Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Нормативная база сертификации автотранспортных средств по критериям пассивной безопасности 7
1.2. Структура системы обеспечения пассивной безопасности автотранспортных средств 16
1.3. Методы испытаний автотранспортных средств на пассивную безопасность 23
1.3.1. Методы комплексной имитации дорожно-транспортных происшествий 25
1.3.2. Методы частичной имитации отдельных процессов дорожно-транспортных происшествий 27
1.3.3. Методы обеспечения безопасности при фронтальных столкновениях 27
1.3.4. Методы обеспечения безопасности при боковых столкновениях 40
1.4. Анализ требований, регламентирующих условия применения технических средств для динамических испытаний при имитации дорожно-транспортных происшествий 52
1.4.1. Имитация фронтального, бокового и заднего столкновений в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №№ 32,42, 95 на имитаторе столкновений разгонного типа 55
1.4.2. Оценка возможности оценки травмобезопасности рулевого управления и внутреннего оборудования транспортных средств с использованием имитатора столкновений разгонного типа 59
1.5.Цель и задачи исследования 62
ГЛАВА 2. Теоретические исследования средств и методов для имитации условий дорожно-транспортных происшествий 63
2.1. Разработка концепции метода разгона для имитации условий дорожно-транспортных происшествий 63
2.2. Разработка моделей автомобиля, манекена и удерживающих средств 68
2.3. Моделирование на ЭВМ динамики манекена 78
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 93
3.1. Проведение динамических испытаний ремней безопасности на стенде-ускорителе 93
3.2. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных характеристик движения тележки и манекена 100
ГЛАВА 4. Разработка методики динамических испытаний ремней безопасности с использованием имитатора столкновений разгонного типа 104
4.1 Определение выходных характеристик стенда-ускорителя 104
4.2. Технология проведения испытаний РБ с использованием имитатора столкновения разгонного типа 110
4.2.1. Назначения и область применения методики 110
4.2.2. Оценочные показатели испытания 113
4.2.3. Условия проведения испытаний 114
4.2.4. Последовательность и условия проведения динамических испытаний ремней безопасности 119
4.2.5. Обработка и оценка результатов испытаний 120
4.2.6. Техническая документация испытаний 122
4.27. Техника безопасности 124
Общие выводы 126
Библиографический список
- Нормативная база сертификации автотранспортных средств по критериям пассивной безопасности
- Разработка концепции метода разгона для имитации условий дорожно-транспортных происшествий
- Проведение динамических испытаний ремней безопасности на стенде-ускорителе
- Определение выходных характеристик стенда-ускорителя
Введение к работе
К концу двадцатого началу двадцать первого веков в России создана и, в целом, устойчиво функционирует современная транспортная система являющаяся неотъемлемой частью производственной и социально-экономической инфраструктуры страны.
Автомобильный транспорт играет ключевую роль в развитии транспортной системы страны.
На долю автомобильного транспорта в Российской Федерации приходится более половины объёма пассажирских и три четверти грузовых перевозок.
Автомобилизация страны, решая задачи по перевозке пассажиров и грузов, ставит проблему обеспечения безопасности дорожного движения и окружающей среды.
В обстановке, характеризующейся высокой интенсивностью движения автомобильного транспорта, в которое вовлечены десятки миллионов людей и большое количество транспортных средств, предупреждение аварийности и снижение тяжести их последствий становится одной из серьезнейших проблем. От её успешного решения в значительной степени зависит не только сохранение жизни и здоровья людей, но и развитие экономики страны.
Данная проблема приобрела особую остроту в последнее десятилетие в связи с высокими темпами роста производства и пополнения парка автомобильного транспорта и значительным отставанием темпа роста сети автомобильных дорог.
