2. KIEROWALNOŚĆ, ZWROTNOŚĆ I STATECZNOŚĆ POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
2.1. WPROWADZENIE
Zagadnienia kierowalności i stateczności pojazdów samochodowych są ogólnie opisane w pracach dotyczących Mechaniki Ruchu Samochodu, między innymi w [2, 9, 37, 42, 53, 55]. Zwrotność jest właściwością związaną z ruchem pojazdu, ponieważ wpływa na kształt uzyskiwanego toru jazdy.
Kierowalność, zwrotność i stateczność należą do podstawowych właściwości decydujących o bezpieczeństwie czynnym pojazdu. Wszystkie trzy cechy stanowią również o właściwościach eksploatacyjnych samochodu [71].
2.2. KRÓTKI ZARYS HISTORII ROZWOJU BADAŃ KIEROWALNOŚCI, ZWROTNOŚCI I STATECZNOŚCI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
Za początek rozwoju teorii kierowalności samochodów przyjmuje się prace Instytutu Inżynierów Samochodowych (Proceedings of Institution of Automobile Engineers). Pierwsza z nich została opublikowana w 1907 r. W latach dwudziestych XX wieku badania z dziedziny kierowalności samochodów wykonywane były we Francji (Senso de Lavaud). W tym okresie w Niemczech, w 1925 r. zostało odkryte zjawisko znoszenia elastycznych kół (G. Becker, H. Fromm, H. Maruna) [3]. W byłym ZSRR na ten temat publikowali: Czudakow, N.E. Żukowski, W.P. Wietczikin, A.A. Rzeczmiedłow (na podstawie [37]). W latach trzydziestych ukazały się prace z zakresu badania ruchu krzywoliniowego samochodu z kołami sztywnymi (G. Lenko, G. Kluge, G. Kola, W. Kamm, G. Goldbeck) oraz dotyczące stateczności ruchu samochodu (F.W. Lanchester [32], V.D. Seze [64] oraz E.A. Czudakow [6], W.A. Głuch, J.M. Piewzner, A.A. Trutin i inni - na podstawie [37]). Jednocześnie ukazały się prace M. Olleya uważanego za twórcę współczesnej teorii kierowalności i stateczności samochodów z uwzględnieniem bocznego znoszenia (prace prowadzone początkowo w USA przez firmę General Motors Corporation, a następnie w Anglii przez firmę Vauxhall). Zapoczątkowały one badania z dziedziny kierowalności i stateczności samochodów z uwzględnieniem elastyczności opon [48-50]. W pracach M. Olleya wprowadzone zostało pojęcie nadsterowności i podsterowności oraz termin prędkości krytycznej. W latach czterdziestych (XX wieku) i później nastąpiła dalsza kontynuacja tematów (rozwinięcie wyników) zapoczątkowanych przez M. Olleya. Rozwinęli je: M. Julien, I. Rocard, D. Uitkom, U. Milliken. W tym czasie we Francji ukazały się prace z zakresu stateczności ruchu samochodu z uwzględnieniem elastyczności opon (I. Gratzmuller). W Niemczech zagadnienia te omawiane były przez L. Hubera, O. Dietza [14], R. Horlingera, a także przez P. Riekerta i T. Schunka. W byłym ZSRR tematy te realizowali: W.M. Klennikow, W.A. Iłarionow, A.S. Ratman, M.W. Kiełdysz, G.W. Michajłow i inni - na podstawie [37]. Na uwagę zasługuje opublikowanie w latach czterdziestych hipotezy współpracy koła z jezdnią w odniesieniu do samochodów, niezależnie przez Y. Rocarda [59] i M. Kiełdysza [37]. Dalszy rozwój teorii kierowalności i stateczności odbywał się w kierunku teorii ruchu na zakręcie oraz badań ruchu samochodów z uwzględnieniem sił aerodynamicznych. Te ostatnie realizowali: L. Huber, E. Schwatzki, F. Gauss, G. Schlick, I. Saito, O.I. Winkelmann, F. Böhm, J. Ficher, A. Slibar, P.R. Pasley [34, 45].
Następnie rozwój teorii kierowalności i stateczności samochodów zmierzał w kilku kierunkach, z równoczesnym uwzględnieniem badań eksperymentalnych [37] dla:
- ruchu nieustalonego (procesów przejściowych) przy zmianie kierunku ruchu z prostoliniowego w krzywoliniowy i z powrotem;
- krzywoliniowego ruchu samochodu, jako układu ciał połączonych więzami sprężystymi;
- kierowalności i stateczności przy nieliniowej zależności między siłami bocznymi i kątami znoszenia;
oraz z uwzględnieniem:
- wpływu parametrów konstrukcyjnych samochodu i jego zespołów na stateczność i kierowalność;
- jednoznacznego zdefiniowania wskaźników oceny charakteryzujących zachowanie się samochodu jako obiektu kierowanego;
- kierowcy jako ogniwa kierującego.
