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摘要：超速行驶会影响驾驶员的视觉，车辆在行驶中，驾驶员的视野、动视力、周边视力都随车速的变化而变化。本文为了研究大型客车行驶通过弯道时不同的超速程度对客车行驶安全性的影响，利用Trucksim软件，采用仿真建模的方法，选用侧向偏移量和轮胎载荷转移率作为分析指标，通过超速下对客车行驶通过弯道的车辆动力学仿真试验，定量对比分析了不同超速程度对弯道行驶客车横向稳定性的影响。
关键词:交通工程;横向稳定性;TruckSim仿真;超速行驶;弯道
超速行驶是指车辆在行驶过程中违反交通安全法规规定的最高车速限制行驶的状态。据有关部门统计分析，全国近几年发生的交通事故，包括重特大事故有70%的事故与超速有关，且违章超速行驶随着道路交通条件在得到不断改善的同时，而持续上升，事故造成的后果极为严重，轻则人车损伤，重则车毁人亡，社会影响极大，引起全社会的关注。
一、超速行驶的危害
1.从车辆设计上看。一是超速行驶破坏了汽车的横向稳定性。速度越快，离心惯性就越大，其与速度的平方成正比，这样汽车在转弯过程中或遇突发情况时打转向盘，就容易产生侧滑或侧翻。二是超速行驶导致制动距离增大。汽车在同一路面上行驶时，速度越快，制动距离就越大，遇到紧急情况是非常难处理的，就会对人员及财产造成很大的伤害，对社会造成严重不良影响。三是超速行驶会使车辆各部件配合和齿轮相互啮合受到破坏，引起机械的损伤，造成机械故障的发生，引发车辆事故。
2.从人体机能上看。一是超速行驶使驾驶员注视点较近，视野变窄，从而感觉道路两旁目标模糊不清。二是超速行驶使驾驶员精力高度集中，容易疲劳。长时间单调的公路驾驶，容易造成公路催眠，打瞌睡。三是超速行驶使驾驶员的动视力相对降低，减少了对目标的辨认距离，易造成判断失误，一旦发现情况，已经没有足够的时间去处理。
二、客车弯道超速风险分析
1.弯道行驶受力分析。根据公路设计的要求，弯道路段的路面存在一定的超高，因此在其横断面上会形成一定比例的横向坡度，再加上车身因受离心力作用而产生的侧倾，使得客车在弯道行驶时的受力情况变得较为复杂。当客车以车速v行驶通过转弯半径为R的弯道时，忽略轮胎侧偏特性、车桥侧倾等一些因素的变化，客车简化的受力情况见图1。
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式中，M l，M r为以左、右轮为矩心，客车所受的力矩;B为轴距;为车身侧倾角;h r为侧倾中心到轮胎与地面接触点的距离;h g为质心到轮胎与地面接触点的距离。
2.弯道超速行驶风险分析。由汽车理论可知，汽车的转弯半径为:
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式中，R为转弯半径;K为稳定性因数;v为车速;R 0为侧向加速度为0时的转向半径。由于汽车都具有适度的不足转向特性，即K＞0，因此，由式(2)和式(3)可知，随着超速程度的增加，一方面，客车所需的转弯半径越来越大，从而增加了客车驶入对向车道或驶出路面的风险;另一方面，客车因离心力的作用而产生的侧倾角越来越大，从而增加了因侧倾力矩过大而引发侧翻的风险。对于客车弯道行驶时不同的超速程度所对应产生的风险程度，本文采用侧向偏移量和轮胎载荷转移率(LTR)这两个指标进行度量。侧向偏移量是指客车实际行驶轨迹与设定行驶轨迹之间的偏移情况，主要用于表征客车的轨迹保持情况。LTR主要用于表征客车的侧翻稳定性。相关研究表明，采用LTR来评价车辆在转弯时发生侧翻的风险度具有较高的可信度。LTR的计算公式为:
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式中，LTR为轮胎载荷转移率;n为车轴数。LTR的值在［0，1］之间变化，LTR越接近0，表明车辆发生侧翻的风险度越低;反之，LTR越接近1，发生侧翻的风险度越高。
三、系统建模和仿真试验设计
1.系统建模。本文以国产某型的6轮客车为例，其主要的结构参数设置见表1。
