способ повышения безопасности быстрого движения автомобиля

Формула изобретения

Способ повышения безопасности быстрого движения автомобиля, заключающийся в ограничении предельной скорости на криволинейном участке трассы по показаниям токоподводящей стрелки регистрирующего прибора за счет воздействия на двигатель автомобиля и отключении по меньшей мере одного его цилиндра, отличающийся тем, что в качестве показаний токоподводящей стрелки используют ее отклонение, пропорциональное центробежному ускорению при движении автомобиля на криволинейном участке трассы, а на двигатель воздействуют отключением по крайней мере одного его цилиндра при превышении указанным ускорением заданного порога значений ускорения для соответствующего коэффициента сцепления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к повышению безопасности движения автомобиля, и касается режимов движения с высокой скоростью на криволинейных участках трассы.

Известен способ повышения безопасности быстрого движения автомобиля, заключающийся в ограничении предельной скорости на любом участке трассы по показаниям токоподводящей стрелки спидометра при ее взаимодействии с переставными контактами на шкале, при этом ограничение скорости осуществляется выключением двигателя (SU, авторское свидетельство, 213608, B 06 K 31/00, 1968).

Недостатком данного способа является то, что допустимая скорость движения автомобиля по спидометру - это скорость, допустимая для прямолинейного движения по трассе. Но допустимая скорость прямолинейного движения не определяет безопасность движения на поворотах и на любой дуге относительно малого радиуса криволинейной трассы, так как при этом могут оказаться недостаточны силы, обеспечивающие устойчивость движения по управляемости автомобиля и возможен занос последнего. Кроме того, по данному способу двигатель выключается полностью и, следовательно, автомобиль останавливается, что само уже может привести к аварийной ситуации, если данный автомобиль движется в потоке.

Изобретение направлено на решение технической задачи по ограничению скорости движения автомобиля на криволинейных участках трассы по сигналам, пропорциональным центробежной силе, действующей на автомобиль, превышение величины которой и приводит к заносу. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении безопасности движения автомобиля.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе повышения безопасности быстрого движения автомобиля, заключающемся в ограничении предельной скорости на криволинейном участке трассы по показаниям токоподводящей стрелки регистрирующего прибора за счет воздействия на двигатель автомобиля и вычитания по крайней мере одного его цилиндра, в качестве показаний токоподводящей стрелки используют ее отклонение, пропорциональное центробежному ускорению при движении автомобиля на криволинейном участке трассы, а на двигатель воздействуют отключением по крайней мере одного его цилиндра при превышении указанном ускорением заданного порога.

Зависимость положения стрелки от величины центробежной силы, возникающей при движении автомобиля на повороте, определяет предельный уровень устойчивости автомобиля, за которым наступает такое явление как занос. Использование положения стрелки как исходного сигнала к выключению одного или более цилиндров двигателя позволяет принудительно уменьшить тяговое усилие автомобиля и тем самым понизить скорость его движения на криволинейном участке трассы.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На фиг. 1 представлена схема движения на повороте, при котором возможен занос автомобиля; на фиг. 2 - схема образования центра вращения автомобиля при повороте передних колес на некоторый угол; на фиг. 3 - принципиальная схема чувствительной части прибора (конкретно датчика); на фиг. 4 - график изменения внешней действующей силы (нагрузки) по времени t при движении автомобиля на повороте; на фиг. 5 - график изменения коэффициента динамичности нагрузки в зависимости от характеристики W датчика и времени t₀ изменения нагрузки; на фиг. 6 - схема расположения прибора на автомобиле; на фиг. 7 - конструктивная схема прибора; на фиг. 8 - то же вид сбоку; на фиг. 9 - электрическая схема прибора.

Рассмотрим кинематику и динамику движения автомобиля на криволинейной трассе после поворота рулем передних колес.

Движение автомобиля с чистым качением колес без их бокового скольжения кинематически возможно, когда ось каждого колеса поворачивается в горизонтальной плоскости относительно некоторого центра О, который лежит на пересечении прямых, расположенных вдоль их осей (фиг. 2).

