手动档汽车起步性能评价方法与试验研究*

陈 彬，朱省会，韩浩廷，杨 柳，祖万里，葛胜迅

(安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

手动档汽车的起步对驾驶技术有一定的要求，车辆的起步性能作为驾驶员频繁感受到的性能之一，对驾驶感受影响明显，该性能对于提升手动档车辆的客户口碑有着重要意义. 车辆拥有优秀的起步性能，驾驶员可实现较容易的起步操控，车辆不易熄火且具有良好的起步动力感受.

当前，业内针对车辆的起步性能评价主要集中于极端环境下的车辆起步能力研究[1，2]，以及手动档车辆起步防止熄火的相关研究[3，4]. 通过识别发动机转速和离合器结合度进行发动机转速提升的相关控制，在一定程度上提升了手动档车辆的起步熄火难度，但是没有建立起步性能测试评价与优秀的起步辅助控制方法.

本文使用两款不踩油门起步过程控制差异明显的手动档汽车，基于转鼓台架探索了起步相关的发动机性能、离合器性能、起步辅助策略的测试与验证方法，并提出了不同起步工况的量化指标，结合驾驶员感受对车辆进行客观评价，为提升手动档车辆的起步性能提供合理、可靠、完备的测试、评价与优化手段.

1 起步性能评价内容

起步工况包括不踩油门起步和踩油门起步，踩油门起步效果由油门踏板和离合器踏板的配合决定，不踩油门起步则更为直接体现了车辆整体的性能与电控策略，且对踩油门起步操控具有明显的影响. 本文研究内容主要针对不踩油门起步.

1.1 起步动力性

驾驶员在起步过程可以感受到的动力性相关信息主要为车速和加速度，因此，提取起步时间、峰值加速度、动力响应数据进行起步动力性评价，详细评价项目如下所示.

1)0 km/h～3 km/h、0 km/h～5 km/h的起步时间；

2)松开离合器踏板至车速为0.2 km/h的时间，松开离合器踏板至峰值加速度的时间；

3)不踩油门可通过的最大过坡坡度；

4)不踩油门可实现的最大不溜坡坡度.

1.2 动力系统性能

车辆的起步性能受动力与传动系统影响明显，测试了发动机在起步转速下的全油门最大驱动力，用于评价发动机在低转速区间的动力性能，分析车辆起步性能优化空间. 另外，测试离合器踏板开度与转鼓轮边驱动力关系，评价离合器动力传递的能力与稳定性.

1.3 起步辅助策略分析与验证

将车辆起步过程分为 4 个阶段：松离合器至离合器未结合阶段、离合器结合但车辆静止阶段、车辆移动且离合器半联动阶段、离合器完全结合阶段，分析各阶段发动机转速的控制过程与效果. 创新性开展了不踩油门过坡测试，得到车辆可通过的最大坡道以及爬坡过程的转速信息，验证车辆的起步辅助策略.

2 台架试验测试方案

根据车辆起步性能相关评价内容，构建了如图 1 所示的测试系统，主要数采设备、传感器的技术指标如表1 所示.

图 1 测试系统原理图

表1 主要传感设备性能指标

测试系统由信号传感器组、数据采集器和计算机组成[5]. 瞬时油耗仪采集油耗信息，转鼓试验台提供轮毂轮边力和车速信息，线位移传感器采集离合器踏板位移信息，转速仪接车身诊断OBD口采集发动机转速信息，车身CAN可读取发动机转速、油门开度、发动机输出扭矩等信息[6]. 数据采集器基于美国NI的虚拟仪器及C模块构建[7]，实现对上述信息的实时同步采集，并通过网线上传至便携式计算机进行保存、实时显示. 试验车辆如图 2 所示.

图 2 测试车辆图

3 起步性能试验

3.1 不同工况的起步试验

设置转鼓试验台架为道路模式[8]，加载车辆行驶阻力[9]，驾驶员通过控制离合器踏板，开展不同的离合器最低结合转速起步试验，具体方法如下：驾驶员踩下离合器踏板调整档位至一档，然后松开离合器踏板起步，当车速达到一档最低稳定车速后停止试验. 重复以上操作，每次以不同的速度松开离合器踏板，以获取不同的离合器最低结合转速的起步过程数据.

3.2 离合器传动性能试验

为测试离合器的动力传递性能，设置转鼓试验台架为恒速模式[8]，车速设置为0 km/h. 驾驶员踩下离合器踏板调整档位至一档，然后缓慢松开离合器踏板，随着离合器的结合，驱动力增加，但是发动机负载不断增加，超过一定负载后发动机转速开始下降，至车辆熄火后停止试验.

