基于转向行驶动力学的车道安全车速模型

基于转向行驶动力学的车道安全车速模型

0安全车速模型的建立道路交叉口是事故频发的区域，其事故严重通常是高度的。按单位里程计算,弯道事故量要明显高于平直路段。根据《国内外学者针对车辆弯道安全车速模型进行了大量的研究,所考虑的因素也各不相同。国外在弯道安全车速的研究起步较早,且较为深入,部分成果已经得到实际应用。Glaser等上述研究较少综合考虑侧滑和侧翻2种危险状态的情况,并且针对的车型较为单一,其建立的车辆动力学模型,既未考虑车辆侧滑过程中的垂向载荷偏移影响,对于车辆侧滑临界条件的判断不够精确,也未定量分析临界侧翻速度与车辆横向载荷转移率之间的关系。而且,未对弯道车速的影响因素作系统的敏感度分析。鉴于现有弯道车速模型的局限性,笔者对车辆在弯道处的侧滑、侧翻机理进行分析,结合道路因素和车辆因素,建立考虑车路耦合特性的车辆弯道安全车速模型。相比于现有模型,所建立的模型无须计算车辆质心侧偏角和轮胎侧偏刚度等较难采集的状态,计算过程也较为简化,模型可用于准确预测不同车型与道路条件下的临界车速,对弯道行车安全研究更具普适性。1车辆动力学模型现以车辆弯道转向行驶工况,建立车辆动力学模型如图1所示。车辆坐标系的原点与其质心重合;车辆坐标系的X轴平行于地面,以车辆的前进方向为正;Z轴的正方向垂直于地面向上;Y轴的正方向由右手法则确定。为方便模型的建立与求解,现作如下假设:忽略车辆行驶过程中所受空气阻力和侧向风等干扰以及其在俯仰方向的受力及动力学影响。图1中:F车辆侧向动力学模型为式中:g为重力加速度;F横摆动力学模型为式中:I侧倾动力学模型为式中:I2考虑到车辆连接的安全减速模型2.1路面附着系数针对车辆在弯道处行驶发生的侧滑、侧翻等侧向失稳事件,引入车路协同思想,假设车辆与道路之间可进行信息交互,从而建立一种综合考虑车、路等因素的弯道安全车速计算模型。目前,关于侧滑的车辆动力学模型往往过于简单,主要未考虑前后轴因素,也未考虑在转弯过程中的载荷偏移。值得注意的是,轮胎的动载荷随汽车的行驶工况不断变化,并且对轮胎的纵向力和横向力有着重要影响,因此建模时必须重点考虑。考虑到路面横向超高θ和车身侧倾角式中:车辆在弯道行驶过程中,若车轮横向附着力小于路面与轮胎之间的横向摩擦阻力时,则会产生侧滑。车辆前后轴同时发生侧滑的情况很少,只要前后轴中的一轴发生侧滑,可视为发生了侧滑。根据受力分析可知,车辆前后轴的临界侧滑条件为式中:a由于外侧的轮胎垂直作用力大于内侧,那么内侧的车轮由于载荷较小导致地面提供的侧向反作用力有限,会先发生侧滑。以往的研究中,大多数直接把路面附着系数当成横向附着系数来使用,但两者并非一个值,同等计算必然会产生较大误差。一般情况下,取无纵向滑移时的最大横向附着系数φ可由下式求得式中:K根据侧向加速度、转弯半径,以及速度之间的关系为式中:R为车辆行驶弯道半径,v为车辆的行驶车速。因此,车辆前后轴发生侧滑的临界速度V2.2车辆侧翻稳定性分析车辆的横向载荷转移率(lateralloadtransferratio,LTR)是标志其发生侧翻的重要指标之一,表达式为同样地,在小角度情况下,引入侧倾率当车辆发生侧翻时,内侧车轮的垂向载荷全部转移至外侧车轮,此时LTR=1。同时,考虑到车辆在受力作用下,轮胎接地中心向内偏移,使临界车速有所减少。