基于测量转向盘转角的汽车低速转向回正性能试验方法研究

滕广宇　戈铅　沙雷

（北京汽车研究总院有限公司，北京101300）



基于测量转向盘转角的汽车低速转向回正性能试验方法研究

滕广宇戈铅沙雷

（北京汽车研究总院有限公司，北京101300）

【摘要】介绍了一种评价车辆低速转向回正性能的试验方法，该方法主要考察残留转向盘转角及转向盘回正角速度两种参数，根据残留转向盘转角值进行评分并根据转向盘回正角速度对评分进行修正。分别采用该方法和国家推荐标准进行了对比试验，通过对两种试验方法所得结果的变异系数及离散性分析，证明了该方法所得数据具有较好的一致性及准确性。该方法直接将“车速”与“回正性”相联系，与主观评价试验关注点一致，可作为对国家推荐标准的补充。

Teng Guangyu, Ge Qian, Sha Lei （Beijing Automobile Technology Centre Co., Ltd., Beijing 101300）

1　前言

车辆低速转向回正性能是评价车辆行驶动力学性能的重要指标之一。回正性较好的车辆在驾驶员松开转向盘后转向盘转角残余量应尽可能小，且能够快速、线性地衰减，不应出现转向盘转角幅度增大的现象[1,2]。汽车低速转向回正性能是多因素共同影响的结果[3,4],对低速转向回正性能的客观试验一般按照国家推荐标准GB/T 6323—2014《汽车操纵稳定性试验方法》执行，评价方法按照GB/T 13047—91《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》执行。但在实际操作中发现国家推荐标准存在局限性：国家推荐标准规定了回正前车辆侧向加速度应达到并稳定在4 m/s2，但侧向加速度与速度的平方成正比，因此地面不平、车身振动、换挡等因素引起的车速变化会造成侧向加速度更剧烈的变化，试验中波动较大的侧向加速度给驾驶员选择松开转向盘的时机带来了困难，增加了更多的人为不确定因素，影响了试验数据的一致性。另外，国家推荐标准规定在车辆侧向加速度达到4 m/s2时进行回正操作，但此时车辆的速度一般超过30 km/h，因此对于更低车速（如10 km/h或20 km/h）的工况按照该标准无法进行测试和评价。另外，国家推荐标准在试验数据处理上只考察横摆角速度相关特征参数，却忽视了与转向盘转角相关的回正特征参数。因用户大多很难察觉到车辆在回正后残余的横摆角速度，而对车辆回正后转向盘的残余角却能很容易发现，所以测量中仅关注横摆角速度的相关特征参数不能全面反映多数用户对车辆回正性的主观体验，应必须关注与转向盘转角相关的特征参数。

2　基于测量转向盘转角的汽车低速转向回正性能试验方法

针对上述问题，结合汽车低速转向回正性能主观评价方法，提出一种基于测量转向盘转角的试验方法，以作为对国家推荐标准的补充。

2.1试验方法

试验前在试验场地上画出半径为15±1 m的圆周。首先记录汽车直线行驶时转向盘转角的零值，然后调整转向盘转角，使汽车能够在固定转向盘转角情况下沿圆周缓慢行驶，同时记录该转向盘转角值并作为预设转角值。在试验车转向盘转角为预设转角值下，使车辆加速至10 km/h或20 km/h并保持约2 s后突然松开转向盘，等待车辆回正。

2.2数据处理

2.2.1残留转向盘转角

残留转向盘转角是指在一定试验车速下松开转向盘后，在特定回正周期时间时转向盘位置距转向盘零位的角度值。回正周期确定方法为：试验车速为10 km/h时，回正周期为2 s；试验车速为20 km/h时，回正周期为1.5 s。

2.2.2回正角速度

转向盘回正角速度值等于前1/3回正周期内的平均回正角速度值，该值可以通过转向盘转角对时间微分得到。

2.3评价标准

根据计算的残留转向盘转角数值对转向回正性能进行评价，根据其大小给出评价等级，等级越高则回正性能越好，评分方法如表1所列。

表1　转向回正性能评价等级

根据表1得出评价结果后，还需要根据转向盘回正角速度进行修正，修正原则如表2所列。

表2　转向回正性能评价等级修正原则

3　试验验证

3.1试验设计

为验证所提出试验方法的可行性，在相同试验条件下分别按照国家推荐标准和本文所提出试验方法进行了低速转向回正性能试验。试验设备如表3所列。

表3　试验设备

针对满载（总质量2 100 kg，前770/后1 340 kg）和半载（总质量1 460 kg，前720/后740 kg）两种试验车辆，分别更换相同型号（175/70 R14）不同气压的轮胎组合得到4种工况（1#～4#），每种工况分为左转与右转两个方向，每个方向进行3次试验，试验工况如表4所列。

表4　转向回正性能试验工况

3.2试验结果

分别根据国家推荐标准GB/T 6323—2014和本文所提出试验方法（车速20 km/h）进行转向回正试验，表5为根据国家推荐标准执行试验并对相关试验数据进行处理后的结果，评分标准按照GB/T 13047—91执行；表6为基于本文提出的试验方法，以车速20 km/h完成试验并对相关试验数据进行处理后的结果。

