車輛加速工況駕駛性評價(jià)

李玉珍 葉春林 毛萬鑫

（1.上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，家用汽車的數(shù)量逐漸增多，用戶的駕駛水平也有所提升。用戶對輕型汽車駕駛性的需求也在不斷地提高，對動力性、舒適性以及NVH等性能的要求更加嚴(yán)格，這就對車企整車開發(fā)的技術(shù)提出了更高的要求。汽車的駕駛性是在汽車縱向行駛過程中人車交互的綜合感知，包括汽車的靜態(tài)性能和動態(tài)響應(yīng)能力。汽車的駕駛性可以體現(xiàn)車型的定位和品牌的能力，是影響產(chǎn)品市場競爭力的重要因素。在滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，舒適性和人性化必將成為未來輕型汽車性能開發(fā)的主要方向[1]。

1 駕駛性評價(jià)方法

可以從不同角度、使用不同方法對汽車的駕駛性能進(jìn)行評價(jià)。目前常用的方法主要有主觀評價(jià)和客觀評價(jià)。由于駕駛性的構(gòu)成較為復(fù)雜，包括汽車在不同方向上的動態(tài)響應(yīng)，因此主觀評價(jià)可以從汽車駕駛的多個(gè)維度進(jìn)行評價(jià)；客觀評價(jià)能對汽車的駕駛性進(jìn)行量化，通過分析可以將汽車駕駛性與車輛性能的參數(shù)結(jié)合在一起，從而指導(dǎo)開發(fā)性能參數(shù)。主客觀評價(jià)汽車駕駛性針對的是汽車不同狀態(tài)下的性能?？陀^評價(jià)主要對車輛的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行評估；而主觀評價(jià)主要是對車輛的瞬態(tài)品質(zhì)進(jìn)行評估[2]。

1.1 主觀評價(jià)

主觀評價(jià)是指駕駛員在駕駛時(shí)可以通過五官和身體的內(nèi)部感覺對車輛的動態(tài)響應(yīng)做出主觀評價(jià)。國外企業(yè)使用AUDIT評價(jià)法、SAE主觀評車標(biāo)準(zhǔn)以及日本的五分制打分等。國內(nèi)駕駛性評價(jià)起步較晚，但近幾年，國內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都開展了對駕駛性主觀評價(jià)的相關(guān)研究，例如中國汽車研究中心2017年發(fā)布了EV-TEST主觀評價(jià)管理規(guī)則，其評分方法見表1。

表1 EV-TEST評分方法

國外相關(guān)學(xué)者使用不同方法對汽車的駕駛性進(jìn)行綜合評價(jià)，例如駕駛性指標(biāo)體系構(gòu)建、多元線性回歸虛擬評價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)虛擬評價(jià)以及仿真分析與測試評價(jià)方法等。國內(nèi)也在開展相關(guān)研究，并逐步形成了基于模糊理論、動態(tài)規(guī)劃等算法的駕駛性評價(jià)方法。

1.2 客觀評價(jià)

客觀評價(jià)是指在特定工況下通過一系列傳感器對車輛進(jìn)行測試，采集車輛的控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，分析所得的結(jié)果并建立汽車相關(guān)性能與參數(shù)之間的聯(lián)系。在汽車的行駛過程中，加速度和速度對人類感覺與知覺的影響最為突出，不同方向上加速度的大小表征了車輛的不同性能。在行駛方向（X向）上，速度和加速度的大小表征汽車的動力性；橫向（Y向）的速度與加速度的大小表征汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性；縱向（Z向）的速度與加速度的大小表征汽車的乘坐舒適性。客觀評價(jià)可以通過汽車客觀表征出來的指標(biāo)參數(shù)定量地分析駕駛品質(zhì)存在差異的內(nèi)在原因，為車型開發(fā)及優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議。

