Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инструментальный контроль как средство повышения активной безопасности автотранспортных средств
1.1. Цели и задачи инструментального контроля 8
1.2. Нормативные документы, регламентирующие уровень активной безопасности АТС 11
1.2.1. Анализ отечественных и международных нормативных документов, регламентирующих требования к тормозным системам АТС по условиям безопасности 12
1.2.2. Требования нормативных документов к распределению тормозных сил по осям автомобиля 14
1.2.3. Требования к тормозным системам АТС в эксплуатации 16
1.3. Анализ дефектов, выявленных при проверке технического состояния АТС на станции инструментального контроля ГоСт АВТО-1 19
1.3.1. Статистические характеристики тормозной эффективности автобусов ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля 19
1.3.2. Статистические данные по дефектам тормозных систем при проверке технического состояния автобусов 30
1.4. Факторы, влияющие на безопасность движения 34
1.5. Цели и задачи исследования 38
Глава 2. Разработка математической модели для оценки тормозных свойств автотранспортных средств..: 42
2.1. Математическая модель для оценки распределения тормозных сил по осям АТС 42
2.1.1. Требования к математической модели 42
2.1.2. Математические модели элементов тормозной системы с пневмогидравлическим приводом 43
2.1.3. Методика определения характеристик реализуемого сцепления автобуса с пневмогидравлическим приводом тормозной системы 52
2.1.4. Исходные данные, необходимые для расчета характеристик реализуемого сцепления 54
2.2. Математическая модель для определения показателей эффективности торможения АТС с пневмогидравлическим приводом тормозной системы 56
2.2.1. Фазы при торможении 57
2.2.2. Определение тормозного пути и установившегося замедления 59
2.2.3. Методика определения показателей эффективности торможения 62
2.3. Математическая модель для оценки устойчивости автомобиля при неравномерном действии тормозных сил 65
2.4. Расчет показателей эффективности торможения 75
Глава 3. Выбор и обоснование диагностических параметров оценки технического состояния тормозных систем 81
3.1. Обоснование диагностических параметров оценки технического состояния тормозной системы с пневмогидравлическим приводом 81
3.2. Разработка методики оценки эффективности тормозных систем автобусов ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля 86
Глава 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований тормозных систем автобусов семейства ПАЗ 108
4.1. Требования к проведению испытаний 109
4.2. Методы испытаний 111
4.2.1. Методика стендовых испытаний 112
4.2.2. Методика дорожных испытаний 115
4.3. Определение выходных характеристик тормозной системы автобуса ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля 119
4.3.1. Определение выходных характеристик автомобиля ПАЗ-3205 120
4.4. Проверка на адекватность расчетно-экспериментального метода реальному процессу торможения 126
4.5. Устойчивость автомобиля при неравномерном действии тормозных сил 128
4.6. Проверка разработанной методики оценки технического состояния тормозных систем в реальных условиях работы линии инструментального контроля 133
Общие выводы 147
Библиографический список 150
Приложение 161
- Нормативные документы, регламентирующие уровень активной безопасности АТС
- Математическая модель для определения показателей эффективности торможения АТС с пневмогидравлическим приводом тормозной системы
- Разработка методики оценки эффективности тормозных систем автобусов ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля
- Определение выходных характеристик тормозной системы автобуса ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля
Введение к работе
Проблема обеспечения безопасности дорожного движения является одной из наиболее сложных и разноплановых. От ее успешного решения в значительной степени зависят функционирование хозяйственных структур, жизнь и здоровье населения страны. На решение данной проблемы направлен Федеральный закон РФ "О безопасности дорожного движения", "Положение об обеспечении безопасности дорожного движения в предприятиях, учреждениях, организациях, осуществляющих перевозки пассажиров и грузов" и другие нормативные акты. В ряду мероприятий, направленных на повышение безопасности дорожного движения, важное место занимает обеспечение высокого уровня безопасности транспортных средств, участвующих в дорожном движении.
