基于ISO 17288-2轉(zhuǎn)向脈沖開環(huán)試驗(yàn)方法研究

梁 東，劉亞歐，劉德帥 Liang Dong，Liu Ya’ou，Liu Deshuai

基于ISO 17288-2轉(zhuǎn)向脈沖開環(huán)試驗(yàn)方法研究

梁 東，劉亞歐，劉德帥
Liang Dong，Liu Ya’ou，Liu Deshuai

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

汽車檢測(cè)技術(shù)推動(dòng)著汽車安全性能的發(fā)展，汽車操縱穩(wěn)定性作為汽車安全性的重要指標(biāo)，需要對(duì)其檢測(cè)方法進(jìn)行深入研究。介紹了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17288-2中規(guī)定的試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)方法，并對(duì)2輛樣車進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)所提出的典型趨勢(shì)，進(jìn)而指出該試驗(yàn)方法的意義，并對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)在試驗(yàn)載荷、試驗(yàn)方法等方面提出建議。

操縱穩(wěn)定性；轉(zhuǎn)向脈沖；試驗(yàn)方法；試驗(yàn)驗(yàn)證；標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，汽車越來越成為大眾產(chǎn)品，使得交通運(yùn)輸業(yè)越來越趨于密集化、高速化和汽車駕駛員非職業(yè)化，隨之產(chǎn)生的交通事故也大幅上升[1]，因此需要提高汽車的安全性能。汽車操縱穩(wěn)定性是汽車安全性的重要指標(biāo)，不僅強(qiáng)調(diào)駕駛?cè)藛T對(duì)車輛的操縱，還強(qiáng)調(diào)車輛在受到外界干擾后的穩(wěn)定性能；因此需要對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。汽車操縱穩(wěn)定性受到輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向系等多種因素的影響[2]，基于ISO 17288-2[3]，研究轉(zhuǎn)向系阻尼對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響。通過選取2輛樣車開展相應(yīng)試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，該試驗(yàn)方法對(duì)底盤開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 轉(zhuǎn)向脈沖開環(huán)試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

為使試驗(yàn)結(jié)果真正反映車輛性能，需要車輛滿足出廠規(guī)定；因此，試驗(yàn)前需測(cè)定汽車四輪定位參數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)向系、懸架系進(jìn)行檢查、調(diào)整和緊固，并按規(guī)定進(jìn)行潤滑。

所有道路試驗(yàn)都需要規(guī)定試驗(yàn)載荷，該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試驗(yàn)車輛載荷為車輛整備質(zhì)量、駕駛員質(zhì)量以及不超過150 kg的儀器設(shè)備，車輛載荷達(dá)到最大允許總質(zhì)量同時(shí)不超過最大允許軸荷。

輪胎是汽車操縱穩(wěn)定性的重要影響因素[2]，因此輪胎應(yīng)該在被測(cè)試車輛或者相似車輛上磨合至少150 km，但需保證無過度使用，如緊急制動(dòng)、急加速、急轉(zhuǎn)彎、壓路肩等。磨合后，輪胎應(yīng)該保持在相同的位置上進(jìn)行測(cè)試。輪胎花紋深度應(yīng)為初始輪胎花紋深度90%以上。試驗(yàn)輪胎距離生產(chǎn)日期不應(yīng)超過1年。輪胎應(yīng)按照汽車制造商規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境溫度下的壓力充氣。當(dāng)胎壓小于等于250 kPa時(shí)，冷胎充氣壓力的誤差應(yīng)為±5kPa；胎壓超過250 kPa時(shí)，誤差應(yīng)不超過2%。試驗(yàn)前，以試驗(yàn)車速直線行駛10 km，或以側(cè)向加速度為3 m/s2時(shí)對(duì)應(yīng)的車速行駛500 m（左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)各進(jìn)行一次），使輪胎升溫。

1.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)車速下，駕駛員給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)轉(zhuǎn)向脈沖輸入，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角后，立刻釋放轉(zhuǎn)向盤，使車輛自由行駛，期間加速踏板位置保持不變。脈沖輸入的幅值使車輛產(chǎn)生（1±0.2）m/s2的初始側(cè)向加速度，逐漸增加脈沖輸入的轉(zhuǎn)角幅值Hp進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，以不超過0.5 m/s2的間隔增加側(cè)向加速度，直至側(cè)向加速度達(dá)到5 m/s2以上。

