Согласно статистике, около 15 % всех дорожно-транспортных происшествий в нашей стране — это опрокидывание транспортных средств, которое может спровоцировать получение более серьезных травм участников (риск летального исхода при переворачивании стоит на втором месте после риска лобового столкновения), при этом может произойти возгорание транспортного средства, нередко происходит отрыв элементов подвески и колес. Опрокидыванием транспортного средства служит причина потери устойчивости как в продольной, так и в поперечной плоскости. Устойчивостью называется совокупность свойств, определяющих критические параметры по устойчивости движения и положения транспортного средства или его звеньев. В меньшей степени происходит продольное опрокидывание транспортного средства, которое может быть вызвано (к примеру), когда сила давления передних колес на дорогу уменьшается до нуля в продольной плоскости относительно задней оси (когда транспортное средство движется на подъем). Также возможно переворачивание автомобиля вперед при резком торможении на крутом спуске, что вызвано короткой базой автомобиля и высоким расположением центра тяжести (рис.1). Вероятность опрокидывания современных автомобилей в продольной плоскости невелика ввиду низкого расположения центра тяжести.
Рис. 1. Продольное опрокидывание автомобиля на спуске во время торможения
Потеря поперечной устойчивости, характеризующей свойство транспортного средства сохранять ориентацию вертикальной оси в поперечной плоскости в заданных пределах, вызывающая опрокидывание автомобиля, может произойти по следующим причинам:
- Высокая скорость движения на крутых поворотах, а также на неблагоустроенных дорогах, где поперечный уклон (рис.2) направлен в сторону, противоположную повороту. Данный фактор, как правило, имеет место быть при повороте транспортного средства налево при правостороннем движении. Согласно ГОСТам и СНиПам, дорожное покрытие должно иметь поперечный уклон для эффективного удаления воды с поверхности с целью предотвращения эффекта аквапланирования транспортных средств, что влечет за собой увеличение поперечной силы при повороте;
Рис. 2. Схема сил, действующих на автомобиль при движении на дороге, имеющей поперечный уклон
- В случае возникновения бокового заноса и резкого его прекращения, которое может быть вызвано упором заднего колеса о камень или другое препятствие. Подобная ситуация происходит, как правило, при потере устойчивости на скользкой дороге с последующим заносом задней части транспортного средства и упором о бордюрный камень;
- Вследствие наезда заднего колеса на бордюрный камень или другое препятствие (как правило, при повороте транспортного средства на небольших скоростях, имеющих высокий центр тяжести);
- Резкий поворот рулевого колеса, провоцирующий изменение направления момента инерции. Подобная ситуация может быть вызвана при возникновении препятствии на пути транспортного средства, провоцирующее резкое изменение траектории его движения в сторону увода от столкновения или наезда на препятствие с последующим возвращением в конечную полосу движения;
- Неравномерное размещение груза в кузове автомобиля, а также его поперечное перемещение при повороте. Неправильное расположение груза в кузове может значительно изменить положение центра тяжести, сместив его как вбок, так и вверх. Характерным примером может служить цистерна, не заполненная целиком жидким грузом. Под влиянием центробежной силы жидкий груз смещается к одной стороне цистерны, центр тяжести смещается вверх и в сторону, а сила тяжести, удерживающая автомобиль от опрокидывания, действует уже не по оси автомобиля, а смещается в сторону перемещения центра тяжести;
- Немало важным фактором служит и сильное порывистое воздействие бокового ветра на крупногабаритное транспортное средство, находящееся на мосту, многополосном шоссе, незащищенном лесополосой отрезке загородных трасс и на дамбе. К примеру, боковой ветер может «выдавливать» автобус с дороги с силой более 1,6 тонны;
- Неисправность элементов подвески и шин транспортного средства;
- Мгновенная разгерметизация переднего колеса. На большой скорости при мгновенной разгерметизации переднего колеса происходит резкий увод транспортного средства, теряя устойчивость, что может привести к опрокидыванию;
- Отрыв колеса во время движения;
- Неодинаковая регулировка колесных тормозов.
