兩種汽車動(dòng)態(tài)特性測量方法比較

張崇波 Zhang Chongbo

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兩種汽車動(dòng)態(tài)特性測量方法比較

張崇波 Zhang Chongbo

（北京汽車研究所有限公司，北京 100079）

汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)和汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)是汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的一部分，通常以汽車橫擺角速度頻率特性來表征汽車的動(dòng)態(tài)特性；因此頻率特性的測量成為汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)重要的項(xiàng)目之一。對同一車輛分別進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)，并對這兩種測量汽車動(dòng)態(tài)特性的方法進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入方法測得的車輛動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。因此，在具備試驗(yàn)條件的情況下應(yīng)優(yōu)先選用此方法，以獲得更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

脈沖輸入；隨機(jī)輸入；動(dòng)態(tài)特性；幅頻特性；相頻特性

0 引 言

道路車輛的動(dòng)態(tài)特性對車輛的行駛安全至關(guān)重要，對于動(dòng)態(tài)車輛，一般利用其橫向瞬態(tài)響應(yīng)開環(huán)或閉環(huán)試驗(yàn)來對車輛的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究。在汽車操縱穩(wěn)定性中，常以汽車橫擺角速度的頻率響應(yīng)特性表征汽車的動(dòng)態(tài)特性[1]。

國內(nèi)通常以GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》中提供的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)方法來評價(jià)汽車的動(dòng)態(tài)特性，隨著試驗(yàn)設(shè)備的不斷發(fā)展進(jìn)步，以及國內(nèi)汽車工業(yè)的國際化發(fā)展要求，許多廠商引入了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7401—2011 Road vehicles—Lateral transient response test methods— Open-loop test methods中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)來對汽車的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行更詳細(xì)的評價(jià)，文中就這兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行比較分析，來討論兩種方法在汽車動(dòng)態(tài)特性測量中的異同。

1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)的車輛先按照規(guī)定的車速直線行駛，使其橫擺角速度在(0±0.5)°/s范圍內(nèi)，然后給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)如圖1所示的三角脈沖輸入，使車輛在接下來的行駛中產(chǎn)生最大為 4 m/s2的側(cè)向加速度，直到車輛恢復(fù)穩(wěn)定直線行駛狀態(tài)，這個(gè)過程中保持加速踏板位置不變，記錄整個(gè)過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和汽車橫擺角速度響應(yīng)過程[2]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

某型電動(dòng)車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)的輸入和輸出時(shí)間歷程曲線如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，車速由加速踏板機(jī)器人控制，轉(zhuǎn)向盤脈沖輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機(jī)器人來控制輸入，相比較人工輸入，轉(zhuǎn)向盤機(jī)器人能產(chǎn)生更符合數(shù)據(jù)要求的三角脈沖輸入，能夠避免人工輸入的較大誤差，對提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度有很大幫助。

為獲取車輛橫擺角速度的頻率響應(yīng)結(jié)果，對車輛在時(shí)域內(nèi)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和橫擺角速度輸出進(jìn)行傅里葉分析。此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為5.03 s，采樣頻率為100 Hz，共503組數(shù)據(jù)，由于利用Excel進(jìn)行快速傅里葉分析時(shí)數(shù)據(jù)量必須為2N個(gè)；因此，采用數(shù)據(jù)補(bǔ)零的方法將數(shù)據(jù)補(bǔ)充至512組然后進(jìn)行處理，結(jié)果如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果見表1，車輛的諧振頻率為1.17 Hz，頻率為1 Hz時(shí)的相位滯后角為28.2°。研究表明，車輛的諧振頻率越高，駕駛員的駕駛感受越好，操縱穩(wěn)定性越好；諧振峰水平越低，車輛操縱穩(wěn)定性越好，頻率為1 Hz時(shí)的相位滯后角用來評價(jià)轉(zhuǎn)向盤輸入的響應(yīng)時(shí)間快慢，數(shù)值越小說明響應(yīng)越快，車輛性能越好。

