公路平曲线超高_反超高对车辆操纵的影响_邵毅明

第26卷第1期2010年3月

交 通 科 学 与 工 程

JOURNAL OF TRANSPORT SC IENCE AND ENGINEERING V ol. 26No. 1M ar. 2010

文章编号:1674-599X(2010) 01-0079-06

公路平曲线超高/反超高对车辆操纵的影响

邵毅明, 谭丹萍, 束海波, 徐 进

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(1. 重庆交通大学交通运输学院, 重庆 400074; 2. 西南交通大学交通运输学院, 四川成都 610031) 摘 要:为得到超高率对车辆方向控制的影响, 以/道路-驾驶人-车辆0仿真系统为手段, 以超高率/反超高率和行驶速度为试验变量, 以小客车为仿真车型, 以一条设计速度为30km/h 的三级公路为试验对象, 进行了三维路面上行车动力学的仿真试验. 试验结果表明:¹超高会减轻侧向力作用下轮胎的侧偏角, 从而减低对方向盘角输入的需求; º超高会减小弯道上的轮胎拖距, 并减弱前轮转动对车体的抬升作用, 明显降低曲线行驶时的操舵矩, 从而使操纵变得容易; »超高也会增加车辆的侧倾摆动(朝曲线内侧) , 对于低速车辆, 其摆动会更明显; ¼小半径曲线上的双向路拱或者反超高会增加转向需求, 当车速较高时, 其方向将难以控制.

关键词:平曲线; 超高; 反超高; 方向控制; 操纵性; 操舵力中图分类号:U 412. 33; U 461. 6 文献标识码:A

The effect of superelevation/reverse superelevation

on vehicle steering control

SH AO Y-i ming , TAN Dan -ping , SH U H a-i bo , XU Jin

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(1. School of T ranspo rtatio n, Cho ng qing Jiaoto ng U niver sity, Cho ng qing 400074, China; 2. School of T raffic &T ransport at ion, So uthw est Jiaotong U niversity, Chengdu 610031, China)

Abstract:To find out the effect of the superelevatio n rate of cur ved segm ent on the veh-i cle direction control, driving simulation tests on 3D road surface w ith superelev ation w as co nducted by m eans of "r oad -driver -vehicle" simulation system. In w hich superelevatio n

rate and driving speed w as selected as test variables, a passeng er car w as selected as test vehicle type, and a rural r oad w ith design speed o f 30km /h w as the test objectiv e. T he result sho w s that:¹superelev ation of horizontal curves w ill allev iate the tyr e slip angle under the actio n of side force, thus reducing the requir em ents of steering inputs; ºsu -perelev ation can o bviously decrease the steering mom ent of vehicles traveling on cur ves, thus making the steering easier, because the super elevation w ill reduce the pneumatic trail on a bend and w eaken the lifting action of fro nt w heel drive on the vehicle bo dy; »superelevatio n can also increase the tilting oscillation o f vehicles (tow ards the inside part of the curve) , w ith such oscillatio n mor e apparent for low er speed v ehicles; ¼fo r shar p curves, tw o -w ay road crow n or r ev erse superelevatio n w ill increase the steering require -ments and result in the lo se of steering control w hile driving at a hig her speed. Key words:horizontal curves; superelevatio n; reverse superelevation; steering contr ol; handing stability; force on steering w heel

收稿日期:2009-12-24

基金项目:重庆市科技攻关项目(2009A C6139) ; 四川省科技厅应用基础资助项目(08JC0068) 作者简介:邵毅明(1955-) , 男, 重庆交通大学教授, 博士.

