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底盘控制系统对车辆操纵稳定性和侧翻稳定性的影响ALrik L.Svenson美国国家公路交通安全管理局Aleksander Hac德尔福公司 美利坚合众国 文件编号05-0324摘要在这个文件中，通过车辆测试检查了 主动底盘系统对车辆极限情况下车辆操纵 稳定性和翻滚稳定性的影响，特别是电子稳 定性控制系统（ESC）和后轴主动转向系统 （ARS）对此的影响。在交通安全管理局 （NHTSA）的动态翻滚测试中，第一次评估 了 ESC系统的效能。由于没有一个可以被普 遍接受的客观的并且可以重复的程序去评 估和量化车辆操纵稳定性和安全性的联系， 所以这个文件描述的就是开发这样一个程 序的过程。汽车行业中车辆的操纵稳定性测 试过去是需要首先审查的。这个文件也描述 了选择测试操作方法所采用的标准，这些测 试方法最有可能显示和描绘影响安全性的 车辆操纵稳定性参数。并选择了这些最有可 能采用的操作方法的一部分。通过模拟和车 辆测试，进一步研究了其中的阶跃转向操作 和开环转向反转操作。描述了平衡影响安全 性的车辆操纵稳定性参数之后的初步度量 标准。最后，呈现出了上述俩个操纵稳定性 测试的测试结果，这个结果比较了 ESC系统 和ARS系统起作用与不起作用的车辆性能。简介在过去的十年间，美国高重心车辆的 流行，例如，运动型多功能汽车，增加了研 究车辆翻滚和开发主动悬架系统的兴趣，这 些系统可以减少车祸的可能性。在这些车祸 中，车辆翻滚仅仅是一小部分，然而在致命 的车祸中，车辆翻滚所占的比例过高。例如， 车辆翻滚大概要占美国所有与交通有关的 事故的百分之二十五并且百分之六十的事 故都涉及到SUVs【1】。对此，汽车制造商和 供应商寻求在设计上的改变，以提高车辆抵 抗翻滚的能力而又不牺牲车辆的功用。最近，NHTSA把动态翻滚测试作为新车 评估项目的一部分。在这个测试中，车辆行 驶在干燥，水平的路面上，快速的做一些连 续的突然转弯，这些转弯是先向一个方向转 弯，紧接着向相反的方向转弯。为了模拟车 辆在路边紧急情况下的转向输入操作，转向 输入由机器人提供，因为机器人可以通过高 速率和高振幅的转向角度来描绘紧急情况 下转向输入的特性【2】。很有可能为了提高 车辆抵抗翻滚的能力而在设计上努力做出 的一些改变可能会改变车辆的操纵稳定性 特性，而这些改变会对车辆安全性产生不利 的影响。例如，对一个高重心的车辆，可以 通过减小侧向加速度的最大值或者侧向加 速度改变的频率来提高动态测试中车辆抵 抗翻滚的能力。假如这样做，这可能会限制 紧急情况下车辆的转弯响应能力，而这俩方 面都是车辆安全性的重要方面。对于装备有主动地盘系统的车辆，例 如ESC系统，这些设计上的改变可以通过相 对较小的努力就可以实现。通过具体的调和 算法，这些系统允许车辆设计者权衡极限转 弯操作中车辆的响应和稳定性。由于在大多 数的翻滚测试中，驾驶员对车辆失去控制在 前，翻滚在后，所以以紧急情况下的车辆操 纵稳定性为代价来提高车辆抵抗翻滚的能 力对于减少车辆的翻滚事故没有什么帮助。 因此本研究的首要目的是在车辆操纵稳定 性和翻滚稳定性方面开发一个一个比较好 的折中方案，特别是对于装备有主动底盘系 统的车辆。在这里操纵稳定性的这个词语被 限定在车辆对驾驶员转向输入，可能的节气 门输入和制动输入这些方面的响应，而这些 方面会影响车辆的安全性。由于没有可以被 普遍接受的，客观的，可重复的测试程序来 量化车辆操纵稳定性与车辆安全性的联系， 所以本研究的主要目标就是开发这样的一 套测试理论。本文件的结构如下。接下来的部分首 先描述的是装备了 ESC系统和ARS系统的测 试用车。为了说明本测试中ESC系统对车辆 行驶稳定性和横摆响应的影响，列出了 NHTSA动态翻滚测试中所选择的结果。随后， 给出了对过去广泛使用的操纵稳定性测试 程序的评审。之后概述了一个选择最合适的 车辆操纵稳定性测试方法的选择标准，紧接 着描述了被选择方法的开发细节。然后讨论 了车辆操纵稳定性的度量标准。接着给出了 装备有ESC系统和ARS系统的车辆在瞬态操 纵稳定性测试中的测试结果。最后，得出结 论。测试车辆本研究的测试车辆是后轮驱动的雪弗莱 席尔沃莱都皮卡车，如图1所示。图1.