Нижний Новгород, Нижегородская область, Россия
УДК 629.331 Автомобили. Автомобильный транспорт
Проведено статистическое исследование влияния удельной мощности автомобиля на дорожную аварийность. Для оценки аварийности использован относительный показатель, получаемый как отношение количества дорожно-транспортных происшествий на единицу длины пробега автомобилей. Получена стохастическая связь аварийности от удельной мощности автомобиля. Даны рекомендации по возможности замены двигателя внутреннего сгорания при переоборудовании автомобиля.
БЕЗОПАСНОСТЬ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ, ВНЕСЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЮ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Вопрос установления связи между мощностью двигателя автомобиля и дорожной аварийностью периодически возникает в разное время. Основной интерес к наличию или отсутствию данной связи проявляют страховые компании, осуществляющие страхование транспортных средств. По их мнению, данная связь существует, что в значительной степени оправдывает наличие коэффициента, связанного с мощностью двигателя, при формировании стоимости полиса ОСАГО. Существует также и другая точка зрения, в своей основе полагающая отсутствие таковой связи, и необходимости неприменения данного коэффициента. Обращаем внимание, что в указанных выше случаях говорится о величине мощности двигателя без учета массы автомобиля, однако существует множество вариантов, в которых при равных мощностях транспортные средства обладают значительно разными массами. Таким образом, в целях нашего исследования мы будем нормализовать представление мощности двигателя автомобиля по его массе, что, по сути, означает удельную мощность.
Вместе с тем определение наличия связи между удельной мощностью автомобиля и аварийностью, потенциально позволит вносить рекомендации о возможности изменения конструкции автомобиля, например, в части замены двигателя внутреннего сгорания.
Изменения, вносимые в конструкцию транспортного средства на стадии его эксплуатации, или как их еще называют переоборудованием, в настоящее время приобрели широкий масштаб. Само по себе изменение, зачастую, диктуется не условием улучшения конструкции автомобиля, как при тюнинге [1], а пожеланием потребителя или потенциального собственника. В основном целью является либо сокращение себестоимости перевозок, либо приспособленность транспортного средства к определенным видам (особенностям) грузов, категорий пассажиров или условиям эксплуатации, либо повышение общей экономической эффективности использования автомобиля. При этом переоборудование не всегда осуществляется в рамках сформировавшихся научных основ проектирования автомобиля, направленных, в частности, на увеличение грузоподъемности транспортных средств за счет снижения снаряженной массы автомобиля без уменьшения прочности и надежности при сохранении его полной массы, а также на уменьшение материалоемкости [2]. Между тем, как показывает практика, значительное количество случаев внесения изменений, наоборот, сопровождается увеличением снаряженной массы автомобиля и снижением его грузоподъёмности, что, как следствие, приводит к ухудшению тягово-скоростных свойств автомобиля. В случаях изменения (зачастую увеличение) габаритной длины транспортного средства при его переоборудовании, увеличивается материалоемкость автомобиля и уменьшается его компактность, вместе с этим изменяется и длина колесной базы, которая, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на управляемость автомобиля. Таким образом, нельзя забывать о том, что измененная конструкция в определенной степени влияет на эксплуатационные свойства автомобиля, а значит, может повлиять на безопасность дорожного движения.
Анализ научных работ и публикаций, относящихся к тематике переоборудования автомобилей, в целом, обозначил направленность исследований в отношении вопросов установки газобаллонного оборудования, в целях повышения экологической безопасности, а также использования альтернативного топлива меньшей стоимостью. Однако, авторы данных научных публикаций не учитывали возможное изменение эксплуатационных свойств транспортных средств после их переоборудования, но, к примеру, при установке газобаллонного оборудования отмечается увеличение снаряженной массы автомобиля и уменьшение мощности двигателя [3, 4]. Необходимо отметить работы Зубриського С.Г [5], Кириллова К.А. [6] и Белехова А.А, [7]. Данные авторы направили свои исследования в сферу обеспечения безопасности транспортных средств с измененной конструкцией. Однако, учитывая изложенную информацию, можно говорить о недостаточной изученности как взаимосвязи удельной мощности автомобиля и аварийности, так и влияния конструктивных изменений при переоборудовании, способных воздействовать на различные эксплуатационные свойства, в том числе и тягово-скоростные, на безопасность дорожного движения.
