車輛內(nèi)輪差問題的優(yōu)化分析

范朔

【摘 要】由于車輛內(nèi)輪差的存在而導(dǎo)致的交通事故屢見不鮮。對(duì)于大型車輛或是狹窄路況此問題尤為嚴(yán)重。通過建立數(shù)學(xué)模型，借助MATLAB，可以模擬繪制車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前、后內(nèi)側(cè)車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，制作車輛轉(zhuǎn)彎過程動(dòng)畫，分析車輛各參數(shù)與內(nèi)輪差的關(guān)系，進(jìn)而提出由車輛內(nèi)輪差導(dǎo)致的相關(guān)安全問題的解決方案，盡量減少和避免此類事故的繼續(xù)發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；內(nèi)輪差；數(shù)學(xué)建模；事故防范

Optimal Analysis in Difference of Radius Between Inner Wheels

FAN Shuo

（School of Mechanical and Power Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

【Abstract】Traffic accidents caused by the existence of difference of radius between inner wheels always occur. The problem is particularly severe with large vehicles and narrow roads condition. By establishing mathematics model and with the help of MATLAB， the path of front and back wheels of vehicles when turning can be simulated， the animation of vehicles when turning can also be made， so that relationship between different parameters of vehicles and difference of radius between inner wheels can be concluded. Whats more， solutions which aiming at reducing and eliminating the occurrence of traffic accidents caused by difference of radius between inner wheels can be proposed.

【Key words】MATLAB； Difference of radius between inner wheels； Mathematical model； Prevention of accidents

0 引言

車輛內(nèi)輪差指車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑與后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑之差。通常車輛前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑大于后內(nèi)輪，這也就意味著如果車輛的車頭部分以較小的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛的中、后部分會(huì)以一個(gè)更小的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，即車輛在轉(zhuǎn)彎的過程中會(huì)向圓心方向的空間不斷靠近。而這種在轉(zhuǎn)彎過程中的變化通常難以被駕車司機(jī)察覺，造成司機(jī)的“視覺盲區(qū)”。容易理解，倘若在“視覺盲區(qū)”內(nèi)存在行人或是其他機(jī)動(dòng)車輛，事故發(fā)生的可能性將大大提高。實(shí)際上，由于內(nèi)輪差的存在而造成的交通事故屢見不鮮。對(duì)于大型車輛或是狹窄轉(zhuǎn)彎路況而言，此問題尤為嚴(yán)重。

若結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)定性的思考一下內(nèi)輪差問題，不難想象對(duì)于同一類車型，轉(zhuǎn)彎的幅度越小，內(nèi)輪差越小，反之相反。而對(duì)于不同的車型，當(dāng)轉(zhuǎn)彎的幅度相同時(shí)，軸距大的車型內(nèi)輪差大，反之相反。但是從經(jīng)驗(yàn)角度沒有辦法推出一個(gè)具體的內(nèi)輪差數(shù)值概念。本文希望通過建立數(shù)學(xué)模型，借助MATLAB，定量求解內(nèi)輪差問題，增加人們對(duì)于內(nèi)論差的認(rèn)知。在建模的過程中，與其他轉(zhuǎn)彎問題研究一樣[1，2]，我們忽略離心力所引起的側(cè)滑與輪胎變形所引起的側(cè)向偏離對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。

1 內(nèi)輪差建模

1.1 模型一

假設(shè)1：汽車整體為一剛體，轉(zhuǎn)彎的過程中不會(huì)發(fā)生變形；

假設(shè)2：車輛在轉(zhuǎn)彎過程中，內(nèi)前輪與內(nèi)后輪的軌跡均為圓弧，且兩圓弧圓心重合。

當(dāng)rD為車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)，對(duì)應(yīng)的D即為該車的最大內(nèi)輪差。最小轉(zhuǎn)彎半徑的數(shù)值可以從車輛參數(shù)表中方便的獲得，因此利用式（3）可以快速估算車輛的最大內(nèi)輪差。

