商用车操纵稳定性之稳态回转试验的研究与应用

崔康 宋鲁宁 蔡振华 郭栋 孟靓

关键词：操纵稳定性;稳态回转;找圆;悬架;侧倾角;侧偏角

0引言

汽车操纵稳定性是指车辆正常行驶状况下，遇到外界干扰时能够保持稳定行驶的能力[1]。操纵稳定性可分为操纵性和稳定性两个部分，操纵性重点是响应驾驶员指令的能力;稳定性则是抗干扰能力或从非稳定状态恢复到稳定状态的能力。

车辆的操纵稳定性是影响汽车行驶安全的重要因素，是评价车辆性能的重要指标[2]，稳态回转试验方法则是用来测试操纵稳定性的一种重要手段。而悬架则是除转向系、轮胎等部件外，影响汽车操纵稳定性的又一重要因素。

从20世纪七八十年代开始，人们就通过建模、仿真和模拟试验等各个方面，对汽车的悬架及其对汽车的操纵稳定性、安全性和舒适性的影响进行了研究。随着汽车技术的不断发展，人们采用稳态回转实验方法对车辆操纵稳定性的研究也不断增加，试验方法已相对成熟。因此，通过稳态回转试验方法对商用车采用不同悬架的操纵稳定性进行研究具有重要意义。

1稳态回转试验流程

稳态回转试验是评价汽车操纵稳定性的一个重要试验，试验可分为3个阶段。

第一阶段是试验找圆过程。试验前需在国家认可试验场地（最好是动态广场），以鲜艳、醒目的颜色画出半径不小于15m的圆周。测试人员驾驶试验车辆以最低稳定车速围绕既定圆周行驶，以达到车辆纵向对称面上的传感器（一般安装在质心位置，受结构限制无法安装在质心的可通过设备设置质心偏移）在半圈内都可以对正圆周的状态。找圆结束，记录并固定转向盘转角。

第二阶段，驾驶车辆从速度为零缓慢而稳定起步，逐渐加速至侧向加速度达到6.5m/s2，或受发动机限制所能达到的最大侧向加速度或車辆不受控制，期间确保纵向加速度不超过0.25m/s2。试验过程中记录下车辆的侧向加速度、车身侧倾角等参数。

第三阶段是对采集的数据进行处理分析。

2稳态回转找圆方法研究

2.1主要试验方法

因驾驶员视野受限等问题，进行稳态回转试验一直面临一个难点，就是如何利用现有试验设备快速有效地找到稳态试验圆周。也就是找到使试验车辆纵向对称面上的传感器在半圈内都能对正圆周的转向盘角度，从而以固定转向盘角度进行试验。找圆的试验方法主要分为以下3类。

方法一为依靠驾驶员目测醒目的圆周，即以最低稳定车速围绕圆周重复性转圈，以找到稳态试验圆周。

方法二为依靠试验设备外加驾驶员辅助找圆。首先驾驶员依靠视觉快速找到圆周大概位置，然后以最低稳定车速围绕圆周行驶。期间依据设备本身自带的GPS定位功能，实时采集位置信息传输到电脑。试验人员根据采集到的数据提醒驾驶员调整方向盘角度，找到稳态圆周。依据检测设备又分为两种状况：一是依据GPS非接触速度计（VBox）主定位模块进行找圆;二是依据陀螺仪定位模块找圆。

方法三为依靠辅助试验设备找圆。目前主要是利用光栅传感器加监控视频摄像头进行找圆，但这种方式对试验场地和试验环境条件，如光线条件等要求较高。采用这种方法，首先是在车辆的前防护中间位置安装一个视频摄像头辅助驾驶员，然后将标尺光栅围绕画好的已确定半径的圆粘贴好，将光栅传感器安装在车底质心位置正下方无阻碍的位置。此时车辆以最低稳定车速围绕画好的圆周行驶，直至达到传感器在半圈以上都能对正圆周中心。

2.2试验数据采集分析

驾驶N2类商用车，以15.00m为目标半径，通过上述3种试验方法各进行10组稳态回转找圆试验（左转5次，右转5次）。试验结果如图1、图2和图3所示，试验数据记录如表1所示。

