CC BY
49
dr inz. Wlodzimierz KUPICZ
Szkola Glôwna Sluzby Pozarniczej
STATECZNOSC POJAZDÔW POZARNICZYCH -
METODY BADAN
Fire-fighting vehicles roll stability - tests methods
Streszczenie
W artykule przedstawiono metody badan statecznosci poprzecznej pojazdôw pozarniczych, zgodne z wymaganiami normy. Podkreslono niedostateczn^ ilosc informacji uzyskiwanych w statycznych metodach wyznaczania k^ta przechylu bocznego, zaproponowano rozszerzenie zakresu pomiarôw o metody dynamiczne, zaprezentowano urz^dzenie do pomiarôw kierowalnosci i statecznosci w badaniach drogowych, omôwiono metody badawcze i przedstawiono przykladowe wyniki.
Summary
This article presents methods for transverse stability testing of fire brigade vehicles, in accordance with standard requirements. The insufficient amount of information that is obtained in the static methods for determining the lateral yaw angle has been highlighted, the measurements scope was proposed to be extended by dynamic methods, a device for measuring steerability and stability in road studies was presented, as well as research methods were discussed and exemplary results were presented.
Stowa kluczowe: pojazdy pozarnicze, bezpieczenstwo, statecznosc pojazdu, badania drogowe;
Keywords: fire-fighting vehicles, safety of traffic, vehicle stability, road test method;
1. Wprowadzenie
Statecznosc, pewne i przewidywalne zachowanie pojazdôw pozarniczych podczas szybkiej jazdy do akcji ratowniczo gasniczej jest podstaw^. bezpieczenstwa zastçpôw Strazy Pozarnej.
Pojazdy pozarnicze konstruowane s^. na bazie standardowych samochodôw ciçzarowych, na ramie ktôrych osadzona jest zabudowa specjalna a w tym zbiorniki na
srodki gasnicze. Zazwyczaj zabudowa ta osadzona jest na ramie posredniej, ktora poprzez elementy podatne, np. metalowo-gumowe przymocowana jest do ramy glownej pojazdu. Taki sposob zabudowy sprawia, ze w znacz^cy sposob zwi?ksza si? wysokosc polozenia srodka masy. Sytuacj? pogarsza rowniez fakt, iz znaczna cz?sc pojazdow ratowniczo-gasniczych wykonywana jest w wersji uterenowionej lub terenowej,
0 duzych przeswitach i wysokoprofilowych oponach. Tak zabudowany
1 ukompletowany pojazd jest bardzo podatny na wywrocenie w ruchu krzywoliniowym.
Pojazdy eksploatowane w jednostkach Panstwowej Strazy Pozarnej zabudowywane s^. standardowo przez krajowe firmy wyspecjalizowane w produkcji pozarniczej. S3. to firmy niewielkie o bardzo malym potencjale badawczym, ktore nie wykonuj^. kompleksowych badan pojazdow. Potwierdzeniem takiego stanu rzeczy s^. liczne przypadki wywrocenia pojazdow ratowniczo-gasniczych w drodze do akcji. Wypadki te byly przyczyn^. obrazen i smierci zalog pojazdow Strazy Pozarnej. Wypadek pojazdu pozarniczego oprocz zagrozen miejscowych, niesie za sob^ powazne konsekwencje w postaci braku mozliwosci reakcji na wlasciwe zdarzenie. A zatem konsekwencje wywrocenia pojazdu to nie tylko straty materialne i ofiary wsrod uczestnikow wypadku, ale rowniez brak mozliwosci reakcji na zdarzenie do ktorego zostala skierowana zaloga pojazdu oraz koniecznosc zaangazowania dodatkowych sil i srodkow.