Последствия от дорожно-транспортных происшествий, связанные с гибелью и ранением людей, потерей материальных ценностей наносят значительный ущерб экономике Российской Федерации. Анализ статистики ДТП на автомобильном транспорте показывает, что дорожно-транспортный травматизм в стране продолжает оставаться на недопустимо высоком уровне. Только за
5 2005г. в России произошло 223342 ДТП, в которых погибли 33957 человек и получили ранения различной тяжести 274864 человек. В 50-60% виновником ДТП считается водитель, в 25-35% - дорожные условия, в 15-25% - несовершенная конструкция автомобиля и незначительный процент ДТП приходится на среду.
С учетом сказанного становится очевидным, что проблема повышения конструктивной безопасности выпускаемых автотранспортных средств имеет значительную социальную и экономическую значимость и является одной из основных проблем автомобилизации страны. Для ее решения правительством принята федеральная целевая программа "Повышение безопасности дорожного движения в 2006-2012гг."
Российская Федерация является участницей Женевского Соглашения 1958 года, подписанного в рамках Комитета внутреннего транспорта (КВТ) Европейской экономической комиссии (ЕЭК) при Организации Объединенных Наций (ООН). Разрабатываемые в КВТ ЕЭК ООН Правила, являющиеся приложением к указанному Соглашению, представляют собой международные нормативные документы, которые устанавливают требования к безопасности конструкции колесных транспортных средств (легковых, грузовых автомобилей и прицепов, автобусов, мототранспортных средств и тракторов), а также методы их испытаний. Введение в Российской Федерации в действие правил ЕЭК ООН в качестве государственных стандартов обеспечивает, как совершенствование конструктивной безопасности, так и в целом повышение безопасности дорожного движения и уменьшение экологического воздействия транспорта на окружающую среду, способствует приведению показателей отечественного транспорта к европейским нормам.
Присоединение России к Женевскому Соглашению способствовало введению в 1992 году отечественной системы сертификации механических транспортных средств и прицепов, основанной на международных принципах и нор-
мах, полностью соответствующей по процедуре указанному Соглашению. Управление уровнем безопасности конструкции автотранспортных средств в РФ обеспечивается, как и в других странах за счёт использования методов и средств обязательной сертификации.
Большое число погибших и раненных, а также высокий уровень тяжести травмирования людей при ДТП позволяет считать пассивную безопасность конструкции автотранспортных средств за одно из важнейших качеств комплекса « Человек - автомобиль - дорога - среда » (ЧАДС).
Отсюда возникает необходимость создания современных, отвечающих требованиям Правил ЕЭК ООН, отечественных автотранспортных средств (АТС) с высокой степенью надежности систем пассивной безопасности. Решить эту проблему можно только при использовании для испытаний элементов систем пассивной безопасности АТС соответствующих технических средств.
В настоящее время в организациях занимающиеся испытанием автомобильной техники на пассивную безопасность в Российской Федерации отсутствуют современные имитаторы столкновения (имитатор тормозного типа изготовленный и установленный на АвтоВАЗе не отвечает требованиям, предъявляемым Правилами ЕЭК ООН), что не позволяет службам сертификации проводить в России сертификационные испытания по ряду Правил ЕЭК ООН (№ 16, 44 и др.), что вызывает необходимость обращаться в зарубежные испытательные центры, затрачивая при этом значительные суммы в валюте.
Сложившаяся ситуация с наличием в стране имитатора столкновения и необходимость проведения при сертификации динамических испытаний на пассивную безопасность АТС, их отдельных элементов и удерживающих защитных систем в условиях имитации ДТП, а также принимая во внимание технический уровень современных конструкций имитаторов столкновений определили цель и задачи настоящей диссертации.
Нормативная база сертификации автотранспортных средств по критериям пассивной безопасности
Управление уровнем безопасности конструкции автотранспортных средств в Российской Федерации, как и в других странах, обеспечивается за счет использования методов и средств обязательной сертификации.
Основу сертификации составляет нормативная база, т.е. предписания нормативных документов, регламентирующих технические требования, предъявляемые к транспортным средствам и методам испытаний, обеспечение соответствия которым является основной задачей сертификации.
Сертификация - это действие "третьей", независимой от производителей и потребителей продукции, стороны, доказывающее, что должным образом идентифицированная продукция - транспортное средство, соответствует определенным нормативным документам, составляющим нормативную базу сертификации.
