車輛加速工況駕駛性評價

李玉珍 葉春林 毛萬鑫

（1.上汽通用五菱汽車有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著社會經濟的發展與進步，家用汽車的數量逐漸增多，用戶的駕駛水平也有所提升。用戶對輕型汽車駕駛性的需求也在不斷地提高，對動力性、舒適性以及NVH等性能的要求更加嚴格，這就對車企整車開發的技術提出了更高的要求。汽車的駕駛性是在汽車縱向行駛過程中人車交互的綜合感知，包括汽車的靜態性能和動態響應能力。汽車的駕駛性可以體現車型的定位和品牌的能力，是影響產品市場競爭力的重要因素。在滿足安全性和經濟性的前提下，舒適性和人性化必將成為未來輕型汽車性能開發的主要方向[1]。

1 駕駛性評價方法

可以從不同角度、使用不同方法對汽車的駕駛性能進行評價。目前常用的方法主要有主觀評價和客觀評價。由于駕駛性的構成較為復雜，包括汽車在不同方向上的動態響應，因此主觀評價可以從汽車駕駛的多個維度進行評價；客觀評價能對汽車的駕駛性進行量化，通過分析可以將汽車駕駛性與車輛性能的參數結合在一起，從而指導開發性能參數。主客觀評價汽車駕駛性針對的是汽車不同狀態下的性能?？陀^評價主要對車輛的穩態性能進行評估；而主觀評價主要是對車輛的瞬態品質進行評估[2]。

1.1 主觀評價

主觀評價是指駕駛員在駕駛時可以通過五官和身體的內部感覺對車輛的動態響應做出主觀評價。國外企業使用AUDIT評價法、SAE主觀評車標準以及日本的五分制打分等。國內駕駛性評價起步較晚，但近幾年，國內企業和研究機構都開展了對駕駛性主觀評價的相關研究，例如中國汽車研究中心2017年發布了EV-TEST主觀評價管理規則，其評分方法見表1。

表1 EV-TEST評分方法

國外相關學者使用不同方法對汽車的駕駛性進行綜合評價，例如駕駛性指標體系構建、多元線性回歸虛擬評價、神經網絡虛擬評價以及仿真分析與測試評價方法等。國內也在開展相關研究，并逐步形成了基于模糊理論、動態規劃等算法的駕駛性評價方法。

1.2 客觀評價

客觀評價是指在特定工況下通過一系列傳感器對車輛進行測試，采集車輛的控制參數和狀態參數，分析所得的結果并建立汽車相關性能與參數之間的聯系。在汽車的行駛過程中，加速度和速度對人類感覺與知覺的影響最為突出，不同方向上加速度的大小表征了車輛的不同性能。在行駛方向（X向）上，速度和加速度的大小表征汽車的動力性；橫向（Y向）的速度與加速度的大小表征汽車轉向的穩定性；縱向（Z向）的速度與加速度的大小表征汽車的乘坐舒適性?？陀^評價可以通過汽車客觀表征出來的指標參數定量地分析駕駛品質存在差異的內在原因，為車型開發及優化提供指導性建議。

國外已經發表了關于駕駛性研究的成果，英國巴斯大學的Pickering，S.G致力于駕駛性主客觀評價一致性的研究[3]。利用多元線性回歸理論對相同工況的主觀評價指標與客觀參數進行回歸分析，得到客觀參數與主觀評分之間的多元線性回歸方程，建立了通過客觀參數對主觀駕駛性進行預測的回歸模型。奧地利公司AVL推出駕駛性客觀評價與標定的工具AVL-Drive，通過三向加速度傳感器測量車輛的運動狀態，并使用遺傳算法和神經網絡算法綜合評價汽車的駕駛性。

國內駕駛性評價起步較晚，同濟大學的章桐、劉普輝構建了汽車駕駛性的評價準則及指標，分析穩態加速、急踩加速踏板2項工況中各項客觀表征的指標，可以對車輛的駕駛性進行客觀地評價[4]。2015年王勐將基于AVL-Drive的AMT駕駛性評價應用到陜汽某牽引車上，對測試結果進行評估分析，得出車輛在性能方面存在不足，并對其進行了優化[5]。

