劉杰，萬里翔，王波（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 成都 610031）

乘用車操縱穩(wěn)定性評價方法的研究

劉杰，萬里翔，王波
（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 成都 610031）

汽車操縱穩(wěn)定性的好壞直接影響汽車駕駛的操縱方便性以及汽車高速行駛的安全性。汽車操縱穩(wěn)定性評價方法制定是否合理，會對汽車生產(chǎn)企業(yè)的指導(dǎo)及汽車操縱穩(wěn)定性的保證產(chǎn)生影響。目前，由于汽車操縱穩(wěn)定性評價方法的復(fù)雜性，世界各國都未形成統(tǒng)一的汽車操縱穩(wěn)定性評價方法。本文分析了國內(nèi)外汽車操縱穩(wěn)定的評價方法，提出了國內(nèi)汽車操縱穩(wěn)定性評價方法主要存在的問題，針對存在的相關(guān)問題，提出了乘用車操縱穩(wěn)定性新的評價方法和評價指標(biāo)，并根據(jù)具體車型驗證新標(biāo)準(zhǔn)的合理性。

乘用車；操縱穩(wěn)定性；評價指標(biāo)

1　目前國內(nèi)汽車操穩(wěn)性評價主要存在的問題

汽車的操縱穩(wěn)定性是駕駛員在不過分緊張、疲勞的情況下，汽車能按照駕駛員意圖行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力［1］。汽車的操縱穩(wěn)定性能是主動安全性中不可忽視的重要部分，顯示了駕駛員控制車輛的安全與否，同時也決定著汽車高速時的主動安全［2］。

隨著全國道路狀況的改善，特別是高速公路的迅速發(fā)展，汽車行駛平均速度日益提高，有些運動型轎車的最高車速甚至超過每小時三百公里［2］。因此，汽車的操縱穩(wěn)定性將更加被重視，是現(xiàn)代汽車重要的使用性能之一［2］。

1.1國內(nèi)外汽車操縱穩(wěn)定性評價方法分析

汽車操縱穩(wěn)定性可分為操縱性和穩(wěn)定性兩個部分，二者相互關(guān)聯(lián)，相互影響。操縱性主要是駕駛員對汽車的操縱輸入的響應(yīng)效果，包括轉(zhuǎn)向回正性能、變道操縱性能、轉(zhuǎn)向操縱性能等；穩(wěn)定性則表示車輛應(yīng)對外界干擾，保持穩(wěn)定行駛的能力，包括抵抗來自路面干擾和空氣干擾的能力。產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)使二者之間合理協(xié)調(diào)。汽車的操縱穩(wěn)定性最終應(yīng)通過試驗的方法來測定與評價，試驗中的性能評價包括主觀評價和客觀評價兩種方法［1］?？陀^評價是通過測試儀器測出表征性能的物理量如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等來評價操縱穩(wěn)定性的方法［1］。主觀評價就是感覺評價，其方法就是讓試驗評價人員根據(jù)試驗時自身的感覺來進行評價［1］。由于汽車操穩(wěn)性受多種因素影響，其客觀評價指標(biāo)并不能完整評定汽車操縱穩(wěn)定性，因此主觀評價在汽車操穩(wěn)性評價中仍占有重要地位［3］。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6323-2014）《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》［4］規(guī)定的汽車操穩(wěn)性評價方法見下圖1.1：

我國、日本、美國和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織分別按照下表1.1的方式進行汽車操縱穩(wěn)定性的客觀評價。

對比可以看出，我國、日本和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，都要求對車輛進行蛇形試驗，因為蛇形試驗綜合性較高，具有一定代表性和重要性，在一定程度上可以反映出汽車的側(cè)偏特性和橫擺情況。進行對比的四個國家和組織都要求進行穩(wěn)態(tài)試驗，原因是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中包含對不足轉(zhuǎn)向度的測量，適度的不足轉(zhuǎn)向量有助于高速安全，但不足轉(zhuǎn)向量過大，也會帶來駕駛疲勞。觀察發(fā)現(xiàn)，美國和日本都很關(guān)注車輛的抗側(cè)風(fēng)能力，原因可能是，兩個國家的大部分地區(qū)經(jīng)常遭受臺風(fēng)侵襲，因而做出這方面的考慮。

