手動檔汽車起步性能評價方法與試驗研究*

陳 彬，朱省會，韓浩廷，楊 柳，祖萬里，葛勝迅

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

手動檔汽車的起步對駕駛技術(shù)有一定的要求，車輛的起步性能作為駕駛員頻繁感受到的性能之一，對駕駛感受影響明顯，該性能對于提升手動檔車輛的客戶口碑有著重要意義. 車輛擁有優(yōu)秀的起步性能，駕駛員可實現(xiàn)較容易的起步操控，車輛不易熄火且具有良好的起步動力感受.

當(dāng)前，業(yè)內(nèi)針對車輛的起步性能評價主要集中于極端環(huán)境下的車輛起步能力研究[1，2]，以及手動檔車輛起步防止熄火的相關(guān)研究[3，4]. 通過識別發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器結(jié)合度進(jìn)行發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升的相關(guān)控制，在一定程度上提升了手動檔車輛的起步熄火難度，但是沒有建立起步性能測試評價與優(yōu)秀的起步輔助控制方法.

本文使用兩款不踩油門起步過程控制差異明顯的手動檔汽車，基于轉(zhuǎn)鼓臺架探索了起步相關(guān)的發(fā)動機(jī)性能、離合器性能、起步輔助策略的測試與驗證方法，并提出了不同起步工況的量化指標(biāo)，結(jié)合駕駛員感受對車輛進(jìn)行客觀評價，為提升手動檔車輛的起步性能提供合理、可靠、完備的測試、評價與優(yōu)化手段.

1 起步性能評價內(nèi)容

起步工況包括不踩油門起步和踩油門起步，踩油門起步效果由油門踏板和離合器踏板的配合決定，不踩油門起步則更為直接體現(xiàn)了車輛整體的性能與電控策略，且對踩油門起步操控具有明顯的影響. 本文研究內(nèi)容主要針對不踩油門起步.

1.1 起步動力性

駕駛員在起步過程可以感受到的動力性相關(guān)信息主要為車速和加速度，因此，提取起步時間、峰值加速度、動力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行起步動力性評價，詳細(xì)評價項目如下所示.

1)0 km/h～3 km/h、0 km/h～5 km/h的起步時間；

2)松開離合器踏板至車速為0.2 km/h的時間，松開離合器踏板至峰值加速度的時間；

3)不踩油門可通過的最大過坡坡度；

4)不踩油門可實現(xiàn)的最大不溜坡坡度.

1.2 動力系統(tǒng)性能

車輛的起步性能受動力與傳動系統(tǒng)影響明顯，測試了發(fā)動機(jī)在起步轉(zhuǎn)速下的全油門最大驅(qū)動力，用于評價發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)間的動力性能，分析車輛起步性能優(yōu)化空間. 另外，測試離合器踏板開度與轉(zhuǎn)鼓輪邊驅(qū)動力關(guān)系，評價離合器動力傳遞的能力與穩(wěn)定性.

1.3 起步輔助策略分析與驗證

將車輛起步過程分為 4 個階段：松離合器至離合器未結(jié)合階段、離合器結(jié)合但車輛靜止階段、車輛移動且離合器半聯(lián)動階段、離合器完全結(jié)合階段，分析各階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制過程與效果. 創(chuàng)新性開展了不踩油門過坡測試，得到車輛可通過的最大坡道以及爬坡過程的轉(zhuǎn)速信息，驗證車輛的起步輔助策略.

2 臺架試驗測試方案

根據(jù)車輛起步性能相關(guān)評價內(nèi)容，構(gòu)建了如圖 1 所示的測試系統(tǒng)，主要數(shù)采設(shè)備、傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示.

圖 1 測試系統(tǒng)原理圖

表1 主要傳感設(shè)備性能指標(biāo)

測試系統(tǒng)由信號傳感器組、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)組成[5]. 瞬時油耗儀采集油耗信息，轉(zhuǎn)鼓試驗臺提供輪轂輪邊力和車速信息，線位移傳感器采集離合器踏板位移信息，轉(zhuǎn)速儀接車身診斷OBD口采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信息，車身CAN可讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油門開度、發(fā)動機(jī)輸出扭矩等信息[6]. 數(shù)據(jù)采集器基于美國NI的虛擬儀器及C模塊構(gòu)建[7]，實現(xiàn)對上述信息的實時同步采集，并通過網(wǎng)線上傳至便攜式計算機(jī)進(jìn)行保存、實時顯示. 試驗車輛如圖 2 所示.

圖 2 測試車輛圖

3 起步性能試驗

3.1 不同工況的起步試驗

設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗臺架為道路模式[8]，加載車輛行駛阻力[9]，駕駛員通過控制離合器踏板，開展不同的離合器最低結(jié)合轉(zhuǎn)速起步試驗，具體方法如下：駕駛員踩下離合器踏板調(diào)整檔位至一檔，然后松開離合器踏板起步，當(dāng)車速達(dá)到一檔最低穩(wěn)定車速后停止試驗. 重復(fù)以上操作，每次以不同的速度松開離合器踏板，以獲取不同的離合器最低結(jié)合轉(zhuǎn)速的起步過程數(shù)據(jù).

3.2 離合器傳動性能試驗

為測試離合器的動力傳遞性能，設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗臺架為恒速模式[8]，車速設(shè)置為0 km/h. 駕駛員踩下離合器踏板調(diào)整檔位至一檔，然后緩慢松開離合器踏板，隨著離合器的結(jié)合，驅(qū)動力增加，但是發(fā)動機(jī)負(fù)載不斷增加，超過一定負(fù)載后發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，至車輛熄火后停止試驗.

3.3 起步轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī)動力試驗

為測試車輛起步過程發(fā)動機(jī)可輸出的峰值動力，提取車輛起步過程的離合器最低結(jié)合轉(zhuǎn)速工作范圍，并四舍五入取整至50的倍數(shù). 以試驗樣車為例，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為500 r/min～900 r/min，以50 r/min等間隔設(shè)置試驗轉(zhuǎn)速點，使用車輛的一檔速比ig、主減速比i0、輪胎滾半徑r計算各試驗轉(zhuǎn)速點ni對應(yīng)的一檔車速Vi[10]

(1)

設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗臺架為恒速模式，車速依次設(shè)置為Vi. 駕駛員緩慢松開離合器踏板后，將油門踏板踩至最大，20 s后結(jié)束試驗.

3.4 過坡試驗

設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗臺架為道路模式，駕駛員以一檔不踩油門駕駛車輛，轉(zhuǎn)鼓以1%坡度、50 s的時間等間隔增加坡度阻力，至車輛熄火停止試驗.

4 數(shù)據(jù)處理與評價

4.1 不踩油門起步

統(tǒng)計各起步工況下的最低離合器結(jié)合轉(zhuǎn)速，以最低離合器結(jié)合轉(zhuǎn)速代表駕駛員的不同起步離合器控制效果. 統(tǒng)計各工況下0 km/h～3 km/h、0 km/h～5 km/h 的起步時間，評價車輛的動力性以及起步動力性與駕駛操控的關(guān)系，數(shù)據(jù)如表2 所示.

表2 起步性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計

甲車0 km/h～3 km/h起步時間較短，說明甲車的起步動力響應(yīng)較好. 乙車在離合器最低結(jié)合轉(zhuǎn)速為 600 r/min 時的起步效果較好，但是離合器操控難度較高，而甲車相應(yīng)的離合器控制難度較低.

4.2 離合器傳動性能

隨著離合器的結(jié)合，傳遞至輪邊驅(qū)動力逐漸上升，上升的趨勢與穩(wěn)定性代表了發(fā)動機(jī)扭矩輸出和離合器動力傳遞性[11]. 基于轉(zhuǎn)鼓采集到的車輪上的驅(qū)動力F，換算成該車的爬坡度i，計算方法如式(2)所示，其中m為車輛滿載質(zhì)量，g為重力加速度. 使用爬坡度進(jìn)行對比可消除車輛質(zhì)量差異的影響，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖 3 所示，隨著離合器的結(jié)合，甲車爬坡能力較好且平穩(wěn)，說明甲車的動力系統(tǒng)性能較優(yōu). 另外，在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下，兩車均可實現(xiàn)接近20%的坡道不溜坡，坡起動力性均較好.

(2)

圖 3 動力系統(tǒng)性能對比示意圖

在離合器結(jié)合過程中，發(fā)動機(jī)負(fù)載增加，起步輔助策略可通過穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升起步過程驅(qū)動力. 如圖 4 所示，甲車的轉(zhuǎn)速補(bǔ)償明顯，起步過程轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，不易熄火且動力感受較好.

圖 4 起步轉(zhuǎn)速補(bǔ)償對比示意圖

4.3 起步轉(zhuǎn)速下的發(fā)動機(jī)最大驅(qū)動力

由各起步過程最低離合器結(jié)合轉(zhuǎn)速點的最大驅(qū)動力計算爬坡度，各測點轉(zhuǎn)速下的峰值爬坡度代表了發(fā)動機(jī)的低轉(zhuǎn)速動力性能，可判斷該車起步性能的優(yōu)化空間. 如圖 5 所示，將車輪上的驅(qū)動力換算成爬坡度，相同轉(zhuǎn)速下，甲車可發(fā)揮的最大驅(qū)動力大于乙車，乙車的最大爬坡度均在15%以上，說明乙車的起步性能具有較大優(yōu)化空間.

圖 5 最大驅(qū)動扭矩對比示意圖

4.4 過坡能力

測試車輛在不踩油門下能通過的最大爬坡度，爬坡度越大代表車輛在坡道上起步越不容易溜坡，有利于坡道起步. 爬坡過程的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果和過坡能力也反應(yīng)了該車起步輔助策略.

如圖 6 所示，兩車的最大過坡坡度一致，但是甲車爬坡過程轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，乙車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨著坡度的增加而逐漸下降，說明乙車起步過程沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制.

圖 6 過坡性能對比示意圖

4.5 起步輔助策略解析

甲車起步過程表現(xiàn)較好，該車起步輔助策略如圖 7 所示.

1—松離合轉(zhuǎn)速上升；2—離合器結(jié)合過程轉(zhuǎn)速平穩(wěn)；3—離合器完全結(jié)合；4—達(dá)到最高車速后回落

車輛在檔踩離合狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約900 r/min，當(dāng)松開離合器踏板，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升至1 250 r/min，隨著離合器的結(jié)合，轉(zhuǎn)速先較為穩(wěn)定，后由于離合器結(jié)合導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)載增加，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降，但快速回升至1 250 r/min后緩慢回落. 控制過程如圖 8 所示.

圖 8 起步輔助控制過程示意圖

離合器結(jié)合初期，較高的發(fā)動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速為起步提供動力，離合器結(jié)合后的車速伴隨轉(zhuǎn)速上升，起步過程動力充沛. 起步輔助控制模擬優(yōu)秀駕駛員起步操控過程，電控噴油代替駕駛員踩油門控制轉(zhuǎn)速，使得起步過程容易操控，且擁有較好的起步感受.

5 結(jié) 論

本文引入了全面的手動檔汽車起步動力性測試與評價方法，構(gòu)建了多工況的起步測試與駕乘感受評價，并基于轉(zhuǎn)鼓試驗臺架，開展了起步工況下的發(fā)動機(jī)和離合器性能測試、優(yōu)秀起步輔助策略解析與驗證等內(nèi)容，成果對于汽車企業(yè)優(yōu)化手動檔車輛起步輔助策略，提升起步動力感受有著重要的指導(dǎo)意義，且該研究方法具有通用性.