（光学工程专业论文）高等级公路强制控速设施开发研究.pdf

摘要 随着我国公路交通事业的飞速发展，高等级公路的通车里程不断增长，但是 与此同时发生在其上的交通事故也在日益加重。针对高等级公路特殊路段超载、 超速的道路交通事故特点，本文首先提出了在高等级公路的特殊危险路段的行车 干线上应设置经特殊设计的强制控制车辆速度的道路交通安全设施。为了寻求安 全有效的强制控速设施形式，必须对不同材料、不同尺寸形状的强制控速设施进 行了实车道路试验，同时为了研究的普遍性，还应建立车辆五自由度振动的理论 模型。在试验结果和理沦计算的基础上，对强制控速设施的安全性、有效性及可 靠性进行了分析研究，以便找到既能保证行车安全，又能充分发挥强制控速效果 的强制控速设施形式，为强制控速发施的开发和使用提供了理论和试验依据。 关键词：高等级公路强制控速设施开发 。b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a ，t h et r a f f i c a c c i d e n t so nh i g h w a yi n c r e a s ew h i l et h em i l e a g eo fe x p r e s sh i g h w a yi sg r o w i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a f f i ca c c i d e n t sd u et oo v e r l o a do ro v e r s p e e do n t h es p e c i ms e c t i o n so fe x p r e s sh i g h w a y , t h ep a p e rf i r s tp u t sf o r w a r dt h a tt h e s es e c t i o n s o fe x p r e s sh i g h w a ys h o u l db ee q u i p p e dw i t l lt r a f f i cs a f e t yf a c i l i t ys p e c i m l yd e s i g n e d t ol i m i tt h ev e h i c l e s s p e e dc o m p u l s o r i l y i no r d e rt ow o r ko u tt h es a f ea n de f f e c t i v e f a c i l i t yw h i c hc a nc o m p u l s o r i l yl i m i tt h es p e e do fv e h i c l e s ，i t sn e c e s s a r yt ot e s ta l l k i n d so ff a c i l i t i e sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s i z e s ，a n ds h a p e s i na d d i t i o n ，t h e t h e o r e t i c a lm o d e lo fv e h i c l ev i b r a t i o nw i t hf i v ed e g r e e so ff r e e d o ms h o u l db eb u i l ts o t h a tt h er e s e a r c hc a l lb eo fu n i v e r s a l i t y f i n a l l y ，t h es a f e t y , t h ev a l i d i t ya n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ef a c i l i t i e sa r ea n a l y z e do nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n si no r d e rt of i n dt h ea p p r o p r i a t et y p eo ft h ef a c i l i t yw h i c hn o t o n l yg u a r a n t e e st h es a f e t yo fd r i v i n gb u ta l s og e t st h eb e s te f f e c to fl i m i t i n gs p e e d s o nt h e w h o l e ，t h ep a p e rg i v e s t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i so ft h e d e v e l o p m e n ta n du t i l i t yo f t h ec o m p u l s i v es p e e d c o n t r o lf a c i l i t y k e y w o r d s ：e x p r e s sh i g h w a y , c o m p u l s i v es p e e d c o n t r o lf a c i l i t y ，d e v e l o p m e n t 第一章绪论 1 1道路交通安全概述 “交通事故猛于虎”。