Badania doświadczalne cech kinematycznych ruchu pojazdu typu bus podczas przejazdu przez przeszkodę

WALUŚ Konrad J. 1 POLASIK Jakub 2 MARKIEWICZ Filip 3 CIEŚLIK Maciej 4 ADAMIEC Jarosław M. 5 Badania doświadczalne cech kinematycznych ruchu pojazdu typu bus podczas przejazdu przez przeszkodę WSTĘP Obecnie większość produkowanych pojazdów osobowych przystosowana jest do transportu maksymalnie pięciu osób. Niektórzy producenci samochodów typu Van instalują do siedmiu miejsc siedzących. W większości możliwość podróżowania siedmiu osób w pojeździe Van wiąże się ze zmniejszeniem pojemności bagażnika. Do transportu większej liczby osób wykorzystywane są pojazdy dostawcze fabrycznie przystosowane do przewozu dziewięciu i więcej osób. Każde z miejsc siedzących wyposażone jest w fotel i pasy bezpieczeństwa. W przewozie osób kluczowym jest odpowiednie rozmieszczenie foteli, czyli zapewnienie takiego rozkładu masy w pojeździe aby zapewnić najlepszą kierowalność i sterowalność pojazdem. Transport lądowy to bardzo rozbudowana gałąź gospodarki. W niektórych przypadkach szlaki transportowe mogą się krzyżować, tak jak to jest dla transportu drogowego oraz kolejowego. W infrastrukturze transportowej występują przejazdy kolejowe oraz torowiska tramwajowe, które mogą stanowić istotną nierówność w stosunku do nawierzchni drogi [1, 3, 4]. Wszelkie nierówności znajdujące się na drodze mogą stwarzać niebezpieczeństwo i zagrożenie w ruchu drogowym. Jako infrastruktura na drogach występują wysepki, progi zwalniające [2], a także krawężniki. Dodatkowo na skutek eksploatacji drogi mogą pojawić się koleiny, uskoki, wyrwy i pęknięcia, a przed skrzyżowaniami może wystąpić falowanie nawierzchni (tzw. garby) spowodowane procesem pojazdów. Niezależnie od warunków eksploatacji czy stanu nawierzchni w obszarze jezdni mogą występować również przypadkowe obiekty. Ich wielkość i rodzaj oraz prędkość pojazdu i jego obciążenie, w przypadku najechania, decydują o stopniu możliwych do wystąpienia w pojeździe uszkodzeń. Wymienione czynniki determinują zakres uszkodzeń bądź ich brak. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych cech kinematycznych ruchu pojazdu typu bus podczas przejazdu przez przeszkodę dla dwóch prędkości najazdu. 1. CHARAKTERYSTYKA POJAZDU I WARUNKÓW ŚRODOWISKOWYCH Badanym pojazdem był samochód dostawczy przystosowany do przewozu dziewięciu osób. Volkswagen Crafter z doładowanym silnikiem wysokoprężnym o pojemności 2500 cm 3 wyposażony był w automatyczną przekładnię 5 stopniową. Napęd przekazywany jest na tylną oś pojazdu. Samochód wyprodukowano w 2007 roku. 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: + 48 61 665-25-53 fax: + 48 61 665-20-74 e-mail: konrad.walus@put.poznan. 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: + 48 61 665-20-47 fax: + 48 61 665-20-74 e-mail: polasik@interia.eu 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: + 48 61 665-20-47 fax: + 48 61 665-20-74 e-mail: filip.r.markiewicz@doctorate.put.poznan.pl 4 Wyższa Szkoła Bankowa w Poznaniu, Wydział Finansów i Bankowości, Zakład Logistyki, al. Niepodległości 2, 61-874 Poznań, e-mail: maciej.cieslik@skoda-auto.pl 5 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: + 48 61 665-22-54 fax: + 48 61 665-20-74 e-mail: jaroslaw.adamiec@put.poznan. 1607