因此,引入修正系数K,K取0.952.3安全车辆行驶模型结合式(13)、(17),可得考虑车路耦合特性的弯道安全速度模型V3为安全的行驶模型的开发3.1扩大安全车速的范围考虑到在实车条件下,准确获取不同工况下车辆侧向失稳的临界速度是危险且困难的。因此,为了验证所建立模型的准确性,本文运用车辆动力学软件CarSim和TruckSim进行仿真实验,通过在仿真环境中建立相应的道路模型,并改变弯道半径,以得到不同弯道半径下的临界安全车速值。在仿真环境中,分别选取轿车与货车2种典型车型为实验对象,设定天气状况晴朗,弯道路面超高θ=4%,路面附着系数φ分别为0.2(雪)和0.8(干沥青)2种典型工况,轿车和货车的主要参数如表1所示。受路面条件与最高车速的限制,在仿真实验中,当路面附着系数φ为0.2时,设置弯道半径为50,100,150,200,250,300,350,400,450和500m共计10组;路面附着系数φ为0.8时,设置弯道半径为20,40,60,80,100,120,140,160和180m共计9组。3.2安全试验过程评价弯道行驶的车辆是否发生了转弯侧滑、侧翻失稳的情况,本文选取应用较广的侧滑评价指标———侧滑梯度一般地,当SSG>0时,车辆为不足转向;当SSG<0时,车辆为过多转向。正常情况下,SSG值应该限制在±0.05之间,当其达到±0.08时,车辆就有较大的侧滑风险。横向载荷转移率LTR的取值范围为0~1,当其为0时车辆最安全。在试验过程中,通过观察仿真结束后的LTR与SSG变化图,可判断在某附着系数的弯道上行驶时车辆是否会出现侧翻或侧滑的失稳状况。若未发生失稳状况,则逐步提高车速,直至发生失稳事件,记录此时的安全车速。重复上述步骤,通过对不同弯道半径、附着系数组合下的弯道进行仿真实验,得出弯道安全临界车速。仿真过程如图2所示。3.3实验结果与分析通过多次仿真后,对各次失稳工况的临界车速进行记录,在此基础上,将传统模型从表2可知,在4种典型工况下,本文中建立的基于车路耦合的车辆弯道临界车速模型,最大误差为3.64%(货车,φ=0.2),平均误差最小只有0.48%(轿车,φ=0.8)。因此,本文在充分考虑了车辆与环境因素对车辆行驶安全的影响下,所建立的临界车速模型可准确预测不同条件下的临界车速,其得到的临界车速总体上误差小、精度高。本文采用CarSim与TruckSim软件默认车型进行实验,后续可选取实际的道路和车辆数据进行建模。另外,仿真结果与实际情况可能存在小范围误差,将通过采集弯道处的事故车辆状态数据,并与仿真结果进行对比分析,验证模型的有效性。4多因素的屈曲安全速度分析4.1保障车辆管理安全、预防横向失稳事故发生车辆弯道安全车速受到诸多因素的共同影响,而这些因素对其影响程度不一,因而需要从中找出一些显著性影响因素对其进行重点分析。通过敏感度分析,可以得到各参数对安全车速的影响程度,给出影响因素的主次关系,抓住主要矛盾。并对保障车辆弯道行车安全、预防横向失稳事故发生提出具体、有针对性的建议和意见。正交试验是一种可以合理安排多因素试验方案、解决多因素试验问题的有效方法,通过正交试验可大大减少试验次数,又可以找出各因素对试验考核指标的影响规律。考虑到安全车速的影响因素较多,因此运用正交试验法对其影响因素进行敏感度计算和分析最为合适。通过前文的公式推导,本文主要考虑7个因素,包括车辆的4个参数和道路的3个参数,其中有:质心高度h通过选取表1中货车的数据,参考《公路路线设计规范》与《汽车理论》的相关内容,对以上各因素均采用4个常见水平,具体见表3所示。