不同路面類型下彎坡組合路段載重汽車側滑速度閾值變化研究

□文/李 曼

不同路面類型下彎坡組合路段載重汽車側滑速度閾值變化研究

□文/李 曼

側滑是引起載重汽車單車重大交通事故的主要因素之一。文章以下坡轉彎路段載重汽車的受力模型為基礎，得出載重汽車在下坡轉彎路段的荷載模型，根據側滑臨界條件建立側滑安全行駛速度模型，通過A dam s軟件對不同路面側滑模型進行仿真模擬，驗證側滑安全速度模型的適用性，得出彎坡組合路段載重汽車在不同路面的安全行駛速度閾值變化3D曲線。得到的安全速度閾值為提高彎坡組合路段安全性，制定高速公路的限速標準提供數據支撐。

彎坡；組合；路段；載重；汽車；側滑；速度；閾值

側滑是引起載重汽車單車重大交通事故的主要影響因素之一。

載重汽車的抗滑安全性主要取決于路面-輪胎的摩擦大小及兩者的相互作用機制，國外對于輪胎摩擦學的研究很早。早在1946年，著名研究學者Thirion通過試驗證明了載重汽車輪胎所能承受的荷載主要取決于輪胎上橡膠所能產生的有效摩擦力并提出了路面附著系數與輪胎—路面接觸面壓強的經驗關系模型[1]；2010年，國外學者G.P.Ong和T.F.Fwa建立了高速公路商用汽車的側滑仿真模型，仿真結果表明輪胎內壓力、車輛荷載、水膜厚度和行駛速度對車輛側滑影響較大，該模型對車輛抗滑評估和預測有很大作用[2]。國內的華南理工大學的周峰、鄧楚南等學者分別就車輪側滑和車軸側滑的極限狀態進行了研究，提出了兩者之間的關系并以車輪側滑狀態研究結果為基礎，總結了車軸側滑量測量方法及檢測原理[3]。

通過借鑒國內外先進的研究方法，結合實際情況，通過研究車路耦合作用研究側滑機制以及載重汽車在高速公路上行駛時的動態安全，對促進高速公路交通安全發展、提高高速公路服務水平具有重要意義。

1 路面附著系數對彎坡組合路段抗滑穩定性的影響

路面特征參數中的路面附著系數是對側滑穩定性影響較大的參數，微觀量化表征路面結構紋理的參數有很多，主要包括MPD、IRI、RMS等，路面的微觀結構應粗糙且有一定的棱角，以穿透水膜，讓路面與胎面直接接觸，提高附著能力。而高速公路路面的宏觀定義種類主要包括水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面，試驗測試結果顯示水泥混凝土路面的路面附著系數一般大于瀝青混凝土的路面附著系數。

不同路面狀況下，附著系數與滑移率變化曲線也有所差異，當滑移率在0.1和0.2之間不同路面類型的路面附著系數均達到最大值。該值主要取決于路表情況。

2 彎坡組合路段載重汽車側滑安全模型及安全閾值

2.1 彎坡組合路段載重汽車受力特性及安全模型的建立

彎坡組合路段是山區高速公路的典型路段，對平縱組合要求較高，對行車安全的影響遠遠大于單個方面的影響及兩者的加和。彎坡組合路面上行駛中的載重汽車受力大小和方向在不斷變化，當變化達到極限狀態時，汽車將失去穩定性發生事故。

通過對載重汽車下坡左轉彎的受力分析，載重汽車在下坡左轉彎路段行駛時，左后輪先制動抱死。左后輪抱死，整個后軸的全部荷載將全部加載到右后輪上，右后輪將需要更大的法向反作用力來抵抗側向力，此時右后輪將會以更快的速度抱死，當右后輪抱死時，車輛后軸將發生側滑，同時車輛將出現甩尾現象。

當載重汽車的行駛速度大于側滑的最大安全行駛速度時，汽車將發生側滑事故，應嚴格控制載重汽車在下坡轉彎路段的行駛速度。由于高速公路的線形指標要求比較高，道路縱坡和超高設置均有一定限制并且取值不是很大，貨物的側偏角φ很小，可以忽略，取φ≈0，通常取

式中：Vch，max為載重汽車的最大行駛速度；φh為路面附著系數；R為圓曲線半徑；g為重力加速度；hg為載重汽車質心高度；α為質心到前軸的水平距離；i為道路縱坡；ih為圓曲線段的超高。

2.2 MATLAB軟件量化附著系數、合成坡度與側滑速度閾值的3D關系模型

使用MATLAB軟件繪制出的各屬性彎坡組合路段的路面附著系數、合成坡度與側滑速度閾值的3D關系曲線，見圖1。從圖1可以直觀看出，側滑速度閾值與路面附著系數、合成坡度的關系，路面附著系數對側滑速度閾值的影響比合成坡度大并且變化很顯著，隨著附著系數的降低，速度閾值明顯下降，而隨著合成坡度的增大，雖然速度閾值也在減小，但是曲線有上下抖動趨勢并且下降不是很顯著。根據側滑速度閾值模型及關系曲線可知，在進行限速標志設置時，必須重點考慮路面附著系數的影響。

圖1 路面附著系數、合成坡度與側滑速度閾值3D關系曲線

Adams仿真結果表明彎坡組合路段的側滑模型適用于不同路面類型，仿真得到側滑臨界速度與附著系數之間的關系曲線與MATLBA軟件得出的3D關系曲線中附著系數與側滑速度閾值的關系變化趨勢一致，分別見圖2和圖3。根據曲線可以看出，路面附著系數越大，載重汽車的側滑臨界速度越高，可見，提高路面附著系數有利于提高載重汽車的側滑臨界速度，改善路面環境提高路面的附著性能可以有效地提高載重汽車的行駛安全性。

圖2 MATLBA得到的側滑閾值與附著系數的關系曲線

圖3 Adams仿真得到的側滑閾值與附著系數的關系曲線

3 結論及未來工作

1）本文以車-路耦合作用為基礎，分析了載重汽車在下坡轉彎路段的受力模型，建立了彎坡組合路段載重汽車的側滑安全速度模型，使用MATLAB軟件得到了側滑安全閾值與各影響因素的關系規律性并通過Adams仿真得出了載重汽車在下坡轉彎路段的側滑閾值變化曲線圖。

2）根據3D關系曲線和仿真數據，可以得出不同路面狀況下的安全速度行駛閾值，為高速運營管理者制定限速標志提供數據支撐和理論參考。

U9

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1008-3197（2015）06-73-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.026

2015-10-25

李 曼/女，1987年出生，助理工程師，上海市城市建設設計研究院天津分院，從事道路設計工作。