高速公路苜蓿葉型立交環(huán)形匝道側(cè)滑事故仿真研究*

李詩(shī)佳 竇同樂(lè) 徐 進(jìn),2▲

（1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 重慶400074；2.重慶交通大學(xué)山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車(chē)-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶400074）

0 引 言

隨著汽車(chē)保有量的上升，高速公路交通事故急劇增加，互通立交區(qū)域成為了交通事故高發(fā)區(qū)。以G93成渝環(huán)線高速公路宜賓至瀘州段為例，2017年—2019年10月主線和互通（含收費(fèi)站）發(fā)生交通事故總計(jì)733例，其中互通立交（含收費(fèi)區(qū)域）發(fā)生事故255例，占總量34.78%，白鶴林樞紐互通發(fā)生事故67例，占全線交通事故總量的9.14%，占互通立交事故總量的26.27%?；ネ⒔坏氖鹿识喟l(fā)點(diǎn)主要集中在匝道路段和出口三角區(qū)，其中前者與駕駛?cè)瞬缓侠淼乃俣冗x擇行為有關(guān)，后者與指路信息不明確有關(guān)。高速公路由于主線速度較高導(dǎo)致車(chē)輛駛出主線進(jìn)入匝道后的速度仍維持在較高的幅值，而匝道的線形指標(biāo)遠(yuǎn)低于主線，使得匝道上的行駛車(chē)輛穩(wěn)定性劣化，更容易發(fā)生事故。與入口匝道相比，出口匝道（從高速公路主線駛出后進(jìn)入的匝道）的事故風(fēng)險(xiǎn)更高。

關(guān)于互通立交的運(yùn)行特性，崔強(qiáng)[1]、徐進(jìn)等[2]開(kāi)展了幾類(lèi)典型城市立交的實(shí)車(chē)駕駛實(shí)驗(yàn)，基于自然駕駛數(shù)據(jù)對(duì)立交匝道以及連接部位的行駛速度特性和縱向加速度進(jìn)行了分析，確定了互通立交進(jìn)/出口加速長(zhǎng)度和減速長(zhǎng)度的起止點(diǎn)分布。徐進(jìn)[3]通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)采集了自然駕駛下環(huán)形匝道的行駛速度和橫向加速度數(shù)據(jù)，對(duì)上下行匝道速度變化趨勢(shì)，橫向加速度均值、峰值進(jìn)行了分析；林偉[4]通過(guò)實(shí)車(chē)路試采集了互通立交匝道的駕駛數(shù)據(jù)，分析了幾類(lèi)立交匝道的橫向運(yùn)行特性，得到了匝道橫向加速度和車(chē)道使用的統(tǒng)計(jì)特性。徐進(jìn)等[5-6]獲取了螺旋匝道的自然駕駛數(shù)據(jù)，分析了螺旋匝道的速度和橫向加速度特性。Farah等[7]使用無(wú)人機(jī)懸停在高空拍攝了互通立交匝道的視頻，提取了匝道的車(chē)輛行駛速度，并確定了大型車(chē)和小客車(chē)的速度模式。Beinum等[8]用同樣的手段提取了互通立交區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛運(yùn)行軌跡，分析了立交匝道以及交織區(qū)的駕駛行為模式。

仿真手段廣泛被應(yīng)用于曲線路段的運(yùn)行特性分析與評(píng)價(jià)，之前主要應(yīng)用在山區(qū)道路主線路段[9-11]，近年來(lái)開(kāi)始應(yīng)用于互通立交匝道。劉晨[12]利用Carsim 對(duì)公路線形評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法進(jìn)行研究；李平[13]通過(guò)Trucksim對(duì)彎道路段半徑、超高、道路附著系數(shù)等對(duì)彎道安全速度閾值進(jìn)行研究；竇同樂(lè)等[14-15]運(yùn)用Trucksim/Carsim 軟件進(jìn)行不同類(lèi)型互通立交的車(chē)輛行駛仿真，基于仿真輸出的車(chē)輛橫向/豎向/縱向加速度對(duì)匝道行駛舒適性進(jìn)行了分析。王曉玉[16]利用多個(gè)車(chē)輛穩(wěn)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系，使用Carisim開(kāi)展行駛仿真實(shí)驗(yàn)，利用建立的評(píng)體系對(duì)匝道運(yùn)行進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)。吳初娜等[17]基于Trucksim行駛仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以橫向側(cè)偏量和輪胎垂直荷載轉(zhuǎn)移率研究了客車(chē)在彎道超速行駛對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響。