雪弗莱席尔沃莱都测试用车为了可以进行安全的动态翻滚测试和极限 情况下的操纵稳定性测试并且可以记录数 据，测试车辆需要进行一些装备。特别的， 车辆装备了一个防滚架，五点支撑的安全带 和前后支腿。如果需要增加车辆重心高度和 行驶惯性，车辆车床上的载荷架可以增加车 辆的有效载荷来实现这个目的。这提供了一 种修改车辆翻滚稳定性的方法。为了实现精 确的并且可以重复的转向输入，车辆装备了 一个可编程控制的机械转向设备。三个位于 车辆每一边的光学高度传感器测量车身到 地面的距离；通过这些测量量，可以导出车 身相对于地面的行驶角度。光学传感器位于 所有车轮的轮心，这样可以判定车轮是否离 地。另外，悬架挠度传感器可以检测车轮与 车身的相对位置。车辆也装备了一个光学传 感器用于测量车辆相对于地面的纵向和横 向速度，还装备了方向盘转角传感器和内置 的仪表级六轴传感器。车上还有俩个有效的 主动底盘系统：制动型的ESC系统和ARS系 统，如果需要的话，这俩个系统都可以选择 性的起作用。这俩个系统还有额外的传感器; 例如，测量后轮转向角，车速和四个制动钳 压力的传感器。如果需要，每个主动系统都 可以选择性的失效。也采用高保真的车辆模型来评估车辆 的性能，这个车辆模型包括了主动底盘系统 模型还有与之相联系的控制算法。该车辆模 型已经通过了测试数据的验证。模型的细节 在本文件的范围之外，所以这里没有显示出 来。除了雪弗莱席尔沃莱都皮卡车之外，这 次评估中也采用了一个具有主动稳定杆系 统的车辆，但是这里并没有展示结果出来。 这个车辆的细节描述和车辆模拟模型可以 在参考文献【3】中找到。动态翻滚测试中ESC系统对车辆性能 的影响在这部分讨论的是动态翻滚测试中ESC 系统对车辆性能的影响，并且展示了被选择 出来的测试结果。正如在简介中描述的一样， 动态翻滚测试，也称作鱼钩测试（因为这个 测试中车辆行驶路线的形状和鱼钩相似）， 是一个包括转向角快速逆转的剧烈的转向 操作。这会产生一个巨大的侧向加速度的改 变，使车辆的侧向加速度从一个峰值快速改 变到相反方向的另一个峰值，这会对车辆的 行驶产生巨大的激励。如果车轮有俩次离地 至少5厘米，那车辆的这个测试就没有通过。 NHTSA报告【2】中给出了测试程序的细节。 任何能够减少车辆侧倾角，侧向加速度或者 甚至是减少这些变量改变速率的主动底盘 系统，都会对测试结果产生重大的影响。例如，ESC系统和主动稳定杆系统。ARS系统 可以根据前轮转角和车速让后轮进行转向， 但是在这个测试中的影响很小。ESC系统通过对每个车轮制动的主动控 制来修正严重的转向不足和转向过度，这样 可以提高车辆极限情况下的操纵稳定性和 翻滚稳定性。该系统采用测量方向盘转角和 车速来确定理想的车辆的横摆速度响应，或 者是理想的侧滑角和侧滑率。接着比较理想 值（横摆速率）和测量值或者估计值（侧滑 角）；当检测到足够的差异的时候，系统就 会通过制动来减少这种差异。通过调节所需 要的响应和控制增益，车辆设计者可以影响 车辆响应和稳定性之间的平衡。例如，通过 减少所需要的横摆速度的大小或者通过对 侧滑状态（以横摆速度为代价）更主动的控 制，在瞬态操作中可以得到一个更稳定的响 应。该系统的这种调节减小了车辆的响应速 度和鱼钩测试中车辆的侧向加速度，因此提 高了车辆对翻滚的抵抗能力。为了说明这个 结果，在图2和图3中展示了车速为75千 米每小时的俩组鱼钩测试结果。在这俩个测试中，为了增加车辆翻滚的 趋势，在载荷架上增加了额外的400磅（182 千克）的压力。通过支腿把行驶角度限制在 15度左右。ARS系统不起作用。图2.带ESC系统配置1的车辆以75千米每 小时执行鱼钩测试图3.带ESC系统配置2的车辆以75千米每 小时执行鱼钩测试在图2的测试方法说明了，大多数轻 型车辆的ESC转向系统（配置1）都是图中 的这种情况，而在图三中（配置2），通过减 小横摆速度和侧滑率的最大值，来进一步限 制车辆的过度转向情况。通过图，可以看到， 在瞬态阶段和瞬态阶段刚结束的阶段，ESC 系统2被激活的比较早并且对车辆进行了较 长时间的修正。这样车辆就会有较小的侧滑 角，并且暂时减小了车辆的行驶角度，横摆 速度和侧向加速度。在ESC系统对制动干预 结束之后，车辆的行驶角度会再次增加并且 由于ESC系统只管理横摆平面内的运动所以 ESC系统此时不再起修正作用了，但此时车 辆的行驶情况已经接近理想的情况了。