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Workshop 5-  車輛驗證工作坊

講者 I 黃平、簡百辰

編輯 I 蕭憶珊

發文時間:Apr. 09 2024

講者介紹

 

黃平

現職美國通用汽車 Performance Systems Integration Engineer,同時擔任FST評審。擅長跑車系統整合和賽道模擬。

 

 

 

簡百辰 

現就讀於帝國理工電機電子工程學系,並擔任FST機械組設計評審。擅長車輛動力學及自動控制。曾任2019年臺北科技大學車隊底盤組組長、設計報告負責人。

Part 1. 如何驗證你的學生方程式賽車?

 

為何要驗證?

  1. 驗證車子是否符合設計目標 (Design target)

  2. 驗證車子是否符合當初設定的規格 (Requirement)

  3. 驗證車子的結果是否符合最初的模擬 (Simulation)

 

車輛驗證前-先做好安全檢查 (Safety Check)

 

無論進行何種測試和模擬,都必須首先確保車輛的安全。這包括以下幾點:

 

  1. 確認大電的開關功能正常

  2. 確認輪胎已固定穩固

  3. 確認所有零件都是穩固的

  4. 確認車手穿上合格的安全裝備,包括安全帽、安全帶、賽車服等。確保符合FSAE和FIA的規定,絕不能使用過期的裝備

 

直線動態驗證 (Longitudinal dynamics validation):直線煞車、直線加速與滑行

 

直線動態驗證項目包含直線煞車 (Deceleration, straight-line braking)、直線加速 (Acceleration, straight-line launch) 及滑行 (Coasting)。滑行是量產階段最重要的驗證項目,但在FSAE中並非重點項目。

如何驗證煞車系統?

 

直線煞車 (Straight-line braking) 常測試的項目有以下三大類,煞車的表現也間接地決定了車輛在賽道上的表現:

 

I. 測試煞車G值(重力加速度)的最大值。

 

II. 測試煞車穩定性。測試重踩煞車時,車輛是否穩定、車尾是否會甩動。煞車穩定性決定了車手可以在賽道上開多快。煞車系統不穩定,會導致賽道上無法提高速度。

 

III. 輪胎鎖死測試時,可以收集以下數據進一步分析:
 

  • 氣缸壓力 (Cylinder pressure):測試當胎壓值達到多高時才會鎖死?

  • 輪胎壓力 (Tire pressure):監測煞車時的總綱壓力,觀察重煞車時輪胎胎壓變化。

  • 環境溫度 (Ambient temperature):紀錄測試當天的氣溫,並與比賽當日的氣溫做比較。因輪胎胎壓會隨著溫度變化,如果測試是在二、三月進行,天氣較冷,而比賽是在七、八月的暑期,那麼測試時的數據可能不適用於比賽時的情境,甚至可能帶來意想不到的結果,這樣的情況下如果比賽時依然使用測試時的設定,結果很可能會不如預期。

  • 車輪速度 / 車輛速度 (Wheel speed / vehicle speed):紀錄最佳的輪速滑動比 (slip ratio) %。

  • 車身高度 (Ride height) :觀測煞車時的車身高度,煞車時前軸是否會碰到地板?若碰到地板則不符合比賽規定

 

如何驗證加速系統?

 

直線加速 (Straight-line launch) 常測試的項目有以下三大類,加速的表現也間接地決定了車輛在賽道上的表現:

 

I. 測試加速時的最大G值。

II. 測試加速穩定性。全踩油門、全速加速時是否有穩定性的問題?車尾是否會擺動?方向盤是否會拉扯?

III. 測試車輪滑移率 (Wheel slip condition) %。如果有輪速感測器,可以紀錄最大滑移率大約是多少。測試過程中,也可以收集以下數據進一步分析:

 

  • 輪胎壓力 (Tire pressure):觀察加速時輪胎胎壓變化。

  • 環境溫度 (Ambient temperature):紀錄測試當天的氣溫,並與比賽時的氣溫做比較

  • 車輪速度/車輛速度 (Wheel speed/vehicle speed)