綜上，目前實(shí)車(chē)駕駛試驗(yàn)主要是獲取自然駕駛數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行駕駛行為特征和車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)分析，但無(wú)法得到臨界狀態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)法用于事故風(fēng)險(xiǎn)分析?；谛旭倓?dòng)力學(xué)仿真的手段雖然應(yīng)用在互通立交匝道的運(yùn)行過(guò)程模擬，但現(xiàn)有的研究并未對(duì)涉及事故匝道的形成機(jī)制?；诖?，為了揭示高速公路樞紐互通立交的事故形成機(jī)制，本文以宜瀘高速白鶴林樞紐互通為研究對(duì)象，在Carism 軟件環(huán)境下建立高速公路主線、連接部和匝道的三維數(shù)字模型，模擬在不同超速程度、減速起點(diǎn)位置、道路附著系數(shù)下，小客車(chē)從高速公路駛?cè)朐训赖耐暾\(yùn)行過(guò)程，對(duì)苜蓿葉型匝道上的車(chē)輛側(cè)向失穩(wěn)事故進(jìn)行微觀分析研究。

1 仿真方法與模型

1.1 研究對(duì)象

以宜瀘高速公路白鶴林樞紐互通為研究對(duì)象，該互通的樣式為半苜蓿葉型半定向型立交，位于四川省瀘州市納溪區(qū)境內(nèi)，見(jiàn)圖1（a）。該互通連接宜瀘高速公路與隆納高速公路（夏蓉高速公路的一部分）。2017 年至2019 年10 月期間，發(fā)生交通事故共計(jì)67 例，其中發(fā)生在匝道（匝道D）的事故數(shù)33例，約占總量49%，事故形態(tài)均為車(chē)輛與匝道外側(cè)護(hù)欄發(fā)生碰撞，因此D 匝道為該樞紐立交的事故高發(fā)匝道。

表1 仿真道路的線形參數(shù)Tab.1 Alignment parameters of the simulated roads

1.2 仿真方法

根據(jù)白鶴林主線及匝道的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)CAD軟件對(duì)仿真道路進(jìn)行平面線形、道路縱斷面、道路超高加寬設(shè)計(jì)，之后將緯地軟件復(fù)現(xiàn)后的立交數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Carsim 道路模型中，完成仿真互通立交在Carsim 軟件里的三維建模。然后，在Carsim 中完成車(chē)輛建模及仿真工況設(shè)置；再進(jìn)行車(chē)輛在高速公路上由主線到匝道的行駛過(guò)程模擬。

1.3 道路建模

在Carism 仿真軟件中對(duì)白鶴林互通中包括事故匝道在內(nèi)的6 條路徑進(jìn)行仿真復(fù)現(xiàn)，將其命名為主線1、主線2、MJY 匝道、JY 匝道、匝道A、匝道D（事故匝道），見(jiàn)圖2；其中MJY 匝道與JY 匝道是集散車(chē)道，匝道A 和匝道D 是2 條線形相似的右轉(zhuǎn)小半徑匝道；主線1與MJY匝道為大半徑曲線路段，車(chē)輛在該路段行駛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)類(lèi)似直線行駛響應(yīng)狀態(tài)；由于主線1 與MJY 匝道，主線2 與JY 匝道線形條件相似，車(chē)輛在集散車(chē)道行駛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與主線相同，故研究中，將車(chē)輛由集散車(chē)道到匝道再到集散車(chē)道的換線過(guò)程，視為車(chē)輛由主線到匝道再到主線的換線過(guò)程進(jìn)行研究。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，以道路中心線為參考路徑，對(duì)每一條路線在系統(tǒng)中進(jìn)行path-ID命名；通過(guò)設(shè)置事件Event 進(jìn)行仿真車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制?；ネ⒔恍旭偟谋举|(zhì)是線路轉(zhuǎn)換，當(dāng)車(chē)輛行駛到切換線路前的某一站值時(shí)，通過(guò)觸發(fā)Event，系統(tǒng)調(diào)用線路Path-ID實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在2 條線路之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將新線路的站值賦給sv_sta_road，以此滿足仿真車(chē)輛在換道后的行車(chē)條件。

