张 晶， 赵韬硕， 蔡文斌

(1.北京特种车辆研究所，北京 100072；2.中国北方车辆研究所，北京 100072)

路面不平度通常用来描述路面的起伏程度，是路面空间几何特性的重要标准参数.由于国内外对该名称的说法不同(有的称为路面平度、有的称为路面平整度)，因此将该特征量称为路面谱，就是用路面的垂直位移功率谱来表示.路面不平使车辆行驶过程产生阻力和振动.行驶阻力消耗车辆的功率并影响车辆动力系统和传动系的寿命；而路面冲击下产生的振动，则直接影响车辆平顺性、乘坐舒适性和承载系的可靠性与寿命[1].因此，深入开展路面谱的应用研究是提升仿真、计算置信度的重要基础，同时对开展道路模拟试验也有重要的意义[2].

1 测试对象与测试仪器

测试对象为4种典型路面：水泥铺面路，高原地区土路，沙石路面和平原地区土路.

常用的路面测量方法有：固定基准测量方法、随动基准测量方法、递推基准测量方法、惯性基准测量方法、激光断面仪测量法和角度基准测量方法.其相应的代表仪器有：直梁基准测量仪、多轮测平车、TRL高速路面计、惯性基准测量仪、多功能激光路面检测仪、双轨路形计.

根据国家军用标准(GJB59.27-91)并综合考虑各路面谱测试方法的优缺点，最后确定使用角度基准测量方法，采用双轨路形计，对4种试验场路面的不平度进行测量.该仪器虽然固定安装复杂，但测量机动性好、使用方便、幅频特性好.双轨路形计结构如图1所示.为了减小路面冲击的影响，提高陀螺的寿命和测量精度，将其放置在车辆的悬挂之上，其主要功能是测量车体俯仰角度.为了保证摆架上两测量轮保持与路面接触，扭转弹簧与角度α1传感器同轴安装，通过施加给托臂的扭矩将摆架压在路面上，摆架可相对安装角度α2传感器的轴转动.托臂和摆架总成有左右两套，分别测量左右两侧路面的不平度；两摆架间距在1 500～3 000 mm间连续可调，以适应不同车辆轮间距的要求.

图1 双轨路形计结构原理图

2 测试步骤与测试结果

测试过程取76.8 m为一个采样段.测试一次，存储一次.采样总长度近15 km.图2为现场测试图.图3～图6分别为4种路面采样段的测试结果数据.

图2 利用双轨路形计进行测量现场图

图3 水泥铺面路某采样段左右两轮路面不平度

3 功率谱密度分析

在车辆工程应用中，主要采用路面不平度的功率谱密度描述路面不平度的统计特性；同时，采用功率谱密度数据开展车辆振动特性的估算[3].

图4 高原地区土路某采样段左右两轮路面不平度

图5 沙石路面某某采样段左右两轮路面不平度

图6 平原地区土路某采样段左右两轮路面不平度

路面不平度的功率谱密度定义是通过对路面不平度采样样本(x(t))进行滤波、平方和平均运算获得，记为Gx(n).为了得到路面不平度样本在(n，n+Δn)频率范围内的均方值，可以用具有精确截断特性的带通滤波器对样本进行滤波，然后计算滤波器输出结果平方的平均值.

用公式表示为

(1)

当Δn取值非常小时，功率谱密度函数Gx(n)可以表示为

(2)

式(2)为近似表示，精确的表示可以写为：

(3)

按照式(3)计算方法，对各段路面不平度的功率谱密度进行计算，结果如图7～图10所示.

图7 水泥铺面路某采样段左右两轮路面不平度自谱

图8 高原地区土路某采样段左右两轮路面不平度自谱

图9 沙石路面某采样段左右两轮路面不平度自谱

图10 平原地区土路某采样段左右两轮路面不平度自谱

由于水泥路面平整起伏小，因此其功率谱密度值较低.其他3种路面均属于越野路面，路面的起伏大，功率谱密度较高.从频率分布来看，4种路面谱的功率峰值均分布在低频成分上，主要是因为低频对应的是波长较长的路面结构，其起伏度必然比高频的大.

4 路面等级的评定

4.1 评定依据

采用GB/T7031-2005中附录B推荐的直线拟合方法，拟合公式如式(4)所示[5].

(4)

式中：Gd(n)为拟合后的功率谱密度函数；Gd(n0)为n0对应的功率谱密度值；n0为参考空间频率,m-1；n为参考空间频率自变量；w为拟合出的直线斜率。

4.2 路面等级的确定

将功率谱密度曲线进行直线拟合后放置到含有标准路面等级分区线的对数坐标系，即可直观获得路面的等级结果.采用这种方法对4种试验场路面进行了等级分析，结果如图11～图14所示.

图11 水泥铺面路的路面等级分析结果

图12 高原地区土路的路面等级分析结果

图13 沙石路面的路面等级分析结果

图14 平原地区土路的路面等级分析结果

上述的分析结果存在一个问题:在标准的路面等级划分图中，路面功率谱密度的拟合直线基本都不是分布在一个等级区间内，而是跨越2个甚至3个等级区域从而很难认定该路面的等级.

针对上面的问题，采用分别评价每个试验场的不同采样段的路面等级.每个试验场的长度从2 km到5 km不等，测试过程每76.8 m为一个采样段分别存储，通过分别对每个试验场的所有采样段分别进行等级评估，然后基于统计结果作为试验场路面等级认定.在某个等级分布比例最高，则认定为该试验场路面的等级.结果如图15～图18所示.

图15 水泥铺面路试验场各采样段路面等级分布

图16 高原土路试验场跑道各采样段等级分布

图17 沙石路面跑道各采样段等级分布

图18 平原土路各采样段等级分布

通过统计分析，水泥铺面路的路面等级评定为C级，高原地区土路的路面等级评定为D级，沙石路面的路面等级评定为E级，平原地区土路的路面等级评定为E级.

5 路面谱的应用与路面模型建模

通过测试路面谱可获得路面不平度数据(路面垂直位移)，基于这些数据开展以下研究工作：1)对道路进行评价；2)将该数据加载到道路模式试验台的激励装置，从而开展道路模拟试验研究；3)开展综合车辆试验场构建，从而可以避免车辆全国各地到处奔波，在一个具备各种典型路面的综合试验场完成试验考核工作；4)建立路面模型，进行仿真计算.

在获得了4种试验场路面数据后，开发了专用于建立路面模型的程序，其流程如图19所示[5].应用此程序，读取路面不平度数据，按照多体动力学软件(adams/atv，recurdyn)中路面模型的标准格式对数据进行处理，然后输出路面模型的文件.

图19 路面模型建模流程图

图20为利用水泥铺面路第一采样段76.8 m采样数据建立的三维路面模型.通过Recurdyn高速履带模块读入该模型，并在该路面模型上完成了不同车辆不同行驶速度下的振动分析研究.

图20 三维路面模型

6 结 论

通过测试获得了路面谱的不平度数据，并对该路面谱数据进行了自谱和路谱等级分析及数据在仿真和台架试验应用方面的介绍，得出如下结论：

1)采用GB 7031《车辆振动输入-路面平度表示》标准开展路面等级评定，其方法需要进一步的完善；

2)实际试验场路面其功率谱密度曲线相对复杂，研究过程中如果采用某一种标准等级路面与实际试验场路面等效，开展基于路面特征的相关研究误差会较大；

3)道路不平度数据测试结果有众多应用方向，需要进一步开展研究，提升测试数据的价值.