Министерство образования и наукиРоссийской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ
Кафедра менеджмент на автомобильномтранспорте
Расчёт параметровбезопасности автомобиля
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯЗАПИСКАк курсовому проекту по дисциплине
Безопасность транспортных средств
Иркутск 2009 г.
1. Расчёт замедленияавтомобиля на разных дорожных покрытиях
Тормозные свойства. Возможность предотвращения ДТП чащевсего связана с интенсивным торможением, поэтому необходимо, чтобы тормозныесвойства автомобиля обеспечивали его эффективное замедление в любых дорожныхситуациях.
Для выполнения этогоусловия сила, развиваемая тормозным механизмом, не должна превышать силысцепления с дорогой, зависящей от весовой нагрузки на колесо и состояниядорожного покрытия. Иначе колесо заблокируется (перестанет вращаться) и начнетскользить, что может привести (особенно при блокировке нескольких колес) кзаносу автомобиля и значительному увеличению тормозного пути. Чтобыпредотвратить блокировку, силы, развиваемые тормозными механизмами, должны бытьпропорциональны весовой нагрузке на колесо. Реализуется это с помощьюприменения 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 ихскольжение.
Зимой и летом состояниедорожного покрытия разное, поэтому для наилучшей реализации тормозных свойствнеобходимо применять шины, соответствующие сезону.
Максимальное установившеесязамедление наступает при достижении максимально возможной продольной реакции Rx, т.е. при полном использованиисцепных качеств колеса с дорогой. При замедлении, меньшем по значению, чеммаксимально установившееся, продольная реакция Rxне достигает своего максимальногозначения, т.е. при торможении не происходит полного использования сцепныхкачеств колеса и дороги. Это происходит при служебном торможении, когдаиспользуется часть сцепных качеств. Иначе говоря, коэффициент сцепления можнорассматривать как переменную величину, меняющуюся от нуля до максимальногозначения, соответствующего экстремальному торможению. И замедление приторможении также может изменяться от нуля до максимально возможного по условиямсцепления.
Расчёт замедления автомобиляпроизводится по формуле:
/>,(1)
где J — замедление автомобиля, м/с2;
j — коэффициентсцепления шин с дорогой;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Kэ – коэффициентэффективности торможения, он учитывает степень использования теоретическивозможной эффективности тормозной системы автомобиля, Kэ=1,3
При j = 0,6 для щебеночного сухогопокрытия:
J = (0,6*9,8)/1,3 = 4,5 м/с2.
При j = 0,5 для щебеночного мокрогопокрытия:
J = (0,5*9,8)/1,3 = 3,8 м/с2.
2. Расчётостановочного 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 тормозногопривода, 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 проводимрасчёт 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 втаблицу 1.
Таблица 1 – Остановочныйпуть автомобиляСкорость движения автомобиля, м/с
Остановочный путь Sост, м при J щеб. дорога сухое 4,5 щеб. дорога мокрое 3,8 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 1строится график зависимости остановочного пути автомобиля от скорости движения Sост = f(V) для грунтовогопокрытия рисунок 1.
/>
Рисунок 1 – Графикостановочного пути
При увеличении скоростидвижения автомобиля увеличивается и остановочный путь. Тип покрытия такжевлияет на длину остановочного пути: на асфальтобетонном сухом покрытииостановочный путь менее 100 метров, а при гололеде при скорости движения 100км/ч достигает 500
3. Расчёт тормозногопути автомобиля при разных скоростях его движения
Тормозной путь автомобиляопределяется 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 проводимрасчёт 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 – Тормознойпуть автомобиляСкорость движения автомобиля, м/с
Тормозной путь Sт, м при J щеб. дорога сухое 4,5 щеб. дорога мокрое 3,8 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 2строится график зависимости тормозного пути автомобиля от скорости движения Sт = f(V) рисунок 2.
