典型路面不平度研究

中圖分類號： U467.1+1 收稿日期：2025-02-20 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.013

Research on Typical Road Surface Roughness

Wang Xudong Liu ZunyongGuo Xin Xia Yu Shaanxi Automobile Group Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China

Abstract：Researchonroadcharacteristicsisoftenoverlookedinautomotivestudies，despite thefactthatfactorssuchascompo nentfatiguedamage，pasengercomfort，andvehicleperformanceoriginatefromroadexcitation.China'snewGBl2678standardhas， forthefirstim，emphasiedthenecesityoflinkingreliabilitytestingtoal-worduseroadconditions.ispaperintegratestheoad classificationframeworksoutliedinSO808andGB/T731.heweeubaelerationsigalsarecoetedfromaspiicveicle modelonhig-traficoutesinXi'an.Thedataisconvertedintopowerspectraldensity（PSD）andRMSvaluestoeterinethelasifcation of different road surfaces.

Keywords：Road SurfaceRoughness;Powerspectral density;Classificatio1

1前言

路面不平度是對路面客觀的評價指標(biāo)，在車輛行駛過程中影響到駕乘舒適性及各部件耐久性，研究路面特性能夠幫助人們更好地了解汽車。在“路一車一人”系統(tǒng)中，路面作為該系統(tǒng)的重要輸入，同樣體現(xiàn)了路面研究的重要性。

隨著我國道路建設(shè)能力的持續(xù)提高，部分地區(qū)國道路面特性已接近市區(qū)道路水平，而市區(qū)內(nèi)因各類基建導(dǎo)致部分路面特性較差。以往的用戶關(guān)聯(lián)可靠性分析中，僅簡單將所有道路區(qū)分為高速、國道、市區(qū)道路、郊區(qū)道路等，這已不能滿足分析需要。

本文通過選取一些國道、高速公路、市內(nèi)環(huán)線、城郊連接路線、郊區(qū)線路等，確定各路線不平度等級，結(jié)合ISO8608和GB/T7031中分級要求，將不同路面分級[1]。

2理論依據(jù)

2.1測試方法

路面不平度的測試方法很多，目前常見的幾種方法如下[2]：

a.傳統(tǒng)測試方法：人工使用標(biāo)尺和水平儀測試，此種方法雖準(zhǔn)確但耗時，適合短距離測試。

b.利用路面不平度測試儀，通過儀器的第五輪來采集路面信號。

c.激光類測試系統(tǒng)，通過激光掃描路面信息，將路面三維建模，測試數(shù)據(jù)更加精確。

d.將車輛軸頭加速度信號轉(zhuǎn)化為路面激勵，計算出路面不平度。

本文采用上述第四種方法，結(jié)合現(xiàn)有的加速度傳感器采集設(shè)備，計算加速度信號的RMS值。此種方法準(zhǔn)確度適中，適合長距離采集和路面橫向?qū)Ρ妊芯浚瑫r有節(jié)約設(shè)備成本、測試方法簡單、適合長時間長距離測試等的優(yōu)點(diǎn)。

2.2路面不平度定義

《汽車?yán)碚摗分袑β访娌黄蕉让枋鰹槔盟疁?zhǔn)儀測試路面相對于基準(zhǔn)平面的高度 ，沿道路走向長度 I 的變化量 q（I） ，通過進(jìn)一步處理得到空間頻率上的功率譜密度 G（n） [3]。

路面的描述可以按以下公式：

式中， n 為空間頻率，波長的倒數(shù)， m^-1;n₀ 為參考空間頻率，取 為路面不平度系數(shù)， m³;W 為頻率指數(shù)，取 2.25 。