Основными мерами, предупреждающими опрокидывание автомобиля, являются:
‒ равномерное размещение и надежное крепление груза в кузове;
‒ снижение скорости при повороте;
‒ плавное торможение;
‒ плавные повороты рулевого колеса.
В примере выше не учитывается ряд факторов, в том числе и то, что кузов автомобиля при движении получает крен, увеличивающий возможность опрокидывания. Большое влияние на опрокидываемость (как уже было сказано выше) оказывает неравномерное распределение груза по ширине кузова. Это особенно может проявляться в автобусах, где стоящие в салонах пассажиры под воздействием центробежной силы перемещаются к наружному (по отношению к центру поворота) борту. Стоит отметить, что чем выше расположен центр тяжести у автомобиля, тем ниже допустимая скорость движения на повороте по условиям опрокидывания. Особенно важно следить за устойчивостью автобуса при большом числе стоящих пассажиров, учитывая, что центр тяжести стоящих пассажиров расположен примерно на расстоянии метра от пола.
На сегодняшний день современное транспортное средство может включать в себя систему ARP (Active Rollover Protection) — система безопасности, предотвращающая переворот (опрокидывание) автомобиля. Данная система является дополнением системы курсовой устойчивости ESP и устанавливается на этапе сборки внедорожников, джипов и SUV (Sport Utility Vehicle). Система ARP предотвращает крен кузова автомобиля еще до того, когда датчики системы курсовой устойчивости зафиксируют опасность, используя при этом также работу системы распределения тягового усилия и ABS. При определении блоком управления ARP нестабильного положения автомобиля происходит подтормаживание наружного колеса. Данная система также может работать в паре с пневматической подвеской (как правило — это автобусы и грузовые автомобили).
Согласно Техническому регламенту о безопасности колесных транспортных средств данная система не является обязательной в конструкции, что дает право выбора ее наличия или отсутствия потенциальному обладателю автомобиля. Все это приводит к тому, что за определение состояния поперечной устойчивости автомобиля отвечает водитель. В критической ситуации (например, при внезапном появлении препятствии впереди едущего транспортного средства) первостепенной задачей водителя будет, конечно же, предупреждение столкновения с возможным изменением траектории своего движения, забывая при этом про изменяющийся момент инерции, который может вызвать опрокидывание.
На сегодняшний день в нашей стране было создано несколько изобретений системы автоматической стабилизации положения транспортного средства, одна из которых предназначена для сохранения вертикального положения остова транспортного средства (колесного трактора). В систему стабилизации входят: стабилизатор маятникового типа, исполнительные гидроцилиндры с запорными клапанами, кран отключения системы стабилизации, делитель потока и контрольные приборы. Агрегаты системы стабилизации размещены в различных местах транспорта и соединены между собой металлическими трубопроводами и шлангами [1, с.266–268].
К недостаткам системы автоматической стабилизации можно отнести: значительный вес ее — около 15 кг, усложнение технического обслуживания, связанное с громоздкостью и установкой дополнительных гидроцилиндров, маслопроводов, распределителя и других деталей, каждый транспорт требует своего набора элементов конструкции.
Известно и другое устройство (авт. св. SU 816849, кл. B62D 49/08), в котором для исключения опрокидывания транспортного средства (например, колесного трактора) содержится датчик углового положения, заполненный электропроводной жидкостью (например, ртутью), в U-образной трубке с боковыми электродами, подключенными к источнику питания (например, генератору), источнику звукового и светового сигнала. Кроме того, в устройстве имеется промежуточное реле, электромагнитные исполнительные силовые элементы соленоиды, сердечники которых механически связаны с педалями муфты сцепления и тормоза посредством двуплечих рычагов. В цепи управления промежуточными реле установлен выключатель.
Это устройство также не лишено недостатков. В устройстве применено вредное для здоровья вещество — ртуть; значительный вес прибора, более 6 кг; большое количество применяемых электроприборов (например, реле и т. п.); снижена функциональная возможность за счет того, что данное устройство работает только в продольной или в поперечной плоскостях; каждый транспорт требует своих приборов и элементов конструкции.
