汽车操纵稳定性试验

汽车操纵稳定性试验•汽车操纵稳定性分为两个方面：一是操纵性；二是稳定性。1)操纵性：指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力；•2)稳定性：指汽车受到外界扰动(路面扰动或阵风扰动)后恢复原来运动状态的能力。•两者很难截然分开，稳定性的好坏可直接影响操纵性的好坏，反之亦然，因此，把两者统称为操纵稳定性。•随着车速的不断提高，汽车操纵稳定性对汽车行车安全性的影响越来越大，成为汽车的重要性能之一。操纵稳定性不好的汽车可表现为“高速发飘”、“响应迟钝”、“丧失路感”和“丧失控制”等。•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、转向瞬态转向试验、转向回正性试验、转向轻便性试验、蛇形试验等。•常用的汽车操纵稳定性试验仪器有：•1）陀螺仪：用于汽车运动状态下测动态参数，如汽车行进方位角、汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角等；•2）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；•3）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；•4）力矩及转角仪：测转向盘转角或力矩；•5）五轮仪、磁带机等。•稳态回转试验•1）试验目的：测定汽车的稳态转向特性及车身侧倾特性；•2）试验方法：定转向盘转角连续加速法和定转弯半径法。•1．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。•(1)Ri/R0—ay曲线•汽车瞬时转向半径为Ri=Vi/ri，其中：Vi为i时刻的车速，m/s；ri为i时刻的横摆角速度的瞬时值，rad/s。•由于汽车的横向加速度与向心加速度相差甚小，在数据处理中，用向心加速度代替横向加速度完全可以满足精度要求，故各时刻的横向加速度可按下式计算：•(11—21)•式中：以ayi为汽车在i时刻的横向加速度，m/s2；R0为初始圆周半径，R0=l5m。这样可以计算出数组Ri/R0、ayi的数值，据此绘制汽车转弯半径比Ri/R0与横向加速度ay的关系曲线。•(2)(δ1-δ2)—ay曲线•汽车高速转向时汽车的瞬时回转半径Ri和某瞬时前后桥综合侧偏角之差δ1-δ2(°)具有以下关系：••(11—22)•式中：L为汽车轴距。•根据前面计算的ay值，就可以绘制出(δ1-δ2)—ay曲线。•2．定转弯半径法•定转弯半径法的转弯半径为30m，试验时转弯半径不变，以不同车速通过时，靠调整方向盘转角来保证汽车沿固定转弯半径运动，测出车速与方向盘转角，并绘制θ—ay曲线。•转向盘转角θ可直接利用时间历程曲线进行采样，而后乘以标定系数即可求得。侧向加速度ay可采用下述两种方法之一求得。•(1)计算法•利用下式直接计算出侧向加速度ay，即：•(11—23)•式中：V为汽车前进速度，m/s；r为汽车横摆角速度，rad/s。•(2)用侧向加速度计测量•3．定转向盘转角连续加速法与定转弯半径法的关系•利用定转弯半径法也可求出汽车前、后桥综合侧偏角之差与侧向加速度的关系，进而绘制出(δ1-δ2)—ay曲线。侧向加速度ay仍可利用上述方法求之，下面介绍利用定转弯半径法求汽车前后桥综合侧偏角之差的求取方法。•回转半径R与前后桥综合侧偏角之差的关系为：•（11—24)•式中：i为转向系总传动比。•当车速为零时，θ=θ0，δ1-δ2=0，由式(11—24)得转向系总传动比为：•(11—25)•将式(11—25)代入R中，整理得：•(11—26)•可利用式(11—26)求出前后桥综合侧偏角之差（δ1-δ2）值，而后即可绘制出(δ1-δ2)—ay曲线。•4．转向特性的判别•(1)中性转向：在车速一定而改变横向加速度时，若名义转向角的斜率等于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为中性转向特性，简写为NS。