汽車橫向瞬態響應試驗研究

黃 濤，周 奕

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

汽車橫向瞬態響應是影響汽車操縱穩定性的重要因素，會帶來諸如時間滯后、執行誤差、橫向波動等問題，嚴重影響駕駛員的操縱精度。車輛橫向瞬態響應通常采用角階躍輸入、角脈沖輸入、單正弦輸入作為主要的試驗方法。角階躍法主要評價車輛對轉角輸入的反應速度，通過對橫擺角速度的反應，評價車輛轉向反應的快慢；角脈沖輸入法通常用來分析車輛的頻率特性；單正弦輸入法用于分析車輛的反應靈敏度，通過橫擺角速度和橫向加速度對方向盤輸入的時延特性進行分析，評價車輛的操控性能。

在以往關于操縱穏定性的研究中，對角階躍輸入法和角脈沖輸入法的探討比較多，積累了大量的試驗數據。由于單正弦輸入法受技術限制，不能得到較好的輸入一致性，所以相關研究比較少。同時，單正弦輸入法能夠使汽車的行駛軌跡平移一段距離，這一過程類似車輛的“移線”試驗，在高速超車中會經常出現，該試驗也最能反映實際使用工況。近幾年，由于自動轉向機器人的應用，使轉向輸入的問題得到了很好的解決。本文對某國產SUV和某德系SUV車型進行試驗研究，通過角脈沖輸入獲得車輛的系統頻率特性，在車輛諧振頻率附近采用單正弦輸入法對汽車橫向瞬態響應特性進行探討。

1　汽車操縱響應的特性

如果汽車各個部分的力學特性都與轉向的劇烈程度無關，則系統的輸入、輸出便能保持一定的比例關系。在路面附著系數較大，而側向加速度較小的情況下，汽車轉向運動的輸入和輸出可以保持這種線性關系[1]。通常選擇在路面附著系數大于0.8的鋪裝路面上進行試驗，試驗橫向加速度選擇4 m/s2左右，在這個強度下能覆蓋大部分駕駛情況，又能保持輸入和輸出的線性關系。

線性階段的瞬態響應主要取決于車輛系統的固有參數，在有效通頻帶內的輸入和輸出保持相同的頻率特性。比如一個單正弦角輸入，輸出也是相應的同頻正弦波，并且隨輸入的幅值變化而變化[2]。

2　角脈沖輸入試驗

試驗采用某國產SUV和某德系SUV車型，國產車型為2.0T自動擋7座SUV，德系車型為1.8T雙離合7座SUV。試驗采用周期為0.4 s的方向盤三角脈沖輸入，為使車輛達到4 m/s2左右的橫向加速度，針對本次試驗選取幅值為60°的三角脈沖，試驗車速為100 km/h。三角脈沖輸入和橫擺角速度輸出曲線如圖1所示。

采用標準ISO 7401推薦的試驗數據處理方法，對試驗數據進行頻域化處理，獲得該車的幅頻特性曲線。標準和通常的試驗方法都是以汽車橫擺角速度頻率特性來表征汽車的系統頻率特性，但是瞬態試驗中汽車的橫向加速度也同樣重要，特別是單正弦試驗中橫向加速度直接關系到車輛的穩定性。能夠獲得橫向加速度頻率特性就可以得到橫向加速度的諧振頻率，以便更好地選擇單正弦試驗的輸入頻率。圖2和圖3分別是該車的橫擺角速度頻率特性曲線和橫向加速度頻率特性曲線。

圖1　三角脈沖輸入和橫擺角速度輸出曲線

圖2　橫擺角速度頻率特性曲線

圖3　橫向加速度頻率特性曲線

3　單正弦輸入試驗

3.1　試驗方法

單周期正弦輸入瞬態響應試驗是ISO 7401標準推薦的幾種瞬態響應試驗之一。根據圖3所示，方向盤幅值選取頻率為0.5 Hz的單周期正弦波，以100 km/h的速度勻速行駛，從而產生4 m/s2左右的橫向加速度，選取轉向幅值為35°，然后用方向盤幅值為35°的單正弦，分別以0.25 Hz、0.5 Hz、0.6 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz的頻率進行單正弦試驗。

3.2　不同頻率單正弦試驗的輸出特性

對恒定幅值變頻率的單正弦輸入，車輛的橫擺角速度和橫向加速度響應會出現相應的變化，其最大橫擺角速度和最大橫向加速度變化曲線如圖4和圖5所示。在單正弦試驗頻率1 Hz附近產生了最大橫擺角速度，這與圖2的橫擺角速度頻率特性曲線比較吻合；在0.5 Hz處能夠獲得最大橫向加速度，同樣能夠吻合橫向加速度頻率特性曲線。通過角脈沖試驗計算的頻率特性，具有較高的準確性，單正弦試驗的頻率選擇可以根據頻率特性曲線選擇諧振頻率附近的頻率，從而得到最嚴苛的結果，一般情況下無需選擇多頻率覆蓋。

