道路幾何設(shè)計(jì)對車輛行駛特性的影響機(jī)理研究.pdf

1、雖然在過去幾十年里手工計(jì)算、紙上畫圖的設(shè)計(jì)手段已經(jīng)被CAD技術(shù)所取代，但平、縱、橫分開考慮的設(shè)計(jì)習(xí)慣依舊沒有改變，融于自然環(huán)境帶來的唯一性，又使設(shè)計(jì)者不能像對待工業(yè)產(chǎn)品那樣，用“設(shè)計(jì)-樣品-試驗(yàn)-修改設(shè)計(jì)”手段實(shí)物測試出公路路線的使用性能，而是全憑以往的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來把握線形質(zhì)量，因此很難有針對性的修改設(shè)計(jì)方案。大量的設(shè)計(jì)缺陷和疏漏被帶到運(yùn)營中后，導(dǎo)致公路幾何特性與車輛行駛特性、駕駛?cè)颂匦匀咧g的不匹配，最終形成眾多的事故多發(fā)路段。所以，

2、時(shí)至今日，在很多情況下保證行駛安全和駕乘舒適這兩個(gè)基本性質(zhì)仍得不到滿足。
　　 但如果能夠進(jìn)行類似于機(jī)械產(chǎn)品那樣的虛擬行駛試驗(yàn)，讓車輛動(dòng)力學(xué)模型在建好的三維路面模型上行駛，記錄車輛各種響應(yīng)隨行駛里程或者時(shí)間的變化，進(jìn)而評估道路幾何設(shè)計(jì)的質(zhì)量，顯然是一種比較理想的路線質(zhì)量檢驗(yàn)和測試手段，這也正是我們的目的。為此，本文建立了“公路-駕駛?cè)?車輛-環(huán)境”仿真系統(tǒng)，根據(jù)輸入的線形要素RDVES能快速得到路面的3維模型，導(dǎo)入整車動(dòng)力學(xué)模型

3、，再設(shè)置駕駛行為參數(shù)和環(huán)境影響后，即可實(shí)現(xiàn)三維空間路面上的車輛自動(dòng)行駛，并且行駛過程可見。通過虛擬行駛試驗(yàn)，設(shè)計(jì)者能夠依據(jù)車輛在未來道路的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和駕駛操縱輸入直接得到行駛不穩(wěn)定位置和操縱困難路段，能夠有針對性的修改設(shè)計(jì)參數(shù)，并觀察改進(jìn)效果，直至得到讓人滿意的設(shè)計(jì)。還可以像對待機(jī)械產(chǎn)品那樣來對公路路線進(jìn)行變參數(shù)試驗(yàn)研究，找出公路幾何特性、車輛特性、駕駛?cè)诵袨樘匦匀咧g相互作用規(guī)律，比如公路線形參數(shù)變化對車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)行為和駕駛行為的影響規(guī)

4、律，車輛性能和尺寸參數(shù)改變、駕駛行為改變時(shí)公路線形參數(shù)應(yīng)該如何作出調(diào)整，等等，最終使公路設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)不斷發(fā)展變化的現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)和駕駛?cè)诵袨椤?br>　　 論文首先研究了“公路-駕駛?cè)?車輛-環(huán)境”仿真系統(tǒng)的子系統(tǒng)建模、耦合技術(shù)，然后以驗(yàn)證后的RDVES為虛擬試驗(yàn)手段結(jié)合道路實(shí)測，進(jìn)行了線形的設(shè)計(jì)質(zhì)量分析和設(shè)計(jì)控制、不利環(huán)境行車模擬、單車事故的力學(xué)機(jī)理分析、平曲線上的車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)律和駕駛行為分析等研究工作，主要的創(chuàng)新性成果如下：
　

5、　 1.空間3維路面的快速建模算法
　　 論文第二章設(shè)計(jì)了型元解析算法和型值點(diǎn)插值重構(gòu)算法，分別用于生成設(shè)計(jì)階段和老舊道路的3維路面模型。在型元法中，路線被看作是逐個(gè)型元的首尾順次銜接，由“直線+回旋線1+圓曲線+回旋線2”4個(gè)線元構(gòu)成平面型元，由“直坡+豎曲線”構(gòu)成縱面型元。通過線元的缺省和型元間的組合，可以構(gòu)造出任意復(fù)雜的線形組合。在設(shè)計(jì)重構(gòu)算法時(shí)，本文用Multi-Quadric徑向基函數(shù)作為基本計(jì)算單元，提出了“局部、

6、交疊”、“對調(diào)值域與自變量域”的插值重構(gòu)算法，避免了大規(guī)模、帶狀分布、非單射的道路型值點(diǎn)數(shù)據(jù)引起的系數(shù)矩陣病態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠得到平滑柔順的空間路面形狀。
　　 2.整車動(dòng)力學(xué)建模、輪胎-路面作用模型、以及環(huán)境影響設(shè)置
　　 論文第3章給出了作為多體動(dòng)力學(xué)建模基礎(chǔ)的懸架、轉(zhuǎn)向、橫向穩(wěn)定桿、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、車架等子系統(tǒng)多種結(jié)構(gòu)形式的拓?fù)錁?gòu)型，結(jié)合基于MF公式的Pacejke’89和Pacejke'94輪胎模型，完成了A

