快速道路横风下安全行车速度确定方法

摘要

快速道路横风下安全行车速度确定方法，针对横风下车辆发生侧滑的现象，建立快速道路上车辆在横风条件下发生侧滑现象的必要条件，并在此基础上根据道路线形特征、天气状况、横风大小和车型特性确立合理的安全行车速度，保证车辆横向行驶稳定性，提高横风条件下快速道路上车辆的行驶安全性。本发明克服了现有限速方法无法保证车辆横向行驶稳定性的技术缺陷与不足，可以用来作为快速道路上经常出现横风路段的限速方法，以提高车辆的行驶安全。

主权项

1.快速道路横风下安全行车速度确定方法，其特征是包括以下步骤：1)对于需要进行横风车速控制的路段，获取其路面参数，包括路线转弯半径R，路线横坡α以及路面摩擦系数μ_s，其中路面摩擦系数μ_s在不同天气状况下对应不同的值；2)确立快速道路上常见车型的基本参数，包括车辆质量m，单位为kg，正投影面积A，单位为m²，升力系数k_CL，侧向系数k_CS，这4个参数可以通过查阅规范直接获取；3)车辆受到横风侧向气动力、车辆惯性力、车辆重力以及横风产生的气动升力和路面摩擦力的共同作用，在侧向气动力和惯性力共同作用下，车辆产生侧向滑移，失去正常行驶能力，侧滑的必要条件为：F_I+F_s≥F_f+G_α                            (1)根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力：$F_I={\mathrm{mU}}_{\mathrm{car}}^2/R---\left(2\right)$其中，U_car为车辆速度，这里采用快速公路上限速值；根据路面参数和车辆参数计算车辆惯性力，以及车辆重力沿斜坡方向上的重力分量：G_α＝mg sin α                            (3)计算车辆由于横风作用下受到的侧向气动力大小：F_s＝1/2C_sρU²A                            (4)其中ρ为空气密度，取1.2kg/m³；U为绝对风速，即风速U_wind和车速U_car的合成速度，C_S为侧向气动力系数，C_s＝k_CSβ，β为风向角，β＝tan^-1U_wind/U_car；计算车辆由于横风作用下受到的气动升力大小：F_L＝1/2C_LρU²A                           (5)其中，C_L为侧向气动力系数，C_L＝k_CLβ；计算车辆的路面摩擦力F_f＝μ_s(mg cosα-F_L)  (6)其中，μ_s为路面摩擦系数，F_L为车辆由于横风作用下受到的气动升力大小；4)根据式(2)～(6)计算引起车辆侧滑的力F＝F_I+F_S和车辆抗侧滑力R＝F_f+G_a，比较在当前限速条件下，引起车辆侧滑的力F与车辆抗侧滑力R的大小，如果侧滑力F＜抗侧滑力R，则当前限速不需要修改，即将当前限速作为横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度；如果侧滑力F≥抗侧滑力R，需要对限速进行调整进入步骤5)；5)设安全行驶速度为U_car’，将U_car’作为未知数带入公式(2)、(3)、(4)、(6)中的U_car，计算侧滑力F和抗侧滑力R关于U_car’的表达式，并令F＝R，得到如下方程式：${{\mathrm{mU}}_{\mathrm{car}}^2}^{\prime }/R+\frac{1}{2}\rho {\mathrm{Ak}}_{\mathrm{CS}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\prime }}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\prime })$$={\mu }_s[\mathrm{mg}\cos \alpha -\frac{1}{2}\rho {\mathrm{Ak}}_{\mathrm{CL}}{\tan }^{-1}\frac{U_{\mathrm{wind}}}{{U_{\mathrm{car}}}^{\prime }}(U_{\mathrm{wind}}^2+{U_{\mathrm{car}}^2}^{\prime })]+\mathrm{mg}\sin \alpha ---\left(7\right)$解方程式(7)，得到横风作用下快速道路上车辆的安全行驶速度U_car’，若方程式(7)没有解，则表明在这种情况下，车辆即使在禁止情况下也会发生侧滑现象，应该关闭此段快速道路。