大學(xué)生方程式賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機牽引力控制與彈射起步研究

中國大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽(簡(jiǎn)稱(chēng)“中國FSC”)是一項由高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車(chē)設計與制造比賽。在這項比賽中，國外的一些強隊(如慕尼黑車(chē)隊，斯圖加特車(chē)隊等等)已經(jīng)率先使用了牽引力控制系統，以及升檔斷火等技術(shù)，并在激烈的比賽中發(fā)揮了重要的效用。國內的同濟大學(xué)車(chē)隊也采用了相同的技術(shù)，并在國內的比賽中體現出了優(yōu)勢。因此，對于發(fā)動(dòng)機牽引力控制以及彈射起步，升檔斷火的研究對賽車(chē)的發(fā)展起到了相當重要的作用。

1 彈射起步控制研究

1.1 彈射起步控制的原理

第四代賽車(chē)擋位采用1-N-2-3-4-5-6的序列式結構，比賽時(shí)基本都是用二擋起步，具體步驟是先掛上二擋，拉開(kāi)離合器，接著(zhù)點(diǎn)火著(zhù)車(chē)，然后猛踩油門(mén)把發(fā)動(dòng)機轉速拉高，到預定轉速后突然放開(kāi)離合使其瞬間結合，此時(shí)發(fā)動(dòng)機轉速迅速下降，但隨著(zhù)賽車(chē)的起步，發(fā)動(dòng)機轉速又開(kāi)始直線(xiàn)上升直到第一次換擋，在此期間車(chē)速也逐漸增大，具體變化如圖1所示。

由于在二擋起步的一小段時(shí)間內發(fā)動(dòng)機轉速非常高，賽車(chē)剛起步速度非常低，所以驅動(dòng)輪會(huì )出現嚴重的滑轉現象。所以要合適限制發(fā)動(dòng)機轉速，以充分利用地面提供的附著(zhù)力，發(fā)揮優(yōu)秀加速性能。為了限制發(fā)動(dòng)機轉速，將使用M800ECU(發(fā)動(dòng)機控制單元)自帶的彈射起步控制功能實(shí)現。

1.2 彈射起步控制的實(shí)現

為了實(shí)現彈射起步控制功能，需要安裝4個(gè)輪速傳感器，前輪兩個(gè)傳感器負責監測前輪輪速，作為賽車(chē)的真實(shí)速度，而后輪兩個(gè)傳感器負責監測驅動(dòng)輪輪速，通過(guò)前后輪速的數據作對比，就可以計算出賽車(chē)的滑移率。軟件方面M800ECU已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這一功能，只要進(jìn)行相關(guān)參數的設定便可以啟動(dòng)這一功能。

基本設置完成后還要設定彈射起步控制的目標值，也就是第一次換擋前車(chē)速(前輪輪速)與發(fā)動(dòng)機轉速的關(guān)系。根據去年賽車(chē)測試結果，75 m直線(xiàn)加速第一次換擋時(shí)車(chē)速是35km/h。而今年賽車(chē)的主減速比為3，川崎發(fā)動(dòng)機變速箱二擋的傳動(dòng)比為2.2，所以賽車(chē)二擋運行時(shí)從發(fā)動(dòng)機到輪胎的總傳動(dòng)比為6.6，由此可以計算出每個(gè)車(chē)速所對應的的發(fā)動(dòng)機轉速，再結合滑轉率與附著(zhù)系數的關(guān)系，可以確定每個(gè)車(chē)速下

獲得最大縱向附著(zhù)系數的發(fā)動(dòng)機轉速。如圖2所示，當車(chē)速達到35 km/h時(shí)，彈射起步控制結束，緊接著(zhù)馬上進(jìn)入牽引力控制模式。表1就是彈射起步控制過(guò)程中，對ECU標定的車(chē)速與目標轉速的設置。

2 牽引力控制研究

2.1 牽引力控制的原理

牽引力控制的原理和彈射起步控制差不多，不同的是彈射起步控制是利用發(fā)動(dòng)機目標轉速來(lái)控制，只需要前輪輪速;而牽引力控制是利用目標滑轉率來(lái)控制，所以同時(shí)需要驅動(dòng)輪輪速和前輪輪速。

驅動(dòng)輪的運動(dòng)狀態(tài)可分為滾動(dòng)和滑轉兩種形式，這兩種形式往往同時(shí)存在。在地面狀況不變的情況下，隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機輸出扭矩的增加，車(chē)輪滾動(dòng)成分將會(huì )越來(lái)越少，而滑轉成分將會(huì )越來(lái)越多。從圖3可以看出，單從縱向力來(lái)考慮的話(huà)滑轉率最好在30%左右，從側向穩定性方面考慮的話(huà)滑轉率越小越好。由此可見(jiàn)理想的滑轉率需要同時(shí)兼顧縱向和側向的情況，滑轉率在15%左右時(shí)(圖中陰影部分)賽車(chē)具有較好的縱向和側向附著(zhù)系數。

2.2 牽引力控制的實(shí)現

牽引力控制系統對驅動(dòng)輪的控制方式有發(fā)動(dòng)機輸出轉矩控制、驅動(dòng)輪制動(dòng)力控制和差速器鎖止控制等方式。發(fā)動(dòng)機輸出轉矩可以通過(guò)以下3種方式來(lái)調節：節氣門(mén)開(kāi)度調節，減少或切斷噴油量，減小點(diǎn)火提前角或切斷點(diǎn)火。針對賽車(chē)的具體情況，只能采用斷油或斷火的方式，M800 ECU已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這一功能。具體設置如表2(滑移計算模式：0：牽引力控制和彈射起步控制關(guān)閉;1：前輪速度對驅動(dòng)輪速;2：滑移電壓頻道;3：驅動(dòng)輪速變化率;4：轉速變化率;5：檔位。對于彈射起步只用1還要設置控制參數)。

基本設置完成后還要設定牽引力控制的目標滑轉率，如表3。當車(chē)速達35 km/h時(shí)將切換到牽引力控制模式，此后ECU將利用4個(gè)輪速傳感器傳來(lái)的輪速信號實(shí)時(shí)計算滑轉率，并與目標滑轉率對比，采用PID控制，把驅動(dòng)輪滑轉率保持在目標值范圍內。

另一方面，為了在滑轉率超過(guò)目標值時(shí)賽車(chē)不至于因為斷火而損失過(guò)多的動(dòng)力，尤其是在低轉速或節氣門(mén)開(kāi)度比較小的時(shí)候，有必要設定在不同工況下發(fā)動(dòng)機動(dòng)力的最大減少量。如表4所示，0%表示不減少任何動(dòng)力即不斷火，100%表示全部動(dòng)力切斷。

圖4是在同一條自制賽道上，由同一位已經(jīng)熟練掌握賽車(chē)跟賽道情況的車(chē)手在起始載油量相同、底盤(pán)調教參數相同、當時(shí)氣溫氣候相似、賽道表面情況基本不變的情況下測得的有裝TC與沒(méi)裝TC的圈速對比?？梢灾庇^(guān)地看出，設置TC后，賽車(chē)的圈速有了顯著(zhù)的提高。

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