通过试验轨迹图和初始半径的实测记录可以发现，使用方法一找圆，实测轨迹大部分游离在图1中的区域C，部分游离在图1中的区域A，距离目标圆周都有一定差距，且波动幅度较大，相对误差较大。使用方法二，不论是基于VBox找圆还是基于陀螺仪找圆，试验轨迹都是在区域B附近，个别游离到区域A，距离目标圆较近，数据波动较小。使用方法三找圆比方法二数据波动略大，精确度相对较高。

因此，结合试验实际条件可以得到如下结论：采用方法一找圆虽然相对较快，但是误差较大，试验数据不稳定;方法三找圆虽然精确度较高，但对实际场地和环境条件要求很高，操作难度较大;只有方法二找圆的时间相对较短，可操作性强，试验数据波动幅度小，精确度高。因此，在进行稳态回转试验时，选用方法二相对更为实用。

3商用车悬架对操纵稳定性的影响

3.1商用车悬架概述

悬架是车桥与汽车车架或承载式车身之间的连接和传力装置的统称，其主要作用就是传递作用在车架和车桥之间的力和扭矩[3]，缓解因道路不平给车架或车身带来的冲击力，并减少振动带来的不适感，保证车辆行驶的平顺性[4-5]。

典型的悬架结构一般由减振器、弹性元件和导向机构组成。弹性元件是其中的核心部件，其类型有钢板弹簧、空气弹簧等。钢板弹簧因其价格便宜、可靠性强及稳定性好，是目前商用车的优选。目前也有部分商用车使用了空气弹簧，个别特种车型使用了其他悬架种类。有些商用车型为了提高舒适性，又要保证行驶中的稳定性，会选择在前轴安装钢板弹簧悬架，后轴安装空气悬架，混合使用。

3.2采用稳态回转试验方法验证悬架对操纵稳定性的影响

稳态回转试验是目前用来测试汽车操纵性和稳定性的一种重要技术手段。通过稳态回转试验直接测得的车辆侧倾角、横摆角速度和侧向加速度，以及分析计算得到的不足转向度、侧倾度和转弯半径等参数，可以判断车辆的操纵性和稳定性的好坏。而悬架作为影响汽车操纵稳定性的一个重要部件，采用稳态回转的试验方法对不同悬架对车辆操纵稳定性的影响进行研究，为今后保证道路行驶安全具有重要意义。本文针对目前商用车市场应用最广泛的两种悬架：钢板弹簧悬架和空气悬架，采用稳态回转的试验方法探究悬架对操纵稳定性的影响。3709D8D6-3FD3-4E71-9C1C-4BD9F02A060D

3.3试验结果

试验选用2台除悬架形式不同其余配置完全相同的N2类商用车，采用前面提到的方法进行稳态回转试验。试验结果图4、图5、图6和图7所示。

采集数据对比显示，在做稳态回转试验时，2台样车随车速的增加，侧向加速度、横摆角速度和侧倾角明显增加，俯仰角波动变大。剔除异常数据后（车辆振动等引起的数据），截取同一速度点的侧倾角、侧向加速度和横摆角速度，可发现安装有空气悬架的样车要比安装有钢板弹簧悬架的样车数值要大。同等速度点时，装有钢板弹簧样车的俯仰角波动要比空气悬架样车的小。

稳态回转性能评价一般以中性转向点的侧向加速度、车身侧倾角等作为依据[6]。因此为了提高数据采集的准确性和降低误差，首先对采集的数据进行平滑处理，筛掉离散数据或异常数据，然后根据采集到的试验数据计算出车辆的转弯半径和车辆的前后轴侧偏角之差，再进行3阶次拟合。

