Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы, цель и задачи исследования. 7
Анализ аварийности в РФ и влияния маневра АТС на ее показатели . 7
Обзор исследований устойчивости и управляемости АТС 11
1 История развития теории управляемости и устойчивости АТС 11
2 Современные подходы к проблеме повышения безопасности комплекса «водитель-автомобиль-дорога-среда»
Влияние управляемости и устойчивости автомобиля при маневре на безопасность движения .
1 Устойчивость автомобиля 17
2 Управляемость автомобиля 20
3 Увод эластичного колеса и поворачиваемость автомобиля 21
Нормативные требования и требования безопасности движения к устойчивости и управляемости автомобилей . 26
1 Требования нормативно-технической документации 26
2 Основные направления совершенствования нормативной базы 31
Основные характеристики управляемости и устойчивости ТС и методы их определения . - 33
1 Характеристики реакций автомобиля на поворот рулевого колеса 35
2 Характеристики, определяемые при управлении автомобилем по замкнутой схеме 44
Маневр и его влияние на безопасность движения 48
1 Анализ маневра автомобиля как возможности предотвращения дорожно-транспортного происшествия 48
2 Типы маневров 50
3 Параметры маневра 54 Выводы по главе. Цели и задачи исследования. 59
Теоретический анализ математических моделей криволинейного управляемого движения автомобиля 61
Принципы моделирования динамики автомобиля. 61
Анализ современных направлений и методов моделирования маневра автомобиля. - 63
Описание используемой имитационной модели курсового 69
движения автомобиля и ее адаптация
Теоретические основы имитационной модели курсового движения автомобиля 69
Реализация модели курсового движения автомобиля при выполнении маневра для заданного АТС - 83
Структура и содержание имитационной модели. 87
Выводы по главе. 90
Экспериментальное исследование маневра автомобиля. 91
Описание передвижной дорожно-испытательной лаборатории. 91
Методики проведения испытаний. 97
Тарировка измерительного оборудования. 105
Анализ результатов испытаний и проверка адекватности модели 111
Выводы по главе. 112
Разработка методов и показателей оценки устойчивости и управляемости автомобиля при выполнении маневра 113
Разработка методики оценки управляемости и устойчивости АТС расчетным методом имитационного моделирования испытания «рывок руля» при доводочных испытаниях. 113
Разработка оценочных показателей управляемости автомобиля в эксплуатационных режимах движения 119
Выводы по главе. 123
Разработка методики исследования маневра автомобиля «смена полосы движения» при расследовании и экспертизе ДТП. - 124
Выводы по главе. 140
Общие выводы и заключение. 141
Библиографический список.
- Современные подходы к проблеме повышения безопасности комплекса «водитель-автомобиль-дорога-среда»
- Увод эластичного колеса и поворачиваемость автомобиля
- Основные направления совершенствования нормативной базы
- Характеристики, определяемые при управлении автомобилем по замкнутой схеме
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На безопасность движения оказывают влияние все компоненты комплекса «Ч-А-Д-С»: автомобиль, дорога, окружающая среда, человеческий фактор - водители и пешеходы. В этом смысле безопасность является комплексным качеством, зависящим от всех названных компонентов системы, надежность функционирования которой определяется отказом в любом из ее звеньев. Конечным результатом отказа является дорожно-транспортное происшествие (ДТП).
Одной из основных причин ДТП является потеря устойчивости движения транспортным средством или неудовлетворительными показателями его управляемости, которые могут возникнуть вследствие неспособности водителя оценить складывающуюся обстановку, его недостаточной квалификации, нежелания выполнять правила движения, неудовлетворительного психофизиологического состояния, а также в результате неудовлетворительного состояния транспортного средства, несоответствия характеристик водителя и режимов движения характеристикам транспортного средства в данных условиях движения. В результате потери управления транспортным средством возникает аварийная обстановка - ситуация, при которой ДТП становится неизбежным, так как участники движения не располагают техническими возможностями предотвратить его. При возникновении опасной дорожной ситуации все участники движения должны принимать меры для ее ликвидации и предотвращения назревающего ДТП. Один из способов его предотвращения, которыми располагает водитель, заключается в объезде опасной зоны путем поворота рулевого колеса и смещения автомобиля в поперечном направлении.
