车辆通过减速带引起的振动分析

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1、万方数据第20卷第5期2007年lO月振动工程学报JournalofVibrationEngineeringV01．20No．5OCt．2007车辆通过减速带引起的振动分析杨英武，韩舟轮，王柏生，刘承斌(浙江大学土木工程系，浙江杭州310027)摘要：由于橡胶减速带的高度相对于路面粗糙度大的多，当车辆快速经过时极易产生跳车现象。跳动的车辆对地面产生冲击作用，从而引起周边建筑物的较大振动。对于一般的载重汽车后轮承受重量比前轮大的多，跳车时后轮对地面的冲击力也将比前轮大的多。本文建立一种简化的跳车模型，在固定位置作用一个冲击力来

2、模拟车辆跳车时车轮对地面的作用力，求解动力方程并求出车辆冲击荷载，然后通过计算半无限体在该作用力表面的振动情况来近似预测车辆跳车时引起的地面振动。最后选取一场地通过实测结果与理论计算分析进行对比。关键词：道路交通；振动；减速带中图分类号：U270．1+l；TBl23文献标识码：A文章编号：1004—4523(2007)05—0502—05引言当车辆通过减速带等交通设施时将会产生明显的跳车现象，此时引起的地面振动比车辆正常行驶情况下引起的地面振动大的多。针对车辆行驶引起的地面振动，学者H．EHunter(1991)在其研究中将

3、道路交通引起的地面振动看作一种随机过程，提出一个计算地面振动功率谱的理论模型[1’2]，能较好地预测那些由随机地面粗糙度引起的车辆振动，进而引起周边地面振动。对于车辆通过那些特定的地面突起，如在路面上为控制车速设置的人工缓坡，G．Lombaer等人针对这种情况通过数值模型进行了相关分析；在频率和波数域内分析了道路交通引起的竖向振动响应，并给出相应的经验公式[3~6]。由于橡胶减速带的高度相对于路面细微的不平粗糙度大，相对于控制车速设置的缓坡宽度小；当车辆快速经过时极易产生跳车现象。跳动的车辆会对地面产生很大的冲击作用，从而引

4、起周边建筑物的较大振动。本文针对车辆通过减速带时引起的振动问题，建立简化的计算模型并通过实测进行分析。减速带控速基本原理是在行车道上设置某种突起设施，当汽车以较高车速通过时会产生激烈的机械振动，这种振动从轮胎输入经由车身及座椅传递给汽车驾驶员，使其产生不舒服的感觉，从而提示并促使车辆驾驶员自觉、主动地降低车速。以前对减速带的设计研究主要集中在当车辆超过规定的车速时如何有效地提醒驾驶员，很少考虑车辆通过减速带收稿日期：2007—05—12；修订日期：2007—07．29时因对地面的冲击作用而引起的地面振动。所以减速带虽然能有效

5、地减少交通事故，但同时也引发了一些环境问题，如振动和噪声。1车轮通过减速带的作用及地面响应模型车辆通过减速带的时间一般都很短暂，期间车辆与测点之间的距离变化非常小，路面初始的不平度相对于减速带的高度可忽略不计，当车辆快速通过减速带时必然出现跳车现象，此时车轮对地面的冲击力将比正常行驶状况下大得多。因此可考虑在固定位置作用一个冲击力来模拟车辆跳车时车轮对地面的作用力，然后通过计算半无限体在该作用力作用下表面的振动情况来近似预测车辆跳车时引起的地面振动。1．1车辆荷载车辆通常由车体，悬挂系统(车轴部分、支撑弹簧、减震器、连接杆)

6、，车轮等部分组成[7]。对于一般的载重汽车后轮承受的重量比前轮大的多，跳车时后轮对地面的冲击力也将比前轮大的多，建立只考虑后轮的单轴模型；对于后轮为双排轮的载重汽车，中排和后排的振动可叠加考虑时间滞后得到。现把车身简化为一个质量块m，悬挂系统和车轮简化成刚度为忌的弹簧作为车辆模型。以该模型从高度为h处自由下落来模拟跳车时车辆对地面的作用，自由落体的高度h为减速带的高度，如图1所示。万方数据第5期杨英武，等：车辆通过减速带引起的振动分析503图1简化的跳车模型跳起的车轮从高度h开始自由下落，当车轮接触地面时，下落速度口=~／2

7、9h(1)车轮越过减速带接触地面后，假设车辆在重力作用下做自由振动，车辆的动力方程为mx+kx—mg(2)初始条件￡；0，z=0，主=口。此微分方程解为z：二-m下gcos硼f+旦sinw￡+华(3)庀训意可化为z=觚s[硼卜跏+警㈤其中A一√(_科+㈣声=arctan(一』生)+7cjlllgW设车辆对地面的作用力(见图2)F=点z=五Ac。s[硼(t一兰-)]-4-mgc5，为了将此荷载转化到频域内，将荷载移动相位声，则荷载的表达式为fkAcoswt+mgItI≤rF(f)=≮(6)【0ItI>r其中r=砉。通过傅立叶变

8、换将其转化到频域内荷载广+∞F(厂)=I。F(t)e—iz,ftdt=I(kAcoswt+mg)e咄,I,dt(7)1．2地面响应动力荷载作用下土的响应问题，其数学模型就是波在土中的传播问题，分析此类问题的关键是求厂、一(a)时域内的车轮作用力{‘‘7l。⋯＼i。一一JL⋯一(b)频域内的