汽车在曲线上行驶时, 要受到指向外侧的离心力作用, 与之平衡的除了路面摩擦力之外, 还有一部分由平曲线超高来平衡, 即由超高产生的重力坡向分量来平衡. 在路面附着能力供给一定的情况下, 设置超高增加了横向力的总供给, 改善了小半径曲线上行驶车辆的横向稳定性; 此外, 作用在乘员身上的外推力也会由于倾斜路面而减小, 进而改善了乘坐的舒适性. 近来的研究涉及对超高率e 的计算依据和算式的修正、超高在曲线范围内的分布形式及同一公路不同半径弯道的超高率e 计算等几个方面, 比如:在考虑悬架弹簧变形对内、外两侧轮载的转移作用时, 计算得到的超高率要比传统的把车辆处理成刚体情况所得到的要大

[1]

起驾驶疲劳, 这体现为转向轮对方向盘输入的响应减弱. 如果转向轮响应进一步减小, 会引发方向失控, 车辆将驶出路外. 因此, 超高率关系到弯道几何特性与车辆动力学特性、驾驶人特性的适应性问题. 但目前尚未见有关超高/反超高与方向控制之间关系的研究.

在此背景下, 以/道路-驾驶人-车辆0仿真模型(Roadw ay -Driver -Vehicle Simulation M odel, 简称RDVS) 为手段, 从一条山区三级公路中选取试验路段, 进行空间路面上的行车仿真试验, 拟分析不同超高值下运动参量的变化, 比如:方向盘角输入、操舵力和轮胎侧偏角等, 从而得到超高率对车辆方向控制的影响.

, 这样更符合现代车辆的动力特性; 为了增加

与驾驶人期望的匹配性, 在计算超高率e 时还应考虑进设计车速V d 与弯道实际运行速度V 85的差异[2-4]; 对于同一公路, 在计算各弯道的超高率e 时, 应使不同弯道的安全边际尽量接近并且尽量取较大值, 以增加道路设计的几何一致性70~30的比例分配给直线和圆曲线着能力的供给[10].

超高的设置还会引起另一个方面的问题, 即对曲线行驶车辆的方向控制产生影响, 可能会使方向控制变得容易, 或者造成转向困难. 当车辆容易操纵时, 驾驶负荷会减轻, 而困难的转向则会引

[8-9]

[5-7]

1 试验方法

1. 1 试验道路

从中国四川省一条三级公路中选取K7+140~K7+540(试验路段1, 如图1所示) 、K16+100~K17+000(试验路段2, 如图2所示) 作为试验路段, 该公路设计车速V d =30km /h, 沥青混凝土路面, 宽6. 5m. 试验路段1的JD1和JD2构成同向曲线, JD2和JD3构成S 型曲线, R 1为大半径, 不设超高, R 2, R 3已靠近最小半径, 需要设置超高. 试验路段2用来分析反超高的影响, 反超高设置在JD3范围内. 两个试验路段的超高率均是在回旋线上从零发展到最大值

.

; 超

高最好布置在回旋线上, 如果没有回旋线, 则应按

; 设置超

高有利于曲线部分路面的排水, 从而保证路面附

图1 试验路段1的平面模型和平面设计要素

Fig. 1 M o del in plan v iew o f test ro ad 1and its design values of ho rizontal alig

nment

图2 试验路段2的平面模型和平面设计要素

Fig. 2 M o del in plan v iew o f test ro ad 2and its design values of ho rizontal alig nment

由于是在ADAM S/Car 环境下进行车辆运动学解算, 因此在仿真前应生成能够被ADAMS/Car 识别的三维路面模型. 用VB6. 0编制了道路生成模块, 输入数据为逐个线形单元的几何设计要素, 比如:圆曲线转角和半径; 回旋线长度; 直线长度、路面宽度、直坡段长度和坡度以及竖曲线半径和切线长等, 然后用解析的方法计算出路中线的空间位置, 自路中线沿横断方向朝左、右两边各扩展1/2路面宽度可得到带状路面, 在考虑进加宽和超高等影响后, 即可获得三维的路面形状, 分别如图1~3所示. 1. 2 试验车辆

评价方向稳定性应以高速车辆为对象, 由于小客车在公路上容易达到较高的速度, 因此选择

小客车作为仿真车型. 用ADAM S/Car 建立小客车的多体动力学模型, 整车模型由前后悬架、转向、制动、动力及传动、轮胎和车架等子系统组成.

