何烈云, 傅李罡

(1.浙江警察學(xué)院交通管理工程系， 浙江杭州 310053; 2.杭州市公安局交警支隊(duì)， 浙江杭州 310053)

0 引言

電動(dòng)自行車是當(dāng)前我國(guó)居民重要的出行工具之一，在我國(guó)保有量約2億且每年新增3 000萬(wàn)輛。由于電動(dòng)自行車速度快、穩(wěn)定性低、制動(dòng)性能差等特點(diǎn)，導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，且造成傷亡較自行車和機(jī)動(dòng)車而言往往更為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年至2016年5年內(nèi)，我國(guó)共發(fā)生涉及電動(dòng)自行車道路交通事故高達(dá)19.3萬(wàn)起，其中由電動(dòng)自行車駕駛?cè)素?fù)主責(zé)以上的有5.62萬(wàn)起，導(dǎo)致8 431人死亡[1]。近十幾年來(lái)，電動(dòng)自行車肇事導(dǎo)致事故年均增長(zhǎng)9.9%，傷亡人數(shù)年均增長(zhǎng)10.5%，死亡人數(shù)年均增長(zhǎng)達(dá)到18.21%，大大高于其他交通工具的死亡人數(shù)增長(zhǎng)率[2]。分析大量電動(dòng)自行車事故原因，車速過(guò)快是一個(gè)重要的因素?；瑒?dòng)附著系數(shù)是根據(jù)制動(dòng)痕跡長(zhǎng)度鑒定發(fā)生事故時(shí)車速的重要參數(shù)，但目前在國(guó)際上沒(méi)有關(guān)于電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是導(dǎo)致電動(dòng)車的超速過(guò)錯(cuò)行為極少作為事故責(zé)任認(rèn)定的因素的原因之一。

關(guān)于電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論均鮮有研究，之前專家學(xué)者主要是針對(duì)汽車附著系數(shù)開展了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析，并得出了各種條件下的汽車滑動(dòng)附著系數(shù)范圍參考值。研究表明，機(jī)動(dòng)車滑動(dòng)附著系數(shù)受到道路因素(包括：路面材質(zhì)、粗糙度、濕潤(rùn)狀況、路面溫度與路面不平度)、輪胎因素(包括：輪胎的種類和輪胎的磨損與氣壓)和使用因素(包括：速度和防抱死系統(tǒng))的影響[3]。在干燥的高附著系數(shù)路面上，縱向附著系數(shù)受車速影響較?。辉诔睗竦母吒街禂?shù)路面上，由于水滑效應(yīng)的作用，縱向附著系數(shù)隨速度的增加而顯著減小[4]。潮濕路面會(huì)形成一層水膜，改變了車輪與路面接觸處表面微觀構(gòu)造，車速增加對(duì)附著系數(shù)產(chǎn)生很大影響[5]。此外，汽車附著系數(shù)研究表明，水泥混凝土路面的附著系數(shù)不會(huì)隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生明顯改變[6]。葉震濤[7]參考摩托車制動(dòng)性能檢測(cè)方法，對(duì)電動(dòng)自行車的制動(dòng)性能做研究，得出制動(dòng)距離與制動(dòng)初速度關(guān)系，但未對(duì)電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)做進(jìn)一步探討。

本文以電動(dòng)自行車制動(dòng)時(shí)與路面之間的滑動(dòng)附著系數(shù)(即縱向附著系數(shù))為研究?jī)?nèi)容，根據(jù)車輛制動(dòng)過(guò)程中功能轉(zhuǎn)換原理，以機(jī)動(dòng)車制動(dòng)性能檢測(cè)儀為主要實(shí)驗(yàn)器材，開展電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量車輛滑動(dòng)附著系數(shù)原理

車輛在行駛過(guò)程具有一定動(dòng)能，制動(dòng)時(shí)由于輪胎受到制動(dòng)器發(fā)出的制動(dòng)力作用，輪胎的角速度減小，但由于慣性作用，車身保持原有的速度前行，輪胎與地面之間有相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。在滑動(dòng)摩擦力做功下，車輛動(dòng)能開始轉(zhuǎn)換為熱能，并在地面上留下車輪的碎屑，形成車輛制動(dòng)過(guò)程的輪胎制動(dòng)痕跡。若忽略空氣阻力、制動(dòng)器內(nèi)部等做功消耗的少量動(dòng)能，輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦力做功近似等于車輛的動(dòng)能改變量，即:

