汽车操纵稳定性道路试验和评价系统设计

郭润清，姜兆娟，高明秋

（1. 中国汽车技术研究中心，天津 300300 2. 一汽丰田技术开发有限公司，天津 300457）

汽车操纵稳定性道路试验和评价系统设计

郭润清1，姜兆娟2，高明秋1

Guo Runqing1，Jiang Zhaojuan2，Gao Mingqiu1

（1. 中国汽车技术研究中心，天津 300300 2. 一汽丰田技术开发有限公司，天津 300457）

汽车的操纵稳定性（操稳）直接影响汽车的主动安全，针对整车道路试验建立操稳试验测试平台，解决了各操稳试验变量物理信号的实时采集和储存，基于Matlab GUI开发操稳试验后处理软件，实现了操稳数据的自动化分析和打分。利用测试和评价系统，完成某款国产轿车操稳性能的道路测试和评价，验证了测试系统和后处理软件的实用性。

汽车；操纵稳定性；道路试验；Matlab GUI

0 引 言

汽车的操纵稳定性是影响汽车高速行驶安全性的主要因素，其由相互联系的操纵性和稳定性2部分组成。操纵性是指汽车能快速准确地响应驾驶员转向指令的能力；稳定性是指汽车在受到扰动后能恢复初始运动状态的能力[1]。随着道路的改善，现代汽车趋于高速化，车流密集化，但驾驶员的驾驶技能趋于非职业化，这对现代汽车的操纵稳定性提出了更高的要求[2]。汽车的操纵稳定性已成为现代汽车性能的重要评价指标，所以，被称为“高速汽车生命线”的汽车操纵稳定性的研究日益受到重视，成为现代汽车的研究重点[3，4]。

汽车道路试验是在规则路面输入和典型驾驶输入下对汽车的动力性、主动安全性、平顺性和通过性等性能的不解体实车测试[5]。汽车的操纵稳定性能是由整车多系统的性能和相互匹配程度决定的，如转向系、制动系、悬架和轮胎等[1]，其道路试验测试及试验数据处理是较大的难点。

文中建立了集成度高、可靠性强、数据采集同步、接口模块化的操稳道路测试系统和开发了交互式的后处理软件，实现了操稳道路试验变量的精确采集和试验数据的自动化处理。

1 操稳道路试验要求

1.1 试验项目及测量变量

现行国内汽车操纵稳定性道路试验和评价的依据是GB/T 6323—1994和QC/T 480—1999，标准推荐了6项操稳试验项目，分别是蛇行试验、转向瞬态响应试验（转向盘转角阶跃输入）、转向瞬态响应试验（转向盘转角脉冲输入）、转向回正性能试验、转向轻便性试验和稳态回转试验。目前，国内车辆产品公告主要基于转向回正性能、转向轻便性和稳态回转3项试验对车辆操稳性能进行评判，所以文中主要针对这3项操稳试验进行研究。

表1给出了3项试验的测量变量、评价指标以及需要绘制的变量特性图，可见主要的测量变量是车身侧倾角、车辆侧向加速度、车辆横摆角速度、车辆前进车速、转向盘作用力矩和转向盘转角。基于表1要求，设计操稳试验测试硬件系统，实现上述各操稳试验变量的快速精确采集，并自主开发操稳试验计算机评价软件，实现相关变量特性图的绘制和评价指标的自动化分析。

表1 操稳试验测量变量和评价指标要求

1.2 试验条件

试验开始前，应测定车轮定位参数，对转向系、悬架系进行检查，并按规定进行调整、紧固和润滑。样车若用新轮胎，轮胎至少应经过200 km正常行驶的磨合；若用旧轮胎，试验终了，残留花纹高度应不小于1.5 mm。试验汽车为厂定最大总质量状态（含驾驶员、试验员及测试仪器的质量）。乘员和装载物的分布应符合GB/T 12534中3.1.2、3.1.3的规定，轮胎气压应符合GB/T 12534中3.2的规定。试验场地应为干燥、平坦且清洁的水泥或沥青路面，任意方向的坡度不大于 2%。试验时风速应不大于5 m/s，大气温度在0～40℃之间。

2 操稳道路试验硬件平台建立

2.1 硬件组件

为实现表 1中各操稳试验变量的同步精确采集，建立了一套集成度高、可靠性强、接口模块化的硬件试验系统，其逻辑原理图如图1所示。该道路试验用汽车操纵稳定性集成测试评价平台包括测量各试验变量的陀螺仪、转向盘适配器和 GPS速度计，与多个车载传感器相连的实时接收车载传感器所采集信息的数据采集系统，连接数据采集系统对所采集的信息进行处理的主控PC机以及自主开发的操稳自动评价软件。