表2 仿真線路的ID 命名Tab.2 ID name of route in driving simulation

圖2 仿真道路及行駛路徑Fig.2 the simulated road and the target path

1.4 車(chē)輛模型

結(jié)合白鶴林互通立交的交通組成、事故車(chē)型分布、以及不利原則等因素，選取SUV 作為仿真車(chē)型。SUV具有較大的整車(chē)質(zhì)量和較快的行駛速度，且重心位置與三廂車(chē)對(duì)比更高，更容易發(fā)生行駛失衡導(dǎo)致交通事故，事故后果相對(duì)于三廂小轎車(chē)更嚴(yán)重。試驗(yàn)使用Carsim軟件自帶的SUV整車(chē)模型，包含車(chē)體、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、輪胎及空氣動(dòng)力學(xué)等7大系統(tǒng)。

1.5 仿真工況

為了得到白鶴林互通立交事故匝道的發(fā)生機(jī)制，本文設(shè)置3 種仿真工況進(jìn)行事故匝道的駕駛仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，具體如下。

工況一：道路附著系數(shù)為0.6，速度控制采用恒定目標(biāo)速度行駛，根據(jù)匝道行駛速度的實(shí)測(cè)值分布，在匝道限速40 km/h 的基礎(chǔ)上使車(chē)輛分別在超速0%，20%，50%，70%的條件下，按照仿真路線恒速行駛，完成仿真實(shí)驗(yàn)，以研究不同超速程度下車(chē)輛在匝道行駛的安全性。

工況二：道路附著系數(shù)為0.6，采用恒定目標(biāo)速度和速度預(yù)測(cè)2種控制方式。車(chē)輛在行駛至某站值前，采用恒定目標(biāo)速度，達(dá)到該站值時(shí)觸發(fā)事件Event，切換為速度預(yù)瞄控制。速度控制切換點(diǎn)設(shè)置在匝道入口附近，在速度預(yù)瞄控制下車(chē)輛會(huì)減速制動(dòng)，控制方式切換點(diǎn)即車(chē)輛減速起點(diǎn)。

工況三：車(chē)輛速度控制采用恒定目標(biāo)速度，改變路面附著系數(shù)μ逐次進(jìn)行虛擬行駛仿真，μ值分別為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，車(chē)輛依次以超速0%，20%，50%，70%的恒定速度進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析不同氣候條件下，匝道路面抗滑性與車(chē)輛行駛安全性的關(guān)系。

2 匝道超速行為對(duì)側(cè)滑的影響

汽車(chē)側(cè)滑是小半徑匝道的常見(jiàn)事故形態(tài)，側(cè)向加速度ay和橫擺角速度ω 可以用來(lái)表征車(chē)輛在小半徑彎道上的行駛穩(wěn)定性。以橫向加速度ay來(lái)表征行駛穩(wěn)定性/駕駛舒適性時(shí)，其閾值為[18]：ay＜1.8 m/s2，穩(wěn)定性/舒適性較好；1.8 m/s2＜ay＜3.6 m/s2，穩(wěn)定性/舒適性一般；3.6 m/s2＜ay＜5 m/s2，穩(wěn)定性/舒適性較差；5 m/s2＜ay，非常不穩(wěn)定/不舒適。橫擺角速度ω 與橫向加速度ay之間的關(guān)系為：根據(jù)側(cè)向加速度ay的閾值，以及事故匝道D的限速值40 km/h，計(jì)算出橫擺角速ω的閾值，見(jiàn)表3。

