（光学工程专业论文）七自由度多轴车辆模型在波形路面上的动力分析.pdf

摘要 随着公路交通的不断发展，车辆一路面耦合系统的相互作用受到越来越广泛的 关注。路面平整度是度量路面行驶质量的一项主要性能指标，平整的路面能为车 辆提供快速、安全、舒适和经济的行车环境，同时减少车辆对路面的损坏，提高 路面的使用性能，延长路面的使用寿命。而相反，不平的路面激励，会使行驶的 汽车产生振动。汽车振动产生动载荷，这不仅会造成汽车机件磨损、损坏，影响 汽车行驶平顺性、安全性，还会对路面产生力学行为，加速路面的破坏。 通过理论分析和参考实测资料，建立了正弦函数波形路面模型，并确定模型 的波长和振幅；借鉴车辆研究部门的理论分析，建立考虑左右激励相位差的七自 由度车辆模型，通过多自由度系统复模态理论，采用m a t l a b 编程，求算在左右车 轮激励不同、车速不同、路面模型中波长不同、车辆载重质量不同时的动荷载大 小及分布。 论文通过对七自由度车辆模型的计算分析，得到如下结论：车辆动荷载在给 定的波形路面上与路面波形的振幅成正比：波形路面的波长、车辆行驶速度及载 重质量对动荷载有明显的影响。 关键词：模型；路面平整度；动载荷；振动 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fr o a dt r a n s p o r t ，v e h i c l e s - r o a di n t e r a c t i o n c o u p l i n gs y s t e ma r em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n p a v e m e n ti sam e 鹤u r eo ft h eq u a l i t yo f r o a d s ，ak e yp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r , ag o o dr o a dc a np r o v i d es p e e d i n e s s ，s a f e t y , c o m f o r t a n dc c o m o m y , a n di tc a na l s or e d u c et h ed a m a g eo fr o a d i nt h eo t h e rw a y , w h a tt h e r o u g h n e s sr o a dc a nd oi sb r i n gt h ec o u p l i n gv i b r a t i o n a u t o m o b i l ev i b r a t i o no f d y n a m i cl o a d ，i tw i l ln o to n l yr e s u l t i na u t om e c h a n i c a lw e a ra n dt e a r , d a m a g e ， a f f e c t i n gv e h i c l ef i d ec o m f o r t , s a f e t y , b u ta l s oo nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fp a v e m e n t t oa c c e l e r a t et h er o a dd a m a g e t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ld a t af o rr e f e r e n c e ，e s t a b l i s h e d s i n ew a v er o a dm o d e l ，a n dd e t e r m i n et h em o d e lo ft h ew a v e l e n g t ha n da m p l i t u d e ； r e f e r e n c ev e h i c l er e s e a r c hd i v i s i o no ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o n s i d e rt h ei n c e n t i v e s a r o u n dt h es c v e f ld e g r e e so ff r