圖4　最大橫擺角速度變化曲線

圖5　最大橫向加速度變化曲線

3.3　增益比率對比試驗

橫擺角速度增益、橫向加速度增益、橫擺角速度比率、橫向加速度比率都是重要的評價指標。采用ISO 7401提供的方法，橫擺角速度（橫向加速度）增益定義為橫擺角速度（橫向加速度）與相應的方向盤轉角第一個峰值之間的比值。橫擺角速度（橫向加速度）比率定義為橫擺角速度（橫向加速度）的第二個峰值與第一個峰值的比值，兩車的對比數據見表1。

表1　增益比率數據對比

橫擺角速度（橫向加速度）與轉向角度的增益反映出車輛對轉角的響應特性，但是受轉向系統的轉向比影響更大。橫擺角速度（橫向加速度）的比率則反映出車輛回正過程中的超調量。在高速駕駛中，越小的超調量越能獲得更優的穩定性。由表1可知，國產SUV的橫擺角速度和橫向加速度超調量均優于該款德系SUV車型。

3.4　時延特性

時延特性是指汽車輸出相對于方向盤輸入的時間延遲。根據汽車的操縱響應特性，在有效的通頻帶內，方向盤輸入一個單正弦，其對應的橫擺角速度、橫向加速度、車輛側傾角等輸出均保持同頻率的單正弦狀態（圖6）。但是相對于方向盤的輸入具有一定的時間延遲，一般稱之為汽車的反應時間。對于車輛駕駛操縱感來說，反應時間越短駕駛操縱感會越好，反應時間越長就會感覺車輛反應遲鈍，所以時延特性是評價車輛瞬態相應的一個重要指標。

圖6　輸入輸出同頻率特性

時延特性是輸出相對于整個單正弦輸入的時間延遲，而不是某一個峰值點的時間延遲，即整個輸入和輸出曲線的時間延遲。這個時間延遲是通過互相關函數計算出的。車輛的輸出是由方向盤的輸入引起的，因此它們是一對互相關序列。用x(t)和y(t)來分別表示輸入和輸出信號，y(t)是x(t)信號經過一段時間τ后產生的同頻信號，與x(t)具有高度的相似性。汽車的延遲時間就是要計算τ值。

單正弦試驗結果對數據分析方法比較敏感，在進行數據計算前需要對采集的數據進行濾波處理，濾波器的設計參考標準ISO 8/TR 725推薦的參數，采用2階Butterwoth濾波器進行5 Hz的低通濾波。將轉盤輸入信號定為x(t)，橫向加速度或橫擺角速度均為輸入信號激勵后產生的輸出信號y(t)，兩個信號的互相關函數為：

通過逐步增加τ把信號y(t)移向信號x(t)，從而獲得互相關函數Rxy的最大值，該最大值表示輸入和輸出具有最大相關度，即為輸入和輸出的時間延遲。

采用幅值35°、頻率0.5 Hz的單正弦對某國產SUV進行多次試驗，試驗車速為100±2 km/h，試驗數據見表2。由表2可知，時延特性具有相當好的一致性，輸入端正常的波動幾乎不對其產生影響。

表2　多次重復試驗數據

針對不同車速的試驗結果見表3。車速對橫擺角速度的延遲時間基本沒有影響，通過分析數據可以看出橫擺角速度與轉向系統相關，轉向間隙和轉向遲滯是其時間延遲的主要因素，懸架差異對其影響較小。橫向加速度和側傾角的時間延遲隨速度的增加而加大，延遲時間的加大會導致車輛的操作變得越來越困難，穩定性隨之下降。橫向加速度和側傾角的延遲特性與懸架和底盤具有密切的關系，通過簡單地改變幾個K&C參數難以得到理想的效果。

表3　不同車速試驗

與德系SUV的對比試驗，見表4和表5。由表可知，德系SUV的時間延遲優于國產SUV車型，兩車的主觀評價顯示在中速（50～100 km/h）和低速（0～50 km/h）階段，兩者基本無差異，但在高速（大于100 km/h）階段駕駛員能感到輕微的差異，這與瞬態響應試驗的結論比較一致。

表4　橫向瞬態響應對比試驗

表5　主觀評價試驗得分對比

4　結論

本文通過脈沖輸入和單正弦輸入對車輛橫向瞬態響應進行了試驗研究，脈沖輸入獲得的幅頻特性與不同頻率單正弦輸入獲得的結果具有較高的一致性，可以用幅頻特性曲線選取相應的頻率進行其它相關試驗。研究了單正弦試驗的一些特性，通過精確的輸入控制單正弦試驗能夠得到重復性和一致性都比較好的結果，這個結果可以作為操縱穏定性相關評價的指標，并且相對于主觀評價具有更好的量化性。

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