Wpływ sprawności hamulców pojazdu na drogę zatrzymania 2

Transkrypt

1 Piotr Aleksandrowicz 1, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Wpływ sprawności hamulców pojazdu na drogę zatrzymania 2 Czasy współczesne charakteryzują się wzrostem mobilności ludzi oraz transportu towarów, a samochody stały się niezbędnym narzędziem w codziennym życiu tak osobistym jak i zawodowym. Jednak rozwojowi motoryzacji towarzyszą także problemy społeczno-ekonomiczne, do których jako jedne z najważniejszych zaliczają się wypadki drogowe. Ilość pojazdów w Polsce systematycznie rośnie i w roku 2012 osiągnęła liczbę prawie 25mln ( ). Ponadto położenie geograficzne Polski na szlaku transportowym wschód zachód związane jest ruchem tranzytowym. Z danych Komendy Głównej Straży Granicznej w 2013r przez zewnętrzne granice Unii Europejskiej do RP wjechało pojazdów, z czego stanowiły samochody osobowe [8,10]. Według danych Komendy Głównej Policji w 2013r zgłoszono wypadków drogowych, co w porównaniu z rokiem 2012, w którym odnotowano wypadków wskazuje, że liczba ta spadła o 1199 wypadków (3,2%). W wypadkach tych śmierć poniosło 3357 osób. To w porównaniu z rokiem 2012, w którym śmierć poniosło 3571 osób wskazuje, że nastąpił spadek o 214 osób (6,0%). Podobnie w liczbie rannych zanotowano spadek w roku 2012 o osób zostało rannych, więc liczba ta zmniejszyła się o 1733 osoby (3,8%) [8,10]. Na rys. 1 zaprezentowano omówione wyżej dane za lata w postaci wykresu. Rys. 1. Wypadki drogowe w Polsce i ich skutki w latach Źródło: (dostęp: ). Mimo opisanych wyżej trendów spadkowych dane te plasują RP wśród państw o najwyższym zagrożeniu życia i zdrowia w ruchu drogowym. Według danych Krajowej Rady Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego ryzyko śmierci w wypadku drogowym od 2004 roku liczone liczbą zabitych na 100 tysięcy mieszkańców zmniejszyło się w Polsce do średniego poziomu Unii Europejskiej z roku 2004, a zbliżony wynik uzyskały tylko Chorwacja, Bułgaria, Łotwa, Litwa oraz Rumunia [9]. Zachodzi więc konieczność podejmowania dalszych działań w celu poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego w RP. 1 dr inż. Piotr. Aleksandrowicz, adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Transportu i Eksploatacji. 2 Artykuł recenzowany.

2 Przyczyny wypadków drogowych Pojazd jest elementem systemu U-P-O uczestnik ruchu drogowego, pojazd, otoczenie. Rozpatrując ten system w aspekcie ryzyka powstania wypadku drogowego, to dominującą rolę odgrywa tu czynnik ludzki. Udział czynnika ludzkiego przekracza 90%. Natomiast błędne zachowanie kierującego stanowi przyczynę około 70% zdarzeń drogowych, a usterki techniczne będące bezpośrednia przyczyną wypadku stanowią około 2,5% [12]. Mimo znacznie mniejszego udziału czynnika POJAZD w układzie U-P-O nie sposób go bagatelizować. Stan techniczny pojazdu jest jednym z czynników o bardzo istotnym znaczeniu dla bezpieczeństwa uczestników ruchu drogowego. Stan pojazdu nabiera znaczenia w szczególności w ekstremalnych sytuacjach, czy trudnych warunkach drogowych, dużym natężeniu ruchu, czemu sprzyja zatłoczenie w miastach związane z coraz większą ilością pojazdów. Na rys.2 przedstawiono zestawienie udziału braków i usterek pojazdów w zaistniałych wypadkach drogowych. Rys. 2. Wypadki z powodu niesprawności technicznej pojazdu. Źródło: (dostęp: ). Stan techniczny pojazdów w roku 2013 roku był przyczyną 53 wypadków, w których zginęło 6 osób, a rannych zostało 63 osób. Najwięcej niesprawności stwierdzono w świetleniu (49,1%), ogumieniu (30,2%). Ponadto odnotowano 9,4% zdarzeń powstałych w związku z niesprawnością układu hamulcowego. W tabeli 1 zaprezentowano podział ilościowy przyczyn po stronie stanu technicznego pojazdu mających bezpośredni wpływ na zaistnienie wypadku. Tabela 1 Tab. 1. Przyczyny wypadków związane ze stanem technicznym pojazdów. Źródło: (dostęp: ).