В сложившейся экспертной практике возможность объезда до последнего времени рассматривается довольно редко. Это объясняется, с одной стороны, громоздкостью формул, рекомендуемых теорией для расчета криволинейного движения автомобиля. С другой стороны водитель, согласно п. 10.1. «Правил дорожного движения в РФ», «...при возникновении препятствия или опасности
для движения... должен принять меры к снижению скорости вплоть до остановки ТС» [4]. Кроме того, до сих пор не разработана надежная и простая методика обучения водителя, которая позволяла бы ему быстро и оправдано выбирать прием управления, наиболее целесообразный в данной дорожно-транспортной ситуации.
Отсутствие надлежащих указаний в Правилах дорожного движения о возможности применения маневра в опасной обстановке неправомерно сужает диапазон действий водителя по предотвращению ДТП и снижению тяжести его последствий. Вместе с тем Правила и не запрещают его выполнение, и достаточно часто перед экспертами ставится вопрос: «Имел ли водитель техническую возможность избежать наезда, применив экстренный маневр?»
Исходя из указанных предпосылок, становится естественным проведение работы по исследованию влияния использования маневра в опасной дорожной ситуации на безопасность движения. Кроме того, в рамках данной работы будет проведен анализ нормативно-технической документации, регламентирующей требования к устойчивости и управляемости ТС и возможностей их совершенствования. В заключении будут рассмотрены возможности внедрения в практику учебной деятельности автошкол методик подготовки водителей по обучению маневрированию и выработке навыков выбора того или иного способа управления в сложившейся дорожно-транспортной ситуации.
Научная новизна работы будет заключаться в разработке нового подхода к анализу и оценке параметров маневра автомобиля при экспертном исследовании ДТП и при оценке устойчивости и управляемости автомобиля на стадии доводочных испытаний путем широкого использования современных методов имитационного моделирования.
Методы исследования. В диссертационной работе используются основные положения современной теории управляемого движения автомобиля, методы математического моделирования и программирования в среде прикладных пакетов программ, системный и статистический анализ, экспериментальное исследование.
Современные подходы к проблеме повышения безопасности комплекса «водитель-автомобиль-дорога-среда»
Выполнение маневра всегда неразрывно связано с понятием управляемости ТС, а его безопасность с вопросами охранения устойчивости. В этой связи необходимо рассмотреть развитие исследований, связанных с изучением вопросов управляемости и устойчивости автомобиля
В истории развития теории управляемого движения ТС можно выделить три этапа [48]. На первом имел место чисто кинематический подход к вопросам управляемости. Устойчивость же рассматривалась с позиции статики.
На втором этапе (середина двадцатых годов прошлого века) было введено понятие устойчивости автомобиля. Тогда же было открыто и исследовано явление увода шин и связанные с ним понятия «избыточная и недостаточная поворачивае-мость», «критическая скорость». Большой вклад внесли работы Дж. Брулье, М. Олли [51], ЯМ. Певзнер [62, 63], Е.А. Чудаков [94], A.M. Горелик [20]. При дальнейшем развитии вопроса было предложено заменить понятие «поворачивае-мость» «статическим запасом устойчивости», который более информативен. В послевоенные годы получили развитие работы по изучению реакций ТС на внешние возмущающие воздействия. Т.о., к середине 50-х годов была решена задача оценки устойчивости автомобиля с закрепленным рулевым управлением.
