Раздел 1. Безопасность транспортых средств (стр. 1 )

БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТЫХ СРЕДСТВ

Учебно-практическое пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Владивостокский государственный университет

экономики и сервиса

БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТЫХ СРЕДСТВ

Учебно-практическое пособие

Владивосток

Издательство ВГУЭС

2011

ББК39.3111111
	Рецензенты:	, канд. техн. н аук, доцент
		, доктор техн. наук, профессор

Юхименко А. А.

БЕЗОПАСНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ: Практикум.- Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 20с.

В практикуме представлены практические работы по дисциплине «Безопасность транспортных средств». Описание каждой практической ра боты дополнено краткой теорией, методическими указаниями и списком контрольных вопросов. Справочный материал вынесен в приложение. Словарь терминов содержит используемые понятия и их определения. Содержание и объем пособия соответствует го­сударственному стандарту.

Для студентов специальности 190702.65 «Организация и безопасность движения».

ББК39.311

Издательство Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, 2011.

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Безопасность транспортных средств» является одной из профилирующих дисциплин, изучение которой способствует формированию специалиста в соответствие с требованиями, предъявляемыми квалификационной характеристикой и государственным стандартом к специальности 190702.65. Курс опирается на положение таких общепрофессиональных и специальных дисциплин, как высшая математика, теоретическая механика, теория механизмов, рабочие процессы, общее устройство автомобилей, конструкция и основы расчета. Является теоретической основой таких специальных дисциплин, как техническая эксплуатация автомобилей, организация перевозок и организация и безопасность движения. Будущий инженер по организации безопасности движения должен иметь представление о состоянии и тенденциях развития как автомобилестроения в целом, так и отдельных конструкций автомобилей. Уметь оценивать эксплуатационные свойства на основе анализа конструкций моделей автомобилей, их отдельных элементов с тем, чтобы прогнозировать их надежность и влияние на безопасность движения; владеть современными методиками выбора и оптимизации параметров подвижного состава; а также проводить эксплуатационные расчеты автомобилей и объективно оценивать их результаты.

В настоящем пособии представлены материалы, касающиеся важнейших составляющих активной безопасности автомобиля - тяговой динамичности, устойчивости и управляемости, тормозных свойств в аспекте влияния на безопасность дорожного движения.

Целью практикума является закрепление студентами материала лекционного курса, обучение методам и развитие навыков самостоятельно анализировать и производить расчеты при проведении экспериментов с использованием теории автомобиля для определения скоростей движения, путь и времени разгона автомобиля, определение параметров эффективности торможения, определение параметров обгона, потери устойчивости автомобиля и заноса.

На выполнение каждой работы отводится 1 час в неделю. Так как лекционный курс не всегда отражает лабораторный практикум, и часть материала передана студентам для самостоятельного изучения, то в методических указаниях в каждой работе кратко излагается теоретический материал. В каждом разделе пособия рассматривается отдельное эксплуатационное свойство транспортного средства.

Основные понятия и определения, используемые в процессе вы­полнения практических работ, сведены в словарь терминов.

При составлении пособия использовались описания инженерных задач по безопасности транспортных средств.

ЧАСТЬ 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНЫХ СИЛ
СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ

Известно, что автомобиль будет двигаться только тогда, когда его движущие силы равны или превышают силы сопротивления. Поэтому во многих случаях перед определением скорости приходится вычислять силы сопротивления движению, чтобы учесть их влияние на скорость движения или на разгон автомобиля. Суммарная сила сопротивления движению складывается из сил сопротивления подъему, качению и воздуха.

1.1 Сила сопротивления подъему

На дорогах часто встречаются уклоны — подъемы и спуски. Крутизну подъемов характеризуют величиной уклона i, которая представляет собой отношение превышения H к заложению B (рисунок 1.1). Продольные уклоны на автомобильных дорогах выполняются незначительными. Так, на дорогах 1-й технической категории наибольший продольный уклон не должен превышать 30‰, 2-й — 40‰, 3-й — 50‰, 4-й — 60‰ и 5-й категории — 70‰. На трудных участках пересеченной местности он не должен превышать 90‰1.

