刍议公路路面不平度的数值模拟方法研究陈薇

陈薇

摘要：以现有技术水平能够通过多种方法对路面不平度数值进行探索和研究，本文使用数值模拟方法来进行这类研究，通过仔细测量路面平度以及通过一定运算得出最终的功率谱密度数据来得到最终结果。在这一过程中需要进行大量计算，这一过程中还运用了信号采样定理安确定最终数据，并对其进行分析和处理。

关键词：路面不平度；随机振动；功率谱密度

1.汽车振动系统与路面不平度测定必要性

汽车在行驶过程中难免会产生震动。随着生活质量和技术水平的提高，人们对生活各方面的期望值也在不断提升，人们对降低汽车振动的要求也在逐渐提高。汽车的振动实际上是汽车在不平的路面上做匀速直线运动，在运动过程中会导致车身上下跳动以及俯仰和侧倾。汽车的两个前轮在行驶过程中会发生垂直方向的震动，汽车的两个后轮会发生垂直方向跳动以及侧倾方向的转动。

首先需要对待测定路面进行初步的等级分级，然后结合车辆振动响应频率来进行具体的测定，同时还可以辅助以车速数值来确定最终结果进行仿真。最后需要对介绍过程中得出的功率谱密度来对比。同时需要明确的是导致汽车在行驶中的震动的主要原因是行驶路面不平，因此，只有了解汽车振动系统以及行驶公路的不平程度，才能提出相针对性的改进措施，尽量减少汽车振动。

2.悬架工作过程及分析

2.1悬架定义及功能

汽车悬架能够通过一定的工艺和技术，尽可能增加轮胎与路面之间的摩擦力，能够增强汽车行驶过程中的稳定性，因此能够提供更好的乘坐体验，包括汽车在进行转向等操作的过程中，能够尽可能保障操作灵敏度，从而保障行驶安全。

2.2悬架的组成内容

从理论上来说，如果路面平坦，是不需要使用悬架的，但是在实际行驶过程中路面往往并不平坦，因此需要汽车通过悬架来增强对汽车的支持，减少汽车振动，保障整体的安全性和舒适性。汽车悬架实际上是底盘的一部分，这部分能够增加汽车底部的重量增从而加整体稳定性。包括车架部分，负责承载负荷以及构成整个汽车的整体结构。该部分能够支撑整体车身的重量，能够有效吸收车辆在路面颠簸中的震动，能够保证轮胎与地面良好接触。在所有汽车悬架中都包括三个基础部分，首先是弹簧，能够通过伸缩来减少震动；还包括叶片弹簧，这部分应用范围偏窄，主要使用在卡车以及重型车辆上；还有一部分是扭杆，而这一部分利用钢棒的扭转特性来通过杠杆原理对汽车部件起到作用，总体类似于螺旋弹簧的作用；还有空气弹簧，这部分呈柱状，中间充满空气，可以利用压缩空气在汽车行驶颠簸过程中减弱车体震动。

2.3汽车悬架的分类

（1）非独立式悬架特点

在该系统中两侧车轮被连接起来，构成整体车架中的一部分。在该系统中不止车轮悬挂在车身下面，车桥也同车轮一起被悬挂。其中车的两个前轮被固定在一起，后期定位变化少，能够减少后期位置调整等工作。该系统使用独立悬挂系统，其结构更加简单，方便进行后期保养。同时，该系统结构较为固定，能够增强整体的结构强度，但以上这些特点也导致了最终的防震动效果相对较差，使驾驶者及其车上乘坐人员的乘坐感受相对较差，舒适性偏低，而且操作过程中的稳定性难以得到保障。如今，在现代轿车中已很少能再看到该系统的使用，基本用于货车大客车上。

（2）非独立式悬架种类

第一种是平行钢板弹簧式非独立悬架。该系统运用钢板弹簧使其他部位固定在车轮车轴上，是该大类中最常见的悬架方式。但钢板弹簧在使用过程中容易与主板发生摩擦，在一定程度上增加了车体震动。该系统胜在结构简单以及使用寿命长，方便进行操作以及后续的维修和保养。能够降低车体高度，降低汽车重心使车体行驶更加平稳。