Однако автомобилизация, рост скоростей движения автомобилей и связанное с этим повышение числа автомобильных аварий породило проблему безопасности автомобиля и заставляло искать новые решения проблемы управления криволинейным движением ТС. Начался третий этап развития теории управления ТС и в начал 60-х годов резко возросло количество работ по исследованию данного вопроса. Были проведены первые попытки моделирования движения АТС (Л. Сиджел [82]), осознана необходимость исследования траекторной управляемости автомобиля (А.С. Добрин [24, 25]), причем исследования в данном вопросе велись в двух направлениях: определение точности и оценка сложности управления автомобилем. Огромная работа в первом направлении была выполнена под руково дством А.А. Хачатурова [90, 91]. Была всесторонне исследована и проработана модель автомобиля и автомобильной шины. Проведенные исследования существенно расширили возможности изучения расчетным методом влияния конструкции автомобиля на его характеристики как управляемого объекта. Однако в предложенной модели действия водителя описывались передаточной функцией, которая не учитывает психические закономерности и, соответственно, вносит существенную погрешность при анализе траекторной управляемости. Т.о., до сих пор основным методом исследования устойчивости управления при маневрировании остается эксперимент. М.А. Носенков [56], первым предложил наряду с маневром «поворот» исследовать маневр «переставка». Он же предложил в качестве критерия оценки принять предельную скорость выполнения маневра. Далее эти испытания модернизировали введя ограничительный коридор выполнения маневра, что позволило определять потурю устойчивости управления во всем диапазоне скоростей движения. Во втором направлении наиболее важными являются исследования В. Бергмана [97, 98], Л.Л. Гинцбурга [17, 18, 19, 36] и Б.И. Морозова [53, 54]. В частности Л.Л. Гинцбург предложил в качестве измерителя сложности управления при прямолинейном движении характеристику рассеивания отклонений рулевого колеса относительно нейтрального положения.
Большое значение для развития теории имело экспериментальное исследование влияния конструкции подвески на характеристики легкового автомобиля, выполненное под руководством А.С. Литвинова [44, 45, 75, 92]. В монографии А.С. Литвинова [42] рассмотрено влияние большого числа факторов на управляемость и устойчивость. Было обнаружено явление нелинейности уводных характеристик эластичной шины, которое было глубоко теоретически проработано Д.А. Антоновым [5]. В работах Я.Б. Фаробина [87] исследована устойчивость и управляемость колесных машин с неповоротными колесами, сочлененных и многоосных автомобилей. В работах, выполненных под руководством Б.С. Фалькевича [49, 50, 52, [85] исследовалось влияние на устойчивость и управляемость конструктивных особенностей автомобиля. В этом же направлении больших успехов добились за рубежом. Интерес представляют, прежде всего, работы А. Къеза [99, 100], Д.Р. Эллиса [95], М. Митцке [109, 110] и др.
Активная безопасность автомобиля и в настоящее время и вероятнее всего еще довольно долго будет лишь лимитирующим фактором, но отнюдь не главным, в обеспечении БДЦ. В первую очередь, подобная расстановка приоритетов являлась следствием так называемой первичной и исключительной ответственности водителя за безопасность процесса вождения. Это обусловлено, прежде всего, моральным конфликтом возможности передачи ответственности за свою жизнь и жизнь окружающих людей искусственному интеллекту. 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 Расмуссеном [101] (рис. 1.4).
Т.к. 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 подходящую. При этом основное время занимает умственный процесс обработки имеющихся опытных или теоретических знаний, и только 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 же человека на третьем уровне характеризуется рефлекторными, ответными на определённые стимулирующие воздействия механизмами, которые отрабатываются в течении продолжительного времени и возникают автоматически в данной ситуации, не требуя осмысления.
Увод эластичного колеса и поворачиваемость автомобиля
Одним из важнейших свойств АТС, тесно связанным с управляемостью автомобиля является его поворачиваемость. Поворачиваемостъю называют свойство автомобиля изменять направление движения без поворота управляемых колес [7]. Есть две основных причины поворачиваемости: увод колес, вызываемый поперечной эластичностью шин, и поперечный крен кузова, связанный с эластичностью подвески. Соответственно различают шинную и креновую поворачиваемость автомобиля.