(1)

式中：ΔEk——車輛的動(dòng)能改變量

m——車輛的質(zhì)量

A、B——制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)

vA、vB——車輛在制動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)處的速度

f——車輛與地面間的滑動(dòng)摩擦力

ds——車輛的位移

滑動(dòng)摩擦力為輪胎法向應(yīng)力PG與滑動(dòng)附著系數(shù)φ的乘積[8]，即：

f=φ×PG

研究表明，車輛制動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)附著系數(shù)與輪胎的抱死程度有關(guān)系，通過(guò)滑動(dòng)率s來(lái)反映抱死程度[9]：

式中:v為車輛的行駛速度，即輪軸的線速度；r為輪胎半徑；ω為輪胎的角速度。

當(dāng)滑動(dòng)率在15%～20%之間時(shí)，滑動(dòng)附著系數(shù)達(dá)到最大值[9]，而輪胎完成抱死狀態(tài)下附著系數(shù)并不是處于最大值。

因此，制動(dòng)時(shí)車輪與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為一個(gè)變量，在水平面路上輪胎受到法向應(yīng)力PG與受到的重力G是一對(duì)平衡力，滑動(dòng)附著系數(shù)φ平均值滿足：

(2)

式中：g——重力加速度，計(jì)算時(shí)取9.8 m/s2。

公式(2)為實(shí)驗(yàn)法測(cè)定滑動(dòng)附著系數(shù)計(jì)算公式。令a=φg，根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，可以將車輛制動(dòng)近似看成是勻減速運(yùn)動(dòng)，目前市場(chǎng)上使用的各種交通事故仿真軟件，也是將車輛制動(dòng)按勻減速運(yùn)動(dòng)處理的，設(shè)a為制動(dòng)時(shí)的減速度，即附著系數(shù)與制動(dòng)時(shí)的車輛加速度關(guān)系為：

a=φg

(3)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照公式(2)附著系數(shù)的計(jì)算原理，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)測(cè)量車輛滑動(dòng)附著系數(shù)的常用方法有以下兩類[10]：

(1)實(shí)車測(cè)量法：在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)讀取汽車速度儀表數(shù)值，獲得實(shí)驗(yàn)車輛制動(dòng)起點(diǎn)速度大小，然后通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)車輛制動(dòng)痕跡長(zhǎng)度獲取制動(dòng)距離，最后采用公式(2)計(jì)算得出汽車滑動(dòng)附著系數(shù)值。實(shí)踐表明，由于當(dāng)前汽車普遍安裝有ABS防抱死系統(tǒng)，在制動(dòng)初期或甚至制動(dòng)全程車輪未完成抱死，導(dǎo)致測(cè)量的制動(dòng)痕跡長(zhǎng)度比實(shí)際制動(dòng)距離偏小，因此所得到滑動(dòng)附著系數(shù)偏小。除此之外，汽車速度表顯示的速度讀數(shù)比實(shí)際行駛速度略小，也會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)附著系數(shù)偏小。

(2)儀器測(cè)量法：目前已有多種測(cè)量道路附著系數(shù)的專業(yè)儀器，可以采用專業(yè)儀器測(cè)量道路的附著系數(shù)。如，擺式儀是當(dāng)前是世界各國(guó)廣泛采用的道路附著系數(shù)測(cè)量?jī)x，其原理是通過(guò)間接測(cè)量重力勢(shì)能的改變量，獲取動(dòng)能改變量，進(jìn)而得到橡膠片滑過(guò)路面過(guò)程中克服路面摩擦所做的功。但是這些專業(yè)儀器得到附著系數(shù)與車輛輪胎特征、行駛速度等因素?zé)o關(guān)，因此嚴(yán)格講，專業(yè)儀器測(cè)量的結(jié)果只是道路滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

