梁 东，刘亚欧，刘德帅 Liang Dong，Liu Ya’ou，Liu Deshuai

基于ISO 17288-2转向脉冲开环试验方法研究

梁 东，刘亚欧，刘德帅
Liang Dong，Liu Ya’ou，Liu Deshuai

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

汽车检测技术推动着汽车安全性能的发展，汽车操纵稳定性作为汽车安全性的重要指标，需要对其检测方法进行深入研究。介绍了国际标准ISO 17288-2中规定的试验条件以及试验方法，并对2辆样车进行了相应试验，通过对试验结果进行分析和研究，发现结果符合标准所提出的典型趋势，进而指出该试验方法的意义，并对国际标准转化为国内标准时在试验载荷、试验方法等方面提出建议。

操纵稳定性；转向脉冲；试验方法；试验验证；标准转化

0 引 言

随着人们生活水平的提高，汽车越来越成为大众产品，使得交通运输业越来越趋于密集化、高速化和汽车驾驶员非职业化，随之产生的交通事故也大幅上升[1]，因此需要提高汽车的安全性能。汽车操纵稳定性是汽车安全性的重要指标，不仅强调驾驶人员对车辆的操纵，还强调车辆在受到外界干扰后的稳定性能；因此需要对汽车操纵稳定性试验方法进行研究。汽车操纵稳定性受到轮胎、悬架、转向系等多种因素的影响[2]，基于ISO 17288-2[3]，研究转向系阻尼对汽车操纵稳定性的影响。通过选取2辆样车开展相应试验，并对结果进行分析，该试验方法对底盘开发具有一定的指导意义。

1 转向脉冲开环试验方法

1.1 试验条件

为使试验结果真正反映车辆性能，需要车辆满足出厂规定；因此，试验前需测定汽车四轮定位参数，对转向系、悬架系进行检查、调整和紧固，并按规定进行润滑。

所有道路试验都需要规定试验载荷，该试验标准规定：试验车辆载荷为车辆整备质量、驾驶员质量以及不超过150 kg的仪器设备，车辆载荷达到最大允许总质量同时不超过最大允许轴荷。

轮胎是汽车操纵稳定性的重要影响因素[2]，因此轮胎应该在被测试车辆或者相似车辆上磨合至少150 km，但需保证无过度使用，如紧急制动、急加速、急转弯、压路肩等。磨合后，轮胎应该保持在相同的位置上进行测试。轮胎花纹深度应为初始轮胎花纹深度90%以上。试验轮胎距离生产日期不应超过1年。轮胎应按照汽车制造商规定的试验环境温度下的压力充气。当胎压小于等于250 kPa时，冷胎充气压力的误差应为±5kPa；胎压超过250 kPa时，误差应不超过2%。试验前，以试验车速直线行驶10 km，或以侧向加速度为3 m/s2时对应的车速行驶500 m（左转与右转各进行一次），使轮胎升温。

1.2 试验方法

在试验车速下，驾驶员给转向盘一个转向脉冲输入，使其达到预先设定的转向盘转角后，立刻释放转向盘，使车辆自由行驶，期间加速踏板位置保持不变。脉冲输入的幅值使车辆产生（1±0.2）m/s2的初始侧向加速度，逐渐增加脉冲输入的转角幅值Hp进行重复测试，以不超过0.5 m/s2的间隔增加侧向加速度，直至侧向加速度达到5 m/s2以上。

试验车速标准值为100 km/h，至少进行3种车速的试验，其他车速参照标准车速以±20 km/h间隔变化确定。试验时，车辆以试验车速直线行驶，手动变速器车辆采用最高挡位，自动变速器车辆使用D挡。试验初始车速的误差保持在±2 km/h以内，试验过程中保持加速踏板位置不变。

