道路减速带的参数优化研究
摘要：传统的汽车减速带对高速和低速通过的车辆产生的振动影响差别不十分明显，导致速度控制效果不佳，在分析减速带的工作原理和理想减速带的特性要求基础上，建立典型道路减速带的临界速度与尺寸参数之间的数学模型，通过优化研究得出控制不同期望车速的减速带尺寸，使低于该速度的车辆的乘坐舒适性不会受到太大的影响，高于该速度的车辆平顺性大幅降低，达到良好的速度控制效果。
关键词：道路；减速带；参数优化
道路减速带是一种强制交通安全设施，可控制车辆行驶速度，保障行车安全。一般设置在小区、学校、市区公路等部位。现有的道路减速带的宽度普遍为300-500mm，高度为30-100mm，这种减速带虽然在一定程度上起到了降低车速的目的，但是无论车速高低其对车的平顺性和对车辆的冲击的影响都很大，使得控制车速的效果不佳，为了对减速带的减速特性进行改进，黎熊等研究了减速带的形状对车辆平顺性的影响[1]，针对汽车高速和低速通过时振动差别不大，速度控制效果不明显的缺点，提出了改变减速带形状改善振动的方法；张韦华等研究了道路减速带对车辆平顺性的影响，采用实车道路试验方法，得到了在车身加速度和车轴加速度随车速变化的关系。AI Hun aidi M 0等，研究了车辆悬挂对通过减速带引起振动的影响[3]。
本文在前人的研究基础上建立了车速与减速带尺寸参数之间的数学模型，通过参数优化，可以确定相应于期望的临界控制速度下的减速带结构尺寸，达到即较好的控制车速，又能在低速下不过分影响行车平顺性的目的。
1.减速带的减速原理
减速带通过影响驾驶员的心理反应和刺激人的生理感觉实现车辆减速。车辆经过减速带时，路面突然的凹凸变化给轮胎一个垂直方向的作用力，使其产生加速度，这个加速度通过车身和座椅传递给乘座人员，当这种振动较剧烈时，使人产生强烈的不舒适感觉，给人以生理感觉刺激。由于减速带对人的生理感觉会产生很大的影响，在设置带速带的地方就会刺激驾驶员的心理，使其产生不安全的顾虑，降低乘座舒适性的期望值。通过减速带对驾驶人员生理和心理的影响，促使其选择较低的车速通过减速带。国内外的相关研究表明，正确设计、合理布置减速带可以大幅降低车辆行驶速度，减少事故发生率[2]。
2.理想减速带的特性
设置减速带的目的是限制车辆的行驶速度，将车速降低至期望的范围以内。因此在车辆行驶速度较低时，通过减速带时对乘座舒适性不应产生较大的影响；在行驶速度较高时通过减速带应降低乘座舒适性。但是必须保证无论在任何情况下不会发生车辆失控，零部件不发生断裂等危险情况，具有行驶安全性和结构安全性。
图1为理想减速带的速度特性，随着车速增加行驶安全性略有降低，但车辆平顺性并没有太大的变化，在这个速度段乘车舒适性和安全性均处于一个较高的水平；当车速高于道路限速的一定范围内（V1～V2）时，乘车平顺性和行驶安全性均快速降低，给人的生理和心理产生不舒服感和强烈的刺激，迫使其降低行车速度；当车速高于一定速度（V2）时，行驶平顺性和乘车安全性均维持在一个稳定的较低水平，不再随车速的增加而恶化，以保证车辆和乘客的安全性。图2为理想减速速带时车辆行驶速度与车身振动强度之间的关系[1]。在车辆速度低于道路限速[V1]时，车身振动强度维持在较低水平，当车速高于道路限速的一定范围内（V1～V2之间），随车速增加减速带对车身的振动强度增大，但最终的振动强度应保持在安全强度之内，避免对车辆产生破坏，发生事故。
3.传统道路减速带存在的问题
目前我国常用的速度控制线是物理型强制减速设施，主要包括驼峰减速带、比利时路面、波浪形缓坡、振动减速带、三维视觉减速带等5种[4]。统计调查发现：在以上减速设施中，效果最好的是驼峰式减速带。驼峰道路减速带是应用最广泛的道路减速设施，是沿路宽方向的凸起的区域由橡胶制成，通常高度为30～100mm，宽度为300～500mm。横截面主要有4种型式，如图3所示正弦线、圆弧线、抛物线和折线。
图3 驼峰道路减速带