自1 8 8 6 年世界第一辆汽车问世以来，道路交通安全 问题就一直困扰着人们，目前全世界死于道路交通事故的人数已经超过3 0 0 0 万， 并且每年仍以4 0 万以上的速度在增加。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，道路交通 事故逐年上升，死伤人数日益增加。更令人不安的是，随着道路等级水平的不断 提高和汽车设计、制造及使用的技术水平飞速发展，人们本来期望缓解的道路交 通安全问题非但没有解决，而且还在进一步恶化，从而引起了世界各国的广泛重 视。与世界各国相比，我国的道路交通安全现状尤其令人不安。目前，我国汽车 保有量只占世界的1 9 ，但道路交通事故死亡人数却占世界的1 5 左右，道路交 图1 11 9 9 8 年世界主要国家公路交通事故死亡情况 通安全形势十分严峻。以衡量交通安全一个很重要的指标“万车死亡率”( 每1 万辆车的交通事故死亡率) 为例，1 9 9 8 年我国万车死亡率为1 7 3 0 ，：而同期美 国是2 ，法国是2 6 ，日本是1 5 ，韩国是8 7 。由图1 1 可以看出，道路交 通事故的相对数字远大于世界上大多数国家，而且道路交通事故死亡人数的绝对 数字更是遥遥领先。从2 0 世纪8 0 年代末我国交通事故死亡人数首次超过五万人 至今，我国交通事故死亡人数已连续十多年居世界第一，成为世界上交通事故最 为严重的国家。( 注：印度和越南为1 9 9 5 年数，俄罗斯、意大利和巴基斯坦为 1 9 9 7 年数，泰国、南非和巴西为1 9 9 4 年数，墨西哥为1 9 9 3 年数字) 8 5 各种统计数据和研究表明，我国道路交通安全已经进入了事故高发阶段。随 着公路交通事业的飞速发展，道路里程不断增长，路面等级迅速提高，截至2 0 0 1 年底，全国公路通车里程已达1 6 9 8 万l ( 1 i i ，其中二级以上公路2 2 7 万k m ，占公 路总里程的1 3 4 。可是由于整个交通参与者的交通安全意识比较差，道路沿线 设旌不够完善，管理水平比较低，以及汽车保有量的急剧上涨，致使我国道路交 通安全状况非但没有改善，而且还在日益恶化。从万车死亡率来看，我国从1 9 8 0 年的1 0 4 4 7 人万车下降到2 0 0 3 年的1 0 8 人万车，年均下降1 0 ，下降幅度 确实比较大。但是由于我国汽车保有量的迅猛发展，公路运输总量持续增长，交 图1 2 我国1 9 8 0 2 0 0 3 年道路交通事故情况 通事故的绝对数字在这2 3 年问逐年大幅增长。事故总量由1 9 8 0 年的11 6 7 万起 上升到2 0 0 3 年的6 6 7 5 万起，年均增长7 9 ；死亡人数由1 9 8 0 年的2 1 8 万人 上升到2 0 0 3 年的1 0 4 4 万人，年均增长7 。 群死群伤事故频繁发生是我国道路交通安全的另一特点，1 9 9 9 年至2 0 0 3 年， 平均每年发生一次死亡1 0 人以上的群死群伤特大道路交通事故4 7 起，严重影响 了社会的安定团结和经济建设的顺利进行。 表1 1历年一次死亡l o 人以上特大道路交通事故统计表 年份事故起数死亡人数受伤人数 1 9 9 95 79 0 58 5 5 2 0 0 05 89 1 09 6 0 2 0 0 13 96 3 96 6 7 2 0 0 2 4 1 7 0 5 4 9 7 2 0 0 34 16 4 5 5 6 7 我国交通事故已经成为各种事故中的“第一杀手”：在2 0 0 2 年交通事故死 亡人数各类事故中所占比例为7 8 5 ；2 0 0 3 年上半年，这一比例为7 6 3 。 8 6 如此严峻的道路交通安全形势，不仅严重影响了国民经济的快速增长，而且也增 加了社会的不安定因素。所以，减少道路交通事故的发生，降低道路交通事故的 死亡率，已经成为全社会共同关注的焦点和殛待解决的重大课题。 1 2 我国道路交通安全状况及原因分析 1 2 1 道路交通事故的道路地形和道路线形分析 一、道路交通事故的地形分析 我国是一个多山之国，全国山地、高原和丘陵等地形复杂的面积占国土总面 积的2 3 ，所以我国很多高等级公路修建在地势险峻的山区地带。而山区地形大 多山高沟深，地形复杂，自然环境恶劣，由于这种特殊的地理环境，使得山区公 路有别于一般的平原公路，而有它自身独有的特点：山高、坡陡、坡长、弯多、 弯急，而且常常弯坡相接，甚至于有些山区公路紧临悬崖峭壁，地势十分险峻。 