Obecnie obserwuje się bardzo duże zainteresowanie i rozwój dotyczący badań właściwości dynamicznych i analizy zachowania się pojazdów kołowych [1, 11, 12, 42, 48, 62, 79]. Spowodowane to zostało zarówno koniecznością zapobiegania wypadkom drogowym (względy bezpieczeństwa), jak również szybko rozwijającymi się możliwościami techniki komputerowej. Jednocześnie szeroko rozwijają się badania symulacyjne (eksperymenty numeryczne) w ramach systemu: człowiek-pojazd-otoczenie (CPO) [14, 69], poświęcone modelowaniu ruchu i zjawisk dynamicznych zachodzących w pojazdach.
W pracach [47, 60, 79] opisano metody pomiarowe parametrów regulacyjnych układów: kierowca-samochód-otoczenie. Dzięki technice komputerowej symulacja stała się łatwiejsza i bardziej wiarygodna. Powszechnie zaczęto zdawać sobie sprawę, iż samochód jest również źródłem wielu negatywnych zjawisk, takich jak: efekty ekologiczne, zagrożenia związane z wypadkami drogowymi (bezpieczeństwo powypadkowe, bezpieczeństwo ekologiczne) [75]. W ramach systemu CPO zaczęto oceniać, jak poszczególne jego elementy przyczyniają się do powstania wypadku drogowego [72].
Już te zagadnienia uzasadniały nie tylko kontynuowanie, ale i dalszy rozwój badań eksperymentalnych oraz badań symulacyjnych związanych z modelowaniem ruchu i zjawisk dynamicznych. Szczególną uwagę zaczęto zwracać na weryfikację eksperymentalną tworzonych modeli symulacyjnych [27, 28, 33, 42, 54, 66].
Coraz szerzej zaczęto stosować modele ruchu samochodu, w ramach których można wyodrębnić [38]:
1) Najbardziej złożone, służące wspomaganiu konstruktorów oraz wspomagające kosztowne i długotrwałe badania eksperymentalne. Mają one bogatą strukturę wymagającą wprowadzenia dużej liczby danych.
2) Średnio złożone, bardziej użyteczne do ogólnej oceny właściwości pojazdu, dla badań pożądanych kierunków zmian konstrukcji. Trudniej je bezpośrednio powiązać z detalami konstrukcji układów. Mimo wielu założeń upraszczających modele takie wymagają dokładnego opisu wzajemnych oddziaływań elementów składowych, analiz przedwypadkowych i wypadkowych.
3) Modele najprostsze, opisujące najbardziej ogólne właściwości pojazdu, wymagające ograniczonej liczby danych. Wykorzystywane są do ogólnych badań jakościowych.
Pomimo opisanego wyżej rozwoju modelowania ruchu samochodu bardzo popularny stał się jednośladowy model dynamiczny (często zwany "rowerowym") wykorzystywany do oceny kierowalności i stateczności. Korzystali z niego: M. Mitschke, A. Zomotor, H.P. Willumeit, H. Wallentowitz, R. Rönitz, E. Bisimis, H.D. Beckman oraz w Polsce: K. Studzinski, J. Ignatowicz, K. Kamiński, A. Kleczkowski, J. Lanzerdorfer, W. Momot i inni [4, 14, 17, 26, 29, 30, 36, 42, 43, 44, 48]. Dalszym krokiem były dynamiczne modele dwuśladowe dla analizy ruchu krzywoliniowego z osią przechyłu położoną na jezdni lub ze stałą osią przechyłu, a następnie z ruchomą osią przechyłu. Wiązało się to z uwzględnieniem kinematyki zawieszeń i układów kierowniczych. Zagadnienia te analizowane były między innymi w pracach [1, 14, 26, 39, 40, 44, 45, 73].
Powszechność prowadzenia badań spowodowała podjęcie prac w ramach standaryzacji realizowanych przez organizacje międzynarodowe, takie jak: Międzynarodowa Organizacja Standaryzacji ISO oraz Europejska Komisja Gospodarcza ONZ-ECE. Dokumenty te będą omówione w dalszej części opracowania.
Upowszechnianie się i wzrost liczby samochodów doprowadziły do coraz liczniejszych wypadków drogowych. Na plan pierwszy zaczęły wysuwać się zagadnienia bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Pojawiają się programy - systemy, których zadaniem jest ostrzeganie kierowcy o niebezpieczeństwie lub wspomaganie kierowcy w kierowaniu pojazdem.
Ze względu na obszerną tematykę oraz wysokie koszty realizacji programów tworzone są zespoły i grupy badawcze, zarówno w ramach poszczególnych państw, jak i międzynarodowe.
