процедур проверки прочности верхней части конструкции кузова на прочность посредством расчетов при проведении сертификационных испытаний автобусов, оснащенных и неоснащенных антиопрокидывающим узлом.

Технический результат, который может быть получен, заключается в расширении и уточнении процедур проверки прочности верхней части конструкции кузова посредством расчетов при проведении серти-

Рис. 4. Схема для определения высоты падения центра тяжести автобуса

Рассмотрим перпендикуляр из точки С (высота центра тяжести автобуса в момент касания поверхности штоком антиопрокидывающего узла) до отрезка АЕ (опорная поверхность). СА состоит из отрезков: АВ = йо , ВС = R - h , где h - искомая высота падения; Я - расстояние между крайней точкой наружного колеса и центром тяжести автобуса (радиус окружности движения центра тяжести), определяемое по теореме Пифагора:

h

2

4

R = J\W I + H

Таким образом:

CA = AB * BC = h0 * A ,\W| + h32 - h .

2

Отсюда

h = ho + | + H32 - CA .

Треугольник СЛЕ (рис. 4) - прямоугольный по построению, поэтому:

CA = CE sin ß .

CE =

W?+(H - h ; )2+/Ш, * J Wf *(« - H )2

x/mTc°s

arctg

2(H - H;) W

Далее для формулы (8) определим угол р. На рис. 5 угол р равен:

Р=5+8.

Найдем угол 5 по формуле: sin 5 = OF / OE . Учитывая, что OF = h0 , OE = yj/шт2 + H

теореме Пифагора из AODE. Получим:

2 + H2 - по

Сторону СЕ определим из ACDE по теореме косинусов

CE2 = CD2 + DE2 - 2CDDE cos a ,

5 = arcsin -

h

v

W12 * H2

2 I Ж Г/ ' \2

где CD = [ ~ J H - H3 j ; DE - длина выдвигаю-

щейся части штока, /ш

а = я; - arctg

2(H - H;) W

Сторона СЕ после подстановки определяется по формуле

CE 2 =lW

*( H - H;)2 * /

2

шт

W 2

\ —i *(H-h;) /ш

cos

я - arctg

2

W

Упростим полученное выражение, используя формулы приведения для тригонометрических функций:

^ D

а \

В

5 е \\

F А s х55^

Рис. 5. Схема для определения угла р Найдем угол 8 по теореме косинусов из АОСЕ:

OC2 = CE2 * OE2 - 2CEOE cos е ,

2

2 * (h - h; )2 * /Шт *

2

W 2

*\ —i *(h-h;)2/

cos

arctg

W

е = arccos-

CE2 * OE2 - OC2

2 CE OE

Подставим в формулу значения, обозначив для упрощения

Извлечем квадратный корень, а отрицательное значение полученного выражения в дальнейшем исключим из рассмотрения, так как расстояние не может быть отрицательной величиной. Получим:

Wх2 a = J\ — I *

( h - h ;) 2

получим:

X

2

2

2

2

е = arccos-

ß = arcsin-

h

о

а2 + + 2а1шт cos(arctg ——+ H2 - H3

2(H - Нз)ч , ^2 ц-'2 W

2 ,/а2 + /Шт + 2а/шт cos(arctg2(HWH>)I W I + H2

Таким образом, угол в равен:

: w + н2

+ arccos

а2 + /Шт + 2а/шт cos(arctg2(H-H3^) + H2 - н32

2 А/а2 + /Шт + 2^cos(arctg2(HWH3>)J + H2

Подставляя полученное выражение в (8), получим:

CA =, a + /]Щт + 2a /шт cos I arctg

2

W

х sin

arcsm-

h

о

а + /шт + 2а/шт cos I arctg

: w + H 2

+ arccos

j.,2 —2(H-H3)|+н2-h;2

2 ,/а2 + /шт + 2а/штcos| arctg2^-^JI yl + H2

Отсюда высота падения центра тяжести автобуса определяется по формуле:

h = h0 +,

WJ + Нз2 - Ja2 + /шт + 2а/шт cos \arctg 1 х

х sin

arcsin-

h

о

w t+н2

+ arccos

а2 + /Щт + 2а/шт cos | arctg

г 2(Н - Н з) W

+н2 - н,-

2 * ¡а2 + /шт + 2а/шт cos | arctg 2

Формулой (9) можно пользоваться для расчета энергии удара по формулам (1), (2), (6). При расчетах следует учесть, что при отсутствии антиопрокиды-вающего узла в конструкции автобуса длина штока

^шт 0.