表1 2各类地形的道路交通事故对比表 类别 事故次数死亡人数受伤人数 年份 山地平原丘陵山地平原丘陵山地平原丘陵 1 9 9 92 9 5 3 1 87 8 5 9 83 8 9 4 35 4 1 9 91 7 3 3 61 1 9 9 31 8 9 2 7 76 1 1 8 83 5 6 1 5 2 0 0 l5 6 0 3 8 0 1 2 3 5 0 9 7 1 0 3 0 6 8 6 8 92 1 0 5 71 6 1 8 4 3 7 0 2 7 71 0 9 1 8 66 7 0 2 2 平 绝对数 4 2 7 8 4 91 0 1 0 5 3 55 4 9 8 55 6 1 4 4 4 1 9 1 9 651 4 0 8 8 52 7 9 7 7 78 5 1 8 75 1 3 1 8 5 均 2 03 2 t 48 2 6 6 9 6 2 0 6 9 1 3 8 7 占总数 7 2 8 8 1 77 94 2 6 48 7 就道路交通事故的绝对数字而言，平原地区的事故发生次数、死亡人数和受 伤人数均是丘陵和山地地形公路总数的两倍左右。但一方面由于公路建设的实际 地形大部分为平坦地形而非依山傍崖，即使是在西部比较多山的地区也是尽可能 地选择平坦地形修建公路；另一方面，从表l _ 2 还可以看出丘陵和山地的平均每 起事故死亡人数远高于平原公路，山区公路每起道路交通事故平均死亡人数为 0 2 1 3 3 人起，而平原公路为0 1 4 3 6 人起，山区公路是平原公路的1 5 倍。 二、道路交通事故的道路线形分析 山区公路事故比较严重的很大原因是道路线形质量差，而道路线形设计的好 坏，直接严重影响着车辆行驶的安全性。如有的弯道转弯半径过小，造成急弯比 较多，使得车辆转弯时极易造成侧翻或滑出路面酿成事故；一些纵坡坡度过大、 长度过长，造成长坡、陡坡多，从而使得车辆刹车容易失效，最终将导致车毁人 亡的惨剧不可避免；如果各类道路线形的连接不恰当，还会引起综合性的道路交 通事故。但是长期以来，在公路设计中只考虑道路设计规范中规定的相关技术标 准，而较少论证其使用的安全性，致使许多安全隐患在公路的设计阶段就已产生。 另外，对山区地带而言，由于其地广人稀，山川较多，经济相对落后，使得很多 建设资金不足，不要说对道路的使用安全性进行专门的广泛论证，就是设计规范 中要求的技术标准，在某些路段也不能达到建设标准，而且还存在道路交通安全 设施装备不全，道路交通标志、标线严重不足等等现象，从而形成了许多事故多 发路段( 即黑色路段) 。 表1 3不同道路线形事故统计 事故次数死亡人数受伤人数 每起事故 年份道路线形 数量占总数数量占总数数量占总数 死亡人数 弯道 2 6 1 0 66 3 2 6 1 2 67 3 4 2 2 2 2 77 7 7 02 6 5 1 9 9 9 坡道1 7 8 3 44 3 2 4 9 8 05 9 6 1 4 3 7 350 2 o 2 7 9 年 弯坡道 1 3 7 2 53 3 2 4 3 8 85 2 6 1 4 1 9 04 9 6 o 3 2 0 平直路3 5 5 1 9 4 8 6 0 3 6 8 0 3 4 8 1 4 5 2 3 5 2 9 l8 22 5 o 1 9 2 弯道3 7 6 7 34 9 9 7 1 4 86 7 5 3 5 i 9 364 4 o1 9 0 2 0 0 1 坡道2 5 4 4 2 3 3 7 5 7 6 l5 4 4 2 2 8 1 l4 1 7 0 2 2 6 年 弯坡道2 4 5 5 93 2 5 5 8 0 15 4 9 2 6 2 2 34 8 0 0 2 3 6 平直路5 6 7 2 4 48 8 3 9 8 7 2 1 98 2 3 4 4 6 2 2 5 7 8 4 5 9 0 1 3 l 虽然弯道、坡道的事故绝对数字并不大，但由于弯道、坡道的长度在公路总 里程中占的比例也比较少，所以弯道、坡道的事故相对发生率其实并不低。国内 外大量资料研究表明，道路交通事故常常发生在平直路段，但弯道、坡道事故率 明显偏高，而且陡坡、急弯，特别是有陡坡的急弯路段事故率更高，伤亡率大， 致死率高，从表1 3 可以看出弯道、坡道每起事故的死亡人数是平直路段的1 4 倍左右。事实上，群死群伤的特大恶性道路交通事故往往发生在弯道和坡道，1 9 9 9 年1 0 大道路交通事故中有6 起发生在弯道、坡道，2 0 0 0 年前三季度的4 5 起一 次死i = l o 人以上特大道路交通事故中有2 2 起发生在弯道和坡道，2 0 0 1 年1 0 大 道路交通事故中有5 起发生在弯道和坡道，几乎有一半的特大道路交通事故发生 在弯道和坡道路段。 1 2 2 道路交通事故的道路类型分析 从道路类型分析看，我国道路交通事故主要发生在等级公路上，特别是高等 级公路上，而且公路交通事故死亡率远高于城市道路交通事故死亡率。以2 0 0 1 年为例，全国公路上发生交通事故4 4 5 9 9 9 起，造成8 1 5 2 7 人死亡、3 6 2 1 6 5 人受 伤，分别占全年总数的5 9 0 8 、7 6 9 6 和6 5 2 7 。城市道路共发生交通事故 3 0 8 9 2 0 起，造成2 4 4 0 3 人死亡、1 8 4 3 2 0 人受伤，分别占总数的4 0 9 2 、2 3 0 4 和3 3 7 3 。