Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ национального и зарубежного опыта обеспечения комплексной безопасности автотранспортных средств. Постановка задачи исследования 16
1.1. Анализ выполненных работ в области безопасности автомобильной техники и опыт государственного регулирования этих свойств 16
1.2. Опыт европейских стран по созданию и функционированию «разрешительной» системы обеспечения комплексной безопасности автомобильной техники до выхода продукции на рынок 21
1.3. Опыт США по реализации «репрессивной» системы обеспечения комплексной безопасности автомобильной техники на рынке 36
1.4. Опыт Японии в обеспечении комплексной безопасности автотранспортных средств 46
1.5. Глобализация в рамках Всемирного форума по согласованию требований к автотранспортным средствам КВТ ЕЭК ООН 53
1.6.Менеджмент рисков причинения вреда, наносимого автотранспортными средствами при их использовании 57
1.7.Выводы по главе и постановка задачи исследования 58
Глава 2. Методология формирования комплексной конструктивной безопасности автотранспортных средств на стадии проектирования из условия снижения рисков причинения вреда 64
2.1. Анализ и идентификация опасностей, возникающих при эксплуатации автомобильной техники и влияние её конструкции на риски причинения вреда 64
2.2. Оценка рисков причинения вреда автомобильной техникой и выбор показателей, характеризующих наиболее социально значимые риски 79
2.2.1. Анализ причинно-следственных связей при ДТП и выбор показателя, оценивающего влияние конструкции автотранспортного средства на риск причинения вреда участникам дорожного движения 82
2.2.2. Выбор показателей, оценивающих риски экологического ущерба, наносимых транспортными средствами 85
2.3. Выбор показателей и характеристик автотранспортных средств, определяющих на стадии проектирования их комплексную конструктивную безопасность 88
2.3.1. Матрица комплексной безопасности АТС 89
2.3.2. Показатель комплексной безопасности транспортного средства...98
2.4. Выводы по главе 107
Глава 3. Резервы снижения риска совершения ДТП на примере исследования устойчивости и управляемости прицепного автопоезда 110
3.1. Амплитудно-частотные характеристики звеньев автопоезда при движении по полосе, ограниченной прямыми линиями 112
3.1.1 .Амплитудно-частотные характеристики прицепов 113
3.1.2. Амплитудно-частотные характеристики тягачей 125
3.2. Влияние прицепа на управляемость автомобиля-тягача в составе автопоезда 129
3.2.1 Расчетная схема пространственной модели автопоезда, состоящего из двухосного тягача и двухосного прицепа. Принятые допущения 132
3.2.2. Уравнения движения автопоезда 134
3.2.3. Результаты расчетных исследований 145
3.3. Оптимизация конструктивных параметров прицепа из условия улучшения управляемости автопоезда 186
3.4. Повышение устойчивости прицепа и управляемости автопоезда в целом применением системы принудительного поворота колес прицепа 198
3.5. Разработка методов испытаний прицепных автопоездов и проверка адекватности математической модели результатам эксперимента 206
3.6. Выводы по главе 212
Глава 4. Снижение риска причинения экологического ущерба регламентацией содержания вредных веществ в отработавших газах автотранспортных средств 215
4.1. Научное обоснование и формирование экологических требований к транспортным средствам массой более 3,5 т бензиновыми двигателями 220
4.2. Сопоставительный анализ нормативов и методов испытаний, применяемых в ЕС, США и Японии для оценки вредных выбросов автотранспортных средств 241
4.2.1. Автотранспортные средства массой более 3,5т с дизелями 241
4.2.2. Автотранспортные средства массой менее 3,5 тонн 247
4.3. Выводы по главе ; 261
Глава 5. Реализация стратегии обеспечения комплексной конструктивной безопасности автотранспортных средств при проектировании и пути ее повышения в Российской Федерации 263
5.1.Обеспечение безопасности автотранспортных средств системой их обязательной сертификации 263
5.2.. Разработка и реализация концепции обеспечения комплексной безопасности в целях реализации закона «О техническом регулировании» 269
5.2.1. Первый в России специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» и оценка его эффективности 271
5.2.2. Технический регламент «О безопасности колесных транспортных средств». Взаимосвязь комплексной конструктивной безопасности авто транспортных средств с безопасностью дорожного движения 282
5.3. Пути повышения комплексной безопасности автотранспортных средств на современном этапе 297
5.3.1.Концепция формирования требований к конструкции, обеспечивающих экологическую безопасность при утилизации 297
5.3.2. Повышение безопасности автотранспортных средств применением интеллектуальных транспортных средств 303
5.4. Выводы по главе 309
Основные результаты и выводы 311
Литература 314
- Опыт европейских стран по созданию и функционированию «разрешительной» системы обеспечения комплексной безопасности автомобильной техники до выхода продукции на рынок
- Оценка рисков причинения вреда автомобильной техникой и выбор показателей, характеризующих наиболее социально значимые риски
- Влияние прицепа на управляемость автомобиля-тягача в составе автопоезда
- Научное обоснование и формирование экологических требований к транспортным средствам массой более 3,5 т бензиновыми двигателями
Введение к работе
Рост производства автомобилей в 30-40-х годах прошлого века в экономически развитых странах и увеличение транспортных потоков привели к увеличению числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП), в том числе со смертельными исходами, что неизбежно привлекло внимание и вызвало серьезную озабоченность правительств этих стран. В результате проведенных исследований было установлено, что одной из причин ДТП является несовершенство конструкции автотранспортных средств. Поэтому с этого периода началась активная деятельность правительств по регламентации минимальных требований безопасности к эксплуатационным свойствам автотранспортных средств, реализация которых стала обязательной в их конструкции на стадии проектирования. По мере развития автомобильной промышленности эта деятельность также совершенствовалась и приобрела комплексный характер, охватывая все аспекты безопасности автомобиля - активную, направленную на предотвращение ДТП; пассивную - снижающую тяжесть уже случившего ДТП; послеаварийную- обеспечивающую возможность быстрой эвакуации пострадавших в ДТП и экологическую - направленную на уменьшения вредного воздействия автомобиля на человека и окружающую среду.
