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大学生方程式赛车的发动机牵引力控制与弹射起步研究

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。

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M800ECU(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。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35km/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

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。

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。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。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。

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。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)。

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,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。

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。

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