但由于真實(shí)條件下車輛的轉(zhuǎn)彎軌跡并不是嚴(yán)格的圓弧，因此上述公式實(shí)際上計(jì)算的是車輛內(nèi)輪差的近似值。不過有研究表明[3]，利用該公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差小于10%。因此，上述公式不失為快速估算內(nèi)輪差的好方法。接下來尋找更為精確的建模方法。

1.2 模型二

假設(shè)1：汽車整體為一剛體，轉(zhuǎn)彎的過程中不會(huì)發(fā)生變形；

假設(shè)2：汽車內(nèi)前輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，內(nèi)后輪的軌跡由前輪的運(yùn)動(dòng)而定；

在模型一中我們將內(nèi)側(cè)前、后輪的軌跡都假定為圓弧，但由于在車輛轉(zhuǎn)彎過程中只有前輪起導(dǎo)向作用，所以實(shí)際上后輪的運(yùn)動(dòng)軌跡是受前輪帶動(dòng)而被動(dòng)確定的，并不是按圓弧運(yùn)動(dòng)。因此在模型二中我們只假定前輪的轉(zhuǎn)彎軌跡為圓弧，借助其他條件求解后輪的軌跡。

首先，車輛在轉(zhuǎn)彎過程中軸距并不發(fā)生改變，即內(nèi)前輪（A）、后輪（B）之間的距離不發(fā)生改變，因此有：

此微分方程系統(tǒng)我們可以借助MATLAB快速求解、繪圖。

現(xiàn)假設(shè)汽車內(nèi)側(cè)前輪按xA=7cost；yA=7sint運(yùn)動(dòng)，汽車的軸距l(xiāng)為4米。MATLAB給出的轉(zhuǎn)彎軌跡如下：

圖2 模型二MATLAB作圖結(jié)果

從圖2中可以看出，內(nèi)后輪的軌跡并不是圓弧。圖中兩條曲線所夾區(qū)域即為由內(nèi)輪差造成的轉(zhuǎn)彎過程中車輛發(fā)生的偏移區(qū)域，也即“視覺盲區(qū)”。倘若行人或其他車輛出現(xiàn)在此區(qū)域，則事故發(fā)生率將大大提高。在MATLAB輔助下，內(nèi)輪差問題變得形象而直觀。前后輪的軌跡方程可以通過MATLAB進(jìn)行擬合獲得，進(jìn)而可以計(jì)算如盲區(qū)面積等其他信息。

下面嘗試用控制變量的方法，首先控制車輛的轉(zhuǎn)彎半徑相同，在同一幅圖中繪出不同軸距車輛的內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎軌跡，如圖3（a）所示。再控制車輛的軸距相同，在同一幅圖中繪出不同轉(zhuǎn)彎半徑車輛的內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎軌跡，如圖3（b）所示。這兩幅圖再次說明：內(nèi)輪差隨軸距和轉(zhuǎn)彎幅度的增大而增大。這也從理論上更為形象的闡明了為何如公交車、渣土車等長軸距車更容易在轉(zhuǎn)彎的過程中釀成事故。

（a）不同軸距汽車以相同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎的內(nèi)輪軌跡圖

（b）相同軸距汽車按不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎的內(nèi)輪軌跡圖

圖3

借助模型二，對(duì)參數(shù)已知的車輛（轉(zhuǎn)彎半徑及軸距），我們可以利用MATLAB快速模擬繪制出車輛轉(zhuǎn)彎過程中所形成的“視覺盲區(qū)”，擬合輪胎運(yùn)動(dòng)軌跡方程，計(jì)算盲區(qū)面積等。廣大車輛駕駛員若能由此建立起轉(zhuǎn)彎過程中的警惕意識(shí)，將對(duì)事故的預(yù)防具有積極的意義。廣大群眾由此也應(yīng)得到相應(yīng)的啟示：切忌距離轉(zhuǎn)彎車輛過近，尤其是長軸距車輛或是急轉(zhuǎn)彎車輛。

