（车辆工程专业论文）山区二、三级公路汽车安全行驶状态研究.pdf

摘要 山区二、三级公路由于其地理、地形等特殊性，往往按照比较低的道路线形标准进 行设计，使得驾驶员的行车速度往往偏高，所以山区二、三级公路也因此而成为事故多 发地段。研究山区二、三级公路的汽车安全行驶状态对于减少事故发生具有重要意义。 本文将汽车操纵稳定性原理和道路弯道半径、纵坡坡度相结合，提出车辆行驶的安 全系数，以v i s u a lc + + 为平台，编制计算程序，对山区二、三级公路汽车的安全行驶状 态进行了研究。 1 本文运用汽车的操纵稳定性原理对汽车在曲线和纵坡上行驶时进行力学分析，对 汽车在曲线和纵坡结合的道路上行驶时的侧滑和侧翻条件进行了研究，建立了山区公路 车辆一道路动力学模型。 2 本文运用一级模糊综合评判理论，结合试验数据，提出并计算了不同平曲线半径 和纵坡坡度所对应的安全系数。 3 结合山区二、三级公路车辆一道路动力学模型和安全系数，计算出汽车稳定行驶 的安全车速。 4 介绍了车辆运行速度理论计算方法，研究了路段间的汽车行驶状态和加、减速控 制原理。 5 完成实际道路的汽车稳定行驶的模拟，确定了实际道路的交通标志位置。 关键词：山区公路；侧翻；侧滑；安全系数；安全车速；车辆行驶理论 a b s t r a c t t h es e c o n da n dt h i r d - c l a s s e dm o u n t a i nr o a d sa r eo f t e nd e s i g n e di nr e l a t i v e l yl o wl i n e a r s t a n d a r db e c a u s eo fi t s s p e c i f i c i t ys u c ha sg e o g r a p h y , t o p o g r a p h ya n ds oo n t h ed r i v e r d e t e r m i n e dt h es p e e do ft h ev e h i c l ea c c o r d i n gt ot h et r a f f i cc o n d i t i o na n dt h ev e h i c l e s p e r f o r m a n c e s ot h es e c o n da n dt h i r d c l a s s e dm o u n t a i no f t e nb e c o m e st h ep l a c ew h e r et h e a c c i d e n th a p p e n e df r e q u e n t l y t h es t u d yo nt h es e c o n da n dt h i r d - c l a s s e dm o u n t a i n sd r i v i n g s a f e t yc o n d i t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nr e d u c i n gt h ea c c i d e n t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n dt h er o a d sr a d i u sa n dt h e l o n g i t u d i n a ls l o p ea r ec o m b i n e d ，t h ev e h i c l e sf a c t o ro fs a f e t ya r ep r o p o s e d ，t h ev i s u a lc + + i su s e da st h e p l a t f o r m ，t h e c a l c u l a t i o np r o c e d u r e sa r ep r e p a r a t i o n ，t h es e c o n da n d t h i r d - c l a s s e dm o u n t a i nr o a d sd r i v i n gs a f e t yc o n d i t i o na r er e s e a r c h e d 1 i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya r eu s e dt oa n a l u s i st h e v e h i c l e sm e c h a n i c a l ，t h ec o n d i t i o no ft h er o l l o v e ra n ds i d es l i pi sr e s e a r c h e dw h e nt h ev e h i c l e i so nt h ep l a c ew h e r et h ec u r v e sa n dl o n g i t u d i n a ls l o p ei sc o m b