張崇波 Zhang Chongbo

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兩種汽車動態(tài)特性測量方法比較

張崇波 Zhang Chongbo

（北京汽車研究所有限公司，北京 100079）

汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗和汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗是汽車操縱穩(wěn)定性試驗的一部分，通常以汽車橫擺角速度頻率特性來表征汽車的動態(tài)特性；因此頻率特性的測量成為汽車操縱穩(wěn)定性試驗重要的項目之一。對同一車輛分別進行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗，并對這兩種測量汽車動態(tài)特性的方法進行比較分析。結果表明，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入方法測得的車輛動態(tài)特性數(shù)據(jù)更加準確。因此，在具備試驗條件的情況下應優(yōu)先選用此方法，以獲得更精準的數(shù)據(jù)。

脈沖輸入；隨機輸入；動態(tài)特性；幅頻特性；相頻特性

0 引 言

道路車輛的動態(tài)特性對車輛的行駛安全至關重要，對于動態(tài)車輛，一般利用其橫向瞬態(tài)響應開環(huán)或閉環(huán)試驗來對車輛的操縱穩(wěn)定性進行研究。在汽車操縱穩(wěn)定性中，常以汽車橫擺角速度的頻率響應特性表征汽車的動態(tài)特性[1]。

國內(nèi)通常以GB/T 6323—2014《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》中提供的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗方法來評價汽車的動態(tài)特性，隨著試驗設備的不斷發(fā)展進步，以及國內(nèi)汽車工業(yè)的國際化發(fā)展要求，許多廠商引入了國際標準ISO 7401—2011 Road vehicles—Lateral transient response test methods— Open-loop test methods中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗來對汽車的動態(tài)特性進行更詳細的評價，文中就這兩種試驗方法進行比較分析，來討論兩種方法在汽車動態(tài)特性測量中的異同。

1 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗

1.1 試驗方法

進行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗的車輛先按照規(guī)定的車速直線行駛，使其橫擺角速度在(0±0.5)°/s范圍內(nèi)，然后給轉(zhuǎn)向盤一個如圖1所示的三角脈沖輸入，使車輛在接下來的行駛中產(chǎn)生最大為 4 m/s2的側(cè)向加速度，直到車輛恢復穩(wěn)定直線行駛狀態(tài)，這個過程中保持加速踏板位置不變，記錄整個過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和汽車橫擺角速度響應過程[2]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

某型電動車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗的輸入和輸出時間歷程曲線如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，車速由加速踏板機器人控制，轉(zhuǎn)向盤脈沖輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機器人來控制輸入，相比較人工輸入，轉(zhuǎn)向盤機器人能產(chǎn)生更符合數(shù)據(jù)要求的三角脈沖輸入，能夠避免人工輸入的較大誤差，對提高試驗數(shù)據(jù)精度有很大幫助。

為獲取車輛橫擺角速度的頻率響應結果，對車輛在時域內(nèi)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入和橫擺角速度輸出進行傅里葉分析。此次試驗數(shù)據(jù)采樣時間為5.03 s，采樣頻率為100 Hz，共503組數(shù)據(jù)，由于利用Excel進行快速傅里葉分析時數(shù)據(jù)量必須為2N個；因此，采用數(shù)據(jù)補零的方法將數(shù)據(jù)補充至512組然后進行處理，結果如圖3所示。

試驗結果見表1，車輛的諧振頻率為1.17 Hz，頻率為1 Hz時的相位滯后角為28.2°。研究表明，車輛的諧振頻率越高，駕駛員的駕駛感受越好，操縱穩(wěn)定性越好；諧振峰水平越低，車輛操縱穩(wěn)定性越好，頻率為1 Hz時的相位滯后角用來評價轉(zhuǎn)向盤輸入的響應時間快慢，數(shù)值越小說明響應越快，車輛性能越好。

表1 結果分析

參 數(shù)數(shù)值 諧振頻率/Hz 1.17 相位滯后角/(°)28.2 諧振峰水平D/dB 2.94

2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗

2.1 試驗方法

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗也被稱為掃頻試驗。試驗要求車輛以規(guī)定的速度直線行駛，然后對轉(zhuǎn)向盤輸入連續(xù)的正弦激勵，輸入的頻率需要至少覆蓋0.2～2 Hz的頻率范圍，在輸入過程中不能使用機械限位同時要保證輸入的連續(xù)性以提高信噪比。為保證足夠的高頻內(nèi)容，輸入應當具有足夠的能量[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

同一車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗輸入和輸出的時間歷程曲線如圖4所示，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，試驗過程車速控制由加速踏板機器人完成，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機器人完成。由于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角機器人控制精度高，輸入準確，能夠保證近似正弦輸入，縮短試驗時間的同時也能保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

同樣利用Excel數(shù)據(jù)分析工具中的傅里葉分析進行數(shù)據(jù)處理，處理方法與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入處理方法相同，區(qū)別在于增加對車輛側(cè)向加速度的處理，處理結果如圖5所示。

2.3 結果分析

由試驗結果可知，幅頻曲線在頻率為0處有一個較大的值，這是由原始數(shù)據(jù)中的近似直流分量導致的，快速傅里葉分析對直流分量的處理是將值累加到0頻上；因此，頻率為0的點存在較大誤差，不具有參考意義。由試驗結果可知，車輛的諧振頻率為1.46 Hz，特征頻率為1 Hz時的相位滯后角為25.9°。

3 方法比較

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗作為評價車輛動態(tài)性能的方法，在試驗方法和數(shù)據(jù)處理上都有相似之處，都是通過對車輛的橫向響應過程進行分析，得到車輛橫擺角速度的頻率響應特性，從而對車輛的動態(tài)特性進行評價。兩種方法的主要區(qū)別在于對轉(zhuǎn)向盤施加的激勵不同，從試驗的要求來看，由于轉(zhuǎn)向盤隨機輸入試驗對控制精度要求較高，在沒有硬件條件輔助的情況下由人工手動控制輸入進行轉(zhuǎn)角脈沖試驗也能夠獲得頻率響應曲線。對兩種試驗方法的結果分析可知，轉(zhuǎn)向盤隨機輸入試驗的結果優(yōu)于轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗結果，這是由于進行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗時，只進行1次三角脈沖輸入，輸入的能量不持續(xù)且不足，同時，由于車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輸入結束后保持零位對于車輛橫向振動的影響，以及車輛懸架柔性結構對車輛擺振的過濾作用，車輛在很短的時間內(nèi)會停止橫向擺振；因此，橫擺角速度的響應不能覆蓋足夠的頻率范圍，尤其是較高頻率下的響應。通過轉(zhuǎn)向盤隨機輸入試驗，能夠保證輸入的連續(xù)性和足夠的能量，同時能夠覆蓋足夠大頻率范圍的內(nèi)容，從而獲得各個頻率下的車輛動態(tài)響應，大大提高測量車輛諧振頻率的準確度。因此，要獲取精確的車輛橫擺角速度頻率特性，應當優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗。

4 結 論

闡述了兩種不同的汽車動態(tài)特性試驗方法，對試驗方法和結果進行比較分析。結果表明，這兩種方法都能應用于車輛動態(tài)特性測量，可以根據(jù)不同的試驗目的和精度要求，綜合各方面因素選擇其中的一種來進行試驗；兩種方法都能夠獲得比較系統(tǒng)全面的試驗結果，對汽車動態(tài)特性進行綜合評價；在試驗條件具備的情況下，優(yōu)先選用轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨機輸入試驗能夠獲取更加準確的結果。

[1]余志生. 汽車理論(第5版)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009：159-162.

[2]汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法：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