2 Материалы и методы
По оценкам, сделанным нами при анализе сведений о количестве выданных разрешений на внесение изменений в конструкцию находящегося в эксплуатации колесного транспортного средства [8], удельный объем переоборудованных автомобилей составляет практически 5%, а их количество неуклонно растет. Разновидность изменений достаточно разнообразна, она затрагивает множество систем и элементов конструкции. Наиболее востребованными, принимая во внимание обобщенную статистику [8], являются: установка газобаллонного оборудования, установка тягово-сцепного устройства, замена двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС) и ряд других изменений.
За период с 2015 по 2020 годы количество замен ДВС, в случаях переоборудования транспортных средств, выросло практически в два раза (см. рис. 1), при этом общий годовой объем переоборудований за тот же период времени возрос в четыре раза.
Рисунок 1 – Распределение по годам вносимых изменений – «замена ДВС»
Значительный интерес к изучению, учитывая количество обращений в органы госавтоинспекции, представляет замена ДВС при переоборудовании автомобилей. В ходе исследования были получены следующие данные. Практически в 40% случаев замена ДВС осуществляется на грузовых автомобилях категории N1, в 30% случаев на легковых автомобилях категории М1. В подавляющих случаях устанавливаемый взамен старого двигатель обладает большей максимальной мощностью (примерно 90% изменений), при этом снаряженная масса автомобиля практически не изменяется. В половине случаев возрастание максимальной мощности происходит примерно на 40%. Фиксируются также случаи, когда двигатель заменяется на менее мощный (около 10% изменений). При этом уменьшение мощности обычно происходит на величину не более 20%. Следовательно, очевидным образом при замене двигателя автомобиля изменяется его удельная мощность, что непосредственно влияют на тягово-скоростные свойства. В нашем случае под термином «удельная мощность автомобиля» мы будем понимать отношение максимальной мощности двигателя к снаряженной массе транспортного средства.
Выражение для удельной мощности выглядит следующим образом:
|
|
(1) |
где Рдв – максимальная мощность двигателя; mсн – снаряженная масса автомобиля.
Проведем статистическое исследование влияния удельной мощности автомобиля на дорожную аварийность. Для этого нами был собран массив данных о 5000 транспортных средств, включающий в себя информацию о модели, пробеге, количестве дорожно-транспортных происшествий (далее - ДТП), максимальной мощность ДВС и снаряженной массе, различных категорий, годов выпуска и имеющих разную удельную мощность [9]. Полученные сведения легли в основу выборки. Доля автомобилей с измененной конструкцией в данной выборке составила 6%. Для оценки аварийности нами применялся показатель безопасности дорожного движения (далее - БДД), получаемый отношением количества дорожно-транспортных происшествий к длине пробега автомобиля [10].
Сведения из выборки позволили получить динамический ряд, где в качестве признака, по которому производится упорядочивание показателя БДД, выбрано отношение снаряженной массы автомобиля к его максимальной мощности двигателя, округленное до целого числа. Выбор признака упорядочивания, таким образом, позволил получить ряд с равноотстоящими уровнями при изменении признака от 7 до 46 кг/л.с. с шагом 1 кг/л.с. Внутри 40 полученных групп (уровней ряда) были рассчитаны показатели БДД после определения общего пробега и общего количества ДТП. На рис. 2 представлен полученный динамический ряд.
Рисунок 2 – Распределение количества ДТП на единицу длины пробега
по признаку упорядочивания
Проведем обработку данных, содержащихся в полученном ряде, в целях установления тренда (динамики) либо его отсутствия [11]. Разбив динамический ряд на две равные части, определим расчетное значение критерия, используя выражение (2). Сопоставив полученное значению с его критической величиной, примем решение о случайности либо неслучайности тенденции (тренда) ряда.
|
|
(2)
|
где 
и 
- число уровней первой и второй половины ряда (
); 
и 
– оценки математического ожидания первой и второй половин ряда; 
и 
– оценки дисперсий первой и второй половин ряда.
