道路減速帶的參數優化研究

摘要：傳統的汽車減速帶對高速和低速通過的車輛產生的振動影響差別不十分明顯，導致速度控制效果不佳，在分析減速帶的工作原理和理想減速帶的特性要求基礎上，建立典型道路減速帶的臨界速度與尺寸參數之間的數學模型，通過優化研究得出控制不同期望車速的減速帶尺寸，使低於該速度的車輛的乘坐舒適性不會受到太大的影響，高於該速度的車輛平順性大幅降低，達到良好的速度控制效果。

關鍵詞：道路；減速帶；參數優化

道路減速帶是一種強制交通安全設施，可控制車輛行駛速度，保障行車安全。一般設置在小區、學校、市區公路等部位。現有的道路減速帶的寬度普遍為300-500mm，高度為30-100mm，這種減速帶雖然在一定程度上起到了降低車速的目的，但是無論車速高低其對車的平順性和對車輛的衝擊的影響都很大，使得控制車速的效果不佳，為了對減速帶的減速特性進行改進，黎熊等研究了減速帶的形狀對車輛平順性的影響[1]，針對汽車高速和低速通過時振動差別不大，速度控制效果不明顯的缺點，提出了改變減速帶形狀改善振動的方法；張韋華等研究了道路減速帶對車輛平順性的影響，採用實車道路試驗方法，得到了在車身加速度和車軸加速度隨車速變化的關係。AI Hun aidi M 0等，研究了車輛懸掛對通過減速帶引起振動的影響[3]。

本文在前人的研究基礎上建立了車速與減速帶尺寸參數之間的數學模型，通過參數優化，可以確定相應於期望的臨界控制速度下的減速帶結構尺寸，達到即較好的控制車速，又能在低速下不過分影響行車平順性的目的。

1.減速帶的減速原理

減速帶通過影響駕駛員的心理反應和刺激人的生理感覺實現車輛減速。車輛經過減速帶時，路面突然的凹凸變化給輪胎一個垂直方向的作用力，使其產生加速度，這個加速度通過車身和座椅傳遞給乘座人員，當這種振動較劇烈時，使人產生強烈的不舒適感覺，給人以生理感覺刺激。由於減速帶對人的生理感覺會產生很大的影響，在設置帶速帶的地方就會刺激駕駛員的心理，使其產生不安全的顧慮，降低乘座舒適性的期望值。通過減速帶對駕駛人員生理和心理的影響，促使其選擇較低的車速通過減速帶。國內外的相關研究表明，正確設計、合理佈置減速帶可以大幅降低車輛行駛速度，減少事故發生率[2]。

2.理想減速帶的特性

設置減速帶的目的是限制車輛的行駛速度，將車速降低至期望的範圍以內。因此在車輛行駛速度較低時，通過減速帶時對乘座舒適性不應產生較大的影響；在行駛速度較高時通過減速帶應降低乘座舒適性。但是必須保證無論在任何情況下不會發生車輛失控，零部件不發生斷裂等危險情況，具有行駛安全性和結構安全性。

圖1為理想減速帶的速度特性，隨著車速增加行駛安全性略有降低，但車輛平順性並沒有太大的變化，在這個速度段乘車舒適性和安全性均處於一個較高的水平；當車速高於道路限速的一定範圍內（V1～V2）時，乘車平順性和行駛安全性均快速降低，給人的生理和心理產生不舒服感和強烈的刺激，迫使其降低行車速度；當車速高於一定速度（V2）時，行駛平順性和乘車安全性均維持在一個穩定的較低水平，不再隨車速的增加而惡化，以保證車輛和乘客的安全性。圖2為理想減速速帶時車輛行駛速度與車身振動強度之間的關係[1]。在車輛速度低於道路限速[V1]時，車身振動強度維持在較低水平，當車速高於道路限速的一定範圍內（V1～V2之間），隨車速增加減速帶對車身的振動強度增大，但最終的振動強度應保持在安全強度之內，避免對車輛產生破壞，發生事故。

3.傳統道路減速帶存在的問題

目前我國常用的速度控制線是物理型強制減速設施，主要包括駝峰減速帶、比利時路面、波浪形緩坡、振動減速帶、三維視覺減速帶等5種[4]。統計調查發現：在以上減速設施中，效果最好的是駝峰式減速帶。駝峰道路減速帶是應用最廣泛的道路減速設施，是沿路寬方向的凸起的區域由橡膠製成，通常高度為30～100mm，寬度為300～500mm。橫截面主要有4種型式，如圖3所示正弦線、圓弧線、拋物線和折線。

