汽车试验技术课件 第十三章 汽车试验设计与试验研究

第十三章 试验设计与试验研究

在汽车研发过程中会大量遇到没有现成试验标准可依的试验，如新开发的系统、新发明

的机构及新增的功能等方面的试验。欲完成这类试验，我们需按照试验工程的原则，按照科学方法，确定试验内容，制定试验规范，理定试验程序和方法，这就是试验设计。此外，汽车制造企业欲在激烈的竞争中立于不败之地，需不断地推出新车型。新车型的不断推出，事实上就是汽车产品性能不断提升、功能不断拓展的过程。要想做到这一点，往往需要进行大量的试验，若所有的试验都按照已有的标准来进行，很可能难以达到预期的目标，为此需要对汽车试验技术自身展开研究。

第一节 试验设计的一般程序与要求

所谓试验设计，是指按照科研的实际需要，对整个试验过程作出一个全面而系统的规划，

其内容包括试验目的、试验条件、试验内容、试验场地与仪器、试验方法和试验数据的处理与分析等。

一、试验设计的一般程序

1、全面深入地了解被试对象

全面深入了解被试对象是进行试验设计的前提。若对被试对象的结构、材料、功能、用途和作用缺少一个全面的认识，显然就不可能知道该做些什么试验。

全面深入了解被试对象最直接且最有效的方法是从被试对象的设计研究者那里获取相关的信息，或邀请设计研究者参与试验设计工作。若无法做到这一点，则试验设计人员应深入研究、分析被试对象的全部技术资料 2、充分了解试验要求

充分了解试验要求是科学合理设计试验的基础。试验要求通常包括两个层面，其一是试验精度要求；其二是通过试验获取必要的有用信息。

对于任何一项试验，所要求的试验精度的不同，需用的试验仪器、试验方法、试验周期和试验费用将存在很大的差异。试验精度要求越高，所需的试验仪器系统会越复杂，试验周期会越长，试验费用亦会越高。汽车试验是一项纯消耗性的工作，因此无论什么类型的试验都需遵循这样的一个原则，即：在满足试验精度要求的前提下，尽可能降低试验费用。

通过试验获取必要的有用信息，是指应避免做一些无用的试验。如某一新机构的开发，显然离不开试验的支持，但任何一种新机构的开发都需经历一个复杂的过程，即第一步是实现功能；第二步是完善其性能；第三步是探寻最经济的制造方法；第四步是产品正式投产的稳定性研究等。不同的阶段需要安排不同的试验。如在产品开发的第一阶段仅安排功能试验；第二阶段主要是安排性能试验；第三阶段主要是安排工艺性试验；在产品开发的最后阶段，则需对产品进行全方位的试验考核。 3、研究相关的试验标准及试验规范

尽管我们所要进行的试验没有现成的试验标准或试验规范，但相近的产品或相近的研究可能已有了相关的试验标准或试验规范，其中或许绝大多数内容与本试验无关，但相近产品或相近研究的已有实验标准或试验规范的思想和内容一定会有可借鉴的部分。

广泛研究相关试验标准或试验规范起码可以做到少走弯路、缩短试验设计的周期。 值得注意的是，参照相关试验标准及试验规范并不等于简单的照抄照搬。试验设计是一项创造性的工作，一定要充分反映本试验的特点。 4、充分了解已有的试验条件

充分利用已有的试验条件和试验设备，尽可能少地采用本单位没有的仪器设备，力争避免采用待开发的设备，是试验设计过程中应遵循的一项重要原则。因为购买新仪器需要时间，

开发新的试验仪器设备所需的时间更长。充分利用已有试验条件和试验仪器设备的突出优点是，可以缩短产品研发周期。但千万不要指望所有新的试验项目都可借助于已有试验仪器设备就可以完成。进行科研性试验时，往往不可避免地需要不断地补充一些新的试验用仪器设备。

5、明确试验目的

所谓明确试验目的，就是要解决为什么要进行试验这一问题，即通过此次试验希望获取哪些信息，解决些什么问题？

对于一项全新的试验而言，试验目的可能需要一个逐步明确的过程。在开始进行试验之前，或许只有部分试验目的是明确的。有些试验目的需等到一些试验数据出来之后才能逐渐清楚。事实上这是科研试验的一种普遍规律，即：科研性试验需在试验过程中去逐渐完善。 6、根据试验目的确定试验内容