Рисунок 1.1 Схема сил, действующих на автомобиль при движении на подъеме: В — длина участка подъема (заложение); Н - его высота (превышение); α— угол подъема.

Силу тяжести автомобиля G можно разложить на две составляющие: силу Pα=G·sinα, параллельную дороге силу Ph=G·cosα, перпендикулярную к ней. Силу Pα называют силой сопротивления подъёму. На спуске она направлена в сторону движения, являясь, таким образом, движущей силой.

Согласно рисунку 1.1 уклон i=H/B=tgα. Для малых углов, менее 100, tgα≈sinα≈α, где α – угол уклона в радианах.

Тогда

Pα=G·sinα≈Gα≈Gi ,Н (1.1)

а мощность, затрачиваемая на преодоление автомобилем подъёма с уклоном, равным i:

Вт, (1.2)

где скорость Va – в м/с.

В формулах 1.1 и 1.2 уклон выражен в сотых долях, поскольку для малых углов i≈α радиан ( см. таблицу Приложение1).

При движении автомобиля на спуске сила Pα, складываясь с силой тяги, вызывает ускорение. При движении на подъем, сила Pα снижает величину силы тяги и вызывает замедление. Так, сила сопротивления автомобилю ГАЗ-24, движущемуся на подъём со скоростью 13,9 м/с и i=0,06 (3030') и имеющему массу (с пассажирами) М=1825 кг, составит Pα= М·g·i=1825·9,81·0,06=1,074 кН, а мощность, затрачиваемая на сопротивление подъёму, будет равна:

кВт

1.2 Сила сопротивления качению

Соприкосновение шин с дорогой происходит по площади их контакта. В каждой точке площади контакта на шину действует бесконечно малая сила — элементарная нормальная реакция опорной поверхности. Равнодействующую нормальных сил к опорной плоскости элементарных реакций, приложенных к колесу со стороны опорной поверхности, называют нормальной реакцией опорной поверхности.

У ведомого колеса вся подведенная к нему энергия затрачивается на преодоление сил сопротивления качению, а у ведущего она расходуется как на сопротивление качению, так и на преодоление внешних сил. Ведущее колесо преобразует подведенный к нему крутящий момент в толкающую силу.

Рисунок 1.2 Схема приложения сил, моментов и реакций к эластичному автомобильному колесу при качении по твердой дороге.

Когда колесо с шиной катится по горизонтальной твердой поверхности, элементарные реакции dZ дороги и их равнодействующая Rz расположены вертикально. Можно считать, что на цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях сопротивление качению возникает в основном за счет затрат энергии на деформирование шин, так как деформации дороги незначительны. Работа, затраченная на деформирование шины, больше, чем возвращенная в зоне восстановления ее формы, т. е. по мере выхода участка шины из контакта с дорогой часть энергии расходуется на внутреннее трение частиц резины. Поэтому давление в передней части контакта больше, чем в задней (рисунок 1.2), а равнодействующая нормальных реакций будет смещаться относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса, вперед на расстояние а. Это расстояние называют плечом сопротивления качению. Оно характеризует рассеяние энергии при качении колеса. Если колесо будет катиться под действием силы тяги Рк, то, составив уравнение моментов относительно точки А, получим:

,

где rД – динамический радиус колеса. Отсюда

, Н

Отношение называют коэффициентом сопротивления качению f:

.

Произведение fRZ=Pf называют силой сопротивления качению, представляющей условную количественную характеристику сопротивления качению колеса. Моментом сопротивления качению называют произведение

.

Коэффициенты сопротивления качению у ведущих и ведомых колес автомобиля практически можно считать равными, хотя на самом деле при расчетах, связанных с анализом происшествий, они различаются. Если нормальные реакции ведущих и ведомых колес будут равными RZ1=RZ2, то сила сопротивления качению автомобиля составит

, Н (1.3)

где G – сила тяжести автомобиля, в Н.

