汽車駕駛性能客觀表征與仿真分析

劉普輝,李義順

(浙江吉利汽車研究院有限公司,浙江 寧波 315336)

劉普輝(1983—),男,博士.E-mail:liupuhui@163.com

汽車駕駛性能客觀表征與仿真分析

劉普輝,李義順

(浙江吉利汽車研究院有限公司,浙江 寧波 315336)

構(gòu)建合理有效的客觀表征指標體系是實現(xiàn)駕駛性能從主觀評價到客觀量化分析的關(guān)鍵.在探索人車交互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上,將汽車駕駛性能評價劃分為5個方面:全負荷響應(yīng)、部分負荷響應(yīng)、加速踏板感覺、換擋平順性與急踩/松加速踏板瞬態(tài)響應(yīng).在詳細分析各客觀表征指標的基礎(chǔ)上,基于層次分析結(jié)構(gòu)建立駕駛性能綜合評價指標體系.以某自動擋乘用車型為例,借助Simulink和AVL Cruise/GSP工具構(gòu)建整車縱向動力學仿真模型,對比分析最佳燃油經(jīng)濟性和綜合性換擋策略下的部分表征指標,為實現(xiàn)駕駛性能客觀量化分析提供了參考.

駕駛性能; 客觀表征; 仿真分析

駕駛性能反映了駕駛員在汽車縱向行駛過程中人車交互作用下的主觀綜合感覺,體現(xiàn)了汽車產(chǎn)品市場定位與品牌基因,影響著消費者購買意愿,是提升產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵[1].主觀評價作為傳統(tǒng)駕駛性能開發(fā)方式，存在著費時費力、重復(fù)性低、對試驗環(huán)境要求高、對測試駕駛員個體依賴性強等不足[2].近年來,隨著測試與仿真技術(shù)的進步,駕駛性能客觀量化分析逐漸成為主觀評價的重要補充.

本文在國內(nèi)外實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,從分析駕駛員與汽車交互作用關(guān)系入手,將駕駛性能劃分為5個主要方面,細化了客觀表征指標,構(gòu)建了綜合評價指標體系,進而建立仿真模型實現(xiàn)駕駛性能的客觀量化分析.

1 駕駛行為分析

1.1駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)

駕駛性能隸屬于汽車縱向動力學性能的范疇.如圖1所示[3],在駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)中,駕駛員同時承擔著操縱車輛以及根據(jù)車輛動態(tài)響應(yīng)來控制車輛的任務(wù).駕駛性能描述了在整個汽車縱向行駛閉環(huán)控制系統(tǒng)中駕駛員動態(tài)感覺、決策行為、操作行為、車輛動態(tài)響應(yīng)過程之間的交互關(guān)系,并以駕駛員的期望滿意度為最終評價依據(jù).

圖1 駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.1 Driver-vehicle-environment closed-loop system

1.2駕駛員與汽車交互作用關(guān)系

駕駛員對車輛的操作輸入包括加速/離合/制動踏板操作、擋位選擇操作(駕駛員動作行為);在駕駛員輸入、道路、環(huán)境等因素的綜合作用下,動力由發(fā)動機經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞給輪胎以克服行駛阻力使車輛前進,輸出速度與加速度,同時振動沖擊、俯仰角速度、延遲等車輛響應(yīng)由懸置、車身、踏板、方向盤、座椅等路徑傳遞給駕駛員(車輛動態(tài)響應(yīng));駕駛員實時感知汽車動態(tài)響應(yīng),并與期望模式進行比較判斷,并據(jù)此做出相應(yīng)的反饋操作(駕駛員感知與決策).這種駕駛員動作行為、車輛動態(tài)響應(yīng)、駕駛員動態(tài)感知與決策行為及之間的交互關(guān)系如圖2所示.

圖2 駕駛員與汽車響應(yīng)交互作用關(guān)系Fig.2Interaction relationship betweendriver and vehicle response

