乘用車轉(zhuǎn)向感覺客觀測量方法研究

王長青 費(fèi)員軍 馮天驥

摘 要：針對目前國內(nèi)汽車公司所采用的操縱穩(wěn)定性客觀評價方法現(xiàn)狀，結(jié)合主觀評價體系，提出了一套針對轉(zhuǎn)向感覺評價的客觀試驗方法，設(shè)計了試驗工況和相關(guān)評價指標(biāo)。通過實車試驗，對試驗結(jié)果的對比分析，該試驗?zāi)軌蛴行У貙Σ煌囆椭g轉(zhuǎn)向感覺差異進(jìn)行描述，填補(bǔ)了現(xiàn)行客觀評價體系對轉(zhuǎn)向感覺評價方面的空白，為車輛底盤性能開發(fā)提供一種新的試驗方法。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向感覺；客觀評價；操縱穩(wěn)定性

中圖分類號：U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0121-04

Abstract： In view of the present situation of the objective evaluation methods for handling and stability adopted by domestic automobile companies， based on the subjective evaluation system， this paper puts forward a set of objective test methods for the evaluation of steering sensation， and designs the test conditions and relevant evaluation indexes. Through the actual vehicle test and the comparative analysis of the test results， the test can effectively describe the difference of steering sensation among different models， and fill in the blank in the evaluation of steering sensation in the current objective evaluation system， and it provides a new test method for the development of vehicle chassis performance.

Keywords： steering sensation； objective evaluation； handling stability

前言

汽車操縱穩(wěn)定性是底盤性能的重要組成部分，對操縱穩(wěn)定性的評價一般分為主觀評價和客觀評價[1]。由于客觀評價尚不能全面地反映車輛的操穩(wěn)性能，目前在底盤開發(fā)流程中，以車輛操穩(wěn)性能的主觀評價作為最終的評價手段，以主觀評價結(jié)果達(dá)標(biāo)作為底盤開發(fā)項目的驗收標(biāo)準(zhǔn)[2]。但目前國內(nèi)主觀評價能力欠缺，大多要依靠國外的技術(shù)力量來完成，且評價結(jié)果受評價人員的能力、心情、外界環(huán)境等因素影響，一致性和準(zhǔn)確性很難保證。

通過虛擬樣機(jī)技術(shù)能對客觀試驗進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真，但客觀評價體系的不完備，限制了虛擬仿真技術(shù)在底盤開發(fā)過程中的應(yīng)用。因此完善現(xiàn)行客觀評價體系，一方面減少對主觀評價的依賴，另一方面充分發(fā)揮虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用，對提升我國汽車自主開發(fā)能力有著至關(guān)重要的作用。

本文通過調(diào)研國內(nèi)外各大汽車公司的主觀評價體系[3，4，5]，發(fā)現(xiàn)對于操縱穩(wěn)定性的主觀評價大致可分為“一般工況下的轉(zhuǎn)向操縱性”和“極限工況下的操縱穩(wěn)定性”。“極限工況下操縱穩(wěn)定性”保證極限工況下的行車安全性，“一般工況下的轉(zhuǎn)向操縱性”保證了普通消費(fèi)者大多情況下的駕駛感受。

目前，國內(nèi)汽車公司客觀評價體系大多采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)。綜合對比主觀評價與客觀評價體系發(fā)現(xiàn)，客觀評價體系對于不同車速下轉(zhuǎn)向感覺的描述是欠缺的，如不同車速下的轉(zhuǎn)向作用力水平、轉(zhuǎn)向力隨車速增長的線性度，轉(zhuǎn)向靈敏度等特性。而這部分特性是主觀評價中“一般工況下轉(zhuǎn)向操縱性”的重要評價內(nèi)容。為完善操縱穩(wěn)定性客觀評價體系，本文提出一種轉(zhuǎn)向感覺客觀試驗方法，結(jié)合合適數(shù)據(jù)處理方法，為操穩(wěn)性能開發(fā)和目標(biāo)設(shè)定提供一種有效的方法。

1 轉(zhuǎn)向感覺客觀測量方法

1.1 測量變量

試驗過程中通過合適的傳感器測量以下變量：

（1）方向盤轉(zhuǎn)角

（2）方向盤力矩

（3）汽車前進(jìn)車速

（4）側(cè)向加速度

1.2 試驗方法

（1）試驗開始前車輛以30km/h勻速直線行駛，并開始記錄數(shù)據(jù)。

（2）緩慢均勻地增加方向盤轉(zhuǎn)角，保持側(cè)向加速度增長速率不超過0.05m/s2/s，直至側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2，停止記錄數(shù)據(jù)，記錄過程中保持車速不變。

