ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(1)/214 Bronisław Kolator 1, Andrzej Olszewski 2, Stanisław Walczak 3, Stanisław Wolak 4 UKŁAD ABS A ŚLADY HAMOWANIA. BADANIA Z WYKORZYSTANIEM APARATURY V-BOX 1. Wstęp W pracy przedstawiono problem identyfikacji śladów hamowania pozostawionych na jezdni przez opony pojazdu wyposażonego w układ zapobiegający blokowaniu kół podczas hamowania (ABS). Wraz z szybkim rozwojem przemysłu samochodowego i wzrastającym natężeniem ruchu drogowego, wymagania bezpieczeństwa użytkowników dróg, a zwłaszcza pojazdów są coraz większe. Jednym z rozwiązań konstrukcyjnym poprawiający bezpieczeństwo czynne jest układ hamulcowy z systemem ABS. Współczesne samochody są wyposażane w system ABS ze względu na zapobieganie blokowaniu kół, co zapewnia kierowalność pojazdu podczas ekstremalnego hamowania oraz w niektórych warunkach skrócenie drogi hamowania [1, 2]. Rozpoczęcie znaczenia śladów hamowania na jezdni w sytuacji awaryjnego hamowania zależy m.in. od cech psychomotorycznych kierowcy i siły nacisku na pedał hamulca. Badania dotyczące zachowania się kierowców w sytuacji przedwypadkowej prowadzone są przez wielu badaczy, które są realizowane m.in. na torach doświadczalnych oraz w symulatorach jazdy [3, 4]. Podczas awaryjnego hamowania z układem ABS, poślizg opon zazwyczaj zawiera się w przedziale,1,3 [5, 6]. Powszechną opinią jest pogląd, że pojazdy wyposażone w układ ABS nie pozostawiają śladów hamowania. Taki pogląd sprawia, że często ślady hamowania pozostawiane na miejscu zdarzenia nie są poszukiwane, a niezwykle cenne informacje o przebiegu zdarzenia w nich zawarte bezpowrotnie tracone [7, 8]. Wspomniany powyżej pogląd zainspirował autorów niniejszego opracowania do przeprowadzenia serii prób hamowania prostoliniowego z różnych prędkości początkowych. Celem badań było określenie podstawowych parametrów dla prób hamowania pojazdu wyposażonego w układ ABS a także określenie parametrów kinematycznych koła takich jak poślizg względny, przy których powstaje widoczny nieuzbrojonym okiem ślad hamowania. Dodatkowo podjęto próbę oszacowania trwałości śladu termicznego powstającego podczas hamowania i ewentualnej możliwości jego wykorzystania w rekonstrukcji zdarzeń drogowych. 2. Badania drogowe Badania drogowe ekstremalnego hamowania przeprowadzono na suchej, asfaltowej nawierzchni jezdni. Wybrano cztery prędkości początkowe charakterystyczne w ruchu drogowym tj. odpowiednio ok. 5 km/h, 7 km/h, 9 km/h i 12 km/h. Próby prowadzono do zatrzymania pojazdu. Do badań wykorzystano samochód Fiat Brava 1 dr hab. inż. Bronisław Kolator prof. UWM, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych, 2 mgr inż. Andrzej Olszewski, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych, 3 dr inż. Stanisław Walczak, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny 4 mgr inż. Stanisław Wolak, Firma Cybid sp.j. 95

