考虑路面不平度和速度分布的用户目标载荷谱构建方法

李文亮，周 炜，张 禄,唐歌腾

(交通运输部公路科学研究院,北京 100088)



考虑路面不平度和速度分布的用户目标载荷谱构建方法

李文亮，周 炜，张 禄,唐歌腾

(交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

为了提高用户可靠性目标载荷谱的真实性和有效性，提出一种考虑路面不平度和行驶速度分布的载荷谱构建方法。根据国标GB/T7031—2005将道路划分为8种类型，将车辆行驶速度划分为n个区间，分析8种道路类型上各个速度区间所占总里程的比例。利用8种道路类型上各种行驶速度下的单位里程载荷时间历程，结合用户速度分布,采用雨流计数法构建用户百公里标准载荷谱，进而根据用户目标总里程外推至用户目标载荷谱。结果表明，基于路面不平度和车速分布构建的用户目标载荷谱更加真实有效地反映了用户的实际使用工况。

汽车工程；载荷谱构建方法；仿真研究；路面不平度；车速

0 引言

用户载荷谱是制定合理试验规程的基础数据和关键因素。考虑到时间、成本和安全等问题，一般通过驾驶员或市场调查的方式确定典型使用工况和路面，利用实车试验的方法进行载荷测量。文献[1-3]将用户路面简化为普通沥青路面研究了试验场典型坏路强化系数；文献[4]将B级路面作为用户路面研究了试验场典型坏路强化系数；文献[5-6]将用户路面分为平坦、中等不平和极端不平3种典型路面研究了试验场与用户的关联性；文献[7]根据车辆实际使用环境确定典型工况并实车测量；文献[8]将用户路面分为城市道路、高等级公路、一般公路以及山路研究了试验场与用户的关联性；文献[9]研究了汽车零部件承受载荷的变化规律及其对可靠性的影响。

路面不平度和速度是车辆行驶载荷最重要的影响因素，上述研究中对用户道路类型划分及车速的确定主观性较大，同时受到交通状况等因素的影响，致使采集的用户载荷谱客观性和代表性较差。文献[10]考虑了车速对用户载荷谱的影响，但未考虑路面不平度的影响。因此，本文提出一种客观、定量考虑路面不平度和车辆行驶速度的构建用户载荷谱的方法，进一步提高用户载荷谱的代表性和有效性。

1 理论模型

路面功率谱密度能很好地表征路面不平度，按路面功率谱密度的大小，把路面不平度分为8级。表1给出了标准等级路面的路面不平度系数Gq(n0)的上限、下限以及几何平均值[11]。

路面功率谱密度利用式(1)进行拟合:

(1)

式中，n为空间频率，它是波长的倒数，表示每米路面长度中包括几个波长；n0称为参考空间频率，n0=0.1 m-1；Gq(n0)为参考空间频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数；W为频率指数，为双对数坐标系上斜线的斜率，它决定了路面功率谱密度中的频率结构。

表1 不同等级路面不平度系数

将车辆行驶速度划分为n个区间；统计分析不同类型道路上各个速度区间占总里程L的比例；利用各种道路类型上的各种车速单位里程的载荷时间历程，结合用户速度分布，按照式(2)构建百公里用户标准载荷。

(2)

式中，pi(i=1,2,…,8)分别表示A，B，C，D，E，F，G，H道路占总里程的比例，pij(i=1,2,…,8;j=1,2,…,n)表示不同类型道路上的各个速度段所占比例；Sij(i=1,2,…,8;j=1,2,…,n)表示i种道路上j速度段单位里程载荷时间历程；Sh表示百公里的标准用户载荷时间历程。

对百公里的标准用户载荷时间历程Sh进行雨流计数，得到用户百公里标准载荷谱Jh，根据用户目标和百公里标准载荷谱,按照式(3)计算得到用户目标载荷谱。

(3)

式中，L为用户目标总里程；Jh为用户百公里标准载荷谱;J为用户目标总载荷谱。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

采用仿真的方法生成车辆以各种车速行驶在各种道路类型上的载荷时间历程，验证所提出载荷谱构建方法的合理性。

道路载荷采用白噪声生成方式进行构建，其时域模型的具体表达式如式(4)所示。

(4)

