專利名稱：一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種汽車試驗(yàn)場使用的非圓形高速環(huán)道緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
汽車在直線段行駛轉(zhuǎn)為在圓曲線路段行駛，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要發(fā)生如下變化 1、車輛相對(duì)鉛直軸的傾角由原來的排水坡角(即路面本身的傾角)變?yōu)閳A曲線路段行駛線上傾角θ(橫斷面曲線路段行駛線處的切線與水平軸的夾角)。
2、轉(zhuǎn)彎半徑由無窮大變到R，離心加速度由零變到V2/R，橫擺角速度(繞鉛直軸的角速度)由零變到V/R。
這些變化如果沒有一段距離和時(shí)間的變化過渡，變化就是突然的，駕駛員的身體將無法承受，而且在運(yùn)動(dòng)學(xué)上也是無法實(shí)現(xiàn)的，需要有一過渡段完成這個(gè)過渡，該過渡段即稱為緩和曲線路段。
另外，從工程角度上看，一般高速環(huán)道的圓曲線路段都設(shè)有超高(即曲線路段處的高度存在落差)，超高量一般為幾米，從直線段的零超高到幾米的超高需要一個(gè)過渡段，緩和曲線路段正好充當(dāng)這個(gè)過渡段。
常用的緩和曲線路段設(shè)計(jì)方法有三種，第一種方法使緩和曲線路段上車輛離心力的變化率保持常數(shù)，即，使車輛的離心力從直線路段的零值線性的變化到圓曲線路段的離心力。按這個(gè)原則設(shè)計(jì)的緩和曲線路段稱為Clothoid曲線路段或Kornu曲線路段。公路彎道緩和曲線路段和早期的汽車試驗(yàn)場高速環(huán)形道都采用這種方法設(shè)計(jì)，如MIRA汽車試驗(yàn)場。為了縮短緩和曲線路段的長度，使得離心力加速度變化率比美國標(biāo)準(zhǔn)限值大得多(美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定離心加速度的變化率最大為1.5ft/s3)。這種緩和曲線路段的優(yōu)點(diǎn)為線位計(jì)算準(zhǔn)確方便簡潔，并有成熟的設(shè)計(jì)手冊和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在公路設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。這種曲線路段的缺點(diǎn)為在緩和曲線路段的起點(diǎn)處(直線路段與緩和曲線路段相接的點(diǎn)，以下簡稱為“直緩點(diǎn)”)由于側(cè)傾角速度的突變對(duì)行駛的車輛產(chǎn)生沖擊，使車輛的乘員感到不適，長期行駛會(huì)影響行駛安全。
緩和曲線路段第二種設(shè)計(jì)方法為把車輛對(duì)鉛直軸的側(cè)傾角加加速度(加速度的變化率)控制在人體的感知界限以下，使該側(cè)傾角由直線路段的排水坡角逐漸圓滑過渡到圓曲線路段行車道的側(cè)傾角。用這種方法設(shè)計(jì)的緩和曲線路段稱之為Mcconnell曲線路段。國內(nèi)的汽車試驗(yàn)場和日本的汽車試驗(yàn)場的高速環(huán)道的緩和曲線路段大多采用這種方法設(shè)計(jì)。這種緩和曲線路段的優(yōu)點(diǎn)為該設(shè)計(jì)以人體工程學(xué)為基礎(chǔ)，可使增強(qiáng)行駛車輛中的乘員的舒適感，從而增加行駛的安全性。其缺點(diǎn)為該曲線路段的線位數(shù)據(jù)只能按選定的步長累計(jì)計(jì)算，步長不同計(jì)算結(jié)果大不相同，大大超過工程允許的誤差范圍。
緩和曲線路段第三種設(shè)計(jì)方法為使得車輛行駛重心軌跡連續(xù)且光滑、重心行駛軌跡曲率連續(xù)、重心行駛軌跡曲率變化率連續(xù)，用這種方法設(shè)計(jì)的緩和曲線路段稱為Bloss曲線路段。這種緩和曲線路段由德國的OBERMEYER設(shè)計(jì)咨詢公司于1990和1993年首先用于奧迪公司和戴姆勒-奔馳公司的汽車試驗(yàn)場高速環(huán)道上，后來我國上海大眾的汽車試驗(yàn)場的高速環(huán)道也采用這種設(shè)計(jì)方法。這種緩和曲線路段的優(yōu)點(diǎn)為線位計(jì)算準(zhǔn)確，曲率變化率連續(xù)。其缺點(diǎn)是這種設(shè)計(jì)在緩和曲線路段的直緩點(diǎn)處由于側(cè)傾角加速度的突變對(duì)行駛的車輛產(chǎn)生沖擊，使車輛的乘員感到不適，長期行駛會(huì)影響行駛安全。
通常認(rèn)為車輛的離心力從直緩點(diǎn)到“圓緩點(diǎn)”(圓曲線路段與緩和曲線路段相接的點(diǎn))的過渡方式?jīng)Q定緩和曲線路段的性能，采用不同的過渡函數(shù)可以產(chǎn)生不同的緩和曲線路段線性過渡產(chǎn)生Clothoid曲線路段，二次拋物函數(shù)過渡得到Bloss緩和曲線路段，但他們都有各自的缺點(diǎn)。
因此，實(shí)有必要發(fā)明一種新的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是在于，提供一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠找到一條緩和曲線路段，使該緩和曲線路段與兩端的直線路段、圓曲線路段更圓滑的連接，避免在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，且它的曲線線位計(jì)算準(zhǔn)確方便，計(jì)算精度在工程許可的范圍內(nèi)，同時(shí)其車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)還符合人體工程學(xué)的要求。