韓豐兆， 楊紹普， 路永婕

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

道路表面特性突變對(duì)車(chē)輛安全性的影響仿真分析

韓豐兆1， 楊紹普2， 路永婕2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省交通安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

為了探究車(chē)輛在經(jīng)過(guò)路面附著系數(shù)變化路段時(shí)的行駛安全性，基于ADAMS/CAR建立人-車(chē)-路仿真系統(tǒng)，仿真模擬車(chē)輛在經(jīng)過(guò)路段積水區(qū)域與隧道出入口附著系數(shù)較低路段的行駛狀況，依據(jù)車(chē)輛動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，分析車(chē)輛在經(jīng)過(guò)附著系數(shù)變化路段時(shí)的車(chē)輛安全性，提出相應(yīng)的安全駕駛對(duì)策。仿真結(jié)果顯示：在大半徑曲線路段，輪胎單側(cè)或交替經(jīng)過(guò)積水區(qū)域比經(jīng)過(guò)全段積水區(qū)域時(shí)可能更安全些，駕駛員應(yīng)及時(shí)向積水相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)有利于駕駛安全；車(chē)輛在減速駛?cè)胨淼篮图铀亳偝鏊淼罆r(shí)，車(chē)輛加速度與路面附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛安全行駛狀態(tài)影響較大。因此建議駕駛員在隧道出入口制動(dòng)與加速不要過(guò)快，進(jìn)入隧道時(shí)應(yīng)該提前減速，出隧道時(shí)不要急于加速或者勻速駛出隧道。

人-車(chē)-路；積水路段；隧道出入口；附著系數(shù)；ADAMS/CAR；虛擬試驗(yàn)

0 引言

良好的路面條件為高速行駛的車(chē)輛提供輪胎與路面良好的附著性[1]，減少交通事故隱患。車(chē)輛與路面之間相互作用的關(guān)系是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它涉及到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、路面結(jié)構(gòu)力學(xué)、摩擦力學(xué)等領(lǐng)域的學(xué)科。輪胎與路面間的摩擦力是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力的來(lái)源，是汽車(chē)操縱穩(wěn)定性與行車(chē)安全的有效保障。輪胎與路面之間的附著系數(shù)是衡量路面抗滑性能的重要指標(biāo)，路面的表面應(yīng)具備足夠的抗滑能力，以保證行車(chē)安全[2]。美國(guó)運(yùn)輸安全委員會(huì)和美國(guó)聯(lián)邦公路局NTSB(National Transportation Safety Board)研究指出：駕駛員誤操作、路面設(shè)計(jì)不合理、輪胎與路面接觸區(qū)域內(nèi)缺乏足夠摩擦力是導(dǎo)致交通事故的主要因素，而且13.5%的重大交通事故和18.8%的交通事故是在路面濕滑的情況下發(fā)生的[3]。

對(duì)于車(chē)輛通過(guò)路面附著系數(shù)突變的路段，目前公認(rèn)其會(huì)對(duì)行車(chē)產(chǎn)生不利影響，但是只是認(rèn)為改善路面狀況可以解決此問(wèn)題，可實(shí)際中仍存在不少路面性能較差的路段，并沒(méi)有為駕駛員和道路管理者提出很好的應(yīng)對(duì)措施。雨天行車(chē)，經(jīng)過(guò)有積水路段區(qū)域時(shí)，輪胎與路面之間水的存在改變了層間接觸狀態(tài)，當(dāng)輪胎在積水覆蓋的路面上高速行駛時(shí), 由于流體的壓力使輪胎出現(xiàn)上浮的 “滑水現(xiàn)象”，一旦發(fā)生滑水現(xiàn)象，引起抗滑性能的下降，就會(huì)帶來(lái)很大的交通安全問(wèn)題[4-9]。何杰[10]分別模擬了晴天、雨天、雪天和結(jié)冰條件下的路面狀況，但是只是單一的改變路面附著系數(shù)來(lái)模擬不同的路面安全性；徐進(jìn)[11]分析了直線路段積水路面車(chē)輛事故的機(jī)理，其路面附著系數(shù)設(shè)置沒(méi)有過(guò)度，不太符合實(shí)際積水情況。除了路面積水會(huì)降低路面的附著系數(shù)，隧道出入口處的附著系數(shù)也相對(duì)較低。車(chē)輛在接近隧道入口時(shí)，一般會(huì)減速，而當(dāng)車(chē)輛駛離隧道時(shí)，又常常表現(xiàn)出加速過(guò)程[12]。由于車(chē)輛在隧道出入口附近不斷地加速和減速，導(dǎo)致隧道路面的附著系數(shù)系數(shù)比正常路段要低。調(diào)查分析顯示，隧道臨近洞口路面存在衰減現(xiàn)象，抗滑性能降低，瀝青路面在臨近洞口處大約29%路面存在衰減現(xiàn)象；水泥路面在隧道洞口附近路面大約25%存在衰減現(xiàn)象，有的路表構(gòu)造深度已經(jīng)衰減為了0.1 mm，大大影響了車(chē)輛的行車(chē)安全性[13-15]。在車(chē)輛駛?cè)腭偝鏊淼兰铀倩蛘咧苿?dòng)的時(shí)候，車(chē)輛輪胎與路面之間的接觸處于一個(gè)非線性、非穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)作用過(guò)程，而且當(dāng)路面的表面特性突然發(fā)生改變的時(shí)候，車(chē)輛的行駛安全性就遭到極大的威脅。因此，研究車(chē)輛在積水路段及隧道出入口路段路面特性突變對(duì)車(chē)輛安全性影響能具有重要意義。

