汽車操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)研究

龍佳慶

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545005）

汽車操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)研究

龍佳慶

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545005）

汽車的操縱穩(wěn)定性是保障汽車安全駕駛的重要性能之一，文章針對國內(nèi)外各種汽車在操縱穩(wěn)定性方面的試驗(yàn)進(jìn)行研究，總結(jié)了典型的、可操作性高的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)，該試驗(yàn)方法和評價指標(biāo)對汽車的制造與性能改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

操縱穩(wěn)定性；試驗(yàn)方法；評價指標(biāo)

汽車的操縱穩(wěn)定性由操縱性和穩(wěn)定性兩個部分組成，兩者相互影響。汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛員在身體、心理、技能都正常的情況下，汽車能按照駕駛員傳遞給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向行駛，當(dāng)汽車行駛的過程中，遇到突發(fā)情況的干擾時，能有一定的抗干擾性，而保持繼續(xù)穩(wěn)定行駛的能力。汽車操縱穩(wěn)定性包括轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)，如回正性、轉(zhuǎn)向盤中間位置操縱穩(wěn)定性、橫擺角速度頻率響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)向輕便性等性能[1]。

車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評價法分為主觀評價法和客觀評價法。操縱穩(wěn)定性的主觀評價法以大量針對駕駛員的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以車輛駕駛員的直接感官來獲取評價的參照信息，再對操縱穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)的評價。操縱穩(wěn)定性的客觀評價法是指通過評價指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的方法，通過做實(shí)車試驗(yàn)或仿真試驗(yàn)，然后使用評價指標(biāo)來評定車輛操縱穩(wěn)定性的優(yōu)劣[2,3]。兩種評價方法各有其優(yōu)點(diǎn)和不足，主觀評價法簡單明了，但無法規(guī)避主觀感覺不理性的情況，個體差異大；后者客觀公正，但收集分析數(shù)據(jù)難，適合對車輛的直觀性能或者顯性性能進(jìn)行評價。

1 車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)

我國法規(guī)規(guī)定，進(jìn)行汽車的實(shí)車道路試驗(yàn)時，采用的標(biāo)準(zhǔn)為國家統(tǒng)一執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。其是參照國際上流行的評價方法和我國之前執(zhí)行的相關(guān)規(guī)定，然后根據(jù)我國的現(xiàn)階段的實(shí)際情況，由交通部組織相關(guān)單位制定而成，并由國家質(zhì)檢總局發(fā)布。車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾種：轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、 蛇行試驗(yàn)等。

在過去的試驗(yàn)中，以上幾個國家標(biāo)準(zhǔn)使用得比較多?，F(xiàn)在使用的是最新發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 6323-2014 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，其綜合了1994年發(fā)布的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，包括了以下幾項(xiàng)試驗(yàn)方法：蛇行、轉(zhuǎn)向輕便性、轉(zhuǎn)向回正性能、轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)等試驗(yàn)方法。

2 車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

各國對車輛操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的研究各有成效，下面總結(jié)了一些國內(nèi)外有代表性的、常見的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)：

（1）轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)

一是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入實(shí)驗(yàn)方法，即汽車以設(shè)定的初速度沿直線方向行駛，保持速度恒定不變，輕轉(zhuǎn)方向盤使其自由行程消除，然后快速轉(zhuǎn)動方向盤將方向盤轉(zhuǎn)過設(shè)定的角度，固定一定時間，記錄汽車在等速轉(zhuǎn)彎工況時的運(yùn)動狀態(tài)，得出橫擺角速度、側(cè)向加速度等變化過程。

二是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入實(shí)驗(yàn)，即汽車以一定的初速度直線行駛，保持設(shè)定的橫擺角速度，然后給方向盤輸入一個三角脈沖的轉(zhuǎn)角信號，快速向一個方向轉(zhuǎn)動，并迅速回正方向盤，記錄全部過程。

（2）轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)

