Лекция 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ДТП,

СВЯЗАННЫХ С ПОТЕРЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ

И УПРАВЛЯЕМОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ

СРЕДСТВ (ТС)

При анализе причин возникновения ДТП, связанных с потерей устойчивости, наибольший интерес представляет курсовая устойчи­вость, т.е. способность автотранспортного средства, управляемого водителем, сохранять заданное прямолинейное движение при воз­действии на него внешних возмущающих сил и моментов.

Нарушение устойчивости прямолинейного движения автотранс­портного средства, приводящее к ДТП, выражается в его заносе или опрокидывании.

В зависимости от направления опрокидывания или скольжения устойчивость бывает продольная и поперечная; причем наиболее вероятной и опасной в эксплуатации считается потеря поперечной устойчивости.

Условием наступления заноса является начало скольжения ко­лес какой-либо из осей автотранспортного средства, а условием оп­рокидывания - начало отрыва от опорной поверхности (дороги) его колес.

Количественными критериями оценки устойчивости автотранс­портного средства в автомобильной промышленности согласно отрас­левым нормам являются:

V_Д - критическая (максимальная) скорость движения по окруж­ности, соответствующая началу скольжения колес одной из осей;

V₀ - критическая (максимальная) скорость движения по окруж­ности, соответствующая началу отрыва колес от опорной поверхно­сти и дальнейшему опрокидыванию;

β₃ - критический (максимальный) угол косогора, соответствую­щий началу скольжения колес какой-либо из осей;

β - критический (максимальный) угол косогора, соответствующий началу отрыва колес от опорной поверхности и дальнейшему опро­кидыванию.

Для условий эксплуатации ГОСТ Ρ 51709-2001 «Автотранспорт­ные средства. Требования безопасности к техническому состоянию.

Методы проверки» (введен с 01.01.02) предусматривает использо­вание критерия оценки устойчивости автомобиля при торможении (как при дорожных, так и при стендовых испытаниях).

При дорожных испытаниях регламентируются предельная ши­рина допустимого динамического коридора (3 м) для движущегося заторможенного автотранспортного средства, а при стендовых испы­таниях допустимая степень осевой неравномерности тормозных сил.

Управляемость - это способность АТС, управляемого водителем, сохранять заданное направление движения в данной дорожно-транс­портной ситуации и изменять его при воздействии водителя на ру­левое колесо в соответствии с направлением воздействия.

Наиболее значимыми и представляющими интерес являются два критерия оценки управляемости:

- критическая скорость движения по условиям управляемости;

- поворачиваемость автотранспортного средства.

Нарушение поперечной устойчивости автомобиля (занос, опро­кидывание) происходит под действием возмущающего воздействия в виде боковых сил или поворачивающего момента.

Боковая сила возникает от поперечного уклона дороги, при дви­жении автомобиля по криволинейной траектории, при резком по­вороте водителем управляемых колес, при прямолинейном движе­нии на скользкой проезжей части, при наезде и ударах о случайные неровности, при воздействии бокового ветра (в случае движения автомобиля по дороге с низкими сцепными качествами).

При изменении режима движения автомобиля, т.е.* при тормо­жении или увеличении тяговой силы на колесах (разгоне) до про­буксовки ведущих колес, поворачивающий момент может возникать при наличии бортовой или осевой неравномерности сил (реакций) в зоне контакта шин с дорогой из-за:

- неравномерного износа шин левых и правых колес;

- разности давления в шинах левых и правых колес:

- неоднородности сцепных свойств дороги по всей ширине про­езжей части;

- неудовлетворительного технического состояния тормозных ме­ханизмов левых и правых колес.

Следует отметить, что торможение или увеличение тяговой силы на колесах может вызвать возмущающее воздействие только в со­четании с другими вышеуказанными условиями и само по себе тор­можение, даже экстренное, или разгон при тяговых силах ведущих колес, близких к пробуксовке (и даже на дороге с низкими сцепны­ми качествами), без вышеуказанных условий не может вызвать воз­мущающее воздействие, вызывающее поворот автомобиля.