2 Moduł IMU Moduł GNSS wyposażony w układ ABS. Hamulce pojazdu przed rozpoczęciem prób zostały rozgrzane. Na kołach pojazdu były zamontowane opony 25/55 R16 91H (Michelin Energy Saver) o głębokości rzeźby bieżnika 5 mm i ciśnieniu nominalnym. Masa pojazdu przygotowanego do prób hamowania wynosiła 1265 kg. Do pomiarów i rejestracji wyników wykorzystano aparaturę badawczą VBox, która określa parametry ruchu pojazdu używając wielosystemowego odbiornika nawigacji satelitarnej GNSS, ustalającego pozycję badanego obiektu z częstotliwością 1 Hz oraz dokładnością mogącą sięgać ± 2 cm. Prędkość i kierunek pojazdu, wyznaczana jest niezależnie od położenia z sygnału satelitarnego na zasadzie efektu Dopplera. Moduł bezwładnościowy IMU mierzy przyspieszenia liniowe i prędkości kątowe względem 3 osi. Ponadto aparatura pomiarowa umożliwia rejestrację sygnałów z czujników znajdujących się na wyposażeniu pojazdu wyposażonego w magistralę CAN. Aparatura ta znajduje się na wyposażeniu laboratorium badawczego firmy Cybid [9]. Podczas prób rejestrowano przebiegi czasowe: przyspieszeń, prędkości, położeń liniowych i kątowych bryły nadwozia oraz przebieg sygnału napięciowego z włącznika świateł hamowania. Tabela 1. Podstawowe parametry aparatury pomiarowej Parametr Zakres pomiarowy Dokładność Częstotliwość próbkowania 1 Hz Pozycja nieograniczony ± 3 m bez RTK, ±,2 m z RTK Prędkość jazdy,1 16 km/h ±,1 km/h Kąt kierunku prędkości 36,1 Przyspieszenie podłużne i poprzeczne 2g,5% Częstotliwość próbkowania prędkości kątowej 4 Hz Prędkości kątowe ± 15 /s,1% Częstotliwość próbkowania przyspieszenia 5 Hz Przyspieszenia ± 1,7 g ±,1 g W celu określenia chwilowych prędkości kątowych kół jezdnych pojazdu, na bocznych powierzchniach opon umieszczono znaczniki, a obroty tych kół rejestrowano przy użyciu stacjonarnej kamery Olympus i-speed TR, która ma możliwość rejestracji obrazu z częstotliwością do 1 klatek na sekundę. Wszystkie próby hamowania rejestrowano z częstotliwością 2 klatek na sekundę z rozdzielczością obrazu 128x124. Użycie do badań kamery Olympus i-speed miało na celu zbadanie możliwości wykorzystania jej do określania wybranych parametrów dynamicznych podczas badań eksperymentalnych. Po każdej z prób hamowania samochodu, rejestrowany był ślad termiczny pozostawiony przez opony pojazdu na nawierzchni toru badawczego. Rejestrację śladu termicznego wykonano kamerą termowizyjną Testo T89-2, której parametry przedstawiono w tabeli 2. 96

3 Tabela 2. Parametry kamery termowizyjnej Testo T89-2 Lp. Parametr Opis 1 Czułość termiczna (NETD) < 4 mk przy 3 C Pole widzenia/ minimalna odległość 42 x 32 /,1 m (obiektyw standard) 2 ogniskowania 15 x11 /.5m (teleobiektyw) 3 Rozdzielczość geometryczna (IFOV) 1,13 mrad (obiektyw standardowy),,42 mrad (teleobiektyw) 128x96 pikseli SuperResolution (piksel / IFOV) 4,71 mrad (obiektyw standardowy), opcjonalne,26 mrad (teleobiektyw) 5 Częstotliwość odświeżania obrazu 33Hz 6 Zakres spektralny 8 do 14μm 7 Zakres temperatury -2 C do 1 C / do 35 C (przełączalny) 8 Dokładność ±2 C, ±2% mierzonej wartości 9 Ustawienie emisyjności/ temperatury,1 do 1/ manualne Do określenia długości pozostawionych śladów hamowania wykorzystywano drogomierz kołowy, przyrząd fotogrametryczny oraz aparat fotograficzny Canon. Jako miarę do porównania wyników badań przyjęto wartość średniego pełnego opóźnienia (MFDD). W sytuacji gdy osiągnęło ono wartości odpowiednio 1% MFDD i 8% MFDD, dla tych wartości wyznaczono wartość drogi hamowania od wartości 1% do zatrzymania, a następnie porównano ją z długością widocznego śladu zmierzoną po każdej próbie hamowania. Taki sposób interpretacji wyników pozwoli odnieść warunki generowania śladu hamowania do tych, które przyjmuje się jako umowne w programach do symulacji ruchu i zderzeń pojazdów. 3. Wyniki badań eksperymentalnych oraz ich analiza Dowody rzeczowe głównie fotograficzne są kluczowymi w sprawie opiniowania i pozwalają na bardziej jednoznaczne odtworzenie przebiegu wypadku. Udokumentowane ślady hamowania awaryjnego samochodu (tej samej próby) przedstawiono na rysunku 1 z wykorzystaniem aparatu fotograficznego i kamery termowizyjnej. Na klasycznej fotografii trudno jest jednoznacznie określić długość i szerokość śladów hamowania. Natomiast na obrazie termograficznym można zauważyć ślady obu kół o jednakowej szerokości na całej długości intensywnego hamowania (widoczna linia między śladami hamowania, to złącze nawierzchni asfaltowej). 97