汽車以一定的初始車速作等速圓周行駛，使轉(zhuǎn)向盤使側(cè)向加速度達(dá)到設(shè)定值，穩(wěn)定后突然松開方向盤，測定記錄汽車重心側(cè)偏角與橫擺角速度的變化過程。分為低速回正性能和高速回正性能兩種。

（3）穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)

這種實(shí)驗(yàn)方法是最早的操縱穩(wěn)定性測試方法。通過測試車輛的行駛動態(tài)參數(shù)與側(cè)向加速度，從而確定汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，其對汽車的方向控制有重要意義。

（4）正弦角輸入試驗(yàn)

用不同頻率的正弦波輸入，可以得到幅頻特性和相頻特性。

（5）撒手穩(wěn)定性試驗(yàn)

即力脈沖反應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)時汽車以設(shè)定的速度保持直線行駛，突然快速轉(zhuǎn)動方向盤并立即放開雙手。

（6）移線試驗(yàn)

分單移線實(shí)驗(yàn)和雙移線實(shí)驗(yàn)。單移線實(shí)驗(yàn)可以看成改變行駛車道或車輛避過障礙物的模擬實(shí)驗(yàn)；雙移線實(shí)驗(yàn)可看成快速超車并駛回原車道的模擬實(shí)驗(yàn)。

（7）蛇行試驗(yàn)

汽車多次行駛經(jīng)過實(shí)驗(yàn)場地中按一定形式擺設(shè)的障礙物，行駛過程中不能碰標(biāo)桿，不能翻車，盡可能快的穿過整個路程。所用時間越短則表明汽車的操縱性能越強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)屬于閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。

（8）路擾反應(yīng)試驗(yàn)

汽車以一定的速度通過搓板路面，然后分析前后輪通過搓板路面時橫擺角速度的變化，從而評價汽車對路擾的反應(yīng)。

（9）轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤，以設(shè)定車速沿雙紐線路徑勻速行駛，并且保持在行駛中不撞倒路樁。該實(shí)驗(yàn)評價汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向的輕便性。

3 操縱穩(wěn)定性的影響因素

在對操縱穩(wěn)定性的研究過程中，研究人員逐漸意識到操縱穩(wěn)定性的評價應(yīng)該有一系列科學(xué)合理的指標(biāo)。評價車輛的操縱穩(wěn)定性時，應(yīng)該考慮到以下幾個影響因素：

（1）力輸入反應(yīng)與角輸入反應(yīng)

駕駛員在操縱汽車方向盤的時候，會給方向盤一個作用力或一個角度以達(dá)到控制汽車運(yùn)動方向的目的。駕駛員通過給方向盤一個作用力來控制汽車運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)向指令稱為力指令；而通過一個角度來控制汽車運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)向指令稱為角指令。與其相應(yīng)的反應(yīng)特性稱為力輸入反應(yīng)特性與角輸入反應(yīng)特性。

（2）反應(yīng)與擾動反應(yīng)

指令反應(yīng)是車輛對駕駛員指令作出的反應(yīng)，屬于主動特性；擾動反應(yīng)是車輛對外界擾動作出的反應(yīng)，屬于被動特性。指令反應(yīng)與擾動反應(yīng)既獨(dú)立又有內(nèi)在的聯(lián)系。

（3）線性區(qū)與非線性區(qū)

假設(shè)在理想狀態(tài)下，汽車行駛時各系統(tǒng)不受轉(zhuǎn)向劇烈情況和路面狀況的影響，則在這種線性區(qū)內(nèi)，汽車各系統(tǒng)各部分的輸入、輸出便能成一定的比例關(guān)系。但是當(dāng)離心力與附著力的比值增大到一定程度以后，明顯的非線性特性就有可能會出現(xiàn)在輪胎系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（4）不同“工作點(diǎn)”

