乘用车转向感觉客观测量方法研究

王长青 费员军 冯天骥

摘 要：针对目前国内汽车公司所采用的操纵稳定性客观评价方法现状，结合主观评价体系，提出了一套针对转向感觉评价的客观试验方法，设计了试验工况和相关评价指标。通过实车试验，对试验结果的对比分析，该试验能够有效地对不同车型之间转向感觉差异进行描述，填补了现行客观评价体系对转向感觉评价方面的空白，为车辆底盘性能开发提供一种新的试验方法。

关键词：转向感觉；客观评价；操纵稳定性

中图分类号：U461.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0121-04

Abstract： In view of the present situation of the objective evaluation methods for handling and stability adopted by domestic automobile companies， based on the subjective evaluation system， this paper puts forward a set of objective test methods for the evaluation of steering sensation， and designs the test conditions and relevant evaluation indexes. Through the actual vehicle test and the comparative analysis of the test results， the test can effectively describe the difference of steering sensation among different models， and fill in the blank in the evaluation of steering sensation in the current objective evaluation system， and it provides a new test method for the development of vehicle chassis performance.

Keywords： steering sensation； objective evaluation； handling stability

前言

汽車操纵稳定性是底盘性能的重要组成部分，对操纵稳定性的评价一般分为主观评价和客观评价[1]。由于客观评价尚不能全面地反映车辆的操稳性能，目前在底盘开发流程中，以车辆操稳性能的主观评价作为最终的评价手段，以主观评价结果达标作为底盘开发项目的验收标准[2]。但目前国内主观评价能力欠缺，大多要依靠国外的技术力量来完成，且评价结果受评价人员的能力、心情、外界环境等因素影响，一致性和准确性很难保证。

通过虚拟样机技术能对客观试验进行较为准确的仿真，但客观评价体系的不完备，限制了虚拟仿真技术在底盘开发过程中的应用。因此完善现行客观评价体系，一方面减少对主观评价的依赖，另一方面充分发挥虚拟样机技术的作用，对提升我国汽车自主开发能力有着至关重要的作用。

本文通过调研国内外各大汽车公司的主观评价体系[3，4，5]，发现对于操纵稳定性的主观评价大致可分为“一般工况下的转向操纵性”和“极限工况下的操纵稳定性”。“极限工况下操纵稳定性”保证极限工况下的行车安全性，“一般工况下的转向操纵性”保证了普通消费者大多情况下的驾驶感受。

目前，国内汽车公司客观评价体系大多采用现行国家标准及ISO标准。综合对比主观评价与客观评价体系发现，客观评价体系对于不同车速下转向感觉的描述是欠缺的，如不同车速下的转向作用力水平、转向力随车速增长的线性度，转向灵敏度等特性。而这部分特性是主观评价中“一般工况下转向操纵性”的重要评价内容。为完善操纵稳定性客观评价体系，本文提出一种转向感觉客观试验方法，结合合适数据处理方法，为操稳性能开发和目标设定提供一种有效的方法。

1 转向感觉客观测量方法

1.1 测量变量

试验过程中通过合适的传感器测量以下变量：

（1）方向盘转角

（2）方向盘力矩

（3）汽车前进车速

（4）侧向加速度

1.2 试验方法

（1）试验开始前车辆以30km/h匀速直线行驶，并开始记录数据。

（2）缓慢均匀地增加方向盘转角，保持侧向加速度增长速率不超过0.05m/s2/s，直至侧向加速度达到4.5m/s2，停止记录数据，记录过程中保持车速不变。

（3）试验按照向左转和向右转两个方向进行。

（4）车辆再分别以60、90、120km/h的行驶车速重复以上试验过程，最大侧向加速度要求达到6.5m/s2。

为测量不同车速下的转向力感，本试验选取了30、60、90、120km/h四种车速进行试验。考虑低速30km/h行驶状态下，一般行驶工况所达到的侧向加速度较低，故试验要求侧向加速度达到4.5m/s2，其他车速工况侧向加速度要求到达6.5m/s2。

