道路几何设计对车辆行驶特性的影响机理研究

摘要

虽然在过去几十年里手工计算、纸上画图的设计手段已经被CAD技术所取代，但平、纵、横分开考虑的设计习惯依旧没有改变，融于自然环境带来的唯一性，又使设计者不能像对待工业产品那样，用“设计-样品-试验-修改设计”手段实物测试出公路路线的使用性能，而是全凭以往的先验经验来把握线形质量，因此很难有针对性的修改设计方案。大量的设计缺陷和疏漏被带到运营中后，导致公路几何特性与车辆行驶特性、驾驶人特性三者之间的不匹配，最终形成众多的事故多发路段。所以，时至今日，在很多情况下保证行驶安全和驾乘舒适这两个基本性质仍得不到满足。
　　 但如果能够进行类似于机械产品那样的虚拟行驶试验，让车辆动力学模型在建好的三维路面模型上行驶，记录车辆各种响应随行驶里程或者时间的变化，进而评估道路几何设计的质量，显然是一种比较理想的路线质量检验和测试手段，这也正是我们的目的。为此，本文建立了“公路-驾驶人-车辆-环境”仿真系统，根据输入的线形要素RDVES能快速得到路面的3维模型，导入整车动力学模型，再设置驾驶行为参数和环境影响后，即可实现三维空间路面上的车辆自动行驶，并且行驶过程可见。通过虚拟行驶试验，设计者能够依据车辆在未来道路的运动状态和驾驶操纵输入直接得到行驶不稳定位置和操纵困难路段，能够有针对性的修改设计参数，并观察改进效果，直至得到让人满意的设计。还可以像对待机械产品那样来对公路路线进行变参数试验研究，找出公路几何特性、车辆特性、驾驶人行为特性三者之间相互作用规律，比如公路线形参数变化对车辆运动学行为和驾驶行为的影响规律，车辆性能和尺寸参数改变、驾驶行为改变时公路线形参数应该如何作出调整，等等，最终使公路设计能够适应不断发展变化的现代车辆设计和驾驶人行为。
　　 论文首先研究了“公路-驾驶人-车辆-环境”仿真系统的子系统建模、耦合技术，然后以验证后的RDVES为虚拟试验手段结合道路实测，进行了线形的设计质量分析和设计控制、不利环境行车模拟、单车事故的力学机理分析、平曲线上的车辆运动规律和驾驶行为分析等研究工作，主要的创新性成果如下：
　　 1.空间3维路面的快速建模算法
　　 论文第二章设计了型元解析算法和型值点插值重构算法，分别用于生成设计阶段和老旧道路的3维路面模型。在型元法中，路线被看作是逐个型元的首尾顺次衔接，由“直线+回旋线1+圆曲线+回旋线2”4个线元构成平面型元，由“直坡+竖曲线”构成纵面型元。通过线元的缺省和型元间的组合，可以构造出任意复杂的线形组合。在设计重构算法时，本文用Multi-Quadric径向基函数作为基本计算单元，提出了“局部、交叠”、“对调值域与自变量域”的插值重构算法，避免了大规模、带状分布、非单射的道路型值点数据引起的系数矩阵病态，试验结果表明该算法能够得到平滑柔顺的空间路面形状。
　　 2.整车动力学建模、轮胎-路面作用模型、以及环境影响设置
　　 论文第3章给出了作为多体动力学建模基础的悬架、转向、横向稳定杆、制动、驱动、车架等子系统多种结构形式的拓扑构型，结合基于MF公式的Pacejke’89和Pacejke'94轮胎模型，完成了ADAMS环境下的小客车、面包车和卡车的整车动力学模型创建。本文设计了左、右半幅路面和不同区段路面分别设定附着系数的算法，以此来模拟积水、湿滑、结冰的作用。在车身上侧向施力，能得到侧风作用下的行驶过程，比如模拟车辆行驶在桥面上。
　　 3.车辆行驶方向和速度控制模型
　　 我们在此方面的工作是建立了能够反映公路线形变化、车辆动力性能、和驾驶人特性三者影响的期望速度计算模型。其计算策略是，由容许侧向加速度ay,tol确定曲线范围内的速度幅值，由减速度ab和加速度ax控制曲线间的速度变化，由环境速度Vx，max控制路段的最大速度。根据公路实测数据，获得了以道路参数为自变量的Vx,max、ay,tol、ax、ab函数模型，使得线形变化能够反映在驾驶人的期望速度选择上。同时，提出了针对不同设计速度分别标定模型参量的方法，解决了现有模型不管如何修改参数，都无法适应不同设计车速的公路的问题。
　　 4.基于速度特性的路线质量分析
　　 论文第5章分析了行驶速度波动特性与道路几何设计之间关系，我们发现：车辆以指定速度行驶时，驾驶人的车速调整频度与小半径曲线的使用次数正相关，所以可通过设计手段来控制路线的驾驶负荷；车辆即将失控时，侧向速度曲线会发生突变，并导致纵向速度不连续，因此可用速度连续性来辨识出对行车构成威胁的位置，进而修改设计。
　　 自由可变速行驶时，车辆的进弯减速度要明显大于出弯加速度，减速起点和加速终点通常在回旋线之外，所以先前在缓和段上调整速度的假设是不符合实际的，对于高速公路，目前假定的0.5m/s2的加速度也明显过大；有效控制速度波动的最好办法是使相邻的曲线半径和直线长度相互接近、并且直线不宜过长；除线形因素之外，汽车自身旋转动能和平动动能之间的转化也是导致速度在琐碎山区路线上频繁波动的重要原因，在一致性评价时应加以考虑；四级公路绝大部分路段的行驶速度远高于设计速度，因此目前的速差标准可能需要重新考虑。
