VŠB-Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Studentská vědecká odborná činnost školní rok 2005-2006 VYMEZENÍ A POROVNÁNÍ PARAMETRŮ NÁVRHOVÉHO POMALÉHO VOZIDLA DLE NORMY ČSN 736101 Předkládá student : Josef Pavelka Odborný garant : Doc. Ing. Marián Krajčovič, Csc. Katedra : 227
VYMEZENÍ A POROVNÁNÍ PARAMETRŮ NÁVRHOVÉHO POMALÉHO VOZIDLA DLE ČSN 736101 - DESIGN SLOW VEHICLE PARAMETER SPECIFICATION AND COMPARISON ACCORDING TO ČSN 736101 Řešitel: Vedoucí práce: Josef Pavelka VŠB TU Ostrava, Fakulta stavební Doc. Ing. Marián Krajčovič, Csc. VŠB TU Ostrava, Fakulta stavební Anotace Práce obsahuje návrh parametrů pomalého návrhového vozidla, které vyhovují současné situaci silniční sítě v ČR. Dále parametry vozidla, které budou v platnosti do 5-ti let. Řešení se provede numerickým výpočtem z odvozené pohybové rovnice. Dále porovnává výsledky tohoto výpočtu a jejich grafické vyjádření s ustanoveními normy ČSN 736101 příloha K. Annotation This work involves a project of design slow vehicle parameter which satisfies the current situation of public road system in the Czech Republic. Further, there are vehicle parameters which will be valid till 5 years. The solution will be done by means of digital computation from derived motion equation. Furthermore, it compares the computation results and their graphic formulation including the regulation ČSN 736101 supplement K. - 2 -
I ÚVOD DO PROBLEMATIKY Zjišťování rychlosti návrhového pomalého vozidla dle normy ČSN 736101 Norma ČSN 73 6101 Projektování silnic a dálnic uvádí postup ke zjištění těch úseků směrově oddělených pozemních komunikací, které z důvodu svého podélného sklonu vyžadují zvětšení počtu jízdních pruhů (případně zřízení pruhu pro pomalá vozidla), aby intenzita provozu na těchto úsecích nepřekročila únosnou mez. Postup uvedený v normě sestává ze tří kroků [2]: 1) určení rychlosti tzv. návrhového pomalého vozidla ve všech bodech trasy o známém podélném profilu dle přílohy K normy 2) přiřazení tzv. stupně ohodnocující stoupání resp. Rychlosti ohodnocující stoupání dle přílohy A normy 3) určení návrhové intenzity dopravního proudu na sledovaném úseku a její porovnání s hodnotou přípustné intenzity Zřízení přídavného pruhu se pak provede v té části úseku, kde návrhová intenzita překročí hodnotu přípustné intenzity. Prvním krokem tohoto postupu je určení rychlosti tzv. návrhového pomalého vozidla. Příloha K normy z roku 2004 nabízí jeden možný postup: odečtení této rychlosti z grafů K.1 K.2 (viz Příloha 1.). Normové grafy (viz Příloha 1.) jsou převzaté z normy německé. Vymezení návrhového pomalého vozidla Dle vyhlášky č. 102/1995 Sb., Ministerstva dopravy ze dne 31. května 1995 o schvalování technické způsobilosti a technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích, 2 (Kategorie vozidel) se vozidla dělí pro účely stanovení technických podmínek do těchto kategorií [1]: a) kategorie L motorová vozidla, která mají 2 nebo 3 kola b) kategorie M motorová vozidla určená pro přepravu osob, která mají nejméně 4 kola c) kategorie N motorová vozidla určená pro přepravu věcí, která mají nejméně 4 kola d) kategorie T traktory e) kategorie O přípojná vozidla f) kategorie R ostatní vozidla Z uvedených kategorií vozidel mají na návrh pozemních komunikací výrazně největší vliv kategorie M, N a O [1]: Z Kategorie M nejvíce ovlivňuje návrh: M3 - více jak 9 cestujících, celková hmotnost převyšuje 5 t - 3 -