1.3駕駛員感知、決策與動作行為及主客觀描述

感知行為是指駕駛員通過觸覺、視覺、聽覺等對車輛實時響應(yīng)及道路環(huán)境等信息的獲取過程.駕駛員決策行為是以“車輛響應(yīng)、駕駛員感覺、駕駛員期望、環(huán)境信息”為輸入,以“駕駛員動作行為”為輸出的一種映射關(guān)系,同時,受到駕駛員個性特征及駕駛習慣的影響.駕駛員決策行為的表征指標體現(xiàn)為針對特定情景的“決策規(guī)則”和“決策反應(yīng)時間”兩個方面.決策規(guī)則能夠?qū)︸{駛員的動作行為特征進行描述,如加速、減速、維持、換擋等情形,而決策時間可以對決策反應(yīng)的及時性和有效性進行評估[4].駕駛員動作行為是對駕駛員決策指令的動作實現(xiàn),源于駕駛員對車輛響應(yīng)的動態(tài)感知及其與駕駛員期望的差值.這些期望差值累計到一定程度會引起駕駛員抱怨,如表1所示,工程師所做的是力圖將這些主觀描述性語言轉(zhuǎn)化為工程開發(fā)相對應(yīng)的客觀表征指標,從而建立起主觀評價到客觀量化分析的橋梁,通過定量分析優(yōu)化客觀指標以提高駕駛性能主觀評分.

表1 駕駛性能主觀描述與客觀表征Tab.1Subjective descriptions and objectivecharacteristics for drivability evaluation

1.4駕駛性能關(guān)鍵特征識別

基于駕駛員動作行為、車輛動態(tài)響應(yīng)、駕駛員感知與決策行為及之間的交互關(guān)系,同時借鑒國內(nèi)外駕駛性能主觀評價開發(fā)經(jīng)驗,識別駕駛性能關(guān)鍵特征,將駕駛性能評價劃分為5個主要方面:全負荷響應(yīng)、部分負荷響應(yīng)、加速踏板感覺、換擋平順性和瞬態(tài)工況響應(yīng),如圖3所示.在此基礎(chǔ)之上,下文將對各方面客觀表征指標展開研究.

2 客觀表征指標

2.1全負荷響應(yīng)

全負荷特性是指汽車在發(fā)動機節(jié)氣門全開(Wide Open Throttle,WOT)即加速踏板100%開度下的縱向極限行駛能力.從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點出發(fā),汽車動力性常采用最高車速、加速時間、最大爬坡度3個客觀指標來評價.動力性影響著汽車的平均行駛效率和行駛安全,是汽車各種性能中最基本、最重要的性能之一.

圖3 駕駛性能評價的5個主要方面Fig.3 5 main aspects of drivability assessment

(1)

(2)

(3)

式中:vmax為最高車速(km/h);Ft為最大牽引力(N);m為車輛質(zhì)量(kg);f為輪胎滾動阻力系數(shù);α為道路坡度(%);ρair為空氣密度(kg/m2);Cd為空氣阻力系數(shù);Af為迎風面積(m2);t為加速時間(s);v1,v2分別為初始與終止車速(km/h);δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);αmax為最大爬坡度(%);Dmax為最大動力因素.

2.2部分負荷與加速度響應(yīng)曲面

部分負荷(Part Open Throttle,POT)加速度響應(yīng)是考核駕駛性能的重要方面.作者選取了近20輛不同級別的汽車樣本,統(tǒng)計分析了包含中國NEDC、日本1015和美國FTP 3種不同循環(huán)工況下的車輛加速踏板開度和縱向加速度數(shù)據(jù).如圖4和圖5所示,在典型的車輛道路循環(huán)過程中,加速踏板開度<20%的低負荷運行接近60%;加速踏板開度>80%的高負荷運行不足2%;近99%的運行情況下縱向加速度都低于0.15g.這充分說明部分負荷特性對于研究駕駛行為特性的重要性和必要性.

加速度響應(yīng)曲面以縱向直線行駛車速和加速踏板開度為影響因子,考慮不同車速和負荷下的車輛穩(wěn)態(tài)縱向加速度響應(yīng).加速度響應(yīng)曲面重點考慮了低負荷區(qū)域(通常取加速踏板開度<30%)的加速度響應(yīng)、車速和踏板開度三者之間的關(guān)系.加速度響應(yīng)曲面從整車層面很好地描述了汽車在不同負荷與車速下的車輛響應(yīng)特性.加速踏板開度輸入與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出之間的非線性關(guān)系,以及換擋時機的選擇是加速度響應(yīng)曲面的關(guān)鍵影響因素.

圖4 加速踏板開度統(tǒng)計分析Fig.4 Statics analysis of accelerator pedal position

圖5 縱向加速度統(tǒng)計分析Fig.5 Statics analysis of longitudinal acceleration

2.3加速踏板感覺

加速踏板是駕駛員與車輛之間交互最多、最重要的功能模塊之一.駕駛員根據(jù)車輛實際動態(tài)響應(yīng)與期望的反饋做出比較、判斷與決策,進而通過調(diào)整加速踏板力與行程來控制動力輸出大小.