我们 还应该注意到，以相同的测试方法测试，但 ESC系统不起作用的车辆（这里没有列出）， 在车辆侧向加速度一反向之后，车辆马上就 会达到前面测试中车辆所行驶的角度所对 应的支腿离地间隙。我们可以得出结论，在鱼钩测试中通过 改变控制算法中的参数，ESC系统有能力影 响车辆的行驶响应特性，特别是在测试的瞬 态阶段。通过改变车辆横摆速度，侧滑角度 和侧向加速度的响应，这样可以影响车辆在 横摆平面内的响应，而这些被改变的参数都 是车辆操纵稳定性的重要特征。因此，除了 车辆的翻滚倾向测试之外，还需要去开发一 个测试程序去评估车辆的操纵稳定性，以便 车辆在横摆平面和偏航平面内的车辆操纵 性能和稳定性能全部包含在内。评估车辆操纵稳定性所选择的测试方 法在这部分，描述了选择车辆操纵稳定性 测试方法的步骤，这些测试方法过去都是用 于客观评估车辆操纵稳定性的。车辆的操纵 稳定性是一个包含许多方面的并且是一个 复杂的高度主观的车辆特性。在本文中，重 点研究的是与安全性有关的车辆的操纵稳 定性性能。由于特殊的兴趣，也研究了非线 性范围和极限情况下的车辆操纵稳定性，这 是有许多原因的。首先，车辆在紧急情况下， 由于避免障碍的操作，车辆的操纵稳定性会 达到极限情况，因此，在避免车辆撞击方面， 这是特别重要的。其次，对于一个普通的驾 驶员，在极限情况下控制车辆会比非线性范 围内控制车辆困难的多。大多数的驾驶员都 习惯于在线性范围内驾驶（正常驾驶）并且 没有体验过在极限情况下驾驶。最后，由于 车轮力是由车轮与地面接触表面的摩擦力 限制的，当到达极限摩擦力的时候，车辆的 操纵稳定性会急剧恶化。例如，由消费者联 盟【4】做的车辆操纵稳定性测试中，对于 所有参加测试的141台车辆，正常驾驶情况 下的车辆操纵稳定性或者好，或者至少与极 限情况下车辆操纵稳定性性能相同，测试结 果在这个刊物中公布了。因此，我们可以通 过车辆极限情况下的操纵稳定性来期望保 证正常驾驶时的车辆操纵稳定性至少与极 限情况下一样好。影响安全性的车辆操纵稳定性方面这里的目的是建立一个测试程序去评 估和量化影响安全的车辆操纵稳定性性能。 下面的这些就是由作者判断的影响安全的 车辆操纵稳定性方面：. 转向能力一是紧急操作时车辆急剧转弯的能力；因此，最大的侧向加速度和 达到它的快速程度都很重要。.极限情况下适度的退化一当达到极限附着力的时候，车辆的行驶情况不应该 有一个巨大且突然的变化。本质上，对 于转向不足的车辆，由于侧向加速度增 加并且没有后方分离，这些意味着小的 侧滑角，车辆的操纵稳定性性能应该增 加。可预测性一对转向输入的可预测的和 渐进的响应不需要或者只需要较小的 修正。这需要在整个操作的范围内，转 向输入和车辆响应之间有好的相关性。 车辆的响应应该有较好的阻尼，较小的 超调量和小的震动（否则需要频繁的转 向修正）。输入和输出之间的时间延迟 应该一致并且不大。 响应能力一在时间延迟和总的响应时 间方面对转向输入需要快速的响应，并 且输入和输出之间应该有足够的增益（例如横摆增益）。稳定性一车辆的响应不但对于有界的 输入，其输出应该仍然有界，而且在稳 态和瞬态响应中应该保持确定的稳定 的边界。例如，对于有限的侧滑角车辆 应该保持不足转向特性并且在瞬态响 应中没有持续的振动。我们也应该注意到，在上面描述的所需要的 车辆操纵稳定性特性中存在一些重叠。例如， 为了可预测性，车辆的响应必须稳定；对于 好的响应和可预测性等等又需要合理的短 时间的延迟。有一些其他方面的特性，通常也被认为 属于操纵稳定性的方面，但由于他们或者是 太主观，或者是对安全性影响不大，所以并 没有在上面的列表中。这些特性包括：中间 位置的转向感觉，转向轮振动和转向力矩反 馈。车辆对于干扰的抵抗能力，例如由于空 气动力学力（例如侧风），道路不平度和道 路倾斜度产生的干扰，并没有被明确的包含 在内，但是在稳定性和可预测性方面已经暗 含着这个特性。通常采用的操纵稳定性测试由于对哪个操纵稳定性测试能对车辆的 操纵稳定性行为作出最好的评价并没有达成一致，所以许多不同的测试都被汽车工业 所采用。通常来说，他们被粗略的划分为下 面的内容：开环测试，决定了车辆对于具体的控制 输入的响应特性。闭环任务性能测试，决定了在具体的驾 驶任务中，驾驶员-车辆系统的性能。主观评价，驾驶员通过在试车场驾驶或 者一台模拟车上操作来评价车辆的操 纵稳定性。