乘用車轉(zhuǎn)向感覺(jué)客觀測(cè)量方法研究

王長(zhǎng)青 費(fèi)員軍 馮天驥

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)汽車公司所采用的操縱穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)方法現(xiàn)狀，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)體系，提出了一套針對(duì)轉(zhuǎn)向感覺(jué)評(píng)價(jià)的客觀試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工況和相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，該試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貙?duì)不同車型之間轉(zhuǎn)向感覺(jué)差異進(jìn)行描述，填補(bǔ)了現(xiàn)行客觀評(píng)價(jià)體系對(duì)轉(zhuǎn)向感覺(jué)評(píng)價(jià)方面的空白，為車輛底盤性能開發(fā)提供一種新的試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向感覺(jué)；客觀評(píng)價(jià)；操縱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）24-0121-04

Abstract： In view of the present situation of the objective evaluation methods for handling and stability adopted by domestic automobile companies， based on the subjective evaluation system， this paper puts forward a set of objective test methods for the evaluation of steering sensation， and designs the test conditions and relevant evaluation indexes. Through the actual vehicle test and the comparative analysis of the test results， the test can effectively describe the difference of steering sensation among different models， and fill in the blank in the evaluation of steering sensation in the current objective evaluation system， and it provides a new test method for the development of vehicle chassis performance.

Keywords： steering sensation； objective evaluation； handling stability

前言

汽車操縱穩(wěn)定性是底盤性能的重要組成部分，對(duì)操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)一般分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)[1]。由于客觀評(píng)價(jià)尚不能全面地反映車輛的操穩(wěn)性能，目前在底盤開發(fā)流程中，以車輛操穩(wěn)性能的主觀評(píng)價(jià)作為最終的評(píng)價(jià)手段，以主觀評(píng)價(jià)結(jié)果達(dá)標(biāo)作為底盤開發(fā)項(xiàng)目的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[2]。但目前國(guó)內(nèi)主觀評(píng)價(jià)能力欠缺，大多要依靠國(guó)外的技術(shù)力量來(lái)完成，且評(píng)價(jià)結(jié)果受評(píng)價(jià)人員的能力、心情、外界環(huán)境等因素影響，一致性和準(zhǔn)確性很難保證。

通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)能對(duì)客觀試驗(yàn)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真，但客觀評(píng)價(jià)體系的不完備，限制了虛擬仿真技術(shù)在底盤開發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用。因此完善現(xiàn)行客觀評(píng)價(jià)體系，一方面減少對(duì)主觀評(píng)價(jià)的依賴，另一方面充分發(fā)揮虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用，對(duì)提升我國(guó)汽車自主開發(fā)能力有著至關(guān)重要的作用。

本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外各大汽車公司的主觀評(píng)價(jià)體系[3，4，5]，發(fā)現(xiàn)對(duì)于操縱穩(wěn)定性的主觀評(píng)價(jià)大致可分為“一般工況下的轉(zhuǎn)向操縱性”和“極限工況下的操縱穩(wěn)定性”?！皹O限工況下操縱穩(wěn)定性”保證極限工況下的行車安全性，“一般工況下的轉(zhuǎn)向操縱性”保證了普通消費(fèi)者大多情況下的駕駛感受。

目前，國(guó)內(nèi)汽車公司客觀評(píng)價(jià)體系大多采用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)。綜合對(duì)比主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)體系發(fā)現(xiàn)，客觀評(píng)價(jià)體系對(duì)于不同車速下轉(zhuǎn)向感覺(jué)的描述是欠缺的，如不同車速下的轉(zhuǎn)向作用力水平、轉(zhuǎn)向力隨車速增長(zhǎng)的線性度，轉(zhuǎn)向靈敏度等特性。而這部分特性是主觀評(píng)價(jià)中“一般工況下轉(zhuǎn)向操縱性”的重要評(píng)價(jià)內(nèi)容。為完善操縱穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)體系，本文提出一種轉(zhuǎn)向感覺(jué)客觀試驗(yàn)方法，結(jié)合合適數(shù)據(jù)處理方法，為操穩(wěn)性能開發(fā)和目標(biāo)設(shè)定提供一種有效的方法。

1 轉(zhuǎn)向感覺(jué)客觀測(cè)量方法

1.1 測(cè)量變量

試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)合適的傳感器測(cè)量以下變量：

（1）方向盤轉(zhuǎn)角

（2）方向盤力矩

（3）汽車前進(jìn)車速

（4）側(cè)向加速度

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)開始前車輛以30km/h勻速直線行駛，并開始記錄數(shù)據(jù)。

（2）緩慢均勻地增加方向盤轉(zhuǎn)角，保持側(cè)向加速度增長(zhǎng)速率不超過(guò)0.05m/s2/s，直至側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2，停止記錄數(shù)據(jù)，記錄過(guò)程中保持車速不變。