不過模型二與真實(shí)條件相比依然存在缺陷。在模型二中我們假設(shè)前輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，但是實(shí)際上在轉(zhuǎn)彎的過程中司機(jī)通常進(jìn)行的是“先打輪，再回輪”的操作，也就是說前輪的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)是先減小而后增大的，并不保持定值。因此在模型三中我們將嘗試對(duì)模型二進(jìn)行改進(jìn)，重新假定前輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，并驗(yàn)證模型二中建立的微分方程系統(tǒng)是否依然適用。

1.3 模型三

假設(shè)1：汽車整體為一剛體，轉(zhuǎn)彎的過程中不會(huì)發(fā)生變形；

假設(shè)2：汽車內(nèi)前輪的轉(zhuǎn)彎半徑按一定規(guī)律變化，不保持定值。內(nèi)后輪的軌跡依然由前輪的運(yùn)動(dòng)而定；

根據(jù)車輛內(nèi)前輪在轉(zhuǎn)彎過程中曲率半徑先增大后減小的規(guī)律，我們?cè)谀Ｐ投幕A(chǔ)上假定內(nèi)前輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

經(jīng)分析可知，該函數(shù)在0≤t≤π/4的區(qū)間時(shí)，隨著t的增大，函數(shù)的曲率半徑逐漸增大，并在t=π/4時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)π/4≤t≤π/2時(shí)，函數(shù)的曲率半徑隨t的增大而減小。其變化規(guī)律與實(shí)際汽車轉(zhuǎn)彎曲率半徑變化規(guī)律一致，因此以該函數(shù)作為汽車內(nèi)前輪的軌跡方程做進(jìn)一步分析。

圖4 模型二與模型三內(nèi)前輪軌跡對(duì)比圖

仿照模型二建立微分方程系統(tǒng)，借助MATLAB求解并繪制在該種假設(shè)下內(nèi)側(cè)前、后輪的軌跡圖，將其與模型二所繪車輪軌跡進(jìn)行比較：

圖5 模型二與模型三內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎軌跡對(duì)比圖

理論上模型三所示軌跡更接近于車輛實(shí)際轉(zhuǎn)彎過程中的內(nèi)輪軌跡。模型三的建立也同時(shí)說明了模型二中所使用的微分方程系統(tǒng)具有很好的可遷移性。因此，倘若需要實(shí)際條件下準(zhǔn)確的車輛內(nèi)輪軌跡，通過記錄車輛轉(zhuǎn)彎過程中的車輪位置信息，擬合出內(nèi)側(cè)前輪的軌跡方程，套用模型二中的微分方程系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)。

此外，筆者除利用MATLAB模擬繪制了車輛內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎軌跡外，還借助其動(dòng)畫制作功能制作了內(nèi)輪差形成的動(dòng)畫。筆者認(rèn)為通過動(dòng)畫可以更加形象的幫助理解由于內(nèi)輪差的存在而導(dǎo)致的內(nèi)側(cè)前、后輪軌跡的形成過程。若未來能將動(dòng)畫或是軌跡圖像應(yīng)用于針對(duì)內(nèi)輪差問題的相關(guān)教學(xué)中，將會(huì)收到很好的效果。

2 總結(jié)

文章中所建立的三個(gè)內(nèi)輪差模型各有特點(diǎn)。模型一可方便的對(duì)內(nèi)輪差進(jìn)行估算，而在MATLAB的輔助下，模型二和模型三則可以更加準(zhǔn)確的描述內(nèi)輪差問題。但需注意的是，本文中的三個(gè)模型只針對(duì)可視作剛體的車輛。

通過查閱幾類車型的汽車參數(shù)表，利用MATLAB繪制了車輛軸距與內(nèi)輪差的關(guān)系圖（圖6），從圖中可以明顯看出：隨軸距增大內(nèi)輪差也增大。同時(shí)還繪制了車輛輪距和最小轉(zhuǎn)彎半徑與內(nèi)輪差的關(guān)系圖（圖7、圖8），可以看出內(nèi)輪差隨輪距和最小轉(zhuǎn)彎半徑的增大也呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。