/>
Рисунок 2 – Графиктормозного пути
4.Влияние тормозных свойств на среднюю скорость движения
Тормозныесвойства влияют не только на безопасность движения, но и на среднюю скоростьдвижения. Допустимая по тормозным свойствам скорость движения может бытьопределена из условия,
/>,(4)
где Sв — расстояние видимости дороги или препятствия,м;
Sост — остановочный путь, определенный по формуле(2);
Sб — расстояние безопасности, Sб=10м.
При V=2,8 м/с для щебеночного сухогопокрытия:
Sв = 6 + 10 = 16 м.
Аналогично проводимрасчёт 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 – Расстояниевидимости дороги или препятствия в светлое время сутокСкорость 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 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 темноевремя суток при пользовании фарами
/>,(5)
где Sосв — максимальная протяженность участка дороги,освещенного фарами, для дальнего света Sосв=150м, для ближнего 50 м.
/> — коэффициент, учитывающийуменьшение расстояние видимости от скорости движения, (принимаем />=1,8).
Для дальнегосвета:
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 ближнегосвета:
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.
Подставляемв уравнение (2) вместо Sост расстояниевидимости Sв, получим квадратное уравнение,
/>(7)
Решая данноеуравнение, определим безопасную скорость движения. Данное уравнение имеет двакорня, с положительным и отрицательным значениями. Положительная величина являетсябезопасной максимальной скоростью.
Дляразличных условий видимости определяется безопасная скорость Vби строятся графики зависимости Vб = f(Sв).
Сухоещебеночное покрытие Vб = 21; 23; 25; 33; 46; 60; 77; 96;117
Мокроещебеночное покрытие Vб = 19; 21; 23; 26; 29; 32; 35; 38;42
В темное времясуток:
Дальнийсвет: Сухое покрытие Vб = 43; 40; 37; 34; 31; 28; 25;23; 21
Мокроепокрытие Vб = 42; 38; 35; 32; 29; 26; 23; 21; 19
Ближнийсвет: Сухое покрытие Vб = 43; 40; 37; 34; 31; 28; 25; 23;21
Мокроепокрытие Vб = 42; 38; 35; 32; 29; 26; 23; 21;19
/>
Рисунок 3 – Графикбезопасной скорости в светлое время суток
При увеличении расстояниявидимости в светлое время суток безопасная скорость движения автомобиляувеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скорость движения: наасфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость больше чем при гололеде.
/>
Рисунок 4 — Графикбезопасной скорости в тёмное время суток при пользовании фарами дальнего света
При увеличении расстояниявидимости в темное время суток при пользовании фарами дальнего света безопаснаяскорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет набезопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопаснаяскорость значительно больше чем при гололеде.
/>
Рисунок 5 — Графикбезопасной скорости в тёмное время суток при пользовании фарами ближнего света
При увеличении расстояниявидимости в темное время суток при пользовании фарами ближнего света безопаснаяскорость движения автомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет набезопасную скорость движения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопаснаяскорость значительно больше чем при гололеде.
При увеличении расстояниявидимости при движении в тумане или при осадках безопасная скорость движенияавтомобиля увеличивается. Тип покрытия также влияет на безопасную скоростьдвижения: на асфальтобетонном сухом покрытии безопасная скорость больше чем пригололеде.
5. Определениекоэффициента перераспределения тормозных сил
Рабочая тормозная системахарактеризуется коэффициентом распределения тормозной силы:
/>,(8)
где Ртор1, Ртор2 — тормозная сила соответственно на передних и задних колесах автомобиля.
Коэффициент βт зависит от коэффициента сцепления шинс дорогой j и рассчитываетсяпо формуле:
/>,(9)
где b – расстояние от центра тяжестиавтомобиля до задней оси, м;
hцт — высота центра тяжестиавтомобиля, м;
L — база автомобиля, м.
/>(10)
где F- масса автомобиля, кг;
а — расстояние от центрамассы автомобиля до передней оси, м. />(11)
b=L-a.(12)
а = (5287*3.6)/7825 = 2,4м;
b = 3.6-2,4 = 1.2м.
