ISO 362-1：2007中M1類車加速方法研究

張子文，周 蘇，宋 瑞1，

（1.長安大學(xué)，西安 710064；2.中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司，廣州 511300）

2020年汽車工業(yè)藍(lán)皮書的發(fā)展報告指出，從2015年起，我國乘用車年銷量超過2 000萬輛。然而，隨著上路車輛增多而產(chǎn)生的汽車噪聲問題卻日益嚴(yán)重，在城區(qū)行駛而造成的車輛噪音對于行人以及旁邊的店鋪、居民樓、小區(qū)、學(xué)校等區(qū)域的影響尤為明顯。據(jù)調(diào)查，2020年生態(tài)環(huán)境部門接到公眾舉報44.1萬件，其中噪聲擾民問題占41.2%，而在聲源影響比例中，交通噪聲占了21.7%，通過檢測晝間道路交通噪聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)城市晝間交通噪聲等效聲級平均值高達(dá)66.6 dB（A）。

目前，我國實施的針對汽車加速行駛噪聲的測試標(biāo)準(zhǔn)GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限制及測量方法》已發(fā)布了近20年，其中的限值和方法已經(jīng)無法很好地滿足解決目前道路噪聲問題的需求。20世紀(jì)末，在歐洲各個國家的共同努力下，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)行了新的測試標(biāo)準(zhǔn)ISO 362：1998，并于2001年在歐洲經(jīng)濟(jì)委員會的會議上納入了歐洲ECE標(biāo)準(zhǔn)體系。隨后幾年持續(xù)修改完善，最終形成了目前國外采用實施的標(biāo)準(zhǔn)ISO362-1：2007以及ECE的R51。我國在2009年時也起草了參考上述國外標(biāo)準(zhǔn)的GB 1495—20XX國內(nèi)強(qiáng)制性檢驗標(biāo)準(zhǔn)，然而受各方面原因的限制，直至目前，此標(biāo)準(zhǔn)仍未正式頒布實施。盡管國內(nèi)目前對于測試新方法的需求不高，但基于道路交通噪聲污染的日益嚴(yán)重以及老舊的噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)，新方法的推行是必然趨勢。另一方面，海外市場也在我國汽車經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的地位，據(jù)調(diào)查，2020年，汽車企業(yè)的全年出口達(dá)到了99.49萬輛，其中乘用車占76.34%，同比增長4.79%。國內(nèi)車輛需要出口海外市場時，ISO以及ECE系列標(biāo)準(zhǔn)仍是認(rèn)證程序的主要測試依據(jù)。因此，掌握新的測試流程、優(yōu)化試驗方法對于標(biāo)準(zhǔn)的實施和認(rèn)證企業(yè)的工作順利開展將有與時俱進(jìn)的現(xiàn)實意義。

在ISO 362-1：2007和ECE R51發(fā)布后，國內(nèi)諸多學(xué)者發(fā)表了一些針對新標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究成果。邱彬等針對ISO 362-1：2007相對于ISO 362-1：1998的差異進(jìn)行了分析和測試結(jié)果對比；謝東明等則根據(jù)ISO 362-1：2007和ECE R51的差異進(jìn)行了發(fā)展動向分析，隨后通過測試試驗，討論了關(guān)于新標(biāo)準(zhǔn)中幾個不明確的地方，指出了擋位選擇、混合動力車輛的額定功率選定方法等關(guān)鍵點；彭偉強(qiáng)等更是進(jìn)一步基于ECE R51進(jìn)行了多工況的噪聲評價方法試驗研究，探究了ASEP評價方法對國內(nèi)汽車產(chǎn)品的影響。然而，新標(biāo)準(zhǔn)對于試驗方法中，試驗入線時預(yù)加速的起始速度和預(yù)加速距離的確定方法還未明確，這使得試驗難度和復(fù)雜程度明顯提高，雖然在文獻(xiàn)［11］中提出了根據(jù)樣車加速曲線進(jìn)行預(yù)加速參數(shù)人工提取的方法，成功提取了加速參數(shù)，但此方法需要檢驗員針對曲線進(jìn)行大量的人工操作、估算以及計算，比較復(fù)雜、不確定性高，可復(fù)現(xiàn)效率低，不利于測試的快速開展，時間和人工成本較高，對于方法的準(zhǔn)確度也并未有進(jìn)一步定量。并且基于加速測試曲線推導(dǎo)預(yù)加速參數(shù)時，由于曲線的初速度和計算得到的初速度不一致會導(dǎo)致預(yù)加速距離同時產(chǎn)生誤差，而目前并未有文獻(xiàn)考慮了預(yù)加速時初速度和距離之間的耦合關(guān)系。本文將針對M1類車輛，提出一種基于Simulink的預(yù)加速參數(shù)確定方法，通過對于車輛加速曲線的特征提取分析，建立計算模型，完成對于預(yù)加速參數(shù)的模擬計算，并通過試驗驗證了此方法的準(zhǔn)確度，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。此方法大大降低了確定預(yù)加速參數(shù)時的人工和時間成本，簡化了試驗的復(fù)雜程度，降低了企業(yè)和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)針對噪聲測試新方法的測試難度，有利于新噪聲測試實驗方法的新標(biāo)準(zhǔn)推廣，具有一定的指引價值。