（3）試驗按照向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)兩個方向進(jìn)行。

（4）車輛再分別以60、90、120km/h的行駛車速重復(fù)以上試驗過程，最大側(cè)向加速度要求達(dá)到6.5m/s2。

為測量不同車速下的轉(zhuǎn)向力感，本試驗選取了30、60、90、120km/h四種車速進(jìn)行試驗。考慮低速30km/h行駛狀態(tài)下，一般行駛工況所達(dá)到的側(cè)向加速度較低，故試驗要求側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2，其他車速工況側(cè)向加速度要求到達(dá)6.5m/s2。

2 主要指標(biāo)定義和數(shù)據(jù)處理

綜合考慮主觀評價內(nèi)容，結(jié)合本試驗工況特點，選取以下指標(biāo)，如表1所示，來表征轉(zhuǎn)向感覺特性。

2.1 線性區(qū)力矩梯度

2.1.1 定義

線性區(qū)力矩梯度是指在連續(xù)轉(zhuǎn)向過程中，方向盤力矩隨側(cè)向加速度增長的速率。方向盤在非中心區(qū)域轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向力矩應(yīng)隨側(cè)向加速度的增大而增大。駕駛員可通過方向盤力矩變化感受車輛的運(yùn)動狀態(tài)，轉(zhuǎn)向力矩增長速率過快，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向力過大，影響轉(zhuǎn)向的輕便性，轉(zhuǎn)向力矩增長速率過慢，會導(dǎo)致駕駛安全感降低。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

對試驗過程中采集的方向盤力矩和側(cè)向加速度信號進(jìn)行3Hz低通濾波處理，繪制方向盤力矩與側(cè)向加速度關(guān)系曲線。在試驗車速為60、90、120km/h的轉(zhuǎn)向感覺試驗中，對圖1曲線在側(cè)向加速度為2～4m/s2的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為線性區(qū)力矩梯度。

在車速為30km/h的轉(zhuǎn)向感覺試驗中，考慮該工況下側(cè)向加速度較小，對上述曲線在側(cè)向加速度為1～3m/s2的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為線性區(qū)力矩梯度。

2.2 3m/s2時方向盤力矩

2.2.1 定義

“轉(zhuǎn)向作用力水平”是“轉(zhuǎn)向的操縱性”中重要的評價內(nèi)容。車輛在低速行駛時，應(yīng)有較好的轉(zhuǎn)向輕便性；隨著車速的提高，轉(zhuǎn)向作用力應(yīng)逐漸增大，保證高速行駛的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)向感覺試驗中，方向盤作用力隨側(cè)向加速度的增大而增大，本文選取“3m/s2時方向盤力矩”來表征某一特定車速下方向盤力矩水平，結(jié)合評價指標(biāo)“線性區(qū)力矩梯度”可對該車速下的線性區(qū)內(nèi)的作用力水平進(jìn)行評估。另外，通過比較不同車速下的“3m/s2時方向盤力矩”可以看出轉(zhuǎn)向盤作用力隨車速的變化趨勢是否滿足主觀的設(shè)計要求。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

在圖1方向盤力矩和側(cè)向加速度關(guān)系曲線中，在側(cè)向加速度0.05m/s2以上的范圍內(nèi)對曲線進(jìn)行3次多項式擬合，在擬合曲線中計算得到側(cè)向加速度為3m/s2時方向盤力矩的大小。

2.3 方向盤力矩線性度指數(shù)

2.3.1 定義

在操縱穩(wěn)定性主觀評價中，要求轉(zhuǎn)向力應(yīng)隨方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度的增長呈線性增長的趨勢，轉(zhuǎn)向過程中不應(yīng)出現(xiàn)力矩的突變。方向盤力矩的線性度越好，駕駛員對車輛行駛狀態(tài)的預(yù)見性越好，駕駛員可通過方向盤反饋的力矩變化感知車輛側(cè)向加速度的變化，可提升駕駛員的主觀駕駛安全感。如圖1所示，在中心區(qū)范圍內(nèi)（通常側(cè)向加速度小于1m/s2），由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦、轉(zhuǎn)向間隙及懸架襯套等非線性因素，導(dǎo)致方向盤力矩和側(cè)向加速度之間表現(xiàn)出非線性關(guān)系；在非線性區(qū)（通常側(cè)向加速度大于5m/s2），由于輪胎特性等非線性因素導(dǎo)致方向盤力矩和側(cè)向加速度之間也會表現(xiàn)出非線性關(guān)系；但在線性區(qū)范圍內(nèi)，期望方向盤力矩能和側(cè)向加速度保持線性增長。本文通過計算線性區(qū)“方向盤力矩線性度”來表征方向盤力矩和側(cè)向加速度之間的線性關(guān)系。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