并且不考虑各试验因素之间的交互作用影响,利用SPSS软件构建8因素4水平正交表L4.2种车辆参数的仿真结果在正交试验中,一般利用极差分析法来确定试验因素的优水平以及对试验指标的主次关系式中:i为水平数,j为因素数;k如表4所示,从极差分析结果中可知,相比于车辆参数,道路环境的影响效果更大,其中弯道半径因素的极差值最大为107.31,影响最为明显,其次是路面附着系数为78.72。车辆结构参数中质心高度、质心至侧倾中心距离和轮距对安全车速的影响较大,悬架等效侧倾刚度因素的极差值最小为3.95,影响最弱。因此,各因素对安全车速的影响由主到次依次为:R(弯道半径)、φ(附着系数)、θ(路面横坡角)、h4.3安全车速预测因素的讨论正交试验的方差分析是通过试验数据的偏差平方和与误差平方和来计算检验统计量,从而判断各因素的作用效果是否显著,常用的显著性水平α有0.01,0.05,0.10式中:t为各实验因素的水平数;n为因素j在i水平下的试验次数;K各因素的随机误差均方和V式中:f由F临界表可查得:F根据表5中F值和P值的大小可以判断因素的主次顺序,其结果与极差的分析一致。其中,弯道半径、路面附着系数和路面横坡角对安全车速的影响最为显著,因此要想准确预测车辆的弯道安全速度,获取道路结构参数是其关键,这也说明了建设车路协同发展智能交通系统的重要性。同时,车辆的相关结构参数对安全速度也有一定的影响,其中质心高度与质心至侧倾中心距离影响较大。因此,为了保障行车安全,要严格禁止超载的情况发生,因为超载不仅会使车辆的质心高度过高增大质心至侧倾中心的距离,而且会让车辆长期处在超负荷状态,从而使车辆的操作和制动性能速度降低,给道路交通安全带来极大的隐患。而轮距和等效侧倾刚度对安全车速的影响较小,在对车辆分析时可做次要因素考虑。4.4表面附着系数为了探究两大主要因素,即弯道半径和路面附着系数对临界车速的影响,同样选取表1中的轿车和货车数据,通过改变弯道半径与路面附着系数的大小,进行临界车速的对比分析。选取弯道半径的范围为50~500,路面附着系数为0.1~0.9(如图3)。由图3可见,弯道半径与路面附着系数对两种典型车型的安全车速都有较大影响。在路面附着系数一定时,随着弯道半径的增大,安全车速也不断增大,并且速度曲线前端曲率较大,即转向越急越容易发生事故。在弯道半径一定时,本文得到的安全车速值与路面附着系数呈现正相关关系。值得注意的是,本文模型计算得到的轿车临界车速曲线随着路面附着系数的增加不断增大,并且趋势趋于平缓。而货车的临界安全车速,在路面附着系数达到0.74时,将会保持恒定不再变化。其原因为,货车由于质心高度与轮距的关系,当路面附着系数大于特定值时,侧翻是影响弯道行车安全的主导因素,而侧翻临界车速V5模型有效性分析1)基于车路协同方法,构建了综合考虑道路环境与车辆结构多因素的弯道安全车速模型。分别选用轿车和货车两种参数进行仿真分析,结果显示:相比于传统的弯道安全车速模型,本文所建立的安全车速模型与CarSim和TruckSim仿真试验得到的数据相近,平均误差为1.55%。后续可通过采集实车数据进行对比分析,验证模型的有效性。2)利用正交试验对7个影响因素进行了敏感度分析,正交试验的极差分析和方差分析结果相吻合,即各因素对弯道安全车速影响的由主到次的顺序依次为弯道半径、附着系数、路面横坡角、质心高度、质心至侧倾中心距离、轮距、悬架等效侧倾刚度,有助于为今后有针对性的保障弯道行车安全提供可靠的科学依据