7、DAMS環(huán)境下的小客車、面包車和卡車的整車動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建。本文設(shè)計(jì)了左、右半幅路面和不同區(qū)段路面分別設(shè)定附著系數(shù)的算法，以此來模擬積水、濕滑、結(jié)冰的作用。在車身上側(cè)向施力，能得到側(cè)風(fēng)作用下的行駛過程，比如模擬車輛行駛在橋面上。
　　 3.車輛行駛方向和速度控制模型
　　 我們在此方面的工作是建立了能夠反映公路線形變化、車輛動(dòng)力性能、和駕駛?cè)颂匦匀哂绊懙钠谕俣扔?jì)算模型。其計(jì)算策略是，由容許側(cè)向加速度ay,tol確定曲線

8、范圍內(nèi)的速度幅值，由減速度ab和加速度ax控制曲線間的速度變化，由環(huán)境速度Vx，max控制路段的最大速度。根據(jù)公路實(shí)測數(shù)據(jù)，獲得了以道路參數(shù)為自變量的Vx,max、ay,tol、ax、ab函數(shù)模型，使得線形變化能夠反映在駕駛?cè)说钠谕俣冗x擇上。同時(shí)，提出了針對不同設(shè)計(jì)速度分別標(biāo)定模型參量的方法，解決了現(xiàn)有模型不管如何修改參數(shù)，都無法適應(yīng)不同設(shè)計(jì)車速的公路的問題。
　　 4.基于速度特性的路線質(zhì)量分析
　　 論文第5章分析

9、了行駛速度波動(dòng)特性與道路幾何設(shè)計(jì)之間關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)：車輛以指定速度行駛時(shí)，駕駛?cè)说能囁僬{(diào)整頻度與小半徑曲線的使用次數(shù)正相關(guān)，所以可通過設(shè)計(jì)手段來控制路線的駕駛負(fù)荷；車輛即將失控時(shí)，側(cè)向速度曲線會發(fā)生突變，并導(dǎo)致縱向速度不連續(xù)，因此可用速度連續(xù)性來辨識出對行車構(gòu)成威脅的位置，進(jìn)而修改設(shè)計(jì)。
　　 自由可變速行駛時(shí)，車輛的進(jìn)彎減速度要明顯大于出彎加速度，減速起點(diǎn)和加速終點(diǎn)通常在回旋線之外，所以先前在緩和段上調(diào)整速度的假設(shè)是不符合實(shí)際

10、的，對于高速公路，目前假定的0.5m/s2的加速度也明顯過大；有效控制速度波動(dòng)的最好辦法是使相鄰的曲線半徑和直線長度相互接近、并且直線不宜過長；除線形因素之外，汽車自身旋轉(zhuǎn)動(dòng)能和平動(dòng)動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化也是導(dǎo)致速度在瑣碎山區(qū)路線上頻繁波動(dòng)的重要原因，在一致性評價(jià)時(shí)應(yīng)加以考慮；四級公路絕大部分路段的行駛速度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)速度，因此目前的速差標(biāo)準(zhǔn)可能需要重新考慮。
　　 5.基于行駛穩(wěn)定性和操縱負(fù)荷特性的路線質(zhì)量分析
　　 在第6章中

11、，以輪胎垂向力為介質(zhì)分析了路線的側(cè)翻可能性，以輪胎側(cè)偏角、操舵力、方向盤轉(zhuǎn)角為指標(biāo)分析了超高/反超高對車輛方向控制的影響，以方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速為參量分析了路線的操縱負(fù)荷特性，我們發(fā)現(xiàn)：同樣是在設(shè)計(jì)速度附近行駛，道路等級越低，曲線上行駛車輛的側(cè)翻可能性越大；坡向改變了載質(zhì)量在各軸間的分配，增加了下坡的側(cè)翻可能性。超高會顯著減小曲線行駛時(shí)的輪胎側(cè)偏角，從而改善行駛穩(wěn)定性，超高還會減小方向盤角輸入和操舵力，讓駕駛變得容易，反超高的作用則正好相反

12、；設(shè)置超高的不利影響是增加曲線行駛時(shí)的車身側(cè)傾擺動(dòng)，特別是低速車輛。符合規(guī)范要求的山嶺區(qū)各等級公路的ay能夠滿足可耐受的要求，但還達(dá)不到舒適性要求；操縱負(fù)荷與路線的設(shè)計(jì)速度負(fù)相關(guān)，即高速公路負(fù)荷最小而四級路最大，并且，四級公路如省略回旋線，還會使車輛在進(jìn)彎和出彎時(shí)的day/dt會超過1.0m/s3，導(dǎo)致行車不舒適；當(dāng)半徑增大到一定程度時(shí)，曲線行駛和直線行駛已經(jīng)不存在差別，但都需要一定的方向干預(yù)；卵形線是比較有利于車輛操縱的，方向盤轉(zhuǎn)角可

