高速环道基于麦克康奈尔曲线与布劳斯曲线比较性研究

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1、高速环道基于麦克康奈尔曲线与布劳斯曲线比较性研究　　摘要：曲线段，特别是缓和曲线段的设计是高速环道几何线形设计的重点和难点。本文分别介绍了麦克康奈尔曲线和布劳斯曲线，并对这两种曲线进行对比性分析。关键词：麦克康奈尔曲线；布劳斯曲线；高速环道中图分类号：TG506.1文献标识码：A前言高速试验道路是汽车试验场中的一个至关重要的道路设施，其最大试验车速要求高达160~300km/h。高速试验公路设计的关键是要保障在各种试验车速下都能获取稳定可靠的汽车试验数据。最理想的条件莫过于修一条足够长的直线车道。然而，受制于场地限制，高速试验车道只能建造在有限的空间区

2、域里面。因此，高速环道就这样产生了。高速环道是汽车试验场中专供汽车进行连续高速行驶试验的闭合循环道路设施。从平面线形来看，高速环道一般由两个平行的直线段和两个三单元曲线段构成。高速环道几何线形设计中，曲线段，特别是缓和曲线段的设计是整个环道设计中的重点和难点。高速环道设计中采用的缓和曲线先后主要有康纳回旋线（Cornu10Spiral）、麦克康奈尔（McConnell）曲线、布劳斯（Bloss）曲线3种类型。经实践验证，后两种曲线类型是比较理想的，也得到了广泛的应用。1957年，当时作为美国福特（Ford）公司车辆试验部主任的麦克康奈尔（W.A.McC

3、onnell）先生设计出了新的高速环道几何线形设计体系。这种体系是以人体对运动的敏感度为准则，体系非常成功，所以不光在美国，在欧洲、日本等国家也得到了应用。1970年代以来，我国的一些道路专家和学者对该法也做了一些研究，并投入应用，也取得了不错的成果。收稿日期：2013-12作者简介：李改（1989-），男，湖北黄冈人，在读硕士研究生，从事道路与铁道方面研究而在之前的1936年，则是布劳斯（Bloss）提出的符合汽车行驶重心轨迹特性为目标的缓和曲线形式——布劳斯曲线，但并没有进一步的分析。到了1983年，德国的皮特得到这一缓和曲线数学模型的解，并退出高

4、速环道设计新方法。此后，德国OBERMEYER设计咨询公司在此基础上开发了一整套用于高速环道几何线形设计及曲面施工成型控制的软件，且与1990和1993年将其成功地运用于奥迪公司的汽车试验场和戴姆勒-奔驰公司汽车试验场高速环道的设计和施工中。10本文将对麦克康奈尔曲线以及布劳斯曲线在高速环道设计中的应用进行探讨，并对它们进行分析比较。麦克康奈尔曲线为了对高速环道的几何线形进行安全性和舒适性评价，W.A.McConnell研究了车辆在弯道上行驶过程中的6个运动自由度特性以及乘车者对6个自由度运动的敏感度。可以将车辆在弯道上行驶时的运动特性分解为6个运动自

5、由度特性并对其进行分析。车辆在行驶过程中，自由度特性必然会不断地发生变化。在这个过程中，当某个自由度特性值达到其极限值时，乘车者就会感觉到相应的力的作用并产生生理上的不适。当然，如果各个自由度特征值均没有达到极限，乘车者就没有不适之感。如果在保证行车速度符合试验要求，则环道的几何线形设计在舒适性和安全性上都得到了满足。通过大量试验，最终得到乘车者对6个运动自由度特性的敏感度指标，并以此作为高速环道几何线形设计中的控制指标，见表1。表1乘车者对6个运动自由度特性的感觉阀限值运动自由度运动特性极限值位移速度加速度加速度变化率平移纵向0.30.1510横向0

6、.180.09竖向1.220.24旋转偏向521侧摆1.1°842纵摆1.9°1263车辆在曲线段上沿着某一条行车线行驶时，一般受到三个力（自身重力、路面竖向反力和里面横向摩阻力）的作用。通过调节车速，使轮胎所受的横向摩阻力被平衡掉。除开视觉，乘车者犹如在直道上行驶，这就是所谓的平衡车速。一般对于高速环道而言，要求一条行车线上具有统一的平衡车速。可以通过力学平衡条件，得到曲线半径r、路面横坡i、路面横向超高倾角与平衡车速v之间的关系如下：（1）高速环道需设置成多车道路面，以便在多个不同的车速条件下进行行车试验，从而能保证每条车道分别对应一个平衡车速。1

7、0研究表明，车辆在缓和曲线段行驶时，其侧摆运动以及变化对乘车者的舒适性有很大影响。因此，为了满足舒适性要求，必须将侧摆运动的特性值控制在极限范围以内。W.A.McConnell提出：以侧摆运动的特性值（位移、速度、加速度、加速度变化率J）作为控制指标，并以其中的侧摆运动加速度变化率作为控制参数，使得在整个缓和曲线范围内J的绝对值保持为最小且不超过表1中的极限值，并构建出如图1所示关系模型。图1McConnell缓和曲线侧摆运动特征值关系模型图布劳斯曲线我们知道，当缓和曲线类型选用回旋线时，其平曲线的曲率与弧长成正比（k=l/r=）。由此说明，如图2所示

8、，在缓和曲线的起终点处，虽然曲率是连续的，但是其曲率变化率是不连续的，这也是回旋线的一大缺陷。