　　 5.基于行驶稳定性和操纵负荷特性的路线质量分析
　　 在第6章中，以轮胎垂向力为介质分析了路线的侧翻可能性，以轮胎侧偏角、操舵力、方向盘转角为指标分析了超高/反超高对车辆方向控制的影响，以方向盘转角、转速为参量分析了路线的操纵负荷特性，我们发现：同样是在设计速度附近行驶，道路等级越低，曲线上行驶车辆的侧翻可能性越大；坡向改变了载质量在各轴间的分配，增加了下坡的侧翻可能性。超高会显著减小曲线行驶时的轮胎侧偏角，从而改善行驶稳定性，超高还会减小方向盘角输入和操舵力，让驾驶变得容易，反超高的作用则正好相反；设置超高的不利影响是增加曲线行驶时的车身侧倾摆动，特别是低速车辆。符合规范要求的山岭区各等级公路的ay能够满足可耐受的要求，但还达不到舒适性要求；操纵负荷与路线的设计速度负相关，即高速公路负荷最小而四级路最大，并且，四级公路如省略回旋线，还会使车辆在进弯和出弯时的day/dt会超过1.0m/s3，导致行车不舒适；当半径增大到一定程度时，曲线行驶和直线行驶已经不存在差别，但都需要一定的方向干预；卵形线是比较有利于车辆操纵的，方向盘转角可以在中插回旋线上平滑过渡，而凸型线则要求一直调整方向盘角输入，平曲线的YZ和ZH共点时，YZ/ZH点处的曲率跳跃会导致操纵困难，建议处理成卵形线形式。
　　 6.不利条件下的行驶稳定性分析
　　 论文第7章分析了侧风、直道积水、和隧道洞口等3种典型环境力对行驶稳定性的力学影响，结果表明：侧风行驶时，驾驶者最好把乘客和货物安排在车辆后端，使车辆重心位于风压中心之后，以增强车辆的路线保持能力；车辆重心升高会降低侧风条件下的抗干扰能力，所以应控制装载后的重心高度；降低车速能够减少侧风作用下的车辆侧向位移和偏转。直道积水事故的发生机理为：装载、路拱、左右弹簧刚度不一致→重心偏离纵轴线→偏载→轮载较大的一侧轮胎摩擦力大→轮周接地线速度大→轮心位移大→偏驶或者侧滑；两侧轮胎都和积水接触时，车辆会向轮载较轻的一侧滑转；如仅有一侧轮胎驶过积水，汽车将向积水一侧偏转，驾驶者应朝着无水侧转动方向盘。速度越高，车辆在路面过渡位置的横向摆动越大，因此可以把进洞端的过渡布置在大多数车辆制动结束之后，出洞端把过渡安排在加速起点之前；曲线隧道过渡位置的附着系数突变会引起进洞车辆的额外偏转，附着系数差异越大偏转越明显，随后的低附着路面还会造成制动不稳定；为了减小附着系数波动，洞内路面的附着系数应维持在0.35之上。
　　 7.平曲线事故的力学机理分析
　　 论文第8章分析S型曲线缓和段事故和弯道避让事故的力学机理，主要的结论有：车辆以某个速度行驶在S型曲线时，迟滞效应将导致轮胎侧弯变形在回旋线上无法充分释放，残余变形将被带到拐点后的另一反向回旋线上，在反向侧向力作用下残余变形的突然释放会导致胎面与路面之间的相对滑动，从而使车辆失去侧向稳定性，所以S型曲线缓和段上的车辆事故并不一定是侧向力超过路面附着极限所致；由于小圆上的侧弯变形较大并且不易释放，事故更容易发生在S型曲线的小圆→大圆行驶方向上；降低缓和段事故的办法是使轮胎侧弯变形得到释放，拉长小圆回旋线、在拐点处插入短直线都可以起到这个作用。
　　 弯道避让过程中轨迹曲率的额外增加改变了对向行驶车辆安全性，为了减小驶回阶段的附加曲率，曲线外侧车辆在交会之后应尽量延长驶回轨迹；曲线内侧车辆避让轨迹的附加曲率主要出现在开始阶段和驶回阶段，提早避让、平缓驶回是增加车辆稳定性的有效措施。
　　 8.弯道几何特性对车辆运动学行为和驾驶行为的影响规律。
　　 论文第9章分析弯道几何特性与切弯效用——弯道速度增量△VC和轨迹半径增量△R之间的关系，从而解释了什么样的弯道容易发生切弯行驶这一问题。现行的公路设计方法假定车辆轨迹与道路中线一致，但实际上切弯时的车辆轨迹半径远大于弯道设计半径，这时，该如何实现我们的设计控制理念?在本章的研究结论能够帮助设计者知道在什么样的参数组合情况下，弯道才会对轨迹起控制作用，又是在什么样的参数组合下，驾驶人会选择切弯行驶，切弯后的轨迹半径是多大，过弯速度又是多少等一系列关键问题。
　　 同时，分析了车辆在单曲线上的转向行为，得到了切弯和跟随两种行使方式下车辆驶进/驶离曲线时的转向长度、转向时间、和转向特征点，从而实现了对驾驶人转向行为的清晰刻画。转向长度-半径关系曲线可以为回旋线长度设计提供依据，因为目前国际上认为理想的回旋线长度应该等于车辆的转向长度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1论文的选题背景和研究意义