Регламентируемые требования к эксплуатационным свойствам автомобильной техники, обеспечивающие повышение ее безопасности, потребовали создания стандартизованным методов испытаний, обеспечивающих удовлетворительную воспроизводимость и повторяемость результатов замеров, а также административных механизмов контроля соответствия автотранспортных средств установленным требованиям. В начале эта деятельность осуществлялась на национальном уровне, но по мере развития экспорта и расширения товарооборота между странами отсутствие гармонизации в требованиях безопасности стало причиной появления технических барьеров при экспортно-импортных торговых операциях, совершаемых с транспорт- ными средствами. При общности подходов к разработке, национальные стандарты различных стран, хотя и регламентировали близкие между собой свойства и показатели, отличались как нормами, так и методами испытаний. Это, естественно, привело к увеличению издержек изготовителей при экспорте своей продукции в другие страны из-за необходимости многократного подтверждения соответствия своей продукции требованиям страны-импортера.
Связанное с этим удорожание автомобилей не могло остаться без внимания производителей автомобильной техники и органов государственной власти. В условиях проходившей в мире интеграции естественным преодолением сложившейся ситуации стала унификация технических требований, предъявляемых к конструкции транспортных средств, а также создание механизма взаимного признания результатов испытаний, подтверждающих соответствие этим требованиям.
Следует отметить, что это не простой и весьма длительный процесс, начатый в середине прошлого века и продолжающийся в настоящее время. В него вовлечены различные страны и регионы, в первую очередь, известные как мировые центры автомобильной промышленности. Особое значение в этой деятельности принадлежит Всемирному форуму по согласованию требований к конструкции колесных транспортных средств Европейской экономической комиссии ООН, в деятельности которого автор принимает активное .участие с 1991 г., являясь с 2004 г. председателем указанного форума.
Российская Федерация также играет определенную роль в данном процессе, хотя сложности экономического развития не могли не сказаться на уровне технических требований, предъявляемых к автотранспортным средствам и формах подтверждения соответствия им. Переход к рыночной экономике, осуществленной в начале 90-х годов прошлого века в России, был связан с либерализацией деятельности экономических субъектов. Так, к компетенции изготовителей отошли подготовка производства и выпуск конкурентоспособ- ной продукции, а потребители получили право выбора изделий, наиболее отвечающих их запросам. Прекратил действовать порядок постановки на производство нового типа автомобиля, предусматривавший согласование технического задания и конструкторского проекта заинтересованными министерствами с последующими приемочными испытаниями по отдельным показателям качества, безопасности и требованиям потребителя (заказчика), которые в каждом конкретном случае формировались с учетом предназначения автомобиля и не носили системного характера. В этих условиях, при сохранении монополизма основных производителей автомобильной техники и отсутствии единой системы требований к группам однородной продукции, государство стало утрачивать контроль над безопасностью автомобильной техники. Выходом из создавшейся ситуации могла быть разработка на государственном уровне комплексов обязательных требований, предъявляемых к автотранспортным средствам (АТС) различных категорий, реализуемых в их конструкции на стадии проектирования и обеспечивающих снижение риска причинения вреда участникам дорожного движения и окружающей среде. Одновременно необходимо было разработать механизмы оценки соответствия АТС установленным требованиям при выпуске их в обращение. Требования должны быть максимально гармонизированными с международными правилами, стандартами и предписаниями, должны учитывать специфику дорожно-климатических условий эксплуатации в России и уровень развития национальной экономики.
Анализ возможных рисков причинения вреда транспортными средствами с учетом вероятности наступления неблагоприятных последствий и их тяжести позволил провести классификацию потенциальных рисков в целях регламентации эксплуатационных свойств АТС, определяющих указанные риски. Было установлено, что наиболее социально значимыми являются риски гибели людей при дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) и риски экологического ущерба, наносимого обществу в целом и окружающей среде вредными веществами, содержащимися в выхлопных газах автомобилей.