根据试验目的确定试验内容是指应对症下药，既要避免做一些无谓的试验，而白白地浪费宝贵的时间和金钱，更不要漏掉一些重要的试验项目而影响科研的进展。 7、根据试验内容和试验要求选择试验用仪器设备

试验用仪器设备的选用首先应满足试验所必须的功能要求，即应保证能有效地检测出试验内容中所涉及的所有被测量。

第二应确保试验的精度要求。试验仪器设备的精度与仪器的复杂程度和价格直接相关，通常精度高的仪器设备，其结构亦较复杂，价格将会成倍增加。因此正确选择仪器设备的原则是“在满足试验要求的前提下，不要片面地追求高精度”。那么，如何才能有效地保试验的精度呢？工程实践告诉我们，试验仪器设备的精度比试验所要求的精度高一个精度等级就可以很好地满足上面所述的仪器设备选用原则。我国相关标准规定，测试仪器的精度按引用误差的大小共分为7级，分别是0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5和5.0。在此需特别指出的是，仪器的精度是指在满量程范围内可能产生的最大误差，并不等于在每次测量中都会出现这么大的误差。

第三，合理地组建试验用仪器系统（一项复杂的汽车试验，往往需要将多种不同功能的仪器组合起来才能完成实验工作），充分注意传感器的接入对测试系统动态特性的影响及仪器设备级联所带来的负载效应。

8、分析和研究试验条件对试验结果的可能影响

对于汽车试验而言，尤其是那些需在室外所进行的试验。由于室外的环境和气候条件不可控，且不同地区、不同季节和不同时段的环境和气候条件差异很大。若所要进行的试验对环境和气候的变化敏感，则应对其作出严格的规定，以避免试验条件的变化对试验结果带来不利的影响。

9、制定试验规范

试验规范应对如下一些内容作出明确而详细的规定。当然并不是所有的试验项目其试验规范均包括如下6项内容。试验项目的不同，试验规范所涉及的内容亦会有些差异。

1) 试验对象的维修规范；

2) 试验过程中，试验对象出现异常情况的处理（中断实验、处理后继续试验、加倍重新进行试验等）

3) 试验前的磨合与预热；

4) 试验如何进行，仪器和试验对象如何操控？ 5) 试验数据如何处理和修正？ 6) 试验结果如何评价？ 二、试验设计的一般要求 1、试验设计应先进合理

需要进行试验设计的试验项目，通常都是为科研服务的，即科学技术的进步离不开试验的推动。然而，若试验技术和试验理论没有得到及时更新和发展，则试验就起不到推动科学技术的作用。

2、试验的可操作性要强

试验的可操作性主要表现在如下几个方面。 1） 试验项目在现有的技术条件下要易于实现；

2） 试验用仪器设备应易于购买或在短时期内能够被开发出来； 3）试验要便于操作。

任何一项试验，若在现阶段的技术和设备条件下无法实现，则无论它是多么先进，也是一项设计不合理的试验。试验的可操作性是评价设计水平高低的一项重要指标，因为试验的操作越简单，试验精度越易于得到保证，试验成本亦会越低。 3、试验的周期要短

汽车产业是竞争最激烈的行业之一，产品更新换代的时间越来越短，若试验的周期太长，显然不利于汽车产业的发展。对于那些耗时长的可靠性和耐久性试验，一般都采用强化水平较高的试验以缩短产品的试验周期。

第二节 试验规划与设计

关于汽车试验的规划和设计，在此结合一个实例进行讨论。

线控转向和线控制动系统被认为是未来汽车转向和制动系统的发展方向，全球各大汽车公司均已投入了相当的力量从事该技术的研究。显然，此两项技术要想从设想发展成为商品化的产品，那么此类试验如何进行规划设计呢？下面就针对线控转向系统的试验问题来展开对试验规划和设计的讨论

一、被试对象的结构原理分析

线控转向系统至少应包括转向操控装置、电动转向装置、转向传动机构、路感模拟装置、转向控制器与传感器等。

对于常规的机械转向系统，常用减速机构的增扭作用来减小转向操纵力，其结果是大大增加了汽车转向盘的转角。转向盘的最大转角通常为1000°～1800°，约3～5圈。对于线控转向系统，转向操纵力完全由电力提供，转向盘最大转角的大小与操纵力无关，因此线控转向系统转向盘的最大转角通常设计得较小，一般约为180°。如此便可将汽车转向盘设计成飞机舵的型式，故将线控系统的转向操控装置称为转向舵。

