Vliv přepravovaných nákladů na jízdní vlastnosti vozidel Doc. Ing. Miroslav Tesař, CSc. Havlíčkův Brod 20.5.2010
1. Úvod 2. Definování základních pojmů 3. Stabilita vozidel 4. Stabilita proti překlopení 5. Působení nákladu na vozidlo 6. Problematika cisternových vozidel 7. Závěr
1. Úvod Vidět některé více či méně známé skutečnosti související s jízdními vlastnostmi vozidla v širších souvislostech Problematika převážení nákladů a jeho možné vlivy na jízdní vlastnosti vozidel (zejména z pohledu příčné stability)
2. Definování základních pojmů Jízdní vlastnosti vozidla Všechny odezvy vozidla na působení vnějších a vnitřních sil Mezi základní jízdní vlastnosti patří: Zatáčivost Směrová stabilita Stabilita při brzdění Aerodynamická stabilita citlivost na boční vítr
Samostatnou oblast tvoří Tahové (trakční) a dynamické vlastnosti vozidla Vyjadřují se pomocí - trakční charakteristiky - dynamické charakteristiky
Trakční diagram
Další jízdní vlastnosti zahrnují oblast manévrovatelnosti Stoupavost Stopový (obrysový) poloměr zatáčení Výstupnost Překročitelnost Brodivost
Parametry, které jízdní vlastnosti ovlivňují Rozměry vozidla Hmotnost vozidla (jen některé) Poloha těžiště Vlastnosti pneumatik Počet a rozložení náprav Typ zavěšení kol Počet hnacích a řízených kol
Jedná se o poměrně složité závislosti Nelze oddělovat jedno od druhého Vždy působí v souhrnu Pouze pro hodnocení je nutné jednotlivé vlivy a parametry oddělovat Jinak by tato problematika byla jen těžko řešitelná Teoretická řešení musí být ověřena experimentem
Jedná se o výsledek vzájemného působení soustavy člověk vozidlo prostředí
3. Stabilita vozidel Obecná definice stability takový rovnovážný stav tělesa, nebo soustavy, při němž po malé poruše rovnováhy, vyvolané rušivým vlivem (vnější silou), se těleso, nebo soustava sama vrací do původního stavu.
Stabilita vozidla Za stabilní se rozumí stav, kdy se vozidlo pohybuje směrem vytyčeným řízením a se všemi koly na vozovce
Rozdělení stability vozidel Stabilita směrová Stabilita příčná Stabilita podélná
Při přímé jízdě Směrová stabilita Asymptoticky stabilní Neutrálně stabilní Kmitavě stabilní Kmitavě nestabilní Divergentně nestabilní Při brzdění Požadavek aby přední náprava více brzdila
Poznámka: Směrová stabilita souvisí se zatáčivostí vozidla pozor nezaměňovat směrovou stabilitu a zatáčivost (neutrální, přetáčivé, nedotáčivé) Zatáčivost je druh odezvy na natočení kol (působení sil) = vlastnost vozidla daná jeho konstrukcí Zatáčivost ovlivňujě Poloha těžiště Vlastnosti pneumatik
Souvislost se projevuje Vozidlo nedotáčivé a neutrální je vždy směrově stabilní Vozidlo přetáčivé je po překročení kritické rychlosti směrově nestabilní v krit m k l k k L 1 2 2 k l 1 1 2 2
Stabilita příčná Při jízdě v zatáčce může z hlediska ztráty stability dojít K bočnímu smyku vozidla K překlopení vozidla
Posuzujeme zpravidla z hlediska Pro smyk kritické rychlosti V S max, 11 3 R tg 1. tg Pro překlopení V P max, 11 3 R B h T. tg 2 B h T. tg 2
Z hlediska bezpečnosti je žádoucí aby dříve došlo ke smyku než k překlopení Lze stanovit poměr hlavních parametrů B h T 2. h T B
Na příčném svahu -Usmýknutí vozidla G sin G cos tg -Překlopení vozidla G.sin. h G.cos. T tg B 2. h T B 2
Porovnáním dospějeme k závěru, že z hlediska parametrů, pro stabilitu na příčném svahu platí B h T 2.
Z toho vyplývá důležitý poznatek Směrová stabilita je ovlivněna Hmotností vozidla - m Vlastnostmi pneumatik k 1 ; k 2 Konstrukčními parametry - L Polohou těžiště l 1 ; l 2 v krit m k l k k L 1 2 2 k l 1 1 2 2
Příčná stabilita je ovlivněna Výškou těžiště - h T Rozchodem kol - B Stavem vozovky adheze φ Smyk, nebo převrácení nezávisí na hmotnosti vozidla B h T 2.
