Проблемы организации дорожного движения
на затяжных спусках
Условия эксплуатации, учитывающиеся при проектировании автомобилей, имеют конечные значения (1). Автомобили создаются для определенных условий эксплуатации, поэтому совершенство их конструкции должно рассматриваться применительно к этим условиям. Условия эксплуатации подразделяются на транспортные, природно-климатические и дорожные. Транспортные условия характеризуются особенностями перевозимого груза и организацией перевозок, и др. Природно-климатические условия характеризуются температурой воздуха и ее сезонными и суточными изменениями, влажностью и скоростью ветра. По этим факторам различают зоны умеренного, холодного (арктического) и жаркого климата. Дорожные условия определяются типом и состоянием дорожного покрытия и дорожных сооружений (узлов, мостов, путепроводов), рельефом местности и интенсивностью движения. От дорожных условий зависит максимальная нагрузка на мост автомобиля и основные эксплуатационные характеристики, методы, обеспечения которых изучаются в теории автомобиля: тяговодинамические, экономические и тормозные характеристики, устойчивость и управляемость, плавность хода и проходимость (2).
Для целей поиска решений проблемы организации дорожного движения на затяжных спусках необходимо учитывать предельные возможности тормозных механизмов грузовых тяжеловесных автомобилей.
Тормозной называется система управления автомобиля, обеспечивающая безопасность при движении и остановках. Она служит для уменьшения скорости движения, остановки и удержания автомобиля на месте (2).
Современные автомобили оборудуются несколькими тормозными системами, имеющими различное назначение, основная из которых - рабочая тормозная система предназначена для снижения скорости автомобиля вплоть до полной его остановки. Она является наиболее эффективной из всех тормозных систем, действует на все колеса автомобиля и используется для служебного и экстренного (аварийного) торможения автомобиля (2).
Вспомогательная тормозная система служит для ограничения скорости движения автомобиля на длинных и затяжных спусках. Она выполняется независимой от других тормозных систем и представляет собой тормоз-замедлитель, который обычно действует на вал трансмиссии. Вспомогательную тормозную систему часто используют для служебного торможения в целях уменьшения износа рабочей тормозной системы и повышения безопасности движения в горных условиях, где при частых торможениях тормозные механизмы колес сильно нагреваются и быстро выходят из строя. Так, если у грузового автомобиля число торможений на 100 км пути составляет около 125 на загородном шоссе, то в горных условиях оно возрастает до 1000 (2).
В процессе торможения автомобиля тормозные механизмы препятствуют вращению колес, вследствие чего между дорогой и колесами возникают тормозные силы, которые направлены и действуют против движения автомобиля. При этом запас кинетической энергии, которой обладает движущийся автомобиль, преобразуется в тепловую энергию при трении в тормозных механизмах колодок с барабанами и дисками и при скольжении заторможенных колес по дороге. Тепловая энергия рассеивается в окружающую среду. Тормозная сила автомобиля равна сумме тормозных сил всех его колес (2).
При торможении двигателем тормозные механизмы не применяются. Тормозом является только двигатель, который не отъединяется от ведущих колес автомобиля, но работает на режиме холостого хода (с уменьшенной подачей топлива) или на компрессорном режиме (без подачи топлива). Ведущие колеса автомобиля через трансмиссию принудительно вращают коленчатый вал. В результате в двигателе благодаря трению возникает сила сопротивления, которая и вызывает замедленное движение автомобиля. Торможение двигателем применяют в горных условиях, при движении на длинных спусках и в случаях, когда необходимо получить небольшое замедление Оно обеспечивает плавность торможения, сохранность тормозных механизмов и устойчивость автомобиля против заноса (2).
При торможении с отъединенным двигателем автомобиль тормозится только тормозными механизмами колес, без использования двигателя. В этом случае двигатель отъединяется от ведущих колес автомобиля путем выключения сцепления или установки рычага управления коробкой передач в нейтральное положение (2).
Торможение с отъединенным двигателем является основным способом торможения и чаще всего используется в эксплуатации, так как обеспечивает большое замедление, однако этот способ торможения уменьшает устойчивость автомобиля против заноса на дорогах с малым коэффициентом сцепления (2).
