張 晶， 趙韜碩， 蔡文斌

(1.北京特種車(chē)輛研究所，北京 100072；2.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

路面不平度通常用來(lái)描述路面的起伏程度，是路面空間幾何特性的重要標(biāo)準(zhǔn)參數(shù).由于國(guó)內(nèi)外對(duì)該名稱(chēng)的說(shuō)法不同(有的稱(chēng)為路面平度、有的稱(chēng)為路面平整度)，因此將該特征量稱(chēng)為路面譜，就是用路面的垂直位移功率譜來(lái)表示.路面不平使車(chē)輛行駛過(guò)程產(chǎn)生阻力和振動(dòng).行駛阻力消耗車(chē)輛的功率并影響車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系的壽命；而路面沖擊下產(chǎn)生的振動(dòng)，則直接影響車(chē)輛平順性、乘坐舒適性和承載系的可靠性與壽命[1].因此，深入開(kāi)展路面譜的應(yīng)用研究是提升仿真、計(jì)算置信度的重要基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)開(kāi)展道路模擬試驗(yàn)也有重要的意義[2].

1 測(cè)試對(duì)象與測(cè)試儀器

測(cè)試對(duì)象為4種典型路面：水泥鋪面路，高原地區(qū)土路，沙石路面和平原地區(qū)土路.

常用的路面測(cè)量方法有：固定基準(zhǔn)測(cè)量方法、隨動(dòng)基準(zhǔn)測(cè)量方法、遞推基準(zhǔn)測(cè)量方法、慣性基準(zhǔn)測(cè)量方法、激光斷面儀測(cè)量法和角度基準(zhǔn)測(cè)量方法.其相應(yīng)的代表儀器有：直梁基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x、多輪測(cè)平車(chē)、TRL高速路面計(jì)、慣性基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x、多功能激光路面檢測(cè)儀、雙軌路形計(jì).

根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB59.27-91)并綜合考慮各路面譜測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后確定使用角度基準(zhǔn)測(cè)量方法，采用雙軌路形計(jì)，對(duì)4種試驗(yàn)場(chǎng)路面的不平度進(jìn)行測(cè)量.該儀器雖然固定安裝復(fù)雜，但測(cè)量機(jī)動(dòng)性好、使用方便、幅頻特性好.雙軌路形計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示.為了減小路面沖擊的影響，提高陀螺的壽命和測(cè)量精度，將其放置在車(chē)輛的懸掛之上，其主要功能是測(cè)量車(chē)體俯仰角度.為了保證擺架上兩測(cè)量輪保持與路面接觸，扭轉(zhuǎn)彈簧與角度α1傳感器同軸安裝，通過(guò)施加給托臂的扭矩將擺架壓在路面上，擺架可相對(duì)安裝角度α2傳感器的軸轉(zhuǎn)動(dòng).托臂和擺架總成有左右兩套，分別測(cè)量左右兩側(cè)路面的不平度；兩擺架間距在1 500～3 000 mm間連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)不同車(chē)輛輪間距的要求.

圖1 雙軌路形計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖

2 測(cè)試步驟與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程取76.8 m為一個(gè)采樣段.測(cè)試一次，存儲(chǔ)一次.采樣總長(zhǎng)度近15 km.圖2為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖.圖3～圖6分別為4種路面采樣段的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù).

圖2 利用雙軌路形計(jì)進(jìn)行測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 水泥鋪面路某采樣段左右兩輪路面不平度

3 功率譜密度分析

在車(chē)輛工程應(yīng)用中，主要采用路面不平度的功率譜密度描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性；同時(shí)，采用功率譜密度數(shù)據(jù)開(kāi)展車(chē)輛振動(dòng)特性的估算[3].

圖4 高原地區(qū)土路某采樣段左右兩輪路面不平度

圖5 沙石路面某某采樣段左右兩輪路面不平度

圖6 平原地區(qū)土路某采樣段左右兩輪路面不平度

路面不平度的功率譜密度定義是通過(guò)對(duì)路面不平度采樣樣本(x(t))進(jìn)行濾波、平方和平均運(yùn)算獲得，記為Gx(n).為了得到路面不平度樣本在(n，n+Δn)頻率范圍內(nèi)的均方值，可以用具有精確截?cái)嗵匦缘膸V波器對(duì)樣本進(jìn)行濾波，然后計(jì)算濾波器輸出結(jié)果平方的平均值.

用公式表示為

(1)

當(dāng)Δn取值非常小時(shí)，功率譜密度函數(shù)Gx(n)可以表示為

(2)

式(2)為近似表示，精確的表示可以寫(xiě)為：

(3)

按照式(3)計(jì)算方法，對(duì)各段路面不平度的功率譜密度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7～圖10所示.

圖7 水泥鋪面路某采樣段左右兩輪路面不平度自譜

圖8 高原地區(qū)土路某采樣段左右兩輪路面不平度自譜

圖9 沙石路面某采樣段左右兩輪路面不平度自譜

圖10 平原地區(qū)土路某采樣段左右兩輪路面不平度自譜

由于水泥路面平整起伏小，因此其功率譜密度值較低.其他3種路面均屬于越野路面，路面的起伏大，功率譜密度較高.從頻率分布來(lái)看，4種路面譜的功率峰值均分布在低頻成分上，主要是因?yàn)榈皖l對(duì)應(yīng)的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的路面結(jié)構(gòu)，其起伏度必然比高頻的大.

