大学生方程式赛车的发动机牵引力控制与弹射起步研究

黎 杰,冼锦恒,丁 康,梁振辉 ,吴双龙

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛[1]。在这项比赛中，国外的一些强队（如慕尼黑车队，斯图加特车队等等）已经率先使用了牵引力控制系统，以及升档断火等技术，并在激烈的比赛中发挥了重要的效用。国内的同济大学车队也采用了相同的技术，并在国内的比赛中体现出了优势。因此，对于发动机牵引力控制以及弹射起步，升档断火的研究对赛车的发展起到了相当重要的作用。

1 弹射起步控制研究

1.1 弹射起步控制的原理

第四代赛车挡位采用 1-N-2-3-4-5-6的序列式结构，比赛时基本都是用二挡起步，具体步骤是先挂上二挡，拉开离合器，接着点火着车，然后猛踩油门把发动机转速拉高，到预定转速后突然放开离合使其瞬间结合，此时发动机转速迅速下降，但随着赛车的起步，发动机转速又开始直线上升直到第一次换挡，在此期间车速也逐渐增大，具体变化如图1所示。

图1 起步阶段车速与发动机转速的变化关系Fig.1 The changing relation between starting speed and engine speed

由于在二挡起步的一小段时间内发动机转速非常高，赛车刚起步速度非常低，所以驱动轮会出现严重的滑转现象。所以要合适限制发动机转速，以充分利用地面提供的附着力，发挥优秀加速性能。为了限制发动机转速，将使用M800 ECU（发动机控制单元）自带的弹射起步控制功能实现。

1.2 弹射起步控制的实现

为了实现弹射起步控制功能，需要安装4个轮速传感器，前轮两个传感器负责监测前轮轮速，作为赛车的真实速度，而后轮两个传感器负责监测驱动轮轮速，通过前后轮速的数据作对比，就可以计算出赛车的滑移率[2]。软件方面M800ECU已经开发了这一功能，只要进行相关参数的设定便可以启动这一功能。

基本设置完成后还要设定弹射起步控制的目标值，也就是第一次换挡前车速（前轮轮速）与发动机转速的关系。根据去年赛车测试结果，75 m直线加速第一次换挡时车速是35 km/h。而今年赛车的主减速比为3，川崎发动机变速箱二挡的传动比为2.2，所以赛车二挡运行时从发动机到轮胎的总传动比为6.6，由此可以计算出每个车速所对应的的发动机转速，再结合滑转率与附着系数的关系，可以确定每个车速下获得最大纵向附着系数的发动机转速。如图2所示，当车速达到35 km/h时，弹射起步控制结束，紧接着马上进入牵引力控制模式。表1就是弹射起步控制过程中，对ECU标定的车速与目标转速的设置。

2 牵引力控制研究

2.1 牵引力控制的原理

图2 弹射起步控制和牵引力控制模式的切换Fig.2 Conversion of launch control mode and traction control mode

牵引力控制的原理和弹射起步控制差不多，不同的是弹射起步控制是利用发动机目标转速来控制，只需要前轮轮速；而牵引力控制是利用目标滑转率来控制，所以同时需要驱动轮轮速和前轮轮速。

表1 弹射起步控制过程中不同车速的目标转速设定值Tab.1 Target rotating speed set points of different speed in the process of launch control

驱动轮的运动状态可分为滚动和滑转两种形式，这两种形式往往同时存在[3]。在地面状况不变的情况下，随着发动机输出扭矩的增加，车轮滚动成分将会越来越少，而滑转成分将会越来越多。从图3可以看出，单从纵向力来考虑的话滑转率最好在30%左右，从侧向稳定性方面考虑的话滑转率越小越好[4]。由此可见理想的滑转率需要同时兼顾纵向和侧向的情况，滑转率在15%左右时（图中阴影部分）赛车具有较好的纵向和侧向附着系数。

图3 滑转率与附着系数的关系曲线Fig.3 Slip rate-adhesion coefficient curve

2.2 牵引力控制的实现

牵引力控制系统对驱动轮的控制方式有发动机输出转矩控制、驱动轮制动力控制和差速器锁止控制等方式[5]。发动机输出转矩可以通过以下3种方式来调节：节气门开度调节，减少或切断喷油量，减小点火提前角或切断点火。针对赛车的具体情况，只能采用断油或断火的方式，M800 ECU已经开发了这一功能。具体设置如表2（滑移计算模式：0：牵引力控制和弹射起步控制关闭；1：前轮速度对驱动轮速；2：滑移电压频道；3：驱动轮速变化率；4：转速变化率；5：档位。对于弹射起步只用1还要设置控制参数）。

表2 牵引力控制基本设置Tab.2 The basic settings of traction control

基本设置完成后还要设定牵引力控制的目标滑转率，如表3。当车速达35 km/h时将切换到牵引力控制模式，此后ECU将利用4个轮速传感器传来的轮速信号实时计算滑转率，并与目标滑转率对比，采用PID控制[6]，把驱动轮滑转率保持在目标值范围内。

另一方面，为了在滑转率超过目标值时赛车不至于因为断火而损失过多的动力，尤其是在低转速或节气门开度比较小的时候，有必要设定在不同工况下发动机动力的最大减少量。如表4所示，0%表示不减少任何动力即不断火，100%表示全部动力切断。

表3 牵引力控制目标滑转率Tab.3 The target slip rate of traction control

表4 牵引力控制各工况动力最大减少量Tab.4 The maximum loss of traction control power in some working condition

图4是在同一条自制赛道上，由同一位已经熟练掌握赛车跟赛道情况的车手在起始载油量相同、底盘调教参数相同、当时气温气候相似、赛道表面情况基本不变的情况下测得的有装TC与没装TC的圈速对比。可以直观地看出，设置TC后，赛车的圈速有了显著的提高。

图4 圈速对比Fig.4 Lap contrast

3 结束语

在赛车比赛中，如何提升赛车性能以达到节省时间，提高稳定性能已经开始成为众多车队所共同追求的目标。在国外，FSAE大赛已经十分成熟，外国车队对于牵引力系统，弹射起步和升档断火的研究上面都有着较为丰富的经验。相对于国内来说，中国大学生方程式汽车大赛 (Formula SAE of china)起步较晚，在国内才举办了两届，就2011年35支来自国内的车队来看，还没有一个车队拥有一个比较完整的牵引力系统，我们车队在这方面有比较大的突破，对我们的成绩有了很大的提升。在赛车比赛中，如何提升赛车性能以达到节省时间，提高稳定性能已经开始成为众多车队所共同追求的目标。

[1]李理光.2011中国大学生方程式汽车大赛规则 （公示版）[EB/OL].[2011-03-29].http://www.tsinghua.edu.cn/publish/dae/4390/20110613115453426818957/rule.pdf.

[2]李建秋，赵六奇，韩晓东,等.汽车电子学教程[M].北京:清华大学出版社，2009.

[3]党建民.拨片换挡大学生FSAE赛车(第二届)应用研究[D].广州:华南理工大学机械与汽车工程学院毕业论文，2011.

[4]殷瑞祥，罗昭智，朱宁西.电路基础[M].广州:华南理工大学出版社，2004.

[5]殷瑞祥，朱宁西，丘晓华.模拟电子技术[M].广州:华南理工大学出版社，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.