В 90-х годах возникли предпосылки, ведущие к снижению уровня безопасности автотранспортных средств. Произошедшее разукрупнение предприятий автомобильного транспорта, появление большого количества мелких предприятий и частных владельцев, занимающихся перевозками пассажиров и грузов, послужило причиной резкого снижения объемов и качества диагностирования и технического обслуживания транспортных средств. Наметился отказ от использования накопленного научно-технического и производственного потенциала. В сфере производства происходит снижение контроля качества выпускаемых в нашей стране автомобилей и комплектующих. Из-за рубежа ввозится большое количество подержанных автомобилей.
По этим причинам произошло увеличение числа ДТП, количества погибших и раненых, связанные с неудовлетворительным техническим состоянием транспортных средств. По данным специальных исследований доля ДТП по причинам технической неисправности транспортных средств достигает 15 %. Таким образом, обеспечением требуемого уровня надежности узлов и систем автомобиля, влияющих на безопасность движения, можно добиться существенного снижения аварийности.
Действующая в настоящее время в России система периодических технических осмотров не позволяет в достаточной степени оценить состояние узлов и систем автомобиля, влияющих на безопасность движения. Так в развитых странах мира в результате технического осмотра отстраняется от эксплуатации более 20 % автомобилей, в нашей стране - от 9 до 14 %. В период проведения технических осмотров снижение количества ДТП с участием неисправных автомобилей достигает 25 - 40 %, в нашей стране снижение аварийности практически не происходит [31]. Такого рода данные говорят о несовершенстве системы технического осмотра в нашей стране.
Решить указанную проблему призвана вводимая система инструментального контроля технического состояния автотранспортных средств. Введение данной системы в г.г. Москве и Н. Новгороде позволило выявить ряд существенных недостатков, требующих неотложного устранения: уровень конструктивной и эксплуатационной надежности отечественных автомобилей не соответствует предъявляемым к ним требованиям; отставание развития системы автосервиса; при оценке состояния тормозных систем контролируются не все параметры, предусмотренные ГОСТ Р 51709-2001; инструментальный контроль не позволяет выявить ряд неисправностей, влияющих на безопасность движения.
Для устранения выявленных недостатков необходим глубокий научный анализ и длительные исследования. Одним из направлений исследований является разработка и внедрение методов и средств оценки тормозной эффективности автомобилей, находящихся в эксплуатации, и выявления неисправностей тормозных систем.
Научная новизна работы заключается в разработке для АТС, оборудованных тормозной системой с пневмогидроприводом или пневмоприводом: нового показателя устойчивости автомобиля при стендовых испытаниях - коэффициента бортовой неравномерности тормозных сил АТС; нового оценочного параметра технического состояния тормозной системы - силового передаточного числа привода, исключающего влияние состояния шин и роликов тормозного стенда на результаты проверки технического состояния тормозной системы АТС; методики оценки распределения тормозных сил по осям АТС, позволяющей прогнозировать устойчивость и управляемость автомобиля при торможении; методики прогнозирования тормозных свойств АТС, базирующейся на параметрах, полученных при инструментальном контроле; методики оценки запасных тормозных систем автомобилей отечественного и зарубежного производства; расчетно-экспериментальной методики оценки эффективности и устойчивости АТС при торможении, базирующейся на параметрах, полученных при инструментальном контроле; алгоритмов поиска и локализации неисправностей в пневмогидрав- лическом приводе тормозной системы.
Нормативные документы, регламентирующие уровень активной безопасности АТС
Широкое использование автомобильного транспорта повлекло за собой возникновение целого ряда проблем. Наряду с аспектами энергетического кризиса и отрицательным воздействием на окружающую среду, следует отметить одну из важнейших проблем автомобильного транспорта - обеспечение безопасности на дорогах, которая в значительной мере зависит от совершенства и технического состояния автомобильных тормозных систем. Поэтому существенное место в нормативных документах, касающихся тормозных систем автомобилей, занимают требования по обеспечению безопасности автотранспортных средств (АТС).
Требования к АТС по условиям безопасности можно разделить на требования, предъявляемые к новым и вновь проектируемым АТС (сертификационные), и требования, предъявляемые к АТС, находящимся в эксплуатации. Как правило, эксплуатационные требования предусматривают снижение тормозных свойств АТС в эксплуатации и содержат менее трудоемкие методы испытаний, чем сертификационные требования.
