道路減速帶形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

文啟潤(rùn) 陳志望 周婷 彭皓若 向軻 孟燃 李媛媛

（江漢大學(xué) 人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430056）

一、減速帶的減速原理

減速帶是通過(guò)影響駕駛?cè)说鸟{駛心理實(shí)現(xiàn)減速的。當(dāng)車輛以較高車速通過(guò)減速帶時(shí)，劇烈的振動(dòng)會(huì)從輪胎經(jīng)由車身及座椅傳遞給駕駛?cè)耍怪鼻€可以產(chǎn)生一個(gè)垂直方向的加速度，產(chǎn)生強(qiáng)烈的生理刺激(包括振動(dòng)刺激和視覺(jué)刺激)以及心理刺激。生理刺激促使駕駛?cè)水a(chǎn)生強(qiáng)烈的不舒服感，而心理刺激則加深了駕駛?cè)说牟话踩蓱]，進(jìn)一步降低了駕駛?cè)藢?duì)道路環(huán)境的安全感。通常情況下，駕駛?cè)苏J(rèn)為不舒適度越大，車輛行駛安全性越小，即安全感越小。因此，減速帶的設(shè)置會(huì)降低駕駛?cè)诵熊嚢踩泻统俗孢m性的期望值，促使駕駛?cè)诉x擇較低的期望車速。在期望車速指導(dǎo)下，駕駛?cè)藢⒅鲃?dòng)駕駛車輛以較低的行車速度接近并通過(guò)減速帶。

二、理想減速帶的特性

設(shè)置減速帶的目的是限制車輛的行駛速度，將車速降低至期望的范圍以內(nèi)。因此在車輛行駛速度較低時(shí)，通過(guò)減速帶時(shí)對(duì)乘座舒適性不應(yīng)產(chǎn)生較大的影響；在行駛速度較高時(shí)通過(guò)減速帶應(yīng)降低乘座舒適性。但是必須保證無(wú)論在任何情況下不會(huì)發(fā)生車輛失控，零部件不發(fā)生斷裂等危險(xiǎn)情況，具有行駛安全性和結(jié)構(gòu)安全性。

圖1 為理想減速帶的速度特性，隨著車速增加行駛安全性略有降低，但車輛平順性并沒(méi)有太大的變化，在這個(gè)速度段乘車舒適性和安全性均處于一個(gè)較高的水平；當(dāng)車速高于道路限速的一定范圍內(nèi)V1～V2 時(shí)，乘車平順性和行駛安全性均快速降低，給人的生理和心理產(chǎn)生不舒服感和強(qiáng)烈的刺激，迫使其降低行車速度；當(dāng)車速高于一定速度V2 時(shí)，行駛平順性和乘車安全性均維持在一個(gè)穩(wěn)定的較低水平，不再隨車速的增加而惡化，以保證車輛和乘客的安全性。

圖2 為理想減速速帶時(shí)車輛行駛速度與車身振動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。在車輛速度低于道路限速V1 時(shí)，車身振動(dòng)強(qiáng)度維持在較低水平，當(dāng)車速高于道路限速的一定范圍內(nèi)V1～V2 之間，隨車速增加減速帶對(duì)車身的振動(dòng)強(qiáng)度增大，但最終的振動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)保持在安全強(qiáng)度之內(nèi)，避免對(duì)車輛產(chǎn)生破壞，發(fā)生事故。

三、中國(guó)傳統(tǒng)減速帶及其問(wèn)題

目前，國(guó)內(nèi)常用的三種道路減帶為駝峰式橡膠減速帶、熱塑震動(dòng)標(biāo)線減速帶和道路釘減速帶。其中減速效果最好的為駝峰式橡膠減速帶，也是運(yùn)用最為廣泛的道路減速帶。這類減速帶普遍存在著一些缺陷，車輛無(wú)論行駛在高速或低速狀態(tài)通過(guò)減速帶時(shí)都會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，影響乘座舒適性，這就失去了設(shè)置減速帶控制車速的意義，導(dǎo)致架駛?cè)藛T無(wú)視減速帶的存在，仍以高速通過(guò)。在坡度為6%的直長(zhǎng)下坡上設(shè)置6 組減速帶，車輛分別以：50～60km/h，60～70 km/h，70～80 km/h，80～90 km/h 和＞90 km/h 的速度行駛考察過(guò)減速帶的效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然車輛駛出減速帶的速度有了明顯降低，但是速度較高時(shí)減速效果并不十分理想，沒(méi)有一個(gè)明顯的突變過(guò)程，即當(dāng)速度高于一定值時(shí)，車速大幅下降，達(dá)到強(qiáng)制減速的目的，如表1 所示。

表1 駛?cè)牒婉偝鰷p速帶的速度

四、駝峰減速帶參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)行駛車輛經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)，存在著臨界速度，低于臨界速度車輪會(huì)沿著減速帶的表面流動(dòng)，高于臨界速度時(shí)，車輛則從減速帶的頂部成自由落體跳過(guò)減速帶，發(fā)生跳車現(xiàn)象。發(fā)生跳躍現(xiàn)象時(shí)，車輪與地面接觸的一瞬間的沖擊力是車體本身質(zhì)量的數(shù)倍，從理論上分析，在沖擊過(guò)程中車輛的垂直方向速度由向下變?yōu)橄蛏希a(chǎn)生了突變，其間加速度會(huì)變到一個(gè)很大的數(shù)值。即在車輛經(jīng)過(guò)減速帶的過(guò)程中，發(fā)生沖擊的瞬間是乘坐舒適性最差的階段。此時(shí)的撞擊力Fhit 可由式F=a(mk)^(1/2)*V............(1)式中：m—車輛質(zhì)量；k—輪胎剛度；V—車輛垂直下落速度。

根據(jù)理想減速特性的要求，在車輛低于期望速度經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)，對(duì)乘客的舒適性不應(yīng)產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)速度高于期望速度時(shí)，產(chǎn)生較劇烈的振動(dòng)，給生理和心理產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激。因此需要駝峰減速帶的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定與不同臨界速度相對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)，當(dāng)速度高于臨界值時(shí)發(fā)生跳車現(xiàn)象，產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，建立折線形駝峰道路減速帶數(shù)學(xué)模型進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化：

圖中x 軸為減速帶的斜坡寬度，y 軸為減速帶高度。其斜坡曲線方程為式y(tǒng)=ax+b

a—斜坡的斜率；b—斜坡高度車輪跳躍后自由下落的距離由式y(tǒng)1=1/2g Δ t^2 表示；車輪沿減速帶的滾動(dòng)下降的高度由式y(tǒng)2=(2y1/2x)*(2x/2t)*Δ t 計(jì)算，建立自由下落距離與沿減速帶下落距離之差關(guān)系式Δ y=Δ t*(1/2g Δ t-av)=Δ t*1/2*g/v*x-av。所以v^2＞1/2*(g/a)*x＞1/2*(g/a)*x^2于是vm＞(g/2b)^(1/2)*xm通過(guò)關(guān)系式我們可以看出，如果想要將車速控制在某個(gè)水平只需要滿足vm＞(g/2b)^(1/2)*xm即可

五、結(jié)論

如果想要讓減速帶達(dá)到較好的減速效果并且保證行車安全，我們可以通過(guò)式（7）來(lái)設(shè)置一個(gè)理想的臨界速度，使車速低于臨界值時(shí)，車輪沿表面滾動(dòng)；高于臨界值時(shí)，發(fā)生跳躍，產(chǎn)生沖擊，達(dá)到較好的控制車速的目的。