转向盘转角随时间变化曲线如图1所示，0为转向盘转角首次达到最大幅值Hp10%的时刻，p为转向盘转角达到最大幅值的时刻，即转向盘被释放的时刻。p–0为增长时间应在（0.2±0.05）s范围内。ss为推荐的稳态直线行驶时刻，试验数据采集从ss–0.5 s时刻开始，终止时刻为下面2种情况耗时较短者：（1）转向振荡完全衰减；（2）0＋5 s时刻。图中为转向盘释放后转向系统自由转向状态；为从测试开始时刻至转向盘幅值达到最大幅值10%的时刻，时间过程需控制在0.5～0.8 s。

图1 转向盘转角输入

2 试验测试变量及试验设备

该试验考察车辆转向系对整车稳定性的影响，标准中要求测量变量为纵向车速、侧向加速度、横摆角速度以及转向盘转角。根据标准要求设计转向脉冲试验测试系统，实现各变量的快速精确采集。整个测试系统由陀螺仪、转向盘测力计和数据采集器组成，通过PC机对试验进行监控与数据分析。测试系统逻辑原理如图2所示。选用的设备参数及精度见表1。

图2 试验测试系统原理图

表1 设备信息及各变量精度

注：—为无此项。

3 试验验证及分析

3.1 试验车辆

以2款轿车为例，基于搭建的试验平台，进行转向脉冲开环试验，分析车辆的操纵稳定性能。试验车辆基本参数见表2。

表2 试验车辆基本参数

3.2 数据处理方法

试验中通过处理车辆横摆角速度随时间的响应，得到横摆角速度阻尼和阻尼时间。车辆横摆角速度随时间变化曲线如图3所示。

图3 横摆角速度随时间变化曲线

横摆角速度的阻尼为

其中，

对于每次试验的横摆角速度的阻尼和横摆角速度的阻尼时间进行如下处理：

（1）在每个初始侧向加速度a水平下，确定评价函数ƒ（a）=和（a）=0.1；

（2）绘制函数ƒ（a）、（a）与a的关系曲线；

（3）对a在3～5 m/s2之间的数据进行线性拟合；

（4）计算a为4 m/s2时的线性回归值，阻尼线性回归值与阻尼时间线性回归值分别表示为q和q0.1；

（5）使用式（6）计算线性梯度，阻尼线性梯度与阻尼时间线性梯度分别用m和m0.1表示

=(5–3)/(5-3e) （6）

式中：表示m或m0.1，5和3分别为函数(a)或函数(a)中侧向加速度为5 m/s2、3 m/s2时的数值；

（6）分别给出q、q0.1、m、m0.1在纵向车速V为80 km/h、100km/h和120km/h下的试验数值。

3.3 结果分析

依据1.2节中的试验方法，对选取的车辆进行相关试验，通过PC机实时监控各参数变量，控制车速、转向时间以及侧向加速度符合标准要求。试验选取80 km/h、100 km/h和120 km/h 3个试验车速点，分别完成转向脉冲试验，并按照3.2节中的数据处理方法进行分析。图4～图9分别为01号车在80 km/h、100 km/h和120 km/h车速下的阻尼、阻尼时间与侧向加速度关系，图10～图15分别为02号车在80 km/h、100 km/h和120 km/h车速下的阻尼、阻尼时间与侧向加速度关系。

图4 01车80 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图5 01车80 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

图6 01车100 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图7 01车100 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

图8 01车120 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图9 01车120 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

图10 02车80 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图11 02车80 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

图12 02车100 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图13 02车100 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

图14 02车120 km/h车速阻尼与侧向加速度关系

图15 02车120 km/h车速阻尼时间与侧向加速度关系

通过对图4～图15中的拟合曲线进行分析，分别计算侧向加速度为4 m/s2时的线性回归值，并按照式（6）计算阻尼与侧向加速度关系的线性梯度和阻尼时间与侧向加速度关系的线性梯度。2款车的试验结果见表3。