1 測試的關(guān)鍵加速參數(shù)

ISO 362-1：2007中，測試分為加速通過試驗和勻速通過試驗，測試場地如圖1所示。在加速試驗中，要求車輛以一定的速度進(jìn)入’線，然后將油門達(dá)到最大開度，即加速踏板踩到盡頭，直至通過’線，且在整個行駛過程中車輛中心保持對準(zhǔn)’線，另外在通過’線時根據(jù)車型對于車速也有相應(yīng)要求。而對于M1類車輛，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)車輛參考點到達(dá)’線時，速度需為V=50±1 km/h，因此，在’線處的入線速度需要根據(jù)車輛的加速性能和加速距離進(jìn)行反推確定。而進(jìn)線速度的大小直接決定了車輛的參考點到達(dá)’線時的速度，從而對試驗結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，所以對于加速參數(shù)的確定是獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果的關(guān)鍵。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)測試場地規(guī)定

針對M1類車輛，由于車輛加速踏板踩下到汽車建立穩(wěn)定的加速度之間有一定延遲，此延遲造成了入線速度并不能單純依靠測定的加速度來進(jìn)行簡單計算得到，不考慮延遲的影響而直接選取加速度值將會無法在車輛到達(dá)’線處得到滿意的車速。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于入線的方法有兩種：一是可以在’線之前選取一定的預(yù)加速距離，通過這段距離來提供給車輛充足的加速延遲時間，但當(dāng)測試車輛為自動擋，且無法避免使用城市工況中明顯不用的擋位時，不可以使用這種方法；二是可以直接提高車輛到達(dá)參考點進(jìn)入’線時的速度，使即使存在加速延遲也能夠在到達(dá)’線時車速滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上兩種方法都需要對車輛的加速延遲特性進(jìn)行分析、總結(jié)、計算，將基于多次試驗下樣車的加速速度曲線，通過Simulink建立數(shù)學(xué)計算模型，進(jìn)而考慮預(yù)加速速度和距離參數(shù)耦合的影響，得到兩種方法的入線參數(shù)，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確度，降低了參數(shù)確定的人工計算成本和時間成本。

2 Simulink模型

在踩下汽車加速踏板，加速延遲后到加速至當(dāng)前擋位速度峰值前，存在一段穩(wěn)定加速度的加速過程，在此過程中，假設(shè)汽車做勻加速運(yùn)動，可以得到：

式中：V為通過’線時的車速，為50 km/h；V為加速度剛開始穩(wěn)定時的車速；a為車輛到達(dá)勻加速后的車輛加速度；是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的從’線到’線的距離，取值為10 m。

接下來，將分別對兩種方法進(jìn)行討論。

方法1：即在’線前預(yù)留一定加速距離進(jìn)行預(yù)加速，到達(dá)’線時獲得穩(wěn)定加速度。這種情況可以用下列計算公式表達(dá)：

式中：V為車輛參考點到達(dá)’線時的車速；為駕駛員踩下加速踏板時的車速；Δ為車輛在加速到達(dá)穩(wěn)定前車速的變化量；為駕駛員踩下加速踏板時車輛距離’線的距離；()為當(dāng)車速=時，駕駛員踩下加速踏板時到車輛加速度穩(wěn)定前的行駛距離。結(jié)合單位換算和上面的公式可得：

方法2：固定踩下踏板的位置為’線，即在’線到’線的10 m距離內(nèi)，包含了汽車駕駛員踩下加速踏板時到車輛加速度穩(wěn)定前的車輛行駛距離，可得：

通過速度、加速度以及行駛距離的關(guān)系，可以進(jìn)一步得知：

式中：為駕駛員踩下加速踏板時刻；t為到達(dá)穩(wěn)定的加速踏板時刻。

基于上述的推導(dǎo)，建立Simulink模型如圖2所示。

圖2 Simulink詳細(xì)計算模型

圖2中，黃框為inport端口，此模塊輸入車輛的加速曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和一般汽車加速的表現(xiàn)，若使汽車在’線到達(dá)50 km/h，試驗的加速曲線取起始速度為45～47 km/h之間，為計算得到在加速至50 km/h期間更準(zhǔn)確的車輛加速度峰值，加速曲線不宜太短或太長，終點視情況選取。圖3為典型的某手動擋M1型汽車加速曲線。紅框1表示由峰值加速度通過加權(quán)系數(shù)相乘得到名義穩(wěn)定加速度值，這是由于實際情況下加速度是一個浮動值，加速度峰值需要一定比例的縮小才能得到名義穩(wěn)定加速度值。本文通過穩(wěn)定段加速度求平均值的方法，對不同車型進(jìn)行了大量的實車試驗、結(jié)果比對、數(shù)據(jù)驗證，最終得出在此模型中的加權(quán)系數(shù)取值0.76，試驗使用VBOX道路測試系統(tǒng)進(jìn)行，速度精度為±0.1 km/h。圖4為設(shè)備及試驗照片。

