乘用車轉向感覺客觀測量方法研究

王長青 費員軍 馮天驥

摘 要：針對目前國內汽車公司所采用的操縱穩定性客觀評價方法現狀，結合主觀評價體系，提出了一套針對轉向感覺評價的客觀試驗方法，設計了試驗工況和相關評價指標。通過實車試驗，對試驗結果的對比分析，該試驗能夠有效地對不同車型之間轉向感覺差異進行描述，填補了現行客觀評價體系對轉向感覺評價方面的空白，為車輛底盤性能開發提供一種新的試驗方法。

關鍵詞：轉向感覺；客觀評價；操縱穩定性

中圖分類號：U461.6 文獻標志碼：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

汽車操縱穩定性是底盤性能的重要組成部分，對操縱穩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性能，目前在底盤開發流程中，以車輛操穩性能的主觀評價作為最終的評價手段，以主觀評價結果達標作為底盤開發項目的驗收標準[2]。但目前國內主觀評價能力欠缺，大多要依靠國外的技術力量來完成，且評價結果受評價人員的能力、心情、外界環境等因素影響，一致性和準確性很難保證。

通過虛擬樣機技術能對客觀試驗進行較為準確的仿真，但客觀評價體系的不完備，限制了虛擬仿真技術在底盤開發過程中的應用。因此完善現行客觀評價體系，一方面減少對主觀評價的依賴，另一方面充分發揮虛擬樣機技術的作用，對提升我國汽車自主開發能力有著至關重要的作用。

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

目前，國內汽車公司客觀評價體系大多采用現行國家標準及ISO標準。綜合對比主觀評價與客觀評價體系發現，客觀評價體系對于不同車速下轉向感覺的描述是欠缺的，如不同車速下的轉向作用力水平、轉向力隨車速增長的線性度，轉向靈敏度等特性。而這部分特性是主觀評價中“一般工況下轉向操縱性”的重要評價內容。為完善操縱穩定性客觀評價體系，本文提出一種轉向感覺客觀試驗方法，結合合適數據處理方法，為操穩性能開發和目標設定提供一種有效的方法。

1 轉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）方向盤轉角

（2）方向盤力矩

（3）汽車前進車速

（4）側向加速度

1.2 試驗方法

（1）試驗開始前車輛以30km/h勻速直線行駛，并開始記錄數據。

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

（3）試驗按照向左轉和向右轉兩個方向進行。

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

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

2 主要指標定義和數據處理

綜合考慮主觀評價內容，結合本試驗工況特點，選取以下指標，如表1所示，來表征轉向感覺特性。

2.1 線性區力矩梯度

2.1.1 定義

線性區力矩梯度是指在連續轉向過程中，方向盤力矩隨側向加速度增長的速率。方向盤在非中心區域轉動時，轉向力矩應隨側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動狀態，轉向力矩增長速率過快，會導致轉向力過大，影響轉向的輕便性，轉向力矩增長速率過慢，會導致駕駛安全感降低。

2.1.2 數據處理

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

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

2.2 3m/s2時方向盤力矩

2.2.1 定義

“轉向作用力水平”是“轉向的操縱性”中重要的評價內容。車輛在低速行駛時，應有較好的轉向輕便性；隨著車速的提高，轉向作用力應逐漸增大，保證高速行駛的穩定性。在轉向感覺試驗中，方向盤作用力隨側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，結合評價指標“線性區力矩梯度”可對該車速下的線性區內的作用力水平進行評估。另外，通過比較不同車速下的“3m/s2時方向盤力矩”可以看出轉向盤作用力隨車速的變化趨勢是否滿足主觀的設計要求。

