两种汽车动态特性测量方法比较

张崇波 Zhang Chongbo



两种汽车动态特性测量方法比较

张崇波 Zhang Chongbo

（北京汽车研究所有限公司，北京 100079）

汽车转向盘转角脉冲输入试验和汽车转向盘转角随机输入试验是汽车操纵稳定性试验的一部分，通常以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的动态特性；因此频率特性的测量成为汽车操纵稳定性试验重要的项目之一。对同一车辆分别进行转向盘转角脉冲输入试验和转向盘转角随机输入试验，并对这两种测量汽车动态特性的方法进行比较分析。结果表明，通过转向盘转角随机输入方法测得的车辆动态特性数据更加准确。因此，在具备试验条件的情况下应优先选用此方法，以获得更精准的数据。

脉冲输入；随机输入；动态特性；幅频特性；相频特性

0 引 言

道路车辆的动态特性对车辆的行驶安全至关重要，对于动态车辆，一般利用其横向瞬态响应开环或闭环试验来对车辆的操纵稳定性进行研究。在汽车操纵稳定性中，常以汽车横摆角速度的频率响应特性表征汽车的动态特性[1]。

国内通常以GB/T 6323—2014《汽车操纵稳定性试验方法》中提供的转向盘转角脉冲输入试验方法来评价汽车的动态特性，随着试验设备的不断发展进步，以及国内汽车工业的国际化发展要求，许多厂商引入了国际标准ISO 7401—2011 Road vehicles—Lateral transient response test methods— Open-loop test methods中的转向盘转角随机输入试验来对汽车的动态特性进行更详细的评价，文中就这两种试验方法进行比较分析，来讨论两种方法在汽车动态特性测量中的异同。

1 转向盘转角脉冲输入试验

1.1 试验方法

进行转向盘转角脉冲输入试验的车辆先按照规定的车速直线行驶，使其横摆角速度在(0±0.5)°/s范围内，然后给转向盘一个如图1所示的三角脉冲输入，使车辆在接下来的行驶中产生最大为 4 m/s²的侧向加速度，直到车辆恢复稳定直线行驶状态，这个过程中保持加速踏板位置不变，记录整个过程中转向盘转角输入和汽车横摆角速度响应过程[2]。

1.2 数据处理

某型电动车转向盘转角脉冲输入试验的输入和输出时间历程曲线如图2所示，数据采样频率为100 Hz，车速由加速踏板机器人控制，转向盘脉冲输入由转向盘转角机器人来控制输入，相比较人工输入，转向盘机器人能产生更符合数据要求的三角脉冲输入，能够避免人工输入的较大误差，对提高试验数据精度有很大帮助。

为获取车辆横摆角速度的频率响应结果，对车辆在时域内的转向盘转角输入和横摆角速度输出进行傅里叶分析。此次试验数据采样时间为5.03 s，采样频率为100 Hz，共503组数据，由于利用Excel进行快速傅里叶分析时数据量必须为2N个；因此，采用数据补零的方法将数据补充至512组然后进行处理，结果如图3所示。

试验结果见表1，车辆的谐振频率为1.17 Hz，频率为1 Hz时的相位滞后角为28.2°。研究表明，车辆的谐振频率越高，驾驶员的驾驶感受越好，操纵稳定性越好；谐振峰水平越低，车辆操纵稳定性越好，频率为1 Hz时的相位滞后角用来评价转向盘输入的响应时间快慢，数值越小说明响应越快，车辆性能越好。

表1 结果分析

参 数数值 谐振频率/Hz 1.17 相位滞后角/(°)28.2 谐振峰水平D/dB 2.94

2 转向盘转角随机输入试验

2.1 试验方法

转向盘转角随机输入试验也被称为扫频试验。试验要求车辆以规定的速度直线行驶，然后对转向盘输入连续的正弦激励，输入的频率需要至少覆盖0.2～2 Hz的频率范围，在输入过程中不能使用机械限位同时要保证输入的连续性以提高信噪比。为保证足够的高频内容，输入应当具有足够的能量[3]。

2.2 数据处理

同一车辆的转向盘转角随机输入试验输入和输出的时间历程曲线如图4所示，数据采样频率为100 Hz，试验过程车速控制由加速踏板机器人完成，转向盘转角输入由转向盘转角机器人完成。由于转向盘转角机器人控制精度高，输入准确，能够保证近似正弦输入，缩短试验时间的同时也能保证试验数据的准确性。

同样利用Excel数据分析工具中的傅里叶分析进行数据处理，处理方法与转向盘转角脉冲输入处理方法相同，区别在于增加对车辆侧向加速度的处理，处理结果如图5所示。

2.3 结果分析

由试验结果可知，幅频曲线在频率为0处有一个较大的值，这是由原始数据中的近似直流分量导致的，快速傅里叶分析对直流分量的处理是将值累加到0频上；因此，频率为0的点存在较大误差，不具有参考意义。由试验结果可知，车辆的谐振频率为1.46 Hz，特征频率为1 Hz时的相位滞后角为25.9°。

3 方法比较

转向盘转角脉冲输入和转向盘转角随机输入试验作为评价车辆动态性能的方法，在试验方法和数据处理上都有相似之处，都是通过对车辆的横向响应过程进行分析，得到车辆横摆角速度的频率响应特性，从而对车辆的动态特性进行评价。两种方法的主要区别在于对转向盘施加的激励不同，从试验的要求来看，由于转向盘随机输入试验对控制精度要求较高，在没有硬件条件辅助的情况下由人工手动控制输入进行转角脉冲试验也能够获得频率响应曲线。对两种试验方法的结果分析可知，转向盘随机输入试验的结果优于转角脉冲输入试验结果，这是由于进行转向盘转角脉冲输入试验时，只进行1次三角脉冲输入，输入的能量不持续且不足，同时，由于车辆转向系统在输入结束后保持零位对于车辆横向振动的影响，以及车辆悬架柔性结构对车辆摆振的过滤作用，车辆在很短的时间内会停止横向摆振；因此，横摆角速度的响应不能覆盖足够的频率范围，尤其是较高频率下的响应。通过转向盘随机输入试验，能够保证输入的连续性和足够的能量，同时能够覆盖足够大频率范围的内容，从而获得各个频率下的车辆动态响应，大大提高测量车辆谐振频率的准确度。因此，要获取精确的车辆横摆角速度频率特性，应当优先选择转向盘转角随机输入试验。

4 结 论

阐述了两种不同的汽车动态特性试验方法，对试验方法和结果进行比较分析。结果表明，这两种方法都能应用于车辆动态特性测量，可以根据不同的试验目的和精度要求，综合各方面因素选择其中的一种来进行试验；两种方法都能够获得比较系统全面的试验结果，对汽车动态特性进行综合评价；在试验条件具备的情况下，优先选用转向盘转角随机输入试验能够获取更加准确的结果。

[1]余志生. 汽车理论(第5版)[M]. 北京：机械工业出版社，2009：159-162.

[2]汽车操纵稳定性试验方法：GB/T 6323-2014[S].

[3]Road vehicles—Lateral transient response test methods—Open- loop test methods: ISO 7401-2011 [S].

2016-11-29

1002-4581（2017）02-0032-03

U463.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.008