（道路与铁道工程专业论文）山区公路长大下坡路段安全关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着我国西部大开发的深入，山区公路建设取得了巨大成就。与此同时，山区公路的交 通安全问题日益凸显。由于地形的限制，山区公路存在较多的长大纵坡。山区公路交通事故 统计资料显示，一半以上交通事故发生在长大纵坡上，其中绝大多数发生在下坡路段。目前 国内外的相关研究较少，应用于- t 程实践指导的相关规范、指南亦未颁布。鉴于此，本文对 山区公路的长大下坡路段安全关键技术展开研究。 首先，本文应用汽车动力学理论，通过对山区公路长大下坡路段中失控车辆的受力分析， 得出道路坡度大、滑行距离长、车辆载重大等是导致汽车在长大下坡路段容易失控的主要因 素。 其次，分析了刹车毂温度( t ) 与车辆载重( g ) 、车辆下坡速度( v ) 、距坡顶距离( s ) 和长大下坡坡度( i ) 等冈素之间的相关性；设计出货车刹车毂温度实测试验，在不同条件 下对刹车毂温度进行现场测定：对测试数据进行回归分析得出t 与g 、v 、s 、i 的关系模型， 并编制了刹车毂温度预测软件；在此基础上提出了基于刹车毂温度评价长大下坡安全性的方 法。 再次，总结了针对长大下坡路段的安全措施，指出避险车道是最为有效的工程措施。 最后，应用本文研究成果对永宁高速公路s 2 合同段纵断面设计进行了刹车毂温度预测 并评价其安全性，并对评价为不安全的路段进行了避险车道的设计。 本文的研究结论可用于山区公路设计阶段的纵断面线形评价，从安全角度辅助优化道路 的纵断面设计，同时可用于避险车道选址，对提高山区公路长大下坡路段安全性提供理论依 据与应用参考。 关键词：山区公路长大下坡；刹车毂温度；回归模型；避险车道 a b s t r a e t a b s t r a c t a st h ep r o g r e s so fc h i n a sw e s t e r nd e v e l o p m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fm o u n t a i n o i l sh i g h w a yh a s b e e nm a d eg r e a ta c h i e v e m e n t s a tt h es a n l et i m e ，t h et r a f f i cs a f e t yo fm o u n t a i n o u sh i 曲w a yi s h i g h l i g h r i n gi n c r e a s i n g l y l a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e se x i s ti nm o u n t a i n o u sh i g h w a yb e c a u s eo f t h e r e s t r i c t i o no ft e r r a i n s t a t i s t i c a ld a t ao ft r a f f i ca c c i d e n t ss h o w st h a tm o r et h a nl l a i fo ft h et r a f f i c a c c i d e n t so c c u r r e di nt 1 1 es e c t i o n so fl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e s 帅a t sm o r e ，ag r e a tm a j o r i t yo f t h e mo c c u r r e di nt h es e c t i o n so fd o w n g r a d es l o p e s i nt h eo t h e rb a n d r e s e a r c ho nt h es a f e t yo f l o n ga n ds t e e pd o w n g r a d e si nm o u n t a i n o u sh i g i l w a yi sf e w r e l a t e dn o r m a t i v es t a n d a r dh a s n t b e e np u b l i s h e df o re n f o r c e m e n t t os u l nu p ，r e s e a r c ho nk e ys e c u r i t yt e c h n o l o g yo fl o n ga n ds t e e p d o w n g r a d e si nm o u n t a i n o u sh i g h w a yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r , t h e o r yo fv e h i c l ed y n a m i c sw a su s e dt os t u d yf o r c ea n a l y s i so ft r u c k so u t o fc o n t r o lr u m l i n go nl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e s a sar e s u l t ，k e yr e a s o n sf o rr u n n i n gt r u c k sl o o s i n g c o n t r o la r eo b t a i n e d 一一l a r g es l o p e ，l o n gd i s t a n c e ，h e a v yw e i g h to ft r u e k se t c s e c o n d l 3 i , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s i sa b o v e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo f b r a k ed r a m ( x ) a n dt h ew e i g h to ft r u c k s ( g ) ，t h es p e e do ft r u c k s ( v ) ，t h ed i s t a n c et h et r u c k s r u n l l i n g ( s ) a n dt h es l o p eo ft h el a r g ei o n g i t u d i n a ls l o p e s ( i ) w a sf o c u s e ds t u d i e d a ne x p e r i m e n to n t h eb r a k ed r u m st e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gw a sd e s i g n e da n dc a r r i e do u t a n df o r t h eo b t a i n e dd a t a , s p s sw a su s e dt ob u i l dam o d a lf o rta n dg v s ，i f u r t h e rm o r e ，a c c o r d i n gt ot h em o d a l ，an e w m e t h o dt od e s i g ne m e r g e n c ye s c a p i n gl a n eb a s e do nt h ep r e d i c t i o no ft h et e m p e r a t u r eoi sp u t f o r w a r di n t h i sp a p e r a i s o ，s o f t w a r ef o rt h ep r e d i c t i o no ft h et e m p e r a t u r eo fb r a k ed r u mi s d e v e l o p e d t h er e s u l tw i l lp r o v i d ee v i d e n c ef o rt h es a f e t ye v a l u a t i o nf o rl a r g el o n g i t u d i n a l s l o p e s o fm o u n t a i n o u sh i 曲w a y o n c ea g a i n ，s a f e t ym e a s u r e sf o rl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e sw e r es u m m a r i z e d , o fw h i c he m e r g e n c y e s c a p i n gl a n ea r et h eb e s t f i n e l y , a ne n g i n e e r i n ge x a m p l eo fy o n g n i n ge x p r e s s w a yw a sa d d u c e db a s e do nt h ec o n c l u s i o n s d r a w i n gf r o mt h es t u d y i t sl o n g i t u d i n a ld e s i g nw a se v a l u a t e da n dd e f i c i e n c yw a sp o i n t e do u t 、h a t sm o r e a ne m e