Z Kategorie N nejvíce ovlivňuje návrh: N3 - celková hmotnost nad 12 t Z Kategorie O nejvíce ovlivňuje návrh: O4 - přívěsy s celkovou hmotností nad 10 t Dle metodiky Ředitelství silnic a dálnic ČR (ŘSD ČR) jsou z hlediska sčítání dopravy na dálniční a silniční síti vozidla rozdělena do 13-ti skupin, z nichž nejvíce ovlivňují návrh [1]: N3 těžká nákladní (užitečná hmotnost přes 10 t) PN3 přívěsy těžkých nákladních automobilů NS návěsové soupravy II TEORETICKÉ VYMEZENÍ PARAMETRŮ VOZIDLA Grafy uvedené v normě (viz Příloha 1.) mají být odvozeny z pohybové rovnice hmotného bodu s parametry jako má tzv. návrhové pomalé vozidlo. Parametry, kterými je toto vozidlo definováno normou ČSN 73 6101 z roku 2004 uvádí Tabulka 1.: Tabulka 1. Parametry návrhového pomalého vozidla Hmotnost 44 000 kg Výkon motoru 370 kw Hnací moment motoru ( pro jízdu ve stoupání) 1600 Nm Poloměr kola 0,526 m Čelní plocha 8,5 m 2 Součinitel odporu vzduchu 0,7 Součinitel odporu valení 0,006 Účinnost převodového ústrojí 0,8878 Převodový poměr (plynule proměnlivý) 2,07 až 49,68 Pozoruhodné na návrhovém pomalém vozidle je, že přinejmenším výkon motoru P 370 kw se pohybuje na hranici špičkového vozidla třídy N3, hodnota hnacího momentu M 1600 Nm nepřipadá danému výkonu P - je velmi nízká, hodnota součinitele odporu valení ξ 0.006 je příliš nízká - odpovídá přehuštěné pneumatice [2]. Tato zřejmá nesrovnalost mě přivedla k záměru navrhnout parametry návrhového pomalého vozidla z teoretických znalostí a ze současné situace provozu nákladních vozidel na našich silnicích. Po statickém vyhodnocení a dosazení parametrů zvoleného návrhového pomalého vozidla do pohybové rovnice (viz Příloha 2.), jsem porovnal výsledky s výsledky získanými pomocí návrhového pomalého vozidla aplikací postupu uvedeného v normě z roku 2004. - 4 -
Vytvoření fyzikálního modelu Volba fyzikálního modelu, který popisuje pohybový stav vozidla jedoucího po komunikaci s daným podélným sklonem vychází z parametrů, které uvádí norma jako vstupní hodnoty pro výpočet v poznámce přílohy K (viz Tabulka 1.) [2]. Působící síly Nahraďme návrhové pomalé vozidlo hmotným bodem o hmotnosti m. Tento hmotný bod pak umístíme na nakloněnou rovinu, která svírá s vodorovnou rovinou úhel α, a po které se tento hmotný bod pohybuje nerovnoměrným pohybem s počáteční rychlostí v 0 [2]. Síly které na hmotný bod působí, můžeme rozdělit do dvou skupin: Síly aktivní, které působí ve směru pohybu hmotného bodu. Pokud uvažujeme pohyb do kopce, je aktivní silou pouze hnací síla motoru F H. Síly pasivní, působí proti směru pohybu. Ve stoupání to jsou: složka tíhové síly F 1, působící ve směru rovnoběžném s nakloněnou rovinou, síla odporu prostředí ( vzduchu) F vz, a síla valivého odporu třením F t. Obrázek 1. Působení sil při pohybu do kopce Pohybová rovnice a návrh její úpravy Odvozená pohybová rovnice (viz CD Řešení pohybové rovnice): k P ξ α = + + η 1 m g cos v ρ 2 n 1 vn C S vn m g sinα (1) m vn 2 r Po konzultaci s kolegy fakulty strojní došlo k úpravě pohybové rovnice. Výkon motoru P nahradíme vzorcem pro vyjádření výkonu motoru v závislosti na hnacím momentu motoru M a otáčkách motoru n [2]. - 5 -
M n P = (2) 9549,3 kde: n. otáčky motoru [min -1 ] Obrázek 2. Průběh výkonu motoru a hnacího momentu motoru TATRA T3A-930 Pak tedy můžeme rovnici (1) upravit do tvaru: k M n 1 2 ξ m g cosα v = + n + 1 vn η C ρ S vn m g sinα (3) m vn 9549,3 2 r Výpočet rychlostí s parametry návrhového vozidla uváděné v normě ČSN 736101 Výpočet rychlosti vozidla jedoucího po úseku s konstantním podélným sklonem 4,4% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h. Grafickým vyjádřením rovnice (1) a rovnice (3) je následující Graf 1. Parametry (viz Tabulka 1.) jsou vstupními hodnotami. Výpočet rychlosti s podélnými sklony 0,5 10% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h a v 0 = 80 km/h. Po dosazení do rovnice (1) a rovnice (3) jsou výsledkem grafy (viz CD Výsledné grafy), které zobrazují závislost rychlosti v na uražené vzdálenosti L pro vozidlo s parametry (viz Tabulka 1.). - 6 -
