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

黎 杰,冼錦恒,丁 康,梁振輝 ,吳雙龍

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽[1]。在這項(xiàng)比賽中，國外的一些強(qiáng)隊(duì)（如慕尼黑車隊(duì)，斯圖加特車隊(duì)等等）已經(jīng)率先使用了牽引力控制系統(tǒng)，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(nèi)的同濟(jì)大學(xué)車隊(duì)也采用了相同的技術(shù)，并在國內(nèi)的比賽中體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制以及彈射起步，升檔斷火的研究對(duì)賽車的發(fā)展起到了相當(dāng)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

第四代賽車擋位采用 1-N-2-3-4-5-6的序列式結(jié)構(gòu)，比賽時(shí)基本都是用二擋起步，具體步驟是先掛上二擋，拉開離合器，接著點(diǎn)火著車，然后猛踩油門把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拉高，到預(yù)定轉(zhuǎn)速后突然放開離合使其瞬間結(jié)合，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，但隨著賽車的起步，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又開始直線上升直到第一次換擋，在此期間車速也逐漸增大，具體變化如圖1所示。

圖1 起步階段車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.1 The changing relation between starting speed and engine speed

由于在二擋起步的一小段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速非常高，賽車剛起步速度非常低，所以驅(qū)動(dòng)輪會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以要合適限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以充分利用地面提供的附著力，發(fā)揮優(yōu)秀加速性能。為了限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將使用M800 ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）自帶的彈射起步控制功能實(shí)現(xiàn)。

1.2 彈射起步控制的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)前輪輪速，作為賽車的真實(shí)速度，而后輪兩個(gè)傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)輪輪速，通過前后輪速的數(shù)據(jù)作對(duì)比，就可以計(jì)算出賽車的滑移率[2]。軟件方面M800ECU已經(jīng)開發(fā)了這一功能，只要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定便可以啟動(dòng)這一功能。

基本設(shè)置完成后還要設(shè)定彈射起步控制的目標(biāo)值，也就是第一次換擋前車速（前輪輪速）與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。根據(jù)去年賽車測(cè)試結(jié)果，75 m直線加速第一次換擋時(shí)車速是35 km/h。而今年賽車的主減速比為3，川崎發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱二擋的傳動(dòng)比為2.2，所以賽車二擋運(yùn)行時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)到輪胎的總傳動(dòng)比為6.6，由此可以計(jì)算出每個(gè)車速所對(duì)應(yīng)的的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，再結(jié)合滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)的關(guān)系，可以確定每個(gè)車速下獲得最大縱向附著系數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如圖2所示，當(dāng)車速達(dá)到35 km/h時(shí)，彈射起步控制結(jié)束，緊接著馬上進(jìn)入牽引力控制模式。表1就是彈射起步控制過程中，對(duì)ECU標(biāo)定的車速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的設(shè)置。

2 牽引力控制研究

2.1 牽引力控制的原理

圖2 彈射起步控制和牽引力控制模式的切換Fig.2 Conversion of launch control mode and traction control mode

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(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速來控制，只需要前輪輪速；而牽引力控制是利用目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率來控制，所以同時(shí)需要驅(qū)動(dòng)輪輪速和前輪輪速。

表1 彈射起步控制過程中不同車速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值Tab.1 Target rotating speed set points of different speed in the process of launch control

驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為滾動(dòng)和滑轉(zhuǎn)兩種形式，這兩種形式往往同時(shí)存在[3]。在地面狀況不變的情況下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的增加，車輪滾動(dòng)成分將會(huì)越來越少，而滑轉(zhuǎn)成分將會(huì)越來越多。從圖3可以看出，單從縱向力來考慮的話滑轉(zhuǎn)率最好在30%左右，從側(cè)向穩(wěn)定性方面考慮的話滑轉(zhuǎn)率越小越好[4]。由此可見理想的滑轉(zhuǎn)率需要同時(shí)兼顧縱向和側(cè)向的情況，滑轉(zhuǎn)率在15%左右時(shí)（圖中陰影部分）賽車具有較好的縱向和側(cè)向附著系數(shù)。

