Активная безопасность и техническое состояние автотранспортных средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Современное состояние проблемы активной безопасности АТС

2. Информационное обеспечение безопасности АТС

3. Устойчивость автомобиля и безопасность движения

3.1 Курсовая устойчивость автомобиля

3.2 Поперечная устойчивость автомобиля

4. Управляемость автомобиля и безопасность движения

Библиографический список

1. Современное состояние проблемы активной безопасности АТС

Активная безопасность (АБ) комплекса ЧАДС (человек - автомобиль - дорога - среда движения) в настоящее время имеет приоритетное значение при анализе безопасности дорожного движения (БДД) вообще. Зарубежные и отечественные исследования в области увеличения эффективности системы обеспечения АБ находятся в настоящее время на подъеме, а активно разрабатываемый в странах с развитой автомобильной промышленной индустрией комплексный подход задает новые направления её дальнейшего развития.

Наряду с положительной ролью, которую автомобильный транспорт играет в развитии экономики, существуют и негативные факторы, связанные с процессом автомобилизации. Сюда относятся загрязнение окружающей среды, градостроительные проблемы, связанные с выделением городских пространств для движения и стоянки транспортных средств, рост дефицита нефтепродуктов и т.д.

К числу наиболее отрицательных факторов процесса автомобилизации относятся ДТП и их последствия, характеризующиеся гибелью и ранением людей, материальным ущербом от повреждения транспортных средств, грузов, дорожных или иных сооружений, выплатой пособий по инвалидности и повременной нетрудоспособности и т.д., а также отрицательное влияние на экологию.

Несмотря на осуществляемые мероприятия по предотвращению вероятности ДТП, в результате происшествий на дорогах ежегодно в мире погибает более 500 тыс. чел. и получают ранения около 10 млн. человек. В РФ в день погибает около 300 человек, из них в ДТП - около 90 человек. В РФ в 1999 году «погибло 29 тыс. чел. и около 200 тыс. чел. получили ранения в 160 тыс. ДТП. Автомобильный транспорт является наиболее опасным из всех видов транспорта.

Материальный ущерб от ДТП в странах с развитой автомобилизацией достигает 10% годового национального дохода. Из вышесказанного следует, что решение проблемы повышения БДД имеет большую социальную и экономическую значимость и является одной из кардинальных проблем автомобилизации.

В условиях непрерывного повышения интенсивности дорожного движения с вовлечением больших масс людей, транспортных и материальных средств деятельность по предупреждению ДТП и снижению тяжести их последствий является многоплановой и взаимосвязанной, требующей научного комплексного подхода. Основным методом сложных комплексных познавательных процессов на современном уровне является системный (логический) подход к процессам и явлениям окружающего мира.

Не удивительно, что системный подход находит все более широкое применение при исследованиях проблемы обеспечения БДД. На безопасность дорожного движения оказывает влияние большое количество факторов. Для удобства изучения все эти факторы условно делят на четыре взаимодействующих части: человек (Ч), автомобиль (А), дорога (Д), среда (С) и рассматривают как элементы единого комплекса ЧАДС.

Комплекс ЧАДС представляет собой частный случай общей для современной науки системы, человек- машина- среда. Системный анализ (подход) явился наиболее приемлемой методической основой эффективного изучения комплекса ЧАДС.

Системный подход рассматривает анализ и синтез различных по своей природе и сложности объектов с единой системной (логической) точки зрения - подчинения целей и критериев оценки элементов (подсистем) общесистемным целям и критериям.

Системный подход позволяет изучать в едином комплексе, все многообразие взаимодействующих факторов, их особенности и взаимосвязи, дает возможность устанавливать ограничения, полагаемые на функционирование системы, и определять пути управления системой для оптимизации целевой функции.

В рассматриваемом комплексе (большой системе) ЧАДС основными элементами являются:

Человек - это участник дорожного движения (водитель, пешеход, пассажир, организатор движения и т.д.).

Автомобиль или АТС - это самоходное дорожное колесное транспортное средство, используемое обычно для перевозки по дорогам людей и грузов или для буксировки по дорогам транспортных средств, предназначенных для перевозки людей, грузов. Термин «АТС» охватывает автомобили, автобусы, троллейбусы, троллейбусы, мотоциклы и т.д., но не распространяется на трактора, велосипеды с подвесным двигателем и рельсовые транспортные средства.

Автомобильная дорога - это комплексное транспортное сооружение, включающее проезжую часть и ее обустройство, сооружения, конструкции, элементы, направленные на обеспечение предъявляемых к дороге требований.

Среда - это условия местопребываний автомобиля, дороги и человека, а также особенности их взаимодействия. Среда преимущественно определяется природно-климатическими условиями и особенностями транспортных потоков и их взаимодействия с человеком и автомобилем.



Рис. 1 - Схема обеспечения безопасности АТС в глобальной системе «ЧАДС»

Комплексный (системный) подход к изучению БДД не исключает, а, напротив, предполагает детальное изучение и совершенствование каждого элемента в отдельности с учетом общей цели комплекса (системы). Нарушение функционирования системы может проявляться в снижении скорости и интенсивности движения, вплоть до полного его прекращения, и (или) возникновения ДТП.

В глобальной системе «ЧАДС» (рис. 1) основополагающую роль наряду с пассивной (ПБ), послеаварийной (ПАБ) и экологической (ЭБ) играет активная безопасность (АБ)) АТС.

Введем необходимые для дальнейшего изложения определения:

Активная безопасность автомобиля - свойство автомобиля предотвращать или снижать вероятность возникновения ДТП.

Пассивная безопасность автомобиля - свойство автомобиля снижать вероятность и тяжесть травмирования участников ДТП.

Послеаварийная безопасность автомобиля - свойство автомобиля снижать тяжесть последствий ДТП в конечной фазе и после ДТП.

Экологическая безопасность автомобиля - свойство автомобиля снижать негативное влияние автомобилизации на окружающую среду, приводящее к нарушению здоровья людей.

