汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中方向盤對(duì)試驗(yàn)一致性影響研究

曾柯，何大軍，王倩

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司，國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

關(guān)鍵字：汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；試驗(yàn)重復(fù)性；數(shù)據(jù)一致性

引言

汽車的操縱穩(wěn)定性是決定汽車在高速行駛下安全性的重要因素之一[1]。有的文獻(xiàn)定義， 汽車的操縱穩(wěn)定性是指駕駛員在正常行駛過(guò)程中，當(dāng)遇到外界干擾時(shí)，車輛能夠有效抵抗干擾而恢復(fù)初始行駛狀態(tài)的能力[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的出行需求日益凸顯，因此這就對(duì)車輛本身的操縱穩(wěn)定性提出了更高要求[3]。影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素包括：重心位置、車輪側(cè)偏剛度、轉(zhuǎn)向系剛度、轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比、后軸側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)及整車?yán)@垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等[4]。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是整個(gè)操穩(wěn)試驗(yàn)類型中一個(gè)重要權(quán)重占比很大的試驗(yàn)，具有一票否決權(quán)[5]，但是在實(shí)際的過(guò)程應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同一臺(tái)車在相同工況下試驗(yàn)重復(fù)性和數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致性差的問(wèn)題，已有文獻(xiàn)[1]指出，操穩(wěn)試驗(yàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是較大的難點(diǎn)，也有文獻(xiàn)[5]指出，對(duì)于試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法、及數(shù)據(jù)處理方法的微小差別，結(jié)果往往相差很大。但是還鮮有文獻(xiàn)提出切實(shí)有效的方法來(lái)解決操穩(wěn)試驗(yàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性及一致性問(wèn)題，因此本文將操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)作為研究對(duì)象，研究車輛在相同工況下方向盤控制這一因素對(duì)試驗(yàn)重復(fù)性和數(shù)據(jù)結(jié)果一致性的影響，并提出改進(jìn)方法，以提高重復(fù)性和一致性。

1 試驗(yàn)方法及影響因素

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)集中一種非常經(jīng)典的測(cè)試汽車操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可參考[6]GB/T 6323-2014。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)之前需要對(duì)被試汽車及試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)，例如試驗(yàn)之前需要測(cè)定車輪定位參數(shù)及輪胎狀態(tài)，若使用新輪胎則需進(jìn)行200km行駛距離的磨合，若使用舊輪胎則試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎花紋深度應(yīng)大于等于1.6mm，同時(shí)應(yīng)通過(guò)以下兩者之一的方法時(shí)輪胎升溫，分別為直線行駛10km或繞15m半徑圓周以3m/s2的側(cè)向加速度行駛500m；檢查底盤懸架及轉(zhuǎn)向系，若有異?；蛩蓜?dòng)需進(jìn)行調(diào)整和緊固，并同時(shí)檢查廠家規(guī)定的技術(shù)條件與實(shí)際是否相符。另外試驗(yàn)場(chǎng)的場(chǎng)地與氣象條件也格外重要，要求場(chǎng)地干燥、平坦，為瀝青路面，坡度在2%以內(nèi)，風(fēng)速5m/s以內(nèi)，溫度范圍為0℃～40℃。

試驗(yàn)中應(yīng)控制車輛轉(zhuǎn)彎半徑，使其轉(zhuǎn)彎半徑為不小于15m的圓周，并同時(shí)記錄下此時(shí)的方向盤轉(zhuǎn)角，作為重復(fù)試驗(yàn)回轉(zhuǎn)圓半徑大小的量化指標(biāo)。在加速過(guò)程中應(yīng)保持緩慢且均勻地加速，其縱向加速度應(yīng)控制在0.25m/s2以內(nèi)。左右方向各進(jìn)行3組試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)所用到的儀器，待測(cè)物理量，分析方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)如下表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)使用儀器、測(cè)試物理量及分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理過(guò)程除了實(shí)測(cè)物理量之外，還需要計(jì)算一些中間過(guò)程物理量，例如轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎半徑比和前后軸側(cè)偏角差值。轉(zhuǎn)彎半徑的計(jì)算公式如下式(1)。