Rys. 1. Widok pojazdu badawczego Volkswagen Crafter Rys. 2. Widok nawierzchni (po lewej), widok odcinka drogi na którym wykonywano próby (po prawej) Podczas testów warunki środowiskowe były mierzone przed oraz po badaniu kinematyki ruchu pojazdu. Wyniki badań środowiskowych przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wyniki pomiarów warunków środowiskowych przed oraz po próbach drogowych przed próbami drogowymi po próbach drogowych Temperatura otoczenia +25,6 o C +27,5 o C Wilgotność 25,0% 26,3% Ciśnienie atmosferyczne 1011,2hPa 1011,2hPa Temperatura punktu rosy +5,3 o C +5,4 o C Temperatura nawierzchni +32 o C +30,4 o C drogi 2. CHARAKTERYSTYKA OPON Pojazd był wyposażony w ogumienie Good Year Marathon Cargo o rozmiarze 235/65 R16C na obręczach stalowych. Są to opony przystosowane do przenoszenia większych obciążeń w stosunku do montowanych w pojazdach osobowych. Widok koła i rzeźby bieżnika opony przedstawiono na rysunku 3. W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarów cech opon przed i po testach drogowych. 1608

Rys. 3. Widok koła (po lewej), widok bieżnika opony (po prawej) Tab. 2. Wyniki pomiarów cech ogumienia przed próbami drogowymi po próbach drogowych Twardość boku opony PL 62/61/65 PP 80/79/78 PL 60/59/61 PP 63/64/62 TL 59/58/64 TP 63/62/60 TL 63/62/65 TP 60/59/61 Twardość bieżnika PL 79/76/75 PP 60/65/59 PL 78/79/79 PP 79/79/80 TL 80/79/80 TP 75/80/81 TL 78/77/79 TP 79/80/81 Temp. boku opony PL 27,6 o C PP 36 o C (nasłoneczniona) PL 30,2 o C PP 32,5 o C (nasłoneczniona) TL 22,0 o C (cień) TP 40 o C (nasłoneczniona) TL 26,2 o C TP 31,5 o C (nasłoneczniona) Temp. bieżnika PL 22,4 o C PP 26,0 o C PL 29,5 o C PP 28,5 o C TL 18,5 o C TP 20,8 o C TL 25,0 o C TP 24,5 o C Ciśnienie powietrza PL 2,4MPa PP 2,3MPa PL 2,5MPa PP 2,5MPa wewnątrz opon TL 2,4MPa TP 2,4MPa TL 2,4MPa TP 2,4MPa 3. CHARAKTERYSTYKA PRZESZKODY Przeszkodą pokonywaną podczas prób drogowych był drewniany podkład. Ze strony najazdu posiadał on ścięcie pod kątem w celu zminimalizowania możliwości uszkodzenia ogumienia badanego pojazdu. Widok przeszkody oraz jej wymiary przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Wymiary wykorzystywanej przeszkody (po lewej), widok ustawionej przeszkody na drodze przejazdu (po prawej) 4. METODYKA I PRZEBIEG BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Celem badań było wykonanie pomiaru impulsu przyspieszenia przenoszonego na karoserie pojazdu podczas pokonywania przeszkody. Przejazdy badawcze wykonywane były ze startu zatrzymanego do 1609

ponownego zatrzymania. Zadaniem kierującego było ruszenie pojazdem ze zmianą biegu, pokonanie przeszkody na biegu jałowym, a następnie intensywne hamowanie do zatrzymania. Pojazd był uzbrojony w układ pomiarowy firmy Analog Devices typu ADIS 16385 składający się z trzech czujników przyspieszeń i trzech piezożyroskopów zintegrowanych w jednej kostce. Układ pomiarowy zamontowano bezinwazyjnie za pomocą przyssawek do szyby bocznej pojazdu (rysunek 5). Dodatkowo rejestrowano kamerami wideo ruch opony i jej ugięcie podczas pokonywania przeszkody. Pierwsza kamera była zamontowana na samochodzie i rejestrowała bieżnik opony. Druga kamera ustawiona była na zewnątrz i jej zadaniem była rejestracja przejazdu samochodu przez przeszkodę oraz ugięcie opony. Do akwizycji