Определение перечня нормативных документов, которые регламентируют технические требования к транспортным средствам, является важным этапом при создании системы сертификации.
В системе сертификации нормативную базу могут составлять международные и национальные нормативные документы. В каждой системе сертификации устанавливается перечень нормативных документов для обязательной и добровольной сертификации. Этот перечень обычно уточняется и пересматривается раз в несколько лет, что связано с развитием процесса сертификации.
Российская Федерация, как страна-участница Женевского Соглашения 1958 года приложением к которому являются Правила ЕЭК ООН, приняла при сертификации транспортных средств в качестве нормативных документов, как международные (Правила ЕЭК ООН), так и национальные стандарты (ГОСТы, ОСТы, РД) в "Системе сертификации механических транспортных средств и прицепов (ГОСТ Р)". В настоящее время близится к завершению процесс гармонизации Правил ЕЭК ООН с соответствующими Директивами ЕС.
В принятом в Женеве 20 марта 1958 года "Соглашении 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", определено, что термин "колесные транспортные средства, предметы оборудования и части" включает любые колесные транспортные средства, предметы оборудования и части, характеристики которых оказывают влияние на безопасность дорожного движения и охрану окружающей среды.
Таким образом, Правила ЕЭК ООН, являющиеся в качестве нормативных документов приложением к Соглашению 1958 года, устанавливают уровень конструктивной безопасности колесных транспортных средств (легковых и грузовых автомобилей и их прицепов, автобусов, мототранспортных средств, тракторов) и оказывают непосредственное влияние на безопасность дорожного движения и экологическую безопасность.
По состоянию на 01 июня 2006 года принято фактически 128 Правил ЕЭК ООН.
В таблице 1.1 показаны Правила ЕЭК ООН, распределенные по категориям транспортных средств (категории транспортных средств определены Сводной резолюцией о конструкции транспортных средств (СР.З)).
Правила, регламентирующие требования к легковым, грузовым автомобилям, полуприцепам, прицепам и автобусам - их общее число 90, можно подразделить по следующим признакам безопасности (Рис. 1.1): 1. Активная безопасность (количество Правил - 48 или 54% от общего числа; 2. Пассивная безопасность (24 или 26%); 3. Экологическая безопасность (14 или 15%); 4. Общие предписания безопасности (4 или 5%). Правила ЕЭК ООН, регламентирующие требования непосредственно к мототранспортным средствам, составляют - 23. Активная безопасность (АБ) - это свойство конструкции транспортных средств исключить или существенно снизить вероятность возникновения дорожно-транспортного происшествия (ДТП).
Разработка концепции метода разгона для имитации условий дорожно-транспортных происшествий
Как отмечалось в главе I для проведения динамических испытаний АТС по требованиям ряда Правил ЕЭК ООН (№№ 16, 17, 44, 80) необходимо наличие имитатора столкновения, без применения которого не могут быть проведены сертификационные испытания.
В настоящее время существуют два качественно отличающихся типа имитаторов с тормозным и разгонным принципами создания ударного импульса.
Имитаторы столкновения разгонного типа имеют следующие преимущества перед регламентированными в настоящее время Правилами ЕЭК ООН имитаторами с воспроизведением ударного импульса с помощью торможения: возможность более точного воспроизведения формы импульса; возможность реализации требуемой формы ударного импульса при значительном диапазоне изменения общей массы тележки; обеспечение строго фиксированных начальных условий, связанных с положением манекена, т. к. до воздействия импульса тележка с манекеном находится в состоянии покоя; отсутствие необходимости применения специзделий (полиуретановых труб) практически одноразового использования; возможность использования для испытаний более короткого рельсового пути; высокая степень обеспечения безопасности при проведении испытаний. Следует отметить, что применение испытательных стендов, основанных на принципах создания ударного импульса, как за счет торможения, так и за счет разгона тележки, допускается Федеральными авиационными правилами США (FAR-25, FAR-23) при проведении динамических испытаний авиационных кресел с применением манекенов. Ряд ведущих зарубежных фирм, изготавливающих оборудование для предприятий и организаций автомобильной промышленности, в настоящее время проектирует или изготавливает опытные образцы имитаторов столкновения разгонного типа.