2 應(yīng)用制動(dòng)性能測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用的主要實(shí)驗(yàn)器材為攜式制動(dòng)性能測(cè)試儀，除此之外還使用了道路坡度測(cè)量?jī)x、卷尺和手電作為輔助的實(shí)驗(yàn)器材。實(shí)驗(yàn)中選用的制動(dòng)性能測(cè)試儀是由公安部交通管理科學(xué)研究所研制，上海西派埃自動(dòng)化儀表工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“TFMD交通事故現(xiàn)場(chǎng)多功能鑒定儀”(下稱“鑒定儀”)。

2.1 鑒定儀的功能和工作原理

鑒定儀可以測(cè)量汽車制動(dòng)性和加速特性，該儀器由主機(jī)、制動(dòng)觸點(diǎn)開關(guān)和微型打印機(jī)3部分組成，主機(jī)由加速度傳感器和信息處理單片機(jī)兩個(gè)重要模塊，如圖1所示。在路試實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將制動(dòng)觸點(diǎn)開關(guān)固定在制動(dòng)器(如汽車制動(dòng)踏板上)，在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)觸點(diǎn)開關(guān)立即向主機(jī)發(fā)出制動(dòng)起始信號(hào)，加速度傳感器可以探測(cè)到車輛制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離、平均減速度、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間、測(cè)試路面的坡度、附著系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鑒定儀也可以根據(jù)平均加速度得到車輛制動(dòng)時(shí)滑動(dòng)附著系數(shù)，因此，鑒定儀可以作為道路附著系數(shù)的輔助測(cè)量工具[11]。

圖1 交通事故現(xiàn)場(chǎng)多功能測(cè)量?jī)x組成部件

根據(jù)鑒定儀工作原理及操作方法，參照汽車安裝方式并略加設(shè)計(jì)，將主機(jī)固定在電動(dòng)自行車腳踏板前部，制動(dòng)觸點(diǎn)開關(guān)安裝在后輪(驅(qū)動(dòng)輪)制動(dòng)手柄上。

多次試驗(yàn)結(jié)果表明，鑒定儀可以較為準(zhǔn)確地得到電動(dòng)自行車的制動(dòng)初速度大小， 而且也可以提供協(xié)調(diào)時(shí)間、平均減速度值及滑動(dòng)附著系數(shù)參考值。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及測(cè)量組設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中分別選用兩款不同類型的電動(dòng)自行車為被測(cè)量的對(duì)象，兩款電動(dòng)自行車的主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)自行車主要主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量路面分別為水泥路面和瀝青路面，為了便于對(duì)不同路面狀況的附著系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)路面是否干燥、潮濕進(jìn)行了對(duì)比分析。測(cè)量時(shí)控制TDR19Z型電動(dòng)自行車制動(dòng)初速度小于20 km/h、TDR2083Z型電動(dòng)自行車制動(dòng)初速度大于20 km/h，每一組根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)情況實(shí)驗(yàn)3～5次，從鑒定儀可以直接獲取制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離、協(xié)調(diào)時(shí)間、加速度等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中還采卷尺，測(cè)量出電動(dòng)自行車在每次制動(dòng)時(shí)地面上留下的車輪制動(dòng)痕跡長(zhǎng)度，如圖2所示。

圖2 測(cè)量制動(dòng)拖印長(zhǎng)度

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試注意事項(xiàng)

(1)在測(cè)試前，將鑒定儀緊緊固定在被測(cè)電動(dòng)自行車車頭部位且正面朝向駕駛?cè)?，固定時(shí)要確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鑒定儀不發(fā)生晃動(dòng)。將踏板開關(guān)固定在后閘制動(dòng)手柄的位置，保證在制動(dòng)時(shí)踏板開關(guān)能夠感應(yīng)到制動(dòng)信號(hào)，并將連接踏板開關(guān)數(shù)據(jù)線至鑒定儀底部的踏板對(duì)應(yīng)的接口處，使制動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)借b定儀的信息化處理單元；

(2)需要迅速按下前后閘的制動(dòng)手柄，盡量縮短制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間；

(3)選擇的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地盡可能為平直道路，并且排除路面顆粒物對(duì)實(shí)驗(yàn)干擾；

(4)選擇制動(dòng)的地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)避開已有制動(dòng)拖印產(chǎn)生的區(qū)域，避免制動(dòng)拖印痕跡重復(fù)導(dǎo)致制動(dòng)拖印痕跡不清，方便測(cè)量制動(dòng)拖??；

