article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
4(100)/2014
Bronisław Kolator1, Andrzej Olszewski2, Stanisław Walczak3, Stanisław Wolak4
UKŁAD ABS A ŚLADY HAMOWANIA.
BADANIA Z WYKORZYSTANIEM APARATURY V-BOX
1. Wstęp
W pracy przedstawiono problem identyfikacji śladów hamowania pozostawionych
na jezdni przez opony pojazdu wyposażonego w układ zapobiegający blokowaniu kół
podczas hamowania (ABS).
Wraz z szybkim rozwojem przemysłu samochodowego i wzrastającym natężeniem
ruchu drogowego, wymagania bezpieczeństwa użytkowników dróg, a zwłaszcza
pojazdów są coraz większe. Jednym z rozwiązań konstrukcyjnym poprawiający
bezpieczeństwo czynne jest układ hamulcowy z systemem ABS. Współczesne
samochody są wyposażane w system ABS ze względu na zapobieganie blokowaniu kół,
co zapewnia kierowalność pojazdu podczas ekstremalnego hamowania oraz
w niektórych warunkach skrócenie drogi hamowania [1, 2].
Rozpoczęcie znaczenia śladów hamowania na jezdni w sytuacji awaryjnego
hamowania zależy m.in. od cech psychomotorycznych kierowcy i siły nacisku na pedał
hamulca. Badania dotyczące zachowania się kierowców w sytuacji przedwypadkowej
prowadzone są przez wielu badaczy, które są realizowane m.in. na torach
doświadczalnych oraz w symulatorach jazdy [3, 4].
Podczas awaryjnego hamowania z układem ABS, poślizg opon zazwyczaj zawiera
się w przedziale 0,1÷ 0,3 [5, 6]. Powszechną opinią jest pogląd, że pojazdy wyposażone
w układ ABS nie pozostawiają śladów hamowania. Taki pogląd sprawia, że często ślady
hamowania pozostawiane na miejscu zdarzenia nie są poszukiwane, a niezwykle cenne
informacje o przebiegu zdarzenia w nich zawarte bezpowrotnie tracone [7, 8].
Wspomniany powyżej pogląd zainspirował autorów niniejszego opracowania do
przeprowadzenia serii prób hamowania prostoliniowego z różnych prędkości
początkowych. Celem badań było określenie podstawowych parametrów dla prób
hamowania pojazdu wyposażonego w układ ABS a także określenie parametrów
kinematycznych koła takich jak poślizg względny, przy których powstaje widoczny
„nieuzbrojonym okiem” ślad hamowania. Dodatkowo podjęto próbę oszacowania
trwałości śladu termicznego powstającego podczas hamowania i ewentualnej możliwości
jego wykorzystania w rekonstrukcji zdarzeń drogowych.
2. Badania drogowe
Badania drogowe ekstremalnego hamowania przeprowadzono na suchej, asfaltowej
nawierzchni jezdni. Wybrano cztery prędkości początkowe charakterystyczne w ruchu
drogowym tj. odpowiednio ok. 50 km/h, 70 km/h, 90 km/h i 120 km/h. Próby
prowadzono do zatrzymania pojazdu. Do badań wykorzystano samochód Fiat Brava
dr hab. inż. Bronisław Kolator prof. UWM, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych,
mgr inż. Andrzej Olszewski, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych,
3
dr inż. Stanisław Walczak, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny
4
mgr inż. Stanisław Wolak, Firma Cybid sp.j.
1
2
95
wyposażony w układ ABS. Hamulce pojazdu przed rozpoczęciem prób zostały
rozgrzane. Na kołach pojazdu były zamontowane opony 205/55 R16 91H (Michelin
Energy Saver) o głębokości rzeźby bieżnika 5 mm i ciśnieniu nominalnym. Masa
pojazdu przygotowanego do prób hamowania wynosiła 1265 kg.
Do pomiarów i rejestracji wyników wykorzystano aparaturę badawczą VBox, która
określa parametry ruchu pojazdu używając wielosystemowego odbiornika nawigacji
satelitarnej GNSS, ustalającego pozycję badanego obiektu z częstotliwością 100 Hz oraz
dokładnością mogącą sięgać ± 2 cm. Prędkość i kierunek pojazdu, wyznaczana jest
niezależnie od położenia z sygnału satelitarnego na zasadzie efektu Dopplera. Moduł
bezwładnościowy IMU mierzy przyspieszenia liniowe i prędkości kątowe względem 3
osi. Ponadto aparatura pomiarowa umożliwia rejestrację sygnałów z czujników
znajdujących się na wyposażeniu pojazdu wyposażonego w magistralę CAN. Aparatura
ta znajduje się na wyposażeniu laboratorium badawczego firmy Cybid [9]. Podczas prób
rejestrowano przebiegi czasowe: przyspieszeń, prędkości, położeń liniowych i kątowych
bryły nadwozia oraz przebieg sygnału napięciowego z włącznika świateł hamowania.
