汽车操纵稳定性试验朱清源

,第三章电阻应变式传感器,汽车操纵稳定性试验,汽车操纵稳定性分为两个方面：一是操纵性；二是稳定性。,1),操纵性：,指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力；,2),稳定性：,指汽车受到外界扰动,(,路面扰动或阵风扰动,),后恢复原来运动状态的能力。,两者很难截然分开，稳定性的好坏可直接影响操纵性的好坏，反之亦然，因此，把两者统称为操纵稳定性。,随着车速的不断提高，汽车操纵稳定性对汽车行车安全性的影响越来越大，成为汽车的重要性能之一。操纵稳定性不好的汽车可表现为“高速发飘”、“响应迟钝”、“丧失路感”和“丧失控制”等。,我国,汽车操纵稳定性试验方法,标准和,汽车操纵稳定性指标限值与评价方法,中规定汽车操纵稳定性试验包括：稳态回转试验、转向瞬态响应试验、转向瞬态转向试验、转向回正性试验、转向轻便性试验、蛇形试验等。,常用的汽车操纵稳定性试验仪器有：,1,）陀螺仪：,用于汽车运动状态下测动态参数，如汽车行进方位角、汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角等；,2,）光束水准车轮定位仪,：测车轮外倾角、主销内倾角、主销外倾角、车轮前束、车轮最大转角及转角差；,3,）车辆动态测试仪,：测汽车横摆角速度、车身侧倾角及纵倾角、汽车横向加速度与纵向加速度等运动参数；,4,）力矩及转角仪：,测转向盘转角或力矩；,5,）五轮仪、磁带机,等。,稳态回转试验,1,）试验目的：,测定汽车的稳态转向特性及车身侧倾特性；,2,）试验方法：,定转向盘转角连续加速法和定转弯半径法。,1,定转向盘转角连续加速法,为了试验有可比性，消除了初始圆周半径对稳态回转试验的影响，我国规定初始圆周半径,R0=15m,，纵向加速度不得大于,0.25m/s,2,，侧向加速度达到,6.5m/s,2,为止，记录不同采样时刻时的车速与汽车横摆角速度，并进行数据处理绘制。,(1)R,i,/R,0,a,y,曲线,汽车瞬时转向半径为,R,i,=V,i,/,r,i,，其中：,V,i,为,i,时刻的车速，,m/s,；,r,i,为,i,时刻的横摆角速度的瞬时值，,rad/s,。,由于汽车的横向加速度与向心加速度相差甚小，在数据处理中，用向心加速度代替横向加速度完全可以满足精度要求，故各时刻的横向加速度可按下式计算：,(1121),式中：以,a,yi,为汽车在,i,时刻的横向加速度，,m/s,2,；,R,0,为初始圆周半径，,R,0,=l5m,。这样可以计算出数组,R,i,/R,0,、,a,yi,的数值，据此绘制汽车转弯半径比,R,i,/R,0,与横向加速度,a,y,的关系曲线。,(2) (,1,-,2,)a,y,曲线,汽车高速转向时汽车的瞬时回转半径,R,i,和某瞬时前后桥综合侧偏角之差,1,-,2,(),具有以下关系：,(1122),式中：,L,为汽车轴距。,根据前面计算的,a,y,值，就可以绘制出,(,1,-,2,)a,y,曲线。,2,定转弯半径法,定转弯半径法的转弯半径为,30m,，试验时转弯半径不变，以不同车速通过时，靠调整方向盘转角来保证汽车沿固定转弯半径运动，测出车速与方向盘转角，并绘制,a,y,曲线。,转向盘转角,可直接利用时间历程曲线进行采样，而后乘以标定系数即可求得。侧向加速度,a,y,可采用下述两种方法之一求得。,(1),计算法,利用下式直接计算出侧向加速度,a,y,，即：,(1123),式中：,V,为汽车前进速度，,m/s,；,r,为汽车横摆角速度，,rad/s,。,(2),用侧向加速度计测量,3,定转向盘转角连续加速法与定转弯半径法的关系,利用定转弯半径法也可求出汽车前、后桥综合侧偏角之差与侧向加速度的关系，进而绘制出,(,1,-,2,)a,y,曲线。侧向加速度,a,y,仍可利用上述方法求之，下面介绍利用定转弯半径法求汽车前后桥综合侧偏角之差的求取方法。,回转半径,R,与前后桥综合侧偏角之差的关系为：,（,1124),式中：,i,为转向系总传动比。,当车速为零时,，,=,0,，,1,-,2,=0,，由式,(1124),得转向系总传动比为：,(1125),将式,(1125),代入,R,中，整理得：,(1126),可利用式,(1126),求出前后桥综合侧偏角之差（,1,-,2,）值，而后即可绘制出,(,1,-,2,)a,y,曲线。