式中，Rk為第k點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑；vk為第k點(diǎn)實(shí)測(cè)速度；γk為第k點(diǎn)實(shí)測(cè)橫擺角速度；通過(guò)轉(zhuǎn)彎半徑Rk與側(cè)向加速度擬合之后的曲線中找到側(cè)向加速度為0m/s2時(shí)所對(duì)應(yīng)的Rk值定義為初始半徑R0。

汽車前后軸側(cè)偏角差值δ1-δ2計(jì)算方法如下：

式中，δ1為前軸側(cè)偏角，δ2為后軸側(cè)偏角，L為車輛軸距。前后軸側(cè)偏角差是一個(gè)很重要的中間過(guò)程物理量，因?yàn)樽罱K的中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度與不足轉(zhuǎn)向度都是通過(guò)前后軸側(cè)偏角差與側(cè)向加速度關(guān)系曲線處理得到，而前后軸側(cè)偏角差又與R0和Rk有緊密的聯(lián)系，R0的計(jì)算跟Rk曲線的走勢(shì)以及和截取的時(shí)間段有關(guān)，Rk最終和汽車的加速度過(guò)程和加速策略緊密相關(guān)的速度vk和橫擺角速度γk有關(guān)。

2 軟硬件平臺(tái)搭建

考慮到試驗(yàn)過(guò)程中復(fù)雜的工況，狹小的空間位置，較多的不確定因素以及試驗(yàn)人員儀器操作中防錯(cuò)性，需要搭建一整套高精度，高可靠性，高模塊化程度和高防錯(cuò)性的硬件試驗(yàn)平臺(tái)。本文試驗(yàn)中硬件平臺(tái)采用了陀螺儀作為動(dòng)態(tài)傳感器，測(cè)力方向盤作為方向盤扭矩和轉(zhuǎn)角傳感器，GPS天線作為定位數(shù)據(jù)傳感器，集成的數(shù)據(jù)采集器以及適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的高性能PC上位機(jī)。硬件平臺(tái)搭建邏輯如下圖1所示。

圖1 硬件平臺(tái)邏輯關(guān)系圖

其中陀螺儀采用的是 ADMA整車動(dòng)態(tài)性能分析儀，是帶 DGPS（差分全球定位系統(tǒng)）的高精度陀螺測(cè)量系統(tǒng)。使用 ADMA還可以持續(xù)不間斷地測(cè)量俯仰角、側(cè)傾角和軌跡切線角，同時(shí)還能測(cè)定偏轉(zhuǎn)角和偏轉(zhuǎn)率。同樣也能精確測(cè)定側(cè)偏角。測(cè)力方向盤采用奇石樂(lè)公司開(kāi)發(fā)的KiMSW 測(cè)量方向盤專為乘用車和多功能車型測(cè)試而設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用 imc公司開(kāi)發(fā)的 CRONOSflex，其基本單元提供了 imc CRONOSflex數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心功能。軟件平臺(tái)包括兩部分，一部分是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件，一部分是數(shù)據(jù)后處理軟件，都安裝在上位機(jī)里；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件用來(lái)配置硬件模塊參數(shù)，車輛配置參數(shù)，數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析等。數(shù)據(jù)后處理軟件是用來(lái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析，基于 imcFamos開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件交互性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，省去了中間計(jì)算過(guò)程，能夠快速得出分析結(jié)果，能夠有效地提高數(shù)據(jù)處理效率，讓研究人員能夠?qū)⒏嗟木τ玫皆囼?yàn)研究本身上來(lái)。

3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)車輛

在長(zhǎng)期的試驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的重復(fù)性和數(shù)據(jù)結(jié)果一致性很難得到保證，為了解決該問(wèn)題，本課題開(kāi)展了大量的試驗(yàn)工作積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果初步分析來(lái)看發(fā)現(xiàn)方向盤對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大的影響。為了研究車輛穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中方向盤 波動(dòng)性的影響，選擇某款城市客車作為研究對(duì)象如圖2，車型具體技術(shù)條件如下表2所示，在前文介紹的軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心-重慶機(jī)動(dòng)車強(qiáng)檢試驗(yàn)場(chǎng)。

