路面谱测量技术研究现状及发展

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1、路面谱测量技术研究现状及发展1引言路面不平度通常用来描述路面的起伏程度，是汽车行驶过程中的主要激励，影响车辆行驶的平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、零部件疲劳寿命、运输效率、油耗等各个方面。所以对于汽车工程技术人员，研究分析路面不平度具有重要意义。经过大量的路面不平度研究表明，路面功率谱密度能很好地表征路面不平度，是研究路面不平度特性的重要方式。通过对路面谱的研究，可以改善汽车行驶的平顺性，提高汽车的可靠性及操纵性等。通常把道路垂直纵断面与道路表面的交线作为路面不平度的样本，通过样本的数学特征方差或功率谱密度函数来描述路面，均值为零时，方差可以反映路面不平度大小的总体情况。功率谱密

2、度函数能够表示路面不平度能量在空间频域的分布，它刻画了路面不平度或者说路面波的结构。当功率谱密度用坐标图表示时，坐标上功率谱密度曲线下的面积就是路面不平度方差。从功率谱密度函数不仅能了解路面波的结构，还能反映出路面的总体特征。因此，功率谱密度函数是路面不平度的最重要数学特征。2路面不平度研究现状与发展我们从车辆工程的角度出发探讨路面不平度在车辆设计、分析及应用中的功能和作用，从三个不同角度阐述路面不平度的研究现状和发展前景：首先是理论研究，分别从路面不平度的定义和数学模型进行了分析和探讨；其次是路面不平度的试验分析研究，包括路面不平度的采集、测量和试验验证等；另外就是路面不平度的

3、工程应用研究，描述路面不平度在道路工程与车辆设计和研发的各个领域的应用。2.1路面不平度的理论研究2.1.1路面不平度的定义路面不平度指得是道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。这是国际道路不平度试验（IRRE，1982年在巴西进行的项目）中的规定，它简洁地表示了路面不平度的评价指标，包涵客观评价指标（道路表面对于理想平面的偏离）和主观评价指标（用乘车人的主观感觉）来评价。沿着车辆的行驶方向，也就是路面纵剖面的路面不平度，路面不平度根据波长可分为：长波、短波和粗糙纹理三种类型。其中长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而

4、粗糙纹理则引起轮胎的行驶噪声。在道路的横断面上，不平度则表现为车辙和横断面的不平，它引起车辆的侧倾。国际耐久性协会（PLARC）给出的路面构造分类如图1所示，不但给出了四种类型的波长和频率，而且给出了车辆在路面上运行时车和路之间的相互作用和各种物理现象。在表示现象的框中，空白区域表示有利因素，是我们所希望的；方框区域表示不利因素，是我们不希望的。在一般情况下，认为路面不平度的数值范围为：波长：λ=0.1m—100m，幅值：A=1mm—200mm。图1　PLARC的路面构造分类2.1.2路面不平度的数学模型国内外学者对路面不平度进行过大量有益研究，并提出多种时域和频域的路面模型。在

5、1972年ISO/TC108制订了以路面不平度的功率谱密度表达式模型和分等方法，1986年由长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入—路面平度的表示方法”标准中，作为汽车振动输入的路面不平度，主要采用路面位移功率谱密度描述其统计特性，路面不平度的时间历程可以视作平稳随机过程处理。根据这两个文件的建议，路面位移功率谱密度可采用幂函数形式作为拟合表达式：（1）对汽车振动系统的输入除了路面不平度外,还要考虑车速，为此需将空间功率谱转换为时间功率谱：（2）式中：表示路面不平度功率谱密度,简称路面功率谱密度；n表示空间频率，单位是；表示参考空间频率，=0.1；表示参考空间频率下的路面谱值，称

6、为路面不平度系数，单位是；W为频率指数，决定路面谱的频率结构；f=un，f为时间频率，为车速。由式（2）可得路面速度功率谱密度（其中频率指数取W=2）：（3）从式（3）可以看出，路面速度功率谱密度幅值在整个频率范围为一常数，即为一“白噪声”，幅值大小只与路面不平度系数和车速有关。①功率谱分析模型由于信号处理领域中功率谱理论的研究已经非常成熟，因此在道路不平度模型中，功率谱分析模型也就最早进行。对于不同等级的路面，主要区别表现在粗糙度不同，通常我们采用谱密度函数来表达不同粗糙度的路面，以给出车辆系统的输入激励。对于路面不平度的研究，各国学者提出了不同形式的功率谱密度表达式模型，主要

7、有三角级数法、过滤泊松过程模型、基于滤波的白噪声激励模拟等。②时间序列分析模型时间序列分析是统计学科的一个重要分支，在信号处理、经济管理、市场价格预测等方面得到了广泛应用。在实际路面测量中，只能测到路面不平度的有限数据，利用时间序列分析的主要任务就是根据观测数据的特点为数据建立尽可能合理的统计模型，然后利用模型的统计特性去解释数据的统计规律，以达到控制或预报的目的。在时间序列分析中，有两类简单而又常用的模型：AR（自回归）模型和ARMA模型。近年来，很多学者作了大量的研究将AR模