表3 橫擺角速度與車(chē)輛穩(wěn)定性的關(guān)系Tab.3 Relationship between yaw rate and vehicle stability

峰值附著系數(shù)是指車(chē)輛4個(gè)車(chē)輪上法線上所受的側(cè)向力與豎直方向的垂直力比值絕對(duì)值中的最大值[8]，表達(dá)式見(jiàn)式1，能夠作為衡量車(chē)輛側(cè)滑安全性指標(biāo)；當(dāng)路面附著系數(shù)μ 小于臨界值時(shí)，行車(chē)安全；當(dāng)μ 大于臨界值時(shí)，行車(chē)危險(xiǎn)；當(dāng)μ 等于或接近臨界值時(shí)，車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑。

式中：μ( z )為峰值附著系數(shù)；Fyi(z)為輪胎側(cè)向力；Fzi(z)為輪胎垂直力，i=L1，L2，R1，R2，分別表示左前輪、左后輪、右前輪、右后輪。

以40 km/h（匝道限速值）為基礎(chǔ)車(chē)速值，根據(jù)匝道測(cè)速結(jié)果的分布區(qū)間使車(chē)輛以超速0%，20%，50%，70%完成從高速主線到匝道D 的定速行駛，即仿真速度為40 km/h, 48 km/h, 60 km/h,68 km/h。從仿真輸出結(jié)果提取出車(chē)身側(cè)偏角、橫向加速度、軌跡坐標(biāo)等汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)，然后計(jì)算出軌跡橫向偏移量、橫擺角速度、峰值附著系數(shù)等指標(biāo)值得連續(xù)量，見(jiàn)圖3。

圖3 不同超速程度下的匝道D車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)Fig.3 Vehicle running status under different overspeed on ramp D

由于匝道設(shè)置了超高（橫坡），超速50%以上時(shí)車(chē)身超曲線外側(cè)傾斜（圖3（a）），而以限速值或超速20%行駛時(shí)車(chē)身輕微超曲線內(nèi)側(cè)傾斜，但傾斜幅度均很低。受輪胎側(cè)偏特性的影響，當(dāng)車(chē)輪承受的側(cè)向力過(guò)大時(shí)，車(chē)輛行駛軌跡向彎道外側(cè)偏移，使得車(chē)輛的偏移目標(biāo)路徑，在圖3（b）中，超速程度小于等于50%時(shí)軌跡橫向偏移量很低。當(dāng)超速70%時(shí)，橫向偏移量顯著增加至并有較大波動(dòng)最大值為0.95 m，已經(jīng)致使車(chē)輛越出車(chē)道線，即車(chē)輛已經(jīng)處于不安全狀態(tài)。在圖中，車(chē)輛按限速值或超速20%行駛時(shí)，側(cè)偏量曲線值大于0，即軌跡向彎道內(nèi)側(cè)有輕微偏移，這是因?yàn)闄M向側(cè)偏量是車(chē)輛質(zhì)心相對(duì)于目標(biāo)路徑的側(cè)偏量，匝道超高使車(chē)輛質(zhì)心朝彎道內(nèi)側(cè)偏出。

圖3（c）是車(chē)輛的橫擺角速度曲線圖，橫擺角速度隨著超速程度的增加而不斷增大，表明車(chē)輛隨著速度的增加，行駛穩(wěn)定性越來(lái)越差。圖3（d）是不同超速程度下車(chē)輛在匝道行駛時(shí)的峰值附著系數(shù)，峰值系數(shù)與超速程度呈正相關(guān)關(guān)系，超速50%，峰值系數(shù)有較大增量，但仍低于路面附著系數(shù)；超速70%時(shí)峰值系數(shù)已經(jīng)超過(guò)路面附著系數(shù)，即輪胎與路面之間已經(jīng)發(fā)生了側(cè)滑。由此可見(jiàn)車(chē)輛在超速幅度低于20%時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)較低，不會(huì)在匝道事故段發(fā)生側(cè)滑；當(dāng)超速70%行駛，橫向側(cè)偏量過(guò)大且軌跡側(cè)偏值不穩(wěn)定，車(chē)輛已經(jīng)發(fā)生側(cè)滑。

