汽车操纵稳定性试验与评价标准研究

2021-03-05张凯轩霖ZhangKaixuanXuLin

北京汽车 2021年1期

张凯轩，徐霖Zhang Kaixuan，Xu Lin

汽车操纵稳定性试验与评价标准研究

张凯轩，徐霖
Zhang Kaixuan，Xu Lin

（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）

操稳性能的优劣直接影响驾驶的感受，更关乎高速行驶时的安全性和稳定性。研究和评价车辆操稳性的直接方法是实车试验，通过总结梳理各类试验与评价标准，查阅汽车操稳试验与评价方法的最新国内标准及ISO标准，分析国内相关标准的现状，以及对比ISO标准存在的优势和缺点，为完善我国汽车试验的标准体系提供参考。

汽车操纵稳定性；试验方法；标准

0 引言

汽车操纵稳定性[1]是指操作人员在自然舒适状态下，汽车可以按照指示行驶，并保持稳定的能力。操稳性能的优劣直接影响驾驶感受，更关乎高速行驶时的安全性和稳定性[2]，研究和评价车辆操稳性的直接方法是实车试验。

刘文苹[3]等列举了国内外汽车操稳试验方法的标准，并指出国内标准的不完善之处；张志国[4]等基于开、闭环系统分析了国内外汽车操稳测评标准体系现状；刘杰[5]等指出了国内相关评价标准的不合理之处，并给出了一种可能的新型评分方法。

上述研究较为系统地总结了国内外关于汽车操稳试验与评价方法的各标准，分析了国内标准的不足之处，并提出了合理化改进建议。在此基础上，查阅了汽车操稳试验与评价方法的最新国内标准及ISO标准，分析国内相关标准的现状，以及对比ISO标准存在的优势和缺点，为今后完善我国汽车的标准体系提供参考。

1 汽车操纵稳定性试验方法

20世纪70年代，ISO（International Organization for Standardization，国际标准化组织）率先起草制定了一系列测试汽车操稳性的标准。我国立足国内情况并参考国际标准，于1986年制定了国标《汽车操纵稳定性试验方法》，此国标包含6项：GB/T 6323.1~6323.6—1986；1994年对此国标进行了修订，形成GB/T 6323.1～6323.6—1994；2014年将6项标准合并，并增加了一项新的试验内容，形成GB/T 6323—2014，这是我国当前测试汽车操稳性能的主要依据，其中规定了7个试验方法。下面分别对7个试验方法及相应的ISO标准进行介绍和对比。

1.1 蛇行试验[6,7]

蛇行试验是指操纵汽车穿行标桩[13]24。该试验依赖于试验人员的驾驶技巧和主观感受，是一种人—车闭环试验方法。国标规定汽车以1/2基准车速通过试验区段，采集相关参数，并记录驾驶员的主观评价，试验路径如图1所示。

图1 GB/T 6323—2014中蛇行试验路径

目前ISO没有制定蛇行试验的相关标准，但制定有针对紧急变道试验的标准ISO 3888-1：2018，其试验路径如图2所示。

该试验模拟汽车紧急情况下迅速变道并回到原来车道的过程，也是一种闭环试验方法。该标准最早将通过测试路径的时间作为试验唯一的评价标准，但在不同国家进行大量试验后发现采用这个单一的评价标准并不充分，驾驶员、车辆、环境要素之间相互作用十分复杂，车辆纵向动力学、测量值与主观评价的相关性、不同的测试路径等都会导致结果数据分散；基于此，ISO 3888-1：2018在附录中建议了2种测试方法，其中不同之处是进入速度分别为80 km/h和最高安全速度，共同之处是试验过程中均需保持节气门恒定，并记录转向盘输入和车身运动参数的时间历程、驾驶员控制策略及主观评价。

图2 ISO 3888-1：2018紧急变道试验路径

目前，蛇行试验作为一种主流的试验内容，在国内汽车厂商及汽车测评机构得到了广泛应用。

1.2 阶跃输入、脉冲输入转向瞬态响应试验[6,8]