Также существует ряд изобретений, включающих в себя устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства в виде установленного на крыше автобуса антиопрокидывающего узла — штока 5 с упором 6, который выдвигается в сторону опрокидывания на минимальное расстояние в два метра (рис.3). Такая конструкция в первую очередь опасна для пешеходов и других близ находящихся транспортных средств.
Рис. 3. Устройство, предотвращающее опрокидывание автомобиля
Во-вторых, необходимо учитывать допустимую полную массу транспортного средства для выдерживания нагрузки на шток 5, качество дорожного полотна для выдерживания нагрузок на упор 6 и т. д. Расположение на крыше транспортного средства данной системы поднимает центр тяжести, что увеличивает вероятность опрокидывания при изменении поперечной устойчивости.
Исходя из вышеизложенного, следует отметить, что основными задачами по снижению вероятности опрокидывания транспортного средства являются:
‒ независимое от водителя воздействие противодействующих опрокидыванию сил и моментов инерции;
‒ уменьшение высоты центра масс транспортного средства (за счет уменьшения дорожного просвета);
‒ увеличение колеи;
‒ уменьшение угла бокового крена;
‒ применение независимой подвески, обеспечивающей низкое размещение центра масс автомобиля в снаряженном состоянии и относительно небольшое (не более 10–15 %) увеличение высоты центра масс при полной нагрузке;
‒ применение свечной подвески для прицепов, перевозящих тяжелые неделимые грузы (гусеничные машины и др.).
Вышеперечисленные направления особенно актуальны для автомобилей с высоким центром тяжести, но стоит отметить, что мероприятия, направленные на повышение устойчивости автомобиля путем снижения центра тяжести не дают высокого эффекта, в то время как совершенствование элементов подвески значительно улучшает эксплуатационные и эргономические свойства [2]. Подвеска современного автомобиля классифицируется по типу направляющего аппарата (зависимые и независимые), по типу упругих элементов (пружинные, торсионные, рессорные, пневматические и т. д.), а также по способу управления (механические и электронные).
Самым распространенным видом подвески является независимые и пружинные, устанавливаемые на передней оси и зависимые пружинные на задней оси с масляными амортизаторами, которые по эксплуатационным характеристикам уступают газовым. Перегрузка масляных амортизаторов приводит к разрушению кронштейнов крепления и шпилек. Как правило, в автомобилях специального и специализированного назначения не используется регулируемая электронная подвеска с пневматическим упругим элементом, что приводит к снижению устойчивости на дороге, повышению вероятности опрокидывания на повороте, повышая тем самым дискомфортные, а иногда и небезопасные условия для водителя и пассажиров.
Одним из самых распространённых дефектов рессорной подвески является то, что со временем передний и задний мосты перестают быть параллельными друг другу [3]. Это вызвано тем, что у одного из мостов, а иногда и у обоих, ослабевает крепление моста к рессоре. Мост справа или слева немного «уводит» назад, и колесная база одного борта становится немного длиннее, чем у другого. Все это может привести к потере курсовой устойчивости, ухудшению управляемости, изнашиванию покрышек.
Рис. 4. Элементы подвески а/м «ГАЗель»
На основании вышеизложенного можно утверждать, что устанавливаемая нерегулируемая подвеска имеет ряд недостатков, который значительно ухудшает эксплуатационные показатели автомобиля.
Совершенствование элементов подвески, за основу которой можно взять как зависимую, так и независимую многорычажную с последующей заменой масляных и газовых амортизаторов, позволит решить ряд следующих задач:
‒ улучшить условия труда водителей̆, что приведет к повышению безопасности движения вследствие снижения их утомляемости и уменьшению риска возникновения профессиональных заболеваний под воздействием вибраций;
‒ повысить комфортность перевозок пассажиров;
‒ уменьшить динамические нагрузки на транспортное средство со стороны дороги, в результате чего повысится надежность узлов транспортного средства;
‒ уменьшить динамическое воздействие колес на опорную поверхность, что приведет к уменьшению интенсивности износа шин и дорог;
‒ повысить стабильность контакта колес с дорогой̆, в результате чего улучшатся управляемость, и тормозные свойства транспортного средства;
‒ снизить затраты энергии на колебания и увеличить скорость движения, что приведет к повышению топливной̆ экономичности транспортного средства.