Указанные выше числовые параметры определяются по нижеприведенным формулам (3) – (6):
|
|
(3)
|
|
|
(4)
|
|
|
(5)
|
|
|
(6)
|
где yp – значение уровня ряда [количество ДТП на единицу длины пробега]; p – признак группировки [кг/л.с.].
Результаты проведенных вычислений сведены в табл. 1.
Таблица 1 – Значения числовых характеристик
|
Половина ряда |
Оценка математического ожидания |
Оценка дисперсии |
|
I |
|
|
|
II |
|
|
Поставив в выражение (2) данные из табл. 1, получим:
.
Принимая во внимание уровень значимости 
и число степеней свободы 
, необходимые для получения критической (табличной) величины распределения Стьюдента tкр [7], получим:
.
Сравним вычисленное расчетное значение (по абсолютной величине) с критическим:
.
В результате проведенных действий нами делается вывод с вероятностью ошибки 5%, утверждающий наличие динамики ряда, или присутствие тренда, что тоже самое, а сам исследуемый динамический ряд не стационарен.
Далее получим уравнение тренда динамического ряда как функции удельной мощности автомобиля. Для этого, применяя метод наименьших квадратов, произведем аналитическое выравнивание статистических данных, изображенных на рис. 2. Для представления динамики нами применена полиномиальная функция.
В общем виде уравнение динамики имеет следующий вид:
|
|
(7)
|
где a, b, c – постоянные коэффициенты.
Вычислим недостающие коэффициенты [7], решив систему уравнений (8):
|
|
(8) |
В результате расчетов получим: 
, 
и 
.
Окончательно запишем уравнение динамики следующим образом:
|
|
(9)
|
Теперь, на основе F – критерия Фишера, в целом проверим статистическую значимость уравнения, используя расчетное выражение:
|
|
(10) |
|
|
|
где 
– число коэффициентов уравнения тренда; 
– количество уровней динамического ряда.
В результате вычислений определяем, что 
.
Принимая во внимание уровень значимости 
и число степеней свободы 
и 
, выберем по табличным данным [3] критическое значение распределения Фишера:
.
Сравним вычисленное расчетное значение с критическим:
.
Таким образом, с вероятностью ошибки 5% уравнение тенденции динамического ряда в целом статистически адекватно (значимо).
Для промышленного использования осциллирующего эксцентрикового упрочнителя необходимо провести исследования влияния конструктивных и технологических параметров процесса на параметры качества поверхностного слоя. Это позволит проектировать рациональные технологические процессы поверхностного упрочнения ответственных деталей машин.
Анализ работ ведущих ученых в области ППД [1-13] показывает необходимость определения таких параметров поверхностного слоя, как шероховатость обработанной поверхности, степень деформации, глубина упрочненного слоя, которые оказывают существенное влияние на длительность жизненного цикла обработанных деталей. Указанные параметры определяются частотой и энергией ударных взаимодействий одного или нескольких инденторов с обрабатываемой поверхностью. Существенное влияние на повышение эксплуатационных свойств обработанных деталей оказывают также физико-механические свойства обрабатываемых деталей (твердость и микротвердость, предел текучести, коэффициент несущей способности контактной поверхности, относительное сужение и т.п.).
Анализ механизма воздействия колебательной системы устройства на обрабатываемую деталь вызывает необходимость учета таких технологических параметров процесса обработки, как скорость вращения, размеры и масса эксцентрика; число инденторов на инструментальной головке; форма и размеры инденторов (радиус сферической заточки при использовании шарика и радиус скругления при использовании ролика); размер и жесткость плоских пружин; коэффициент полезного действия устройства, который зависит от величины сближения индентора с поверхностью детали.
Произведён теоретический анализ динамики эксцентрикового устройства и процессов, происходящих при обработке осциллирующим инструментом. Получены зависимости для определения скорости удара индентора VX и кинетической энергии инструментальной головки с индентором T при ударном взаимодействии [1, 2, 5-8].