1.2现有的路线安全性设计／评价理论与方法

1.2.1道路几何设计要素的事故影响分析

1.2.2线形指数方法

1.2.3基于纵向速度的评价方法

1.2.4基于视觉的评价方法

1.2.5基于驾驶人生理／心理负担的道路安全性设计

1.2.6驾驶仿真技术

1.3本文的“路线-驾驶人-车辆-环境”仿真系统(RDVES)及应用

1.3.1 RDVES的系统结构

1.3.2 RDVES系统在公路路线设计和行车安全中的运用

1.4本论文的架构

第2章空间连续路面的快速建模技术

2.1基于MQ径向插值函数的空间路面三维重构算法

2.1.1 MQ径向基函数

2.1.2 MQ函数用于小段路面重构时的算法设计

2.1.3较长路面三维重构的算法设计

2.1.4复杂路线的三维重构算法

2.2基于平、竖曲线要素解析的三维路面建模

2.2.1简单线形的中桩平面坐标解析算法

2.2.2空间立体线形的生成算法

2.2.3空间三维路面的生成算法

2.2.4复杂线形的路面重建算法

2.3三维路面模型的精度分析-路面算法的有效性验证

2.3.1插值重构算法的精度验证

2.3.2线元要素解析算法的精度验证

2.4路面激励型减速／警示装置的几何模拟

2.4.1路面减速带建模

2.4.2路肩震荡带建模

第3章车辆动力学模型、轮胎路面模型以及方向和速度模型

3.1车辆动力学建模

3.1.1计算多体动力学以及ADAMS软件

3.1.2建立整车动力学模型

3.2轮胎路面模型

3.2.1 MF轮胎模型

3.2.2路面力学模型

3.3方向和速度控制模型

3.3.1 IPG方向控制模型

3.3.2 IPG速度控制模型

3.4对IPG速度模型的改进

3.4.1模型验证

3.4.2偏差分析

3.4.3确定环境速度Vx,max

3.4.4建立R和ay,tol之间的关系模型

3.4.5建立R和ax、ab之间的关系模型

3.4.6车道宽度对驾驶人速度选择行为的影响

3.4.7期望速度算法试验

3.4.8驾驶人类型对期望速度选择行为的模拟

3.4.9连续下坡时制动器性能衰退的模拟

3.5本章小结

第4章RDVES系统的有效性验证

4.1车辆-轮胎-路面作用系统的验证

4.1.1制动性能试验验证

4.1.2转向回正性能试验

4.1.3减速带通过试验(平顺性试验)