公路与城市道路交通事故起数比为1 4 4 ：l ，而公路交通事故每起事 故伤亡人数为o 9 9 ，城市道路交通事故每起事故伤亡人数为0 6 8 ，公路是城市 道路的1 4 6 倍，另外，公路交通事故的每起事故死亡人数为0 1 8 ，城市道路交 通事故为0 0 7 9 ，公路是城市道路的2 3 倍。由此看来，公路交通事故与城市道 路交通事故相比，不仅事故发生起数多，更重要的是公路交通事故的事故伤亡率 大，致死率高。 表1 4二级以上公路事故统计 万公里 年份事故数死亡人数受伤人数公路里程 死亡率 二级以 若上公路 1 4 4 5 4 35 6 3 6 3 3 8 7 95 2 6 8 5 1 0 2 8 7 55 l8 1 2 0 0 1 3 81 6 9 2 7 8 1 25 2 【o 年 公路 2 5 6 4 6 91 0 0 6 4 3 1 71 0 0 1 9 8 5 6 81 0 0 4 7 5 8 3 1 3 5 1 6 9 全部 l 1 0 0 二级以 2 4 3 9 1 95 4 6 鲋4 3 2 2 5 5 3 0 2 $ 1 8 2 5 0 l 5 0 3 9 1 9 0 62 6 2 2 6 7 5 31 3 3 5 誉上公路 2 生 公路 4 4 5 9 9 91 0 0 8 1 5 2 71 0 0 3 6 2 1 6 51 0 0 4 8 0 1 3 1 6 9 8 0 1 1 0 0 全部 公路上的道路交通事故多发生在等级较高的公路上。2 0 0 1 年总共发生在二 级及二级以上公路的道路交通事故2 4 3 9 1 9 起，造成4 3 2 2 5 人死亡、1 8 2 5 0 1 人受 5 伤，分别占全年道路交通事故总数的3 2 3 1 、4 0 8 1 、3 3 4 0 ，每起事故的伤 亡人数为0 9 2 5 ，而所有事故的平均值为0 8 6 4 ，二级及二级以上公路交通事故 比平均值高出7 个百分点。而到2 0 0 1 年年末，全国二级以上公路才达到2 2 6 7 5 3 公里，仅占公路总里程的1 3 3 5 。如此看来，不仅高等级公路的万公里事故率 和死亡率远远高于整个道路交通事故的平均值，而且事故的严重程度也比平均值 要高，这足以说明高等级公路的安全形势是比较严重的，改善高等级公路交通安 全是非常必要的，也是当前安全工作的重中之重。高等级公路的车流量大也是造 成交通事故多发的原因之一，但与国外高等级公路交通事故相对较少相比较，我 国高等级公路的交通事故明显偏高。况且二级以上公路发生的道路交通事故占整 个公路交通事故的一半还多，如果高等级公路的道路交通事故能够得到很好治 理，那么整个公路的交通安全状况将得到极大改善。 1 2 3 道路交通事故肇事车型分析 表1 52 0 0 1 年各种交通工具的责任者事故情况 肇事车型事故次数死亡人数受伤人数 合计 7 5 4 9 1 91 0 01 0 5 9 3 01 0 05 4 6 4 8 5l o o 大型汽车 1 7 6 9 1 32 3 4 33 0 3 1 72 8 6 21 1 6 4 l l2 1 3 0 小型汽车3 5 1 3 2 24 6 5 42 9 9 2 72 8 2 52 1 8 1 4 63 9 9 2 其他汽车 1 1 8 1 ll ，5 62 4 9 32 3 57 8 2 214 3 其他机动车 1 6 5 3 5 l2 1 9 03 0 5 3 22 88 21 6 5 9 2 93 0 3 6 非机动车和行人 4 9 5 2 26 5 61 2 6 6 l1 1 9 53 8 1 7 66 9 9 表1 5 是2 0 01 年全年所有道路交通事故按交通工具的责任者事故情况分类 表。直接从表中看出，大型车辆的相对事故率似乎不太高，仅占全部事故的2 3 4 ，虽然事故死亡人数稍微多一些，但也才占全部事故死亡人数的2 8 6 2 。但 是由于摩托车、农用车等非汽车类机动车较少在高等级公路上行驶，也就是说行 驶在高等级公路上的车辆主要为汽车，而通过对表1 5 分析可知，大型车辆的事 故发生率比较高，事故次数、死亡人数及受伤分别占所有汽车事故的3 2 7 、 4 8 3 2 和3 4 。另外，从车辆保有量来看，大型车辆却远远少于小型车辆，这 也说明大型车辆的事故率比较高。2 0 0 2 年全国大型客车、大型货车、小型客车、 小型货车分别占汽车总数的3 7 4 、1 7 8 8 、5 4 3 4 和2 2 0 0 ，而事故造成 的死亡人数比例却为：1 0 0 0 、3 8 5 3 、3 6 0 4 和1 2 2 3 ，大型车辆每辆 车造成的死亡人数是小型车辆的4 倍左右。在山区高等级公路的坡道和弯道等路 段上，大型车辆的事故率更高。 表1 6某一级公路路段交通事故肇事车型分类表 肇事车型大型车中型车轻型车摩托车台计 事故次数 1 2 32 74 872 0 5 百分比 6 01 42 331 0 0 表1 6 是西部地区某一级公路的艮坡路段2 0 5 起事故的肇事车型分类，根 据这2 0 5 起事故的肇事车型分类可以看出，在公路特殊路段上发生道路交通事故 的车辆大部分为大中型车辆，尤其是山区高等级公路更是如此，2 0 5 起事故中肇 事车型为大中型车辆就的就有1 5 0 起，占事故总数的7 4 。 