Závislost rychlosti vozidla na ujeté vzdálenosti při podélném sklonu 4,4% Rychlost vozidla v km/h 80 70 60 50 40 30 20 vzorec (1) pro výkon 370 kw vzorec (3) pro výkon 370 kw měření rychlosti na D1 norma ČSN 736101=4,5% 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Délka podélného sklonu v m Graf 1. Porovnání rychlostí vozidla s výkonem P 370 kw s podélným sklonem 4,4% Úprava parametrů návrhového pomalého vozidla Změnu navrhuji v úpravě nepřesnosti znění parametrů pro návrhové vozidlo, a to pro tyto parametry: součinitel valivého odporu ξ není 0,006. Tato hodnota odpovídá ramenu valivého odporu (viz Obrázek 3.). Součinitel odporu proti valení se bude zvětšovat s rostoucí deformací pneumatiky, s poklesem jejího nahuštění, s růstem nerovností a s poklesem tvrdosti povrchu vozovky. Při rychlostech v do 50 km/h roste velmi pomalu a můžeme jej považovat téměř za stálý. Součinitel valivého odporu ξ se pohybuje v rozmezí 0,012-0,015. Proto dále doporučuji nahradit hodnotu 0,006 hodnotou 0,012 (viz Tabulka 2.). Součinitel valivého odporu můžeme vyjádřit rovnicí (4): r ξ = i r (4) Obrázek 3. Odvození součinitele valivého odporu - 7 -
Tabulka 2. Součinitelé odporu valivého tření na různých krytech vozovky Druh krytu vozovky Součinitel odporu valivého tření μ [-] Asfaltový kryt 0,010-0,020 Kryty z penetračních makadamů 0,015-0,025 Cementobetonový kryt 0,010-0,020 výkon motoru P 370 kw upravuji na reálnou průměrnou hodnotu odpovídající pomalým vozidlům v ČR a to na hodnotu výkonu P 270 kw při otáčkách motoru n1800 ot/min. Tato hodnota odpovídá reálnému vozidlu TATRA T 815 280N25 hnací moment motoru M 1600 Nm zdaleka neodpovídá hodnotě, kterou výkon motoru P 370 kw může mít. Hodnotu hnacího momentu M upravuji na 1800 Nm při otáčkách motoru n 1000 ot/min. Hodnota odpovídá hodnotě výkonu P 270 kw reálného vozidla. Převodový poměr η plynule proměnlivý se u vozidel třídy N 2 a N 3 nevyskytuje. Z tohoto důvodu navrhuji změnu převodového poměru η na stupňovitě proměnlivý. Hodnota zůstává stejná. Změny parametrů, kterými bude vozidlo definováno uvádí Tabulka 3.: Tabulka 3. Změny parametrů návrhového pomalého vozidla Hmotnost 44 000 kg Výkon motoru 270 kw/1800 min Hnací moment motoru 1800 Nm/1000 min Poloměr kola 0,526 m Čelní plocha 8,5 m 2 Součinitel odporu vzduchu 0,7 Součinitel odporu valení 0,012 Účinnost převodového ústrojí 0,8878 Převodový poměr (stupňovitě proměnlivý) 2,07 až 49,68 Výpočet rychlostí s upravenými parametry návrhového vozidla Výpočet rychlosti vozidla jedoucího po úseku s konstantním podélným sklonem 4,4% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h. Grafickým vyjádřením rovnice (1) a rovnice (3) je následující Graf 2. Parametry (viz Tabulka 3.) jsou vstupními hodnotami. Výpočet rychlosti s podélnými sklony 0,5 10% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h a v 0 = 80 km/h. Po dosazení do rovnice (1) a rovnice (3) jsou výsledkem grafy (viz CD Výsledné grafy), které zobrazují závislost rychlosti v na uražené vzdálenosti L pro vozidlo s parametry (viz Tabulka 3.). - 8 -
Závislost rychlosti vozidla na ujeté vzdálenosti při podélném sklonu 4,4% Rychlost vozidla v km/h 80 70 60 50 40 30 20 vzorec (1) pro výkon 270 kw vzorec (3) pro výkon 270 kw měření rychlosti na D1 norma ČSN 736101=4,5% 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Délka podélného sklonu v m Graf 2. Porovnání rychlostí vozidla s výkonem P 270 kw s podélným sklonem 4,4% III PRAKTICKÉ VYMEZENÍ PARAMETRŮ VOZIDLA Podklady pro tuto část jsou získané ze současné situace provozu nákladních vozidel na našich silnicích. Byly provedeny průzkumy skladby dopravního proudu s určením typů jednotlivých nákladních vozidel se zařazením typu karoserie a provedlo se měření změn rychlostí nákladních vozidel na vytypovaném úseku o rozdílných podélných sklonech pomocí plovoucího vozidla. 