В настоящее время в организациях занимающихся испытанием автомобильной техники на пассивную безопасность в РФ отсутствуют имитаторы столкновения (имитатор тормозного типа, изготовленный и установленный на АвтоВазе не отвечает требованиям Правил ЕЭК ООН), что не позволяет службам сертификации проводить в России сертификационные испытания по ряду Правил (№16 ЕЭК ООН и др.), что вызывает необходимость обращаться в зарубежные испытательные центры, затрачивая при этом значительные суммы в валюте. В случае закупки имитатора за рубежом, затраты могут достигать 800-1000 тыс. долларов США и более.
Учитывая создавшуюся ситуацию с испытаниями на безопасность и необходимости повышения безопасности автомобилей и проведения экспертных исследований в РФ, а также принимая во внимание технический уровень современных конструкций имитаторов столкновений и технические возможности российских организаций, имеющих опыт проектирования и изготовления стендового оборудования, можно считать целесообразным создание для нужд автомобильной отрасли в РФ имитатора столкновений разгонного типа.
При наличии такого стенда станет возможным на современном уровне проводить комплекс динамических испытаний АТС (сертификационных, доводочных и предварительных) и отдельных его элементов на соответствие Правилам №№ 11,16,17, 42, 44, 80, 94 и 95 ЕЭК ООН. Для возможности проведения с помощью имитатора столкновений разгонного типа сертификационных испытаний на соответствие Правилам №№ 16,44 и 80 ЕЭК ООН необходимо выполнить комплекс расчетно-экспериментальных исследований для подтверждения сопоставимости результатов, получаемых при использовании имитаторов тормозного и разгонного типов. В настоящее время в группе докладов GRSP КВТ, ЕЭК ООН в г. Женеве обсуждаются подготовленные с участием автора соответствующие дополнения к Правилам № 16 ЕЭК ООН.
Результаты проведенного исследования, многолетний отечественный опыт испытаний АТС па пассивную безопасность, а также анализ зарубежных материалов по данной тематике позволяет представить следующие технические предложения на параметры имитатора столкновений разгонного типа (далее -стенд): размеры стенда должны обеспечить установку объектов испытаний длиной 6,5 м и шириной до 2,5 м, как в продольном (Правила № 94 ЕЭК ООН), так и поперечном (Правила № 95 ЕЭК ООН) направлениях; масса объектов испытаний до 4 т; стенд должен обеспечить разгон объектов до 70 км/ч; формы создаваемого при разгоне импульса ускорения - близкие к трапецеидальной (формы нормируемых импульсов показаны на рис. 2.1-2.3); максимальное ускорение, обеспечиваемое при разгоне объекта испытаний -до 50 g; длительность создаваемого на стенде импульса - до 150 мс; расстояние движения объекта при разгоне - до 1000 мм; стенд должен обеспечивать точность программирования импульса ускорения на 20-25% более высокую, чем ширина коридора регламентированная Правилами № 16 и 44 ЕЭК ООН (рис. 2.1-2.3); стенд должен быть оснащен современным измерительным комплексом для регистрации характеристик кинематики и динамики объекта испытаний и манекенов, соответствующего требованиям ISO 6487; величина замедления объекта испытаний (тележки) при торможении не должна превышать l-2g;
Проведение динамических испытаний ремней безопасности на стенде-ускорителе
Эксперимент проводился в испытательной лаборатории ИЛ «Трек» Федерального казенного предприятия "Государственный казенный научно-испытательный полигон авиационных систем" (ФКП ГкНИПАС) и включал динамические испытания комплектного ремня безопасности на соответствие требованиям Правил №16 ЕЭК ООН (п. 7.7) с помощью стенда-ускорителя. Испытанию подвергался новый комплектный ремень безопасности для взрослых пассажиров, отвечающий ТУ завода - изготовителя и установленный на несъемных элементах крепления, расположенных на тележке в соответствии с требованиями п.п.2,3 Приложения 6 Правил №16 ЕЭК ООН. Основными задачами эксперимента являлись: воспроизведение ударного импульса на разгонной тележке в соответствии с
Приложением 8 Правил №16 ЕЭК ООН, достижение скорости и перемеще ния тележки соответствующим п.7.7.4 Правил№ 16 ЕЭК ООН; определение нагрузки в лямках удерживающей системы в процессе динамического нагружения; определение соответствия кинематики манекена, в условиях динамических испытаний ремней безопасности на ударное нагружение с помощью разгонной тележки, в сравнении с условиями замедляющей тележки.