,4,转向特性的判别,(1),中性转向,：在车速一定而改变横向加速度时，若名义转向角的斜率等于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为中性转向特性，简写为,NS,。,在试验中，若汽车的回转半径不随车速的改变而变化,(,定转向盘转角连续加速法试验,),或者转向盘转角不随侧向加速度的增大而增大,(,定转弯半径法,),，则被试汽车的转向特性为中性转向特性,(,图,11.12),。,(2),不足转向,：在车速一定而改变横向加速度，若名义转向角的斜率大于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为不足转向特性，简写为,US,。,在试验中，若汽车的回转半径随车速的升高而增大,(,定转向盘转角连续加速法,),或者转向盘转角随侧向加速度的增大而增大,(,定转弯半径法,),，则被试汽车的转向特性为不足转向特性,(,图,11.12),。,(3),过度转向,：在车速一定而改变横向加速度时，若名义转向角的斜率小于阿克曼转角的斜率，则该汽车的转向特性为过度转向特性，简写为,OS,。,在试验中，若汽车的回转半径随车速的升高而减小,(,定转向盘转角连续加速法,),或者转向盘转角随侧向加速度的增大而减小,(,定转弯半径法,),，则被试汽车的转向特性为过度转向特性,(,图,11.12),。,5,评价指标,在,汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法,中，对稳态回转试验的评价指标规定了,3,项，即,1,）中性转向点侧向加速度值,a,n,：前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上斜率为零的点的侧向加速度值；,2,）不足转向度：,按前后桥侧偏角之差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为,2m/s,2,点的平均值计算；,3,）车厢侧倾度,K,：,按车厢侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为,2m/s,2,点的平均斜率计算。,转向瞬态响应试验,转向瞬态响应试验是测定从转向盘转角阶跃输入开始，到所测各变量达到新的稳态值时为止的一段时间内的汽车的瞬态响应过程。试验时汽车以恒定的车速直线行驶，驾驶员突然将方向盘转过一定的角度，使汽车由直线行驶进入到转弯运动状态，同时记录汽车的运动状态：横摆角速度、汽车方位角、车身侧倾角、侧向加速度等运动参数的变化过程。,1,试验数据处理,(1),响应时间,t,：,以转向盘转角达到终值,50,的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量过渡到新稳态值,90,的时刻为止，这一段时间间隔称为响应时间，也就是横摆减速度响应时间或侧向加速度响应时间,(,图,11.13),。,(2),峰值响应时间,t,p,：以转向盘转角达到终值,50,的时刻作为时间坐标的原点，到所测变量响应第一个峰值时止的一段时间间隔称为峰值响应时间。,(3),横摆角速度超调量,：横摆角速度超调量,可按下式计算：,(1127),式中：,r,max,为横摆角速度响应最大值，,rad/s,；,r,0,为横摆角速度响应稳态值，,rad/s,。,图,11.13,阶跃响应示意图,(4),横摆角速度总方差,Er,：横摆角速度总方差,Er,可按下式计算：,(11,一,28),式中：,i,为阶跃试验时转向盘转角输入值，,(),；,r,i,为汽车横摆角速度响应的瞬时值，,rad/s,；,0,为阶跃试验时转向盘转输入的终值，,(),；,r,0,为汽车横摆角速度响应的新稳态值，,rad/s,；,n,为采样点数，取至新稳态值时止；,t,为采样时间间隔，,s,。,(5),汽车因素,TB,：,汽车因素,TB,是汽车横摆角速度峰值响应时间与汽车质心侧偏角的乘积。汽车质心侧偏角可由瞬态回转试验求得。,2,评价指标,在我国,汽车操纵稳定性试验方法,标准中规定了,7,项评价指标，由于测量方法的不完善及个别指标在某些汽车上不存在等原因，故在,汽车操纵稳定性指标极限值与评价方法,标准中仅对,汽车横摆角速度响应时间,进行了分析。,转向瞬态转向试验,转向瞬态转向试验是在频率域内对汽车转向瞬态响应进行评价的试验方法，主要有以下,3,种：,1,）转向盘转角随机输入试验；,2,）转向盘转角正弦波输入试验；,3,）转向盘转角脉冲输入试验,。