乘用車操縱穩定性評價方法的研究

劉杰，萬里翔，王波（西南交通大學 機械工程學院， 成都 610031）

乘用車操縱穩定性評價方法的研究

劉杰，萬里翔，王波
（西南交通大學 機械工程學院， 成都 610031）

汽車操縱穩定性的好壞直接影響汽車駕駛的操縱方便性以及汽車高速行駛的安全性。汽車操縱穩定性評價方法制定是否合理，會對汽車生產企業的指導及汽車操縱穩定性的保證產生影響。目前，由于汽車操縱穩定性評價方法的復雜性，世界各國都未形成統一的汽車操縱穩定性評價方法。本文分析了國內外汽車操縱穩定的評價方法，提出了國內汽車操縱穩定性評價方法主要存在的問題，針對存在的相關問題，提出了乘用車操縱穩定性新的評價方法和評價指標，并根據具體車型驗證新標準的合理性。

乘用車；操縱穩定性；評價指標

1　目前國內汽車操穩性評價主要存在的問題

汽車的操縱穩定性是駕駛員在不過分緊張、疲勞的情況下，汽車能按照駕駛員意圖行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩定行駛的能力［1］。汽車的操縱穩定性能是主動安全性中不可忽視的重要部分，顯示了駕駛員控制車輛的安全與否，同時也決定著汽車高速時的主動安全［2］。

隨著全國道路狀況的改善，特別是高速公路的迅速發展，汽車行駛平均速度日益提高，有些運動型轎車的最高車速甚至超過每小時三百公里［2］。因此，汽車的操縱穩定性將更加被重視，是現代汽車重要的使用性能之一［2］。

1.1國內外汽車操縱穩定性評價方法分析

汽車操縱穩定性可分為操縱性和穩定性兩個部分，二者相互關聯，相互影響。操縱性主要是駕駛員對汽車的操縱輸入的響應效果，包括轉向回正性能、變道操縱性能、轉向操縱性能等；穩定性則表示車輛應對外界干擾，保持穩定行駛的能力，包括抵抗來自路面干擾和空氣干擾的能力。產品設計時，應使二者之間合理協調。汽車的操縱穩定性最終應通過試驗的方法來測定與評價，試驗中的性能評價包括主觀評價和客觀評價兩種方法［1］。客觀評價是通過測試儀器測出表征性能的物理量如橫擺角速度、側向加速度、側傾角及轉向力等來評價操縱穩定性的方法［1］。主觀評價就是感覺評價，其方法就是讓試驗評價人員根據試驗時自身的感覺來進行評價［1］。由于汽車操穩性受多種因素影響，其客觀評價指標并不能完整評定汽車操縱穩定性，因此主觀評價在汽車操穩性評價中仍占有重要地位［3］。國家標準（GB/T 6323-2014）《汽車操縱穩定性試驗方法》［4］規定的汽車操穩性評價方法見下圖1.1：

我國、日本、美國和國際標準化組織分別按照下表1.1的方式進行汽車操縱穩定性的客觀評價。

對比可以看出，我國、日本和國際標準化組織，都要求對車輛進行蛇形試驗，因為蛇形試驗綜合性較高，具有一定代表性和重要性，在一定程度上可以反映出汽車的側偏特性和橫擺情況。進行對比的四個國家和組織都要求進行穩態試驗，原因是穩態回轉試驗中包含對不足轉向度的測量，適度的不足轉向量有助于高速安全，但不足轉向量過大，也會帶來駕駛疲勞。觀察發現，美國和日本都很關注車輛的抗側風能力，原因可能是，兩個國家的大部分地區經常遭受臺風侵襲，因而做出這方面的考慮。

各個國家或組織的操穩性試驗項目對比見下表1.1：

1.2國家標準操穩性評價方法存在的主要問題

表1　.1 各國家或組織的操穩性試驗項目對比

1）一方面，主觀評價往往受評價者個人主觀因素的影響，不同評價者對同一產品給出的評價結果差別較大，并且也不能給出“汽車性能”與“汽車結構”之間的聯系［1］。另一方面，對于不同車型尤其在車體構造和性能等方面差別較大的車輛，現行汽車操縱穩定性國家標準的評價試驗方法和指標限值并沒有分類制定或者有任何不同之處，這顯然是不合理的。并且，近年來汽車工業技術不斷進步和發展，汽車操穩性評價方法也應按現行汽車對操縱穩定性要求而更新。