e e d o mv e h i c l em o d e lp h a s e ，t h r o u g ham u l t i - d e g r e eo f f r e e d o ms y s t e mc o m p l e xm o d a lt h e o r y , u s i n gp r o g r a m m i n g , c a l c u l a t i n gt h el e f ta n d r i g h tw h e e l s ，d i f f e r e n ti n c e n t i v e s ，d i f f e r e n ts p e e d , d i f f e r e n tr o a dm o d e l ，t h ew a v e l e n g t h , t h ev e h i e l el o a dw h i l et h ed y n a m i cq u a l i t yo ft h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fl o a d a r t i c l e sb ys c v e l ld e g r e e so ff r e e d o mv e h i c l em o d e lc a l c u l a t i o n , t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ：v e h i c l ed y n a m i cl o a di nag i v e nw a v e f o r mw i t ht h er o a ds u r f a c ei s p r o p o r t i o n a lt ot h ea m p l i t u d eo ft h ew a v e f o r m ；w a v ew a v e l e n g t ho ft h er o a d , t h e q u a l i t yo fv e h i d es p e e da n d l o a ds i g n i f i c a n t l yo nt h ed y n a m i cl o a de f f e c t s k e y w o r d s ：m o d e l ；p a v e m e n t ；d y n a m i cv e h i c l el o a d ；v i b r a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：成艄f 鹕 r 期：砌年仁月只 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：雎硐乡舶乡指导教师签名：勖再翁 日期：汐卜年 i f 月f c f 日日期：c ) 。k 年c 月，罗日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库 中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：f 垂彬觯5 日期：砂f ，年1 月( c 日 2 指剥雠：膂陬 日期：必p 年v 月侈日 第章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 随着公路交通的不断发展，车辆一路面耦合系统的相互作用受到越来越广泛的 关注，随之越束越多的专家学者在这个领域进行研究。平整的路面能为车辆提供 快速、安全、舒适和经济的行车环境，同时减少车辆对路面的损坏，提高路面的 使用性能，延氏路面的使用寿命。而相反，不平的路面激励，会使行驶的汽车产 生振动。汽车振动产生动载荷，这不仅会造成汽车机件磨损、损坏，影响汽车行 驶平顺性、安全性，还会对路面产生力学行为，加速路面的破坏。 近年来，随着经济的迅猛发展，交通运输作为国民经济的大动脉也得到了飞 速发展。据统计，从1 9 8 8 年我国第一条高速公路沪嘉高速公路通车以来，高 等级公路直线发展，“八五 期间开始实施“五纵七横”路网建设。到2 0 0 2 年底， 我国高速公路通车里程一举达到2 5 万公里。2 0 0 4 年，交通部制定国家高速公 路网规划，规划建设8 2 万公里的高速公路网，覆盖1 0 多亿人口，计划到2 0 2 0 年完成，并与目前的国道主干线共同构成国家骨架公路网。