2004. Výsledné hodnoty se opět porovnají se stávající normou ČSN 73 6101 z roku A. Celková hmotnost návrhového pomalého vozidla Údaje dovolují pohlédnout na zatížení pozemní komunikace silniční dopravou jako na soubor vozidel či jízdních souprav. Pro každý hraniční přechod, dále jen HCP, byl zpracován graf celkové hmotnosti. Pro větší přehlednost jsou tyto údaje zpracovány formou grafů (viz CD Celková hmotnost). Nejvýznamnější skupinou jsou těžká nákladní vozidla, resp. jízdní soupravy s hmotností v intervalu 34-40 tun. Typickým představitelem této kategorie je naložená souprava tahače s návěsem v konfiguraci náprav 2+3 (viz Obrázek 4.) nebo 2+2. - 9 -
Obrázek 4. Nákladní automobil s nápravami 2+3 B. Průzkum skladby dopravního proudu V období srpen až listopad roku 2005 proběhly průzkumy na komunikacích I. a II. tříd. Zjišťovala se skladba dopravního proudu formou sčítání vozidel (viz Příloha 2., CD Průzkumy skladby dopravního proudu). Pro dosažení výsledného výkonu P a hnacího momentu M z těchto průzkumů, které jsou potřebné pro porovnání s normou, bylo potřeba zjistit typy nákladních automobilů s příslušnými parametry. Nákladní vozidla se všemi parametry lze získat z databáze Ministerstva dopravy (viz CD - Databáze vozidel). Databáze Ministerstva dopravy obsahuje všechny parametry nákladních vozidel mimo hnacího momentu M. Tento problém se podařilo vyřešit pomocí výrobců nákladních vozidel, kteří poskytly informace o používaných motorech v ČR (viz Obrázek 5., CD - Nákladní vozidla). Obrázek 5. Parametry nákladního automobilu TATRA T3B-928.70-10 -
Statistický program Statgraphics (viz Příloha 3.) vyhodnotil 15%-ní hodnoty výkonů motorů P jednotlivých typů nákladních vozidel. Pro lepší přehlednost nám pomáhají Histogramy (viz Obrázek 6., CD - Parametry+Histogramy). Ke každému výslednému výkonu motoru P s otáčkami motoru n, přiřadil příslušnou hodnotu parametru hnacího momentu M (viz CD - Nákladní vozidla). 10 8 HISTOGRAM POČET = 21 STŘEDNÍ HODNOTA = 255,0 PRŮMĚR = 252,677 Minimum = 225,0 Maximum = 400,0 ROZPĚTÍ = 175,0 DOLNÍ HODNOTA = 230,0 HORNÍ HODNOTA = 255,0 POCET 6 4 2 0 210 250 290 330 370 410 VÝKON [ Kw ] Obrázek 6. Vyhodnocení programu Statgraphics vozidel TATRA - karoserie tahač návěs Vyhodnocení skladby dopravního proudu Pro každý průzkum se po dosazení získaných parametrů nákladních vozidel vypočítaly výsledné hodnoty výkonů P a hnacích momentů M pro každý směr dopravy. Hodnoty se získaly váženým průměrem. Celkový výsledek (viz Tabulka 4.) se vypočítal průměrem všech hodnot získaných z průzkumů. Tabulka 4. Výsledné hodnoty parametrů dle průzkumů intenzity nákladních vozidel VÝSLEDEK VÝKON [kw] OTÁČKY [ot/min] MOMENT [Nm] OTÁČKY [ot/min] 216 1846 1272 1439-11 -
Úprava parametrů návrhového pomalého vozidla Změnu navrhuji v úpravě nepřesnosti znění parametrů pro návrhové vozidlo, a to pro tyto parametry: výkon motoru P 370 kw upravuji na hodnotu odpovídající pomalým vozidlům v ČR dle průzkumů skladby dopravního proudu a následného statického vyhodnocení, a to na hodnotu výkonu motoru P 216 kw při otáčkách motoru n 1850 ot/min. hnací moment motoru M 1600 Nm upravuji na hodnotu 1270 Nm při otáčkách motoru n 1400 ot/min. Hodnota odpovídá hodnotě výkonu P 216 kw. celková hmotnost m 44 tun se u vozidel na našich silnicích nevyskytuje v takovém intenzitě, aby s touto hodnotou bylo uvažováno. Pokud by tak bylo dosaženo, docházelo by k extrémním poruchám vozovek a zpomalení silničního provozu na hranici únosnosti. Z tohoto důvodu