不同路面類型下彎坡組合路段載重汽車側(cè)滑速度閾值變化研究

□文/李 曼

不同路面類型下彎坡組合路段載重汽車側(cè)滑速度閾值變化研究

□文/李 曼

側(cè)滑是引起載重汽車單車重大交通事故的主要因素之一。文章以下坡轉(zhuǎn)彎路段載重汽車的受力模型為基礎(chǔ)，得出載重汽車在下坡轉(zhuǎn)彎路段的荷載模型，根據(jù)側(cè)滑臨界條件建立側(cè)滑安全行駛速度模型，通過A dam s軟件對不同路面?zhèn)然Ｐ瓦M行仿真模擬，驗證側(cè)滑安全速度模型的適用性，得出彎坡組合路段載重汽車在不同路面的安全行駛速度閾值變化3D曲線。得到的安全速度閾值為提高彎坡組合路段安全性，制定高速公路的限速標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐。

彎坡；組合；路段；載重；汽車；側(cè)滑；速度；閾值

側(cè)滑是引起載重汽車單車重大交通事故的主要影響因素之一。

載重汽車的抗滑安全性主要取決于路面-輪胎的摩擦大小及兩者的相互作用機制，國外對于輪胎摩擦學(xué)的研究很早。早在1946年，著名研究學(xué)者Thirion通過試驗證明了載重汽車輪胎所能承受的荷載主要取決于輪胎上橡膠所能產(chǎn)生的有效摩擦力并提出了路面附著系數(shù)與輪胎—路面接觸面壓強的經(jīng)驗關(guān)系模型[1]；2010年，國外學(xué)者G.P.Ong和T.F.Fwa建立了高速公路商用汽車的側(cè)滑仿真模型，仿真結(jié)果表明輪胎內(nèi)壓力、車輛荷載、水膜厚度和行駛速度對車輛側(cè)滑影響較大，該模型對車輛抗滑評估和預(yù)測有很大作用[2]。國內(nèi)的華南理工大學(xué)的周峰、鄧楚南等學(xué)者分別就車輪側(cè)滑和車軸側(cè)滑的極限狀態(tài)進行了研究，提出了兩者之間的關(guān)系并以車輪側(cè)滑狀態(tài)研究結(jié)果為基礎(chǔ)，總結(jié)了車軸側(cè)滑量測量方法及檢測原理[3]。

通過借鑒國內(nèi)外先進的研究方法，結(jié)合實際情況，通過研究車路耦合作用研究側(cè)滑機制以及載重汽車在高速公路上行駛時的動態(tài)安全，對促進高速公路交通安全發(fā)展、提高高速公路服務(wù)水平具有重要意義。

1 路面附著系數(shù)對彎坡組合路段抗滑穩(wěn)定性的影響

路面特征參數(shù)中的路面附著系數(shù)是對側(cè)滑穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)，微觀量化表征路面結(jié)構(gòu)紋理的參數(shù)有很多，主要包括MPD、IRI、RMS等，路面的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)粗糙且有一定的棱角，以穿透水膜，讓路面與胎面直接接觸，提高附著能力。而高速公路路面的宏觀定義種類主要包括水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面，試驗測試結(jié)果顯示水泥混凝土路面的路面附著系數(shù)一般大于瀝青混凝土的路面附著系數(shù)。

不同路面狀況下，附著系數(shù)與滑移率變化曲線也有所差異，當(dāng)滑移率在0.1和0.2之間不同路面類型的路面附著系數(shù)均達到最大值。該值主要取決于路表情況。

2 彎坡組合路段載重汽車側(cè)滑安全模型及安全閾值

2.1 彎坡組合路段載重汽車受力特性及安全模型的建立

彎坡組合路段是山區(qū)高速公路的典型路段，對平縱組合要求較高，對行車安全的影響遠遠大于單個方面的影響及兩者的加和。彎坡組合路面上行駛中的載重汽車受力大小和方向在不斷變化，當(dāng)變化達到極限狀態(tài)時，汽車將失去穩(wěn)定性發(fā)生事故。