稳态回转试验时，某一速度点可看作标准圆周运动，其转弯半径、速度与时间以及角度的关系可由式（1）表示：

根据式（2）和式（3）以及采集到的数据，分别得到侧向加速度与侧倾角的三阶拟合图、侧向加速度与前后轴侧偏角之差的三阶拟合图以及侧向加速度与转弯半径的三阶拟合图。

3.4右转试验数据分析

通过钢板弹簧样车和空气悬架样车侧向加速度与侧倾角的三阶拟合对比图可以清晰地看到（图8和图9），随着侧向加速度的增加，侧倾角增加。钢板弹簧样车是从0.200°下降到-2.400°，空气悬架样车是从0.400°下降到-2.800°。侧倾角波动大，说明车辆的稳定性差，也就是空气悬架没有钢板弹簧稳定。

通过侧向加速度与前后轴侧偏角之差的三阶拟合对比图可得出（图10和图11），随着侧向加速度的增加，两台车的前后轴侧偏角都在增加，空气悬架车型的前后轴侧偏角之差增加明显大过钢板弹簧。前后轴侧偏角的差值过大，就会造成车辆难以控制，导致发生侧滑甩尾甚至侧翻。

通过侧向加速度与转弯半径的三阶拟合图对比图可以看到（图12和图13），随着侧向加速度的增加，空气悬架样车的转弯半径增加明显。转弯半径增加，说明样车存在一定的转向不足或车辆可能存在侧滑现象。

通过表2中计算的数据可知，空气悬架样车计算出的不足转向度比钢板弹簧大0.128°/（m/s?），车身侧倾度大0.083°/（m/s?）。雖然数据显示样车都存在一定的转向不足，但空气悬架转向不足要大一些。

3.5左转试验数据分析

通过钢板弹簧样车和空气悬架样车侧向加速度与侧倾角三阶拟合对比图可以清晰地看到（图14和图15），随着侧向加速度的增加，侧倾角增加。钢板弹簧样车是从0.800°增加到4.000°，空气悬架样车是从0.800°增加到4.400°。

通过侧向加速度与前后轴侧偏角之差的三阶拟合对比图可得出（图16和图17），随着侧向加速度的增加，钢板弹簧样车的前后轴侧偏角之差从-0.300°增加到1.000°，空气悬架的前后轴侧偏角之差从-0.300°增加到1.800°。空气悬架样车前后轴侧偏角之差的增加明显大过钢板弹簧样车。

通过侧向加速度与转弯半径三阶拟合对比图可以看到（图18和图19），两者变化不是特别明显。但从计算公式可知，随着侧向加速度的增加，空气悬架样车的转弯半径会比钢板弹簧样车大。

通过表3中计算数据可知，稳态左转时空气悬架样车计算出来的不足转向度、车身侧倾度比钢板弹簧样车大。

通过上述分析可以发现，不论是左转还是右转，随着侧向加速度的增加，侧倾角度不断增加，前后轴侧偏角之差也不断增加，转弯半径不断减小。从计算结果可知，空气悬架的车身倾斜度比钢板弹簧的要大，车身侧倾度、侧倾角和前后轴侧偏角越大，说明车辆的稳定性越不好，很容易发生类似侧滑、侧翻或甩尾的情况，严重影响整车安全。从拟合计算数值看，也是空气悬架样车的不足转向度略大于钢板弹簧的不足转向度。因此从采集数据分析可得，仅从悬架对操纵稳定性的影响上看，钢板弹簧悬架的性能要比空气悬架性能稳定。

4结束语

本文从测试的角度提出了稳态回转找圆的3种试验方法，经过大量的试验验证，确认依靠试验设备外加驾驶员辅助找圆，是目前测量准确、精确度高、实操性强的一种方法。并且借助这种试验方法，采集空气悬架样车和钢板弹簧悬样车的车身侧倾角、前后轴侧偏角、侧向加速度及横摆角速度等参数，通过对比分析和计算得出，单从操纵稳定性的角度来看，空气悬架的稳定性要比钢板弹簧悬架的稳定性要低。

商用车多数存在自重大、轴距长、多轴距以及质心高等问题，悬架作为承载车身传力装置，对操纵稳定性起着至关重要的作用。目前空气悬架正越来越多地应用于商用车上，本文采用稳态回转的试验方式，验证了悬架型式对商用车辆操纵稳定性的影响，对于商用车生产厂商合理选择悬架类型具有重要意义。3709D8D6-3FD3-4E71-9C1C-4BD9F02A060D