تخمین ایمنی طراحی هندسی بر اساس اصطکاک جانبی لاستیک-جاده

چکیده

کلمات کلیدی

1. معرفی

2. ایجاد مدل حلقه بسته ی DVERS

1-2. مدل سه بعدی جاده

2-2. مدل وسیله نقلیه

3-2. نیروهای اندرکنش لاستیک-جاده و کمی سازی

جدول 1 (پارامترهای وسیله نقلیه)

4-2. مدل یکپارچهی حلقه بستهی DVRES

3. تحلیل پارامتریک و نتایج

1-3. اثر شعاع

2-3. اثر سرعت

3-3. اثر نرخ شیب عرضی

4-3. اثر ضریب اصطکاک چپ/راست جاده-لاستیک

جدول 2 (توزیع ضریب اصطکاک)

5-3. نتایج

جدول 3 (سناریوهای رانندگی برای آزمایش تجربی)

4. کاربرد

5. اعتبارسنجی تجربی

1-5. تنظیمات عملی

2-5. نتایج عملی

جدول 4 (خطاهای پیش بینی شده بین اندازه گیری و شبیه سازی)

6. نتیجه گیری ها

سپاسگذاری 

یک مدل از سیستم حلقه بسته ی رانندگی-وسیله نقلیه-جاده-محیط(DVRES) با استفاده از Adams/Car و Matlab/Simulink ساخته شد. با استفاده از رفتار دینامیکی نیروهای جانبی لاستیک بر اساس اصطکاک جانبی لاستیک-جاده و مشخصات هندسی جاده، لغزش جانبی وسیله نقلیه برای تخمین ایمنی طراحی بررسی شد. از ریشه ی مقدار متوسط توان دوم، حداکثر مقادیر نیروهای جانبی لاستیک، حد آسایش در قوس ها و مسیر حرکت وسیله نقلیه استفاده شد تا حاشیه ی ایمنی اصطکاک جانبی کمی سازی شود. نتایج شبیه سازی نشان داد که حاشیه ی ایمنی نیروهای جانبی لاستیک برای شعاع، سرعت عملیاتی و نرخ شیب عرضی به ترتیب برابر 2/18%، 3/19% و 6/17% بود، تا قابلیت اطمینان جانبی وسیله نقلیه و راحتی رانندگی تامین شود، در حالی که سرعت های پایین در جاده ها ی خیس و لغزنده بهینه است. در نهایت، یک مطالعه ی موردی انجام شد تا تحلیل ایمنی طراحی جاده شرح داده شود و بعدا با انجام آزمایش در محل، دقت و قابلیت اطمینان مدل حلقه بسته ی DVRES صحت سنجی شد.