基于此，利用ADAMS/CAR，建立人-車(chē)-路仿真系統(tǒng)[16]，采用閉環(huán)控制模擬車(chē)輛在積水路段及隧道洞口附著系數(shù)變化的車(chē)輛行駛狀況，依據(jù)仿真車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，分析車(chē)輛在經(jīng)過(guò)附著系數(shù)變化路段時(shí)的車(chē)輛安全性，并提出相應(yīng)的安全駕駛對(duì)策。閉環(huán)控制在車(chē)輛發(fā)生不沿中線行駛時(shí)，會(huì)對(duì)車(chē)輛軌跡進(jìn)行修正，車(chē)輛出現(xiàn)大的軌跡變動(dòng)時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)越劇烈，駕駛員越難以掌控，其側(cè)向加速度與橫擺角速度，也會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)，因此采用方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速、側(cè)向加速度、橫擺加速度來(lái)描述車(chē)輛的安全情況。

1 人-車(chē)-路仿真模型

1.1 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

從ADAMS/CAR的車(chē)輛模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選取乘用汽車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)輛，如圖1所示。汽車(chē)基本參數(shù)：質(zhì)量1 528 kg，前輪距1 520 mm，后輪距1 594 mm，軸距2 590 mm。交通組成中乘用汽車(chē)占很大比例，而且此模型經(jīng)過(guò)了汽車(chē)廠商的參數(shù)優(yōu)化，具有很大的普遍性和代表性，用于仿真研究更加穩(wěn)定可靠。輪胎模型為PAC2002，此輪胎模型使用的是魔術(shù)公式，由提出者H. B. Pacejka教授命名，并根據(jù)其發(fā)布的年限命名。魔術(shù)公式是用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用一套形式相同的公式就可以完整地表達(dá)輪胎的縱向力Fx、側(cè)向力Fy、回正力矩Mz、翻轉(zhuǎn)力矩Mx、阻力矩My以及縱向力、側(cè)向力的聯(lián)合作用工況。式(1)為魔術(shù)公式的一般表達(dá)式

(1)

式中,Y(x)可以是側(cè)向力，回正力矩或者縱向力;自變量X可以在不同的情況下分別表示輪胎的側(cè)偏角或縱向滑移率;B表示剛度因子;C表示形狀因子;D表示峰值因子;E表示曲率因子。

1.2 道路模型

采用道路設(shè)計(jì)軟件畫(huà)出實(shí)際道路線形，并擴(kuò)展成路面寬度，保存為*.dxf格式文件，在ABAQUS中進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，得到其節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到路面文件*.rdf中并修改相應(yīng)數(shù)據(jù)，最終將路面模擬成一個(gè)個(gè)三角形拼接形式(也就是等效容積路面)，如圖2所示為路面模型的建立流程圖。

圖1 車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型

圖2 路面模型建立流程圖

任意一個(gè)小三角形都可以改變其附著系數(shù)，可以模擬不同的路面狀況。如圖3所示為建立好的路面模型。采用宜賓至彝良高速公路標(biāo)段K11+404～K13+717佛現(xiàn)山隧道實(shí)際線形，隧道起點(diǎn)位置為半徑1 000 m的圓曲線，坡度為0.5%；終點(diǎn)路段為2 000 m的圓曲線，坡度為-2.8%；中間為一段840 m的直線段。