, (1),
, (2),
где mcam – масса инструментальной головки; r – расстояние от оси вращения эксцентрика до его центра тяжести; ω – угловая скорость; с – жёсткость пружины, mc – масса вибрирующей системы; μ – сопротивление среды.
Механизм процесса обработки динамическими методами ППД достаточно подробно представлен в работах профессора И.В. Кудрявцева [5, 15]. Учитывая произведенный им анализ для метода обработки эксцентриковым упрочниелем можно предложить следующую зависимость для определения диаметра пластического отпечатка индентора:
, (3).
При этом глубина (h) пластического отпечатка может быть определена как
, (4),
где Т – кинетическая энергия инструментальной головки (индентора), HD – динамическая твердость материала детали (отношение энергии удара сферического индентора к объему вытесненного материала при ударе). Динамическую твердость можно определить из соотношения HD = 6,1 HB1,12, где HB – твердость материала по Бринеллю. Di – диаметр индентора, h- коэффициент полезного действия устройства (зависит от натяга), М – число инденторов.
Как при большинстве динамических методов обработки ППД, высотные параметры шероховатости обработанной поверхности изменяются по экспоненциальной зависимости от времени обработки Ra (t). Параметры установившейся шероховатости зависят от размеров единичных отпечатков инденторов и их количества на единице площади обработки, т.е. полностью определяются режимами обработки ППД и не зависят от исходной шероховатости. Следует отметить, что исходная шероховатость оказывает существенное влияние на время достижения установившейся шероховатости. С использованием методики Королева А. В. [1] и учитывая вышеуказанные особенности процесса можно записать зависимость для определения установившейся шероховатости поверхности при обработке эксцентриковым упрочнителем в следующем виде [1, 3, 4, 9-12]:
(5)
На основании вышеизложенного разработаны теоретические зависимости для определения глубины упрочненного слоя и степени деформации при обработке эксцентриковым упрочнителем [1, 3, 4, 9-12]:
(6)
(7).
Для проектирования рациональных технологических процессов осциллирующим инструментом необходимо разработать методику расчета времени обработки деталей. В процессе обработки поверхностный слой детали должен быть покрыт перекрывающимися отпечатками индентора определенное число раз. Согласно рекомендациям профессора Кудрявцева И.В. [15], каждый микрообъем поверхностного слоя должен быть пластически деформирован определенное число раз. Это число зависит от физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей и, как правило, находится в пределах 10-20 ударов, деформирующих локальный микрообъем обрабатываемой поверхности.
Время обработки плоской и близкой к ней поверхности детали можно определить по зависимости [1]:
(8),
где А – длина участка, В – ширина участка, 
- продольная подача, 
- поперечная подача.
Время обработки цилиндрической поверхности можно определить по формуле:
(9),
где 
– длина обрабатываемого участка детали, 
– осевая минутная подача.
3 Результаты исследований
Учитывая определение показателя БДД, применяемого в настоящей работе, а также понятие признака, по которому производится упорядочивание данного показателя, уравнение тренда можно представить следующим образом:
|
|
(11)
|
где N – количество ДТП; L – пробег транспортного средства [км].
На рис. 3 изображена стохастическая связь аварийности от удельной мощности автомобиля, определяемая выражением (11).
Ход кривой (см. рис. 3), условно, можно разделить на три участка. На первом участке показатель БДД существенно уменьшается при увеличении удельной мощности автомобиля с 0,02 до 0,04 л.с./кг. При этом уменьшение показателя происходит более чем в 3 раза. На втором участке при увеличении удельной мощности с 0,04 до 0,06 л.с./кг уменьшение показателя менее значительное, а на третьем отрезке, где удельная мощность более 0,06 л.с./кг показатель БДД практически не изменяется и без существенной потери точности может считаться постоянным.
Рисунок 3 – Стохастическая связь аварийности с удельной мощностью автомобиля
Рисунок 4 – Скорость изменения аварийности по удельной мощности автомобиля
На рис. 4 проведено дифференцирование графика, изображенного на рис. 3. Наблюдается существенное уменьшение, по модулю, скорости изменения показателя БДД при увеличении удельной мощности автомобиля с 0,02 до 0,04 л.с./кг.