其中，陀螺仪采用的是WATSON的MEMS等级的 DMS-SGP01陀螺仪，该陀螺仪体积尺寸小，其三轴向传感器装置配备串行接口并通过串行接口发送所有试验数据到数据采集系统。该数据采集系统为 HIOKI8430-21型可扩展多通道数据采集系统，其所有通道为10 ms扫描方式高速采样率，数据可直接存储至CF卡并通过USB接口与主控PC机连接，其各通道采集的操稳试验物理量信号如表2。转向盘适配器使用的是KYOWA 的SFA-B-10035转向盘转角和转向力矩传感器，其采样精度和范围均能满足试验要求。车辆前进车速通过GPS YT-100速度计获得，采样车速精度达0.01 km/h，采样周期能到达10 ms。信号放大器是KYOWA的WGA-670B，将转向盘适配器的转角和力矩微电压信号进行放大，然后传送到数采系统。后处理分析程序则实现了人机交互，自动处理数据采集系统储存的操稳试验数据，依据QC/T 480—1999标准对试验车辆的操纵稳定性能进行评价打分。安装有自主开发的后处理软件的PC主机为一款平板电脑，其可以通过USB接收数采的试验数据，现场进行数据后处理分析。

根据水利工程的功能，水利工程可分为防洪工程、农田水利工程、水力发电工程、巷道港口工程、城镇供排水工程、环境水利工程、渔业水利工程、海涂围垦工程等。对于大多数类型的水利工程，施工建设会对山体结构以及植被造成破坏，并不同程度地改变当地的地形，因而削弱了植物的光合作用以及保持水土、调节温度等功能，当地的温度、降雨量、地表蒸发量等气候条件都会出现一定的变化。

表2 数采系统各通道所代表的物理量信号

2.2 各组件功能

该测试评价平台，基于陀螺仪实时获取整车试验中的车身侧倾角、横摆角速度和侧向加速度，基于GPS速度传感器实时获取操稳试验中整车的前进车速，基于转向盘适配器实时获取车辆转向盘的转角和作用转向盘的力矩。该平台实现了在整车道路试验过程中实时接收、监控、存储和再现汽车操纵稳定性各变量的信号，且均以差分模拟物理量形式实时输入给可扩展的多通道平台数据采集系统。HIOKI8430-21型多通道数据采集系统实时接收传感器输入的差分模拟物理信号，可进行数值计算，将采集结果实时展现于宽屏、高亮度的彩色液晶屏上，具有很好的直观性。数采系统通过USB串行端口将储存的试验数据传送到主控PC机，便可通过自主开发的汽车操纵稳定性后处理分析程序快速地完成试验数据的处理和本次操稳试验的打分。该汽车操纵稳定性后处理分析程序是基于 Matlab GUI开发的人机交互式软件，代码近万行，具有独立的原创性。

3 操稳后处理软件系统开发

Matlab GUI即Matlab图形用户界面编程，是在图形界面下创建显示与用户交互的组建元素，用户可以通过鼠标、键盘等操作实现组件的特定功能，程序会直观显示运行结果[6]。操稳试验采集的各变量数据较庞大，针对这一特点，基于Matlab GUI开发了交互式的操稳试验后处理系统，实现了试验数据的快速准确处理和试验车辆操稳性能评判。

该软件主界面如图2所示，主要由绘图区、试验信息区和向导式操作区3部分组成。绘图区显示程序处理完获得的稳态回转的转弯半径比、前后轴侧偏角差值和车厢侧倾角3个重要特性图，转向回正的转向盘转角时间里程曲线和横摆角速度时间里程曲线，以及转向轻便性的转向盘转角-转向盘力矩关系曲线。试验信息区则提供了试验信息输入的窗口，试验信息主要包括变量采集周期、转弯半径、试验车辆的转向盘直径、轴距、车型、最大总质量和最高车速等，它们是试验数据处理和操稳性能评判的已知量，检测员必须根据实际情况填写。同时，试验信息区会显示试验中各测量变量在试验车辆静止或直线行驶时的初始值，程序处理时将从试验数据中去除这些初始值，消除试验仪器的影响，提高试验精度。操作区是向导式的，符合人们的思维习惯。操作区自上而下主要由操稳项目选择，数据导入、处理，滤波绘图，曲线拟合和评判打分5部分组成。

软件导入的数据文件格式是excel，滤波操作提供了曲线平滑、中值滤波、均值滤波、限幅滤波和限幅均值滤波 5个选择，曲线拟合可实现多项式1～5次拟合。根据QC/T 480—1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法，评判打分实现了操稳各项目的单项打分和整车操稳性能的综合打分，两者的界面如图3。