圖2 試驗(yàn)車輛

表2 試驗(yàn)車輛參數(shù)

某次穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)如下，車輛的質(zhì)心位置在距車前軸1836mm，距車縱向中心線左側(cè)26mm，離車地板246mm處，將 ADMA陀螺儀通過(guò)支架安裝在質(zhì)心位置處，加速策略采用 1-2-3檔逐級(jí)增加的策略，試驗(yàn)之初通過(guò)駕駛員肉眼和經(jīng)驗(yàn)尋找回轉(zhuǎn)圓半徑，針對(duì)左側(cè)進(jìn)行回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，將得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下表3所示。從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，三次重復(fù)性試驗(yàn)，計(jì)算得到的初始半徑R0，不足轉(zhuǎn)向度U和側(cè)傾剛度K都有不同程度的差別，通過(guò)方向盤轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x測(cè)得的三次試驗(yàn)，方向盤轉(zhuǎn)角均值分別為-231.0度，-226.2度和-230.7度，對(duì)比7-18-1和7-18-2兩次試驗(yàn)，在方向盤轉(zhuǎn)角波動(dòng)性即方向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差一致時(shí)，研究方向盤轉(zhuǎn)角不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從表中可以看出方向盤轉(zhuǎn)角不同，計(jì)算得到的轉(zhuǎn)彎半徑也不同，因?yàn)檐囕v方向盤轉(zhuǎn)角的大小決定了回轉(zhuǎn)圓半徑的大小，所以方向盤轉(zhuǎn)角可以作為回轉(zhuǎn)圓半徑的量化指標(biāo)。

同時(shí)不同的方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)不足轉(zhuǎn)向度U，中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度an和側(cè)傾剛度K均有較大的影響，這是由于采用駕駛員肉眼和經(jīng)驗(yàn)來(lái)尋找回轉(zhuǎn)圓半徑的結(jié)果，這樣尋找的回轉(zhuǎn)圓半徑會(huì)有很大的誤差，如表3，7-8-1和7-8-2兩組數(shù)據(jù)所示，反應(yīng)到方向盤轉(zhuǎn)角可以看出兩次試驗(yàn)，方向盤轉(zhuǎn)角差了 4.8度，如果尋找的回轉(zhuǎn)圓半徑不同，那么通過(guò)轉(zhuǎn)彎半徑與側(cè)向加速度擬合曲線取側(cè)向加速度為0km/h時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑為初始半徑 R0值就不同，進(jìn)而汽車前后軸側(cè)偏角差值計(jì)算就會(huì)受到 R0值的影響，那么汽車前后軸側(cè)偏角差與側(cè)向加速度擬合曲線取側(cè)向加速度為 2m/s2時(shí)的斜率即不足轉(zhuǎn)向度U就會(huì)受到影響，因此若通過(guò)駕駛員的肉眼和經(jīng)驗(yàn)選擇回轉(zhuǎn)圓半徑就很難保證2次重復(fù)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果一致性。

因此本文提出采用方向盤轉(zhuǎn)角作為度量回轉(zhuǎn)圓半徑的指標(biāo)，GB/T 6323-2014規(guī)定回轉(zhuǎn)圓半徑不得小于15m，因此在試驗(yàn)之初可以嘗試不同的方向盤轉(zhuǎn)角使得在正式試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)固定某一初始方向盤轉(zhuǎn)角下回轉(zhuǎn)圓半徑不小于15m，并記錄下此時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角，在進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)只需將方向盤轉(zhuǎn)到該角度進(jìn)行試驗(yàn)，就能保證每次試驗(yàn)的回轉(zhuǎn)圓半徑基本一致。