r g e n c ye s c a p i n gl a n ew a sd e s i g n e df o rt h ei n s h 伍c i e n ts e c t i o n t h ee o n c l u s i o n so ft h es t u d yc a nb eu s e df o rt h ep r e l i m i n a r yd e s i g ns t a g em o u n t a i n o u sh i g h w a y l o n g i t u d i n a ll i n e a re v a l u a t i o n ，t oo p t i m i z el o n g i t u d i n a ld e s i g nf r o mt h ea n g l eo fs a f e t y a l s o ，s i t e s e l e c t i n go fe m e r g e n c ye s c a p i n gl a n ec a ng e tr e f e r e n c ef r o mt h es t u d y f u r t h e rm o r e i tp r o v i d e s t h e o r yr e f e r e n c ef o ri n c r e a s i n gt h es a f e t yo fl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e so fm o t m t a i n o u sh i g h w a y k e yw o r d s ：l a r g el o n g i t u d i n a ls l o p e so fm o u n t a i n o u sh i g h w a y ；t h et e m p e r a t u r eo fb r a k ed r u m ； r e g r e s s i o nm o d e l ；e m e r g e n c ye s c a p i n gl a n e h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 吼竺 第一章绪论 第一章绪论 本章将从介绍论文的研究背景入手，综述国内外对长大下坡安全研究的现状，并由此引 出问题，提出论文的研究内容及意义，进而指出论文的研究方法和技术路线。 1 1 论文研究背景 我国正进行着世界上最大规模的公路建设，并取得了举世瞩目的成绩：截至2 0 0 7 年底， 我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里。其中高速公路5 3 6 万公里，继续居世界第二位【l 】。与此 同时，我国的机动车保有量持续快速增长，截至2 0 0 7 年底，我国的机动车保有量已达1 5 亿 辆【引。公路在我国交通运输体系的地位逐步提升。 我国是个多山的国家，约7 5 的国土面积为山区或丘陵地形。上个世纪“西部大开发” 战略实施以来，山区公路的建设受到了相当的重视：总里程大幅增加的同时，山区公路在整 个公路中所占的比例也有了显著的提高。交通部提出的“十三纵十五横”的国家重点公路建 设规划的总规模为7 1 万公里中，东部地区1 5 万公里，中部地区1 8 万公里，西部地区为3 7 万公里，两部地区占了超过1 2 的比例。 公路事业的急速发展，一方面，为国民经济的发展做出了重要贡献；另一方面，伴随着 公路建设的发展和汽车保有：鞋的激增，公路运转周转晕的增加，不可避免地带来了交通拥挤、 环境污染、事故伤害等许多问题，尤其道路交通事故发生率居高不下，死伤人数逐年增加， 经济损失日益严重。 交通事故发生的原因是多方面的，组成交通系统的要素：人、车、路、环境，都可能直 接或间接地导致交通事故。长期以来，我国的道路交通事故统计结果存在着过分夸大驾驶员 责任而忽视道路因素在预防( 或诱发) 道路交通事故中影响作用的倾向，从而使得人们对道 路因素与道路交通安全的关系缺乏科学的认识。事实上，当行驶车辆处于紧急( 危险) 状态 时，驾驶人员要完全避免道路交通事故的能力是有限的。因此，作为道路交通的基础设施和 车辆行驶的根本条件，道路对交通安全的影响不可忽视。 山区公路大多根据自然地理条件修筑，多展布于坡地、沟谷、坡麓以及山岭等地方，道 路等级普遍偏低。道路纵坡长，坡度大都接近于设计规范的上限值是山区公路的重要特点。 山区公路交通事故一且出现，其后果一般都是车毁人亡的特、重大伤亡恶性事故。这种情况 在我国较为明显，在公安部通报的2 0 0 3 年内一次死亡1 0 人以上的4 l 起特大交通事故中，坠车 事故有2 1 起( 5 1 2 ) 。按照国务院的统一部署，2 0 0 4 年，公安部和国家安全生产监督管理 局研究确定了两部局督办治理的全国2 9 处危险路段。