,我国采用,第三种试验方法,并制定了有关的国家标准。,转向盘转角脉冲输入试验就是汽车以恒定的车速直线行驶，驾驶员突然转动方向盘到一定的角度，再立即转回到原来位置，方向盘的输入波形不同于转向瞬态响应试验，不是阶跃形的，而是脉冲形的。试验记录汽车横摆角速度的输入波形。,1,试验数据处理,频率特性的分析计算可在专门的信号处理机上进行，例如日本生产的,CF,一,700,型、,7T08,型信号处理机等。如果没有专门的处理设备，也可以使用计算机按下式计算：,（,11-29,）,式中：,G(jk,0,),为复数形式的传递函数；,r(t,),为横摆角速度的时间历程；,T,为总采样的时间间隔，,s,；,T=,kdt(k,=1,，,2,，,3,，,，,n,，,n,0,=3Hz),；,dt,为采样的时间间隔，,s,；,0,为计算时选用的最小圆周率，一般取,0,=0.1Hz,；,(t,),为汽车转向盘转角的时间历程。,2,评价指标,在,汽车操纵稳定性指标极限与评价方法,中规定了,3,项评价指标，即,谐振峰频率,f,p,、,谐振水平,D,及,相位滞后角,a,。,11.6.4,转向回正试验,转向回正性试验是鉴别汽车转向回正力的一种试验，也是转向盘力输入的一个基本试验，该试验能表征和评价一辆汽车由曲线行驶自由恢复到直线行驶的过渡过程和能力。,在本项试验中，在驾驶员松开转向盘之前，驾驶员作用于转向盘上的力为一定值，当驾驶员松开转向盘的一瞬间，作用于转向盘上的力由定值突然变为零。因此，实质上本试验也是转向盘力阶跃输入的瞬态响应试验，在一定程度上还能反映汽车“路感”的好坏。,1,试验数据处理,在汽车转向回正试验中，汽车横摆角速度过渡过程曲线大致有如图,11.14,所示的几种情况，其中曲线,l,、,2,为发散型，不进行数据处理；曲线,3,7,为收敛型，进行数据处理。,(1),时间坐标原点：,由于惯性作用，驾驶员松手后转向盘不可能马上转动，因此，开始一段显现出圆角形状,(,图,11.14,中的,AB),，以往是将松手前的一段直线与松手后的直线部分进行曲线拟合的,(,图,11.14,中的虚线部分,),，其交点即为时间原点，但这样误差较大，现改为：在微动开关时间历程曲线上，以松开转向盘时微动开关所做的标记为时间坐标的原点。,图,11.14,回正试验几种过程曲线,(2),稳定时间：,稳定时间由松开转向盘的时刻起，至汽车横摆角速度到新稳态时为止转向盘输入；,(3),残留横摆角速度：,汽车横摆角速度新稳态值与零线之差即为残留横摆角速度；,(4),自然频率：,由于系统是多自由度的，横摆角速度并不是一个严格的等圆周运动，相邻振幅的比值也不等于常数,(,图,11.15),。为了减小逼近误差，用下式计算,f,0,，即：,（,11-30,）,式中：,A,i,为横摆角速度过渡曲线的峰值，,rad/s,；,t,i,为横摆角速度过渡曲线峰值间的时间间隔，,s,。,(5),衰减率,(,阻尼,)D,。衰减率,D,可用下式计算：,(1131),式中：,A,1,为横摆角速度响应的第,1,个峰的峰值，,rad/s,；,A,i,为横摆角速度响应的第,i,个峰的峰值，,rad/s,。,求得衰减率,D,后，可在图,11.16,上查得与其相对应的阻尼系数,，或用下式计算：,(1132),当,D=0,时，表明运动不衰减；当,D=l,时，表明除了,A,1,0,外，其他幅值皆为零。,(6),力输入总方差：,在力输入下，横摆角速度总方差,E,按下式计算：,(11-33),式中：,r,1,为横摆角速度响应的瞬时值，,rad/s,；,r0,为横摆角速度响应的稳定值，,rad/s,；,t,为采样时间间隔，,s,；,n,为采样点数。,(7),横摆角速度超调量,：横摆角速度超调量,是横摆角速度响应的第,l,个峰值超过稳态值的部分与稳态值之比,(,图,11.17),，可按下式计算：,(1134),式中：,r,1,为横摆速度响应的第,1,个峰值超过稳态值的部分，,rad/s,。,2,评价指标,我国转向回正试验的评价指标是,横摆角速度总方差,及,残留横摆角速度,。,转向轻便性试验,转向轻便性试验用来测定操舵力的大小，常见的操舵力试验有低速大转向角试验、中转速小转向角试验、高速转弯操舵力试验和原地操舵力试验,4,种，我国采用低速大转向角试验，试验车速为,(101)km,h,，若试验车速超过此范围，则视为无效。