随着我国城市建设不断推进,道路交通环境变得复杂多样,与此同时,汽车保有量不断增加,随之而来的是道路交通拥挤和交通事故频发等。用户对汽车驾驶性能的要求越来越高,为了满足汽车在复杂路况中保持足够的机动灵活性和舒适性,以及日益增长的各种驾驶需求,驾驶性这一概念越来越受到汽车研发工程师和汽车用户的关注。
驾驶性与用户的驾驶体验高度相关,是汽车的重要性能之一。所谓驾驶性,是用户体验的工程定义,将其描述为驾驶人感受车辆对人为操控的动态响应。这种响应主要指车辆纵向加速度相关特性,包含从起步、加速、匀速到减速阶段的所有驾驶历程中,驾驶人能感受到的加速度、加速度变化、加速踏板输入变化及由此带来的各种冲击、顿挫、响应延迟、与驾驶意图不符等各种现象。驾驶性包含以下特性:
1)主要表现为部分节气门特性。
2)侧重于车辆的低频响应。
3)线性输入对应线性输出的加速度关系。
4)平稳、流畅的主观驾驶感觉。
本章所讨论的驾驶性与传统的动力性有所区别。传统的动力性仅指节气门全开(Wide Open Throttle, WOT)性能,即全负荷输出条件下,车辆所能达到的极限加速、最高车速及最大爬坡和坡道起步能力。它本质上属于驾驶性的一部分,但是只能表征极端工况下的车辆性能。而此处的驾驶性更能贴近用户的实际需求,更关注节气门部分开启(Part Open Throttle, POT)性能,即动力驱动系统部分负荷或零负荷输出条件下,车辆所能获得的加速度或减速度,以及加速度或减速度建立过程中产生的各种冲击、顿挫、延迟对驾驶人主观感受造成的影响。
在用户实际驾驶中,驾驶性更具有广泛性,更贴近用户的真实需求。根据调查研究获得的用户日常习惯踩下的加速踏板行程分布及车辆加速度分布分别如图2-1和图2-2所示。加速踏板行程≤30%的时间占比高达85%,而加速踏板行程为100%的时间占比仅有0.3%,车辆加速度≤0.2 g 的时间占比高达99%,可见用户使用的绝大多数工况都是驾驶性定义所处的工况范围。
值得注意的是,整车动力性好并不等价于驾驶性也好。例如,常见的百公里加速性能很好的车,起步却“感觉很慢”“给油不走”;高速驾驶时,经常出现频繁换档;匀速行驶很难稳住节气门开度;自动档车型手动降档加速时,只听到发动机转速飙升的声音,却没有“加速推背感”等。驾驶性主要包含全局响应和局部瞬态响应两大部分。全局响应是局部瞬态响应的基础,在车型开发过程中,应首先对前者进行完整的目标定义和设计,再对后者进行测试与调整优化改进。
图2-1 用户加速踏板行程分布
图2-2 车辆加速度分布
(1)全局响应 从全局角度定义加速踏板行程与不同车速下整车纵向加速度的关系,定义整体驾驶性风格,包含稳态车速加速踏板行程指标、加速度响应指标、起步加速响应指标、各档爬坡度指标、能量回收制动减速度指标(含滑行制动感)等。全局响应通过整体策略进行优化设计和调整。
(2)局部瞬态响应 主要关注发动机和电机转矩变换、变速器换档过程等瞬态响应特性,通过对工况进行分解及基于不同评价指标的打分,识别各种瞬态过程由整车纵向加速度发生变化而引起的问题,包括快踩加速踏板响应(Tip in)、快松加速踏板响应(Tip out)、变速器换档质量(Gear Shift Quality)等指标。局部瞬态响应主要通过局部标定参数优化,重在提升驾驶性细节品质。
驾驶人对车辆的操控主要包括实现加速、减速、换档、转向等意图的操作,涉及加速踏板、离合器踏板、制动踏板、转向盘转角和变速杆等的输入,其中与驾驶性强相关的输入主要是加速踏板输入。而驾驶人感受车辆还包括加速踏板、离合器踏板的踏板力和行程,车辆的速度、发动机转速,以及纵向加速度响应和局部瞬态的急动度(冲击、顿挫等)。图2-3所示为驾驶人与车辆的信息交互图。
图2-3 驾驶人与车辆的信息交互图
下面介绍与驾驶性密切相关的速度、加速度和急动度对驾驶人的影响。
(1)速度 速度是位置
s
对时间
t
的导数,定义为位置对时间的变化率
,以m/s为单位来量度。速度本身对驾驶人没有太大的影响,唯一的感受方式是向窗外观看不断掠过的地面景物,即使是高速,也仅仅是来自心理上的变化。
(2)加速度 加速度是速度
u
对时间
t
的导数,定义为速度对时间的变化率
,俗称“加快”,以m/s
2
为单位来量度。根据牛顿公式
F
=