圖3 某車型典型加速速度-時間曲線

圖4 設(shè)備安裝及加速試驗

同樣地，在紅框2中，通過條件模塊對速度曲線的加速延遲段和穩(wěn)定加速段進(jìn)行了分離，取最低穩(wěn)定加速度閾值為0.5 m/s；藍(lán)框1和藍(lán)框2則是考慮了計算得到的預(yù)加速距離和預(yù)加速速度之間的耦合關(guān)系，對前者在方法1和方法2中都進(jìn)行了修正，修正公式如下：

式中：為加速試驗曲線的初始速度。綠框1中，包含了兩個輸出結(jié)果，分別是方法1中的預(yù)加速所采用的起始速度和預(yù)加速時車輛距離’線的距離()，而綠框2由于是固定參考點到達(dá)’線的加速方法，所以只輸出一個起始速度結(jié)果。將計算過程封裝成子系統(tǒng)后整個模型如圖5所示。

圖5 預(yù)加速方法整體封裝模型

3 模型驗證和分析

本文模型針對M1類型汽車，為驗證并分析模型精度，使用10臺不完全生產(chǎn)自同一生產(chǎn)商且型號不同的樣車，進(jìn)行模擬ISO 362-1：2007中的車輛入線及通過’點的加速行駛車外噪聲試驗。由于需要得到樣車在固定位置的速度，本文使用針對新方法的imc噪聲測試系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過將光觸發(fā)器放置在位于車輛底部的車輛參考點處，光觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號至數(shù)采主機(jī)，同時在’線和’線地面處固定光反射器，從而能夠?qū)④囕v通過特定位置的時刻記錄下來并與數(shù)采主機(jī)的采集時間同步，結(jié)合采集到的車速，即可得到入線速度V以及通過速度V。加速驗證試驗方法如圖6所示。

圖6 加速驗證試驗方法

具體的模型驗證和結(jié)果分析流程如圖7所示。第1步，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇合適的試驗擋位，對于手動擋樣車一般為3擋或4擋；第2步則通過加速試驗得到樣車的加速曲線，從而得到導(dǎo)入至Simulink模型中的速度時間矩陣；第3步為判斷此樣車是否可以進(jìn)行方法1的試驗，取決于樣車是否為自動擋汽車，且在試驗時無法避免使用城市工況中明顯不用的擋位；第4步為模型根據(jù)輸入的數(shù)組進(jìn)行計算得到兩種方法下的加速參數(shù)與()；第5步為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定場地中進(jìn)行試驗，采集車輛的入線速度V以及通過速度V；最后則對所有樣車的結(jié)果結(jié)合模型計算的加速參數(shù)進(jìn)行分析驗證。

圖7 模型驗證流程

通過對比模型的模擬結(jié)果和10臺樣車的實際試驗結(jié)果，得到表1。由表可知，10次試驗里，共有8次試驗的V值符合標(biāo)準(zhǔn)±1km/h的要求，2次不符合，其中一次為方法1的情況下偏低，一次為方法2的情況下偏高，整體符合率為80%。誤差最低為0.2%，最高為2.6%，誤差在1%以下的試驗數(shù)量占比為50%。通過進(jìn)一步統(tǒng)計誤差值，結(jié)合平均值和均方差公式進(jìn)行計算，可得誤差值的平均值，即模型的平均準(zhǔn)確度，為0.612 km/h，不大于1 km/h，均方差為0.418。

表1 噪聲加速驗證試驗數(shù)據(jù)

通過對2次不符合試驗的分析，發(fā)現(xiàn)模型不適用的原因為加速度加權(quán)參數(shù)的取值偏高或偏低了，由于該參數(shù)在模型中為基于加速曲線的特征參數(shù)，因此在本文中通過大量試驗修正取為定值只能概括性描述大部分車輛，不一定適用所有車型，相信后期通過進(jìn)一步的研究，可以針對此參數(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化或不同車輛針對該參數(shù)值單獨取值，從而得到更加可靠的模型，但此方法依舊具有高便利性、高效率以及對大部分車輛的高準(zhǔn)確度。值得注意的是，在實際試驗中，初始速度的精確度直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，駕駛員是否擁有穩(wěn)定的駕駛技術(shù)對于試驗的重復(fù)性和可信度是十分重要的。

4 結(jié)論

本文以ISO 362-1：2007中對汽車的加速行駛車外噪聲測試要求為出發(fā)點，針對M1類型汽車提出了一種加速參數(shù)確定的方法。該方法基于Simulink建立數(shù)學(xué)計算模型，可以依靠試驗車輛的加速曲線進(jìn)行預(yù)加速距離和預(yù)加速速度的模擬，模型的準(zhǔn)確度經(jīng)過試驗的驗證，符合率為80%，平均準(zhǔn)確度為0.612 km/h，最低誤差可達(dá)到0.2%。

通過實車試驗驗證可以得出，該模型能較高準(zhǔn)確度地預(yù)測大部分M1類汽車的預(yù)加速距離和加速起始速度，從而使試驗達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時降低了測試的難度和復(fù)雜程度，較大程度地節(jié)省了人力和時間成本，對于執(zhí)行測試方具有一定的實用價值和參考意義。