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黄艳国;许伦辉;罗强;邝先验
【摘 要】公路行车舒适性与平面道路线形密切相关,在分析车辆在不同道路线形下运行特性的基础上,提出采用加速度和加速度变化对道路平面线形舒适性评价的方法,阐述横向加速度、轴向加速度与舒适性的关系及评价指标.通过分析加速度的变化对舒适性的影响,建立加速度变化率模型和加速度干扰模型.用加速度干扰表示速度摆动大小和变化频繁度,给出在直线、缓和曲线、圆曲线路段上加速度干扰的离散化模型.通过对不同道路线形的实例仿真,定量分析加速度变化率对舒适性的影响,以加速度干扰大小分析不同线形路段条件对行车舒适性的影响程度及变化趋势,并针对不同道路线形给出提高舒适性的改善方法.仿真结果表明,该评价方法为检验道路平面线形舒适性提供了参考依据.
五菱扬光论坛【期刊名称】《广西师范大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2014(032)002
【总页数】8页(P1-8)
【关键词】道路线形;加速度变化;加速度干扰;加速度变化率;行驶舒适性
【作 者】黄艳国;许伦辉;罗强;邝先验
【作者单位】江西理工大学电气工程与自动化学院,江西赣州341000;华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州510640;江西理工大学电气工程与自动化学院,江西赣州341000
【正文语种】中 文
【中图分类】U412.3
在我国,高等级公路的建设随着交通需求的增加而不断增加,道路的设计当中,线形设计在满足快速、高效、安全的前提下,对行驶的舒适性提出了更高的要求。现有的道路设计中,设计者在保证行车安全的条件下,主要考虑车辆动力学方面的影响因素[1],对道路线形的评价主要集中于线形连续性和安全性方面的评价,国内外一些学者在这方面进行了较多的研究,形成了较成熟的评价指标[2-4]。对舒适性的评价方面,《公路路线设计规范》[5]没有明确的评价方法和评价指标。文献[6]建立了考虑平、纵、横三方面关系的横向加速度变化率模型,分析
了横向加速度对舒适性的影响,但该模型过于复杂,且变量多,不利于定量分析。在加速度对舒适性的影响研究方面,主要是从路面平整度或受力分析出发,局限于速度瞬间变化所产生的点加速度对人体感受的影响[6-7],而对不同道路线形下速度变化所产生的加速度对行驶舒适性的影响研究较少[8],因此基于道路平面线形的加速度变化对行车舒适性的评价方法有待进行深入的探讨。
特斯拉多少钱一辆车辆在道路上行驶时,速度会随着交通环境、道路线形的变化而不断变化,进行加速和减速,频繁变化的加速度会产生头晕、恶心的现象,说明行车过程中的加速和减速的频繁程度、变化大小对行驶舒适性有很大的影响。本文分析车辆在不同线形道路上的行驶特性,从行车安全舒适性的角度建立加速度变化率模型和加速度干扰模型,分析车辆在不同道路线形条件下运行的加速度变化率、加速度干扰大小及对舒适性的影响,并提出相应的改进方法,为行驶安全舒适性的评价及道路线形优化设计提供参考。
车辆在行驶过程中,其行驶状态是由人、车、路、环境共同作用的结果。行车舒适性是指车辆在行驶过程中人体对车辆运行的速度、加速度等运行特性的主观感觉,在公路的研究领域,这些运行特性参数是道路线形、路面状况、交通环境共同作用的结果。对行车舒适性有影
响的因素主要有:驾驶员的心理、生理特性、驾驶技术、道路的视觉环境以及道路的线形特征等。其中道路的激励是影响司乘人员舒适性的主要因素[9]。车辆在不同的平面线形条件下行驶时,其行驶特性不同,给司乘人员的舒适性也不一样。
直线、缓和曲线及圆曲线是公路平面线形的主要构成要素,这些要素及其组合直接影响到整条道路的行车舒适性,如图1所示。车辆在不同的道路线形环境下运行时,驾驶员根据道路线形的变化进行操作调整,其速度也不相同,但是速度的大小对舒适性没有直接的影响。若当前的道路条件满足不了当前的运行速度时,驾驶员就会采取相应的措施,进行加速或减速,导致车辆的速度在短时间内发生变化,若变化较大,则给司乘人员带来不舒适感。下面通过建立车辆在不同道路线形下的加速度变化,分析加速度变化对舒适性的影响。
