直線路段小客車急轉(zhuǎn)向行為行車風險分析

邵東建，華貴龍，馬向南

(長安大學公路學院，陜西西安710064)

道路交通事故由人、車、路、環(huán)境等多方面因素綜合作用所引起，而不良駕駛行為(如急轉(zhuǎn)向)是造成交通事故的一個重要因素。根據(jù)Kraft等人的調(diào)查［1］，當車速在80 km/h～100 km/h，造成人員傷害的交通事故有40%與車輛急轉(zhuǎn)向有關(guān)，當車速達到160 km/h時，幾乎所有的交通事故都是由于車輛的急轉(zhuǎn)向?qū)е碌?。因此，在急轉(zhuǎn)向等不良駕駛行為下對車輛行車風險進行分析，對提高道路安全水平具有重要意義。

車輛在高速行駛時急轉(zhuǎn)向，在受到大離心力的作用下會使得車輛的橫向穩(wěn)定性降低，車輛發(fā)生失穩(wěn)的風險增加，最終導致交通事故。前人在提高橫向穩(wěn)定性、降低事故發(fā)生風險方面已經(jīng)進行了大量地研究:BMW與BOSCH公司［1］在ABS/ASR的基礎(chǔ)上開發(fā)了動力學穩(wěn)定控制系統(tǒng)(DSC)，該系統(tǒng)通過橫擺角速度反饋控制來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出扭矩，進而實現(xiàn)對車輛行駛方向和穩(wěn)定性的控制;羅京等［2］考慮車輛懸架及輪胎彈性變形的影響，推導出公路平面設(shè)計指標計算方法和公式，給出為保證車輛橫向行駛安全舒適條件下的橫向力系數(shù)推薦取值及不同設(shè)計速度時的圓曲線極限最小半徑;楊濤等［3］針對車輛橫向穩(wěn)定性控制中的非線性問題，提出了一種基于預測控制的車輛橫向穩(wěn)定性控制方法;賀宜等［4］采用側(cè)翻穩(wěn)定性指標LTR和側(cè)滑穩(wěn)定性指標EG，定量分析路面附著系數(shù)對車輛橫向穩(wěn)定性的影響。將風險分析理論運用于道路安全評價的研究較少，在對橫向穩(wěn)定性的研究中，可以考慮方向盤轉(zhuǎn)角的輸入及轉(zhuǎn)向用時對急轉(zhuǎn)向行車風險的影響。本文以此為切入點，分析了影響急轉(zhuǎn)向行車風險的因素及因素的影響強弱。

1 直線路段轉(zhuǎn)向時行車風險分析及風險評價指標

風險是指某一特定危險情況發(fā)生的可能性及其后果。將風險分析理論用于直線路段轉(zhuǎn)向時行車風險分析可理解為:小客車以速度V在直線路段上行駛，在某一時刻遇到緊急情況，駕駛員采取轉(zhuǎn)向，此時小客車的瞬時行駛軌跡是沿轉(zhuǎn)彎半徑R(轉(zhuǎn)向半徑與方向盤轉(zhuǎn)角有關(guān))運動，由于受到離心力的作用，有向外運動的趨勢(側(cè)滑)，速度越大、半徑越小，趨勢越明顯，同時這種趨勢還應與轉(zhuǎn)向所用時間有關(guān)。趨勢的變化會導致可能性的改變，當可能性達到100%時，就會發(fā)生側(cè)滑，危及行車安全。

目前，國內(nèi)外對小客車的風險分析指標有橫向偏移比、橫擺角速度等。若采用橫向偏移比作為風險分析指標，一方面只有當車輛發(fā)生側(cè)滑行為時，才會有顯著的偏移量，另一方面，產(chǎn)生偏移量的大小需按照完全偏移車道或部分偏移車道進行分級，較為繁瑣。而若采用橫擺角速度作為風險分析指標，由于目前的《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》對小客車的取值只給出了大概范圍，不好控制閾值。因此，本文擬采用一種新的風險分析指標—臨界附著系數(shù)。

臨界附著系數(shù)是指小客車每個車輪所受的側(cè)向力與垂直力的比值取絕對值后的最大值，計算公式為:

式中:μ(z)為不同樁號下的臨界附著系數(shù);i=1，2，3，4，分別表示前左輪、前右輪、后左輪、后右輪;FYi(z)為不同樁號下輪胎側(cè)向力;Fzi(z)為不同樁號下輪胎垂直力。

選用臨界附著系數(shù)作為風險分析指標是考慮速度增大、轉(zhuǎn)彎半徑減小，會導致離心力的增加，而路面所能提供的附著系數(shù)是一定的，即路面所能提供的附著力是一定的，臨界附著系數(shù)可以表示離心力等于附著力這一臨界情況，小于此值，行車安全，大于此值，行車危險。