При j=0,6 для автомобиля в груженномсостоянии:
bТ = (1,2+0,6*1,1)/3,6 = 0,51.
Аналогично проводимрасчёт дляавтомобиля в порожнем и груженном состоянии при мокром покрытии,и результаты расчётов сводим в таблицу 4.
Таблица 4 – Коэффициентперераспределения тормозных силКоэффициент 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 5строится график зависимости коэффициента перераспределения тормозных сил откоэффициента сцепления шин с дорогой bТ= f(j) рисунок 6.
/>
Рисунок 6 – Графикзависимости коэффициента перераспределения тормозных сил от коэффициентасцепления шин с дорогой
Изменение коэффициентасцепления шин с дорогой способствует и изменению коэффициента перераспределениятормозных сил. Для асфальтобетонного и цементобетонного покрытий коэффициентперераспределения тормозных сил максимальный. Для порожнего автомобилякоэффициент перераспределения тормозных сил больше чем для автомобиля вгруженом состоянии.
6. Расчётоценочных параметров поперечной устойчивости автомобиля
Устойчивостьавтомобиля — способность автомобиля сохранять движение по заданной траектории,противодействуя силам, вызывающим его занос и опрокидывание в различныхдорожных условиях при высоких скоростях движения.
Различают следующие видыустойчивости:
· поперечная припрямолинейном движении (курсовая устойчивость). Ее нарушение проявляется в рыскании (изменениинаправления движения) автомобиля по дороге и может быть вызвано действиембоковой силы ветра, разными величинами тяговых или тормозных сил на колесахлевого или правого борта, их буксованием или скольжением, большим люфтом врулевом управлении, неправильными углами установки колес и т.д.;
· поперечная прикриволинейном движении, нарушение которой приводит к заносу или опрокидыванию автомобиля поддействием центробежной силы. Особенно ухудшает устойчивость повышение положенияцентра масс автомобиля (например, большая масса груза на съемном багажнике накрыше);
Критериямипоперечной устойчивости являются максимально возможные скорости движения поокружности и углы поперечного уклона дороги (косогора). Поэтому поперечнаяустойчивость оценивается:
· критическойскоростью движения на кривой в плане, соответствующей началу заноса илискольжения автомобиля;
· критическойскоростью движения на кривой в плане, соответствующей началу опрокидывания;
· критическимуглом косогора, при котором возникает поперечное скольжение транспортногосредства;
· критическимуглом косогора, соответствующим началу опрокидывания транспортного средства.
Расчёткритической скорости по условию опрокидывания порожнего и груженого автомобиляпри разных радиусах поворота
Расчёткритической скорости по условию опрокидывания автомобиля определяется поформуле:
/>(13)
где В – ширина колеиавтомобиля, м;
R – радиус поворота, м;
hцт – высота центра тяжести, м.
Для автомобиля в порожнемсостоянии при радиусе поворота 100 м.:
Vкр.о. =/> = 29,7 м/с.
Аналогично проводимрасчёт для значений R = 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700,800, 900, 1000 м для автомобиля в порожнем и груженом состоянии и результатырасчётов сводим в таблицу 5.
Таблица 5 — Критическаяскорость по условию опрокидыванияКритическая 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 5строится график зависимости критической скорости по условию опрокидывания отрадиуса поворота Vкр.о. = f(R) рисунок 7.
/>
Рисунок 7 – Графикзависимости критической скорости по условию опрокидывания от радиуса поворота
При увеличении радиусаповорота критическая скорость по условию опрокидывания также увеличивается. Дляпорожнего автомобиля критическая скорость по условию опрокидывания больше чемдля автомобиля в груженом состоянии.
Расчёткритической скорости по условию скольжения автомобиля
Расчёткритической скорости по условию скольжения автомобиля при разных радиусахповорота на дорогах с разным покрытием находится по формуле:
/>,(14)
При радиусе поворота 100м для щебеночного сухого покрытия:
Vкр.с. = />=24 м/с.
