張凱軒，徐 霖Zhang Kaixuan，Xu Lin

汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

張凱軒，徐 霖
Zhang Kaixuan，Xu Lin

（上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

操穩(wěn)性能的優(yōu)劣直接影響駕駛的感受，更關(guān)乎高速行駛時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。研究和評(píng)價(jià)車輛操穩(wěn)性的直接方法是實(shí)車試驗(yàn)，通過總結(jié)梳理各類試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，查閱汽車操穩(wěn)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的最新國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)，分析國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，以及對(duì)比ISO標(biāo)準(zhǔn)存在的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，為完善我國汽車試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

汽車操縱穩(wěn)定性；試驗(yàn)方法；標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

汽車操縱穩(wěn)定性[1]是指操作人員在自然舒適狀態(tài)下，汽車可以按照指示行駛，并保持穩(wěn)定的能力。操穩(wěn)性能的優(yōu)劣直接影響駕駛感受，更關(guān)乎高速行駛時(shí)的安全性和穩(wěn)定性[2]，研究和評(píng)價(jià)車輛操穩(wěn)性的直接方法是實(shí)車試驗(yàn)。

劉文蘋[3]等列舉了國內(nèi)外汽車操穩(wěn)試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，并指出國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不完善之處；張志國[4]等基于開、閉環(huán)系統(tǒng)分析了國內(nèi)外汽車操穩(wěn)測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀；劉杰[5]等指出了國內(nèi)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不合理之處，并給出了一種可能的新型評(píng)分方法。

上述研究較為系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外關(guān)于汽車操穩(wěn)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的各標(biāo)準(zhǔn)，分析了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不足之處，并提出了合理化改進(jìn)建議。在此基礎(chǔ)上，查閱了汽車操穩(wěn)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的最新國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)，分析國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，以及對(duì)比ISO標(biāo)準(zhǔn)存在的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，為今后完善我國汽車的標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

1 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

20世紀(jì)70年代，ISO（International Organization for Standardization，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）率先起草制定了一系列測(cè)試汽車操穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)。我國立足國內(nèi)情況并參考國際標(biāo)準(zhǔn)，于1986年制定了國標(biāo)《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》，此國標(biāo)包含6項(xiàng)：GB/T 6323.1~6323.6—1986；1994年對(duì)此國標(biāo)進(jìn)行了修訂，形成GB/T 6323.1～6323.6—1994；2014年將6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)合并，并增加了一項(xiàng)新的試驗(yàn)內(nèi)容，形成GB/T 6323—2014，這是我國當(dāng)前測(cè)試汽車操穩(wěn)性能的主要依據(jù)，其中規(guī)定了7個(gè)試驗(yàn)方法。下面分別對(duì)7個(gè)試驗(yàn)方法及相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹和對(duì)比。

1.1 蛇行試驗(yàn)[6,7]

蛇行試驗(yàn)是指操縱汽車穿行標(biāo)樁[13]24。該試驗(yàn)依賴于試驗(yàn)人員的駕駛技巧和主觀感受，是一種人—車閉環(huán)試驗(yàn)方法。國標(biāo)規(guī)定汽車以1/2基準(zhǔn)車速通過試驗(yàn)區(qū)段，采集相關(guān)參數(shù)，并記錄駕駛員的主觀評(píng)價(jià)，試驗(yàn)路徑如圖1所示。

圖1 GB/T 6323—2014中蛇行試驗(yàn)路徑

目前ISO沒有制定蛇行試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但制定有針對(duì)緊急變道試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)ISO 3888-1：2018，其試驗(yàn)路徑如圖2所示。

該試驗(yàn)?zāi)M汽車緊急情況下迅速變道并回到原來車道的過程，也是一種閉環(huán)試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)最早將通過測(cè)試路徑的時(shí)間作為試驗(yàn)唯一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但在不同國家進(jìn)行大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)采用這個(gè)單一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不充分，駕駛員、車輛、環(huán)境要素之間相互作用十分復(fù)雜，車輛縱向動(dòng)力學(xué)、測(cè)量值與主觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性、不同的測(cè)試路徑等都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果數(shù)據(jù)分散；基于此，ISO 3888-1：2018在附錄中建議了2種測(cè)試方法，其中不同之處是進(jìn)入速度分別為80 km/h和最高安全速度，共同之處是試驗(yàn)過程中均需保持節(jié)氣門恒定，并記錄轉(zhuǎn)向盤輸入和車身運(yùn)動(dòng)參數(shù)的時(shí)間歷程、駕駛員控制策略及主觀評(píng)價(jià)。