2 仿真系統(tǒng)模型

Carsim軟件是專門針對車輛動力學的仿真軟件，可以仿真車輛對駕駛員、路面及空氣動力學輸入的響應，主要用以仿真和預測整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經(jīng)濟性，其廣泛地應用于現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)。

很多學者早已運用Carsim軟件做了很多有意義的研究:肖闖等［5］應用Carsim軟件的車輛動力學模型(S函數(shù))，在Matlab/Simulink中對車輛動力學模型進行穩(wěn)定性控制仿真;朱茂桃等［6］根據(jù)Carsim軟件中路面文件的特點，建立了三維虛擬路面模型，并結(jié)合建立的車輛模型在軟件中進行了隨機路面平順性仿真分析。本文借助Carsim軟件進行仿真分析，在不依賴于交通事故統(tǒng)計資料的情況下，分析急轉(zhuǎn)向?qū)煌ò踩挠绊憽?/p>

2.1 仿真模型建立

2.1.1 駕駛員模型

在人－車－路閉環(huán)系統(tǒng)仿真中，駕駛員模型由方向控制和速度控制組成。在Carsim軟件建模中，在方向控制方面，設(shè)定車輛沿道路的預先跟蹤軌跡行駛，但在某一時刻進行一個轉(zhuǎn)向操作。在速度控制方面，由于本文研究的是勻速行駛的小客車，故車速設(shè)置為定值。

2.1.2 道路模型

本文研究的小客車行駛的穩(wěn)定性是在直線路段進行的，需要構(gòu)建合適的道路模型。

Carsim中道路模型可在Additional Data模塊中輸入。選擇3D道路，在下一級菜單的道路平面模塊，輸入不同樁號下的坐標值得到道路平面線形(本文為直線);在道路縱斷面模塊中，通過輸入起終點高程(本文不考慮縱坡影響，縱坡坡度為0，起終點高程均為0)得到道路縱斷面線形;在道路橫斷面模塊中，通過輸入典型橫斷面下道路左、中、右側(cè)高程得到道路橫斷面線形(本文研究直線段，只考慮路拱橫坡)。

本文研究的是小客車不發(fā)生側(cè)滑時的所需附著系數(shù)變化規(guī)律，以期分析發(fā)生側(cè)滑時的情況，由于附著系數(shù)的改變只影響道路所能提供的最大靜摩擦力的大小，因此在不發(fā)生側(cè)滑時，附著系數(shù)的取值對研究沒有影響，故可以取為定值，本文取0.95。

2.1.3 車輛模型

Carsim中車輛模塊分為車體參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)兩大模塊:車體參數(shù)包括車輛的尺寸、質(zhì)量等外觀信息;系統(tǒng)參數(shù)分為引擎、制動系、轉(zhuǎn)向系、懸架、輪胎5個子模塊。表1列出了一些重要的車體參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)。

表1 車輛參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果輸出形式

根據(jù)式(1)可知:為得到臨界附著系數(shù)，需要得到不同樁號下輪胎的側(cè)向力和垂直力。因此，在Carsim中建立整車模型后，在其Plot Definitions模塊，將輸出變量依次定義為Fy—Lateral Forces(輪胎所受側(cè)向力)、Fz—Vertical Forces(輪胎所受垂直力)。然后，Carsim內(nèi)置的Simulink工具根據(jù)輸出信號，設(shè)置車輛的仿真策略，輸出變量的具體數(shù)值。

3 直線路段轉(zhuǎn)向時行車風險影響因素分析

直線路段轉(zhuǎn)向時行車風險發(fā)生的根本原因在于，路面提供的附著力不足以抵抗由于急轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生的離心力，如圖1所示(藍色車輛正常行駛，紅色車輛由于急轉(zhuǎn)向側(cè)滑失穩(wěn))。理論上，各種道路因素對離心力均有可能產(chǎn)生影響，且各因素的影響也存在強弱之分。因此，需要逐一分析確定每種因素對曲線路段行車風險是否確有影響及各因素對曲線路段行車風險影響的強弱。

圖1 急轉(zhuǎn)向失穩(wěn)

3.1 單因素分析

3.1.1 仿真策略

本文研究車速、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向用時對直線路段急轉(zhuǎn)向時行車風險是否產(chǎn)生影響，表2列出了本次試驗的仿真策略。

表2 考慮不同道路參數(shù)條件下仿真策略

3.1.2 仿真結(jié)果分析

圖2的縱坐標均為μ，橫坐標均為樁號，0～300 m均為直線段。圖a、b、c分別反映了在不同車速、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向用時情況下，臨界附著系數(shù)μ隨樁號變化情況。