现有的对行车舒适性的评价方法主要集中在汽车性能和道路角度进行评价,在汽车方面主要是从汽车振动对人体主观舒适性感受的影响程度,而道路上一般考虑路面质量和横向力系数对安全性的影响,基于道路线形的舒适性评价较少,下面分析在不同平面道路线形下加速度对舒适性的评价。
2.1 轴向加速度对舒适性的影响
大众蔚领轴向加速度是行驶车辆在行进方向速度突然发生了变化所产生的。车辆在道路上行驶时经常会遇到不同的道路状况和交通环境,在这种状况下车辆会作加速或减速行驶,产生一个轴向加速度,其大小主要与汽车的动力因素、路面滚动阻力系数及运行速度有关。在平面道路不同线形情况下,车辆进入曲线或离开曲线时,会进行加速和减速运行,此时产生的轴向加速度通常作为对舒适性评价的标准,如表1所示[9]。在图1(a)中,当车辆由高速的直线段进入低速运行的曲线段,或如图1(c)所示由高速的曲线段进入低速运行的曲线段时,须采取减速操作才能满足安全行驶的要求。在运行过程中,如果车辆减速时产生的加速度太大,如a≥2.5时,司乘人员会突然向前或侧面倾斜,感觉非常不舒适,甚至会造成车辆侧翻的危险。如图1(b)所示,当车辆由低速行驶的曲线进入高速直线段时会加速行驶,当a<0.9时,线形设计质量较好,a≥1.2则舒适性很差。
2.2 横向加速度对舒适性的影响
横向加速度是车辆在曲线上行驶时产生的。车辆在曲线上行驶时,产生水平向外的离心力,该力的存在使车辆在运行时产生横向的滑移,甚至会发生横向倾翻。发生横向滑移时,车辆处于不稳定的运行状态,影响这种横向不稳定性的一个主要因素就是横向加速度,其大小通常作为
衡量行车舒适性的主要指标。当a>3.6 m/s2时,乘客会感觉到很不舒服,横向加速度与舒适性的关系可参考文献[10]。若知道车辆在平曲线上行驶速度v,曲线半径R及超高值α,就可以计算出对应的横向加速度值,以此来检验该路段的舒适性。反过来,在满足司乘人员舒适程度的情况下,根据曲线上要求的行驶速度,可以计算出道路在设计阶段曲线所要求的半径和横向超高值。
当加速度超过人体承受的范围时,造成不舒适的感受,适合于车速在短时间内骤增或骤减的情况。若车辆在路段上频繁地加减速,同样会造成不舒适的感觉,因此需要对加速度的特性对舒适性的影响作进一步的探讨。
3.1 加速度变化率模型
车辆在突然启动或紧急刹车时,可能会猛然向后仰或向前冲,造成舒适性极差,这主要是由于轴向加速度的变化过大,惯性所致。同样,车辆由直线段进入曲线段,或急速转弯时,由于瞬间出现离心力,司乘人员会被甩向外侧,当这种法向加速变化太大时,人容易失去平衡甚至倾倒。车辆在不同平面线形的道路上行驶时,加速度变化率过大引起的冲击力或“猛推”的作用力,不仅严重影响乘车的舒适性,甚至可能使机构件受到的作用力达到其所能承受的峰值,从
而引起机构件的损坏,并可能引起安全事故。对此,加速度变化率对行车舒适性的影响已经引起了研究学者的关注,文献[11]中分析了加速度变化率引起的冲击力以及对行车舒适性的影响。设车辆在行驶时的加速度为a,加速度变化率可表示为:
车辆在突然加速或紧急制动时,会产生较大的冲击力和剧烈的震动,这些力通过车辆作用于人体,使人感觉极不舒适。车辆在不同道路线形的环境下运行时,经常发生速度突然变化较大的情况,因此用加速度变化率评价行车的舒适性有比较实际的意义。因为人体承受的外力有一定的限度,所能忍受的加速度的变化有一定的范围。根据已有实测数据研究[11],对于汽车而言,人体所能接收的横向加速度变化率范围约为0.4~1.0 m/s3。在铁路线形设计中,一般限制法向加速度变化率在0.3~0.5 m/s3,在公路上加速度变化率的评价指标采用小于0.6m/s3。
3.2 加速度干扰模型
车辆在行驶过程中短时间速度的变化,即点加速度和减速度的大小会对司乘人员产生冲击和振动,造成不舒适感,但不能反映在整个路段加速度变化对乘车舒适性的影响。实践表明,频繁的加速度变化则会造成晕车和恶心的感受,直接影响到行车的舒适性程度。
嘉年华脚垫加速度干扰是用来描述车辆在运行中速度摆动的大小,用加速度对平均加速度的标准差来表示[12-14],该概念是由Hermann在20世纪50年代提出,用来评价不同驾驶员在不同道路环境下行驶的安全性和舒适性,并取得了较好的效果,其公式为:
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