通过该后处理软件，检测人员可以在第一时间客观地获得试验车辆的操稳性能评判，从而实现对操稳试验和试验车辆的快速响应，避免了二次试验造成的时间、财力和人力等资源的浪费，提高了试验效率。

4 操稳实例分析

4.1 试验车辆

表3 某款国产车操稳试验相关参数

该车最大总质量1 500 kg，试验前车辆合理配载到1.5 t左右，试验中各传感器的采样周期为20 ms，稳态回转试验中的转弯半径为15 m。该车最小转弯直径为10.1 m，所以轻便性试验中双纽线的最小曲率半径Rmin由式（1）计算得到为5.56m，从而设计出该车轻便性试验的双纽线。

4.2 试验后处理结果

4.2.1 操稳特性图

试验根据标准要求，稳态回转、转向回正中分别进行左转、右转 3次试验，转向轻便性中试验车沿双纽线行驶3圈，车速保持在10 km/h左右。陀螺仪、转向盘适配器和GPS速度计实时测量试验中的侧倾角、横摆角速度、侧向加速度、转向盘转角、转向盘作用力矩和前进车速，各变量测量数据通过图 1中的各输出端口储存到平台的数据采集器中，再通过USB串行端口转存到PC机进行后处理。基于自主开发的后处理软件系统，该国产车在稳态回转、转向回正和转向轻便性中某次试验数据处理结果如图4，图中浅色曲线为3次拟合曲线。

可以看出，在稳态回转试验中，车辆侧向加速度达到7.0 m/s2，满足GB/T 6323中“直至汽车的侧向加速度达到6.5 m/s2”的要求，试验中车厢的侧倾角随车辆的侧向加速度增大而不断增大，最大侧倾角达到9.0°；转弯半径比值也随侧向加速度的增大从1.0增大到1.5，说明车辆在稳态回转中转弯半径不断增加，为不足转向；前后轴偏角差值也是递增的，不存在中性转向点。转向回正中，在试验员突然松开转向盘后不到1 s的时间内，车辆的横摆角速度就已趋于很小且保持稳定，说明该车具有较好的转向回正性能。图 4中可以看出，力矩随转角变化很平稳，转向盘左右转角基本一致为 6 rad，最大转向盘作用力矩仅为 4.0 N·m，说明该车具有良好的轻便性。

4.2.2 操稳性能评判结果

将本次操稳试验所有数据导入软件系统处理后，即可获得该国产轿车操稳性能的打分，计算效率大大提高。依据QC/T 480—1999，表4给出了本次试验处理后对该国产轿车操稳性能的综合评判。可以看出该车在稳态回转中不存在中性转向点 an，说明该车在稳态回转试验全程中表现为不足转向，满足标准要求获得满分；左右方向不足转向度U分别达到3.78 g和2.36 g，具有很高水平，说明试验中样车表现为较高的不足转向特性；但该车车厢侧倾度表现较差，仅为及格分数，说明试验中当侧向加速度达到一定值后，其侧翻的趋势较明显。转向回正中残留横摆角速度△r和横摆角速度总方差ET都较小，分数都达到90分以上，说明样车转向系具有良好的自动回正性能。该车轻便性表现优异，转向盘平均作用力和最大作用力 2项都为满分。最终该车操纵稳定性综合得分为 93.2，说明该车具有较优良操纵性的同时兼备较高的稳定性。

表4 某国产轿车操纵稳定性打分结果

5 结 论

1）汽车的操纵稳定性对汽车的主动安全有着最直接的影响，基于道路试验的操稳测试系统集成度高，变量采集精确，直观易操作，实用性高。

2）基于Matlab GUI开发的操稳试验后处理软件，可以在第一时间客观分析试验车辆的操稳性能，从而实现对操稳试验和试验车辆的快速响应，避免了二次试验造成的资源浪费，提高了试验效率。

3）汽车操纵稳定性软硬件平台实现了无缝结合，为操稳性能规模化试验提供了可能。

4）基于操稳试验和评价平台，实现了某国产轿车操纵稳定性的测试和评价，结果显示该车兼具优良的操纵性能和稳定性能。

[1]郭宽友. 汽车操纵稳定性的影响因素及评价方法研究[J]. 重庆工学院学报（自然科学版），2007，21（7）：53-56.

[2]宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的研究与评价[J]. 汽车技术，2000，（6）：1-6.

[3]李显生. 提高商用车操纵稳定性的研究[J]. 汽车工程，2000，22（3）：198-200.

[4]宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的主观评价[J]. 汽车工程，2000，22（5）：381-383.

[5]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册：试验篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]王正林，刘明. 精通Matlab7[M]. 北京：电子工业出版社，2006.

U467.1+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.012

1002-4581（2015）06-0037-05

2014−09−22