汽車操縱穩定性道路試驗和評價系統設計

郭潤清，姜兆娟，高明秋

（1. 中國汽車技術研究中心，天津 300300 2. 一汽豐田技術開發有限公司，天津 300457）

汽車操縱穩定性道路試驗和評價系統設計

郭潤清1，姜兆娟2，高明秋1

Guo Runqing1，Jiang Zhaojuan2，Gao Mingqiu1

（1. 中國汽車技術研究中心，天津 300300 2. 一汽豐田技術開發有限公司，天津 300457）

汽車的操縱穩定性（操穩）直接影響汽車的主動安全，針對整車道路試驗建立操穩試驗測試平臺，解決了各操穩試驗變量物理信號的實時采集和儲存，基于Matlab GUI開發操穩試驗后處理軟件，實現了操穩數據的自動化分析和打分。利用測試和評價系統，完成某款國產轎車操穩性能的道路測試和評價，驗證了測試系統和后處理軟件的實用性。

汽車；操縱穩定性；道路試驗；Matlab GUI

0 引 言

汽車的操縱穩定性是影響汽車高速行駛安全性的主要因素，其由相互聯系的操縱性和穩定性2部分組成。操縱性是指汽車能快速準確地響應駕駛員轉向指令的能力；穩定性是指汽車在受到擾動后能恢復初始運動狀態的能力[1]。隨著道路的改善，現代汽車趨于高速化，車流密集化，但駕駛員的駕駛技能趨于非職業化，這對現代汽車的操縱穩定性提出了更高的要求[2]。汽車的操縱穩定性已成為現代汽車性能的重要評價指標，所以，被稱為“高速汽車生命線”的汽車操縱穩定性的研究日益受到重視，成為現代汽車的研究重點[3，4]。

汽車道路試驗是在規則路面輸入和典型駕駛輸入下對汽車的動力性、主動安全性、平順性和通過性等性能的不解體實車測試[5]。汽車的操縱穩定性能是由整車多系統的性能和相互匹配程度決定的，如轉向系、制動系、懸架和輪胎等[1]，其道路試驗測試及試驗數據處理是較大的難點。

文中建立了集成度高、可靠性強、數據采集同步、接口模塊化的操穩道路測試系統和開發了交互式的后處理軟件，實現了操穩道路試驗變量的精確采集和試驗數據的自動化處理。

1 操穩道路試驗要求

1.1 試驗項目及測量變量

現行國內汽車操縱穩定性道路試驗和評價的依據是GB/T 6323—1994和QC/T 480—1999，標準推薦了6項操穩試驗項目，分別是蛇行試驗、轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角階躍輸入）、轉向瞬態響應試驗（轉向盤轉角脈沖輸入）、轉向回正性能試驗、轉向輕便性試驗和穩態回轉試驗。目前，國內車輛產品公告主要基于轉向回正性能、轉向輕便性和穩態回轉3項試驗對車輛操穩性能進行評判，所以文中主要針對這3項操穩試驗進行研究。

表1給出了3項試驗的測量變量、評價指標以及需要繪制的變量特性圖，可見主要的測量變量是車身側傾角、車輛側向加速度、車輛橫擺角速度、車輛前進車速、轉向盤作用力矩和轉向盤轉角。基于表1要求，設計操穩試驗測試硬件系統，實現上述各操穩試驗變量的快速精確采集，并自主開發操穩試驗計算機評價軟件，實現相關變量特性圖的繪制和評價指標的自動化分析。

表1 操穩試驗測量變量和評價指標要求

1.2 試驗條件

試驗開始前，應測定車輪定位參數，對轉向系、懸架系進行檢查，并按規定進行調整、緊固和潤滑。樣車若用新輪胎，輪胎至少應經過200 km正常行駛的磨合；若用舊輪胎，試驗終了，殘留花紋高度應不小于1.5 mm。試驗汽車為廠定最大總質量狀態（含駕駛員、試驗員及測試儀器的質量）。乘員和裝載物的分布應符合GB/T 12534中3.1.2、3.1.3的規定，輪胎氣壓應符合GB/T 12534中3.2的規定。試驗場地應為干燥、平坦且清潔的水泥或瀝青路面，任意方向的坡度不大于 2%。試驗時風速應不大于5 m/s，大氣溫度在0～40℃之間。

2 操穩道路試驗硬件平臺建立

2.1 硬件組件

為實現表 1中各操穩試驗變量的同步精確采集，建立了一套集成度高、可靠性強、接口模塊化的硬件試驗系統，其邏輯原理圖如圖1所示。該道路試驗用汽車操縱穩定性集成測試評價平臺包括測量各試驗變量的陀螺儀、轉向盤適配器和 GPS速度計，與多個車載傳感器相連的實時接收車載傳感器所采集信息的數據采集系統，連接數據采集系統對所采集的信息進行處理的主控PC機以及自主開發的操穩自動評價軟件。