（3）試驗(yàn)按照向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向進(jìn)行。

（4）車輛再分別以60、90、120km/h的行駛車速重復(fù)以上試驗(yàn)過(guò)程，最大側(cè)向加速度要求達(dá)到6.5m/s2。

為測(cè)量不同車速下的轉(zhuǎn)向力感，本試驗(yàn)選取了30、60、90、120km/h四種車速進(jìn)行試驗(yàn)。考慮低速30km/h行駛狀態(tài)下，一般行駛工況所達(dá)到的側(cè)向加速度較低，故試驗(yàn)要求側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2，其他車速工況側(cè)向加速度要求到達(dá)6.5m/s2。

2 主要指標(biāo)定義和數(shù)據(jù)處理

綜合考慮主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容，結(jié)合本試驗(yàn)工況特點(diǎn)，選取以下指標(biāo)，如表1所示，來(lái)表征轉(zhuǎn)向感覺(jué)特性。

2.1 線性區(qū)力矩梯度

2.1.1 定義

線性區(qū)力矩梯度是指在連續(xù)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，方向盤力矩隨側(cè)向加速度增長(zhǎng)的速率。方向盤在非中心區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向力矩應(yīng)隨側(cè)向加速度的增大而增大。駕駛員可通過(guò)方向盤力矩變化感受車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)向力矩增長(zhǎng)速率過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向力過(guò)大，影響轉(zhuǎn)向的輕便性，轉(zhuǎn)向力矩增長(zhǎng)速率過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致駕駛安全感降低。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的方向盤力矩和側(cè)向加速度信號(hào)進(jìn)行3Hz低通濾波處理，繪制方向盤力矩與側(cè)向加速度關(guān)系曲線。在試驗(yàn)車速為60、90、120km/h的轉(zhuǎn)向感覺(jué)試驗(yàn)中，對(duì)圖1曲線在側(cè)向加速度為2～4m/s2的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為線性區(qū)力矩梯度。

在車速為30km/h的轉(zhuǎn)向感覺(jué)試驗(yàn)中，考慮該工況下側(cè)向加速度較小，對(duì)上述曲線在側(cè)向加速度為1～3m/s2的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為線性區(qū)力矩梯度。

2.2 3m/s2時(shí)方向盤力矩

2.2.1 定義

“轉(zhuǎn)向作用力水平”是“轉(zhuǎn)向的操縱性”中重要的評(píng)價(jià)內(nèi)容。車輛在低速行駛時(shí)，應(yīng)有較好的轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的提高，轉(zhuǎn)向作用力應(yīng)逐漸增大，保證高速行駛的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)向感覺(jué)試驗(yàn)中，方向盤作用力隨側(cè)向加速度的增大而增大，本文選取“3m/s2時(shí)方向盤力矩”來(lái)表征某一特定車速下方向盤力矩水平，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)“線性區(qū)力矩梯度”可對(duì)該車速下的線性區(qū)內(nèi)的作用力水平進(jìn)行評(píng)估。另外，通過(guò)比較不同車速下的“3m/s2時(shí)方向盤力矩”可以看出轉(zhuǎn)向盤作用力隨車速的變化趨勢(shì)是否滿足主觀的設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

在圖1方向盤力矩和側(cè)向加速度關(guān)系曲線中，在側(cè)向加速度0.05m/s2以上的范圍內(nèi)對(duì)曲線進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合，在擬合曲線中計(jì)算得到側(cè)向加速度為3m/s2時(shí)方向盤力矩的大小。

2.3 方向盤力矩線性度指數(shù)

2.3.1 定義

在操縱穩(wěn)定性主觀評(píng)價(jià)中，要求轉(zhuǎn)向力應(yīng)隨方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)力矩的突變。方向盤力矩的線性度越好，駕駛員對(duì)車輛行駛狀態(tài)的預(yù)見(jiàn)性越好，駕駛員可通過(guò)方向盤反饋的力矩變化感知車輛側(cè)向加速度的變化，可提升駕駛員的主觀駕駛安全感。如圖1所示，在中心區(qū)范圍內(nèi)（通常側(cè)向加速度小于1m/s2），由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦、轉(zhuǎn)向間隙及懸架襯套等非線性因素，導(dǎo)致方向盤力矩和側(cè)向加速度之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系；在非線性區(qū)（通常側(cè)向加速度大于5m/s2），由于輪胎特性等非線性因素導(dǎo)致方向盤力矩和側(cè)向加速度之間也會(huì)表現(xiàn)出非線性關(guān)系；但在線性區(qū)范圍內(nèi)，期望方向盤力矩能和側(cè)向加速度保持線性增長(zhǎng)。本文通過(guò)計(jì)算線性區(qū)“方向盤力矩線性度”來(lái)表征方向盤力矩和側(cè)向加速度之間的線性關(guān)系。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

