公路下坡段缓坡设计指标研究

李泽

（保定交通建设投资集团有限公司，河北保定071015）

1 引言

山区高速公路建设时，考虑到高差、地形、地质条件等因素，为降低成本并保护环境，越岭路段所用连续纵坡往往较大且较长。 这种纵坡组合路段不利于载重车辆的安全下坡，具体表现为制动器的“热衰退”。 而在长陡下坡路段设计缓坡可有效减缓车辆制动毂负荷，增加行车安全性。

JTG D20—2017 《公路路线设计规范》[1]（以下简称“2017版规范”）明确：5.2 kW/t 功率重量比的六轴铰接列车为国内主导货运车辆，比起JTG D20—2006《公路路线设计规范》[2]（以下简称 “2006 版规范”） 及A Policy on Geometric Design of Highways and Streets[3]（以下简称“AASHTO 规范”）所规定的货运主导车型的整体性能偏低，但2017 版规范所规定的缓坡坡度和坡长指标仍与2006 版规范的规定相同。2017 版规范中的缓坡设计指标可能不符合现行货车在连续下坡段的行车需要， 因此， 与时俱进地调整连续下坡缓和坡段指标非常有必要。 此外，从现有研究看，关于连续下坡路段安全性设计的研究多是基于交通事故统计结果提出改善措施[4-5]，如限速、标志线等。 而连续下坡路段缓坡设计指标的研究较少。 曹杰[6]虽然探讨了缓坡临界纵坡和坡长的指标设计， 但其所依托的是9.33 kW/h 功重比的车型，不同于现有货车主导车型。 合理的缓坡指标设计可有效减小车辆制动毂温度和行驶速度， 对降低货车下坡段制动次数及行驶风险有重要意义。 综上可知，为确保山区高速公路长大下坡段货车行驶的安全， 按照现有货车标准探讨连续下坡段缓坡指标的合理设计非常有必要。

此次所依托主导车型为东风DFL4251A15 六轴铰接列车，基于该车辆的下坡受力状态，分析其在发动机制动的基础上，在各设计速度和运行速度下的缓坡临界纵坡值，以期为高速公路连续下坡指标的设计提供参考。

2 受力分析

2.1 主导车型选择

在探讨公路纵坡指标时，为确保所得结果的说服力、真实性及代表性等， 需根据实际情况选取现阶段主流车型作为研究对象。 按照JTG D20—2017《公路路线设计规范》中的说明，本文选取满载状态下的六轴铰接列车为研究对象。 主导车型组成部分包括东风DFL4251A15 牵引车及半挂车。

2.2 下坡受力情况

参考文献[7]分析发动机制动条件下六轴载货汽车的受力情况：牵引车铰接至半挂车中，在进行受力分析时假设：（1）直线纵坡上，车辆铰链位置仅传递力；（2）视车辆为刚体。 受力分析见图1。

图1 受力分析示意图

根据受力平衡原理， 可得车辆在下坡路段持续制动时的平衡方程为：

式（1）～式（8）中，i 为坡度，取tanα=i；Tb为动力矩；ig为变速器变速比；i0为主减速比；η 为传动效率；r 为车轮半径；δ 为汽车旋转质量指数；CD为空气阻力；A 为迎风面积；p=1.226 N·s2·m-4；w 为车辆荷载；δ1=0.03-0.05；δ2=0.04-0.05；ik为变速箱速度比；v 为速度；f 为静摩擦力；m 为车辆质量；dv/dt 为速率随间变化率。

根据上述受力分析，可计算得坡度与运行速度的关系式，并以此构建档位-速度-临界坡度模型。 而从该模型中又可计算出各行驶速度及档位下的缓坡临界坡度。

3 连续下坡缓坡坡度指标

从行车动力学上看，道路在某坡度值时，货车下坡仅依靠发动机制动即可保持匀速行驶，而当道路坡度值小于该值时，车辆将减速行驶，该坡度值即为临界纵坡。 当货车进入该缓坡时，车辆将保持匀速运动或减速，有助于车辆低档前进提高发动机制动力，此时车辆主制动器处于非工作状态，因此，此时的制动鼓可有效散热降温，有助于车辆制动性能的恢复。

从式（1）～式（8）可得：

式中，g 为重力加速度，取g=9.8 m/s2。

在通过发动机制动时，式（3）中Tb和转速间为二次函数关系[8]：

式中，n 为发动机转速。

令：

联立式（2）～式（6）和式（11）可得：

式中，u1、u2、u3为扭矩系数；C1、C2、C3为阻力系数；δ0为车辆空挡时旋转质量系数；将式（10）中sinα 看成i，联立式（10）和式（12），可得：

从JTG D20—2017《公路路线设计规范》可知，高速公路设计速度应大于100 km/h，环境限制时可采用80 km/h。 在连续下坡段， 司机常会降速挂低挡， 而各挡位有各自的速度范围。 80 km/h 和100 km/h 下坡速度各自的对应挡位为11 挡和12 挡。因此，所采用缓坡坡度控制指标为11 挡和12 挡发动机制动条件下的临界坡度。 此外，大型车在0%～6%下坡坡度下一般有40～80 km/h 的行驶速度，因此，以40 km/h 作为货车最低容许速度，结合各挡位的速度范围，可得缓坡坡度在设计速度和运行速度下的设计指标建议值。 具体见表1。

表1 发动机制动条件下连续下坡缓坡坡度控制指标建议值

表1 中缓坡坡度指坡度设计控制值， 当货车行驶在小于坡度设计控制值的坡度上时，有助于货车减速降档，且制动毂保持在降温状态，有利于恢复制动性能。 表1 中缓坡坡度均比2.5%的规范建议值小，所取值跟行车速度有联系，且有更详细划分，更利于确保连续下坡段的货车行车安全，可为后续类似设计提供参考。

4 结语

本文根据下坡路段货车受力情况，结合动力学理论，探讨了发动机制动条件下有效确保行车安全的临界缓坡值。 所得结论有： 提出了货车在下坡路段仅使用发动机制动即可保持匀速行驶的下坡临界缓坡值， 得出各挡位和各行驶速度下缓坡设计指标。 此次所提出缓坡设计指标建议值可有效降低制动毂使用强度及次数，降低制动毂温度，可为后续类似设计提供参考。