2.3.1加速踏板力與位移關(guān)系曲線

加速踏板設(shè)計需要考慮人機工程學,同時以操作輕便度、舒適度以及駕駛性能為設(shè)計目標.力與位移關(guān)系特性曲線是加速踏板設(shè)計的基礎(chǔ)指標.如圖6所示,通過對踏板初始力、光滑度、95%開度力與位移、止動點力、止動位移、回程力、滯后力區(qū)間等技術(shù)指標的合理設(shè)計與量化分析,以達到加速踏板感覺性能的設(shè)計要求[5].

圖6 加速踏板力與位移關(guān)系特性曲線Fig.6 Accelerator pedal force-travel curve

2.3.2加速度線性度

在車輛穩(wěn)態(tài)加速過程中,按一定速率緩慢增大加速踏板開度,要求加速度保持在一定范圍內(nèi)而不出現(xiàn)較大的波動,具體體現(xiàn)在加速度標準方差控制在一定的范圍內(nèi),且縱向加速度與加速踏板開度保持一定的線性相關(guān)性(即加速度線性度).通過回歸分析得到相關(guān)系數(shù),來衡量縱向加速度線性度,相關(guān)系數(shù)越大越好.加速度線性度體現(xiàn)了一定速度范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)加速過程中,加速踏板開度與縱向加速度響應(yīng)之間的跟隨關(guān)系,是加速踏板感覺的重要評價特征之一.

2.3.3加速度增益

良好的加速踏板-縱向加速度感覺,除了受加速度線性度的影響,還與單位加速踏板開度下的縱向加速度響應(yīng)特性關(guān)系密切.加速踏板力輸入-加速踏板位移-節(jié)氣門開度-發(fā)動機負荷-縱向加速度響應(yīng)輸出之間體現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系,該關(guān)系影響著駕駛員的主觀感覺,是車輛品牌基因的重要特征之一.加速度增益表征了單位踏板位移下的車輛縱向加速度,在一定程度上反映加速踏板位移輸入與縱向加速度響應(yīng)輸出之間的非線性關(guān)系,計算公式如下:

(4)

式中:again為加速度增益(m·s-2·mm-1);DPel為加速踏板位移(mm).

單位踏板位移輸入下,加速度增益值越大則車輛縱向加速度響應(yīng)值越大,車輛運動感越強.通過設(shè)定合理的加速度增益目標區(qū)間以達成加速踏板位移與加速度期望輸出關(guān)系,從而實現(xiàn)特定產(chǎn)品的品牌特征.

2.4換擋平順性

換擋平順性是駕駛性能的重要組成部分.縱向加速度與沖擊度是車輛在行駛方向上的變量,與人體的主觀感覺密切相關(guān),對換擋舒適性影響較大.尤其是沖擊度表征了車輛動力傳遞過程的平順性,其峰值直接反映了人體主觀感覺上瞬態(tài)的沖擊.加速度均方根值描述了縱向加速時間歷程中的平均加速度值,考察了加速度持續(xù)時間和變化快慢.振動劑量描述了加速度對駕乘人員的累積作用程度,其比加速度均方根值對峰值加速度更加敏感,能夠更好地估計偶爾遇到過大脈沖引起的高峰值振動,以反映動力傳遞過程中的瞬態(tài)沖擊與顛簸.相關(guān)指標的計算公式如下:

(5)

(6)

(7)

(8)

2.5急踩/松加速踏板瞬態(tài)響應(yīng)

急踩加速踏板(Tip in)和急松加速踏板(Tip out)瞬態(tài)響應(yīng)工況,可以根據(jù)加速度響應(yīng)曲線的形狀來評價駕駛性能.如圖7所示,某固定車速和擋位下急踩加速踏板瞬態(tài)響應(yīng)工況,通過縮短響應(yīng)延遲、減少加速度凹陷以及抑制加速度振蕩等方法,可以有效改善駕駛員主觀感覺,提升駕駛性能.

圖7 急踩加速踏板瞬態(tài)響應(yīng)Fig.7 Tip in transient response

除以上介紹的5個主要方面,發(fā)動機啟動與關(guān)閉響應(yīng)、怠速穩(wěn)定性、起步性能、車內(nèi)噪聲水平、PRND擋位模式切換特性等都會影響駕駛員的主觀感覺,是駕駛性能評價的重要方面,在此不再一一贅述.