Особенно опасно резкое торможение автомобиля при наличии осевой или бортовой неравномерности (например, из-за разной степени износа протектора шин левых и правых колес или из-за раз­ного коэффициента сцепления поверхности дороги с указанными колесами), т.е. при неоднородности сцепных свойств проезжей час­ти по всей ее ширине на дорогах с низкими сцепными качествами (снег, гололед, замасливание дорожного покрытия), так как в этом случае сила сцепления колес с дорогой невелика и даже при неболь­шом усилии на тормозной педали происходит блокирование одного из колес, т.е. это колесо перестает вращаться, а возникающий из-за неравномерности поворачивающий момент может вызвать наруше­ние поперечной устойчивости, т.е. в данном случае занос.

Также опасен тяговый режим движения автомобиля, особенно на дорогах с низкими сцепными качествами, так как в этом случае сила сцепления колес с дорогой невелика и при незначительном увели­чении тяговой силы на ведущих колесах они начинают буксовать, т.е. ведущие колеса хотя и продолжают вращаться, но могут начать скользить в боковом направлении.

Для автомобилей классической компоновки с задними ведущи­ми колесами занос задней оси наиболее вероятен как в тяговом, так и в тормозном режиме, так как в первом случае ведущие колеса, нагруженные тяговой силой, меньше противостоят воздействию слу­чайной боковой силы, а при торможении вследствие перераспреде­ления веса с задней оси на переднюю колеса первой, имея меньший вес, меньше противостоят воздействию случайной боковой силы.

Кроме того, занос задней ведущей оси наиболее опасен, чем за­нос передней, так как при этом боковая составляющая центробеж­ной силы действует в направлении скольжения задней оси, увели­чивая занос.

При заносе передней оси направление боковой составляющей и скольжение оси противоположны, и поэтому ее занос гасится ав­томатически.

Условия управляемости АТС накладывают следующие ограничения на его движение (исходя из требований сохранения управляемости).

При движении на повороте, когда колеса АТС повернуты на не­который угол, оно должно двигаться с такой скоростью, чтобы уп­равляемые колеса сохраняли возможность изменять траекторию движения и не скользить в поперечном направлении.

Кроме того, в зависимости от соотношения углов увода колес передней и задней осей АТС может иметь избыточную или недоста­точную поворачиваемость.

С точки зрения безопасности движения наибольший интерес пред­ставляет избыточная поворачиваемость, при которой на определен­ной скорости движения АТС, называемой критической, даже при нейтральном положении управляемых колес АТС начинает двигаться прямолинейно (без заноса).

Здесь необходимо отметить, что избыточная поворачиваемость может наблюдаться только в случае установки на колеса передней оси шин более жестких в боковом направлении, чем шины задней оси.

Ниже приведены методики расчета критических значений пара­метров движения АТС, исходя из требований сохранения устойчи­вости и управляемости для всех рассмотренных выше случаев.

1. Условие начала опрокидывания неподвижного АТС относитель­но продольной оси на поперечном уклоне:

где φ_ΰ принимается равным φ, если колеса данной оси вращают­ся в режиме свободного качения, а если они нагружены тормозной или тяговой силой, то φ_ΰ принимается равным ≈0,8∙φ;

η_κ = 0,8÷0,85 - для легковых автомобилей, а также для грузо­вых АТС с нагрузкой;

η_κ = 0.9 - для грузовых АТС без нагрузки.

2. Предельно допустимая скорость движения АТС на повороте без опрокидывания относительно продольной оси определяется по фор­муле:

3. Предельно допустимая скорость движения АТС на повороте с поперечным уклоном без опрокидывания относительно продоль­ной оси рассчитывается по формуле:

В этой формуле знак «+» в числителе и «-» в знаменателе бе­рутся при движений по уклону, наклоненному к центру поворота дороги, если же он наклонен в сторону, противоположную центру поворота дороги, то в числителе ставится знак «-», а в знаменате­ле - « + ».