相關(guān)系數(shù)[6]又稱皮（爾生）氏積矩相關(guān)系數(shù)，是一個(gè)描述兩個(gè)現(xiàn)象之間密切程度的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)。本文通過(guò)計(jì)算線性區(qū)范圍內(nèi)方向盤力矩和側(cè)向加速度之間的相關(guān)系數(shù)R，來(lái)考察方向盤力矩的線性度。

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的方向盤力矩和側(cè)向加速度信號(hào)進(jìn)行3Hz低通濾波處理，截取側(cè)向加速度在1～5m/s2（車速30km/h工況，截取側(cè)向加速度在1～3m/s2）范圍內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算方向盤力矩和側(cè)向加速度的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)R的計(jì)算方法如式（1）所示，R值的范圍在-1和+1之間。

方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度之間的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1，兩者之間的相關(guān)性越高，也意味著兩者之間的線性度越高。

2.4 轉(zhuǎn)向靈敏度

2.4.1 定義

轉(zhuǎn)向靈敏度是指車輛的響應(yīng)與方向盤轉(zhuǎn)角輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。相同的方向盤轉(zhuǎn)角輸入下，轉(zhuǎn)向靈敏度過(guò)大，車輛的響應(yīng)會(huì)超出駕駛員的預(yù)期，降低駕駛安全感；轉(zhuǎn)向靈敏度過(guò)小，車輛的響應(yīng)未達(dá)到駕駛員的預(yù)期，駕駛員不得不追加方向盤轉(zhuǎn)角，影響轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集的方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度信號(hào)進(jìn)行3Hz低通濾波處理，繪制方向盤轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線，如圖2所示。曲線在側(cè)向加速度為2～4m/s2（車速30km/h工況，截取側(cè)向加速度在1～3m/s2）的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為轉(zhuǎn)向靈敏度。

3 試驗(yàn)結(jié)果比較和分析

依據(jù)上文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，進(jìn)行了3個(gè)車型的客觀試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)果分析：

從評(píng)價(jià)指標(biāo)“線性區(qū)力矩梯度”看，車型1方向盤力矩隨側(cè)向加速的增長(zhǎng)較緩，車型2與車型3方向盤力矩增長(zhǎng)的速率相近；在低速30km/h工況下，車型3左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)方向盤力矩增長(zhǎng)速率不一致，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)向手感不一致；隨試驗(yàn)車速的增大，車型1右轉(zhuǎn)方向的力矩梯度逐漸減小，與左轉(zhuǎn)方向的差距不斷增大，左右兩方向的轉(zhuǎn)向手感的一致性越來(lái)越差。

從評(píng)價(jià)指標(biāo)“3m/s2時(shí)方向盤力矩”看，車型2的整體轉(zhuǎn)向力矩最大，車型1的轉(zhuǎn)向力矩最??；車型2與車型3的轉(zhuǎn)向力矩隨車速的增大而變大，但車型1的轉(zhuǎn)向盤力矩隨車速的變化趨勢(shì)不明顯；車型1在中高車速工況下，方向盤左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)的作用力不一致，左右不對(duì)稱。

從評(píng)價(jià)指標(biāo)“方向盤力矩線性度指數(shù)”看，所有車型隨試驗(yàn)車速的提高，方向盤力矩隨側(cè)向加速度的增長(zhǎng)會(huì)表現(xiàn)出更好的線性度；車型1方向盤力矩的線性度在3個(gè)車型中表現(xiàn)最差，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)同樣出現(xiàn)的較大的不一致性，右轉(zhuǎn)方向的力矩增長(zhǎng)的線性度更差。

從評(píng)價(jià)指標(biāo)“轉(zhuǎn)向靈敏度”看，在低速30km/h工況下，車型2在3個(gè)車型中表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)向靈敏度，在中高速工況下，車型1的轉(zhuǎn)向靈敏度較另外2個(gè)車型偏低。

綜上所述，以上試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)出了3車個(gè)車型在轉(zhuǎn)向感覺(jué)方面的差異，如轉(zhuǎn)向力感、轉(zhuǎn)向作用力水平、力矩隨車速增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)、隨側(cè)向加速度增長(zhǎng)測(cè)線性度、轉(zhuǎn)向靈敏度等特性；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)車型1左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)兩個(gè)方向不對(duì)稱的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了轉(zhuǎn)向感覺(jué)客觀試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)工況，并根據(jù)主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容提取客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向感覺(jué)試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貙?duì)轉(zhuǎn)向感覺(jué)進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)不同車型之間的轉(zhuǎn)向感覺(jué)差異，發(fā)現(xiàn)車輛性能存在的問(wèn)題，為轉(zhuǎn)向性能的改進(jìn)提供方向，也為底盤性能開發(fā)提供一種新的目標(biāo)和方法。

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