i n e d t h em o u n t a i n s v e h i c l e r o a dd y n a m i c sm o d e li se s t a b l i s h m e n t 2 i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t ht h et e s td a t a ，t h ed i f f e r e n tl o n g i t u d i n a lc u r v er a d i u sa n d s l o p ec u r v e s ss a f e t y f a c t o r sa r e p r o p o s e du s i n g t h et h e o r yo ff u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 3 t h es a f e t ys p e e d so fv e h i c l ea r ec a l c u l a t e dc o m b i n e dw i t ht h es e c o n da n dt h i r d c l a s s e d m o u n t a i n sr o a d - v e h i c l ed y n a m i c sm o d e l sa n dt h es a f e t yf a c t o r s 4 t h et h e o r yo fv e h i c l e ss p e e dc a l c u l a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d t h ei n t e r - s e c t i o no ft h e r o a d sv e h i c l ed r i v i n gs t a t ea n dt h es p e e dc o n t r o lp r i n c i p l ei sr e s e a r c h e d 5 t h ev e h i c l e sd r i v i n gs t a b i l i t ys i m u l a t i o ni sc o m p l e t e di nt h ea c t u a lr o a d ，t h er o a d t r a f f i cs i g n si sd e t e r m i n e di nt h el o c a t i o no ft h ea c t u a lr o a d k e y w o r d s ：m o u n t a i nr o a d ，r o l l o v e r ，s i d e s l i p ，s a f e t yf a c t o r ，s a f e t ys p e e d ，v e h i c l e s d r i v i n gt h e o r y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：硒1 朐矽7 年j 月，罗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 两彳徊砷年歹月万日 导师签名： 巍伽 唧年r 月力日 长安大学硕士学位论文 1 - 1 研究背景 第一章绪论 我国公路交通建设正在快速发展，取得了历史性的进步。到2 0 0 7 年底，公路通车 总里程己达3 5 7 3 万公里，其中代表现代交通发展水平的高速公路达4 1 万公里，居世 界第二( 美国排在第一，8 8 力- 公里) 。虽然成绩瞩目，但是，到目前为止，我国公路上 的车辆安全行驶状况却不容乐观，由于道路交通“安全标准”不完善、驾驶员的素质普 遍不高，缺乏良好的交通安全意识，这样就导致了公路上交通事故的绝对量与相对水平 居高不下，事故造成的损失很大。特别是在弯多坡陡的山区公路，尤其出现一些突出的 安全问题，时而发生重大交通事故，成为事故高发路段。 道路交通安全问题已经成为我国公路建设中的重要问题之一。根据中华人民共和囤 公安部全国道路交通事故情况统计数据：2 0 0 3 年我国共发生道路交通事故6 6 7 5 0 7 起， 死亡人数1 0 4 3 7 2 人，其中二、三级公路发生交通事故2 4 2 0 0 8 起，占总交通事故数的 3 6 3 ，造成5 3 0 6 8 人死亡，占总死亡人数的5 0 9 【1 】；2 0 0 5 年全国共发生交通事故4 5 0 2 5 4 起，死亡人数9 8 7 3 6 人，其中二、三级公路上发生的交通事故造成4 7 4 4 8 人死亡，占到 总死亡人数的4 8 1 【2 】；2 0 0 7 年全国共发生交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡， 其中二、三级公路上发生的交通事故占到总死亡人数的4 4 4 t 引。从以上数据可以看出， 在二、三级公路事故所占比例非常大。