圖2 ISO 3888-1：2018緊急變道試驗(yàn)路徑

目前，蛇行試驗(yàn)作為一種主流的試驗(yàn)內(nèi)容，在國內(nèi)汽車廠商及汽車測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 階躍輸入、脈沖輸入轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)[6,8]

轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)是指改變轉(zhuǎn)向盤輸入后汽車的中間過渡過程[13]25。不同的轉(zhuǎn)向角輸入方式可以得到時(shí)域或頻域響應(yīng)特性。ISO 7401：2011將轉(zhuǎn)向盤輸入方式分為5種：階躍輸入、單正弦波輸入、隨機(jī)輸入、脈沖輸入、連續(xù)正弦波輸入，其中，前2種能夠獲得時(shí)域特性，后3種能夠獲得頻域特性。

GB/T 6323—2014采用階躍輸入和脈沖輸入2種方法。在階躍輸入方式下，按照使車輛產(chǎn)生不同的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度值來預(yù)選相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角位置；然后車輛以規(guī)定車速平直向前行駛，通過迅速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤（轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間在0.2 s內(nèi)或轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過200 °/s）使其達(dá)到預(yù)先選好的位置并固定數(shù)秒鐘，直至測(cè)量變量過渡到新穩(wěn)態(tài)值。在脈沖輸入方式下，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角輸入為三角波脈沖，脈寬為0.3~0.5 s，輸入峰值應(yīng)使試驗(yàn)過程中車輛的側(cè)向加速度峰值達(dá)到4 m/s2。這2種試驗(yàn)均需要進(jìn)行向左轉(zhuǎn)與向右轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中需保持車速為一常數(shù)并記錄全程的測(cè)試參數(shù)。

國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容大體一致，存在一些細(xì)微的差別：

表1 瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

注：①v為縱向速度；②—為無此項(xiàng)；③由橫擺角速度峰值響應(yīng)時(shí)間乘以穩(wěn)態(tài)汽車側(cè)偏角得到。

（1）標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、試驗(yàn)車速存在表述差別；（2）ISO標(biāo)準(zhǔn)中車輛載荷狀態(tài)增加了“其他需要的載荷狀態(tài)”；（3）測(cè)量參數(shù)表述不同，國標(biāo)中汽車前進(jìn)速度、側(cè)向加速度分別對(duì)應(yīng)ISO標(biāo)準(zhǔn)中縱向速度、橫向加速度；（4）測(cè)量參數(shù)的內(nèi)容不同，國標(biāo)比ISO標(biāo)準(zhǔn)增加了車身側(cè)傾角和汽車側(cè)偏角2個(gè)參數(shù)；（5）測(cè)量參數(shù)的范圍和誤差要求不同，國標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度的誤差要求更嚴(yán)苛，ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)縱向速度的誤差要求更嚴(yán)苛；（6）計(jì)算技術(shù)指標(biāo)有一些不同。

1.3 轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)[6,9]

轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)是指駕駛汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)釋放雙手，在轉(zhuǎn)向盤回歸中間位置的振蕩過程中，記錄各變量的動(dòng)態(tài)過程[13]24。國標(biāo)試驗(yàn)方法分為低速和高速2種，后者針對(duì)最高行駛速度不低于100 km/h的車輛。

低速試驗(yàn)時(shí)，汽車沿直徑為30 m的圓環(huán)路線行駛，設(shè)置前進(jìn)速度，使側(cè)向加速度值為（4±0.2）m/s2并保持穩(wěn)定；然后迅速釋放雙手，使轉(zhuǎn)向盤自由振蕩，記錄雙手離開轉(zhuǎn)向盤4 s以后汽車的動(dòng)態(tài)變化，保持節(jié)氣門開度處于同一位置。高速試驗(yàn)時(shí)，汽車以試驗(yàn)規(guī)定速度行駛，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，使側(cè)向加速度值為（2±0.2）m/s2并保持穩(wěn)定；之后迅速釋放雙手，使轉(zhuǎn)向盤自由振蕩，記錄雙手釋放4 s以后的動(dòng)態(tài)變化，整個(gè)過程中加速踏板位置保持不變。

