三地轮软硬路面谱测试原理

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1、 收稿日期: 1996-08-12* 国家教委博士点基金资助项目殷涌光 吉林工业大学食品与包装工程学院副院长 教授 博士导师, 130025 长春市杨志宏 吉林省交通厅 技术员, 130022 长春市吕景忠 吉林工业大学工程机械系 工程师三地轮软硬路面谱测试原理*殷涌光 杨志宏 吕景忠【 摘要】 分析了三地轮软硬路面谱测试仪的测试原理, 指出这一测试原理可直接测取路表波形, 同时还提供测试仪牵引车路面行驶时俯仰振动的信息, 可用于牵引车振动的分析, 以及这种振动与路形之间关系的研究。叙词: 路面谱 测试 原理1 前言车辆在行驶过程中, 由于存在着地面随机激励, 这种随机激励源引起的车辆振动,

2、不仅导 致车辆的垂直振动, 而且还伴有侧倾、 纵倾和扭转方面的振动。 作为引起车辆振动的激励源, 路面平度对车辆及一切行走机械的性能有很大的影响, 其研究在车辆的研究中占有重要地位。早期的路面平度测量与研究是和公路路面质量评价相联系的。路面平度测量的出现可追溯到 1925 年。国内外已有许多测量方法, 但就其原理可分为两大类: 动态响应类和直接测量 类。前者是在测量装置通过被测路面时, 记录该装置上某一点的动态响应, 再根据测量装置的系统标定( 传递函数) 反求路面平度; 后者是直接测量路面波形。图 1 真实路面计结构方案简图1. 摆动架 2. 角度传感器 3. 摆臂4. 陀螺仪 5. 扭片弹

3、簧和角度传感器6. 计算装置直接测量类平度仪可以直接测量沿轨迹的路面纵断面, 国 内外已有一些方法。 Chrysler 的地面轮廓仪以两个静止车辆之间的连接钢丝绳为基准, 用由第二根钢丝绳拉动的跟踪臂和一个地轮, 测量地表起伏的高度。 Michigan 大学地表测定仪是以陀螺仪为垂直基准, 以拖动杆拖动两个串联的地轮测试地表起伏 1。长春汽车研究所等研究的真实路面计, 以陀螺仪建立角 度测量基准, 用双地轮行走, 以车架拖臂和跟随轮摆架间夹角的变化, 用迭代方式计算地表的垂直起伏 2。图 1 为路面计结构方案简图。 现有断面类平度仪均需跟随测试基准。 由于基准的不同, 测试的精度、 测试速度、

4、 仪器成本均有很大差别, 其测试仪的成本及测量的方便程度、 自动化程度也不同。2 三地轮路面谱测试原理三地轮路面谱测试属直接测量类。这种方法不需要基准, 计算机采样处理, 易实现自动测量, 同时在测量路面波形的同时, 还可测量测试仪拖动车辆的两维振动时间历程, 这对于研究1996 年 12 月农 业 机 械 学 报第 27卷 第 4 期路面谱及运行车辆的振动均可提供原始的数据信息。图 2 四杆机构简图测量系统由测试仪即安装于 A 、 B 和 C 处的3 个相同的装置构成, 每个测量装置包括测量行走地轮、 四杆机构、 角位移传感器 3 部分。 三测量装置各自独立, 安装在牵引杆上, 它们之间 有

5、相等间隔。测量地轮 A 、 B 和 C 按测试仪拖动车辆行驶方向顺序成直线纵向排列, 并行走在同一轨迹上( 见图 3) 。四杆机构的设计是为了保证测量地轮沿路面行走时的位 移是沿铅垂方向, 并保证位移量与角位移传感器的测量保持线性关系。四杆机构的设计参数如图 2 所示。S 点为测量地轮轮心,当地轮向上运动时QP 与 RP 延长线的夹角 ?将减小。 由地轮 的上下运动造成 ?角变化用 ?表示( 以顺时针为正) 。当选 ?0= 70 作为初始平衡位置时, 则任意时刻的 ?角可表示为?i= ?0+ ?i( 1)如将测量的角度变化量直接表示成S 点上下位移的高度时, 则高度变化hi( 以测量地轮与牵引

6、杆的距离减小为正) 为hi= K ?i( 2)hi与 ?i及 K 的关系见表 1。表 1 角度变化与测试地轮位移的关系角度变量 ?/ ( )地轮位移 h/ mm地轮水平位移 l/ mm系 数 K角度变量 ? / ( )地轮位移 h/ mm地轮水平位移 l/ mm系 数 K- 15. 054. 911. 90- 3. 662. 5- 9. 261. 01- 3. 70- 12. 545. 801. 80- 3. 665. 0- 18. 551. 11- 3. 71- 10. 036. 681. 59- 3. 677. 5- 27. 681. 41- 3. 69 - 7. 527. 541. 31

7、- 3. 6710. 0- 37. 221. 71- 3. 72- 5. 018. 401. 01- 3. 6812. 5- 46. 151. 90- 3. 69- 2. 59. 250. 92- 3. 7015. 0- 55. 321. 91- 3. 69000测试的采样间隔由第五轮仪发生的脉冲决定, 以 5个脉冲为一个间隔。测试仪测试原理可由图 3 表示。图中 oo 线为水平参考线。测试地轮相对牵引杆的位移变化量以式( 2) 表示。由于所用角位移传感器的灵敏度为 2 000脉冲/ 360 , 即对应于一个脉冲变化的角度为 0. 18 , 所以地轮相对牵引杆的位移变化量 x 为x = 0.