تصادفات رانندگی در سراسر دنیا تقریبا در ارتباط با اندرکنش بین راننده، وسیله نقلیه، جاده و عوامل محیطی، به مانند هندسه ی جاده، اصطکاک لاستیک-جاده، سرعت بالا، عملکرد وسایل نقلیه، رفتارهای رانندگان، شرایط محیط روسازی ، و جریان ترافیک می باشند. با این حال، تخمین زده می شود که بیشتر از 50 درصد کل تلفات رانندگی در بزرگراه ها را می توان به تصادفاتی که در مقاطع قوسی روی می دهند، نسبت داد(لام و چوئیری، 1991). قوس های افقی دارای نرخ میانگین تصادف بالایی نسبت به بخش های مستقیم هستند(گلنون و همکاران، 1985)، و این شرایط به طور خاص در بزرگراه های ملی چین قابل مشاهده است. در بین آنها، تصادف در اثر لغزش جانبی وسایل نقلیه یکی از موارد تکرار شونده در قوس های افقی می باشد. دو دلیل اصلی وجود دارد. اولی، یک مقطع قوسی شکل شامل مشخصات هندسی بسیار پیچیده ی جاده و شرایط محیطی است. دومی، تغییرات ناگهانی به مانند حالات طی مسافت وسیله نقلیه، رفتار دینامیکی اصطکاک لاستیک-جاده و نیازهای بصری راننده، بیشتر باعث رفتارهای نامناسب راننده در کنترل وسیله نقلیه، زمانی که وسیله نقلیه در قوس های دایره ای و مقاطع انتقالی حرکت می کند، می شوند. بنابراین، قوس ها و مقاطع انتقالی قبل و بعد از آنها را می توان به عنوان بحرانی ترین موقعیت ها در یک بزرگراه در نظر گرفت. در سال های اخیر، یک تعداد زیادی از مدل های ریاضی و روش های ارزیابی توسعه داده شده اند تا ایمنی ترافیک را بر اساس شرایط روسازی و قابلیت اطمینان وسیله نقلیه ارزیابی و تحلیل کنند. برای مثال، یک مدلِ چند درجه آزادیِ وسیله نقلیه ایجاد شده است تا اندرکنش های غیر خطی بین نیروهای لاستیک و اصطکاک جاده را تخمین بزند(رِی، 1997). در اثر از دست رفتن پایداریِ هدایتیِ وسیله نقلیه در مانورهای اضطراری، یک مدل کاملا جدیدِ وسیله نقلیه بر اساس مدل دو درجه آزادی خطی و شرایط لاستیک-جاده ارائه شده است(میرزائی، 2010). مدل یک چهارم-خودرو با دو درجه آزادی استفاده شده است تا رفتارهای دینامیکی وسیله نقلیه و حدود ایمنی سرعت ترافیک شناسایی شوند(باربوسا، 2010). یک مدل ارتعاشی یک بعدی با دو درجه آزادی فرموله شد تا اثرات زبری روسازی و سرعت وسیله نقلیه بررسی و کمی سازی شوند(فوئنتس و همکاران، 2010). کانگ و همکاران (2013) روش های محاسباتی جداگانه ای را برای ارزیابی مسیر بزرگراه با توجه به بازدهی سوخت، کمبود فاصله دید و هزینه های مورد انتظار تصادف، پیشنهاد دادند. توابع عملکردی بر اساس مدل-جرم-نقطه که مدل های خرابی را برای لغزش و چپ شدن در نظر می گیرند، برای تحلیل قابلیت اطمینان پایداری وسیله نقلیه ارائه شده اند(یو و سون، 2013). از مدل ارتعاش و غلت زدن یک وسیله نقلیه، با هفت درجه آزادی، استفاده شد تا اندرکنش بین پایداری جانبی و مقاومت در برابر چپ شدن وسیله نقلیه مورد تحلیل قرار گیرد(لی و همکاران، 2013). میرزائی نژاد و میرزائی (2014) از یک مدل غیر خطی با هشت درجه آزادی وسیله نقلیه استفاده کردند تا استراتژی کنترل غیر خطی برای سیستم ضد قفل ترمز را بهینه کنند. اخیرا، ارزیابی شبیه سازی رانندگی به عنوان یک روش مهم برای ارزیابی ایمنی ترافیک بر اساس مشخصات هندسی جاده در حال پدیدار شدن است، و مفید بودن خود را در مرحله ی طراحی جاده نشان داده است(بلا، 2009؛ براون و برنان، 2015). با این حال، این حقیقت را که هیچ مدلی به صورت جهانی مورد قبول نیست را برجسته می کند(ژاکوب و آنجانیولو، 2012). همانطور که قبلا ذکر شد، مدل های وسیله نقلیه را می توان در اکثر مقالات به صورت