行车作用下车速对路面动载荷的影响研究

行车作用下车速对路面动载荷的影响研究
摘要：行车作用下对路面动载荷影响着行车舒适度和路面疲劳损伤寿命，为了
研究评估动载荷对路面影响，基于车路整体考虑建立了二分之一车辆动力学
模型，并在Simulink/MATLAB 中进行仿真，分析了路面不平度、车辆行驶速度等
因素对路面动载荷的影响。

研究结果表明：在高等级路面下，随着车速的提高，动荷载的变化比较平缓；低等级路面下，车速的改变使得车辆施加给路面的
动荷载增大的非常明显，同时动荷载系数也增大的非常明显。

该研究为车路
耦合振动能量的传播、路面疲劳损坏维护提供了理论依据。

关键字：路面工程车辆动力学模型车辆速度动载荷
Research on the influence of vehicle speed on dynamic load of road surface under driving action
Fu zi-Jun
1National Engineering Laboratory for Hig hway Maintenance Equipment, Chang’an University
2Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE, Chang’an University
Abstract: The impact of the vehicle on the dynamic load of the road under the action of the vehicle affects the ride comfort and pavement fatigue damage life. In order to study and evaluate the impact of dynamic loads on the road surface, a
one-half vehicle dynamics model was established based on the overall consideration of the roadway and was simulated in Simulink/MATLAB, and the influence of road roughness, vehicle speed and other factors on the dynamic load of the
road surface is analyzed. The research results show that under the high grade road surface, the dynamic load changes more slowly with the increase of vehicle speed; under the low-grade road surface, the change of the vehicle speed makes
the dynamic load applied to the road surface of the vehicle increase significantly, and the dynamic load coefficient also increases obviously. This study provides a theoretical basis for the transmission of coupled vibration energy of roads
and themaintenance of pavement fatigue damage.
Keywords: Pavement Engineering, Vehicle Dynamics Model, Vehicle Speed, Dynamic Load
0引言
截止2017年底，我国公路总里程已经超越500万公里，公路交通成为交通运输的重要途径。

但道路在建设后，路面不平度是客观存在的，车辆在行进中，车辆和路面的耦合会对路面产生动载荷，影响行车舒适度和疲劳性能[1-3]。

近年来，研究者对行车对路面动载荷进行了一些研究，如Cebon建立Winkler无
限长弹性梁粘弹性地基模型，初步探索了运动点源荷载的运动对路面造成的影响[4];Kenis在计算机上仿真研究了车辆在不平顺的道路上不同行驶速度下改动
轮胎压力和轮胎类型的动载力，并进行路面动力响应的模拟分析[5]；蒋建群建立Kelvin地基和无限长粘弹性地基移动荷载运动模型，模型中使用移动荷载来
模拟运动车辆进行研究[6]；朱孔源通过建立具有七个自由度的车辆模型来研
究车速、路面的不平度、车辆轴承距离、轮毂距离等变化下对车辆动荷载的影响[7]；上述研究一定程度上补充了运动车辆对路面结构动态响应的研究，但是，以往的研究往往将汽车看做线性系统，有些建立的道路模型只有两层，不能反映
车辆真实的动载特性。

因此，本文将车辆和道路联系起来的作为一个整体来
研究车路耦合作用下沥青路面中的动载荷特征。

利用Simulink/MATLAB软件，基
于三角级数法路面不平理论，研究了不同路面下车速对路面动载荷的影响，
为车路耦合下道路中能量传播及维护提供基础。

1路面不平度激励的模拟
在对路面不平度进行模拟的时候需要先对路面等级进行划分。

1972年国际标
准化组织（ISO）以路面功率谱为评价指标来对路面进行分类。

1984年，该
组织从新对路面等级进行修订，并制定了新的等级标准。

该标准采用的表达公式为：
ISO/TC 108/SC 2N67把路面划分为八个等级，从A级极好逐步到H级极差，
路面的质量依次下降。

进行车辆行驶对路面动载荷分析时，在Simulink模块仿真中采用三角级数法
对进行模拟，可得到A-D 级路面中不平度激励曲线。

如图1-4所示是车辆行
驶速度60 km/h时各级不平度曲线。

图1 A级路面不平度随时间变化
图2 B级路面不平度随时间变化
图3 C级路面不平度随时间变化
图4 D级路面不平度随时间变化
2动力学模型的建立
二分之一车辆模型又称为半车模型，这种模型研究车辆单侧一半的振动情况，忽略车辆侧倾因素的影响。