圖2中，在0～15 m時μ變化幅度很大，原因是車速從零到以一定速度勻速行駛，需要一個過渡段;在15～100 m時，由于過渡已經(jīng)完成，故μ保持穩(wěn)定狀態(tài);在100 m時，開始轉(zhuǎn)向，并用一定的轉(zhuǎn)向時間去回正，從而完成一個完整的轉(zhuǎn)向并回正的操作過程，由于轉(zhuǎn)向會產(chǎn)生側(cè)向力，所以在100 m往后的約50 m范圍內(nèi)，附著系數(shù)有著顯著的波動，直至方向盤回正;在150～300 m，由于方向盤回正，車輛不再受側(cè)向力的作用，故μ很小且基本保持不變。

圖2 不同參數(shù)條件下路面臨界附著系數(shù)

從圖2中的5條曲線可以看出:隨著車速的提高，μ逐漸增大;隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，μ逐漸增大;隨著轉(zhuǎn)向用時的增加，μ逐漸增加。因此，μ與車速、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向用時均呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2 多因素分析

3.2.1 仿真策略

本文需要分析車速、方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向用時對直線路段小客車轉(zhuǎn)向時行車風險影響的強弱。因此，各選取5組數(shù)據(jù)(見表3)。

表3 因素及水平表

3.2.2 正交試驗

由表3可知，本次試驗需要考慮3種影響因素的5種水平，如果將這些數(shù)據(jù)全部考慮，數(shù)據(jù)很多，工作量大，因此采用正交試驗縮減試驗的數(shù)據(jù)組，選用L25(56)正交試驗表，仿真結(jié)果見表4。

表4 基于臨界附著系數(shù)μ的離差及方差分析結(jié)果

3.2.3 仿真結(jié)果分析

從表4可以看出:

(1)SSθ＞SSV＞SSt，即影響因素的主次順序(由強到弱)為方向盤轉(zhuǎn)角、車速、轉(zhuǎn)向用時。原因在于，方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向半徑呈正比關(guān)系，對方向盤施加轉(zhuǎn)角才能產(chǎn)生側(cè)向力，即如果車輛沿直線行駛，不施加轉(zhuǎn)角，即使車速再大，理論上都不會產(chǎn)生側(cè)向力。方向盤轉(zhuǎn)角的增減導致側(cè)向力變化幅度最大，而離心力與速度的平方呈正比，且離心力與側(cè)向力是一對反力。因此，速度的平方與側(cè)向力呈正比，即速度的增減導致側(cè)向力變化幅度也比較大。而對于特定車輛而言，由于轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的離心力僅與轉(zhuǎn)向半徑和速度有關(guān)。轉(zhuǎn)向用時對側(cè)向力的影響最小。

(2)車速、方向盤轉(zhuǎn)角的F值高于臨界值，而轉(zhuǎn)向用時t的F值低于臨界值。因此，車速及方向盤轉(zhuǎn)角對直線路段小客車轉(zhuǎn)向時行車風險有顯著影響，而轉(zhuǎn)向用時影響不顯著。

4 結(jié)論

(1)以車輛動力學原理為基礎(chǔ)，基于Carsim軟件，仿真小客車以不同速度沿直線行駛時，方向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向用時對小客車行車風險的影響，發(fā)現(xiàn)速度、方向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向用時對小客車的行車風險均會產(chǎn)生影響。

(2)采用正交試驗縮減試驗數(shù)據(jù)，運用數(shù)理統(tǒng)計知識分析各種因素的影響強弱及顯著程度，影響強弱由大到小排序為:方向盤轉(zhuǎn)角、車速、轉(zhuǎn)向用時，且方向盤轉(zhuǎn)角和車速影響顯著，而轉(zhuǎn)向用時影響不顯著。

(3)本文僅以單一小客車車型作為研究對象，未考慮不同車型對急轉(zhuǎn)向行車風險的影響，在下一階段研究中，應考慮車型的影響，以完善得到的結(jié)論。

［1］ Kraft H J，Leffler H.The integrated brake and stability control system of the new BMW 850i［R］.SAE Technical Paper，1990.

［2］ 羅京，張冬冬，郭騰峰.大型車輛橫向穩(wěn)定性對公路設(shè)計極限平曲線半徑取值的影響分析［J］.中國公路學報，2010(S2):42－46.

［3］ 楊濤，宋丹丹.彎道路面車輛穩(wěn)定性的預測控制仿真［J］.公路交通科技，2012(10):29.

［4］ 賀宜，褚端峰，吳超仲，等.路面附著條件對車輛橫向穩(wěn)定性影響的量化分析［J］.武漢理工大學學報:交通科學與工程版，2014，38(4):784－787.

［5］ 肖闖，黃江，易高.基于Caisim的車輛穩(wěn)定性控制仿真［J］.專用汽車，2007(6):36－38.

［6］ 朱茂桃，邵長征，王國林.基于Carsim的路面模型重構(gòu)及車輛平順性仿真分析［J］.機械設(shè)計與制造，2010(10):78－80.

［7］ 孫璐，游克思，王易陽，等.道路因素對車輛側(cè)翻的影響分析［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(3):644－648.