这类减速带普遍存在着一些缺陷，车辆无论行驶在高速或低速状态通过减速带时都会产生剧烈的振动，影响乘座舒适性，这就失去了设置减速带控制车速的意义，导致架驶人员无视减速带的存在，仍以高速通过。资料[5]中进行了减速带对速度控制效果研究，在坡度为6％的直长下坡上设置6组减速带，车辆分别以：50～60km/h，60～70 km/h，70～80 km/h，80～90 km/h和＞90 km/h的速度行驶考察过减速带的效果，试验结果表明，虽然车辆驶出减速带的速度有了明显降低，但是速度较高时减速效果并不十分理想，没有一个明显的突变过程，即当速度高于一定值时，车速大幅下降，达到强制减速的目的，如表1所示。
表1驶入和驶出减速带的速度
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驶入速度/KM/H |
驶出速度/KM/H |
减速效果/％ |
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64.5 |
51.5 |
20 |
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74.4 |
58 |
22 |
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84.3 |
66.6 |
21 |
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95.7 |
77 |
19.5 |
4.减速带尺寸参数优化
图3所示的驼峰减速带，当行驶车辆经过减速带时，存在着临界速度，低于临界速度车轮会沿着减速带的表面流动，高于临界速度时，车辆则从减速带的顶部成自由落体跳过减速带，发生跳车现象。发生跳跃现象时，车轮与地面接触的一瞬间的冲击力是车体本身质量的数倍，从理论上分析，在冲击过程中车辆的垂直方向速度由向下变为向上，产生了突变，其间加速度会变到一个很大的数值。即在车辆经过减速带的过程中，发生冲击的瞬间是乘坐舒适性最差的阶段。此时的撞击力Fhit可由式（1）[6]
式中：m—车辆质量；k—轮胎刚度；V—车辆垂直下落速度。
根据理想减速特性的要求，在车辆低于期望速度经过减速带时，对乘客的舒适性不应产生较大的影响；当速度高于期望速度时，产生较剧烈的振动，给生理和心理产生强烈刺激。因此需要驼峰减速带的尺寸参数进行优化，确定与不同临界速度相对应的尺寸参数，当速度高于临界值时发生跳车现象，产生冲击振动，选用折线形驼峰道路减速带建立数学模型进行尺寸参数优化，见图4所示。
图中x轴为减速带的斜坡宽度，y轴为减速带高度。其斜坡曲线方程为式（2）。
y（2）式中：a—斜坡的斜率；b—斜坡高度
车轮跳跃后自由下落的距离由式（3）表示；车轮沿减速带的滚动下降的高度由式（4）计算，建立自由下落距离与沿减速带下落距离之差关系式，见式（5）。
当车辆速度满足式（7）时，便会发生跳跃现象。可以通过改变驼峰减速带的尺寸参数，改变车辆跳跃的临界速度。
5.结论
（1）设置减速带的目的是限制车辆的行驶速度，通过影响驾驶员的心理和生理，迫使其将车速降低至期望的范围以内。理想的减速特性是在低于期望车速时对车辆的平顺性影响较小，在高于期望车速时大幅降低乘坐舒适性。
（2）通过对减速带建立数学模型，确定与临界车速相对应的尺寸参数之间的关系，可以根据不同临界车速的要求，优化减速带的结构尺寸，使车速低于临界值时，车轮沿表面滚动；高于临界值时，发生跳跃，产生冲击，达到较好的控制车速的目的。
参考文献
[1]黎熊、刘彩，道路减速带形状对车辆至顺性影响研究[J]轮胎工业，2010，30：54～56；
[2]张韦华、魏朗。道路减速带对车辆平顺性和安全性的影响[J]长安大学学报；自然科学版，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]韩艳、山程明，减速带减速原理及应用[J]。道路交通与安全，2009，9：16～20.
[5]王超、孙小端，振动减速带的速度控制效果研究[J]西部交通科技，2009，19：10～13.
[6]钟云华、黄小清，刚性护栏在事故碰撞中的冲击力计算[J]暨南大学学报：自然科学版，1999，20：38～41；