汽车横向瞬态响应试验研究

黄 涛，周 奕

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

汽车横向瞬态响应是影响汽车操纵稳定性的重要因素，会带来诸如时间滞后、执行误差、横向波动等问题，严重影响驾驶员的操纵精度。车辆横向瞬态响应通常采用角阶跃输入、角脉冲输入、单正弦输入作为主要的试验方法。角阶跃法主要评价车辆对转角输入的反应速度，通过对横摆角速度的反应，评价车辆转向反应的快慢；角脉冲输入法通常用来分析车辆的频率特性；单正弦输入法用于分析车辆的反应灵敏度，通过横摆角速度和横向加速度对方向盘输入的时延特性进行分析，评价车辆的操控性能。

在以往关于操纵穏定性的研究中，对角阶跃输入法和角脉冲输入法的探讨比较多，积累了大量的试验数据。由于单正弦输入法受技术限制，不能得到较好的输入一致性，所以相关研究比较少。同时，单正弦输入法能够使汽车的行驶轨迹平移一段距离，这一过程类似车辆的“移线”试验，在高速超车中会经常出现，该试验也最能反映实际使用工况。近几年，由于自动转向机器人的应用，使转向输入的问题得到了很好的解决。本文对某国产SUV和某德系SUV车型进行试验研究，通过角脉冲输入获得车辆的系统频率特性，在车辆谐振频率附近采用单正弦输入法对汽车横向瞬态响应特性进行探讨。

1　汽车操纵响应的特性

如果汽车各个部分的力学特性都与转向的剧烈程度无关，则系统的输入、输出便能保持一定的比例关系。在路面附着系数较大，而侧向加速度较小的情况下，汽车转向运动的输入和输出可以保持这种线性关系[1]。通常选择在路面附着系数大于0.8的铺装路面上进行试验，试验横向加速度选择4 m/s2左右，在这个强度下能覆盖大部分驾驶情况，又能保持输入和输出的线性关系。

线性阶段的瞬态响应主要取决于车辆系统的固有参数，在有效通频带内的输入和输出保持相同的频率特性。比如一个单正弦角输入，输出也是相应的同频正弦波，并且随输入的幅值变化而变化[2]。

2　角脉冲输入试验

试验采用某国产SUV和某德系SUV车型，国产车型为2.0T自动挡7座SUV，德系车型为1.8T双离合7座SUV。试验采用周期为0.4 s的方向盘三角脉冲输入，为使车辆达到4 m/s2左右的横向加速度，针对本次试验选取幅值为60°的三角脉冲，试验车速为100 km/h。三角脉冲输入和横摆角速度输出曲线如图1所示。

采用标准ISO 7401推荐的试验数据处理方法，对试验数据进行频域化处理，获得该车的幅频特性曲线。标准和通常的试验方法都是以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的系统频率特性，但是瞬态试验中汽车的横向加速度也同样重要，特别是单正弦试验中横向加速度直接关系到车辆的稳定性。能够获得横向加速度频率特性就可以得到横向加速度的谐振频率，以便更好地选择单正弦试验的输入频率。图2和图3分别是该车的横摆角速度频率特性曲线和横向加速度频率特性曲线。

图1　三角脉冲输入和横摆角速度输出曲线

图2　横摆角速度频率特性曲线

图3　横向加速度频率特性曲线

3　单正弦输入试验

3.1　试验方法

单周期正弦输入瞬态响应试验是ISO 7401标准推荐的几种瞬态响应试验之一。根据图3所示，方向盘幅值选取频率为0.5 Hz的单周期正弦波，以100 km/h的速度匀速行驶，从而产生4 m/s2左右的横向加速度，选取转向幅值为35°，然后用方向盘幅值为35°的单正弦，分别以0.25 Hz、0.5 Hz、0.6 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz的频率进行单正弦试验。

3.2　不同频率单正弦试验的输出特性

对恒定幅值变频率的单正弦输入，车辆的横摆角速度和横向加速度响应会出现相应的变化，其最大横摆角速度和最大横向加速度变化曲线如图4和图5所示。在单正弦试验频率1 Hz附近产生了最大横摆角速度，这与图2的横摆角速度频率特性曲线比较吻合；在0.5 Hz处能够获得最大横向加速度，同样能够吻合横向加速度频率特性曲线。通过角脉冲试验计算的频率特性，具有较高的准确性，单正弦试验的频率选择可以根据频率特性曲线选择谐振频率附近的频率，从而得到最严苛的结果，一般情况下无需选择多频率覆盖。