2 主要指标定义和数据处理

综合考虑主观评价内容，结合本试验工况特点，选取以下指标，如表1所示，来表征转向感觉特性。

2.1 线性区力矩梯度

2.1.1 定义

线性区力矩梯度是指在连续转向过程中，方向盘力矩随侧向加速度增长的速率。方向盘在非中心区域转动时，转向力矩应随侧向加速度的增大而增大。驾驶员可通过方向盘力矩变化感受车辆的运动状态，转向力矩增长速率过快，会导致转向力过大，影响转向的轻便性，转向力矩增长速率过慢，会导致驾驶安全感降低。

2.1.2 数据处理

对试验过程中采集的方向盘力矩和侧向加速度信号进行3Hz低通滤波处理，绘制方向盘力矩与侧向加速度关系曲线。在试验车速为60、90、120km/h的转向感觉试验中，对图1曲线在侧向加速度为2～4m/s2的范围中进行直线拟合，拟合直线的斜率即为线性区力矩梯度。

在车速为30km/h的转向感觉试验中，考虑该工况下侧向加速度较小，对上述曲线在侧向加速度为1～3m/s2的范围中进行直线拟合，拟合直线的斜率即为线性区力矩梯度。

2.2 3m/s2时方向盘力矩

2.2.1 定义

“转向作用力水平”是“转向的操纵性”中重要的评价内容。车辆在低速行驶时，应有较好的转向轻便性；随着车速的提高，转向作用力应逐渐增大，保证高速行驶的稳定性。在转向感觉试验中，方向盘作用力随侧向加速度的增大而增大，本文选取“3m/s2时方向盘力矩”来表征某一特定车速下方向盘力矩水平，结合评价指标“线性区力矩梯度”可对该车速下的线性区内的作用力水平进行评估。另外，通过比较不同车速下的“3m/s2时方向盘力矩”可以看出转向盘作用力随车速的变化趋势是否满足主观的设计要求。

2.2.2 数据处理

在图1方向盘力矩和侧向加速度关系曲线中，在侧向加速度0.05m/s2以上的范围内对曲线进行3次多项式拟合，在拟合曲线中计算得到侧向加速度为3m/s2时方向盘力矩的大小。

2.3 方向盘力矩线性度指数

2.3.1 定义

在操纵稳定性主观评价中，要求转向力应随方向盘转角和侧向加速度的增长呈线性增长的趋势，转向过程中不应出现力矩的突变。方向盘力矩的线性度越好，驾驶员对车辆行驶状态的预见性越好，驾驶员可通过方向盘反馈的力矩变化感知车辆侧向加速度的变化，可提升驾驶员的主观驾驶安全感。如图1所示，在中心区范围内（通常侧向加速度小于1m/s2），由于转向系统摩擦、转向间隙及悬架衬套等非线性因素，导致方向盘力矩和侧向加速度之间表现出非线性关系；在非线性区（通常侧向加速度大于5m/s2），由于轮胎特性等非线性因素导致方向盘力矩和侧向加速度之间也会表现出非线性关系；但在线性区范围内，期望方向盘力矩能和侧向加速度保持线性增长。本文通过计算线性区“方向盘力矩线性度”来表征方向盘力矩和侧向加速度之间的线性关系。

2.3.2 数据处理

相关系数[6]又称皮（尔生）氏积矩相关系数，是一个描述两个现象之间密切程度的统计分析指标。本文通过计算线性区范围内方向盘力矩和侧向加速度之间的相关系数R，来考察方向盘力矩的线性度。

对试验过程中采集的方向盘力矩和侧向加速度信号进行3Hz低通滤波处理，截取侧向加速度在1～5m/s2（车速30km/h工况，截取侧向加速度在1～3m/s2）范围内的试验数据，并计算方向盘力矩和侧向加速度的相关系数。