Общий вид экспериментальной тележки показан на рис.3.1 и 3.2. Использовался антропометрический манекен «II» массой 77,2 кг. Общая масса тележки, манекена и удерживающих устройств 1263 кг. Разгонная тележка запускалась управляемым автоматическим пневмоприводом так, чтобы достигнуть скорости 50 км/ч ( 14 м/с) на расстоянии
Максимальная нагрузка в верхней и нижней лямках ремня составила: - в верхней лямке 9447 Н; - нижней лямке 4970 Н. Результаты экспериментов показали: импульс на разгонной тележке может воспроизводиться достаточно точно (см. рис.3.4); максимальные величины нагрузок в лямках соответствуют значениям, получаемых при использовании стенда-замедлителя; соответствие параметров ударного импульса, а также получаемым величинам скорости и перемещения предписанными Правилами №16 ЕЭК ООН подтверждает допустимость использования разгонной тележки для динамических испытаний ремней безопасности пассажиров и водителей механических транспортных средств согласно п.7.7 Правил №16 ЕЭК ООН.
Расчетные характеристики движения определялись моделированием на ЭВМ динамики системы «разгонная тележка - манекен - ремни безопасности» с помощью программ, рассмотренных в главе 2. Моделирование на ЭВМ дает более подробную информацию о движении системы, чем в натурном эксперименте. При моделировании получены не только графики замедления тележки, скорости и перемещения в функции времени, как это было в экспериментах, но и графики изменения усилий в лямках ремней безопасности и график изменения усилия в разгонном устройстве для реализации требуемого ускорения тележки.
Размещение всех характеристик в общей координатной сетке позволяет определять их фазовые соотношения.
Для наглядного сравнения с экспериментальными характеристиками, рассмотренными в предыдущем пункте, на рис.3.8 сплошными линиями показаны расчетные графики перемещения тележки - х, скорости -v, ускорения - а и сил натяжения лямок ремня -fi и ґг, а штриховыми линиями нанесены экспериментальные характеристики, рассмотренные в предыдущем пункте. Как видно из графиков, получено хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных для величин перемещения и скорости тележки даже при идеализированной форме ускорения. Удовлетворительное соответствие получено также для максимальных величин натяжения лямок ремней безопасности.
В экспериментах максимальные величины сил натяжения равны fi= 4790 Н, f2=9447 Н, а их расчетные значения, полученные при моделировании на ЭВМ, равны fj= 4950 Н и f2=9983 Н. Как отмечалось выше, при моделировании, кроме максимальных величин, получаются графики изменения сил натяжения в процессе разгона тележки, показанные на рис.3.8. Некоторое расхождение экспериментальных и расчетных значений характеристик движения системы вызвано погрешностью (до5%) определения числовых значений параметров динамической модели.
Определение выходных характеристик стенда-ускорителя
Разработка технологии включала определение: 1. Назначения и область применения методики; 2. Оценочных показателей испытаний; 3. Условий проведения испытаний; 4. Последовательности условий проведения ДИ РБ; 5. Обработки и оценки результатов испытаний; 6. Технической документации испытания; 7. Техники безопасности при испытаниях.
Настоящая методика распространяется на ремни безопасности (РБ) для водителей и пассажиров автотранспортных средств (АТС) категорий М и N.