Рис. 2 - Схема методов управления безопасностью АТС

Безопасность при эксплуатации АТС (рис. 2) на первом этапе осуществляется при допуске к эксплуатации (регистрации АТС в органах ГИБДД), когда проверяется наличие сертификата, а также может ограничиваться допуск к эксплуатации автомобилей с большим сроком эксплуатации (5 или 10 лет); автомобилей, не предназначенных для правостороннего движения и т.д.

Затем система поддержания безопасного технического состояния АТС, осуществляемая эксплуатирующей организацией (или собственником), контролируется при проведении государственных технических осмотров.

Для обеспечения возможности проведения грамотной эксплуатации автомобиля с учетом требований безопасности проводится обучение персонала при лицензировании автомобильных перевозок.

Организации, которые выполняют ЕО, ТО и ТР, также должны получать сертификаты для обеспечения качественного выполнения этих работ и при наличии минимально необходимого для этого перечня оборудования. Это также повышает уровень безопасности АТС в условиях эксплуатации. Органы ГИБДД должны контролировать использование водителями и пассажирами ремней безопасности, шлемов и др. средств повышения безопасности.

Для того чтобы аргументировано отметить некоторые современные направления и тенденции в области повышения АБ, обратимся к истории возникновения понятия АБ. Рассмотрим два различных подхода к анализу проблемы обеспечения БДД и на их основе выделим основные возможности в повышении системы АБ, которые позволяют значительно увеличить БДД.

Классическое определение БДД было предложено Wilfert в 1966г. (рис. 3). Он впервые предложил разделить безопасность также транспортных средств (ТС) на активную и пассивную. Новым было выделение в составе АБ 4-х категорий: безопасность вождения, безопасность среды вождения, перцепционная безопасность и безопасное управление.

И, несмотря на достаточно непривычные классификационные пункты (в обычной классификации - тормозные и тягово-скоростные свойства, управляемость, устойчивость, информативность автомобиля), в данной схеме отчетливо усматриваются близкие взаимодействия между дорогой, ТС и водителем, т.к. уже в то время в полной мере ощущалась необходимость комплексного подхода. Однако основная фокусировка внимания направлялась все же на обеспечение непосредственно АБ ТС.

Активная безопасность автомобиля в настоящее время (и вероятнее всего еще довольно долго) будет лишь лимитирующим фактором, но не главным в обеспечении БДД. Подобная расстановка приоритетов являлась следствием первичной и исключительной ответственности водителя за безопасность процесса вождения. Таким образом, для ученых и инженеров-автомобилистов долгое время еще будет существовать только одна установка: сделать всё возможное, чтобы обеспечить максимальные возможности для водителя в его проблеме безопасного вождения.

Рис. 3 - Классификация БДД (Wilfert, 1966 г.)

Несмотря на высокие темпы развития информационно-вычислительной технологии, которая могла бы выполнять функции по управлению ТС с гораздо большей надежностью, чем человек, подобное невозможно в современном обществе. Это обусловлено, прежде всего, моральным конфликтом возможности передачи ответственности за свою жизнь и жизнь окружающих людей искусственному интеллекту.

В авиационной или ядерной отраслях рассматриваемый шаг был уже давно сделан и является, весьма успешным, однако это происходит ввиду того, что эти отрасли обслуживаются очень немногочисленным и высокопрофессиональным сообществом. Когда же мы говорим о дорожном движении, то необходимо учитывать, что в данный процесс будет вовлечён практически каждый человек.

Поэтому, чтобы иметь лучшее представление о характере взаимодействий в подсистеме «водитель-автомобиль» и их причинной обусловленности, обратимся к 3-х уровневой структуре системы поведения человека при управлении ТС, впервые предложенной Rasmussen (рис. 4).

Рис. 4 - Трехуровневые модели решения задачи управления ТС и поведения водителя при выполнении этой задачи

Поскольку вождение относится к направленно-ориентированной сенсомоторной деятельности человека, то Rasmussen подразделяет её на 3 поведенческие категории: поведение, основанное на знании; поведение, обусловленное некоторыми правилами; и поведение, опирающееся на имеющиеся навыки. На первом уровне водитель вынужден анализировать различные поведенческие альтернативы, выбирая из них наиболее, на его взгляд подходящие.

Основное время занимает умственный процесс обработки имеющихся опытных или теоретических знаний, а после этого выбранный вариант переносится на действия посредством моторных реакций. Второй уровень отличен тем, что на нём водитель уже обладает набором некоторых правил поведения в данной дорожной ситуации, т.к. подобные ситуативно-ассоциативные условия уже довольно часто происходили ранее. Поведение человека на третьем уровне характеризуется рефлекторными, ответными на определённые стимулирующие воздействия, реакциями. Очевидно, что третий уровень является наиболее эффективной формой поведения человека в условиях ограниченного времени.

Эту структуру поведения водителя целесообразно сопоставить с 3-х уровневой моделью решения задачи управления ТС, впервые предложенной Donges (рис. 4), в которой выделяют навигационный, собственно уровень управления и уровень стабилизации. Здесь на первом уровне водитель выбирает маршрут движения и опирается фактически лишь на уровень поведения, основанном на знании.

Фактический же динамический процесс вождения осуществляется на двух других уровнях. На уровне управления водитель задаёт выбранные в соответствии со сложившейся дорожной ситуацией параметры движения (например, желаемая скорость и траектория движения) и, в зависимости от степени неадекватности данной ситуации, имеющимся знаниям и опыту, его поведение может характеризоваться любым из трёх поведенческих уровней.

В процессе стабилизации водитель просто старается поддерживать ранее определённые параметры движения, преодолевая возмущающие воздействия, и опирается фактически только на свои водительские навыки (3-й поведенческий уровень). Для водителя-новичка практически все ситуации потребуют второго, а часто и первого уровней поведения, в то время, как водитель-профессионал с многолетним стажем вождения крайне редко отклоняется от 3-го уровня, и для него вождение представляется монотонным, рутинным занятием.