各個國家或組織的操穩(wěn)性試驗項目對比見下表1.1：

1.2國家標(biāo)準(zhǔn)操穩(wěn)性評價方法存在的主要問題

表1　.1 各國家或組織的操穩(wěn)性試驗項目對比

1）一方面，主觀評價往往受評價者個人主觀因素的影響，不同評價者對同一產(chǎn)品給出的評價結(jié)果差別較大，并且也不能給出“汽車性能”與“汽車結(jié)構(gòu)”之間的聯(lián)系［1］。另一方面，對于不同車型尤其在車體構(gòu)造和性能等方面差別較大的車輛，現(xiàn)行汽車操縱穩(wěn)定性國家標(biāo)準(zhǔn)的評價試驗方法和指標(biāo)限值并沒有分類制定或者有任何不同之處，這顯然是不合理的。并且，近年來汽車工業(yè)技術(shù)不斷進步和發(fā)展，汽車操穩(wěn)性評價方法也應(yīng)按現(xiàn)行汽車對操縱穩(wěn)定性要求而更新。

2）現(xiàn)行汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QC/T 480-1999）《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法》［5］中規(guī)定的汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能評分計算公式如下：

其中，Nan為中性轉(zhuǎn)向點側(cè)向加速度值的評價計分值；NU為 不足轉(zhuǎn)向度的評價計分值；NKΦ為車廂側(cè)傾度的評價計分值；NW為 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗的綜合評價計分值。汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性,以保證行車安全。而標(biāo)準(zhǔn)中并未對不足轉(zhuǎn)向度的評價計分值NU有所重視，這是不合理的。

3）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的車輛轉(zhuǎn)向回正性能評分計算公式如下：

其中，NΔr和N'Δr分 別為低速和高速回正性能試驗殘留橫擺角速度絕對值的評價計分值；NEr和N'Er分 別為低速和高速低速回正性能試橫擺角速度總方差評價計分值；NH為 轉(zhuǎn)向回正試驗的綜合評價計分值。顯然，汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向回正性能較低速行駛時更為重要。因此，應(yīng)更加注重車輛高速行駛的轉(zhuǎn)向回正性能。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，轉(zhuǎn)向回正性能試驗在高速與低速比重均衡顯然是存在很大問題的。

4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的蛇形試驗評分計算公式如下：

其中，Nr為平均橫擺角速度峰值的評價計分值；Nθ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的評價計分值；Ns為蛇形試驗的綜合評價計分值。即使蛇形試驗中對Nr有 所側(cè)重，筆者認為側(cè)重度也不夠。現(xiàn)實情況中，乘用車在行駛過程中最小轉(zhuǎn)彎半徑不超過12m，而試驗中所規(guī)定的標(biāo)樁間距達30米和50米之多。顯然試驗規(guī)定的標(biāo)樁間距過大，與現(xiàn)實不相符合，試驗得出的結(jié)果并不能充分顯示車輛的轉(zhuǎn)彎特性。

5）最大總質(zhì)量小于或者等于6t的汽車，操縱穩(wěn)定性的總評價值Nz按下式計算：

其中Ns為 蛇形試驗的綜合評價計分值，NJ為汽車橫擺角速度響應(yīng)時間的評價計分值，NM為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗的綜合評價計分值，NH為轉(zhuǎn)向回正性能試驗綜合評價計分值，NQ為轉(zhuǎn)向輕便性綜合評價計分值，NW為 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗的綜合評價計分值。

由1.4來看，現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)將各個試驗的比重均分，證明該標(biāo)準(zhǔn)下各項目的重要性相當(dāng)，具有一定的不合理性。

綜上所述，現(xiàn)行汽車操縱穩(wěn)定性國家標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中評價指標(biāo)計分的權(quán)重在合理性上存在一定問題。

