汽车操纵稳定性稳态回转试验及评价

苗文兴 刘秋影 梁延召 武杰

（汉腾汽车有限公司）

随着汽车普及率的提高，用户对汽车操纵稳定性的要求也越来越高。如果汽车的操纵稳定性较差，不仅会降低用户的驾驶体验，而且会增加发生交通事故的风险，因此，汽车操纵稳定性在保障和提升汽车产品竞争力中占据着核心地位。操纵稳定性又是底盘设计开发中重要、复杂的环节。操纵稳定性评价包含稳态评价与动态评价，实际的操纵稳定性问题都是动态问题，尤其是驾驶员的主观感受，但合理的稳态特性是汽车具备良好的动态特性的必要条件[1]；稳态回转试验作为评估稳态特性的试验方法，是操纵稳定性最基本、最核心的试验项目。文章结合国内外试验标准及不同车型底盘的开发经验提出了其他的评价指标，用以更充分地评估汽车的操纵稳定性，并对各评价指标及其工程意义进行了讨论，以某车型的试验结果为例，进行分析且提出了改善方案，经验证主观评价得到改善。

1 汽车稳态回转试验方法

国家标准及ISO 标准均提供了汽车稳态回转试验方法，国家标准推荐固定转向盘转角法，ISO 标准列举了固定转弯半径、固定转向盘转角及固定车速3 种方法。固定转弯半径法和固定车速法更贴近通常的驾驶情况，因固定车速法需较大面积的试验场地，故多采用固定转弯半径法[2]156。

固定转弯半径法是汽车以最低稳定车速沿预定的圆周（推荐半径为100 m）行驶，然后缓慢加速，过程中不断地调整转向盘转角使试验车保持在预定圆周上，直至汽车无法保持沿预定圆周行驶。记录转向盘转角、转向盘力矩、行驶车速、横摆角速度、侧向加速度、车身侧倾角等变量，亦可进行车轮矢量测量。对于最高车速稍低的车型应选择稍小的试验半径，以达到车辆侧向极限。

2 汽车稳态回转试验评价指标

稳态回转试验数据中包含丰富的信息，根据记录的变量分别绘制车身侧倾角与侧向加速度、转向盘转角与侧向加速度、转向盘力矩与侧向加速度、前后轴侧偏角差与侧向加速度等关系曲线，从这些曲线中可提取不同的评价指标。

2.1 汽车线性区不足转向度

不足转向度是汽车前后轴侧偏角差与侧向加速度关系曲线上某侧向加速度值处的斜率。对前后轴侧偏角差与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为0.1g～0.35g所对应的区间做线性拟合，其斜率为线性区不足转向度。汽车应具备适度的不足转向特性，一般的线性区不足转向度设计范围，如表1 所示。

表1 汽车线性区不足转向度设计范围表 （°）/g

2.2 极限侧向加速度

极限侧向加速度是指能够达到的侧向加速度最大值，一定程度上决定了车辆的操控极限，该值越大越意味着能以较高的车速通过弯道，对行驶安全有利；高质心车辆不宜设定高极限侧向加速度，以降低侧翻风险。一般的极限侧向加速度取值区间为0.6g～0.9g。

2.3 线性区转向盘转角梯度

对转向盘转角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为0.1g～0.35g 所对应的区间做线性拟合，其斜率为线性区转向盘转角梯度，亦表征了车辆不足转向特性，反映了汽车在通过弯道时驾驶员的转向操作量，适度的操作量可在一定程度上提高驾驶员的主观感受。一般的线性区转向盘转角梯度取值区间为25～60（°）/g。

2.4 线性区转向力矩梯度

对转向盘力矩与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为0.1g～0.35g 所对应的区间做线性拟合，其斜率为线性区转向力矩梯度。转向力矩梯度在一定程度上表征了转向系统路感及回正能力，驾驶员通过转向操纵力感知汽车所处的状态，尤其是侧向加速度水平，较大的转向操纵力意味着较大的转向回正力。一般的线性区转向力矩梯度取值区间为4～9 N·m/g。