圖3 路面模型

1.3 駕駛員模型

ADAMS/CAR通過(guò)控制方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)指令、油門(mén)大小、制動(dòng)踏板松緊等，來(lái)控制車(chē)輛在道路的行駛狀態(tài)。由于采用實(shí)際線路仿真，因此控制模型采用閉環(huán)駕駛的控制策略，來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中駕駛員在行車(chē)時(shí)對(duì)車(chē)輛做出調(diào)整操作，并且不考慮駕駛員變換車(chē)道的行為。閉環(huán)控制就是預(yù)先設(shè)定車(chē)輛的運(yùn)行軌跡及行駛速度，試圖讓車(chē)輛按軌跡路線和一定的速度運(yùn)行，當(dāng)不符合設(shè)定任務(wù)時(shí)，及時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行調(diào)整。圖4為車(chē)輛在閉環(huán)控制下的車(chē)輛控制流程圖，在閉環(huán)控制時(shí)，通過(guò)ADAMS/CAR 輸入界面獲取駕駛員控制文件(.dcf)、數(shù)據(jù)模型文件(.adm)和命令文件(.asf)，通過(guò)ADAMS求解器中的閉環(huán)控制算法進(jìn)行求解仿真，得到計(jì)算結(jié)果文件，通過(guò)結(jié)果文件，分析車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，最終得想要的結(jié)果。

圖4 閉環(huán)控制下的車(chē)輛控制流程圖

2 路面積水試驗(yàn)仿真

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

車(chē)輛經(jīng)過(guò)積水區(qū)域時(shí)，車(chē)輛非常容易出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，導(dǎo)致路面的附著系數(shù)大大降低，附著系數(shù)的大小與輪胎-路面的接觸面積、輪胎荷載和胎壓有關(guān)，路面附著系數(shù)可能降到0.1左右[17-18]，因此采用附著系數(shù)為0.1來(lái)表示積水區(qū)域，正常路面為瀝青路面，附著系數(shù)為0.6，為了更真實(shí)模擬積水路面，在積水區(qū)與正常路面連接處，采用附著系數(shù)漸變，讓附著系數(shù)從0.6逐漸過(guò)渡到0.1，成倒梯形變化，然后再有設(shè)置一段附著系數(shù)為0.1的積水區(qū)域。由于路線太長(zhǎng)，只在隧道入口處模擬積水狀況，分別以恒速80 km/h、100 km/h、120 km/h沿道路中線通過(guò)積水區(qū)域，積水路段長(zhǎng)為70 m。模擬3種積水狀況：(1)路段全段積水；(2)單側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水段；(3)輪胎交替經(jīng)過(guò)積水段。如圖5為3種積水路面示意圖。

圖5 道路表面積水工況

2.2 仿真及結(jié)果分析

2.2.1 路段全段積水時(shí)仿真分析

(1) 不同速度對(duì)車(chē)輛通過(guò)積水路段駕駛操縱穩(wěn)定性的影響。由于速度不同，因此通過(guò)積水區(qū)域的時(shí)間不同，80 km/h速度下41 s 時(shí)經(jīng)過(guò)積水區(qū)、100 km/h速度下33 s時(shí)經(jīng)過(guò)積水區(qū)、120 km/h速度下28 s經(jīng)過(guò)積水區(qū)。由圖6可見(jiàn)，在80 km/h速度下方向盤(pán)峰值為-13 deg，100 km/h速度下為-22 deg，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角增加不是很大，但是在120 km/h速度下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角峰值突變?yōu)?255 deg，從圖7方向盤(pán)轉(zhuǎn)速也可以發(fā)現(xiàn)突變的規(guī)律，駕駛員可能無(wú)法掌控方向盤(pán)而發(fā)生危險(xiǎn)。由圖8車(chē)輛的側(cè)向加速度曲線及仿真動(dòng)畫(huà)，可知車(chē)輛在此發(fā)生了側(cè)滑。因此，可以初步得出結(jié)論在車(chē)速低于一定速度下，通過(guò)積水區(qū)域時(shí)車(chē)輛安全性變化不大，當(dāng)達(dá)到一定速度極限時(shí)，車(chē)輛會(huì)突然失穩(wěn)，發(fā)生交通事故。因此，駕駛員通過(guò)全積水路段時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低車(chē)速有利于行車(chē)安全。

