商用車操縱穩(wěn)定性之穩(wěn)態(tài)回轉試驗的研究與應用

崔康 宋魯寧 蔡振華 郭棟 孟靚

關鍵詞：操縱穩(wěn)定性;穩(wěn)態(tài)回轉;找圓;懸架;側傾角;側偏角

0引言

汽車操縱穩(wěn)定性是指車輛正常行駛狀況下，遇到外界干擾時能夠保持穩(wěn)定行駛的能力[1]。操縱穩(wěn)定性可分為操縱性和穩(wěn)定性兩個部分，操縱性重點是響應駕駛員指令的能力;穩(wěn)定性則是抗干擾能力或從非穩(wěn)定狀態(tài)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。

車輛的操縱穩(wěn)定性是影響汽車行駛安全的重要因素，是評價車輛性能的重要指標[2]，穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法則是用來測試操縱穩(wěn)定性的一種重要手段。而懸架則是除轉向系、輪胎等部件外，影響汽車操縱穩(wěn)定性的又一重要因素。

從20世紀七八十年代開始，人們就通過建模、仿真和模擬試驗等各個方面，對汽車的懸架及其對汽車的操縱穩(wěn)定性、安全性和舒適性的影響進行了研究。隨著汽車技術的不斷發(fā)展，人們采用穩(wěn)態(tài)回轉實驗方法對車輛操縱穩(wěn)定性的研究也不斷增加，試驗方法已相對成熟。因此，通過穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法對商用車采用不同懸架的操縱穩(wěn)定性進行研究具有重要意義。

1穩(wěn)態(tài)回轉試驗流程

穩(wěn)態(tài)回轉試驗是評價汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要試驗，試驗可分為3個階段。

第一階段是試驗找圓過程。試驗前需在國家認可試驗場地（最好是動態(tài)廣場），以鮮艷、醒目的顏色畫出半徑不小于15m的圓周。測試人員駕駛試驗車輛以最低穩(wěn)定車速圍繞既定圓周行駛，以達到車輛縱向對稱面上的傳感器（一般安裝在質心位置，受結構限制無法安裝在質心的可通過設備設置質心偏移）在半圈內都可以對正圓周的狀態(tài)。找圓結束，記錄并固定轉向盤轉角。

第二階段，駕駛車輛從速度為零緩慢而穩(wěn)定起步，逐漸加速至側向加速度達到6.5m/s2，或受發(fā)動機限制所能達到的最大側向加速度或車輛不受控制，期間確保縱向加速度不超過0.25m/s2。試驗過程中記錄下車輛的側向加速度、車身側傾角等參數(shù)。

第三階段是對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析。

2穩(wěn)態(tài)回轉找圓方法研究

2.1主要試驗方法

因駕駛員視野受限等問題，進行穩(wěn)態(tài)回轉試驗一直面臨一個難點，就是如何利用現(xiàn)有試驗設備快速有效地找到穩(wěn)態(tài)試驗圓周。也就是找到使試驗車輛縱向對稱面上的傳感器在半圈內都能對正圓周的轉向盤角度，從而以固定轉向盤角度進行試驗。找圓的試驗方法主要分為以下3類。

方法一為依靠駕駛員目測醒目的圓周，即以最低穩(wěn)定車速圍繞圓周重復性轉圈，以找到穩(wěn)態(tài)試驗圓周。

方法二為依靠試驗設備外加駕駛員輔助找圓。首先駕駛員依靠視覺快速找到圓周大概位置，然后以最低穩(wěn)定車速圍繞圓周行駛。期間依據(jù)設備本身自帶的GPS定位功能，實時采集位置信息傳輸?shù)诫娔X。試驗人員根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)提醒駕駛員調整方向盤角度，找到穩(wěn)態(tài)圓周。依據(jù)檢測設備又分為兩種狀況：一是依據(jù)GPS非接觸速度計（VBox）主定位模塊進行找圓;二是依據(jù)陀螺儀定位模塊找圓。

方法三為依靠輔助試驗設備找圓。目前主要是利用光柵傳感器加監(jiān)控視頻攝像頭進行找圓，但這種方式對試驗場地和試驗環(huán)境條件，如光線條件等要求較高。采用這種方法，首先是在車輛的前防護中間位置安裝一個視頻攝像頭輔助駕駛員，然后將標尺光柵圍繞畫好的已確定半徑的圓粘貼好，將光柵傳感器安裝在車底質心位置正下方無阻礙的位置。此時車輛以最低穩(wěn)定車速圍繞畫好的圓周行駛，直至達到傳感器在半圈以上都能對正圓周中心。