upravuji celkovou hmotnost m na hodnotu 38 tun dle výsledků vážení. ostatní změny parametrů zůstávají stejné jak uvádí Tabulka 3. Změny parametrů, kterými bude nadále vozidlo definováno uvádí Tabulka 5.: Tabulka 5. Změny parametrů návrhového pomalého vozidla Hmotnost 38 000 kg Výkon motoru 216 kw/1850 min Hnací moment motoru 1270 Nm/1400 min Poloměr kola 0,526 m Čelní plocha 8,5 m 2 Součinitel odporu vzduchu 0,7 Součinitel odporu valení 0,012 Účinnost převodového ústrojí 0,8878 Převodový poměr (stupňovitě proměnlivý) 2,07 až 49,68 Výpočet rychlostí s upravenými parametry návrhového vozidla Výpočet rychlosti vozidla jedoucího po úseku s konstantním podélným sklonem 4,4% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h. Grafickým vyjádřením rovnice (1) a rovnice (3) je následující Graf 3. Parametry (viz Tabulka 5.) jsou vstupními hodnotami. Výpočet rychlosti s podélnými sklony 0,5 10% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h a v 0 = 80 km/h. Po dosazení do rovnice (1) a rovnice (3) jsou výsledkem grafy (viz CD Výsledné grafy), které zobrazují závislost rychlosti v na uražené vzdálenosti L pro vozidlo s parametry (viz Tabulka 5.). - 12 -
Závislost rychlosti vozidla na ujeté vzdálenosti při podélném sklonu 4,4% Rychlost vozidla v km/h 80 70 60 50 40 30 20 vzorec (1) pro výkon 216 kw vzorec (3) pro výkon 216 kw měření rychlosti na D1 norma ČSN 736101=4,5% 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Délka podélného sklonu v m Graf 3. Porovnání rychlostí vozidla s výkonem P 216 kw s podélným sklonem 4,4% C. Vývoj vozidel Emisní úroveň Kategorie konvenční se týká vozidel splňujících emisní limity platné ještě před emisními úrovněmi EURO. U těchto vozidel nebyla realizována žádná technická opatření na pohonné jednotce či výfukovém systému za účelem snížení emisí škodlivin. Časový harmonogram vstupu emisních limitů EURO v platnost v EU uvádí následující Tabulka 6.: Předpis EURO Osobní automobily Tabulka 6. Emisní limity Platnost od r. LDV HDV + BUS EURO 1 1993 1994 1992 EURO 2 1996 1998 1996 EURO 3 2000 2002 2000 EURO 4 2005 2006 2005-13 -
Po zařazení vozidel do emisních kategorií dle databáze Ministerstva dopravy (viz CD Databáze vozidel) se pomocí programu Statgraphics vyhodnotil růst výkonů motorů dle předpisů EURO (viz Graf 4., CD Růst výkonů). VÝVOJ VÝKONŮ- PRŮMĚRNÁ HODNOTA 250 200 VÝKON 150 100 50 VÝKON 0-1991 1992-1995 1996-1999 2000-2004 2005 -. OBDOBÍ Graf 4. Vývojový růst výkonu Úprava parametrů návrhového pomalého vozidla Změnu navrhuji v úpravě nepřesnosti znění parametrů pro návrhové vozidlo, a to pro tyto parametry: výkon motoru P 370 kw upravuji na hodnotu odpovídající růstu hodnot do přibližně 5-ti let v ČR (viz Graf 4.) dle nynějšího vývoje nákladních vozidel na hodnotu výkonu motoru P 250 kw při otáčkách motoru n 1800 ot/min. hnací moment motoru M 1600 Nm upravuji na hodnotu hnacího momentu M 1460 Nm při otáčkách motoru n 1250 ot/min. Hodnota odpovídá hodnotě výkonu P 250 kw (viz Příloha 4.). ostatní změny parametrů zůstávají stejné jak uvádí Tabulka 5. Změny parametrů, kterými bude nadále vozidlo definováno uvádí Tabulka 7.: Tabulka 7. Změny parametrů návrhového pomalého vozidla Hmotnost 38 000 kg Výkon motoru 250 kw/1800 min Hnací moment motoru 1460 Nm/1250 min Poloměr kola 0,526 m Čelní plocha 8,5 m 2 Součinitel odporu vzduchu 0,7 Součinitel odporu valení 0,012 Účinnost převodového ústrojí 0,8878 Převodový poměr (stupňovitě proměnlivý) 2,07 až 49,68-14 -
