CC BY
187
МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 656.11
Т.Г. Гасанов, М.Р. Гусейнов
К УСТАНОВЛЕНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА СТОЛКНОВЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И НАЕЗДА НА ПРЕПЯТСТВИЕ
В статье рассматриваются процессы столкновения транспортных средств между собой и наезда на неподвижное препятствие. Устанавливаются основные факторы, влияющие на величину разрушения (деформации), время его протекания и методы их оценки. Приводится схема и график изменения коэффициента восстановления (К) по мере протекания фаз соударения автомобилей.
Ключевые слова: удар, деформация, столкновение, фаза, коэффициент восстановления, скорость.
T.G. Gasanov, M.R. Gusejnov,
ТО THE ESTABLISHMENT OF CHARACTERISTICS OF DYNAMICS PROCESS OF COLLISION VEHICLES AND ARRIVAL ON THE OBSTACLE
In clause processes of collision of vehicles among themselves and arrival on a motionless obstacle are considered. The major factors influencing size of destruction (deformation), time of its course and methods of their estimation are established. The scheme and the schedule of change offactor of restoration (K) in process of course ofphases of impact of cars is resulted.
Keywords: impact, deformation, collision, a phase, factor of restoration, speed.
Введение. При столкновении автомобиля с транспортными средствами или препятствиями между ними происходит взаимодействие, называемое ударом. При реконструкции механизма столкновения необходимо выяснить динамические явления, протекающие в процессе удара, определить параметры, характерные для данного явления, по состоянию и положению транспортного средства (ТС) после столкновения. Для этого нужно установить потери кинетической энергии, возникшей при ударе двух автомобилей или автомобиля с препятствием. Процесс столкновения автомобилей происходит в течение десятых, а иногда и сотых долей секунды. Основными факторами, влияющими на величину разрушения (деформации) и его время протекания, являются конструкция и скорость движения.
Постановка задачи. Исследовать столкновения транспортных средств в отличие от исследования удара однородных твердых тел, труднее, потому что транспортное средство является анизотропным телом с различными физическими свойствами в различных сечениях. Помимо этого ТС состоит из множества сред (элементов, деталей, узлов и агрегатов), резко ограниченных пространственной, прочностной конфигурацией материалов от других, соприкасающихся или взаимодействующих сред. Анизотропность ТС обуславливает нелинейных характер зависимостей при соударении автомобилей -между напряжением и деформацией, скоростью и деформацией. При небольшой силе удара ТС ведут себя как упругие тела, при значительном ударе возникают необратимые деформации (повреждения). В обоих случаях при деформациях автомобилей имеют место сложные волновые и тепловые процессы сопровождающиеся затратами кинетической энергии.
А-
Основная часть. Удар, как механическое явление, происходящее в механической
системе, характеризуется резким изменением скоростей ее точек за очень малый промежуток времени и обусловлено кратковременным действием очень больших сил. Как известно, столкновение автомобиля с препятствием состоит из двух фаз: первая само столкновение (от момента соприкосновения до момента наибольшего сближения) и вторая - последующее перемещение (от момента наибольшего сближения до момента разъединения) автомобиля.
В первой фазе, учитывая, что ТС состоит из упруго - пластических материалов, кинетическая энергия относительного движения переходит в остаточную деформацию и частично в потенциальную энергию упругой деформации, тепловую энергию, энергию звуковых колебаний и др. Во второй фазе - при восстановлении или разъединении потенциальная энергия упругой деформации преобразуется вновь в кинетическую энергию автомобиля. При неупругом ударе явление заканчивается на первой фазе и соударяющиеся автомобили продолжают движение вместе как одно целое с одинаковой скоростью.
Время поглощения энергии (деформации) при скорости соударения ТС около 50 км/ч отдельными элементами конструкции автомобиля (на основании их механических свойств и способов крепления) можно распределить следующим образом: смятие бампера - 0,01 с; фар - 0,002 с; радиатора - 0,003 с; капота - 0,005 с; вентилятора - 0,0008 с; сдвиг двигателя - 0,03 с. Общее время деформации - 0,0588 с.
Прямая, проходящая через точку соприкосновения автомобилей при их столкновении, направленная параллельно относительной скорости их центров тяжести в начале столкновения, обычно называется линией удара или столкновения. Это понятие имеет существенное значение, так как именно по линии удара действует ударный импульс при столкновении автомобилей. Потому как проходит линия удара, мы различаем виды столкновений. Если скорости автомобилей до столкновения параллельны линии удара, то столкновение называют прямыми, а если не параллельны - косым. Столкновение называется центральным, если линия удара проходит через центры тяжести автомобилей, в противном случае оно будет эксцентричным или внецентральным. Следует иметь в виду, что направление линии удара при столкновении автомобилей зависит не только от направления движения, но и от величины скорости движения каждого из них. Если скорости движения автомобилей различны, то линия удара будет расположена под меньшим углом к продольной оси того из них, который перед столкновением имел большую скорость.