Moduł IMU
Moduł GNSS
Tabela 1. Podstawowe parametry aparatury pomiarowej
Dokładność
Parametr
Częstotliwość próbkowania
Zakres pomiarowy
100 Hz
Pozycja
nieograniczony
Prędkość jazdy
Kąt kierunku prędkości
Przyspieszenie podłużne
i poprzeczne
Częstotliwość próbkowania
prędkości kątowej
Prędkości kątowe
Częstotliwość próbkowania
przyspieszenia
Przyspieszenia
0,1÷1600 km/h
360°
± 3 m bez RTK,
± 0,02 m z RTK
± 0,1 km/h
0,1°
20g
0,5%
40 Hz
± 150 °/s
0,1%
50 Hz
± 1,7 g
± 0,01 g
W celu określenia chwilowych prędkości kątowych kół jezdnych pojazdu, na
bocznych powierzchniach opon umieszczono znaczniki, a obroty tych kół rejestrowano
przy użyciu stacjonarnej kamery Olympus i-speed TR, która ma możliwość rejestracji
obrazu z częstotliwością do 10000 klatek na sekundę. Wszystkie próby hamowania
rejestrowano z częstotliwością 200 klatek na sekundę z rozdzielczością obrazu
1280x1024. Użycie do badań kamery Olympus i-speed miało na celu zbadanie
możliwości wykorzystania jej do określania wybranych parametrów dynamicznych
podczas badań eksperymentalnych.
Po każdej z prób hamowania samochodu, rejestrowany był ślad termiczny pozostawiony przez opony pojazdu na nawierzchni toru badawczego. Rejestrację śladu
termicznego wykonano kamerą termowizyjną Testo T890-2, której parametry
przedstawiono w tabeli 2.
96
Tabela 2. Parametry kamery termowizyjnej Testo T890-2
Lp. Parametr
1 Czułość termiczna (NETD)
Pole widzenia/ minimalna odległość
2
ogniskowania
3 Rozdzielczość geometryczna (IFOV)
4
SuperResolution (piksel / IFOV) –
opcjonalne
5 Częstotliwość odświeżania obrazu
6 Zakres spektralny
7 Zakres temperatury
8 Dokładność
9 Ustawienie emisyjności/ temperatury
Opis
< 40 mK przy 30°C
42° x 32° / 0,1 m (obiektyw standard)
15°x11°/0.5m (teleobiektyw)
1,13 mrad (obiektyw standardowy),
0,42 mrad (teleobiektyw)
1280x960 pikseli
0,71 mrad (obiektyw standardowy),
0,26 mrad (teleobiektyw)
33Hz
8 do 14μm
-20°C do 100°C / 0° do 350°C
(przełączalny)
±2°C, ±2% mierzonej wartości
0,01 do 1/ manualne
Do określenia długości pozostawionych śladów hamowania wykorzystywano
drogomierz kołowy, przyrząd fotogrametryczny oraz aparat fotograficzny Canon.
Jako miarę do porównania wyników badań przyjęto wartość średniego pełnego
opóźnienia (MFDD). W sytuacji gdy osiągnęło ono wartości odpowiednio 10% MFDD
i 80% MFDD, dla tych wartości wyznaczono wartość drogi hamowania od wartości 10%
do zatrzymania, a następnie porównano ją z długością widocznego śladu zmierzoną po
każdej próbie hamowania. Taki sposób interpretacji wyników pozwoli odnieść warunki
generowania śladu hamowania do tych, które przyjmuje się jako umowne w programach
do symulacji ruchu i zderzeń pojazdów.
3. Wyniki badań eksperymentalnych oraz ich analiza
Dowody rzeczowe głównie fotograficzne są kluczowymi w sprawie opiniowania
i pozwalają na bardziej jednoznaczne odtworzenie przebiegu wypadku.
Udokumentowane ślady hamowania awaryjnego samochodu (tej samej próby)
przedstawiono na rysunku 1 z wykorzystaniem aparatu fotograficznego i kamery termowizyjnej.
Na klasycznej fotografii trudno jest jednoznacznie określić długość i szerokość
śladów hamowania. Natomiast na obrazie termograficznym można zauważyć ślady obu
kół o jednakowej szerokości na całej długości intensywnego hamowania (widoczna linia
między śladami hamowania, to złącze nawierzchni asfaltowej).