Совершенно ясно, что основными направлениями работы по улучшению безопасности движения являются, если говорить в терминологии описываемого подхода, минимизация ситуаций, вызывающих 1-ый поведенческий уровень, оптимизация 2-го уровня решения задачи управления ТС и обеспечение максимальной эффективности и надёжности стабилизирующего воздействия со стороны водителя на 3-ем уровне. Решение первой из указанных задач лежит в области повышения квалификации водителей, а также разработки различных навигационных систем, помогающих выбрать наилучший маршрут движения.

Оптимизация управленческого уровня задачи вождения имеет огромное значение для безопасности движения. На данном уровне человек наделён чрезвычайно важной способностью упреждающе интерпретировать развитие дорожной ситуации, т.е. заранее выбирать необходимые параметры движения, чтобы компенсировать время запаздывания, заранее присущее описываемой системе.

Основные направления приложения усилий видятся в разработке систем информационного обеспечения водителя, систем предупреждения о различного рода опасностях, а также рекомендаций необходимых действий в сложившейся ситуации.

На уровне стабилизации водитель, как субъект управления, и ТС, как объект, составляют хорошо известную и тесно связанную динамическую систему. Важная задача развития этого блока состоит в том, чтобы избежать любого сбоя (непредсказуемых изменений динамики ТС) во взаимодействии между водителем и ТС.

Качество реакции ТС на управляющее воздействие должно поддерживаться на необходимом уровне независимо от интенсивности и скорости действий водителя так, чтобы автоматизмы реакции водителя на соответствующие ситуации продолжали бы находиться в его физических пределах, и водителю не нужно было бы переходить на уровень поведения, основанном на знании.

Здесь мы впервые подходим вплотную к проблеме разработки систем, позволяющих обеспечить высочайший уровень показателей движения ТС (в частности показателей устойчивости и управляемости ТС), существенно увеличив его АБ, и, как следствие, общий уровень безопасности движения.

Перед тем, как подробнее остановиться на указанных выше системах, рассмотрим ещё один подход к изучению проблемы БДД. Очевидно, что одним из наиболее объективных параметров для оценки БДД является относительный показатель количества ДТП за некоторый промежуток времени.

Если рассматривать макроскопический подход к причинному анализу возникновения ДТП, который опирается на том положении, что существуют так называемые «очаги ДТП» или критические точки на улично-дорожной сети, где по статистике вероятность возникновения ДТП наибольшая, то проблема сокращения их количества лежит в области рациональной организации дорожного движения.

С точки зрения микроскопического подхода, существует множество конфликтных ситуаций и при нормальном невозмущённом движении транспорта. Подход основан на анализе процессов, происходящих в отдельной, единичной системе «водитель - ТС - окружающая среда движения», который производится при помощи так называемого «дерева причин ДТП» (рис. 5).

Не приводя дословно определение ДТП, а лишь указав первые два блока, способствующие его возникновению, можно заметить отличие ДТП от конфликтной ситуации, которая является лишь одним из условий возникновения ДТП. Второе обязательное условие возникновения ДТП заключается в неправильном поведении водителя в конфликтной ситуации. Эти два блока связаны логической операцией «И», т.е. для возникновения ДТП необходимо одновременное выполнение обоих условий.

Рис. 5 - Дерево причинной обусловленности ДТП

Появление конфликтной ситуации может быть обусловлено как помехами внутри ТС (например, неадекватные опасные управляющие воздействия, неумышленно произведенные самим водителем, или поломки в некоторых системах автомобиля), так и снаружи ТС (внезапно изменяющиеся характеристики дороги или непредвиденное поведение других участников движения). При этом происходит крайне негативный процесс изменения поведения водителя с третьего уровня на первый.

Предотвратить появление подобных ситуаций возможно только введением полностью автоматизированного решения задачи управления, исключив из неё человека, что на современном этапе пока недостижимо в силу приведённых ранее причин.

Здесь для нас гораздо больший интерес представляет вторая ветвь данного дерева, а именно «неправильное поведение водителя в конфликтной ситуации». Это может произойти по двум причинам, объединённым логической операцией «ИЛИ»: либо неправильная оценка дорожной ситуации (рис. 6), либо неверные маневрирующие действия (рис. 7).

Рис. 6 - Ветвь дерева причин ДТП «Неверная оценка дорожной ситуации»

Здесь и далее выбор и последующее описание более низких уровней «дерева причин ДТП» обусловлены целями данного реферативного обзора. Рассматривая дальнейшее разветвление блока «неверные маневрирующие действия», выделяют следующие моменты: слишком слабые управляющие воздействия; слишком сильные управляющие воздействия; вообще отсутствие какого-либо управляющего воздействия.

Рис. 7 - Ветвь дерева причин ДТП «Неверные управляющие воздействия»

Рассматривая проблемы повышения БДД с позиций данного подхода, мы снова приходим к необходимости разработки систем, которые позволят либо нейтрализовать избыточное управляющее воздействие, либо даже осуществить коррекцию недостаточных управляющих действий водителя.

Подобные системы будут связаны с соответствующими блоками низшего уровня «дерева» логической операцией «И», а следовательно значительно сократят вероятность возникновения ДТП (рис. 8), т.к. при их наличии для реализации предпосылок ДТП необходимо не только одно из неправильных управляющих воздействий, но и одновременный с ним отказ системы, отвечающей за оптимизацию и контроль данных воздействий.

Рис. 8 - Оптимизированная ветвь дерева причин ДТП «Избыточные (недостаточные) управляющие воздействия»

В истории развития этих систем система ABS была первой. Она ограничивала тормозное усилие, задаваемое управляющим воздействием водителя таким образом, чтобы была реализована максимальная сила сцепления, при которой торможение наиболее эффективно. Аналогично система автоматического контроля буксования (ASC) ограничивает чрезмерный входной сигнал со стороны водителя в момент нажатия его на педаль газа.