其中，陀螺儀采用的是WATSON的MEMS等級的 DMS-SGP01陀螺儀，該陀螺儀體積尺寸小，其三軸向傳感器裝置配備串行接口并通過串行接口發送所有試驗數據到數據采集系統。該數據采集系統為 HIOKI8430-21型可擴展多通道數據采集系統，其所有通道為10 ms掃描方式高速采樣率，數據可直接存儲至CF卡并通過USB接口與主控PC機連接，其各通道采集的操穩試驗物理量信號如表2。轉向盤適配器使用的是KYOWA 的SFA-B-10035轉向盤轉角和轉向力矩傳感器，其采樣精度和范圍均能滿足試驗要求。車輛前進車速通過GPS YT-100速度計獲得，采樣車速精度達0.01 km/h，采樣周期能到達10 ms。信號放大器是KYOWA的WGA-670B，將轉向盤適配器的轉角和力矩微電壓信號進行放大，然后傳送到數采系統。后處理分析程序則實現了人機交互，自動處理數據采集系統儲存的操穩試驗數據，依據QC/T 480—1999標準對試驗車輛的操縱穩定性能進行評價打分。安裝有自主開發的后處理軟件的PC主機為一款平板電腦，其可以通過USB接收數采的試驗數據，現場進行數據后處理分析。

根據水利工程的功能，水利工程可分為防洪工程、農田水利工程、水力發電工程、巷道港口工程、城鎮供排水工程、環境水利工程、漁業水利工程、海涂圍墾工程等。對于大多數類型的水利工程，施工建設會對山體結構以及植被造成破壞，并不同程度地改變當地的地形，因而削弱了植物的光合作用以及保持水土、調節溫度等功能，當地的溫度、降雨量、地表蒸發量等氣候條件都會出現一定的變化。

表2 數采系統各通道所代表的物理量信號

2.2 各組件功能

該測試評價平臺，基于陀螺儀實時獲取整車試驗中的車身側傾角、橫擺角速度和側向加速度，基于GPS速度傳感器實時獲取操穩試驗中整車的前進車速，基于轉向盤適配器實時獲取車輛轉向盤的轉角和作用轉向盤的力矩。該平臺實現了在整車道路試驗過程中實時接收、監控、存儲和再現汽車操縱穩定性各變量的信號，且均以差分模擬物理量形式實時輸入給可擴展的多通道平臺數據采集系統。HIOKI8430-21型多通道數據采集系統實時接收傳感器輸入的差分模擬物理信號，可進行數值計算，將采集結果實時展現于寬屏、高亮度的彩色液晶屏上，具有很好的直觀性。數采系統通過USB串行端口將儲存的試驗數據傳送到主控PC機，便可通過自主開發的汽車操縱穩定性后處理分析程序快速地完成試驗數據的處理和本次操穩試驗的打分。該汽車操縱穩定性后處理分析程序是基于 Matlab GUI開發的人機交互式軟件，代碼近萬行，具有獨立的原創性。

3 操穩后處理軟件系統開發

Matlab GUI即Matlab圖形用戶界面編程，是在圖形界面下創建顯示與用戶交互的組建元素，用戶可以通過鼠標、鍵盤等操作實現組件的特定功能，程序會直觀顯示運行結果[6]。操穩試驗采集的各變量數據較龐大，針對這一特點，基于Matlab GUI開發了交互式的操穩試驗后處理系統，實現了試驗數據的快速準確處理和試驗車輛操穩性能評判。

該軟件主界面如圖2所示，主要由繪圖區、試驗信息區和向導式操作區3部分組成。繪圖區顯示程序處理完獲得的穩態回轉的轉彎半徑比、前后軸側偏角差值和車廂側傾角3個重要特性圖，轉向回正的轉向盤轉角時間里程曲線和橫擺角速度時間里程曲線，以及轉向輕便性的轉向盤轉角-轉向盤力矩關系曲線。試驗信息區則提供了試驗信息輸入的窗口，試驗信息主要包括變量采集周期、轉彎半徑、試驗車輛的轉向盤直徑、軸距、車型、最大總質量和最高車速等，它們是試驗數據處理和操穩性能評判的已知量，檢測員必須根據實際情況填寫。同時，試驗信息區會顯示試驗中各測量變量在試驗車輛靜止或直線行駛時的初始值，程序處理時將從試驗數據中去除這些初始值，消除試驗儀器的影響，提高試驗精度。操作區是向導式的，符合人們的思維習慣。操作區自上而下主要由操穩項目選擇，數據導入、處理，濾波繪圖，曲線擬合和評判打分5部分組成。

軟件導入的數據文件格式是excel，濾波操作提供了曲線平滑、中值濾波、均值濾波、限幅濾波和限幅均值濾波 5個選擇，曲線擬合可實現多項式1～5次擬合。根據QC/T 480—1999汽車操縱穩定性指標限值與評價方法，評判打分實現了操穩各項目的單項打分和整車操穩性能的綜合打分，兩者的界面如圖3。

通過該后處理軟件，檢測人員可以在第一時間客觀地獲得試驗車輛的操穩性能評判，從而實現對操穩試驗和試驗車輛的快速響應，避免了二次試驗造成的時間、財力和人力等資源的浪費，提高了試驗效率。