Může náklad ovlivnit směrovou a příčnou stabilitu? Vycházíme ze základního předpokladu, že každý náklad ve vozidle ovlivní: Celkovou hmotnost Rozložení zatížení na nápravy (na kola) Polohu těžiště Tedy parametry, které ovlivňují směrovou a příčnou stabilitu ANO Náklad může ovlivnit směrovou a příčnou stabilitu
Jak? Opět se jedná o poměrně složitý systém vzájemných souvislostí a spolupůsobení jednotlivých parametrů Hmotnost Působící síly Směrové úchylky Faktor stability Vlastnosti pneumatik Směrové úchylky Faktor stability Poloha těžiště Směrové úchylky Faktor stability
Další důležitý poznatek Každá změna nákladu, (hmotnost, poloha) má za následek změnu parametrů ovlivňujících stabilitu, tedy jízdní vlastnosti vozidla Vozidlo neutrální nebo mírně nedotáčivé, se může změnit na mírně přetáčivé Se změnou zatáčivosti se změní směrová stabilita Změní se (sníží) kritická rychlost Změní se poměr pro příčnou stabilitu, vozidlo se dříve dostane do smyku, v krajním případě se bude vozidlo dříve převracet
4. Stabilita proti překlopení Oblast spojená zejména s nákladními vozidly Většina osobních vozidel je řešena tak, že za normálních okolností k překlopení dojde jen výjimečně Mimo případů překlopení s klopýtnutím
Proč je nutné zabývat se stabilitou proti překlopení u NA Překlopení vozidla je vždy závažná událost. Závažnost se zvyšuje u vozidel přepravujících nebezpečné náklady Zvyšuje se podíl přepravovaných nebezpečných nákladů po silnicích Od roku 2000 vstoupil v platnost předpis EHK/OSN č. 111 pro homologaci cisternových vozidel Závažnost této problematiky ukazují některé statistické údaje
procento nehod s překlopením Překlopení v nehodách NA podle závažnosti nehody 14 12 10 8 6 4 2 0 všechny odtah zranění smrtelná
procento nehod s překlopením překlopení v nehodách jízdních souprav podle závažnosti zranění řidiče 70 60 50 40 30 20 10 0 všechny bez zranění bolestivé bez PN s PN smrtelná
Základní odlišnosti mezi OA a NA z hlediska možnosti překlopení Větší hmotnost NA Větší působící síly Větší zatížení pneumatik = výrazné zvýšení adheze při náklonu Těžiště ve větší výšce Možnost změny výšky těžiště Možnost změny polohy těžiště Větší moment setrvačnosti Obtížnější (nemožné) zabránění ztráty stability v kritické situaci
5. Působení nákladu na vozidlo Základním měřítkem klopné stability je práh statického převrácení Vyjadřuje se velikostí příčného zrychlení v jednotkách gravitace (g) Jinak vyjádřeno představuje hodnotu tgβ úhlu příčného náklonu, při kterém dojde k překlopení
procento nehod s překlopením Vliv stability vozidla na překlopení 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 práh statického překlopení [tíhové zrychlení]
Zjednodušený model Dosažení SPP h T G
Skutečné vozidlo F o y
Vliv nákladu Hmotnost větší setrvačné síly větší náklon odpružených hmot větší moment setrvačnosti Výška těžiště větší posun do strany větší rozdíl zatížení kol větší moment setrvačnosti Zhoršení klopné stability
Vliv nákladu u OA Změna zatížení není výrazná Náklad nemění polohu Vlivy jsou konstantní Řidič si na chování vozidla zvykne Hrozí podcenění změny okamžitých jízdních vlastností zejména změna zatáčivosti
natočení volantu [ ] Příklad změny zatáčivosti vlivem změny polohy těžiště. vliv polohy těžiště při R = 50m, V=60km/hod 175 150 125 100 75 50 25 0-25 -50-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 poloha těžiště [+ k PN; - k ZN ]
Vliv nákladu u NA Výrazně větší hmotnost Možnost výrazné změny polohy těžiště Náklad může měnit svoji polohu Kapalný náklad v cisternách
6.Problematika cisternových vozidel Působí svojí hmotností jako jiný náklad Proměnlivé množství mění hmotnost a výšku těžiště Je pohyblivý = má dynamické účinky
Pohyb kapaliny při průjezdu zatáčkou
Výsledné chování vozidla je ovlivněno druhem manévru Průjezd zatáčkou Přesun hmotnosti kapaliny Výrazná změna polohy těžiště Snížení klopné stability Vyhýbací manévr Dynamické účinky kapaliny Rozkývání hmoty Vliv kinetické energie kapaliny
Vliv naplnění cisterny na klopnou stabilitu při jízdním manévru
Proces překlápění vozidla Výška o kterou je nutné zvednout těžiště
Ke zvednutí těžiště je nutné vykonat práci Tuto práci musí vykonat nějaká síla A F. s V tomto případě práci vykoná kinetická energie kapaliny E 1 mv 2 2 nebo E Celý proces je závislý na čase 2 h 2. m kde h m. v (hybnost) -Aby byl dokončen, musí působit malé síly delší čas, nebo velké síly krátký čas
Co z toho vyplývá Pohybující se kapalina mění polohu těžiště Chová se jako matematické kyvadlo Při vykývnutí má dostatečnou kinetickou energii, která může dokončit proces překlápění
Pohyb kapaliny má svoji vlastní frekvenci Pokud se s touto frekvencí sejde i frekvence pohybu vozidla, hybnosti vozidla i kapaliny se sečtou Řidič nemá žádnou možnost zabránit vzniku krizové situace
Ověřování pomocí simulací Složitý děj Nelze řešit početně Jediná možnost simulací pomocí matematických modelů
Porovnání vlivu typu nákladu pevný náklad kapalný náklad
Nutnost experimentálního ověření
Matematický simulační model
Simulace - experiment
Simulace - experiment
Některé poznatky k této problematice Vlivem pohybu kapaliny může dojít k překlopení i při takovém jízdním stavu, při kterém by teoreticky nemělo dojít ani ke zvednutí jednoho kola Nejnebezpečnější manévr je průjezd kruhovým objezdem
Příklad DN, kdy teoreticky nemohlo dojít k překlopení Rychlost 45 km/hod SPP = 23 = 0,32g Na vozidlo působilo zrychlení 0,17g Přesto se překlopilo Naplněnost cisterny 30%
DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST