大學生方程式賽車的發動機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 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641）

中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽[1]。在這項比賽中，國外的一些強隊（如慕尼黑車隊，斯圖加特車隊等等）已經率先使用了牽引力控制系統，以及升檔斷火等技術，并在激烈的比賽中發揮了重要的效用。國內的同濟大學車隊也采用了相同的技術，并在國內的比賽中體現出了優勢。因此，對于發動機牽引力控制以及彈射起步，升檔斷火的研究對賽車的發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

第四代賽車擋位采用 1-N-2-3-4-5-6的序列式結構，比賽時基本都是用二擋起步，具體步驟是先掛上二擋，拉開離合器，接著點火著車，然后猛踩油門把發動機轉速拉高，到預定轉速后突然放開離合使其瞬間結合，此時發動機轉速迅速下降，但隨著賽車的起步，發動機轉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 起步階段車速與發動機轉速的變化關系Fig.1 The changing relation between starting speed and engine speed

由于在二擋起步的一小段時間內發動機轉速非常高，賽車剛起步速度非常低，所以驅動輪會出現嚴重的滑轉現象。所以要合適限制發動機轉速，以充分利用地面提供的附著力，發揮優秀加速性能。為了限制發動機轉速，將使用M800 ECU（發動機控制單元）自帶的彈射起步控制功能實現。

1.2 彈射起步控制的實現

為了實現彈射起步控制功能，需要安裝4個輪速傳感器，前輪兩個傳感器負責監測前輪輪速，作為賽車的真實速度，而后輪兩個傳感器負責監測驅動輪輪速，通過前后輪速的數據作對比，就可以計算出賽車的滑移率[2]。軟件方面M800ECU已經開發了這一功能，只要進行相關參數的設定便可以啟動這一功能。

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速（前輪輪速）與發動機轉速的關系。根據去年賽車測試結果，75 m直線加速第一次換擋時車速是35 km/h。而今年賽車的主減速比為3，川崎發動機變速箱二擋的傳動比為2.2，所以賽車二擋運行時從發動機到輪胎的總傳動比為6.6，由此可以計算出每個車速所對應的的發動機轉速，再結合滑轉率與附著系數的關系，可以確定每個車速下獲得最大縱向附著系數的發動機轉速。如圖2所示，當車速達到35 km/h時，彈射起步控制結束，緊接著馬上進入牽引力控制模式。表1就是彈射起步控制過程中，對ECU標定的車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

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動機目標轉速來控制，只需要前輪輪速；而牽引力控制是利用目標滑轉率來控制，所以同時需要驅動輪輪速和前輪輪速。

表1 彈射起步控制過程中不同車速的目標轉速設定值Tab.1 Target rotating speed set points of different speed in the process of launch control

驅動輪的運動狀態可分為滾動和滑轉兩種形式，這兩種形式往往同時存在[3]。在地面狀況不變的情況下，隨著發動機輸出扭矩的增加，車輪滾動成分將會越來越少，而滑轉成分將會越來越多。從圖3可以看出，單從縱向力來考慮的話滑轉率最好在30%左右，從側向穩定性方面考慮的話滑轉率越小越好[4]。由此可見理想的滑轉率需要同時兼顧縱向和側向的情況，滑轉率在15%左右時（圖中陰影部分）賽車具有較好的縱向和側向附著系數。

圖3 滑轉率與附著系數的關系曲線Fig.3 Slip rate-adhesion coefficient curve

2.2 牽引力控制的實現

牽引力控制系統對驅動輪的控制方式有發動機輸出轉矩控制、驅動輪制動力控制和差速器鎖止控制等方式[5]。發動機輸出轉矩可以通過以下3種方式來調節：節氣門開度調節，減少或切斷噴油量，減小點火提前角或切斷點火。針對賽車的具體情況，只能采用斷油或斷火的方式，M800 ECU已經開發了這一功能。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閉；1：前輪速度對驅動輪速；2：滑移電壓頻道；3：驅動輪速變化率；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）。

表2 牽引力控制基本設置Tab.2 The basic settings of traction control

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。當車速達35 km/h時將切換到牽引力控制模式，此后ECU將利用4個輪速傳感器傳來的輪速信號實時計算滑轉率，并與目標滑轉率對比，采用PID控制[6]，把驅動輪滑轉率保持在目標值范圍內。

另一方面，為了在滑轉率超過目標值時賽車不至于因為斷火而損失過多的動力，尤其是在低轉速或節氣門開度比較小的時候，有必要設定在不同工況下發動機動力的最大減少量。如表4所示，0%表示不減少任何動力即不斷火，100%表示全部動力切斷。

表3 牽引力控制目標滑轉率Tab.3 The target slip rate of traction control

表4 牽引力控制各工況動力最大減少量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、底盤調教參數相同、當時氣溫氣候相似、賽道表面情況基本不變的情況下測得的有裝TC與沒裝TC的圈速對比。可以直觀地看出，設置TC后，賽車的圈速有了顯著的提高。

圖4 圈速對比Fig.4 Lap contrast

3 結束語

在賽車比賽中，如何提升賽車性能以達到節省時間，提高穩定性能已經開始成為眾多車隊所共同追求的目標。在國外，FSAE大賽已經十分成熟，外國車隊對于牽引力系統，彈射起步和升檔斷火的研究上面都有著較為豐富的經驗。相對于國內來說，中國大學生方程式汽車大賽 (Formula SAE of china)起步較晚，在國內才舉辦了兩屆，就2011年35支來自國內的車隊來看，還沒有一個車隊擁有一個比較完整的牽引力系統，我們車隊在這方面有比較大的突破，對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到節省時間，提高穩定性能已經開始成為眾多車隊所共同追求的目標。

[1]李理光.2011中國大學生方程式汽車大賽規則 （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.汽車電子學教程[M].北京:清華大學出版社，2009.

[3]黨建民.撥片換擋大學生FSAE賽車(第二屆)應用研究[D].廣州:華南理工大學機械與汽車工程學院畢業論文，2011.

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

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