Качусов Александр, Горченко Артем, г. Красноярск, МБОУ ДО ЦДО "Аэрокосмическая школа

А..Горченко, А.А.Качусов

Научный руководитель – С.А.Дмитриев

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования «Центр дополнительного образования

«Аэрокосмическая школа»»,

Красноярск

Экстренное торможение автомобилей

Аннотация

Цель работы: Разработка новой системы экстренного торможения автомобилей. Собрана и проанализирована информация о наиболее тяжелых авариях – «лобовых» столкновений  автомобилей. Наиболее перспективным направлением является повышение эффективности системы торможения автомобилей. В работе предложена новая идея такой системы.

ВВЕДЕНИЕ

Известны случаи тяжелых аварий автомобилей «лоб в лоб». Как правило, в таких авариях люди получают наиболее тяжелые травмы или вообще погибают.   Даже совершенствование дорожных правил, дорог и развязок, повышение дисциплинированности водителей и другие организационно – технические меры не обеспечивают предотвращения подобных аварий. Эксперты считают, что при столкновении автомобиля, движущегося со скоростью 60 км/ч, с пешеходом, шансов выжить нет. [1] Как быть?

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Что известно о таких лобовых столкновениях?

При столкновении двух транспортных средства происходит удар. Удар характеризуется резким изменением скоростей за очень маленький промежуток времени. При этом происходит воздействие довольно больших сил. При столкновении автомобилей все происходит молниеносно, в течение долей секунд. В результате столкновения происходит деформация, а иногда и полное разрушение автомобилей. Основными факторами, которые влияют на степень разрушения, являются конструкция автомобиля и его скорость. По линии удара действует ударный импульс. Направление линии удара во время столкновения автомобилей зависит и от направления, и от скорости движения. Если автомобили двигаются с разными скоростями, то линия удара пройдет под меньшим углом к оси автомобиля с большей скоростью.

Рассмотрим столкновение автомобиля с каким-либо препятствием. Здесь можно выделить 2 этапа: момент соприкосновения, длящийся до момента наибольшего сближения; и момент перемещения автомобиля, длящийся до их разъединения.

На первом этапе кинетическая энергия движения автомобилей переходит частично в потенциальную энергию упругой деформации, в тепловую энергию, и др.

На втором этапе потенциальная энергия упругой деформации уже преобразуется снова в кинетическую энергию автомобиля.

Если рассматривать совершенно неупругие тела, то удар обычно заканчивается на первом этапе. Мы сможем наблюдать продолжение совместного движения как одного целого и с одинаковой скоростью.

Во всем мире инженеры изучают последствия лобовых столкновений легковых автомобилей. Существуют специальные полигоны. На таких полигонах испытывают автомобили на столкновения. Значительные повреждения получают обычно узлы и детали передней части: бампер, капот, крылья, радиатор. Такие повреждения происходят в считанные доли секунд.

Даже если автомобиль движется с умеренной скоростью, кинетическая энергия его велика. При ударе автомобиля в неподвижную прочную стену большой массы, поглощается вся энергия удара. Жесткая стена практически не подвергается деформации. При лобовом столкновении двух одинаковых легковых автомобилей весом по 1800 кг на скорости 50 км/ч получим эффект аналогичный удару о неподвижную стену. А если один автомобиль движется медленнее другого, то суммарная энергия, которая выделяется при столкновении, будет меньше, чем в предыдущем случае. Автомобиль же с меньшим весом или движущейся с меньшей скоростью получит большую энергию, чем та, которой он обладал к моменту столкновения.

Кинетическая энергия при движении автомобиля в момент столкновения превращается в механическую энергию. При столкновении сила удара будет уменьшена в том случае, если автомобиль или его деталь после удара переместятся на возможно большее расстояние.

Качество легкового автомобиля для безопасности пассажиров определяется способностью его поглощать энергию удара. Должна быть обеспечена возможность автомобиля после столкновения пройти такое расстояние, которое ограничивало бы воздействие на водителя и пассажиров. И водитель, и пассажиры после мгновенной остановки в результате столкновения автомобиля еще продолжают двигаться, сохраняя скорость движения. В эти мгновения и получают водитель и пассажиры травмы со смертельным исходом. Это и удар головой о ветровое стекло, и удар грудью о рулевое колесо. [2]

Испытание на уровень безопасности при лобовых столкновениях проводится на основе способа, разработанного Европейской комиссией по усовершенствованию безопасности автомобилей и положенного в основу соответствующих законодательных норм, однако скорость столкновения повышена на 8 км/ч.