2）現行汽車行業標準（QC/T 480-1999）《汽車操縱穩定性指標限值與評價方法》［5］中規定的汽車穩態回轉性能評分計算公式如下：

其中，Nan為中性轉向點側向加速度值的評價計分值；NU為 不足轉向度的評價計分值；NKΦ為車廂側傾度的評價計分值；NW為 穩態回轉試驗的綜合評價計分值。汽車應具有適度的不足轉向特性,以保證行車安全。而標準中并未對不足轉向度的評價計分值NU有所重視，這是不合理的。

3）標準規定的車輛轉向回正性能評分計算公式如下：

其中，NΔr和N'Δr分 別為低速和高速回正性能試驗殘留橫擺角速度絕對值的評價計分值；NEr和N'Er分 別為低速和高速低速回正性能試橫擺角速度總方差評價計分值；NH為 轉向回正試驗的綜合評價計分值。顯然，汽車在高速行駛時的轉向回正性能較低速行駛時更為重要。因此，應更加注重車輛高速行駛的轉向回正性能。在現行標準中，轉向回正性能試驗在高速與低速比重均衡顯然是存在很大問題的。

4）標準規定的蛇形試驗評分計算公式如下：

其中，Nr為平均橫擺角速度峰值的評價計分值；Nθ為平均轉向盤轉角峰值的評價計分值；Ns為蛇形試驗的綜合評價計分值。即使蛇形試驗中對Nr有 所側重，筆者認為側重度也不夠。現實情況中，乘用車在行駛過程中最小轉彎半徑不超過12m，而試驗中所規定的標樁間距達30米和50米之多。顯然試驗規定的標樁間距過大，與現實不相符合，試驗得出的結果并不能充分顯示車輛的轉彎特性。

5）最大總質量小于或者等于6t的汽車，操縱穩定性的總評價值Nz按下式計算：

其中Ns為 蛇形試驗的綜合評價計分值，NJ為汽車橫擺角速度響應時間的評價計分值，NM為轉向盤轉角脈沖輸入試驗的綜合評價計分值，NH為轉向回正性能試驗綜合評價計分值，NQ為轉向輕便性綜合評價計分值，NW為 穩態回轉試驗的綜合評價計分值。

由1.4來看，現有國家標準將各個試驗的比重均分，證明該標準下各項目的重要性相當，具有一定的不合理性。

綜上所述，現行汽車操縱穩定性國家標準試驗方法和汽車行業標準中評價指標計分的權重在合理性上存在一定問題。

2　乘用車操穩性的評價方法和評價指標的改進建議

按照現行國家標準（GB/T 3730.1-2001）《汽車和掛車類型的術語和定義》可將汽車分為乘用車和商用車。但由于各類汽車自身結構形式、類型用途、使用情況、行駛路況不盡相同，所以在操穩性評價時應將上述分類加以細分。本文主要討論乘用車（包含轎車、客車和越野車）操穩性的評價方法和評價指標的改進建議。

2.1乘用車操穩性各指標相關性討論及改進建議

1）多數現代轎車的行駛路況良好，路面平整度較好，坡度及轉彎半徑都較小，因此對轎車的轉向輕便性能不應要求較高。加上現在許多轎車都裝有轉向助力裝置，裝有轉向助力的車與沒有轉向助力的車測得的轉向輕便性結果不具可比性。且輕便性試驗與轉向回正性試驗具有一定關聯性，轉向回正性試驗結果在一定程度上也反映了轉向輕便性。所以建議輕便性試驗權重可在一定程度上有所降低。

2）穩態回轉試驗中測試的不足轉向度是為了防止轉向過度造成側傾隱患，對于高速車輛來講是必備條件。但不足轉向量也不應過大，因為車輛應具有適度的不足轉向量，以防止不足轉向量過大導致駕駛員疲勞。根據上式1.1，應該適當提高乘用車高速不足轉向度U在操穩性評價中的比重。