4 Rys. 1. Udokumentowane ślady hamowania wykonane przeciwnie do kierunku jazdy, po lewej fotografia w świetle widzialnym, po prawej obraz z kamery termowizyjnej w negatywie, strzałkami zaznaczono widoczne ślady hamowania: 1) prędkość początkowa 59 km/h, 2) prędkość początkowa 74 km/h, 3) prędkość początkowa 88 km/h, 4) prędkość początkowa 119 km/h 98

5 V [kmh -1 ] ax [ms -2 ], hm [V] V [kmh -1 ] ax [ms -2 ], hm [V] Przykładowe zmiany rejestrowanych wielkości podczas prób hamowania pojazdu przedstawiono na rysunkach 2-5, natomiast parametry charakterystyczne tych prób wyznaczone na podstawie wyników badań eksperymentalnych zamieszczono w tabeli v [km/h] ax [m/s2] hm [V] MFDD.8 MFDD -5-1,5 1 1,5 2 2,5 3 t [s] -15 Rys. 2. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h v [km/h] ax [m/s2] hm [V] MFDD.8 MFDD -5-1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 t [s] -15 Rys. 3. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h 99

6 V [kmh -1 ] ax [ms -2 ], hm [V] V [kmh -1 ] ax [ms -2 ], hm [V] v [km/h] ax [m/s2] hm [V] MFDD MFDD -5-1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 t [s] Rys. 4. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 88 km/h v [km/h] ax [m/s2] hm [V] MFDD 4.8 MFDD ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 t [s] Rys. 5. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 119 km/h W poszczególnych kolumnach tabeli 2 umieszczono następujące wielkości: v p prędkość początkowa pojazdu, MFDD średnie pełne opóźnienie hamowania, t n8 czas narastania opóźnienia od chwili naciśnięcia na pedał hamulca do chwili gdy wartość opóźnienia osiągnęła 8% MFDD, t n czas narastania opóźnienia od chwili naciśnięcia na dźwignię hamulca do chwili gdy wartość opóźnienia osiągnęła MFDD, S h zarejestrowana droga przebyta przez pojazd od miejsca naciśnięcia na pedał hamulca do zatrzymania się samochodu, S h1 droga hamowania przebyta przez pojazd od miejsca, w którym opóźnienie wzdłużne osiągnęło wartość 1% MFDD do miejsca zatrzymania się samochodu, S h8 droga hamowania przebyta przez pojazd od miejsca, w którym opóźnienie wzdłużne osiągnęło wartość 8% MFDD do miejsca zatrzymania się samochodu, S hw zmierzona drogomierzem długość widocznego śladu hamowania. 1-15