試驗(yàn)車速標(biāo)準(zhǔn)值為100 km/h，至少進(jìn)行3種車速的試驗(yàn)，其他車速參照標(biāo)準(zhǔn)車速以±20 km/h間隔變化確定。試驗(yàn)時(shí)，車輛以試驗(yàn)車速直線行駛，手動(dòng)變速器車輛采用最高擋位，自動(dòng)變速器車輛使用D擋。試驗(yàn)初始車速的誤差保持在±2 km/h以內(nèi)，試驗(yàn)過程中保持加速踏板位置不變。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線如圖1所示，0為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角首次達(dá)到最大幅值Hp10%的時(shí)刻，p為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角達(dá)到最大幅值的時(shí)刻，即轉(zhuǎn)向盤被釋放的時(shí)刻。p–0為增長時(shí)間應(yīng)在（0.2±0.05）s范圍內(nèi)。ss為推薦的穩(wěn)態(tài)直線行駛時(shí)刻，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集從ss–0.5 s時(shí)刻開始，終止時(shí)刻為下面2種情況耗時(shí)較短者：（1）轉(zhuǎn)向振蕩完全衰減；（2）0＋5 s時(shí)刻。圖中為轉(zhuǎn)向盤釋放后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自由轉(zhuǎn)向狀態(tài)；為從測(cè)試開始時(shí)刻至轉(zhuǎn)向盤幅值達(dá)到最大幅值10%的時(shí)刻，時(shí)間過程需控制在0.5～0.8 s。

圖1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入

2 試驗(yàn)測(cè)試變量及試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)考察車輛轉(zhuǎn)向系對(duì)整車穩(wěn)定性的影響，標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)量變量為縱向車速、側(cè)向加速度、橫擺角速度以及轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向脈沖試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各變量的快速精確采集。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由陀螺儀、轉(zhuǎn)向盤測(cè)力計(jì)和數(shù)據(jù)采集器組成，通過PC機(jī)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。測(cè)試系統(tǒng)邏輯原理如圖2所示。選用的設(shè)備參數(shù)及精度見表1。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

表1 設(shè)備信息及各變量精度

注：—為無此項(xiàng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 試驗(yàn)車輛

以2款轎車為例，基于搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行轉(zhuǎn)向脈沖開環(huán)試驗(yàn)，分析車輛的操縱穩(wěn)定性能。試驗(yàn)車輛基本參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)車輛基本參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)中通過處理車輛橫擺角速度隨時(shí)間的響應(yīng)，得到橫擺角速度阻尼和阻尼時(shí)間。車輛橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線

橫擺角速度的阻尼為

其中，

對(duì)于每次試驗(yàn)的橫擺角速度的阻尼和橫擺角速度的阻尼時(shí)間進(jìn)行如下處理：

（1）在每個(gè)初始側(cè)向加速度a水平下，確定評(píng)價(jià)函數(shù)?（a）=和（a）=0.1；

（2）繪制函數(shù)?（a）、（a）與a的關(guān)系曲線；

（3）對(duì)a在3～5 m/s2之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合；

（4）計(jì)算a為4 m/s2時(shí)的線性回歸值，阻尼線性回歸值與阻尼時(shí)間線性回歸值分別表示為q和q0.1；

（5）使用式（6）計(jì)算線性梯度，阻尼線性梯度與阻尼時(shí)間線性梯度分別用m和m0.1表示

=(5–3)/(5-3e) （6）

式中：表示m或m0.1，5和3分別為函數(shù)(a)或函數(shù)(a)中側(cè)向加速度為5 m/s2、3 m/s2時(shí)的數(shù)值；

（6）分別給出q、q0.1、m、m0.1在縱向車速V為80 km/h、100km/h和120km/h下的試驗(yàn)數(shù)值。

3.3 結(jié)果分析

依據(jù)1.2節(jié)中的試驗(yàn)方法，對(duì)選取的車輛進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，通過PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控各參數(shù)變量，控制車速、轉(zhuǎn)向時(shí)間以及側(cè)向加速度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)選取80 km/h、100 km/h和120 km/h 3個(gè)試驗(yàn)車速點(diǎn)，分別完成轉(zhuǎn)向脈沖試驗(yàn)，并按照3.2節(jié)中的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析。圖4～圖9分別為01號(hào)車在80 km/h、100 km/h和120 km/h車速下的阻尼、阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系，圖10～圖15分別為02號(hào)車在80 km/h、100 km/h和120 km/h車速下的阻尼、阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系。

圖4 01車80 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖5 01車80 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

圖6 01車100 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖7 01車100 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

圖8 01車120 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖9 01車120 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

圖10 02車80 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖11 02車80 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

圖12 02車100 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖13 02車100 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

圖14 02車120 km/h車速阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系

圖15 02車120 km/h車速阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系

通過對(duì)圖4～圖15中的擬合曲線進(jìn)行分析，分別計(jì)算側(cè)向加速度為4 m/s2時(shí)的線性回歸值，并按照式（6）計(jì)算阻尼與側(cè)向加速度關(guān)系的線性梯度和阻尼時(shí)間與側(cè)向加速度關(guān)系的線性梯度。2款車的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 2款車的試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