Анализ отечественных и международных нормативных документов, регламентирующих требования к тормозным системам АТС по условиям безопасности
Во всех странах с развитой автомобильной промышленностью существуют нормативные документы, содержащие требования к тормозному управлению автотранспортных средств. Данные требования разрабатывались с учетом эксплуатационных свойств АТС, а также с учетом условий эксплуатации в этих странах.
Стандарты США базируются на соответствующих методиках и стандартах SAE (общества инженеров автомобилистов). В американском стандарте FMVSS - 105а - 1975 изложены методы испытаний тормозных систем с гидроприводом. Согласно данному стандарту автомобиль с полной массой и разогретыми тормозами должен совершить серию торможений с начальных скоростей 48, 96 км/ч и со скорости на 6 - 12 км/ч меньше максимальной. При этом регламентируется усилие на педали и тормозной путь. Испытания порожнего автомобиля проводятся при 6-кратном торможении со скорости 96 км/ч.
Стандарт FMVSS - 121- 1975 [93] определяет требования к тормозным системам с пневмоприводом. Стандарт содержит единые нормативы, как для порожнего, так и для груженого автомобилей и имеет укрупненную классификацию: 1 категория - грузовые автомобили и автобусы; 2 категория - автопоезда. Испытания рабочей тормозной системы проводятся при коэффициенте сцепления шин с дорогой равном 0,81 и 0,3. В ходе испытаний особое внимание уделяют времени срабатывания и времени растормаживания тормозного привода. Время срабатывания не должно превышать 0,25с при давлении в ресивере 700 кПа и повышении давления в тормозных камерах от 0 до 420 кПа. Время растормаживания не должно превышать 0,5с при падении давления в тормозных камерах от 665 кПа до 35 кПа.
Шведский стандарт Б-18 [94] содержит требования о необходимости автоматической компенсации износа трущихся поверхностей тормоза или, по крайней мере, предупредительной сигнализации. Стандарт Б-18 предусматривает более жесткие испытания по восстановлению эффективности мокрых тормозов, чем стандарт США БМУББ - 105а—1975, но уступает по таким показателям, как энергоемкость тормозов и время наполнения ресиверов, стандарту БМУЯЗ - 121-1975.
Большое внимание уделено требованиям к тормозным системам в ФРГ. Стандарт ФРГ Б УТЮ [65] содержит методы проверки тормозных систем как новых, так и находящихся в эксплуатации автотранспортных средств. Критерием оценки эффективности торможения служит среднее замедление за цикл. На его величину влияют факторы, связанные со временем запаздывания привода и - временем нарастания кривой замедления. Однако непосредственно во время испытаний определить значение среднего замедления невозможно. Поэтому при испытаниях транспортных средств определяют зависимость текущего показателя эффективности (замедления или тормозной силы) от времени при регламентированном усилии на органе управления 784 Н в процессе полного торможения при холодных тормозных механизмах и в режиме частичных торможений для нагретых тормозов [74, 83].
Развитие международных перевозок грузов и пассажиров потребовало унификации правил дорожного движения и норм безопасности. Вследствие этого в рамках Комитета по внутреннему транспорту ЕЭК ООН 20 марта 1958 года в Женеве было заключено соглашение о принятии единообразных условий официального утверждения и о взаимном признании официального утверждения предметов оборудования и частей механических транспортных средств (Правила № 13).