图4　最大横摆角速度变化曲线

图5　最大横向加速度变化曲线

3.3　增益比率对比试验

横摆角速度增益、横向加速度增益、横摆角速度比率、横向加速度比率都是重要的评价指标。采用ISO 7401提供的方法，横摆角速度（横向加速度）增益定义为横摆角速度（横向加速度）与相应的方向盘转角第一个峰值之间的比值。横摆角速度（横向加速度）比率定义为横摆角速度（横向加速度）的第二个峰值与第一个峰值的比值，两车的对比数据见表1。

表1　增益比率数据对比

横摆角速度（横向加速度）与转向角度的增益反映出车辆对转角的响应特性，但是受转向系统的转向比影响更大。横摆角速度（横向加速度）的比率则反映出车辆回正过程中的超调量。在高速驾驶中，越小的超调量越能获得更优的稳定性。由表1可知，国产SUV的横摆角速度和横向加速度超调量均优于该款德系SUV车型。

3.4　时延特性

时延特性是指汽车输出相对于方向盘输入的时间延迟。根据汽车的操纵响应特性，在有效的通频带内，方向盘输入一个单正弦，其对应的横摆角速度、横向加速度、车辆侧倾角等输出均保持同频率的单正弦状态（图6）。但是相对于方向盘的输入具有一定的时间延迟，一般称之为汽车的反应时间。对于车辆驾驶操纵感来说，反应时间越短驾驶操纵感会越好，反应时间越长就会感觉车辆反应迟钝，所以时延特性是评价车辆瞬态相应的一个重要指标。

图6　输入输出同频率特性

时延特性是输出相对于整个单正弦输入的时间延迟，而不是某一个峰值点的时间延迟，即整个输入和输出曲线的时间延迟。这个时间延迟是通过互相关函数计算出的。车辆的输出是由方向盘的输入引起的，因此它们是一对互相关序列。用x(t)和y(t)来分别表示输入和输出信号，y(t)是x(t)信号经过一段时间τ后产生的同频信号，与x(t)具有高度的相似性。汽车的延迟时间就是要计算τ值。

单正弦试验结果对数据分析方法比较敏感，在进行数据计算前需要对采集的数据进行滤波处理，滤波器的设计参考标准ISO 8/TR 725推荐的参数，采用2阶Butterwoth滤波器进行5 Hz的低通滤波。将转盘输入信号定为x(t)，横向加速度或横摆角速度均为输入信号激励后产生的输出信号y(t)，两个信号的互相关函数为：

通过逐步增加τ把信号y(t)移向信号x(t)，从而获得互相关函数Rxy的最大值，该最大值表示输入和输出具有最大相关度，即为输入和输出的时间延迟。

采用幅值35°、频率0.5 Hz的单正弦对某国产SUV进行多次试验，试验车速为100±2 km/h，试验数据见表2。由表2可知，时延特性具有相当好的一致性，输入端正常的波动几乎不对其产生影响。

表2　多次重复试验数据

针对不同车速的试验结果见表3。车速对横摆角速度的延迟时间基本没有影响，通过分析数据可以看出横摆角速度与转向系统相关，转向间隙和转向迟滞是其时间延迟的主要因素，悬架差异对其影响较小。横向加速度和侧倾角的时间延迟随速度的增加而加大，延迟时间的加大会导致车辆的操作变得越来越困难，稳定性随之下降。横向加速度和侧倾角的延迟特性与悬架和底盘具有密切的关系，通过简单地改变几个K&C参数难以得到理想的效果。

表3　不同车速试验

与德系SUV的对比试验，见表4和表5。由表可知，德系SUV的时间延迟优于国产SUV车型，两车的主观评价显示在中速（50～100 km/h）和低速（0～50 km/h）阶段，两者基本无差异，但在高速（大于100 km/h）阶段驾驶员能感到轻微的差异，这与瞬态响应试验的结论比较一致。

表4　横向瞬态响应对比试验

表5　主观评价试验得分对比

4　结论

本文通过脉冲输入和单正弦输入对车辆横向瞬态响应进行了试验研究，脉冲输入获得的幅频特性与不同频率单正弦输入获得的结果具有较高的一致性，可以用幅频特性曲线选取相应的频率进行其它相关试验。研究了单正弦试验的一些特性，通过精确的输入控制单正弦试验能够得到重复性和一致性都比较好的结果，这个结果可以作为操纵穏定性相关评价的指标，并且相对于主观评价具有更好的量化性。

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