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法是這樣的 一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法由如下步驟組成 (1)確定總體設(shè)計(jì)方案，即圓曲線路段轉(zhuǎn)彎半徑R和設(shè)計(jì)車速V； (2)按人體工程學(xué)要求選定一個(gè)緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度l為零時(shí)側(cè)傾角加加速度J0的值，再計(jì)算緩和曲線路段長度S的初值； (3)根據(jù)緩和曲線路段長度S的初值，驗(yàn)算側(cè)傾角加加速度j、側(cè)傾角加速度α、側(cè)傾角速度ω的值是否符合人體工程學(xué)指標(biāo)的要求，如果符合人體工程學(xué)指標(biāo)的要求繼續(xù)進(jìn)行步驟(4)，否則返回步驟(2)； (4)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲率半徑r； (5)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角α； (6)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)； (7)檢驗(yàn)平面線形是否滿足場地尺寸限制，如果不滿足則返回步驟(2)重新設(shè)計(jì)，反之則完成整個(gè)緩和曲線路段的設(shè)計(jì)。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(2)所述的J0值小于等于2.710/秒3。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(2)所述的緩和曲線路段長度的初值 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(3)所述的側(cè)傾角加加速度側(cè)傾角加速度側(cè)傾角速度 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(4)所述的曲線路段上各點(diǎn)的曲率半徑 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(5)所述的曲線路段上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角 作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟(6)所述的曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)可以用緩和曲線路段線位累計(jì)計(jì)算方法或緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法計(jì)算。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，用緩和曲線路段線位累計(jì)計(jì)算方法計(jì)算曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)時(shí)上述三式中i＝1～e。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，用緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法計(jì)算曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)時(shí)x＝l-A+B， 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的緩和曲線路段設(shè)計(jì)方法能夠使緩和曲線路段與兩端的直線路段、圓曲線路段更圓滑的連接，避免在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，從而增強(qiáng)車內(nèi)成員的舒適感，并且提供解析計(jì)算公式使計(jì)算準(zhǔn)確；即本發(fā)明的緩和曲線路段設(shè)計(jì)方法既能夠使車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)符合人體工程學(xué)的要求，又計(jì)算準(zhǔn)確。



下面，將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中 圖1是本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法的流程圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的設(shè)計(jì)緩和曲線路段的原理是使緩和曲線路段上行駛車輛的離心力從緩和曲線路段的起點(diǎn)至終點(diǎn)呈圓滑函數(shù)方式變化，即，使車輛的離心力從直緩點(diǎn)的零值按規(guī)定的圓滑函數(shù)規(guī)律變化到圓緩點(diǎn)。
該緩和曲線路段的曲線方程是 式中r為緩和曲線路段計(jì)算點(diǎn)的曲率半徑，S為緩和曲線路段長度，R為圓曲線路段半徑，l為緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度。
本發(fā)明提供新緩和曲線路段長度計(jì)算公式，和Mcconnell緩和曲線路段類似，用側(cè)傾角加加速度指標(biāo)確定緩和曲線路段長度，從而控制其它運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)符合人體工程學(xué)要求； 式中J0是l＝0時(shí)的側(cè)傾角加加速度，S為緩和曲線路段長度，R為圓曲線路段半徑，V為設(shè)計(jì)車速，g為重力加速度。
采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的緩和曲線路段上行駛車輛的側(cè)傾角、側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度曲線和Mcconnell緩和曲線路段對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線非常吻合，而側(cè)傾角加加速度曲線在數(shù)值跳變上大幅度減小。它避免了在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，不會(huì)對(duì)車輛和乘員產(chǎn)生沖擊，其設(shè)計(jì)與Mcconnell緩和曲線路段類似，也以人體工程學(xué)為基礎(chǔ)，可使行駛車輛的乘員感到舒適，從而增加行駛安全。