Výpočet rychlostí s upravenými parametry návrhového vozidla Výpočet rychlosti vozidla jedoucího po úseku s konstantním podélným sklonem 4,4% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h. Grafickým vyjádřením rovnice (1) a rovnice (3) je následující Graf 5. Parametry (viz Tabulka 7.) jsou vstupními hodnotami. Výpočet rychlosti s podélnými sklony 0,5 10% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h a v 0 = 80 km/h. Po dosazení do rovnice (1) a rovnice (3) jsou výsledkem grafy (viz CD Výsledné grafy), které zobrazují závislost rychlosti v na uražené vzdálenosti L pro vozidlo s parametry (viz Tabulka 7.). Závislost rychlosti vozidla na ujeté vzdálenosti při podélném sklonu 4,4% Rychlost vozidla v km/h 80 70 60 50 40 30 20 vzorec (1) pro výkon 250 kw vzorec (3) pro výkon 250 kw měření rychlosti na D1 norma ČSN 736101=4,5% 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Délka podélného sklonu v m Graf 5. Porovnání rychlostí vozidla s výkonem P 250 kw s podélným sklonem 4,4% D. Měření rychlostí na přídatných pruzích ve stoupání V rámci zjišťování, resp. prověřování parametrů stávajícího návrhového vozidla byla měřena rychlost tzv. pomalých návrhových vozidel v úsecích dlouhých stoupání a klesání. Účelem těchto měření bylo zjistit skutečné rychlosti vozidel, resp. jejich zrychlování či zpomalování. [1] - 15 -
Popis měření Měření rychlostí ve stoupáních a klesáních bylo provedeno metodou plovoucího vozidla. Po výběru vhodných úseků dálnice a zjištění jejich podélných sklonů sledovalo následně měřící vozidlo v minimální, avšak konstantní vzdálenosti vytypovaný nákladní automobil a zaznamenávalo jeho rychlost a ujetou vzdálenost. Vhodné úseky pro měření byly na výškově členitém úseku dálnice D1 v rozmezí 35. - 55. km. [1] Měření rychlostí probíhalo oběma směry a každý směr obsahoval dvě stoupání a dvě klesání. Rychlost byla změřena celkem 60-ti nákladním automobilům (viz CD Seznam měřených vozidel) a z naměřených hodnot byly vypočteny 50%-ní a 15%-ní rychlosti [1]. Výsledek měření Výsledky měření rychlostí jsou znázorněny v následujícím grafu (viz Graf 6.): Stoupání 4,4 % Graf 6. Porovnání vztahu mezi podélným sklonem nivelety a rychlostí měřeného návrhového pomalého vozidla ve stoupání 4,4% při počáteční rychlosti 70 km/h s hodnotami uvedenými v ČSN 736101, v příloze K. - 16 -
Porovnání výsledků měření Porovnáváme-li grafy (viz Graf 6.) vyjadřující naměřené rychlosti návrhových pomalých vozidel ve stoupání nivelety s grafy normovými (viz Příloha 1.) docházíme téměř ke stejným hodnotám. IV. Vymezení optimálních parametrů Pracovníci Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně vytvořili v rámci spolupráce při řešení tohoto projektu na základě rovnice pro pohon simulaci průběhu rychlosti ve stoupání či klesání jakéhokoliv známého vozidla (viz CD - Nákladní vozidla). Po dosazení parametrů vozidel získaných od jejich výrobců (viz CD Nákladní vozidla) do rovnice (1) a rovnice (3) a simulačního programu byly zjištěny křivky závislosti rychlosti ve stoupání a tyto byly porovnány jak s normovými grafy (viz Příloha 1.), s grafy změřených rychlostí skutečných vozidel (viz Graf 6.), tak s grafy PIARCu (mezinárodní organizace silničních kongresů), HBS (německé silniční standardy), HCM (americko-kanadské silniční standardy). Z porovnání těchto grafů byly zpětně odvozeny parametry pomalého návrhového vozidla. Úprava parametrů pomalého návrhového vozidla Z analýzy skladby dopravního proudu, ze statistického vyhodnocení výkonů motorů P, resp. z hnacích momentů motorů M a z porovnání grafů rychlostí odvozených simulačním programem, z naměřených rychlostí (viz Graf 6.), z PIARCu, HBS, HCM, a dle rovnic (1) a (3) s normovými grafy (viz Příloha 1.) je výsledkem, že pomalé návrhové vozidlo by mělo mít v případě koncipování přídatných pruhů pro pomalá vozidla přibližně následující parametry (viz Tabulka 8.): Tabulka 8. Optimální parametry návrhového pomalého vozidla Hmotnost 38 000 kg Výkon motoru 300 kw/1800 min Hnací moment motoru 2000 Nm/1000 min Poloměr kola 0,526 m Čelní plocha 8,5 m 2 Součinitel odporu vzduchu 0,7 Součinitel odporu valení 0,012 Účinnost převodového ústrojí 0,8878 Převodový poměr (stupňovitě proměnlivý) 2,07 až 49,68-17 -