测试可能会划分为稳态测试和瞬态测试，这 取决于是否需要对车辆的稳态和瞬态响应 特性都要作出评价。由于客观性和可重复性 是非常重要的考虑方面，而主观评价在操作 选择和评估方面都是取决于驾驶员的，所以 在本文中不予考虑。从这样的观点出发，闭 环任务性能测试在某种程度上也有缺点，因 为他依靠驾驶员，并且由于驾驶员会根据车 辆的响应来调整输入，这会导致这个测试会 有掩盖车辆特性影响的趋势。然而，如果任 务性能测试的措施和驾驶员努力驾驶的措 施结合在一起，在这些测试中，很有可能可 以定义一个合理的并且客观的性能指标。下面，首先回顾的是最普遍采用的操纵 稳定性测试类型。他们中的大多数或者是由 SAE或ISO通过的标准测试，或者是由这些 组织建议的标准测试。缓慢加速转向测试（防滑测试）这个测试评估的是稳态下车俩个操纵 稳定性的特性，线性范围内和非线性范围内 操作都可以。这个测试有三种形式：常速， 常转角和常半径。SAE标准J266【5】中描 述的缓慢加速转向操作中，转角是以常速缓 慢增加的。在另一个类型的测试中，保持不 变的是常转角，但车辆的速度是缓慢增加的。 在稳态圆周操作中，保持不变的是转弯半径， 而转角和车速都是缓慢增加的【6】。阶跃转向测试为了产生一个具体的侧向加速度，以阶 跃函数形式存在的转向输入施加到一个具体的车速上。ISO标准【7】就是一个例子。 这个测试表征了车辆的瞬态响应，但是也包 含了一部分稳态响应。因此，在横摆速度和 侧向加速度方面车辆对转向输入的响应速 度可以被量化。同样的，与车辆问稳态响应 相联系的变量，例如横摆超调量和横摆传递 函数也可以确定。转弯制动试验在这个测试中，以具体的侧向加速度稳 态转弯行驶的车辆被突然施加一个制动，正 如ISO/DIS7975标准【8】中描述的例子一 样。这个测试主要评价的是车辆的稳定性和 可预测性，特殊的也评价了车辆横摆响应对 于干扰的敏感程度，干扰是以制动的形式或 与之相应的载荷转换形式施加的。转弯中踩下加速踏板在这个测试中，车辆以预先确定好的侧 向加速度稳态转弯，例如最大侧向加速度的 90%，这个测试在干燥的路面上可以进行。 驾驶员最初才节气门踏板是为了保持车速。 之后突然松开节气门踏板。与转弯制动测试 相似，这个测试评估了车辆对于变化的纵向 轮胎力响应的稳定性和可预测性。ISO9816 中有这个测试操作执行的细节。开环转向反转测试在这个测试中，采用的转向输入类型与 单车道变道或者双车道变道测试的相似。这 个测试展示了操作中包含转向反转的车辆 的响应。因为一些车辆在阶跃转向测试中可 能是稳态的，但是在转向操作中包含了转向 反转后，车辆可能是难于控制的，特别是在 极限情况下进行转向反转操作。这种类型测 试的一个例子就是车辆转角以正弦波变化 （虚拟单车道变到测道）的车辆瞬态响应测 试，正如ISO/TR8725建议【9】中描述的那 样。另外的一个例子是NHTSA【2】中推荐的 虚拟双车道变道测试，在这个测试中，转向 类型是平的转向输入。在其他的一些测试中， 转向输入可以是直角的或者梯形的，由于转 向输入的突然变化测试可能会有更多的要 求。闭环转向反转测试在这个测试中，车辆行驶的路线是由一 些圆台体决定的。这个测试最常用的类型是: 单双车道变道测试和绕桩测试。在单车道变 道测试中，由圆台体决定的路线代表了快速 的单车道变道。测试更频繁采用的形式是车 辆以具体速度向着障碍物直线行驶（一排圆 台体），之后需要变道到另一边。而驾驶员 被尽可能晚的告知向左转还是向右转。在这 个测试中，主要的性能指标就是在不撞击障 碍物的情况下，驾驶员执行躲避障碍物操作 时，车辆到障碍物的时间或距离。这是一个 典型的任务-性能测试，所以结果由驾驶员- 车辆系统共同决定。在双车道变道测试中，车辆所行驶的路 线模拟了车辆快速变道（例如躲避障碍物）， 之后紧接着返回原来车道的操作。最广泛采 用的测试程序在ISO/DIS标准3888【10】中 定义了。在测试中，测试的过程是严格定义 的，驾驶员只有特别小的自由来选择路线。 每一个车道的宽度是车辆的功能宽度。这个 测试的主要结果是在不撞击圆锥体的情况 下，测试可以完成的车辆的最大可能速度。在绕桩测试中，车辆尽可能快的行驶在 一些列交替的圆台之间。这样会产生巨大的 侧向加速度。在一些范围内已经批评了这个 测试。