一種汽車加速性能數據處理方法

摘要：鑒于加速度傳感器和GPS直接測得的加速度數據和速度數據波動較大的問題，運用多項式擬合方式，將速度數據進行擬合求導，進而得到整車的加速外特性曲線，并對整個過程實現界面化處理程序，處理結果對動力性仿真分析、擋位分配、競品分析和實現最大加速能力時換擋點的選擇具有一定的參考意義。

關鍵詞：整車加速度特性曲線；多項式擬合；界面處理

中圖分類號：U469" 收稿日期：2023-10-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.027

1 前言

汽車的動力性指標主要由最高車速、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，動力性指標中的加速能力是汽車制造廠根據國家規定的試驗標準[2]，通過樣車進行測試得出來的。根據現有方法，主要測試內容為全油門起步加速性能試驗、全油門超越加速性能試驗，試驗指標是加速時間。

a.現有方法得到的加速時間，不能精確地表征加速過程中的實時狀態，無法得知各擋位齒比設計是否科學合理，不利于深入解析動力性情況；b.加速時間與駕駛員操作的熟練程度有關，因人而異，會造成試驗結果具有一定的分散性；c.擋位數較多（特別是不帶同步器）的商用車，加速試驗時換擋占用的時間較長、誤差大，因此僅通過加速時間無法精確評估車輛動力性的好壞；d.根據傳感器直接測速度數據或者加速度數據，由于采集到的信號是離散的數字信號，并且具有波動性，直接對速度數據進行微分處理和加速度數據直接提取，不能平穩的反映加速能力的變化。

本文是對國標加速能力測試方法的一個補充，利用GPS采集得到的車輛實際速度，對時間-速度曲線進行多項式擬合、求導，得出整車加速度數據，能夠清晰地展現不同擋位下加速能力隨時間、車速及發動機轉速的變化，找出不同擋位下最佳的換擋轉速，同時對整車外特性仿真計算結果進行對比，提高仿真計算精度，優化車輛開發階段的整車動力性分配。

2 車輛加速試驗過程和數據處理

2.1 試驗方法

試驗過程中，首先確定氣象條件、道路條件、燃料及潤滑油、車輛準備和車輛預熱等試驗條件應符合國家標準。在試驗條件允許的條件下，進行測試儀器的安裝，由OBD接口獲取發動機轉速信號，通過GPS記錄試驗過程中車速隨時間變化的信號。根據車輛變速器類型，分別進行以下試驗過程。

2.1.1 手動變速器

車輛啟動，將變速器置于1擋，松開油門，使車輛處于該擋位的最低穩定車速行駛，迅速踩下油門踏板至最大位置，待車速不再上升截止，此時車輛處于該擋位的最高車速，記錄此過程中時間、車速、轉速數據；車輛所有擋位，均重復上述過程，記錄所有擋位下的時間、速度、轉速數據。

2.1.2 自動變速器

車輛靜止、將變速器置于“D”擋（若有模式區分則選擇運動模式），車輪在最低穩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，直至車輛達到最高車速，記錄車速、發動機轉速數據。

試驗中，測試應往返進行，每個方向至少進行三次測試。并且在試驗過程中要關閉車輛所有電器和車窗，以減小其他因素對試驗結果的影響。

2.2 數據處理方式的選擇

從數采設備中導出某一擋位的加速試驗數據，即加速踏板位置從初始位置迅速踩至最大位置后，車速逐漸增加的數據段，包括時間、發動機轉速和車速，如圖1所示。

2.2.1 對速度微分處理

提取測試過程中的原始車速、時間數據，如圖1藍色曲線，對其直接進行微分處理，按照不同頻率（即不同時間間隔）進行取點，然后按照下式計算出加速度：

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

式中，ai為第i點時加速度，m/s2；vi為第i點時速度，km/h；vi+1為第i+1點速度，km/h；[Δ]t數據點間隔時間，s。

分別按照不同的頻率進行計算（100 Hz、10 Hz、10 Hz），即接0.01 s、0.1 s、1 s進行取點計算，結果如圖2所示。從圖中可以發現：按照100 Hz和10 Hz進行數據處理時，加速度數據程發散狀態，不能表征車輛加速過程的加速度變化趨勢；按照1 Hz進行數據處理時可以大致展示加速度變化過程，但是由于采樣頻率太低，數據則不夠精確。

2.2.2 直接讀取加速度

在試驗過程中，車上同時安裝加速度傳感器，數采中直接讀出的加速度數據，如圖3所示。從圖中可以看出，數據具有較大的波動性，即使添加趨勢線也不能準確地表示出某一速度或某一時刻對應的加速度數值和整體加速度的變化趨勢。

