汽車操縱穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)回轉試驗及評價

苗文興 劉秋影 梁延召 武杰

（漢騰汽車有限公司）

隨著汽車普及率的提高，用戶對汽車操縱穩(wěn)定性的要求也越來越高。如果汽車的操縱穩(wěn)定性較差，不僅會降低用戶的駕駛體驗，而且會增加發(fā)生交通事故的風險，因此，汽車操縱穩(wěn)定性在保障和提升汽車產品競爭力中占據著核心地位。操縱穩(wěn)定性又是底盤設計開發(fā)中重要、復雜的環(huán)節(jié)。操縱穩(wěn)定性評價包含穩(wěn)態(tài)評價與動態(tài)評價，實際的操縱穩(wěn)定性問題都是動態(tài)問題，尤其是駕駛員的主觀感受，但合理的穩(wěn)態(tài)特性是汽車具備良好的動態(tài)特性的必要條件[1]；穩(wěn)態(tài)回轉試驗作為評估穩(wěn)態(tài)特性的試驗方法，是操縱穩(wěn)定性最基本、最核心的試驗項目。文章結合國內外試驗標準及不同車型底盤的開發(fā)經驗提出了其他的評價指標，用以更充分地評估汽車的操縱穩(wěn)定性，并對各評價指標及其工程意義進行了討論，以某車型的試驗結果為例，進行分析且提出了改善方案，經驗證主觀評價得到改善。

1 汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法

國家標準及ISO 標準均提供了汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法，國家標準推薦固定轉向盤轉角法，ISO 標準列舉了固定轉彎半徑、固定轉向盤轉角及固定車速3 種方法。固定轉彎半徑法和固定車速法更貼近通常的駕駛情況，因固定車速法需較大面積的試驗場地，故多采用固定轉彎半徑法[2]156。

固定轉彎半徑法是汽車以最低穩(wěn)定車速沿預定的圓周（推薦半徑為100 m）行駛，然后緩慢加速，過程中不斷地調整轉向盤轉角使試驗車保持在預定圓周上，直至汽車無法保持沿預定圓周行駛。記錄轉向盤轉角、轉向盤力矩、行駛車速、橫擺角速度、側向加速度、車身側傾角等變量，亦可進行車輪矢量測量。對于最高車速稍低的車型應選擇稍小的試驗半徑，以達到車輛側向極限。

2 汽車穩(wěn)態(tài)回轉試驗評價指標

穩(wěn)態(tài)回轉試驗數據中包含豐富的信息，根據記錄的變量分別繪制車身側傾角與側向加速度、轉向盤轉角與側向加速度、轉向盤力矩與側向加速度、前后軸側偏角差與側向加速度等關系曲線，從這些曲線中可提取不同的評價指標。

2.1 汽車線性區(qū)不足轉向度

不足轉向度是汽車前后軸側偏角差與側向加速度關系曲線上某側向加速度值處的斜率。對前后軸側偏角差與側向加速度關系曲線上側向加速度為0.1g～0.35g所對應的區(qū)間做線性擬合，其斜率為線性區(qū)不足轉向度。汽車應具備適度的不足轉向特性，一般的線性區(qū)不足轉向度設計范圍，如表1 所示。

表1 汽車線性區(qū)不足轉向度設計范圍表 （°）/g

2.2 極限側向加速度

極限側向加速度是指能夠達到的側向加速度最大值，一定程度上決定了車輛的操控極限，該值越大越意味著能以較高的車速通過彎道，對行駛安全有利；高質心車輛不宜設定高極限側向加速度，以降低側翻風險。一般的極限側向加速度取值區(qū)間為0.6g～0.9g。

2.3 線性區(qū)轉向盤轉角梯度

對轉向盤轉角與側向加速度關系曲線上側向加速度為0.1g～0.35g 所對應的區(qū)間做線性擬合，其斜率為線性區(qū)轉向盤轉角梯度，亦表征了車輛不足轉向特性，反映了汽車在通過彎道時駕駛員的轉向操作量，適度的操作量可在一定程度上提高駕駛員的主觀感受。一般的線性區(qū)轉向盤轉角梯度取值區(qū)間為25～60（°）/g。

2.4 線性區(qū)轉向力矩梯度

對轉向盤力矩與側向加速度關系曲線上側向加速度為0.1g～0.35g 所對應的區(qū)間做線性擬合，其斜率為線性區(qū)轉向力矩梯度。轉向力矩梯度在一定程度上表征了轉向系統(tǒng)路感及回正能力，駕駛員通過轉向操縱力感知汽車所處的狀態(tài)，尤其是側向加速度水平，較大的轉向操縱力意味著較大的轉向回正力。一般的線性區(qū)轉向力矩梯度取值區(qū)間為4～9 N·m/g。

