汽车操纵稳定性试验研究现状

汽车操纵稳定性试验研究现状摘要：本文对汽车操纵稳定性的试验方法进行了介绍。针对汽车操纵稳定性试验评价标准，对我国的国家标准和国际上的标准进行了比较，介绍了汽车操纵稳定性的发展趋势。关键词：汽车操纵稳定性；中图分类号：U467文献标识码：AExperimentalstudyonhandlingandstabilityofvehicleAbstract:Inthispaper,thetestmethodsofvehiclehandlingandstabilityisintroduced.Accordingtotheevaluationofvehiclehandlingandstabilityexperimentofstandards,nationalstandardsandinternationalstandardsarecompared,andthedevelopmenttrendofvehiclehandlingandstability.Keyword:Thehandlingstabilityofthevehicle1定义及用途汽车的操纵稳定性指在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性分为两个方面：操纵性和稳定性。操纵性指的是汽车能准确地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性指的是汽车抵抗改变其行驶方向的各种外界干扰（路面扰动或风干扰）。并保持稳定行驶而不失去控制，甚至翻车或侧滑的能力。汽车操纵稳定性评价方法：主管评价法和客观评价法。主观评价法有直线行驶稳定性（包括转向回正能力、侧风敏感性、路面不平整敏感性）、行车变道操纵性、转弯稳定（包括转向的准确性、固有转向特征、转弯制动特性等）以及操纵负荷等。客观评价法有横摆角速度、侧向加速度、以及侧倾角等。2原理和常用仪器我国《汽车操纵稳定性试验方法》标准和《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》中规定汽车操纵稳定性试验包括：稳态回转试验、转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入)、转向瞬态转向试验(转向盘转角脉冲输入)、转向回正性试验、转向轻便性试验、蛇形试验、转向盘角阶跃输入试验、转向轻便性试验等。2.1常用的汽车操纵稳定性试验仪器和设备有：2.1.1角速度陀螺仪：角速度陀螺仪也成为二自由度陀螺仪，主要用来测量汽车的横摆角速度。为了使动态测试值不产生太大的相位滞后，当仪器相对阻尼系数为0.2的时候，自振频率f应该不小于50Hz。同时角阶跃陀螺仪还应该保证输入频率为0～2.5Hz范围内其输出时线性的。2.1.2垂直陀螺仪：也成为三自由度陀螺仪，主要用来测量汽车的车身侧倾角、俯仰角。使用的时候要注意由于其自转轴不完全垂直于地面所造成的正弦波信号输入偏差。2.1.3侧纵向加速度计：侧纵向加速度计用来测量汽车作曲线运动的时的侧向加速度和纵向加速度。侧纵向加速度计应该按在汽车的质心上的位置。一般情况下，常将二自由度陀螺仪、三自由度陀螺仪以及侧纵向加速度计组合在一起形成测试系统，安装在汽车质心进行测试。2.1.4车速测试仪：车速测试仪一般按在汽车的后部，按照是否与路面接触可分为接触式和非接触式两种。GPS越来越广泛，利用GPS不仅可以测量车速、加速度、制动距离以及车辆的位置，还可以测量车轮上的侧偏力等参数。2.1.5转向盘测力仪：转向盘测力仪主要用于测量施加在转向盘上的力矩和转角。一种是副转向盘形式，测力元件装在副转向盘上。另一种是仅有力传感器以及角度传感器等。2.1.6光束水准车轮定位仪：测车轮外倾角、主销内倾角、主销外倾角、车轮前束、车轮最大转角及转角差。2.1.7车辆动态测试仪：测汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角、汽车横向加速度与纵向加速度等运动参数；2.1.8.力矩及转角仪：测转向盘转角或力矩；2.1.9五轮仪、磁带机等。2.1.10操纵稳定性试验数据处理系统：主要用来处理试验中的数据，进行数据的实时显示、处理、打印以及保存等工作。