На основании закона сохранения количества движения можно записать;
mV1n + m2v2n = + m2V2n (1)
где m1 и m2 - массы первого и второго автомобилей, кг;
v1n и v2n - проекции скоростей на линию удара первого и второго автомобилей перед столкновением, м/с (рис.1);
v\n и v\n - проекции скоростей на линию удара первого и второго автомобиля после столкновения, м/с (рис.1).
Рис.1. Кинематика соударения автомобилей: а - прямой удар; б - косой удар.
Степень упругости удара, т.е. рассеивание механической энергии при столкновении на необратимую деформацию автомобилей, нагревание, звуковые колебания и т.п. принято оценивать коэффициентом восстановления К, определяемым как отношение скорости взаимного удара центров тяжести автомобилей после столкновения к скорости их сближения до столкновения в проекции на линию удара.
— у!
^ _ 2п 1п
V
1п
V
2п
(2)
При упругом ударе тел происходит восстановление их первоначальной формы за счет накопившейся в них потенциальной энергии упругой деформации. Столкновение движущихся автомобилей (прямой удар):
К
у2 п—
V
\п
(3)
при У2п > У1п - упругий удар; при
У2п У1п - неупругий удар.
При косом эксцентричном ударе столкнувшихся автомобилей
К
У2п — У1п У2п — У1п
0
У2 п — У1п
0
неупругий удар.
При столкновении автомобилей величина коэффициента восстановления «К» зависит не только от физических свойств деталей и агрегатов автомобилей, но и от скорости соударения и масс сталкивающихся машин. Кроме того, при столкновении одних и тех же автомобилей, движущихся с одной и той же скоростью, величина «К» будет различной, если они сталкиваются между собой различными частями (К=0 - тела абсолютно неупругие; К=1 - тела абсолютно упругие). Так как автомобили представляют собой анизотропные конструкции, то значения коэффициента восстановления находятся в пределах 0<К<1 и например, при лобовом, угловом или попутном столкновении двух автомобилей после фаз упругой и пластической деформаций происходит частичное совместное перемещение. Затем один из них останавливается, и в дальнейшем перемещаются один автомобиль или оба, но с различными скоростями. Их скорости можно определить по следующим зависимостям:
< = у!п — +К) т (у1п — у2п), м/с; (4)
т + ш2
^п = ^п - (1 + ^^) 1п2 (у1п - ^п ), м/с; (5)
шх + ш2
Направление и характер перемещений обоих автомобилей в этом случае зависит от направления удара, зон взаимного контактирования, количества движения контактируемых автомобилей и др.
Исследователями дорожно-транспортных происшествий (ДТП) уделяется много внимания изучению последствий лобовых столкновений легковых автомобилей, для чего на специальных полигонах проводятся испытания разных моделей автомобилей на столкновения. В ходе таких испытаний автомобили получали значительные повреждения узлов и деталей передней части, происходившие обычно в следующем порядке: бампер, крылья, капот, радиатор в который вдавливается вентилятор и водяной насос. Затем в ряде случаев наблюдается прогиб рамы и деформация пола автомобиля. Все эти процессы протекали в течение 0,06.. .0,08 с.
Кинетическая энергия обычного легкового автомобиля, движущегося с умеренной скоростью, очень велика. Так, автомобиль стандартных размеров, массой 1800 кг., при наезде на неподвижное препятствие со скоростью около 50км/ч обладает кинетической энергией в момент удара равной 16800 Дж. Вся эта энергия, рассеиваемая в виде тепла при нормальном торможении за относительно длительный промежуток времени, при столкновении должна рассеяться за доли секунды. Кинетическая энергия движущегося автомобиля при столкновении должна превратиться в механическую работу, а не в теплоту, как это бывает при обычном торможении. Как правило, эта энергия превращается в работу деформации остова автомобиля и его узлов. Сила удара при столкновении может быть уменьшена, если автомобиль или его элементы в результате удара перемещаются на возможно большее расстояние.
Следовательно, качество легкового автомобиля, с точки зрения безопасности пассажиров, определяется его способностью поглощать энергию удара при столкновении, т.е. проходить после удара такое расстояние, которое могло бы ограничить усилия, действующие на водителя и пассажиров в течение долей секунды после удара. Водитель и пассажиры при столкновении после мгновенной остановки автомобиля еще продолжают двигаться в течение нескольких долей секунды, сохраняя скорость движения, которую автомобиль имел в момент, предшествующий ДТП. Именно в этот отрезок времени происходит большая часть увечий и травм со смертельным исходом в результате удара головой о ветровое стекло или грудью о рулевое колесо.
По данным американских исследователей фирмы «Форд» при лобовом ударе автомобилей, движущихся со скоростью от 34 до 83км/ч, энергия разрушений и деформаций изменялась в пределах 625 - 4420 кДж. Соответственно, сила сминавшая переднюю часть автомобиля на длине 1м, составляла 118-383 кН. Под действием этой силы передняя часть автомобиля сжималась подобно гармошке (упругая и остаточная деформация на длине от 0,33 до 1,33м.)
