不同路面类型下弯坡组合路段载重汽车侧滑速度阈值变化研究

□文/李 曼

不同路面类型下弯坡组合路段载重汽车侧滑速度阈值变化研究

□文/李 曼

侧滑是引起载重汽车单车重大交通事故的主要因素之一。文章以下坡转弯路段载重汽车的受力模型为基础，得出载重汽车在下坡转弯路段的荷载模型，根据侧滑临界条件建立侧滑安全行驶速度模型，通过A dam s软件对不同路面侧滑模型进行仿真模拟，验证侧滑安全速度模型的适用性，得出弯坡组合路段载重汽车在不同路面的安全行驶速度阈值变化3D曲线。得到的安全速度阈值为提高弯坡组合路段安全性，制定高速公路的限速标准提供数据支撑。

弯坡；组合；路段；载重；汽车；侧滑；速度；阈值

侧滑是引起载重汽车单车重大交通事故的主要影响因素之一。

载重汽车的抗滑安全性主要取决于路面-轮胎的摩擦大小及两者的相互作用机制，国外对于轮胎摩擦学的研究很早。早在1946年，著名研究学者Thirion通过试验证明了载重汽车轮胎所能承受的荷载主要取决于轮胎上橡胶所能产生的有效摩擦力并提出了路面附着系数与轮胎—路面接触面压强的经验关系模型[1]；2010年，国外学者G.P.Ong和T.F.Fwa建立了高速公路商用汽车的侧滑仿真模型，仿真结果表明轮胎内压力、车辆荷载、水膜厚度和行驶速度对车辆侧滑影响较大，该模型对车辆抗滑评估和预测有很大作用[2]。国内的华南理工大学的周峰、邓楚南等学者分别就车轮侧滑和车轴侧滑的极限状态进行了研究，提出了两者之间的关系并以车轮侧滑状态研究结果为基础，总结了车轴侧滑量测量方法及检测原理[3]。

通过借鉴国内外先进的研究方法，结合实际情况，通过研究车路耦合作用研究侧滑机制以及载重汽车在高速公路上行驶时的动态安全，对促进高速公路交通安全发展、提高高速公路服务水平具有重要意义。

1 路面附着系数对弯坡组合路段抗滑稳定性的影响

路面特征参数中的路面附着系数是对侧滑稳定性影响较大的参数，微观量化表征路面结构纹理的参数有很多，主要包括MPD、IRI、RMS等，路面的微观结构应粗糙且有一定的棱角，以穿透水膜，让路面与胎面直接接触，提高附着能力。而高速公路路面的宏观定义种类主要包括水泥混凝土路面和沥青混凝土路面，试验测试结果显示水泥混凝土路面的路面附着系数一般大于沥青混凝土的路面附着系数。

不同路面状况下，附着系数与滑移率变化曲线也有所差异，当滑移率在0.1和0.2之间不同路面类型的路面附着系数均达到最大值。该值主要取决于路表情况。

2 弯坡组合路段载重汽车侧滑安全模型及安全阈值

2.1 弯坡组合路段载重汽车受力特性及安全模型的建立

弯坡组合路段是山区高速公路的典型路段，对平纵组合要求较高，对行车安全的影响远远大于单个方面的影响及两者的加和。弯坡组合路面上行驶中的载重汽车受力大小和方向在不断变化，当变化达到极限状态时，汽车将失去稳定性发生事故。

通过对载重汽车下坡左转弯的受力分析，载重汽车在下坡左转弯路段行驶时，左后轮先制动抱死。左后轮抱死，整个后轴的全部荷载将全部加载到右后轮上，右后轮将需要更大的法向反作用力来抵抗侧向力，此时右后轮将会以更快的速度抱死，当右后轮抱死时，车辆后轴将发生侧滑，同时车辆将出现甩尾现象。

当载重汽车的行驶速度大于侧滑的最大安全行驶速度时，汽车将发生侧滑事故，应严格控制载重汽车在下坡转弯路段的行驶速度。由于高速公路的线形指标要求比较高，道路纵坡和超高设置均有一定限制并且取值不是很大，货物的侧偏角φ很小，可以忽略，取φ≈0，通常取

式中：Vch，max为载重汽车的最大行驶速度；φh为路面附着系数；R为圆曲线半径；g为重力加速度；hg为载重汽车质心高度；α为质心到前轴的水平距离；i为道路纵坡；ih为圆曲线段的超高。

2.2 MATLAB软件量化附着系数、合成坡度与侧滑速度阈值的3D关系模型

使用MATLAB软件绘制出的各属性弯坡组合路段的路面附着系数、合成坡度与侧滑速度阈值的3D关系曲线，见图1。从图1可以直观看出，侧滑速度阈值与路面附着系数、合成坡度的关系，路面附着系数对侧滑速度阈值的影响比合成坡度大并且变化很显著，随着附着系数的降低，速度阈值明显下降，而随着合成坡度的增大，虽然速度阈值也在减小，但是曲线有上下抖动趋势并且下降不是很显著。根据侧滑速度阈值模型及关系曲线可知，在进行限速标志设置时，必须重点考虑路面附着系数的影响。

图1 路面附着系数、合成坡度与侧滑速度阈值3D关系曲线

Adams仿真结果表明弯坡组合路段的侧滑模型适用于不同路面类型，仿真得到侧滑临界速度与附着系数之间的关系曲线与MATLBA软件得出的3D关系曲线中附着系数与侧滑速度阈值的关系变化趋势一致，分别见图2和图3。根据曲线可以看出，路面附着系数越大，载重汽车的侧滑临界速度越高，可见，提高路面附着系数有利于提高载重汽车的侧滑临界速度，改善路面环境提高路面的附着性能可以有效地提高载重汽车的行驶安全性。

图2 MATLBA得到的侧滑阈值与附着系数的关系曲线

图3 Adams仿真得到的侧滑阈值与附着系数的关系曲线

3 结论及未来工作

1）本文以车-路耦合作用为基础，分析了载重汽车在下坡转弯路段的受力模型，建立了弯坡组合路段载重汽车的侧滑安全速度模型，使用MATLAB软件得到了侧滑安全阈值与各影响因素的关系规律性并通过Adams仿真得出了载重汽车在下坡转弯路段的侧滑阈值变化曲线图。

2）根据3D关系曲线和仿真数据，可以得出不同路面状况下的安全速度行驶阈值，为高速运营管理者制定限速标志提供数据支撑和理论参考。

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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，助理工程师，上海市城市建设设计研究院天津分院，从事道路设计工作。