3 Panowanie przez kierującego nad pojazdem jest jednym z podstawowych warunków bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Wymaga to więc istnienia możliwości zmniejszenia prędkości jazdy w każdej chwili lub szybkiego zatrzymania pojazdu niezależnie od warunków atmosferycznych i czasu eksploatacji środka transportu. Rozróżnia się kilka sposobów hamowania pojazdem: wykorzystywanie sił oporów ruchu, hamowanie silnikiem, hamowanie pojazdu za pomocą układu hamulcowego oraz z urządzeniami dodatkowymi. W sytuacji zagrożenia zazwyczaj następuje gwałtowne i intensywne hamowanie, aż do zatrzymania pojazdu, wykorzystywany jest wówczas przede wszystkim układ hamulcowy samochodu. Układ hamulcowy ma więc wpływ na prędkość zderzenia i skutki powypadkowe [1,2,3]. Dlatego z punktu widzenia bezpieczeństwa ruchu drogowego układ hamulcowy pojazdu należy do najważniejszych zespołów konstrukcyjnych pojazdu. Zazwyczaj przyczyny wypadków określane, jako np. nadmierna prędkość, zarzucenie, czy poślizg pojazdu można również wiązać z stanem technicznym układu hamulcowego i jego konstrukcją. To właśnie układ hamulcowy pojazdu jest na pierwszym miejscu podczas analizy wpływu zespołów konstrukcyjnych samochodu na zaistnienie rekonstruowanego wypadku drogowego. Układy hamulcowe pojazdów muszą więc spełniać szereg wymagań. Do najważniejszych z nich należą sformułowane w regulaminach R13 lub R13-H ECE oraz dyrektywie 98/12/WE [12]. Typowe układy hamulcowe Istotą hamowania za pomocą układu hamulcowego jest zmiana energii kinetycznej pojazdu najczęściej na ciepło, które rozpraszane jest w atmosferze. Aktualnie doskonalenie układów hamulcowych ukierunkowane jest przede wszystkim na zwiększenie ich skuteczności, trwałości, niezawodności oraz ograniczeniu emisji ciepła do atmosfery, gdyż jest to zjawisko mające negatywny wpływ na ekologię. Hamowanie polega więc na zamierzonym zwiększeniu oporów ruchu. Wytworzona po uruchomieniu układu siła hamująca na styku kół pojazdu z podłożem skutkuje zmniejszeniem energii kinetycznej pojazdu. Do najczęściej spotykanych układów hamulcowych w samochodach osobowych zalicza się dwuobwodowe z uruchamianiem hydraulicznym. W układzie tym przeniesienie siły z pedału hamulca na koła realizowane jest za pośrednictwem płynu hamulcowego. Siła trzpienia naciskowego wytwarza w cylindrze roboczym ciśnienie hydrauliczne, które przekazywane jest przewodami hamulcowymi do cylinderków hamulcowych poszczególnych kół pojazdu. Wytworzona siła rozprężająca w cylinderkach hamulcowych działa na elementy cierne współpracujące z bębnami lub tarczami hamulcowymi. Na rys. 3 przedstawiono typowy układ hamulcowy samochodu osobowego. Rys. 3. Dwuobwodowy hydrauliczny układ hamulcowy samochodu osobowego. Źródło: Praca zbiorowa, Poradnik techniki samochodowej. REA, Warszawa We współczesnych samochodach osobowych coraz powszechniej stosowane są hamulce tarczowe na obu osiach pojazdu. W hamulcach tych elementem ruchomym jest związana z piastą koła najczęściej stalowa tarcza o szlifowanych obustronnie płaszczyznach ciernych.

4 Podczas hamowania do ww. tarczy dociskane są obustronnie elementy cierne klocki hamulcowe. Aktualnie produkowane generacje klocków hamulcowych wyposaża się w styki elektryczne zatopione w okładzinie ciernej. Dzięki temu rozwiązaniu, jeżeli nastąpi dopuszczalne zużycie okładziny klocka zostanie to zasygnalizowane zaświeceniem lamki kontrolnej na kokpicie pojazdu lub pojawi się stosowny komunikat z komputera pokładowego samochodu. Na rysunku 4 przedstawiono omówiony układ hamulca tarczowego samochodu, a na rys. 5 klocek hamulcowy wyposażony w czujnik zużycia okładziny ciernej. 1. siłownik hydrauliczny, 2. uszczelnienie tłoka, 3. klocki, 4. tarcza hamulcowa. Rys. 4. Hamulec tarczowy pojazdu. Źródło: Praca zbiorowa, Mechanik pojazdów samochodowych część 1. Działanie zespołów podzespołów. Vogel Publishing, Wrocław Rys. 5. Klocek hamulcowy z czujnikiem grubości okładziny ciernej. Źródło: (dostęp: ). W celu optymalizowania procesów hamowania pojazdów coraz powszechniej nawet w pojazdach klasy niższej stosowany są systemy anty blokujące koła podczas hamowania. Układ ten reguluje stosownie do warunków przyczepności ciśnienie w cylinderkach hamulcowych tak, aby koło podczas hamowania nie uległo zablokowaniu. Dzięki temu pojazd zachowuje kierowalność nawet podczas gwałtownego hamownia.