因为车辆行驶的路线和转向类型不可 能出现在实际的驾驶中。而且，由于不同的 车辆有不同的横摆自然频率和行驶模式，而 车辆的相对排名还决定于障碍物的间距。最 后一个难题可以通过转弯的时间（空间）和 横摆自然频率间的关系来解决，如果存在的 话。（例如如果在测试车速下，横摆运动形 式不是过阻尼的）。频率扫描测试本测试主要是要量化车辆对一个相当 大频率范围内转向输入的操纵稳定性响应， 还有一个主要的目的是获得车辆的频率响 应特性。这样可以显示，例如，车辆横摆响 应的共振频率，在这个频率下的协和输入可 能会导致车辆的不稳定。车辆响应的快速程 度也可以在这个测试中测量。这个测试俩个 最广泛采用的例子是转向协和输入扫描测 试和ISO8726建议【11】中描述的伪随机测 试，在转向协和输入扫描测试中，转向输入 是一个协和函数，但是频率会缓慢增加。本 测试通常在车辆操纵稳定性的线性或者接 近线性范围内。脉冲转向测试在这个测试中，车辆以具体的速度直线 行驶，突然对车辆施加一个转向输入，之后 车辆迅速恢复到直线行驶。这个测试得到了 车辆对于突然干扰的瞬态响应。也可以通过 傅里叶变换理论形成车辆的频域响应特性。选择标准在上面描述的测试中，有一些不能描绘 极限情况下的操纵稳定性，因此对于我们的 目的来说这些测试是不合适的。还有一些其 他的测试，测试结果显示的是一些相似的车 辆操纵稳定性方面，或者甚至是具有相同的 转向类型。为了减少测试的数量，指定一个 选择标准是很必要的。下面列出了这里采用 的选择标准。许多和NHTSA在选择动态侧翻 测试的标准是相似的。客观性和可重复性。只要测试的程序被 执行，测试结果应该是独立于个人的操 作。对于相同的车辆测试结果应该是可 以重现的，以便于可以重复做这个测试。. 可行性（执行能力）。这个内容描述的 是做这个测试的难易程度。例如：测试 是消耗时间的，是否需要昂贵的仪器， 特殊的测试跑道设施，许多其他方面的 努力等。 完整性。这个内容说的是在一个测试中 能够评估车辆操纵稳定性的多少个方 面，和从测试数据中能确定多少个可以 量化车辆操纵稳定性的度量标准。操纵 稳定性最重要的方面就是其影响安全 性的方面，正如先前部分列表中的一样。测试的实际特性.这是对测试是否有领域相关性的评估。也检查了测试是否和监视员的实际操作相似。由SAE, ISO或者是汽车制造 商经常采用的类似的标准测试也要考 虑进来。差别显示的能力。这个说明的是测试 在获得车辆操纵稳定性特性有效差异 的能力。对不同的车辆进行的测试，如 果结果聚集在一个狭小的数值范围内， 这样的测试是哦不适宜做度量标准的， 特别是在结果差异和度量误差接近的 范围内。应该注意的是上面的标准有一些矛盾之处。 例如，客观性和可重复性的要求，暗含着当 车辆，底盘或者轮胎方面的参数有微小的变 化，测试结果因该是稳健的。在某种程度上， 与差别显示的能力相矛盾了。采用上面的选择标准之后，所有类型的 测试都进行了排名，得分最高的三个三个测 试被选择进一步研究。如下所示：-缓慢加速转弯测试-阶跃转向测试-开环转向反转测试 被选择的所有测试都是开环的，在这些测试 中，转向输入可以通过机械装置来施加。与 闭环测试相比，这样做不但在客观性和可重 复性方面有相当大的优点，而且在差别显示 方面也会有很大的优点，这是由于人类驾驶 员操作会补偿一部分操纵稳定性的差异。缓 慢加速转向测试显示的是车辆操纵稳定性 的稳态特性并且对其他测试提供了参考点， 正如一会将要讨论的一样。阶跃转向测试提 供了车辆的瞬态和稳态特性。在开环转向反 转测试中，由于车辆更容易变得不稳定和回 转，所以与阶跃转向测试相比，这个测试通 常会有更多的要求。其转向类型与紧急情况 下的单双车道变道相似。对于采用的操纵稳定性测试的描述通过一个经过验证的车辆模型来测试和 模拟，对被选择的测试进行进一步的研究。 目的就是为了确定精确的转向类型，包括转向速率和幅度，还有进入转向的速度。缓慢加速转向测试这个测试被很好的说明并且目前是由 NHTSA作为动力学侧翻测试步骤【2】来执行 的。这个测试是车速以50英里每小时，车 辆转角上升以15度每秒或者更小（NHTSA 采用13.5度每秒）。因为我们这个测试的目 的是车辆在一段时间内达到摩擦力的极限 值，所以车辆转角一直增加到360或者车轮 抱死位置所对应的转角，哪个小转角就取哪 个值。车辆转向类型如图4所示。图4.