趙永坡，謝善亮，李　康，逄淑一

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000)

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全地形沙地策略提升車輛通過性能的試驗研究

趙永坡，謝善亮，李康，逄淑一

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000)

摘要：常規(guī)車輛的性能設(shè)計主要是針對鋪裝路面，這有可能導(dǎo)致車輛在沙地路面行駛過程中遇到陷車和動力性差等問題。本文通過對比車輪在鋪裝路面和沙地路面下的受力狀況，分析導(dǎo)致此問題發(fā)生的原因。針對此問題，開發(fā)了一種能夠自動識別路面類型的控制算法。根據(jù)路面識別情況，制定發(fā)動機、變速器及TCS沙地的控制策略來提高車輛的沙地通過性能。最后通過實車標(biāo)定，驗證該控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：路面識別；發(fā)動機控制策略；變速器控制策略；TCS控制策略

1車輛沙地行駛面臨的問題

沙地路面車輛的通過性能不僅與車輛通過性參數(shù)(如通過角、接近角、離去角)相關(guān)，而且也取決于車輛電控系統(tǒng)的控制策略及標(biāo)定匹配結(jié)果。汽車在沙地上起步、加速、爬坡時，由于沙地路面的特殊性，即使通過降低胎壓增加輪胎接地面積的方式[1]，車輛提供的驅(qū)動力依然很低，驅(qū)動車輪易發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)，而發(fā)生“刨沙”現(xiàn)象，使車輪在很短的時間內(nèi)下陷很深，甚至原地滑轉(zhuǎn)，出現(xiàn)陷車[2]。因此，無特殊控制策略的車輛，即使是四驅(qū)車，在沙地中行駛的通過性也很差。

2路面識別策略原理

由于車輛在鋪裝路面和沙地路面下的受力不同，為保證車輛在鋪裝路面和沙地路面都能夠有很好的通過性能，首先需識別當(dāng)前路面，使車輛能夠自動識別出車輛所處的路況(鋪裝路面或者是沙地路面)。

路面識別的原理主要是以車輪的動態(tài)變化作為參考，設(shè)置相應(yīng)的輪邊加速度門限(如圖1點a、點b所示)。當(dāng)加速度超過門限時，計數(shù)器增加；否則，計數(shù)器按時間遞減。路面識別原理如圖1所示。

圖1　路面識別工作原理圖

根據(jù)車輛驅(qū)動形式，前驅(qū)、后驅(qū)或前后驅(qū)動比設(shè)定車輪不同權(quán)重，當(dāng)所有車輪計數(shù)器的加權(quán)平均值超過門限時，即設(shè)置成相應(yīng)的路面，見式(1)。

C=(CFL+CFR)*WeightFA

+(CRL+CRR)*WeightRA

(1)

式中，C為計數(shù)器加權(quán)平均值；CFL、CFR、CRL、CRR為4個車輪計數(shù)器數(shù)值；WeightFA、WeightRA為前后軸權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)實車標(biāo)定時定義車輪加速度門限和計數(shù)器加權(quán)平均值C來保證路面識別的魯棒性，避免誤觸發(fā)。

3車輛沙地策略制定

相較于鋪裝路面，車輛在沙地中起步時，駕駛員很容易踩出更大的油門踏板行程，進而易引起驅(qū)動車輪的過度滑轉(zhuǎn)。沙地加速行駛時，受到的阻力也會越來越大[5]。針對沙地路面下所遇到的車輛打滑和動力性差的問題，通過協(xié)調(diào)控制發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)、變速器控制單元(TCU)和牽引力控制系統(tǒng)(TCS)，提高車輛在沙地路面下的整車動力性，避免陷車。

3.1發(fā)動機管理系統(tǒng)和變速器控制單元

為避免車輛起步打滑和行駛過程中動力性不足，從扭矩輸出角度出發(fā)控制車輛扭矩的輸出，要求車輛起步時小扭矩輸出，避免打滑出現(xiàn)“刨沙”，行駛過程中大扭矩輸出，克服較大的行駛阻力。

發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS沙地控制策略的原則為：起步或低速時發(fā)動機扭矩要緩慢輸出，避免滑移；高速時扭矩要快速輸出，保證輸出足夠大的扭矩，使得車輛在沙地上能夠順利行駛。通過改變踏板行程所對應(yīng)的油門開度的方式實現(xiàn)對發(fā)動機扭矩需求的變化，如圖2所示。