В системе активной кинематики задней подвески на ВМW реализован режим управления задними колесами (ARK) таким образом, что она управляет поддержанием боковой устойчивости при движении автомобиля даже при экстремальных входных управляющих воздействиях. Это достигается путем перераспределения боковых усилий, воздействующих на переднюю и заднюю оси. И, наконец, система контроля динамической устойчивости (DSC) представляет собой комплексное решение для всех эксплуатационных режимов и почти всех видов предельных маневров.

Важно отметить, что функционирование данных систем не вступает в прямой конфликт с управленческой ролью человека как субъекта управления, о котором было сказано выше, т.к. они фактически приводят к оптимальным параметрам управляющего воздействия, а именно этого и пытается достичь водитель.

В качестве примеров практического решения приведем системы, оптимизирующие параметры управляемости и устойчивости ТС - важных показателей АБ ТС. Одним из показателей управляемости и устойчивости ТС при его маневрах на повороте является контроль бокового и поворачивающего смещения ТС относительно плоскости дороги, который осуществляется водителями ТС лишь применением управляющих воздействий к передним колесам.

Зачастую, подобного контроля с единственной степенью свободы бывает недостаточно и для управления боковым смещением, и для необходимой ориентации продольной оси ТС в дорожных условиях постоянно изменяющегося маршрута движения. При этом, водитель фактически не имеет никакой возможности контролировать негативное явление крена кузова.

Существует два основных способа помощи водителю в отношении дополнительных входных управляющих воздействий:

дополнять (компенсировать) входное управляющее воздействие водителя для контроля траектории движения ТС;

предотвращать или подавлять нежелательное неконтролируемое движение ТС, возникающее в результате воздействия водителя или от внешних сил.

Важным элементом применения технологии активного контроля является доступность адекватных приводных сил. Эти силы, воздействующие на движение ТС, могут быть получены различными способами. Большинство исследований до настоящего времени опираются на использование и контроль внешних сил, воздействующих на шины, и внутренние силы, возникающие в системе подвески ТС.

Силы, действующие в контакте шины с дорогой, можно использовать различными способами. Во-первых, через боковые силы введением дополнительной степени свободы управляющего воздействия на колеса и, во-вторых, через разницу продольных сил на колесах левой и правой сторон ТС. Интенсивный интерес к улучшению управляемости ТС был пробужден в 80-х гг. новаторскими работами о возможностях применения дополнительного рулевого управления колесами.

Исследовались различные методы использования управляемых задних колес, а также возможность дополнительного рулевого управления для отдельных колес. Принимая во внимание, что концепция управления четырьмя колесами может эффективно использовать боковые силы на колесах в пределах линейного режима работы шин при нормальных режимах движения, все же надо констатировать высокую вероятность насыщения боковых сил в контакте шины, что ограничивает использование данной методики применительно к большим боковым ускорениям.

С тех пор центр внимания в данном направлении сместился в сторону методик прямого контроля момента поворачивающего движения ТС, в соответствии с которыми используют шины как приводы продольных сил. Возникающий момент направляется на приложение тормозного или вращающего движения к соответствующим колесам.

Современные разработки, как правило, основаны на схемах, объединяющих эти две концепции. Однако возможна и, как доказано, целесообразна интеграция не только данных методик, но и координация функционирования таких современных систем, как система Активного Управления Передними Управляемыми Колесами (AFS) и система Активного Управления Креновым Моментом (ARMC) с дополнительным использованием Регулятора Проскальзывания (SMC), которые отражают самые различные способы помощи водителю, как в нормальных условиях движения, так и в критических ситуациях.

Система AFS, интегрированная с SMC, может влиять на входное управляющее воздействие со стороны водителя путем добавления корректирующего управляющего угла для удержания под контролем угловой скорости поворота ТС в течение всего процесса вождения. Идея использования системы ARMC состоит в том, чтобы иметь регулятор, способный задавать дифференциальные изменения в распределении кренового момента, регулирующего распределение вертикальной нагрузки на шины передней и задней оси.

Эта система может использовать активную подвеску для адаптивного изменения креновой жесткости обоих осей с целью достижения желаемого бокового движения, а может таким образом управлять силами активной подвески, чтобы пропорционально изменять угол крена, используя дополнительные пружинящие воздействия. Третьи, например, могут уменьшить угол крена, осуществляя замкнутый контроль бокового ускорения, либо используя простые PID-контролеры.

Совместное применение данных систем в единой стратегии централизованного управления позволяет получить огромные преимущества, особенно при движении в критических ситуациях. Безошибочность системы AFS достигается использованием методики SMC, которая, в свою очередь, опирается на соответствие реальных параметров движения ТС эталонной модели его поведения и имеет высокую безошибочность функционирования.

Существуют и менее традиционные направления исследований для улучшения устойчивости и управляемости ТС. В настоящее время уделяют крайне мало внимания использованию таких управляющих внешних сил, как аэродинамические силы. Однако такие управляющие силы могут быть использованы в различных вариациях способов применения и для решения различных задач, которые отмечены немного ранее.

Проектировщики ТС вообще склонны рассматривать аэродинамические силы как противника движения с тем оправданием, что вызываемое ими воздушное сопротивление противодействует скорости ТС. Изменение направления их действия при сильных порывах ветра негативно воздействуют на изменение нормальных и боковых реакций в контакте шин с дорогой.

С другой же стороны, эти силы могут быть реально использованы для улучшения управляемости и устойчивости ТС (нежелательные боковое, поворачивающее и креновое движения, а также улучшение реакции ТС на управляющее воздействие в пределах области линейного динамического поведения ТС) путем применения специальных приводных аэродинамических устройств.