2 加速工況指標確定

對車輛行駛的行為進行拆分，通?？梢苑譃槠鸩健⒓铀?、突然踩油門、突然松油門、松油門滑行、換擋、巡航、怠速、油門響應、啟動、關機以及震動共13種工況。不同的駕駛工況對車輛駕駛品質的影響也有所不同，因此需要研究能反映對應工況的駕駛性評價指標。加速工況是指駕駛員操作加速踏板使其開度變大的過程，加速可以提升車輛的速度。車輛加速工況的駕駛性表現在響應是否迅速、加速過程是否平順2個方面。由對加速工況的定義可知，加速過程中的主要操作對象是油門踏板，根據操作踏板的不同方式，可以將加速工況分為2種情況進行評價，即全油門加速工況與部分油門加速工況。以下分別對2種加速工況的評價指標進行分析。

2.1 全油門加速

全油門加速工況是指在加速過程中油門踏板處于滿載位置。全油門加速工況主要考察車輛在滿載時的動力性能，可以進一步分為爬坡能力、最高車速、凈加速能力以及動力儲備能力等方面的性能評價指標[6]。

2.1.1 爬坡能力

汽車的爬坡能力是指汽車滿載時，在良好路面上用一擋行駛所能克服的最大坡度。通常用最大爬坡度表示，如公式（1）所示。

式中：imax為汽車的最大爬坡度，%；αmax為汽車所能越過的最大坡度，°。

如果要求汽車有足夠的爬坡能力，那么載貨汽車30%，越野汽車imax的值大約為在60%。汽車最大爬坡度的測試方法如下：選擇與該車預計爬坡度相近的坡道，坡道長度應大于25 m，坡前應有8 m～10 m的平直路段[7]。測試車停在坡底靠近坡道的平直路段上，變速器放置在最大牽引力的輸出擋（通常是一擋）。汽車起步后，將加速踏板踩到底進行爬坡，如果汽車能順利爬上該坡道，就選擇更大一級坡道進行測試，直到汽車不能爬上坡道為止，測試中汽車能爬上的最大坡度，就是汽車的最大爬坡度。

2.1.2 最高車速

需要考察全油門加速工況下車輛能達到的最高車速，它反映了車輛的動力性能。影響汽車最高車速的因素比較多，例如汽車發動機的功率、發動機的最大轉矩、最大轉矩時的轉速、傳動系的傳動比以及行駛阻力等。因為最高車速是在平坦無風路面上、加速度為0時求得的，因此坡度阻力和加速阻力為0；所以影響最高車速的阻力因素主要是空氣阻力和滾動阻力。

2.1.3 凈加速能力

凈加速能力主要考察的是在不考慮道路狀況、駕駛行為等因素時，車輛加速到一定車速的綜合性能，要求車輛能快速響應、平順地達到理想車速。評價凈加速能力的指標有加速時間、95%峰值加速度等。具體指標及描述見表2。

表2 凈加速能力指標

2.1.4 動力儲備能力

動力儲備能力又可以稱為超車能力，主要考慮了車輛在直線行駛中超車時的綜合性能。與凈加速能力不同，考察動力儲備能力的加速時間要求車輛到達一定初速度才開始全油門操作，這是為了模擬現實中的真實超車場景。動力儲備能力的具體指標及描述見表3。

表3 動力儲備能力指標

2.2 部分油門加速

日常駕駛中絕大多數加速行為都不是全油門加速，而是部分油門加速。因此，需要著重考察部分油門下的車輛駕駛品質。部分油門加速工況主要用來評估車輛在部分油門操作下動態性能的表現，其主要指標包括峰值加速度、加速度增益、加速度擾動以及線性相關度等。試驗的具體做法是通過在油門踏板上安裝限位器，測定試驗車在不同油門深度下的各項特性指標。

2.2.1 加速度增益

加速度增益是指加速度值與油門開度的比值，反映了單位油門開度下加速度值的大小，是加速工況下的1項重要評價指標，它可以作為加速度峰值及加速時間等宏觀指標的補充。

2.2.2 線性相關性

線性相關性是指扭矩與油門踏板開度的比值，反映了車輛在加速時的平順性。

2.2.3 加速度擾動

由于發動機的不穩定區域被利用，因此傳動系扭轉或者彎曲振動等會造成發動機和被驅動的車輪之間動力傳遞的不均勻性，有可能會出現振動，該振動通過方向盤或者車身傳遞過來，使人能夠感到轟鳴或者抖動。加速度擾動情況可以用加權加速度四次均方根值來表示，又稱為振動劑量值（surge）。其計算方法，如公式（2）所示。