圖6 不同行駛速度下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

圖7 不同行駛速度下方向盤(pán)轉(zhuǎn)速

圖8 不同行駛速度下側(cè)向加速度

(2)附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛通過(guò)積水路段操縱穩(wěn)定性的影響。把積水區(qū)域路面附著系數(shù)降低為0.08和0.05，與附著系數(shù)為0.1的在80 km/h速度下情況進(jìn)行對(duì)比。如圖9、圖10所示，當(dāng)附著系數(shù)下降到0.05時(shí)，在積水區(qū)域僅80 km/h的速度下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角就突變?yōu)?300 deg，方向盤(pán)轉(zhuǎn)速峰值也達(dá)到了900 deg/s，駕駛員已無(wú)法短時(shí)間完成如此超負(fù)荷的轉(zhuǎn)彎操作。從圖11側(cè)向加速度曲線，得知車(chē)輛有一個(gè)突然的側(cè)向加速，導(dǎo)致車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑。可以說(shuō)路面附著系數(shù)對(duì)行車(chē)安全性影響很大。

圖9 不同附著系數(shù)下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

圖10 不同附著系數(shù)下方向盤(pán)轉(zhuǎn)速

2.2.2 單側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水段

由于積水出現(xiàn)在曲線路段，因此單側(cè)輪胎通過(guò)積水區(qū)域時(shí)，積水區(qū)在曲線內(nèi)側(cè)外側(cè)可能對(duì)行車(chē)安全產(chǎn)生不同的結(jié)果，仿真車(chē)輛在路段為向左轉(zhuǎn)彎行駛，左為曲線內(nèi)側(cè)。分別模擬左側(cè)與右側(cè)輪胎單側(cè)經(jīng)過(guò)積水區(qū)域時(shí)不同速度下的行駛情況。如圖12所示為各種工況下的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角。由于車(chē)輛在曲線行駛，所以車(chē)輛方向盤(pán)在開(kāi)始有一段大約4 deg的轉(zhuǎn)角，在分別經(jīng)過(guò)單側(cè)積水區(qū)域時(shí)，隨著速度的增加，不論是左側(cè)積水還是右側(cè)積水，并沒(méi)有像兩側(cè)輪胎同時(shí)經(jīng)過(guò)積水區(qū)域時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角有突長(zhǎng)的情況，而是基本保持在13 deg左右不變。而且車(chē)輛在曲線路段左側(cè)和右側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水部分時(shí)對(duì)行車(chē)沒(méi)有太大的影響，駕駛員可以平穩(wěn)的完成轉(zhuǎn)向任務(wù)。可以初步得出結(jié)論單側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水比輪胎同時(shí)經(jīng)過(guò)積水要安全。

從圖中還可以看出在輪胎左側(cè)積水時(shí)，方向盤(pán)向右轉(zhuǎn)動(dòng)；右側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水時(shí)，方向盤(pán)向左轉(zhuǎn)動(dòng)。因此建議，駕駛員在單側(cè)輪胎積水時(shí)，向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)有利于行車(chē)安全。

圖11 不同附著系數(shù)下側(cè)向加速度

圖12 單側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水段方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

2.2.3 輪胎交替經(jīng)過(guò)積水段

從上面知道曲線內(nèi)側(cè)外側(cè)積水對(duì)行車(chē)影響不大，因此只選取了先左側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水區(qū)域，再右側(cè)輪胎經(jīng)過(guò)積水區(qū)域的情況。如圖13所示，不同速度下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角沒(méi)有很大的變動(dòng)，同輪胎單側(cè)經(jīng)過(guò)積水得出的結(jié)論一樣。但在車(chē)輛經(jīng)過(guò)交替位置時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)上下波動(dòng)，并在很短的時(shí)間內(nèi)峰值出現(xiàn)了2倍的突變。而且圖14車(chē)身的橫擺角速度左右波動(dòng)頻繁，隨著速度的增大車(chē)身橫擺角峰值呈增大趨勢(shì)。建議駕駛員在經(jīng)過(guò)交替積水區(qū)域時(shí)應(yīng)適當(dāng)減低車(chē)速，經(jīng)過(guò)積水交替位置時(shí)方向盤(pán)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，以保持車(chē)輛安全性。

圖13 不同速度下的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角

圖14 不同速度下的車(chē)身橫擺角速度

3 隧道口路段的安全性仿真

圖15 隧道出入口低附著路段示意圖

由于駕駛員進(jìn)隧道減速和出隧道時(shí)加速的駕駛行為，導(dǎo)致隧道入口和出口很長(zhǎng)一段路面附著系數(shù)低于正常路面。因此研究隧道出入口路面抗滑性能的變化對(duì)行車(chē)安全的影響有很大意義。改變隧道出入口一段70 m區(qū)域附著系數(shù)為0.2，其它路段保持不變，來(lái)模擬隧道洞口的路面附著系數(shù)低于其它路段的工況，如圖15所示路段為整個(gè)佛現(xiàn)山隧道。采用進(jìn)洞減速，出洞加速的駕駛策略，真實(shí)地模擬隧道洞口的駕駛行為。

