基于CARSIM仿真的车辆弯道行驶特性研究

邓星月

摘要：我国西部山区大多是双车道公路，存在着大量弯道，由于车辆在弯道行驶时受到沿横坡坡面方向的横向力、垂直荷载和轮胎附着力致使行驶特性发生根本性的改变，基于设计速度的设计方法对地形复杂路段的实用性不强。本文运用Carsim仿真对车辆弯道的行驶特征进行了研究，为公路平面线性设计提供参考。

关键词：弯道行驶特性；横向失稳性；侧翻性；Carsim仿真

1 引言

全国的公路路网中，双车道公路所占比例较大，大多数二级及二级以下道路都是双车道公路，其担负着公路交通的重要任务。据统计，在我国西部山区发生的重大交通事故的比例占到全国重大交通事故的70%，其中仅在弯道发生的交通事故都高达52%，给人们的出行造成严重影响的同时还带来了巨大的经济损失[1]。

2001年Krammes[5]等人通过分析了不同超高对车辆在弯道路段侧滑的影响，发现车辆在弯道行驶时超高越大发生的侧滑偏移越大。2002年德国工业大学的Weise等人通过对行驶在弯道路段的车辆发生的偏移与圆曲线半径关系的研究，提出评价弯道行驶的稳定性方法并将道路行驶的安全等级分为了四级。2005年美国路易斯安那大学的孙文峰通过传感器获得车辆在弯道路段发生偏移进行分析，研究表明，路面条件、超高等是影响车辆侧滑偏移的主要影响因素。

2004年同济大学杨轸[10]等人研究发现车辆在弯道行驶中，在通过直曲点、曲中点、曲直点时，车辆向外发生的偏移方向不同，且偏移量受到行驶速度的影响。2011年哈尔滨工业大学章锡俏、李松龄[12]等分析车辆在弯道外侧的受力情况，通过仿真为路面附着系数降低现象提出建议；2012年重庆交通大学徐进、邵毅明[13]等提出“前视断面选点”的计算方法，构建行驶轨迹决策模型，适用于复杂山区行驶轨迹决策，验证了模型可靠性。

通过对比国内外研究现状，针对我国西部山区地形复杂，分析车辆弯道行驶特性对于支撑复杂山路道路实际道路的平面线性设计具有重要意义。

2 车辆急弯运行影响分析

2.1弯道行驶特性

山区公路急弯路段的车辆运行可以按照车辆在圆曲线段的形式特征进行分析，即车辆由直线进入弯道圆曲线、大半径曲线进入小半径曲线、小半径曲线驶出更小曲线车辆会减速，减速效果与两个线形单元比率差成正比[4]；而辆由小半径曲线进入或驶出大半径曲线、以及驶过曲线中点之后，车速由加速或保持现有运行速度的趋势。

车辆在弯道路段行驶时，不仅受到沿横坡坡面方向的横向力的影响，还受到自身重力垂直荷载的支撑力作用：

（1）横向力。车辆行驶至弯道过程时，其所受的合力為车辆转弯提供一个沿着半径方向的离心力，考虑超高或路拱横坡的情况下，行驶在弯道的车辆受到的离心力。

（2）垂直荷载。车辆在弯道上行驶时，地面对其的支撑力与车辆的垂直荷载相等。

（3）轮胎附着力。轮胎横向附着力为轮胎所受支撑力与横向力系数的乘积。

2.2急弯运行安全性分析

根据Carsim仿真中获取的车辆过弯的横向侧滑偏移量与横向离心力（侧翻）为参数指标，判断车辆在急弯行驶时的安全性[23]。

由车辆弯道行驶特性推导可得：

3 Carsim仿真分析

根据车辆急弯行驶特性与安全运行的临界速度，采用Carsim对其进行仿真分析。

①不同半径值分析

以超高为6%为例，采用设计车速20km/h～80km/h时规范最小半径，仿真每种半径条件下侧滑临界车速，并与设计车速和理论车速对比，如下表所示，。

从上表3.1可知：（1）在同一超高下，随着弯道半径的增大，侧滑临界最大车速值也增大；（2）仿真车速大于设计车速，略小于计算车速，

②不同超高值分析

以设计车速80km/h，对应半径250m的弯道为例，超高从0变换到10%，总共6组模型，仿真此时的侧滑临界车速，如下表3.2所示：

从上表3.2可知：（1）随着超高的增大，不管是计算车速还是仿真车速，侧滑临界最大车速都随之增加。（2）仿真侧滑临界最大车速同样是要大于设计车速，但略小于计算车速。

4 总结

本文通过Carsim仿真验证车辆弯道运行的横移、侧滑和侧翻的与弯道几何参数的关系，根据仿真可计算不同弯道半径、不同超高的情形下的弯道侧滑临界车速，可为山区道路平面线性设计提供参考。根据仿真结果可知，当弯道半径小于40m时，超高不能超过8%，否则会过于危险。

参考文献

[1]李文波，刘东波，谭山，郑芳. 山区双车道公路视距与交通安全的关系研究[J]. 黑龙江交通科技，2007，（12）：149-151.

[2]杨轸.行车动力学仿真模型研究[D].同济大学，2004.

[3]章锡俏，李松龄.寒冷地区设超高公路圆曲线半径设计仿真研究[J].武汉理工大学学报，2011，6.

[4]徐进，赵军，邵毅明，陈泳汐. 基于“人-车-路”协同的复杂公路/赛道行驶轨迹决策模型[J].系统工程理论与实践，2014，34（05）：1311-1323.

（作者单位：重庆交通大学 交通运输学院）