4 操穩實例分析

4.1 試驗車輛

表3 某款國產車操穩試驗相關參數

該車最大總質量1 500 kg，試驗前車輛合理配載到1.5 t左右，試驗中各傳感器的采樣周期為20 ms，穩態回轉試驗中的轉彎半徑為15 m。該車最小轉彎直徑為10.1 m，所以輕便性試驗中雙紐線的最小曲率半徑Rmin由式（1）計算得到為5.56m，從而設計出該車輕便性試驗的雙紐線。

4.2 試驗后處理結果

4.2.1 操穩特性圖

試驗根據標準要求，穩態回轉、轉向回正中分別進行左轉、右轉 3次試驗，轉向輕便性中試驗車沿雙紐線行駛3圈，車速保持在10 km/h左右。陀螺儀、轉向盤適配器和GPS速度計實時測量試驗中的側傾角、橫擺角速度、側向加速度、轉向盤轉角、轉向盤作用力矩和前進車速，各變量測量數據通過圖 1中的各輸出端口儲存到平臺的數據采集器中，再通過USB串行端口轉存到PC機進行后處理。基于自主開發的后處理軟件系統，該國產車在穩態回轉、轉向回正和轉向輕便性中某次試驗數據處理結果如圖4，圖中淺色曲線為3次擬合曲線。

可以看出，在穩態回轉試驗中，車輛側向加速度達到7.0 m/s2，滿足GB/T 6323中“直至汽車的側向加速度達到6.5 m/s2”的要求，試驗中車廂的側傾角隨車輛的側向加速度增大而不斷增大，最大側傾角達到9.0°；轉彎半徑比值也隨側向加速度的增大從1.0增大到1.5，說明車輛在穩態回轉中轉彎半徑不斷增加，為不足轉向；前后軸偏角差值也是遞增的，不存在中性轉向點。轉向回正中，在試驗員突然松開轉向盤后不到1 s的時間內，車輛的橫擺角速度就已趨于很小且保持穩定，說明該車具有較好的轉向回正性能。圖 4中可以看出，力矩隨轉角變化很平穩，轉向盤左右轉角基本一致為 6 rad，最大轉向盤作用力矩僅為 4.0 N·m，說明該車具有良好的輕便性。

4.2.2 操穩性能評判結果

將本次操穩試驗所有數據導入軟件系統處理后，即可獲得該國產轎車操穩性能的打分，計算效率大大提高。依據QC/T 480—1999，表4給出了本次試驗處理后對該國產轎車操穩性能的綜合評判。可以看出該車在穩態回轉中不存在中性轉向點 an，說明該車在穩態回轉試驗全程中表現為不足轉向，滿足標準要求獲得滿分；左右方向不足轉向度U分別達到3.78 g和2.36 g，具有很高水平，說明試驗中樣車表現為較高的不足轉向特性；但該車車廂側傾度表現較差，僅為及格分數，說明試驗中當側向加速度達到一定值后，其側翻的趨勢較明顯。轉向回正中殘留橫擺角速度△r和橫擺角速度總方差ET都較小，分數都達到90分以上，說明樣車轉向系具有良好的自動回正性能。該車輕便性表現優異，轉向盤平均作用力和最大作用力 2項都為滿分。最終該車操縱穩定性綜合得分為 93.2，說明該車具有較優良操縱性的同時兼備較高的穩定性。

表4 某國產轎車操縱穩定性打分結果

5 結 論

1）汽車的操縱穩定性對汽車的主動安全有著最直接的影響，基于道路試驗的操穩測試系統集成度高，變量采集精確，直觀易操作，實用性高。

2）基于Matlab GUI開發的操穩試驗后處理軟件，可以在第一時間客觀分析試驗車輛的操穩性能，從而實現對操穩試驗和試驗車輛的快速響應，避免了二次試驗造成的資源浪費，提高了試驗效率。

3）汽車操縱穩定性軟硬件平臺實現了無縫結合，為操穩性能規模化試驗提供了可能。

4）基于操穩試驗和評價平臺，實現了某國產轎車操縱穩定性的測試和評價，結果顯示該車兼具優良的操縱性能和穩定性能。

[1]郭寬友. 汽車操縱穩定性的影響因素及評價方法研究[J]. 重慶工學院學報（自然科學版），2007，21（7）：53-56.

[2]宗長富，郭孔輝. 汽車操縱穩定性的研究與評價[J]. 汽車技術，2000，（6）：1-6.

[3]李顯生. 提高商用車操縱穩定性的研究[J]. 汽車工程，2000，22（3）：198-200.

[4]宗長富，郭孔輝. 汽車操縱穩定性的主觀評價[J]. 汽車工程，2000，22（5）：381-383.

[5]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊：試驗篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]王正林，劉明. 精通Matlab7[M]. 北京：電子工業出版社，2006.

U467.1+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.012

1002-4581（2015）06-0037-05

2014?09?22