而道路等级偏低、几何线性不佳、驾驶员视线不 良、缺乏有效的预防措施都是发生交通事故的重要原因。 道路交通系统是由人车路( 或环境) 三大要素构成，道路交通安全与否取决于参与 交通过程的人车路( 或环境) 是否保持协调，在这个系统中任何一个环节出现问题，都 有可能发生交通事故。因此，交通事故是由构成交通系统的因素自身或相互作用的失调 造成的，其中人是道路交通系统的核心。据交通事故统计表明，发生车祸的直接或间接 原因中，有8 0 - - 9 0 与驾驶员有关。然而，道路( 或环境) 作为构成交通系统的基本 要素，它们直接对汽车驾驶员产生重大影响。在由于驾驶员因素造成的交通事故中有相 当一部分都与道路有关。驾驶员驾驶车辆行驶于某路段时所采取的措施是道路线形特 征、路面条件和交通环境条件等行车环境信息进行综合作用的结果。汽车驾驶员作为道 路交通系统的信息处理者和决策者，必须在极短的时间内做出准确的分析判断。然而， 驾驶员在多数情况下不可能有充分的时间进行定量的认知、分析和决策，在操作车辆过 第一章绪论 程中完全是靠一种主观的感受，这给汽车的行驶安全埋下隐患。 目前我国公路设计的一般程序为：首先根据公路建设等级及地形、地貌确定一个计算 行车速度( 也称设计车速) ，再以此设计车速为依据确定出符合设计标准的道路技术条件 指标。计算行车速度是道路几何线形、行车道宽度、超高、加宽设计等设计要素最低标 准的核心指标，根据现行的规范，只要一条道路采用的最小几何指标大于该条公路采用 的计算行车速度所对应的最小几何指标，就认为该公路的设计符合规范。理论上说，从 行驶力学的角度出发，当行驶在道路路段上的车辆( 技术状况正常) 的实际车速不超过该 路段道路的“设计车速”时，道路就能为汽车提供足够的安全保障而不发生交通事故( 除 突发性危险事件) 。但依照这样程序设计的道路线形，往往只能满足驾驶员安全行车的 最低要求，其基础假设未能描述交通行为中人车一路系统的作用，对人的特殊性缺乏重 视，特别是对人的道路安全感没有充分予以考虑，往往在实际的驾驶行为时产生偏差。 而且，道路设计的技术指标都是依据设计车速而确定的，但在实际的驾驶行为中，没有 一个驾驶员自始至终去遵守这一固定车速。车辆在公路上行驶时，驾驶员一般都是根据 其对道路行车条件的认识所形成的主观感觉来操纵自己的汽车，当驾驶员的道路安全感 较高时，他们总是倾向于采用尽量高的速度行驶。所以在特定的路段，实际行驶车速可 能会远高于设计车速，这样就产生了高车速与低设计标准的偏差，情况严重时就会产生 安全隐患。 针对上述问题，本文将汽车操纵稳定性原理和道路弯道半径、纵坡坡度相结合，并 在满足道路设计标准的情况下，提出了车辆行驶的安全系数，研究山区二、三级公路上 汽车的安全行驶状态具有十分重要的意义。 1 2 本文研究的目的和意义 设计出“安全高效、经济合理”的道路，确保车辆在道路上安全行驶是目前一个需 要不断进行研究的技术课题。本文将汽车操纵稳定性原理和道路线形相结合，根据道路 线形提出了相应的安全系数，对山区二、三级公路汽车的安全行驶状态进行深入分析和 研究，其目的和意义在于： ( 1 ) 提供公路工程技术标准、公路项目安全性评价指南的修订依据 根据现行相关规定，设计人员在满足车辆极限行驶的要求下，根据设计经验来设 计，难以确保公路设计是“安全、通畅、经济”的。因此，研究确定山区二、三公路的 汽车安全行驶状态是刻不容缓的。研究成果可以为公路路线设计提供具有参考价值的数 2 长安大学硕士学位论文 据及修订依据，这对我国山区二、三级公路的建设具有较强的实际意义。 ( 2 ) 提高山区二、三级公路运行的安全水平 目前，我国在山区修建的公路里程逐渐增加，但由于受工程投资、设计理念及地理 环境等因素影响，公路建设比较重视工程造价，对行车安全往往重视不够。特别是一些 山区二、三级公路在山岭重丘等复杂地形下的局部路段，重大事故时有发生。将本文研 究所取得的成果应用于实际的公路建设中，可有效地提高山区二、三级公路车辆的行驶 安全性。 ( 3 ) 体现“以人为本，安全至上”的设计新理念 公路路线设计的发展趋势，基于车辆动力学分析的模式，考虑人、车、路柏结合， 尤其是注重人的特性和驾驶行为的方向发展。本论文基于山区二、三级公路汽车操纵稳 定性，以消除事故诱因，达到保证行车安全为目的，从而使公路设计中充分反映“以人 为本，安全至上”的设计观念。 1 3 国内外相关研究现状 1 3 1 国外研究现状 目前国外道路上车辆稳定性的安全研究主要涉及基于运行车速的公路平纵线性评 价方法、公路平纵线性对车辆运行特性的影响等。