3.1 駛?cè)胨淼罍p速時(shí)的車(chē)輛安全性

3.1.1 不同制動(dòng)強(qiáng)度對(duì)行車(chē)安全的影響

在隧道起點(diǎn)之前，以100 km/h的速度接近隧道入口，在進(jìn)入隧道前開(kāi)始減速制動(dòng)。圖16為不同制動(dòng)強(qiáng)度下車(chē)身橫擺角速度的變化曲線，從圖16中可以看出，在曲線出現(xiàn)了兩次峰值，分別是在附著系數(shù)變化的路段接口處。在制動(dòng)減速度小于2 m/s2時(shí)，隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加車(chē)身的橫擺角速度成增加的趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)比較小，當(dāng)制動(dòng)減速度達(dá)到3 m/s2時(shí)橫擺加速度突然增大到42 m/s2，增大了14倍之多。從圖17側(cè)向加速度曲線在3 m/s2加速度下達(dá)到了0.35g，突然增加3倍之多，車(chē)輛側(cè)向位移突然增大，可知車(chē)輛突然發(fā)生了側(cè)向滑移。

圖16 不同制動(dòng)強(qiáng)度下的車(chē)身橫擺角速度

圖17 不同制動(dòng)強(qiáng)度下的側(cè)向加速度

因此認(rèn)為制動(dòng)強(qiáng)度大小與車(chē)輛經(jīng)過(guò)低附著系數(shù)路面時(shí)的安全性有一定的相關(guān)性，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度比較小時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度的變化多，車(chē)輛影響很小，當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一定的值時(shí)，車(chē)輛會(huì)突然失穩(wěn)，發(fā)生危險(xiǎn)。建議駕駛員在進(jìn)入隧道時(shí)應(yīng)緩慢減速，最好提前減速。

3.1.2 路面附著系數(shù)對(duì)行車(chē)安全的影響

將入口處的低附著路段附著系數(shù)改為0.3，以不同制動(dòng)強(qiáng)度駛過(guò)入口。發(fā)現(xiàn)在制動(dòng)減速度為1 m/s2時(shí)車(chē)身的橫擺角速度幅值減少了一半。而在沒(méi)有增加附著系數(shù)前，制動(dòng)減速度為3 m/s2時(shí)車(chē)輛側(cè)滑下，增大路面附著系數(shù)為0.3后路面車(chē)身橫擺角速度只有2 deg/s，車(chē)輛安全性得到很大改善，如圖18、圖19所示。車(chē)輛在隧道洞口處的制動(dòng)安全性與洞口處路面的光滑程度有很大聯(lián)系，因此要及時(shí)改善隧道入口處的路面狀況，提高路面抗滑性能。

圖18 制動(dòng)減速度為1 m/s2時(shí)的橫擺角速度

圖19 制動(dòng)減速度為3 m/s2時(shí)的橫擺角速度

3.2 駛出隧道加速時(shí)的車(chē)輛安全性

3.2.1 不同加速?gòu)?qiáng)度對(duì)行車(chē)安全的影響

隧道出口處設(shè)置成和入口相似的工況，改變一段路面的附著系數(shù)為0.2，由于速度限制，車(chē)輛在隧道中的速度比較低，因此以60 km/h的速度在出口處加速駛出隧道。如圖20所示，為不同加速度下車(chē)輛的橫擺角速度，同減速進(jìn)洞相似，圖中也出現(xiàn)了兩次峰值，并且與路面附著系數(shù)變化位置相對(duì)應(yīng)。隨著加速度的增加車(chē)輛的橫擺角速度也在增加，但是由于數(shù)值比較小，因此車(chē)身的橫擺也沒(méi)有太大變化。當(dāng)選用80 km/h的速度進(jìn)行加速仿真，得出結(jié)果和60 km/h下曲線波動(dòng)基本一致。車(chē)輛縱向速度雖然增加了20 km/h，但是其車(chē)身橫擺角速度沒(méi)有變化，可見(jiàn)車(chē)輛加速度的大小比速度對(duì)車(chē)輛駛出隧道影響更大。圖21車(chē)輛的側(cè)向加速度曲線，也保持在很小的范圍波動(dòng)，但是也在隨著制動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加。因此建議駕駛員駛出隧道時(shí)不要加速過(guò)快，或者保持勻速駛出。