圖3 駝峰道路減速帶

這類減速帶普遍存在著一些缺陷，車輛無論行駛在高速或低速狀態通過減速帶時都會產生劇烈的振動，影響乘座舒適性，這就失去了設置減速帶控制車速的意義，導致架駛人員無視減速帶的存在，仍以高速通過。資料[5]中進行了減速帶對速度控制效果研究，在坡度為6％的直長下坡上設置6組減速帶，車輛分別以：50～60km/h，60～70 km/h，70～80 km/h，80～90 km/h和＞90 km/h的速度行駛考察過減速帶的效果，試驗結果表明，雖然車輛駛出減速帶的速度有了明顯降低，但是速度較高時減速效果並不十分理想，沒有一個明顯的突變過程，即當速度高於一定值時，車速大幅下降，達到強制減速的目的，如表1所示。

表1駛入和駛出減速帶的速度

4.減速帶尺寸參數優化

圖3所示的駝峰減速帶，當行駛車輛經過減速帶時，存在著臨界速度，低於臨界速度車輪會沿著減速帶的表面流動，高於臨界速度時，車輛則從減速帶的頂部成自由落體跳過減速帶，發生跳車現象。發生跳躍現象時，車輪與地面接觸的一瞬間的衝擊力是車體本身質量的數倍，從理論上分析，在衝擊過程中車輛的垂直方向速度由向下變為向上，產生了突變，其間加速度會變到一個很大的數值。即在車輛經過減速帶的過程中，發生衝擊的瞬間是乘坐舒適性最差的階段。此時的撞擊力Fhit可由式（1）[6]

式中：m—車輛質量；k—輪胎剛度；V—車輛垂直下落速度。

根據理想減速特性的要求，在車輛低於期望速度經過減速帶時，對乘客的舒適性不應產生較大的影響；當速度高於期望速度時，產生較劇烈的振動，給生理和心理產生強烈刺激。因此需要駝峰減速帶的尺寸參數進行優化，確定與不同臨界速度相對應的尺寸參數，當速度高於臨界值時發生跳車現象，產生衝擊振動，選用折線形駝峰道路減速帶建立數學模型進行尺寸參數優化，見圖4所示。

圖中x軸為減速帶的斜坡寬度，y軸為減速帶高度。其斜坡曲線方程為式（2）。

y（2）式中：a—斜坡的斜率；b—斜坡高度

車輪跳躍後自由下落的距離由式（3）表示；車輪沿減速帶的滾動下降的高度由式（4）計算，建立自由下落距離與沿減速帶下落距離之差關係式，見式（5）。

當車輛速度滿足式（7）時，便會發生跳躍現象。可以通過改變駝峰減速帶的尺寸參數，改變車輛跳躍的臨界速度。

5.結論

（1）設置減速帶的目的是限制車輛的行駛速度，通過影響駕駛員的心理和生理，迫使其將車速降低至期望的範圍以內。理想的減速特性是在低於期望車速時對車輛的平順性影響較小，在高於期望車速時大幅降低乘坐舒適性。

（2）通過對減速帶建立數學模型，確定與臨界車速相對應的尺寸參數之間的關係，可以根據不同臨界車速的要求，優化減速帶的結構尺寸，使車速低於臨界值時，車輪沿表面滾動；高於臨界值時，發生跳躍，產生衝擊，達到較好的控制車速的目的。

參考文獻

[1]黎熊、劉彩，道路減速帶形狀對車輛至順性影響研究[J]輪胎工業，2010，30：54～56；

[2]張韋華、魏朗。道路減速帶對車輛平順性和安全性的影響[J]長安大學學報；自然科學版，2008，28：95～98；

[3]AI Hunaidi M O,Rainer J H .Control of Traffic-inducedvibratim in Building Using vehicle Suspension systems[J].soil Dynamics andEngineering,1996,15:245-254.

[4]韓豔、山程明，減速帶減速原理及應用[J]。道路交通與安全，2009，9：16～20.

[5]王超、孫小端，振動減速帶的速度控制效果研究[J]西部交通科技，2009，19：10～13.

[6]鍾雲華、黃小清，剛性護欄在事故碰撞中的衝擊力計算[J]暨南大學學報：自然科學版，1999，20：38～41；

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