圖3 滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Slip rate-adhesion coefficient curve

2.2 牽引力控制的實(shí)現(xiàn)

牽引力控制系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的控制方式有發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制、驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力控制和差速器鎖止控制等方式[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以通過以下3種方式來調(diào)節(jié)：節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)，減少或切斷噴油量，減小點(diǎn)火提前角或切斷點(diǎn)火。針對(duì)賽車的具體情況，只能采用斷油或斷火的方式，M800 ECU已經(jīng)開發(fā)了這一功能。具體設(shè)置如表2（滑移計(jì)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(duì)驅(qū)動(dòng)輪速；2：滑移電壓頻道；3：驅(qū)動(dòng)輪速變化率；4：轉(zhuǎn)速變化率；5：檔位。對(duì)于彈射起步只用1還要設(shè)置控制參數(shù)）。

表2 牽引力控制基本設(shè)置Tab.2 The basic settings of traction control

基本設(shè)置完成后還要設(shè)定牽引力控制的目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，如表3。當(dāng)車速達(dá)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)輪速傳感器傳來的輪速信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算滑轉(zhuǎn)率，并與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率對(duì)比，采用PID控制[6]，把驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率保持在目標(biāo)值范圍內(nèi)。

另一方面，為了在滑轉(zhuǎn)率超過目標(biāo)值時(shí)賽車不至于因?yàn)閿嗷鸲鴵p失過多的動(dòng)力，尤其是在低轉(zhuǎn)速或節(jié)氣門開度比較小的時(shí)候，有必要設(shè)定在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)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。

表3 牽引力控制目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率Tab.3 The target slip rate of traction control

表4 牽引力控制各工況動(dòng)力最大減少量Tab.4 The maximum loss of traction control power in some working condition

圖4是在同一條自制賽道上，由同一位已經(jīng)熟練掌握賽車跟賽道情況的車手在起始載油量相同、底盤調(diào)教參數(shù)相同、當(dāng)時(shí)氣溫氣候相似、賽道表面情況基本不變的情況下測(cè)得的有裝TC與沒裝TC的圈速對(duì)比?？梢灾庇^地看出，設(shè)置TC后，賽車的圈速有了顯著的提高。

圖4 圈速對(duì)比Fig.4 Lap contrast

3 結(jié)束語

在賽車比賽中，如何提升賽車性能以達(dá)到節(jié)省時(shí)間，提高穩(wěn)定性能已經(jīng)開始成為眾多車隊(duì)所共同追求的目標(biāo)。在國外，F(xiàn)SAE大賽已經(jīng)十分成熟，外國車隊(duì)對(duì)于牽引力系統(tǒng)，彈射起步和升檔斷火的研究上面都有著較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于國內(nèi)來說，中國大學(xué)生方程式汽車大賽 (Formula SAE of china)起步較晚，在國內(nèi)才舉辦了兩屆，就2011年35支來自國內(nèi)的車隊(duì)來看，還沒有一個(gè)車隊(duì)擁有一個(gè)比較完整的牽引力系統(tǒng)，我們車隊(duì)在這方面有比較大的突破，對(duì)我們的成績有了很大的提升。在賽車比賽中，如何提升賽車性能以達(dá)到節(jié)省時(shí)間，提高穩(wěn)定性能已經(jīng)開始成為眾多車隊(duì)所共同追求的目標(biāo)。

[1]李理光.2011中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則 （公示版）[EB/OL].[2011-03-29].http://www.tsinghua.edu.cn/publish/dae/4390/20110613115453426818957/rule.pdf.

[2]李建秋，趙六奇，韓曉東,等.汽車電子學(xué)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[3]黨建民.撥片換擋大學(xué)生FSAE賽車(第二屆)應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院畢業(yè)論文，2011.

[4]殷瑞祥，羅昭智，朱寧西.電路基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社，2004.

[5]殷瑞祥，朱寧西，丘曉華.模擬電子技術(shù)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社，2008.

[6]Andrew J.Kennett.Design of a Pneumatically Assisted Shifting System for Formula SAE○R Racing Applications[D].Cambridge,Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology Library，2008.