表3 2款车的试验结果

续表3

由表3可知，01车阻尼回归值分布在0.1～0.3，02车阻尼回归值分布在0.3～0.5。阻尼时间回归值与阻尼回归值负相关，即阻尼越小，阻尼时间越长。所有试验结果均呈现非线性特性，符合中高侧向加速度下的车辆响应特性。

阻尼线性梯度大多数为负值，表示随着车辆侧向加速度增大，车辆转向阻尼会逐渐减小。但是02车在80 km/h车速时，其阻尼线性梯度为正值，说明在该车速下，车辆转向阻尼随着侧向加速度的增大而增大，影响到车辆在该车速下的转向控制。

采用标准中具体的试验方法对车辆的动力学性能进行了评价，但是针对不同的车型，标准没有给出相应的评价指标，不同车辆具有不同的设计风格和转向系统特性，其脉冲输入自由转向的横摆角速度、侧向加速度响应表现没有绝对的优劣之分，相关特征值可以为汽车设计提供参考，从而提高车辆的自由转向特性。

4 国际标准转化探讨

ISO 17288-2是国际标准化组织制定的标准，我国没有类似标准评价车辆转向特性，为实现“到2020年，重点领域国际标准转化率力争达到90%以上”的目标[4]，可以考虑将该标准进行转化。

通过对标准的解读与试验验证，对该标准转化提出以下建议：

（1）标准中规定试验车辆载荷包括车辆整备质量、驾驶员以及不超过150 kg的仪器设备，达到车辆最大允许总质量，不超过最大允许轴荷。考虑到车辆在相同载荷条件下的结果对比以及车辆的日常使用状态，建议增加条目“试验质量为车辆整备质量、1名驾驶员、1名试验员以及必要的仪器设备”，该条目内容在整车开发过程中及整车目标设定中被广泛使用。

（2）标准要求考察每个车速下a值在1～5 m/s2的转向性能，但是在试验验证过程中发现a= 1 m/s2时，因转向回正力矩偏小以及转向系统阻尼等原因，横摆角速度等参数无法回归零位，无法读取峰值数据，如图16所示为02车在侧向加速度为1.5 m/s2时的横摆角速度随时间变化曲线，从曲线中可以看出，横摆角速度在第一个谷值后趋于稳定，未出现明显的波峰与波谷，使峰值处数值无法准确获取；因此，建议侧向加速度从2 m/s2开始采集数据，大于5 m/s2后停止采集，可以覆盖3～5 m/s2的侧向加速度范围，不影响数据分析。

图16 02车aY =1.5 m/s2时横摆角速度变化曲线

5 结 论

对ISO 17288-2标准进行详细解读，并选取了2款车辆进行试验验证，结果表明该试验可以用于车辆动力学尤其是车辆转向稳定性研发。结合整车日常使用状态以及车辆开发状态，给出试验质量的推荐值；并发现车辆在低侧向加速度工况下，由于车辆回正力矩偏小等因素，使车辆横摆角速度无法回归零位，无法识别峰值，从而无法进行计算；因此，建议从侧向加速度为2 m/s2时开始采集数据，不仅不影响试验分析，而且可以减少试验时间。

[1]宗长富，郭孔辉. 汽车操纵稳定性的研究与评价[J]. 汽车技术，2000（6）：6-11.

[2]郭宽友. 汽车操纵稳定性的影响因素及评价方法研究[J]. 重庆工学院学报（自然科学版），2007，21（7）：53-56.

[3]ISO.Passenger cars — Free-Steer Behaviour — Part 2: Steering- Pulse Open-Loop Test Method: ISO 17288-2: 2011[S/OL].（2011-02-16）[2020-01-08]. https://www.iso.org/standard/53603.html.

[4]质检总局，国家标准委，工业和信息化部.装备制造业标准化和质量提升规划[EB/OL].（2016-08-02）[2020-01-08]. http://www. miit.gov. cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757018/c5180173/content.html.

2020-03-09

U467.1+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.03.004

1002-4581（2020）03-0013-05