相關(guān)系數(shù)[6]又稱皮（爾生）氏積矩相關(guān)系數(shù)，是一個描述兩個現(xiàn)象之間密切程度的統(tǒng)計分析指標(biāo)。本文通過計算線性區(qū)范圍內(nèi)方向盤力矩和側(cè)向加速度之間的相關(guān)系數(shù)R，來考察方向盤力矩的線性度。

對試驗過程中采集的方向盤力矩和側(cè)向加速度信號進(jìn)行3Hz低通濾波處理，截取側(cè)向加速度在1～5m/s2（車速30km/h工況，截取側(cè)向加速度在1～3m/s2）范圍內(nèi)的試驗數(shù)據(jù)，并計算方向盤力矩和側(cè)向加速度的相關(guān)系數(shù)。

相關(guān)系數(shù)R的計算方法如式（1）所示，R值的范圍在-1和+1之間。

方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度之間的相關(guān)系數(shù)的絕對值越接近1，兩者之間的相關(guān)性越高，也意味著兩者之間的線性度越高。

2.4 轉(zhuǎn)向靈敏度

2.4.1 定義

轉(zhuǎn)向靈敏度是指車輛的響應(yīng)與方向盤轉(zhuǎn)角輸入之間的對應(yīng)關(guān)系。相同的方向盤轉(zhuǎn)角輸入下，轉(zhuǎn)向靈敏度過大，車輛的響應(yīng)會超出駕駛員的預(yù)期，降低駕駛安全感；轉(zhuǎn)向靈敏度過小，車輛的響應(yīng)未達(dá)到駕駛員的預(yù)期，駕駛員不得不追加方向盤轉(zhuǎn)角，影響轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理

對試驗過程中采集的方向盤轉(zhuǎn)角和側(cè)向加速度信號進(jìn)行3Hz低通濾波處理，繪制方向盤轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線，如圖2所示。曲線在側(cè)向加速度為2～4m/s2（車速30km/h工況，截取側(cè)向加速度在1～3m/s2）的范圍中進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即為轉(zhuǎn)向靈敏度。

3 試驗結(jié)果比較和分析

依據(jù)上文設(shè)計的試驗方法，進(jìn)行了3個車型的客觀試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

結(jié)果分析：

從評價指標(biāo)“線性區(qū)力矩梯度”看，車型1方向盤力矩隨側(cè)向加速的增長較緩，車型2與車型3方向盤力矩增長的速率相近；在低速30km/h工況下，車型3左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)方向盤力矩增長速率不一致，會導(dǎo)致兩個方向的轉(zhuǎn)向手感不一致；隨試驗車速的增大，車型1右轉(zhuǎn)方向的力矩梯度逐漸減小，與左轉(zhuǎn)方向的差距不斷增大，左右兩方向的轉(zhuǎn)向手感的一致性越來越差。

從評價指標(biāo)“3m/s2時方向盤力矩”看，車型2的整體轉(zhuǎn)向力矩最大，車型1的轉(zhuǎn)向力矩最小；車型2與車型3的轉(zhuǎn)向力矩隨車速的增大而變大，但車型1的轉(zhuǎn)向盤力矩隨車速的變化趨勢不明顯；車型1在中高車速工況下，方向盤左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)的作用力不一致，左右不對稱。

從評價指標(biāo)“方向盤力矩線性度指數(shù)”看，所有車型隨試驗車速的提高，方向盤力矩隨側(cè)向加速度的增長會表現(xiàn)出更好的線性度；車型1方向盤力矩的線性度在3個車型中表現(xiàn)最差，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)同樣出現(xiàn)的較大的不一致性，右轉(zhuǎn)方向的力矩增長的線性度更差。

從評價指標(biāo)“轉(zhuǎn)向靈敏度”看，在低速30km/h工況下，車型2在3個車型中表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)向靈敏度，在中高速工況下，車型1的轉(zhuǎn)向靈敏度較另外2個車型偏低。

綜上所述，以上試驗結(jié)果展現(xiàn)出了3車個車型在轉(zhuǎn)向感覺方面的差異，如轉(zhuǎn)向力感、轉(zhuǎn)向作用力水平、力矩隨車速增長的變化趨勢、隨側(cè)向加速度增長測線性度、轉(zhuǎn)向靈敏度等特性；同時還發(fā)現(xiàn)車型1左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)兩個方向不對稱的問題。

4 結(jié)束語

本文提出了轉(zhuǎn)向感覺客觀試驗方法，設(shè)計了試驗工況，并根據(jù)主觀評價內(nèi)容提取客觀評價指標(biāo)。對實車試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向感覺試驗?zāi)軌蛴行У貙D(zhuǎn)向感覺進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)不同車型之間的轉(zhuǎn)向感覺差異，發(fā)現(xiàn)車輛性能存在的問題，為轉(zhuǎn)向性能的改進(jìn)提供方向，也為底盤性能開發(fā)提供一種新的目標(biāo)和方法。

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