而由于沥青路面具有 表面平整、行车舒适、耐磨、噪音低、施工周期短、维修方便等优点，被广泛应 用于高等级公路中，所以我国高速公路大部分为黑色路面。 然而随着我国高等级公路的交通量急剧增长、特别是超重车辆比例显著增加， 车辆超限超载现象极为普遍，路面承受十分繁重的车辆荷载作用，巨大的交通量 和载重对路面结构造成极为严重的损坏，使得永久变形成为沥青路面的一种主要 损坏形式，不仅降低了道路的使用性能，而且危及到行车安全。同时由于永久变 形所引起的路面损坏所占的比例越来越大，可由调查表明：7 0 年代由美国a a s h t o 发起的在各州所进行的路面损坏调查表明，在州际主要公路上，由于永久变形所 导致的路面损坏约占3 0 ，而日本在8 0 年代统计显示，由于永久变形引起的路面 损坏高达8 2 。同样在我国，路面永久变形而造成高等级公路损坏问题也呈愈来愈 严重趋势。可见，永久变形已经成为当今沥青路面的最主要损坏形式。 路面平整度是路面评价的个重要指标，不仅影响驾驶员及乘客行驶舒适度， 2 第一章绪论 而且还与车辆振动、运行速度、轮胎的摩擦与磨损及车辆运营费用等有关，是一 个涉及人、车、路3 方面的指标。车辆行驶过程中，路面的不平整会激起汽车的 振动，当这种振动达到一定程度时，将使乘客感到不舒适和疲劳，路面激起的车 辆动载会缩短汽车行驶的寿命，加剧路面的破坏。因此我国交通部对路面平整度 指标有明确规定，根据公路工程质量检验评定标准厂阿0 7 1 - - 9 8 ) ) ，高等级道路 的平整度以标准差o r 1 2 m m 来限制；按照公路养护技术规范j 0 7 3 - - 8 5 ) ) ，其 养护标准取口 3 5 m m ，所以一般公路取盯 2 5 m m 。但在路面的实际使用过程中， 平整度是在逐渐降低的，而造成其变化的因素有多种，如施工工艺水平、施工材 料质量、施工机械性能及作业质量等。但可以注意到，由于路面不平整而引起了 车辆对路面动力荷载的作用，而这个动载是引起路面疲劳破坏甚至早期破坏的一 个主要原因。但迄今只有很少的研究人员对不平整路面引起的车辆对路面作用的 动力学问题进行理论分析。 目前，我国路面结构设计方法是以车辆的静荷载作为结构的外力荷载，这在 荷载不太大，运行速度较低的情况下，基本上是合理的。然而，随着车速的提高， 静力荷载与车辆行驶过程中路面受到的实际作用力之间的差异越来越大。因此， 研究对路面结构的影响时，确定车辆实际作用于路面的动荷载是十分必要的。 在路面设计理论中，把行驶的车辆荷载以静止的胎压模型设计，考虑动荷载 系数，从而限制路面的车辙，到达设计寿命。然而在高等级公路的使用过程中， 路面的使用寿命往往在没有达到设计使用年限时就出现早期破坏，其中很重要的 一个因素就是没有考虑实际的动荷载作用而导致的。 长期以来交通运输业主要研究汽车静载作用下的公路结构响应，这与公路在 汽车静、动载共同作用下的实际情况有较大差距。车辆对路面的载荷并非是定值 载荷，而是不断变化的动载，深入研究这种载荷的变化规律，在车辆对路面作用 的研究中十分重要。因此汽车动荷载作为影响路面不平整度的一个不容忽视主要 因素，研究路面不平整度与汽车动荷载之间存在的耦合作用是十分必要的。为了 能够进一步了解动荷载作用下路面受力的特性，为今后路面设计提供依据，本课 题对不平整路面引起的车辆对路面作用的动力学问题进行了理论分析。在研究过 程中，建立车辆动力学模型，并以此作为动荷载分析的基础，同时分析各种参数( 包 第一章绪论 3 括路面参数和车辆参数) 对车辆动力响应的影响，为进一步研究路面动力响应提供 有价值的参考资料。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 车辆与路面相互作用的研究是一个新的科学分支，它主要研究车辆、道路和 两者相互作用的动力学问题n 1 1 2 ，而对相互作用的研究是现阶段研究的薄弱环节。 专家、学者们己经在车辆和道路的各自领域歹f ：展了很深入的研究，但是将两者联 系起来作为一个系统的研究工作还不广泛。 1 2 1 路面力学研究现状 在路面力学的研究方面，欧荚一些发达国家基于当代繁重交通作用下地面结 构的设计方法必将以动力学为基础有着非常长远的构思。如，从1 9 8 7 年开始，美 国投资1 5 亿美元用于开展“战略公路研究计划s t r a t e g i ch i g hr e s e a r c h p r o g r a m ( 简称s h r p 计划) ，该计划于1 9 9 3 年结束后，国会又追加投资7 亿美元用 于路面长期性能观测，其中相当大的一部分用于路面动力学研究。