Конструктивная безопасность транспортных средств

 

Побочным эффектом автомобилизации является тенденция к увеличению человеческих и материальных потерь вследствие аварий, связанных с транспортными средствами. Автомобиль представляет собой потенциальный источник повышенной опасности для людей, которая резко возрастает с ростом мощностей двигателей, скоростей движения, отставанием развития транспортной инфраструктуры и совершенствования законодательства от темпов роста автомобилизации. Одним из путей снижения последствий автомобилизации является ужесточение требований к конструктивной безопасности транспортных средств.

Безопасность транспортного средства подразумевает его эксплуатационные и динамические качества, которые уменьшают вероятность ДТП, а в случае его возникновения снижают количество и тяжесть травм водителя, пассажиров, других участников движения.

Конструктивная безопасность транспортного средства включает в себя активную, пассивную, послеаварийную и экологическую безопасность транспортного средства. По степени влияния на предупреждение ДТП наиболее значима активная безопасность транспортных средств.

Активная безопасность — свойства транспортных средств предотвращать ДТП и снижать вероятность его возникновения. Активная безопасность проявляется в период, соответствующий начальной фазе ДТП, когда водитель в состоянии изменить характер движения транспортного средства.

Активная безопасность определяет комплекс конструктивных мероприятий, таких как обеспечение хорошей управляемости и устойчивости автомобиля, эффективного и стабильного замедления его при резком торможении, наличие хороших динамических качеств, долговечности узлов и деталей, эргономических качеств рабочего места водителя и мест пассажиров (хорошая обзорность с места водителя, вентиляция, уровень вибрации и шума) и т.д.

Компоновочные и весовые параметры автомобиля

С позиций влияния конструкций транспортного средства на его свойства важное значение имеет компоновка автомобиля – взаимное расположение его основных систем (двигателя, трансмиссии, движителя, систем управления, несущей системы, кузова). За критерий, который позволит оценить целесообразность дальнейшего развития того или иного вида компоновки автомобиля, может быть принято то, насколько данные конструкции отвечают требованиям активной безопасности. Конструкции транспортных средств должны отвечать в достаточной степени требованиям активной безопасности. Учитывая это положение, рассмотрим наиболее характерные виды компоновки современных автомобилей
(рис. 6.3).

Переднемоторная компоновка является традиционной на всех этапах развития конструкций автомобиля и характеризуется расположением двигателя перед пассажирским салоном. Вынесение двигателя далеко вперед позволяет максимально придвинуть салон к переднему мосту, частично используя пространство между кожухами передних колес. Таким образом, обеспечивается выгодное использование пространства в пределах базы и легко достигается необходимая нагрузка на передний мост. Несмотря на эффективное использование пространства внутри базы, автомобили данной схемы имеют значительную габаритную длину вследствие достаточно большого переднего свеса. Увеличение базы за счет заднего багажника нежелательно из-за чрезмерной перегрузки переднего моста. Кроме того, расположение двигателя в самой передней части автомобиля не позволяет улучшить его обтекаемость путем понижения линии капота.

Рис. 6.3. Варианты компоновки легковых автомобилей:

а – классическая; б – переднеприводная; в – заднемоторная;
г – полноприводная с двигателем на базе классической; д – среднемоторная

 

В последнее время широкое распространение получили переднеприводные автомобили, у которых управляемые колеса являются ведущими. Автомобиль с такой компоновкой имеет наилучшую устойчивость и управляемость при движении с высокой скоростью, особенно по скользкой или мокрой дороге. Популяризации такой компоновки способствовали также изменения в общем облике автомобиля и его развесовке по осям. Уменьшение габаритных размеров двигателей (при сохранении их мощности) и применение независимых передних подвесок позволили располагать двигатель над передним мостом или даже перед ним, что обеспечило необходимый сцепной вес (более 50% от общего веса автомобиля) на передние ведущие колеса. Еще одно преимущество переднеприводных автомобилей – меньший, чем в автомобилях с другой компоновкой, уровень шума в салоне вследствие удаленности ведущего моста и отсутствия карданного вала, часто являющегося источником вибраций. Однако, как показывает практика, класс автомобиля (его размеры, качество изготовления и отделки, наличие шумоизолирующих обивок и мастик), а также тип
кузова (рамный или несущий) влияют на уровень шума в салоне значительно больше, чем компоновочная схема.