因此可以非常方便的进行汽车操纵稳定性试验。2.2常见的汽车操纵性道路试验有：2.2.1汽车轻便性试验驾驶员操纵汽车转向盘的轻重程度主要取决于转向系的阻力，即转向系零部件之间的摩擦力、轮胎与路面之间的滑移摩擦力、运动速度变化时零部件的惯性力以及轮胎与前轮定位角引起的回正力矩等。汽车轻便性测量的参数主要有转向盘转角、转向盘力矩、转向盘直径、和汽车行驶速度。汽车转向轻便性试验一般沿着双纽线轨迹以10KM/h的车速行驶。双纽线的极坐标方程为在Φ=0时，双纽线顶点处的双曲率半径最小，其数值为。试验中记录转向盘转角以及转向盘转矩，并按照双纽线路径每一周整理出转向盘——转向盘转角曲线。通常以转向盘最大转矩、转向盘最大作用力及转向盘作用功等来评价转向轻便性。2.2.2稳态回转试验此实验一般采取定转向盘转角连续加速法。为了试验有可比性，消除了初始圆周半径对稳态回转试验的影响，我国规定初始圆周半径R0=15m，纵向加速度不得大于0.25m/s2，侧向加速度达到6.5m/s2为止，记录不同采样时刻时的车速与汽车横摆角速度，并进行数据处理绘制曲线，同时绘制出不同侧向加速度下的转弯半径曲线。从而判断转向特性。在试验中，若汽车的回转半径不随车速的改变而变化，则被试汽车的转向特性为中性转向特性。若汽车的回转半径随车速的升高而增大，则被试汽车的转向特性为不足转向特性。若汽车的回转半径随车速的升高而减小，则被试汽车的转向特性为过度转向特性。在《汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法》中，对稳态回转试验的评价指标规定了3项，即1）中性转向点侧向加速度值an：前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上斜率为零的点的侧向加速度值；2）不足转向度：按前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为2m/s2点的平均值计算；3）车厢侧倾度K：按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为2m/s2点的平均斜率计算。2.2.3转向盘转角阶跃输入试验转向盘转角阶跃输入试验也称为瞬态横摆响应试验。主要用来测定汽车队转向盘转角输入时的瞬态响应。汽车在转向盘转角阶跃输入下将从一个稳态过渡到另一个稳态。两个稳态之间的响应称之为汽车的瞬态响应。汽车开始以一定的车速直线行驶，一段时间后突然以最快的速度转动转向盘至预先确定的转向角，并保持转向盘转角不变、节气门开度不变使汽车进入圆周运动。记录汽车的车速、时间、转向盘转角、横摆角速度和侧向加速度等参数。通常以横摆角速度响应来评价汽车的特性。2.2.4转向回正性能试验标准号GB/T6323.4—94。回正力矩取决于汽车轮胎的侧偏特性以及注销定位角。回正力矩反映了汽车恢复到直线行驶的能力。因此转向回正性能是评价汽车操纵稳定性的一个重要参数。因此，转向回正性能试验可以通过对转向盘施加一个力输入后，然后卸载输入来记录汽车的运动特性。试验要求汽车沿半径为15m的圆周行驶，并调节车速使侧向加速度达到4m/s2，稳定住车速后突然松开转向盘。在回正力矩的作用下，汽车前轮将恢复到直线行驶状态。试验过程中汽车的节气门位置不变。记录时间、车速、转向盘转角和横摆角速度等参数。可以利用横摆角速度与时间曲线进行汽车转向回正能力的评价。2.2.5转向盘角脉冲输入试验汽车的频率响应可以说明汽车对一定的输入下汽车的真实响应程度，因此也可以用来对汽车的性能进行评价。试验要求给转向盘正弦角位移输入，利用在此输入下的汽车横摆角速度频响特性作为评价的指标。此实验测量的数据有汽车前进速度、转向盘转角、汽车侧向加速度、汽车横摆角速度。对试验结果进行处理，便得汽车的频率特性。2.2.6蛇形试验蛇形试验是评价汽车随动性、收敛性、方向操纵轻便性及事故可避免性的典型试验，也是包括车辆一驾驶员一环境在内的一种闭环试验，其试验结果不但取决于车辆本身的特性，而且还取决于驾驶员的自身特性和驾驶技术。