汽车性能集成开发实战手册
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2.2.1 指标体系

驾驶性指标体系主要包括加速踏板特性、稳态车速控制、起步加速响应、行驶加速响应、典型车速下各档位最大爬坡度(特征转速下的各档位转矩储备)、能量回收制动减速度指标(含滑行制动感)、Tip in/Tip out响应和换档质量等。

1.加速踏板特性

电子加速踏板(图2-4)控制系统主要由加速踏板、加速踏板位移传感器、电子控制单元(ECU)、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。加速踏板位移传感器传送加速踏板踩踏行程与快慢的信号给控制器,控制器解读后发出相应的控制指令给节气门,节气门依指令快速或缓和开启对应的开度。从驾驶性的角度来说,加速踏板的特性主要体现在踩踏过程中加速踏板力的变化,以及行程合理性两个特征。图2-5所示为电子加速踏板原理图。

图2-4 电子加速踏板

图2-5 电子加速踏板控制原理图

图2-6所示为加速踏板力与踏板行程关系曲线,实线表示踩踏过程中踩踏力的变化,即从0踩踏力输入开始,踩踏力随着行程的增大而增大的过程;虚线是松踏板过程中的回复力变化,即从最大踏板行程开始,踩踏力随着行程的减小而变小的过程。踏板力过大,一方面引起长时间匀速驾驶时的腿部疲劳,另一方面间接影响加速感觉,误以为节气门响应慢;踏板力过小,也不利于稳速控制,容易导致腿部僵硬。图2-6中踏板力关键指标参数含义如下:

1)N1代表踏板初始力(N)。

2)N2代表95%节气门开度时踏板力(N)。

3)N3代表回复力(N)。

4)S1代表踏板初始力对应踏板行程(mm)。

5)S2代表95%节气门开度时踏板行程(mm)。

6)S3代表踏板全行程(mm)。

图2-6 加速踏板力与踏板行程关系曲线

通常情况下,电子加速踏板配有两个位移传感器,图2-7所示为加速踏板电压信号与踏板行程关系曲线。实线表示电位信号-1,是ECU主要读取的信号;虚线表示电位信号-2。图2-7中踏板行程关键指标参数含义如下:

图2-7 加速踏板电压信号与踏板行程关系曲线

1)V1-1代表电位信号-1的初始电压,根据传感器确定。

2)V1-2代表电位信号-1的全行程电压,根据传感器确定。

3)V2-1代表电位信号-2的初始电压,根据传感器确定。

4)V2-2代表电位信号-2的全行程电压,根据传感器确定。

5)S4代表初始电压对应的行程,也就是前端电压空行程。

6)S5代表有效电压对应的行程,也就是电压有效行程。

ECU主要读取电位信号-1的电压信号,在电压有效行程区间内截取,用于标定加速踏板百分比。如图2-8所示,加速踏板百分比0位与加速踏板行程0位并不对应,百分比0位对应的踏板行程为S6,即加速踏板空行程,S7则是踏板有效行程区间。而踏板有效行程直接影响驾驶性,前段空行程过长,导致加速迟滞、无响应;有效行程过长,容易导致加速响应慢,需要深踩踏板;而有效行程过短,则不利于稳速控制,容易产生冲击、顿挫等,需要在开发阶段加以控制和约束。通常要求S6取值不大于3mm,S7取值为40~45mm。

图2-8 加速踏板特性(行程-电压-百分比)

2.稳态车速控制

该指标主要反映稳速加速踏板行程,是指在匀速行驶过程中加速踏板踩下的距离。该指标需要反映以下两个特征:

1)常用车速段内,匀速行驶的车速与该车速下加速踏板踩下的距离呈线性关系,符合驾驶人的预期,工程上主要考核20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h等典型车速下的加速踏板行程。

2)常用车速对应的加速踏板行程应符合人机工程,避免长时间匀速驾驶、姿势持续不变带来的不适。长时间匀速驾驶以高速公路、长距离驾驶居多,也是最容易出现驾驶姿势固定不变,导致肢体不适的工况。因此,乘用车通常以高速公路最高限制车速120km/h的加速踏板行程为主要设计参考,结合加速踏板特性和人机工程,通常定义该车速下加速踏板行程为12~14mm,对应加速踏板百分比为25%~30%。

基于以上两点,稳速加速踏板行程的指标定义如图2-9所示,以120km/h车速、14mm加速踏板行程、30%加速踏板百分比作为主要指标,分别定义20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h等典型车速的加速踏板行程和加速踏板百分比。

3.起步加速响应

该指标主要是指车辆在起步加速过程中,不同加速踏板行程下的加速度响应,该指标描述成不同踏板行程下,最大加速度与此时加速踏板行程的关系曲线和达到特定加速度的时间。该指标需要反映以下三个特征:

图2-9 稳速加速踏板特性

1)常用加速踏板行程段内,加速度与该加速踏板行程呈线性关系,符合驾驶人的预期,工程上主要考核2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm等特征加速踏板行程下的加速度。