Свойство автомобиля менять направление движения из-за увода эластичных шин без поворота управляемых колес называют шинной поворачиваемостъю.
Уводом называют качение колеса под углом к своей плоскости. При действии на колесо с эластичной шиной поперечной силы Ру вектор скорости центра колеса отклоняется от плоскости вращения на некоторый угол 8 — угол увода. Сила Ру и угол увода 8 связаны следующей зависимостью: Ру = кув б, где кув — коэффициент сопротивления уводу, Н/рад. Величина кув зависит от многих факторов, из которых наибольшее значение имеют величина угла увода, вертикальная и касательная силы, приложенные к колесу, и наклон колеса к вертикали.
Под действием боковой нагрузки на автомобиль с эластичными шинами векторы скоростей центра осей отклоняются от плоскости вращения колес на некоторые углы 8] и ( (рис. 1.5). Из-за увода колес передней и задней осей автомобиль приобретает тенденцию смещаться от прямолинейного движения и поворачиваться относительно центра О и расположение которого определяется точкой пересечения перпендикуляров к плоскостям качения колес.
При повороте автомобиля с эластичными шинами центр поворота О і смещается относительно центра поворота автомобиля с жесткими шинами (рис. 1.5). С учетом малости углов поворота и увода можно определить радиус поворота авто L мобиля с эластичными шинами: К = -8х-52 Т.о. траектория движения автомобиля с эластичными шинами может существенно отличаться от траектории движения автомобиля с жесткими шинами. При наличии увода кривизна траектории (как при повороте рулевого колеса, так и при нейтральном его положении) зависит от соотношения углов увода 8] и 82 .
Если S] = 5, то шинную поворачиваемость называют нейтральной. Однако траектория движения автомобиля с эластичными шинами не совпадает с траекторией движения автомобиля, имеющего жесткие шины. При нейтральном положении рулевого колеса под действием боковой силы автомобиль, имеющий эластичные шины, движется поступательно, но под углом к исходному направлению (рис. 1.6,6).
Если S} S2, то шинную поворачиваемость называют недостаточной, так как R3 R (рис. 1.6, а) и для движения автомобиля по кривой с радиусом R управляемые колеса нужно поворачивать на угол больший, чем 0. При 0-0 автомобиль стремится повернуться относительно О], вызывает центробежную силу Рц, поперечная составляющая которой Рцу уменьшает величину боковой силы Ру и увод колес. Следовательно, автомобиль, обладающий недостаточной шинной поворачиваемостью, имеет хорошую курсовую устойчивость.
Если S] 82 , то шинную поворачиваемость называют избыточной, так как R3 R (рис. 1.6, в) и для движения автомобиля по кривой с радиусом R управляемые колеса нужно поворачивать на угол меньший, чем 0. При 0=0 автомобиль, поворачиваясь относительно О], вызывает Рц, поперечная составляющая которой Рцу совпадает по направлению с Ру, увеличивая увод колес и кривизну траектории. Если водитель своевременно не повернет колеса в нужном направлении, то в результате прогрессирующего увода центробежная сила возрастет настолько, что автомобиль потеряет устойчивость.
Таким образом, автомобиль с недостаточной поворачиваемостью более устойчив и лучше сохраняет направление движения, чем автомобиль с избыточной поворачиваемостью.
Основные направления совершенствования нормативной базы
Разработка и совершенствование применяемых в автомобилестроении методов испытаний и оценки устойчивости и управляемости — одни из наиболее сложных проблем повышения уровня активной безопасности АТС. Не в последнюю очередь именно поэтому нормативные, т. е. узаконенные, требования к данным показателям АТС содержатся только в Правилах № 79 ЕЭК ООН. При этом они предусматривают в основном процедуры испытаний по определению стабилизации рулевого управления и усилий на рулевом колесе. Стандарты же ИСО вообще имеют рекомендательный характер и содержат процедуру испытаний лишь для легковых автомобилей и АТС на их базе.
