用戶路面不平度等級(jí)劃分及路面比例研究

摘 要：Cebon方法將空間功率譜密度轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，由此結(jié)合軸頭加速度可將空間功率譜密度法轉(zhuǎn)化為加速度功率譜密度法，即通過(guò)基于白噪聲生成法和加速度功率譜密度法建立了路面不平度數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用該方法處理各類傳感器測(cè)量的實(shí)際道路載荷譜數(shù)據(jù)，然后通過(guò)特征參數(shù)提取法評(píng)價(jià)所測(cè)路段的路面等級(jí)，并在分析和處理所有測(cè)量路段后，對(duì)實(shí)際測(cè)試的用戶路面狀況進(jìn)行了路面等級(jí)劃分。結(jié)果表明大部分用戶路面等級(jí)集中在Ｂ級(jí)，整體路面不平度在Ｂ級(jí)以上。

關(guān)鍵詞：路面不平度等級(jí) 空間功率譜密度法 加速度功率譜密度法

0 引言

路面不平度是影響車輛垂向振動(dòng)激勵(lì)的主要因素，對(duì)車輛的平順性、輪胎壽命乃至車輛操控穩(wěn)定性、油耗、貨物運(yùn)輸完整性都有重要影響。其衡量指標(biāo)—路面不平度是指路面相對(duì)基準(zhǔn)平面高度沿道路走向長(zhǎng)度的變化，用來(lái)描述路面的起伏程度。大量研究表明：路面不平度可視為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，可用功率譜密度PSD描述。車輛振動(dòng)領(lǐng)域常用PSD來(lái)描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性，不僅能夠很好地刻畫出路面波的結(jié)構(gòu)，還能反映總體特征，是國(guó)標(biāo)規(guī)定的路面不平度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

準(zhǔn)確的隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域模型的建立也是車輛平順性、操作穩(wěn)定性等方面研究的前提和仿真結(jié)果正確性的保證。目前，國(guó)內(nèi)外最常用的模擬方法有白噪聲法、隨機(jī)正弦波疊加法、AR/ARMA法和泊松法等，其中白噪聲法具有計(jì)算量較小、運(yùn)行速度快和計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)。

本文主要對(duì)路面強(qiáng)度等級(jí)劃分的方法進(jìn)行研究，基于白噪聲法和功率譜密度法，研究出一種確實(shí)可行的進(jìn)行路面強(qiáng)度等級(jí)劃分的方法。

1 空間功率譜密度法

ISO32768-8608描述路面不平度為：

式中：為空間頻率或者波數(shù)，單位為；為固定參考空間頻率；為參考空間頻率下的位移功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)，單位為m3；為頻率指數(shù)，為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率。

選取，，根據(jù)功率密度值的上下限將路面分為A～H共8級(jí)，基于PSD為表征參數(shù)的不同類型路面的級(jí)別分類如表1所示，A～H級(jí)劃分的功率譜密度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值如表2所示。

Cebon（1999）對(duì)其簡(jiǎn)化，選取，，對(duì)應(yīng)劃分結(jié)果如下表3所示。

該方法需要用到專門的模型車及測(cè)試設(shè)備，設(shè)備昂貴，時(shí)間久，實(shí)用性較差。

2 加速度功率譜密度法

Join Miles于1954年提出了單自由度系統(tǒng)白噪聲激勵(lì)與加速度均方根值之間的關(guān)系式描述為：

式中：為均方根值，單位為g；為阻尼器的固有頻率，為12Hz；為相關(guān)阻尼比的測(cè)量值，設(shè)定為2.5；為對(duì)應(yīng)的加速度功率譜密度值。

整車是一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，但單獨(dú)考慮其軸頭垂向加速度，其功率譜密度響應(yīng)是固有頻域接近輪跳頻率的單自由度系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的功率譜包絡(luò)面積等于加速度信號(hào)的均方根值。

將Cebon方法的空間功率譜密度轉(zhuǎn)化為頻域，計(jì)算加速度功率譜密度，我們就可以通過(guò)軸頭加速度RMS值進(jìn)行路面強(qiáng)度等級(jí)劃分。這里只需要根據(jù)功率譜密度的定義得到單位頻率內(nèi)的空間和時(shí)間頻率功率譜密度，結(jié)合即通過(guò)基于白噪聲生成法和加速度功率譜密度法建立了路面不平度數(shù)學(xué)模型：

（b）

式中：為粗糙度指數(shù)，為表2中的路面不平度指數(shù)；為車速，單位是。

由公式（b）可知，最終將粗糙度指數(shù)轉(zhuǎn)化為跟軸頭加速度均方根值和車速相關(guān)的量，根據(jù)式（b）計(jì)算使仿真出的不同路面不平度系數(shù)下軸頭加速度均方根值與路面分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的相匹配，從而標(biāo)定出不同路面等級(jí)下，各速度所對(duì)應(yīng)的值。最后得到新的路面強(qiáng)度等級(jí)劃分結(jié)果如表4所示。

3 基于加速度功率譜的路面評(píng)價(jià)

3.1 載荷譜采集

測(cè)試某車型模擬用戶線路載荷譜數(shù)據(jù)，分別在用戶典型工況（一般道路、城市道路、高速公路、山路、惡劣道路）以及在滿載條件下進(jìn)行載荷譜采集。

實(shí)際采集模擬用戶路線的載荷譜數(shù)據(jù)中各路面的里程數(shù)如表5所示。

3.2 各地路面強(qiáng)度等級(jí)劃分結(jié)果

對(duì)各地采集到z向軸頭加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中以用戶路面數(shù)據(jù)分割長(zhǎng)度單位，設(shè)定為5km，一個(gè)采樣樣本，得到道路各路面以及匯總的路面強(qiáng)度等級(jí)劃分如圖2-圖7所示。

通過(guò)計(jì)算分別得到各用戶典型工況的不平度分布結(jié)果后，統(tǒng)計(jì)得到不同工況下路面等級(jí)的占比，從表6可以看出，高速公路中等級(jí)A占比最大，而壞路中等級(jí)C占比最大，典型工況越惡劣程度和路面不平度等級(jí)趨勢(shì)保持一致，即工況越差路面不平度等級(jí)越低。

4 結(jié)論

本文利用白噪聲法和加速度功率譜密度法，得到速度-軸頭加速度均方根值GRMS曲線后，運(yùn)用路面等級(jí)百分比提取法提取了比例系數(shù)參數(shù)，再用直線擬合相關(guān)參數(shù)壓縮了統(tǒng)計(jì)量，并對(duì)實(shí)際用戶路面進(jìn)行的等級(jí)劃分。

運(yùn)用此方法對(duì)實(shí)測(cè)的路面載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和評(píng)價(jià)。最后基于所有路段的特征參數(shù)，對(duì)用戶的路面水平和等級(jí)進(jìn)行了合理推斷。通過(guò)本文的研究，證明該方法可以計(jì)算路面的不平度等級(jí)，可對(duì)采集的用戶載荷進(jìn)行路面等級(jí)劃分，比功率譜密度法簡(jiǎn)單實(shí)用，節(jié)約了專業(yè)設(shè)備掃描路面高程的大量費(fèi)用和周期。

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