1 9 9 4 年g e o r g ek a n e l l a i d i s 研究了驾 驶员对公路曲线道路路段的速度选择规律【4 1 11 9 9 9 年r u e d i g e rl a m m 研究了道路路线设 计、驾驶员行为、动力特性和交通安全的内在关系，在道路的平、纵线形设计和视距、 线性协调设计中，研究了道路线形与交通事故的潜在关系，提出了交通安全标准和道路 设计目标，即设计的连贯性、行驶车速的一致性和驾驶的动力协调性，尤其对双车道公 路的研究比较深入 5 】；英国的a a m a l j a n a h i 和a h r h o d e s 在1 9 9 9 年对自由流条件下 道路的车速、车速限制和交通事故之间的关系进行了研究【6 1 ；1 9 9 8 年a l a nn i c h o l s o n 研 究了公路平纵线形的一致性与运行车速的关系r 7 j ；1 9 9 9 年j a m e s 等人研究了运行车速作 为平曲线设计控制因素的方法1 8 1 ；k a n e l l a i d i s 等人提出了运行车速与平曲线半径的计算 模型 9 1 ；y u s i nl e e 和j u e y f u 研究了运行车速与公路纵坡坡度的关系【1 0 】；2 0 0 2 年l a m m 等人提出了分别以运行速度与设计速度差值、相邻路段运行速度梯度、考虑设计车速的 假定路面摩擦系数与运行车速需要的路面摩擦系数的差值三项指标进行安全评价的方 法【1 1 】。美国公路管理局开发的i h s d m ( i n t e r a c t i v eh i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ) 系统， 其思路在于通过实地观测和实验建立评价模型，并将其引入公路设计软件中，建立公路 3 第一章绪论 线形要素和行车速度、驾驶人等指标的关系，从而对道路设计起指导作用【l 引。 1 3 2 国内研究现状 1 9 9 1 年同济大学景天然根据大量调查与统计的交通事故数据，辅以理论分析，建立 了交通事故与道路条件的关系，提出了公路交通安全评价方法i l 引，1 9 9 3 年研究了公路 平面线形与行车速度的关系【1 4 1 ；1 9 9 8 年公安大学刘建军研究了道路平面线性、驾驶员 行为与弯道交通事故的关系【l5 】；2 0 0 0 年，冯桂炎提出了车速对交通安全的影响受交通 负荷的影响，不同的交通流运行状态具有发生不同形态和严重程度事故的特征，车速也 受道路条件的限制，实际车速不同于设计车速，安全容许车速与实际车速之比可以用以 评价路段的交通安全性能，给出了交通量速度事故关系曲线，从而可以定量的对车速 进行合理控制【l6 】；2 0 0 1 年，北京工业大学交通工程研究所陈永胜采用“驾驶员期望车 速与道路需求车速转换频度的离差”来表述“信息离差”，作为道路安全的核心指标， 构筑了道路安全水平的量化模型，解决了道路安全设计中的核心技术，为道路安全设计 的实践提供理论和方法体系的支撑【1 7 j ；北京工业大学郑柯、任福田运用动态心电仪、动 态g p s 及摄像机等设备研究了驾驶员在正常运营的高速公路顺直路段上行驶时心理紧 张量与车速、超车等要素之问的定量关系【1 8 】；2 0 0 2 年，北京工业大学贺玉龙，卢仲贤 等采集高速公路直线段车辆连续运行速度数据，根据平曲线半径不同，建立了直线段车 辆稳定运行速度的数学模型【1 9 1 ；郑柯，荣建等得到不同驾驶员在平曲线半径与行驶速度 间的变化规律，分析了高速公路平曲线设计指标使用的恰当性和高速公路平曲线上行车 状态的安全性【2 0 】；2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学裴玉龙，马骥在辽宁省和哈尔滨市大量事 故数据分析的基础上，系统研究道路线形中平面、纵断面、横断面和交叉口各项参数的 设置问题及其对交通事故的影响，并对其影响关系进行规律性分析，建立了平均车速与 亿车公里事故率的二项式关系模型以及车速标准离差与亿车公里事故率的指数关系数 学模型【2 1 1 。1 9 9 8 年同济大学朱照宏，景天然等研究了平面、纵断面和横断面对行车速 度的综合影响，建立了二、三级公路线形与行车速度的关系，根据道路沿线行车速度和 道路阻抗，可以估算燃油消耗量【2 2 】；2 0 0 1 年河北工业大学崔洪军，魏连雨等通过对事 故多发地点的交通事故的分析，阐明了平均速度、速度均方差、速度变化率与交通事故 间的关系，并创造了各种道路条件来分析道路条件与速度的关系，进而阐明了道路条件 与事故的关系，避免了由于不可试验性造成的事故率系数法、多元回归等研究中样本不 一致及样本不足的缺附2 3 】；2 0 0 3 年哈尔滨工业大学裴玉龙，程国柱研究了我国高速公 4 长安大学硕士学位论文 路不同地形类别和不同线性情况下的车速分布情况，并用回归分析的方法建立了运行车 速与平曲线半径和纵坡坡度之间的关系模型，从运营管理的角度提出了确定高速公路曲 线段和坡度段合理限制车速具体的方法和建议值【2 4 1 ；2 0 0 4 年同济大学高建平，郭忠印 标定了车辆运行速度、加速度与公路线形之间的关系模型，从行车安全的角度出发，将 线形单元间运行车速和加速度的变化量作为线形质量的评价标准，建立了线形质量评价 模型，用以进行公路线形设计质量的定量评价【2 5 l ；我国交通部于2 0 0 4 年9 月1 日发布 了推荐性行业标准：公路安全性评价指南( j t g t b 0 5 2 0 0 4 ) ，推荐了运行车速的两种 测算方法和以运行车速为基础的评价方法【2 6 1 。 