Используя в процессе их функционирования систему управления с обратной связью, а для исходных данных - управление разомкнутого цикла с использованием пред-фильтра Кальмана, теоретически получаем высокие результаты улучшения общего уровня БДД с позиций обеспечения управляемости и устойчивости ТС.

Предыдущее исследование носит до сих пор лишь теоретическое и модельное воплощение только по причине высокой стоимости проведения полных комплексных натурных испытаний в дорожных условиях. Причем основная проблема заключается в сложности обеспечения необходимой измерительной и регистрирующей аппаратурой для полноценного исследования.

Во многом нейтрализовать эту последнюю причину удается при использовании методики так называемой «идентификации параметров автомобиля». Она использует ряд моделей, степень точности и сложности которых продиктованы целями исследования. Далее проводится ряд минимально необходимых дорожных испытаний с регистрацией некоторых параметров, которая, как правило, не представляет большой проблемы.

Физико-математический аппарат модели, используя полученные параметры как входные характеристики, производит полный анализ ситуации и предсказывает с высокой степенью точности значения необходимых нам для полноценного вывода показателей. Таким образом достигается максимальный результат дорожных испытаний при минимальных на него затратах.

В заключение и ее значимость при анализе безопасности комплекса ЧАДС отметим следующее:

активной безопасности ТС в настоящее время отводится достаточно большое внимание и значимость при анализе безопасности комплекса ЧАДС;

трехуровневые модели Rasmussen и Donges позволяют сделать комплексный анализ проблем повышения БДД вообще и АБ ТС в частности, т.к. в логике своей структуры содержат все элементы комплекса ЧАДС во взаимосвязи;

рассмотренный подход «дерева причин ДТП» является еще одним современным методом анализа БДД, который логико-математическим методом также подводит к необходимости создания систем помощи водителям, которые нейтрализуют (дополняют) входные управляющие воздействия со стороны в зависимости от конкретной дорожной ситуации;

данные системы существенно сокращают вероятность наступления ДТП и при этом не вступают в этический конфликт с общественным сознанием.

2. Информационное обеспечение безопасности АТС

Информационное обеспечение является одним из эксплуатационных свойств автомобиля, определяющих его безопасность. Водитель принимает конкретные решения и управляет автомобилем на основе полученной и переработанной информации. Однако в определенных условиях он не успевает переработать необходимую ему информацию, не реагирует на нее или принимает решение слишком поздно, в результате чего может возникнуть дорожно-транспортное происшествие. Такой же результат возможен, когда в поле зрения водителя отсутствует достаточное количество информации, необходимой для принятия правильного решения в сложившейся дорожно-транспортной ситуации.

В любых условиях объем и качество воспринимаемой информации имеют решающее значение для безопасного управления автомобилем. Информация об особенностях транспортного средства, характере поведения и намерениях его водителя во многом предопределяет безопасность в действиях других участников движения и уверенность в реализации их намерений. В условиях недостаточной видимости, особенно ночью, информационное обеспечение в сравнении с другими эксплуатационными свойствами автомобиля оказывает главное влияние на безопасность движения.

Водителя можно рассматривать как составной элемент системы ЧАДС. Информация поступает к водителю с помощью сигналов. Такими сигналами являются всевозможные физические процессы, движущиеся объекты (предметы), разнообразные звуковые источники, напряжение мышц и т.д., т.е. сигналы, возникающие при нормальном протекании какого-либо процесса, или сигналы, специально предназначенные для сообщения человеку информации.

В первом случае сигналы называются естественными, во втором - искусственными. Искусственные сигналы (в виде звуковых и световых сигнализаторов, указателей и стрелок измерительных приборов и т.д.) используются в тех случаях, когда естественные сигналы трудно воспринимаемы (например, когда процессы, о которых человек должен получать информацию, происходят в герметически закрытых агрегатах автомобиля, на больших расстояниях и т.д.).

Сигналы, необходимые водителю для ориентации при выполнении работы, поступают к нему через органы чувств, которые реагируют на физические и химические изменения, происходящие в окружающей среде и в его организме (воздействие света, звука, прикосновение, запах, изменение температуры и т.п.). Эти изменения воздействуют в качестве «стимулов» на органы чувств и вызывают в нервной системе человека сложные физиологические процессы, которые отражаются в его сознании в форме ощущений - зрительных, слуховых, осязания и др.

Чтобы правильно ориентироваться в окружающей обстановке (что является непременным условием всякого трудового процесса), водитель должен воспринимать приходящие сигналы и понимать их значение. Восприятие сигналов зависит от свойств каждого сигнала, его характеристик. Наиболее важными свойствами сигналов, которыми человек руководствуется при работе, являются вероятность появления, длительность, сила. Для визуальных сигналов, которые преобладают в системе «Водитель - автомобиль - дорога - среда», большое значение имеют размер, цвет, форма, положение и перемещение.

Ввиду того, что водитель свыше 90% всей информации получает с помощью зрительного анализатора, зрение становится почти единственным каналом, по которому к водителю поступают сведения об окружающей обстановке во время движения. В связи с этим большую роль для обеспечения безопасности движения играет визуальное информационное обеспечение автомобиля, т.е. свойство транспортного средства выдавать визуальную информацию о его местоположении на дороге, состоянии и режиме движения.

Количество визуальной информации И измеряется в битах (мера Хартли):

, (1)

где N - количество объектов восприятия.

Скорость поступления информации, обеспечивающей успешную работу системы глаз - мозг - рука (нога) водителя, не должна превышать 12-15 бит/с. Реализация получаемой визуальной информации связана с процессом опознавания и видимости объектов. Эти процессы связаны с характеристиками освещения: силой света, яркостью, световым потоком и освещенностью.

Дальность видимости объектов на дороге (геометрическая видимость) служит основной характеристикой условий видимости, так как с ней связаны важнейшие параметры движения - скорость и остановочный путь автомобиля.

Дальность видимости объектов на дороге можно определить как расстояние, на котором видимость V ? 1, это видно из формулы

, (2)

где Кф - фактический контраст;

Ккр - критическое значение контраста.