В настоящее время определено нормирование [12] мощности устанавливаемого двигателя в пределах 25% от самого мощного двигателя, предусмотренного типом транспортного средства, либо от штатного двигателя (при отсутствии одобрения типа транспортного средства), при этом, каких-либо ограничений на уменьшение мощности нет. Вместе с тем проведенное исследование показывает, что уменьшению удельной мощности (энерговооруженности) автомобиля ниже 0,04 л.с./кг сопутствует значительный рост показателя БДД и это обстоятельство заслуживает внимательного изучения.
4 Обсуждение и заключение
В завершение, обобщая полученные результаты статистического исследования, делаем следующие выводы:
- установлена стохастическая связь между показателем БДД (аварийностью) и удельной мощностью транспортных средств;
- получено уравнение регрессии указанной выше связи и определена его статистическая значимость;
- сформирована рекомендация – не допускать уменьшение удельной мощности автомобиля ниже значения 0,04 л.с./кг в случае переоборудования автомобиля – «замена двигателя».
1. Функциональный тюнинг автомобилей [Текст] / А.С. Денисов и [др.] // Совершенство-вание автотранспортных систем и сервисных технологий: материалы XIV Международной научно-технической конференции, посвященной 95-летнему юбилею доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники РФ Авдонькина Фёдора Николаевича (1923-1996). – Саратов, 2018. – С. 222 – 230.
2. Кравец, В. Н. Проектирование автомобиля [Текст]: учеб. пособие. / В.Н. Кравец. – 2-е изд., перераб. – Н. Новгород, Нижегород. политехн. ин-т., 1992. - 230 с.
3. Молев, Ю.И. Теоретическая оценка влияния установки газобаллонного оборудова-ния на управляемость автобуса ПАЗ 32054 [Электронный ресурс] / Ю.И. Молев, М.Г. Черевастов // Транспортные системы. - 2017. - №1. - Режим доступа: https://transport-systems.ru/index/php/arkhiv/14-2017.
4. Харыбина, Е.И. Автомобили фирмы MERCEDES – BENZ с водородными двигате-лями. «Конструкции автомобилей. Зарубежный опыт» [Текст] / Е.И. Харыбина. - М.: НИИстандартав-тосельхозмаш. - Выпуск 8, 1991, С. 21 – 23.
5. Зубриський, С.Г. Оценка влияния конструктивных изменений автотранспортных средств на безопасность их использования [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.05.03 / С.Г. Зуб-риський. - М., 2003. – 185 с.
6. Кириллов, К.А. Методика обеспечения безопасности колесных транспортных средств при внесении изменений в их конструкцию [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.05.03 / Кириллов Кирилл Александрович. - М., 2020. - 231с.
7. Белехов, А.А. Метод предварительной технической экспертизы транспортных средств при изменении их конструкции в эксплуатации [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 2.9.5 / А.А. Бе-лехов. – Санкт-Петербург, 2023. - 213с.
8. Анализ изменений, внесенных в конструкции транспортных средств, при произ-водстве переоборудования автомобилей на территории Нижегородской области в 2015 году [Текст] / А.А. Аникин и [др.] // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2018. - №4(123). - С. 243-248.
9. ГИБДД в регионах: информационно-поисковая система [Электронный ресурс] / Режим доступа: гибдд.рф. – Загл. с экрана.
10. Молев, Ю.И. Обеспечение дорожной безопасности автомобильного транспорта в зим-ний период [Текст]: дис. … док. техн. наук: 05.22.10 / Ю.И. Молев. - Владимир, 2007. – 376 с.
11. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определе-ния, теоремы, формулы [Текст]: пер. с англ. И.Г. Арамановича и др. - М.: Наука, 1968. - 720 с.
12. ГОСТ 59889-2021. Транспортные средства. Внесение изменений в конструкцию транспортных средств, находящихся в эксплуатации. Технические требования, технический контроль и методы испытаний [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://protect.gost.ru.