При этом горизонтальное (радиальное) удаление плоскости вращения колес одного (например, правого) борта от общего центра поворота будет

r₁= l/tg, r₂= l/sin, (1)

где - угол поворота переднего колеса в горизонтальной плоскости;

l - расстояние между осями колес одного борта (до поворота переднего колеса).

При постоянной окружной скорости V движения массы M, распложенной в центре масс по дуге радиуса r₀ с центром в точке 0, необходимо, как известно, создание центростремительного ускорения а и соответствующей центростремительной силы F_a, где

a = v²/r, F_a = M a, r = r₁ + h/2, (2)

где h/2 - расстояние заднего колеса от плоскости симметрии автомобиля.

Возникает задача найти возможность определить силу F_a или соответствующее ускорение а.

Основным препятствием для любого отклонения автомобиля от его движения вокруг центра 0 является боковое трение колес, их шин о поверхность трассы. Величину этой силы T можно определить по формуле

T = G, G = Mg, (3)

где - коэффициент трения скольжения шины колеса о поверхность трассы (коэффициент сцепления);

G - вес автомобиля.

Сила трения колес обеспечит движение без заноса, если она будет больше F_a, т.е. T > F_a,

или, учитывая неравенства (2) и (3), когда g a; g V²/r (5) .

Если неравенства (4) и (5) не будут соблюдаться, то не произойдет поворот автомобиля вокруг центра О, и автомобиль будет двигаться по дуге большего чем r радиуса или по касательной прямой. В силу бокового трения колес или каких-либо боковых препятствий занос может стать причиной опрокидывания автомобиля. Следовательно, для безопасности при быстрой езде по криволинейной трассе является не ограничение автомобилем его скорости, а определение и ограничение автомобилем его ускорения в радиальном направлении. Для этой цели такой прибор, как спидометр, не может помочь и нужен другой специальный прибор.

Чувствительная часть прибора в виде датчика имеет некоторую инерционную массу m₁ (груз), закрепленный на конце упругой оболочки 2, другой конец которой связан с неподвижным основанием 3 прибора (фиг. 3) так, что балочка обладает некоторой жесткостью C в направлении своего поперечного изгиба при отклонении груза на величину y(t). Пластинчатая форма балочки может позволить ей быть значительно более жесткой в направлении осей X и Z. Стрелка 4 укрепляется сверху на грузе.

Полагаем, что под действием силы F_a масса M всего автомобиля, в том числе и масса m прибора, будет испытывать одинаковое ускорение a = a(t). Следовательно, на массу m прибора будет действовать инерционная сила F = ma (6) или согласно (1) F = F_am/M. (7)

Иначе говоря на массу m прибора действует сила F меньшая, чем F_a в m/M раз, направленная в ту же сторону.

Динамическое смещение инерционной массы m и деформацию y = y(t) упругой системы (фиг. 3), полагая ее идеально упругой, можно определить, как известно, с помощью линейного дифференциального уравнения вида

y = w²y = F(t)/m, (8)

где является собственной частотой колебания массы m датчика.

Если сила F подействует статически, то она вызовет статическое отклонение (деформацию) y_ст,

где y_ст = F/c. (10)

Поэтому динамическое отклонение y = y(t) даст некоторое динамическое усиление R = R(t),

где R(t) = cy(t). (11)

Представляет интерес найти такие условия и параметры датчика, чтобы для соотношения

= R(t)_макс/F(t) (12)

имело место

1. (13)

Тогда, определяя датчиком текущее динамическое значение y=y(t) и R(t), получим возможность судить о текущей величине нагрузки F(t).

При выезде автомобиля на постоянной скорости с прямолинейной трассы на дугу поворота радиусом r водитель относительно равномерно в течение времени t = t₀ поворачивает рулем передние колеса на угол , а затем сохраняет его, пока не будет пройдена дуга поворота.

Отсюда следует, учитывая (1) и (2), (6) и (7), что в течение времени y = t₀ нагрузка F(t) на массу m датчика постепенно, примерно равномерно увеличивается с нуля до соответствующего угла своего значения F(t₀), а затем остается постоянной во время проезда автомобиля по дуге поворота (если не произойдет занос).

График функции F(t) показан на фиг. 4.