由表3可知，01車阻尼回歸值分布在0.1～0.3，02車阻尼回歸值分布在0.3～0.5。阻尼時(shí)間回歸值與阻尼回歸值負(fù)相關(guān)，即阻尼越小，阻尼時(shí)間越長。所有試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)非線性特性，符合中高側(cè)向加速度下的車輛響應(yīng)特性。

阻尼線性梯度大多數(shù)為負(fù)值，表示隨著車輛側(cè)向加速度增大，車輛轉(zhuǎn)向阻尼會(huì)逐漸減小。但是02車在80 km/h車速時(shí)，其阻尼線性梯度為正值，說明在該車速下，車輛轉(zhuǎn)向阻尼隨著側(cè)向加速度的增大而增大，影響到車輛在該車速下的轉(zhuǎn)向控制。

采用標(biāo)準(zhǔn)中具體的試驗(yàn)方法對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但是針對(duì)不同的車型，標(biāo)準(zhǔn)沒有給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同車輛具有不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性，其脈沖輸入自由轉(zhuǎn)向的橫擺角速度、側(cè)向加速度響應(yīng)表現(xiàn)沒有絕對(duì)的優(yōu)劣之分，相關(guān)特征值可以為汽車設(shè)計(jì)提供參考，從而提高車輛的自由轉(zhuǎn)向特性。

4 國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化探討

ISO 17288-2是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的標(biāo)準(zhǔn)，我國沒有類似標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)車輛轉(zhuǎn)向特性，為實(shí)現(xiàn)“到2020年，重點(diǎn)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化率力爭達(dá)到90%以上”的目標(biāo)[4]，可以考慮將該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化提出以下建議：

（1）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定試驗(yàn)車輛載荷包括車輛整備質(zhì)量、駕駛員以及不超過150 kg的儀器設(shè)備，達(dá)到車輛最大允許總質(zhì)量，不超過最大允許軸荷。考慮到車輛在相同載荷條件下的結(jié)果對(duì)比以及車輛的日常使用狀態(tài)，建議增加條目“試驗(yàn)質(zhì)量為車輛整備質(zhì)量、1名駕駛員、1名試驗(yàn)員以及必要的儀器設(shè)備”，該條目內(nèi)容在整車開發(fā)過程中及整車目標(biāo)設(shè)定中被廣泛使用。

（2）標(biāo)準(zhǔn)要求考察每個(gè)車速下a值在1～5 m/s2的轉(zhuǎn)向性能，但是在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)a= 1 m/s2時(shí)，因轉(zhuǎn)向回正力矩偏小以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼等原因，橫擺角速度等參數(shù)無法回歸零位，無法讀取峰值數(shù)據(jù)，如圖16所示為02車在側(cè)向加速度為1.5 m/s2時(shí)的橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線，從曲線中可以看出，橫擺角速度在第一個(gè)谷值后趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波峰與波谷，使峰值處數(shù)值無法準(zhǔn)確獲取；因此，建議側(cè)向加速度從2 m/s2開始采集數(shù)據(jù)，大于5 m/s2后停止采集，可以覆蓋3～5 m/s2的側(cè)向加速度范圍，不影響數(shù)據(jù)分析。

圖16 02車aY =1.5 m/s2時(shí)橫擺角速度變化曲線

5 結(jié) 論

對(duì)ISO 17288-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)解讀，并選取了2款車輛進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該試驗(yàn)可以用于車輛動(dòng)力學(xué)尤其是車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性研發(fā)。結(jié)合整車日常使用狀態(tài)以及車輛開發(fā)狀態(tài)，給出試驗(yàn)質(zhì)量的推薦值；并發(fā)現(xiàn)車輛在低側(cè)向加速度工況下，由于車輛回正力矩偏小等因素，使車輛橫擺角速度無法回歸零位，無法識(shí)別峰值，從而無法進(jìn)行計(jì)算；因此，建議從側(cè)向加速度為2 m/s2時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，不僅不影響試驗(yàn)分析，而且可以減少試驗(yàn)時(shí)間。

[1]宗長富，郭孔輝. 汽車操縱穩(wěn)定性的研究與評(píng)價(jià)[J]. 汽車技術(shù)，2000（6）：6-11.

[2]郭寬友. 汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素及評(píng)價(jià)方法研究[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，21（7）：53-56.

[3]ISO.Passenger cars — Free-Steer Behaviour — Part 2: Steering- Pulse Open-Loop Test Method: ISO 17288-2: 2011[S/OL].（2011-02-16）[2020-01-08]. https://www.iso.org/standard/53603.html.

[4]質(zhì)檢總局，國家標(biāo)準(zhǔn)委，工業(yè)和信息化部.裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃[EB/OL].（2016-08-02）[2020-01-08]. http://www. miit.gov. cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757018/c5180173/content.html.

2020-03-09

U467.1+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.03.004

1002-4581（2020）03-0013-05