欧洲在这方面 也进行了大量的研究。从国际上最负盛誉的权威刊物j o u r n a lo f a p p l i e dm e c h a n i c s 以及a s c e ( 美国土木工程师协会) 、a s c e ( 美国机械工程师 协会) 的各种国际刊物上发表的论文就可以看出，该方面的研究已成为相当活跃的 热门领域。我国对路面动力学的研究开始于6 0 年代，其后越来越多的研究人员开 始这个领域的研究。1 9 8 4 年同济大学公路研究所在中国科学院计算技术研究所的 协助下，对双层和三层弹性体系( 层间连续和层间滑动) 在圆形均布垂直荷载下的 应力和位移进行了较为全面的计算。此后，又进行了水平荷载作用下的应力和位 移计算，以便再通过迭加原理求出在垂直和水平荷载综合作用下的应力和位移值。 1 2 2 车辆动力学研究现状 在车辆动力学的研究方面，世界各国已经取得了相当大的研究成果，综观国 内外一些成果可知，汽车部分着重研究车辆振动模型：如k e v i n 等的车辆振动模 4 第一章绪论 型【3 】。公路交通部门只是研究汽车静载下的公路结构的响应，或者是所建的模型 与实际荷载作用有较大的差距，如我国的钟阳、王哲人( 1 9 9 2 ) 【4 】把汽车分别简化 为二自由度和五自由度体系，初步分析了车辆荷载与行车速度的关系；东南大学 的黄晓明例、孙璐1 6 1 等在上述模型上利用随机理论作了分析。然而，传统的路面分 析模型都假定荷载是静态或完全平稳的，完全忽略了荷载的本质特征，但明显的 是，车辆实际作用于路面的动荷载对路面的应变响应有很大的影响。因此，在充 分考虑了车辆动荷载影响下的车辆一路面耦和系统相互作用的研究将是以后的一 个主要研究方向。 1 2 3 车辆一路面耦和系统相互作用研究现状 车辆与路面相互作用的动力学研究是一门新近发展起来的研究领域。1 9 8 7 年，f r y b a l 提出“车辆与路面相互作用的动力学问题是一个新的科学分支 7 1 。 它主要研究车辆、道路以及它们之间的相互作用的动力学问题，而后面的研究是 现阶段研究的薄弱环节。 目前车辆一路面相互作用的研究中，这方面c e n b o nd 、c h r i s t i s o njt 、 g i l l e s p i eo 、m i c h a e ljm a r k o n 和0 c o n n e i 。ls 等做出了突出的贡献。c e b o no 详细分析了车辆参数对轮胎动压力的影响，并给出了动荷系数和动载系数的具体 计算实例i s 【9 】。c h r i s t i s o njt 、m i c h a e ljm a r k o n 和0 c o n n e l ls 使用了影响 函数。影响函数与路面的结构模型有关，考虑到不同的响应如应力、应变时将有 不同的影响函数。然后综合影响函数和车辆模型，就可得到路面结构层的某点在 随机载荷下的响应【1 0 1 。而在国内，这方面的研究也取得了一些成果，成祥生( 1 9 8 6 ) 使用变分法讨论了弹性地基上的薄板由运动荷载所引起的动力响应f 1 1 1 。钟阳 ( 1 9 9 2 ) t 2 1 、郑京杰( 1 9 9 9 ) ”1 等对由路面不平度引起的车辆对路面的随机动压力进 行了分析。李怀璋( 1 9 9 9 ) 分析了弹性层状体系受到交通荷载时的响应问题【1 4 】。 孙璐( 1 9 9 6 ) 分析了路面在“运动的确定或随机荷载激励 ( 简称“运载 ) 下的响 应问题【l s l 。 第一章绪论s 1 3 研究内容、目标和技术关键 1 3 1 本课题的研究内容 从现有的研究成果可以看出，各个国家研究人员在各自的研究方面都取得了 相应的研究成果，但在某些方面还不尽完善，比如如何将车辆振动模型( 与实际 车辆振动相近) 与路面相作用之问相结合进行，如何在研究理论取得突破性发展 时路面设计理论将以动力荷载作为设计标准，从而把实际荷载作用与路面之间的 响应纳入设计体系。本文根据课题要求做以下方面的研究： 分析总结路面平整度测量各种方法的优缺点和相关联系，以国际平整度指 数i r i 为标准，将各种方法结果与该指数建立回归关系，并以国际平整度指数评 价路面行驶质量指数； 生成路面随机模型：将路面不平整度随机输入转化为确定性输入，拟合出 路面随机不平整度的时域模型。例如建立路面表面为正弦波形函数y = a s i n ( w x ) 时的不平整度时域模型； 生成整车模型：根据随机振动理论建立车辆的振动分析模型。