Глава 2. Взаимодействие автомобилей с автомолибьными дорогами

§ 4. Воздействие автомобилей на дорогу.Движущийся по дороге автомобильный поток представляет собой сложное сочетание случайных явлений, изменяющихся во времени и пространстве. Под воздействием этих факторов случайно меняются характеристики движения автомобильных потоков – их интенсивность, скорость, состав и др. Автомобильный поток характеризуют по плотности движения, измеряемой количеством автомобилей, приходящихся на 1 км дороги, и по степени загрузки дороги, определяемой отношением интенсивности движенияNк пропускной способности (ПС).

Изучение транспортных потоков и их взаимодействия (подсистемы 7, 11 и отчасти подсистемы 2 и 8 в § 2) являются составной частью науки эксплуатации автомобильных дорог с целью организации и регулирования движения и обеспечения его безопасности.

В зависимости от размеров и чередования различных геометрических элементов дороги (продольные и поперечные уклоны, кривые в плане и продольном профиле и др.) автомобили движутся неравномерно, следуя за их изменениями. Движение по покрытиями с неровностями сопровождается ударами и вертикальными колебаниями колес, кузова и других частей автомобиля. Различие микропрофиля по пути движения левых и правых колес вызывает поперечные колебания. При этом возникают переменные по величине динамические силы, действующие как на дорожное покрытие, так и на автомобиль.

При высокой скорости движения по горизонтальным кривым на автомобиль оказывает большое влияние центробежная сила, а при движении по дороге с продольными уклонами – еще и сила тяжести. Сопротивление воздуха и трение шин о поверхность покрытия вызывают сопротивление движению. В результате на автомобиль действуют силы, вызывающие различные по направлению и по амплитуде колебания, которые в свою очередь оказывают воздействие на дорожные сооружения. От колебаний и ударов заметно изнашиваются механизмы автомобиля, испытывают неудобства водители, пассажиры.

Поскольку последствия эти являются результатом взаимодействия дороги с автомобилем, конструкторы автомобилей должны стремиться к тому, чтобы они оказывали меньшие воздействия на дорожные сооружения и обеспечивали большую безопасность движения. Дорожники же должны создавать такие дороги, которые наилучшим бы образом отвечали требованиям автомобильного движения. обеспечивая его плавность и безопасность.

Для обеспечения движения автомобилей с расчетной скоростью, наибольшей безопасностью и удобствами необходимо при проектировании дорог назначать их геометрические элементы с учетом всех условий движения.

Однако проектировщики не всегда выдерживают рекомендуемые СНиПом нормы, в особенности при сложном рельефе местности. В результате почти каждая дорога представляет собой последовательное чередование оптимальных и допустимых геометрических элементов.

Для обеспечения наилучших условий эксплуатации дорог по требованиям обеспечения хорошей видимости и безопасности движения они не должны бы иметь прямых участков, желательно, чтобы их трасса в плане и продольный профиль состояли только из сочетания кривых большого радиуса, лучше из клотоидных кривых.

Значительно уменьшаются удобства движения. а также его безопасность при нарушении геометрических размеров поперечного профиля дороги и ровности поверхности дорожного покрытия из-за недостаточно тщательной отделки поверхности покрытия во время строительства дороги, а также вследствие совместного воздействия автомобилей и природных факторов при эксплуатации дороги. Условия движения автомобилей по неровному покрытию ухудшаются, так как на нем возникают вертикальные, продольные и поперечные колебания автомобиля. В итоге там, где произошли изменения геометрических элементов и поверхности дорожных покрытий, создаются неспокойные условия для движения. Сотрясения неподрессоренной части автомобиля (колес и осей) смягчаются только от упругости пневматических шин. Однако шины не могут полностью поглотить все удары, получаемые автомобилем при движении по неровному покрытию. Смягчая удары, рессоры вызывают при сильных толчках колебания кузова автомобиля, которые могут достигнуть нежелательной величины.

Для установления закономерности взаимодействия автомобиля и дорожного покрытия необходимо оценить отдельные неровности микропрофиля.

Экспериментальными исследованиями установлено. Что человеческий организм очень чувствителен к колебаниям автомобиля. При колебаниях у человека неприятные ощущения возникают раньше, чем они становятся опасными для автомобиля и грузов. При наличии неровностей на покрытиях средняя скорость движения автомобилей нередко уменьшается до 50%, что снижает производительность и повышает себестоимость перевозок.

Интенсивность колебаний автомобиля, выраженную амплитудами и ускорениями, можно использовать для оценки интенсивности взаимодействия автомобиля и дороги. Очевидно, чем меньше амплитуда и ускорение колебаний частей автомобилей при движении по покрытию данного микропрофиля, тем лучше эксплуатационные качества покрытия. Результаты измерений амплитуд или ускорений частей автомобиля, главным образом кузова и колес, используют для оценки ровности покрытий.

§ 5. Взаимодействие автомобильного потока с окружающей средой. Особенности взаимодействия автомобильного потока с окружающей средой (природой) разнообразны и многочисленны. При рассмотрении их следует учитывать воздействие окружающей среды и условия движения автомобилей на человека, в первую очередь на водителей и пассажиров.

Для водителей и пассажиров компонентами такой среды являются в первую очередь микроклимат и все, что окружает их в салоне и кабине автомобиля, все, что порождает ощущения в процессе движения. В частности, ощущения возникают от воздуха в кабине и различных по величине колебаний и перемещения автомобиля.