圖4給出了超速50%和70%這2種工況，車(chē)輛在匝道行駛過(guò)程中軌跡橫向偏移量達(dá)到最大值時(shí)的仿真畫(huà)面，在圖（b）中車(chē)輛輪胎已經(jīng)超過(guò)彎道外側(cè)路緣線，即車(chē)身已經(jīng)偏離行車(chē)道。

3 不同減速點(diǎn)對(duì)側(cè)滑的影響

圖4 最大側(cè)向偏移處車(chē)輛行駛狀況Fig.4 Vehicle driving condition at maximum lateral offset

在實(shí)際駕駛中，駕駛員進(jìn)入匝道曲線路段時(shí)會(huì)在曲線之前開(kāi)始減速。駕駛員開(kāi)始減速操作的起點(diǎn)位置對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性存在顯著的影響。為了研究分析二者之間的關(guān)系，使車(chē)輛以超速70%恒速行駛至各減速起點(diǎn)，然后切換速度控制模式，模擬車(chē)輛在不同減速起點(diǎn)開(kāi)始減速操作的匝道行駛場(chǎng)景。車(chē)輛在進(jìn)入匝道圓曲線前，主要在緩和曲線（長(zhǎng)度為70 m）和之前的直道上進(jìn)行減速，為此，減速起點(diǎn)位置見(jiàn)表4。

車(chē)輛曲線行駛時(shí)，輪胎與地面之間存在附著力，其值見(jiàn)式（3），在路面附著力系數(shù)維持穩(wěn)定時(shí)，附著力的大小是一定的。根據(jù)行駛方向，附著力含縱向的驅(qū)動(dòng)力/制動(dòng)力，以及側(cè)向力2 個(gè)部分，一個(gè)方向力的增大必然導(dǎo)致另一方向力的減少。以車(chē)輛在曲線路段制動(dòng)為例，當(dāng)車(chē)輛在高速下制動(dòng)時(shí)，縱向上需求的制動(dòng)力大，側(cè)向上無(wú)法提供足夠的力來(lái)抵消離心力，車(chē)輛進(jìn)入側(cè)滑甩尾的危險(xiǎn)狀態(tài)[19]。

式中，μ 為道路附著力系數(shù)；Fx為車(chē)輛縱向上的驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)；Fy為車(chē)輛法向上的側(cè)向力。

圖5（a）是仿真輸出的不同減速起點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的車(chē)身橫擺角速度曲線，減速起點(diǎn)5～8 曲線超過(guò)穩(wěn)定性閾值，其中減速起點(diǎn)5和6的側(cè)向穩(wěn)定性較差，減速起點(diǎn)7和8的側(cè)向穩(wěn)定性則非常差。圖5（b）為不同減速起點(diǎn)下車(chē)輛在匝道路段的側(cè)向偏移曲線，減速起點(diǎn)1～4的側(cè)向偏移量為0，表明車(chē)輛沒(méi)有側(cè)滑；減速起點(diǎn)5～8 的軌跡偏移值曲線發(fā)生了較大的波動(dòng)，表明車(chē)輛在仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了側(cè)滑，且隨著減速起點(diǎn)后移，車(chē)輛側(cè)滑更加嚴(yán)重。不同減速起點(diǎn)下的軌跡偏移量峰值見(jiàn)表5。車(chē)輛側(cè)滑行駛狀態(tài)見(jiàn)圖6，駕駛?cè)瞬扇〉臏p速操作越晚，軌跡偏離行車(chē)道越嚴(yán)重。為此，駕駛?cè)嗽谶M(jìn)入匝道曲線路段之前內(nèi)應(yīng)盡早采取制動(dòng)措施，保證足夠的制動(dòng)距離，以提高行車(chē)安全性。

圖5 不同減速起點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)Fig.5 vehicle dynamic response when driver brake at different deceleration start points

表4 減速起點(diǎn)與匝道起點(diǎn)的位置關(guān)系Tab.4 Position relationship between deceleration start point and ramp start point