В свою очередь, анализ аварийности показал, что наиболее тяжелые последствия имеют ДТП с участием прицепных двухзвенных автопоездов. По статистическим данным МВД России, относительная смертность в ДТП с участием автопоездов по причине нарушения устойчивости движения на 30-40% выше, чем с участием одиночных грузовых автомобилей, поэтому повышение их устойчивости и управляемости, является крайне важным в аспекте комплексного повышения конструктивной безопасности автомобильной техники.
С начала 2000-х годов, в связи с резким ростом автомобильного парка в России, проблемам экологии автомобильного транспорта стали уделять первоочередное внимание как важнейшей составляющей комплексной безопасности, поскольку от токсичных веществ ежегодно погибают, по данным Минздрава России, более 35 тыс. человек. Действенной мерой снижения риска причинения ущерба от вредных выбросов, содержащихся в отработавших газах АТС, является установление обязательных для производителей АТС нормативов на государственном уровне на их содержание, дифференцированных по категориям АТС. Наиболее опасные для здоровья человека компоненты отработавших газов АТС нормируются на уровне международных предписаний - Правил Европейской экономической комиссии ООН, за исключением выбросов вредных веществ грузовыми автомобилями и автобусами массой более 3,5т с бензиновыми двигателями. Поэтому установление предельных значений содержания вредных веществ в отработавших газах для этой категории автомобильной техники и выбор метода испытаний для подтверждения соответствия принятым нормам также является актуальным в контексте общего повышения экологической безопасности автомобильного транспорта. Это явилось причиной разработки обоснованной системы повышения экологической безопасности автомобильной техники на стадии проектирования и оценки импортируемой в Россию техники по экологическим показателям.
Таким образом, решение социально-значимой проблемы- повышение комплексной конструктивной безопасности автомобильной техники на стадии проектирования путем формирования технических требований, реализуемых в их конструкции и проверяемых при выпуске в обращение — на современном этапе является одной из актуальнейших задач.
Целью диссертации является разработка методологии формирования требований к АТС, реализуемых в их конструкции при проектировании и обеспечивающих комплексную безопасность путем внедрения совокупности научных методов, разработанных на примере исследования устойчивости, управляемости и токсичности отработавших газов АТС и направленных на снижение социально значимых и существенных рисков причинения вреда.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: в разработан метод оценки целесообразности нормирования эксплуатационных свойств АТС на основе анализа рисков причинения вреда, возникающих при движении АТС, обоснована классификация рисков в зависимости от вероятности наступления отрицательных последствий и степени их тяжести, предложены критерии классификации; разработан метод формирования и научно обоснован комплекс регламентируемых на государственном уровне требований к АТС с учетом современных международных технических предписаний, дорожно-климатических условий эксплуатации в России и состояния развития национальной экономики; разработана матрица комплексной безопасности АТС и связанная с ней база данных нормируемых эксплуатационных свойств АТС; предложен показатель комплексной безопасности АТС, определяемый на основе экспертных оценок влияния конструкции АТС на риски причинения вреда и позволяющий количественно оценить уровень безопасности АТС; теоретически доказана возможность снижения риска совершения ДТП на примере рассчетных исследований устойчивости автопоезда как общего случая движения АТС. Разработаны метод оценки количественнго влияния прицепа на управляемость автопоезда, методы улучшения управляемости автопоезда за счет оптимизации конструктивных параметров прицепа и за счет принудительного поворота колес прицепа, в сторону, противоположную уводу его колес. Разработана математическая модель для расчета параметров движения автопоезда, являющаяся основой методов. Научно обоснованы оценочные измерители управляемости и устойчивости автопоезда, «чувствительные» к наличию прицепа в составе автопоезда, являющиеся критериями оптимизации; « научно обоснована возможность уменьшения риска нанесения вреда вредными веществами, содержащимися в отработавших газах АТС за счет дифференцирования по экологическим классам норм токсичности отработавших газов автомобилей. Для АТС массой свыше 3,5 т с бензиновыми двигателями установлены нормативы токсичности, не имеющие аналогов среди международных Правил ЕЭК ООН и обоснованы методы испытаний для подтверждения соответствия установленным нормативам; проведен анализ нормативов и методов испытаний токсичности вред-- ных веществ в отработавших газах автомобилей, используемых в Европе, США, Японии и определена возможность сопоставимости результатов испытаний, полученных в этих странах.
Предметом диссертационного исследования является комплексная конструктивная безопасность АТС, формируемая на стадии проектировании.