5 Na rysunku 6 przedstawiono schemat ideowy układu hamulcowego pojazdu wyposażonego w ABS (Anti-Lock Braking System). Rys. 6. Schemat ideowy układu hamulcowego z ABS. Źródło: Praca zbiorowa, Poradnik techniki samochodowej. REA, Warszawa Eksploatacja układu hamulcowego Układ hamulcowy pojazdu uważa się za sprawny jeżeli [11]: zapewnia właściwą skuteczność hamowania niezależnie od okresu eksploatacji; mechanizm uruchamiający działa bez zacięć i umożliwia powstanie momentów sił hamujących w czasie nie dłuższym niż 0,6s; siły hamowania na kołach jednej osi są równe; w samochodach osobowych przy naciśnięciu na pedał hamulca siła nie większą niż 50dN następuje skuteczne uruchomienie mechanizmów układu; po zdjęciu nogi z pedału hamulca niezwłocznie powraca on do pozycji wyjściowej; nagrzewanie tarcz hamulcowych lub bębnów jest jednakowe; mechanizm uruchamiania jest szczelny i niezawodny; hamulec pomocniczy, po zaciągnięciu na dwie trzecie skoku utrzymuje pojazd na pochyłości, co najmniej 18%; droga hamowania na suchej, poziomej i utwardzonej nawierzchni dla samochodu osobowego nie powinna przekraczać 9m dla hamulca zasadniczego; układ hamulca zasadniczego w sytuacji uszkodzenia jednego z obwodów powinien zapewnić skuteczność działania hamulców niemniejszą niż 30% opóźnienia hamowania wynoszącego 5,8m s -2 ; po nagrzaniu hamulców układ hamulca zasadniczego zachowuje skuteczność działania niemniejszą niż 75% opóźnienia hamowania wynoszącego 5,8m s -2 ; układy wspomagania, ABS, ASR (i in.) są sprawne. Typowe objawy niesprawności układu hamulcowego i ich objawy [11]: zwiększenie długości drogi hamowania i komunikaty kontrolki ABS na desce rozdzielczej; zmiana kierunku jazdy pojazdu podczas hamowania i blokowanie kół pojazdu podczas jazdy.

6 Ocena stanu hydraulicznego układu hamulcowego dzieli się na [11]: diagnozowanie wstępne; ocenę skuteczności działania metodami stacjonarnymi lub trakcyjnymi; lokalizację uszkodzeń. Diagnozowanie wstępne stanu hydraulicznego układu hamulcowego obejmuje [11]: oględziny zewnętrzne układu; ocenę jałowego i roboczego skoku pedału hamulca; ocenę stopnia zapowietrzenia układu; próbę szczelności obwodów; ocenę jakości płynu hamulcowego; sprawdzenie działania świateł STOP; próbę działania hamulca awaryjnego; oględziny stanu tarcz hamulcowych i grubości okładzin klocków hamulcowych. Studium przypadku badania własne W artykule podjęto próbę oszacowania wpływu niesprawności układu hamulcowego pojazdu polegającą na awarii układu ABS przy wykorzystaniu programu symulacyjnego V-SIM3 [7]. Niesprawności układu hamulcowego polegające na nieprawidłowym działaniu ABS są bardzo często spotykane w praktyce w toku eksploatacji pojazdu. W razie powstania takiej usterki w układzie kierujący informowany jest o tym fakcie przez systemy diagnostyki pokładowej pojazdu. Jednak niejednokrotnie zdarza się, że pojazd jest dalej eksploatowany bez niezwłocznego usunięcia tego rodzaju usterki. Dla przybliżenia wagi problemu przeprowadzono obliczenia i wykonano symulację hamowania pojazdu ze spranym i niesprawnym układem ABS dla prędkości administracyjnej poza terenem zabudowanym. W badaniach przyjęto następujący obiekt i warunki ruchu: samochód Opel Insignia 2.0CDTI, masa własna 1538kg, masa kierującego 68kg; współczynnik Cx = 0,27, długość 4,83m, szerokość 1,856m, wysokość 1,498m; skuteczność hamulca zasadniczego 19,6kN, współczynnik sił stycznych według regulaminu 13ECE o wartości 0,8 i korektor sił hamowania z regulacją łamaną; układ hamulcowy alternatywnie z ABS lub bez działania ABS; opony 225/55 R17, układ kierowniczy Ackermana; sinik wysokoprężny, turbodoładowany o mocy 118kW i momencie obrotowym 350Nm przy obrotach 1750 obrotów na minutę; skrzynka biegów 6 biegów manualna, napędzana oś przednia; zadanie hamowanie w czasie 0,0s symulacji z pełnym naciskiem na pedał hamulca (100%), czas narastania momentów sił hamujących na kołach 0,35s; jezdnia asfaltowa mokra, czysta, gładka o 2 pasach ruchu i mająca szerokość 7m, odcinek drogi prosty, płaski (nachylenie wzdłużne i poprzeczne 0 ) o długości 72m, pobocza asfaltowe o szerokości po 1m; współczynnik przyczepności przylgowej 0,6 i poślizgowej 0,5, współczynnik oporów toczenia 0,015.