方法一緩和曲線線位累計(jì)計(jì)算方法 本發(fā)明提供緩和曲線路段線位累計(jì)計(jì)算方法，該方法計(jì)算準(zhǔn)確方便，它對(duì)計(jì)算步長不敏感，不同步長計(jì)算結(jié)果誤差很小，可以忽略不計(jì)； Δxj＝Δljcosαj；Δyj＝Δlj sinαj 式中α是緩和曲線路段的轉(zhuǎn)角，x、y為緩和曲線路段計(jì)算點(diǎn)的平面坐標(biāo)，S為緩和曲線路段長度，R為圓曲線路段半徑，l為緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度。
方法二緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法 本發(fā)明還提供緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法，該方法計(jì)算精確度極高，計(jì)算結(jié)果誤差可限制在1mm以內(nèi)。適用于超高速彎道設(shè)計(jì)，除汽車試驗(yàn)場高速環(huán)道外，可用于高速公路、高速鐵路的彎道設(shè)計(jì)。
緩和曲線路段線位解析計(jì)算公式如下 x＝l-A+B ------------------------------(5) 其中 其中， 其中 B1＝A1，B2＝A2，B3＝B31+3B32+3B33+B34，其中 B4＝B41+4B42，其中 其中 其中 C1＝l，C2＝A1，C3＝A2，C4＝B3 其中 D1＝l，D2＝A1，D3＝A2，D4＝B3，D5＝B4 D6＝D61+5D62，其中， 式中x、y為緩和曲線路段計(jì)算點(diǎn)的平面坐標(biāo)，S為緩和曲線路段長度，R為圓曲線路段半徑，l為緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度。
本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法能夠使緩和曲線路段與兩端的直線路段、圓曲線路段更圓滑的連接，避免在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，從而增強(qiáng)車內(nèi)成員的舒適感并且提供解析計(jì)算法使計(jì)算準(zhǔn)確；即本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法能夠使車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)符合人體工程學(xué)的要求，又計(jì)算準(zhǔn)確。
請參閱圖1，下面是對(duì)于本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法的幾點(diǎn)說明 ①步驟101、計(jì)算公式中的整體參數(shù)，如圓曲線路段轉(zhuǎn)彎半徑R、設(shè)計(jì)車速V等其他相關(guān)參數(shù)由總體方案確定； ②步驟102、為計(jì)算緩和曲線路段長度S，首先按人體工程學(xué)要求選定一個(gè)J0值，一般按J0≤2.710/秒3選擇，再按(1a)式計(jì)算出緩和曲線路段長度S的初值； ③步驟103、根據(jù)實(shí)際場地條件對(duì)曲線路段長度S進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，再按照下面?6)、(7)、(8)式驗(yàn)算j、a、ω值，如符合人體工程學(xué)指標(biāo)的限值要求，即認(rèn)可選定的S值；如果超出人體工程學(xué)指標(biāo)的限值過多，需要重新修正S值，再次進(jìn)行驗(yàn)算。
其中 其中 其中 (6)、(7)、(8)式中j為側(cè)傾角加加速度，a為側(cè)傾角加速度，ω為側(cè)傾角速度，S為緩和曲線路段長度，R為圓曲線路段半徑，V為設(shè)計(jì)車速，g為重力加速度，l為緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度。
④步驟104、按(1)式計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲率半徑r；曲率半徑r和曲線路段長度S之間的關(guān)系是緩和曲線路段最基本的關(guān)系方程，它揭示緩和曲線路段的曲率半徑r如何從起始點(diǎn)的無窮大逐漸變化過渡到圓曲線路段的半徑R，要在平面圖上畫出該緩和曲線路段要用到曲率半徑r，另外設(shè)計(jì)曲線路段道路的橫斷面時(shí)，計(jì)算橫斷面的側(cè)傾角時(shí)必須此參數(shù)的數(shù)值； ⑤步驟105、按(2)式計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角； ⑥步驟106、把S用1個(gè)數(shù)整除得到累計(jì)計(jì)算時(shí)的步長，按(4)式進(jìn)行x、y坐標(biāo)累計(jì)計(jì)算直到緩和曲線路段終點(diǎn)，結(jié)合各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角得到最終的緩和曲線路段；或者按(5)式給出的x、y坐標(biāo)解析公式計(jì)算任意給定緩和曲線路段點(diǎn)的x、y坐標(biāo)值，并結(jié)合各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角的值得到最終的緩和曲線路段。
⑦步驟107、檢驗(yàn)平面線形是否滿足場地尺寸限制，如果不滿足則返回步驟②重新設(shè)計(jì)。
⑧步驟108、完成平面線形設(shè)計(jì)。