式中：acci為車輛加速度值；i為樣本數據點序號；n為樣本總數量。

3 駕駛性試驗

駕駛性客觀評價是通過車輛狀態參數來評價車輛的性能，其基礎是汽車在行駛過程中實際響應的客觀物理量，因此駕駛性客觀評價依賴于實車測試。

3.1 試驗車輛及工況

試驗車輛是采用某車企SUV車型，車輛狀態及性能良好，車輛各項參數見表4。

表4 試驗車輛參數

試驗工況選擇汽車場景中最為常見的“加速”工況，對汽車加速行駛過程的相關參數進行測試，根據參數分析并客觀評價車輛的駕駛性，例如車輛加速的動力性、平順性等。試驗車輛如圖1所示。

圖1 試驗所用車輛

3.2 試驗設備

試驗采用AVL-Drive數據采集儀，并配套使用AVL-Drive數據采集軟件對車輛參數進行測試。車輛中安裝數據采集儀及其相關配套傳感器，并通過AVL-Drive軟件進行測試，如圖2所示。

圖2 試驗設備安裝

試驗設備的具體信息見表5。加速度信號由加速度傳感器對其進行采集，傳感器包括2個單軸加速度傳感器（分別裝于駕駛位座椅頭枕處和懸掛下擺臂處）和1個三軸加速度傳感器（裝于副駕駛座椅滑軌末端），其中采樣頻率為100 Hz。其他信號例如引擎轉速、車速等信號通過CAN總線連接進行讀取。

表5 試驗設備

試驗場地選擇某主機廠封閉試驗場地，保障試驗的安全性。對加速工況進行試驗并截取車輛從靜止到加速過程中的速度、加速度、油門開度以及時間點等重要參數，處理并分析車輛的加速性能。

4 專業化評價體系平臺搭建

基于Matlab GUI平臺并結合駕駛性評價體系，開發了駕駛性試驗數據后處理軟件平臺，對試驗數據進行計算，可以得到各駕駛性評價指標的值。針對該文研究的加速工況，搭建了駕駛性評價平臺，如圖3所示。

圖3 加速工況軟件平臺界面

對試驗車輛加速工況的駕駛性指標進行計算，通過與對標車進行對比，從而為優化車輛的駕駛性能提供指導意見。試驗車與對標車的主要參數對比見表6。

表6 試驗車與對標車主要參數對比

圖4為試驗車和對標車在不同油門開度下的速度對比。由圖4知，在5%～35%油門開度加速中，試驗車的加速能力優于對標車，而對標車在小油門加速中較柔和、平順。

圖4 固定油門工況速度曲線對比

圖5為試驗車和對標車的全油門加速度對比。在全油門加速中，試驗車出現峰值加速度的時間早于對標車，對標車峰值加速度的持續時間比試驗車的持續時間長。峰值加速度區間的持續時間越長就越能增強車輛的加速性能，因此全油門加速中，對標車的加速性能優于試驗車。

圖5 全油門加速工況加速度對比

根據軟件平臺計算的指標，針對全油門加速工況中存在的轉速波動進行優化，優化后的轉速曲線在最大值、最大值持續時間及曲線平滑度上明顯優于優化前。優化對比結果如圖6所示。

圖6 優化前后對比

5 結論

通過分析車輛加速工況的特點以及對駕駛品質的要求，并結合相關標準建立了車輛加速工況的駕駛性評價體系，確定了峰值加速度、加速時間、加速度增益以及加速度擾動等評價指標。

試驗采用AVL-Drive數據采集儀，并配套使用AVL-Drive數據采集軟件對試驗車與對標車進行了加速工況駕駛性的試驗，對車輛的加速度、油門、發動機、變速箱以及車速等信號數據進行采集。

基于Matlab GUI平臺并結合駕駛性評價體系，開發了駕駛性試驗數據后處理軟件平臺，計算得到各駕駛性評價指標的值。并根據駕駛性指標的對比，針對試驗車全油門加速工況中存在的轉速波動，對試驗車進行優化，優化后轉速曲線在最大值、最大值持續時間及曲線平滑度上明顯優于優化前。