汽车最速操纵的客观评价指标研究

张丽霞　路　军　潘福全　宋年秀

青岛理工大学，青岛，266520

汽车最速操纵的客观评价指标研究

张丽霞路军潘福全宋年秀

青岛理工大学，青岛，266520

摘要：为了对最速操纵的汽车进行操纵稳定性评价，在考虑驾驶员忙碌程度、侧翻、侧滑评价指标的基础上，增加行驶速度单项评价指标、附着性能单项评价指标，提出了汽车最速操纵的综合评价指标；基于ADAMS/Car，对汽车进行双移线仿真试验，获得了汽车最速操纵的综合评价指标和单项评价指标仿真结果，比较了不同初始车速下汽车最速操纵的综合评价指标数值。结果表明，单项评价指标和综合评价指标都随时间延长而增大，当初始车速提高时，最速操纵稳定性综合评价指标增大，操纵稳定性变差。

关键词：汽车；最速操纵；操纵稳定性；评价指标

0引言

最速操纵是以最短时间完成对汽车的操纵作为控制目标，通过最优控制得到的一种最优操纵方式。为了对汽车操纵稳定性进行评价，学者们先后展开了一系列研究。

邢如飞等[1]研究了汽车操纵稳定性主观评价指标。黄建兴等[2]研究了闭环汽车操纵稳定性综合评价指标的权重。王颜会等[3]运用多元统计分析方法，对汽车操纵稳定性客观综合评价指标进行了评价，降低了评价维度，得到了客观赋权操纵稳定性能得分。王化吉等[4]运用模糊层次分析法研究了汽车操纵稳定性主观评价指标权值。郝圣杰等[5]运用主成分评价法对汽车操纵稳定性进行了客观评价，简化了评价过程，其不足之处是在实际运用中存在一定的局限性。赵又群等[6]运用灰色关联度法和模糊数学方法，基于驾驶员打分的评价方法对汽车转向操纵动态特性进行了综合主观评价。张丽霞等[7]提出考虑驾驶员忙碌程度、侧翻、侧滑、速度的最速操纵稳定性的单项评价指标和综合评价指标，仿真结果表明了其有效性，但在关于速度单项评价指标和危险性单项评价指标方面需要完善。

以上对汽车操纵稳定性的评价指标中除了文献[7]，都没有考虑汽车行驶速度，而最速操纵受汽车纵向、侧向和垂向三个方向的影响，涉及一系列的物理量，对最速操纵的评价要明确影响其变化的物理过程。本文在已有客观评价指标的基础上，增加考虑速度因素和轮胎附着性能客观评价指标。有关最速操纵的单项评价指标中最具有代表性的是汽车的纵向速度，考虑到其他各单项评价指标呈越小越好变化趋势，本文在文献[7]对最速操纵的速度评价指标研究基础上，对该评价指标进行了修改，让速度评价指标呈现越小越好的变化趋势。增加的轮胎附着性能评价指标也采用同样的处理办法。在提出的评价指标基础上，基于ADAMS/Car，对汽车进行了双移线仿真试验，得到了评价指标的仿真结果。

1汽车最速操纵稳定性评价指标

1.1汽车操纵稳定性单项评价指标

本文在郭孔辉等[8]提出的考虑驾驶员忙碌程度、侧翻危险性、侧滑危险性的基础上，考虑汽车行驶速度和附着性能，提出了以下单项评价指标及综合评价指标表达式。

(1)驾驶员忙碌程度评价指标JB为

(1)

(2)汽车侧向加速度评价指标JR为

(2)

式中，ay(t)为汽车侧向加速度；ay,th为侧向加速度标准门槛值。

(3)车身侧倾角评价指标JΘ为

(3)

式中，θ(t)为汽车的侧倾角；θth为侧倾角门槛值。

(4)汽车侧滑危险评价指标JS为

JS=max(JSf,JSr)

(4)

式中，i=f,r分别代表前轮和后轮；JSf为前轮侧滑评价指标；JSr为后轮侧滑评价指标；JS为整车侧滑危险性评价指标；Fyi(t)为车轮侧向力；Fzi(t)为车轮法向力；μy,th为侧向附着系数门槛值。

纵向速度和轮胎附着率属于汽车在纵向动力学的表现，直接反映了汽车最速操纵的性能发挥，故本文进一步提出以下评价指标。

(1)汽车纵向速度评价指标JU为

(5)

式中，u(t)为汽车纵向速度；uth为汽车纵向速度门槛值。

(2)汽车附着性能评价指标JA为

(6)

式中，Fxf(t)为前轮驱动力；Fzf(t)为前轮法向力；μx,th为纵向附着系数的门槛值。

1.2汽车最速操纵稳定性的综合评价指标

以上提出的各单项评价指标对汽车最速操纵稳定性都有一定的影响，本文采用加权平方根值表示汽车最速操纵的综合评价指标JT，其表达式为

T=

(7)

式中，wB为驾驶员忙碌程度指标权值；wR为侧向加速度指标权值；wΘ为汽车侧倾角评价指标权值；wS为汽车侧滑危险性评价指标权值；wU为汽车速度评价指标权值；wA为汽车附着性能评价指标权值。

1.3各单项评价指标门槛值和权值的确定

汽车最速操纵稳定性各单项评价指标权值具有如下关系：

(8)

其中，si,th为各单项评价指标的门槛值，wei为实际权值，wi为理论权值，通过各单项门槛值可以计算出各门槛值的权值。根据参考文献，可以得到最速操纵工况下各单项评价指标的门槛值如表1所示，加权值如表2所示。