Мощность, необходимая для преодоления сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью Va м/с, будет равна

кВт (1.4)

На менее ровных дорожных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжной мостовой) сопротивление качению возрастает от ударов колес о неровности покрытия. На грунтовых дорогах с мягкой поверхностью и на неуплотненном снеге сила сопротивления качению увеличивается за счет, усилия, затрачиваемого на деформирование грунта или снега при образовании колеи.

Сопротивление качению несколько уменьшается с увеличением размера (и соответственно грузоподъемности) шин. При постоянном внутреннем давлении в шине повышение нормальной нагрузки на колесо приводит к возрастанию силы сопротивления движению. Увеличение нагрузки на 20% сверх максимально допустимой повышает коэффициент сопротивления качению примерно на 4%. В реальных дорожных условиях коэффициент сопротивления качению возрастает с увеличением скорости и при движении по твердой дороге изменяется в широких пределах (в 2 — 3 раза).

При расчетах, связанных с анализом автотранспортных происшествий, можно пользоваться данными таблицы Приложение.2. Для учета же изменения коэффициента сопротивления качению при высоких скоростях движения (до 11—13,9 м/с он практически не изменяется) можно пользоваться эмпирической формулой

(1.5)

или несколько уточнённой

, (1.6)

где f – коэффициент сопротивления качению при движении со скоростью до 11 – 13,9 м/с (таблица П 1.2).

Так, сила и мощность сопротивления качению автомобиля ГАЗ-24 (его масса с пассажирами G =1825 кг) при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием, находящимся в отличном состоянии (f=0,015), со скоростью V1 =13,9 м/c(50км/ч) и V2=33,3 м/c(120км/ч,) составляют:

При V1=13,9 м/с:

сила сопротивления качению

Н;

мощность сопротивления качению

кВт;

при V2=33,3м/с:

Н;

кВт

При движении по деформирующимся грунтовым дорогам (с образованием колеи) зависимость между силой сопротивления качению и массой колеса более сложная:

, Н

где Н – глубина колеи после прохода колеса, м;

D – диаметр колеса, м;

ξ – коэффициент, меняющийся от 0,6 до 1,0 в зависимости от состояния грунта;

Gк – весовая нагрузка на колесо, кг.

Составляющая массы автомобиля на уклонах дороги равна Ph=G∙cosα (см. рисунок 1.1), поэтому сила сопротивления качению на уклонах составляет:

Уклон дороги i и коэффициент сопротивления качению в совокупности определяют общее дорожное сопротивление. Сила дорожного сопротивления равна:

, Н (1.8)

Алгебраическую сумму f+i=φ называют коэффициентом дорожного сопротивления.

Следовательно, Рφ=Gφ Н и

кВт (1.9)

Сила сопротивления подъему всегда действует одновременно с силой сопротивления качению, поэтому коэффициент φ, учитывающий оба вида сопротивления движению, имеет большое значение в практических расчетах.

1.3 Сила сопротивления воздуха

Движущийся автомобиль часть мощности двигателя расходует на перемещение частиц воздуха. Элементарные силы сопротивления воздуха, рассредоточенные по всей поверхности автомобиля, для упрощения расчетов заменяют сосредоточенной силой сопротивления воздуха Рω. Точку приложения силы Рω называют центром парусности автомобиля.

Сила сопротивления воздуха движению автомобиля определяется по эмпирической формуле аэродинамики:

Н (скорость движения в м/с) (1.10)

В данной формуле k — коэффициент обтекаемости (или коэффициент сопротивления воздуха), зависящий от формы автомобиля и качества отделки его поверхности, кгс∙с2/м4. Численно он равен силе сопротивления воздуха, в кгс, создаваемой 1 м2 лобовой площади автомобиля при его движении со скоростью 1 м/с. Значение коэффициента k получают опытным путем, продувая модель автомобиля в аэродинамической трубе (таблицы П.3, П.4,).

При расчетах лобовую площадь F легковых и грузовых автомобилей со стандартным кузовом определяют по приближенной формуле:

м2, (1.11)

где Br — габаритная ширина автомобиля, м;

Hr — габаритная высота автомобиля, м.

