作者簡介：賴日雄（1983—），工程師，主要從事公路橋梁試驗(yàn)檢測工作。

摘要：隨著交通網(wǎng)絡(luò)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(guān)注，其中車轍的影響是一個(gè)重要方面。文章采用基于Carsim的仿真模型，模擬真實(shí)的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和軌跡數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了車轍的寬度、深度、角度及車輛速度四個(gè)變量，以加速度干擾作為舒適性評價(jià)指標(biāo)，以橫向荷載轉(zhuǎn)移率作為安全性分析指標(biāo)，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(huì)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(huì)增加車輛的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，降低駕駛舒適度。該研究為高速公路的安全行駛和高效運(yùn)營提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路工程；Carsim；行車動(dòng)力學(xué)；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(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)，也有助于提高社會(huì)效益，推動(dòng)交通的高效管理和運(yùn)營。

然而，由于各種因素的限制，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中難以進(jìn)行高速公路行車環(huán)境的實(shí)車試驗(yàn)，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(dòng)力學(xué)仿真工況設(shè)計(jì)與真實(shí)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(shí)的車輛運(yùn)動(dòng)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(shí)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(zhǔn)確地反映出高速公路的實(shí)際行駛情況，為高速公路的安全行駛和高效運(yùn)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(shí)，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?？v向車轍一般比較深，會(huì)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(shí)間行駛在柔軟的路面上造成的。深度車轍的存在會(huì)嚴(yán)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(huì)導(dǎo)致更大的震動(dòng)，減少駕駛的舒適度，并且可能會(huì)增加事故的風(fēng)險(xiǎn)。車輛與車轍的相對方向，影響車輛四個(gè)輪胎經(jīng)過車轍的順序，并且可能改變車輛的運(yùn)動(dòng)方向。車轍的寬度會(huì)影響車輛的行駛穩(wěn)定性，如果車轍過寬，可能會(huì)導(dǎo)致車輛行駛不穩(wěn)。車轍過深可能會(huì)導(dǎo)致車輛顛簸，降低駕駛舒適度，并可能增加事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，本研究設(shè)計(jì)了仿真交叉試驗(yàn)，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(biāo)

本研究以高速公路中易發(fā)的側(cè)翻、甩尾等車輛失控風(fēng)險(xiǎn)為對象。重點(diǎn)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(biāo)

相關(guān)學(xué)者提出將加速度干擾作為舒適性評價(jià)指標(biāo)。其優(yōu)勢在于可以直接反映車輛的運(yùn)動(dòng)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(biāo)，對車輛性能和安全進(jìn)行更全面的評估。

使用加速度干擾作為舒適度指標(biāo)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(dòng)和沖擊的變化。這些感覺可能會(huì)讓人不舒服，引發(fā)疲勞，并導(dǎo)致駕駛性能下降。加速度干擾為加速度與平均加速度的標(biāo)準(zhǔn)差，具體計(jì)算方法如式（1）所示：

式中：σ——加速度干擾;

T——總觀測時(shí)長;

a（t）——t時(shí)刻加速度;

a——平均加速度。

1.3.2 安全性分析指標(biāo)

車轍的震蕩容易引起車輛側(cè)翻，側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)橫向荷載轉(zhuǎn)移率LTR進(jìn)行評估。橫向載荷傳遞率（LTR）是一種廣泛使用的評價(jià)車輛橫向穩(wěn)定性和側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)。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(jì)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(shí)側(cè)翻的可能性更大。使用LTR作為側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)是合理的，因?yàn)槠浞从沉塑囕v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(jì)算相對簡單，該指標(biāo)可從理論和試驗(yàn)研究中獲得，是一種方便實(shí)用的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)。

與其他側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)相比，LTR具有幾個(gè)優(yōu)勢：（1）提供了有關(guān)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(fēng)險(xiǎn)至關(guān)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(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)程度的綜合指標(biāo)；（3）被廣泛使用并得到許多研究的驗(yàn)證，這使其成為可靠且廣為接受的翻車風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)。

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(jì)算方法如式（2）所示：

式中：F_ri——車輛右側(cè)第i個(gè)輪胎受力；

F_li——車輛左側(cè)第i個(gè)輪胎受力；

n——總的車軸數(shù)量。

進(jìn)一步，針對上述三個(gè)指標(biāo)本研究總結(jié)了安全性和舒適性指標(biāo)的評估標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

2 基于Carsim的仿真環(huán)境搭建

Carsim是一款全球領(lǐng)先的用于汽車動(dòng)力學(xué)行為仿真的軟件，其能夠在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確地模擬和分析車輛在各種駕駛情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)^[6]。Carsim軟件能夠精確地模擬車輛的動(dòng)力學(xué)行為，從而準(zhǔn)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(jìn)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(shí)在駕駛員模塊設(shè)置相應(yīng)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(shí)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(dāng)速度為60 km/h時(shí)，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(dāng)速度為80 km/h時(shí)，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(dāng)速度為120 km/h時(shí)，LTR最大為0.71，車輛存在一定側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)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(dāng)車轍角度為90°時(shí)，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(dāng)車轍角度為30°時(shí)LTR最大為0.92，車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(dāng)寬度為100 cm時(shí)，加速度干擾最大σ為3.32，屬于較為極為不舒適。同時(shí)，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(shí)，LTR均超過了0.8，車輛側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(dāng)車轍深度為5 mm時(shí)，加速度干擾最小σ為1.36，屬于較為舒適。當(dāng)車轍深度為20 mm時(shí)，加速度干擾最小σ為2.51，屬于較為不舒適。同時(shí)，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(dāng)車轍深度為20 mm時(shí)，LTR均超過了0.44，車輛存在一定側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究通過模擬試驗(yàn)，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(shí)根據(jù)橫向荷載轉(zhuǎn)移率和豎向加速度干擾兩個(gè)指標(biāo)，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(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)和維護(hù)高速公路時(shí)，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。

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