Лобовое столкновение выполняется на скорости 64 км/ч (40 миль/ч), когда автомобиль ударяется о деформируемое препятствие, расположенное со смещением, то есть не перекрывающее всю лобовую часть автомобиля.

Перекрытие 40% = 40% ширины самой широкой части автомобиля (без учета наружных зеркал заднего вида)

Результаты измерений с манекенов, используемых для оценки степени защиты водителя и взрослого пассажира на передних сиденьях.

Защита:

Хорошая

Достаточная

Предельно низкая

Слабая

Плохая

При проведении испытаний выполняется смещенное столкновение автомобиля с неподвижным блоком с деформируемой ячеистой поверхностью из алюминия. Такое столкновение предназначено для воспроизведения наиболее распространенных типов дорожных аварий с тяжелыми травмами или смертельным исходом. Имитируется лобовое столкновение с другим автомобилем сопоставимой массы. В большинстве лобовых столкновений удар приходится лишь на часть лобовой поверхности автомобиля. При смещенном столкновении воспроизводится удар между половинами кузовов автомобилей по ширине. В наших испытаниях воспроизводится удар 40 процентов ширины кузова автомобиля о препятствие. Лицевая часть препятствия выполнена деформируемой, чтобы воспроизвести деформируемость конструкции кузова реальных автомобилей. Данное испытание представляет собой жесткую проверку ударопрочности автомобиля на деформацию кузова в пассажирский салон.

Контакты водителя и пассажиров с выступающими частями пассажирского отсека — основная причина серьезных травм и гибели водителя и взрослых пассажиров, пристегнутых ремнями безопасности. Скорость выполнения испытания (64 км/ч) воспроизводит условия столкновения автомобилей, движущихся со скоростью около 55 км/ч. Разница этих скоростей обусловлена величиной энергии, поглощаемой деформируемыми лобовыми частями автомобилей. Исследование ДТП показало, что такая скорость столкновения охватывает значительную часть аварий с серьезными травмами и смертельным исходом. Предотвращение деформации кузова в салон минимизирует опасность ударов водителя и пассажиров о детали салона, оставляя достаточное пространство для эффективного срабатывания вспомогательной удерживающей системы.

Важной частью вспомогательной удерживающей системы водителя является подушка безопасности, предусмотренная в рулевом колесе. Euro NCAP поощряет конструкции подушек безопасности, обеспечивающие надежную опору для головы водителя без возможности их «продавливания» при ударе. Силы торможения, генерируемые при столкновениях, воздействуют на водителя и пассажиров, пристегнутых ремнями безопасности, через вспомогательную удерживающую систему. Euro NCAP поощряет внедрение в конструкцию преднатяжителей ремней безопасности, ограничителей нагрузки и подушек безопасности двухступенчатого срабатывания, способствующих демпфированию сил, воздействующих на водителя и пассажиров. Кроме того, такие устройства помогают предотвращать ситуации непосредственного удара грудной клеткой о рулевое колесо.

Вспомогательная удерживающая система большей части автомобилей не обеспечивает защиту коленей водителя и переднего пассажира от ударов о переднюю панель салона. Euro NCAP поощряет удаление опасных конструкций из зон возможного травмирования коленей. Мощные силы, воздействующие на колени, могут вызвать травмы не только коленей, но и передаться на бедра, тазобедренные суставы и кости таза. Эти опорные элементы человеческого скелета подвержены тяжелым травмам с потерей трудоспособности и длительным сроком лечения.

Современная конструкция автомобиля не предусматривает защиту ног водителя и пассажиров от травм в результате контактов со стенками пространства для ног. Для сведения травматизма к минимуму Euro NCAP поощряет конструкции, уменьшающие деформацию кузова в салон в зоне пространства для ног, а также деформацию педалей управления автомобилем. [3]

Тяжелые последствия лобовых столкновений могли бы быть существенно уменьшены, если бы тормозной путь автомобиля был бы существенно короче, чем существующий.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль с момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки. От чего он зависит? Естественно, от времени срабатывания тормозной системы, а также от начальной скорости движения и максимального замедления, которое может развивать автомобиль.