这些路段多地处山区，坡陡、弯急、路 窄，或由于气候多雨雾，路面湿滑、视线不良，不利于安全通行，已连续发生重大交通事故 或发生一次伤亡数十人的特大道路交通事故。在这2 9 处危险路段中，属于连续长大纵坡路段 的事故多发路段就有1 6 处，比例高达5 5 2 ，而这1 6 处事故多发段所发生的交通事故又有绝 大多数是发生下坡方向的【3 1 。长大纵坡，尤其是长大下坡路段的交通安全研究的必要性和重 要性，可见一斑。 相比于公路的平均事故水平，连续长大下坡路段重特大交通事故的发生率较高，所面临 的交通安全形势也更加严峻。在山区建设公路，由于地形和经济条件的限制，连续长大下坡 不可避免，随着两部地区公路基础设施建设的快速发展，连续长大下坡路段的道路安全问题 将会越来越突出。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，人们发现山区公路车辆下坡时容易失控而冲出道路，停在路边废料堆 上，或冲到山上用于运滚木的旧路上，由此道路工程技术人员受到启发，第一条避险车道在 美国加利福尼亚州诞生了。此后，美国通过大阜= 的研究，已经初步形成了有关避险车道的理 论和设计方法。国外对避险车道的研究大多采用理论、实践统计、实车足尺实验等各种方法， 来求得经济有效的设计方案。 美国联邦公路局( f h w a ) 开发的坡道严重度分级系统( g s r s ) 是目前为止评价连续长大 下坡路段是否安全运用最为广泛的分析工具。g s r s 使用预先确定的刹年毂温度限, 带t j ( 2 6 0 。c ) 来建立坡道的最大安全下坡速度，最大安全速度被定义为以此速度在坡底紧急制动，刹车毂 温度不会超过预先确定的温度限制。g s r s 的主要目标是计算“重晕特定速度”标记值，这 个标记值为驾驶员提供了不同车重情况下，下坡时的最大安全速度，而不是直接确定是否需 要采取消险、避险措施，但g s r s 是分析是否需要采取消险、避险措施的一个有用的工具【4 】。 美国公路与运输协会( a s s h t c ) 2 0 0 1 年发布的公路和街道几何设计政策中指出，对于 现有的山区公路来说，如果长大下坡被评价为不安全，消险、避险措施就应该被采取，长大 下坡的评价以事故的历史记录( 对于新建公路来讲，可参考相似公路上的事故记录) 和与工 程判断相结合的评价为准，货车下坡时的运行情况，常常用于确定消险、避险措施道是否需 要。绿皮书进一步指出，决定消险、避险措施是否需要采取的主要冈素应该是路面上其他交 通流的安全、失控车辆的驾驶员和下坡坡道沿途以及坡底的居民。通常如果失控货车对毗邻 的活动区或人口密集地区存在潜在的影响，将为消险、避险措施的采取提供充分的理由。绿 皮书还指出不必要的消险、避险措施也应该避免设置p j 。 文献【4 r w e c k 的一项研究中，把失控货车事故率作为确定是否需要设置避险车道的主 要因素。还同顾了美国交通t 程学会( i t e ) 出版的“g u i d e l i n e st od e t e r m i n en e e d ”中关于 避险车道的叙述，认为在确定是否需要设置避险车道时需要考虑三个因素，即事故率、平面 线形与运行速度的关系以及潜在的严重事故如大容最的客车。在决定建造避险车道之前还应 实施渐进式的改善措施，依次为设置标志、速度控制、设置强制检有站。 澳大利亚昆士兰州的公路规划和设计指南指出在长大下坡存在的地方，在适当位置采取 消险、避险措施是合理的。指南并且指出，车辆失控主要是由于过热或机械衰退引起了制动 力丢失，或是由于驾驶员在适当时间换低档失败造成的1 6 j 。 南非几何设计手册中规定在有年辆失控事故历史的山区道路，应该考虑设置带有制动床 的避险车道。对于新建道路，在那些长大下坡无法避免的地方以及由失控车辆引起的伤害后 果可能性比正常情况下大的地方，在项目设计阶段就应该设置带有制动床的避险车道。指南 进一步规定，如果下坡坡度( ) 的平方乘以距坡顶的距离超过6 0 ，且坡度超过5 的地方， 应考虑设置避险车道。指南还指出，在长直下坡之后紧接长直上坡的路段，避险车道一般不 需要设置，因为即使设置了驾驶员也未必使用v j 。 对于长大下坡路段的标志标线系统国外有少量的研究，国内在这方面也有初步的研究， 但是尚没有系统的研究成果。 1 2 2 国内研究现状 我国的交通运输业起步比发达国家要晚一些，随着我国道路尤其是山区公路交通安全形 势的日益严峻，国内不少学者也先后展开山区公路长大下坡路段的交通安全的研究。 北京深华达和中路安公司自2 0 0 2 年以来，陆续对国内多条长大下坡路段进行了专项调 研，取得了较丰富的第一手资料。并收集了国内外相关的研究资料。 