مدل های فیزیکی ساده با سرعت های ثابت ساده سازی نمود تا رفتارهای دینامیکی وسیله نقلیه تحلیل شوند. با این حال، این مدل های فیزیکی ساده سازی شده به صورت دقیق رفتارهای دینامیکی وسیله نقلیه را منعکس نمی کنند، مخصوصا رفتارهای دینامیکی اصطکاک جانبی لاستیک-جاده را زمانی که وسیله نقلیه در قوس ها و مقاطع انتقالی در حال حرکت است. برای غلبه بر مشکلات ذکر شده در بالا، یک مدل از سیستم حلقه بسته ی رانندگی-وسیله نقلیه-جاده-محیط(DVERS)، که بر اساس فناوری نمونه سازی مجازی است، در این مطالعه توسعه داده شد. در حال حاضر، فناوری نمونه سازی مجازی در زمینه های مختلف تحقیقات به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد، به مانند صنعت خودروسازی، ماشین آلات ساختمانی، صنعت هوا فضا و الکترونیک مکانیکی(لیو و ما، 2009؛ پارک و لی، 2012؛ وونگ و همکاران، 2013؛ داهر و ایوانتیسینووا، 2014). بر اساس یک مرور گسترده ی مقالات، کار اندکی بر روی مطالعه ی تخمین قابلیت اطمینان وسیله نقلیه بر اساس اصطکاک جانبی لاستیک-جاده و مشخصات هندسی جاده با استفاده از فناوری نمونه سازی مجازی انجام شده است. اصطکاک جانبی لاستیک-جاده یک اندیس مرجع مهم در شناسایی و تخمین پتانسیل لغزش جانبی است. زمانی که اصطکاک جانبی لاستیک-جاده در یک قوس افقی ناکافی است، وسایل نقلیه ممکن است که دچار لغزش جانبی، چپ شدن، خروج از جاده یا تصادفات شاخ به شاخ شوند. به عنوان یک نتیجه، طراحی جاده با اصطکاک جانبی ناکافیِ لاستیک-جاده منجر به کاهش توانایی راننده در هدایت و کنترل وسیله نقلیه با یک حالت ایمن می شود. رانندگان همچنین بدون محافظ خواهند بود. بر این اساس، موقعیت هایی که پایداری وسیله نقلیه را فراهم نمی کنند را می توان به عنوان ناسازگاری های طراحی هندسی در نظر گرفت، و ارزیابی از طریق پایداری جانبی وسیله نقلیه می تواند در شناسایی آنها کمک کننده باشد. مدل حلقه بسته ی DVRES می تواند خودروی واقعی، مشخصات هندسی جاده و شرایط روسازی و مانورهای راننده را با سیستم شبیه سازی با صحت بالا منعکس نماید، و همچنین ممکن است شرایط خطرناک و شرایط رفتارهای دینامیکی اصطکاک جانبی لاستیک-جاده را باز تولید کند. متغیرهای ورودی در مدل حلقه بسته ی DVRES عبارتند از شعاع R، نرخ شیب عرضی e، سرعت عملیاتی v، و ترکیبی از ضرایب اصطکاک چپ و راست لاستیک-جاده به صورت . رفتارهای دینامیکی نیروهای جانبی لاستیک برای تعیین لغزش جانبی توسط تحلیل مقادیر نیروی لاستیک، مسیرهای وسیله نقلیه و حالات طی مسافت مورد استفاده قرار می-گیرند. ریشه ی مقدار متوسط توان دوم، حداکثر مقادیر نیروهای جانبی لاستیک، حد راحتی(شتاب جانبی) در قوس ها و مسیرهای وسیله نقلیه برای کمی سازی حاشیه ایمنی اصطکاک جانبی مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از این کار تحلیل و آشکار ساختن مکانیزم تصادفات وسایل نقلیه در اثر لغزش جانبی و علاوه بر این بهینه سازی طراحی های هندسی مسیر است. این مقاله عمدتا بر چهار بخش متمرکز است که در ادامه ذکر می-شود. بخش 2 مدل حلقه بسته ی DVERS را با استفاده از Adams/Car و Matlab/Simulink ایجاد می-کند، که پس از آن، در بخش 3، طراحی های تجربی و تحلیل های رفتار دینامیکی برای لغزش جانبی وسیله نقلیه فرموله سازی می شوند. در بخش 4، یک مطالعه ی موردی انجام گرفته است تا طراحی های هندسی مسیر بر اساس حاشیه ایمنی تخمین لغزش جانبی وسیله نقلیه بهبود یابند. در نهایت، آزمایشات در محل صحت و دقت و قابلیت اطمینان مدل حلقه بسته ی DVERS را تایید نمود.