基于传感器测量的路面脉冲振动研究

2022-08-02周浩张桂霞赵兴驰朱伟杰

中国水运 2022年6期

周浩，张桂霞，赵兴驰，朱伟杰

（1．山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101；2．山东公路技师学院，山东济南 250103）

公路在国民经济发展和社会运行中具有基础作用，保证公路交通的安全和舒适性有重要意义。影响路面平顺性的变形主要有两个类型，一是路面表面纹理和粗糙引起的较为平稳的振动，二是减速带，井盖，拥包变形等脉冲振动。其中脉冲引起的振动更强烈，会导致车辆在接触瞬间出现巨大的冲击荷载，对汽车机械结构的安全性，汽车成员的舒适性，甚至路面寿命都有很大影响，司机遭遇脉冲变形往往会本能急刹车，也影响交通安全。

道路学者进行了大量的研究，目前方法多是反应表示每10 或20m 步长内的平整度平均值，难以对路面各点具体情况进行有效反应，也不适于检测脉冲类变形振动，三米尺法的测试密度较低，代表性不足。为落实交通强国目标，提高公路行驶舒适性和安全性，本文基于加速度传感器测量汽车振动特性，检测减速带，井盖等脉冲变形振动对汽车状态的影响，并进一步分析车速的影响，确定舒适车速，对交通的安全性和舒适性有重要意义。

1 路面加速度

在汽车车身前部中间位置安装加速度传感器，测量汽车行驶过程中车身竖向加速度。代表性测量结果如下图1所示，其中a 为经过减速带加速度，b 为慢速经过井盖的加速度。a 图测试路段为一段水泥路面，局部粗糙，并有减速带，车速为30km/h，图中加速度稳定值1g，为地球重力值。从图1中可以看出，大部路段较为光滑，其加速度值较低，即为I 段；汽车经过局部粗糙路段时其加速度值较大，可以超过0.1g，即为II 段；当汽车经过减速带时其加速度出现短促较大的峰值，一般大于0.2g 即为III 段。B 图为车辆慢速经过沥青路面上的井盖，可以看出，规律与a 图大致接近，大部分路段振动加速度都很小，一般小于0.02g，经过井盖瞬间的加速度约为0.08g。无论何种脉冲变形，汽车经过时所产生的竖向振动加速度值都显著大于普通路段。所以脉冲变形引起的加速度是道路平顺性研究的重点。本文对典型脉冲变形：减速带和井盖分别展开研究。

图1 车身竖向脉冲加速度

2 减速带影响分析

汽车振动状态是车速，变形的形状和程度，汽车自身机械参数，轮胎特性等多个因素共同作用的结果，车辆-路面变形耦合作用模型是进行多种因素共同影响下汽车振动状态的有效手段，道路学者对此进行了广泛的研究。随机路面不平一般通过路功率谱密度等方法进行描述，在脉冲变形方面，学者们建立了不同的脉冲形状进行建模，并分析了脉冲形式，悬架参数，车速和减速带长度等因素对汽车振动状态的影响。

有的研究者通过建立多自由度汽车-减速带耦合动力学模型，对此进行了较为系统的研究，确定了减速带高度和车速对加速度的影响，其他结果如图2所示。由图2可知，汽车车身加速度随车速的提高而增大，且当速度10km/h-30km/h 范围内时提高较大，超过30km/h 后增速明显降低，甚至保持稳定；且无论减速带高度如何，加速度变化拐点都是30km/h。车身加速度对减速带高度的提高而增加，且增速较为稳定。