用户路面不平度等级划分及路面比例研究

摘 要：Cebon方法将空间功率谱密度转化为频域信号，由此结合轴头加速度可将空间功率谱密度法转化为加速度功率谱密度法，即通过基于白噪声生成法和加速度功率谱密度法建立了路面不平度数学模型。运用该方法处理各类传感器测量的实际道路载荷谱数据，然后通过特征参数提取法评价所测路段的路面等级，并在分析和处理所有测量路段后，对实际测试的用户路面状况进行了路面等级划分。结果表明大部分用户路面等级集中在Ｂ级，整体路面不平度在Ｂ级以上。

关键词：路面不平度等级 空间功率谱密度法 加速度功率谱密度法

0 引言

路面不平度是影响车辆垂向振动激励的主要因素，对车辆的平顺性、轮胎寿命乃至车辆操控稳定性、油耗、货物运输完整性都有重要影响。其衡量指标—路面不平度是指路面相对基准平面高度沿道路走向长度的变化，用来描述路面的起伏程度。大量研究表明：路面不平度可视为平稳随机过程，可用功率谱密度PSD描述。车辆振动领域常用PSD来描述路面不平度的统计特性，不仅能够很好地刻画出路面波的结构，还能反映总体特征，是国标规定的路面不平度评价指标。

准确的随机路面激励时域模型的建立也是车辆平顺性、操作稳定性等方面研究的前提和仿真结果正确性的保证。目前，国内外最常用的模拟方法有白噪声法、随机正弦波叠加法、AR/ARMA法和泊松法等，其中白噪声法具有计算量较小、运行速度快和计算精度高等优点。

本文主要对路面强度等级划分的方法进行研究，基于白噪声法和功率谱密度法，研究出一种确实可行的进行路面强度等级划分的方法。

1 空间功率谱密度法

ISO32768-8608描述路面不平度为：

式中：为空间频率或者波数，单位为；为固定参考空间频率；为参考空间频率下的位移功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m3；为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率。

选取，，根据功率密度值的上下限将路面分为A～H共8级，基于PSD为表征参数的不同类型路面的级别分类如表1所示，A～H级划分的功率谱密度标准数值如表2所示。

Cebon（1999）对其简化，选取，，对应划分结果如下表3所示。

该方法需要用到专门的模型车及测试设备，设备昂贵，时间久，实用性较差。

2 加速度功率谱密度法

Join Miles于1954年提出了单自由度系统白噪声激励与加速度均方根值之间的关系式描述为：

式中：为均方根值，单位为g；为阻尼器的固有频率，为12Hz；为相关阻尼比的测量值，设定为2.5；为对应的加速度功率谱密度值。

整车是一个复杂的多自由度系统，但单独考虑其轴头垂向加速度，其功率谱密度响应是固有频域接近轮跳频率的单自由度系统，对应的功率谱包络面积等于加速度信号的均方根值。

将Cebon方法的空间功率谱密度转化为频域，计算加速度功率谱密度，我们就可以通过轴头加速度RMS值进行路面强度等级划分。这里只需要根据功率谱密度的定义得到单位频率内的空间和时间频率功率谱密度，结合即通过基于白噪声生成法和加速度功率谱密度法建立了路面不平度数学模型：

（b）

式中：为粗糙度指数，为表2中的路面不平度指数；为车速，单位是。

由公式（b）可知，最终将粗糙度指数转化为跟轴头加速度均方根值和车速相关的量，根据式（b）计算使仿真出的不同路面不平度系数下轴头加速度均方根值与路面分级标准的相匹配，从而标定出不同路面等级下，各速度所对应的值。最后得到新的路面强度等级划分结果如表4所示。

3 基于加速度功率谱的路面评价

3.1 载荷谱采集

测试某车型模拟用户线路载荷谱数据，分别在用户典型工况（一般道路、城市道路、高速公路、山路、恶劣道路）以及在满载条件下进行载荷谱采集。

实际采集模拟用户路线的载荷谱数据中各路面的里程数如表5所示。

3.2 各地路面强度等级划分结果

对各地采集到z向轴头加速度数据进行计算，其中以用户路面数据分割长度单位，设定为5km，一个采样样本，得到道路各路面以及汇总的路面强度等级划分如图2-图7所示。

通过计算分别得到各用户典型工况的不平度分布结果后，统计得到不同工况下路面等级的占比，从表6可以看出，高速公路中等级A占比最大，而坏路中等级C占比最大，典型工况越恶劣程度和路面不平度等级趋势保持一致，即工况越差路面不平度等级越低。

4 结论

本文利用白噪声法和加速度功率谱密度法，得到速度-轴头加速度均方根值GRMS曲线后，运用路面等级百分比提取法提取了比例系数参数，再用直线拟合相关参数压缩了统计量，并对实际用户路面进行的等级划分。

运用此方法对实测的路面载荷谱数据进行了处理和评价。最后基于所有路段的特征参数，对用户的路面水平和等级进行了合理推断。通过本文的研究，证明该方法可以计算路面的不平度等级，可对采集的用户载荷进行路面等级划分，比功率谱密度法简单实用，节约了专业设备扫描路面高程的大量费用和周期。

参考文献：

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[5]张振伟.基于国际不平度指数和车辆振动响应的路面统计特性幂函数模型识别[Z].2019.