圖2　EMS控制策略流程圖

沙地油門開度值處理的原則是，先對油門開度值進行縮小，然后進行放大。踏板縮放的具體數(shù)值在實車標(biāo)定過程中確定，在標(biāo)定過程中修正25%、50%及75%踏板行程時對應(yīng)的油門開度，通過多項式擬合來修正0～100%之間的油門開度值。油門開度處理的示意圖如圖3所示，圖中，曲線1為正常油門開度，曲線2為沙地模式下油門開度。

圖3　沙地EMS油門開度值處理示意圖

由于本文主要是解決沙地路面下車輛起步打滑及加速階段動力性不足問題，主要考慮變速器升擋情況，不考慮變速器的降擋情況。

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配合發(fā)動機扭矩輸出，定義變速器換擋曲線要求：與標(biāo)準(zhǔn)換擋曲線相比，小油門時提前升擋，減少扭矩輸出，大油門時延遲升擋，維持大扭矩輸出。變速器在沙地模式與標(biāo)準(zhǔn)模式下的升擋曲線對比如圖4所示。以50%油門開度為基準(zhǔn)，小于50%時提前升擋；超過50%時，延遲升擋。

圖4　沙地TCU升擋曲線示意圖

3.2牽引力控制系統(tǒng)(TCS)

車輛在不同路面情況下最佳滑移率控制范圍(陰影區(qū)域)不同，而且由于沙地路面的特殊性，滑移率控制不同于普通的鋪裝路面，如圖5所示。

圖5　不同路面附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系

牽引力控制系統(tǒng)(TCS)是以滑移率為控制目標(biāo)，應(yīng)用PID控制算法，根據(jù)實際驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速差值計算車輪端目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，通過發(fā)動機扭矩請求與制動器制動實現(xiàn)車輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

考慮到沙地路面遇到的實際問題，要求牽引力控制系統(tǒng)(TCS)：低速階段小滑移率時起作用，保證車輛起步車輪剛有打滑趨勢時，系統(tǒng)立即起作用，控制發(fā)動機扭矩的輸出或在打滑車輪上施加制動力，降低車輪的滑移率，避免車輪過度滑轉(zhuǎn)或出現(xiàn)“刨沙”現(xiàn)象，便于起步；高速階段大滑移率時起作用，保證在行駛過程中能夠給車輛提供足夠的動力，便于車輛在沙地中的快速行駛，如圖6所示。

圖6　沙地TCS控制策略示意圖

4試驗驗證

車輛的電控系統(tǒng)都需要實車性能標(biāo)定。針對上述控制策略，駕駛哈弗某四驅(qū)車在沙地路面進行了性能標(biāo)定和策略驗證。

連續(xù)進行了多次路面識別試驗，采集車輪轉(zhuǎn)速進行處理，獲得輪邊加速度(輪胎與地面接觸點的加速度)，鋪裝路面和沙地4個車輪的輪邊加速度的波動范圍，如圖7、圖8所示。

圖7　鋪裝路面下4個車輪的輪邊加速度

圖8　沙地路面下4個車輪的輪邊加速度

圖7為根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得到的鋪裝路面的輪邊加速度變化情況，其波動范圍為-30m/s2～30m/s2，波動范圍較小。圖8為沙地的輪邊加速度變化情況，波動范圍為-85m/s2～100m/s2。為防止路面的誤觸發(fā)，保證路面識別的準(zhǔn)確性，設(shè)置鋪裝路面輪邊加速度的波動范圍為-40m/s2～40m/s2。當(dāng)加減速度超過此門限值時，計數(shù)器開始計數(shù)，計算計數(shù)器的加權(quán)平均值。當(dāng)加權(quán)平均值C大于50時，即識別為沙地路面，否則為車輛默認的鋪裝路面。

在相應(yīng)沙地路面進行路面識別策略驗證工作。圖9中，曲線1為TCS工作信號，曲線2為沙地狀態(tài)信號，曲線3為油門踏板信號，曲線4為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。從曲線2可以看出，車輛能夠按照上述策略自動識別出沙地路面(1-沙地，0-非沙地)。