時間頻率上的功率譜密度 G（f） ·

式中 ，f 為頻率 ，f=vn，s^-1;v 為平均車速， m/s 。

對式（2）求二階導(dǎo)數(shù)，得到加速度功率譜：

參考文獻(xiàn)[4]，將汽車懸架 Z 向運(yùn)動加速度看作單自由度振動系統(tǒng)，振動響應(yīng)的均方根值如下：

式中， Q 為品質(zhì)因子， Q=1/（2ζ）;ζ 為懸架阻尼比，取 0.2～0.4;f_n 為信號自然頻率， Hz 。

通過式（1）～式（4）換算，并令 f=f_n ，最終得到軸頭加速度信號在不同車速上的均方根值表達(dá)式：

式中， V 為平均車速， km/h 。

2.3路面不平度分級

在ISO8608和GB/T7031中均把道路分為8級，但I(xiàn)SO8608中的 C，D，E 級分別對應(yīng) GB/T7031 中的A、B、C級，為將路面更精確的劃分，本文采用ISO8608中的分級方法[5-6]。

試驗車輛懸架阻尼比為0.2，懸架自然頻率 f_n 為14Hz ，結(jié)合表1和式（5）求得不同車速下軸頭加速度均方根值在對數(shù)坐標(biāo)下的分級圖（圖1）7]。

在用戶關(guān)聯(lián)可靠性研究中，通過采集該款車型大量的用戶記錄，即可基本了解該類車型的行駛路面情況，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)就可避免“欠設(shè)計”或“過設(shè)計\"的情況。

3用戶道路數(shù)據(jù)分析

3.1用戶道路選取和采集

根據(jù)某款車型在西安地區(qū)的行駛熱力圖（圖2）及用戶實地調(diào)研，選定部分有代表性的用戶道路作為本次研究對象，且選定的道路盡可能包含所有典型路線（表2）。

在試驗車前橋軸頭位置布置加速度傳感器采集 Z 向加速度信號，同時采集車輛車速信號。圖3表示采集到的數(shù)據(jù)信號。

3.2數(shù)據(jù)處理和分析

利用Ncode軟件對數(shù)據(jù)處理，為減少停車造成的數(shù)據(jù)誤差，過濾速度低于 5km/h 的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波。通過軟件計算，得到每條道路的平均車速及軸頭 Z 向加速度的RMS值（表3），選左右軸頭最大值為研究對象。

4數(shù)據(jù)應(yīng)用

將所有路面的RMS值放入路面不平度分級圖中，可直觀看到大部分路面處于B級和C級道路，少數(shù)路面為A及或D級道路，如圖4所示。圖5～圖8為部分路線的實際照片。

5結(jié)語

GB/T12678—2021中用戶關(guān)聯(lián)加速可靠性試驗表明對用戶道路的研究尤為重要，決定了試驗場可靠性試驗的準(zhǔn)確性，所以定義用戶道路特征和占比是一個重要的課題。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，部分縣道的路面狀況要優(yōu)于國道，部分郊區(qū)的路面狀況要優(yōu)于市區(qū)，故對道路的研究提出更高的要求。結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺、用戶調(diào)研和道路分級情況能更精確定義同一類車型行駛的道路情況和同一類道路對車輛的損傷情況。在研究過程中通過將路面的功率譜密度轉(zhuǎn)化為路面不同車速下軸頭加速度的RMS值，能夠快速對路面等級進(jìn)行判定，通過對比研究，驗證了該方法的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]段虎明，石峰，謝飛，等.路面不平度研究綜述[J].振動與沖擊，2009（9）：95-101.

[2]朱曉慶.三維路面不平度測量系統(tǒng)開發(fā)及路面重構(gòu)研究[D].青島：青島大學(xué)，2016.

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]Miles J.On structural fatigue under random loading[J].J .Aero.Sci. No-vember，1954（1）：176-177.

[5]ISO 86o8—2O16 Mechanical vibration-Road surface profiles-Report-ingof measured data[S].

[6]GB/T7031—2005機(jī)械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告[S].

[7]LiPengfei，Dodds C.Defining road surface profiles by vehicle response[J].Engineering integrity，2015，38：8-15.