7 Poniżej na rys. 7 zaprezentowano rezultaty obliczeń w postaci graficznej, a na rys. 8 zmiany osiąganego opóźnienia przez oba pojazdy podczas analizowanego procesu hamowania. Rys. 7. Droga hamowania z ABS i bez sprawnego ABS z prędkości początkowej 90km h -1. Źródło: [opracowanie własne]. Rys. 8. Zmiany opóźnienia z ABS i bez sprawnego ABS podczas hamowania. Źródło: [opracowanie własne]. Streszczenie Wnioski sprawny układ ABS poprzez optymalizację procesu hamowania pozwala na zatrzymanie badanego obiektu z prędkości początkowej 90km h -1 na drodze około 57m, natomiast w przypadku usterki tego układu obiekt badań osiągnął z ww. prędkości początkowej drogę zatrzymania około 60,3m; obliczenia wykazały, że zmiana długości drogi zatrzymania dla obiektu badań w zależności od działania układu ABS wynosi około 6%; analiza pozwala na stwierdzenie, że im współczynnik przyczepności kół na jezdni będzie mniejszy (np. nawierzchnia ośnieżona) tym wynik w zakresie długości drogi hamowania będzie korzystniejszy dla pojazdu ze sprawnym układem ABS; badanie wskazuje, że sprawny ABS w układzie hamulcowym jest więc istotnym elementem wpływającym bezpośrednio na bezpieczeństwo ruchu drogowego. W artykule przedstawiono problem sprawności systemu antypoślizgowego układu hamulcowego wyposażonego w ABS w aspekcie bezpieczeństwo jazdy. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że niesprawny układ ABS w pojeździe istotnie obniża bezpieczeństwo uczestników ruchu drogowego i sygnali-

8 zowana awaria tego układu kierującemu przez systemy diagnostyki pokładowej nie powinna być bagatelizowana. Tym samym równie istotna jest weryfikacja sprawności układu ABS w toku corocznych badań okresowych stanu technicznego pojazdu. Abstract Influence of the efficiency of brakes of the vehicle on means of stopping In the article a problem of the system efficiency of an anti-skidding brake system was presented ABS in the aspect safety of the ride. Conducted calculations showed that the disabled arrangement in the vehicle indeed was lowering the ABS the safety of road users and the indicated breakdown of this arrangement for the driver should not be underestimated by systems of deck diagnostics. A verification of the efficiency of the arrangement is equally significant ABS in the course of the annual company medical of the technical condition of the vehicle. Keywords: ABS, inhibition, brake system, road safety. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Aleksandrowicz P., Analiza oddziaływania opóźnień bezwładności na użytkowników pojazdu w czasie zderzenia, Logistyka 6/2014, Poznań s [2]. Aleksandrowicz P., Biomechanika w analizie wypadków drogowych. Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz s 56-59, [3]. Aleksandrowicz Piotr., Przykład analizy zderzenia samochodu i motocykla w kontekście bezpieczeństwa w ruchu drogowym, Logistyka 6/2013, Poznań s [4]. Klocki hamulcowe, (dostęp: ). [5]. Praca zbiorowa, Mechanik pojazdów samochodowych część 1. Działanie zespołów podzespołów. Vogel Publishing, Wrocław s 132. [6]. Praca zbiorowa, Poradnik techniki samochodowej. REA, Warszawa s 344, 350. [7]. Program V-SIM3, (dostęp: ). [8]. Raport Polskiego Związku Przemysłu Motoryzacyjnego, (dostęp r). [9]. Stan bezpieczeństwa ruchu drogowego oraz działania realizowane w tym zakresie w roku 2013, (dostęp: ). [10]. Statystyki Komendy Głównej Policji, (dostęp ). [11]. Tylicki H., Żółtowski B., Terra-Technologia Eksploatacji Wybranych Układów Pojazdów. Wydawnictwa Uczelniane PWSZ, Piła s 66-71, [12]. Wicher J., Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. WKŁ Warszawa s