7 Tabela 3. Parametry prób ekstremalnego hamowania samochodu Lp. v p MFDD t n8 t n S h S h1 S h8 S hw [kmh -1 ] [ms -2 ] [s] [s] [m] [m] [m] [m] ,84,25,38 15,66 14,7 11,6 12, ,67,14,21 23,67 22,6 2,8 22, ,65,14,2 32,35 3, , ,94,16,25 58,16 56,1 52,9 52,5 Zapis z szybkiej kamery wykorzystano do wyznaczenia chwilowych parametrów ruchu samochodu takich jak kąt przechyłu podłużnego, prędkość kątowa przechyłu podłużnego, prędkości obrotowe kół dla osi odciążanej i dociążanej w procesie hamowania. 4. Zakończenie i wnioski W referacie przedstawiono wyniki wstępnych eksperymentalnych badań dotyczących wyznaczenia śladów ekstremalnego hamowania samochodu z układem ABS. Na podstawie obrazu termowizyjnego, stwierdzono, że jest możliwe określenie długości śladów hamowania, a widoczna długość śladu w porównaniu do drogi pojazdu przebytej w zakresie 1 8% MFDD różni się około 7%. W przypadku wszystkich prowadzonych prób stwierdzono, że opóźnienie ekstremalnego hamowania jest znacznie większe niż wymaga tego EU Dyrektywa 71/32 oraz Regulamin 13 ECE ONZ. Opóźnienie ekstremalnie hamowanego pojazdu z układem ABS wynosiło średnio od 9,65 m/s 2 do 9,94 m/s 2 w przedziale 1 8% MFDD niezależnie od jego prędkości początkowej. Literatura: [1] Dugoff H., Fancher P.S., Segel L.: An Analysis of Tire Traction Properties and Their Influence on Vehicle Dynamics Performance. SAE Technical Paper [2] Walczak St.: Analiza dynamicznych obciążeń elementów niezależnych zawieszeń kół samochodu. Politechnika Krakowska. Rozprawa doktorska, Kraków 23. [3] Guzek M., Lozia Z., Zdanowicz P., Jurecki R. S., Stańczyk T. L.: Research on behaviour of drivers in accident situation conducted in driving simulator. Journal of KONES Powertrain and Transport Vol. 16, No.1, pp , 29. [4] Stańczyk T.L., Jurecki R.: Budowa i weryfikacja modelu kierowcy dla analizy sytuacji przedwypadkowych. Czasopismo Techniczne Mechanika Z. 7-M/24. T. 2, 24. [5] Bułka D., Walczak S., Wolak S.: Proces hamowania aspekt prawny i techniczny w ujęciu symulacyjnym i analitycznym. Materiały konferencyjne III Konferencji naukowo-szkoleniowej "Rozwój techniki samochodowej a ubezpieczenia komunikacyjne", WSB, Radom 26. [6] Świder P., Janczur R., Bułka D.: Prędkość początkowa samochodu a długość ujawnionych śladów blokowania kół. Paragraf na drodze, nr specjalny 1 (ISSN ), Kraków

8 [7] Wolański R., Ciępka P., Zębala J.: Problem interpretacji śladów hamowania pojazdów przewożących ciecze palne podczas rekonstrukcji zdarzenia drogowego. Wyd. SA PSP, (ISBN ), Kraków 27. [8] Zaranek K., Kulikowski D.: Ślady kryminalistyczne na miejscu wypadku drogowego z udziałem motocykla. Kwartalnik Policyjny nr 1, Wydawca: Centrum Szkolenia Policji, Legionowo 213. [9] Bułka D., Janczur R., Wach K.: Nowoczesna aparatura pomiarowa do badań podłużnej i poprzecznej dynamiki pojazdów. Paragraf na drodze, nr 11 Wydawnictwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 211. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pilotażowych badań procesu ekstremalnego hamowania pojazdu wyposażonego w układ ABS. Podczas prób rejestrowano parametry ruchu pojazdu takie jak, trzy składowe wektora przyspieszenia liniowego, trzy składowe wektora prędkości liniowej oraz trzy składowe wektora prędkości kątowej. Dodatkowo każda z prób hamowania była rejestrowana przy użyciu szybkiej kamery z częstotliwością 2 klatek/s. Po zakończeniu próby wykonywano dokumentację fotograficzną śladów oraz rejestrowano ślad termiczny pozostawiony na jezdni przy użyciu kamery termowizyjnej. Do analizy prze-biegu procesu ekstremalnego hamowania wykorzystano wyniki badań uzyskane za pomocą różnej aparatury badawczej, a na tej podstawie dokonano oceny i weryfikacji długości śladów hamowania oraz wartości średniego opóźnienia pojazdu. Słowa kluczowe: opóźnienie, ślady hamowania, układ ABS, trwałość śladu termicznego SKID MARKS LEFT BY CAR WITH ABS SYSTEM. PRELIMINARY TESTS USING V-BOX DATA ACQUISITION SYSTEM Abstract The paper presents the results of a preliminary study of the extreme braking process of vehicle equipped with ABS system. During the road tests the parameters of vehicle dynamics such as the three components of the linear acceleration vector, the three components of the linear velocity and the three components of the angular velocity vector was recorded. In addition, each braking test was recorded using a high speed camera at 2 fps. After each tests the photographic documentation of skid marks left by wheels was made, and recorded using a thermal imaging camera. For the analyzes of breaking process the results obtained using different laboratory equipment was used. On the basis of this result the verification of the length of skid marks and the value of the average vehicle deceleration was performed. Keywords: breaking deceleration, skid marks, ABS system, the stability of the thermal footprint 12