Постепенно отечественная отрасль шла к реализации идеи комплексной оценки параметров устойчивости и управляемости АТС, которая оформилась в виде ОСТ 37.001.471—88 и ОСТ 37.001.487-89. Однако этого оказалось недостаточно. Практика подсказывала, что проблемы устойчивости и управляемости электромобилей, троллейбусов, мотоциклов, полноприводных пол-ноуправляемых легковых автомобилей важны не менее, чем для обычных АТС. В итоге появились соответствующие методики испытаний (РД 37.001.249-92, РД 37.052.296-93, РД 37.052.069-087, РД 37.052.299-93, ОСТ 37.001.519-98). В настоящее время на автомобильном рынке появилось значительное число скоростных автомобилей категорий М, и N, имеющих привод на четыре колеса и, как правило, отличающихся высоким расположением центра масс, специальными шинами и тем, что управляют ими чаще всего молодые неопытные водители. Эти автомобили повсеместно резко увеличили число ДТП. Правительство Великобритании выступило с официальным предложением разработать международный стандарт, касающийся устойчивости автомобилей с колесной формулой 4x4. На это предложение откликнулся НИЦИАМТ [23]. Он представил в КВТ ЕЭК ООН проект Правил ЕЭК ООН "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения ТС категорий Ml и N1 (4 х 4) в отношении устойчивости". Подготовлен также проект Правил "Единообразные предписания, касающиеся официального утвер ждения автоцистерн категорий N и О в отношении их устойчивости против опрокидывания". Кроме того, для внутреннего использования (сертификационные, приемочные, предварительные испытания) НИЦИАМТ совместно с НАМИ подготовил первую редакцию ГОСТ Р "Управляемость и устойчивость АТС. Технические требования и методы». В нем сохранен оправдавший себя принцип моделирования типичных дорожных ситуаций (объезд возникающего на полосе движения препятствия, или "переставка"; вход в поворот малого радиуса, или "поворот"). Рассчитан этот документ на использование измерительно-регистрирующего комплекса, позволяющего отслеживать управляющие действия водителя при движении по размеченным испытательным участкам, что обеспечивает высокий уровень инструментального контроля, уменьшая степень влияния человека на точность и достоверность получаемых результатов.
Проект ГОСТ Р предлагает нормировать устойчивость и управляемость АТС легковых автомобилей типа "минивэн" (вагонной компоновки). Предельные величин усилий на рулевом колесе для большинства современных автомобилей нормативы, установленные Правилами № 19 ЕЭК ООН, по мнению НИЦИАМТа, излишне либеральны, что подтверждает статистика по ДТП. Так предлагается уменьшить эти величины для АТС категории Mi с исправным рулевым управлением с 15 до 8 даН, для категории Nb — с 20 до 15 и для категории N2 — с 25 до 15; при неисправном усилителе — 15 даН (вместо 30), для категории N3 — 30 (вместо 40). Кроме того, чтобы АТС категории М, обеспечить достаточную реакцию со стороны дороги на повороте и при маневрировании, целесообразно регламентировать минимум усилия на рулевом колесе некоторых автомобилей данной категории. Следует отметить также, что и регламентируемые ОСТ 37.001.487—89 величины усилий на руле неподвижного автомобиля требуют корректировки.
Водитель может управлять автомобилем по разомкнутой схеме (без учета сигнала обратной связи) или по замкнутой схеме (с учетом сигнала обратной связи) (рис. 1.8) [14]. Сигнал обратной связи несет информацию о результатах движения. Т.о., при управлении по разомкнутой схеме управляющее воздействие вырабатывается водителем без учета изменяющихся параметров движения. Обычно такое управление имеет место при внезапном изменении обстановки на дороге, внезапном возникновении препятствия. Водитель совершает резкий рывок рулевого колеса, выполняемый с максимально возможной скоростью его поворота, или резко нажимает на педаль тормоза, или выполняет оба этих действия одновременно. В этом случае он как бы является задающим устройством в системе и не выполняет функции регулятора. Такое управление обязательно имеет место в первой фазе любого маневра, вызванного внезапной сменой обстановки.