线控系统的电动转向装置可以是整体式的，也可以是分置式的。分置式电动转向装置的突出特点是，它可以根据汽车转向直径的大小调节左、右转向轮的偏转角，以便汽车转向行驶时，汽车左、右转向轮均为纯滚动，从而显著地改善汽车的操纵稳定性和减小汽车的燃油消耗量。汽车转向行驶时，外侧转向轮的偏转角?应比内侧转向轮的偏转角?小，即???，而且转向直径的不同，内、外侧转向轮偏转角之差???亦各不相同。转向直径越小，???的值越大；反之???之差越小。尽管传统转向系中的梯形机构也可使得???，但其差值

???的大小不能根据汽车转向行驶的实际需要进行调节。

为了保证行车安全，对于任何型式的转向系统，其最基本且最重要的要求是，汽车转向轮的偏转应与转向盘（或转向舵）的转动同步，即转向系统应具有随动作用。传统的机械式转向系统，各机构的刚性机械联结有效地保证了转向随动作用。然而，对于线控转向系统，由于转向舵与转向轮之间没有机械联结，其转向随动作用是靠控制系统来实现的，因此在进行系统设计时，就应保证汽车内、外侧转向轮的偏转角?和?按照所要求的规律随转向舵转角?的变化而变化。此外，一辆转向操纵性能良好的汽车，通常都要求：当汽车的转向直径较小时，转向操纵应灵敏；当汽车的转向直径较大时，转向操纵的灵敏度适当降低。即转向轮偏转角?和?随转向舵转角?的变化规律是一受多种因素影响的复杂曲线关系。

良好的路感是保证汽车安全行驶的重要前提。然而，对于线控转向系统，路面对汽车转向轮的作用无法传递给驾驶员，即完全无路感可言。为了保证驾驶员能同步及时地获得路感，线控转向系统通常需要一个路感模拟器。转向控制器根据转向轮横摆加速度传感器提供的信息，给路感模拟器发出控制，使之给转向舵施加一能反映路感的作用力。

一、了解科研各阶段的具体试验要求

1、方案研究阶段

前面所介绍的电控转向系统的组成是方案研究的初级成果。方案研究的最终目标是：1○确定电动转向装置和路感模拟器的型式和类型；2确定转向控制器的控制方式和控制内容；○3确定要采集哪些必须的信息（需测量哪些物理量）和采用什么类型的传感器等。 ○

显然，在方案研究阶段需要通过试验解决的问题有：○1不同电力驱动装置的性能比较和结构适应性比较；○2验证哪些物理量是线控转向系统所必须的和容易获得的。 2、各主要总成部件的并行开发阶段

电动转向装置、路感模拟器和转向控制器的并行开发阶段需进行的试验主要是功能试验，即电动转向装置可否按照转向的实际需要进行动作；路感模拟器是否可有效地模拟道路对转向轮的作用，其模拟精度如何？转向控制器是否可实现对电动转向装置和路感模拟器的有效控制等。

3、系统联机调试

系统联机调试阶段需进行的试验主要包括：○1用高精度的仪器通过大量的试验确定汽车内、外侧转向轮偏转角?和?随转向舵转角?的变化规律，即???和???曲线；2确○定路感模拟器的输出即作用在转向舵上转矩M与转向轮横摆加速度ay的变化规律；○3检验转向控制器的数据采集系统是否存在信号失真，转向控制器的输出是否符合所要求的4若试验结果不符合相关的要求，则利用试验去查找???、???和M?ay特性曲线；○其原因和探寻相关的技术结构方案。 4、线控转向系统的性能研究

线控转向系统性能研究的内容包括：○1线控系统自身的性能、可靠性、耐久性和抗干扰的能力试验等；○2系统装车后的汽车操纵稳定性试验；○3使用可靠性、维修方便性和环境适应性试验。以发现所存在的技术问题；并借助于试验去探寻解决问题的方法。 5、线控系统的结构工艺性试验

线控系统研发的最终目标是将其变成一种性能优良、经济、可靠的产品。任何机电产品的性能好坏和制造成本的高低都与制造工艺直接相关。往往工艺性研究唯一仅有的方法就是试验，其内容包括材料的加工试验、工艺方法和工艺流程试验等。