3 綜合評價指標體系構(gòu)建

駕駛性能是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng),反映其水平、影響其變化的因素較多,需建立有效的綜合評價指標體系對其進行客觀準確完整的評價.結(jié)合上文研究內(nèi)容并借鑒國內(nèi)外主觀評價與客觀測試經(jīng)驗[6-7],同時，力求以指標可比、可測、定性與定量相結(jié)合為原則,基于層次分析結(jié)構(gòu)建立綜合評價指標體系,如表2所示.所構(gòu)建指標體系共分3層.

表2 駕駛性能客觀評價指標體系Tab.2 Objective index system for drivability evaluation

(1) 第1層表示待解決問題的目標,稱為目標層.對于汽車駕駛性能綜合評價問題而言,目標就是汽車駕駛性能綜合評價結(jié)果.

(2) 第2層表示為實現(xiàn)預(yù)定目標所涉及的中間環(huán)節(jié),稱為準則層.依據(jù)前文所構(gòu)建的汽車駕駛性能綜合評價指標體系,將駕駛性能評價劃分為全負荷響應(yīng)、部分負荷響應(yīng)、加速踏板感覺、換擋平順性和瞬態(tài)響應(yīng)5個方面作為綜合評價準則.

(3) 第3層表示針對每個駕駛性能準則層所建立的多項評價指標,稱為指標層.根據(jù)每項準則所考慮的側(cè)重點不同,選擇不同的評價指標集.

需要注意的是,駕駛性能5個方面既相互影響又統(tǒng)一于一個整體,與車輛動力傳動系統(tǒng)匹配、標定優(yōu)化、整車性能集成密切相關(guān),在車輛開發(fā)前期就需要通過市場、法規(guī)及競爭對手分析等,制定綜合的技術(shù)指標規(guī)范及目標值,并最終通過指標分解技術(shù)實現(xiàn)各方面指標參數(shù)的平衡與優(yōu)化.

4 仿真模型開發(fā)與參數(shù)分析

量化的指標體系是實現(xiàn)客觀測試和仿真分析的前提.為了進一步闡明客觀指標的應(yīng)用,本文以某自動擋乘用車型為例,仿真對比了兩種不同換擋策略對駕駛性能的影響.

4.1仿真模型建立

利用AVL Cruise工具建立車輛縱向動力學性能計算模型,借助AVL GSP工具快速生成滿足不同性能約束的換擋策略,通過對整車與系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、換擋策略優(yōu)化來實現(xiàn)多目標性能平衡,如圖8所示.

圖8 仿真分析流程Fig.8 Simulation analysis process

4.2GSP換擋策略生成與優(yōu)化

4.2.1靜態(tài)初始計算

首先確定4個基本因素:加速踏板開度、擋位、液力變矩器鎖止離合器狀態(tài)以及車速的取值范圍,通過矩陣計算得到輪邊功率Pwheel、縱向加速度Acc、燃油消耗FC、排放EM、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩TEng與轉(zhuǎn)速NEng等信息,這些變量均表現(xiàn)為4個基本因素的函數(shù)[8]:

Pwheel,Acc,FC,EM,etc.=f(i,PP,lu,v)

(9)

式中:i為變速器擋位;PP為加速踏板開度;lu為液力變矩器鎖止離合器狀態(tài);v為車速.

4.2.2最佳燃油經(jīng)濟性換擋策略

GSP優(yōu)化模塊可以通過下式進行燃油經(jīng)濟性和排放目標之間的平衡與優(yōu)化：

Optimum=(1-K)FC+KEM

(10)

式中:FC為燃油消耗指標;EM為排放指標;K為權(quán)重因子.當K=0時,只考慮燃油經(jīng)濟性約束,此時得到在不同踏板開度和車速下的油耗最低擋位選擇曲面,據(jù)此可以描繪出最佳燃油經(jīng)濟性換擋策略.

4.2.3綜合性換擋策略

在靜態(tài)計算的基礎(chǔ)上,依據(jù)加速踏板開度將換擋曲線劃分為低中高負荷3個區(qū)域,并分別進行參數(shù)設(shè)計.低負荷區(qū)域重點考慮NVH約束以限制發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速,同時保證較低的燃油經(jīng)濟性;中負荷區(qū)域保證滿足一定的后備功率要求以提升車輛動力性能,同時考慮升降擋延遲以避免頻繁換擋,以及升降擋轉(zhuǎn)速容差范圍以提高舒適性;高負荷區(qū)域依據(jù)最大加速度準則保證滿足連續(xù)的加速度輸出,同時考慮換擋延遲時間以優(yōu)化換擋一致性,從而提高車輛駕駛性能[8-9].