•在试验中，若汽车的回转半径不随车速的改变而变化(定转向盘转角连续加速法试验)或者转向盘转角不随侧向加速度的增大而增大(定转弯半径法)，则被试汽车的转向特性为中性转向特性(图11.12)。•(2)不足转向：在车速一定而改变横向加速度，若名义转向角的斜率大于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为不足转向特性，简写为US。•在试验中，若汽车的回转半径随车速的升高而增大(定转向盘转角连续加速法)或者转向盘转角随侧向加速度的增大而增大(定转弯半径法)，则被试汽车的转向特性为不足转向特性(图11.12)。•(3)过度转向：在车速一定而改变横向加速度时，若名义转向角的斜率小于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为过度转向特性，简写为OS。•在试验中，若汽车的回转半径随车速的升高而减小(定转向盘转角连续加速法)或者转向盘转角随侧向加速度的增大而减小(定转弯半径法)，则被试汽车的转向特性为过度转向特性(图11.12)。•5．评价指标•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。•转向瞬态响应试验•转向瞬态响应试验是测定从转向盘转角阶跃输入开始，到所测各变量达到新的稳态值时为止的一段时间内的汽车的瞬态响应过程。试验时汽车以恒定的车速直线行驶，驾驶员突然将方向盘转过一定的角度，使汽车由直线行驶进入到转弯运动状态，同时记录汽车的运动状态：横摆角速度、汽车方位角、车身侧倾角、侧向加速度等运动参数的变化过程。•1．试验数据处理•(1)响应时间t：以转向盘转角达到终值50％的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量过渡到新稳态值90％的时刻为止，这一段时间间隔称为响应时间，也就是横摆减速度响应时间或侧向加速度响应时间(图11.13)。(2)峰值响应时间tp：以转向盘转角达到终值50％的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量响应第一个峰值时止的一段时间间隔称为峰值响应时间。•(3)横摆角速度超调量σ：横摆角速度超调量σ可按下式计算：•(11—27)•式中：rmax为横摆角速度响应最大值，rad/s；r0为横摆角速度响应稳态值，rad/s。•图11.13阶跃响应示意图•(4)横摆角速度总方差Er：横摆角速度总方差Er可按下式计算：••(11一28)•式中：θi为阶跃试验时转向盘转角输入值，(°)；•ri为汽车横摆角速度响应的瞬时值，rad/s；•θ0为阶跃试验时转向盘转输入的终值，(°)；•r0为汽车横摆角速度响应的新稳态值，rad/s；•n为采样点数，取至新稳态值时止；•Δt为采样时间间隔，s。•(5)汽车因素TB：汽车因素TB是汽车横摆角速度峰值响应时间与汽车质心侧偏角的乘积。汽车质心侧偏角可由瞬态回转试验求得。•2．评价指标•在我国《汽车操纵稳定性试验方法》标准中规定了7项评价指标，由于测量方法的不完善及个别指标在某些汽车上不存在等原因，故在《汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法》标准中仅对汽车横摆角速度响应时间进行了分析。•转向瞬态转向试验•转向瞬态转向试验是在频率域内对汽车转向瞬态响应进行评价的试验方法，主要有以下3种：•1）转向盘转角随机输入试验；•2）转向盘转角正弦波输入试验；•3）转向盘转角脉冲输入试验。•我国采用第三种试验方法并制定了有关的国家标准。•转向盘转角脉冲输入试验就是汽车以恒定的车速直线行驶，驾驶员突然转动方向盘到一定的角度，再立即转回到原来位置，方向盘的输入波形不同于转向瞬态响应试验，不是阶跃形的，而是脉冲形的。试验记录汽车横摆角速度的输入波形。•1．