缓慢加速测试的转向类型除了描述了车辆的稳态响应特性外，这个测 试还为其他测试提供了特征值并且确定了 瞬态测试的性能目标。例如，瞬态测试中的 转角幅值是这个测试中对应于0.3g侧向加 速度的倍数。阶跃转向测试在这个测试中，普通的转向类型被很好 的说明了。为了确定车辆的进入速度，转角 幅值和变化率，会做一系列的模拟和车辆测 试。在模拟中，车辆速度变化从35英里每 小时到90英里每小时，转角幅值从30度到 360度，转向速率从500度每秒到2000度每 秒。这样做的目的就是确定一个值，这个值 可以使测试足够严格，这样就可以显示出车 辆在紧急情况下潜在的缺陷了。我们发现随 着车速的增加车辆的响应会恶化，首要的是 响应变的更震荡了，但是我们发现这个测试的安全车速大约是60英里每小时。随着车 辆转角的增加，车辆的响应也会恶化，但是 仅仅是对特定的车辆转角（依靠于车速）。 当车辆的转向速率从1000度每秒增加到 2000度每秒时，车辆的响应不会有大的变化。 因此，下面的参数是节约测试所选择的参数。- 进入车速55英里每小时- 转角幅值五倍于缓慢加速测试 中0.3g侧向加速度对应的转角- 转向速率1000度每秒图5中所示的转向类型。驾驶员在测试过程 中没有踩节气门踏板。00-511522 &34Tm |B图5.阶跃转向测试的转向类型转向反转测试在这个转向反转测试中，考虑的操作是 开环单车道变道测试和开环双车道变道测 试。在极限情况下做这些测试是非常有挑战 性的，特别是当转角反转很快的时候。当前 轮转角突然反转的时候，前轮侧偏角反转， 因此前轮的侧偏力也会反转，然而由于后轴 侧偏力的滞后，仍然会维持第一个转向的方 向。这样车辆在一段时间内，会受到一对相 反的侧向力，这会使车辆产生巨大的偏航运 动，最后导致车辆产生一个快速的自旋运动。 这通常会使车辆的偏航率和侧偏角过大的 超越正常值。在这个测试中，转向反转的时 间和转角变化的速率会对车辆的性能有很 大的影响。在进一步研究这个测试的转向类型的时 候，我们会根据对测试车辆的有效的模拟模 型来做出一些选择。首先，选择了一个有利 于车辆回转的梯形转向。当车辆回转的时候， 谐波类型更类似于紧急情况下的实际转向， 然而它要在合适的时间转向反转很困难，并 且与相同幅度的梯形转向相比，对车辆的偏 航运动会产生较少的激励。其次，我们选择 的是俩个反转的转向类型，而不是一个反转， 是因为它包含了后者并且可以为回转运动 提供更多的激励，而且更类似于紧急情况下 变道的转向类型。第三，转向反转的时间要 与车辆偏航速率的峰值一致。就稳定性而言， 这样的选择会提供了最不好的或者接近最 不好的车辆响应。时间选择要与车辆的自然 偏航频率相匹配，不像转向输入固定不动的 转向类型，在一些场合这样的转向类型被批 评了，因为它对一些车辆偏航运动的激励要 比另一些车辆多。转向幅值和速率的选择是 根据相同车速下，与紧急情况下由驾驶员执 行的车道变道测试中观测到的数值相一致。 我们选择的转向类型如图6所示。30011111s'1D D3 115 Z 2S 3 J44 5Timn Ji图6.转向反转测试的转向类型这个测试的进入速度是55英里每小时，转 角幅值五倍于缓慢加速测试中0.3g侧向加 度对应的转角，并且所有的转向速率是1000 度每秒。我们注意到在测试的最后阶段，转 角增加的迟滞是相当大的，这是由车辆对转 角增加的偏航响应的滞后产生的。在这个测 试中不踩节气门。操纵稳定性度量标准与理想的车辆操纵稳定性相比，车辆设 计会有很多折中。主要权衡的是车辆对于转 向输入的响应和稳定性，或者可预测性。另 外，稳态下巨大的稳定性储备，是通过不足 转向梯度表达的，可能会对转向能力有一定 的折中（因为前轮会比后轮先达到侧偏力的 极限值）并且可能会导致车辆响应在高速下 响应的震动，随着车速的增加，阻尼比会以 一定的比例减小。在这部分中，我们讨论的 是一个综合的度量标准。他会平衡操纵稳定 性影响安全性方面的若干个指标，正如先前 讨论的一样，并且可能会包含一些难于达成 一致的方面。车辆的操纵稳定性通常是用车辆在偏航 平面内的响应来评估的，通过侧向加速度， 偏航率和侧偏角来描绘它的特性。正如我们 所知的【13】，然而，在闭环任务性能测试 中车辆的横摆运动，包括横摆角和横摆率， 会对车辆的主观排名有相当大的影响。