一種汽車加速性能數(shù)據(jù)處理方法

摘要：鑒于加速度傳感器和GPS直接測得的加速度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的問題，運(yùn)用多項(xiàng)式擬合方式，將速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求導(dǎo)，進(jìn)而得到整車的加速外特性曲線，并對(duì)整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)界面化處理程序，處理結(jié)果對(duì)動(dòng)力性仿真分析、擋位分配、競品分析和實(shí)現(xiàn)最大加速能力時(shí)換擋點(diǎn)的選擇具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：整車加速度特性曲線；多項(xiàng)式擬合；界面處理

中圖分類號(hào)：U469" 收稿日期：2023-10-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.027

1 前言

汽車的動(dòng)力性指標(biāo)主要由最高車速、加速能力和最大爬坡度來表示[1]，是汽車使用性能中最基本和最重要的性能。在我國，動(dòng)力性指標(biāo)中的加速能力是汽車制造廠根據(jù)國家規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]，通過樣車進(jìn)行測試得出來的。根據(jù)現(xiàn)有方法，主要測試內(nèi)容為全油門起步加速性能試驗(yàn)、全油門超越加速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)是加速時(shí)間。

a.現(xiàn)有方法得到的加速時(shí)間，不能精確地表征加速過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，無法得知各擋位齒比設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，不利于深入解析動(dòng)力性情況；b.加速時(shí)間與駕駛員操作的熟練程度有關(guān)，因人而異，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果具有一定的分散性；c.擋位數(shù)較多（特別是不帶同步器）的商用車，加速試驗(yàn)時(shí)換擋占用的時(shí)間較長、誤差大，因此僅通過加速時(shí)間無法精確評(píng)估車輛動(dòng)力性的好壞；d.根據(jù)傳感器直接測速度數(shù)據(jù)或者加速度數(shù)據(jù)，由于采集到的信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)，并且具有波動(dòng)性，直接對(duì)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理和加速度數(shù)據(jù)直接提取，不能平穩(wěn)的反映加速能力的變化。

本文是對(duì)國標(biāo)加速能力測試方法的一個(gè)補(bǔ)充，利用GPS采集得到的車輛實(shí)際速度，對(duì)時(shí)間-速度曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合、求導(dǎo)，得出整車加速度數(shù)據(jù)，能夠清晰地展現(xiàn)不同擋位下加速能力隨時(shí)間、車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，找出不同擋位下最佳的換擋轉(zhuǎn)速，同時(shí)對(duì)整車外特性仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提高仿真計(jì)算精度，優(yōu)化車輛開發(fā)階段的整車動(dòng)力性分配。

2 車輛加速試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，首先確定氣象條件、道路條件、燃料及潤滑油、車輛準(zhǔn)備和車輛預(yù)熱等試驗(yàn)條件應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)條件允許的條件下，進(jìn)行測試儀器的安裝，由OBD接口獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過GPS記錄試驗(yàn)過程中車速隨時(shí)間變化的信號(hào)。根據(jù)車輛變速器類型，分別進(jìn)行以下試驗(yàn)過程。

2.1.1 手動(dòng)變速器

車輛啟動(dòng)，將變速器置于1擋，松開油門，使車輛處于該擋位的最低穩(wěn)定車速行駛，迅速踩下油門踏板至最大位置，待車速不再上升截止，此時(shí)車輛處于該擋位的最高車速，記錄此過程中時(shí)間、車速、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；車輛所有擋位，均重復(fù)上述過程，記錄所有擋位下的時(shí)間、速度、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

2.1.2 自動(dòng)變速器

車輛靜止、將變速器置于“D”擋（若有模式區(qū)分則選擇運(yùn)動(dòng)模式），車輪在最低穩(wěn)定車速的情況下使車輛起步并迅速踩下油門踏板至最大位置，直至車輛達(dá)到最高車速，記錄車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中，測試應(yīng)往返進(jìn)行，每個(gè)方向至少進(jìn)行三次測試。并且在試驗(yàn)過程中要關(guān)閉車輛所有電器和車窗，以減小其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 數(shù)據(jù)處理方式的選擇

從數(shù)采設(shè)備中導(dǎo)出某一擋位的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即加速踏板位置從初始位置迅速踩至最大位置后，車速逐漸增加的數(shù)據(jù)段，包括時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速，如圖1所示。