Математическая модель для определения показателей эффективности торможения АТС с пневмогидравлическим приводом тормозной системы
Основными показателями эффективности торможения по ГОСТ Р 51709-2001 являются тормозной путь б т или установившееся замедление ]уст и время срабатывания тормозной системы /ср. С целью оценки соответствия автобуса требованиям стандарта рассмотрим процесс торможения на сухом горизонтальном асфальтобетонном покрытии. Для данных условий коэффициент сцепления в продольной движению плоскости принимается равным 0,7-0,75. В расчете показателей эффективности торможения приняты следующие допущения: - сила сопротивления качению колес постоянна и равна силе сопротивления их вращению; - действием силы сопротивления воздуха и приращением массы автобуса за счет инерции вращающихся масс пренебрегаем. При расчете используем динамическую характеристику пневматической части привода тормозов - изменение давления в тормозных камерах в зависимости от времени. Примерный вид динамической характеристики привода рабочей тормозной системы приведен на рис. 2.9. 2.2.1. Фазы при торможении Динамическую характеристику можно разделить на пять фаз (см. рис. 2.9). Первая фаза - от начала воздействия на педаль тормоза до времени запаздывания появления давления в тормозных камерах передней оси. Вторая фаза - от до времени появления давления в тормозных камерах задней оси. Третья фаза - от 1з2 до момента времени /з, когда давление в тормозных камерах передней оси принимает установившееся значение. Четвертая фаза характеризуется нарастанием давления в тормозных камерах задней оси до установившегося значения.
В пятой фазе давление в тормозных камерах постоянно. Фаза 1. В первой фазе, с учетом принятых допущений, на автомобиль действуют только силы сопротивления качению колес. Так как величина этих сил принята постоянной, то замедление автомобиля также постоянно Рис. 2.9. Примерная динамическая характеристика пневматической части привода рабочей тормозной системы автобуса Фаза 2. Замедление во второй фазе может быть определено по выражению: где ЯХ1 - текущее значение тормозной силы на передней оси. Текущее значение тормозной силы на передней оси определяется с учетом динамической характеристики привода где рвл _ давление, при котором колеса одной из осей находятся на грани блокирования, или давление, соответствующее давлению в питающей части привода, если колеса не доходят до грани блокирования. 3, 4 и 5 фазы. В третей, четвертой и пятой фазах на АТС действуют силы сопротивления качению колес и тормозные силы. Текущее значение замедления определяется по выражению: а где Ях2 - текущее значение тормозной силы на задней оси-. Текущее значение Ях2 определяется аналогично текущему значению тормозной силы на передней оси: Для всех пяти фаз торможения справедливо дифференциальное уравнение Фаза 1. Подставляя выражение (2.18) в дифференциальное уравнение (2.22), получим: Разделяя переменные и интегрируя левую часть в пределах у0 т уь а правую 0 ч- зЬ получим формулу для определения скорости в конце первой фазы где у0 - начальная скорость автобуса. Заменив в формуле (2.24) на получим зависимость скорости автобуса от времени в первой фазе Учитывая, что V - — формула (2.25) превращается в дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными: интегрируя которое в заданных пределах (для левой части 0 ч- 5ь для правой 0 -г получим путь пройденный автобусом в первой фазе и зависимость пройденного пути от времени в первой фазе Фаза 2. Использование частного интегрирования при определении скорости и пройденного пути во второй - четвертой фазах затруднительно по следующим причинам: - изменение давления в пневмоприводе рабочей тормозной системы происходит по нелинейному закону; - коэффициент преобразования РТС зависит от углового положения рычага РТС, который в свою очередь изменяется при изменении величины замедления автобуса. Поэтому применен метод приближенного интегрирования, который позволяет с достаточной точностью (с учетом принятых ранее допущений) определять при торможении скорость, пройденный путь и замедление в любой момент времени. Кроме того, не потребуется заранее определять продолжительность каждой фазы торможения.
Разработка методики оценки эффективности тормозных систем автобусов ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля
Результаты инструментального контроля показали, что большое количество автобусов не удовлетворяет нормируемой ГОСТ Р 51709-2001 величине общей удельной тормозной силы, а также по коэффициенту неравномерности тормозных сил на колесах осей. Это подтверждается статистическими данными, приведенными в виде гистограмм распределения общей удельной тормозной силы и коэффициентов неравномерности тормозных сил колес осей (рис. 1.5 - 1.9). Приведенные гистограммы построены по результатам инструментального контроля 2144 автобусов ПАЗ- 3205 и ПАЗ-З205я за период с 01.01.1998 г. по 30.09.2001г. на станции ГоСтАВТО-1 Нижегородского отделения Российской транспортной инспекции. Величины предельно допустимых значений общей удельной тормозной силы регламентированы различными нормативными документами (см.табл.3.1.) [22].