主要 的原因是驾驶员控制转向输入，并且要执行 困难的操纵稳定性任务（例如，一个快速的 变道测试来模拟躲避障碍物的操作），如果 车辆对快速转向输入显示了大量的不好的 阻尼响应，这个任务就会折中了。第二个原 因是对于一个给定的任务，驾驶员一直都是 用提前看到的行驶的道路信息来确定转向 输入。在车辆姿态方面的改变，例如过多的 横摆运动，会使这个任务更复杂。因此，在 操纵稳定性的度量标准中，对快速转向输入 的过度和欠阻尼响应在操纵稳定性度量标 准中都是不好的。我们应该注意到一些本质上完全相同的 性能指标可以用来描述不同的影响安全的 操纵稳定性的特性。这是因为在定义操纵稳 定性内容方面有一些重叠（例如，对于可预 测性来说稳定性就是必须的），而且在这些 度量标准中也存在一些相关性。（例如，由 于轮胎侧偏角的增加，相应的时间延迟也会 趋向于增加）。下面的性能指标是建议的用 来量化操纵稳定性的不同方面的指标。1. 最大的侧向加速度和达到它的迅速程度2. 瞬态测试中偏航响应的震动（转向反转 测试中，偏航响应的幅值比超过了阶跃 响应）。3. 车辆侧向响应的时间延迟（车辆转角与 偏航速率间的延迟，瞬态测试中偏航速 率和侧向加速度的延迟）。4. 由后轴侧偏角表示的侧向加速度（最大 的侧偏角或者侧偏速率）。5. 横摆角响应（阶跃测试和转向反转测试 的横摆角峰值，峰值横摆速率，横摆增 益，和阶跃测试中横摆角的超调量）。后轴侧滑角被选择作为车辆稳定性的一个 指标，而不是车辆的侧滑角。是因为在所有 速度的情况下，他是轮胎侧偏角的一个更直 接的指标并且更少的取决于车辆的尺寸。上 面的每一个性能指标都可以被量化，并且可 以建立一个综合的性能指标，它是上面所有 内容的加权和。测试结果在这部分中，呈现的是被选择的车辆测 试结果，这些结果是由俩个瞬态测试所得到 的：阶跃转向测试和开环双车道变道测试。阶跃转向测试阶跃转向测试要执行多次对于四个不同 配置的车辆:被动车辆，ESC系统起作用的车 辆，ARS系统起作用的车辆和者二者都会起 作用。在这个测试中，ESC系统没有主动起 作用，首先是因为被动车辆是稳态的并且在 测试中是被很好的控制的。因此，ESC系统 起作用的结果与ESC系统不起作用的结果是 相同的，ESC不起作用的结果在这里没有展 示出。图7中显示的是被动车辆（测试09）和 ARS起作用的车辆（测试19）的右转测试结 果。在这俩个测试中，初始车速基本完全相 同。然而，ARS起作用的车辆以较高的车速 完成了这个测试，因为减少了轮胎侧偏损失 的能量。后轮转角取决于转向盘转角和车辆 速度并且转角初始方向与前轮转角相同，紧 接着相反，这个方向改变大约发生在车速40英里每小时。（65千米每小时）。在这个测试 中有记录的部分，后轮转角没有超过3度， 然而这个影响还是相当明显的。特别的，偏 航速率和后轮侧偏角的超调量都基本完全 消除了。024§ aTimn (e|TinfrsTfme024£T mciE图7.被动车辆和ARS系统起作用的主动车 辆的开环阶跃转向测试的响应比较。后轮侧偏角的峰值从8.9度减小到5.2度 （减小超过了百分之四十）并且偏航率的第 一峰值从28.8度每秒减小到22.5度每秒。 在这个测试的第一个俩秒中，与被动车辆相 比，侧向加速度响应减小了大约0.5米每二 次方秒。在俩个测试中峰值横摆角大约相同， 但是ARS系统起作用的车辆，峰值横摆率有 轻微的提高。这最有可能是由于其侧向加速 度的初始响应稍快。然而，当ARS系统起作 用时，横摆响应会有好的阻尼特性，主要是 由于极限情况下其具有稍小的侧向加速度。 总之，有ARS系统带来的横摆响应是非常小 的。这个例子的测试结果凸显了拥有一个 操纵稳定性综合指标的重要性，这个指标可 以平衡所有重要的但是经常有冲突的更方 面的性能。ARS系统很大程度的提高了横摆 响应的速度和稳定性，但是它稍微减小了最 大的侧向加速度。开环双车道变道测试开环双车道变道测试是在被动车辆和 ESC系统起作用的车辆上执行的。在图8中， 展示了测试中合适的转向反转时间的重要 性。这里展示的是对被动车辆的俩个开环双 车道变道测试获得的结果。俩个测试以相同 的进入速度进行，唯一不同的就是第一个转 向输入的停留时间，分别是0.3秒和0.4秒。 在前一个测试中，最后的转角反转发生在横 摆率达到最大值之前；然而在后一个测试中， 转角反转是与横摆率的峰值相一致的。