1 4 论文研究内容 本论文研究是为了给山区二、三级公路的汽车安全行驶提出科学、合理地建议。为 此，本文主要做了以下工作： ( 1 ) 建立了车辆道路动力学模型，分析了在不同平曲线半径、纵坡坡度情况下汽 车不发生侧翻、侧滑的极限状态，建立了汽车不发生侧翻、侧滑，保持汽车在道路上稳 定行驶的极限车速模型； ( 2 ) 根据驾驶员对不同平曲线半径、纵坡坡度的道路安全感实验数据提出了不同 平曲线半径、纵坡坡度下的安全系数； ( 3 ) 根据不同平曲线半径、纵坡坡度得到的极限车速和安全系数，计算得到汽车 在不同平曲线半径和纵坡坡度下能够稳定行驶的安全车速； ( 4 ) 分析了现有的车辆运行速度的理论计算方法、研究了汽车在路段间的安全行 驶状态； ( 5 ) 对实际道路进行车辆运行速度的计算模拟，并将结果与相应的安全车速进行 比较分析，从而确定实际道路的车辆安全行驶情况。 1 5 本文研究技术路线 本文首先建立了不同平曲线半径和纵坡坡度下的汽车不发生侧翻、侧滑，稳定行驶 的车辆道路动力学模型，其次根据驾驶员对不同平曲线半径、纵坡坡度的道路安全感 得到不同平曲线半径和纵坡坡度下的安全系数，并结合极限车速，得到相应的安全车速。 根据运行车速理论计算得到相应的运行车速，将该车速与安全车速进行对比，分析其安 全状况。图1 1 所示为本文研究的流程图。 5 第一章绪论 图1 1 本研究的技术路线 6 长安大学硕十学位论文 第二章山区公路车辆一道路动力学模型 2 1 汽车在平、纵组合曲线上行驶时力的平衡【2 7 l 汽车行驶稳定性是指汽车行驶过程中，在受n # i - 界扰动( 路面扰动或突然阵风扰动) 后，自行保持或迅速恢复原行驶状态，不发生失去控制而产生侧滑、侧翻等现象的能力。 汽车稳定性的好坏对行驶速度、行车安全以及通过性等都有直接的影响。 汽车行驶的稳定性可用纵向稳定性和横向稳定性两项指标来衡量。纵向稳定性即指 汽车在坡度较大的坡道上行驶时，抵抗绕后轴或者前轴倾翻及纵向倒溜的能力。横向稳 定性指汽车在转向或在具有横向坡度的道路上行驶时，抵抗发生侧向滑移和侧向翻车的 能力。道路上行驶车辆发生的交通事故主要集中在横向稳定性方面，本文建立的模型主 要是横向稳定性模型。汽车行驶稳定性主要是受到以下三个方面因素的影响： ( 1 ) 汽车自身的结构参数：如汽车自身的重心位置( 水平位置或高低) 、钢板弹簧 的刚度、轮胎性能、前后悬架形式以及制动器制动性能等。 ( 2 ) 驾驶员的操作过程：如驾驶员行车过程中注意力集中、技术熟练、动作敏捷、 转向操作时缓慢转向及采取正确的制动措施，则能使汽车保持稳定行驶；反之，如果驾 驶员对情况反映很迟钝或者操作出现一些失误，则有可能导致汽车失去稳定性。 ( 3 ) 作用于汽车的外部条件：如装载是否正确、道路的横向坡度、纵向坡度、路 面附着条件以及汽车变速行驶和曲线行驶过程中惯性力的大小等。 2 1 1 汽车在曲线上行驶时力的平衡 2 1 1 1 汽车在有横坡的曲线上行驶时的受力分析 图2 1 汽车在平曲线上匀速行驶时的受力分析 7 第二章山区公路车辆道路动力学模型 车的重力g 和惯性力易作用在汽车重心。上，轮距为b ，巧为汽车后轮的侧向反作用 力，由于横坡的存在，此时作用在汽车上的侧向力除了易c o s t x 外，还有汽车重力平行 于路面的分力g s i n a ，唿为质心离地高度。 对汽车左边车轮与道路接触面中点的连线取矩，则可得 g - 罢c o s a + g 唿s i n 倪+ 易罢s i n a 一易唿c o s a - - b = o ( 2 1 ) 求解上式可以得到汽车右轮上所受的法向反作用力为 g b 兰e o s a+ghgsina+psyb生sina-pzhgeosaz ( 2 2 ) r t p i - l 1 厂l 一 心2 ) 同理对汽车右边车轮与道路接触面中点的连线取矩，则 g 专c o s a - g h gs i n 口+ 乃争口+ 易唿c o s a - - b = o ( 2 3 ) 求解上式可得到汽车左轮上所受的法向反力为 z ：堡兰竺竺竺：垒：至b 竺二垒：竺兰! 竺 ( 2 4 ) z ，左一_ 云一 、厶叶7 2 1 1 2 汽车在曲线上行驶时所产生的作用力 线内倒曾线外伺 图2 2 汽车在曲线上行驶时所产生的作用力 图2 2 对汽车在曲线上行驶时所产生的作用力进行了分析。 横向力l ，为 】，= c c o s a g s i n a ( 2 5 ) 因为c o s a 1 ，s i n a t a n a = o 8 长安大学硕一l 学位论文 所以y c a i o f o 一路面横坡坡度； c 书吼c = 嚣； l ，：里g i o ( 2 6 ) g r 肚南 眨7 ) 由式( 2 7 ) 可知，r 、v 值不决定与j ，之绝对值，而取决于去，即取决于汽车单位 u 重量的相对横向力值。取= 石y 称为横向力系数，代入式子，则 p = 去毛 眩8 ， 将车速v ( 聊s ) 化成y ( 砌厅) ，有 j l l ：再v 一2 f o (2“9)27r “= 土k l y ， 。 