13、以在中插回旋線上平滑過渡，而凸型線則要求一直調(diào)整方向盤角輸入，平曲線的YZ和ZH共點(diǎn)時(shí)，YZ/ZH點(diǎn)處的曲率跳躍會導(dǎo)致操縱困難，建議處理成卵形線形式。
　　 6.不利條件下的行駛穩(wěn)定性分析
　　 論文第7章分析了側(cè)風(fēng)、直道積水、和隧道洞口等3種典型環(huán)境力對行駛穩(wěn)定性的力學(xué)影響，結(jié)果表明：側(cè)風(fēng)行駛時(shí)，駕駛者最好把乘客和貨物安排在車輛后端，使車輛重心位于風(fēng)壓中心之后，以增強(qiáng)車輛的路線保持能力；車輛重心升高會降低側(cè)風(fēng)條件下的抗

14、干擾能力，所以應(yīng)控制裝載后的重心高度；降低車速能夠減少側(cè)風(fēng)作用下的車輛側(cè)向位移和偏轉(zhuǎn)。直道積水事故的發(fā)生機(jī)理為：裝載、路拱、左右彈簧剛度不一致→重心偏離縱軸線→偏載→輪載較大的一側(cè)輪胎摩擦力大→輪周接地線速度大→輪心位移大→偏駛或者側(cè)滑；兩側(cè)輪胎都和積水接觸時(shí)，車輛會向輪載較輕的一側(cè)滑轉(zhuǎn)；如僅有一側(cè)輪胎駛過積水，汽車將向積水一側(cè)偏轉(zhuǎn)，駕駛者應(yīng)朝著無水側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。速度越高，車輛在路面過渡位置的橫向擺動(dòng)越大，因此可以把進(jìn)洞端的過渡布置在大

15、多數(shù)車輛制動(dòng)結(jié)束之后，出洞端把過渡安排在加速起點(diǎn)之前；曲線隧道過渡位置的附著系數(shù)突變會引起進(jìn)洞車輛的額外偏轉(zhuǎn)，附著系數(shù)差異越大偏轉(zhuǎn)越明顯，隨后的低附著路面還會造成制動(dòng)不穩(wěn)定；為了減小附著系數(shù)波動(dòng)，洞內(nèi)路面的附著系數(shù)應(yīng)維持在0.35之上。
　　 7.平曲線事故的力學(xué)機(jī)理分析
　　 論文第8章分析S型曲線緩和段事故和彎道避讓事故的力學(xué)機(jī)理，主要的結(jié)論有：車輛以某個(gè)速度行駛在S型曲線時(shí)，遲滯效應(yīng)將導(dǎo)致輪胎側(cè)彎變形在回旋線上無法

16、充分釋放，殘余變形將被帶到拐點(diǎn)后的另一反向回旋線上，在反向側(cè)向力作用下殘余變形的突然釋放會導(dǎo)致胎面與路面之間的相對滑動(dòng)，從而使車輛失去側(cè)向穩(wěn)定性，所以S型曲線緩和段上的車輛事故并不一定是側(cè)向力超過路面附著極限所致；由于小圓上的側(cè)彎變形較大并且不易釋放，事故更容易發(fā)生在S型曲線的小圓→大圓行駛方向上；降低緩和段事故的辦法是使輪胎側(cè)彎變形得到釋放，拉長小圓回旋線、在拐點(diǎn)處插入短直線都可以起到這個(gè)作用。
　　 彎道避讓過程中軌跡曲率的

17、額外增加改變了對向行駛車輛安全性，為了減小駛回階段的附加曲率，曲線外側(cè)車輛在交會之后應(yīng)盡量延長駛回軌跡；曲線內(nèi)側(cè)車輛避讓軌跡的附加曲率主要出現(xiàn)在開始階段和駛回階段，提早避讓、平緩駛回是增加車輛穩(wěn)定性的有效措施。
　　 8.彎道幾何特性對車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)行為和駕駛行為的影響規(guī)律。
　　 論文第9章分析彎道幾何特性與切彎效用——彎道速度增量△VC和軌跡半徑增量△R之間的關(guān)系，從而解釋了什么樣的彎道容易發(fā)生切彎行駛這一問題?，F(xiàn)行的公

18、路設(shè)計(jì)方法假定車輛軌跡與道路中線一致，但實(shí)際上切彎時(shí)的車輛軌跡半徑遠(yuǎn)大于彎道設(shè)計(jì)半徑，這時(shí)，該如何實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)控制理念?在本章的研究結(jié)論能夠幫助設(shè)計(jì)者知道在什么樣的參數(shù)組合情況下，彎道才會對軌跡起控制作用，又是在什么樣的參數(shù)組合下，駕駛?cè)藭x擇切彎行駛，切彎后的軌跡半徑是多大，過彎速度又是多少等一系列關(guān)鍵問題。
　　 同時(shí)，分析了車輛在單曲線上的轉(zhuǎn)向行為，得到了切彎和跟隨兩種行使方式下車輛駛進(jìn)/駛離曲線時(shí)的轉(zhuǎn)向長度、轉(zhuǎn)向時(shí)間、