Výpočet rychlostí s upravenými parametry návrhového vozidla Výpočet rychlosti vozidla jedoucího po úseku s konstantním podélným sklonem 4,4% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h. Grafickým vyjádřením rovnice (1) a rovnice (3) je následující Graf 7. Parametry (viz Tabulka 8.) jsou vstupními hodnotami. Výpočet rychlosti s podélnými sklony 0,5 10% pro počáteční rychlost v 0 = 70 km/h a v 0 = 80 km/h. Grafickým vyjádřením simulačního programu, PIARCu, HBS, HCM, rovnice (1) a rovnice (3) jsou grafy (viz CD Stanovení optimálních parametrů ). Všechny grafy zobrazují závislost rychlosti v na uražené vzdálenosti L pro vozidlo s parametry (viz Tabulka 8.). Závislost rychlosti vozidla na ujeté vzdálenosti při podélném sklonu 4,4% Rychlost vozidla v km/h 80 70 60 50 40 30 20 vzorec (1) pro výkon 300 kw vzorec (3) pro výkon 300 kw měření rychlosti na D1 norma ČSN 736101=4,5% simulace rychlosti dle programu VUT pro výkon 300 kw 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Délka podélného sklonu v m Graf 7. Porovnání rychlostí vozidla s výkonem P 300 kw s podélným sklonem 4,4% Porovnání výsledků Rychlosti vyhodnocené ze simulace pohybu a rovnice (1) pomalého návrhového vozidla jsou velmi blízké rychlostem změřeným i normovým (viz Příloha 1.). Dle rovnice (3) jsme získali odlišné hodnoty poklesu rychlosti v mezi příslušnými hodnotami v jednotlivých grafech a grafy uváděnými v normě (viz Příloha 1.). Výsledky této kapitoly jsou pouze informativní. Uvažované parametry pomalého návrhového vozidla jsou vymezené tak, aby se výsledné grafy co nejvíce shodovaly s grafy normovými (viz Příloha 1.). - 18 -
V. ZÁVĚR Poněkud nižší hodnoty rychlostí pomalého návrhového vozidla jsou zřejmě způsobeny či ovlivněny mírně se lišícím vozovým parkem na dálnicích v ČR oproti německým a hlavně častým přetěžováním nebo nebezpečně naložených nákladních vozidel v silniční síti v ČR (viz Graf 8., Graf 9.). Počet vozidel vstupujících do ČR na HP Rozvadov 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 17 511 Počet vozidel vstupujících do ČR v měsíci dubnu v jednotlivých letech Část vozidel, která v roce 2005 v době špiček přejíždí mimo váhu Vozidla v rozporu s platnou vyhláškou MD č. 341/2002Sb. 21 602 24 312 23 616 26 711 28 911 799 909 907 682 963 825 04/1999 04/2000 04/2001 04/2002 04/2003 04/2004 04/2005 v období 70 295 58 579 4 699 Graf 8. Počet nákladních vozidel na hraničním přechodu Rozvadov [4] Počet vozidel vstupujících do ČR na HP Rozvadov 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Nebezpečně naložená vozidla (riziko havárie) Přetížená vozidla (ničení silnic) 499 580 578 618 433 465 300 329 329 217 345 392 1 816 2 883 04/1999 04/2000 04/2001 04/2002 04/2003 04/2004 04/2005 v období Graf 9. Růst počtu nebezpečných nákladních vozidel [4] - 19 -
Výsledné grafy zjištěné z měření rychlostí pomalých vozidel se nejvíce shodují s grafy normovými (viz Příloha 1.). Tato shoda je logická. Jízda vozidla v tomto případě ani tak nezáleží na parametrech, kterými vozidlo disponuje, ale záleží na: řidiči, který vozidlo ovládá hmotnosti nákladu, kterým je vozidlo naloženo Při porovnání výsledných křivek získaných z jednotlivých grafů, dojdeme k závěru, že nejvíce se hodnotám odpovídajícím normovým grafům (viz Příloha1.) přibližují grafy pro výkon P 370 kw (Graf 1., CD Výsledné grafy). Tyto grafy odpovídají hodnotám, které uvádí Tabulka 1. Hodnoty parametrů