Методы исследования базируются на основных положениях теории математической статистики, теории менеджмента рисков, математического моделирования процессов движения, математического анализа с использованием экспериментальных факторных моделей, теорией планирования эксперимента, теории корреляционного и регрессионного анализа, методов оптимизации. Экспериментальные исследования проводились лабораторно-дорожными методами на натурных образцах грузовых автомобилей и авто- поездах, стендовыми испытаниями легковых автомобилей и бензиновых двигателей грузовых автомобилей.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту: - метод оценки целесообразности нормирования эксплуатационных свойств АТС на основе анализа рисков причинения вреда, возникающих при движении АТС; классификация рисков в зависимости от вероятности наступления отрицательных последствий и степени их тяжести; критерии классификации; - научно обоснованные комплексы требований и технические нормати вы, установленные на государственном уровне и определяющие конструк тивную безопасность различных категорий АТС на стадии проектирования из условий снижения рисков причинения вреда, возникающих при движении АТС, с учетом современного международного технического уровня, дорож- но-климатических условий эксплуатации в России и состояния развития на циональной экономики; -показатель комплексной безопасности АТС, определяемый на основе экспертных оценок влияния отдельных эксплуатационных свойств и характеристик АТС на безопасность его конструкции и показатель безопасности дорожного движения, количественно характеризуемой риском фатального исхода при ДТП; статистическая взаимозависимость между данными показателями; метод формирования матрицы комплексной безопасности АТС и связанной с ней базы данных нормируемых эксплуатационных свойств АТС, позволяющие количественно оценить совокупность подлежащих нормированию параметров по условию обеспечения максимального значения указанного показателя комплексной безопасности АТС; метод снижения риска фатального исхода при ДТП на примере исследования устойчивости и управляемости автопоезда как общего случая движения
АТС за счет оптимизации параметров прицепа и за счет управления прину- дительным поворотом колес прицепа в сторону, противоположную уводу колес; - расчетно-экспериментальный метод оценки влияния прицепа на устойчивость и управляемость автопоезда, включающий в себя оценочный измеритель управляемости автомобиля, «чувствительный» к наличию прицепа в составе автопоезда - среднеквадратическую скорость поворотов руля водителем автомобиля-тягача при прямолинейном движении и оценочный измеритель устойчивости прицепа при криволинейном движении- боковое ускорение на его задней оси; -методы натурных исследований устойчивости и управляемости прицепных автопоездов; -научно обоснованы нормативы токсичности отработавших газов для автомобилей массой свыше 3,5т с бензиновых двигателей для экологических классов- 2, 3 и 4, и методы их испытаний для оценки соответствия установленным нормам.
Достоверность результатов исследований достигается разработкой математических моделей на основе фундаментальных законов и уравнений механики, физической обоснованностью принятых допущений и подтверждается согласованием результатов расчета с экспериментальными данными. Достоверность результатов эксперимента обуславливается использованием поверенных и аттестованных измерительных приборов и оборудования.
Практическая значимость подтверждается реализацией результатов работы в : -«Правилах по проведению работ в системе сертификации механических транспортных средств и прицепов», утвержденных Госстандартом России в 1993, 1998г, и Ростехрегулированием в 2007г. -техническом регламенте «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ», утвержденном Правительством Российской Федерации в 2005г; -техническом регламенте о безопасности колесных транспортных средств, утвержденном Правительством Российской Федерации в 2009 г; -ГОСТ Р 52302-2004 «Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний»; -документе ECE/TRANS/WP29/2010/87, представленном автором в качестве основы разрабатываемой системы International Wliole Vehicle Type Approval (Международной системы утверждения типа полнокомплектного автомобиля) в рамках Всемирного форума по согласованию требований к транспортным средствам Европейской экономической комиссии ООН (WP29); -НИР Промышленного института моторизации (ПИМот, Польша), НИР и ОКР автомобильных заводов группы ГАЗ и МАЗ; -программе учебной дисциплины «Техническое регулирование в автотракторостроении», включенной в образовательные стандарты 3-его поколения для подготовки магистров по направлению 190100 «Наземные транс-портно-технологические комплексы», курсах лекций МГТУ МАМИ.
Основные положения и результаты исследований неоднократно докладывались на научно-техническом совете НАМИ, Международных автомобильных научных форумах ( МАНФ, Москва,2005- 2009 гг.), Международных конференциях Ассоциации автомобильных инженеров ( 1992-2010 гг.), Международных конференциях и симпозиумах (г. Дрезден, Германия, 1995-1996гг, г. Пекин, Китай, 2008г., заседаниях WP29 в г. Женева, Швейцария, 2010), 1 Всемирной конференции министров по безопасности дорожного движения, Москва, 2009г, 3-ем Международном форуме «Безопасность на дорогах ради безопасности жизни», С-Петербург, 2010)
Диссертационная работа соответствует формуле специальности 05.05.03. «Колесные и гусеничные машины», предусматривающей решение задач по созданию новых и совершенствованию существующих транспорт- ных средств, обладающих высоким качеством и безопасностью в эксплуатации с учетом полного жизненного цикла, и соответствует следующим пунктам области исследования указанной специальности: -п.2, предусматривающего математическое моделирование и исследование динамики транспортных средств; - п.З, предусматривающего методы проектирования транспортных средств с учетом их полного жизненного цикла; -п.4, предусматривающего повышение качества, безопасности конструкции, экологических характеристик транспортных средств; -п.5, предусматривающего методы испытаний машин и их систем.