第二种是连杆螺旋弹簧式非独立式悬架。能够使用其他技术来有效提升整体车辆乘坐的舒适性和安全度，能够通过弹簧卷曲来减弱甚至消除车轮在行驶过程中所引起的震动。因此需要使用纵置的螺旋弹簧，来提升整体的支撑能力。

（3）独立式悬架特点

在该系统中前轮可以独立移动。使每侧的车轮都是悬挂在车身下面。该系统总体的重量轻，不会额外增加车身重量，能够尽可能减少车身重量导致的震动。还能够有效提高车轮的地面附着力，使车辆行驶更加平稳。能够降低发动机的位置，使车辆总体的重心降低，使车辆行驶更加平稳。其中左右轮可以单独跳动，不会相互影响，尽可能在减少车辆震动的同时保证操作的灵活性。

（4）独立式悬架种类

独立悬挂系统有具体的几个分类，首先是麦弗逊式悬挂系统。在该系统中，车轮能够沿着主销进行滑动。该悬挂系统是摆臂式，因此不同于其他悬挂系统，它的主销可以摆动。该系统的整体结构更加紧凑，能使车轮在行驶过程中前轮部分能减少变化，因此能够提高整体的操纵稳定性。其设计部分中取消了上横臂，能够使车辆在使用过程中发动机转向更加方便和灵活。该系统还在其他方面有了很大改善，使整体性能提高，目前受到广泛的认可并应用于奥迪等多个种类的车辆中。具有很强的适应性，能够实现广泛应用。

第二种是横臂式悬挂系统，该系统在使用过程中时车轮在汽车横向平面内摆动。该系统具体又可以分为两种，其中的单横臂式的整体结构相对来说更加简单，更方便后期的保养和维护，倾斜中心更高。

还有多连杆式悬挂系统，运用多个扭杆形成纵轴线。能够同时具备以上两种方案的优势，并能在一定程度上弥补他们的不足，适用范围更广，能够满足不同性能车型的使用需求。

3.路面激励的时域模型

3.1路面不平度的功率谱密度

路面不平度可以通过函数来进行计算，需要通过运算算来总结出其中的最大值。首先，要通过实地测量得到最大的随机数据。然后通过一定的功率谱密度来对这些数据进行处理和分析，最终描述整体统计数据特征。

3.2路面激励的时域模型

根据实际调查中的数据以及专门的分析，可以对以上情况进行时域模型的建立，在计算过程中利用相关软件进行数据的分析和处理，帮助模拟路面情况，计算出合理的结果。在建模过程中，最主要的是需要关注白噪音的产生[2]。

4.悬架特性分析及评价

4.1汽车行驶速度的平顺性影响

汽车在行驶过程中如果速度提升，容易造成更大的垂直方向和水平方向的车体摇晃，进而增加整体的不稳定性。

4.2路面不平度对平顺性影响

路面的平整程度。对于平顺性有直接影响。而如果路面不够平会直接导致汽车车身的震动增加，影响车内人员的乘坐舒适度。如果路面较平，能够在很大程度上降低车体震动。

4.3悬架减震器阻尼对平顺性影响

（1）前悬架阻尼对平顺性的影响

随着阻尼系数的增加，车辆在行驶过程中的加速度有一个先减小后增加的变化过程，该过程会引起其他一系列相应的变化，最终影响到车辆的平稳性。前悬架更多影响到车辆转弯等过程中的灵活性。

（2）后悬架阻尼对平顺性的影响

后悬架对车辆灵活性影响不大。同样随时从阻尼系数的增加，车辆加速度会产生一些变化，而车辆行驶速度又会影响到震动程度，速度越快，平顺性越差。最终导致降低平顺性。

5.结论

通过仿真分析，能够基本还原车辆在行驶过程中的各方面状况，能够判断阻尼等各方面因素对于车辆振动的影响，有助于具体分析几种悬挂方式对于减少车辆震动所起到的作用。根据不同系统的特点和优缺点，判断各方式的具体使用范围。

参考文献：

[1]王鹏利.路面不平度的数值模拟仿真研究[J].轻工科技，2017，（04）：69-70.

[2]刘献栋，邓志党，高峰.公路路面不平度的数值模拟方法研究[J].北京航空航天大学学报，2016，（09）：843-846.