4. Радиус поворота дороги, по которому АТС может двигаться без опрокидывания, рассчитывается по формуле:

5. Предельно допустимая скорость движения АТС на повороте с ускорением, без опрокидывания относительно продольной оси, оп­ределяется по формуле:

6. Предельно-допустимая скорость движения АТС с ускорением на повороте, имеющем поперечный уклон, без опрокидывания относительно продольной оси, определяется по формуле:

7. У современных АТС с низко расположенным центром массы опрокидывание относительно поперечной оси маловероятно. Возмож­но лишь буксование ведущих колес, вызывающих скольжение АТС, например, в процессе преодоления подъема большой длины.

Предельный угол подъема, по которому возможно движение без буксования одиночного АТС, определяется по формуле:

Сползание заторможенного АТС на спуске может происходить при условии:

φ ≤ tg a.

8. Предельно допустимая скорость, при которой возможно наступ­ление заноса при первоначальном прямолинейном движении и рез­ком повороте (с большой угловой скоростью) рулевого колеса, опре­деляется по формуле:

С учетом психофизиологических особенностей водителей значе­ние угловой скорости передних колес связано со скоростью движе­ния следующими зависимостями (данные ВНИИСЭ):

- для сухого асфальтобетона: ω = 0,32 - 0,0025 · V_a·

- для мокрого асфальтобетона: ω = 0,27 - 0,0027 · V_a·

- для гололеда: ω = 0,17 - 0,002 · V_a,

9. Предельно допустимая скорость при прямолинейном движе­нии АТС без пробуксовки ведущих колес определяется по формуле*:

Таблица 2

Значения фактора обтекаемости атс (по данным вниисэ 1993 г.)

ТИП АТС	Wa, кгс∙с2/ м2
Легковые Грузовые Автобусы Автопоезда	0,03-5-0,09 0,18 + 0,35 0,10 + 0,26 0,013 + 018

10. Предельно допустимая скорость по условиям заноса при пря­молинейном движении при воздействии бокового ветра определяет­ся по формуле:

_______________________________________________________________________________

* Все технические параметры в примерах, приведенных в данной и последую­щих лекциях, взяты из таблиц, включенных в приложения к лекции 5 (ч. I).

11. Предельно допустимая скорость АТС по условиям заноса при прохождении поворота дороги постоянного радиуса без поперечно­го уклона определяется по формуле:

12. Предельно допустимая скорость АТС по условиям заноса при прохождении поворота дороги постоянного радиуса с поперечным уклоном определяется по формуле:

В этой формуле знаки «+» в числителе и «-» в знаменателе бе­рутся при движении по уклону, направленному к центру поворота дороги; если же наклон в сторону, противоположную центру поворота дороги, то в числителе ставится знак «-», а в знаменате­ле - «+».

13. Предельно допустимая скорость по условиям управляемости, т.е. скорость, с которой АТС может поворачиваться без поперечно­го проскальзывания управляемых колес, определяется по формуле:

14. Предельно допустимая скорость АТС с избыточной поворачиваемостью по условиям увода:

Пример. Автомобиль ЗИЛ-130 (4314) в порожнем состоянии дви­гался со скоростью около 60 км/ч по скользкой проезжей части, по­крытой гололедом, на расстоянии 0,5 л правее сплошной осевой ли­нии; проезжая часть в месте ДТП асфальтированная, горизонталь­ного профиля, имеет поперечный уклон от середины к границе про­езжей части влево и вправо около 25%о, прямая шириной 7,5 м, скорость ветра по данным метеостанции 8,0÷10,0 м/с (порывы до 13); перед происшествием водитель двигался на 4-й передаче, пере­дач не переключал, не применял торможение, положение педали газа

не изменял; непосредственно перед ДТП водитель автомобиля, объез­жая дорожную неровность (которую он объехал), повернул рулевое колесо влево, после чего данный автомобиль, двигаясь в заносе, вы­ехал вначале передней частью на встречную полосу, а затем на ле­вую обочину, где затем опрокинулся. ·