ma
,加速度恒定,表明物体受到了一个稳恒力。汽车加速,车上的每个人,包括驾驶人和乘客,都会突然向后仰,感受到座椅给予的推背感。换句话说,速度看得见,加速度则能感觉到。汽车驾驶性上的加速度可以被设计和规划,从而根据驾驶人的意图而输出,将加速度作为全局响应的重要指标,正是驾驶性上的加速响应。
(3)急动度 急动度是加速度
a
对时间
t
的导数
,用来描述加速度本身的变化方式,以m/s
3
为单位来量度,也称为冲击程度(Jerk)。恒定的加速度使驾驶人感受到恒定的推力,但是如果这个力突然改变,驾驶人将感到不舒服,甚至是疼痛。当车遭受撞击或者传动系统本身发生撞击时,整车加速度会突然改变,车辆具有急动度,驾驶人会感到不舒服,具有恒定加速度和零急动度的人体,感觉最舒适。驾驶性上的急动度往往来自车辆瞬态冲击,将急动度作为评判局部瞬态驾驶品质的重要参考。
对于全局响应,整车加速响应与驾驶人需求相匹配,驾驶人的驾驶需求通常通过踩踏加速踏板来反映。通常情况下,节气门开度越小动力性越差,节气门开度越大动力性越好。
小节气门开度主要用于车辆缓慢加速、稳速和由高速减速的行驶工况,此时对车辆动力性没有很大的预期要求,驾驶需求为良好的燃油经济性;中大节气门开度主要用于车辆快速起步、行车过程中的加速、超车等工况,此时需要车辆具有足够的动力,同时还要兼顾油耗水平,驾驶需求为兼顾动力性和燃油经济性,具有良好的驾驶性;节气门全开主要用于紧急加速、应急逃逸等特殊工况,此时需要车辆具有最大动力输出,驾驶需求为最佳动力性。
此外,在城市道路行驶时,虽然车速往往处于中低水平,但车辆需要在复杂路况中保持足够的机动灵活性,以应对各种驾驶需求,包括频繁的起步加速、超车、爬坡等,此时需要有较好的加速度响应;高速行驶时,由于道路路况优良,以及基于行驶的稳定性和安全性考虑,车辆对加速度响应的需求则相对较低,对驾驶细节品质的要求则相对较高。因此,在节气门开度相同的情况下,不同的车速段对于加速度响应的需求也不同。通常情况下,车速越高,对于加速度响应的需求越低,而在常用的中低车速段,对于加速度响应的需求则相对较高。
全局响应的策略开发设计需要满足如上的基本驾驶需求原则。在此基础上,根据车辆类型和市场定位进行驾驶风格定义和策略开发,根据驾驶风格和策略,针对局部瞬态响应进行标定优化,实现驾驶风格统一和细节品质提升。
前面介绍了驾驶性与动力性的区别,在实际的驾驶中,驾驶性更具有广泛性,更贴近用户的真实需求。下面简单介绍几个评价驾驶性的典型工况。
全局响应相关工况主要包括与速度和加速度相关的驾驶工况。
(1)匀速工况 匀速工况包括匀速巡航、蠕行和匀速爬坡,其中匀速巡航主要以稳速加速踏板行程作为主要评价指标,评价匀速巡航的舒适性和稳定性;蠕行以蠕行车速和蠕行稳定性为评价指标;匀速爬坡主要以高速(120km/h)时变速器档位在最高档时的最大爬坡度为评价指标,主要评价高速爬坡稳定性。
(2)起步加速工况 起步加速工况包括怠速起步、小加速踏板行程起步、中加速踏板行程起步、大加速踏板行程起步等工况,主要以起步过程中的加速度大小和加速度线性度为评价指标。
(3)行驶加速工况 行驶加速工况包括匀速后加速和减速后加速两种,根据加速踏板行程,分为小加速踏板行程加速、中加速踏板行程加速、大加速踏板行程加速等工况,主要以加速过程中的加速度大小和加速度增益为评价指标。
(4)滑行减速工况 滑行减速工况主要关注D档(前进档)滑行,主要以滑行过程中的减速度大小和减速度线性度为评价指标,针对于新能源车型,需要重点关注滑行能量回收介入和减速度变化。
局部瞬态响应相关工况主要包括与急动度相关的驾驶工况,表现在动力传动系统瞬间发生变化的过程,包括各种工况中的冲击、顿挫、延迟、与驾驶意图不符等现象,典型工况体现在换档和Tip in/Tip out工况等。
(1)升降档工况 升降档工况包括定加速踏板行程升档、松开加速踏板后升档、动力降档、滑行降档、减速降档、手动换档等,主要评价换档过程的平顺性。
(2)Tip in/Tip out工况 Tip in/Tip out工况包括不同档位、不同转速下的Tip in/Tip out工况,根据加速踏板行程,分为小加速踏板行程、中加速踏板行程、大加速踏板行程等,主要以响应、冲击、耸动和耸动次数等为评价指标。