Профессор А.К. Бируля считал предельными такие колебания автомобилей, которые: а) недопустимы для человеческого организма по своей интенсивности и приводят к быстрой утомляемости водителя и пассажиров, делая движение беспокойным и неудобным; б) не обеспечивают устойчивости грузов в кузове автомобиля; в) колебания, небезопасные для прочности рессор, шин и других частей автомобиля из-за появления в них повышенных усилий.

Исследованиями установлено, что по воздействию на человека колебания автомобиля можно разделить на три группы: 1) ощутимые. Но не вредные для организма (до 0,3 мм/с); 2) беспокоящие, т.е. приводящие человека к утомлению (до 3 мм/с); 3) вредные для организма, особенно при длительном воздействии (более 3 мм/с).

На магистралях и дорогах с интенсивным пассажирским движением норма колебаний может быть ниже, чем на небольших или малозагруженных дорогах. Для легковых автомобилей и автобусов скорость движения можно допускать такую, при которой возможны беспокоящие колебания, но не должно быть вредных. Так как наибольшими по величине являются ускорения при вертикальных колебаниях кузова, то их нужно ограничивать в первую очередь.

Профессор А.К. Бируля, профессор Р.В. Ротенберг, П. Стефанов и другие ученые считают предельными ускорениями, м/с², следующие значения: предел комфортности – 1,0–1,5; предельные нормативные ускорения – 1,4; предел удобного проезда по дороге – 2,5; предельные ускорения при продолжительном действии – 4,0.

Важно не допускать такого состояния дороги, при котором водители и пассажиры испытывали бы значительные колебания, вызывающие снижение скорости движения и, следовательно, производительности.

Для водителя в понятие окружающей среды входят встречные и попутные автомобили, обстановка пути, дорожные и сигнальные знаки, состояние и цвет проезжей части, видимость дороги, окружающие ее здания, атмосферные условия (снегопад, туман, дождь, ветер), озеленение и др.

Окружающая среда, непрерывно воздействующая на водителей, влияет на их трудовую деятельность. В зависимости от окружающей среды на протяжении дороги водитель изменяет скорость автомобиля, расположение его на проезжей части и т.п. Поэтому можно считать, что от психофизиологических особенностей водителей и взаимодействия их с окружающей средой во многом зависят и технико-экономические показатели автомобильного транспорта.

Водитель из кабины автомобиля оценивает окружающую среду в первую очередь по зрительному впечатлению. Во время движения взгляд его обегает проезжую часть и придорожную полосу, что необходимо для учета всех факторов, могущих повлиять на условия движения. Если движение не вызывает повышенного напряжения внимания, водитель часть времени рассматривает предметы, непосредственно не связанные с движением по дороге (например, окружающие красивые виды).

На рис. 6, составленном по опытам В.П. Варлашкина (МАДИ), изображены перемещения взгляда водителя при движении в трудных условиях по горной дороге. Опыты других исследователей также показали, что взгляд водителя скользит по проезжей части, краям покрытия и характерным линиям земляного полотна и окружающей местности.

Эмоциональная напряженность, т.е. чувствительность организма водителя, выражается в изменении нервно-психической напряженности его. Изучение организма водителя показало, что в зависимости от получаемой зрительной информации изменяется пульс водителя, отражаемый на кардиограмме (ЭКГ), электрическое сопротивление его кожи, называемое кожно-гальванической реакцией (КГР). Оценка эмоционального напряжения водителя по этим показаниям позволяет судить о характере дороги и степени воздействия ее элементов на водителя.

Для обеспечения наибольшей эффективности работы водителя эмоциональное напряжение его должно быть в оптимальных пределах. Величину оптимального эмоционального напряжения можно оценивать по кожно-гальванической реакции (КГР), выражаемой в микроамперах (мкА).

Е.М. Лобанов провел в МАДИ большие работы по установления влияния окружающей среды на психофизиологию водителей и необходимость ее учета при проектировании дороги. В качестве примера он приводит изменения психофизиологических характеристик водителя при восприятии им дорожного знака (рис. 7).

По мнению В.М. Сиденко, оптимальное эмоциональное напряжение составляет 5,5 мкА; при увеличении или снижении этого значения точность управления автомобилем снижается.

Недостаточная нагрузка водителей при отсутствии зрительных раздражителей на однообразной степной местности при малой интенсивности движения может вызвать у водителя полудремотное состояние – торможение высшей нервной деятельности, что может привести к аварии. Чрезмерная перегрузка информацией, например при проезде через пересечение дорог с большим количеством маневрирующих автомобилей или неорганизованным движением пешеходов, наоборот, вызывает у водителей повышенное напряжение внимания. При перегрузке водителя дорожной информацией он бывает не в состоянии воспринять ее всю. Неправильная оценка по лученной информации и принятие ошибочных решений приводит к аварийным ситуациям.

Если объекты окружающей среды появляются неожиданно и на период меньший времени, необходимого для возможной реакции водителя, при появлении такого объекта возникает испуг. Это может привести к неправильным действиям водителя, что может стать причиной дорожно- транспортного происшествия.

Считают возможным степень соответствия окружающей среды требованиям водителя оценивать показателем

К_и=t_ф/t_к

где t_ф– фактическое время, в течение которого водитель видит объект, с;t_к– время возможной реакции водителя, с.

Время реакции различно у разных водителей, в зависимости от их опыта, квалификации и степени восприимчивости к внезапной информации. При проектировании время реакции принимают равным 1 с, однако последние исследования указывают на необходимость его увеличения. Для обеспечения безопасного движения и удовлетворения требования водителей К_и 1; при К_и<1 возможна авария из-за испуга. Поэтому для оценки автомобильной дороги при проведении обследований технического сосотояния ее, для характеристики внешней среды периодически определяют показательК_и на характерных участках.