Опыт европейских стран по созданию и функционированию «разрешительной» системы обеспечения комплексной безопасности автомобильной техники до выхода продукции на рынок
После окончания Второй мировой войны значительно расширилась международная торговля, в том числе и автотранспортными средствами. Европейские страны, находясь на сравнительно небольшой территории, ранее других столкнулись с проблемой различия требований к автотранспортным средствам. Отсутствие гармонизации в требованиях безопасности отдельных европейских стран стало причиной появления технических барьеров на пути импорта транспортных средств. При общности подходов к разработке, национальные стандарты различных стран, хотя и регламентировали близкие между собой свойства и показатели, отличались как нормами, так и методами испытаний.
Увеличение производства автомобилей и развитие торговли сделали необходимым унификацию требований безопасности к автотранспортным средствам, а также разработку механизма взаимного признания результатов оценки соответствия этим требованиям, поэтому в 1958г. под эгидой Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН) было заключено «Соглашение о принятии единообразных технических предписаний для колесных транспортных средств, предметов оборудования и частей, которые могут быть установлены и/или использованы на колесных транспортных средствах, и об условиях взаимного признания официальных утверждений, выдаваемых на основе этих предписаний» (Соглашение 1958г.).
Цель данного Соглашения состоит в установлении согласованных технических требованиях к отдельным системам и компонентам новых механических транспортных средств, процедур оценки соответствия этих объектов установленным требованиям, и создания механизма взаимного признания результатов такой оценки, что является достаточных условием продажи автомобильной техники в странах-участницах Соглашения.
Административным органом этого Соглашения стала Рабочая группа по конструкции транспортных средств WP.29 Комитета по внутреннему транспорту (КВТ) ЕЭК ООН, учрежденная в 1952г. в целях разработки технических требований к автотранспортным средствам для обеспечения выполнения общих технических предписаний, изложенных в Венской Конвенции о дорожном движении 1949г.
За более чем 50 лет1 деятельности WP.29 в рамках Женевского Соглашения 1958г. было принято 127 Правил ЕЭК ООН - технических требований к безопасности конструкции и экологическим показателям автотранспортных средств. Основные принципы Женевского Соглашения 1958г.: 1) Договаривающимися сторонами Женевского Соглашения 1958г. могут стать члены ЕЭК, а также члены ООН и региональных организаций экономической интеграции, которые участвуют в деятельности ЕЭК. 2) Новые Правила ЕЭК ООН и поправки к существующим Правилам принимаются голосованием большинством в две трети голосов присутствующих и участвующих в голосовании договаривающихся сторон. Принятые Правила препровождаются Генеральному секретарю ООН, а затем доводятся до сведения каждой договаривающейся стороны. 3) Новые Правила или поправки к существующим Правилам вступают в силу для всех договаривающихся сторон, которые не сообщили Генеральному секретарю ООН о своих возражениях в течение шести месяцев после уведомления, если только возражения представили не более одной трети договаривающихся сторон. Если свои возражения направили более одной трети договаривающихся сторон, то Правила или поправка не вступают в силу ни для одной из договаривающихся сторон. 4) Правила ЕЭК ООН, прилагаемые к Соглашению, включают технические требования, методы испытаний, условия предоставления официальных утверждений по типу конструкции и их взаимного признания, знаки официального утверждения, условия обеспечения соответствия серийной продукции установленным требованиям и механизмы контроля подобного соответствия, дату вступления Правил в силу. 5) Договаривающаяся сторона, принявшая какие-либо прилагаемые к Соглашению Правила ЕЭК, может предоставлять официальное утверждение типа конструкции, предметов оборудования и частей механических транспортных средств, охватываемых данными Правилами, и должна признавать официальное утверждение типа, выданное любой другой договаривающейся стороной, которая приняла эти же Правила. 6) Договаривающаяся сторона в лице специально уполномоченной компетентной организации (Административного органа), может выдавать официальное утверждение типа конструкции при условии, что представленные изготовителем образцы выдерживают испытания, которые проводятся в специально уполномоченных испытательных лабораториях и отвечают установленным требованиям. Административный Орган должен быть в состоянии проверять и постоянно контролировать соответствие серийно выпускаемой продукции официально испытанному образцу. 7) Типы механических транспортных средств и их части, имеющие знак официального утверждения и изготовленные либо в одной из договаривающихся сторон, применяющих данные Правила, либо на территории другой страны, указанной страной, осуществившей официальное утверждение, будут считаться отвечающими законодательству всех стран, применяющих указанные Правила. Вместе с тем, если какая-либо страна выявит несоответствие утверждённому типу продукции, имеющей знаки официального утверждения, то она может запретить на своей территории продажу и использование такой продукции. Страна, выдавшая официальное утверждение типа на такую продукцию, обязана принять меры, необходимые для восстановления её соответствия официально утверждённому типу или отменить официальное утверждение и сообщить о принятых мерах другим договаривающимся сторонам, применяющим данные Правила.