1 ” 肚1 2 7 ( p 高+ i o ( 2 - 1 0 ) ) 式中：r 平曲线半径( m ) 。 1 一横向力系数； 9 第二章山区公路车辆道路动力学模型 2 1 2 汽车在纵坡上行驶时力的平衡 图2 3 汽车直线上坡行驶的受力图 图2 3 中所示为后轴驱动的双轴汽车在直线坡道上作加速行驶的受力情况。图中g 为汽车总重力，a 为坡道阻力，唿为重心高度，l 为汽车轴距，厶和厶为汽车重心至 前、后轴的距离，o 为汽车重心，汽车加速上坡行驶时之惯性力为只。，重力平行于路 面的分力g s i n a ( 即坡度阻力) 作用在重心d 上，作用方向与汽车行驶方向相反。空气 阻力圪可视为作用在汽车正面风压中心的集中力，风压中心的高度为丸。此外，g c o s a 为汽车重力垂直于路面之分力。作用在汽车上的力除上述之外，还有路面对汽车的反作 用力，汽车车轮上的法向作用力z l 和z 2 ，它与接触面垂直，并通过车轮中心；滚动阻 力矩吩和吩：，其作用方向与车轮回转方向相反，假没车轮半径为，车轮与坡道的 滚动阻力系数为，由前所述知滚动阻力矩值为 m f l = z l f 。吃 ( 2 1 1 ) m ，2 = z 2 f ( 2 1 2 ) 汽车车轮上的切向反作用力墨及置作用在车轮与路面的接触面上，并与车轮接触 面的切线方向一致，从动轮的切向反作用力五的作用方向与汽车行驶方向相反，而驱 动轮的切向反作用力墨的作用方向则与汽车行驶方向相同，汽车所产生的转动力矩为 托，惯性力矩哆。及呜：的作用方向与车轮的回转方向相反。 1 0 长安大学硕士学位论文 将汽车的作用力分别对前轮接地点及后轮接地点取矩，并考虑到 z l + z 2 = g c o s a ( 2 1 3 ) 汽车滚动阻力尸，= g c o s a f a f ，l + 0 2 = ( z l + z j ) f r k = g f 咯c o s a = 弓r k ( 2 1 4 ) 则 zt：g-cosa(l2-frk)-ghg-sina-pj,hg-mjl-m,2-phw( 2 1 5 ) 厶l 一i 一 厶- j z 2 = 塑业堂坐尘等盟些幽 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 可知，当汽车行驶时，作用在汽车前后轮上的法向作用力不仅 与汽车结构参数( 如g 、厶、厶、唿、九等) 有关，而且随汽车运动情况而变化。汽 车在上坡行驶时，反作用力z l 减小，而z 2 增大；下坡行驶时，则刚好相反。空气阻力 使反作用力z l 减小，而z 2 增大，其差值随风压中心高度的增高而加大。 作用在汽车前轮( 从动轮) 的切向反作用力墨为 墨= z l 厂+ m j l r k ( 2 1 7 ) 而作用在汽车后轮( 驱动轮) 的切向反作用力量为 x 2 ：m e - - 2 一z 2 厂 ( 2 1 8 ) 2 2 汽车在平、纵组合曲线上行驶时的侧翻模型 2 2 1 车辆侧翻概述 根据美国国家公路交通安全管理局n h t s a 统计数据显示，车辆侧翻事故虽然只占 到车辆事故中的3 ，但其造成的死亡占总数却高达3 3 。在美国，每年大约有超过1 0 0 0 人死于车辆的侧翻事故，即便是系安全带，在侧翻事故中死亡的死亡率是7 5 。由于试 验难以模拟，所以国际上关于侧翻试验的详细评价标准仍然在研究当中，目前美国关于 乘用车侧翻方面的法规主要有4 9c f r p a r t5 7 5 车辆防侧翻以及f m v s s2 0 8 成员 碰撞保护中提及的滚翻试验【2 8 j 。 第二章山区公路车辆道路动力学模型 车辆可能经历的所有动态操纵中，侧翻是对车辆乘员最严重、最危险的一种。侧翻 的定义为：任何一种操纵能够使车辆饶其纵轴旋转9 0 度或9 0 度以上，使车体与地面相 接触。侧翻可能是由一种或多种因素共同导致的。当侧向加速度的大小超过轮胎侧向蘑 量转移所能补偿的极限时，即便是在平坦和水平的路面上也可能发生侧翻事故。而路面 的横向坡度( 或越野) 以及来自路缘的冲击、软地或其他可能“绊倒 车辆的障碍物也 会影响侧向力的产生。除了受操纵与道路的影响外，侧翻过程还涉及作用于车上与车内 的各种力复杂的相互作用。此过程已进行分析研究并由以经验为主的复杂程度各异的各 种模型所模拟，其中最简单的模型为准静态模型( 忽略惯性项与侧倾平面内的加速度) ， 在此基础上可扩展出更复杂的模型。 2 2 2 车辆的准静态侧翻【2 9 1 【3 0 】 车辆侧翻过程中所涉及的最基本的力学关系可在研究刚体车辆转向过程的受力平 衡时见到。刚体车辆是指在分析中忽略悬架与轮胎的形变。 图2 4 作用于车辆上使其侧翻的力 如图2 4 所示，在转向过程中，为了平衡作用在车辆重心处的侧向加速度，地面对 车辆也作用有侧向力。由于这两个力的作用点不同，便产生一力矩，在此力矩的作用下， 车辆有向弯道外侧侧倾的趋势。 其中：m 一汽车总质量( k g ) ；口。一侧向加速度( m s 2 ) ； 吃一车辆质心高( m ) ；b 一车轮轮距( m ) ； 艺内侧车轮垂直作用力( n ) ；尼一外侧车轮垂直作用力( n ) ； 瓦内侧车轮侧向作用力( n ) ；凡一外侧车轮侧向作用力( n ) ； 1 2 k 安大学硕士学位论文 为研究此过程，可假设该车辆转向过程是稳态的，既无侧倾角角速度，并假设图2 4 中作用于轮胎上的力代表前后轮所受力的总和。