為了驗證路面識別功能的魯棒性，在鋪裝路面上行駛，如圖10所示，沒有沙地誤識別的情況發(fā)生(沙地信號置0)。由此可知，上述路面識別算法是可信的。

圖9　沙地路面識別

圖10　鋪裝路面識別

4.2沙地性能驗證

根據(jù)制定的發(fā)動機、TCU及TCS控制策略在沙地路面進行標(biāo)定匹配，將標(biāo)定匹配后的車輛與無沙地控制策略的車輛進行性能對比試驗，主要考查TCS介入時機、車輪轉(zhuǎn)速波動情況、車輛從0加速到10m/s時的時間及加速度。

圖11中，曲線1為TCS工作信號(1-TCS激活，0-TCS未激活)，曲線2為油門踏板信號，曲線3為發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，曲線4為4個車輪轉(zhuǎn)速信號。在軟質(zhì)沙地直線行駛的工況中，無沙地控制策略的車輛，由于TCS起作用時的滑移率門限較低(相對于沙地控制策略中高速階段TCS激活時的滑移率較低)，在t1=9.7s時TCS激活，介入太早，導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)速在182～253r/min變化，波動較大(波動量Δn=71r/min)；車輛從0加速到10m/s的時間t2=14.1s，平均加速度為0.71m/s2，車輛動力性不能夠充分發(fā)揮，加速性能不好。

圖11　直線加速無沙地控制策略的車輛狀態(tài)

圖12為有沙地控制策略的車輛，TCS在起步階段小滑移率時即起作用，發(fā)動機轉(zhuǎn)速有所下降，從而避免了驅(qū)動輪的“刨沙”下陷，利于起步。

高速階段在有較大滑移時，TCS才開始介入，介入時機合適，車輪轉(zhuǎn)速在241～256r/min變化，波動較小(波動量Δn=15r/min)。車輛從0加速到10m/s的時間t4=10.9s，平均加速度為0.92m/s2，能夠充分發(fā)揮車輛動力性，加速性能好，使得車輛能夠順利行駛。

圖12　直線加速有沙地控制策略的車輛狀態(tài)

5 結(jié)論

(1)試驗數(shù)據(jù)表明，加速度門限a設(shè)置在-40m/s2～40 m/s2，加權(quán)平均值C門限為50時，能夠識別出沙地路面。

(2)通過實車標(biāo)定，有沙地控制策略的車輛能夠?qū)崿F(xiàn)起步階段小滑移率時TCS激活，高速階段大滑移率時TCS激活，車輪轉(zhuǎn)速在241～256r/min變化，波動量Δn=15r/min，波動小；從0加速到10m/s時的平均加速度為0.92 m/s2，加速性能好。

(3)沙地控制策略很好地解決了車輛在沙地行駛中遇到的車輪打滑及動力性不足的問題，提高了車輛在沙地的通過性。

參考文獻

[1]李杰,莊繼德,魏東,等.沙漠仿生輪胎與普通輪胎牽引性能的對比試驗[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,36(4):510-513.

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[5]劉靈敏.沙灘車AMT離合器起步控制方法研究[D].吉林大學(xué),2009.

[收稿日期]2016-06-22

[作者簡介]趙永坡(1980-)，男，工程師，主要從事動力學(xué)性能開發(fā)、試驗測試、駕駛輔助系統(tǒng)開發(fā)、底盤調(diào)校等工作。

中圖分類號：U461.5+1

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.008

Experimental Research on All-terrain Sand Strategy Used to Improve Vehicle Driving Ability

Zhao Yongpo, Xie Shanliang, Li Kang, Pang Shuyi

(Great Wall Motor Co., Ltd. Hebei Automobile Technology Research Center, Baoding 071000, Hebei, China)

Abstract：Performance design of conventional vehicle is aimed at regular road, which will possibly cause the vehicle to sink into the sand or have bad power performance when driving in the sand. The causes of above problems are analyzed in the paper by comparing force analysis of a wheel in hard pavement and sand pavement. Firstly, a method of automatically detecting pavement type is developed to solve the problems, and then the sand control strategies of EMS, TCU and TCS are made according to the detection result to improve the driving ability of vehicle. Finally, the validity of the strategies is verified through real vehicle calibration.

Keywords:road identification; EMS control strategy; TCU control strategy; TCS control strategy