К характерным видам ДТП, связанным с недостаточным информационным обеспечением АТС, можно отнести следующие:

ДТП в условиях недостаточной видимости из-за неисправности и(или) недостаточной эффективности приборов, предназначенных для информационного обеспечения АТС.

ДТП в результате ослепления водителя светом фар встречных автотранспортных средств в темное время суток.

ДТП при обгоне ТС большой длины и грузоподъемности, крупногабаритных АТС и автопоездов с установленными в неполном объеме контурными огнями, световозвращателями и опознавательными знаками, а также при обгоне тихоходных ТС с неустановленными опознавательными знаками.

ДТП в результате недостаточной обзорности с рабочего места водителя.

Для обеспечения БДД к информационному обеспечению АТС предъявляются следующие основные требования:

наличие и эффективность действия световых и звуковых приборов на автомобиле, предупреждающих о его положении, движении и маневрах (при этом к осветительным приборам предъявляются требования обеспечения видимости в широком диапазоне расстояний наблюдения, а также отсутствие ослепленности в темное время суток и хорошей видимости в различных погодных условиях);

наличие и правильность расположения опознавательных знаков на крупногабаритных АТС, автопоездах, прицепах и полуприцепах, тихоходных ТС контурных огней и световозвращателей в полном объеме.

информация, необходимая водителю о состоянии систем и агрегатов управляемого им автомобиля, должна поступать в виде показаний приборов и индикаторов с панели приборов. Поэтому компоновка приборов на панели и их конструкция должны обеспечивать быстрое прочтение и безошибочное понимание водителем визуальной информации, которая выносится на панель приборов, при этом водитель должен получать всю необходимую информацию за минимальный промежуток времени;

обзорность автомобиля должна обеспечивать возможность для водителя беспрепятственно видеть путь движения и в полной мере оценивать обстановку вне автомобиля.

Все участники дорожного движения условно могут быть разбиты на две группы: водители-операторы и другие (внешние) участники движения (пешеходы, водители других транспортных средств, организаторы дорожного движения).

В процессе дорожного движения водитель выступает в двух качествах одновременно: водителя-оператора и внешнего участника движения Он должен реагировать как на информацию, обеспечиваемую управляемым им автомобилем (от устройств для внутреннего информационного обеспечения), так и от других транспортных средств (от приборов для внешнего информационного обеспечения).

На рисунке 9 приведена структурная классификация устройств для информационного обеспечения АТС, требования к которым регламентированы отечественными и международными предписаниями.

Рис. 9 - Информационное обеспечение АТС

Устройствами для внешнего информационного обеспечения АТС, регламентируемыми в настоящее время, являются: система автономного наружного освещения, устройства световой сигнализации, опознавательные и предупреждающие знаки; системы сигнализации и звуковые сигнальные огни.

К устройствам для внутреннего информационного обеспечения относятся: устройства, обеспечивающие обзорность с места водителя, зеркала заднего вида, системы очистки стекол и фар, спидометры, а также система автономного наружного освещения (она предназначается одновременно для внутреннего и внешнего информационного обеспечения АТС). К устройствам освещения и световой сигнализации относятся: фары, лампы накаливания, устройства световой сигнализации (габаритные огни, стоп-сигналы, указатели поворота и др.).

Социально-экономическая значимость проблемы обеспечения безопасного функционирования комплекса «ЧАДС» бесспорна и существенно зависит от информационного обеспечения автомобиля. Свидетельством тому является повышенное внимание к этой проблеме комитета по транспорту ЕЭК ООН в виде регламентированных Правил, а также отечественных нормативных документов.

В настоящее время значительное количество автомобилей продолжает движение в транспортном потоке с неисправностями, которые в любой момент времени могут прямо или косвенно способствовать возникновению ДТП. Это свидетельствует о недостаточно эффективной работе соответствующих служб автотранспортных предприятий и станций технического обслуживания, органов государственного надзора за техническим состоянием подвижного состава автомобильного транспорта.

Многое зависит от знания и правильного применения лицами, причастными к дорожному движению, действующих нормативных требований по безопасности эксплуатации автомобилей и перечня их характерных неисправностей.

3. Устойчивость автомобиля и безопасность движения

Устойчивость автомобиля непосредственно связана с безопасностью дорожного движения. Управляя неустойчивым автомобилем, водитель вынужден внимательно следить за дорожной обстановкой и постоянно корректировать движение автомобиля, чтобы он не выехал за пределы дороги. Длительное управление таким автомобилем приводит к нервному перенапряжению водителя и быстрому его утомлению, что повышает возможность ДТП. Нарушение устойчивости автомобиля выражается в произвольном изменении направления движения, его опрокидывании или скольжении шин по дороге.

Устойчивость автомобиля характеризует его способность противостоять произвольным изменениям направления движения, опрокидыванию или скольжению шин на дороге. Различают поперечную устойчивость прямолинейного или криволинейного движения и продольную устойчивость автомобиля.

3.1 Курсовая устойчивость автомобиля

Траектория движения автомобиля всегда является криволинейной, причем кривизна ее непрерывно меняется. Поэтому прямолинейное движение автомобиля - понятие условное, подразумевающее, что при неизменном направлении движения смещения его не превосходят некоторых пределов.

Курсовой устойчивостью автомобиля называют его свойство двигаться без корректирующих воздействий со стороны водителя, т. е. при неизменном положении рулевого колеса. Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью произвольно меняет направление движения («рыскает» по дороге), создавая угрозу другим транспортным средствам и пешеходам, и требует от водителя постоянных корректирующих действий с целью удержания автомобиля на полосе движения.