Из этого графика видно, что с увеличением t₀ нагрузка F(t) является более близкой к статической и, следовательно, датчик будет ее более точно измерять. Для оценки точности измерения датчиком нагрузки F(t) (при любом значении t₀) нужно определить решение y = y(t) линейного дифференциального уравнения (8), его максимуму, и по формулам (11) и (12), отношение - так называемый коэффициент динамичности нагрузки, - когда нагрузка F(t) меняется согласно графика на фиг. 4. Выполняя соответствующие расчеты, получаем зависимости коэффициента динамичности от W и t₀ вида:

= 1+(sin_o/2)/(_o/2), _o= wt_o. (14)

График коэффициента динамичности в зависимости от произведения _o= wt_o показан на фиг. 5.

Из этого графика или формулы (14) видно, что коэффициент динамичности может быть близок к единице, в частности

1 1,2, если wt_o> 2 (15)

или

1 1,13, если wt_o> 5. (16)

Заменяя собственную циклическую частоту W (радиан/ в секунду) на собственную периодическую частоту (колебаний /в секунду) по формуле

w = 2 (17)

получим вместо (15) и (16) оценку точности коэффициента динамичности в форме

1 1,2, при t_o> 1 (18)

1 1,13, при t_o> 2,5 (19)

Например, датчик с = 2 обеспечит точность измерения нагрузки согласно (18) для нагрузок с t₀ > 0,5 с.

Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого прибора на фиг. 7 и 8 представлен его конструктивный пример.

Цилиндрический инерционный грузик 1 закреплен по своему диаметру на верхнем конце стальной пластинчатой консольной балочки 2 с помощью зажимного вкладыша 5, а сама балочка закреплена своим нижним концом на основании 3 прибора с помощью зажимного вкладыша 6. Стрелка прибора 4 в виде угольника крепится на лычке сверху грузика с небольшим зазором относительно шкалы 7, содержащей электроизолированные от корпуса прибора контакты 8, каждый из которых может быть подготовлен к действию с помощью своей кнопки 9, расположенной на приборной доске водителя, и способен действовать при подходе к нему стрелки.

Наличие вкладышей технологически предпочтительно, так как для тонкой пластинчатой балочки пришлось бы выполнять очень узкие пазы в грузике и в основании прибора. Учитывая, что наличие одного контакта неудобно, так как во время движения пришлось бы его передвигать и закреплять в заданных местах, целесообразно иметь на шкале прибора несколько (2 - 3) неподвижных контактов, каждый из которых включается своей кнопкой 9 в зависимости от категории участка трассы (например, сухая трасса или мокрая после дождя).

Прибор с упругоинерционным датчиком как ограничитель центростремительного ускорения имеет общую электрическую схему включения, показанную на фиг.9.

Токопроводящая стрелка электрически связана с корпусом и установленными на шкале 7 контактами 8 и 10, которые изолированы электрически от корпуса. Контакты подключены через проводники 11 к проводникам 12 и соединяют распределитель зажигания 13 с центральными электродами 14 искровых свечей 15 нескольких цилиндров двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Контакты 8 и 10 расположены против деления шкалы, соответствующей предельно допустимой величине ускорения центростремительного ускорения и характеристики трассы (например, контакты 8 для сухой трассы, а контакты 10 для мокрой трассы после дождя). При увеличении ускорения стрелка датчика приближается к контактам и при достижении предельно допустимого ускорения подходит к ним так близко, что происходит электрический разряд между контактами и стрелкой, что приводит к шунтированию свечей зажигания одного или нескольких цилиндров двигателя, прекращению воспламенения в них рабочей смеси и падению мощности двигателя. При этом естественно снижается скорость и падает центростремительное ускорение, стрелка датчика отходит от контактов, шунтирование свечей прекращается, и начинают работать все цилиндры двигателя.

Включение соответствующего контакта и в целом прибора производится при помощи кнопок 9, установленных на приборной доске автомобиля.

Описанный способ по повышению безопасности движения за счет выключения части цилиндров двигателя по сигналу превышения центростремительного ускорения (соответствует чрезмерной центростремительной силе, действующей на автомобиль при повороте по трассе) позволяет автоматически контролировать скорость движения автомобиля на сложных участках трассы.