该模型可以反映出车辆在路面不平度激励下的振
动规律，且只有四个自由度，自由度数少，计算量小，车辆参数容易确定。

为了
研究的方便和简洁，对所建模型做如下假设：
(1)车辆以恒定的速度行驶在路面上，车辆前、后轮行驶的轨迹相同；
(2)车辆被视为刚体，且左右对称，车辆前轴和后轴视为质点来看待，整个模
型中的弹性元件与位移成正比，阻尼元件和速度成正比；
(3)轮胎与地面之间为点接触，不考虑车轮滚动的影响，认为轮胎与地面始终
接触，无跳起；
(4)车辆左、右轮受到的路面不平度激励相同，前、后轮受到的路面不平度激
励差距仅限于前后轮之间的轴距引起；
(5)车辆只在垂直方向上竖向运动和俯仰运动，车辆在运动的过程中施加给路
面振动荷载。

根据本文对车辆模型所做的假设，简化后的车辆模型如图1所示。

图1 二分之一动力学模型
表1 二分之一动力学模型符号参数
3仿真结构及分析
选取某一车型，确定采用二分之一车辆模型为计算模型，利用
Simulink/MATLAB软件进行力学仿真模型，车辆模型计算参数如表1所示。

通
过仿真计算可得到车辆在不同路面等级和不同行驶速度下动载荷及动载系数。

从图6和7的对比中可以看出，车速的改变对车辆前、后轴的动载系数有着
明显的影响。

动载系数的随着车速的增大呈非线性增大，说明车速越大，车
辆振动越剧烈，有可能会导致车辆的损坏加剧和乘坐人员身体不适的加重。

同时
也可以看出，后轴的动荷载系数比前轴动荷载系数大，说明后轴振动比前轴
振动略剧烈。

不同的路面等级，对应相同的车速得出不同的动载系数。

路面等级
越高，路面相对会平整一些，车辆的动载系数也越小。

在高等级路面下，随
着车速的提高，动荷载系数的变化比较平缓。

路面等级比较低的情况下，车速的
改变使得车辆动荷载系数增大的非常明显。

说明车辆在等级低的路面上行驶时，车辆的振动随着车速的增大而变得越来越剧烈。

表2车辆模型参数
图9不同车速下后轴动荷载变化
对图8和图9的对比可以得出，车速的改变对车辆前、后轴的动荷载有着明
显的影响。

变大的车速会使得车辆施加给路面的动荷载变大。

不同的路面等级，对应相同的车速，车辆产生的动荷载也是不一样的。

路面等级越高，路面相
对会平整一些，车辆的动荷载也越小。

在高等级路面下，随着车速的提高，
动荷载的变化比较平缓。

路面等级比较低的情况下，车速的改变使得车辆施加给
路面的动荷载增大的非常的明显，同时动荷载系数也增大的非常明显。

说明
车辆在等级低的路面上行驶时，车辆给路面的振动冲击也变得越来越大。

4结论
基于路面不平度，采用车路整体为模型的方法，建立车辆二分之一模型，对
车辆行驶中车速对路面的动载荷进行研究，研究表明，路面等级对车辆动载
荷有着很大的影响；在高等级路面下，随着车速的提高，动荷载的变化比较平缓。

路面等级比较低的情况下，车速的改变使得车辆施加给路面的动荷载增大的
非常的明显，同时动荷载系数也增大的非常明显。

说明车辆在等级低的路面上行
驶时。

该研究为车路耦合振动能量的传播、路面疲劳损坏维护提供了理论依据。

参考文献
[1]王井友.我国公路病害和养护浅析[J].林业科技情报,2012(4):82-83.
[2]史春娟.车辆—沥青路面系统耦合动力学研究[D].长安大学,2012.
[3]王保良.车辆荷载作用下沥青路面疲劳行为研究[D].西安：长安大学博士毕
业论文，2008.
[4]Cebon D.. Theoretical road damage due to dynamic tire forces of heavy ehicles part1: dynamic analysis of vehicles and road surfaces[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1988, 202(2): 89-97
[5]Kenis W.. Heavy vehicle pavement loading: a comprehensive testing program. Heavy vehicle and road: technology safety and policy[M]. London: Thomas Telford, 1992: 260-265
[6]蒋建群,周华飞,张土乔.移动荷载下Kelvin地基上无限大板的稳态响应[J].浙
江大学学报(工学版),2005,39(1):27-32
[7]朱孔源.车辆-柔性路面力学相互作用系统的研究[D].北京：中国农业大学，2001。