CC BY
14
УДК 628.8.697.(075.3)+629.113.0045
СПОСОБ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ УДАРА АВТОБУСА ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ © 2013 г. Б.Ю. Калмыков, НА. Овчинников, И.Ю. Высоцкий
Южно-Российский государственный университет South-Russian State University
экономики и сервиса, г. Шахты of the Economy and Service, Shahty
Предложен способ снижения потенциальной энергии удара автобуса при опрокидывании. Проведенные исследования позволяют определить зависимость высоты падения центра тяжести и потенциальной энергии удара, выделяемой при опрокидывании автобуса? от длины штока антиопрокиды-вающего узла автобуса, а также оценить характер влияния конструктивных параметров транспортного средства на снижение потенциальной энергии удара.
Ключевые слова: автобус; безопасность конструкции; прочность; деформация; центр масс; энергия.
In the article it is offered a method of reducing the potential energy of a bus rollover. Our research allows us to determine the dependence of the height of the fall of the center of gravity and the potential impact energy released in a bus rollover on the length of the rod anti-rollover host of a bus, and to assess the nature of the influence of design parameters of the vehicle to reduce the potential impact energy.
Keywords: the bus; safety of bus construction; strength; deformation; a centre of mass, energy.
Действующие в Российской Федерации законы направлены на защиту жизни и здоровья граждан. В этой связи научные исследования многих авторов, посвященные обоснованию параметров надежной и безопасной эксплуатации машин и механизмов на основе комплексного учета нагрузок и воздействий на них, являются актуальными [1 - 3].
Согласно техническому регламенту [4], конструкция транспортного средства с учетом его категории и назначения должна обеспечивать «минимизацию травмирующих воздействий на находящихся в транспортном средстве людей и возможность их эвакуации после дорожно-транспортного происшествия».
Характеристика этого требования в отношении автобусов регламентирована:
- Правилами ЕЭК ООН N 14-06 (места крепления ремней безопасности);
- Правилами ЕЭК ООН № 16-04 (ремни безопасности и удерживающие системы);
- Правила ЕЭК ООН N 80-01 (сидения автобусов, прочность сидений и их креплений);
- Правила ЕЭК ООН N 66-00 (прочность верхней части конструкции пассажирских транспортных средств);
- Правила ЕЭК ООН N 43-00 (безопасные стекла).
Наиболее существенное влияние на внутреннюю
пассивную безопасность автобуса оказывает показатель «Прочность верхней части конструкции пассажирских транспортных средств», оценка которого осуществляется по Правилам ЕЭК ООН №66-00 [5]. Согласно указанным нормативным правилам, каждый тип транспортных средств категории М3 классов II и III подвергается испытаниям либо проверке прочности верхней части конструкции кузова посредством расчетов.
Расчет прочности кузова автобуса основывается на определении общей энергии удара при его опрокидывании Е , Дж. Формула для ее расчета приведена в приложении 5 Правил ЕЭК ООН № 66. При этом используются следующие допущения:
- поперечное сечение кузова четырехугольное;
- система подвески жестко закреплена;
- движение кузова представляет собой чистое вращение вокруг оси опрокидывания.
Если высота падения центра тяжести h, м (рис. 1) определяется графическим методом, то энергия удара Е , Дж, рассчитывается по следующей формуле:
E * = 0,75 Mgh,
(1)
где М - полная масса транспортного средства, кг; g = = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; h - высота падения центра тяжести автобуса, м; 0,75 - коэффициент, учитывающий массу автобуса, влияющую на энергию удара.
Из выражения (1) очевидно, что уменьшить энергию удара Е возможно за счет уменьшения значений полной массы автобуса, ускорения свободного падения или высоты падения центра тяжести. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является уменьшение высоты падения центра тяжести автобуса путем применения устройств для предотвращения опрокидывания транспортного средства [6, 7].
Высота падения центра тяжести автобусов, оснащенных антиопрокидывающими узлами, определяется по формуле:
h = h0 +,
fl + H 2 -
a2 + 1Шт + 2a 1шт cos
arctg
2(H - H 3)
W
x sin
arcsin
Л
г + H
h
0
+
устройствами для предотвращения опрокидывания транспортного средства, от изменения длины штока антиопрокидывающего узла. Для этого воспользуемся техническими характеристиками пяти автобусов (таблица).
Графики зависимости высоты падения центра тяжести h, м, от длины штока антиопрокидывающего узла автобуса 1шт , м, показаны на рис. 1.
На рис. 2 представлена диаграмма зависимости потенциальной энергии удара, выделяемой при опрокидывании автобуса Е , Дж, от длины штока антиопрокидывающего узла 1шт , м.
Представленные зависимости неплохо описываются полиномами четвертого порядка. В качестве примера приведем эти зависимости для автобуса Ли-АЗ-5256 с уравнениями и величинами достоверности аппроксимации (рис. 3).