相关系数R的计算方法如式（1）所示，R值的范围在-1和+1之间。

方向盘转角和侧向加速度之间的相关系数的绝对值越接近1，两者之间的相关性越高，也意味着两者之间的线性度越高。

2.4 转向灵敏度

2.4.1 定义

转向灵敏度是指车辆的响应与方向盘转角输入之间的对应关系。相同的方向盘转角输入下，转向灵敏度过大，车辆的响应会超出驾驶员的预期，降低驾驶安全感；转向灵敏度过小，车辆的响应未达到驾驶员的预期，驾驶员不得不追加方向盘转角，影响转向操纵的轻便性。

2.4.2 数据处理

对试验过程中采集的方向盘转角和侧向加速度信号进行3Hz低通滤波处理，绘制方向盘转角与侧向加速度关系曲线，如图2所示。曲线在侧向加速度为2～4m/s2（车速30km/h工况，截取侧向加速度在1～3m/s2）的范圍中进行直线拟合，拟合直线的斜率即为转向灵敏度。

3 试验结果比较和分析

依据上文设计的试验方法，进行了3个车型的客观试验，试验结果如表2所示。

结果分析：

从评价指标“线性区力矩梯度”看，车型1方向盘力矩随侧向加速的增长较缓，车型2与车型3方向盘力矩增长的速率相近；在低速30km/h工况下，车型3左转与右转方向盘力矩增长速率不一致，会导致两个方向的转向手感不一致；随试验车速的增大，车型1右转方向的力矩梯度逐渐减小，与左转方向的差距不断增大，左右两方向的转向手感的一致性越来越差。

从评价指标“3m/s2时方向盘力矩”看，车型2的整体转向力矩最大，车型1的转向力矩最小；车型2与车型3的转向力矩随车速的增大而变大，但车型1的转向盘力矩随车速的变化趋势不明显；车型1在中高车速工况下，方向盘左转与右转的作用力不一致，左右不对称。

从评价指标“方向盘力矩线性度指数”看，所有车型随试验车速的提高，方向盘力矩随侧向加速度的增长会表现出更好的线性度；车型1方向盘力矩的线性度在3个车型中表现最差，左转与右转同样出现的较大的不一致性，右转方向的力矩增长的线性度更差。

从评价指标“转向灵敏度”看，在低速30km/h工况下，车型2在3个车型中表现出较高的转向灵敏度，在中高速工况下，车型1的转向灵敏度较另外2个车型偏低。

综上所述，以上试验结果展现出了3车个车型在转向感觉方面的差异，如转向力感、转向作用力水平、力矩随车速增长的变化趋势、随侧向加速度增长测线性度、转向灵敏度等特性；同时还发现车型1左转右转两个方向不对称的问题。

4 结束语

本文提出了转向感觉客观试验方法，设计了试验工况，并根据主观评价内容提取客观评价指标。对实车试验结果分析发现，转向感觉试验能够有效地对转向感觉进行描述，发现不同车型之间的转向感觉差异，发现车辆性能存在的问题，为转向性能的改进提供方向，也为底盘性能开发提供一种新的目标和方法。

参考文献：

[1]那晓翔.乘用车操纵稳定性客观对标体系研究[D].吉林大学，2009.

[2]白艳，贾鑫，宗长富，等.汽车操纵稳定性客观评价方法综述[J].科学技术与工程，2012，12（06）：1339-1347.

[3]陈宇辰.汽车转向性能主观评价动力学因素分析[D].吉林大学，2014.

[4]邢如飞.乘用车操纵稳定性主观评价方法研究[D].吉林大学，2010.

[5]贝尔恩德·海森英.汽车行驶动力学性能的主观评价[M].人民交通出版社，2010.

[6]聂必凯.数学问题提出研究综述[J].数学通报，2003.