國外已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于駕駛性研究的成果，英國巴斯大學(xué)的Pickering，S.G致力于駕駛性主客觀評價(jià)一致性的研究[3]。利用多元線性回歸理論對相同工況的主觀評價(jià)指標(biāo)與客觀參數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到客觀參數(shù)與主觀評分之間的多元線性回歸方程，建立了通過客觀參數(shù)對主觀駕駛性進(jìn)行預(yù)測的回歸模型。奧地利公司AVL推出駕駛性客觀評價(jià)與標(biāo)定的工具AVL-Drive，通過三向加速度傳感器測量車輛的運(yùn)動狀態(tài)，并使用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法綜合評價(jià)汽車的駕駛性。

國內(nèi)駕駛性評價(jià)起步較晚，同濟(jì)大學(xué)的章桐、劉普輝構(gòu)建了汽車駕駛性的評價(jià)準(zhǔn)則及指標(biāo)，分析穩(wěn)態(tài)加速、急踩加速踏板2項(xiàng)工況中各項(xiàng)客觀表征的指標(biāo)，可以對車輛的駕駛性進(jìn)行客觀地評價(jià)[4]。2015年王勐將基于AVL-Drive的AMT駕駛性評價(jià)應(yīng)用到陜汽某牽引車上，對測試結(jié)果進(jìn)行評估分析，得出車輛在性能方面存在不足，并對其進(jìn)行了優(yōu)化[5]。

2 加速工況指標(biāo)確定

對車輛行駛的行為進(jìn)行拆分，通?？梢苑譃槠鸩?、加速、突然踩油門、突然松油門、松油門滑行、換擋、巡航、怠速、油門響應(yīng)、啟動、關(guān)機(jī)以及震動共13種工況。不同的駕駛工況對車輛駕駛品質(zhì)的影響也有所不同，因此需要研究能反映對應(yīng)工況的駕駛性評價(jià)指標(biāo)。加速工況是指駕駛員操作加速踏板使其開度變大的過程，加速可以提升車輛的速度。車輛加速工況的駕駛性表現(xiàn)在響應(yīng)是否迅速、加速過程是否平順2個(gè)方面。由對加速工況的定義可知，加速過程中的主要操作對象是油門踏板，根據(jù)操作踏板的不同方式，可以將加速工況分為2種情況進(jìn)行評價(jià)，即全油門加速工況與部分油門加速工況。以下分別對2種加速工況的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。

2.1 全油門加速

全油門加速工況是指在加速過程中油門踏板處于滿載位置。全油門加速工況主要考察車輛在滿載時(shí)的動力性能，可以進(jìn)一步分為爬坡能力、最高車速、凈加速能力以及動力儲備能力等方面的性能評價(jià)指標(biāo)[6]。

2.1.1 爬坡能力

汽車的爬坡能力是指汽車滿載時(shí)，在良好路面上用一擋行駛所能克服的最大坡度。通常用最大爬坡度表示，如公式（1）所示。

式中：imax為汽車的最大爬坡度，%；αmax為汽車所能越過的最大坡度，°。

如果要求汽車有足夠的爬坡能力，那么載貨汽車30%，越野汽車imax的值大約為在60%。汽車最大爬坡度的測試方法如下：選擇與該車預(yù)計(jì)爬坡度相近的坡道，坡道長度應(yīng)大于25 m，坡前應(yīng)有8 m～10 m的平直路段[7]。測試車停在坡底靠近坡道的平直路段上，變速器放置在最大牽引力的輸出擋（通常是一擋）。汽車起步后，將加速踏板踩到底進(jìn)行爬坡，如果汽車能順利爬上該坡道，就選擇更大一級坡道進(jìn)行測試，直到汽車不能爬上坡道為止，測試中汽車能爬上的最大坡度，就是汽車的最大爬坡度。

2.1.2 最高車速

需要考察全油門加速工況下車輛能達(dá)到的最高車速，它反映了車輛的動力性能。影響汽車最高車速的因素比較多，例如汽車發(fā)動機(jī)的功率、發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速、傳動系的傳動比以及行駛阻力等。因?yàn)樽罡哕囁偈窃谄教篃o風(fēng)路面上、加速度為0時(shí)求得的，因此坡度阻力和加速阻力為0；所以影響最高車速的阻力因素主要是空氣阻力和滾動阻力。