2.2.2 數據處理

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

2.3 方向盤力矩線性度指數

2.3.1 定義

在操縱穩定性主觀評價中，要求轉向力應隨方向盤轉角和側向加速度的增長呈線性增長的趨勢，轉向過程中不應出現力矩的突變。方向盤力矩的線性度越好，駕駛員對車輛行駛狀態的預見性越好，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，在中心區范圍內（通常側向加速度小于1m/s2），由于轉向系統摩擦、轉向間隙及懸架襯套等非線性因素，導致方向盤力矩和側向加速度之間表現出非線性關系；在非線性區（通常側向加速度大于5m/s2），由于輪胎特性等非線性因素導致方向盤力矩和側向加速度之間也會表現出非線性關系；但在線性區范圍內，期望方向盤力矩能和側向加速度保持線性增長。本文通過計算線性區“方向盤力矩線性度”來表征方向盤力矩和側向加速度之間的線性關系。

2.3.2 數據處理

相關系數[6]又稱皮（爾生）氏積矩相關系數，是一個描述兩個現象之間密切程度的統計分析指標。本文通過計算線性區范圍內方向盤力矩和側向加速度之間的相關系數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向加速度信號進行3Hz低通濾波處理，截取側向加速度在1～5m/s2（車速30km/h工況，截取側向加速度在1～3m/s2）范圍內的試驗數據，并計算方向盤力矩和側向加速度的相關系數。

相關系數R的計算方法如式（1）所示，R值的范圍在-1和+1之間。

方向盤轉角和側向加速度之間的相關系數的絕對值越接近1，兩者之間的相關性越高，也意味著兩者之間的線性度越高。

2.4 轉向靈敏度

2.4.1 定義

轉向靈敏度是指車輛的響應與方向盤轉角輸入之間的對應關系。相同的方向盤轉角輸入下，轉向靈敏度過大，車輛的響應會超出駕駛員的預期，降低駕駛安全感；轉向靈敏度過小，車輛的響應未達到駕駛員的預期，駕駛員不得不追加方向盤轉角，影響轉向操縱的輕便性。

2.4.2 數據處理

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

3 試驗結果比較和分析

依據上文設計的試驗方法，進行了3個車型的客觀試驗，試驗結果如表2所示。

結果分析：

從評價指標“線性區力矩梯度”看，車型1方向盤力矩隨側向加速的增長較緩，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左轉與右轉方向盤力矩增長速率不一致，會導致兩個方向的轉向手感不一致；隨試驗車速的增大，車型1右轉方向的力矩梯度逐漸減小，與左轉方向的差距不斷增大，左右兩方向的轉向手感的一致性越來越差。

從評價指標“3m/s2時方向盤力矩”看，車型2的整體轉向力矩最大，車型1的轉向力矩最小；車型2與車型3的轉向力矩隨車速的增大而變大，但車型1的轉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，方向盤左轉與右轉的作用力不一致，左右不對稱。

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

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

綜上所述，以上試驗結果展現出了3車個車型在轉向感覺方面的差異，如轉向力感、轉向作用力水平、力矩隨車速增長的變化趨勢、隨側向加速度增長測線性度、轉向靈敏度等特性；同時還發現車型1左轉右轉兩個方向不對稱的問題。

4 結束語

本文提出了轉向感覺客觀試驗方法，設計了試驗工況，并根據主觀評價內容提取客觀評價指標。對實車試驗結果分析發現，轉向感覺試驗能夠有效地對轉向感覺進行描述，發現不同車型之間的轉向感覺差異，發現車輛性能存在的問題，為轉向性能的改進提供方向，也為底盤性能開發提供一種新的目標和方法。

參考文獻：

[1]那曉翔.乘用車操縱穩定性客觀對標體系研究[D].吉林大學，2009.

[2]白艷，賈鑫，宗長富，等.汽車操縱穩定性客觀評價方法綜述[J].科學技術與工程，2012，12（06）：1339-1347.

[3]陳宇辰.汽車轉向性能主觀評價動力學因素分析[D].吉林大學，2014.

[4]邢如飛.乘用車操縱穩定性主觀評價方法研究[D].吉林大學，2010.

[5]貝爾恩德·海森英.汽車行駛動力學性能的主觀評價[M].人民交通出版社，2010.

[6]聶必凱.數學問題提出研究綜述[J].數學通報，2003.