8、66( NP- NN)( 3)式中 NP传感器正脉冲 NN传感器负脉冲设初始位置时, 牵引车质心的位移y1= 0, 测试仪牵引杆初始位置与水平线间夹角为 1, A测量轮位于 u2点, B 测量轮位于 u1点, C 测量轮位于 u0点, 则z2= xA 1- lAsin 1z1= xB 1- lBsin 1z0= xC1- lCsin 1( 4)104农 业 机 械 学 报1 996 年式中 ziui点地面的相对高度lA、 lB、 lC分别为测量轮 A 、 B 和 C 的牵引点距牵引车质心的距离xA 1、 xB 1、 xC1测量轮 A 、 B 和 C 距牵引杆位移变化量由于 1很小, 可将式(

9、4) 写为 z2= xA1- lA 1z1= xB1- lB 1z0= xC1- lC 1( 5)图 3 三地轮测试仪原理图1. 第五轮仪 2. 角位移传感器 3. 牵引杆如果当初始位置 z1= z0= 0 时, 则1=xB1 lB=xC1 lC( 6)z2=xA1lC- xC1lA lC=lBxA1- lAxB1 lB( 7)车辆向前行驶, C 轮到达u1点, B 轮到达 u2点, A 轮向前到达 u3点, 车辆质心垂直位移为y2, 则z3= y2- lA 2+ xA 2z2= y2- lB 2+ xB2z1= y2- lC 2+ xC2( 8)由式( 8) 可求出 y2、 2和 z3。车辆

10、继续行驶, 则有如下递推公式zi+ 1= yi- lA i+ xAizi= yi- lB i+ xBizi- 1= yi- lC i+ xCi( 9)由式( 9) 可求得i=( xCi- xBi) - ( zi- 1- zi) lC- lByi= lB( zi- 1- xCi) - lC( zi- xBi) lB- lCzi+ 1=lB( zi- 1- xCi+ xA i) lB- lC-lC( zi- xBi+ xAi) lB- lC+lA ( xCi- xBi) - ( zi- 1- zi) lB- lC( 10)式( 10) 中zi为地表沿垂直方向相对 z0的波动, 即以水平线为参考线、

11、 以 z0为初始高度的真实105第 4期 殷涌光 等: 三地轮软硬路面谱测试原理地表的高度。因此本测试仪测试原理可直接测量地表波形。式( 10) 中变量 i和 yi为牵引车辆纵向平面两个自由度振动变量, 因此本测试原理还可同时测量测试仪牵引车辆在行驶路面上的振动, 这对研究路面平度及对车辆的振动激励均可提 供直接的测试数据。我们为检验本测试仪测量的有效性, 选择了同一类型的沥青路, 分别进行了标杆手工测量 与测试仪测量对比试验。 用两种方法的测试结果几乎完全相同, 说明用本测试仪进行试验测试是可行的。3 结论( 1) 对三地轮软硬路面谱测试原理进行了理论分析, 并经实验验证, 说明三地轮路面谱

12、测 试原理是可行的。( 2) 三地轮测试仪除可测量地表波形外, 还可同时测量牵引车的振动, 这对研究路面及对车辆振动的激励均可提供原始数据。 ( 3) 三地轮测试仪给出了一个直线度测量的方法, 它不需基准, 完全可以推广到机械加工、 建筑施工领域, 用于直线度及平面度的测量。参考文献1 刘跃明. 软路面谱测定仪 学位论文. 长春吉林工业大学, 1990.2 赵济海. 斜率式路面计. 汽车技术, 1979( 4)MEASURING PRINCIPLE OF ROAD PROFILES USINGTHREE GROUND WHEELS METHODYin Yongguang ( Jilin Uni

13、versity of Technology)Yang Zhihong ( Jilin T raff ic Department)L? Jingzhong( Jilin University of Technology)AbstractIn this paper, the measuring principle of road profile measure apparatus with threeground wheels was analyzed, and it was presented that this principle could be used to mea- sure road

14、 profiles directly and at the same time vibrating data of a vehicle carrying the mea-suring apparatus could be provided. The data can be used to analyze vibration of the vehicleand a relation between the vehicle vibration and the road profiles. Key words Road profile, Measuring, Principle106农 业 机 械 学 报1 996 年