2. Metody badan statecznosci poprzecznej
Norma PN EN 1846-2 „Samochody pozarnicze. Cz?sc 2: Wymagania ogolne. Bezpieczenstwo i parametry." w wykazie zagrozen wyst?puj^cych podczas eksploatacji pojazdu pozarniczego (tablica 1), wielokrotnie wymienia utrat? statecznosci poprzecznej pojazdu. Jednak jako metod? badan statecznosci poprzecznej przyj?to jedynie wyznaczenie statycznego k^ta przechylu poprzecznego. Parametr ten pozwala tylko na ocen? wplywu polozenia srodka masy na statecznosc poprzeczn^ w warunkach statycznych. Nie uwzgl?dnia nast?puj^cych czynnikow:
• dynamicznego oddzialywania cieczy na scianki zbiornika i poprzez jego mocowanie na ram? pojazdu ;
• zjawisk zachodz^cych w strefie kontaktu kola ogumionego z nawierzchni^. drogi;
• dynamicznych oddzialywan zawieszenia pojazdu;
• momentu bezwladnosci bryly pojazdu.
Statyczny k^t przechylu bocznego wyznaczany jest na dwa sposoby: obliczeniowo po zmierzeniu wysokosci polozenia srodka masy pojazdu oraz na plycie uchylnej.
2.1. Statyczny teoretyczny kqt przechylu bocznego
Statyczny teoretyczny k^t obliczany po wyznaczeniu wysokosci polozenia srodka masy pojazdu. Srodek masy wyznaczany jest doswiadczalnie. Schemat metody przedstawiono na rys 1. Jedna z osi pojazdu unoszona jest na wysokosc H. Mierzony jest przyrost masy na osi nieunoszonej. Po uwzgl^dnieniu rozstawu osi oraz statycznego promienia kola, wysokosc polozenia srodka masy obliczana jest z zaleznosci (1).
Ryc. 1. Wyznaczanie polozenia srodka masy metody wagow^. Zródlo: Opracowanie wlasne
Wysokosc polozenia srodka masy:
h = r, + mIiml.L. vltf, s M H
gdzie:
Mi' - masa [kg] osi 1 po uniesieniu osi 2; Mi - masa [kg] przypadaj^ca na os 1; L - rozstaw osi [m]; H - wysokosc uniesienia osi [m]; rs - promien statyczny kola [m].
Statyczny teoretyczny k^t przechylu bocznego wyznaczany jest z zaleznosci (2)
ib h
0,5 b-e
P = arc tg----(2)
gdzie:
b - rozstaw kol pojazdu [m];
e - przesuni?cie srodka masy w bok od plaszczyzny symetrii pojazdu [m].
Statyczny teoretyczny k^t przechylu bocznego nie uwzgl?dnia zjawisk zwi^zanych z ugi?ciem zawieszenia oraz odksztalceniem opon pojazdu. Rzeczywisty k^t jest mniejszy niz wyznaczony w/w metod^.
2.2. Kqt przechylu bocznego wyznaczany na plycie uchylnej
Zgodnie z PN EN 1846-2, statyczny k^t przechylu wyznaczany jest na plycie uchylnej. Pojazd przechylany jest do chwili oderwania wewn?trznych kol od plaszczyzny plyty. Badanie takie przedstawiono na rys 2. Pomiary przeprowadzane s^. na obie strony.
Fot. 1 Wyznaczanie k^ta przechylu bocznego na plycie uchylnej
Zrodlo: Opracowanie wlasne
K^t przechylu bocznego wyznaczany metod^ plyty uchylnej, uwzgl?dnia ugi?cie zawieszenia oraz odksztalcenie opon i jest bardziej zblizony do wartosci rzeczywistej.
2.3. Badania drogowe
Zachowanie pojazdu, jego statecznosc poprzeczn^ najdokladniej wyznacza siç podczas badan drogowych. Istnieje szereg znormalizowanych metod testowych kierowalnosci i statecznosci, ktôre szczegôlowo opisuj^ warunki badan: przygotowanie pojazdu, wymuszenia na kierownicy, prçdkosci jazdy oraz dopuszczalne zachowanie pojazdu.
Podczas testôw kierowalnosci rejestrowane s^. nastçpuj^ce wielkosci:
• k^t skrçtu kierownicy дH ;
• moment na kole kierownicy MH;
• przemieszczenie wzdluzne i poprzeczne pojazdu x, y;
• prçdkosci wzdluzna i poprzeczna pojazdu vx i vy;
• przyspieszenie poprzeczne pojazdu ay;
• k^t przechylu bocznego pojazdu < ;
• prçdkosc k^towa skrçtu pojazdu у/ (yaw velocity).