國標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表2?？梢钥闯觯藰?biāo)準(zhǔn)適用范圍、車輛載荷狀態(tài)、測(cè)量參數(shù)表述、內(nèi)容、范圍及誤差不同外，最大的區(qū)別在于試驗(yàn)車速和計(jì)算技術(shù)指標(biāo)。國標(biāo)針對(duì)汽車最高車速不同規(guī)定了不同的試驗(yàn)車速，ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)縱向速度；國標(biāo)和ISO標(biāo)準(zhǔn)采用完全不同的計(jì)算技術(shù)指標(biāo)，國標(biāo)的計(jì)算指標(biāo)反應(yīng)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)值間的關(guān)系，ISO標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算指標(biāo)著重分析響應(yīng)的前兩個(gè)峰值。另外，國標(biāo)著重分析橫擺角速度這一參數(shù)，ISO除了分析橫擺角速度，還分析轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及橫向加速度。

表2 轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

注：①—為無此項(xiàng)；②H為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；③50為轉(zhuǎn)向盤釋放后其轉(zhuǎn)角首次衰減至初始值50%的時(shí)刻。

1.4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)[6]

轉(zhuǎn)向輕便性是指汽車低速轉(zhuǎn)彎時(shí)手打轉(zhuǎn)向盤的難易程度，采用轉(zhuǎn)向力進(jìn)行量化分析。

國標(biāo)規(guī)定試驗(yàn)人員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤使汽車以（10±2）km/h的車速沿圖3所示的雙紐線試驗(yàn)路徑行駛，圖3中16個(gè)黑點(diǎn)位置擺放標(biāo)樁。汽車沿實(shí)線路徑行駛一圈即為一次試驗(yàn)的全程，整個(gè)過程中記錄汽車各測(cè)量參數(shù)，保持車輛速度恒定。試驗(yàn)人員需要連續(xù)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，不應(yīng)同時(shí)釋放雙手或反復(fù)操作轉(zhuǎn)向盤來調(diào)整汽車前進(jìn)方向，更不允許將標(biāo)樁碰倒。

目前，ISO并未制定關(guān)于轉(zhuǎn)向輕便性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 雙紐線路徑

1.5 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)[6,10]

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是指汽車沿圓弧線路行駛并使其側(cè)向加速度達(dá)到一定值，記錄各測(cè)量參數(shù)，對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)保持圓弧線路半徑不變或保持轉(zhuǎn)向盤位置不變，國標(biāo)規(guī)定了2種試驗(yàn)方法：（1）汽車沿直徑為60 m的圓弧路徑勻速行駛，逐步提高車速，使車輛側(cè)向加速度緩慢增加到一定值，采集全過程的參數(shù)值；（2）汽車沿圓弧度路徑行駛并維持轉(zhuǎn)向盤位置不變，使車輛側(cè)向加速度緩慢增加到一定值，采集全過程的參數(shù)值。 ISO提供了第3種試驗(yàn)方法：保持車速不變，車輛沿著不同半徑圓弧轉(zhuǎn)彎，使橫向加速度增加至極限。

國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比見表3?？梢钥闯觯瑑烧叱嗽谶m用范圍、車輛載荷狀態(tài)、測(cè)量參數(shù)表述、范圍及誤差有區(qū)別之外，在測(cè)量?jī)?nèi)容上，國標(biāo)給出了必須測(cè)量變量和希望測(cè)量變量，ISO標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為測(cè)量變量，并且后者比前者增加了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及扭矩2個(gè)測(cè)量參數(shù)；在測(cè)試方法上，后者比前者增加了固定車速法；在計(jì)算技術(shù)指標(biāo)上，前者比后者增加了前后軸側(cè)偏角差值、中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度2個(gè)指標(biāo)。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

注：①—為無此項(xiàng)；②v為縱向速度；③d/dt為橫擺角速度；④H為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；⑤H為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩。

1.6 轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)[6,11]

轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)操穩(wěn)試驗(yàn)是指車輛速度非常高時(shí)，汽車沿直線行駛過程中的轉(zhuǎn)向特性[13] 22。GB/T 6323—2014和ISO 13674-1：2010均對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)作出規(guī)定。