通過對載重汽車下坡左轉(zhuǎn)彎的受力分析，載重汽車在下坡左轉(zhuǎn)彎路段行駛時，左后輪先制動抱死。左后輪抱死，整個后軸的全部荷載將全部加載到右后輪上，右后輪將需要更大的法向反作用力來抵抗側(cè)向力，此時右后輪將會以更快的速度抱死，當(dāng)右后輪抱死時，車輛后軸將發(fā)生側(cè)滑，同時車輛將出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。

當(dāng)載重汽車的行駛速度大于側(cè)滑的最大安全行駛速度時，汽車將發(fā)生側(cè)滑事故，應(yīng)嚴格控制載重汽車在下坡轉(zhuǎn)彎路段的行駛速度。由于高速公路的線形指標(biāo)要求比較高，道路縱坡和超高設(shè)置均有一定限制并且取值不是很大，貨物的側(cè)偏角φ很小，可以忽略，取φ≈0，通常取

式中：Vch，max為載重汽車的最大行駛速度；φh為路面附著系數(shù)；R為圓曲線半徑；g為重力加速度；hg為載重汽車質(zhì)心高度；α為質(zhì)心到前軸的水平距離；i為道路縱坡；ih為圓曲線段的超高。

2.2 MATLAB軟件量化附著系數(shù)、合成坡度與側(cè)滑速度閾值的3D關(guān)系模型

使用MATLAB軟件繪制出的各屬性彎坡組合路段的路面附著系數(shù)、合成坡度與側(cè)滑速度閾值的3D關(guān)系曲線，見圖1。從圖1可以直觀看出，側(cè)滑速度閾值與路面附著系數(shù)、合成坡度的關(guān)系，路面附著系數(shù)對側(cè)滑速度閾值的影響比合成坡度大并且變化很顯著，隨著附著系數(shù)的降低，速度閾值明顯下降，而隨著合成坡度的增大，雖然速度閾值也在減小，但是曲線有上下抖動趨勢并且下降不是很顯著。根據(jù)側(cè)滑速度閾值模型及關(guān)系曲線可知，在進行限速標(biāo)志設(shè)置時，必須重點考慮路面附著系數(shù)的影響。

圖1 路面附著系數(shù)、合成坡度與側(cè)滑速度閾值3D關(guān)系曲線

Adams仿真結(jié)果表明彎坡組合路段的側(cè)滑模型適用于不同路面類型，仿真得到側(cè)滑臨界速度與附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線與MATLBA軟件得出的3D關(guān)系曲線中附著系數(shù)與側(cè)滑速度閾值的關(guān)系變化趨勢一致，分別見圖2和圖3。根據(jù)曲線可以看出，路面附著系數(shù)越大，載重汽車的側(cè)滑臨界速度越高，可見，提高路面附著系數(shù)有利于提高載重汽車的側(cè)滑臨界速度，改善路面環(huán)境提高路面的附著性能可以有效地提高載重汽車的行駛安全性。

圖2 MATLBA得到的側(cè)滑閾值與附著系數(shù)的關(guān)系曲線

圖3 Adams仿真得到的側(cè)滑閾值與附著系數(shù)的關(guān)系曲線

3 結(jié)論及未來工作

1）本文以車-路耦合作用為基礎(chǔ)，分析了載重汽車在下坡轉(zhuǎn)彎路段的受力模型，建立了彎坡組合路段載重汽車的側(cè)滑安全速度模型，使用MATLAB軟件得到了側(cè)滑安全閾值與各影響因素的關(guān)系規(guī)律性并通過Adams仿真得出了載重汽車在下坡轉(zhuǎn)彎路段的側(cè)滑閾值變化曲線圖。

2）根據(jù)3D關(guān)系曲線和仿真數(shù)據(jù)，可以得出不同路面狀況下的安全速度行駛閾值，為高速運營管理者制定限速標(biāo)志提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

U9

C

1008-3197（2015）06-73-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.026

2015-10-25

李 曼/女，1987年出生，助理工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院天津分院，從事道路設(shè)計工作。