Характеристики, определяемые при управлении автомобилем по замкнутой схеме
Во время испытаний при управлении автомобилем по замкнутой схеме определяется возможность и надежность управления автомобилем в определенных условиях. Для исследования характеристик управляемости, определяющих активную безопасность автомобиля, следует выбирать для испытаний реальные условия, моделирующие ситуацию, предшествующую ДТП - вход в поворот на высокой скорости, возникновение внезапного препятствия и т.д. Результаты испытаний должны также обладать хорошей воспроизводимостью и иметь объективный характер. Это заставляет строго регламентировать условия проведения испытаний. Обычно это достигается проведением испытаний на стандартно размеченных траекториях - вернее, полосах движения. В НАМИ [76] приняты 3 режима испытаний: "прямая", "поворот" и "переставка", моделирующие движение соответственно по прямому участку дороги, при повороте с радиусом 35 м и при резком объезде препятствия или смене полосы движения. В зависимости от режима соответствующим образом размечается коридор для движения автомобиля (таблица 1.4). Размеры В1 и В2 назначаются с учетом максимальной ширины автомобиля,
ВЗ в зависимости от типа испытаний назначается для "поворота" 3,9 м или 7,8 м, а для переставки - 3,5 м или 7,0 м. В начале участка S2, при испытании "прямая" под правое переднее колесо автомобиля попадает препятствие в виде треугольника с основанием и высотой соответственно 2000 и 80 мм. Испытания на прямой могут проводиться без торможения, в этом случае автомобиль наезжает на препятствие. Во всех остальных режимах испытаний в начале участка S2 водитель быстро освобождает педаль акселератора, а в конце участка начинает торможение.
По результатам испытаний определяются оценочные показатели - характеристики явлений, сопровождающих движение автомобиля на предельной скорости. Показателями для сравнения испытываемых автомобилей являются скорости заноса и опрокидывания и предельная скорость выполнения маневра без выхода за полосу движения.
С точки зрения анализа активной безопасности автомобиля некоторым преимуществом обладают методики, включающие элемент неопределенности в задачу по управлению. Это исключает возможность водителя подготовиться к выполнению маневра, что приближает испытания к реальным ситуациям на дороге и делает результаты испытаний более достоверными. Так существуют методики [116], отличающиеся от "переставки", рассмотренной выше, тем, что выбор направления смены полосы движения задается одним из двух электросигнализаторов, внезапно включаемых на приборном щитке автомобиля при приближении к концу центрального прямолинейного участка, после чего включается магнитофон, регистрирующий параметры движения при выполнении маневра. Ширина всех коридоров одинакова и равна 2,2 м для легкового автомобиля. Оси боковых коридоров смещены относительно центральной на 3,6 м.
Другим видом испытаний с элементом внезапности является маневр по объезду внезапно возникающего препятствия [107]. Препятствия, скрытые экранами, внезапно выдвигаются на полосу движения автомобиля, движущегося со скоростью 60 км/ч. Водитель заранее не знает, какое из нескольких препятствий сработает, поэтому не успевает отреагировать заранее. Результаты испытаний показали, что в зависимости от квалификации водителя время, от появления препятствия до начала действий по объезду составляло от 0,35 до 1,7 с. Это позволяет сделать вывод о том, что эти испытания в первую очередь позволяют оценить реакцию водителя, а затем уже реакции автомобиля при резком управляющем воздействии.
Существует большое количество различных методик, связанных с торможением в повороте, когда водитель выполняет действия, связанные с удержанием автомобиля на траектории или в определенной полосе движения (таблица 1.6) [116].