Нарушение поперечной устойчивости при прямолинейном движении (курсовой устойчивости) может быть вызвано следующими причинами:

действием боковых сил (ветра, поперечной составляющей массы и др.);

моментом, создаваемым различными по величине тяговой или тормозной силами на колесах левого и правого борта;

буксованием или скольжением колес одного борта;

резким разгоном, торможением или поворотом управляемых колес;

неодинаковой регулировкой колесных тормозов;

неисправностью в рулевом управлении (большой люфт, заклинивание);

разрывом шин и др.

Автомобиль с плохой курсовой устойчивостью занимает полосу, существенно превышающую габаритную ширину Ва. «Рыскание» по дороге требует от водителя постоянных корректирующих действий с целью удержания автомобиля на полосе движения.

Показателями курсовой устойчивости служат средняя скорость поперечного смещения Vyср и средняя угловая скорость поворота рулевого колеса рк.

Часто предпосылкой потери устойчивости является скорость автомобиля, не соответствующая дорожным условиям. Если автомобиль движется с излишне высокой скоростью, то тяговая сила рт приближается по величине к силе сцепления Pсц ведущих колес с дорогой, вследствие чего возможно их пробуксовывание.

Условие отсутствия буксования:

Рсц Рт; (3)

Условие курсовой устойчивости автомобиля при равноускоренном движении на подъем, полученное из условия (3), может оцениваться максимально возможной его скоростью без пробуксовки ведущих колес с помощью неравенства:

, (4)

дорожный движение безопасность автомобиль

где в - величина, учитывающая сопротивление воздуха;

a - расстояние от передней оси до центра тяжести автомобиля;

i - продольный уклон дороги;

вр - коэффициент вращающихся масс автомобиля.

Скорость Vбук уменьшается при уменьшении коэффициента сцепления, росте сопротивления дороги, а также при увеличении ускорения. Поэтому потеря курсовой устойчивости автомобилем наиболее вероятна на участках дороги со скользким неровным покрытием (укатанный снег, обледенелый асфальтобетон, булыжник) и подъемами. Часто водители, видя впереди подъем и не желая терять скорости, увеличивают подачу топлива и преодолевают подъем «с ходу». Если при этом на пути встретится участок, покрытый снежной или ледяной коркой, то значения сил РТ и Pсц могут стать примерно одинаковыми, тогда даже небольшая поперечная сила может вызвать боковое скольжение заднего моста.

Движение автомобиля со скоростью, близкой к Vбук, является лишь одной из предпосылок заноса. Теоретически автомобиль может двигаться с этой скоростью неограниченно долго без потери поперечной устойчивости. Однако в реальных условиях всегда имеются возмущающие силы и моменты, стремящиеся изменить направление движения автомобиля.

При малых скоростях влияние этих возмущений невелико, но в случае большой скорости они могут привести к нарушению курсовой устойчивости и заносу автомобиля. При движении автомобиля по неровной дороге со скоростью, близкой к максимально допустимой, наезд колеса на впадину или выступ приводит к изменению вертикальных реакций, а в некоторых случаях и к отрыву колеса от дороги.

Таким образом, хотя большая скорость автомобиля не может сама по себе вызвать нарушение курсовой устойчивости, однако она усиливает влияние неблагоприятных факторов, увеличивая вероятность опасных последствий.

Вместе с тем водитель обычно имеет возможность уменьшить силу тяги, изменив положение дроссельной заслонки. Поэтому начавшееся буксование колес приводит к аварии только в результате неправильных или несвоевременных действий водителя.

3.2 Поперечная устойчивость автомобиля

Потеря поперечной устойчивости при криволинейном движении может привести к прогрессивно нарастающему поперечному скольжению шин по дороге (заносу) или опрокидыванию автомобиля. «Рыскание» автомобиля на криволинейных участках дороги обычно не наблюдается, поскольку скорости при этом относительно невелики.

При криволинейном движении автомобиля потерю устойчивости обычно вызывает центробежная сила. Для ее определения рассмотрим схему движения автомобиля на повороте (рис. 10а). Примем для простоты, что автомобиль является плоской фигурой, а увод и скольжение колес отсутствуют.



Рис. 10 - Криволинейное движение автомобиля: а - схема поворота автомобиля; б - движение автомобиля на вираже

На участке дороги 1-2 автомобиль движется прямолинейно, к его управляемые колеса находятся в нейтральном положении. На участке 2-3 водитель поворачивает рулевое колесо, и автомобиль движется по кривой уменьшающегося радиуса. На участке 3-4 положение управляемых колес, повернутых на угол , остается неизменным, и автомобиль движется по дуге окружности. На участке 4-5 водитель поворачивает рулевое колесо в обратную сторону, и радиус траектории увеличивается. На участке 5-6 =0, и автомобиль снова движется прямолинейно.

Мгновенный центр О скоростей (центр поворота) автомобиля располагается в точке пересечения перпендикуляров к векторам скоростей средних точек мостов. При отсутствии увода и скольжения колес вектор скорости середины заднего моста параллелен плоскостям задних колес, поэтому точка О находится на продолжении оси заднего моста.

Расстояние от точки О до середины заднего моста при 20:

R = L / tg L / . (5)

Если скорость автомобиля и угол поворота передних колес постоянны, то величина определяет и радиус траектории середины заднего моста. В более общем случае ( const и V const) радиус кривизны траектории и расстояние до мгновенного центра скоростей могут существенно различаться.

Центробежную силу Рц, приложенную в центре тяжести С автомобиля, можно разложить на две составляющие: продольную силу Рх и поперечную Ру. Для безопасности движения основное значение имеет сила Ру, стремящаяся вызвать поперечное скольжение и опрокидывание автомобиля.

На рисунке 10а показаны силы, действующие на автомобиль при криволинейном движении по горизонтальному участку дороги. Равнодействующая центробежных сил Рц. приложена к центру тяжести автомобиля. Ее составляющая Ру, перпендикулярная оси автомобиля, стремится вызвать занос или опрокидывание. При неравномерном движении по дуге переменного радиуса сила Ру представляет собой сумму трех составляющих:

. (6)

Второй член формулы (6) зависит от скорости вращения рулевого колеса . При входе в поворот >0, и центробежная сила Рц растет, а при выходе - < 0 и центробежная сила Рц уменьшается, что позволяет увеличить скорость автомобиля.