表1 7 2 0 0 3 年公路客运特大恶性交通事故肇事车型分类表 肇事车型大客午中型客车大货车农用车合计 次数 2 268 54 l 百分比5 3 7 1 4 6 1 9 5 1 2 2 1 0 0 如果从发生在公路上的特大恶性道路交通事故的肇事车型看，大中型客车和 大货车更是道路交通事故的主要肇事车型。由表1 7 可以看出，2 0 0 3 年公路客 运特大恶性交通事故共发生了4 l 起，而由大车造成的事故就有3 6 起，占总数的 8 8 。 1 2 4 道路交通事故的直接原因分析 人、车、路是影响道路交通事故的基本因素，而人的因素又是最为关键。椐 统计，在各类道路交通事故中，由于机动车驾驶员操作失误及违章所引起的道路 交通事故占相当大的比例，达到了8 0 9 0 。对这8 0 9 0 的事故进一步分析 可知，在所有机动车驾驶员原因当中，超速行驶又是重中之重。每年道路交通事 故的死亡人数中约有1 0 左右是由于机动车超速，这还仅仅是直接原因，如果把 间接原因也算进去的话，比例将会进一步大大提高。这就是为什么高等级公路道 路交通事故率一直居高不下的重要原因之一。 表1 8历年超速事故统计表 事故起数死亡人数 受伤人数 每起事故 年份 次数占全年人数占全年人数占全年 死亡人数 1 9 9 83 1 7 2 l6 2 9 8 8 51 2 7 2 4 9 1 2l l ，2 o 3 1 2 1 9 9 93 3 8 1 38 1 9 9 6 8 1 1 1 5 9 2 7 3 7 89 5 7 02 8 6 2 0 0 14 4 8 7 85 9 4 9 2 4 28 7 2 3 7 0 6 06 7 8 o2 0 6 直接由超速导致的道路交通事故比例虽然不算太大，但它的每起事故死亡人 数比较高，1 9 9 8 年、1 9 9 9 年和2 0 0 1 年分别是全年平均的1 3 8 倍、1 4 1 倍和1 4 7 倍。 超速事故死亡率高的一个很重要原因是特大恶性事故比较多，尤其在山区高 等级公路上更是如此。鉴于山区高等级公路与平原公路相比弯多弯急、坡陡坡长、 依山傍崖，一旦出现超速行为极易导致撞车、翻车及坠崖等群死群伤的特大恶性 道路交通事故发生。通过对1 9 9 8 年前3 季度5 6 起、2 0 0 0 年前3 季度4 5 起及2 0 0 2 年全年4 l 起一次死亡1 0 人以上特大恶性道路交通事故和1 9 9 9 年与2 0 0 1 年十大 恶性道路交通事故总共1 6 2 起事故统计分析，违章超速5 0 起，造成8 6 9 人死亡、 表1 9特大道路交通事故原因分析表 事故原因事故起数死亡人数受伤人数 超速行驶5 03 0 8 6 8 6 93 2 4 5 1 0 1 8 3 7 4 5 违章超车 1 592 6 2 2 58 4 0 2 1 37 8 4 操作失误 2 31 4 2 0 4 0 21 5 0 1 3 0 41 1 1 8 违章超载 74 3 2 1 5 45 7 5 1 7 765 1 制动失效 74 ，3 2 1 3 65 0 8 1 2 4 4 5 6 转向失效8 4 9 4 9 43 5 l 1 2 646 4 疲劳驾驶 63 7 0 1 2 54 6 7 9 73 5 7 其它原因4 62 8 4 0 6 7 32 5 1 3 6 5 92 4 2 5 合计1 6 21 0 0 2 6 7 81 0 0 2 7 1 81 0 0 1 0 1 8 人受伤，分别占到总数的3 0 8 6 、3 2 4 5 和3 7 4 5 。违章超速的每起 事故伤亡率和死亡率分别为：3 7 7 4 与1 7 3 8 ，而1 6 2 起事故的平均值为3 3 3 1 与1 6 5 3 ，违章超速均高于平均数。由此可知，违章超速不仅易于引发事故，而 且还会加重事故的严重程度，加大事故的伤亡率。 超速行驶容易破坏汽车的操纵稳定性。在山区公路行车，汽车不可避免地要 经常做曲线运动，这样就产生了离心力。而从理论力学可知，汽车所受的离心力 大小与弯道半径成反比，与汽车行驶速度平方成正比。由于山区公路的弯道比较 急，转弯半径小，如果汽车不按设计车速行驶，则可能在成倍增长的离心力作用 下使得汽车失去控制，从而导致出现横向翻车或驶出路面的危险情况。 在超速的同时，我国道路运输中超载现象十分普遍。根据文献 2 5 ，超载车 辆比例达到7 0 一1 0 0 ，而超载率很多地方都在8 0 一1 2 0 ，有的甚至于达 到了2 7 5 。当汽车行驶在山区公路的坡道上时，由于山区公路的坡道比较长， 有时可达七八几公里，甚至更长，而且坡度也经常比较大，陡坡处坡度可达7 或更陡，而且坡道和弯道还常常相互连接。所以，只要超载车辆超速行驶，便会 随着势能下降而使车速越来越快，这将迫使驾驶员不得不频繁使用制动器。由车 辆的刹车原理可以知道，制动器的温度升高量是由车辆的动能和势能转化而来 的。 如果在下坡时要把车辆停住，则制动器温度升高为： t = m 1 v 2 矿+ m g h 式中：t 制动器温度升高量：d e g m 车辆整车质量：k g v 坡顶车辆车速；m s m 一车辆制动散热部件的质量：k g k 制动器比热：j k g 。