本题目以大 型多轴运输车辆为依据，建立在不同荷载，不同车辆行驶速度以及左右车轮下的 路面波形为同步及不同步，以上各种组合情况下的七自由度整车模型； 研究分析路面的不平整度( 沿路面纵向高低程度) 引起的行驶车辆的附加 动荷载，分析研究路面不平整度与汽车动荷载之间的关系。求解在以上所有组合 情况下的动荷载沿路线纵向分布，分析动荷载与各因素的关系。 1 3 2 本课题的研究目标 以函数形式表达的方式建立路面不平整度与不同行驶车辆之间动荷载的相 关关系； 分析动荷载与行驶车辆各因素的关系。 6 第一章绪论 1 3 3 本课题研究的技术关键 本课题采用理论与计算机仿真相结合的方法进行研究； 对路面不平度进行描述并建立车辆模型，用计算机进行耦合仿真分析； 主要做车辆一路面耦合系统仿真分析得出理论分析结果；并利用多种程序语 言( 主要是m a t l a b ) 编程。 第二章不平整路面模型分析7 第二章不平整路面模型分析 2 1 路面不平度的影响 路面不平度是车辆振动系统的主要振源，获得准确的路面信息是分析和评价 车辆对路面冲击作用的关键。行驶在道路上的车辆，由于各种因素的影响总会存 在不同程度上的振动。如垂直于路面方向的竖向振动，这种竖向振动一方面使乘 客的舒适性降低、危及行车安全，而且还增加对车辆构件的疲劳破坏和油耗；另 一方丽由于车辆的竖向振动在垂直于路面方向，这种车辆振动对路面结构产生了 除其重力静荷载以外的动衙载作用。这就不町避免的会对公路路面产生冲击作用， 从而加速了路面结构的破坏作用【垌。 在地面上行驶车辆振动的原因很多，总体归纳可以分为以下三种形式： 路面不平整引起的振动，由于路面表面的凹凸不平或高低不平从而给行驶 在路面上的车辆一个外力干扰使得汽车上下振动； 车辆自身的因素引起的振动，这种振动包括汽车发动机偏心转动引起的周 期性振动等； 车辆与道路结构耦合的振动。 由于行驶在路面上的车辆同时存在着上述三种因素引起的振动，而在我们的 研究中主要研究路面不平整而引起的车辆的垂直振动，所以同路面不平整引起的 振动相比，假设车辆自身因素引起的振动可以忽略不计，只考虑由于路面不平整 引起的垂直振动。汽车对路面的冲击作用随路面的不平度的变化而变化，路面相 对平整时，汽车对路面的冲击作用较小；路面不平度较差时，汽车对路面的动态 冲击作用剧增，路面结构所产生的塑性变形增加，这必将导致该区域路面平整度 的继续恶化，行车环境更加恶劣，形成恶性循环【1 7 1 。 2 2 平整度描述 路面平整度是描述路面使用性能和服务水平的重要指标，它是指以规定的标 8 第二章不平整路面模型分析 准量规，间断地或连续地量测道路表面的凹凸情况，即不平整度的指标。按照i r r e ( 国际道路不平度试验) 定义，路面不平度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荷载三者的数值特征。因此，平整度 可定义为铺面表面诱使行驶车辆出现振动的高程变化，是路面使用性能的一项主 要指标。路面的平整度与路面各结构层次有着一定的联系，即各层次的平整度效果 将累积反映到路面表面上，路面表面由于直接与车辆及大气接触，不平整的表面将 会增大行车阻力，并使车辆产生附加的振动作用，这种振动作用会造成行车颠簸， 影响行车速度和安全驾驶的平稳性及乘客的舒适性，同时震动作用还会对路面施 加冲击力作用，从而加剧路面磨损、汽车机件的损坏、汽车轮胎的磨损、增加油耗， 而且不平整的路面会积滞雨水加速路面的破坏。根据交通部公路路基路面现场 测试规程 j t j 0 5 9 - 9 5 规定：在高等级道路中，平整度检测要求用连续式平整度仪。 平整度的评价区分为断面类、反映类及主观评价等3 类 1 7 1 。其测试设备从测量 方法上一般可分为两大类，即断面类仪器和反映类仪器。断面类实际上是测定路 面表面凹凸情况的，这一类测试仪器最常用的是3 m 直尺及连续式平整度仪，3 m 直 尺的特点是设备简单、结果直观、间断测试、反应凹凸程度，其技术指标是最大间 隙h ( m m ) ，用来评价道路的纵向或横向平整度，但是工作效率较低，而且3 m 直尺检 测一般只用于高等级道路的横断面车辙检测，据j t j 0 5 9 - 9 5 可知纵断面平整度的检 测要求用连续式平整度仪。连续式平整度仪设备较复杂、连续测试、工作效率高、 反应凹凸程度。其技术指标是：标准差仃( 舢) ，用来评价道路的纵向平整度。反映 类平整度仪则是通过安装在车体上的仪器，测定路面凹凸引起车辆振动的颠簸程 度。其最常用的测试设备是车载式颠簸累积仪。