2　乘用車操穩(wěn)性的評價方法和評價指標(biāo)的改進建議

按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3730.1-2001）《汽車和掛車類型的術(shù)語和定義》可將汽車分為乘用車和商用車。但由于各類汽車自身結(jié)構(gòu)形式、類型用途、使用情況、行駛路況不盡相同，所以在操穩(wěn)性評價時應(yīng)將上述分類加以細分。本文主要討論乘用車（包含轎車、客車和越野車）操穩(wěn)性的評價方法和評價指標(biāo)的改進建議。

2.1乘用車操穩(wěn)性各指標(biāo)相關(guān)性討論及改進建議

1）多數(shù)現(xiàn)代轎車的行駛路況良好，路面平整度較好，坡度及轉(zhuǎn)彎半徑都較小，因此對轎車的轉(zhuǎn)向輕便性能不應(yīng)要求較高。加上現(xiàn)在許多轎車都裝有轉(zhuǎn)向助力裝置，裝有轉(zhuǎn)向助力的車與沒有轉(zhuǎn)向助力的車測得的轉(zhuǎn)向輕便性結(jié)果不具可比性。且輕便性試驗與轉(zhuǎn)向回正性試驗具有一定關(guān)聯(lián)性，轉(zhuǎn)向回正性試驗結(jié)果在一定程度上也反映了轉(zhuǎn)向輕便性。所以建議輕便性試驗權(quán)重可在一定程度上有所降低。

2）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中測試的不足轉(zhuǎn)向度是為了防止轉(zhuǎn)向過度造成側(cè)傾隱患，對于高速車輛來講是必備條件。但不足轉(zhuǎn)向量也不應(yīng)過大，因為車輛應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向量，以防止不足轉(zhuǎn)向量過大導(dǎo)致駕駛員疲勞。根據(jù)上式1.1，應(yīng)該適當(dāng)提高乘用車高速不足轉(zhuǎn)向度U在操穩(wěn)性評價中的比重。

3）轉(zhuǎn)向回正性試驗按高速回正性和低速回正性進行試驗。多數(shù)現(xiàn)代轎車最高車速達100km/h。客車載客量大、車身偏長的特點導(dǎo)致對其操穩(wěn)性要求較高，在長途行駛或山路轉(zhuǎn)彎較頻繁的時候，車輛的轉(zhuǎn)向回正性能尤為重要。越野車多數(shù)時間的行駛路況復(fù)雜，路面不平坦，障礙物較多，且彎道、上下坡等較頻繁，車輛的轉(zhuǎn)彎特性中回正性也很重要。根據(jù)上式1.2，故在兩項試驗都進行時應(yīng)加大上述三種車型高速回正性能試驗的比重。

4）蛇形試驗是幾個穩(wěn)態(tài)響應(yīng)試驗中綜合性最高的一項，側(cè)面反映轉(zhuǎn)向回正試驗、轉(zhuǎn)向輕便試驗、轉(zhuǎn)向盤角階躍、角脈沖試驗，具有一定代表性和重要性，在一定程度上可以反映出汽車的側(cè)偏特性和橫擺情況。且蛇形試驗評價與汽車安全穩(wěn)定性密不可分。根據(jù)上式1.3，應(yīng)在上述三種車型中大幅增加平均橫擺角速度峰值試驗值的計分權(quán)重。

2.2改進后的乘用車操穩(wěn)性評價指標(biāo)

需要說明的是，改進后標(biāo)準(zhǔn)中計分值比例α、β、γ、ε值應(yīng)按轎車、客車和越野車各自的設(shè)計側(cè)重點來確定相應(yīng)值。在這個確定過程中，應(yīng)由相關(guān)專家及有經(jīng)驗的不同駕乘人員經(jīng)過主觀評價后給出相應(yīng)值，經(jīng)過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)求平均值后確定。

本文給出的值是本人對汽車操縱穩(wěn)定性研究后給出的參考值。參考值如下：α1=2，α2=1；β 1=1，β2=3，β3=3；γ=2；ε=1/3。修改后的乘用車操縱穩(wěn)定性評價計分權(quán)重系數(shù)如下表2.1所示。

1.2.2.4 出院指導(dǎo) 患者出院前,護理人員為患者進行出院事項交到,叮囑患者按時用藥,出院后定時來院復(fù)查,對兩組的治療情況進行統(tǒng)計對比[3]。