在部分道路上，还应考虑横向斜坡的影 响，即一般所称的横向坡度或弯道超高。在分析过程中，斜坡的角度以符号缈表示，并 以向左下方倾斜作为正角度，此方向的横向坡度将有助于平衡侧向加速度。一般而言， 横向坡度都很小，在分析过程中可利用小角度近似计算( s i n t p = 妒，c o s6 p = 1 ) 。车辆所 受外力对外侧轮胎接触中心取力矩，得到 m a y h g m g r p h g + 艺b 一昙懈= o ( 2 1 9 ) 从中可以推出口。的关系式： 詈2 互1 一墨m 9 1 旦h g + 妒 ( 2 2 。) 在无侧向加速度和水平路面上( 9 = 0 ) ，当内侧车轮上的负载巴等于车辆总重 ( m g ) 的一半时，此方程式成立；而当有侧向加速度时，若能够选择合适的横向斜坡 角，也可以使屹等于车辆总重的一半。此时，缈应为 ：生( 2 2 1 ) g 为此，在设计道路时，横向坡度被应用在弯道上。依据转弯半径和设计车速，选择 合适的横向坡度，使产生的侧向加速度大小保持在0 - 0 1 9 的范围内。在有横向坡度的弯 道上使侧向加速度值为零的速度被称为“中性车速”。 依据上式，当存在侧向加速度时，内侧车轮的载荷将减小，车辆正是通过这一变化 来平衡转弯时所产生的侧翻力矩。当内侧车轮载荷为零时( 所有载荷都转移到外侧车 轮) ，为极限转弯状况，由于在此点再也不能保持侧倾平面内的平衡，车辆将开始出现 侧翻现象。开始发生侧翻时的侧向加速度为“侧翻临界值”，其值为 ! 兰：b 2 + 9 h ( 2 2 2 ) g h 当横向坡度为零时，“侧翻临界值”为“酬2 办”，这一简单关系式常被运用于对车辆 抗侧翻能力的初步估计上，其简单之处在于它仅仅需要知道车辆的两个参数一轮距和重 心高度即可。然而，这种估计是相当保守的( 所得到的侧翻临界值大于实际值) ，因此 1 3 第二章山区公路车辆道路动力学模型 它往往被用在对不同车辆的比较上。一些动力学专家使用此式的倒数形式，即2 h n 来 作为评价防侧翻倾向的参数，此值越大表明侧翻临界值越小。 由刚体车辆模型看出，能使轿车和轻型货车发生侧翻的侧向加速度的大小超过了由 轮胎的摩擦极限( 典型的摩擦系数峰值为0 8 左右) 所确定的转弯能力，在这种情况下， 车辆理论上不应该发生侧翻，而是在平面上急剧回转。由此可以认定，这种类型的车辆 将很少发生侧翻事故；但事故统计表明事实并- ：t b - 女n 此，这促使人们对侧翻现象进行更深 入的研究。对重型货车而言，其侧翻临界值可以在轮胎摩擦极限范围之内，所以重型货 车驾驶员若使车辆在干路面上发生急剧回转的话，则很有可能发生侧翻危险。 为了更进一步的描述刚体车辆的侧翻现象，可将侧向加速度作为侧倾角够的函数绘 制成图。根据车辆为刚体的假设，当侧倾角为零时，侧向加速度可为零至侧翻临界值的 任何值。当达到此临界值时内侧的车轮将抬起。车辆开始侧倾，平衡的侧向加速度值随 着角度的增加而减小，这是因为重心的位置提高并向j i - n 车轮移动了。此区域处于不稳 定的侧倾状态。假设一车辆在转弯时两轮被抬起，为保持平衡，车辆的侧倾角必须精确 的落在上述曲线平衡侧向加速度数值上，任何增加侧倾角的轻微扰动都将降低侧向加速 度的平均值，若任其发展，则车辆侧倾状态加速将在一两秒内迅速发展成完全侧翻。 至于如何定义侧翻开始，由于当内侧车轮离地时，车辆已经处于不稳定状态，所以 将车轮离地定义为侧翻开始是恰当的。然而，此时通过快速的操纵转向盘朝转弯外侧转 向，驾驶员仍然有可能停止此作用，将侧向加速度降低到使车辆恢复直立状态的水平。 由于侧翻进行得很快，进行这种操作需要很快的反应( 在几分之一秒以内) 。从理论上 说，只有当侧倾角增大到使车辆重心超出外侧车轮接触线的外端时，侧翻才是不可避免 的，此极限对应于侧向加速度达到零点时的状态( 妒= a e c t a n 钐办) ) 。 对于普通驾驶员而言，处于这种状态时是很难避免侧翻事故的发生，为保险的考虑， 汽车工程师应假设：一旦车辆一侧车轮离地时，大部分驾驶员都没有处理这种不稳定的 反应和能力，从而应专注于车辆性能的优化，尽量避免这种状态的出现。 2 2 3 汽车在平、纵组合曲线上行驶时侧翻分析 2 2 3 1 汽车在平、纵组合曲线上的侧翻模型 在分析平、纵组合曲线上行驶车辆的侧翻模型时，如果同时考虑横坡、纵坡和弯道 半径，那将是一个三维的空间受力分析，难于在平面上表达。因此，为了方便平面上的 1 4 长安大学硕士学位论文 受力分析，将受力过程简化成两步来考虑： 第一步：假设汽车的横坡为零，在纵坡为p 的平曲线上受力分析，同时参考本章 2 1 2 节的讨论，可以得到横向力为： y = c( 2 2 3 ) 第二步：以第一步为基础，同时参考本章2 1 1 节中的讨论，增加横坡坡度角仅， 可以得到横向力】，为： y = c c o s a + g c o s , 6 s i n a( 2 2 4 ) 因为a 角度很小，所以： c o s a l ，s i n a t a n a = o 所以得到： y c + g c o s f l o 式中：“+ 表示路拱双坡外侧，“一 表示路拱双坡内侧； a 一路面横坡坡角，一般很小； 乇一路面横坡坡度； c 书吼c 专罢； 再有 】，：婴g c o s 卢i o ( 2 2 5 ) g r 。 