Общая удельная тормозная сила ут является основным показателем и зависит от результатов измеренных на стенде тормозных сил. Максимальные значения тормозных сил при испытаниях на силовых стендах ограничиваются коэффициентом сцепления шины с поверхностью роликов. Для имеющихся тормозных стендов различных фирм коэффициенты сцепления шин с роликами не одинаковы. В работе [1] приводится анализ коэффициента сцепления шин с роликами различных стендов отечественного и зарубежного производства (табл.3.2.).
В процессе эксплуатации стенда паспортные значения уменьшаются по мере износа поверхности роликов и один и тот же автомобиль, прошедший инструментальный контроль на стендах разных изготовителей, может иметь разные значения по эффективности. В реальных условиях работы станций инструментального контроля, при смене погодно- климатических условий, часто наблюдаются случаи проверки автомобилей с мокрыми шинами. По требованиям ГОСТ Р 51709-2001 (п.5.1.2.2) шины проверяемого на стенде АТС должны быть чистыми и сухими. Чтобы обеспечить заложенное требование, необходимо иметь установки для сушки шин и роликов, что явно снизит производительность линий инструментального контроля и является экономически нецелесообразным. В качестве примера приведем результат стендовых испытаний при инструментальном контроле автобуса ПАЗ-3205 с мокрыми и сухими шинами (табл.3.3).
Очевидно влияние погодно-климатических условий на результаты инструментального контроля. В условиях массовых плановых и годовых технических осмотров необходимо исключить влияние погодно- климатических условий на результаты испытаний автотранспортных средств на тормозных стендах. Вышесказанное о влиянии коэффициента сцепления поверхностей роликов стендов на результаты измерений подтверждают статистические данные проверок автомобилей на стендах различных производителей (табл. З.5.).
Из приведенных данных следует, что процент проверенных и удовлетворяющих требованиям ГОСТ 25478-91 автомобилей на стенде значительно выше, чем при проверке на стенде СТС 2.
Таким образом, величины нормативов эффективности тормозных систем автомобилей при проверке на силовых стендах не согласованы с техническими возможностями тормозных стендов. В связи с этим возмож ны следующие пути решения указанной проблемы: - разработка стендов, обеспечивающих высокое и стабильное сцепление шин с поверхностью роликов; - применение догружающих устройств для достижения максимальных тормозных сил; - пересмотр требований к тормозным системам АТС, находящихся в эксплуатации, с учетом возможностей тормозных стендов; - разработка специальных методик оценки эффективности тормозных систем автомобилей по результатам измерений тормозных сил на существующих стендах.
Очевидно, что наиболее экономически целесообразным является последний путь - разработка методик по оценке эффективности тормозных систем автомобилей, которые позволяют исключить влияние указанных факторов на результаты проверки.
При анализе результатов инструментального контроля было замечено, что большинство автомобилей не удовлетворяют нормативным документам из-за преждевременного блокирования одного из колес проверяемой оси, т.е. из-за низкого сцепного веса колеса с поверхностью ролика стенда (мокрые шины, износ поверхностей роликов, износ протектора шины). Т.е. мы оцениваем не эффективность тормозной системы, а сцепные свойства шин. Поэтому предлагается следующая методика оценки эффективности тормозных систем с использованием нового оценочного параметра - силовое передаточное число привода тормозной системы (рис.3.2). Следует отметить, что силовое передаточное число не зависит от нагрузки и состояния шин к поверхности силовых роликов стенда. Из рис.3.2 находим где Ях - тормозная сила на оси; Я 0 - сила сопротивления свободному вращению колес оси; Рптах - максимальное усилие на педали, при котором прекращается рост давления на выходе из тормозного крана (находится по статистической характеристике тормозного крана); ЛРП - усилие на педали, при котором появляется тормозная сила на колесах оси.