Для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом в виде фургона или с тентом

м2. (1.12)

Скорость движения автомобиля Vа относительно воздушной среды принимается:

при встречном ветре: V’a=Va-Vв;

при попутном ветре: V’a=Va+Vв.

Приближенно принимают, что сила сопротивления воздуха приложена в центре лобовой площади.

Данные, используемые при расчете силы сопротивления воздуха, приведены в таблицах П.3—П.4.

Дополнительный прицеп к автопоездам увеличивает коэффициент обтекаемости на 20—25%. Контейнеры, установленные поперек кузова, повышают его примерно на 25—30%.

При скорости до 11 м/с доля силы сопротивления воздуха в общем балансе сил сопротивления движению незначительна. Однако в диапазоне высоких скоростей влияние силы сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости, и при практических расчетах она должна учитываться.

1.4 Определение возможности движения при данной скорости

Для выяснения некоторых обстоятельств происшествия нередко требуется рассчитать скорость, с которой можно было двигаться на определенном участке дороги. Теоретически ее можно рассчитать по формуле

м/с, (1.13)

где nД – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;

rk – радиус качения ведущего колеса автомобиля, м;

i0 — передаточное число главной передачи;

iк — передаточное число коробки передач на. соответствующей передаче.

Как видно из формулы 1.13, скорость движения прямо пропорциональна частоте вращения двигателя.

Если автомобиль оборудован раздаточной коробкой или дополнительной коробкой передач, то при расчете учитываются их передаточные числа iД, и тогда

. (1.14)

Для расчета скорости движения используют данные, приведенные в таблицах П 5. Например, наибольшую возможную скорость движения автомобиля ЗИЛ-130 на второй передаче определяют следующим образом:

м/с.

Если автомобиль начинает движение с места, то предварительно, пользуясь скоростной характеристикой, надо рассчитать среднюю частоту вращения двигателя в начале движения.

Возможную среднюю скорость движения на любом участке пути приближенно определяют из выражения

(1.15)

где NД — эффективная мощность двигателя автомобиля (затрачиваемая фактически);

η — механический к. п.д. трансмиссии (при передаче энергии от двигателя к ведущим колесам).

Механический к. п.д. всей трансмиссии может приниматься постоянным для всех передач, так как происходящее в отдельных случаях понижение к. п.д. коробки при включении низших передач компенсируется одновременным повышением к. п.д. главной передачи. В расчетах могут приниматься следующие средние величины к. п.д. для автомобилей разных типов (новых и находящихся в хорошем состоянии):

Таблица 1.1

Легковых	0,92—0,90
Двухосных грузовых и автобусов с одинарной главной передачей	0,90—0,88
Двухосных грузовых и автобусов с двойной главной передачей, а также для автомобилей повышенной проходимости (4x4)	0,88—0,85
Трехосных грузовых и автобусов с приводом на два задних моста (6x4)	0,86—0,83
Грузовых типа 6X6	0,85—0,82

При расчёте скорости движения по формуле (1.15) нужно знать фактическую величину затрачиваемой при этом мощности двигателя NД. Без специальных приборов определить её трудно. Поэтому при движении по хорошим дорогам, когда двигатель загружен не полностью, для расчёта формулой (1.15) пользоваться не рекомендуется. Достаточно точные результаты расчётов по этой формуле получаются при максимальной и близкой к ней нагрузке двигателей, что наблюдается при движении автомобиля по плохим дорогам или с высокой скоростью. Как следует из скоростных характеристик двигателей (рисунок 1.3), затрачиваемая мощность соответствует определённой частоте вращения коленчатого вала. При работе двигателя с постоянной частотой вращения скорость автомобиля на разных передачах будет различной и обратно пропорциональной передаточному числу агрегатов трансмиссии: коробки передач, раздаточной коробки (если она имеется) и главной передачи.

Эти данные приведены в таблице П 6. Воспользовавшись скоростной характеристикой двигателя и зная передаточные числа трансмиссии и радиус ведущего колеса, нетрудно построить графическую зависимость, по которой можно рассчитать скорость движения, соответствующую определённой частоте вращения двигателя, и затрачиваемую при этом мощность.