jsou uváděné v normě ČSN 736101 z roku 2004 dosazené do rovnice (1). I když se hodnoty nejvíce přibližují hodnotám získaných z normových grafů a tyto grafy odpovídají nynější situaci nákladních vozidel nelze s nimi uvažovat. Hodnota výkonu P 370 kw a hnacího momentu M 1600 Nm neodpovídají současnému trendu vývoje nákladních vozidel. Po dlouhodobějším zkoumání doporučuji: u rovnice (3), upravenou z rovnice (1), přezkoumat účinnost při výzkumu dynamických vlastností nákladních vozidel a upravit dle výsledků této práce tak, aby tato rovnice byla podkladem pro vykreslení grafů dle ČSN 736101 z roku 2004 (viz Příloha 1.) a následně zveřejněna ve výsledné podobě v normě ČSN 736101. normové grafy (viz Příloha 1.) ponechat, protože vyhovují dnešní situaci silniční sítě v ČR. Parametry návrhového vozidla uváděné v normě ČSN 736101 z roku 2004 nejsou reálné. Z tohoto důvodu je doporučuji odstranit z normy a nahradit dvěma tabulkami (viz Tabulka 5., Tabulka 7.) vyjadřující nynější stav a vývoj parametrů vozidel do 5-ti let. Tyto tabulky by byly pouze informativní do doby přezkoumání rovnice (3) a následně zveřejněna v normě ČSN 736101. I když nelze určit zcela přesné parametry návrhového pomalého vozidla, lze konstatovat, že dosažené parametry jsou reálné. K určení přesných parametrů by došlo pouze v případu zjištění a změření všech nákladních vozidel pohybujících se na našich silnicích, což nelze nikdy uskutečnit. - 20 -
Poděkování: Děkuji Doc. Ing. Mariánu Krajčovičovi, Csc. za zajímavé a podnětné zadání práce a za odborné vedení, Jiřímu Pavelkovi za pomoc při průzkumů vozidel a rady ohledně grafické úpravy. Seznam literatury [1] Andres, J. - Optimalizace návrhových prvků pozemních komunikací mimo zastavěné území, CDV, 2005 [2] Bojko, O., Elblová, L., Pavelka, J. - VÝPOČET RYCHLOSTI NÁVRHOVÉHO POMALÉHO VOZIDLA VE STOUPÁNÍ, FAST SVOČ, 2005 [3] Puchrík, J., Smítal, P., Souček, V., Prudilová, K., Svoboda, Z. - Rychlost pomalého vozidla ve stoupání, VUT Brno, 2005 [4] Vysloužil, V. - Analýza zatížení pozemních komunikací silničním provozem v letech 1998-2000, Tenzováhy, 2000 [5] ČSN 736101 Projektování silnic a dálnic [6] ČSN 736100 Názvosloví silničních komunikací - 21 -
PŘÍLOHY - 22 -
Příloha 1. - 23 -
pokračování Přílohy 1. - 24 -
Příloha 2. - 25 -
Statický program Statgraphics Příloha 3. Při zkoumání statistického souboru použijeme tyto statistické charakteristiky: Maximum Minimum Střední hodnota - udává prostřední hodnotu znaku Dolní kvantil Horní kvantil Aritmetický průměr Rozptyl - udává velikost vzájemných odchylek jednotlivých hodnot znaku KVANTIL - hodnota rozdělující soubor určitého statistického znaku na dvě části, jedna obsahuje hodnoty větší a druhá hodnoty menší než je kvantit. Použité kvantily : 50% kvantil-medián, 85% kvantil-horní,15% kvantil-dolní ARITMETICKÝ PRŮMĚR - je zcela převažujícím druhem průměru, má uplatnění při řešení téměř všech úloh statistiky ROZPTYL - je mírou variability, která měří současně variabilitu hodnot kolem aritmetického průměru a také variabilitu ve smyslu vzájemných odchylek jednotlivých hodnot znaku. Rozptyl je definován jako průměr čtverců odchylek jednotlivých hodnot znaku od jejich aritmetického průměru. MINIMUM - je minimální hodnotou znaku. MAXIMUM - je maximální hodnotou znaku. - 26 -
Příloha 4. Určení hnacího momentu M pro výkon P 250 kw HNACÍ MOMENT MOTORU M střední hodnota = 1585,0 průměr = 1552,04 Minimum = 1280,0 Maximum = 1800,0 dolní kvartil = 1462,5 horní kvartil = 1650,0 3 2,5 Histogram POCET 2 1,5 1 0,5 OTÁČKY MOTORU n střední hodnota = 1300,0 průměr = 1318,53 Minimum = 1100,0 Maximum = 1500,0 dolní kvartil = 1250,0 horní kvartil = 1450,0 0 1200 1400 1600 1800 2000 MOMENT - 27 -