表3 第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

采用了方向盤轉(zhuǎn)角作為量化回轉(zhuǎn)圓半徑大小的指標(biāo)后，就可以在確定回轉(zhuǎn)圓半徑大小一致性情況下研究駕駛員控制方向盤在確定角度下的波動(dòng)性即標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從表3中7-18-1和7-18-5可以看出在方向盤轉(zhuǎn)角一致情況下，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差不同對(duì)初始半徑R0和不足轉(zhuǎn)向度U均有較大影響，從圖3(a)、(b)、(c)可以直觀地看出3次重復(fù)試驗(yàn)的整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線，方向盤的波動(dòng)一般在幾度和十幾度之間。這主要是由于在試驗(yàn)的過(guò)程中車身隨路面的隨機(jī)振動(dòng)疊加上駕駛員手臂的隨機(jī)抖動(dòng)，就會(huì)使方向盤轉(zhuǎn)角試驗(yàn)過(guò)程中并不是完全固定的，而是波動(dòng)的，這種隨機(jī)波動(dòng)會(huì)直接對(duì)車輛的速度和橫擺角速度產(chǎn)生直接的影響，由公式可知轉(zhuǎn)彎半徑 Rk是跟速度和橫擺角速度直接相關(guān)的，這種隨機(jī)波動(dòng)進(jìn)而會(huì)影響到Rk使初始半徑 R0的計(jì)算結(jié)果增加了一定的隨機(jī)性，再由公式可知R0的隨機(jī)性和Rk的隨機(jī)性會(huì)傳遞到前后軸側(cè)偏角差值使得側(cè)偏角差與側(cè)向加速度擬合曲線橫軸為 2m/s2處的平均斜率測(cè)不準(zhǔn)。

圖3 第一次試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角曲線

為了解決方向盤波動(dòng)性的影響，本文采用方向盤固定裝置在每次試驗(yàn)中固定方向盤轉(zhuǎn)角。

采用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，同樣將 ADMA陀螺儀通過(guò)支架安裝在質(zhì)心位置處，加速策略采用 1-2-3檔逐級(jí)增加的策略，參考地面半徑15m圓線尋找回轉(zhuǎn)半徑使得回轉(zhuǎn)半徑不低于15m，確定當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)角為297度時(shí)回轉(zhuǎn)半徑大于15m，采用本文設(shè)計(jì)的方向盤卡緊機(jī)構(gòu)固定方向盤進(jìn)行試驗(yàn)，右轉(zhuǎn)方向進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)得到如下表4所示結(jié)果。從表中可以看出三次試驗(yàn)方向盤角度均值基本吻合，并且方向盤轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)差控制在了0.6以內(nèi)，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果三次實(shí)驗(yàn)R0，an，U，K的一致性均很好，進(jìn)一步印證了方向盤的波動(dòng)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果一致性有很大的影響。

表4 第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

8-14-10，8-14-11和8-14-12三次試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化如下圖4所示，從圖中可以看出在試驗(yàn)中將方向盤固定后方向盤的隨機(jī)波動(dòng)變得很小，基本控制在了1度以內(nèi)。

圖4 第二次試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角曲線

4 總結(jié)與討論

本文針對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中數(shù)據(jù)結(jié)果重復(fù)性及一致性差的問(wèn)題從方向盤轉(zhuǎn)角度方向展開(kāi)了較為深入的研究，找到了控制方向盤轉(zhuǎn)角的方法并提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的重復(fù)性及一致性。可以得到如下結(jié)論：

（1）采用方向盤轉(zhuǎn)角作為量化回轉(zhuǎn)圓半徑大小的指標(biāo)能夠解決憑駕駛員肉眼和經(jīng)驗(yàn)尋找回轉(zhuǎn)圓半徑的誤差，每次重復(fù)試驗(yàn)只需確保方向盤轉(zhuǎn)角一致而無(wú)需重新找回轉(zhuǎn)圓半徑，這樣可以解決因?yàn)榛剞D(zhuǎn)圓半徑的不同對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性及一致性的影響。

（2）本文設(shè)計(jì)了一套方向盤卡緊機(jī)構(gòu)，使方向盤轉(zhuǎn)角在每次試驗(yàn)過(guò)程中角度能保持一致并且波動(dòng)性達(dá)到最低，能有效地解決因?yàn)榉较虮P轉(zhuǎn)角波動(dòng)性對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性及一致性的影響。