В связи с этим проблема повышения виброзащитных свойств подвесок АТС относится к числу важнейших проблем автомобилестроения.
В настоящее время можно выделить четыре основных направления, по которым идет совершенствование подвесок ТС:
1) разработка пассивных подвесок с нерегулируемыми характеристиками для заданных условий эксплуатации;
2) разработка пассивных подвесок с регулируемыми характеристиками в зависимости от режимов нагружения и условий движения;
3) разработка активных подвесок, содержащих элементы (пневматические, гидравлические, электрические), к которым подводится энергия двигателя;
4) разработка гибридных подвесок, содержащих элементы активной и пассивной подвесок.
С технической точки зрения самым оптимальным вариантом улучшения подвески является установка пассивной подвески с регулируемыми характеристиками, управление которыми может быть как ручным, так и автоматическим (рис. 5), а также одно-, двух- и четырехконтурная. При постоянно меняющихся условиях эксплуатации, высоких скоростных режимах рекомендуется устанавливать адаптивное автоматическое управление. Данная подвеска включает в себя пневмобаллоны, ресивер, датчик положения кузова и компрессор [4].
Рис. 5. Установленная пневмоподвеска на автомобиль Peugeot Boxer
Упругим пневмоэлементом в данном случае является исполнительным механизмом подвески, в задачи которой входит регулировка и поддержание клиренса за счет изменения давления воздуха в пневмоэлементах.
Пневмоэлемент может иметь разные исполнения — самостоятельный узел или совмещенный с амортизатором, в котором упругий пневмоэлемент наиболее часто называется пневматической амортизаторной стойкой, которая может быть установлена практически на любой тип подвески. Конструктивно пневмоэлемент состоит из корпуса, штока с поршнем и манжеты.
Компрессор предназначен для подачи сжатого воздуха в ресивер и далее в исполнительные механизмы.
Воздушный ресивер предназначен для осуществления регулировок клиренса в малых пределах без участия компрессора. Также за счет ресивера достигается быстрая и адекватная работа адаптивных подвесок.
Воздушные магистрали являются каналом передачи сжатого воздуха от компрессора к ресиверу и пневмоэлементу.
Электронные датчики позволяют отслеживать такие параметры как положение кузова относительно дороги, наклон кузова, ускорение автомобиля и прочие параметры.
Блок управления предназначен для обработки сигналов датчиков и осуществления автоматической или ручной регулировки подвески.
Принцип ее работы заключается вследующем: при резко меняющимся поперечном положении центра масс и приближении к критическому значению положения кузова (поперечное отклонение) происходит срабатывание электроклапана ресивера посредством установленного датчика положение кузова, в результате чего происходит автоматическое наполнение сжатым воздухом пневмобалона подвески со стороны наклона.
Данная система позволяет улучшить эксплуатационные характеристики автомобиля, улучшая продольную и поперечную устойчивость (исключает проседание и раскачку кузова при нагрузках), повышая тем самым комфорт как водителю, так и пассажирам, а также позволяет снизить затраты на ремонт и обслуживание автомобиля.
Литература:
- Ксеневич И. П. и др. Трактор МТ3–80, его модификации. — М.: Агромиздат, 1991. — с.266–268 с.
- Новиков В. В. Повышение виброзащитных свойств подвесок АТС за счет изменения структуры и характеристик пневмогидравлических рессор и амортизаторов: дис.... д-ра техн. наук: 05.05.03 Волгоград, 2005 448 с. РГБ ОД, 71:07–5/157.
- «Газель» — особенности ремонта и эксплуатации ходовой части //. URL: http://www.gruzovikpress.ru/article/3000-gazel-osobennosti-remonta-i-ekspluatatsii-hodovoy-chasti-podvoda-tretego-tysyacheletiya/
- Выездная установка вспомогательной пневматической подвески для нового Пежо Боксер 2016 года выпуска //. URL: http://ressoram.net/fiat_peugeot_citroen_vspomogatelnaya_pnevmopodveska_ustanovka