表5 不同減速起點(diǎn)車(chē)輛的最大橫向側(cè)向偏移量Tab.5 Maximum lateral offset of vehicles for different starting points of deceleration

圖6 最大橫向偏移處車(chē)輛側(cè)滑狀態(tài)Fig.6 Vehicle sideslip at maximum lateral offset

4 路面附著系數(shù)對(duì)側(cè)滑的影響

為了分析路面濕滑對(duì)行駛穩(wěn)定性的影響，在仿真中將路面附著系數(shù)μ 分別設(shè)置為0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，以模擬降雨天氣時(shí)車(chē)輛在濕滑匝道路面上的行駛過(guò)程；同時(shí)，也將行駛速度作為實(shí)驗(yàn)變量。車(chē)輛在超速70%時(shí)，僅能在附著系數(shù)為0.65的匝道上完成仿真實(shí)驗(yàn)；在超速50%條件下，當(dāng)?shù)缆犯街禂?shù)為0.5 時(shí)，車(chē)輛在匝道內(nèi)側(cè)滑，但仍能完成實(shí)驗(yàn)；μ=0.45 時(shí)，車(chē)輛側(cè)滑至匝道外側(cè)無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)；在超速20%時(shí)，車(chē)輛能完成絕大部分仿真實(shí)驗(yàn)，但μ 為0.35時(shí)車(chē)輛會(huì)發(fā)生側(cè)滑；不同超速程度下完成的行駛仿真實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表6。

表6 不同超速程度下完成的路面附著系數(shù)實(shí)驗(yàn)Tab.6 Adhesion coefficient driving test completed under different overspeed

表7 不同附著系數(shù)下的最大橫向側(cè)偏量Tab.7 Maximum lateral offset under different adhesion coefficients

車(chē)輛在曲線路段行駛時(shí)，地面給車(chē)輪一個(gè)反向作用力來(lái)抵抗側(cè)偏力。當(dāng)車(chē)輪有側(cè)向彈性時(shí)，由于側(cè)向力的存在，車(chē)輪行駛方向?qū)⑵x目標(biāo)路徑。車(chē)輪滾動(dòng)時(shí)，車(chē)輪接地印跡中心線與車(chē)輪平面方向的夾角即輪胎側(cè)偏角[19]，側(cè)偏角的幅值主要受橫向力的影響。當(dāng)車(chē)輛正常行駛時(shí)，橫向加速度ay不超過(guò)4 m/s2，輪胎側(cè)偏角不超過(guò)4°～5°，且ay與側(cè)偏角成線形關(guān)系；當(dāng)ay超過(guò)4 m/s2時(shí)，輪胎側(cè)偏角會(huì)進(jìn)入非線性變化區(qū)間，輪胎側(cè)偏特性發(fā)生顯著變化，角度急劇變化，使得車(chē)輛不能進(jìn)行正常的圓周運(yùn)動(dòng)，車(chē)輛轉(zhuǎn)向半徑迅速變化，即車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑。為研究路面附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛匝道行駛側(cè)滑性的影響，以超速50%為例，提取不同附著系數(shù)道路下的輪胎側(cè)偏角進(jìn)行分析。

當(dāng)車(chē)輛存在轉(zhuǎn)向不足特性時(shí)，駕駛員需要增加轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角以彌補(bǔ)不足轉(zhuǎn)向；而當(dāng)速度增大時(shí)，轉(zhuǎn)向不足會(huì)被放大，需要再進(jìn)行額外的轉(zhuǎn)向角度補(bǔ)償。圖7 給出了2 種路面附著系數(shù)條件下車(chē)輛輪胎的側(cè)偏角曲線，在“緩和曲線-圓曲線”銜接位置（YH點(diǎn)和HY點(diǎn)）側(cè)偏角會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，路面附著系數(shù)越低越明顯，這是由于目標(biāo)路徑（也就是車(chē)道中心線）的曲率變化率在YH和HY點(diǎn)處存在突變所致。此外，前軸輪胎的側(cè)偏角幅值要顯著高于后軸輪胎。

