基于CARSIM仿真的車輛彎道行駛特性研究

鄧星月

摘要：我國西部山區(qū)大多是雙車道公路，存在著大量彎道，由于車輛在彎道行駛時(shí)受到沿橫坡坡面方向的橫向力、垂直荷載和輪胎附著力致使行駛特性發(fā)生根本性的改變，基于設(shè)計(jì)速度的設(shè)計(jì)方法對(duì)地形復(fù)雜路段的實(shí)用性不強(qiáng)。本文運(yùn)用Carsim仿真對(duì)車輛彎道的行駛特征進(jìn)行了研究，為公路平面線性設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：彎道行駛特性；橫向失穩(wěn)性；側(cè)翻性；Carsim仿真

1 引言

全國的公路路網(wǎng)中，雙車道公路所占比例較大，大多數(shù)二級(jí)及二級(jí)以下道路都是雙車道公路，其擔(dān)負(fù)著公路交通的重要任務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國西部山區(qū)發(fā)生的重大交通事故的比例占到全國重大交通事故的70%，其中僅在彎道發(fā)生的交通事故都高達(dá)52%，給人們的出行造成嚴(yán)重影響的同時(shí)還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

2001年Krammes[5]等人通過分析了不同超高對(duì)車輛在彎道路段側(cè)滑的影響，發(fā)現(xiàn)車輛在彎道行駛時(shí)超高越大發(fā)生的側(cè)滑偏移越大。2002年德國工業(yè)大學(xué)的Weise等人通過對(duì)行駛在彎道路段的車輛發(fā)生的偏移與圓曲線半徑關(guān)系的研究，提出評(píng)價(jià)彎道行駛的穩(wěn)定性方法并將道路行駛的安全等級(jí)分為了四級(jí)。2005年美國路易斯安那大學(xué)的孫文峰通過傳感器獲得車輛在彎道路段發(fā)生偏移進(jìn)行分析，研究表明，路面條件、超高等是影響車輛側(cè)滑偏移的主要影響因素。

2004年同濟(jì)大學(xué)楊軫[10]等人研究發(fā)現(xiàn)車輛在彎道行駛中，在通過直曲點(diǎn)、曲中點(diǎn)、曲直點(diǎn)時(shí)，車輛向外發(fā)生的偏移方向不同，且偏移量受到行駛速度的影響。2011年哈爾濱工業(yè)大學(xué)章錫俏、李松齡[12]等分析車輛在彎道外側(cè)的受力情況，通過仿真為路面附著系數(shù)降低現(xiàn)象提出建議；2012年重慶交通大學(xué)徐進(jìn)、邵毅明[13]等提出“前視斷面選點(diǎn)”的計(jì)算方法，構(gòu)建行駛軌跡決策模型，適用于復(fù)雜山區(qū)行駛軌跡決策，驗(yàn)證了模型可靠性。

通過對(duì)比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對(duì)我國西部山區(qū)地形復(fù)雜，分析車輛彎道行駛特性對(duì)于支撐復(fù)雜山路道路實(shí)際道路的平面線性設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 車輛急彎運(yùn)行影響分析

2.1彎道行駛特性

山區(qū)公路急彎路段的車輛運(yùn)行可以按照車輛在圓曲線段的形式特征進(jìn)行分析，即車輛由直線進(jìn)入彎道圓曲線、大半徑曲線進(jìn)入小半徑曲線、小半徑曲線駛出更小曲線車輛會(huì)減速，減速效果與兩個(gè)線形單元比率差成正比[4]；而輛由小半徑曲線進(jìn)入或駛出大半徑曲線、以及駛過曲線中點(diǎn)之后，車速由加速或保持現(xiàn)有運(yùn)行速度的趨勢(shì)。

車輛在彎道路段行駛時(shí)，不僅受到沿橫坡坡面方向的橫向力的影響，還受到自身重力垂直荷載的支撐力作用：

（1）橫向力。車輛行駛至彎道過程時(shí)，其所受的合力為車輛轉(zhuǎn)彎提供一個(gè)沿著半徑方向的離心力，考慮超高或路拱橫坡的情況下，行駛在彎道的車輛受到的離心力。

（2）垂直荷載。車輛在彎道上行駛時(shí)，地面對(duì)其的支撐力與車輛的垂直荷載相等。

（3）輪胎附著力。輪胎橫向附著力為輪胎所受支撐力與橫向力系數(shù)的乘積。

2.2急彎運(yùn)行安全性分析

根據(jù)Carsim仿真中獲取的車輛過彎的橫向側(cè)滑偏移量與橫向離心力（側(cè)翻）為參數(shù)指標(biāo)，判斷車輛在急彎行駛時(shí)的安全性[23]。

由車輛彎道行駛特性推導(dǎo)可得：

3 Carsim仿真分析

根據(jù)車輛急彎行駛特性與安全運(yùn)行的臨界速度，采用Carsim對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

①不同半徑值分析

以超高為6%為例，采用設(shè)計(jì)車速20km/h～80km/h時(shí)規(guī)范最小半徑，仿真每種半徑條件下側(cè)滑臨界車速，并與設(shè)計(jì)車速和理論車速對(duì)比，如下表所示，。

從上表3.1可知：（1）在同一超高下，隨著彎道半徑的增大，側(cè)滑臨界最大車速值也增大；（2）仿真車速大于設(shè)計(jì)車速，略小于計(jì)算車速，

②不同超高值分析

以設(shè)計(jì)車速80km/h，對(duì)應(yīng)半徑250m的彎道為例，超高從0變換到10%，總共6組模型，仿真此時(shí)的側(cè)滑臨界車速，如下表3.2所示：

從上表3.2可知：（1）隨著超高的增大，不管是計(jì)算車速還是仿真車速，側(cè)滑臨界最大車速都隨之增加。（2）仿真?zhèn)然R界最大車速同樣是要大于設(shè)計(jì)車速，但略小于計(jì)算車速。

4 總結(jié)

本文通過Carsim仿真驗(yàn)證車輛彎道運(yùn)行的橫移、側(cè)滑和側(cè)翻的與彎道幾何參數(shù)的關(guān)系，根據(jù)仿真可計(jì)算不同彎道半徑、不同超高的情形下的彎道側(cè)滑臨界車速，可為山區(qū)道路平面線性設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)彎道半徑小于40m時(shí)，超高不能超過8%，否則會(huì)過于危險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李文波，劉東波，譚山，鄭芳. 山區(qū)雙車道公路視距與交通安全的關(guān)系研究[J]. 黑龍江交通科技，2007，（12）：149-151.

[2]楊軫.行車動(dòng)力學(xué)仿真模型研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2004.

[3]章錫俏，李松齡.寒冷地區(qū)設(shè)超高公路圓曲線半徑設(shè)計(jì)仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6.

[4]徐進(jìn)，趙軍，邵毅明，陳泳汐. 基于“人-車-路”協(xié)同的復(fù)雜公路/賽道行駛軌跡決策模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2014，34（05）：1311-1323.

（作者單位：重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院）