交通部公路科学研究所的周荣贵等人通过排除其他影响因素的实地试验( 分别在汽车试 验场和野外实地校验) ，研究了车辆刹车毂温度和车辆刹车效能之间的对应关系，分析表明： 2 第一章绪论 对应车辆刹车效能，刹车毂温度在2 0 0 以内为安全，在2 0 0 - - - 3 0 0 之间为基本安全，超过3 0 0 为不安全，并结合长f 坡路段的交通事故分析，提出了山区公路连续下坡路段的平均纵坡 和坡长限制要求：在车辆正常配载、各种制动设备完好的情况下，采取辅助刹车措施后，公 路越岭线的平均纵坡，不应大于5 5 ( 相对高差为2 0 0 5 0 0 r e ) 和5 ( 相对高差大于5 0 0 r e ) ， 而且任意相连3 k m 路段的平均纵坡不宜大于5 5 ，并提出了交通组织和交通管理措施建议， 在平均纵坡达到4 ，连续下坡3 k m 以上时，宜采取消险、避险措施【引。 长安大学的闰莹在其硕士论文公路长大下坡路段线形指标对驾驶员心理生理影响的研 究中，从长大下坡对驾驶员的心理生理影响的角度，建立了驾驶员心率、车速、不同路段 线形指标间的多元同归模型，用以指导避险车道等工程措施的采用p j 。 吉林大学韩文彬、李显生建立了高速道路线形特性( 包括平曲线、纵断面、横断面等) 与 事故的定量关系模型【j 。 对于山区公路线形的评价，国内研究较多的为利用油耗图进行评价，具体做法是把各方 案中汽车行驶所消耗的油量绘成图，在耗油量图中进行分析，比较一下总的耗油最多少，看 全线的耗油晕是否均匀，通过比较选择较好的设计方案，而从刹车毅温度的预测角度去考虑 道路交通安全，国内少有研究。 在实践上，1 9 9 8 年，我国第一条避险车道在北京八达岭高速公路建成，起到了一定的效 果。近年来，我国相继在一些山区高速公路长下坡段修建了避险车道，如河南焦晋高速、广 东京珠高速、福建漳龙高速等多条高速公路上修建了避险车道。但由于对长大下坡路段紧急 避险理论和方法研究深度不够，没有一套科学的紧急避险车道设计方法，已修建成的避险车 道在实际应用中取得了一定的效果，但也存在些问题】。 1 3 问题的提出 随着西部大开发的深入，山区公路的建设还将在很长一段时期内继续，。长大纵坡”将 会越来越多，长大纵坡路段的交通安全形势也将更加严峻，山区公路长大纵坡路段的安全研 究己刻不容缓。我国对该领域的研究较少，相关的规范、指南亦末颁布。实际工程中采取的 消险、避险措施大多出于经验而没有可靠的理论依据，这在很大程度上使得采取的工程措施 达不到消险、避险的目的，或者没有必要地加大了工程造价。因此，分析山区公路长大纵坡 路段的交通安全并提出改善措施已成为当前研究的热点。 总体来说，长大纵坡路段的事故类型有如下两种：上坡车辆速度差过大、视距不良等 原因造成的追尾事故；下坡时重犁车辆制动失灵造成车辆失控酿成事故。而后者的比例又 占了事故的绝大多数。如何针对制动失灵造成车辆失控提出有效的解决措施，已成为对于山 区公路长大下坡路段安全研究的关键。 山区公路长大下坡的安全技术包括多个方面。从组成交通系统的要素：人、车、路、环 境出发，均有相应的安全措施。驾驶员的超载、超速等不规范驾驶行为是导致长大下坡事故 的重要原因，因此加强对驾驶员的安全教育是降低山区公路长大下坡路段交通事故率的途径 之一，但是对于驾驶员的安全教育是一个复杂的社会问题，涉及法律、公民素质教育、运输 管理体制等多方面问题，在短期内彻底解决存在一定的困难；提高车辆的刹车性能也可以在 一定程度上改善山区公路长大下坡路段的安全状况，但提高车辆刹车性能跟汽车t 业的水平 乃至一个国家的经济发展水平密切相关，亦无法在短期内得以解决。因此，结合我国国情， 本文将以设置避险车道为代表的工程措施作为山区公路长大下坡路段的关键安全技术进行 研究，通过对载重车辆刹车毂温度预测模型的建立，探讨避险车道的设置原则和设计方法。 1 4 论文的研究内容 本论文研究的目的是：通过对山区公路长大下坡路段车辆行驶规律的研究，找出长大下 坡路段交通事故频发的原因，针对这些原因设计试验，运用数学工具研究长大下坡路段重型 车辆刹车毂温度与各因素间的定量关系模型，并以此作为依据，对山区公路长大下坡路段的 3 东南大学硕士学位论文 纵断面设计进行安全评价，并对评价为不安全的路段进行了避险车道的设计。为此，论文主 要的研究内容如下： 1 1 山区公路长大下坡路段汽车行驶规律与事故致因分析； 2 ) 通过对长大下坡路段重型车辆刹车毂温度的测定试验，建立重型车辆刹车毂温度与 车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离、和下坡坡度关系模型，并利用v i s u a lc + + 等开发工具使该预测模犁程序实现； 3 1 基于重型车辆刹车毂温度预测的山区公路纵断面设计评价； 4 1 山区公路长大下坡路段的安全保障措施研究。 1 5 技术路线 ( 1 ) 以系统分析为指导 交通事故的形成是人、车、路、环境综合作用的结果。对交通安全问题的研究涉及到交 通工程学、道路工程学、人机- t 程学、汽车动力学、计算机技术、数理统计及系统工程学等 众多学科的知识，试验设计和总体研究方案均以系统分析为指导。 ( 2 ) 以大量实测数据为基础 现场实测数据能反映在山区公路长大下坡路段重型车辆刹车毂温度随各因素变化的变 化规律，也是数学建模的基础。只有取得足够的精确的数据样本，才能真实客观地建立起可 供实际应用的数学模型。 ( 3 ) 以数学建模为手段 通过大量实测数据，应用数理统计理论、s p s s 等统计分析软件来描述山区公路长大下 坡路段载重车辆刹车毂温度与车辆载重、车辆下坡速度、距坡顶距离和下坡坡度等因素的定 量关系。以此为基础进行山区公路长大下坡路段的纵断面安全评价，进而进行避险车道的设 计。 具体技术路线如下图所示： 理论研究 i 运行速度搋交通事故致臣么 道路坡宣 l 一 试验研究j l 长大下坡路段重型车辆剽车毁 褫玩物。温度预测模犁厦诗算程慝。黝磊 i 山区公路长大下坡路段 戮觑断面设访婿褫。缸滋 l 图1 - 1 论文的技术路线 4 第一章绪论 1 6 本章小结 本章针对目前我国公路建设的现状及我国山区公路长大下坡路段交通事故频发的事实， 开展了本论文的研究工作，在追溯国内、外类似研究状况的前提下，提出了本论文具体的研 究方向，即以设置避险车道为代表的工程措施作为山区公路长大下坡路段的关键安全技术进 行研究，分析了课题研究的意义，描述了课题研究的内容和技术路线。 5 东南大学硕士学位论文 第二章山区公路长大下坡路段重型车辆行驶规律与事故致 因分析 本章将从车辆的运行动力学分析入手，分析车辆在山区公路长大下坡上的运行规律，并 将着重介绍车辆在失控情况下的受力分析，进而分析山区公路长大下坡路段交通事故致因， 最后得出影响刹车毂温度升高的原因，为以后的章节打下基础。 2 1 车辆运行动力学分析 汽车在水平道路上匀速行驶时，必须克服空气阻力、车轮阻力、坡度阻力及惯性阻力等 阻力。 ( 1 ) 空气阻力 根据流体学原理，气流与行驶车辆接触后，一部分气流从汽车顶面和侧面通过，另一部 分气流从车身底部与路面之间通过，气流在车后形成涡流，从而产生阻力。空气阻力由气流 的正压力和气流与汽车表面接触的切向摩阻力组成。空气阻力可分为前进阻力民、侧向阻 力l 和升力巴，设a 为汽车的横向正面积，为汽车的轴距，p 为空气的密度，k 为汽 车与空气的相对速度( 合成气流的流入速度) ，则空气阻力和力矩计算值如下： 正向阻力 l = q 彳等圪2 ( 2 1 ) 二 绕纵向轴的横摆力矩吮= c m 彳，等k 2 ”( 2 2 ) 二 侧向阻力l = 彳等圪2 ( 2 3 ) 二 绕横向轴的纵摆力矩m 佃= 彳，等k 2 一( 2 4 ) 二 升力巴= q 彳等k 2 ( 2 5 ) 二 绕竖直轴的摇摆力矩吮= c 皿彳，等k 2 一( 2 6 ) 二 升力、纵摆力矩使前轴( 后轴) 车轮产生压力( 或升力) ：侧向阻力、横摆力矩使左侧( 右 侧) 车轮产生压力( 或升力) ，并使车辆产生横向滑移、横向倾覆；侧向力、摇摆力矩使车 辆不利于保持行驶方向。 空气阻力系数q 仅与汽车形状有关，与汽车尺寸无关。在车辆动力学研究中，汽车的 重心是最重要的点，力矩都要和重心或通过重心的轴发生关系。但从空气动力学的观点看， 重心完全不重要，因为系数只与形状有关，而与质量的分布无关。因而，空气阻力坐标原点 选在路面上轴距中心对应的位置。由于空气荷载最终是通过车轮与地面发生关系，应将空气 阻力矩换算至车辆的重心处。设车辆重心与空气阻力坐标原点的距离分别为乞，之，则 阻力矩换算系数为： c 眦。i - c 二+ ( c ，：一c 盖。0 ) ，( 2 7 ) 。= c ：秒+ ( c 二乞一c 幺乞) ，一( 2 8 ) 乞。= c 2 + ( t c 五) 7 j ( 2 9 ) 空气密度p 6 第二章山区公路长大下坡路段重型车辆行驶规律与事故致因分析 研究表明，空气密度与大气压力、气温有关。当h = 7 6 0 毫米水银柱，t = 1 5 c 时，空 气密度p = 1 2 2 5 ( n s 2 r n 4 ) 。当压力、气温变化时，其空气密度为： p = 二一 ( n s 2 m 4 ) ( 2 1 0 ) 2 1 5 6 x ( 2 7 3 + n 气流流入速度圪、流入角f 气流流入速度为汽车行驶速度与风速的矢景和，流入角为气流流入方向与汽车纵轴线之 间的夹角。根据对风速分布及其平均值的调查结果，平均风速的概率分布是不对称的，最常 见的风速约为平均风速的2 3 。由于路线的走向变化，流入角也在不断变化。在驱动功率不 变、流入角等于0 ( 完全逆风或顺风) 时，可降低或提高行驶速度：当风向与汽车行驶纵轴线 垂直时，气流流入速度随车速、风速的增大而增大，流入角随车速增大而减小、随风速增大 而增大。其流入速度屹，流入角f 为： 屹= 歹i 万( 2 1 1 ) 形 t a l lf = ( 2 1 2 ) y 式中y 汽车行驶速度( k m h ) ； 形风速( a n h ) 。 空气阻力系数 正向空气阻力系数与气流的流入速度无关，与流入角的变化仅有稍许变化。流入角变化 对空气阻力影响较小。根据试验研究结果，车头部带圆角的车辆空气阻力系数比不带圆角的 车辆要小得多，但太大的圆角不仅对车辆空间利用不利，而且对空气阻力的减少效果不太显 著。为了给司乘人员提供较好的能见度，挡风玻璃一般采用4 5 。