2.2.3 多項式擬合法

由于上述方法的局限性，本節采取多項式擬合的方法，提取其中的車速數據，對車速數據先進行擬合，并檢查擬合結果，不斷改變擬合項數，直至擬合的車速數據和原車速數據完全重合，并記錄擬合曲線方程，如圖4所示。從圖中可以看出，在擬合項為6時，擬合的曲線已經達到和原始數據很好的重合。

記錄下多項式為6時的擬合曲線函數，對擬合曲線進行求導，可得到該擋位在最大油門開度狀態下加速過程中的實時加速度，同時可得出加速度與發動機轉速關系圖形（圖5a）。從圖中可以看出，該樣車在發動機轉速為1 200～1 800 r/min時，車輛加速度達到較高狀態，這與發動機外特性曲線（圖5b）基本一致。

以車速為橫坐標生成加速度曲線（圖6a），與通過發動機外特性曲線理論計算得出圖形（圖6b）進行對比，可以看出除2擋外，其他擋位與理論計算值的車速及加速度基本重合。通過了解，2擋加速度存在區別的原因是發動機進行了低檔位的扭矩限制，理論計算時候未進行降扭計算。

在與仿真計算的汽車行駛加速度曲線結果對比時，可知低擋位時理論計算的加速度值偏大，高擋位時理論計算結果和實測值基本相當，據此可對汽車動力性仿真模型進行優化，提高計算精度。對曲線進一步處理，可得到相鄰擋位的加速度重合點，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。根據加速度重合點，可以確定換擋時相對應的車速和發動機轉速，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現

為了能夠快速地處理上述數據，并且試驗過程中，有時要與競品車輛進行加速能力對比，因此運用編程軟件，對上述數據處理過程進行程序化處理，并生成處理界面，如圖7、圖8所示。此界面主要功能有數據輸入、車型號輸入、多項式擬合、擬合結果檢查、求導以及兩種車輛數據結果對比和圖片數據輸出等功能。本界面的主要操作過程如下所示：

a.在使用之前，首先把數據保存到Excel表中，并保存為CSV格式，數據依次為時間、車速以及轉速。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，選擇打開CSV文件，導入時間、車速、轉速數據，車速的單位是km/h，輸入后，自動更改為m/s。

b.數據導入完成后，點擊數據處理選項，彈出數據處理界面，如圖8所示。首先輸入車型號，再選擇車輛類型數據，競品數據或本公司數據。

c.選擇數據顯示的橫縱坐標，橫縱坐標均有時間、車速、發動機轉速三個選擇項。選擇需要的橫縱坐標后，會在“圖1-輸入數據”中顯示對應的曲線，再點擊多項式擬合選擇，選擇擬合項數，一般擬合項數5、6就滿足擬合要求。點擊擬合按鈕，擬合曲線在“圖2-擬合數據”中顯示。

d.對比擬合結果，在“圖3-擬合結果查看”中，選擇想要查看的數據，點擊對比按鈕，就顯示出原始數據和擬合數據，用于比較擬合結果是否達到要求。

e.擬合結果達到要求后，在數據求導后橫坐標選擇中，選擇時間選項，點擊確定按鈕，就可將加速度數據計算出并顯示在“圖4-加速度數據”中，完成后，可分別選擇車速、轉速為橫坐標查看加速度變化趨勢。

f.將本公司產品數據和競品數據分別處理完成后，點擊“是否作比較”選擇按鈕，可進行與競品（或其他車輛）進行加速度大小對比，在本例的分析對比中，可明顯地看出兩種車輛的加速能力大小隨時間、車速以及發動機轉速的變化情況，可以看出加速前期，T17A的加速能力較強，轉速較大時兩輛車的加速能力基本相當。

g.數據處理完成后，點擊圖片保存和數據保存選項，選擇所需要保存的圖片和數據，用于后續討論和分析，如圖9所示。導出成功后，會彈出“導出完成”對話框。

3 結語

鑒于加速度傳感器和GPS直接測得的加速度數據和速度數據波動較大，直接進行比較或求導處理不能看出顯著結果，本文運用多項式擬合方式，將速度數據進行擬合求導，進而得到整車的加速外特性曲線，并進行界面化處理程序，主要可實現下列功能：

a.與動力性仿真結果進行對比，優化仿真模型，提高仿真精度。

b.根據測試結果中的加速能力，合理分配擋位轉速比。

c.在車速加速度曲線中，能夠清晰的找出換擋點，為實現最大加速能力試驗提供參考。

d.與其他同類型車輛的加速能力進行對比，為動力性目標的制定提供依據。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論（第6版）[M].北京：機械工業出版社，2019.

[2]宗磊，王運龍，于根穩，等.一種汽車加速性能試驗方法：中國，CN113916547B[P].2023-09-12.

作者簡介：

李安民，男，1991年生，工程師，研究方向為整車道路性能試驗技術、車輛路譜數據處理。