基于Carsim的車轍對行車安全及舒適性的影響研究

作者簡介：賴日雄（1983—），工程師，主要從事公路橋梁試驗檢測工作。

摘要：隨著交通網(wǎng)絡的日益發(fā)展，高速公路的安全性和舒適性問題引起了廣泛關注，其中車轍的影響是一個重要方面。文章采用基于Carsim的仿真模型，模擬真實的車輛運動狀態(tài)和軌跡數(shù)據(jù)，設計了車轍的寬度、深度、角度及車輛速度四個變量，以加速度干擾作為舒適性評價指標，以橫向荷載轉(zhuǎn)移率作為安全性分析指標，研究了不同類型車轍和車輛速度對行車安全及舒適性的影響。研究得出：車轍的寬度、深度、角度和車輛速度都會顯著影響車輛的安全性和舒適性；車轍寬度和深度的增加、車轍角度的減小和車輛速度的提高，都會增加車輛的側(cè)翻風險，降低駕駛舒適度。該研究為高速公路的安全行駛和高效運營提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：公路工程；Carsim；行車動力學；舒適性

中圖分類號：U418.6⁺8

0 引言

車轍的存在不僅影響著車輛的操控性，也對駕駛者的舒適度和公路的整體安全性造成影響^[1]。深入研究高速公路行車的安全性和舒適性問題，可以為高速公路的安全行駛和高效運營提供科學依據(jù)，也有助于提高社會效益，推動交通的高效管理和運營。

然而，由于各種因素的限制，現(xiàn)實環(huán)境中難以進行高速公路行車環(huán)境的實車試驗，這使得虛擬仿真成為研究交通安全問題的重要工具^[2]。而傳統(tǒng)的動力學仿真工況設計與真實情況往往存在差異，給研究和理解帶來了一定的困擾。

因此，本研究決定采用基于Carsim的仿真模型，模擬真實的車輛運動狀態(tài)和軌跡數(shù)據(jù)，以研究不同類型車轍和車輛速度下，車轍對行車安全及舒適性的影響。該方法在真實性、全面性、便捷性、靈活性以及成本效益上都具有明顯優(yōu)勢，能夠更準確地反映出高速公路的實際行駛情況，為高速公路的安全行駛和高效運營提供更有力的支持。

1 研究方法

1.1 路面車轍分類

路面車轍指的是車輛行駛在路面上時，由于重壓和行駛速度等因素，對路面造成的破壞，通常表現(xiàn)為路面出現(xiàn)凹槽或痕跡。車轍的形態(tài)主要由車輛的重量、速度以及路面的材料和結(jié)構(gòu)等因素決定，主要有以下幾種：

（1）縱向車轍：這是最常見的車轍類型，形成于車輛經(jīng)常行駛的輪跡上。縱向車轍一般比較深，會影響車輛的行駛，特別是在雨天，水積于車轍中，容易引起車輛打滑或失控。

（2）橫向車轍：這種車轍通常是由于路面施工或車輛突然改變方向造成的。橫向車轍的影響通常不如縱向車轍大，但是在高速的行駛過程中，車輛突然遇到橫向車轍，也易引發(fā)失控。

（3）深度車轍：這種車轍通常是由于重型車輛長時間行駛在柔軟的路面上造成的。深度車轍的存在會嚴重影響車輛的行駛，特別是在雨雪天氣，車輛很容易陷入車轍中。

（4）淺度車轍：這種車轍是由于輕型車輛行駛在硬質(zhì)路面上造成的，通常比較淺，影響不大。

1.2 試驗設計

影響車輛安全性和舒適性的因素包括車輛速度、車轍類型以及車輛與車轍的相對方向。高速行駛可能會導致更大的震動，減少駕駛的舒適度，并且可能會增加事故的風險。車輛與車轍的相對方向，影響車輛四個輪胎經(jīng)過車轍的順序，并且可能改變車輛的運動方向。車轍的寬度會影響車輛的行駛穩(wěn)定性，如果車轍過寬，可能會導致車輛行駛不穩(wěn)。車轍過深可能會導致車輛顛簸，降低駕駛舒適度，并可能增加事故風險。因此，本研究設計了仿真交叉試驗，以綜合分析車轍對車輛安全性及舒適性的影響，如表1所示。

1.3 評估指標

本研究以高速公路中易發(fā)的側(cè)翻、甩尾等車輛失控風險為對象。重點分析車輛在行駛過程中的受力狀態(tài)和軌跡變化，評估車輛的安全性和舒適性水平。

基于Carsim的車轍對行車安全及舒適性的影響研究/賴日雄

1.3.1 舒適性分析指標

相關學者提出將加速度干擾作為舒適性評價指標。其優(yōu)勢在于可以直接反映車輛的運動情況，能夠體現(xiàn)出車輛在駕駛過程中的穩(wěn)定性和舒適程度。此外，加速度干擾還可以作為評估車輛輪胎和懸掛系統(tǒng)的指標，對車輛性能和安全進行更全面的評估。

使用加速度干擾作為舒適度指標的合理性在于人體對加速度的變化很敏感，尤其是那些引起振動和沖擊的變化。這些感覺可能會讓人不舒服，引發(fā)疲勞，并導致駕駛性能下降。加速度干擾為加速度與平均加速度的標準差，具體計算方法如式（1）所示：

式中：σ——加速度干擾;