得到 v = 扫瓦i 再面 ( 2 2 6 ) 2 2 3 2 汽车在平、纵组合曲线上的侧翻条件分析 汽车在有纵坡和横坡的道路上做曲线运动时，由于横向力的作用，可能产生侧翻， 产生侧翻的极限条件是：横向力引起的侧翻力矩等于车辆本身重力产生的稳定力矩，且 由受力分析条件可知： 侧翻力矩为： 魄= ( c c o s a g c o s 3 s i n a ) h g ( 2 2 7 ) 第二章山区公路车辆道路动力学模型 ( g c o s f l c o s a + c s i n a ) 罢 汽车不发生侧翻的极限平衡条件为： 魄= ( g c 。s , 6c o s a _ _ _ c s i n 叫b i = ( g c 。s 卢c f o ) 詈 ( 2 2 8 ) 式中，b 为汽车轮距；c 毛与g 相比甚小，可忽略不及，则魄g c o s f l i b ，所以 上：百b ：翻 (229)g c o s f l 2 唿翻 由式( 2 2 9 ) 可得到汽车不产生侧翻的稳定条件为翻老 r 而在侧翻极限状态时，翻云代入式得到汽车在曲线上行驶时不发生侧翻的最 大车速也和最小曲线半径足。，即 瓤2 k 2 矸v 2 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 显然，若汽车的行驶速度v 。或平曲线半径r r m i n ，则汽车都将发生侧翻。 2 3 汽车在平、纵组合曲线上行驶时的侧滑模型 2 3 1 车辆侧滑概述 汽车车轮侧滑对汽车造成的不利因素较多，主要表现为加剧轮胎的磨损、使发动机 产生附加功率消耗、破坏行车稳定性等，其中加剧轮胎磨损是关键。由于轮胎磨损所引 起的大幅度的胎温上升，有时甚至使胎体爆破，严重影响行车安全；而且车速越高，相 同条件下的轮胎温升越高，轮胎也就越容易爆破，因此，较大的侧滑还限制了车速的提 高。总而言之，车轮侧滑直接影响汽车的操纵稳定性、行驶安全性及使用经济性。 1 6 长安人学硕士学位论文 2 3 2 汽车在平、纵组合曲线上行驶i j , - i n 滑模型 侧滑模型建立的分析过程i 司侧翻模型分秽r 过程类似，在建立侧村模型甲，将党力辽 程分成两步来考虑， 第一步：假设汽车的横坡为零，参考本章2 1 2 节，在纵坡为卢的平曲线上受力分 析，得到横向力为： y = c( 2 3 2 ) 第二步：在第一步基础上，参考本章2 1 1 节，增加横坡坡度角位，得到横向力y 为： y = c c o s a g c o s l 3 s i n a( 2 3 3 ) 因为0 角度很小，所以c o s 1 ，s i n a t a n a = i o 所以得至i j 】，c + g c o s 3 i d 式中：“+ 表示路拱双坡外侧，“一”表示路拱双坡内侧； a 一路面横坡坡角； 乇一路面横坡坡度； c 喃吼c = 嚣。 再有 】，：兰塑三g c 。s 卢乇 ( 2 3 4 ) g r ” 瓦y 面= 面v 2 面1 f o 一= 一一t 1 g c o s 卢然c o s 卢” 由式可知，尺、v 值不决定与】，之绝对值，而取决于石妄万，即取决于汽车单位 重量的相对横向力值。取j l l = 石兰称为横向力系数，代入式( 2 3 4 ) 则 = 面v 2 面1 毛2 面面 将车速v ( m s ) 化成v ( k m h ) ，有 1 7 第二章山区公路车辆道路动力学模型 = 羔击乇 j l l2 丽i 丽b 则 肛南 汜3 5 ， 式中：r 一平曲线半径( m ) ； p 一横向力系数； v 一行车速度( k m h ) ； 乇一横向坡度，或横向超高，“+ 表示向外，“一”表示向内。 最后得到极限速度和半径： = 正而乏而 ( 2 3 6 ) 氐；。= 而丽, v 2 ( 2 3 7 ) 2 4 本章小结 本章分析了汽车在曲线上行驶时力的平衡条件、汽车在纵坡道路上行驶时力的平衡 条件，建立了汽车在平、纵组合曲线上行驶时的侧翻、侧滑模型及其条件，得到了山区 公路车辆一道路动力学模型。 1 8 长安大学硕士学位论文 第三章汽车在山区二、三级公路的安全行驶状态分析 3 1 汽车在平、纵组合曲线上行驶时极限车速的确定 3 1 1 车型分类 我国公路上行驶的车辆类型复杂，各车型之间加速性能、最高车速差别很大，我国 目前道路的限速主要是按照小客车和其他车型进行划分，而在欧美则主要按客车和大型 货车进行划分。在本文的研究中，参照国内多数研究的分类方法，将道路上行驶的汽车 车型分三类：小轿车、大型车( 大客车、空载货车) 、重型车( 载货车) ，这三类车在道 路上行驶的速度差别很大。正常行驶情况下，小轿车车速最快，大型车次之，重型车最 慢。这样可以根据不同类型汽车进行不同的速度限