车辆在行驶过程中是以路中线为目标轨迹的, 当轨迹横向偏差超过设定值时进行方向矫正, 速度控制方式为指定速度行驶, 指定一个固定的初速度V x0作为整个路段的目标速度.

图3是车辆在试验路段2上行驶时的仿真场景截图, 图3(a) 中车辆行驶在JD4与JD3之间的缓和段上, 图3(b) 中车辆行驶在JD3的圆曲线范围内, 从其车尾部引出的白线是通过捕捉车辆中心位置某点的运动轨线得到, 用以表示车辆的空间驶迹

.

图3 汽车在试验路段2上行驶时的仿真场景截图Fig. 3 V ehicle model driving on 3D r oad surface model

1. 3 试验变量

试验变量为车速V x0和超高率e, 用e r2和e r3表示超高率在R 2, R 3所属圆曲线上达到的最大值. 超高过渡段的始点与ZH 点(直缓点) 是同一个点, e =0. 超高过渡段的终点对应H Y 点(缓园点) , e =e r i , e 在ZH ~H Y 范围内线性增加. e r i =0表示曲线范围内不设置超高.

因此, 当B 增大时, 要增加对方向盘的角输入D w . 这会增加驾驶者控制车辆方向的难度; 而当B 超过某一临界值时, 车辆可能无法再完成转向任务.

图4是试验路段1上的侧偏角B 变化曲线, 图4中给出了设置超高和零超高两种情况, 曲线通过速度分别为30km /h 和44km/h . 在图4中能看出, 设置超高能够减小前转向轮的侧偏角, 在车速较高的情况下, 超高对B 的降低效果更加明显. 比如:车速为44km /h 时, R 3范围内的B 减小了近50%. 这对于增加行驶车辆力学稳定性很有好处. B 的减小也使得在设置超高的曲线上驾驶车辆要相对容易, 这在图5中得到了体现. 8%超高的情况下, R 3上的峰值角输入要比零超高时小30deg 左右(曲线通过速度为30km /h 的情况下).

2 超高率对车辆方向控制的影响

2. 1 超高率对轮胎侧偏角的影响

当车辆行驶在弯道上时, 轮胎会受到与离心力反向的路面切向力作用, 胎体将侧弯变形, 并形成轮胎侧偏角B . B 的存在, 使得驾驶者要输入额外的方向盘转角才能使车辆保持在期望的轨迹上.

82 交 通 科 学 与 工 程 第26卷

2. 2 超高率对操舵力的影响

图6是通过速度为30km /h 时试验路段1上的操舵力曲线. 从图6中能看到:当e r2=6%时, 圆曲线R 2上的峰值操舵矩比零超高时低38%; 当e r3=8%时, R 3上的峰值操舵矩的降幅有35%. 因此, 设置超高的一个主要意义在于:能够减小曲线行驶时的操舵力, 改善驾驶人在公路上行车时的操纵负荷, 最终使驾驶变得更加容易, 有利于行车安全

.

矩的一部分. 设置超高时车重的坡向分力(指向曲线内侧, 并与倾斜路面平行) 平衡了一部分车体离心力, 从而使F t, y 有所减小, 转向时要克服的F t, y #S 这部分阻力矩相应地随之减小, 方向因此变得相对容易控制.

2) 有超高时轮胎转动对车体的抬升作用减弱出于转向自动回正的考虑, 汽车设计师在设计转向机构时都安排了一定幅度的主销后倾角. 当转向轮偏转时, 由于后倾角的作用, 车体会被抬升, 形成弹性势能E =m #g #v H , v H 是抬升高度. 在超高情况下, 车体会朝曲线内侧倾斜, 车体的抬升高度v H 垂直于倾斜路面, 此时的弹性势能应该为E c =m #g #v H #cos e r i , e r i 为超高值, 显然有E c

