直道高速超車安全轉(zhuǎn)向幅度仿真研究

田 豐， 張 振， 鄭琦巍， 羅 勇， 余 飛

(1.江西江鈴集團晶馬汽車有限公司 技術(shù)中心， 南昌 330052； 2.江西博能上饒客車有限公司 技術(shù)中心， 江西 上饒 334000)

隨著我國高速公路網(wǎng)絡的日益完善，汽車高速行駛成為常態(tài)，高速下因超車換道不當引發(fā)的交通事故時有發(fā)生。為降低因超車換道不當引起的道路交通安全問題，常見的研究內(nèi)容包括駕駛意圖、超車換道階段、車輛運動學、模糊評判及神經(jīng)網(wǎng)絡方法、有關(guān)駕駛員性格特性的超車模型等[1-5]。筆者擬采用Adams和Simulink軟件仿真分析高速下的超車過程，以確定其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅度變化的安全范圍。

1 高速直道超車特性分析

1.1 高速直道超車條件的確立

依據(jù)文獻[6]中的相關(guān)規(guī)定，高速公路的設(shè)計車速為80～120 km/h，行車道寬度為3.75 m。為研究汽車在高速行駛狀態(tài)下進行直道超車過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的最大許可值，采用雙移線試驗，模擬高速公路直道上超車后迅速返回原車道的典型超車過程。依據(jù)文獻[7]的標準設(shè)計路徑如圖1所示。

圖1中：S0=50 m；S1=15 m；S2=35 m；S3=60 m；S4=35 m；S5=30 m；S6=50 m；變道距離D=3.75 m；標桿寬度B1=1.1b+0.25 m，B2=1.2b+0.25 m，B3=1.3b+0.25 m，其中b為車寬。

為便于討論，特作如下要求：

1) 車速研究范圍為80～120 km/h，研究中忽略轉(zhuǎn)向間隙的影響。

2) 為防止超車時駛出超車道，汽車橫向位移應不超過3.75 m。

3) 超車過程中不受其他車輛的影響，被超車輛在S1、S2、S3、S4區(qū)域行駛，超車過程中不發(fā)生碰撞。

為實現(xiàn)汽車在高速下超車的仿真試驗，特選取某車進行研究，該車主要參數(shù)如下：整備質(zhì)量為 1 308 kg，其中前軸荷774 kg，后軸荷534 kg；滿載質(zhì)量為1 678 kg，其中前軸荷883.3 kg，后軸荷794.7 kg；整車尺寸為長4 162 mm、寬1 813 mm、高1 634 mm、軸距2 561 mm、前輪距1 562 mm、后輪距1 562 mm；前懸架彈簧剛度為27.7 N/mm、后懸架彈簧剛度為20.5 N/mm。

1.2 整車仿真模型建立

采用虛擬樣機技術(shù)，在Adams環(huán)境下將分析車輛作必要的簡化，并以數(shù)學模型的形式體現(xiàn)。其簡化要求如下：

1) 懸架的簡化。分析試驗車的前后懸架均為獨立懸架，建立懸架子系統(tǒng)時各關(guān)鍵點的坐標均通過查看設(shè)計圖紙得到，減振器、彈簧、橡膠襯套等參數(shù)通過實驗得到。

2) 轉(zhuǎn)向系的簡化。將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱管簡化為可繞車身轉(zhuǎn)動的物體，只考慮轉(zhuǎn)向傳動軸繞車身的轉(zhuǎn)動，用萬向節(jié)將轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動軸之間進行連接，左轉(zhuǎn)向節(jié)繞左主銷的轉(zhuǎn)動角度θl(rad)以及轉(zhuǎn)向傳動軸繞車身轉(zhuǎn)動的角度θi(rad)之間用角位移關(guān)系約束連接，約束關(guān)系為：

θi=iθl

式中：i為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的角傳動比，i=14.9。

左右轉(zhuǎn)向節(jié)繞各自主銷轉(zhuǎn)動的角度關(guān)系由轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)來保證，如下式所示：

式中：θr為右轉(zhuǎn)向節(jié)繞右主銷轉(zhuǎn)動的角度，rad；L為軸矩，m；B為兩側(cè)主銷軸線與地面相交點間的距離，m；a為轉(zhuǎn)向系數(shù)，a=1表示左轉(zhuǎn)向，a=-1表示右轉(zhuǎn)向。

3) 輪胎的簡化。對輪胎參數(shù)的選擇決定著汽車轉(zhuǎn)向過程的轉(zhuǎn)向特性(不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向、過度轉(zhuǎn)向)。鑒于輪胎既不是完全剛體也不是完全柔體的特點，特采用一組數(shù)學公式表示輪胎的特征，本研究采用PAC輪胎模型。

4) 動力總成簡化。采用Adams自帶的動力系統(tǒng)外形模型，傳動軸的萬向節(jié)滑動叉與發(fā)動機的動力輸出軸通過萬向節(jié)相連，萬向節(jié)滑動叉與套管通過滑動約束相連，套管與主減速器轉(zhuǎn)動軸通過萬向節(jié)相連，主減速器轉(zhuǎn)動軸和左右半軸繞后橋轉(zhuǎn)動，主減速器轉(zhuǎn)動軸角速度w0和左、右半軸轉(zhuǎn)動的角速度wl、wr滿足以下關(guān)系：