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采用Trucksim中的3维平整路面作为道路模型，。在直道行驶仿真过程中，客车在长度为L的直道上保持直线行驶，转向盘转角保持在0°左右。在弯道行驶仿真过程中，客车先在长度为L的直道上行驶，然后行驶通过转弯半径为R的弯道后，再进入直道行驶。仿真道路的设计主要依据于《公路路线设计规范》中的几何线形参数。仿真弯道的转弯半径R、车道宽度W和弯道超高i分别与弯道的设计速度相匹配。
2.仿真试验设计。相关研究指出，通常转弯半径R≤60 m的弯道称为急弯道，干燥路面的附着系数μ在0.75左右。为了量化地分析对比客车弯道超速行驶时对客车横向稳定性的影响，鉴于《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》中要求客车在高速公路上的行驶速度不得超过100 km/h，因此，在仿真平直路段行驶时，设定100 km/h为客车的正常速度。在仿真弯道路段行驶时，设定弯道的设计速度为客车的正常速度。由于仿真软件中客车的最高仿真速度为120 km/h，因此，本文仿真了客车在干燥路面平直路段以正常速度和超速20%行驶时，客车横向稳定性的变化，以及客车在干燥路面弯道路段分别以正常速度、超速20%和超速50%行驶时，客车的横向稳定性的变化。
四、仿真结果分析
在弯道仿真试验中，弯道的设计速度为80 km/h，设定客车分别以80 km/h(正常速度)、96 km/h(超速20%)和120 km/h(超速50%)的车速沿着一般弯道的中心线行驶。行驶过程中，客车的横摆角速度、侧向偏移量和侧向加速度随行驶时间的变化见图2(“+”表示向道路内侧，“－”表示向道路外侧)。从图2可知，随着超速程度的增加，客车的横摆角速度、侧向偏移量和侧向加速度均越来越大，表明客车的横向稳定性越来越差。客车在入弯和出弯时的瞬态侧向偏移量要显著
大于弯道稳态行驶时的稳态侧向偏移量。正常速度行驶时，瞬态侧向偏移量和稳态侧向偏移量分别约为0.18 m和0 m，客车基本沿着设定的轨迹行驶。随着超速程度的增加，客车越来越不能按照设定的路径行驶，越倾向于向道路外侧偏移。当超速程度达到50%时，瞬态侧向偏移量和稳态侧向偏移量甚至分别达到了0.79 m和0.43 m，此时客车往往会因侧向偏移量过大而出现驶入对向车道或驶出路面的情况。正常速度行驶时，客车的侧向加速度在0.2g左右(g=9.8 m/s 2)，而当超速程度达到50%时，侧向加速度达到了0.43g，超过了失稳极限侧向加速度0.4g约7%。随着超速程度的增加，客车的侧向加速度越来越大，表明客车发生侧翻的风险度越来越高。根据式(4)，通过仿真获取客车前后6个轮胎的垂直载荷数据后，计算LTR值以评价客车发生侧翻的风险性，见图3。正常速度行驶时，LTR基本保持在0.16左右，当超速20%和50%时，LTR分别上升至0.28和0.45。随着超速程度的增加，LTR值越趋向于1，客车的侧翻稳定性越趋向于降低，发生侧翻的风险度越高。
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仿真结果表明，行驶速度对于弯道行驶安全性有着显著的影响，降低行驶速度有助于提高客车弯道行驶的稳定性。因此，驾驶员在行驶通过弯道时，应尽量避免超速行驶，以免发生驶入对向车道、驶出路面或客车侧翻等交通事故。
参考文献：
［1］王慧丽，史忠科．山区道路车辆侧翻模型与安全分析［J］．交通信息与安全，2017，31(3):93－97．
［2］贺宜，褚端峰，吴超仲，等．路面附着条件对车辆横向稳定性影响的量化分析［J］．武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2017，38(4):784－787．
论文作者:姚辉
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/25
标签：客车论文; 弯道论文; 速度论文; 稳定性论文; 横向论文; 路面论文; 半径论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;