表1 結(jié)果分析

參 數(shù)數(shù)值 諧振頻率/Hz 1.17 相位滯后角/(°)28.2 諧振峰水平D/dB 2.94

2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)也被稱為掃頻試驗(yàn)。試驗(yàn)要求車輛以規(guī)定的速度直線行駛，然后對轉(zhuǎn)向盤輸入連續(xù)的正弦激勵(lì)，輸入的頻率需要至少覆蓋0.2～2 Hz的頻率范圍，在輸入過程中不能使用機(jī)械限位同時(shí)要保證輸入的連續(xù)性以提高信噪比。為保證足夠的高頻內(nèi)容，輸入應(yīng)當(dāng)具有足夠的能量[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

同一車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)輸入和輸出的時(shí)間歷程曲線如圖4所示，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，試驗(yàn)過程車速控制由加速踏板機(jī)器人完成，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機(jī)器人完成。由于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機(jī)器人控制精度高，輸入準(zhǔn)確，能夠保證近似正弦輸入，縮短試驗(yàn)時(shí)間的同時(shí)也能保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

同樣利用Excel數(shù)據(jù)分析工具中的傅里葉分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理方法與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入處理方法相同，區(qū)別在于增加對車輛側(cè)向加速度的處理，處理結(jié)果如圖5所示。

2.3 結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，幅頻曲線在頻率為0處有一個(gè)較大的值，這是由原始數(shù)據(jù)中的近似直流分量導(dǎo)致的，快速傅里葉分析對直流分量的處理是將值累加到0頻上；因此，頻率為0的點(diǎn)存在較大誤差，不具有參考意義。由試驗(yàn)結(jié)果可知，車輛的諧振頻率為1.46 Hz，特征頻率為1 Hz時(shí)的相位滯后角為25.9°。

3 方法比較

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)作為評價(jià)車輛動(dòng)態(tài)性能的方法，在試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理上都有相似之處，都是通過對車輛的橫向響應(yīng)過程進(jìn)行分析，得到車輛橫擺角速度的頻率響應(yīng)特性，從而對車輛的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評價(jià)。兩種方法的主要區(qū)別在于對轉(zhuǎn)向盤施加的激勵(lì)不同，從試驗(yàn)的要求來看，由于轉(zhuǎn)向盤隨機(jī)輸入試驗(yàn)對控制精度要求較高，在沒有硬件條件輔助的情況下由人工手動(dòng)控制輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)角脈沖試驗(yàn)也能夠獲得頻率響應(yīng)曲線。對兩種試驗(yàn)方法的結(jié)果分析可知，轉(zhuǎn)向盤隨機(jī)輸入試驗(yàn)的結(jié)果優(yōu)于轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)結(jié)果，這是由于進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)時(shí)，只進(jìn)行1次三角脈沖輸入，輸入的能量不持續(xù)且不足，同時(shí)，由于車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輸入結(jié)束后保持零位對于車輛橫向振動(dòng)的影響，以及車輛懸架柔性結(jié)構(gòu)對車輛擺振的過濾作用，車輛在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)停止橫向擺振；因此，橫擺角速度的響應(yīng)不能覆蓋足夠的頻率范圍，尤其是較高頻率下的響應(yīng)。通過轉(zhuǎn)向盤隨機(jī)輸入試驗(yàn)，能夠保證輸入的連續(xù)性和足夠的能量，同時(shí)能夠覆蓋足夠大頻率范圍的內(nèi)容，從而獲得各個(gè)頻率下的車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)，大大提高測量車輛諧振頻率的準(zhǔn)確度。因此，要獲取精確的車輛橫擺角速度頻率特性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

闡述了兩種不同的汽車動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法，對試驗(yàn)方法和結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，這兩種方法都能應(yīng)用于車輛動(dòng)態(tài)特性測量，可以根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康暮途纫螅C合各方面因素選擇其中的一種來進(jìn)行試驗(yàn)；兩種方法都能夠獲得比較系統(tǒng)全面的試驗(yàn)結(jié)果，對汽車動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行綜合評價(jià)；在試驗(yàn)條件具備的情況下，優(yōu)先選用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機(jī)輸入試驗(yàn)?zāi)軌颢@取更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

[1]余志生. 汽車?yán)碚?第5版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：159-162.

[2]汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法：GB/T 6323-2014[S].

[3]Road vehicles—Lateral transient response test methods—Open- loop test methods: ISO 7401-2011 [S].

2016-11-29

1002-4581（2017）02-0032-03

U463.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.008