 Наряду с достоинствами переднеприводная компоновочная схема автомобиля имеет и недостатки, являющихся следствием либо перегрузки переднего моста, либо наличия передних ведущих колес:

· перераспределение веса при торможении приводит к тому, что в момент торможения на задние колеса приходится лишь 25-30% сцепного веса, что, с одной стороны, вынуждает предусматривать в системе привода тормозов ограничитель тормозного усилия на задних колесах, с другой – увеличивать эффективность передних тормозов, а, следовательно, и их размеры, что не всегда возможно при использовании современных колес с малым диаметром диска (10-13 дюймов);

· шины передних ведущих, управляемых и более нагруженных колес изнашиваются значительно быстрее, чем задних, поэтому в эксплуатации требуется достаточно частая перестановка передних колес назад, и наоборот;

· передний ведущий мост требует либо относительно сложных в производстве и дорогих шарниров равных угловых скоростей, либо дополнительных устройств (например, упругих муфт или торсионов) при использовании одинарных карданных шарниров;

· объединение двигателя в один силовой агрегат вместе с трансмиссией и ведущим мостом усложняет конструкцию и затрудняет доступ к отдельным элементам и вспомогательным агрегатам, особенно в тех случаях, когда двигатель расположен поперечно и его картер объединен с картером коробки передач и дифференциала.

Вместе с тем широкое распространение легковых автомобилей с передним приводом свидетельствует о том, что перечисленные недостатки рассматриваемой схемы не могут служить серьезным препятствием для ее дальнейшего развития на легковых автомобилях разных классов.

Долгое время считалось, что переднеприводная компоновка применима лишь на автомобилях малого и среднего классов, мощность двигателей которых не превышает 100-110 л.с. (73-80 кВт). На автомобилях больших размеров с мощными двигателями переднеприводная компоновка не использовалась вследствие опасений за работоспособность и надежность шарниров равных угловых скоростей, нагруженных большим крутящим моментом. В этой связи вызывала затруднения компоновка двигателя больших размеров в сочетании с передним ведущим мостом. Трудно было обеспечить необходимую развесовку по автомобилю. Кроме того, считалось, что для большого автомобиля достаточную устойчивость и управляемость можно получить и при классической компоновке. Тщательное изготовление элементов шасси и широкое применение шумопоглощающих материалов на дорогих моделях практически исключают возникновение шумов и вибраций даже от достаточно длинного карданного вала. Тем не менее, сегодня даже в автомобилях с объемом двигателя
2,5-3,5 л передний привод нашел широкое применение.

 На характеристики автомобилей с передним приводом оказывает существенное влияние относительное положение двигателя и переднего моста. Для автомобилей с двигателями большего рабочего объема расположение последнего над ведущим передним мостом – практически единственный возможный вариант, так как по условиям развесовки и вследствие значительных габаритов двигателя его расположение впереди или за ведущим мостом невозможно, а поперечное расположение также не дает преимуществ вследствие примерно равных габаритов двигателя по длине и ширине. Расположение двигателя над передним мостом позволяет добиться удовлетворительных результатов по развесовке и использованию подкапотного пространства без увеличения переднего свеса (при наличии рядного четырехцилиндрового двигателя с рабочим объемом 1,3-1,6 л). При этом упрощается управление коробкой передач, но несколько затрудняется доступ к агрегатам трансмиссии.

Расположение двигателя за передним ведущим мостом позволяет плавно понизить линию капота до уровня переднего бампера и тем самым существенно снизить лобовое сопротивление автомобиля. При этом также и свободное пространство под капотом перед двигателем в автомобилях с передним приводом позволяет разместить там запасное колесо, освободив от него задний багажник. Недостаток такой компоновки – внедрение двигателя в нижнюю переднюю часть пассажирского салона между водителем и пассажиром, что уменьшает пространство для ног последних.
Несколько затруднено также управление коробкой передач, которая оказывается вынесенной далеко вперед.

Компоновка автомобиля, когда двигатель размещается в пределах колесной базы автомобиля, практически за спинками сидений водителя и пассажира, встречается в автомобилестроении достаточно редко. При этом для улучшения развесовки по колесам, в зависимости от объема и конструкции двигателя, он может размещаться как вдоль, так и поперечно. Рациональное распределение веса автомобиля по осям и повышенная безопасность при движении – основные преимущества автомобилей с центральным расположением двигателя. В этой связи не удивительно, что по среднемоторной компоновке строятся скоростные, высокоманевренные автомобили, такие как Lamborghini, Ferrari, MG и ряд других. Например, Lamborghini-Callardo с двигателем V 10 рабочим объемом 4,961 л способен развивать мощность до 500 л.с., что позволяет автомобилю развивать скорость до 309 км/ч.

При заднемоторной компоновке двигатель, объединенный с трансмиссией, располагается за задней подвеской автомобиля, что позволяет значительно снизить габариты автомобиля, а, следовательно, его вес. На задние ведущие колеса при этом приходится до 60% от общего веса автомобиля, что положительно сказывается на проходимости автомобиля, но отрицательно влияет на его устойчивость и управляемость при движении с большой скоростью. В этой связи для улучшения развесовки приходится сдвигать пассажирский салон вперед, что при ограниченных габаритах автомобиля сокращает пространство для ног водителя и переднего пассажира. Сегодня только одна фирма в мире строит свои автомобили по заднемоторной компоновке – это Porsche.