Определение выходных характеристик тормозной системы автобуса ПАЗ-3205 по результатам инструментального контроля
Испытания по проверке эффективности торможения для автотранспортных средств, находящихся в эксплуатации, необходимо проводить, руководствуясь требованиями ГОСТ Р 51709 - 2001. Данный документ предписывает для оценки эффективности тормозной системы проведение дорожных или стендовых испытаний и содержит следующие требования к проведению испытаний: 1. Автотранспортное средство подвергают испытаниям при полной массе или в снаряженном состоянии с учетом массы водителя и одного пассажира (испытателя) при «холодных» тормозных механизмах; 2. Шины автотранспортного средства должны быть чистыми и сухими; 3. Испытания проводят с отсоединенным от трансмиссии двигателем; 4. Дорожные испытания проводят на прямой, ровной, горизонтальной, сухой дороге с цементо- или асфальтобетонным покрытием, не имеющим на поверхности масла, сыпучих и других материалов. Торможение рабочей тормозной системой осуществляется в режиме экстренного, полного торможения. Время воздействия на орган управления тормозной системы не должно превышать 0,2с; 5. Во время испытаний при торможении не допускается корректировка траектории движения АТС (если этого не требует обеспечение безопасности испытаний); 6. Погрешность измерений не должна превышать при определении: тормозного пути - ±5,0 %; начальной скорости торможения - ±1,5 км/ч; тормозной силы - ±5,0 %; силы на органе управления - ±5,0 %; времени срабатывания тормозной системы - ±0,03 с; времени запаздывания тормозной системы - ±0,03 с; установившегося замедления - ±4,0 %; 7. Во время испытаний проводят не менее двух измерений определяемых параметров.
Проверка рабочей тормозной системы Показателями эффективности торможения при проведении дорожных испытаний являются значения тормозного пути и установившегося замедления. Дорожные испытания проводят путем торможения АТС рабочей тормозной системой с начальной скорости 40 км/ч и силой на органе управления не более 686 Н (70 кгс) - для АТС за исключением категории Мь Показателями эффективности торможения при стендовых испытаниях является значения времени срабатывания тормозной системы и общей удельной тормозной силы. Проверка стояночной тормозной системы Стояночная тормозная система для АТС разрешенной максимальной массы должна обеспечить значение общей удельной тормозной силы не менее 0,16 или неподвижное состояние АТС на опорной поверхности с уклоном не менее 16 %. Для АТС в снаряженном состоянии при проверке на стендах стояночная тормозная система должна обеспечить расчетную удельную тормозную силу Уст = 0,6 М20 / м0, где М2о - масса, приходящаяся на тормозящую ось; М0 - снаряженная масса АТС, или должна обеспечить неподвижное состояние АТС на поверхности с уклоном не менее 23 % для АТС категорий М1 , М2 и М3. Проверка запасной тормозной системы Запасная тормозная система, снабженная независимым от других тормозных систем органом управления, должна обеспечивать удельную тормозную силу ут 0,255 для автомобилей категории М2 и Мз (автобусы) при стендовых испытаниях, или в дорожных условиях должна обеспечить тормозной путь Эт 30,6 м. Начальная скорость торможения при проверках в дорожных условиях - 40 км/ч, усилие на органе управления не более 589Н (для АТС с ручным управлением запасной тормозной системой). В дорожных условиях допускается определять эффективность запасной тормозной системы по установившемуся замедлению (]уст 2,5м/с ) и времени срабатывания тормозной системы, которое должно быть не более 0,8с при усилии на органе управления не более 589 Н. Расчетно-экспериментальный метод определения характеристик реализуемого сцепления и показателей эффективности торможения (тормозного пути и установившегося замедления) предполагает получение в стендовых условиях диагностических параметров, определенных в главе 3, и параметров, необходимых для расчета по предлагаемым методикам. Для получения указанных параметров необходимо разработать последовательность выполнения диагностических операций и определить перечень необходимого контрольно-диагностического оборудования. С целью определения соответствия параметров эффективности торможения, полученных расчетно-экспериментальным методом, параметров, полученных в дорожных условиях в соответствии с ГОСТ Р 51709-2001, требуется проведение дорожных испытаний.