Третий член формулы (6) увеличивает силу Ру при движении автомобиля с ускорением. При постоянной скорости движения Ру = 0. Для большинства транспортных средств при типовых эксплуатационных режимах Ру и Ру составляют не более 3-5% величины Ру. Поэтому силу Ру при углах поворота <20° определяют по формуле:

. (7)

Показателями поперечной устойчивости автомобиля при криволинейном движении являются максимально возможные скорости движения по дуге окружности и угол поперечного уклона дороги (косогора). Оба показателя могут быть определены из условий заноса или опрокидывания автомобиля.

Рассмотрим устойчивость автомобиля против поперечного скольжения. На автомобиль, движущийся криволинейно по дороге с поперечным уклоном (рис. 10 б), действуют сила тяжести G и поперечная сила Ру.

Для движения без скольжения сумма поперечных сил, действующих на автомобиль, не должна превышать сумму сил сцепления шин с дорогой. Исходя из этого условия, в итоге можно найти максимально допустимую (критическую) скорость, с которой можно вести автомобиль без поперечного скольжения:

Vск = gR (y - tg) / (1 + tgy). (8)

Можно также найти максимальный (критический) угол косогора дороги, по которому автомобиль может двигаться без поперечного скольжения:

tgск = (gRy - V2) / (gR + V2y). (9)

При движении по прямолинейному участку дороги:

tgск = y. (10)

Согласно формулам (8) и (9) движение автомобиля устойчивее при больших значениях y и R и малых величинах V и .

Для повышения безопасности на дорогах, предназначенных для скоростного движения, все левые повороты имеют односкатный профиль - вираж. На вираже проезжая часть и обочины имеют поперечный уклон, направленный к центру закругления. Силы Рysin и Gcos при этом имеют направление, противоположное показанному на рисунке 8б, что повышает поперечную устойчивость автомобиля.

Поперечный уклон виража увеличивают при уменьшении радиуса кривой. Согласно СНиП при радиусе кривых 1000 м поперечный уклон виража должен составлять 0,02, а при радиусе кривых менее 600м-0,6. На скользкой дороге автомобили, движущиеся с малыми скоростями, могут сползать вниз по крутому спуску виража. Поэтому в районах с частыми гололедицами поперечный уклон проезжей части не должен превышать 0,04 независимо от радиуса кривой.

Наличие виражей, даже на дорогах, имеющих кривые больших радиусов, положительно влияет на состояние водителей, способствуя более уверенному вождению автомобиля при криволинейном движении. Поэтому в ряде государств виражи считаются обязательным элементом дорог.

При левом повороте автомобиля поперечные силы Рycos и Gsin, складываясь, могут также вызвать опрокидывание автомобиля. В начале опрокидывания колеса, внутренние по отношению к центру поворота, отрываются от дороги и вертикальные реакции на них равны нулю. Решая уравнение моментов сил относительно оси, проходящей через контакты шин внешних колес, и подставив вместо силы Ру ее значение по формуле (7), находим максимально возможную (критическую) скорость, с которой можно вести автомобиль без угрозы опрокидывания:

Vопр = (0.5B - tghц) / (hц + 0.5Btg)gR. (11)

Аналогично можно определить величину максимально допустимого (критического) угла косогора, по которому автомобиль может двигаться без опрокидывания:

tgопр = (0.5BgR - V2hц) / (hцgR + 0.5V2B). (12)

При движении по прямолинейному участку:

tgопр = B / (2hц). (13)

Устойчивость автомобиля против опрокидывания возрастает с увеличением колеи В автомобиля и радиуса R, а также при снижении центра тяжести и уменьшении угла косогора.

Выше было принято, что автомобиль представляет собой твердое тело. В действительности автомобиль представляет собой сложную систему масс с шарнирами и упругими связями. В данном случае получаем:

, (14)

где кр - коэффициент, учитывающий поперечный крен подрессоренных масс из-за деформации упругих элементов подвески (рессор, шин). Для грузовых автомобилей и автобусов кр =0,85..0,95.

Согласно формуле (11) устойчивость автомобиля в случае возможного опрокидывания выше на дорогах с пологими поворотами, при низком расположении центра тяжести и широкой колее (В). Опрокидывание автомобиля может произойти в результате непогашенного заноса, в случаях наезда на препятствие или съезда его с полотна дороги.

4. Управляемость автомобиля и безопасность движения

Движение системы «водитель - автомобиль» считается устойчивым, если при воздействии на автомобиль ограниченных по величине возмущающих воздействий, его отклонения от заданного закона движения не превысят допустимых на определенном отрезке величин. В автомобилестроении под управляемостью понимается устойчивость движения системы «водитель-автомобиль», а под устойчивостью собственная устойчивость автомобиля как объекта управления.

Закон движения характеризуется траекторией и скоростью движения автомобиля. Траектория и допустимые отклонения от нее определяются планом дороги, шириной проезжей части, габаритами самого автомобиля и габаритами других транспортных средств, размещением их на проезжей части.

Управляемость оценивают по соответствию параметров движения автомобиля воздействиям водителя на рулевое управление. При различных воздействиях степень соответствия может быть различной, что затрудняет выбор единого критерия для комплексной оценки управляемости автомобиля в эксплуатационных условиях.

Поворачивая рулевое колесо, водитель задает новое направление движению автомобиля. При плохой управляемости автомобиля действительное направление движения не совпадает с желательным и необходимы дополнительные управляющие воздействия со стороны водителя. Это приводит к «рысканию» автомобиля по дороге, увеличению динамического коридора и утомлению водителя. При особенно неблагоприятных условиях плохая управляемость может явиться причиной столкновения автомобилей, наезда на пешехода или выезда за пределы дороги.