Оценка рисков причинения вреда автомобильной техникой и выбор показателей, характеризующих наиболее социально значимые риски
Применительно к процессу обеспечения безопасности автотранспортного средства такими факторами могут являться: при проектировании АТС - ошибки, закладываемые в конструкторскую документацию; недостаточно совершенная нормативная база, т.е. задаваемый на государственном уровне комплекс обязательных требований, обеспечивающий безопасность транспортного средства для пользователя и других участников дорожного движения; неправильные оценка и расчет параметров безопасности и т.д.; при производстве — нарушения технологии изготовления транспортного средства, в том числе несанкционированная замена материалов, комплектующих, ошибки при сборке, некачественное выполнение регулировочных работ, недостаточный финишный контроль и др. подобные причины. непосредственно в процессе эксплуатации АТС - неудовлетворительное техническое состояние транспортного средства; недостаток, ограниченность и неопределенность информации о его техническом состоянии и внешних условиях, о состоянии внешней среды, непосредственно оказывающей влияние на результат эксплуатации; ошибки водителя при управлении или возникновение ситуаций, которые водитель не в состоянии исправить управляющими воздействиями на органы управления.
В настоящей работе основное внимание уделено обеспечению безопасности автотранспортных средств на стадии проектирования, во время которой в конструкцию транспортного средства закладываются технические решения, обеспечивающие его эксплуатационные характеристики в процессе движения. Установив обоснованные обязательные технические требования к эксплуатационным характеристикам транспортных средств на государственном уровне, можно получить заданный уровень безопасности в эксплуатации. Вопросы безопасности автотранспортных средств, связанные с их эксплуатационной надежностью, безотказностью, в настоящей работе не рассматриваются, так как являются вторичными по отношению к конструктивной безопасности и кроме того, определяются множеством случайных факторов- уровнем технического обслуживания, в том числе квалификацией персонала, качеством горюче-смазочным материалов, климатическими условиями эксплуатации транспортных средств и другими подобными неконтролируемыми факторами.
Выбор требований, предъявляемых к автотранспортным средствам и реализуемых на стадии проектирования в целях обеспечения комплексной безопасности, должен основываться на анализе опасностей, возникающих при эксплуатации автомобильной техники и возможных рисков причинения вреда участникам дорожного движения. Указанные опасности условно можно идентифицировать следующим образом: 1. Биологическая, связанная с загрязнением окружающей среды вредными веществами, содержащимися в отработавших газах двигателя, продуктами износа, а также отходами, образующимися в процессе и по окончании эксплуатации автотранспортного средства. Кроме того, биологическая опасность возникает вследствие шумового воздействия автотранспортных средств на окружающую среду. 2. Механическая, связанная с вероятностью совершения дорожно-транспортного происшествия (ДТП). 3. Электрическая, в связи с нарушениями в работе приборов и оборудования, связанными с вредным воздействием электромагнитного излучения от источников, находящихся на автотранспортных средствах и возможностью поражения электрическим током при эксплуатации автотранспортных средств 4. Пожарная, обусловленная возможностью возгорания автотранспортного средства и собственно скоростью горения деталей салона и кузова. 5. Опасность несанкционированного использования автотранспортного средства, которое, очевидно, подразумевает причинение ущерба его владельцу и с другой стороны, может явиться причиной ДТП с причинением ущерба другим участникам дорожного движения при юридической ответственности владельца. Перечисленные виды опасностей напрямую связаны с конструктивными характеристиками автомобиля. Поэтому можно говорить о таком свойстве автомобиля, как его конструктивная безопасность — состояние, характеризуемое совокупностью параметров конструкции транспортного средства, установленных в целях предотвращения недопустимого риска причинения вреда жизни и ли здоровью граждан, имуществу физических и юридических лиц, государственному и муниципальному имуществу, окружающей среде, которое транспортное средство должно иметь по завершении его изготовления ( на момент ввода в обращение) [39]. При этом под понятием риска понимается сочетание вероятности события и его последствий [183].
Конструктивная безопасность автомобильной техники, оказывающая непосредственное влияние на безопасность дорожного движения и общий экологический уровень окружающей среды, обеспечивается на стадии проектирования, исходя из действующих технических требований, регламентируемых и проверяемых на государственном уровне. При установлении конкретных требований к конструкции и назначении норм на предельные значения показателей и характеристик АТС, направленных на уменьшение риска причинения ущерба, необходимо рассматривать риски как экономическую категорию и принимать во внимание величину затрат, которые будут инвестирована в производство и впоследствии напрямую окажут влияние на стоимость автомобиля. При повышении требований к продукции риски от невыполнения этих требований сначала снижаются достаточно интенсивно до достижения определенный величины, затем снижение замедляется и дальнейшее повышение требований приводит к незначительному снижению рисков причинения вреда. С другой стороны, затраты изготовителя продукции на достижение задаваемого уровня безопасности будут существенно возрастать при его стремлении обеспечить все возрастающий уровень безопасности, что может привести к тому, что производимые им автотранспортные средства перестанут продаваться из-за неспособности рынка их воспринять, поэтому требования должны быть обоснованы с учетом рисков причинения вреда. На рис. 2.1. показана качественная картина соотношения ущерба, наносимого обществу в результате эксплуатации автомобильной техники и возрастающих требованиях к безопасности продукции, а также зависящей от указанных требований изменение ее стоимости, определяемой инвестициями в производство при повышении безопасности продукции для покупателя.