Определим точки экстремума, например, функции, представленной на рис. 3 б:
у = —177,31х4 + 523,9х3 + 8738,2х2 - 47376х + + 63663.
Для этого найдем первую и вторую производные: у' = -709,24х3 + 1571,7х2 + 17476,4х - 47376; у" = -2127,72х2 + 3143,4х + 17476,4. При уу = 0.
-709,24х3 + 1571,7х2 + 17476,4х - 47376 = 0. Используя метод Виета-Кардано, найдем три действительных корня этого уравнения: XI = -5,129; х2= 4,351; х3= 2,994. В интересующий нас интервал [0; 4 м] попадает х3 = 2,994. Учитывая, что у'(х3) = 0, а у"(х3) > 0, то х3 является точкой локального минимума.
Технические характеристики и расчетные значения для автобусов
Исходные данные Марка, тип автобуса
КаВЗ-3976 ПАЗ-3205 IKARUS -350.00 MERCEDES-BENZ O 302 V-8 ЛиАЗ-5256
Размеры, м:
- габаритные:
Высота 3,03 2,95 3,37 3,14 3,007
Ширина 2,38 2,5 2,5 2,5 2,5
- высота расположения центра тяжести 0,99 0,9 1,2 1,24 0,87
Полная масса, кг 6289 7460 15926 17500 15727
Расчетные значения
Высота падения центра тяжести автобуса Н, м
неоснащенного устройством для предотвращения опрокидывания, 1шт= 0 0,662 0,581 0,803 0,868 0,549
оснащенного устройством для предотвращения опрокидывания, 1шт= 1,5 м 0,17 0,12 0,269 0,276 0,112
то же, 1шт= 3,0 м 0,008 0,0004 0,04 0,037 0,0001
Энергия удара Е*, Дж
- без устройства для предотвращения опрокидывания, 1шт= 0 30612 31900 94135 111745 63580
- с устройством для предотвращения опрокидывания, 1шт= 1,5 м 7868 6600 31536 35560 12946
то же, при, 1шт= 3,0 м 374 20 4712 4703 15
2 2 2(H-H ) 2 2 W2
а +24 +2almTcos(arctg ( w з)) +H2-H2-—
+arccos- W
2 ^+4 +2а1штСОъ(аг^2(НиНз))У1ш +Н2
(2)
где Н0 - высота опрокидывающей платформы, м; Ж -ширина транспортного средства, м; Нз - высота центра тяжести транспортного средства, м; Н - высота транспортного средства, м; 1шт - длина штока антиопрокиды-
вающего узла автобуса, м; a =
. 2 Wл2
Т1 +
(H - H з )2
параметр, зависящий от габаритных размеров автобуса, м.
В расчетах следует учесть, что при отсутствии ан-тиопрокидывающего узла в конструкции автобуса длина штока 1шт= 0. При этом значение высоты падения центра тяжести совпадет со значением, рассчитанным по формуле
Ь =Ш"2 J + Нз2 + Ло -Vi ~2 ' +(H-H Гх
W flE72,b К W
xsin
• I h0 arcsin| |+arcsin
W
^ (W2 )2+(H - Н з)
. (3)
Определим зависимость энергии удара автобусов обычной конструкции [7] и автобусов, оснащенных
Длина штока, м
Рис. 1. Графики зависимости высоты падения центра тяжести от длины штока антиопрокидывающего узла автобуса: 1 - Кав3-3976; 2 - ПАЗ-3205; 3 - ЛиАЗ-5256; 4 - IKARUS-350.00; 5 - MERCEDES-BENZ
120000
100000
80000
я
m
60000
40000
20000
MERCEDES-BENZ IKARUS-350.00 ЛиАЗ-5256 ПАЗ-3205 Кав3-3976
Длина штока, м
3,0
Рис. 2. Диаграмма зависимости потенциальной энергии удара, выделяемой при опрокидывании автобуса (в зависимости от марки и модели), от длины штока антиопрокидывающего узла
Следовательно, теоретически при испытаниях автобуса по Правилам № 66 можно добиться значения энергии удара равным нулю. Следовательно, деформаций конструкции кузова не будет. Этот случай изображен на рис. 4.
На следующем этапе определим, какие параметры и каким образом оказывают влияние на снижение высоты падения центра тяжести автобусов, а следовательно, и на энергию удара. К этим параметрам можно отнести: габаритные высоту и ширину автобуса,
высоту его центра тяжести и длину штока антиопро-кидывающего узла автобуса.
