УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ БЫСТРОГО ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 1997 года по МПК B60K31/14 

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

Известно устройство повышения безопасности быстрого движения автомобиля, содержащее шкалу, на которой в зоне предельной скорости закреплен контакт, соединенный электрически через распределитель зажигания с центральным электродом по крайней мере одной свечи зажигания по крайней мере одного из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и токопроводящая стрелка, связанная с корпусом для шунтирования указанной свечи при взаимодействии с контактом шкалы [1]
Недостатком данного устройства 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 (см. фиг.1). Кроме того, данное устройство для двигателя не может быть выключено и, следовательно, автомобиль может резко погасить скорость или остановиться при прямолинейном движении, что само уже может привести к аварийной ситуации, если данный автомобиль движется в потоке.

Настоящее 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 устройстве повышения безопасности быстрого движения автомобиля, содержащем шкалу, на которой в зоне предельной скорости закреплен контакт, соединенный электрически через распределитель зажигания с центральным электродом по крайней мере одной свечи зажигания по крайней мере одного из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и токопроводящая стрелка, связанная с корпусом для шунтирования указанной свечи при взаимодействии с контактом шкалы, указанная стрелка представляет собой груз, закрепленный на одном конце упругой балочки, консольно зафиксированной вторым концом в основании для отклонения груза на балочке под действием центробежной силы, действующей на автомобиль в режиме движения на повороте, при этом на шкале закреплен дополнительный контакт для обеспечения шунтирования при отклонении балочки в сторону, противоположную месту размещения первого контакта, а указанные контакты связаны с распределителем зажигания через включатели.

При этом плоскость отклонения стрелки перпендикулярна продольной плоскости автомобиля.

При этом все контакты соединены со свечой зажигания одного цилиндра или каждый контакт соединен со свечой зажигания отдельного цилиндра.

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; фиг. 3 принципиальная схема чувствительной части прибора (конкретно датчика); фиг.4 график изменения внешней действующей силы (нагрузки) по времени t при движении автомобиля на повороте; фиг. 5 график изменения коэффициента динамичности нагрузки η в зависимости от характеристики датчика (w) и времени t_o изменения нагрузки; фиг.6 схема расположения прибора на автомобиле; фиг.7 - конструктивная схема прибора; фиг. 8 вид сбоку на прибор по фиг.7; фиг.9 - электрическая схема прибора.

Для представления способа безопасности движения автомобиля 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 0, 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= 1/tgα, r₂= 1/sinα, (1)
где α 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, расположенной в центре масс по дуге радиуса r₀ с центром в точке 0, необходимо, как известно, создание центростремительного ускорения (обозначим его буквой "a") и соответствующей центростремительной силы (обозначим ее буквой 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 a.

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 = μ•G, G=M•g, (3)
где μ 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 (4)
или, учитывая неравенства (2), (3), когда m•g ≥ a,
μ•g ≥ v²/r (5)
Если неравенства (4), (5) не будут соблюдаться, то не произойдет поворот автомобиля вокруг центра 0 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 по- мочь, и нужен другой специальный прибор.

Ниже опишем теорию и расчет параметров предлагаемого прибора.

Чувствительная часть прибора в виде датчика имеет некоторую инерционную массу m 1 (груз), закрепленный на конце упругой балочки 2, второй конец которой связан с неподвижным основанием 3 прибора (см. 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=m•a (6) или согласно (1) F=F_a•m/M (7)
То есть на массу m прибора действует сила F меньшая, чем F_a в m/M раз и направленная в ту же сторону.

Динамическое смещение инерционной массы m и деформацию y=y(t) упругой системы по фиг.3, полагая ее идеально упругой, можно определить, как известно, с помощью линейного дифференциального уравнения вида
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 усилие R=R(t), где R(t)=c•y(t) (11)
Представляет интерес найти такие условия и параметры датчика, чтобы для соотношения η = R(t)_max/F(t) (12) имело место η ≈ 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 α, а затем сохраняет его, пока не будет пройдена дуга поворота.

Отсюда следует, учитывая (1), (2), (6), (7), что в течение времени t=t₀ нагрузка F(t) на массу m датчика постепенно, примерно равномерно увеличивается с нуля до соответствующего углу a 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 максимум, и по формулам (11), (12) - отношение h так называемый коэффициент динамичности нагрузки, когда нагрузка F(t) меняется согласно графику по фиг.4. Выполняя соответствующие расчеты, получаем зависимость коэффициента динамичности h от w и t₀ вида:
h = 1+(sinβ_o/2)/(β_o/2), β_o= ωt_o (14)
График коэффициента динамичности в зависимости от произведения β_oω•t₀ показан на фиг.5.

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

Заменяя собственную циклическую частоту ω (радиан/в секунду) на собственную периодическую частоту g (колебаний/в секунду) по формуле w = 2πγ, (17),
получим вместо (15), (16) оценку точности коэффициента динамичности η в формуле
Например, датчик с γ2 обеспечит точность измерения нагрузки согласно (18) для нагрузок с t₀ > 0,5 сек.

Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого прибора на фиг.7, 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 лыске 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 упруго-инерционным 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, 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 после дождя). При увеличении ускорения стрелка датчика приближается к контактам и при достижении предельно допустимого ускорения подходит к ним там 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 модности 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.

При этом плоскость отклонения стрелки перпендикулярна продольной плоскости автомобиля.

При этом все контакты соединены со свечой зажигания одного цилиндра или каждый контакт соединен со свечой зажигания отдельного цилиндра.

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

Использование: изобретение относится к транспортному машиностроению. Сущность изобретения: устройство повышения безопасности быстрого движения автомобиля содержит шкалу, на которой в зоне предельной скорости закреплен контакт, соединенный электрически через распределитель зажигания с центральным электродом по крайней мере одной свечи зажигания по крайней мере одного из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и токопроводящую стрелку, связанную с корпусом для шунтирования указанной свечи при взаимодействии с контактом шкалы. Указанная стрелка представляет собой груз, закрепленный на одном конце упругой балочки, консольно зафиксированной вторым концом в основании для отклонения груза на балочке под действием центробежной силы, действующей на автомобиль в режиме движения на повороте. На шкале закреплен дополнительный контакт для обеспечения шунтирования при отклонении балочки в сторону, противоположную месту размещения первого контакта, а указанные контакты связаны с распределителем зажигания через включатели. 2 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Устройство повышения безопасности быстрого движения автомобиля, содержащее шкалу, на которой в зоне предельного ускорения закреплен контакт, соединенный электрически через распределитель зажигания с центральным электродом по крайней мере одной свечи зажигания по крайней мере одного из цилиндров двигателя внутреннего сгорания, и токопроводящая стрелка, связанная с корпусом для шунтирования указанной свечи при взаимодействии с контактом шкалы, отличающееся тем, что указанная стрелка представляет собой груз, закрепленный на одном конце упругой балочки, консольно зафиксированной вторым концом в основании для отклонения груза на балочке под действием центробежной силы, действующей на автомобиль в режиме движения на повороте, при этом на шкале закреплен дополнительный контакт для обеспечения шунтирования при отклонении балочки в сторону, противоположную месту размещения первого контакта, а указанные контакты связаны с распределителем зажигания через включатели. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что установлены дополнительные контакты для другой зоны предельного ускорения, включаемые включателем. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все контакты соединены со свечой зажигания одного цилиндра или каждый контакт соединен со свечой зажигания отдельного цилиндра.