圖20 不同加速度下車(chē)身的橫擺角速度

圖21 不同加速度下車(chē)身的側(cè)向加速度

3.2.2 不同附著系數(shù)對(duì)行車(chē)安全的影響

把附著系數(shù)從0.2提升到0.3，再進(jìn)行仿真分析，以加速度3 m/s2為例，得到其橫擺角速度與0.2附著系數(shù)下的橫擺角速度進(jìn)行對(duì)比，如圖22、圖23所示。橫擺角速度峰值及車(chē)身的側(cè)向加速度大大降低，路面附著系數(shù)的增加在車(chē)輛加速駛出隧道時(shí)大大提高了行駛的安全性。

圖22 不同路面附著系數(shù)下的車(chē)身橫擺角速度

圖23 不同附著系數(shù)下車(chē)身的側(cè)向加速度

4 結(jié)語(yǔ)

(1)車(chē)輛在駛過(guò)積水路面時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，造成路面附著系數(shù)的突變。仿真模擬車(chē)輛在駛過(guò)3種不同積水工況時(shí)的運(yùn)行情況，通過(guò)分析車(chē)輛表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，得出車(chē)輛在經(jīng)積水過(guò)路段對(duì)行車(chē)產(chǎn)生的不利影響。路面附著系數(shù)突變和行駛速度對(duì)車(chē)輛的行駛安全性有很大影響，并且輪胎單側(cè)或交替通過(guò)積水區(qū)域比經(jīng)過(guò)全段積水要安全些。因此建議駕駛員在雨天行車(chē)時(shí)盡量保持較低速度行駛，并向積水相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)有利于行車(chē)安全。

(2)隧道出入口道路表面抗滑性低于正常路面，仿真車(chē)輛在減速駛?cè)胨淼篮图铀亳偝鏊淼揽诘那闆r，結(jié)果表明車(chē)輛加速度和路面附著系數(shù)對(duì)行車(chē)安全性影響比較大，過(guò)大的制動(dòng)強(qiáng)度和加速?gòu)?qiáng)度會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度產(chǎn)生突變，造成交通事故的發(fā)生。因此建議駕駛員在隧道出入口應(yīng)緩慢制動(dòng)和加速。對(duì)于道路管理者，應(yīng)及時(shí)改善隧道出入口處的路面的抗滑性，提升路面使用性能。

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Simulation Analysis of the Influence of Road SurfaceCharacteristics Mutation on Vehicle Safety

Han Fengzhao1, Yang Shaopu2， Lu Yongjie2

(1.School of Civil Engineering, Shijiazhuang TieDao University,Shijiazhuang 050043, China;2.Key Laboratory of Traffic Safety and Control in Hebei,Shijiazhuang 050043, China)

In order to explore the driving safety of the vehicle when the road adhesion coefficient is changing, based on the human-vehicle-road simulation system established by ADAMS/CAR, the vehicle driving conditions are simulated for vehicle passing through the trapped water and the tunnel with a low adhesion coefficient entrance.According to vehicle dynamics response index, vehicle safety is analyzed when it passes through the period with changing adhesion coefficient and the corresponding safe driving strategies are put forward. Simulation results show that the vehicle tires when one side of the tires or both sides alternately pass through the trapped water may be safer than the vehicle pass through the whole trapped water in the large radius curve sections, thus the driver should turn the wheel in the opposite position of the trapped water in time,which is beneficial to driving safety .Vehicle acceleration and road adhesion coefficient has great influence on the safety of vehicles when the vehicle slows down to enter the tunnel and speeds up to leave the tunnel. So drivers are advised not to brake and accelerate too fast in the entrances and exits of the tunnel but to decelerate before entering the tunnel and keep uniform speed while driving out of the tunnel .

human-vehicle-road;surface gathered water;exit and entrance of highway tunnel;road adhesion coefficient;Adams/Car;virtual test

基金信息：國(guó)家自然基金(11172183,11472180,11572207);教育新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃(NCET-13-0913)

韓豐兆(1991-)，男，碩士研究生，主要從事車(chē)輛-路面相互作用動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:hanfengzhao@126.com

U412.2+51

A

2095-0373(2017)02-0037-09

2016-07-07 責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.07

韓豐兆，楊紹普，路永婕.道路表面特性突變對(duì)車(chē)輛安全性的影響仿真分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):37-45.