4　分析与讨论

4.1试验结果一致性分析

由于两种试验方法所得结果量纲不同，数据量级相差较大，不能直接用方差进行比较，所以通过计算样本的变异系数进行对比分析。变异系数适合于比较测量尺度相差大或量纲不同的样本的离散程度，它是无量纲量[5]，以符号C∙V表示，计算公式为：式中，S为样本的标准差；-X为样本的平均数。

根据式（1）计算所得两种试验方法的变异系数如表7和表8所列。

表5　转向回正试验残留横摆角速度　（°）/s

表6　转向回正试验结果

表7　根据测量转向盘转角的试验方法所得数据的变异系数

表8　根据国家推荐标准试验方法所得残留横摆角速度的变异系数

由表7和表8可知，按照本文提出的试验方法所得数据的平均变异系数为0.06，按照国家推荐标准试验所得数据的平均变异系数为0.17，由此可知，按照本文提出的试验方法所得数据离散性较小，一致性更好。这是因为国家推荐标准中以侧向加速度作为车辆开始回正的条件，但侧向加速度为速度的二阶量，当速度发生较小变化时侧向加速度会发生较大波动，因此给驾驶员操作带来了一定困难，加入了更多的人为干扰因素。另外，车辆的横摆角速度和侧向加速度为惯性测量仪器所测数值，而惯性测量仪器对使用条件要求较高，如路面不平、安装位置误差等都会对测量结果产生影响，这也是造成其一致性不好的原因之一。本文所提出的试验方法以车速作为开始条件，在试验过程中车速值变化量小，较容易控制，且测量转向盘转角的转向盘转角力矩测量仪精度较高、一致性好，因此试验结果具有较小的离散性。

4.2试验结果的准确性验证

国家推荐标准与本文所述方法虽然考察的指标及方法不同，但都应能正确反映车辆低速转向回正性能，因此相同工况下得出的结论应该是一致的。假设两种试验条件下车辆对驾驶员回正输入的响应均是线性的，如果两种试验方法所得结果成较强的线性关系，则可验证本文所提出的试验方法能够正确反映车辆回正性能。

图1为试验结果线性拟合曲线，其中每个数据点的横坐标为左、右转残余横摆角速度的均值，纵坐标为相同工况下左、右转残留转向盘转角的均值。按照式（2）计算曲线的线性拟合回归系数：式中，ssr为回归平方和；sst为总平方和。

由式（2）计算得R2=0.90，进而得到相关系数R= 0.95，说明参与拟合的点呈现较强的线性关系，验证了本文所提出的试验方法具有较好的准确性。

图1　试验结果/线性拟合曲线

由表6可知，在相同工况下左、右残留转向盘转角均值有所差异，这是由于左、右转空行程不一致导致的，因此本文所提出的试验方法在一定程度上也能反映出车辆左、右转时转向盘空行程的特征。

5　结束语

本文提出了一种基于测量转向盘转角的车辆转向回正性能试验方法，主要考察残留转向盘转角及转向盘回正角速度两种参数，根据残留转向盘转角的大小进行评分并根据转向盘回正角速度对评分进行修正。该方法能够直接将“车速”与“回正性”相联系，更直观地反映不同车速下车辆的回正性能。与国家推荐标准相比，该试验方法可以对较低车速的转向回正性能进行测试，可以作为国家标准的补充性试验。另外，该试验方法对驾驶员的操作要求更简单，评价的方法与主观评价关注点一致，更能反映客户的主观体验，试验结果也具有良好的准确性及一致性。

参考文献

1雷林，李强.汽车操纵稳定性的研究与应用.合肥工业大学学报（自然科学版），2009，32（1）：101～105.

2潘筱，孙延伟，高继东.五连杆非独立后悬架K&C特性仿真研究.机械设计与制造，2013，9（9）：79～81.

3景立新，吴立广，李飞.某车型转向回正性能问题改进.汽车技术，2014（3）：30～34.

4马骏，钱立军，高军.基于转向回正性能的主销内倾角和主销后倾角解析研究.汽车技术，2012（5）：55～58.

5张千，李新民.两正态分布总体变异系数差的区间估计.山东理工大学学报（自然科学版），2014，29（3）：23～26.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2015年8月18日。

Study of Vehicle Low Speed Returnability Test Method Based on Measuring Steering Wheel Angle

【Abstract】This paper introduces a test method to evaluate automotive low speed returnability p erformance, which studies steering wheel residual angle and steering wheel return angular speed. Rating is made according to steering wheel residual angle, which is revised according to steering wheel return angular speed. Tests have been made respectively with this method and the standard recommended by the state. It is proved that the paper recommended test method has good consistency and accuracy by analyzing the coefficient of variation and discreteness obtained from test results. This test method connects the vehicle speed and vehicle returnability performance directly which are also consistent with subjective evaluation test. This test method can be used as a supplementary of the national recommended standard.

Key words:Vehicle, Low-speed steering, Returnability performance, Steering wheel angle, Test

中图分类号:U467.1+1

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0032-03

主题词:汽车低速转向回正性能转向盘转角试验