1 d e g 。1 h 车辆下坡落差高度；m g 重力加速度；m s 2 由上式可知，如果在超速的同时如果还超载，则会由于车速比较快，车辆质 量比较大，那么车辆的势能、动能就相应地都比较大，为了减速，汽车所拥有的 势能和动能就必须转化为制动器的热能，那么制动器的温度就会迅速提高，而且 9 提高量与车速的平方和车辆质量成正比。制动器的温度一旦太高，它就会产生热 衰退现象，而热衰退将会使制动器失去制动效能。这样汽车将会失去驾驶员的控 制，车毁人亡的惨剧将不可避免。 虽然超速行驶酿成的惨剧一再给人们提出警告，但是由于我国汽车驾驶员的 安全意识普遍比较差，思想麻痹，对山区高等级公路的交通环境还不熟悉，总觉 得与平原公路的行车道宽度和路面质量没有太大区别，行车速度也应该差不多。 所以在经济利益的驱使下，为了赶时间，争速度，节约运输成本，一味地盲目开 快车，违章超车、超速现象比较普遍，而且还喜欢下坡熄火空挡滑行。本来，山 区高等级公路的设计车速比平原公路低很多，重丘山区高速公路为8 0 k m h ，一级 公路为6 0 k m h ，j 二级公路仅有4 0k m h 。实际上目前山区高等级公路上时速有时 可达1 4 0 1 5 0k m h ，而且更高的超高速行驶及长时间超速行驶现象也比较普遍。 1 3 传统控制车速措施分析 虽然修建高等级公路的初衷就是希望使得公路运输更加方便、舒适和快捷， 但如果一味地求快，特别是一些特殊路段，一旦超出了设计计算车速，则极有可 能导致事故的发生。从前面的分析可以看出，超速行驶是导致高等的公路交通事 故发生的重要原因之一，为此人们采取了各种各样的控制车辆速度的措施和没 施，并且取得了一定的效果。目前常用的控速措施主要有以下几种： 第一，强化路面监控，加强路面管理。公安交通管理部门经常上路巡逻检查， 纠正交通违法行为，针对违章超速行为，有效利用雷达测速仪等高科技手段，严 格监控违章超速车辆，使各种车辆都能够在中华人民共和国道路交通管理条例 的速度内行驶，将交通事故扼杀在萌芽状态。同时，针对车辆驾驶员交通安全意 识不强、法制观念淡薄、思想素质不高及职业道德低下等普遍现缘，加强对交通 参与者的交通安全教育，全面提高驾驶员的安全意识和社会责任感，也是强化管 理的内容之一。 第二，设置用于交通管理的道路交通标志。道路交通标志是一种使用成熟、 应用广泛的交通管理设施，一般来说都有其相应的技术规范和标准。控制车辆速 度的道路交通标志有：警告标志、禁令标志和指路标志。 各级公路的最大纵坡坡度及纵坡最长长度、公路竖曲线、最小转弯半径和最 1 0 小长度在相应的设计技术规范中都有明确的技术标准。但是由于具体地形、资金 的限制，或者有些路段设计时考虑不周等，都可能出现实际道路技术标准低于道 路技术标准规定的最低标准，另外，有些路段虽然符合相关的技术标准，但由于 坡度太陡、弯曲太急或连续急弯陡坡，可能危及行车安全。所有以上这些情况都 应分别设置：急弯路标志、反向弯路标志、连续弯路标志、陡坡标志、慢行标志。 这些标志都是用以警告、促使车辆驾驶员减速慢行，注意安全。 不同技术等级的道路，或技术等级相同，但道路所在地区不同，甚至一条道 路的不同路段，其设计车速也各不相同，而且设计车速和实际允许车速也不一定 完全相同。所以，为了行车的安全，在实际需要限制车辆速度的地方设置限制速 度标志是一种常用的禁令标志。该标志要求机动车在限速路段内的行驶速度( 单 位为k m h ) 不准超过标志所示数值，标志设在需要限制车辆速度路段的起点。 为了限制车辆速度，保证行车安全，还可在危及行车安全的路段设置各种指 路标志。这些指路标志主要有：“路滑慢行”、“陡坡慢行”、“多雾路段”、“连续 下坡”、“事故多发点”等标志。依照以上指路标志，还可根据具体路段的实际情 况书写不同的内容，甚至可以将指路内容书写在公路路线的墙壁上。上面的指路 标志的主要作用是可以提醒车辆驾驶员谨慎慢行，所以它也起着一定的警告标志 作用。 第三，路面上施划减速标线。路面上施划减速标线是一种行之有效，被各类 道路广泛采用，而且完全符合国家标准的控制车辆速度的措施。它属于道路交通 标线中的横向警告标线，施划的目的是警告车辆驾驶员在驶入前方路段时应减速 慢行。减速标线为白色反光虚线，根据设置位置不同，可以是单虚线、双虚线和 重复三次，垂直于行车方向设置。国家标准中规定的减速标准一般设于收费广场、 出口匝道的适当位置，但目前在公路的事故多发路段也经常采用这种减速标线， 而且取得了定效果。 为了取得更好控制车辆速度的效果，在标准中规定的减速标线基础上，工程 技术人员对其进行了适当的改造，将直线减速标线设计为形如“ ”的箭头 式减速标线，并使两个箭头问的距离越来越近，给人以锐利的感觉，并使车辆驾 驶员产生一种车辆速度越来越快的感觉，这样的话车辆的控速效果会更好。 最高速度限制标记也常常用来控制车辆的速度，这是一种路面文字标记方式 的道路交通标线，它是将最高限制车速以数字的形式写在限速路段的适当位置， 要求车辆驾驶员以不高于路面最高限速的车速行驶。 