圖6 車輛軸距與內(nèi)輪差關(guān)系圖

圖7 車輛輪距與內(nèi)輪差關(guān)系圖

對(duì)內(nèi)輪差問題的研究主要是為了更好的預(yù)防由于內(nèi)輪差而引起的交通事故的發(fā)生。經(jīng)估算，對(duì)軸距不超過3m的小型車而言，其內(nèi)輪差一般不會(huì)超過1m，約為0.8m至1m；對(duì)軸距在3m至5m的中型車而言，其內(nèi)輪差增大，約為1m至1.5m；對(duì)于軸距超過5m的大型車而言，其內(nèi)輪差則可能達(dá)到2m甚至以上。掌握這些數(shù)據(jù)對(duì)避免事故的發(fā)生有著重要意義。于行人而言，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離正在過彎中的車輛，尤其是公交車等大型車輛，并至少保持2m以上的安全距離。于駕駛者而言，應(yīng)充分考慮到所駕車型軸距，最好估算出所駕車型內(nèi)輪差，提前觀察轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)是否有其他機(jī)動(dòng)車輛或行人活動(dòng)，控制車的轉(zhuǎn)向角度。尤其是行駛在傍山險(xiǎn)路或是臨崖路段，若忽視內(nèi)輪差后果將極為嚴(yán)重，相關(guān)事故曾有過記載[4]。此外有研究指出[5]，車速對(duì)駕駛者的視野會(huì)造成影響：車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，駕駛員雙眼的視野范圍約210°；40km/h，雙眼的視野范圍約100°；70km/h，雙眼的視野范圍約65°；100°km/h，雙眼的視野范圍只約40°。因此轉(zhuǎn)彎的過程中減速慢行也更有利于駕駛者觀察路況，避免交通事故的發(fā)生。

圖8 車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑與內(nèi)輪差關(guān)系圖

此外，借助該問題的研究，可以發(fā)現(xiàn)MATLAB對(duì)于求解微分方程系統(tǒng)的極大幫助。不只是運(yùn)動(dòng)學(xué)，諸多領(lǐng)域中的系統(tǒng)，如生物反應(yīng)過程、化學(xué)反應(yīng)速率、電子系統(tǒng)等都可以通過微分方程進(jìn)行描述，這也就意味著可以利用MATLAB輔助研究這些問題。通過計(jì)算機(jī)編程，不僅可以方便的計(jì)算復(fù)雜的實(shí)際問題，同時(shí)可以將結(jié)果可視化[6]。因此，MATLAB作為強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，無論對(duì)于工程實(shí)踐或是教學(xué)都具有很高價(jià)值，應(yīng)當(dāng)更加普及與推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蕭建英.汽車及汽車列車轉(zhuǎn)彎過程的研究[J].汽車技術(shù)，1986（08）：25-27.

[2]李相彬.汽車列車轉(zhuǎn)彎過程的分析及其最小轉(zhuǎn)彎半徑的確定[J].汽車技術(shù)，1981（11）：18-21.

[3]陳思嘉，巫宇霞，楊平.汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)由內(nèi)輪差引發(fā)的交通事故原因建模與分析[J].數(shù)學(xué)通報(bào)，2013（12）：55-57.

[4]阿仁.內(nèi)輪差與外輪差[J].汽車駕駛員，1998（8）：15.

[5]萬祿義.公交車“內(nèi)輪差”，不容忽視[J].人民公交，2012（1）：71.

[6]李彤，闞文彬，曹昱彭.學(xué)習(xí)MATLAB應(yīng)從大一開始[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008（8）：102-104.

[7]Holly Moore. MATLAB實(shí)用教程[M].高會(huì)生，劉童娜，李聰聰，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8]王鐸.理論力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[9]張志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：湯靜]