2)常用加速踏板行程主要基于统计学和人机工程需求,起步过程加速踏板行程较小,乘用车通常以7.5mm加速踏板行程的加速度作为主要指标,分别定义2.5mm、5mm、10mm、12.5mm、15mm等加速踏板行程对应的加速度要求,起步加速响应的指标定义如图2-10所示。

3)针对特定加速度的响应时间,如图2-11所示,通常定义两个标准要求:

① 起步开始至整车加速度达到0.2g的时间,通常要求小于0.4s。

② 起步开始至整车加速度达到0.95倍最大加速度时的时间,通常要求小于0.8s。

图2-10 起步加速响应曲线

4.行驶过程加速度响应

该指标主要是指在行驶时,驾驶人继续踩下加速踏板后的整车加速响应增益,该指标可以描述成车辆在匀速行驶时,驾驶人每踩下1mm加速踏板所能产生的加速度,单位为g/mm,通常考查12.5mm的情况,即在某个稳速的情况下,将加速踏板踩下12.5mm后,整车在该车速下产生一个加速度ag),此时整车加速响应增益为。该指标需要反映以下两个特征:

图2-11 节气门全开加速响应

1)车速越低,同等条件下,相应的加速度增益越高,驾驶人中低车速下对加速度的响应需求,随着车速的增加而降低。

2)针对同一种类的车,该指标通常分成经济(ECO)、舒适(Normal)、运动(Sport)三个级别,如图2-12所示。实际开发中,可根据不同的车型和市场定位确定不同的指标级别,或者对应不同的驾驶模式。

图2-12 行驶加速响应系统增益

5.典型车速-档位最大爬坡度

该指标主要是指在匀速行驶过程中,变速器位于适当档位(发动机转速在1500~2200r/min之间),随着道路坡度增加,车速和档位能够维持不变的最大坡度。该指标主要针对高速公路巡航工况优化,反映高速巡航稳定性:

1)针对手动档车型,避免出现在巡航过程中因道路纵向坡道上升,导致车速下降,迫使驾驶人手动降档。

2)针对自动档车型,随着道路纵向坡道上升,可以通过增加加速踏板行程来维持原车速,但增加加速踏板行程同样存在触发降档而带来发动机转速和噪声发生变化的问题,需要通过策略进行规避。

该指标主要参考表2-1所列公路设计规范中关于最大纵向坡度限制值的规定,整车开发时需考虑满足以上公路坡道设计要求。

表2-1 公路最大纵向坡度

6.单踏板能量回收减速度

该指标主要是指D档条件下,在加速踏板行程输入下(含加速踏板行程为0的情况),车速从高速自由滑下至最低稳定车速过程中的减速度,该指标针对新能源汽车。

1)单从能耗的角度来说,最强的能量回收(加速踏板行程为0)减速度越大越好,可以覆盖更多的减速工况,且车速越高,同样的减速度带来的回收能量越多。

2)由于高车速下,较大的减速度带来的危险程度较高,同时容易造成驾驶人不适,相对中低车速,较大的减速度更有利于单踏板控制。

图2-13所示为滑行能量回收减速曲线。

图2-13 滑行能量回收减速曲线

7.Tip in/Tip out响应

Tip in主要是指D档滑行状态下,加速踏板在0.2s之内从行程为0增加到一定行程(通常考查12mm)时,车辆所产生的纵向加速度变化过程;Tip out主要是指D档匀速行驶状态下,加速踏板在0.2s之内从稳态车速行程状态变成行程为0时,车辆所产生的纵向加速度的变化过程。该指标可通过急动度表征,主要通过局部标定参数优化:

1)传动系统处于硬连接状态,即手动档车型离合器完全结合,自动档(AT)车型需要在手动模式(M模式),且液力变矩器必须处于锁止状态。

2)操作前,车辆处于稳定状态,即滑行状态或者匀速行驶状态,不包含连续Tip in/Tip out交替进行。

Tip in和Tip out响应曲线如图2-14所示,Tip in和Tip out响应要求分别见表2-2和表2-3,瞬态工况分解表见表2-4。

图2-14 Tip in和Tip out响应曲线

表2-2 Tip in响应要求

表2-3 Tip out响应要求

表2-4 瞬态工况分解表

8.换档质量

该指标指在变速器换档过程中由车辆传动系统带来的冲击程度,主要通过急动度表征,换档平顺性与用户的满意程度密切相关。该指标主要通过局部标定参数优化:

1)冲击程度越大(急动度越大),用户满意程度越低。

2)通常当急动度>1.3g/s时,用户会有明显的不适感。

3)换档过程中的降扭(“减油”)、离合器滑磨(踩离合器踏板)、增扭(“加油”)等瞬态工况分解与上述Tip in/Tip out基本对应,可参考分析。

换档过程冲击程度曲线如图2-15所示。