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．山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101；2．山東公路技師學院，山東 濟南 250103）

公路在國民經濟發展和社會運行中具有基礎作用，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烈，會導致車輛在接觸瞬間出現巨大的沖擊荷載，對汽車機械結構的安全性，汽車成員的舒適性，甚至路面壽命都有很大影響，司機遭遇脈沖變形往往會本能急剎車，也影響交通安全。

道路學者進行了大量的研究，目前方法多是反應表示每10 或20m 步長內的平整度平均值，難以對路面各點具體情況進行有效反應，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。為落實交通強國目標，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的影響，并進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。代表性測量結果如下圖1所示，其中a 為經過減速帶加速度，b 為慢速經過井蓋的加速度。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；當汽車經過減速帶時其加速度出現短促較大的峰值，一般大于0.2g 即為III 段。B 圖為車輛慢速經過瀝青路面上的井蓋，可以看出，規律與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，經過井蓋瞬間的加速度約為0.08g。無論何種脈沖變形，汽車經過時所產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

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

有的研究者通過建立多自由度汽車-減速帶耦合動力學模型，對此進行了較為系統的研究，確定了減速帶高度和車速對加速度的影響，其他結果如圖2所示。由圖2可知，汽車車身加速度隨車速的提高而增大，且當速度10km/h-30km/h 范圍內時提高較大，超過30km/h 后增速明顯降低，甚至保持穩定；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，且增速較為穩定。

圖2 汽車-減速帶耦合模擬計算結果

為了對理論分析結果進行對比驗證，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，結果如圖3所示：

圖3 經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-車速關系回歸結果如式（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

一般認為當豎向加速度達到0.35g 時，人會產生明顯的不舒適感。當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；根據圖3結果可以確定，當減速帶高度達到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施和脈沖變形，對行駛舒適性有重大影響。本文對汽車經過井蓋是的加速度進行了測試，并分析了車速的影響，具體結果如圖4所示，井蓋深度為5cm。

圖4 經過井蓋時車身振動加速度

由圖4可知，汽車經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系可以用對數進行擬合，并確定了二者關系如式（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，汽車經過井蓋時加速度相對較低，約為經過減速帶加速度的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 結論

（1）本文通過傳感器，實測了汽車經過減速帶和井蓋時的車身加速度；

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

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