，较陡或垂直的挡风玻璃使 空气阻力系数显著增加：尾部采用流线形可使阻力进一步减小，但必须有足够长的尾部使气 流不问断。较长的车辆、由于尾流区气流流动较好，空气阻力减小，但当长度达到一定值时， 若再增加长度，摩擦阻力反而增加。故一般小客车、大客车，其长宽比为2 3 3 1 。空气阻力 系数中考虑了汽车前灯、门把手、侧壁外壳、玻璃、车牌、汽车底部的平滑程度、车辆的冷 风通道等影响冈素。 侧向空气阻力系数、横摆力矩和摇摆力矩系数 在流入角等于。时，c 疗、都等于零；随流入角的增大，这几个系数开始基 本按线性增加，之后逐渐减慢，在流入角n 2 5 。前达到最大值。当风向垂直于行驶方向，车 辆行驶速度为1 4 4 k m h 、风速为2 m j 时，侧向力约为车辆重的2 ；当风速为4 m s 时， 侧向力约为车辆重的5 ；当风速为8 坍s 时，侧向力约为车辆重的9 。因而，只有在较高 风速时，才考虑侧向力对车辆行驶的影响。对尾部为阶梯形和流线形小客车而言，流线形小 客车的侧向力、横摆力矩较小，但摇摆力矩较大。 升力系数、纵摇力矩系数 升力系数与流入角大小有关且随流入角的增大按抛物线规律增大，当流入角到2 5 。时， 升力系数约为流入角为0 。时的三倍；纵摆力矩系数与流入角的大小无关。 升力、纵摆力矩使车轮与路面之间的荷载发生变化。把升力和纵摆力矩系数换算成车辆 前、后轴的升力系数为： 1 c 虚i = 。巳一c 0 ( 2 1 3 ) 1 c 虚2 = + ( 2 1 4 ) z 对于大多数阶梯形尾部的小客车，后轴减轻的荷载比前轴小，而流线形尾部的小客车则 相反。空气阻力及力矩系数见表2 1 表2 1 空气阻力及力矩系数 车型 f = o 。10 。 f f 0 0 l ( 4 ，5 4 ) ，按a = 0 0 1 水平，认为刹车毂温度与四变量之间有直线关系。 表4 4 回归系数- u n s t a n d a r d i z e d s t a n d a r d i z e d c o e f f i c i e n t sc o e f f i c i e n t s m o d e ibs t d e r r o rb e t at s i g 1 ( c o n s t a n t ) 6 5 1 5 14 4 1 41 4 7 6 0 0 0 0 车辆载重1 0 6 1 71 1 9 46 2 98 8 9 20 0 0 车辆速度2 7 9 55 8 23 3 7- 4 8 0 20 0 0 距坡顶距离0 7 20 1 07 6 07 4 9 1 0 0 0 道路坡度2 3 9 0 23 8 3 06 3 76 2 4 0 0 0 0 a d e p e n d e n tv a r i a b l e ：刹车毂温度 表4 4 ：显示模型的偏同归系数( b ) 、标准误( s t & e r r o r ) 、常数( c o n s t a n t ) 、标准 化偏回归系数( b e t a ，消除了单位的影响) 、回归系数假设检验的t 值和p 值( s i g ) 。模 2 6 第四章山区公路长大下坡路段重型车辆刹乍毂温度预测模型 型建立的多元线性同归方程为： y = 一6 5 1 5 + 1 0 6 2 x i - 2 8 0 x 2 + 0 0 7 x 3 + 2 3 9 0 x 4 ”( 4 2 ) 方程中的常数项为6 5 1 5 1 ，偏回归系数包、6 2 、6 3 、6 4 分别为l o 6 2 、2 8 0 、0 0 7 和 2 3 9 0 。经t 检验，6 l 、b 2 、b 3 、钆的p 值分别为0 0 0 5 、0 0 0 0 、0 0 0 0 、0 0 0 0 ，按c t = 0 0 5 水平，均有显著性回归意义。 综上，建立的同归模型如式( 4 3 ) r = 6 5 1 5 + 1 0 6 2 g 2 8 0 v + o 0 7 s + 2 3 9 0 i ( 4 3 ) 式( 4 3 ) 中： r 刹车毂温度( ) g 车辆载重( t ) 矿车辆的下坡速度( k m h ) s 车辆距坡顶的距离( m ) f 长大下坡路段的坡度( ) 4 3 刹车毂温度预测计算的程序实现 随着计算机软硬件技术的日新月异，编程技术和语言的推陈出新，应用软件的广泛开 发，可将大量的手工计算t 作交给计算机来完成，不仅方便而且计算快速、准确，避免了 许多由于人为因素而造成的失误。基于计算机软件带来的巨大好处，本文将刹车毂温度预 测模型转变成刹车毂温度预测程序。 4 3 1 程序框架 本研究对刹车毂温度的预测，是在确定了山区公路的设计速度、道路的纵断面资料， 并且给定载重车辆载重的基础之上的。首先输入这些参数，程序将根据纵断面数据义件自 动将路段分段，并分别计算每一段的坡长、坡度。至此，计算刹车毂温度所需的参数已齐 备，程序调用刹车毂温度计算模块计算得到刹车毂的温度值，进而调片j 制表模块，生成 e x c e l 文件，加载相应的e x c e l 模板文件，输出计算成果e x c e l 文件。 