Торможение с неотъединенным двигателем — комбинированное торможение автомобиля — осуществляется совместно тормозными механизмами и двигателем. Перед приведением в действие тормозных механизмов уменьшают подачу топлива в цилиндры двигателя. Частота вращения коленчатого вала стремится к частоте холостого хода. Однако этому препятствуют ведущие колеса автомобиля, которые принудительно вращают коленчатый вал через трансмиссию. В результате возникает тормозящее действие двигателя. После этого приводятся в действие тормозные механизмы, и торможение автомобиля осуществляется совместно двигателем и тормозными механизмами. Такой способ увеличивает срок службы тормозных механизмов, которые при длительных торможениях с отъединенным двигателем сильно нагреваются и выходят из строя, повышает устойчивость автомобиля против заноса, особенно на дорогах с малым коэффициентом сцепления (2).
Торможение тормозом-замедлителем происходит вследствие его воздействия на вал трансмиссии. Тормозные механизмы колес не используются. Этот способ торможения целесообразен в горных условиях, где при частых торможениях наступают быстрый нагрев и выход из строя тормозных механизмов колес. При торможении тормозом-замедлителем повышается безопасность движения, уменьшается износ тормозных механизмов, шин и двигателя (2).
Количество тепла, выделяемого тормозами 38-тонного автомобиля, при первоначальной скорости - 90 км/ч до остановки составляет 17,8 МДж (3).
На затяжных спусках, уклоном более 60 ‰, тяжеловесному транспорту торможения двигателем недостаточно для удержания безопасной скорости. Комбинированное торможение приводит к перегреву тормозной системы и выходу ее из строя с катастрофическими последствиями.
На участках дорог с затяжными спусками устраиваются полосы аварийной остановки, ориентированные на подъем по косогору для погашения полученной кинетической энергии. На федера́льной автомоби́льной доро́ге М5 «Ура́л» в районе г. Жигулевска на затяжном спуске устроено 4 полосы аварийной остановки (4), (5).
Однако, если затяжной спуск проходит по косогору со скатом слева направо по движению, устройство полосы аварийной остановки не представляется возможным, а использование такой полосы – психологически не приемлемым.
Такой участок автомобильной дороги проложен на Алтынной горе по ул. Ново-Астраханской в г. Саратове, при въезде со стороны южного направления. Движение грузового транспорта на указанном участке запрещено. Ближайший въезд в г. Саратов для указанного грузового транспорта предусмотрен только со стороны северо-запада с развитием трассы до 30,7 км. По ул. Ново-Астраханской расстояние до центра г. Саратова составляет 14,2 км.
Устройство полосы аварийной остановки с левой стороны по движению возможно при особом режиме движения и полной изоляции потоков с изменением их направлений не противоположные, без возможности пересечения потоков в одном уровне.
Такая схема может быть внедрена на следующих принципах:
1. применение осевых барьерных ограждений типа «Нью-Джерси» или аналогичных;
2. на протяжении всего участка возможность съезда или въезда только налево;
3. устройство кольцевого движения на концах зоны особого режима движения;
4. достаточное информационное обеспечение.
Организация дорожного движения.
Основная схема организации дорожного движения в зоне особого режима движения может быть организована стандартными средствами: светофорными объектами, дорожными знаками и горизонтальной дорожной разметкой.
Учитывая несоразмерные последствия от ошибочного заезда транспортного средства на полосу встречного движения, необходимо на выезде из такой полосы установить непреодолимый барьер или шлагбаум.
Основные технические требования к шлагбауму:
- соответствие Федеральному закону "О безопасности дорожного движения" от 10.12.1995 № 196-ФЗ;
- информативность;
- минимизация риска несрабатывания;
- минимизация травмоопасности и возможности порчи транспортных средств;
- учет возможности проезда всех видов наземного транспорта от гужевого, мото- и велотранспорта до автобусов и автопоездов;
- живучесть к аварийным повреждениям;
- энергоавтономность;
- вандалоустойчивость;
- устойчивая работа в условиях снега и льда, в том числе в период циклов замораживания-оттаивания.
В целях исполнения указанных технических требований, необходимо следовать следующим принципам:
- полная автономность функционирования;
- простота трансмиссии;
- бесперебойная эксплуатация;
- приспосабливаемость к природным условиям и низким температурам;
- обеспечение соответствия проезжей части требованиям ГОСТ Р 50597.