Влияние прицепа на управляемость автомобиля-тягача в составе автопоезда
При ограничении зоны видимости или при движении по узкой полосе «С» может быть снижен до 3 или даже до меньшей величины [31].
«Пиковая» частота лежит в пределах 0,05ч-0,1 колебаний на длине базы. Амплитуда колебаний зависит от параметров кь, Ь, р. С увеличением л:6 1 «пик» практически пропадает. Как следует из настоящего анализа, частота «пиковых» колебаний тягача лежит вне пределов возможных «пиковых» частот прицепа.
Таким образом, проведенный анализ амплитудно-частотных характеристик звеньев автопоезда позволяет сделать вывод, что при движении по прямолинейному коридору у вполне устойчивых прицепов при определенном сочетании параметров Ка,кь, Ь, I и р могут возникать колебания с постоянной частотой («виляния»), амплитуда которых существенно превышает колебания сцепного устройства тягача. Параметры таких колебаний определяется расчетом, изложенным выше. «Виляние» прицепа, которые возможны в определенных условиях, зависят только от конструктивных параметров прицепа. Тягач обычно не создает возмущений с узкополосным спектром.
Известно, что управлять автомобилем-тягачом, который буксирует прицеп сложнее, чем тем же автомобилем, если прицеп отсутствует. Цель настоящего исследования - установить оценочные измерители управляемости автомобиля, «чувствительные» к наличию прицепа и количественно определить влияние прицепа и его конструктивных параметров на управляемость автомобиля-тягача при прямолинейном движении и при резких маневрах.
В качестве резких маневров выбраны маневры «переставка» и «рывок руля», впоследствии включенные в ГОСТ Р 52302-2004 «Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний», и техническим регламентом о безопасности колесных транспортных средств, в разработке которых автор принимал непосредственное участие в качестве руководителя работ и непосредственного исполнителя.
В маневре «переставка» движение автопоезда происходит по размеченной траектории, при этом ширина коридора выбирается минимальной, т.к. в этом случае резко возрастает повторяемость результатов, что позволяет свести субъективные отличия водителей друг от друга к минимуму. В этом маневре сложность управления оценивается предельной скоростью, с которой данный маневр может быть выполнен. Меняя конструктивные параметры прицепа и тягача, можно получить зависимость предельной скорости движения автопоезда от этих параметров, и в результате определить нормативные значения для предельной скорости, которая будет являться критерием управляемости автотранспортного средства.
Предельная скорость - та, при которой происходит занос или опрокидывание тягача или прицепа. Занос находится сравнением бокового ускорения, возникающего на любой из осей, с максимально допустимым по сцеплению шин с опорной поверхностью. Коэффициент сцепления задается в исходных данных для расчета. Опрокидывание определяется нагрузкой на колеса каждой оси. Если вертикальная нагрузка на колеса одной стороны оси падает до нуля - отмечается отрыв колеса, что соответствует предельной скорости.
В испытаниях «рывок руля» определяется минимальный по устойчиво 4 сти тягача или прицепа радиус траектории центра масс тягача, движущегося со скоростью 60 км/ч после поворота рулевого колеса на увеличивающийся от заезда к заезду угол со скоростью вращения рулевого колеса 7 рад/с. Поскольку на входе в такой поворот происходит «заброс» бокового ускорения относительно установившегося значения, занос или опрокидывание одного из звеньев автопоезда в момент «заброса» ограничивает возможность достичь того радиуса установившегося движения, который определен поворотом рулевого колеса. Задача расчета выявить влияние конструктивных параметров прицепа на величину «заброса» и, соответственно, увеличение минимального радиуса, который может отслеживать автопоезд при необходимости резко войти в поворот.
Во время движения по прямой полосе управление сводится к корректировке возмущений, возникающих от взаимодействия с внешней средой. Причем, очевидно, что возмущения носят случайный характер и возникают от неровностей дороги или бокового ветра. Рассматривается влияние только неровностей дороги. Спектральная плотность таких возмущений g (ф\ в пределах частот от 0,05 до 0,15 колебаний на пути, равном длине базы автомобиля по данным работ, выполненных в МАДИ под руководством проф. Ха-чатурова А.А. [148], величина почти постоянная, а далее в пределах от 0,15 до 0,5 снижаться очень незначительно.
Выше были рассмотрены случаи «виляния» (колебаний в поперечном направлении при наличии малых периодических возмущений) прицепов, склонность к которым обусловлена параметрами самого прицепа. Эти явления исследованы на основе плоской модели, поскольку они обусловлены параметрами, не связанными с креном подрессоренных масс.
Ниже рассмотрены условия, при которых прицеп, в том числе и имеющий склонность к «вилянию», усложняет работу водителя. В начале - при движении по прямой, затем - в случае выполнения сложных маневров.