綜上所述，本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法能夠使緩和曲線路段與兩端的直線路段、圓曲線路段更圓滑的連接，避免在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，從而增強(qiáng)車內(nèi)成員的舒適感；并且本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法還能夠使車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)符合人體工程學(xué)的要求。
權(quán)利要求
1.一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，該緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法由如下步驟組成
(1)確定總體設(shè)計(jì)方案，即圓曲線路段轉(zhuǎn)彎半徑R和設(shè)計(jì)車速V；
(2)按人體工程學(xué)要求選定一個(gè)緩和曲線路段直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度l為零時(shí)側(cè)傾角加加速度J0的值，再計(jì)算緩和曲線路段長度S的初值；
(3)根據(jù)緩和曲線路段長度S的初值，驗(yàn)算側(cè)傾角加加速度j、側(cè)傾角加速度a、側(cè)傾角速度ω的值是否符合人體工程學(xué)指標(biāo)的要求，如果符合人體工程學(xué)指標(biāo)的要求繼續(xù)進(jìn)行步驟(4)，否則返回步驟(2)；
(4)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲率半徑r；
(5)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角α；
(6)計(jì)算緩和曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)；
(7)檢驗(yàn)平面線形是否滿足場地尺寸限制，如果不滿足則返回步驟(2)重新設(shè)計(jì)，反之則完成整個(gè)緩和曲線路段的設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(2)所述的J0值小于等于2.710/秒3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(2)所述的緩和曲線路段長度的初值
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(3)所述的側(cè)傾角加加速度側(cè)傾角加速度側(cè)傾角速度
其中
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(4)所述的曲線路段上各點(diǎn)的曲率半徑
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(5)所述的曲線路段上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(6)所述的曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)可以用緩和曲線路段線位累計(jì)計(jì)算方法或緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于用緩和曲線路段線位累計(jì)計(jì)算方法計(jì)算曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)時(shí)
上述三式中i＝1～e，其中
Δxj＝Δljcosαj；Δyj＝Δljsinαj；
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法，其特征在于用緩和曲線路段線位解析計(jì)算方法計(jì)算曲線路段上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)時(shí)
其中
上式中
B1＝A1，B2＝A2，B3＝B31+3B32+3B33+B34，
B4＝B41+4B42，
C1＝l，C2＝A1，C3＝A2，C4＝B3
D1＝l，D2＝A1，D3＝A2，D4＝B3，D5＝B4
D6＝D61+5D62，
全文摘要
一種緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法由如下步驟組成(1)確定圓曲線轉(zhuǎn)彎半徑R和設(shè)計(jì)車速V；(2)選定一個(gè)緩和曲線直緩點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的長度l為零時(shí)側(cè)傾角加加速度J0的值，再計(jì)算緩和曲線長度S的初值；(3)根據(jù)緩和曲線長度S的初值，驗(yàn)算側(cè)傾角加加速度j、側(cè)傾角加速度a、側(cè)傾角速度ω的值是否符合人體工程學(xué)指標(biāo)的要求；(4)計(jì)算緩和曲線上各點(diǎn)的曲率半徑r；(5)計(jì)算緩和曲線上各點(diǎn)的曲線轉(zhuǎn)角α；(6)計(jì)算緩和曲線上各點(diǎn)的平面坐標(biāo)。本發(fā)明的緩和曲線路段的設(shè)計(jì)方法能夠使緩和曲線路段與兩端的直線路段、圓曲線路段更圓滑的連接，避免在緩和曲線路段兩端點(diǎn)處車輛側(cè)傾角速度、側(cè)傾角加速度產(chǎn)生突變，從而增強(qiáng)車內(nèi)成員的舒適感。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101441672SQ200810133319
公開日2009年5月27日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者孫連舉, 閆仕軍, 暉 王 申請人:上海通用汽車有限公司, 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司