基于以上原理,借助AVL GSP工具生成了最佳燃油經(jīng)濟性換擋策略和兼顧油耗、動力性與駕駛性約束的綜合性換擋策略,如圖9所示為升擋策略的對比.

圖9 經(jīng)濟模式與綜合模式升擋策略Fig.9Upshift strategies of economicaland comprehensive mode

4.3性能計算結(jié)果

以圖10所示的原地起步加速連續(xù)升擋工況為例進行駕駛性客觀指標分析.通過對比不難發(fā)現(xiàn),綜合模式的速度上升較快(見圖10),換擋時刻較晚且換擋時刻發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高(見圖11).急踩加速踏板瞬態(tài)響應(yīng)過程中縱向加速度最大正值接近7.5 m/s2,換擋過程中出現(xiàn)較大的加速度波動,產(chǎn)生換擋沖擊,在急松加速踏板過程中加速度出現(xiàn)瞬態(tài)負向峰值(見圖12和圖13).整個運行工況中加速度均方根值與振動劑量均較大,駕乘舒適性較低(見圖14).

圖10 車速與加速踏板開度Fig.10 Velocity and accelerator pedal position

圖12 縱向加速度對比Fig.12 Vehicle longitudinal acceleration comparison

圖13 沖擊度對比Fig.13 Shock impact comparison

上述各個客觀指標的量化分析,為進一步制定符合產(chǎn)品基因的換擋策略和實現(xiàn)多目標性能優(yōu)化提供了參考.由于駕駛性影響因素眾多,實現(xiàn)各個指標平衡并非易事,必要的時候,可以損失一部分性能而提高另一方面的表現(xiàn),以滿足特定的產(chǎn)品定位和市場訴求.

圖14 加速度均方根值與振動劑量對比Fig.14 Acceleration RMS and VDV comparison

5 結(jié)論

(1) 基于駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)控制系統(tǒng),從駕駛員動作行為、車輛動態(tài)響應(yīng)、駕駛員動態(tài)感知與決策行為特征4個方面，分析了縱向行駛過程中駕駛員與汽車的交互作用關(guān)系,探索駕駛性能作用過程,識別駕駛性能關(guān)鍵評價特征.

(2) 引入了汽車駕駛性能評價的5個關(guān)鍵維度,包括全負荷響應(yīng)特性、部分負荷響應(yīng)特性、加速踏板感覺、換擋平順性、急踩/松加速踏板瞬態(tài)響應(yīng).詳細分析了穩(wěn)態(tài)縱向加速度響應(yīng)曲面、加速踏板-加速度線性度、加速度增益、換擋沖擊度、加速度均方根值和振動劑量等客觀指標的計算方法,并基于層次分析結(jié)構(gòu)建立了綜合的客觀評價指標體系.

(3) 以某自動擋車型為例,借助Simulink和AVL Cruise工具構(gòu)建整車縱向動力學模型,對比分析兩種不同換擋策略下的部分駕駛性能客觀表征指標,為實現(xiàn)駕駛性能從主觀評價到客觀量化分析提供了參考.

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Objectivecharacterizationandsimulationanalysisofvehicledrivability

LIUPuhui,LIYishun

(Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co.,Ltd.,Ningbo 315336，Zhejiang,China)

Constructing reasonable and effective objective characterization system is the key to realize drivability objective and quantitative analysis from traditional subjective evaluation method.The interaction relations between driver and vehicle were explored and the objective metrics were proposed accordingly,emphasizing on five main aspects:WOT(Wide Open Throttle)response,POT(Partial Open Throttle)response,accelerator pedal feeling,gear shift smoothness and tip in/tip out transient response.The objective characterization metrics were investigated in detailed and the comprehensive index system was created with analytic hierarchy structure.One passenger car with automatic transmission was adopted as a case study,the vehicle longitudinal performance model was built based on Simulink and AVL Cruise/GSP tools,the economical and comprehensive shift strategies were generated and the influence on drivability were contrasted and analyzed,the reference was provided for objectively and quantitatively analysis of vehicle drivability.

drivability; objective characterization; simulation analysis

U 462.3

A

1672-5581(2017)04-0370-07