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
y = -0,0016x4 + 0,005x3 + 0,0742x2 - 0,4082x + 0,5498
СМ
70000 60000
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Длина штока, м а
47376x + 63663
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Длина штока, м б
Рис. 3. Графики зависимости высоты расположения центра тяжести (а) и энергии удара при опрокидывании автобуса (б) от длины штока антиопрокидывающего узла автобуса ЛиАЗ-5256
Рис. 4. Положение автобуса, соответствующее «нулевому» значению энергии удара
На рис. 5 представлены диаграммы зависимости потенциальной энергии удара, выделяемой при опрокидывании автобуса ЛиАЗ-5256 от габаритной высоты, ширины и высоты расположения центра тяжести.
и
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Н = 2 м Н = 2,5 м Н = 3 м Н = 3,5 м Габаритная высота, м
20 0
W = 2 м W = 2,5 м
Габаритная ширина, м б
N «
и й а
й «
140 120
100
80
60
40
20 0 -
128,: 49
79,726
58,744
39,838 1
29,283
8457 1
Н3 = 0,8 м Н3 = 1,3 м Н3 = 1,8 м Высота расположения центра тяжести, м в
Рис. 5. Диаграмма зависимости потенциальной энергии удара, выделяемой при опрокидывании автобуса ЛиАЗ-5256, от габаритной высоты (а), габаритной ширины (б), высоты расположения центра тяжести (в): □ - обычный автобус; □ - шток узла 1,5 м
На диаграммах отображены два варианта:
- автобус, неоснащенный устройством для предотвращения опрокидывания, т.е. 1шт= 0 - «обычный автобус»;
- автобус, оснащенный подобным устройством с длиной штока 1шт= 1,5 м - «шток узла 1,5 м».
а
Таким образом, увеличение габаритных размеров высоты и ширины автобуса приводит к снижению энергии удара для «обычных автобусов» и к увеличению энергии для автобусов, оснащенных антиопроки-дывающим устройством с длиной штока 1шт= 1,5 м. Увеличение высоты расположения центра тяжести приводит к увеличению энергии удара для двух вариантов. Однако следует отметить, что для автобусов, оснащенных антиопрокидывающим устройством с длиной штока 1шт= 1,5 м значение энергии удара составляет 20 - 45 % от энергии удара, выделяемой «обычным автобусом».
Следовательно, применение устройств, предотвращающих опрокидывание транспортных средств, обосновано для автобусов, высота центра тяжести которых выше средних значений, например, полутора-и двухэтажные автобусы.
Литература
1. Бондарев В.Г. Предотвращение столкновений летательного аппарата с препятствием // Авиакосмическое приборостроение. 2011. № 6. С. 23 - 27.
Поступила в редакцию
2. Прокопов А.Ю. Исследование дополнительных нагрузок на армировку, возникающих вследствие кручения подъемных канатов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. № 11. С. 387 - 391.
3. Плешко М.С. Перспективы развития промышленности бетона и железобетона // Механизация, автоматизация и электрификация горного и строительного производства, сервис технологических машин и оборудования: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2005. С. 163 - 169.
4. Пат. 2423280 Российская Федерация. МПК8 B62D 49/08, B60K 28/14 Устройство для предотвращения опрокидывания транспортного средства / Б.Ю. Калмыков, В.И. Богданов. № 2010106915/11; заявл. 24.02.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. 7 с.
5. Калмыков Б.Ю., Высоцкий И.Ю., Овчинников Н.А. Предложения по оценке прочности конструкции пассажирских транспортных средств / Инженерный вест. Дона [Электронный ресурс]. Ростов н/Д. Ростовское региональное отделение Российской Инженерной Академии № 2, 2012. Шифр Информрегистра: 0421100096. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/765/ (дата обращения 05.02.2012).
6. ГОСТ Р 41.66-00 (Правила ЕЭК ООН № 66) Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупногабаритных пассажирских транспортных средств в отношении прочности верхней части конструкции. Введ. 26 мая 1999 № 184-ст. М., 2000. 19 с.
7. Краткий автомобильный справочник / А.Н. Понизовкин, Ю.М. Власко, М.Б. Ляликов и др. М., 1994. 779 с.
7 марта 2012 г.
Калмыков Борис Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Организация и безопасность движения», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел 8(8636)22-20-37. E-mail: [email protected]
Овчинников Николай Александрович - старший преподаватель, кафедра «Организация и безопасность движения», Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса. Тел. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Высоцкий Игорь Юрьевич - начальник управления государственного автодорожного надзора по Республике Карелия. Тел. (814) 274-1660. E-mail: [email protected]
Kalmykov Boris Yurievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. 8(8636)22-20-37. E-mail: [email protected]
Ovchinnikov Nikolay Aleksandrovich - senior lector, department «Organization and Road Safety», South-Russian State University of the Economy and Service. Ph. (8636) 22-20-37. E-mail: [email protected]
Vysotsky Igor Yurievich - head of Department of State Automobile and Road Surveillance in the Republic of Karelia. Ph. (814) 274-1660. E-mail: [email protected]