3）轉向回正性試驗按高速回正性和低速回正性進行試驗。多數現代轎車最高車速達100km/h。客車載客量大、車身偏長的特點導致對其操穩性要求較高，在長途行駛或山路轉彎較頻繁的時候，車輛的轉向回正性能尤為重要。越野車多數時間的行駛路況復雜，路面不平坦，障礙物較多，且彎道、上下坡等較頻繁，車輛的轉彎特性中回正性也很重要。根據上式1.2，故在兩項試驗都進行時應加大上述三種車型高速回正性能試驗的比重。

4）蛇形試驗是幾個穩態響應試驗中綜合性最高的一項，側面反映轉向回正試驗、轉向輕便試驗、轉向盤角階躍、角脈沖試驗，具有一定代表性和重要性，在一定程度上可以反映出汽車的側偏特性和橫擺情況。且蛇形試驗評價與汽車安全穩定性密不可分。根據上式1.3，應在上述三種車型中大幅增加平均橫擺角速度峰值試驗值的計分權重。

2.2改進后的乘用車操穩性評價指標

需要說明的是，改進后標準中計分值比例α、β、γ、ε值應按轎車、客車和越野車各自的設計側重點來確定相應值。在這個確定過程中，應由相關專家及有經驗的不同駕乘人員經過主觀評價后給出相應值，經過大量統計數據求平均值后確定。

本文給出的值是本人對汽車操縱穩定性研究后給出的參考值。參考值如下：α1=2，α2=1；β 1=1，β2=3，β3=3；γ=2；ε=1/3。修改后的乘用車操縱穩定性評價計分權重系數如下表2.1所示。

1.2.2.4 出院指導 患者出院前,護理人員為患者進行出院事項交到,叮囑患者按時用藥,出院后定時來院復查,對兩組的治療情況進行統計對比[3]。

3　對乘用車的評價說明

本文此處僅用國內某轎車通過國標操穩性評價試驗方法的最終評分結果和通過修正后的評價體系得出的最終評分結果作對比，并且以駕駛員駕駛汽車的主觀評價作為參考，以此驗證改進后評價體系的方向正確性。以下客觀評價試驗結果來自文獻［6］。需要說明的是，試驗車輛最高車速均超過200km/h，整備質量大約為1.5t。原評價結果如表3.1所示：

表2　.1 乘用車操縱穩定性評價計分權重修改前后對比表

表3　.1 國內某品牌轎車操縱穩定性評分及評價結果（原有國家標準評價體系下）

表3　.2　國內某品牌轎車操縱穩定性評分及評價結果（改進后的評價體系下）

通過原評分體系得出的評價結果顯示，綜合評分80.35分，該品牌轎車操穩性能良好，各項試驗評分情況均處于優良水平。其中穩態回轉試驗、轉向輕便性試驗、蛇形試驗和瞬時響應試驗（轉向盤轉角脈沖輸入試驗）評價結果均為優秀，表明該轎車操縱輕便、具有良好的操穩性。但轉向盤角階躍輸入試驗得分僅為45.71分，還未達到及格水平。

主觀評價按經驗豐富的駕駛員駕駛車輛時的主觀感受來對車輛操穩性從各方面做出主觀評價。據駕駛人員敘述，該品牌車輛操縱穩定性能一般，特別是轉向回正性能在高速狀態下不夠穩定，且瞬時響應性能也只能達到一般水平。

針對駕駛員主觀評價與客觀評價結果一致性不強的情況，我們利用改進后的評價體系進行綜合評分，觀測客觀試驗結果。通過改進后的評價體系對該車輛進行的評分結果如表3.2所示。需要注意，原有國家標準評價體系下綜合評分80.35分是按照上式（1.4）計算出來的，改進后的評價體系中綜合計分73.40分是按下式計算得出的：

其他字母含義同上，計算綜合評分時為加權平均，a-f為加權系數，確定其值時應由相關專家及有經驗的不同駕乘人員經過主觀評價后給出相應值，經過大量統計數據求平均值后確定。本文給出的值依然是本人對汽車操縱穩定性研究后給出的參考值。參考值如下：a=2，b=2，c=1，d=2，e=1，f=1。