汽車在不同路面，不同時間，不同車速下工作狀態(tài)各不相同，從全面的觀點(diǎn)來分析，應(yīng)基于不同路面，不同時間，不同車速和可能達(dá)到的側(cè)向加速度進(jìn)行分析和評價。這里所說的“工作點(diǎn)”，指的是由上述工況變量所確定的三維空間的點(diǎn)。

（5）穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)

穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)之間是相對的關(guān)系。所謂穩(wěn)態(tài)是一種理想狀態(tài)，是指在無外界干擾、速度穩(wěn)定、方向盤上的指令恒定，車輛的輸出運(yùn)動達(dá)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。排除了外界干擾因素，車輛的輸入、輸出保持不變，車輛的操縱性與穩(wěn)定性也就沒有了好與不好的區(qū)別。但車輛在實(shí)際行駛過程中，情況復(fù)雜多變，所遇到的操縱穩(wěn)定性方面的問題幾乎沒有穩(wěn)態(tài)反應(yīng)問題，而都是瞬態(tài)反應(yīng)問題。

4 操縱穩(wěn)定性的評價指標(biāo)

其評價方法，主要有實(shí)車試驗(yàn)、建立車輛動力學(xué)理論模型進(jìn)行理論推導(dǎo)，以及根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)人員的描述、判斷和評價。一般來說，車輛是否具有良好操縱穩(wěn)定性應(yīng)該從以下方面評判：車輛控制性的難易程度；車輛的抗干擾性，即車輛有一定的抗干擾能力，出現(xiàn)干擾情況能讓駕駛員保持車輛穩(wěn)定行駛；車輛性能的平穩(wěn)性，即當(dāng)路面的情況發(fā)生變化、更換輪胎或車輛載荷發(fā)生變化時，操縱穩(wěn)定性在盡可能小的范圍內(nèi)發(fā)生變化[4]。

對于汽車操縱穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，我國以采用客觀評價體系為主，總方差評價方法被采用最多的方法。其由郭孔輝院士提出，是對“人――車”閉環(huán)系統(tǒng)的定量與特性及駕駛員模型的評價方法。主要從以下幾個方面考慮[5]：

（1）司機(jī)負(fù)擔(dān)的評價；

（2）車輛軌道跟蹤好壞的誤差；

（3）路感的總方差；

（4）側(cè)滑危險的總方差；

（5）翻車危險性的總方差；

（6）綜合評價：以上五個單項(xiàng)評價的加權(quán)組合。

本文在對國內(nèi)外汽車制造廠商進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行研究基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了常規(guī)有效的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，并給出了汽車的操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)，對規(guī)范國內(nèi)汽車行業(yè)的試驗(yàn)與評價具有一定的意義。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] Yang J,Suematsu.and Kang Z. Two-degree-of-freedom controller to reduce the vibration of vehicle engine-body system[J].IEEE Transactions on Control Technology, 2001, (9):295-317.

[3] Robson JD. Road surface description and vehicle response.[J].International Journal of Vehicle Design, 1979,(9):25-35.

[4] 張晗.載重汽車操縱穩(wěn)定性仿真研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[5] K.H. Guo, C.F. Zong, F.S. Kong, et al. Objective evaluation correlated with human judgment An approach to the optimization of vehicle handling control system [J].Vehicle Design, 2002,(29): 96-111.

2015年8月........ Popular Science & Technology.........August 2015

Research on the test way and evaluation indexes of the vehicle's steering stability

The vehicle’s steering stability is one of the most importance performance to the vehicle safety, this paper studied on the local and the foreign test about the vehicle’s steering stability, summarized the classical and practical test way and evaluation indexes of the vehicle’s steering stability, it has guiding significance to the vehicle’s production and improvement.

Steering stability; test way; evaluation indexes

U467.1..

A....

1008-1151(2015)08-0066-02

2015-07-12

龍佳慶（1983－），女，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士研究生，從事汽車技術(shù)服務(wù)教育研究。