除了目前使用的平面减速标线，一种热塑振动警示减速标线也在日本和中国 开始得到了应用，这种减速标线由于是从路面突出的，当车辆驶过时会产生振动 效应，警示驾驶员不要超速行驶，从而进一步提高了控速效果。实践表明，这种 减速标线的控速效果要比目前大量使用的减速标线好。不过这种标线的设计基本 上还是靠经验，并无相关的标准和理论依据。 以上几种控速措施一直在发挥着较为有效的作用，为减少道路交通事故的发 生做出了应有的贡献。但不论是树立道路交通标志还是施划道路交通标线，都只 能警示，提醒车辆驾驶员减速慢行，是一种非强制措施，如果车辆驾驶员不遵守 交通法规，交通安全意识差，心存侥幸心理，那么这些措施的效果将大打折扣。 虽然热塑振动减速标线能使车辆产生一定的振动，但由于高度一般都较低，车辆 振动强度不足以促使驾驶员迅速降低车速，而只是提供给驾驶员了个更强烈的 警示。对于加大警察上路执法力度，虽然能够取得良好效果，但由于警力有限， 在高等级公路上实施几乎是不可能的。总之，目前采用的控速措施都不是理想的 解决办法，不能从根本上杜绝超速现象的发生。 1 4问题的提出及本课题主要研究内容 1 4 1 问题的提出 通过前面的分析可以看出，发生在高等级公路上的道路交通事故主要是由于 大中型车辆超速、超载造成的，而目前采用的各种安全措施又不能从根本上解决 这一问题。所以为了杜绝高等级公路上超速事故的发生，就必须寻找一种能够强 制控制车辆速度的交通设旄，促使车辆在高等级公路的特殊危险路段减速慢行， 尤其是下坡路段能够低档低速行驶，以便尽可能地发挥发动机制动、排气制动等 所有辅助制动( 措施) 的作用，尽量避免大、中型车辆行车制动装置失效的可能 性或减轻制动装置失效后的危害程度。为此，非常有必要开发研制一种能够设置 在高等级公路上起“强制”控制车辆速度的交通安全新设施，这种新的交通安全 新设施必须经过特殊的设计，使其能够对大中型车辆具有强制控速的效果，而且 还不能影响到车辆的行驶安全性，尤其是小型车辆的行驶安全性，另外还要求该 设施自身必须保证足够的可靠性，而且还不能对道路造成太大的破坏。在这里， 暂且将这种“强制”控制车辆速度的交通安全新设施称作“道路减速带”。 对道路减速带这一全新的交通安全设施的研究本文尚属首次，目前，至少在 国内还没有人对此进行过专门的研究，更没有任何可以参考的理论依据和试验数 据。所以，必须对这一全新的从未使用过的道路交通安全新设施的材料、形状和 尺寸进行全面系统的研究，这种研究必须包括理论研究和试验研究。只有通过认 真细致的研究，才可能找到即可以确保车辆的行驶安全性，又可以将车辆的速度 控制在安全范围内的适当高度和宽度尺寸的道路减速带。 设计道路减速带必须坚持以下原则： 1 、在确保车辆行驶安全性的前提下，选择更加有效的道路减速带形式，具 体形式包括道路减速带的制作材料、设计宽度、高度尺寸，以及宽度和高度的比 例。 2 、必须保证不会对道路的路面造成较大破坏，也必须保证道路减速带不会 在短时间内被损坏。 3 、在取得对大型车辆良好控速效果的同时，必须确保不能对小车产生安全 隐患。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 通过对车辆整车运动力学分析，在轮胎模型的基础上建立单轮辙平面五自 由度二分之一车辆动力学模型，并写出动力学微分方程。利用计算机对该模型进 行计算机模拟仿真计算，并对计算结果进行评价。 2 对道路减速带进行实车路上试验，试验内容包括车辆以不同车速通过不同 形式的道路减速带( 不同材料、不同形状、不同尺寸) 进行振动试验，并对试验 数据进行处理。 3 对计算机模拟仿真结果和试验结果进行对比，以检验所建模型的正确性。 4 根据实车试验数据分析和模拟仿真结果，对道路减速带的有效性、安全 性和可靠性进行研究。 第二章道路减速带的理论研究 虽然试验的方法有很多优点，是人类对客观世界认识的起点，但是由于试验 形式的离散性，不可能对所有系统的全部输入都进行一一试验，所以试验数据经 常是有限的、不充分的，而且试验时还会受到许多外部干扰，使得试验的方法不 可避免地存在它自身不可克服的缺点。于是结合试验数据，利用前人已经建立起 来的，经验证是正确的许多原理、定理和模型，寻找与试验观测数据一致的更高 一级的具有普遍性的理论结果将成为研究的必然选择。为了寻求与客观的试验结 果相符合的理论结论，使它更具有普遍性和系统性，就必须对实际系统进行系统 建模，而系统模型的合理建立是科学理论研究必要的和有效的手段，只有这样才 能以模型为基础进行更高层次的科学理论研究。 2 1车辆系统动力学模型的建立 一般认为汽车动力学最为关心的两大主题是：汽车行驶平顺性问题和操纵稳 定性问题。影响平顺性的主要因素有车身的垂直振动、俯仰振动以及侧倾振动和 座椅的垂直振动：影响操纵稳定性的主要因素有：横向、横摆和侧倾运动。不过 对于大多数沿纵轴对称的汽车来说，垂直振动俯仰振动和侧倾振动侧向振动彼 此是不相耦合的，相互之间没有影响。于是，对汽车这一复杂的振动系统可将平 顺性问题和操纵稳定性问题进行各自单独研究。 图2 1 车辆振动系统结构图 对于汽车这一振动系统，根据研究的不同需要，可忽略次要因素，抓住关 键因素，将实际车辆系统进行不同程度的简化，然后建立车辆动力学模型。