В настоящее время классической компоновкой автомобиля считается компоновка с передним расположением двигателя и с приводом на задние колеса. Применение карданного вала не позволяет создать салон
автомобиля без трансмиссионного туннеля, что сказывается на комфорте пассажиров. Кроме того, вибрации от карданного вала передаются на кузов автомобиля. Поэтому приходится применять лучшую шумо- и виброизоляцию, что приводит к удорожанию автомобиля. Классической компоновке свойственен занос задних колес, особенно при прохождении поворотов на сырой или скользкой дороге. Сегодня классическая компоновка встречается реже, но ей остаются верными такие гранды автомобилестроения, как BMW, Mercedes и Jaguar.

К  основным  габаритным  параметрам  автомобиля  относятся длина
L _a, ширина B _a, высота H _a  и  база   L  (расстояние между передней и задней осями).

При движении автомобиль подвергается воздействию различных случайных возмущений, стремящихся изменить характер движения. Вследствие этого даже на строго прямолинейных участках дороги автомобиль движется не прямолинейно, а по кривым больших радиусов. При этом значительную часть времени он находится под углом к оси дороги, и размер полосы, потребной для его движения – динамический коридор B _к – превышает его габаритную ширину. Ширина динамического коридора
зависит от размеров автомобиля и его скорости. Эмпирическая зависимость между габаритной шириной автомобиля B _a, скоростью его движения   v _а  и  шириной динамического коридора B _к  имеет следующий вид:

 

               B _к = 0,054 v _а + B _a + 0,3.                                    (6.1)

 

Ширина динамического коридора, необходимая для безопасного движения автомобилей с высокими скоростями, иногда значительно превышает ширину полосы движения, установленную Строительными нормами и правилами (СНиП). СНиП предусматривают для дорог с интенсивностью движения свыше 3000 автомобилей в сутки ширину полосы движения 3,75 м, а для дорог с меньшей интенсивностью 3,0-3,5 м. Эти размеры не всегда обеспечивают безопасный разъезд автомобилей, поэтому водитель, чтобы избежать столкновения, вынужден снижать скорость. Для автопоездов ширина динамического коридора с увеличением скорости возрастает больше, чем для одиночного автомобиля, вследствие угловых колебаний прицепов или полуприцепов в горизонтальной плоскости (виляния). При определенной скорости размахи прицепов становятся
настолько большими, что водитель не может устранить их поворотом
рулевого колеса и вынужден уменьшать скорость.

Более заметно влияние геометрических параметров автомобиля на безопасность при криволинейном движении. Хотя при крутых поворотах скорости автомобиля обычно невелики и случайные возмущения незначительны, ширина динамического коридора может быть достаточно большой. Ее можно определить по формуле:

 

   ,                      (6.2)

 

где R _н и R _в – соответственно, наружный и внутренний габаритные радиусы поворота автомобиля; L ′ = L + C – расстояние от заднего моста до передней части автомобиля (L – база автомобиля; C – передний свес).

Габаритная высота H_а имеет значение при проезде автомобилей под путепроводами, мостами и проводами контактной сети. Чрезмерно высокие транспортные средства (например, двухэтажные троллейбусы или
автобусы, полуприцепы-панелевозы, автомобили-фургоны) с высоко расположенным центром тяжести испытывают значительные угловые колебания в поперечной плоскости. При движении по неровной дороге они могут верхним углом задеть за столб или мачту.

Для обеспечения безопасности дорожного движения грузовые автомобили, предназначенные для работы на дорогах общей сети РФ, должны удовлетворять требованиям, ограничивающим их размеры и массу. Такие требования во всех странах устанавливаются в законодательном порядке. В РФ установлены следующие максимально допустимые значения
геометрических параметров грузовых транспортных средств:

Ø Габаритная ширина……..………………………………2,55 м;

(2,6 м – для рефрижераторов и изотермических кузовов)

Ø Габаритная высота……..………………………….........4 м;

Ø Габаритная длина:

- одиночного автомобиля................................................12 м;

- автомобиля-тягача с одним прицепом………………20 м.

 

Перевозка тяжеловесных и опасных грузов, движение транспортного средства, габаритные параметры которого с грузом или без него превышают указанные выше, а также движение автопоездов с двумя и более прицепами осуществляются в соответствии со специальными правилами.

Для легковых автомобилей габаритные параметры (и параметры массы) не ограничиваются директивными документами, однако получили распространение различные классификации на основе этих параметров.

Автомобили, продаваемые в странах Европы, разделяются на 6 размерных классов. Каждый класс, в свою очередь, может иметь свой подкласс (А1, А2 и т.д.).