3.3 起步转速下的发动机动力试验

为测试车辆起步过程发动机可输出的峰值动力，提取车辆起步过程的离合器最低结合转速工作范围，并四舍五入取整至50的倍数. 以试验样车为例，发动机转速范围为500 r/min～900 r/min，以50 r/min等间隔设置试验转速点，使用车辆的一档速比ig、主减速比i0、轮胎滚半径r计算各试验转速点ni对应的一档车速Vi[10]

(1)

设置转鼓试验台架为恒速模式，车速依次设置为Vi. 驾驶员缓慢松开离合器踏板后，将油门踏板踩至最大，20 s后结束试验.

3.4 过坡试验

设置转鼓试验台架为道路模式，驾驶员以一档不踩油门驾驶车辆，转鼓以1%坡度、50 s的时间等间隔增加坡度阻力，至车辆熄火停止试验.

4 数据处理与评价

4.1 不踩油门起步

统计各起步工况下的最低离合器结合转速，以最低离合器结合转速代表驾驶员的不同起步离合器控制效果. 统计各工况下0 km/h～3 km/h、0 km/h～5 km/h 的起步时间，评价车辆的动力性以及起步动力性与驾驶操控的关系，数据如表2 所示.

表2 起步性能数据统计

甲车0 km/h～3 km/h起步时间较短，说明甲车的起步动力响应较好. 乙车在离合器最低结合转速为 600 r/min 时的起步效果较好，但是离合器操控难度较高，而甲车相应的离合器控制难度较低.

4.2 离合器传动性能

随着离合器的结合，传递至轮边驱动力逐渐上升，上升的趋势与稳定性代表了发动机扭矩输出和离合器动力传递性[11]. 基于转鼓采集到的车轮上的驱动力F，换算成该车的爬坡度i，计算方法如式(2)所示，其中m为车辆满载质量，g为重力加速度. 使用爬坡度进行对比可消除车辆质量差异的影响，数据结果如图 3 所示，随着离合器的结合，甲车爬坡能力较好且平稳，说明甲车的动力系统性能较优. 另外，在车辆静止状态下，两车均可实现接近20%的坡道不溜坡，坡起动力性均较好.

(2)

图 3 动力系统性能对比示意图

在离合器结合过程中，发动机负载增加，起步辅助策略可通过稳定发动机转速提升起步过程驱动力. 如图 4 所示，甲车的转速补偿明显，起步过程转速控制稳定，不易熄火且动力感受较好.

图 4 起步转速补偿对比示意图

4.3 起步转速下的发动机最大驱动力

由各起步过程最低离合器结合转速点的最大驱动力计算爬坡度，各测点转速下的峰值爬坡度代表了发动机的低转速动力性能，可判断该车起步性能的优化空间. 如图 5 所示，将车轮上的驱动力换算成爬坡度，相同转速下，甲车可发挥的最大驱动力大于乙车，乙车的最大爬坡度均在15%以上，说明乙车的起步性能具有较大优化空间.

图 5 最大驱动扭矩对比示意图

4.4 过坡能力

测试车辆在不踩油门下能通过的最大爬坡度，爬坡度越大代表车辆在坡道上起步越不容易溜坡，有利于坡道起步. 爬坡过程的发动机转速控制效果和过坡能力也反应了该车起步辅助策略.

如图 6 所示，两车的最大过坡坡度一致，但是甲车爬坡过程转速控制稳定，乙车发动机转速随着坡度的增加而逐渐下降，说明乙车起步过程没有进行转速稳定控制.

图 6 过坡性能对比示意图

4.5 起步辅助策略解析

甲车起步过程表现较好，该车起步辅助策略如图 7 所示.

1—松离合转速上升；2—离合器结合过程转速平稳；3—离合器完全结合；4—达到最高车速后回落

车辆在档踩离合状态下，发动机转速约900 r/min，当松开离合器踏板，发动机转速上升至1 250 r/min，随着离合器的结合，转速先较为稳定，后由于离合器结合导致发动机负载增加，出现转速下降，但快速回升至1 250 r/min后缓慢回落. 控制过程如图 8 所示.

图 8 起步辅助控制过程示意图

离合器结合初期，较高的发动机飞轮转速为起步提供动力，离合器结合后的车速伴随转速上升，起步过程动力充沛. 起步辅助控制模拟优秀驾驶员起步操控过程，电控喷油代替驾驶员踩油门控制转速，使得起步过程容易操控，且拥有较好的起步感受.

5 结 论

本文引入了全面的手动档汽车起步动力性测试与评价方法，构建了多工况的起步测试与驾乘感受评价，并基于转鼓试验台架，开展了起步工况下的发动机和离合器性能测试、优秀起步辅助策略解析与验证等内容，成果对于汽车企业优化手动档车辆起步辅助策略，提升起步动力感受有着重要的指导意义，且该研究方法具有通用性.