(5)用皮尺測(cè)量制動(dòng)拖印時(shí)應(yīng)當(dāng)找準(zhǔn)制動(dòng)拖印的起始點(diǎn)，尋找制動(dòng)起點(diǎn)必要時(shí)可以采取下蹲，借用手電逆光觀察；

(6)在測(cè)量每組實(shí)驗(yàn)之前，選擇鑒定儀的制動(dòng)性能測(cè)量方式，并進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。

另外實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)自行車駕駛?cè)艘魃习踩^盔、其他人員不要站立在電動(dòng)自行車正前方，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人身安全。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與分析

為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，剔除實(shí)驗(yàn)中因操作不當(dāng)產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，每組測(cè)量的有效數(shù)據(jù)均達(dá)到4組，并對(duì)所得到的滑動(dòng)附著系數(shù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)TDR19Z型電動(dòng)自行車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

(2)TDR2083Z型電動(dòng)自行車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)- 記錄結(jié)果如表3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)有以下特點(diǎn)：

表2 TDR19Z型電動(dòng)自行車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 TDR2083Z型電動(dòng)自行車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 滑動(dòng)附著系數(shù)平均值

(2)滑動(dòng)附著系數(shù)受路面干濕狀態(tài)影響較小。對(duì)于同種車型和同種路面類型的道路，干燥路面的附著系數(shù)略大于潮濕路面的附著系數(shù)。因此，相對(duì)于汽車制動(dòng)附著系數(shù)，電動(dòng)自行車附著系數(shù)受到路面干濕程度影響不大，這與實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)車自行車處于低速度行駛，未達(dá)到水滑的臨界條件有關(guān)[12]。

(3)不同路面狀況下滑動(dòng)附著系數(shù)較為接近。對(duì)于同種車型和干濕狀態(tài)相近的道路，瀝青路面的附著系數(shù)略大于混凝土路面的附著系數(shù)，但兩者數(shù)據(jù)比較接近，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中道路路面特點(diǎn)及道路樣本數(shù)量較少有關(guān)。

(4)超標(biāo)電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)相對(duì)較大。在路面狀況相同的條件下，超標(biāo)電動(dòng)自行車的滑動(dòng)附著系數(shù)更大些，這與超標(biāo)電動(dòng)自行車采用鼓式或碟式制動(dòng)器，而且配有寬面積輪胎有直接關(guān)系。

綜上所術(shù)，不同道路和行駛條件下電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)分布在0.33～0.57區(qū)間之內(nèi)。相對(duì)于機(jī)動(dòng)車來(lái)說(shuō)，電動(dòng)自行車滑動(dòng)車附著系數(shù)偏小，制動(dòng)效果相應(yīng)較差，因此，控制騎行車速是預(yù)防和減少電動(dòng)自行車交通事故的有效措施。

4 結(jié)語(yǔ)

滑動(dòng)附著系數(shù)關(guān)系到車輛的制動(dòng)性能優(yōu)劣，也是交通事故中鑒定車輛行駛速度的重要參數(shù)。在事故車速鑒定中，滑動(dòng)附著系數(shù)若直接采用測(cè)量?jī)x所測(cè)量值或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦取值范圍，鑒定結(jié)果往往與事故車輛速度不符合。本文提出了鑒定儀測(cè)量車速和人工測(cè)量制動(dòng)痕跡長(zhǎng)度相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，運(yùn)用動(dòng)能定理計(jì)算得到的電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)，這種方法所得到的數(shù)值更加適合交通事故車速的鑒定所用。而且該實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法可以彌補(bǔ)實(shí)車測(cè)量法和儀器測(cè)量法的不足，為開展電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)測(cè)量及車輛制動(dòng)性能研究提供了新的測(cè)試方法。但本文研究中，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，存在一些不足及需要改進(jìn)的地方，如實(shí)驗(yàn)中選用的車輛種類和道路類型不夠廣泛，每次測(cè)量時(shí)只采用單閘制動(dòng)，因此，在前后閘共同作用下的電動(dòng)自行車滑動(dòng)附著系數(shù)還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。