Принцип работы предложенного ограждения заключается в применении подвижной платформы, связанной с искусственной неровностью и механизмом приведения в действие автоматического горизонтально - поворотного шлагбаума.
В качестве источника потенциальной энергии используется тяжесть транспортного средства.
Платформа приводится в движение путем наезда на искусственную неровность, нажатие которой приводит в движение платформу вперед и открывание шлагбаума.
Аксонометрическое изображение трансмиссионной схемы приведено на рисунке 1.
1 – неподвижная опора; 2 – шарнир; 3 – подшипник; 4 – подпятник; 5 – возвратная пружина; 6 – рычаг для передачи крутящего момента шлагбауму с демпферным и антивандальным системами; 7 – шлагбаум; 8 – искусственная неровность с шарнирным механизмом плоскопараллельного перемещения платформы; 9 – платформа; 10 – рогатка для передачи крутящего момента шлагбауму; 11 – возвратная пружина платформы; 12 – вал шлагбаума.
Равновесие системы обеспечивается возвратной пружиной 11 и начальным углом наклона опорных стержней.
Уравнение равновесия системы имеет вид (рисунок 2):
Mпруж=Mтяж,
где Mпруж– момент силы упругости пружины;
Mтяж – момент силы тяжести системы;
Mпруж= Fупр * h * cos α;
Mтяж = Fтяж * h * sin α.
где h – длина опорного стержня от шарнира опоры до шарнира у платформы;
α– угол наклона опорного стержня от вертикальной оси.
Fупр– сила упругости пружины;
Fтяж – сила тяжести системы с временной нагрузкой.
Сила упругости определяется по закону Гука: Fупр= - kx,
где к – коэффициент упругости пружины;
x- абсолютное сжатие пружины;
Сила тяжести системы определяется по формуле: Fтяж = (mсис+ mврем)*g
где mсис– собственная масса платформы;
mврем- масса транспортных средств;
g– ускорение свободного падения.
Для обеспечения устойчивой работы системы необходимо принять к расчету следующие начальные параметры:
mврем= 400 кг;
x= 0,15 м.
Система должна устойчиво сработать на загрузке платформы автомобилем, весом одной из осей 400 кг при любых природно-климатических условиях.
При диаметре вертикального вала, вращающего шлагбаум 0,1 м, абсолютное сжатие пружины, определяющей ход платформы составляет 0,15 м;
Длину опорного стержня необходимо определить исходя из условия соответствия перемещения платформы на 0,15 м по горизонтали перемещению по вертикали не более, чем на 0,02 м (требование ГОСТ 50597).
В качестве возвратной пружины рекомендуется применить заднюю пружину подвески автомобиля ВАЗ-2110, имеющую следующие параметры:
- высота пружины в свободном состоянии – 0,4 м;
- высота пружины при контрольной нагрузке – 0,24 м,
- коэффициент упругости – 19,7 кгс/см (8).
Пружина с указанными характеристиками полностью соответствует установленным требованиям по устойчивому обеспечению возврата платформы в исходное состояние.
Нагрузка на пружину с учетом 30% запаса для устойчивой работы должна составить не более 207 кгс. Сила тяжести платформы без нагрузки составляет:
Fтяж = Fупр * cos α / sinα = Fупр * ctgα.
Из указанного следует, что при собственном весе конструкции платформы порядка 1000 кгс максимальный угол наклона опорных стержней составляет 11,4о.
Длина опорных стержней может быть принята исходя из такого угла наклона, при котором перемещение платформы на 0,15 м обеспечит понижение плоскости проезжей части не более, чем на 0,02 м (в соответствии с ГОСТ 50597), равной не менее 0,72 м. Такое сочетание параметров может обеспечить угловой интервал вращения опорных стержней от 6,0о до 11,4о.
В целях саморегулирования положения, а также устойчивости шлагбаума к наезду как со стороны прямого, так и со стороны обратного движения механизм передачи крутящего момента включает систему разножестких пружин, позволяющих обеспечить её вращение, не жестко связанное с движением платформы. Указанная система разножестких пружин работает следующим образом.
Нештатное вращение шлагбаума вперед обеспечивается свободным выходом рычага из зацепа, имеющего форму рогатки, шириной, обеспечивающей возможность возвращения зацепа в любой точке.
Для обеспечения своевременного отрывания шлагбаума длина платформы должна составлять не менее 24 м.