2.5 最大转向力矩及其对应的侧向加速度

随着行驶车速和侧向加速度的提高，回正力逐渐增大，转向控制力也不断增大；接近侧向极限时，常降低转向控制力，以提示驾驶员汽车将达到侧向极限并作出调整，以免发生危险。合理的最大转向力矩及对应的侧向加速度设定，有利于驾驶员充分感知汽车状态，以避免汽车失控，从而降低事故率。一般的最大转向力矩取值区间为3～9 N·m，对应的侧向加速度一般为极限侧向加速度减小0.05g～0.1g。

2.6 车身侧倾梯度

对车身侧倾角与侧向加速度关系曲线上侧向加速度为0.1g～0.35g 所对应的区间做线性拟合，其斜率为车身侧倾梯度。过大的侧倾使驾驶员感到不稳定、不安全；但较小的侧倾需设定较大的侧倾刚度，致转弯时载荷转移加大，会降低车辆侧向极限，单侧车轮遇到凹坑或凸起时，车厢内会感受到冲击，平顺性差[3]。汽车应具备适度的车身侧倾梯度，典型的车身侧倾梯度设计范围，如表2 所示。

表2 车身侧倾梯度设计范围表 （°）/g

3 实例分析

按照前文的试验方法及评价指标，对某SUV 车型进行了稳态回转试验，试验结果，如图1～图4 所示。

图1 转向盘转角与侧向加速度的关系曲线图

图2 前后轴侧偏角差与侧向加速度的关系曲线图

图3 转向力矩与侧向加速度的关系曲线图

图4 车身侧倾角与侧向加速度的关系曲线图

由图1 可见，线性区转向盘转角梯度为27.99（°）/g，试验结果表明：

1）该车呈不足转向，随着侧向加速度的增大，为保持沿预定的轨迹行驶，驾驶员需增大转向盘转角；

2）该车加速通过转弯路段时，为保持汽车沿预定的轨迹行驶，驾驶员的转向操作量大小在较合理的范围内。

由图2 可以得出，线性区不足转向度为2.16（°）/g，极限侧向加速度为0.87g。试验结果表明：

1）该车线性区不足转向度大小合理，与其运动型定位相符；

2）线性区到非线性区过渡平稳；

3）极限侧向加速度大小合理，主观评价亦表明该车具备较好的极限操控能力。

对于固定转弯半径试验，ISO 中规定的不足转向度计算方法，如式（1）所示。

式中：U——不足转向度，（°）/g；

δH——转向盘转角，（°）；

aY——侧向加速度，g；

iS——转向角传动比[4]。

该车的转向盘转角梯度与不足转向度的比值为12.95，与该车转向角传动比测试结果存在些许偏差，其原因如下：

1）由转向系统的柔性导致；

2）转向角传动比波动；

3）悬架运动学及弹性运动学特性的影响[2]157。

由图3 可以看出，随着侧向加速度的增加，转向力矩不断增大，线性区转向力矩梯度为7.33 N·m/g；侧向加速度为0.77g 时，转向力矩达到峰值，之后转向力矩呈下降趋势，试验结果表明：

1）转向力矩梯度较大，随着侧向加速度的增加转向力矩增加较明显，手力反馈清晰；

2）最大转向力矩及其对应的侧向加速度均合理，有利于驾驶员感知车辆侧向极限。

由图4 可以得出，车身侧倾梯度为3.85（°）/g，作为SUV，其车身侧倾梯度较小，有利于提高稳定性，但可能会对行驶平顺性不利，评价结果表明该车平顺性较差。

综上分析，该车在操纵稳定性方面应予以改进的提议如下：

1）优化EPS 特性，适度降低转向力矩梯度，以改善侧向加速度工况下的转向轻便性；

2）适度降低稳定杆直径，适当提高车身侧倾度，以改善行驶平顺性。

4 结论

文章对稳态回转试验方法进行了讨论，提出了相应的评价指标及各指标的推荐设计范围，丰富了操纵稳定性评价体系，除可对线性区操纵稳定性进行评价外，亦可对非线性区操纵稳定性进行评价，有助于更好地设计汽车的操纵稳定性，有利于降低汽车安全事故、提高车辆驾驶乐趣。鉴于操纵稳定性评估的多样性，在实际工程实践中，需综合主观评价、K & C、其他试验项目测试结果及竞品车表现制定具体的设计方案。