2.1.3 凈加速能力

凈加速能力主要考察的是在不考慮道路狀況、駕駛行為等因素時(shí)，車輛加速到一定車速的綜合性能，要求車輛能快速響應(yīng)、平順地達(dá)到理想車速。評價(jià)凈加速能力的指標(biāo)有加速時(shí)間、95%峰值加速度等。具體指標(biāo)及描述見表2。

表2 凈加速能力指標(biāo)

2.1.4 動力儲備能力

動力儲備能力又可以稱為超車能力，主要考慮了車輛在直線行駛中超車時(shí)的綜合性能。與凈加速能力不同，考察動力儲備能力的加速時(shí)間要求車輛到達(dá)一定初速度才開始全油門操作，這是為了模擬現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)超車場景。動力儲備能力的具體指標(biāo)及描述見表3。

表3 動力儲備能力指標(biāo)

2.2 部分油門加速

日常駕駛中絕大多數(shù)加速行為都不是全油門加速，而是部分油門加速。因此，需要著重考察部分油門下的車輛駕駛品質(zhì)。部分油門加速工況主要用來評估車輛在部分油門操作下動態(tài)性能的表現(xiàn)，其主要指標(biāo)包括峰值加速度、加速度增益、加速度擾動以及線性相關(guān)度等。試驗(yàn)的具體做法是通過在油門踏板上安裝限位器，測定試驗(yàn)車在不同油門深度下的各項(xiàng)特性指標(biāo)。

2.2.1 加速度增益

加速度增益是指加速度值與油門開度的比值，反映了單位油門開度下加速度值的大小，是加速工況下的1項(xiàng)重要評價(jià)指標(biāo)，它可以作為加速度峰值及加速時(shí)間等宏觀指標(biāo)的補(bǔ)充。

2.2.2 線性相關(guān)性

線性相關(guān)性是指扭矩與油門踏板開度的比值，反映了車輛在加速時(shí)的平順性。

2.2.3 加速度擾動

由于發(fā)動機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)域被利用，因此傳動系扭轉(zhuǎn)或者彎曲振動等會造成發(fā)動機(jī)和被驅(qū)動的車輪之間動力傳遞的不均勻性，有可能會出現(xiàn)振動，該振動通過方向盤或者車身傳遞過來，使人能夠感到轟鳴或者抖動。加速度擾動情況可以用加權(quán)加速度四次均方根值來表示，又稱為振動劑量值（surge）。其計(jì)算方法，如公式（2）所示。

式中：acci為車輛加速度值；i為樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)序號；n為樣本總數(shù)量。

3 駕駛性試驗(yàn)

駕駛性客觀評價(jià)是通過車輛狀態(tài)參數(shù)來評價(jià)車輛的性能，其基礎(chǔ)是汽車在行駛過程中實(shí)際響應(yīng)的客觀物理量，因此駕駛性客觀評價(jià)依賴于實(shí)車測試。

3.1 試驗(yàn)車輛及工況

試驗(yàn)車輛是采用某車企SUV車型，車輛狀態(tài)及性能良好，車輛各項(xiàng)參數(shù)見表4。

表4 試驗(yàn)車輛參數(shù)

試驗(yàn)工況選擇汽車場景中最為常見的“加速”工況，對汽車加速行駛過程的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，根據(jù)參數(shù)分析并客觀評價(jià)車輛的駕駛性，例如車輛加速的動力性、平順性等。試驗(yàn)車輛如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)所用車輛

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用AVL-Drive數(shù)據(jù)采集儀，并配套使用AVL-Drive數(shù)據(jù)采集軟件對車輛參數(shù)進(jìn)行測試。車輛中安裝數(shù)據(jù)采集儀及其相關(guān)配套傳感器，并通過AVL-Drive軟件進(jìn)行測試，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備安裝