97
Rys. 1. Udokumentowane ślady hamowania wykonane przeciwnie do kierunku jazdy, po
lewej fotografia w świetle widzialnym, po prawej obraz z kamery termowizyjnej
w negatywie, strzałkami zaznaczono widoczne ślady hamowania:
1) prędkość początkowa 59 km/h, 2) prędkość początkowa 74 km/h,
3) prędkość początkowa 88 km/h, 4) prędkość początkowa 119 km/h
98
Przykładowe zmiany rejestrowanych wielkości podczas prób hamowania pojazdu
przedstawiono na rysunkach 2-5, natomiast parametry charakterystyczne tych prób
wyznaczone na podstawie wyników badań eksperymentalnych zamieszczono w tabeli 2.
60
15
v [km/h]
ax [m/s2]
hm [V]
10
5
30
0
0.1 MFDD
20
-5
-2
V [kmh-1]
40
ax [ms ], hm [V]
50
0.8 MFDD
10
-10
0
-15
0
0,5
1
1,5
t [s]
2
2,5
3
Rys. 2. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia
z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h
80
15
v [km/h]
ax [m/s2]
hm [V]
70
10
V [kmh-1]
40
0
0.1 MFDD
30
-5
-2
5
50
ax [ms ], hm [V]
60
0.8 MFDD
20
-10
10
0
-15
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
t [s]
Rys. 3. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia
z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h
99
90
15
v [km/h]
ax [m/s2]
hm [V]
80
10
5
50
0
40
0.1 MFDD
30
-5
-2
V [kmh-1]
60
ax [ms ], hm [V]
70
0.8 MFDD
20
-10
10
0
-15
0
0,5
1
1,5
2
t [s]
2,5
3
3,5
4
Rys. 4. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia
z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 88 km/h
140
15
v [km/h]
ax [m/s2]
hm [V]
120
10
0
60
0.1 MFDD
40
0.8 MFDD
-5
-2
-1
V [kmh ]
5
80
ax [ms ], hm [V]
100
-10
20
0
-15
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
t [s]
Rys. 5. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia
z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 119 km/h
W poszczególnych kolumnach tabeli 2 umieszczono następujące wielkości:
vp – prędkość początkowa pojazdu,
MFDD – średnie pełne opóźnienie hamowania,
tn08 – czas narastania opóźnienia od chwili naciśnięcia na pedał hamulca do chwili gdy
wartość opóźnienia osiągnęła 80% MFDD,
tn – czas narastania opóźnienia od chwili naciśnięcia na dźwignię hamulca do chwili
gdy wartość opóźnienia osiągnęła MFDD,
Sh – zarejestrowana droga przebyta przez pojazd od miejsca naciśnięcia na pedał
hamulca do zatrzymania się samochodu,
Sh01 – droga hamowania przebyta przez pojazd od miejsca, w którym opóźnienie
wzdłużne osiągnęło wartość 10% MFDD do miejsca zatrzymania się samochodu,
Sh08 – droga hamowania przebyta przez pojazd od miejsca, w którym opóźnienie
wzdłużne osiągnęło wartość 80% MFDD do miejsca zatrzymania się samochodu,
Shw – zmierzona drogomierzem długość widocznego śladu hamowania.
100
Tabela 3. Parametry prób ekstremalnego hamowania samochodu
Lp.
1
2
3
4
vp
[kmh-1]
59
75
88
119
MFDD
[ms-2]
9,84
9,67
9,65
9,94
tn08
[s]
0,25
0,14
0,14
0,16
tn
[s]
0,38
0,21
0,20
0,25
Sh
[m]
15,66
23,67
32,35
58,16
Sh01
[m]
14,7
22,6
30,9
56,1
Sh08
[m]
11,6
20,8
29
52,9
Shw
[m]
12,4
22,4
29,7
52,5
Zapis z szybkiej kamery wykorzystano do wyznaczenia chwilowych parametrów
ruchu samochodu takich jak kąt przechyłu podłużnego, prędkość kątowa przechyłu
podłużnego, prędkości obrotowe kół dla osi odciążanej i dociążanej w procesie
hamowania.
4. Zakończenie i wnioski
W referacie przedstawiono wyniki wstępnych eksperymentalnych badań dotyczących wyznaczenia śladów ekstremalnego hamowania samochodu z układem ABS.
Na podstawie obrazu termowizyjnego, stwierdzono, że jest możliwe określenie długości
śladów hamowania, a widoczna długość śladu w porównaniu do drogi pojazdu przebytej
w zakresie 10÷80% MFDD różni się około 7%.