В результате проведенного исследования было установлено:

1. В России действует Технический регламент [2], устанавливающий требования к безопасности колесных транспортных средств при их выпуске в обращение на территории Российской Федерации и их последующей эксплуатации. При этом к АТС категории М3 (автобусы) требования пассивной безопасности к их конструкции сформулированы в пяти Правилах ЕЭК ООН № 14, 16, 43, 66, 80. Однако ни в одном из этих Правил не упоминается термин «травмобезопасность людей», что противоречит третьему требованию Технического регламента «Минимизация травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей...». Таким образом, в отношении автобусов, вместимость которых в среднем составляет 50 чел., в основном документе РФ - ТР «О безопасности колесных транспортных средств» отсутствуют требования,

регламентирующие минимизацию травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей.

2. Наиболее значимый показатель, непосредственно влияющий на снижение тяжести последствий ДТП - «Прочность верхней части конструкции пассажирских транспортных средств», регламентирован Правилами ЕЭК ООН № 66, в которых содержатся некоторые неточности.

3. Формула для расчета высоты падения центра тяжести не учитывает отличные от прямоугольного поперечного сечения конструкции кузовов автобусов, в частности формула, приведенная в Правилах ЕЭК ООН № 66 не учитывает выступающих частей анти-опрокидывающего узла. Поэтому необходимо переработать формулу для расчета высоты падения его центра тяжести, один из вариантов которой приведен в основной части работы.

4. Для снижения значения общей энергии удара и, соответственно, повышения прочности кузова наиболее целесообразно начать работы по уменьшению высоты падения центра тяжести автобуса.

X

5. Для уменьшения высоты падения центра тяжести автобуса целесообразно предложить использование антиопрокидывающих узлов в конструкции кузовов автобусов.

Литература

1. Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения. URL: http://www.gibdd.ru/info/stat/ (дата обращения 13.04.2012).

2. Постановление Правительства Российской Федерации от 10 сентября 2009 г. №720 «Об утверждении технического

Поступила в редакцию

регламента о безопасности колесных транспортных средств» / Российская газета: сетевая версия. 2010. URL: http://www.rg.ru/2009/09/23/avto-reglament-dok.html (дата обращения 15.01.2010).

3. ГОСТ Р 41.66-00 (Правила ЕЭК ООН № 66) Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупногабаритных пассажирских транспортных средств в отношении прочности верхней части конструкции. - Введ. 26 мая 1999 № 184-ст. М., 2000. 19 с.: ил.

4. Пат. 2423280 Российская Федерация МПК8 B62D 49/08, B60K 28/14 Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства / Б.Ю. Калмыков, В.И. Богданов. № 2010106915/11 ; заявл. 24.02.2010 ; опубл. 10.07.2011. Бюл. № 19. 7 с. : ил.

7 марта 2012 г.

Калмыков Борис Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Организация и безопасность движения», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел 8(8636)22-20-37. E-mail: obd@sssu.ru

Высоцкий Игорь Юрьевич - начальник управления государственного автодорожного надзора по Республике Карелия. E-mail: ugadn@rtn-rk.ru

Овчинников Николай Александрович - ассистент, кафедра «Организация и безопасность движения», ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса. Тел. 8-918-544-45-71. E-mail: NikolaOv@.ru

Kalmykov Boris Yurievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. 8(8636)22-20-37. E-mail: obd@sssu.ru

Vysotsky Igor Yurievich - head of Department of State Automobile and Road Surveillance in the Republic of Karelia. E-mail: ugadn@rtn-rk.ru

Ovchinnikov Nikolay Aleksandrovich - assistant, department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. Тел. 8-918-544-45-71. E-mail: NikolaOv@.ru_