基于傳感器測量的路面脈沖振動研究

周浩，張桂霞，趙興馳，朱偉杰

（1．山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2．山東公路技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103）

公路在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會運行中具有基礎(chǔ)作用，保證公路交通的安全和舒適性有重要意義。影響路面平順性的變形主要有兩個類型，一是路面表面紋理和粗糙引起的較為平穩(wěn)的振動，二是減速帶，井蓋，擁包變形等脈沖振動。其中脈沖引起的振動更強(qiáng)烈，會導(dǎo)致車輛在接觸瞬間出現(xiàn)巨大的沖擊荷載，對汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性，汽車成員的舒適性，甚至路面壽命都有很大影響，司機(jī)遭遇脈沖變形往往會本能急剎車，也影響交通安全。

道路學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，目前方法多是反應(yīng)表示每10 或20m 步長內(nèi)的平整度平均值，難以對路面各點具體情況進(jìn)行有效反應(yīng)，也不適于檢測脈沖類變形振動，三米尺法的測試密度較低，代表性不足。為落實交通強(qiáng)國目標(biāo)，提高公路行駛舒適性和安全性，本文基于加速度傳感器測量汽車振動特性，檢測減速帶，井蓋等脈沖變形振動對汽車狀態(tài)的影響，并進(jìn)一步分析車速的影響，確定舒適車速，對交通的安全性和舒適性有重要意義。

1 路面加速度

在汽車車身前部中間位置安裝加速度傳感器，測量汽車行駛過程中車身豎向加速度。代表性測量結(jié)果如下圖1所示，其中a 為經(jīng)過減速帶加速度，b 為慢速經(jīng)過井蓋的加速度。a 圖測試路段為一段水泥路面，局部粗糙，并有減速帶，車速為30km/h，圖中加速度穩(wěn)定值1g，為地球重力值。從圖1中可以看出，大部路段較為光滑，其加速度值較低，即為I 段；汽車經(jīng)過局部粗糙路段時其加速度值較大，可以超過0.1g，即為II 段；當(dāng)汽車經(jīng)過減速帶時其加速度出現(xiàn)短促較大的峰值，一般大于0.2g 即為III 段。B 圖為車輛慢速經(jīng)過瀝青路面上的井蓋，可以看出，規(guī)律與a 圖大致接近，大部分路段振動加速度都很小，一般小于0.02g，經(jīng)過井蓋瞬間的加速度約為0.08g。無論何種脈沖變形，汽車經(jīng)過時所產(chǎn)生的豎向振動加速度值都顯著大于普通路段。所以脈沖變形引起的加速度是道路平順性研究的重點。本文對典型脈沖變形：減速帶和井蓋分別展開研究。

圖1 車身豎向脈沖加速度

2 減速帶影響分析

汽車振動狀態(tài)是車速，變形的形狀和程度，汽車自身機(jī)械參數(shù)，輪胎特性等多個因素共同作用的結(jié)果，車輛-路面變形耦合作用模型是進(jìn)行多種因素共同影響下汽車振動狀態(tài)的有效手段，道路學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛的研究。隨機(jī)路面不平一般通過路功率譜密度等方法進(jìn)行描述，在脈沖變形方面，學(xué)者們建立了不同的脈沖形狀進(jìn)行建模，并分析了脈沖形式，懸架參數(shù)，車速和減速帶長度等因素對汽車振動狀態(tài)的影響。

有的研究者通過建立多自由度汽車-減速帶耦合動力學(xué)模型，對此進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，確定了減速帶高度和車速對加速度的影響，其他結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，汽車車身加速度隨車速的提高而增大，且當(dāng)速度10km/h-30km/h 范圍內(nèi)時提高較大，超過30km/h 后增速明顯降低，甚至保持穩(wěn)定；且無論減速帶高度如何，加速度變化拐點都是30km/h。車身加速度對減速帶高度的提高而增加，且增速較為穩(wěn)定。

圖2 汽車-減速帶耦合模擬計算結(jié)果

為了對理論分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證，本文在車身安裝傳感器，在不同車速條件下實測汽車車身振動加速度，并對比高度為1.2cm 和5cm 的兩種典型減速帶的影響，結(jié)果如圖3所示：

圖3 經(jīng)過減速帶時車身振動加速度

由圖3可知，汽車車身加速度隨車速的提高而增大，但都存在拐點；減速帶的高度對加速度有顯著影響，5cm 高減速帶的加速度的最低值大于1.2cm 減速帶的最高值；減速帶高度對加速度增長拐點速度有顯著影響，5cm 高減速帶的拐點速度為40km/h，而1.2cm 高減速帶的拐點速度為20km/h。

對車速20km/h 以上的車身加速度-車速關(guān)系回歸結(jié)果如式（1）所示：

其中，Am 為車身加速度，單位為g；V 為車速，單位為km/h。模型R2為 0.9494

一般認(rèn)為當(dāng)豎向加速度達(dá)到0.35g 時，人會產(chǎn)生明顯的不舒適感。當(dāng)減速帶高度較小時對行駛舒適性影響較小，可以維持較高的車速；根據(jù)圖3結(jié)果可以確定，當(dāng)減速帶高度達(dá)到5cm 時，舒適車速約為20km/h。

3 井蓋加速度

井蓋為城市道路常見設(shè)施和脈沖變形，對行駛舒適性有重大影響。本文對汽車經(jīng)過井蓋是的加速度進(jìn)行了測試，并分析了車速的影響，具體結(jié)果如圖4所示，井蓋深度為5cm。

圖4 經(jīng)過井蓋時車身振動加速度

由圖4可知，汽車經(jīng)過井蓋時車身加速度隨車速的提高而增大；開始時加速度提高較快，車速超過30km/h 后增變慢；振動加速度與車速之間的關(guān)系可以用對數(shù)進(jìn)行擬合，并確定了二者關(guān)系如式（2）所示：

其中，Am 為車身加速度，單位為g；V 為車速，單位為km/h。

與減速帶相比，汽車經(jīng)過井蓋時加速度相對較低，約為經(jīng)過減速帶加速度的1/3，這是因為井蓋只影響一個車輪，在車輛中心造成的振動相對較小。

4 結(jié)論

（1）本文通過傳感器，實測了汽車經(jīng)過減速帶和井蓋時的車身加速度；

（2）對比理論模擬結(jié)果，確定了車速和減速帶高度對車身加速度的影響規(guī)律，并建立了車身加速度與車速的關(guān)系模型；

（3）建立了車輛經(jīng)過井蓋時的車身加速度與車速的關(guān)系模型，并比較了井蓋和減速帶對車身振動影響的差別。