长春 汽车研究所在研究解放牌货车振动时曾运用组合法结构分析将汽车分成子系统 和连接件两大类，如图2 1 所示。 2 1 _ l 车辆系统动力学模型的假设 根据道路减速带的安装环境及条件和研究需要，车辆动力学模型作如下假 设： l 、假设车辆左右车轮轮辙的道路不平度是一样的，而且车辆对其纵轴线成 左右对称，汽车沿x 轴直线行驶。通过这两点假设，车辆将没有侧倾振动( 绕x 轴的角振动) 和侧向运动( y 方向的运动) ，同时也没有横摆振动( 绕z 轴的角 运动) 。即只考虑垂直振动和纵向角振动。 2 、对于对称的车辆来说，垂直激发和侧倾激发所引起的运动之间是没有耦 合的，故不考虑悬架的影响。 3 、假设后轮正好行驶在前轮的轮辙上，即车辆前后轮的行驶轨迹是相同的， 也就是所谓的单轮激发( 车辆直线行驶，轮辙宽度前后相同) 。这样，前后轮的 不平度激励就只差一个由轴距引起的相差。即q l ( x ) 2q 2 ( x t ) ， 式中，q t 前轮不平度函数；q 。后轮不平度函数。 4 、假设车辆系统为线性系统，将振动系统的主要描述参数抽象为一反映车 辆结构特征的集中质量，而非连续质量。 5 、假设发动机、传动系、车架为剐体，其质量与车身质量统一认为是茜载 质量，这样车辆就没有了弯曲和扭转振动。 6 、假设发动机曲轴、传动轴以及车轮都是动平衡的，除道路减速带外，其 它道路路面都是绝对是平整的，所以对整个车辆来说外激励只有道路减速带。其 激励函数由道路减速带的形状而定。 7 、假设驾驶员完全参与车身的俯仰振动，而没有产生垂直于驾驶员座椅靠 背的运动。 8 、假设车辆轮胎始终与路面保持接触，无跳离路面。 2 1 - 2 人体模型的建立 2 1 2 1 我国成年人人体坐姿尺寸 国家标准g b l 0 0 0 0 8 8 中国成年人人体尺寸提供了我国成年人人体尺寸的 基础数据。标准中总共给出7 类4 7 项人体尺寸基础数据。表2 1 是摘取其中和 本课题相关的部分人体尺寸。成年人的年龄范围界定为：男1 8 6 0 岁：女1 8 6 5 岁。人体尺寸按男女性别分别列表。表2 1 列出了我国成年人坐姿的人体主 要尺寸。 表2 1我国成年人坐姿的人体主要尺寸 1 年龄分组男( 1 86 0 岁)女( 1 85 5 岁) i 百分位数l51 05 09 09 59 9l5l o5 09 09 59 9 l 身高i i n1 5 4 31 5 8 31 6 0 41 6 7 81 7 5 41 7 7 51 8 1 41 4 4 91 4 8 41 5 0 31 5 7 01 6 4 01 6 5 91 6 9 7 体重k g 4 44 8 5 05 9 7 l7 5 8 33 94 2 4 4 5 26 36 6 7 4 坐高f l r a 8 3 68 5 88 7 09 0 89 4 79 5 89 7 97 8 98 0 98 1 98 5 58 9 19 0 19 0 2 坐姿臀宽m m2 8 4 2 9 53 0 03 2 13 4 73 8 53 6 92 9 53 1 03 1 83 4 43 7 43 8 24 0 0 胸厚r a m 1 7 41 8 61 9 12 1 22 3 72 4 52 6 11 5 91 7 01 7 61 9 92 3 02 3 92 6 0 大腿长r a m 4 1 34 2 84 3 64 6 54 9 65 0 55 2 33 8 74 0 24 1 04 3 84 6 74 7 64 9 4 小腿长i t l3 2 43 3 83 4 43 6 93 9 64 0 34 1 93 0 03 1 33 1 93 4 43 7 03 7 63 9 0 2 1 2 2 驾驶员的运动分析 巴辅 一- p 1 囊。风、( 甄r ， 且 1 = ，一 弋挑 j 翼l 呐 1 履呐 p 7 ( 两kl g 、 k! 、， ：裂 - 1 d 一 四 一 、 r l 、 ， 乙k ， i 蕊 rj l o 图2 2 人体坐姿振动系统结构简图 当汽车驶过道路减速带时，不仅汽车本身会产生剧烈的振动，同时坐在汽车 座椅上的驾驶员也会产生相应的振动，但这种振动与汽车车身的振动并不一致， 而有着它本身固有的特性。汽车驾驶员的振动主要由三部分组成：座椅上人体上 半身的垂直振动和俯仰振动；座椅前地板上人体下半身的垂直振动：转向盘上人 体上肢( 平臂) 的垂直振动，所有这些振动都会使驾驶心理和生理产生不同程度 的影响。但是由于除了座椅传给人体上姿的垂直振动外，都是随车身的振动而振 动，没有必要单独研究。 由人体坐姿振动系统结构简图可知，大致可将坐在座椅上的人体质量分为两 个部分；一部分质量由座椅承载( 塌) ，另一部分质量由座椅前的地板承载( 仍) ， 其质量分部如表2 2 。对于质量岛，与车身地板基本没有相对运动，可认为固定 在身上，随车身做各种运动；对于质量皿，由于座椅的存在，它与车身有着明显 的垂直相对运动，是人体模型重点研究的重点对象，另外，硒还存在着俯仰运动， 但由于前面的假设，座椅又是固定在车身地板上的，所以认为该运动是与车身的