此试验是在保证安全的前提下，以尽可能高的车速进行的，因此可以考验汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，也可以作为若干汽车进行操纵性对比时主观评价的一种感觉试验。由于蛇形试验是一种“闭环试验”，评价比较困难，以往都用汽车蛇形通过标桩的时间进行评价，但试验中驾驶员特征差异对试验结果影响较大，所以客观性较差，另外由于追求高指标，故往往忽视安全。为了更客观地进行评价，用基准车速下的平均转向盘转角峰值、平均横摆角速度峰值及平均车身侧倾角峰值进行评价，我国已制定了这3项指标的限值标准。3国内外研究现状随着汽车技术的进步，交通运输业呈现出汽车高速化和汽车密集化趋势。道路建设的发展，一级公路的增加，对汽车的行驶速度有了更高的要求，因此对于汽车操纵稳定性也提出了更高的要求。随着对汽车操纵稳定性的进一步研究和分析以及汽车检测技术的发展，我国对汽车操纵稳定性的试验方法和评价方法标准也进行了修订和完善，现阶段主要依据GB/T6323-1994和QC/T480-1999来进行汽车操纵稳定性的试验与评价。我们现在从开环和闭环两个方面，对汽车操纵稳定性的国家标准与国际标准进行分析比较。3.1开环试验方法汽车操纵稳定性作为汽车自身的性能，是一种不包括驾驶员特性的汽车性能。开环试验方法是把汽车本身看作一个控制系统，按照对控制系统、稳态品质和瞬态响应特性的一般要求，分析和研究汽车的运动特性。研究汽车本身特性的开环系统只采用客观评价法，即在实车试验中，通过测试仪器测出表征车辆性能的物理量(如：横摆加速度、侧向加速度、侧倾角等)来评价汽车的操纵稳定性。开环试验包括稳态圆周试验、瞬态响应试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验等多项试验，其中以稳态圆周试验和瞬态响应试验最为典型，下面我们只介绍稳态圆周试验。稳态圆周试验主要目的是测试车辆的稳态回转特性。目前，关于此方面的国际标准和我国国家标准有:ISO4138:1996和GB/T6323.6-1994。ISO采用定转弯半径法，GB采用固定转向盘连续加速法。两个标准在具体试验条件和测量变量上存在着差异，如表1和表2所示:表1稳态回转试验路半径对比表GB/T6323.6-1994ISO4138:1996路径半径（m）15或2030、40或100表2稳态回转试验测量变量对比表GB/T6323.6-1994ISO4138:1996汽车横摆角速度√√√汽车前进速度√√√车身侧倾角√√√方向盘转角——√√汽车重心侧偏角√——方向盘力矩——√汽车纵向加速度√√√汽车侧向加速度√——转向车轮侧偏角——√注：√√：必须测量变量；√：推荐测量变量或希望测量变量；——：不采用此测量变量。从表1可以看出国际上采用标准试验半径100m的试验路径，大半径的试验路径在处理后续数据时可以减小相对误差，能更好的的反映车辆的实际性能。由于受到汽车试验场地的限制，我国的试验路径半径远远小于国际标准，一般取15m或20m。表2中列出了两种标准在测量变量上的差异。GB/T6323.6-1994中，汽车横摆角速度，汽车前进车速，车身侧倾角是必须测量的变量。而ISO把方向盘转角和汽车纵向加速度作为必须测量的变量。由于测量变量的差异，最终的数据处理结果也不同。GB要求绘出被测试车辆的转弯半径比特性曲线，前后轴侧偏角差值特性曲线，车厢侧倾角特性曲线。ISO要求绘出方向盘转角特性曲线，侧偏角特性曲线，车身侧倾角特性曲线，方向盘力矩特性曲线。ISO和GB测量变量和特征变量不同，反映了两标准从不同的方面表征了汽车作为一个动力学系统在转向输入下是否稳定的特性。ISO把方向盘转角作为必须测量变量、方向盘力矩作为推荐测量变量，可见ISO更注重从系统输入的整体角度去考虑汽车的特性，反之，GB是从系统输出的角度去考虑的。GB所有的特性曲线都是以侧向加速度为横坐标的，而且QC/T480-1999评价标准中也是以侧向加速度为基础的，而GB只规定侧向加速度变量为希望测量变量，当侧向加速度没有被直接测量时用前进车速与横摆加速度的乘积表示。这是由于我国加速度计测试的侧向加速度往往很难达到令人满意的精度，在测试小加速度或测试汽车瞬态过程很难得到可靠的结果。3.2闭环试验方法汽车的性能最终还