Do wykonania badan drogowych niezb?dna jest kosztowna aparatura oraz tor badawczy o odpowiednich parametrach. W Polsce nie ma toru zbudowanego do celow badawczych. Najcz?sciej pomiary wykonywane s^. na pasach nieczynnych lotnisk. Problemem jest odpowiednia jakosc nawierzchni - rowna o dobrej przyczepnosci.
Badania wykonywane s^. przy pomocy kilku rodzajow aparatury. W artykule opisane zostanie jedno z najnowoczesniejszych urz^dzen i na dzien dzisiejszy jedyne w kraju. Znajduje si? ono w posiadaniu Wojskowego Instytutu Techniki Pancernej i Samochodowej. Jest to robot steruj^cy SR 60 firmy AB Dynamics. Urz^dzenie sklada si? z kilku modulow:
• jednostka centralna o duzej mocy obliczeniowej;
• system pomiarowy inercyjno-satelitarny RT 3002;
• kierownica z silnikiem krokowym i systemem pomiaru k^ta i pr?dkosci obrotu, oraz momentu;
• komputer uzytkownika do zapisu i wizualizacji danych.
Maksymalny moment wymuszaj^cy na kole kierownicy wynosi 70 Nm. Maksymalna pr?dkosc skr?tu 25000/s.
Tak skonfigurowany uklad pozwala na:
• zaprogramowanie dowolnego toru jazdy lub skorzystanie z gotowych szablonow znormalizowanych testow;
• zarejestrowanie i odtworzenie toru ruchu pojazdu podczas jazdy kierowcy;
• pomiary odpowiedzi ukladu na wymuszenie: mierzone s^, pr?dkosci wzdluzne, poprzeczne i pionowe, przemieszczenie i przyspieszenia k^towe pojazdu, przyspieszenia boczne, okreslana jest charakterystyka kierowalnosci pojazdu;
• test moze byc prowadzony zawsze w tym samym miejscu co jest szczegolnie wazne jesli dysponujemy malym placem do pomiarow lub o niejednorodnej nawierzchni;
• odtwarzalnosc toru ruchu pojazdu z dokladnosci^ ±5 cm.
Widok robota przedstawiono na fot.2.
Fot.2. Robot steruj^cy. a. system inercyjno satelitarny RT 3002, b. jednostka centralna, c. kierownica pomiarowa z kolumn^ ustalaj^c^.
Zródlo: Opracowanie wlasne
Badania drogowe kierowalnosci pojazdów ciçzarowych wykonuje siç zgodnie z metodyk^. opisan^ w nastçpuj^cych dokumentach normatywnych:
• ISO 14792 - badania w ruchu ustalonym po torze kolowym;
• ISO 14793 - odpowiedz na wymuszenie skokowe na kole kierownicy;
• STANAG 4357 i 4358 - AVTP 03-30: kierowanie i manewrowosc, AVTP 03160: pojazdu dynamiczna stabilnosc ruchu.
2.1.1. Ruch po okrçgu w warunkach quasi statycznych
Badanie to w zalozeniu odbywa siç w warunkach statycznych tzn. przy niezmiennej prçdkosci jazdy i przy stalym k^cie skrçtu kierownicy lub stalym promieniu toru ruchu. Po zarejestrowaniu badanych parametrów zwiçkszana jest skokowo prçdkosc jazdy i po ustabilizowaniu ponownie dokonuje siç pomiarów. Badania kontynuowane s^ do osi^gniçcia prçdkosci granicznej przy której dochodzi do nadmiernego (niebezpiecznego) k^ta przechylu bocznego, utraty sterownosci (nadmiernej nad lub podsterownosci), braku mozliwosci poruszania siç po zadanym
torze jazdy na skutek duzego k^ta bocznego znoszenia. [5] Wyznaczana jest:
• charakterystyka kierowalnosci pojazdu - tzn. czy wraz ze wzrostem pr?dkosci staje si? nad czy podsterowny. Miar^. jest tzw. gradient nasterownosci [2] okreslony zaleznosci^:
GS = I^HL-^L (3)
is day day
s y y
gdzie:
8a - teoretyczny k^t skr?tu kol wynikaj^cy z zaleznosci Ackermana, potrzebny do poruszania si? po luku o promieniu R pojazdu o rozstawie osi l
a l S' = R
• podatnosc na znoszenie boczne opon - k^t bocznego znoszenia,
• oraz statecznosc poprzeczna - k^t przechylu bocznego w funkcji sily odsrodkowej, ktorej miernikiem jest przyspieszenia poprzeczne.