Из технической характеристики автомобиля: собственная масса автомобиля 4300 кг, в том числе на переднюю ось 2120 кг, на зад­нюю - 2180 кг; габаритная длина - 6,675 м; высота по кабине - 2,4 м; по борту - 2,025 м; база - 38 м; колея - 2,3 м (задних колес); размер шин на передней оси 240-508 Ρ (модель И-34; К_ув1 =4862 кгс/рад), на задней 240-508 PC (модель Д-271 K_ye2-2002 кгс/рад); давление в шинах передних - 3,5 кгс/см², задних - 5,3 кгс/см².

Исследование

Поскольку водитель автомобиля перед ДТП не тормозил и не увеличивал подачу топлива, то его занос по причине неудовлетво­рительного технического состояния тормозной системы (т.е. осевой неравномерности распределения тормозных сил) и буксование колес исключаются; также исключается возможность заноса по причине возникновения боковой силы из-за наезда на дорожную неровность, так как водитель ее объехал, а также из-за поперечного уклона до­роги, ввиду того, что автомобиль двигался на 0,5 м правее осевой при ширине полосы данного направления 3,75 л и ширине задних колес 2,3 м, т.е. в месте его расположения на проезжей части име­ется поперечный уклон вправо, поперечная составляющая веса ав­томобиля будет направлена вправо. Учитывая то обстоятельство, что центр массы у данного автомобиля в порожнем состоянии располо­жен ближе к передней оси, то, следовательно, эта составляющая будет препятствовать отклонению передней оси влево (до определен­ной величины боковой силы или поворачивающего момента, вызвав­шего занос).

Боковая сила ветра направлена слева направо, а поскольку ме­тацентр (т.е. точка приложения равнодействующей силы ветра) рас­положен перед центром масс ближе к передней оси (известно из технической литературы), то, следовательно, эта сила будет стремить­ся отклонить переднюю часть данного автомобиля вправо, и, таким образом, ее отклонение влево по этой причине исключается. Кроме того, из технической литературы известно, что данная скорость ветра и данная боковая площадь автомобиля ЗИЛ-130 (4314) не создают достаточной боковой силы для заноса какой-либо из его осей даже на скользкой проезжей части.

Как следует из технической характеристики шин, установленных на данном автомобиле, передние (модель И-34) имеют больший ко­эффициент сопротивления уводу (Кув1 = 4862 кгс/рад), чем шины, установленные на задней оси (модель Д-271; К_ув2 - 2002 кгс/рад), т.е. передние более жесткие, чем задние.

В этом случае, как отмечено выше, автомобиль имеет избыточ­ную поворачиваемость, и при определенном значении скорости, бо­лее критической, может произойти отклонение его передней части от прямолинейного движения, причем в любую сторону (в зависи­мости от направления действия случайной боковой силы).

Определим эту скорость:

Поскольку полученная величина критической скорости (93 км/ч) больше действительной, с которой двигался водитель (60 км/ч), то, следовательно, занос передней части автомобиля ЗИЛ-130 (4314) по причине избыточной поворачиваемости исключается.

Следовательно, единственной причиной возникновения боковой, силы, отклонившей заднюю ось вправо, а переднюю - влево, является резкий поворот водителем рулевого колеса влево при объезде дорожной неровности, т.е. причиной данного ДТП являются действия водителя по управлению данным автомобилем, в результате κοтοрых автомобиль, двигаясь в заносе, выехал передней частью на полосу встречного движения, и после этого данный водитель не при­нял мер к гашению заноса. Однако следует отметить, что действия водителя автомобиля, двигающегося в заносе, требованиями Правил дорожного движения не регламентируются.