由上表的綜合評價結果顯示，綜合評分僅為73.40分，該品牌汽車綜合操縱穩定性能一般，轉向回正性試驗和瞬時響應試驗（轉向盤角階躍輸入試驗）兩個單項試驗均未達標。其中，在原試驗數據中可以看出該試驗車輛在低速狀態下回正性能良好但在高速條件下分值偏低，未能達到汽車回正性能的基本要求，然而按著原評價體系做出的評價結果為該車在轉向回正性試驗項目達標，分值達到70.04分，改進評分規則后，該項僅為58.47分，這說明按原來評價標準得到的評分結果未能真實顯示其轉向回正性能。與此情況相對，在新的評價體系下，該車輛在轉向回正性試驗這一項目中評分未達標，與駕駛員反饋的信息相符合，該車輛的轉向回正性能仍有待提高。另外，穩態回轉試驗在提高不足轉向度指標的權重之后評分值有所下降。

相比較而言，改進后的評價體系可以更好地顯示汽車操穩性各方面性能及綜合評價，改進的方向性正確。

4　結論及建議

本文通過對我國汽車操穩性評價方法和評價指標的詳細分析，就我國當前汽車操穩性評價方法出現的問題進行了探討，具體研究成果如下：

1）國家標準規定的試驗方法規程中某些限值與現實情況不相符。

當前國家標準規定的汽車操穩性評價試驗方法中，幾處條件限值或指標權重規定與現實生產生活中的情況并不相符。例如：蛇形試驗中標樁間距設定偏大；轉向回正性試驗中高、低速回正性試驗指標總比例相同，但現實情況中汽車高速時回正性能遠比低速時重要的多。

2）各評價指標權重比相同，不能區分其重要性，單項與綜合評價結果不準確。

評價車輛操穩性的6個試驗均有其所屬評價指標，總評價計分按6個試驗評分取其平均值。顯而易見，各評價指標間重要性均等，各試驗方法間亦無著重突出部分，這樣的評價體系并不能給出準確的評價結果。本文利用車輛對各個指標的權重度，進行各項加權，從而得到操縱穩定性的綜合評價體系。

3）對于不同車型、不同使用條件的車輛評判應存在差異性。

因為不同類型的汽車對各個指標的要求不一樣，而且不同的路況使用條件也對汽車的操穩性產生不同程度的影響。因此，對汽車操縱穩定性進行評價時，要充分考慮路況條件，車輛類型等。

建議增加轉彎制動試驗［7］。現實生活中的大量交通事故都是由于汽車在彎道制動時操穩性出現狀況而導致的。在這個過程中可能出現制動跑偏和后軸側滑等現象，嚴重影響車輛行駛安全性。因此要求用任何速度在彎道制動，汽車都不應喪失其操縱性和方向穩定性。

［1］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社, 2011.5：130-200.

［2］李白娜.汽車操縱穩定性的仿真分析研究［D］.華中科技大學, 2006.

［3］宗長富, 郭孔輝.汽車操縱穩定性的研究與評價［J］.汽車技術, 2000（6）：6-11.

［4］GB/T 6323-2014, 汽車操縱穩定性試驗方法［S］.北京：中國標準出版社, 2014.

［5］QC/T 480-1999,汽車操縱穩定性指標限值與評價方法［S］.北京：中國標準出版社, 1999.

［6］陳振日.對汽車操縱穩定性現行評價指標的分析與建議［J］.汽車技術, 2006, 09：5-8.

［7］房陽.汽車操縱穩定性的仿真研究［D］.遼寧工程技術大學, 2011.

專家推薦

李少華：

本文針對乘用車車型的差異性及不同工況，提出了相應的操縱穩定性新的評價方法和評價指標，在乘用車操穩設計中具有一定的參考價值。

Study On The Evaluation Methods Of Passenger Car's Handling And Stability

LIU Jie, WAN Li-xiang, WANG Bo
（ School of Mechanical Engineering ,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China ）

The performance of vehicle's handling and stability has a great influence on the car's handling convenience and safety, especially when high speed driving. It will affect the automobile manufacturing enterprise for vehicle handling and stability whether the evaluation methods are reasonable. Although the vehicle handling and stability evaluation is complicated, there have been not formed the united evaluation methods. This paper analyzes the evaluation methods of vehicle handling and stability at home and abroad. For the corresponding problems, it puts forward new evaluation methods and indicators for passenger car's handling and stability. Finally, it verifies rationality of new standard by means of concrete models.

passenger vehicle； handling and stability； evaluating indicators

U467.1

A

1005-2550（2016）03-0018-07