Имея в виду квадратичную зависимость живой силы автомобиля перед ударом его в препятствие от величины скорости движения, нетрудно предположить, что уже при начальной скорости 100 км/ч последствия удара будут гибельны для находящихся в нем людей. Это подтверждается испытаниями автомобилей на полигоне фирмы «Дженерал моторс». Кривая зависимости поглощаемой кинетической энергии, полученная экспериментально, показывает, что по истечении 0,03с. с начала столкновения мощность разрушения передка автомобиля достигла внушительной величины - около 17тыс. л.с.
Перемещение автомобиля после столкновения начинается непосредственно после окончания действия ударных импульсов и поэтому конечные условия фазы самого столкновения являются начальными условиями фазы последующего перемещения автомобиля. В случае одномерного столкновения (например, лобовое или заднее
столкновение, или столкновение о препятствие под углом 900 к нему), при котором коэффициент восстановления практически равен нулю, траектория последующего перемещения автомобиля представляет собой поступательное движение автомобилей, участвующих в столкновении, в одном направлении при общей скорости:
_ + Ш2У1
У = т. + т2 , м/с (6)
В случае двухмерного столкновения момент количества движения автомобиля, который обычно очень мал до столкновения, увеличивается в процессе изменения кинетической энергии автомобилей. Кинетическая энергия в начале второй фазы равна:
WK = 1 + 1 С Дж (7)
где V - начальная скорость поступательного перемещения автомобиля; J - момент инерции автомобиля относительно оси вращения; с - начальная угловая скорость автомобиля после столкновения. Эта энергия расходуется на сопротивление трения качения шин о поверхность дороги до полной остановки автомобиля. В противоположность очень короткой фазе столкновения эта фаза относительно продолжительна и водитель автомобиля в какой-то степени может влиять на траекторию движения путем использования рулевого управления или тормозов. Поведение ТС при столкновении и при последующем перемещении аналогично поведению твердого тела и поэтому для анализа перемещения автомобиля при обеих фазах столкновения может быть применена теория динамики твердого тела. Кинетическая энергия ТС, которой он обладал до столкновения, расходуется как при самом столкновении, так и при последующем перемещении автомобиля. Количество расходуемой энергии в каждой из этих фаз столкновение не одинаково. В случае одномерного столкновения автомобилей энергия, расходуемая при самом столкновении, составляет
^ = - ^.0 - *2о)2 (8)
2(тх + m2) При коэффициенте восстановление К = 0
тт ^
""ю — у20) (9)
. ТТЛ тт2 / ч
AW Ч К — V20)
2(т + т)
В случае двухмерного столкновения АЖ будет уже зависеть не только от величины коэффициента восстановления «К», но и от коэффициента трения столкновения между кузовами двух соударяющихся автомобилей, угла удара скоростей автомобилей в момент столкновения, геометрических форм кузовов автомобилей
(10)
МУ = (тУ20 + т2 ) (т.У,2 + Лс2)+ (т2 У22 + J 2 С )
2 2
где V. и v2 - скорости поступательного перемещения двух автомобилей в конце фазы самого столкновения;
I. и 12 - моменты инерции автомобилей;
С и с2 - угловые скорости автомобилей в конце фазы самого столкновения.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 21, 2011.
А-
К 4
1,0
0,4
0,8
0,6
0,2 0
I
II
III
—►
X, с
Рис.2. Изменение коэффициента восстановления К во времени.
Сочетание этих скоростей в конце фазы самого столкновения дает начальные условия для траектории последующего перемещения автомобилей.
Заключение. Согласно графику (рис.2) изменения коэффициента восстановления во времени для случая, когда 0<К<1, можно проследить следующие характерные зоны фаз для рассматриваемого процесса:
1. в первой фазе (упругая деформация) автомобили сближаются и резко уменьшается деформация. Поскольку эта фаза очень быстротечна, то потери кинетической энергии в ней не значительны.
2. во второй фазе (пластическая деформация) происходит внедрение одного автомобиля в другой до момента максимальной деформации. Она более продолжительна, потери кинетической энергии больше, чем в предыдущей фазе.
3. в третьей фазе после внедрения друг в друге оба автомобиля перемещаются совместно с одновременным восстановлением деформируемых деталей. Деформации увеличиваются от минимального до максимального значения. Эта фаза наиболее продолжительная, потери кинетической энергии, которая расходуется и на преодоление сил сопротивления перемещению, максимальны.
Библиографический список
1. Иларионов В.А. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий. - М., Транспорт,1989. - 255 с.
2. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: учебное пособие. - М. ИД «Форум»: ИНФРА - М., 2007. -368 с.
3. Столяров В.В. Экспертиза дорожно-транспортных происшествий на основе теории риска: учебное пособие, Саратов, 1996.-176 с.
4. Немчинов М.В. Сцепные качества дорожных покрытий и безопасность движения автомобиля/ М.В. Немчинов.- М.: Транспорт, 1985.-230 с.