Аналогично проводимрасчёт для значений R = 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700,800, 900, 1000 м для всех типов покрытий, и результаты расчётов сводим втаблицу 6.
Таблица 6 – Критическаяскорость по условию скольженияКритическая 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 6строится график зависимости критической скорости по условию скольжения отрадиуса поворота Vкр.с. = f(R) рисунок 8.
/>
Рисунок 8 — Графикзависимости критической скорости по условию скольжения от радиуса поворота
При увеличении радиусаповорота критическая скорость по условию скольжения также увеличивается. Типпокрытия также влияет на критическую скорость по условию скольжения: наасфальтобетонном сухом покрытии критическая скорость больше чем при гололеде.
Расчёткритического угла по условию опрокидывания порожнего и груженого автомобиля
Критическийугол по условию опрокидывания определяется по формуле:
/>, (15)
где В/hц.т. — коэффициент поперечнойустойчивости.
Для порожнего автомобиля:
bкр.о. = аrctg(1.8/2*1)= 71º
Для груженого автомобиля:
bкр.о. = аrctg(1.8/2*1,1)= 75º
Расчёткритического угла по условию скольжения автомобиля на дорогах с разнымпокрытием
Критическийугол по условию скольжения рассчитывается по формуле:
/>.(16)
Для щебеночного сухогопокрытия:
bкр.с. = arctg0,6=54º
Аналогично проводимрасчёт для грунтового мокрого покрытия, и результаты расчётов сводим в таблицу 7.
Таблица 7 – Критическийугол по условию скольженияКритический угол по условию скольжения, º Коэффициент сцепления шин с дорогой щебеночное сухое 0,6 щебеночное мокрое 0,5 54 46
На основании таблицы 8строится график зависимости критического угла по условию скольжения откоэффициента сцепления шин с дорогой bкр.с. = f(j) рисунок 9
/>
Рисунок 9 — Графикзависимости критического угла по условию скольжения от коэффициента сцепленияшин с дорогой
При изменениикоэффициента сцепления шин с дорогой критический угол по условию скольжениятакже изменяется. Для асфальтобетонного и цементобетонного покрытий критическийугол по условию скольжения минимальный, а при гололёде максимальный.
Коэффициентпоперечной устойчивости
Потеряустойчивости по опрокидыванию более опасна, чем по боковому скольжению. Дляпредотвращения опрокидывания необходимо выполнения следующего условия,
/>(17)
или
/>(18)
Нормативнымидокументами НАМИ установлены нормы для автотранспортных средств различныхкатегорий по определению критического угла по условию опрокидывания βкр.о. при неподвижном автомобиле.
/> при 0,55/>1;
/> при />>1.
Т.к. hп.ц.=B/2hц.т.=0,9
Минимальнодопустимое значение bкр.о.для порожнего автомобиля:
bкр.о. = 42.4*0.9-2.4º=35º.
Длягруженого:
bкр.о. =42,4*0,81-2,4º=32º
Поэтомумаксимальная высота центра тяжести автомобиля hц.т.при обеспечении минимально допустимого значения bкр.о.для порожнего автомобиля:
hц.т. = 1,8/2*tg35º=0,42;
Длягруженного:
hц.т. =1,8/2*tg32º=0.59
Значениекоэффициента, j при котором не будетопрокидывания для порожнего автомобиля:
j=1,8/2*0.42=2.15
Длягруженого:
j=1,8/2*0.59=1.5
7. Расчётоценочного параметра продольной устойчивости
Под продольнойустойчивостью понимается возможность преодоления уклона без пробуксовыванияведущих колес, так как у имеющих низкое расположение центра тяжести современныхавтомобилей опрокидывание в продольной плоскости маловероятно. Критерием оценкипродольной устойчивости служит максимальный уклон подъема, преодолеваемый спостоянной скоростью без пробуксовывания ведущих колес.
Критическийугол подъема в значительной мере зависит от значения коэффициента сцепления j.