T——總觀測時長;

a（t）——t時刻加速度;

a——平均加速度。

1.3.2 安全性分析指標

車轍的震蕩容易引起車輛側(cè)翻，側(cè)翻風險根據(jù)橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR進行評估。橫向載荷傳遞率（LTR）是一種廣泛使用的評價車輛橫向穩(wěn)定性和側(cè)翻風險的指標。LTR反映了轉(zhuǎn)彎過程中車輪之間橫向載荷的傳遞及分布情況，其計算方法是將左右車輪的橫向力之和除以車輛的總重量。LTR越高，橫向載荷轉(zhuǎn)移越大，這意味著車輛在急轉(zhuǎn)彎時側(cè)翻的可能性更大。使用LTR作為側(cè)翻風險評價指標是合理的，因為其反映了車輛的橫向穩(wěn)定性，為了解車輛的橫向穩(wěn)定性和操縱特性提供了重要信息。此外，LTR的計算相對簡單，該指標可從理論和試驗研究中獲得，是一種方便實用的側(cè)翻風險評估指標。

與其他側(cè)翻風險評估指標相比，LTR具有幾個優(yōu)勢：（1）提供了有關車輛橫向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎過程中橫向載荷傳遞的直接信息，這對于評估車輛的側(cè)翻風險至關重要；（2）是反映車輛重量、高度、輪胎特性、懸架系統(tǒng)、駕駛條件等多種因素對車輛側(cè)翻風險貢獻程度的綜合指標；（3）被廣泛使用并得到許多研究的驗證，這使其成為可靠且廣為接受的翻車風險評估指標。

橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR定義為車輛在行駛過程中內(nèi)側(cè)車輪荷載轉(zhuǎn)移到外側(cè)車輪的荷載與總荷載之比，具體計算方法如式（2）所示：

式中：F_ri——車輛右側(cè)第i個輪胎受力；

F_li——車輛左側(cè)第i個輪胎受力；

n——總的車軸數(shù)量。

進一步，針對上述三個指標本研究總結(jié)了安全性和舒適性指標的評估標準，如表2所示。

2 基于Carsim的仿真環(huán)境搭建

Carsim是一款全球領先的用于汽車動力學行為仿真的軟件，其能夠在虛擬環(huán)境中準確地模擬和分析車輛在各種駕駛情況下的運動狀態(tài)^[6]。Carsim軟件能夠精確地模擬車輛的動力學行為，從而準確地量化車轍等因素對行車安全和舒適性的影響。

本研究根據(jù)表1在道路模塊中進行建模，道路長度為260 m，半徑為500 m，橫坡為3%，車轍位置在130 m處。同時在駕駛員模塊設置相應速度。搭建完成的仿真環(huán)境如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 車輛速度影響分析

下頁圖2分別展示了在60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h速度下，車輛經(jīng)過車轍時的豎向加速度和橫向荷載轉(zhuǎn)移率。可以看出隨著速度的增高，車輛的豎向加速度不僅沒有增加，反而有所降低。當速度為60 km/h時，豎向加速度為最高1.65 m/s^-2，加速度干擾σ為2.87，屬于較為不舒適；當速度為80 km/h時，加速度干擾最低σ為2.41。而速度對橫向荷載轉(zhuǎn)移率有顯著影響，LTR隨著速度增加顯著上升，當速度為120 km/h時，LTR最大為0.71，車輛存在一定側(cè)翻風險。

3.2 車轍角度影響分析

圖3分別展示了在30°、45°、60°、90°車轍角度下，車輛經(jīng)過車轍時的豎向加速度和橫向荷載轉(zhuǎn)移率。車轍角度對豎向加速度的影響無明顯規(guī)律，但是當車轍角度為90°時，加速度干擾最大σ為2.49，屬于較為不舒適。而車轍角度對橫向荷載轉(zhuǎn)移率有顯著影響，角度越小，LTR越小，當車轍角度為30°時LTR最大為0.92，車輛側(cè)翻風險極高。

3.3 車轍寬度影響分析

圖4分別展示了在25 cm、50 cm、75 cm、100 cm車轍寬度下，車輛經(jīng)過車轍時的豎向加速度和橫向荷載轉(zhuǎn)移率。車轍寬度顯著影響車輛最大豎向加速度的位置，并且寬度越大第二波峰的數(shù)值越高。當寬度為100 cm時，加速度干擾最大σ為3.32，屬于較為極為不舒適。同時，車轍寬度對橫向荷載轉(zhuǎn)移率有顯著影響，寬度越大，LTR越大。車轍寬度為75 cm和100 cm時，LTR均超過了0.8，車輛側(cè)翻風險極高。

3.4 車轍深度影響分析

圖5分別展示了在5 mm、10 mm、15 mm和20 mm車轍深度下，車輛經(jīng)過車轍時的豎向加速度和橫向荷載轉(zhuǎn)移率。車轍深度對豎向加速度影響顯著，隨著車轍深度降低，最大豎向加速度越小。當車轍深度為5 mm時，加速度干擾最小σ為1.36，屬于較為舒適。當車轍深度為20 mm時，加速度干擾最小σ為2.51，屬于較為不舒適。同時，隨著車轍深度增加，橫向荷載轉(zhuǎn)移率增加，但是車轍深度對橫向荷載轉(zhuǎn)移率影響較小。當車轍深度為20 mm時，LTR均超過了0.44，車輛存在一定側(cè)翻風險。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究通過模擬試驗，探討了車轍對高速公路行車安全和舒適性的影響。研究結(jié)果顯示，采用Carsim軟件能夠有效地研究不同工況下的車輛安全性和舒適性。同時根據(jù)橫向荷載轉(zhuǎn)移率和豎向加速度干擾兩個指標，評估了車輛速度、車轍角度、寬度和車轍深度對車轍的影響。結(jié)果顯示，車輛速度、車轍角度和寬度對車輛側(cè)翻風險有顯著影響，而車轍角度、寬度和深度對行車舒適性有顯著影響。在設計和維護高速公路時，需要考慮車轍的類型、深度和寬度，以降低車轍對行車安全和舒適性的影響。

參考文獻：

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