3　對乘用車的評價說明

本文此處僅用國內(nèi)某轎車通過國標(biāo)操穩(wěn)性評價試驗方法的最終評分結(jié)果和通過修正后的評價體系得出的最終評分結(jié)果作對比，并且以駕駛員駕駛汽車的主觀評價作為參考，以此驗證改進后評價體系的方向正確性。以下客觀評價試驗結(jié)果來自文獻［6］。需要說明的是，試驗車輛最高車速均超過200km/h，整備質(zhì)量大約為1.5t。原評價結(jié)果如表3.1所示：

表2　.1 乘用車操縱穩(wěn)定性評價計分權(quán)重修改前后對比表

表3　.1 國內(nèi)某品牌轎車操縱穩(wěn)定性評分及評價結(jié)果（原有國家標(biāo)準(zhǔn)評價體系下）

表3　.2　國內(nèi)某品牌轎車操縱穩(wěn)定性評分及評價結(jié)果（改進后的評價體系下）

通過原評分體系得出的評價結(jié)果顯示，綜合評分80.35分，該品牌轎車操穩(wěn)性能良好，各項試驗評分情況均處于優(yōu)良水平。其中穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗、轉(zhuǎn)向輕便性試驗、蛇形試驗和瞬時響應(yīng)試驗（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗）評價結(jié)果均為優(yōu)秀，表明該轎車操縱輕便、具有良好的操穩(wěn)性。但轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗得分僅為45.71分，還未達到及格水平。

主觀評價按經(jīng)驗豐富的駕駛員駕駛車輛時的主觀感受來對車輛操穩(wěn)性從各方面做出主觀評價。據(jù)駕駛?cè)藛T敘述，該品牌車輛操縱穩(wěn)定性能一般，特別是轉(zhuǎn)向回正性能在高速狀態(tài)下不夠穩(wěn)定，且瞬時響應(yīng)性能也只能達到一般水平。

針對駕駛員主觀評價與客觀評價結(jié)果一致性不強的情況，我們利用改進后的評價體系進行綜合評分，觀測客觀試驗結(jié)果。通過改進后的評價體系對該車輛進行的評分結(jié)果如表3.2所示。需要注意，原有國家標(biāo)準(zhǔn)評價體系下綜合評分80.35分是按照上式（1.4）計算出來的，改進后的評價體系中綜合計分73.40分是按下式計算得出的：

其他字母含義同上，計算綜合評分時為加權(quán)平均，a-f為加權(quán)系數(shù)，確定其值時應(yīng)由相關(guān)專家及有經(jīng)驗的不同駕乘人員經(jīng)過主觀評價后給出相應(yīng)值，經(jīng)過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)求平均值后確定。本文給出的值依然是本人對汽車操縱穩(wěn)定性研究后給出的參考值。參考值如下：a=2，b=2，c=1，d=2，e=1，f=1。

由上表的綜合評價結(jié)果顯示，綜合評分僅為73.40分，該品牌汽車綜合操縱穩(wěn)定性能一般，轉(zhuǎn)向回正性試驗和瞬時響應(yīng)試驗（轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗）兩個單項試驗均未達標(biāo)。其中，在原試驗數(shù)據(jù)中可以看出該試驗車輛在低速狀態(tài)下回正性能良好但在高速條件下分值偏低，未能達到汽車回正性能的基本要求，然而按著原評價體系做出的評價結(jié)果為該車在轉(zhuǎn)向回正性試驗項目達標(biāo)，分值達到70.04分，改進評分規(guī)則后，該項僅為58.47分，這說明按原來評價標(biāo)準(zhǔn)得到的評分結(jié)果未能真實顯示其轉(zhuǎn)向回正性能。與此情況相對，在新的評價體系下，該車輛在轉(zhuǎn)向回正性試驗這一項目中評分未達標(biāo)，與駕駛員反饋的信息相符合，該車輛的轉(zhuǎn)向回正性能仍有待提高。另外，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗在提高不足轉(zhuǎn)向度指標(biāo)的權(quán)重之后評分值有所下降。