在第 二个测试中，大约5.5秒之后驾驶员会对转 向输入进行大的修正，所以在这个时间范围 外的痕迹就可以忽略了。随着车辆的后轴侧 滑角，侧向加速度，横摆角达到比较高的值 和横摆速率达到比较高的值，车辆响应的差 异是相当明显的，测试中最后的转向反转与 横摆率的峰值相一致（虚线）。在图9中，比较的是开环双车道变道测 试ESC系统起作用（测试22）或不起作用（测 试19）的车辆响应。在第一个转向反转之后， ESC系统很快就起作用，正如左上图框的红 线表示的那样。在横摆率，侧向加速度和后 轴侧滑角的第二个峰值上，系统只有很小的 影响。在测试的最后阶段，然而，所有三个 变量的峰值都减小了。最明显的结果就是后 轴侧滑角响应的影响。例如，被动车辆与ESC 系统起作用的车辆相比，峰值从19.1度减 小到3.8度。在测试的最后阶段，车辆侧向 加速度和横摆率响应的延迟都有很大的减 小，这样是车辆的响应更可预测了。我们也 应该注意到这里采用的ESC系统工作在一个 对车辆施加干涉较小的模式，转换到非线性 模式适用于第二部分的配置1。在测试完成 的时候，这俩个测试的车度差异仅仅是4千米每小时，意味着是相对温和的制动干预。 注意到ESC系统工作在这种模式下提高了车 辆操纵稳定性性能的一些方面而不用牺牲 掉车辆其他方面的性能。图8俩个开环双车道变道测试，当转向反转 时间不同时的车辆响应。2）对于一些车辆，这里采用的阶跃转向测 试可能不能使ESC系统起作用。如果展示 ESC系统的影响是一个测试目标的话，可以 考虑另外的一个测试；3）在阶跃转向测试 中，ARS系统能对车辆大部分的操纵稳定性 性能有很大的提高；4）在相同的速度和转 角情况下，开环双车道变道测试比阶跃测试 和开环单车道变道测试有更多的要求；5） 在开环双车道变道测试中，转向反转的时间 是非常重要的；对于测试的一些车辆，转向 反转的时刻与横摆率的峰值时刻相一致，这 回使车辆产生最不稳定的横摆响应；6）在 开环转向反转的第二个阶段，ESC系统能够 很大的提高车辆的横摆稳定性和响应能力， 而不用牺牲车辆操纵稳定性其他方面的性图9.俩个开环双车道变道测试，执行在ESC 系统起作用和ESC系统不起作用时车辆的 响应。结论在这篇文章中，描述的是为了评估车辆 操纵稳定性而研究的客观的，可重复的测试 程序的步骤。建议的是三个开环操纵稳定性 测试，这些测试可以用于评估影响安全方面 的车辆操纵稳定性性能。这些测试与由 NHTSA建议的动力学侧翻测试一起，用来评 估俩个主动底盘系统对车辆操纵稳定性和 侧翻稳定性的影响。测试采用的主动底盘系 统是ESC和ARS系统从这个研究中可以得到 下面的结论：1）在动力学侧翻测试中，ESC 系统会对车辆的横摆响应有相当大的影响；参考文献1. NHTSA DOT HS DOT HS 809 775, 2005. “Traffic Safety Facts 2003 FARS/GES Annual Report (Final Eihi ionT. Nmional 13 ighway Traffic Safety Administraiion, Washington. D,C.2. NHTSA DOT 海 51% 2002, "AComprehensive Experimental Evaluaticin of Test maneuversThat May Induce On-RoaiLUntripped, Liht Vehicle Rollover. Phase IV of NHTSA飞 Light Vehicle Rollover Research Program,'4 Nafional Highway Traffic Safety Adniinistration, Washhigton, D.C.3. NHTSA Re port. 2004. 1L Advanced Occupant Protection Technology in Passenger Vehicles.Influence of Active Chassis Systems on Vehicle Dyntimic Stability and Hundlin 昏”NmiunaL Highway Traffic Safety Administration, Washington, D,C.4