转向瞬态响应是指改变转向盘输入后汽车的中间过渡过程[13]25。不同的转向角输入方式可以得到时域或频域响应特性。ISO 7401：2011将转向盘输入方式分为5种：阶跃输入、单正弦波输入、随机输入、脉冲输入、连续正弦波输入，其中，前2种能够获得时域特性，后3种能够获得频域特性。

GB/T 6323—2014采用阶跃输入和脉冲输入2种方法。在阶跃输入方式下，按照使车辆产生不同的稳态侧向加速度值来预选相应的转向盘转角位置；然后车辆以规定车速平直向前行驶，通过迅速转动转向盘（转动时间在0.2 s内或转动速度超过200 °/s）使其达到预先选好的位置并固定数秒钟，直至测量变量过渡到新稳态值。在脉冲输入方式下，转向盘的转角输入为三角波脉冲，脉宽为0.3~0.5 s，输入峰值应使试验过程中车辆的侧向加速度峰值达到4 m/s2。这2种试验均需要进行向左转与向右转试验，试验过程中需保持车速为一常数并记录全程的测试参数。

国标与ISO标准对比见表1。可以发现，两项标准的基本内容大体一致，存在一些细微的差别：

表1 瞬态响应试验标准对比

注：①v为纵向速度；②—为无此项；③由横摆角速度峰值响应时间乘以稳态汽车侧偏角得到。

（1）标准的适用范围、试验车速存在表述差别；（2）ISO标准中车辆载荷状态增加了“其他需要的载荷状态”；（3）测量参数表述不同，国标中汽车前进速度、侧向加速度分别对应ISO标准中纵向速度、横向加速度；（4）测量参数的内容不同，国标比ISO标准增加了车身侧倾角和汽车侧偏角2个参数；（5）测量参数的范围和误差要求不同，国标对转向盘转角和横摆角速度的误差要求更严苛，ISO标准对纵向速度的误差要求更严苛；（6）计算技术指标有一些不同。

1.3 转向回正性能试验[6,9]

转向回正性能试验是指驾驶汽车转弯时释放双手，在转向盘回归中间位置的振荡过程中，记录各变量的动态过程[13]24。国标试验方法分为低速和高速2种，后者针对最高行驶速度不低于100 km/h的车辆。

低速试验时，汽车沿直径为30 m的圆环路线行驶，设置前进速度，使侧向加速度值为（4±0.2）m/s2并保持稳定；然后迅速释放双手，使转向盘自由振荡，记录双手离开转向盘4 s以后汽车的动态变化，保持节气门开度处于同一位置。高速试验时，汽车以试验规定速度行驶，转动转向盘，使侧向加速度值为（2±0.2）m/s2并保持稳定；之后迅速释放双手，使转向盘自由振荡，记录双手释放4 s以后的动态变化，整个过程中加速踏板位置保持不变。

国标和ISO标准对比见表2。可以看出，除了标准适用范围、车辆载荷状态、测量参数表述、内容、范围及误差不同外，最大的区别在于试验车速和计算技术指标。国标针对汽车最高车速不同规定了不同的试验车速，ISO标准规定了统一的标准纵向速度；国标和ISO标准采用完全不同的计算技术指标，国标的计算指标反应响应与稳态值间的关系，ISO标准的计算指标着重分析响应的前两个峰值。另外，国标着重分析横摆角速度这一参数，ISO除了分析横摆角速度，还分析转向盘转角及横向加速度。

表2 转向回正性能试验标准对比

注：①—为无此项；②H为转向盘转角；③50为转向盘释放后其转角首次衰减至初始值50%的时刻。

1.4 转向轻便性试验[6]

