基于CARSIM仿真的車輛彎道行駛特性研究

鄧星月

摘要：我國西部山區大多是雙車道公路，存在著大量彎道，由于車輛在彎道行駛時受到沿橫坡坡面方向的橫向力、垂直荷載和輪胎附著力致使行駛特性發生根本性的改變，基于設計速度的設計方法對地形復雜路段的實用性不強。本文運用Carsim仿真對車輛彎道的行駛特征進行了研究，為公路平面線性設計提供參考。

關鍵詞：彎道行駛特性；橫向失穩性；側翻性；Carsim仿真

1 引言

全國的公路路網中，雙車道公路所占比例較大，大多數二級及二級以下道路都是雙車道公路，其擔負著公路交通的重要任務。據統計，在我國西部山區發生的重大交通事故的比例占到全國重大交通事故的70%，其中僅在彎道發生的交通事故都高達52%，給人們的出行造成嚴重影響的同時還帶來了巨大的經濟損失[1]。

2001年Krammes[5]等人通過分析了不同超高對車輛在彎道路段側滑的影響，發現車輛在彎道行駛時超高越大發生的側滑偏移越大。2002年德國工業大學的Weise等人通過對行駛在彎道路段的車輛發生的偏移與圓曲線半徑關系的研究，提出評價彎道行駛的穩定性方法并將道路行駛的安全等級分為了四級。2005年美國路易斯安那大學的孫文峰通過傳感器獲得車輛在彎道路段發生偏移進行分析，研究表明，路面條件、超高等是影響車輛側滑偏移的主要影響因素。

2004年同濟大學楊軫[10]等人研究發現車輛在彎道行駛中，在通過直曲點、曲中點、曲直點時，車輛向外發生的偏移方向不同，且偏移量受到行駛速度的影響。2011年哈爾濱工業大學章錫俏、李松齡[12]等分析車輛在彎道外側的受力情況，通過仿真為路面附著系數降低現象提出建議；2012年重慶交通大學徐進、邵毅明[13]等提出“前視斷面選點”的計算方法，構建行駛軌跡決策模型，適用于復雜山區行駛軌跡決策，驗證了模型可靠性。

通過對比國內外研究現狀，針對我國西部山區地形復雜，分析車輛彎道行駛特性對于支撐復雜山路道路實際道路的平面線性設計具有重要意義。

2 車輛急彎運行影響分析

2.1彎道行駛特性

山區公路急彎路段的車輛運行可以按照車輛在圓曲線段的形式特征進行分析，即車輛由直線進入彎道圓曲線、大半徑曲線進入小半徑曲線、小半徑曲線駛出更小曲線車輛會減速，減速效果與兩個線形單元比率差成正比[4]；而輛由小半徑曲線進入或駛出大半徑曲線、以及駛過曲線中點之后，車速由加速或保持現有運行速度的趨勢。

車輛在彎道路段行駛時，不僅受到沿橫坡坡面方向的橫向力的影響，還受到自身重力垂直荷載的支撐力作用：

（1）橫向力。車輛行駛至彎道過程時，其所受的合力為車輛轉彎提供一個沿著半徑方向的離心力，考慮超高或路拱橫坡的情況下，行駛在彎道的車輛受到的離心力。

（2）垂直荷載。車輛在彎道上行駛時，地面對其的支撐力與車輛的垂直荷載相等。

（3）輪胎附著力。輪胎橫向附著力為輪胎所受支撐力與橫向力系數的乘積。

2.2急彎運行安全性分析

根據Carsim仿真中獲取的車輛過彎的橫向側滑偏移量與橫向離心力（側翻）為參數指標，判斷車輛在急彎行駛時的安全性[23]。

由車輛彎道行駛特性推導可得：

3 Carsim仿真分析

根據車輛急彎行駛特性與安全運行的臨界速度，采用Carsim對其進行仿真分析。

①不同半徑值分析

以超高為6%為例，采用設計車速20km/h～80km/h時規范最小半徑，仿真每種半徑條件下側滑臨界車速，并與設計車速和理論車速對比，如下表所示，。

從上表3.1可知：（1）在同一超高下，隨著彎道半徑的增大，側滑臨界最大車速值也增大；（2）仿真車速大于設計車速，略小于計算車速，

②不同超高值分析

以設計車速80km/h，對應半徑250m的彎道為例，超高從0變換到10%，總共6組模型，仿真此時的側滑臨界車速，如下表3.2所示：

從上表3.2可知：（1）隨著超高的增大，不管是計算車速還是仿真車速，側滑臨界最大車速都隨之增加。（2）仿真側滑臨界最大車速同樣是要大于設計車速，但略小于計算車速。

4 總結

本文通過Carsim仿真驗證車輛彎道運行的橫移、側滑和側翻的與彎道幾何參數的關系，根據仿真可計算不同彎道半徑、不同超高的情形下的彎道側滑臨界車速，可為山區道路平面線性設計提供參考。根據仿真結果可知，當彎道半徑小于40m時，超高不能超過8%，否則會過于危險。

參考文獻

[1]李文波，劉東波，譚山，鄭芳. 山區雙車道公路視距與交通安全的關系研究[J]. 黑龍江交通科技，2007，（12）：149-151.

[2]楊軫.行車動力學仿真模型研究[D].同濟大學，2004.

[3]章錫俏，李松齡.寒冷地區設超高公路圓曲線半徑設計仿真研究[J].武漢理工大學學報，2011，6.

[4]徐進，趙軍，邵毅明，陳泳汐. 基于“人-車-路”協同的復雜公路/賽道行駛軌跡決策模型[J].系統工程理論與實踐，2014，34（05）：1311-1323.

（作者單位：重慶交通大學 交通運輸學院）