ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 4(100)/2014

95

Bronisław Kolator

1, Andrzej Olszewski

2, Stanisław Walczak

3, Stanisław Wolak

4

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

1 dr hab. inż. Bronisław Kolator prof. UWM, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wydział Nauk Technicznych, 2 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.

96

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.

Tabela 1. Podstawowe parametry aparatury pomiarowej

Parametr Zakres pomiarowy Dokładność

Mo

du

ł G

NS

S

Częstotliwość próbkowania 100 Hz

Pozycja nieograniczony ± 3 m bez RTK,

± 0,02 m z RTK

Prędkość jazdy 0,1÷1600 km/h ± 0,1 km/h

Kąt kierunku prędkości 360° 0,1°

Przyspieszenie podłużne

i poprzeczne 20g 0,5%

Mo

du

ł IM

U

Częstotliwość próbkowania

prędkości kątowej 40 Hz

Prędkości kątowe ± 150 °/s 0,1%

Częstotliwość próbkowania

przyspieszenia 50 Hz

Przyspieszenia ± 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 po-

zostawiony przez opony pojazdu na nawierzchni toru badawczego. Rejestrację śladu

termicznego wykonano kamerą termowizyjną Testo T890-2, której parametry

przedstawiono w tabeli 2.

97

Tabela 2. Parametry kamery termowizyjnej Testo T890-2

Lp. Parametr Opis

1 Czułość termiczna (NETD) < 40 mK przy 30°C

2 Pole widzenia/ minimalna odległość

ogniskowania

42° x 32° / 0,1 m (obiektyw standard)

15°x11°/0.5m (teleobiektyw)

3 Rozdzielczość geometryczna (IFOV) 1,13 mrad (obiektyw standardowy),

0,42 mrad (teleobiektyw)

4 SuperResolution (piksel / IFOV) –

opcjonalne

1280x960 pikseli

0,71 mrad (obiektyw standardowy),

0,26 mrad (teleobiektyw)

5 Częstotliwość odświeżania obrazu 33Hz

6 Zakres spektralny 8 do 14μm

7 Zakres temperatury -20°C do 100°C / 0° do 350°C

(przełączalny)

8 Dokładność ±2°C, ±2% mierzonej wartości

9 Ustawienie emisyjności/ temperatury 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 termo-

wizyjnej.

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).

98

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

99

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.

0

10

20

30

40

50

60

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3t [s]

V [

kmh

-1]

-15

-10

-5

0

5

10

15

ax [

ms-2

], h

m [

V]

v [km/h]

ax [m/s2]

hm [V]

0.1 MFDD

0.8 MFDD

Rys. 2. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia

z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5t [s]

V [

kmh

-1]

-15

-10

-5

0

5

10

15

ax [

ms-2

], h

m [

V]

v [km/h]

ax [m/s2]

hm [V]

0.1 MFDD

0.8 MFDD

Rys. 3. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia

z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 59 km/h

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4t [s]

V [

kmh

-1]

-15

-10

-5

0

5

10

15

ax [

ms-2

], h

m [

V]

v [km/h]

ax [m/s2]

hm [V]

0.1 MFDD

0.8 MFDD

Rys. 4. Zmiany w czasie prędkości jazdy pojazdu v, opóźnienia ax, sygnału napięcia

z włącznika STOP hm, prędkość początkowa 88 km/h

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5t [s]

V [

kmh

-1]

-15

-10

-5

0

5

10

15

ax [

ms-2

], h

m [

V]

v [km/h]

ax [m/s2]

hm [V]

0.1 MFDD

0.8 MFDD

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.

101

Tabela 3. Parametry prób ekstremalnego hamowania samochodu

Lp. vp

[kmh-1

]

MFDD

[ms-2

]

tn08

[s]

tn

[s]

Sh

[m]

Sh01

[m]

Sh08

[m]

Shw

[m]

1 59 9,84 0,25 0,38 15,66 14,7 11,6 12,4

2 75 9,67 0,14 0,21 23,67 22,6 20,8 22,4

3 88 9,65 0,14 0,20 32,35 30,9 29 29,7

4 119 9,94 0,16 0,25 58,16 56,1 52,9 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 do-

tyczących 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/s

2 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.

102

[7] 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.

[8] Zaranek K., Kulikowski D.: Ślady kryminalistyczne na miejscu wypadku

drogowego z udziałem motocykla. Kwartalnik Policyjny nr 1, Wydawca:

Centrum Szkolenia Policji, Legionowo 2013.

[9] 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