试验数据处理•频率特性的分析计算可在专门的信号处理机上进行，例如日本生产的CF一700型、7T08型信号处理机等。如果没有专门的处理设备，也可以使用计算机按下式计算：••（11-29）•式中：G(jkω0)为复数形式的传递函数；r(t)为横摆角速度的时间历程；T为总采样的时间间隔，s；T=kdt(k=1，2，3，…，n，n·ω0=3Hz)；dt为采样的时间间隔，s；ω0为计算时选用的最小圆周率，一般取ω0=0.1Hz；θ(t)为汽车转向盘转角的时间历程。•2．评价指标•在《汽车操纵稳定性指标极限与评价方法》中规定了3项评价指标，即谐振峰频率fp、谐振水平D及相位滞后角a。•11.6.4转向回正试验•转向回正性试验是鉴别汽车转向回正力的一种试验，也是转向盘力输入的一个基本试验，该试验能表征和评价一辆汽车由曲线行驶自由恢复到直线行驶的过渡过程和能力。•在本项试验中，在驾驶员松开转向盘之前，驾驶员作用于转向盘上的力为一定值，当驾驶员松开转向盘的一瞬间，作用于转向盘上的力由定值突然变为零。因此，实质上本试验也是转向盘力阶跃输入的瞬态响应试验，在一定程度上还能反映汽车“路感”的好坏。1．试验数据处理在汽车转向回正试验中，汽车横摆角速度过渡过程曲线大致有如图11.14所示的几种情况，其中曲线l、2为发散型，不进行数据处理；曲线3～7为收敛型，进行数据处理。•(1)时间坐标原点：由于惯性作用，驾驶员松手后转向盘不可能马上转动，因此，开始一段显现出圆角形状(图11.14中的AB)，以往是将松手前的一段直线与松手后的直线部分进行曲线拟合的(图11.14中的虚线部分)，其交点即为时间原点，但这样误差较大，现改为：在微动开关时间历程曲线上，以松开转向盘时微动开关所做的标记为时间坐标的原点。图11.14回正试验几种过程曲线•(2)稳定时间：稳定时间由松开转向盘的时刻起，至汽车横摆角速度到新稳态时为止转向盘输入；•(3)残留横摆角速度：汽车横摆角速度新稳态值与零线之差即为残留横摆角速度；•(4)自然频率：由于系统是多自由度的，横摆角速度并不是一个严格的等圆周运动，相邻振幅的比值也不等于常数(图11.15)。为了减小逼近误差，用下式计算f0，即：•（11-30）•式中：Ai为横摆角速度过渡曲线的峰值，rad/s；Δti为横摆角速度过渡曲线峰值间的时间间隔，s。•(5)衰减率(阻尼)D′。衰减率D′可用下式计算：••(11—31)•式中：A1为横摆角速度响应的第1个峰的峰值，rad/s；•Ai为横摆角速度响应的第i个峰的峰值，rad/s。•求得衰减率D′后，可在图11.16上查得与其相对应的阻尼系数ζ，或用下式计算：•(11—32)•当D′=0时，表明运动不衰减；当D′=l时，表明除了A1≠0外，其他幅值皆为零。•(6)力输入总方差：在力输入下，横摆角速度总方差E按下式计算：•(11-33)•式中：r1为横摆角速度响应的瞬时值，rad/s；r0为横摆角速度响应的稳定值，rad/s；Δt为采样时间间隔，s；n为采样点数。•(7)横摆角速度超调量：横摆角速度超调量σ是横摆角速度响应的第l个峰值超过稳态值的部分与稳态值之比(图11.17)，可按下式计算：•(11—34)•式中：r1为横摆速度响应的第1个峰值超过稳态值的部分，rad/s。•2．评价指标•我国转向回正试验的评价指标是横摆角速度总方差及残留横摆角速度。•转向轻便性试验•转向轻便性试验用来测定操舵力的大小，常见的操舵力试验有低速大转向角试验、中转速小转向角试验、高速转弯操舵力试验和原地操舵力试验4种，我国采用低速大转向角试验，试验车速为(10±1)km／h，若试验车速超过此范围，则视为无效。•1．试验路线如图11.18所示，转向轻便性试验有4种试验路线。•(1)两个相切圆的“8”字形试验：这种路线节省场地、试验方便，但获得的有用数据较小；•(2)转向盘以等速度转动时的“8”字形路线：这种路线的优点是消除了操舵力中的惯性力部分，缺点是整个试验过程中驾驶员难于控制使转向盘的转动角速度相等，因此，此试验难以实现；•(3)侧向加