W przypadku wszystkich prowadzonych prób stwierdzono, że opóźnienie
ekstremalnego hamowania jest znacznie większe niż wymaga tego EU Dyrektywa
71/320 oraz Regulamin 13 ECE ONZ. Opóźnienie ekstremalnie hamowanego pojazdu
z układem ABS wynosiło średnio od 9,65 m/s2 do 9,94 m/s2 w przedziale 10÷80%
MFDD niezależnie od jego prędkości początkowej.
Literatura:
[1]
Dugoff H., Fancher P.S., Segel L.: An Analysis of Tire Traction Properties and
Their Influence on Vehicle Dynamics Performance. SAE Technical Paper
700377.
[2]
Walczak St.: Analiza dynamicznych obciążeń elementów niezależnych zawieszeń
kół samochodu. Politechnika Krakowska. Rozprawa doktorska, Kraków 2003.
[3]
Guzek M., Lozia Z., Zdanowicz P., Jurecki R. S., Stańczyk T. L.: Research on
behaviour of drivers in accident situation conducted in driving simulator. Journal
of KONES Powertrain and Transport Vol. 16, No.1, pp. 173-183, 2009.
[4]
Stańczyk T.L., Jurecki R.: Budowa i weryfikacja modelu kierowcy dla analizy
sytuacji przedwypadkowych. Czasopismo Techniczne Mechanika Z. 7-M/2004.
T. 2, 2004.
[5]
Bułka D., Walczak S., Wolak S.: Proces hamowania – aspekt prawny i techniczny
w ujęciu symulacyjnym i analitycznym. Materiały konferencyjne III Konferencji
naukowo-szkoleniowej "Rozwój techniki samochodowej a ubezpieczenia
komunikacyjne", WSB, Radom 2006.
[6]
Świder P., Janczur R., Bułka D.: Prędkość początkowa samochodu a długość
ujawnionych śladów blokowania kół. Paragraf na drodze, nr specjalny 10 (ISSN
1505-3520), Kraków 2011.
101
[7]
[8]
[9]
Wolański R., Ciępka P., Zębala J.: Problem interpretacji śladów hamowania
pojazdów przewożących ciecze palne podczas rekonstrukcji zdarzenia
drogowego. Wyd. SA PSP, (ISBN 83-89877-16-3), Kraków 2007.
Zaranek K., Kulikowski D.: Ślady kryminalistyczne na miejscu wypadku
drogowego z udziałem motocykla. Kwartalnik Policyjny nr 1, Wydawca:
Centrum Szkolenia Policji, Legionowo 2013.
Bułka D., Janczur R., Wach K.: Nowoczesna aparatura pomiarowa do badań
podłużnej i poprzecznej dynamiki pojazdów. Paragraf na drodze, nr 11
Wydawnictwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 2011.
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki pilotażowych badań procesu ekstremalnego
hamowania pojazdu wyposażonego w układ ABS. Podczas prób rejestrowano parametry
ruchu pojazdu takie jak, trzy składowe wektora przyspieszenia liniowego, trzy składowe
wektora prędkości liniowej oraz trzy składowe wektora prędkości kątowej. Dodatkowo
każda z prób hamowania była rejestrowana przy użyciu szybkiej kamery
z częstotliwością 200 klatek/s. Po zakończeniu próby wykonywano dokumentację
fotograficzną śladów oraz rejestrowano ślad termiczny pozostawiony na jezdni przy
użyciu kamery termowizyjnej. Do analizy prze-biegu procesu ekstremalnego hamowania
wykorzystano wyniki badań uzyskane za pomocą różnej aparatury badawczej, a na tej
podstawie dokonano oceny i weryfikacji długości śladów hamowania oraz wartości
średniego opóźnienia pojazdu.
Słowa kluczowe: opóźnienie, ślady hamowania, układ ABS, trwałość śladu termicznego
SKID MARKS LEFT BY CAR WITH ABS SYSTEM. PRELIMINARY TESTS
USING V-BOX DATA ACQUISITION SYSTEM
Abstract
The paper presents the results of a preliminary study of the extreme braking process
of vehicle equipped with ABS system. During the road tests the parameters of vehicle
dynamics such as the three components of the linear acceleration vector, the three
components of the linear velocity and the three components of the angular velocity
vector was recorded. In addition, each braking test was recorded using a high speed
camera at 200 fps. After each tests the photographic documentation of skid marks left by
wheels was made, and recorded using a thermal imaging camera. For the analyzes of
breaking process the results obtained using different laboratory equipment was used. On
the basis of this result the verification of the length of skid marks and the value of the
average vehicle deceleration was performed.
Keywords: breaking deceleration, skid marks, ABS system, the stability of the thermal
footprint
102