2.2.1 對(duì)速度微分處理

提取測試過程中的原始車速、時(shí)間數(shù)據(jù)，如圖1藍(lán)色曲線，對(duì)其直接進(jìn)行微分處理，按照不同頻率（即不同時(shí)間間隔）進(jìn)行取點(diǎn)，然后按照下式計(jì)算出加速度：

[ai=vi+1-vi3.6+Δt]" " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，ai為第i點(diǎn)時(shí)加速度，m/s2；vi為第i點(diǎn)時(shí)速度，km/h；vi+1為第i+1點(diǎn)速度，km/h；[Δ]t數(shù)據(jù)點(diǎn)間隔時(shí)間，s。

分別按照不同的頻率進(jìn)行計(jì)算（100 Hz、10 Hz、10 Hz），即接0.01 s、0.1 s、1 s進(jìn)行取點(diǎn)計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：按照100 Hz和10 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，加速度數(shù)據(jù)程發(fā)散狀態(tài)，不能表征車輛加速過程的加速度變化趨勢；按照1 Hz進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可以大致展示加速度變化過程，但是由于采樣頻率太低，數(shù)據(jù)則不夠精確。

2.2.2 直接讀取加速度

在試驗(yàn)過程中，車上同時(shí)安裝加速度傳感器，數(shù)采中直接讀出的加速度數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)具有較大的波動(dòng)性，即使添加趨勢線也不能準(zhǔn)確地表示出某一速度或某一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的加速度數(shù)值和整體加速度的變化趨勢。

2.2.3 多項(xiàng)式擬合法

由于上述方法的局限性，本節(jié)采取多項(xiàng)式擬合的方法，提取其中的車速數(shù)據(jù)，對(duì)車速數(shù)據(jù)先進(jìn)行擬合，并檢查擬合結(jié)果，不斷改變擬合項(xiàng)數(shù)，直至擬合的車速數(shù)據(jù)和原車速數(shù)據(jù)完全重合，并記錄擬合曲線方程，如圖4所示。從圖中可以看出，在擬合項(xiàng)為6時(shí)，擬合的曲線已經(jīng)達(dá)到和原始數(shù)據(jù)很好的重合。

記錄下多項(xiàng)式為6時(shí)的擬合曲線函數(shù)，對(duì)擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，可得到該擋位在最大油門開度狀態(tài)下加速過程中的實(shí)時(shí)加速度，同時(shí)可得出加速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖形（圖5a）。從圖中可以看出，該樣車在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200～1 800 r/min時(shí)，車輛加速度達(dá)到較高狀態(tài)，這與發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線（圖5b）基本一致。

以車速為橫坐標(biāo)生成加速度曲線（圖6a），與通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線理論計(jì)算得出圖形（圖6b）進(jìn)行對(duì)比，可以看出除2擋外，其他擋位與理論計(jì)算值的車速及加速度基本重合。通過了解，2擋加速度存在區(qū)別的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了低檔位的扭矩限制，理論計(jì)算時(shí)候未進(jìn)行降扭計(jì)算。

在與仿真計(jì)算的汽車行駛加速度曲線結(jié)果對(duì)比時(shí)，可知低擋位時(shí)理論計(jì)算的加速度值偏大，高擋位時(shí)理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值基本相當(dāng)，據(jù)此可對(duì)汽車動(dòng)力性仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，提高計(jì)算精度。對(duì)曲線進(jìn)一步處理，可得到相鄰擋位的加速度重合點(diǎn)，如圖6a所示，A1、A2、A3、A4、A5分別表示二擋與三擋、三擋與四擋、四擋與五擋、五擋與六擋、六擋與七擋的加速度重合點(diǎn)。根據(jù)加速度重合點(diǎn)，可以確定換擋時(shí)相對(duì)應(yīng)的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠保證車輛在加速過程中始終保持在最大加速能力。

2.3 界面化程序處理的實(shí)現(xiàn)

