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汽车转向性能虚拟主观评价方法研究

田磊  
【摘要】:汽车运动动力学特性包括稳态性能和瞬态品质,瞬态品质决定了产品能否具有足够的市场竞争力,它一般是指汽车为了提高性能或者增加功能所带来的不期望的现象,例如汽车稳定性差、跑偏、路感差、回正性差、可预见性差、不同工况间的一致性差。随着车型级别的提高,汽车应具有更高的设计车速和更优秀的瞬态品质,这是高级车型与一般车型的关键区别,也是我国自主品牌相较于国外知名品牌的主要短板。目前,提升汽车的瞬态品质只能依靠实车主观评价和调教,缺乏理论依据作为指导,利用主观评车师在长期开发过程中积累的经验,经过数十年的几代产品升级才能形成优秀的底盘平台,不利于企业提高开发效率,尤其是对于国内厂商,由于缺乏相关经验积累和技术储备,如果依然沿用传统方式形成底盘开发能力,将阻碍自主品牌的快速发展。实车主观评价只能应用于汽车的后期调教阶段,当样车被制造出来后,悬架硬点等基本结构参数和总布置参数都已经确定,留给设计人员继续改进的空间有限,一旦产品出现重大问题,将会导致无法调教或者调教结果不具有足够的市场竞争力,加大了开发风险。综上所述,实现计算机仿真环境下的主观评价,在汽车开发的整个过程中都对主观评价结果进行控制,是底盘设计工作面临的迫切需求,也是长期以来国际研究的热点和难点问题。针对上述需求,以往国内外学者多是进行主客观评价一致性研究,其研究思路是分别按照主观评价和客观评价标准进行试验,获取主观评价结果和客观评价指标量,之后基于统计学原理在二者之间建立相关性,试图用相关程度较高的客观评价指标量表征主观评价结果,并以此作为汽车开发过程中的设计对象。本文针对汽车转向性能,试图建立一套能够将转向性能主观评价提前至汽车预开发阶段,并对主观评价结果进行控制的方法体系,采用的研究思路为:系统分析转向性能主观评价的内在机理,建立能够表征各种评价现象大小的特征指标体系;深入研究汽车品质运动动力学模型的建模方法,实现在仿真环境下激发各种典型主观评价现象;建立主观评分与特征指标间的相关模型,实现在样车试制前就对转向性能主观评分进行预测,并对多个不同的特征指标进行综合权衡和改进。具体研究内容包括以下几个方面:首先,转向性能主观评价机理研究。目前公开发表的文献中,很少对主观评价的内在机理进行系统分析,而且在探寻主观评价对应的指标量时,多是严格按照客观评价标准进行试验并提取相应指标。通过与评车师的交流,本文发现主观评价的关注对象包括两方面内容,一方面是汽车的不良运动过程响应,另一方面是性能指标与预先设定曲线的偏差。与以往的研究思路不同,本文首先对不同评价体系所重点关注的典型评价现象、激发这些现象所采用的试验方案以及产生各种现象的动力学原理进行研究,之后基于主观评价试验采集到的物理信号的时间历程,利用统计学中的变异系数和相关分析方法,确定能够表征各种评价现象大小的特征指标,并通过计算不同指标的相关程度的方法,对指标体系进行了精简。第二,汽车品质运动动力学模型研究。现有汽车动力学模型和仿真软件多采用稳态建模思想,例如转向系统模型采用正向运动学和逆向静力学方法计算转向角和力传递关系,轮胎模型采用松弛方法近似表达胎体弹性,这些模型能够对汽车在稳态工况邻域内的线性化特征进行趋势性预测,但无法准确仿真汽车的中心区瞬态过程、抵抗微小干扰的稳定性等,因此不能应用于直线行驶操控感觉等主观评价项目的研究。本文建立考虑阿克曼机构的转向动力学模型、考虑胎体弹性的动态车轮模型以及动态计算侧倾中心位置和精确解算轮轴位形的悬架模型,对转向干摩擦、胎体弹性等精细环节进行建模。与实车试验数据和现有仿真软件的对比结果表明,本文建立的模型不仅能够对场地试验进行准确仿真,还能够模拟汽车的线路保持性、汽车抵抗微小干扰的稳定性。第三,转向性能主观评分与特征指标的相关模型研究。在样车试制前,为了实现基于特征指标对转向性能主观评分进行预测,并且以提升主观评分为设计目标对多个不同的指标进行综合权衡和改进,需要在二者之间建立数学模型。传统的线性回归分析无法充分表达主观评分与指标量间的非线性关系,而一些学者虽然采用非线性函数获得了较好的计算结果,但多数研究只针对单个评价现象或评价项目进行分析,没有形成对主观评价总体得分的有效估计,本文将神经网路方法和模糊层次分析法相结合,建立了各评价现象得分与特征指标间的相关模型,并且确定了主观评价体系各层次间的相对权重,实现了基于特征指标预测转向性能主观评价总体得分的目标,与试验数据的对比结果表明,转向性能主观评分的预测值与评车师给出的实际打分值具有较好的一致性。第四,驾驶模拟器运动体感逼真度的改进方法研究。为了不影响汽车的固有特性,实车主观评价试验不允许加装数据测量和采集系统,故难以获得本文需要的物理响应信号,而且实车试验的成本高、周期长,实施起来比较困难。综合考虑后,本文决定利用汽车驾驶模拟器完成相关试验工作。为了保证试验结果的准确性和可信性,需要提高模拟器的逼真度,本文着重研究了运动体感逼真度的改进方法,通过调研发现,以往研究中缺乏对运动系统延迟问题的有效解决,所以本文提出了基于状态空间预测模型的运动系统延迟补偿方法,结合对运动控制算法各组成模块的深入研究,解决了模拟器无法准确、快速实现车辆动力学模型计算的加速度体感的问题。本文将汽车品质运动动力学模型、特征指标的提取算法以及主观评分与特征指标间的相关模型集成在一起,实现了计算机仿真环境下的转向性能主观评价,并对该套方法的有效性进行了验证。


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