2w0=i0(wl+wr)

式中：i0為主減速器的傳動比。

5) 整車模型裝配。根據(jù)各總成之間的連接關(guān)系，在Adams環(huán)境下建立相應的數(shù)據(jù)通訊接口，實現(xiàn)各總成之間的安裝連接關(guān)系和數(shù)據(jù)的傳遞功能。將建立好的各子模塊，通過建立的通訊器連接到一起，其中車身簡化為一個同質(zhì)量的剛性圓球。整車裝配模型如圖2所示。

圖2 試驗汽車裝配模型

1.3 高速直道超車過程仿真分析

根據(jù)圖1設(shè)計的路徑，編寫驅(qū)動文件(仿真試驗條件)。進入Adams/Car仿真環(huán)境，進入Standard Interface模式，單擊菜單中“File”，“Import”，在“File to read”中右擊查找整車模型并導入，單擊菜單欄中“Simulate”，“Full-Vehicle Analysis”，“Course Events”，“ISO lane change”命令，將創(chuàng)建的仿真試驗條件導入Adams環(huán)境，并設(shè)置分析車輛的行駛速度 110 km/h 進行高速超車仿真分析試驗，其他設(shè)置如下：在“Output Set Size”中設(shè)置仿真步長為0.01 s，并單擊“OK”按鈕，此時Adams/Car開始求解，然后單擊“Close”按鈕，單擊“F8”進入后處理模塊，查看仿真結(jié)果。試驗車輛分別以80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h、120 km/h的車速完成直道超車過程，其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化關(guān)系如圖3所示。

圖3 5種車速下超車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時間的變化關(guān)系曲線

圖3表明：高速直道超車過程中，隨著車速的增加，轉(zhuǎn)向盤的最大轉(zhuǎn)角值將降低；通過在Adams/Postprocessor界面中單擊“plot track”功能按鈕查看圖3中在80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h、120 km/h 5種車速下對應的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角幅度最大值分別為24.8°、21.2°、13.7°、11.9°、9.6°。

2 高速直道超車軌跡驗證分析

為檢驗上述仿真分析結(jié)果的可行性，并鑒于汽車高速直道超車試驗過程的安全風險，特結(jié)合本團隊前期研究的基于Simulink的汽車直道超車運動軌跡模型對高速超車過程轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大值的仿真結(jié)果進行驗證[8]。

汽車直道超車運動軌跡模型采用將輪胎魔術(shù)公式和三自由度車輛動力學模型相結(jié)合的方法，推導出汽車進行直道超車過程中的運動軌跡數(shù)學方程，在Matlab/Simulink環(huán)境下進行模型構(gòu)建與仿真，并在40～80 km/h車速下進行直道超車試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，證明了前期仿真模型的正確性。為此，本研究以前期模型為基礎(chǔ)，探討高速仿真結(jié)果。

將圖3所示的5種車速下的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時間而變化的數(shù)據(jù)分別導入前期模型中的W模塊(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入模塊)，并在M文件中對車速進行相應的設(shè)定，仿真得到基于Simulink的汽車高速直道超車軌跡曲線，如圖4所示。

圖4 5種車速下的直道超車軌跡

通過將基于Adams的直道高速超車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時間而變化的仿真數(shù)據(jù)導入前期建立的汽車超車運動軌跡模型，仿真得到對應的直道高速超車運動軌跡，不難看出：分析車輛在5種車速及相應的轉(zhuǎn)向角驅(qū)動下，其最大橫向位移均約為3.75 m，且符合高速直道超車建模條件。該仿真結(jié)果驗證了基于Adams的高速直道超車仿真模型的準確性。

3 結(jié) 論

1) 汽車在高速下進行直道超車，其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角幅度大小是影響超車安全性的一個主要因素。

2) 80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h、120 km/h 5種車速下進行直道超車時的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大值可初步標定為24.8°、21.2°、13.7°、11.9°、9.6°，實際標定中需要考慮相應車輛的轉(zhuǎn)向間隙。

3) 直道高速超車安全轉(zhuǎn)向幅度仿真研究為高速下超車安全性的改善提供數(shù)據(jù)支撐，也能為衡量高速超車過程中是否駕駛得當提供定量參考。

[1] 張良力，吳超仲，黃珍，等．面向安全預警的機動車駕駛意圖研究現(xiàn)狀與展望[J]．交通信息與安全，2012，30(3)：87-92．

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[6] 中華人民共和國交通運輸部.公路工程技術(shù)標準:JTG B01-2014[S]．北京：人民交通出版社，2015:1.

[7] Passenger cars. Test track for a severe lane-change manoeuvre：ISO 3888-2：2011 [S/OL]．[2017-05-20].https:∥www.iso.org/standard/57253.html.

[8] 張振，鄭安文，張良力，等．直道超車過程大角度快速轉(zhuǎn)向安全性分析[J]．中國安全科學學報，2015，25(6)：46-50．