Charakterystyki te s^. podstawowymi wyznacznikami zachowania pojazdu w jezdzie po luku, parametry pozostalych testow cz?sto odwoluj^. si? do wynikow badania ruchu po okr?gu w warunkach ustalonych.
Na ryc. 2 przestawiono przykladowe charakterystyki wyznaczone w czasie testow ruchu po okr?gu w warunkach ustalonych. Widoczne jest zalamanie charakterystyki k^ta skr?tu kierownicy po przekroczeniu przyspieszenia poprzecznego 6 m/s . W punkcie tym nast^pil duzy poslizg boczny kol osi przedniej i pojazd stal si? silnie podsterowny.
Ryc. 2.Charakterystyka kyta skr^tu kierownicy w funkcji przyspieszenia poprzecznego
Zrodlo: Opracowanie wlasne
2.1.2. Wymuszenie skokowe na kole kierowniczym
W ramach normy prowadzone jest kilka testow. [6] Wymuszenie trapezowe. Polega on na szarpni^ciu kierownicy z pr^dkosciy kytowy nie mniejszy niz 200o/s, o kyt odpowiadajycy kytowi potrzebnemu do uzyskania przyspieszenie poprzecznego 4 m/s podczas jazdy z pr^dkosciy 80 km/h. Analizowane sy nast^pujyce wielkosci charakteryzujyce odpowiedz pojazdu (rys 5):
- ^-100°
•* J /1 X \________
/ ■J- m
ra rr b nax Time
Ryc. 3. Graficzna interpretacja parametrow wymuszenia trapezowego [6]
Zrodlo: Norma ISO 14793
przebieg czasowy przyspieszenie boczne - czas osi^gni^cia maksimum, czas osi^gni^cia 90% wartosci ustalonej, wartosC maksymalna aymax, stosunek przyspieszenia bocznego do k^ta obrotu kierownicy w warunkach ustalonych
( a ^ ay
У^н Jss
tzw wspolczynnik przewyzszenia (przesterowania)
^ ay max aySS ^
a
yss у
pr^dkosc k^towa pojazdu (yaw velocity): czas osi^gni^cia maksimum, czas osi^gni^cia 90% wartosci ustalonej, wartosc maksymalna, stosunek pr^dkosci
k^towej do k^ta obrotu kierownicy w warunkach ustalonych
У^н уss
tzw.
wspolczynnik przewyzszenia (przesterowania)
fVmax -VSS ^
W SS
Przykladowe przebiegi w/w parametrow przestawiono na ryc.4.
2,5 3
Time [s]
Ryc. 4. Przebieg k^ta skr^tu kierownicy i pr^dkosci k^towej pojazdu podczas testu
wymuszenia trapezowego
Zrodlo: Opracowanie wlasne
0
0,5
1,5
2
3,5
4
4,5
5
Poz^dane zachowanie pojazdu to jak najszybsze pod^zanie za ruchem kierownicy, oraz niewielkie przesterowania. Przestawiony na rys 6 przebieg pr^dkosci k^towej pojazdu - przesterowanie a nast^pnie gasn^ce oscylacje swiadczy o podsterownej charakterystyce pojazdu.
Wymuszenie sinusoidalne. Test polega na wymuszeniu na kierownicy sinusoidy o czçstotliwosci od 0,2 do 2 Hz i k^cie skrçtu kierownicy wywoluj^cym przyspieszenia boczne 3 m/s podczas jazdy z prçdkosci^. 80 km/h w ruchu po luku.