4.2方向控制算法的有效性试验

4.3修改后的速度控制算法验证

本章小结

第5章公路路线的行驶速度特性分析

5.1指定速度行驶时的速度特性分析

5.1.1仿真试验设计

5.1.2路线速度特性分析

5.2指定行驶速度时的路线潜在危险位置识别方法

5.2.1速度均衡性特征和连续性特征的描述

5.2.2连续性和均衡性的量度

5.2.3速度连续性、均衡性与路线行车安全性的关系——判断方法

5.3变速行驶时的路线设计质量分析

5.3.1变速行车的试验设计

5.3.2仿真结果分析

本章小结

第6章路线的行驶稳定性、驾乘舒适性与操纵负荷分析

6.1路线各位置的车辆侧翻可能性分析

6.1.1仿真试验设计

6.1.2仿真结果分析

6.2平曲线超高、反超高对车辆方向控制的影响

6.2.1试验设计

6.2.2超高率对轮胎侧偏角的影响

6.2.3超高率对操舵力的影响

6.2.4超高对车身倾斜角的影响

6.2.5反超高对方向控制的影响

6.3路线的使用舒适性分析

6.3.1仿真试验设计

6.3.2路线的ay分析

6.3.3路线的ay增长率分析

6.4路线的操纵负荷特性分析

6.4.1仿真试验设计

6.4.2评价指标的选取和构造

6.4.3高速公路上的操纵负荷评价

6.4.4大转角大半径曲线上的操纵负荷评价

6.4.5二级公路上的操纵负荷评价

6.4.6三级公路上的操纵负荷评价

6.4.7四级公路上的操纵负荷评价

本章小结

第7章环境力作用下的行车稳定性分析以及路线设计、安全驾驶对策

7.1侧向阵风作用下的行车稳定性分析

7.1.1侧风行驶试验设计

7.1.2重心纵向位置对侧风稳定性的影响

7.1.3重心垂向位置变化对侧风稳定性的影响

7.1.4行车速度对侧风稳定性的影响

7.2直线段积水路面事故的机理分析及驾驶对策

7.2.1试验方案设计

7.2.2两侧轮胎都通过积水区域

7.2.3仅一侧轮胎驶过积水区域

7.2.4两侧轮胎交替与积水接触

7.3隧道洞口环境改变对行车的影响以及路面过渡设计

7.3.1试验设计

7.3.2直隧道上的车辆行驶动力学分析

7.3.3曲线隧道的车辆行驶动力学分析

本章小结

第8章几类平曲线事故的机理分析以及路线设计和安全驾驶对策

8.1 S型路段回旋线事故的机理分析以及设计对策

8.1.1先前的研究

8.1.2研究方法

8.1.3 S型曲线上的行驶仿真试验

8.1.4 S型曲线上轮胎的侧弯变形及迟滞特性

8.1.5轮胎侧弯变形的迟滞特性与轮胎侧滑之间的关系

8.1.6考虑轮胎侧弯变形迟滞特性的反向曲线设计控制

8.2平曲线上避让事故的机理以及驾驶对策分析

8.2.1避让试验设计

8.2.2曲线外侧车辆的行驶动力学响应

8.2.3内侧车辆的行驶动力学响应

本章小结

第9章弯道上的车辆运动特性与驾驶行为特性分析

9.1什么样的弯道容易发生切弯(切内线)行驶?——切弯情况下弯道几何特性与车辆轨迹、速度之间的关系

9.1.1切弯试验设计

9.1.2曲线转角对切弯效用的影响

9.1.3道宽度对切弯效用的影响

9.1.4回旋线长度对切弯效用的影响

9.1.5径R对切弯效用的影响

9.1.6平曲线长度对切弯效用的影响

9.1.7小结

9.2小客车在单曲线上的转向行为分析

9.2.1研究方法

9.2.2转向行为的三阶段划分

9.2.3弯道转角对转向时间和转向长度的影响

9.2.4进弯阶段／出弯阶段的转向长度

9.2.5进弯阶段／出弯阶段的转向时间

9.2.6转向开始／结束位置与弯道的拓扑关系

9.2.7车辆尺寸变化对转向行为的影响

9.2.8小结

全文总结

一论文的工作总结和研究结论

二本论文的创新点

三下一步的研究工作

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间的科研工作以及发表论文