2 7 东南大学硕士学位论文 黟j j 、 输入参数 道路设计速度 ( v ) 读入道路纵断面数据文件 ( 宰sq 删缸z l o b 文件) j 计算各单元的竖曲线单元坡长s 、坡度i 卜圾日丁剥军毁温厦t 计算模块 ； 下坡时刹车毂温度t j 大货车车辆载重 ( g ) 刹车毂温嚣号变化折一“输出成果一 刹车毂温度计算表 ，； i 4 3 2 程序数据结构 基于刹车毂温度的长大下坡安全评价 图4 巧程序框架图 程序主要由c h a n g t a z o n g p o d l g 类，c s p r e a d s h e e t 类等组成。本程序中对e x c e l 文件的操作都被封装进类c s p r e a d s h e e t 中，通过o d b c 把e x c e l 表格文件当成数据库 文件来进行读、写等操作。具体内容如下： c h a n g t a z o n g p o d l g 类 类概述：程序主对话框，继承c d i a l o g 类。 主要功能：首先从文本文件中读入纵断面设计参数，即变坡点桩号、变坡点高程以及 竖曲线半径。本程序支持s q x 和z p b 格式的文本文件，由使用者选择。然 后录入设计速度和汽车载重，在此基础上，按照前文讨论的内容建立温度 预测模型，最后实现相应温度的计算。将温度计算文件以e x c e l 文件形式 保存指定路径，并提供上行和下行的选择功能。 o n l o a d b u t t o n ( ) ： 函数功能：从文件选择对话框中选择相应的纵断面设计文件，并在只读编辑框中显示 文件选择路径： ，丫 镕口4m e 2 镕k f 坡路段t 车刹车毂温度自女4 槛 o n c a d b u n o n o ； 函数功能：对读 的异设计参数进行韧始化整理： o n w e n d u b u 岫吖k 函数功能：应用前文所得温度预测模型进行温度计算； 0 n m o b a n b u t t o n 0 ； 萌数功能：从文件选择肘话框中选择欲输出成果文件e x c e l 的模板文件 下行两种； o n s h u b u r i o n ( ) ： 函数功能：从文件选择对话框中选择温度预测文件保存路径，命名文件 辑框中显示保存路径： o n o k b u o n ( ) ； 函数功能：将温度计算文件以e x c e l 表格形式保存在选择路径中： o n e x i t b u u o n 0 ； 函数功能：退出该主程序。 4 3 3 程序操作 包括上行与 并在只读编 l 、纵断面数据文件格式： 本程序预测无辅助制动方式下车辆后轮刹车毂温度以评价道路设计中纵断面设讣， 用此程序读取道路的纵断面设计参数即可。本软件可识别两种数据格式：e i c a d 的纵断 面数据文件( s q x 格式) 和运行速度预测软件纵断面数据_ 鱼= 件( z p b 格式) 。两者文件数据 格式如图4 所示。 口五正置墨墨，圆g 雾z = 倒 僦聃# t f * # 日 雨而面而面i f w 葡萄n 可砭覃1 甄百葡r 1 面甄马f 焉萄器耍- 习l 6 0 t 6 e o a 0 0 d4 1s * o 0 - 6 0 n _ 6 口6 2 5 口6 日0 日6 0 _ q b _ 0 0 日自o 日自自 一 7 1 e a b 0 p 0 目日b 0 7 2 2 - 1 0 q - b 自自- 3 3 - ，d b 5 0 b _ 7 3 2 0 自0 b b 0 2 9 a b 0 - 7 1 5 0 0 - 0 0 0 7 9 2 9 1 6 e 0 0 a 0 0 0 自目0 e e a 0 0 7 7s 目0 口60 o - 0 _ 0 q 日 一r s _ - o a 5 2 7 01 2 0 0 0 0 - - - 1 7 6 6 _ o b 口0 3 6 t2 ，o a 】 口墨口互雹臣日岛蹬g 襞器饕：_ _ 旦l z m 0 自0 自i d # i 岫 盯而面面赫而五而而币可岳f 夏丽孺吾1 五甄i f 雨茬事：要i 刁 6 a 自6 4b e 0 b j 10 日1 自日0 0 日n 6 v 6 z ，0 目b _ “a 8 6 d b 自日3 o o0 0 自o 0 一 _ 口口目0 0 h 口a 日_ b d l3 5 口0 口0 0 0 7 2 2 b 自”目0 目0 f3 3 q a e 0 0 i2 5 0 0 0o b a 0 0 7 3 2 自o a 自0 a a a ia 4 64 2 a q 目9 1 1 50 口00 0 9 0 0 7 1 ；- 0 0 自0 0 i3 2 0 0 0 i _ 60 0 00 0 b o a 7 口口0 目0 8 0 i 75 4 9 0 0 0 6 目0 口口0 口a 0 0 r 5 8 0 日口日0 0 0 i37 9 口4 0 0 1 1 2 目0 0 e o e a 7 6 0 0 日0 0 0 日口0 3 6 90 a i