2.5 最大轉向力矩及其對應的側向加速度

隨著行駛車速和側向加速度的提高，回正力逐漸增大，轉向控制力也不斷增大；接近側向極限時，常降低轉向控制力，以提示駕駛員汽車將達到側向極限并作出調整，以免發(fā)生危險。合理的最大轉向力矩及對應的側向加速度設定，有利于駕駛員充分感知汽車狀態(tài)，以避免汽車失控，從而降低事故率。一般的最大轉向力矩取值區(qū)間為3～9 N·m，對應的側向加速度一般為極限側向加速度減小0.05g～0.1g。

2.6 車身側傾梯度

對車身側傾角與側向加速度關系曲線上側向加速度為0.1g～0.35g 所對應的區(qū)間做線性擬合，其斜率為車身側傾梯度。過大的側傾使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全；但較小的側傾需設定較大的側傾剛度，致轉彎時載荷轉移加大，會降低車輛側向極限，單側車輪遇到凹坑或凸起時，車廂內會感受到沖擊，平順性差[3]。汽車應具備適度的車身側傾梯度，典型的車身側傾梯度設計范圍，如表2 所示。

表2 車身側傾梯度設計范圍表 （°）/g

3 實例分析

按照前文的試驗方法及評價指標，對某SUV 車型進行了穩(wěn)態(tài)回轉試驗，試驗結果，如圖1～圖4 所示。

圖1 轉向盤轉角與側向加速度的關系曲線圖

圖2 前后軸側偏角差與側向加速度的關系曲線圖

圖3 轉向力矩與側向加速度的關系曲線圖

圖4 車身側傾角與側向加速度的關系曲線圖

由圖1 可見，線性區(qū)轉向盤轉角梯度為27.99（°）/g，試驗結果表明：

1）該車呈不足轉向，隨著側向加速度的增大，為保持沿預定的軌跡行駛，駕駛員需增大轉向盤轉角；

2）該車加速通過轉彎路段時，為保持汽車沿預定的軌跡行駛，駕駛員的轉向操作量大小在較合理的范圍內。

由圖2 可以得出，線性區(qū)不足轉向度為2.16（°）/g，極限側向加速度為0.87g。試驗結果表明：

1）該車線性區(qū)不足轉向度大小合理，與其運動型定位相符；

2）線性區(qū)到非線性區(qū)過渡平穩(wěn)；

3）極限側向加速度大小合理，主觀評價亦表明該車具備較好的極限操控能力。

對于固定轉彎半徑試驗，ISO 中規(guī)定的不足轉向度計算方法，如式（1）所示。

式中：U——不足轉向度，（°）/g；

δH——轉向盤轉角，（°）；

aY——側向加速度，g；

iS——轉向角傳動比[4]。

該車的轉向盤轉角梯度與不足轉向度的比值為12.95，與該車轉向角傳動比測試結果存在些許偏差，其原因如下：

1）由轉向系統(tǒng)的柔性導致；

2）轉向角傳動比波動；

3）懸架運動學及彈性運動學特性的影響[2]157。

由圖3 可以看出，隨著側向加速度的增加，轉向力矩不斷增大，線性區(qū)轉向力矩梯度為7.33 N·m/g；側向加速度為0.77g 時，轉向力矩達到峰值，之后轉向力矩呈下降趨勢，試驗結果表明：

1）轉向力矩梯度較大，隨著側向加速度的增加轉向力矩增加較明顯，手力反饋清晰；

2）最大轉向力矩及其對應的側向加速度均合理，有利于駕駛員感知車輛側向極限。

由圖4 可以得出，車身側傾梯度為3.85（°）/g，作為SUV，其車身側傾梯度較小，有利于提高穩(wěn)定性，但可能會對行駛平順性不利，評價結果表明該車平順性較差。

綜上分析，該車在操縱穩(wěn)定性方面應予以改進的提議如下：

1）優(yōu)化EPS 特性，適度降低轉向力矩梯度，以改善側向加速度工況下的轉向輕便性；

2）適度降低穩(wěn)定桿直徑，適當提高車身側傾度，以改善行駛平順性。

4 結論

文章對穩(wěn)態(tài)回轉試驗方法進行了討論，提出了相應的評價指標及各指標的推薦設計范圍，豐富了操縱穩(wěn)定性評價體系，除可對線性區(qū)操縱穩(wěn)定性進行評價外，亦可對非線性區(qū)操縱穩(wěn)定性進行評價，有助于更好地設計汽車的操縱穩(wěn)定性，有利于降低汽車安全事故、提高車輛駕駛樂趣。鑒于操縱穩(wěn)定性評估的多樣性，在實際工程實踐中，需綜合主觀評價、K & C、其他試驗項目測試結果及競品車表現(xiàn)制定具體的設計方案。