國標(biāo)規(guī)定，在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)車速下，轉(zhuǎn)向盤的輸入為振蕩型輸入，優(yōu)先選擇正弦波，也可采用其他波形（如三角形波）；在試驗(yàn)的全部過程中，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)幅值以及經(jīng)過中心區(qū)域的速度應(yīng)保持相同，加速踏板位置或節(jié)氣門開度應(yīng)保持恒定；試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)向輸入可利用人工或轉(zhuǎn)向機(jī)器人來完成，對(duì)于人工轉(zhuǎn)向輸入采集至少持續(xù)40 s，對(duì)于機(jī)器人轉(zhuǎn)向輸入采集至少持續(xù)20 s。將采集到的測(cè)量參數(shù)繪制于直角坐標(biāo)系中，得到關(guān)系曲線，由關(guān)系曲線計(jì)算出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

ISO標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)的內(nèi)容基本一致，不再贅述。

2 汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[12]

汽車操穩(wěn)性評(píng)價(jià)可以分為主、客觀方法。前者依據(jù)人的感受進(jìn)行評(píng)價(jià)，后者是采用試驗(yàn)得到的各種參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。開環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤中心區(qū)域操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)）只采用客觀評(píng)價(jià)；由人、車組成的閉環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)（蛇行試驗(yàn)）通常結(jié)合2種評(píng)價(jià)方法。

汽車服務(wù)于人，因此人的主觀感受應(yīng)該是操穩(wěn)評(píng)價(jià)的根本遵循。主觀評(píng)價(jià)方法因個(gè)體差異波動(dòng)較大，并且不能指明某種感受是由汽車的何種結(jié)構(gòu)引起，無法幫助提高汽車的操穩(wěn)性能。目前國內(nèi)外都沒有采用主觀方法評(píng)價(jià)汽車操穩(wěn)性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

客觀評(píng)價(jià)參數(shù)的選取，由試驗(yàn)工程師經(jīng)過長期測(cè)試和驗(yàn)證確定。這些參數(shù)不僅反映人的感覺，并且易于測(cè)試獲得、便于對(duì)比分析，幫助工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，提高汽車的性能。

目前，國內(nèi)主機(jī)廠主要依據(jù)QC/T 480—1999對(duì)汽車的操穩(wěn)性綜合評(píng)分；ISO沒有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各項(xiàng)操穩(wěn)試驗(yàn)得到的指標(biāo)給出限值或評(píng)分方法。QC/T 480—1999針對(duì)國標(biāo)中規(guī)定的前6項(xiàng)試驗(yàn)，依據(jù)各試驗(yàn)的特征指標(biāo)計(jì)算出各自的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，將6項(xiàng)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的平均值作為汽車操穩(wěn)性總體評(píng)價(jià)的得分，總體評(píng)價(jià)得分不足60分判定為不及格。

3 總 結(jié)

通過梳理汽車操穩(wěn)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法的最新國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)，得出以下結(jié)論：

（1）國內(nèi)主機(jī)廠采用的汽車操穩(wěn)試驗(yàn)方法主要依據(jù)GB/T 6323—2014，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了7個(gè)試驗(yàn)方法；ISO對(duì)不同試驗(yàn)制定了單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)；國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)項(xiàng)目上互有優(yōu)勢(shì)，國標(biāo)制定了ISO標(biāo)準(zhǔn)沒有的蛇行試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，ISO制定了國標(biāo)沒有的測(cè)試轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）對(duì)于國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)置的試驗(yàn)項(xiàng)目，兩者基本內(nèi)容一致，但在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、試驗(yàn)車速、車輛載荷狀態(tài)、測(cè)量參數(shù)的表述、內(nèi)容、范圍和誤差、計(jì)算技術(shù)指標(biāo)等方面存在差別。

（3）鑒于主觀評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外都未制定主觀評(píng)價(jià)汽車操穩(wěn)性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)客觀評(píng)價(jià)，國內(nèi)主機(jī)廠主要依據(jù)QC/T 480—1999對(duì)汽車操穩(wěn)性綜合評(píng)分，ISO并未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）汽車操穩(wěn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步不斷更新，QC/T 480—1999發(fā)布至今已有二十多年，版本長久未更新，標(biāo)準(zhǔn)中總評(píng)價(jià)得分采用簡(jiǎn)單加總平均方式，沒有區(qū)分不同試驗(yàn)的重要性，使評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性受到一定質(zhì)疑[5] 20。

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U461.6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.01.001

1002-4581（2021）01-0001-05

2020-10-10