i archiwizacji danych służył przenośny komputer z dedykowanym do czujników oprogramowaniem. Wykorzystywana aparatura pomiarowa cechuje się niepewnością pomiaru na poziomie 2%. Rys. 5. Widok pojazdu z aparaturą badawczą ADIS 16385 oraz systemem rejestracji wideo 5. WYNIKI POMIARÓW Badania przeprowadzono dla dwóch prędkości najazdu na przeszkodę. Podczas testów wykonano po 10 przejazdów. W pojeździe znajdował się tylko kierowca oraz osoba obsługująca aparaturę pomiarową. Uzyskane wartości przyspieszeń oraz pełnego średniego opóźnienia (MFDD) dla poszczególnych prób pomiarowych przedstawiono w tabeli 3 i 4, a przykładowe wyniki przedstawiono graficznie na rysunku 6. Tab. 3. Parametry ruchu pojazdu podczas prób z Prędkością I Przebyta droga [m] Czas próby [s] Czas [s] Droga [m] Prędkość [km/h] MFDD I BIEG II BIEG Plik uszkodzony 36,5 9,273 2,840 3,55 20,250 6,018 2,293 37,0 9,030 2,853 3,934 22,702 6,558 3,152 2,175 37,5 9,189 3,165 4,373 24,995 6,844 3,156 1,845 37,8 9,116 3,239 4,893 27,720 6,219 3,164 2,356 37,1 9,733 3,653 3,914 24,404 6,764 3,18 2,115 36,5 9,128 3,105 3,556 23,789 6,11 3,167 2,003 36,75 9,438 2,913 3,701 22,813 7,761 3,064 2,203 36,75 8,858 2,978 3,57 23,976 7,543 3,267 1,773 35,5 9,105 2,649 2,534 19,372 7,235 3,093 1,522 Średnia 6,784 3,059 1,999 Odchylenie standardowe 0,627 0,293 0,271 1610

Przyspieszenie [m/ss] Prędkość [m/s] Przyspieszenie [m/ss] Prędkość [m/s] Tab. 4. Parametry ruchu pojazdu podczas prób z Prędkością II Przebyta droga [m] Czas próby [s] Czas [s] Droga [m] Prędkość [km/h] MFDD I BIEG II BIEG 57,9 10,522 3,538 7,85 45,205 7,842 3,315 2,46 55,7 9,919 2,907 6,573 42,836 7,879 3,304 2,458 56,6 9,987 3,030 7,459 42,635 7,337 3,394 2,417 55,9 10,550 3,523 6,495 42,023 7,688 3,352 2,330 57,9 10,615 3,555 7,273 41,486 7,750 3,269 2,388 57,7 10,534 3,419 6,886 41,926 8,089 3,313 2,346 57,2 10,599 3,776 9,584 43,585 8,056 3,413 2,382 57,9 10,659 3,411 6,304 42,394 8,171 3,274 2,384 57,9 10,49 3,337 7,128 42,091 8,007 3,22 2,328 57,9 10,439 3,31 7,328 41,612 7,992 3,313 2,355 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8 2014.06.18 Volkswagen Crafter Prędkość I -10 0 2 4 6 8 10 12 Czas [s] Pryzspiesyenie Prędkość Średnia 7,881 3,317 2,385 Odchylenie standardowe 0,245 0,058 0,048 15 12 9 6 3 0-3 -6-9 2014.06.18 Volkswagen Crafter Prędkość II -12 0 2 4 6 8 10 12 Czas [s] Przyspieszenie Rys. 6. Przykładowe przebiegi przyspieszeń i prędkości dla dwóch prędkości najazdu na przeszkodę 6. ANALIZA WYNIKÓW Wszystkie próby pomiarowe były wykonywane jednokierunkowo. Uzyskane dane pomiarowe zostały poddane obróbce matematycznej w celu odseparowania wpływu grawitacji na wyniki. Dodatkowo testy były rejestrowane kamerą, co umożliwiło wykonanie analizy poklatkowej ugięcia opony i zawieszenia. Poklatkowa analiza materiału wideo umożliwiła obliczenie wartości strzałki ugięcia opony i zawieszenia podczas pokonywania przeszkody. Informacja, że przeszkoda miała wysokość 60 mm pozwoliła na wyznaczenie wysokości 1 pixela klatki filmu. W przypadku przedstawianych pomiarów wysokość przeszkody wyrażona w mm była równa przypadającej liczbie pixeli, tz. 1 pixel = 1 mm. Podział klatki filmu na piksele umożliwił wyznaczenie wartości ugięcia opony i zawieszenia w chwili czasowej kontaktu z przeszkodą (rysunki 7 i 8). Wartości