4 路面等級(jí)的評(píng)定

4.1 評(píng)定依據(jù)

采用GB/T7031-2005中附錄B推薦的直線(xiàn)擬合方法，擬合公式如式(4)所示[5].

(4)

式中：Gd(n)為擬合后的功率譜密度函數(shù)；Gd(n0)為n0對(duì)應(yīng)的功率譜密度值；n0為參考空間頻率,m-1；n為參考空間頻率自變量；w為擬合出的直線(xiàn)斜率。

4.2 路面等級(jí)的確定

將功率譜密度曲線(xiàn)進(jìn)行直線(xiàn)擬合后放置到含有標(biāo)準(zhǔn)路面等級(jí)分區(qū)線(xiàn)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，即可直觀獲得路面的等級(jí)結(jié)果.采用這種方法對(duì)4種試驗(yàn)場(chǎng)路面進(jìn)行了等級(jí)分析，結(jié)果如圖11～圖14所示.

圖11 水泥鋪面路的路面等級(jí)分析結(jié)果

圖12 高原地區(qū)土路的路面等級(jí)分析結(jié)果

圖13 沙石路面的路面等級(jí)分析結(jié)果

圖14 平原地區(qū)土路的路面等級(jí)分析結(jié)果

上述的分析結(jié)果存在一個(gè)問(wèn)題:在標(biāo)準(zhǔn)的路面等級(jí)劃分圖中，路面功率譜密度的擬合直線(xiàn)基本都不是分布在一個(gè)等級(jí)區(qū)間內(nèi)，而是跨越2個(gè)甚至3個(gè)等級(jí)區(qū)域從而很難認(rèn)定該路面的等級(jí).

針對(duì)上面的問(wèn)題，采用分別評(píng)價(jià)每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的不同采樣段的路面等級(jí).每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的長(zhǎng)度從2 km到5 km不等，測(cè)試過(guò)程每76.8 m為一個(gè)采樣段分別存儲(chǔ)，通過(guò)分別對(duì)每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的所有采樣段分別進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，然后基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為試驗(yàn)場(chǎng)路面等級(jí)認(rèn)定.在某個(gè)等級(jí)分布比例最高，則認(rèn)定為該試驗(yàn)場(chǎng)路面的等級(jí).結(jié)果如圖15～圖18所示.

圖15 水泥鋪面路試驗(yàn)場(chǎng)各采樣段路面等級(jí)分布

圖16 高原土路試驗(yàn)場(chǎng)跑道各采樣段等級(jí)分布

圖17 沙石路面跑道各采樣段等級(jí)分布

圖18 平原土路各采樣段等級(jí)分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，水泥鋪面路的路面等級(jí)評(píng)定為C級(jí)，高原地區(qū)土路的路面等級(jí)評(píng)定為D級(jí)，沙石路面的路面等級(jí)評(píng)定為E級(jí)，平原地區(qū)土路的路面等級(jí)評(píng)定為E級(jí).

5 路面譜的應(yīng)用與路面模型建模

通過(guò)測(cè)試路面譜可獲得路面不平度數(shù)據(jù)(路面垂直位移)，基于這些數(shù)據(jù)開(kāi)展以下研究工作：1)對(duì)道路進(jìn)行評(píng)價(jià)；2)將該數(shù)據(jù)加載到道路模式試驗(yàn)臺(tái)的激勵(lì)裝置，從而開(kāi)展道路模擬試驗(yàn)研究；3)開(kāi)展綜合車(chē)輛試驗(yàn)場(chǎng)構(gòu)建，從而可以避免車(chē)輛全國(guó)各地到處奔波，在一個(gè)具備各種典型路面的綜合試驗(yàn)場(chǎng)完成試驗(yàn)考核工作；4)建立路面模型，進(jìn)行仿真計(jì)算.

在獲得了4種試驗(yàn)場(chǎng)路面數(shù)據(jù)后，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用于建立路面模型的程序，其流程如圖19所示[5].應(yīng)用此程序，讀取路面不平度數(shù)據(jù)，按照多體動(dòng)力學(xué)軟件(adams/atv，recurdyn)中路面模型的標(biāo)準(zhǔn)格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后輸出路面模型的文件.

圖19 路面模型建模流程圖

圖20為利用水泥鋪面路第一采樣段76.8 m采樣數(shù)據(jù)建立的三維路面模型.通過(guò)Recurdyn高速履帶模塊讀入該模型，并在該路面模型上完成了不同車(chē)輛不同行駛速度下的振動(dòng)分析研究.

圖20 三維路面模型

6 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)試獲得了路面譜的不平度數(shù)據(jù)，并對(duì)該路面譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了自譜和路譜等級(jí)分析及數(shù)據(jù)在仿真和臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)用方面的介紹，得出如下結(jié)論：

1)采用GB 7031《車(chē)輛振動(dòng)輸入-路面平度表示》標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展路面等級(jí)評(píng)定，其方法需要進(jìn)一步的完善；

2)實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)路面其功率譜密度曲線(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，研究過(guò)程中如果采用某一種標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)路面與實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)路面等效，開(kāi)展基于路面特征的相關(guān)研究誤差會(huì)較大；

3)道路不平度數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果有眾多應(yīng)用方向，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究，提升測(cè)試數(shù)據(jù)的價(jià)值.