表1　各单项评价指标门槛值

表2　各单项评价指标加权值

2汽车最速操纵稳定性单项评价指标仿真

基于ADAMS/Car建立整车模型，模型的建立和汽车基本参数见文献[9]。对汽车进行双移线仿真试验，整车仿真设置见文献[10]。根据以上提出的各单项评价指标表达式和表1取值，基于MATLAB，得到汽车最速操纵各单项评价指标仿真结果如下。

(1)驾驶员忙碌程度评价指标仿真结果。根据式(1)和表1，驾驶员忙碌程度的评价指标仿真结果如图1所示。从图1可以看出，该评价指标在整个超车过程中始终持续增大，说明驾驶员一直在忙碌。

图1　驾驶员忙碌程度评价指标仿真结果

(2)汽车侧翻评价指标仿真结果。以式(2)中的侧向加速度评价指标和式(3)中的侧倾角评价指标为基础，通过加权，得到汽车侧翻评价指标仿真结果如图2所示。从图2可以看出，该评价指标在2.5～6 s内迅速增大，表明这个时间段发生侧翻的危险性比较高，应给予高度重视。

图2　汽车侧翻评价指标仿真结果

(3)汽车侧滑危险评价指标仿真结果。根据式(4)和表1，汽车侧滑危险评价指标仿真结果如图3所示，该评价指标是取四个车轮中最容易发生侧滑的指标为基准进行计算的。从图3可以看出，该评价指标随时间延长稳定增大，侧滑危险性增高。

图3　汽车侧滑危险评价指标仿真结果

(4)汽车纵向速度评价指标仿真结果。根据式(5)和表1，汽车纵向速度评价指标仿真结果如图4所示。从图4可以看出，该评价指标随时间呈现凸函数变化，表明汽车速度增大的同时，加速能力有所降低。

图4　汽车纵向速度评价指标仿真结果

(5)汽车附着性能评价指标仿真结果。根据式(6)和表1，汽车附着性能评价指标仿真结果如图5所示。从图5可以看出，在0～2 s和10～12 s附着性能评价指标迅速增大，表明这两个时间段轮胎附着性能变差。

图5　汽车附着性能评价指标仿真结果

3汽车最速操纵稳定性综合评价指标仿真结果

根据图1～图5各单项评价指标仿真结果和式(7)综合评价指标表达式，根据表2得到各单项评价指标权值，对汽车进行双移线仿真试验，得到最速操纵时，汽车综合评价指标仿真结果如图6所示。从图6可以看出，当初始车速u为90 km/h和初始车速为108 km/h时，评价指标都随时间的延长而增大，汽车操纵稳定性变差，且车速低时评价指标小，操纵稳定性好。

图6　综合评价指标仿真结果

4结语

基于ADAMS/Car对汽车进行双移线仿真试验，运用MATLAB软件对汽车状态参数进行计算得到最速操纵的汽车单项评价指标和综合评价指标仿真结果，仿真结果表明各单项评价指标和综合评价指标都随时间延长而增大，操纵稳定性变差；并对比了不同初始车速下汽车的最速操纵稳定性，仿真结果表明当初始车速低时，操纵稳定性综合评价指标小，操纵稳定性好，符合实际情况。该评价指标对汽车设计和评价汽车的操纵稳定性有一定的参考和指导。

参考文献：

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Zhao Youqun, Xu Jianxiong, Liu Yingjie, et al. Evaluation of Dynamic Characteristic of Vehicle Steering Control Based on Gray Correlation Method[J]. China Mechanical Engineering,2014,25(4):563-567.

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[9]张丽霞.汽车操纵稳定性和平顺性中逆问题的研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[10]陈肖媛.基于汽车最速操纵的操纵稳定性评价指标研究[D].青岛：青岛理工大学，2014.

(编辑王艳丽)

Study on Objective Evaluation Index of Vehicle Minimum Time Maneuver

Zhang LixiaLu JunPan FuquanSong Nianxiu

Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong,266520

Abstract:To evaluate the vehicle minimum time handling and stability, a comprehensive evaluation index of vehicle minimum time handling was proposed by adding the single factor evaluation index of speed and adhesion performance, considering the evaluation index of driver’ s busy, roll, sideslip. The double lane change test for vehicle was simulated with ADAMS/Car. The simulation results for the index values of single factor evaluation and comprehensive evaluation of vehicle minimum time handling were achieved. Moreover, the comprehensive evaluation index values of the handling and stability were compared under different initial speeds of the vehicle to complete double lane change test. The results show that both of the index values of single factor evaluation and comprehensive evaluation increase with time. The comprehensive evaluation index value of the minimum time handling and stability increases with the initial speed increasing, and the handling and stability are weakened.

Key words:vehicle; minimum time maneuver; handling and stability; evaluation index

收稿日期：2015-07-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51505244)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2012EEL09)；山东省高等学校科技计划资助项目(J12LB08)

中图分类号：U461.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.024

作者简介：张丽霞，女，1978年生。青岛理工大学汽车与交通学院副教授、博士。主要研究方向为车辆系统动力学及控制。发表论文40余篇。路军，男，1984年生。青岛理工大学汽车与交通学院硕士研究生。潘福全，男，1976年生。青岛理工大学汽车与交通学院教授、博士。宋年秀，男，1963年生。青岛理工大学汽车与交通学院教授、博士。