ugięcia opony i zawieszenia przedstawiono w tabelach 5 i 6. Przyjęto, że w sytuacji gdy pojazd porusza się po płaskiej nawierzchni ze stałą prędkością ugięcie opony podczas jego ruchu jest równoważne z ugięciami statycznymi opon wynikającymi z obciążenia jednostkowego danego koła. Tab. 5. Obliczone z ilości pixeli wartości ugięć opony i zawieszenia samochodu Volkswagen Crafter dla Prędkości I Prędkość 1 pixel = 1 mm Ugięcie opony (odległość osi koła pojazdu od nawierzchni drogi) Ugięcie zawieszenia (odległość osi koła pojazdu od elementu stałego karoserii) Przed przeszkodą W momencie najechania Przed przeszkodą W momencie najechania Pixels/mm Pixels/mm Pixels/mm Pixels/mm 1611

286 250 293 279 Ugięcie opony wywołane przeszkodą: 36 pixels 36 mm Ugięcie zawieszenia wywołane przeszkodą: 14 pixels 14 mm Rys. 7. Widok samochodu Volkswagen Crafter podczas pokonywania przeszkody dla Prędkości I Tab. 6. Obliczone z ilości pixeli wartości ugięć opony i zawieszenia samochodu Volkswagen Crafter dla Prędkości II 1 pixel = 1 mm Ugięcie opony (odległość osi koła pojazdu od nawierzchni drogi) Ugięcie zawieszenia (odległość osi koła pojazdu od elementu stałego karoserii) Przed przeszkodą W momencie najechania Przed przeszkodą W momencie najechania Pixels/mm Pixels/mm Pixels/mm Pixels/mm 287 242 294 279 Ugięcie opony wywołane przeszkodą: 45 pixels 45 mm Ugięcie zawieszenia wywołane przeszkodą: 15 pixels 15 mm Rys. 7. Widok samochodu Volkswagen Crafter podczas pokonywania przeszkody dla Prędkości II Na podstawie uzyskanych charakterystyk przyspieszeń wzdłużnych pojazdu wyznaczono chwilową wartość przyspieszenia, przenoszonego na karoserie, generowaną przez kontakt opony z przeszkodą. Wartości chwilowych przyspieszeń przedstawiono w tabeli 7. Tab. 7. Chwilowe wartości prędkości i przyspieszenia w chwili kontaktu opony z przeszkodą Prędkość najazdu na przeszkodę [km/h] Prędkość I Wartość impulsu przyspieszenia Prędkość najazdu na przeszkodę [km/h] Prędkość II Wartość impulsu przyspieszenia 43,592 5,168 22,450 6,548 43,355 6,582 1612

24,505 6,566 43,135 6,414 26,622 6,590 42,606 6,708 29,282 6,512 42,692 6,579 25,920 6,491 43,240 6,540 25,524 6,590 43,358 6,636 24,448 6,721 43,816 6,794 25,560 6,265 43,333 6,867 21,438 6,054 42,934 6,682 Średnia 6,482 Średnia 6,497 Odchylenie standardowe 0,201 Odchylenie standardowe Dla obydwu prędkości najazdu na przeszkodę wartości chwilowych przyspieszeń są prawie identyczne. Podobnie ugięcie zawieszenia dla obu prędkości jest takie samo. Odmiennie wygląda sytuacja związana z ugięciem opony. Różnica ugięcia opony dla prędkości I i prędkości II jest zauważalna i wynosi 9 pixeli (9 mm). Na podstawie wyników wartości ugięcia opony oraz chwilowych wartości przyspieszeń można wnioskować, że w głównej mierze opona dysypuje energię uderzenia w przeszkodę poprzez swoją deformację, co istotnie wpływa na przenoszenie sił z nawierzchni na karoserię pojazdu. WNIOSKI Wykonane próby drogowe polegające na pokonaniu przez pojazd typu bus przeszkody stałej pozwalają stwierdzić, że przy obu prędkościach ugięcie zawieszenia było jednakowe. Natomiast ugięcie opony podczas pokonywania przeszkody z pierwszą prędkością było niższe w stosunku do drugiej prędkości. Sztywność opony jest o niższa niż sztywność zawieszenia, co powoduje, że