不同超高率的情况下, 车辆在圆曲线上行驶

图6 方向盘转矩曲线

Fig. 6 Pro files o f moment act ing o n steering wheel

时的车身峰值侧倾角5(见表1). 表1中的负值表示摆动方向朝曲线内侧, 正值表示朝曲线外侧. 在表1中能看出, 设置超高也有对行车不利的地方, 即超高会造成小半径曲线上的车身侧倾摆动, 尤其低速行驶时的车身摆动更为明显. 这就降低了道路用户的使用感受. 高速情况下的摆动之所以相对较小, 是因为车速增加时由离心力引起的这部分侧倾角5c 增大, 而5c 与超高路面上的静态侧倾角5s 相反(5s U e r i ) , 由于5=5s -5c , 因此, 5p 会随车速的上升而有所减小.

造成超高时操舵力减少的原因有两方面:1) 有超高时轮胎拖距减小

曲线行驶时车体受到的离心力由轮胎与路面之间的侧向作用力(路面摩擦力F t, y ) 来平衡, 由于充气轮胎本身的侧偏性质, 分布力F t, y 的合力作用点位于经过轮心的中垂线之后, 且会形成相对于中垂线的轮胎拖距S , 而F t, y #S 构成了转向阻力

第1期邵毅明, 等:公路平曲线超高/反超高对车辆操纵的影响

表1 曲线范围内的车身侧倾角

83

谷内, 有时会采用正常的双向路拱或者反超高(即曲线内侧高程反而高于曲线外侧) 形式, 对行车的影响也最大.

图7是试验路段2的行车试验结果, 从中能明显看到反超高对车辆方向控制的不利影响. 在图7(a) 中能看到, 当速度较低时(V x0=50km/h ) , 反超高的存在会增加对方向盘角输入的需求. 而以较高速度行驶时, 反超高会使转向过程不稳定, 体现为角输入D w 曲线不平滑, 如果反超高率较大(S R3=-5%) , 还会导致方向失控, 体现为D w 突变并激增, 如图7(b) 所示. 在图7(c) 中, 当V x0=60km/h , e r3=-5%时, 轮胎侧偏角B 可达到20deg. 这种情况下, 要控制车辆的行驶方向显然是不可能的. 同时, 从图7(d) 中能看出, 反超高还会增加操舵矩, 加重驾驶者的行车负荷. 因此, 不管从何种角度来看, 过大的反超高都是应该避免的

.

Table 1 Inclination ang le o f vehicle body o n curv e areas

V x0/(km #h -1)

3044

5R2/deg

S R2=0%

0. 61. 19

S R2=6%-3. 67-3. 09

5R3/deg

S R3=0%1. 182. 37

S R3=6%-5. 23-3. 96

3 反超高对方向控制的影响

反超高在3种情况下出现:¹大半径平曲线位置, 半径R i 达到规范中可以不设超高的临界值, 双向路拱对曲线外侧行驶车辆形成反超高; º公路改扩建时, 采用单侧加宽方式拓宽路面, 原来路幅由双向混行改为单向行驶, 那么, 在双向路拱位置变换车道时, 车辆会受到类似于反超高的作用; »在山区低等级道中较为多见, 即弯道内侧是路堤, 而弯道外侧是路堑, 在曲线半径较小且路堤一侧沟谷很深时, 为防止重载货车等低速车辆跌入

图7 反超高率变参数试验结果

Fig. 7 Simulatio n result of chang e in rev erse superelev atio n r ate

84 交 通 科 学 与 工 程

850.

第26卷

4 结论

1) 在曲线上设置超高会减轻侧向力作用下的轮胎侧偏角, 从而减低对转向角输入的需求, 即有超高时, 方向盘转角变小;

2) 超高会减小弯道上的轮胎拖距以及前轮转动对车体的抬升作用, 能明显降低曲线行驶时的操舵矩, 因此设置超高可以减轻驾驶人在公路上行车时的工作负荷;

3) 超高会增加行驶车辆的侧倾摆动, 对于低速车辆更是如此;

4) 在小半径曲线上不设超高或设置反超高会增加转向需求, 当车速较高时, 还会使方向难以控制. 参考文献(References) :

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