转向轻便性是指汽车低速转弯时手打转向盘的难易程度，采用转向力进行量化分析。

国标规定试验人员转动转向盘使汽车以（10±2）km/h的车速沿图3所示的双纽线试验路径行驶，图3中16个黑点位置摆放标桩。汽车沿实线路径行驶一圈即为一次试验的全程，整个过程中记录汽车各测量参数，保持车辆速度恒定。试验人员需要连续平稳地转动转向盘，不应同时释放双手或反复操作转向盘来调整汽车前进方向，更不允许将标桩碰倒。

目前，ISO并未制定关于转向轻便性的试验标准。

图3 双纽线路径

1.5 稳态回转试验[6,10]

稳态回转试验是指汽车沿圆弧线路行驶并使其侧向加速度达到一定值，记录各测量参数，对汽车的转向特性进行分析和评价。根据保持圆弧线路半径不变或保持转向盘位置不变，国标规定了2种试验方法：（1）汽车沿直径为60 m的圆弧路径匀速行驶，逐步提高车速，使车辆侧向加速度缓慢增加到一定值，采集全过程的参数值；（2）汽车沿圆弧度路径行驶并维持转向盘位置不变，使车辆侧向加速度缓慢增加到一定值，采集全过程的参数值。 ISO提供了第3种试验方法：保持车速不变，车辆沿着不同半径圆弧转弯，使横向加速度增加至极限。

国标与ISO标准的对比见表3。可以看出，两者除了在适用范围、车辆载荷状态、测量参数表述、范围及误差有区别之外，在测量内容上，国标给出了必须测量变量和希望测量变量，ISO标准统一为测量变量，并且后者比前者增加了转向盘转角及扭矩2个测量参数；在测试方法上，后者比前者增加了固定车速法；在计算技术指标上，前者比后者增加了前后轴侧偏角差值、中性转向点的侧向加速度2个指标。

表3 稳态回转试验标准对比

注：①—为无此项；②v为纵向速度；③d/dt为横摆角速度；④H为转向盘转角；⑤H为转向盘转矩。

1.6 转向盘中心区操纵稳定性试验[6,11]

转向盘中心区操稳试验是指车辆速度非常高时，汽车沿直线行驶过程中的转向特性[13] 22。GB/T 6323—2014和ISO 13674-1：2010均对该项试验作出规定。

国标规定，在试验标准车速下，转向盘的输入为振荡型输入，优先选择正弦波，也可采用其他波形（如三角形波）；在试验的全部过程中，转向盘的转动幅值以及经过中心区域的速度应保持相同，加速踏板位置或节气门开度应保持恒定；试验中的转向输入可利用人工或转向机器人来完成，对于人工转向输入采集至少持续40 s，对于机器人转向输入采集至少持续20 s。将采集到的测量参数绘制于直角坐标系中，得到关系曲线，由关系曲线计算出相应的技术指标。

ISO标准与国标的内容基本一致，不再赘述。

2 汽车操纵稳定性评价方法[12]

汽车操稳性评价可以分为主、客观方法。前者依据人的感受进行评价，后者是采用试验得到的各种参数进行评价。开环系统试验（转向瞬态响应试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验、稳态回转试验、转向盘中心区域操纵稳定性试验）只采用客观评价；由人、车组成的闭环系统试验（蛇行试验）通常结合2种评价方法。

汽车服务于人，因此人的主观感受应该是操稳评价的根本遵循。主观评价方法因个体差异波动较大，并且不能指明某种感受是由汽车的何种结构引起，无法帮助提高汽车的操稳性能。目前国内外都没有采用主观方法评价汽车操稳性的相关标准。

客观评价参数的选取，由试验工程师经过长期测试和验证确定。这些参数不仅反映人的感觉，并且易于测试获得、便于对比分析，帮助工程师进行结构参数设置，提高汽车的性能。

目前，国内主机厂主要依据QC/T 480—1999对汽车的操稳性综合评分；ISO没有制定相关标准对各项操稳试验得到的指标给出限值或评分方法。QC/T 480—1999针对国标中规定的前6项试验，依据各试验的特征指标计算出各自的评价分数，将6项评价分数的平均值作为汽车操稳性总体评价的得分，总体评价得分不足60分判定为不及格。