Первое слагаемое говорит о том, что после нажатия на педаль тормоза автомобиль начнет замедляться не сразу, а через некоторое время. Для автомобилей с гидроприводом тормозов (все легковые и часть грузовых) это время составляет 0,1-0,3 с, а для машин с пневмоприводом (грузовики средней и большой грузоподъемности) – 0,3-0,5 с. Еще некоторое время (0,36-0,54 с) понадобится для нарастания тормозного усилия от нуля до максимума. Во второе слагаемое скорость входит «в квадрате». Это значит, что если скорость увеличить вдвое, тормозной путь увеличится в четыре раза!

Хотя замедление автомобиля зависит от конструкции и исправности тормозных механизмов, также на него влияет состояние шин и амортизаторов (с неисправными амортизаторами колесо не может на неровностях сохранять постоянный контакт с дорогой).

Коэффициент сцепления с поверхностью зависит от шин и состояния дорожного покрытия. На величину замедления влияет тип шины (зимняя или летняя), ширина и рисунок протектора, степень его износа. В ходе тестирований различных шин было установлено, что тормозной путь одних и тех же машин с шинами разных производителей может отличаться на несколько метров. Об изменении тормозного пути в зависимости от дорожного покрытия и говорить нечего, достаточно сравнить сухой асфальт и лед.

Кроме тормозного пути, существует понятие остановочного пути. Это длина участка, который пройдет автомобиль с момента обнаружения водителем препятствия до полной остановки.

Другими словами, водитель, увидев какое-либо препятствие, должен осознать опасность, принять решение об остановке или замедлении скорости, перенести ногу с педали газа на педаль тормоза и нажать ее. На это уходит от 0,3 до 1,7 с! Первое число – это показатель спортсменов, второе – неопытного водителя, в некоторых ситуациях оно может быть еще больше – например, водитель испугался, запутался в педалях и т. д.

В теории автомобиля длина тормозного пути описывается (в упрощенном виде) следующей зависимостью:

Sт = Vн х tср + Vн2 / 2aт,

где Vн – начальная скорость движения;

tср – время срабатывания тормозной системы;

aт – замедление автомобиля.

Максимальное замедление, которое может быть достигнуто автомобилем, определяется по формуле

amax= g х µhf,

где g – ускорение свободного падения (примерно 9,8 м/с2);

µhf – коэффициент сцепления шин с дорогой.

Остановочный путь описывается формулой

Sост = Vн х tрв + Sт,

где tрв – время реакции водителя,

St – тормозной путь,

VH – начальная скорость движения.

Из формул следует, что максимальное замедление автомобиля существенно зависит от коэффициента сцепления шин с дорогой.

На рисунке представлены длина тормозного пути в зависимости от начальной скорости и состояния дорожного покрытия.

Рисунок 1. Длина тормозного пути

Ключевой задачей повышения эффективности тормозной системы является следующее:

«Как остановить автомобиль без механической системы на абсолютно скользкой поверхности?»

ИКР: АВТОМОБИЛЬ, НЕ УСЛОЖНЯЯСЬ, НЕ ВЫЗЫВАЯ ВРЕДНЫХ ЯВЛЕНИЙ ТОРМОЗИТ НА АБСОЛЮТНО СКОЛЬЗКОЙ ДОРОГЕ ЗА СЧЕТ РЕСУРСОВ. Ресурсы – бензин, сила взрыва.

В ходе информационного поиска была найдена следующая информация, поддерживающая найденную идею: [4]

Рисунок 2. Автомобиль с реактивным двигателем

Предлагается следующее решение. В корпусе автомобиля под кузовом встроены камеры, в которых происходят в случае возникновения ситуации неизбежного лобового столкновения взрывы горючего автомобиля. Воспламенением управляют автоматическая система. Газы из камер выбрасываются, создавая сильные тормозящие импульсы, гасящие скорость независимо от работы основной тормозной системы автомобиля.  В качестве тормозной системы может быть использованы пиропатроны, которыми выбрасываются катапульты.

Обоснование работоспособности.

Сила реактивного торможения 30 кН меньше, допустимой силы торможения, исходя из 6-кратной перегрузки 90 кН.

Выводы.

1. Собрана и проанализирована информация о наиболее тяжелых авариях – «лобовых» столкновений  автомобилей.
2. Проведен анализ причин аварий. Сформулирована ключевая задача.
3. Предложена новая идея тормозной системы автомобиля, эффективность которой не зависит от коэффициента сцепления шин автомобиля с дорогой.
4. Сделана оценка работоспособности решения. Оценка положительная.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Методология инновационного проектирования : учеб. пособие /  С. А. Дмитриев, О. А. Краев, В. А. Федоров ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2014. – 162 с.