Расчётоценочного параметра продольной устойчивости (критического угла подъёма)определяется по формуле:
/>,(19)
где а — расстояние от центратяжести автомобиля до его передней оси, м;
L – база автомобиля, м.
Для порожнего автомобиля,для щебеночного сухого покрытия:
a = arctg(2,4*0,6/(3,6-1*0,6))=44º.
Аналогично проводимрасчёт дляавтомобиля в порожнем и груженом состоянии при различныхзначениях коэффициентов />, ирезультаты расчётов сводим в таблицу 8.
Таблица 8 – Критическийугол 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 8строится график зависимости критического угла подъёма от коэффициента сцепленияшин с дорогой a= f(j) рисунок 10.
/>
Рисунок 10 — График зависимости критического угла подъёма от коэффициента сцепления шин сдорогой
Изменение коэффициентасцепления шин с дорогой способствует и изменению критического угла подъёма. Дляасфальтобетонного и цементобетонного покрытий критический угол подъёмаминимальный, а при гололёде максимальный. Для порожнего автомобиля критическийугол подъёма больше чем для автомобиля в груженом состоянии, однако дляукатанного снега и обледенелой дороги критический угол подъёма для автомобиля вгруженом состоянии больше чем для автомобиля в порожнем состоянии.
8. Расчёт критическойскорости по условию управляемости
Управляемостьтранспортного средства — способность сохранять или изменять траекторию движения, заданнуюводителем, позволять управление при наименьших затратах механической ифизической энергии. Управляемость требует выполнения следующих требований:
· качениеуправляемых колес автомобиля при криволинейном движении должно происходить безбокового скольжения;
· углыповоротов управляемых колес должны иметь необходимое соотношение;
· должнабыть обеспечена стабилизация управляемых колес;
· должныбыть исключены произвольные колебания управляемых колес;
· углыувода передней и задней осей должны иметь определенное соотношение.
Критическаяскорость по условиям управляемости — максимальная скорость криволинейного движения безпоперечного проскальзывания управляемых колес. При достижении такой критическойскорости движения при повороте, управляемые колеса проскальзывают, и увеличениеугла поворота управляемых колес не меняет траекторию движения автомобиля. Длякаждого угла поворота есть свое критическое значение скорости. При этом сувеличением угла поворота значение критической скорости уменьшается. При незначительномкоэффициенте сцепления (сырое загрязненное покрытие, гололед) значениекритической скорости существенно снижается. Автомобили, имеющие большую базу подлине, по этому показателю имеют лучшую управляемость.
Критическаяскорость по условию управляемости находиться по формуле:
/>,(20)
где /> - угол поворота управляемых колёс.
Для грунтового сухогопокрытия при />=20º:
Vупр =/>=5.8 м/с
Аналогично проводимрасчёт для значений />=20º; 40º; для мокрого покрытия, ирезультаты расчётов сводим в таблицу 9.
Таблица 9 — Критическаяскорость по условию управляемостиКритическая 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 10строится график зависимости критической скорости по условию управляемости откоэффициента сцепления шин с дорогой Vупр = f(j) рисунок 11.
/>
Рисунок 11 — График зависимости критической скорости по условию управляемости откоэффициента сцепления шин с дорогой
При увеличении углаповорота управляемых колёс критическая скорость по условию управляемостипадает. Тип покрытия также влияет на критическую скорость по условиюуправляемости: на асфальтобетонном сухом покрытии критическая скорость большечем при гололеде.
Списоклитературы
1. Афанасьев Л.Л., Дьяков А.Б.,Иларионов В.А. Конструктивная безопасность автомобилей. – М.:Иашиностроение,1983. – 212 с.
2. Иларионов В.А. Экспертизадорожно-транспортных происшествий. Учеб. для вузов. — М.: Транспорт, 1989. — 225 с.
3. Коноплянко В.И. Организация ибезопасность дорожного движения. М.: Транспорт, 1993. — 183 с.
4. Основы обеспечения безопасностидорожного движения. / Под редакцией В.А. Печкина. – Иркутск: ИрГТУ, 1999. – 138с.