Przeprowadzane s^. analizy sygnalów w funkcji czasu (przesuniçcia fazowe pomiçdzy wymuszeniem i odpowiedzi^) w funkcji czçstotliwosci.
Obliczane s^:
• wspólczynnik przyspieszenia poprzecznego - jako amplituda przyspieszenia poprzecznego do amplitudy k^ta skrçtu kierownicy;
• wspólczynnik prçdkosci k^towej pojazdu - jako amplituda prçdkosci k^towej pojazdu do amplitudy k^ta skrçtu kierownicy;
• k^t przesuniçcia fazowego pomiçdzy k^tem skrçtu kierownicy a przyspieszeniem bocznym oraz prçdkosci^. k^tow^. pojazdu.
Przykladowe przebiegi przedstawiono na ryc. 5.
20 15
5
Time [s]
10
0
1
2
3
4
6
7
в
9
5
Time [s]
Ryc. 5. Przebieg kata skr^tu kierownicy i pr^dkosci k^towej pojazdu podczas testu
wymuszenia sinusoidalnego a. 0,5 Hz, b. 1 Hz
Zrodlo: Opracowanie wlasne
Wymuszenie losowe - szum. Podczas jazdy z pr^dkosci^. 80 km/h, kierownicy wymuszane s^. losowo szarpni^cia o maksymalnej amplitudzie niezb^dnej do uzyskania przyspieszenia poprzecznego 3 m/s . Cz^stotliwosc wymuszenia powinna zawierac si? w granicach od 0,1 do 2 Hz.
Wyniki pomiarow analizowane s^. w funkcji cz?stotliwosci. Obliczane s^.:
• widmo cz?stotliwosciowe k^ta skr^tu kierownicy;
• widmo cz?stotliwosciowe wspolczynnika okreslonego jako stosunek przyspieszenia poprzecznego do k^ta skr^tu kierownicy;
• widmo cz?stotliwosciowe wspolczynnika okreslonego jako stosunek pr?dkosci skr^tu pojazdu do k^ta skr^tu kierownicy;
• widmo cz?stotliwosciowe przesuni?cia fazowego pomi^dzy przyspieszeniem poprzecznym i pr^dkosci^. skr?tu pojazdu a k^tem skr?tu kierownicy.
Podstawowym problemem jest losowe wymuszenie na kierownicy o odpowiednich parametrach. Wymaga to ogromnego doswiadczenia od kierowcy. Problem ten nie wyst^puje w przypadku zastosowania robota steruj^cego gdzie mozna zaprogramowac
praktycznie dowolny rodzaj wymuszenia. Przykladowe wyniki badan przedstawiono na ryc. 6.
T7TT
r
itir
I I
o
<Ü & -1
'8
J-2
-3
■ mm ! мп nu1 ri i imr тш mm
1|ШиЯ11||лШЛ1Е1>11 Ifluil кИШ
-II. I il l III .'i И III I. I I , Ulhl I J'lMlMlfJr. ullJlil , ,ulU I U Jlllill JillHIIJill' jH ILUII IiIIHII
I
II
IM M
Rys. 6. Przebieg kyta skrçtu kierownicy i prçdkosci kytowej pojazdu podczas testu
wymuszenia losowego
Zródlo: Opracowanie wlasne
4
3
2
o
-io
-2o
-4
-5
-3o
-б
-7
-4o
o
5
io
15
2.1.3. Podwójna zmiana pasa ruchu
Metodyka badan opisana jest w dokumencie standaryzacyjnym wojsk NATO AVTP 03-160. Test symuluje ominiçcie przeszkody (np. pieszego, który wtargnyl na jezdniç) a nastçpnie powrót na swój pas ruchu. Wykonywany powinien bye po uprzednim ustaleniu bezpiecznych prçdkosci jazdy w próbach omówionych wyzej. Jest to test najbardziej zblizony do rzeczywistych warunków ruchu. Na wynik próby ma wplyw szereg parametrów konstrukcyjnych pojazdu - wysokose polozenia srodka masy, moment bezwladnosci bryly pojazdu, charakterystyka sterownosci, przelozenie ukladu kierowniczego, dobór opon, charakterystyka zawieszenia itp. W przypadku wykonywania badan przy wykorzystaniu kierowców testowych bardzo duzy wplyw miala powtarzalnose wymuszenia przez kierowcç (powtarzalnose toru ruchu, prçdkosci skrçtu kierownicy utrzymywanie stalej prçdkosci jazdy). Problemy te nie wystçpujy przy wykorzystaniu robota sterujycego gdzie wszystkie te parametry sy wykonywane z bardzo duzy powtarzalnosciy - nieosiygalny dla zadnego kierowcy.