,1,试验路线,如图,11.18,所示，转向轻便性试验有,4,种试验路线。,(1),两个相切圆的,“,8”,字形试验,：这种路线节省场地、试验方便，但获得的有用数据较小；,(2),转向盘以等速度转动时的,“,8”,字形路线,：这种路线的优点是消除了操舵力中的惯性力部分，缺点是整个试验过程中驾驶员难于控制使转向盘的转动角速度相等，因此，此试验难以实现；,(3),侧向加速度变化率为常数的,“,8”,字形路线,：这一试验状态很接近汽车实际行驶形态，但对驾驶员的驾驶技术要求较高，一般驾驶员很难保证整个试验过程中侧向加速度变化率为常数；。,(4),双纽线的,“,8”,字形路线,：由于双纽线上各点的曲率皆不相同，在整个试验过程中操舵力是连续变化的，所以可以获得许多有用的信息。,我国采用双纽线的,“,8”,字形路线。,为使各种类型、各种级别的汽车都能测试到转向角从左极限至右极限的程度，应按下述方法选取双纽线路线的最小曲率半径，即将被试汽车中的最小转弯半径乘以,l.05,，取比此乘积大的相邻整数作为最小曲率半径值。,双纽线的画线通常有以下两种。,(1),通过极坐标方程画出,如图,11.19,所示，利用下面的极坐标方程求出数组极角、极径值后画出，即：,式中：,t,为极径，,m,；,d,为,3R(R,为双纽线路线上最小曲率半径,),，,m,。,这种画法由于在试验场地上难于确定,角的值，画起来困难，故不宜采用。,(2),利用直角坐标方程画出,如图,11.19,所示，利用下面的直角坐标方程求出数组,(x,，,y),值后即可画出，即：,(1135),式中：,a=d,，,m,。,为了方便画圆，可将计算出来的一些,d,、,x,、,y,值列于表中，以供画双纽线路线的人员直接利用。,最大操舵力矩,M,max,的计算公式为：,(11-36),式中：,M,max1,、,M,max2,、,M,max3,分别为第一、二、三次试验时转向盘操舵力矩的最大,值，,Nm,。,最大操舵力,F,max,的计算公式为：,（,11-37,）,式中：,D,为被试汽车的转向盘中径，,m,。,沿双纽线路线行驶一周的作用功,W1,按下式计算：,(11,一,38),式中：,M,1,(),为沿双曲线路线行驶一周的转向盘往返力矩差随转向盘转角的变化关系式，,Nm,；,+,max1,、,-,max1,分别为汽车沿双纽线路线行驶一周的转向盘向左、向右的最大转角，,rad,。,3,次试验的平均作用功,W,的计算公式为：,(11-39),式中：,W,1,、,W,2,、,w,3,依次为第一、二、三次试验的作用功，,Nm,。,转向盘平均操舵力矩,M,sw1,的计算公式为：,(11-40),3,次试验的转向盘平均操舵力矩,M,sw,按下式计算为：,(11-41),式中：,M,sw1,、,M,sw2,、,M,sw3,分别为第一、二、三次试验的转向盘平均操舵力矩，,Nm,。,转向盘平均操舵力,Fsw,的计算公式为：,(11-42),式中：,D,为被试汽车的转向盘中径，,m,。,2,评价指标,评价汽车转向轻便性的指标为,平均操舵力,。,蛇形试验,蛇形试验是评价汽车随动性、收敛性、方向操纵轻便性及事故可避免性的典型试验，也是包括车辆一驾驶员一环境在内的一种闭环试验，其试验结果不但取决于车辆本身的特性，而且还取决于驾驶员的自身特性和驾驶技术。,本试验是在保证安全的前提下，以尽可能高的车速进行的，因此可以考验汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，也可以作为若干汽车进行操纵性对比时主观评价的一种感觉试验。,蛇形试验的试验场地如图,11.20,所示，标桩间距离按,汽车操纵稳定性试验方法,中的所列数据选取。,1,试验数据处理,蛇形试验的数据处理比较简单，可按照,汽车操纵稳定性试验方法,中的数据处理方法进行。这里说明一点，在确定基准车速的评价指标时，分别将,V,、，,rV,、,一,V,关系图中的试验点用最小二乘法进行曲线拟合，求出表达式，而后将基准车速代人表达式，即可确定出各自的评价指标值。,2,评价指标,由于蛇形试验是一种,“,闭环试验,”,，评价比较困难，以往都用汽车蛇形通过标桩的时间进行评价，但试验中驾驶员特征差异对试验结果影响较大，所以客观性较差，另外由于追求高指标，故往往忽视安全。,为了更客观地进行评价，用,基准车速下的平均转向盘转角峰值,、,平均横摆角速度峰值,及,平均车身侧倾角峰值,进行评价，我国已制定了这,3,项指标的限值标准。,