式中，w(t)为白噪声的时域信号；q(t)为激励；u为车速。

(5)

(6)

式中，m1为簧下质量(车轮质量)；m2为簧上质量(1/4车身质量)；k为弹簧刚度；c为减震器阻尼系数；kt为轮胎刚度。车轮与车身的垂直位移坐标z1,z2，其坐标原点选在各自的平衡位置。

根据式(4)～式(6)，建立Matlab/simulink仿真模型[12]，如图1所示。

图1 1/4二自由度车辆行驶仿真模型Fig.1 1/4 two degree of freedom vehicle driving simulation model

数学模型中各参数如表2所示。

表2 车辆模型参数

2.2 仿真试验

通过改变该模型中的路面不平度系数和车速，可得到车辆在A～H级的路面上以不同车速行驶时的用户载荷时间历程。

以B级路面为例，每10 km/h划分为一个速度段，得到10～120 km/h的行驶载荷如图2所示,文中只列出部分数据。

3 算例分析

给定某用户目标总里程为20万km,统计得到各类道路里程占总里程比例如表3所示。

图2 B级路面单位里程载荷Fig.2 Unit mileage load for grade B road surface

道路类型ABCDEFG比例/%0702010000

图3 速度分布Fig.3 Velocity distribution

各类道路上速度分布如图3所示。

根据表3和图3，结合仿真得到的A～H级单位里程的用户载荷时间历程，利用式(2)构建用户百公里的标准载荷时间历程，如图4所示。

图4 用户百公里载荷时间历程Fig.4 User 100 km load time history

分析图2和图4的幅值范围可知，用户百公里载荷时间里程涵盖了各类道路和各种车速下的载荷，由于包括了正常行驶下的所有工况，不需要再进行极值外推，避免了由于外推不合理导致的载荷失真。

利用glyphworks软件中的雨流计数模块，计算得到用户百公里的标准载荷谱，如图5所示。

图5 用户百公里标准载荷谱Fig.5 User 100 km standard load spectrum

根据图5和用户目标总里程，利用式(3)计算得到20万km的用户目标载荷谱，如图6所示。

图6 用户目标载荷谱Fig.6 User target load spectrum

4 结论

本文提出了一种新的用户目标载荷谱构建方法，根据国标GB/T7031—2005将道路划分为8种类型，以10 km/h为单位将用户车速划分为12个区间，统计用户道路分布和速度分布，利用8种道路类型上各种行驶速度下的单位里程载荷时间历程，结合用户路面分布和速度分布,提出了用户百公里标准载荷构建模型和由百公里到用户目标里程的外推模型。仿真分析研究表明，利用新方法构建的目标载荷谱更加全面的涵盖了用户在各类道路及车速下的载荷，有效保证了与用户道路分布、车速分布的一致性，有效提高了用户载荷谱的有效性和代表性。

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A Method for Constructing Customer Target Load Spectrum Considering Distribution of Road Roughness and Velocity

LI Wen-liang, ZHOU Wei, ZHANG Lu, TANG Ge-teng

(Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

In order to improve the authenticity and effectiveness of customer reliability target load spectrum, a method for constructing load spectrum based on distribution of road roughness and velocity is presented. The road is divided into 8 types according to GB/T7031—2005, and the velocity of vehicle is divided intonintervals, and the percentage of every velocity interval on the 8 types of road in the total mileage is analyzed. According to the load time history of unit mileage on the 8 types of road at different velocities and combining with the user velocity distribution, 100 km standard load spectrum is constructed using the rain flow counting method, and then the user target load spectrum is extrapolated with the user target total mileage. The result shows that the constructed customer target load spectrum based on road roughness and velocity distribution can more accurately and effectively reflect the customer actual operating condition.

automobile engineering; construction method of load spectrum; simulation study; road roughness; vehicle velocity

2016-01-14

交通运输部应用基础研究项目(2013319223180);中央及公益性科研所基本业务费专项资金项目(2014-9042)

李文亮(1982-)，男，河北定州人，博士，副研究员.(wl.li@rioh.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.024

U461.91

A

1002-0268(2016)12-0154-05