2.2試驗數(shù)據(jù)采集分析

駕駛N2類商用車，以15.00m為目標半徑，通過上述3種試驗方法各進行10組穩(wěn)態(tài)回轉找圓試驗（左轉5次，右轉5次）。試驗結果如圖1、圖2和圖3所示，試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過試驗軌跡圖和初始半徑的實測記錄可以發(fā)現(xiàn)，使用方法一找圓，實測軌跡大部分游離在圖1中的區(qū)域C，部分游離在圖1中的區(qū)域A，距離目標圓周都有一定差距，且波動幅度較大，相對誤差較大。使用方法二，不論是基于VBox找圓還是基于陀螺儀找圓，試驗軌跡都是在區(qū)域B附近，個別游離到區(qū)域A，距離目標圓較近，數(shù)據(jù)波動較小。使用方法三找圓比方法二數(shù)據(jù)波動略大，精確度相對較高。

因此，結合試驗實際條件可以得到如下結論：采用方法一找圓雖然相對較快，但是誤差較大，試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定;方法三找圓雖然精確度較高，但對實際場地和環(huán)境條件要求很高，操作難度較大;只有方法二找圓的時間相對較短，可操作性強，試驗數(shù)據(jù)波動幅度小，精確度高。因此，在進行穩(wěn)態(tài)回轉試驗時，選用方法二相對更為實用。

3商用車懸架對操縱穩(wěn)定性的影響

3.1商用車懸架概述

懸架是車橋與汽車車架或承載式車身之間的連接和傳力裝置的統(tǒng)稱，其主要作用就是傳遞作用在車架和車橋之間的力和扭矩[3]，緩解因道路不平給車架或車身帶來的沖擊力，并減少振動帶來的不適感，保證車輛行駛的平順性[4-5]。

典型的懸架結構一般由減振器、彈性元件和導向機構組成。彈性元件是其中的核心部件，其類型有鋼板彈簧、空氣彈簧等。鋼板彈簧因其價格便宜、可靠性強及穩(wěn)定性好，是目前商用車的優(yōu)選。目前也有部分商用車使用了空氣彈簧，個別特種車型使用了其他懸架種類。有些商用車型為了提高舒適性，又要保證行駛中的穩(wěn)定性，會選擇在前軸安裝鋼板彈簧懸架，后軸安裝空氣懸架，混合使用。

3.2采用穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法驗證懸架對操縱穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)態(tài)回轉試驗是目前用來測試汽車操縱性和穩(wěn)定性的一種重要技術手段。通過穩(wěn)態(tài)回轉試驗直接測得的車輛側傾角、橫擺角速度和側向加速度，以及分析計算得到的不足轉向度、側傾度和轉彎半徑等參數(shù)，可以判斷車輛的操縱性和穩(wěn)定性的好壞。而懸架作為影響汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要部件，采用穩(wěn)態(tài)回轉的試驗方法對不同懸架對車輛操縱穩(wěn)定性的影響進行研究，為今后保證道路行駛安全具有重要意義。本文針對目前商用車市場應用最廣泛的兩種懸架：鋼板彈簧懸架和空氣懸架，采用穩(wěn)態(tài)回轉的試驗方法探究懸架對操縱穩(wěn)定性的影響。3709D8D6-3FD3-4E71-9C1C-4BD9F02A060D

3.3試驗結果

試驗選用2臺除懸架形式不同其余配置完全相同的N2類商用車，采用前面提到的方法進行穩(wěn)態(tài)回轉試驗。試驗結果圖4、圖5、圖6和圖7所示。

采集數(shù)據(jù)對比顯示，在做穩(wěn)態(tài)回轉試驗時，2臺樣車隨車速的增加，側向加速度、橫擺角速度和側傾角明顯增加，俯仰角波動變大。剔除異常數(shù)據(jù)后（車輛振動等引起的數(shù)據(jù)），截取同一速度點的側傾角、側向加速度和橫擺角速度，可發(fā)現(xiàn)安裝有空氣懸架的樣車要比安裝有鋼板彈簧懸架的樣車數(shù)值要大。同等速度點時，裝有鋼板彈簧樣車的俯仰角波動要比空氣懸架樣車的小。

穩(wěn)態(tài)回轉性能評價一般以中性轉向點的側向加速度、車身側傾角等作為依據(jù)[6]。因此為了提高數(shù)據(jù)采集的準確性和降低誤差，首先對采集的數(shù)據(jù)進行平滑處理，篩掉離散數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)，然后根據(jù)采集到的試驗數(shù)據(jù)計算出車輛的轉彎半徑和車輛的前后軸側偏角之差，再進行3階次擬合。

穩(wěn)態(tài)回轉試驗時，某一速度點可看作標準圓周運動，其轉彎半徑、速度與時間以及角度的關系可由式（1）表示：

根據(jù)式（2）和式（3）以及采集到的數(shù)據(jù)，分別得到側向加速度與側傾角的三階擬合圖、側向加速度與前后軸側偏角之差的三階擬合圖以及側向加速度與轉彎半徑的三階擬合圖。

3.4右轉試驗數(shù)據(jù)分析

通過鋼板彈簧樣車和空氣懸架樣車側向加速度與側傾角的三階擬合對比圖可以清晰地看到（圖8和圖9），隨著側向加速度的增加，側傾角增加。鋼板彈簧樣車是從0.200°下降到-2.400°，空氣懸架樣車是從0.400°下降到-2.800°。側傾角波動大，說明車輛的穩(wěn)定性差，也就是空氣懸架沒有鋼板彈簧穩(wěn)定。

通過側向加速度與前后軸側偏角之差的三階擬合對比圖可得出（圖10和圖11），隨著側向加速度的增加，兩臺車的前后軸側偏角都在增加，空氣懸架車型的前后軸側偏角之差增加明顯大過鋼板彈簧。前后軸側偏角的差值過大，就會造成車輛難以控制，導致發(fā)生側滑甩尾甚至側翻。

通過側向加速度與轉彎半徑的三階擬合圖對比圖可以看到（圖12和圖13），隨著側向加速度的增加，空氣懸架樣車的轉彎半徑增加明顯。轉彎半徑增加，說明樣車存在一定的轉向不足或車輛可能存在側滑現(xiàn)象。

通過表2中計算的數(shù)據(jù)可知，空氣懸架樣車計算出的不足轉向度比鋼板彈簧大0.128°/（m/s?），車身側傾度大0.083°/（m/s?）。雖然數(shù)據(jù)顯示樣車都存在一定的轉向不足，但空氣懸架轉向不足要大一些。

3.5左轉試驗數(shù)據(jù)分析

通過鋼板彈簧樣車和空氣懸架樣車側向加速度與側傾角三階擬合對比圖可以清晰地看到（圖14和圖15），隨著側向加速度的增加，側傾角增加。鋼板彈簧樣車是從0.800°增加到4.000°，空氣懸架樣車是從0.800°增加到4.400°。

通過側向加速度與前后軸側偏角之差的三階擬合對比圖可得出（圖16和圖17），隨著側向加速度的增加，鋼板彈簧樣車的前后軸側偏角之差從-0.300°增加到1.000°，空氣懸架的前后軸側偏角之差從-0.300°增加到1.800°?？諝鈶壹軜榆嚽昂筝S側偏角之差的增加明顯大過鋼板彈簧樣車。

通過側向加速度與轉彎半徑三階擬合對比圖可以看到（圖18和圖19），兩者變化不是特別明顯。但從計算公式可知，隨著側向加速度的增加，空氣懸架樣車的轉彎半徑會比鋼板彈簧樣車大。

通過表3中計算數(shù)據(jù)可知，穩(wěn)態(tài)左轉時空氣懸架樣車計算出來的不足轉向度、車身側傾度比鋼板彈簧樣車大。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，不論是左轉還是右轉，隨著側向加速度的增加，側傾角度不斷增加，前后軸側偏角之差也不斷增加，轉彎半徑不斷減小。從計算結果可知，空氣懸架的車身傾斜度比鋼板彈簧的要大，車身側傾度、側傾角和前后軸側偏角越大，說明車輛的穩(wěn)定性越不好，很容易發(fā)生類似側滑、側翻或甩尾的情況，嚴重影響整車安全。從擬合計算數(shù)值看，也是空氣懸架樣車的不足轉向度略大于鋼板彈簧的不足轉向度。因此從采集數(shù)據(jù)分析可得，僅從懸架對操縱穩(wěn)定性的影響上看，鋼板彈簧懸架的性能要比空氣懸架性能穩(wěn)定。

4結束語

本文從測試的角度提出了穩(wěn)態(tài)回轉找圓的3種試驗方法，經(jīng)過大量的試驗驗證，確認依靠試驗設備外加駕駛員輔助找圓，是目前測量準確、精確度高、實操性強的一種方法。并且借助這種試驗方法，采集空氣懸架樣車和鋼板彈簧懸樣車的車身側傾角、前后軸側偏角、側向加速度及橫擺角速度等參數(shù)，通過對比分析和計算得出，單從操縱穩(wěn)定性的角度來看，空氣懸架的穩(wěn)定性要比鋼板彈簧懸架的穩(wěn)定性要低。

商用車多數(shù)存在自重大、軸距長、多軸距以及質心高等問題，懸架作為承載車身傳力裝置，對操縱穩(wěn)定性起著至關重要的作用。目前空氣懸架正越來越多地應用于商用車上，本文采用穩(wěn)態(tài)回轉的試驗方式，驗證了懸架型式對商用車輛操縱穩(wěn)定性的影響，對于商用車生產(chǎn)廠商合理選擇懸架類型具有重要意義。3709D8D6-3FD3-4E71-9C1C-4BD9F02A060D