為了能夠快速地處理上述數(shù)據(jù)，并且試驗(yàn)過程中，有時(shí)要與競品車輛進(jìn)行加速能力對(duì)比，因此運(yùn)用編程軟件，對(duì)上述數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行程序化處理，并生成處理界面，如圖7、圖8所示。此界面主要功能有數(shù)據(jù)輸入、車型號(hào)輸入、多項(xiàng)式擬合、擬合結(jié)果檢查、求導(dǎo)以及兩種車輛數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比和圖片數(shù)據(jù)輸出等功能。本界面的主要操作過程如下所示：

a.在使用之前，首先把數(shù)據(jù)保存到Excel表中，并保存為CSV格式，數(shù)據(jù)依次為時(shí)間、車速以及轉(zhuǎn)速。接著選擇車輛類型，有兩種車輛類型可供選擇，本公司車輛和競品車輛，車輛類型選擇完成后，單擊文件選項(xiàng)，選擇打開CSV文件，導(dǎo)入時(shí)間、車速、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，車速的單位是km/h，輸入后，自動(dòng)更改為m/s。

b.數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)，彈出數(shù)據(jù)處理界面，如圖8所示。首先輸入車型號(hào)，再選擇車輛類型數(shù)據(jù)，競品數(shù)據(jù)或本公司數(shù)據(jù)。

c.選擇數(shù)據(jù)顯示的橫縱坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)均有時(shí)間、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三個(gè)選擇項(xiàng)。選擇需要的橫縱坐標(biāo)后，會(huì)在“圖1-輸入數(shù)據(jù)”中顯示對(duì)應(yīng)的曲線，再點(diǎn)擊多項(xiàng)式擬合選擇，選擇擬合項(xiàng)數(shù)，一般擬合項(xiàng)數(shù)5、6就滿足擬合要求。點(diǎn)擊擬合按鈕，擬合曲線在“圖2-擬合數(shù)據(jù)”中顯示。

d.對(duì)比擬合結(jié)果，在“圖3-擬合結(jié)果查看”中，選擇想要查看的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊對(duì)比按鈕，就顯示出原始數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)，用于比較擬合結(jié)果是否達(dá)到要求。

e.擬合結(jié)果達(dá)到要求后，在數(shù)據(jù)求導(dǎo)后橫坐標(biāo)選擇中，選擇時(shí)間選項(xiàng)，點(diǎn)擊確定按鈕，就可將加速度數(shù)據(jù)計(jì)算出并顯示在“圖4-加速度數(shù)據(jù)”中，完成后，可分別選擇車速、轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)查看加速度變化趨勢。

f.將本公司產(chǎn)品數(shù)據(jù)和競品數(shù)據(jù)分別處理完成后，點(diǎn)擊“是否作比較”選擇按鈕，可進(jìn)行與競品（或其他車輛）進(jìn)行加速度大小對(duì)比，在本例的分析對(duì)比中，可明顯地看出兩種車輛的加速能力大小隨時(shí)間、車速以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況，可以看出加速前期，T17A的加速能力較強(qiáng)，轉(zhuǎn)速較大時(shí)兩輛車的加速能力基本相當(dāng)。

g.數(shù)據(jù)處理完成后，點(diǎn)擊圖片保存和數(shù)據(jù)保存選項(xiàng)，選擇所需要保存的圖片和數(shù)據(jù)，用于后續(xù)討論和分析，如圖9所示。導(dǎo)出成功后，會(huì)彈出“導(dǎo)出完成”對(duì)話框。

3 結(jié)語

鑒于加速度傳感器和GPS直接測得的加速度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，直接進(jìn)行比較或求導(dǎo)處理不能看出顯著結(jié)果，本文運(yùn)用多項(xiàng)式擬合方式，將速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求導(dǎo)，進(jìn)而得到整車的加速外特性曲線，并進(jìn)行界面化處理程序，主要可實(shí)現(xiàn)下列功能：

a.與動(dòng)力性仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化仿真模型，提高仿真精度。

b.根據(jù)測試結(jié)果中的加速能力，合理分配擋位轉(zhuǎn)速比。

c.在車速加速度曲線中，能夠清晰的找出換擋點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)最大加速能力試驗(yàn)提供參考。

d.與其他同類型車輛的加速能力進(jìn)行對(duì)比，為動(dòng)力性目標(biāo)的制定提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

李安民，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚨缆沸阅茉囼?yàn)技術(shù)、車輛路譜數(shù)據(jù)處理。