Научное обоснование и формирование экологических требований к транспортным средствам массой более 3,5 т бензиновыми двигателями
Таким образов, вышеприведенный материал показывает, что предложенная математическая модель прицепного автопоезда и расчетная схема позволяют получить совпадение расчетных данных с результатами эксперимента с точностью, характеризуемой относительной ошибкой, не превышающей 7 %, что может считаться вполне удовлетворительным для инженерных расчетов.
На примере расчетно-экспериментального исследования устойчивости и управляемости прицепного автопоезда как общего случая движения автотранспортного средства показана возможность снижения риска совершения дорожно-транспортных происшествий как оптимизацией конструктивных параметров прицепа, так и внедрением в конструкцию прицепа системы принудительного поворота его колес в сторону, противоположную уводу осей. Разработаны математическая модель и программное обеспечение для расчетных исследований, позволяющие определять переходные и стационарные характеристики автопоезда во время движения. Использование в расчете безразмерной формы уравнений позволяет распространить результаты- проведенных исследований на все двухосные прицепы.
Разработан расчетно - экспериментальный метод оценки влияния конструктивных параметров прицепа на устойчивость и управляемость автопоезда в целом и определены показатели, позволяющие произвести- количественную оценку такого влияния: при прямолинейном движении - среднеквад-ратическая скорость поворотов руля водителем автомобиля-тягача; при криволинейном движении- боковое ускорение на задней оси прицепа.
В результате теоретического и экспериментального исследований установлено, что при определенных сочетаниях конструктивных параметров прицепов и дорожных условий возможно возникновение «виляния» прицепов с постоянной частотой, что отрицательно сказывается на оценочном измерителе управляемости при прямолинейном движении автопоезда. Результаты расчетного исследования показали, что при резком маневрировании предельная скорость ограничивается «забросом» бокового ускорения на задней оси прицепа, величина которого зависит от сочетания ряда конструктивных параметров прицепа.
Проведенное исследование показало «конфликтность» параметров прицепа по условию обеспечения устойчивости его движения и управляемости автопоезда в целом. Для повышения устойчивости и управляемости автопоезда и снижения потенциальных рисков совершения ДТП с участием прицепных автопоездов разработан метод оптимизации конструкции прицепа на стадии проектирования и определены диапазоны изменений конструктивных параметров прицепа. Определена иерархия влияния конструктивных параметров прицепов на характеристики устойчивости и управляемости автопоезда. Доказано, что наибольшее влияние на них оказывают, в порядке убывания: высота расположения центра масс (и её отношение к ширине колеи); масса; база; положение центра масс по длине прицепа; коэффициенты сопротивления уводу осей, в том числе с учетом кинематического увода и их соотношение; угловая жесткость несущей системы; угловая жесткость подвески; высота расположения оси крена; длина дышла. Остальные параметры оказывают незначительное влияние на характеристики устойчивости и управляемости: моменты инерции подрессоренных и неподрессоренных масс относительно осей, проходящих через их центр масс, моменты инерции неподрессоренных масс и массы неподрессоренной, если они не меняют общего момента инерции прицепа, демпфирование амортизаторов и трение в листах рессор. 5. Достоверность математического описания и оценка адекватности принятой математической модели проверена натурным экспериментальным исследованием автопоездов. Экспериментальные исследования показали, что относительная ошибка расчетов не превышает 7%, что вполне удовлетворительно для инженерных расчетов. 6. Теоретически доказана возможность повышения безопасности движения автопоезда в целом и снижения риска совершения ДТП за счет потери устойчивости путем установки системы принудительного поворота колес прицепа в сторону, противоположную уводу его колес, на величину, равную углам увода его осей. Такая система требует усложнения конструкции прицепа за счет установки сканирующего устройства, фиксирующего углы увода колес, и исполнительного механизма, осуществляющего собственно поворот колес, но существенно снижает напряженность работы водителя (среднеквад-ратическая скорость поворотов руля водителем автомобиля-тягача при прямолинейном движении уменьшается почти в 2 раза) и уменьшает на 22,5% величину бокового ускорения на задней оси прицепа при резком маневрировании с большой скоростью при режимах «вход в поворот» и «переставка», что снижает склонность к заносу прицепа. Уменьшение бокового ускорения при маневрировании эквивалентно увеличению предельных скоростей выполнения стандартных маневров на 15% и соответствующему снижению рисков совершения ДТП на 2,5%, т.е. способствует повышению безопасности дорожного движения. 7. Разработанные рекомендации по выбору конструктивных параметров прицепов внедрены в производство прицепов Минского автомобильного завода МАЗ, разработанные методы испытаний устойчивости и управляемости внедрены в практику исследовательских работ промышленного института моторизации (ПИМот), Польша, а также в ГОСТ Р 52302-2004 «Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытаний» и технический регламент о безопасности колесных транспортных средств, утвержденный постановлением Правительства Российской Федерации оті0 сентября 2009 г. № 720.