w większości przypadków to opona podlega większym odkształceniom na skutek najechania na przeszkodę niż układ zawieszenia. Całkowita deformacja układu zawieszenia i opony podczas pokonywania zdefiniowanej/zadanej przeszkody zależy w głównej mierze od prędkości pojazdu oraz jego obciążenia. Zwiększenie rozmiarów przeszkody przy dużych prędkościach najazdu może prowadzić do uszkodzenia opony, szczególnie w przypadku porównywalnej wysokości przeszkody z wysokością profilu opony. Streszczenie W rzeczywistych warunkach panujących na drogach napotykamy wiele przeszkód, których nie można przewidzieć. Powodują one zmiany przemieszczeń pasażerów względem swojej prawidłowej pozycji bezpiecznego podróżowania. W pracy skupiono się na zachowaniu się pojazdu oraz wpływu pokonywanej przeszkody na poziom komfortu pasażerów przewożonych przez samochód przystosowany do transportu 9 osób. Wykonano badania, których celem było określenie przemieszczeń kątowych pojazdu osobowego podczas przejazdu przez przeszkodę. Badania odbywały się na suchej nawierzchni wykonanej z kostki brukowej. Osiągane wartości przyspieszeń w danych warunkach atmosferycznych i nawierzchni determinują zakres bezpieczeństwa pojazdu oraz jego pasażerów. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych procesu intensywnego przyspieszania, przejazdu przez przeszkodę i samochodu przystosowanego do transportu osób z wykorzystaniem dwóch zakresów prędkości przejazdu przez przeszkodę. Experimental study of the characteristics of kinematic motion of the vehicle type "bus" while passing through an obstacle Abstract In real conditions prevailing on the road we encounter many obstacles, which can not be predicted. They cause changes in passenger movements relative to its correct position for safe travel. The paper focuses on the behavior of the vehicle and the impact of obstacles on your movement comfort level of passengers carried by the car adapted for the transport of 9 persons. Performed studies which aim to determine the angular displacements of the passenger vehicle while passing through the obstacle. Tests were conducted on dry roads made of cobblestones. Achieved acceleration values in the data and surface weather conditions determine the scope of the safety of the vehicle and its passengers. The article presents the results of experimental studies of 0,484 1613

the process of intense acceleration, passing through the obstacle and braking of the car adapted to transport people from using two speed ranges passing through the barrier. BIBLIOGRAFIA 1. Czajkowski, K., Fitzgerald, S., Foster, I., Kesselman, C., Grid Information Services for Distributed Resource Sharing. In: 10th IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing, pp. 181--184. IEEE Press, New York (2001). 2. Dębowska-Mróz M., Rogowski A., Wójcik E., Bator K., Ocena wybranych elementów stosowanych w uspokajaniu ruchu drogowego w miastach. Autobusy 3/2013, s. 1665-1682, CD- ROM, ISSN 1509-5878. 3. Foster, I., Kesselman, C., The Grid: Blueprint for a New Computing Infrastructure. Morgan Kaufmann, San Francisco (1999). 4. Foster, I., Kesselman, C., Nick, J., Tuecke, S., The Physiology of the Grid: an Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Integration. Technical report, Global Grid Forum (2002). 1614