Tor ruchu - jego szerokose oraz dlugose poszczególnych sekcji uzaleznione sy od gabarytów pojazdu (ryc. 7).
Rys. 7. Korytarz wyznaczaj^cy tor ruchu podczas manewru podwójnej zmiany pasa
ruchu [1, 4]
Sekcja 1: Dlugosé = 1,5 m. Szerokosé 1,1 * szerokosé pojazdu + 0,25 m Sekcja 2: Dlugosé = calkowita dlugosé pojazdu (mierzona na poziomie 0,5 m nad jezdni^) +24 m
Sekcja 3: Dlugosé = 25 m. Szerokosé = 1,2 * szerokosé pojazdu + 0,25 m
Sekcja 4: Dlugosé = calkowita dlugosé pojazdu +24 m
Sekcja 3: Dlugosé = 15 m Szerokosé = 1,1 * szerokosé pojazdu + 0,25 m
Zródlo: STANAG 4357 i 4358, procedura AVTP 03-160
W przypadku pojazdów specjalnych badania rozpoczyna si^ od minimalnych pr^dkosci jazdy, stopniowo j^, zwi^kszaj^c. Jako graniczna bezpieczna pr^dkosé uznawana jest taka przy której wyst^pilo jedno z ponizszych zjawisk:
• niebezpieczny przechyl boczny;
• nadsterownosé pojazdu;
• brak mozliwosci utrzymania si$ w wyznaczonym korytarzu ruchu.
Na ryc. 8 przestawiono parametry ruchu pojazdu podczas wykonywania manewru podwójnej zmiany pasa ruchu.
Yaw velocity SR Angle .
0 1 0 3 05 0 7 0 9 0 1
t -■
pozycja X [m]
\
\
0 9 0 1
2
ft 1] - 0? £
0 I [
Rys.8. Parametry ruchu pojazdu podczas manewru podwojnej zmiany pasa ruchu
Zrodlo: Opracowanie wlasne
- 150
100
0
0
100
150
- 8
6
4
-2
-4
-6
- -8
3. Wnioski
Statecznosc poprzeczna poj azdu uzalezniona j est od szeregu czynnikow i zjawisk statycznych i dynamicznych. Niemozliwe jest wyznaczenie statecznosci poprzecznej - a zatem stwierdzenie czy pojazd pozarniczy jest dostatecznie bezpieczny-jedynie na podstawie statycznego k^ta przechylu bocznego. Pelnq, informacj? mozna uzyskac jedynie na podstawie obszernych badan kierowalnosci i statecznosci poprzecznej w warunkach drogowych.
Literatura
1. Kupicz W., Opracowanie procedury badan dynamicznej stabilnosci ruchu pojazdów, Praca statutowa, Sprawozdanie WITPiS nr 57/ZP/2006. Sulejówek 2006;
2. Renski A., Budowa samochodów, Politechnika Warszawska, Warszawa 1997;
3. Norma PN EN 1846-2 „Samochody pozarnicze. Cz^sc 2: Wymagania ogólne. Bezpieczenstwo i parametry"
4. STANAG 4357 i 4358, procedura AVTP 03-160: „Dynamiczna stabilnosc ruchu".
5. ISO 14792 Road vehicles- Heavy commercial vehicles and buses- Steady-state circular tests.
6. ISO 14793 Road vehicles- Heavy commercial vehicles and buses- Lateral transient response methods.
Recenzenci:
dr inz. Bogdan Kosowski dr Tomasz W^sierski