Обозначения:

V_зан - предельно-допустимая скорость, при которой возможно на­ступление заноса, км/ч;

V_ув - предельно-допустимая скорость АТС с избыточной поворачиваемостью по условиям увода колес, км/ч;

L - база АТС, м;

b - расстояние от центра масс АТС до задней оси, м;

a - расстояние от центра масс АТС до передней оси, м;

Н_ц - высота центра масс АТС от поверхности дороги, м;

φ - коэффициент сцепления шин АТС с дорогой;

φ_ΰ - поперечный коэффициент сцепления шин АТС с дорогой;

ω, - угловая скорость поворота передних колес АТС, рад/с;

V_бук - предельно-допустимая скорость при прямолинейном дви­жении без пробуксовки ведущих колес, км/ч;

G - масса АТС, кгс;

W - фактор обтекаемости АТС, кгс-с²/м²;

f - коэффициент сопротивления качению;

i - продольный уклон дороги;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

j_a - ускорение АТС, м/с²;

δ_ВР - коэффициент учета инерции вращающихся масс незатор­моженных колес;

V_aв - предельно допустимая скорость по условиям заноса при воз­действии бокового ветра, км/ч;

V_e - скорость ветра, км/ч;

Yi_min - минимальная из поперечных реакций на колеса i-й оси АТС, кгс;

R - радиус кривой дороги в плане, м;

Vупр - предельно допустимая скорость АТС по условиям управ­ляемости, км/ч;

γ - угол между направлением движения автомобиля и направле­нием ветра, град;

β - угол поперечного уклона дороги, град;

Rоп_min - радиус поворота дороги, по которому АТС при равномер­ном движении может двигаться без опрокидывания;

V_a - скорость АТС, км/ч;

В - колея АТС, м;

в - расстояние от центра масс до задней оси АТС, м;

α_пр - предельный угол подъема, по которому возможно движе­ние без буксования одиночного АТС, град;

V_on - предельно допустимая (критическая) скорость движения АТС на повороте без опрокидывания относительно продольной оси, км/ч;

η_κ - коэффициент поперечного крена подрессоренных масс;

θ - угол поворота управляемых колес (угол между продольной осью АТС и вектором скорости средней точки передней оси), град;

Ζ - база автомобиля ЗИЛ-130 (4314), град;

G_l - масса, приходящаяся на переднюю ось (для ЗИЛ-130 равна 2120 кг);

G₂ - масса, приходящаяся на заднюю ось (для ЗИЛ-130 равна 2180 кг)

К_ув - коэффициент сопротивления уводу, кгс/рад;

K_yв1 - коэффициент сопротивления уводу шины, установленной на передней оси (для шины модели И-34 равен 4862 кгс/рад);

K_yв2 - коэффициент сопротивления уводу шины задней оси (для шины модели Д-271 равен 2002 кгс/рад);

η - число колес, установленных на данной оси.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что означают устойчивость и управляемость АТС?

2. Чем характеризуются автомобили с избыточной и недостаточ­ной поворачиваемостью?

3. Каким образом рассчитываются предельно допустимые значе­ния скорости движения АТС на повороте без опрокидывания?

4. Каким образом рассчитываются предельно допустимые значе­ния скорости движения АТС на повороте без заноса?

5. Каковы причины заноса АТС?

6. Как исследуются причины нарушения устойчивости (управля­емости) АТС при воздействии бокового ветра?

ЛИТЕРАТУРА

1. Байетт Р., Уоттс Р. Расследование дорожно-транспортных происшествий /Пер. с англ. - М.: Транспорт, 1983.

2. Боровский Б.Е. Безопасность движения автомобильного транс­порта. Анализ дорожных происшествий. Л.: Лениздат, 1984.

3. И Ларионов В А. Экспертиза дорожно-транспортных происше­ствий. Учебник. - М.: Транспорт 1989.

4. Суворов Ю.Б. Экспертное исследование влияния неравномер­ности сцепных качеств покрытия дороги на возможность возникно­вения заноса и на перемещения автомобиля при торможении. Ме­тодические рекомендации для экспертов. - М.: РФПСЭ при МЮ РФ, 1998.