Методика предназначена для комплексной оценки прочностных и функциональных свойств ремней безопасности при динамическом нагружении, имитирующем фронтальное столкновение АТС с использованием стенда-ускорителя общий вид, которого показан на рис.4.4.
Принцип работы стенда-ускорителя заключается в обеспечении мощного ударного импульса, благодаря использованию различного давления газа на стороны толкающего поршня в закрытом цилиндре. Цилиндр разделен на две камеры перегородкой с отверстием. Относительно низкое давление газа в камере "А" ( установочный цилиндр) прижимает толкающий поршень к уплотнитель-ному кольцу на перегородке. Давление со стороны камеры "А" действует на всю поверхность поршня. На другой стороне поршня только маленькая площадь внутри уплотнительного кольца подвергается воздействию давления газа со стороны камеры "В" (рабочий цилиндр).
Для запуска системы небольшое количество сжатого газа высокого давления вводится в маленькое пространство перед поршнем со стороны камеры "В" (полость перед поршнем). Эта подача газа нарушает равновесие, отодвигая поршень от уплотнительного кольца и открывая всю поверхность поршня для воздействия более высокого давления газа из камеры "В". В результате на поршне возникает контролируемое усилие, в виде ударного импульса. Вид тарированного наконечника задает характеристики импульса ускорения. Разные виды наконечников легко подбираются для воспроизведения импульсов, различных по конфигурации и продолжительности, хотя модификации импульсов могут быть реализованы изменением давления газа и объема цилиндра. Система имитирует продольное замедление при обстоятельствах столкновения, но в обратном виде. Запрограммированное резкое ускорение испытательной тележки "выдергивает" укомплектованный автомобиль из-под манекена, аналогично той, что возникает при резком замедлении автомобиля.
Методика в части требований к РБ соответствует Правилам №16 ЕЭК ООН с поправками серии 04 (ГОСТ Р 41.16-2001г.), а в части требований к аппаратуре - ISO 6487.
Методика может быть использована при проведении контрольных, доводочных и сравнительных испытаниях РБ, а после утверждения соответствующих поправок к Правилам №№11,16,17, 44, и 80 ЕЭК ООН (они находятся в окончательной стадии утверждения) - применяться при сертификационных испытаниях.
В условиях динамических испытаний должно определяться соответствие РБ следующим требованиям: никакой элемент комплекта ремня или удерживающей системы, обеспечивающей надлежащее положение пользователя, не должен быть разрушен; не допускается также открывание пряжек или проскальзывание в системе замыкания или в системе перемещения; перемещение манекена в направлении движения должно составлять от 80 до 200 мм на уровне таза для поясных ремней; в случае других типов ремней перемещение вперед должно составлять от 80 до 200 мм на уровне таза и от 100 до 300 мм на уровне грудной клетки; в случае ремня безопасности, предназначенного для использования на боковом переднем сиденье, перед которым расположена подушка безопасности, перемещение исходной точки на грудной клетке может превышать вышеуказанное значение, если скорость перемещения при этом значении не превышает 24 км/ч.
При испытании удерживающей системы перемещение исходной точки на грудной клетке может превышать величину от 100 до 300 мм, если на основе расчетов либо дальнейшего испытания будет доказано, что никакой элемент корпуса или головы манекена, с применением которого проводится динамическое испытание, не прикоснется при этом к какой-либо жесткой части транспортного средства, расположенной спереди, за исключением прикосновения грудной клетки к рулевому колесу, если последнее удовлетворяет требованиям Правил №12 ЕЭК ООН (Травмобезопасность рулевого управления) и при условии, что такой контакт происходит на скорости не более 24 км/ч.
В процессе испытаний должны регистрироваться следующие параметры: скорость и величина перемещения манекена; ускорение платформы; ускорение груди манекена; усилие в лямках РБ.
В соответствии с требованиями Правил №16 ЕЭК ООН по результатам динамических испытаний должна проводиться оценка следующих параметров: перемещения манекена относительно элементов платформы (мест крепления РБ); скорости движения манекена относительно элементов платформы.