它的特点是：设备复杂、连续测 试、反映舒适性、工作效率高。它的指标为司机和乘客直接感受到得平整度指标， 因此实际上是舒适性能的指标。其技术指标为：单向累计值v b i ( c m k m ) ，主要用 来评价道路的行车舒适性能。当精度要求不高时，可采用主观类评价，可组织评 分小组，根据乘车的体验或目测检查，对路面的行驶舒适性给予评分，依据小组 平均评分的高低，评估路面的平整度，例如前面评价指标中的平均评分等级h p r 、 行驶质量数r n 等。 国内常用的断面类平整度测试仪器有：水准仪及塔尺、t r r l 三米梁式平整度 第二奄不平整路面模型分析 9 仪、a p l 一7 2 平整度仪、m e r l i n 。反映类平整度测试仪器有：车载式颠簸累积仪、 拖车式颠簸累积仪、r r d a s 平整度仪。除了上述各种断面类和反映类平整度仪外， 还有其他一些平整度仪1 8 1 ：超声波式平整度仪、惯性基准类平整度仪、平板式平整 度仪、加速度式平整度仪等。 2 3 路面平整度的检测原理及方法 2 3 1 检测仪工作原理及检测方法 为了与规范要求相适应，所以在本文中所用检测数据、资料都来自于连续式 平整度仪。以下简单介绍连续式平整度仪的工作原理及检测方法： 连续式平整度仪的标准长度是3 米( 特殊情况除外) ，中间有一个3 米长的机 架，该机架可以折叠或缩短、前后各4 个行车轮，前后两组轮轴间距是3 米。机 架中间有一个可起落的测定轮，在牵引车或人力牵引下、连续式平整度仪在沿道 路纵向行使过程中，机架中间的测定轮每问隔1 0 厘米自动采集测定轮相对于机架 的上下位移值、并且给出每1 0 0 米计算区间的采样数据的标准差；其工作原理是 在采集过程中选取路面上方一个标准计算面，每间隔1 0 厘米采集一个两者之间的 偏差值，然后每1 0 0 米计算一个标准差盯，计算公式如下： 式中：x 。一为第1 个采样值； i 所有采样值的平均值； n 一采样点数。 2 3 2 平整度的表述关系式 道路纵断面不平度序列是一种随机现象，大量研究表明，它在数学上属于或 者说可以处理为各态历经的平稳随机过程。由于路面平整度是随机变量，必须采 用概率统计的方法加以研究，因此在国外也曾提出用功率谱密度( p s d ) 来表示路 1 0 第二章不平整路面模型分析 面不平度的统计特性。路面功率谱密度是以随机理论为基础，测量得到大量的路 面随机数据，通过计算机处理获得的路面平整度的统计特性参数，与路面平整度 的随机性有较好的适应。随着路面检测技术的不断完善，尤其是激光技术的广泛 应用，大大提高了路面平整度测试的频率和精度，对路面功率谱进行精确分析已 成为可能。但是国内的平整度评价指标的标准是标准差( 仃) ，而且为了有一个通 用的标准，本文平整度的评价指标采用标准差。 国际平整度指数具有良好的时间稳定性，它应用力学方法模拟理想车辆f 1 9 1 ， 同各种反应类平整度仪测定结果可建立良好的相关关系，而各种平整度仪测定结 果转换成i r i 后具有良好的一致性( 即转换性) ，因此国际平整度指数i r i 成为国 际上公认的衡量路面行使舒适性或路面行使质量的指标，研究中采用国际平整度 指数作为平整度指标1 2 0 l 。按照交通部公路科学研究所的试验取得的国际平整度指 数与平整度标准差之间的相关关系为：= 0 5 9 2 6 1 r + 0 0 1 3 ，相关系数，= o 9 8 7 5 ， 为方便应用，一般取口= 0 6 1 r ，而且在i r s2 m k i n 时，行车速度可以达到 v 乏l o o k m h 。在国际刊物和出版专著中，很多学者及研究人员提出用波形函数来 描述不平整道路的路面，特别是美国的m w s a y e r s 在论文中提出用正弦函数表征 不平整路面，从而可以得出波形路面函数正弦波波长与相应振幅与国际平整度指 数之间的关系。 除了上述的主要平整度评价指标外，国内外还有其他评价路面平整度的指标f 2 1 1 1 2 2 1 ，如断面指数p i 、平均评分等级m p r 、行驶质量数r n 、竖向加速度均方根r m s v a 、 平整度指标r i 、指标系数s i 、颠簸累计数、坡度变化s v 、n a a s r a 指数、a p l 指数、 c p 指数、q i 指数等，这里不再阐述。 2 4 平整度与行驶质量指数 2 4 1 路面行驶质量指数r q i 路面行驶质量指数r q i ( r i d i n gq u a l i t y l i d e x ) 是反映车辆行驶的舒适性、 安全性和经济性的一个综合指标，是反映路面服务功能( 或水平) 的重要参数。 