三、收集和分析已有相关标准和试验规范

收集和分析已有相关试验标准和试验规范是试验规划与设计的一个重要环节。从上面对科研阶段具体试验要求的分析中不难发现，线控转向系统在整个研发过程中所要进行的试验，其中半数以上的试验已有可直接采用或可参照执行的试验标准和试验规范（如：电动转向装置和路感模拟器驱动方式的对比试验、转向控制器控制方式试验、主要总成部件的功能试验、汽车操纵稳定性试验和工艺试验等）。显然若对相关试验标准和试验规范研究的比较透彻，那么至少可节省一半的试验设计时间。

四、明确试验目的、确定试验内容

试验目的与各研究阶段的试验要求直接相关。如：在线控转向系统联机调试阶段需进行的试验，其目的是：1确定线控转向系统的控制特性，即???、2???和M?ay曲线；○○

考核线控转向系统的实际工作特性与设定控制特性的一致性；○3为线控转向系统的改进设计提供资料。

明确了试验目的，便可确定试验内容。显然，在线控转向系统联机调试阶段所需进行的试验内容有：○1测试汽车的最小转弯半径；○2测试汽车在空载、满载和半载三种不同载荷状态、不同车速、不同转弯直径下四个车轮纯滚动时，汽车内、外侧转向轮的偏转角?pvi和

?pvi、车身侧倾角?pvi（p表示载荷状态，p?0,1,2分别表示空载、半载和满载；v代表试验时的车速，v可以是0到80％的最高车速中的任何数值，如v?10,20,30,分别表示试验时的车速为10Km/h，20Km/h，30Km/h，；i表示转弯半径为不同值Ri时的

数值）；○3采用传统转向系统的汽车的路感测试；○4测试线控转向系统汽车的转向控制特性；○5测试线控转向系统汽车的路感特性。

五、试验仪器的选用

试验仪器的选用，通常由需要测量的物理量及测试精度要求决定。由前所述试验内容可以看出，需测量的物理量相当之多。当需要同时对多个不同物理量进行测量时，采用第七章中介绍的虚拟仪器系统进行试验是一种最佳的选择。

欲满足上述线控转向系统联机调试试验的要求，若选用虚拟仪器系统进行试验，则至少要用到如下一些传感器，即：一只非接触式汽车行驶速度传感器、一个车身倾角传感器、二只角位移传感器（测两转向轮偏转角）、二只侧向加速度传感器（测两转向轮的横摆加速度）、一只多圈转角传感器、一只转矩传感器、二只应变式力传感器、一只横摆角速度传感器或侧向速度传感器等。

六、对试验条件给出一个明确的规定

试验条件是指对影响汽车试验结果的试验用道路、环境及实验用车辆所作出的规定。试验条件是任何一项汽车试验标准中都不可缺少的重要内容。因为，当试验所用的道路、环境及车辆状况发生变化时，其试验结果将会有明显的不同。在我国汽车试验的标准体系中，为了避免在各项标准中都重复书写试验条件中的相同内容，专门制定了一个汽车试验条件的标准，即GB/T12534－1990《汽车道路试验方法通则》。该标准对绝大多数汽车试验所通用的试验条件作出了统一的规定。对于前面我们所讨论的线控转向系统联机调试所要进行的试验，应对试验条件作出如下补充：

1、 路感测试和试验道路应包括汽车性能试验用路面和比利时砌石路面； 2、试验前应对汽车车轮定位参数进行检查，并将其调整为正确的数值；

3、对汽车转向、悬架等系统进行检查、调整和紧固，并按规定对其进行润滑。只有确认试验用车已完全符合生产企业规定的技术条件时，才可进行试验；

4、试验车所用轮胎是经过500km以上、1000km以下正常行驶的新轮胎、不得使用行驶里程超过10000km的轮胎进行试验。试验前应检查轮胎气压，并将其调整到厂家所规定的数值。

5、试验时，应对空载、半载和标准满载三种装载状况进行试验。载货汽车的装载物推荐用砂袋，均布于货箱内；客车的装载物推荐用砂袋或人形水袋，分置于底板和座椅上。试验员、驾驶员及仪器的质量计入汽车装载质量内； 6、试验车的数量不小于2辆。

对轮胎、车轮定位参数、转向系、悬架装置及汽车载货状态作出补充规定的根本原因是，这些因素对试验结果会产生较大的影响

七、根据试验内容和试验要求理定试验规程

所谓试验规程，就是对整个试验过程所作出的全面而细致的规定。对于汽车试验而言，在进行正式试验之前，通常需要进行一些必要的辅助性试验，然后才进行正式试验。试验方