相比較而言，改進后的評價體系可以更好地顯示汽車操穩(wěn)性各方面性能及綜合評價，改進的方向性正確。

4　結(jié)論及建議

本文通過對我國汽車操穩(wěn)性評價方法和評價指標(biāo)的詳細分析，就我國當(dāng)前汽車操穩(wěn)性評價方法出現(xiàn)的問題進行了探討，具體研究成果如下：

1）國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法規(guī)程中某些限值與現(xiàn)實情況不相符。

當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽車操穩(wěn)性評價試驗方法中，幾處條件限值或指標(biāo)權(quán)重規(guī)定與現(xiàn)實生產(chǎn)生活中的情況并不相符。例如：蛇形試驗中標(biāo)樁間距設(shè)定偏大；轉(zhuǎn)向回正性試驗中高、低速回正性試驗指標(biāo)總比例相同，但現(xiàn)實情況中汽車高速時回正性能遠比低速時重要的多。

2）各評價指標(biāo)權(quán)重比相同，不能區(qū)分其重要性，單項與綜合評價結(jié)果不準(zhǔn)確。

評價車輛操穩(wěn)性的6個試驗均有其所屬評價指標(biāo)，總評價計分按6個試驗評分取其平均值。顯而易見，各評價指標(biāo)間重要性均等，各試驗方法間亦無著重突出部分，這樣的評價體系并不能給出準(zhǔn)確的評價結(jié)果。本文利用車輛對各個指標(biāo)的權(quán)重度，進行各項加權(quán)，從而得到操縱穩(wěn)定性的綜合評價體系。

3）對于不同車型、不同使用條件的車輛評判應(yīng)存在差異性。

因為不同類型的汽車對各個指標(biāo)的要求不一樣，而且不同的路況使用條件也對汽車的操穩(wěn)性產(chǎn)生不同程度的影響。因此，對汽車操縱穩(wěn)定性進行評價時，要充分考慮路況條件，車輛類型等。

建議增加轉(zhuǎn)彎制動試驗［7］。現(xiàn)實生活中的大量交通事故都是由于汽車在彎道制動時操穩(wěn)性出現(xiàn)狀況而導(dǎo)致的。在這個過程中可能出現(xiàn)制動跑偏和后軸側(cè)滑等現(xiàn)象，嚴重影響車輛行駛安全性。因此要求用任何速度在彎道制動，汽車都不應(yīng)喪失其操縱性和方向穩(wěn)定性。

［1］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社, 2011.5：130-200.

［2］李白娜.汽車操縱穩(wěn)定性的仿真分析研究［D］.華中科技大學(xué), 2006.

［3］宗長富, 郭孔輝.汽車操縱穩(wěn)定性的研究與評價［J］.汽車技術(shù), 2000（6）：6-11.

［4］GB/T 6323-2014, 汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2014.

［5］QC/T 480-1999,汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1999.

［6］陳振日.對汽車操縱穩(wěn)定性現(xiàn)行評價指標(biāo)的分析與建議［J］.汽車技術(shù), 2006, 09：5-8.

［7］房陽.汽車操縱穩(wěn)定性的仿真研究［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2011.

專家推薦

李少華：

本文針對乘用車車型的差異性及不同工況，提出了相應(yīng)的操縱穩(wěn)定性新的評價方法和評價指標(biāo)，在乘用車操穩(wěn)設(shè)計中具有一定的參考價值。

Study On The Evaluation Methods Of Passenger Car's Handling And Stability

LIU Jie, WAN Li-xiang, WANG Bo
（ School of Mechanical Engineering ,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China ）

The performance of vehicle's handling and stability has a great influence on the car's handling convenience and safety, especially when high speed driving. It will affect the automobile manufacturing enterprise for vehicle handling and stability whether the evaluation methods are reasonable. Although the vehicle handling and stability evaluation is complicated, there have been not formed the united evaluation methods. This paper analyzes the evaluation methods of vehicle handling and stability at home and abroad. For the corresponding problems, it puts forward new evaluation methods and indicators for passenger car's handling and stability. Finally, it verifies rationality of new standard by means of concrete models.

passenger vehicle； handling and stability； evaluating indicators

U467.1

A

1005-2550（2016）03-0018-07