圖7 輪胎側(cè)偏角曲線Fig.7 Tire slip angle curve

圖8 給出了前軸輪胎側(cè)偏角與路面附著系數(shù)之間的關(guān)系，附著系數(shù)越低，各輪胎側(cè)偏角越大。在μ為0.55～0.65 之間，側(cè)偏角最大的右前輪的極值小于4°，表明車(chē)輛未發(fā)生側(cè)滑。當(dāng)μ=0.50 時(shí)，前輪側(cè)偏角較μ 為0.50時(shí)顯著增加，右前輪側(cè)偏角超過(guò)5°，左前輪接近5°，車(chē)輛在該附著系數(shù)下的最大橫向側(cè)偏量為0.42 m，表明此時(shí)車(chē)輛在圓曲線入口位置發(fā)生了側(cè)滑。因此，為保證匝道行車(chē)安全，應(yīng)加強(qiáng)匝道排水避免路面積水，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)速度管理，避免出現(xiàn)超速50%及以上的高速駕駛行為。

圖8 不同附著系數(shù)下的前輪最大側(cè)偏角Fig.8 Maximum slip angle of front wheel under different adhesion coefficients

5 結(jié) 論

環(huán)形匝道是一類(lèi)事故高發(fā)匝道，為得到環(huán)形匝道的事故發(fā)生機(jī)制，以宜瀘高速公路白鶴林樞紐互通對(duì)象，在Carsim 軟件環(huán)境下建立該互通的三維模型，改變汽車(chē)行駛工況和運(yùn)行條件，進(jìn)行極限狀態(tài)下的行駛模擬；仿真試驗(yàn)為單車(chē)試驗(yàn)，試驗(yàn)中車(chē)輛行駛沒(méi)有受到交通流和交通信號(hào)的影響，與車(chē)輛實(shí)際行駛情況存在差異；由于研究主體是車(chē)輛不同超速程度、匝道減速起點(diǎn)位置、道路附著系數(shù)與側(cè)滑的相關(guān)性，交通流和交通信號(hào)對(duì)其的影響程度較??；因此，仿真結(jié)果對(duì)于實(shí)際情況仍有一定的參考價(jià)值。主要結(jié)論如下。

1）超速行駛對(duì)車(chē)輛匝道行駛穩(wěn)定性及車(chē)輛側(cè)向偏移量有顯著影響，不同超速程度對(duì)車(chē)輛匝道側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)性有明顯差別，車(chē)輛在匝道行駛時(shí)應(yīng)降低行駛速度至安全速度范圍內(nèi)。

2）車(chē)輛匝道行駛超速20%，在較差的道路條件下（路面有積水、浮雪、霜等），也可以安全行駛，車(chē)輛側(cè)滑的風(fēng)險(xiǎn)較低；行駛超速50%，車(chē)輛在稍差的道路條件下（路面濕潤(rùn)），可以完成行駛，存在較高的側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)；超速70%，即使在干燥路面（路面附著系數(shù)0.65）行駛也一定會(huì)發(fā)生側(cè)滑。

3）車(chē)輛超速進(jìn)入匝道時(shí)，駕駛員減速操作的起點(diǎn)位置對(duì)側(cè)滑存在較大影響，減速起點(diǎn)距離匝道圓曲線越近側(cè)滑危險(xiǎn)性越大。

4）道路附著系數(shù)大小影響車(chē)輛側(cè)滑性，超速程度越高，道路附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛側(cè)滑影響越大；車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑可能性隨道路附著系數(shù)的減小而增大。

仿真試驗(yàn)只選取SUV車(chē)型進(jìn)行分析研究，不能完全反映其他小客車(chē)車(chē)型在環(huán)形匝道側(cè)滑情況。在下一步的研究中，可選取多種車(chē)型進(jìn)行仿真試驗(yàn)比較分析，或以不同的驅(qū)動(dòng)方式（前驅(qū)、后驅(qū)、四驅(qū)）進(jìn)行環(huán)形匝道側(cè)滑研究分析。