  • 車輪跳動/振動 (Wheel hop/vibration):觀察油門踩到底時是否有車輪跳動的情形,嚴重的話傳動軸會因震動而斷掉,要避免這樣的狀況。

  • 動力傳動系統扭矩 (Powertrain torque request):觀察全油門時,馬達是否給足預期動力。例如,有些情況下,馬達最高可以達到400牛頓米 (Nm),但是實際全踩油門時,只Mapping到一半,200牛頓米 (Nm)。

  • 車身高度 (Ride height):加速的時候,注意後軸不要碰到地板

 

側向車輛動態驗證 (Lateral Dynamics Validation)

I. 恆定轉向測試 (Constant steer ramping in different speed) 

在特定車速下,或是在不同的車速下慢慢地轉動方向盤,例如,以每秒一度或每秒兩度的方式轉動方向盤,保持轉向速率一致(如每秒一度或每秒兩度)。這樣的測試可以產生有趣的數據,例如:

 

  • Understeer Gradient (RWA vs Ay):Y軸為前輪兩個輪子平均轉向角,X軸為橫向加速度。

  • Roll Gradient (Roll Angle vs Ay):Y軸為側向滾動角度,X軸為橫向加速度。

  • Understeer Angle (UA vs Ay):Y軸為Understeer角度,X軸為橫向加速度。

  • Steering Sensitivity (SWA vs Ay):Y軸為橫向加速度,X軸為方向盤轉角。

(詳細說明請查看影片17:15)

 

II. 繞錐測試 (Slalom)

III. 計時測試 (Autocross)

Part 2. FSAE動態模擬介紹與範例

目前在FSAE比賽中廣泛使用的模擬軟體主要有兩種:CarSim和CarMaker。前者在美國和日本被廣泛使用,後者在歐洲是主流。學長分享,由於兩者之間的邏輯相似,模型也可以互相轉換,因此無法評斷哪款更好。主觀上認為CarSim的使用者介面較為親民,但另一方面,CarMaker為FSAE車隊提供免費的使用權。

 

為何使用商用模擬軟體?有哪些優缺點?以下以CarSim為例說明。

 

優點一:方便省時,降低錯誤

使用商用軟體的好處是可以省去大量的建模時間,並減少出錯的機會。軟體內置有FSAE範例車輛,參數自由度高達幾百個,若自行在開發環境中手動編寫程式碼,會非常容易出錯且耗時。

優點二:可模擬賽道和路面

CarSim內置的FSAE程式可以模擬不同工況與賽道,而賽道和路面的模擬比較難在自行開發的環境中手動完成。

 
優點三:FSAE範例

CarSim中包含多個FSAE項目範例,並配有簡單的使用者介面,便於進行設置調整。

 

優點四:支援與外部軟體串接

例如,可以將CarSim與用Simulink寫的控制法串接,做聯合模擬

 

使用商用模擬器的缺點?

對於一些非常見於車輛上的特殊懸吊系統或特殊機構,商用軟體無法直接設定。此外,CarSim和CarMaker在進行最優單圈計算(laptime optimization)時,並不是最強的模擬器,這方面相對較為弱勢。

 

清大賽車工廠六代車CarSim建模範例

 

本節學長以清大2022年德國賽的車子 NTHU06 作為範例,介紹如何在CarSim中設定車輛參數,並提供如何取得參數的建議,同時也探討各參數對整車的影響。

 

車輛配置與關鍵參數 (更多細節請參考影片中精彩的介紹!)

 

  1. Mass Property 質量屬性

  2. Aerodynamic 空氣動力學

  3. Powertrain 動力系統

  4. Suspension 懸吊系統

  5. Steering and Brake 轉向及煞車

  6. Tire Model 輪胎模型


CarSim模擬包含八字環繞 (Skidpad)、計時賽 (Autocross)、耐久賽 (Endurance)

請見影片00:54:03處


 

Q&A Session

如何驗證模擬的真實性?請見影片01:08:32處

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