行驶质量的评价一般要考虑三个方面的因素：路面表面特性，要对路面不 第二章不平整路面模型分析 平整做出定量描述；车辆悬挂系统的振动特性，要结合路表面不平整分析车辆 的动态反应；人对振动的反应，要对用户的舒适性要求或承受颠簸的能力做出 定量描述。如前述，路表不平度可采用不同的方法和仪器进行量测，并用适当的 指标来表示；车辆的动态反应可利用数学模型进行模拟分析后得到；而人对振动 的反应，则随个体的不同要求和承受能力而异，带有主观性1 3 3 1 。因此，对行驶质 量的评价只能采用主观一客观相结合的方法进行，亦即需要综合对路表不平度和 车辆动态反应的客观评价和对用户反应的主观评价，进行行驶质量评价模型。 为了建立路面行驶质量模型，专门组织有代表性的人员对试验路段进行评分 评价时邀请这些具有不同代表性的乘客组织成评分小组，评分小组成员按个人的 主观意见，对路段进行评分，而后汇总，并以平均分值代表众人的评分。与此同 时，对各评分路段进行平整度测量，并通过回归分析建立主观评分结果与客观评 分结果之间的相关关系，从而得到行驶质量评价模型。 2 4 2 平整度与路面行驶质量指数r q i 的相关性 根据多种试验分析结果，通常考虑以下线性关系： r a t a + b r i g + 占 式中，r n 为选用乘载的车辆模型的颠簸累积值，主要是满足乘客主观评分所 需用。又因为i r i a + b r n ，从而可得到r 凹与i r i 的相关关系： 尺q t a + a 。b + b b r n + f 参照公路工程现场测试规范，有： 尺a t 一1 1 5 0 7 5 1 r ( 2 1 ) 式中，尺q f 的数值范围为0 - 1 0 ，如出现负数，n r q i 取0 ，如计算的结果大 于1 0 ，则取l o 。 利用评价模型可以对路面行驶质量的好坏做出相应的评价，由尺值的大小， 可将路面行驶质量分为优、良、中、次、差5 个等级，如表2 1 所示。 第二章不平整路面模型分析 表2 1 行驶质蟹评价标准 评价指标优良中次差 行驶质量指 7 0sr q i4 0sr q ， 尺凹8 5 5 5s 尺( 2 7 0 尺q ， 4 0 数r q i 3 0 时，a ；0 6 7 ； 当变异系数在2 0 至3 0 间时，口；0 5 ； 当变异系数 2 0 时，口一0 4 。 表2 3 路面振幅及标准差计算结果 l a 计算 假没波受( m ) i 路段( ，c l 项目0 61 2 3 45 6781 01 52 0 ( m m ) 41 1 21 0 52 0 41 0 21 1 91 5 52 2 12 6 l3 2 84 9 21 0 6 21 8 5 9 k 6 31 2 90 3 2 d x 0 4 5 60 3 6 5o 3 2 50 3 1 80 3 1 5o 3 1 00 3 1 5 0 3 1 3 0 3 1 3o 3 1 2 0 3 1 2 0 3 1 2 口1 2 41 1 62 2 61 1 2 1 3 21 7 22 2 52 8 93 6 45 4 51 1 7 72 0 6 1 k 6 41 4 3o 3 o rxo 5 0 60 4 0 40 3 60 3 5 20 3 4 90 3 4 8 o 3 4 8o 3 4 70 3 4 70 3 4 6 o 3 4 60 3 4 6 口1 3 31 2 52 4 41 2 11 4 21 8 52 4 23 1 13 9 2 5 8 71 2 6 82 2 2 0 k 6 51 5 40 4 0 o rx0 5 4 5 o 4 3 50 3 8 80 3 7 90 3 7 60 3 7 5o 3 7 4o 3 7 4o 3 7 3o 3 7 3 0 3 7 30 3 7 2 口1 0 91 0 2 2 0 00 9 9 1 1 61 5 1 1 9 82 5 53 2 14 8 01 0 3 71 8 1 6 k 6 61 2 60 4 4 o rx0 4 4 60 3 5 60 3 1 80 3 1 00 3 1 80 3 0 70 - 3 0 6o 3 0 60 3 0 50 3 0 5 0 3 0 50 3 0 5 口1 2 71 1 92 3 31 1 61 3 61 7 72 3 12 9 73 7 45 6 01 2 1 02 1 1 9 k 6 71 4 7o 2 7 o rx0 5 2 00 4 1 60 3 7 10