試驗(yàn)設(shè)備的具體信息見表5。加速度信號由加速度傳感器對其進(jìn)行采集，傳感器包括2個(gè)單軸加速度傳感器（分別裝于駕駛位座椅頭枕處和懸掛下擺臂處）和1個(gè)三軸加速度傳感器（裝于副駕駛座椅滑軌末端），其中采樣頻率為100 Hz。其他信號例如引擎轉(zhuǎn)速、車速等信號通過CAN總線連接進(jìn)行讀取。

表5 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)場地選擇某主機(jī)廠封閉試驗(yàn)場地，保障試驗(yàn)的安全性。對加速工況進(jìn)行試驗(yàn)并截取車輛從靜止到加速過程中的速度、加速度、油門開度以及時(shí)間點(diǎn)等重要參數(shù)，處理并分析車輛的加速性能。

4 專業(yè)化評價(jià)體系平臺搭建

基于Matlab GUI平臺并結(jié)合駕駛性評價(jià)體系，開發(fā)了駕駛性試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件平臺，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到各駕駛性評價(jià)指標(biāo)的值。針對該文研究的加速工況，搭建了駕駛性評價(jià)平臺，如圖3所示。

圖3 加速工況軟件平臺界面

對試驗(yàn)車輛加速工況的駕駛性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，通過與對標(biāo)車進(jìn)行對比，從而為優(yōu)化車輛的駕駛性能提供指導(dǎo)意見。試驗(yàn)車與對標(biāo)車的主要參數(shù)對比見表6。

表6 試驗(yàn)車與對標(biāo)車主要參數(shù)對比

圖4為試驗(yàn)車和對標(biāo)車在不同油門開度下的速度對比。由圖4知，在5%～35%油門開度加速中，試驗(yàn)車的加速能力優(yōu)于對標(biāo)車，而對標(biāo)車在小油門加速中較柔和、平順。

圖4 固定油門工況速度曲線對比

圖5為試驗(yàn)車和對標(biāo)車的全油門加速度對比。在全油門加速中，試驗(yàn)車出現(xiàn)峰值加速度的時(shí)間早于對標(biāo)車，對標(biāo)車峰值加速度的持續(xù)時(shí)間比試驗(yàn)車的持續(xù)時(shí)間長。峰值加速度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間越長就越能增強(qiáng)車輛的加速性能，因此全油門加速中，對標(biāo)車的加速性能優(yōu)于試驗(yàn)車。

圖5 全油門加速工況加速度對比

根據(jù)軟件平臺計(jì)算的指標(biāo)，針對全油門加速工況中存在的轉(zhuǎn)速波動進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速曲線在最大值、最大值持續(xù)時(shí)間及曲線平滑度上明顯優(yōu)于優(yōu)化前。優(yōu)化對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后對比

5 結(jié)論

通過分析車輛加速工況的特點(diǎn)以及對駕駛品質(zhì)的要求，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立了車輛加速工況的駕駛性評價(jià)體系，確定了峰值加速度、加速時(shí)間、加速度增益以及加速度擾動等評價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)采用AVL-Drive數(shù)據(jù)采集儀，并配套使用AVL-Drive數(shù)據(jù)采集軟件對試驗(yàn)車與對標(biāo)車進(jìn)行了加速工況駕駛性的試驗(yàn)，對車輛的加速度、油門、發(fā)動機(jī)、變速箱以及車速等信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

基于Matlab GUI平臺并結(jié)合駕駛性評價(jià)體系，開發(fā)了駕駛性試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件平臺，計(jì)算得到各駕駛性評價(jià)指標(biāo)的值。并根據(jù)駕駛性指標(biāo)的對比，針對試驗(yàn)車全油門加速工況中存在的轉(zhuǎn)速波動，對試驗(yàn)車進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后轉(zhuǎn)速曲線在最大值、最大值持續(xù)時(shí)間及曲線平滑度上明顯優(yōu)于優(yōu)化前。