摘 要：文章通過使用氣動(dòng)元件，代替車手對(duì)FSAE賽車搭載的序列式變速箱執(zhí)行換擋動(dòng)作，從而大大減少換擋時(shí)間、提高換擋穩(wěn)定性，并有效的提高賽車在各個(gè)項(xiàng)目的成績。本文主要介紹基于CATIA的換擋系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、觸發(fā)換擋信號(hào)的撥片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、充放氣氣路的設(shè)計(jì)、以及基于Altium Designer 10 的控制集成電路設(shè)計(jì)。最后通過整套系統(tǒng)的實(shí)物測試，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

前言

賽車運(yùn)動(dòng)中，對(duì)于賽車所搭載的序列式變速箱而言，撥片換擋相對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械換擋具有較大的性能優(yōu)勢。而氣動(dòng)換擋作為撥片換擋的一種較為經(jīng)濟(jì)的方式，可以在較低成本的前提下獲得較大的性能提升，解放車手的雙手，有效的提高賽車在各個(gè)項(xiàng)目的成績。

本文從FSAE大學(xué)生方程式賽車的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，針對(duì)賽車所采用的WR450發(fā)動(dòng)機(jī)及其自帶的序列式5檔變速箱，設(shè)計(jì)了一套氣動(dòng)換擋系統(tǒng)。滿足了FSAE賽車快速、便捷換擋的目的，明顯地提升了賽車性能，同時(shí)也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)原理

1.1 換擋技術(shù)概述

撥片換擋技術(shù)最早起源于 F1 賽車，近些年在乘用車上也逐漸流行起來。撥片換擋即在方向盤后面加裝撥片，換擋過程中，駕駛員手不需離開方向盤，不用腳踩離合器，只需撥動(dòng)撥片，利用方向盤后撥片的開關(guān)信號(hào)通過自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)換擋。這種換擋的主要優(yōu)勢在于使駕駛員能夠更加快速的完成換擋操作，另外對(duì)于換擋的時(shí)機(jī)和換擋力的控制也更加精確，大大提高了賽車操縱性能。換擋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種形式：

氣動(dòng)換擋：即利用氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)換擋桿施加推力和拉力，實(shí)現(xiàn)換擋。氣動(dòng)換擋系統(tǒng)一般包括氣體、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣的氣瓶、減壓閥、電磁閥、氣缸以及控制器等部件，通過電信號(hào)控制壓縮氣體經(jīng)由氣缸執(zhí)行換擋動(dòng)作。在乘用車上，普通 H 型手動(dòng)擋的換擋至少需要兩個(gè)氣缸，才能完成 X 和 Y 軸兩個(gè)方向的動(dòng)作。而在賽車上所常見的序列式變速箱只需要一個(gè)氣缸即可實(shí)現(xiàn)升檔和降檔，設(shè)計(jì)較為方便，控制上也容易實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)換擋：電動(dòng)換擋的形式有很多，常見的換擋執(zhí)行器有齒輪馬達(dá)、電磁推桿等等，利用馬達(dá)提供的扭矩或電磁推桿的推力完成換擋動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)高速換擋，需要執(zhí)行器瞬時(shí)提供強(qiáng)大的扭矩或推力，這些用電設(shè)備的瞬時(shí)電流也會(huì)非常大，對(duì)電壓的管理要求相對(duì)較高。同時(shí)高扭矩（或高推力）的馬達(dá)或電磁推桿在國內(nèi)很難買到， 價(jià)格也較昂貴，故從系統(tǒng)落地周期以及成本角度考慮，可行性相對(duì)較低。

所以對(duì)于FSAE大學(xué)生方程式賽車，氣動(dòng)換擋是在綜合考慮成本、性能、開發(fā)周期、安全性等因素下的最優(yōu)選擇。故本文選擇氣動(dòng)換擋系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，應(yīng)用在FSAE賽車上。

1.2 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)原理

對(duì)于一般乘用車而言，升檔操作包括以下幾步：踩離合、松油門、換擋、松離合、補(bǔ)油。要想完成一次平順的換擋，使車輛運(yùn)行無頓挫感，需要以上步驟精確的配合。而氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，就是要做到車手只需要觸動(dòng)撥片開關(guān)， 不踩離合，不松油門，就可以由換擋系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行以上幾個(gè)步驟。

本文所要設(shè)計(jì)的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，是針對(duì)FSAE賽車上所搭載序列式變速箱的換擋輔助系統(tǒng)。由于序列式變速箱換擋只有上下兩個(gè)動(dòng)作，相比于普通H擋手動(dòng)變速箱操作簡單，換擋時(shí)間短。而且因?yàn)橹荒馨错樞蛞来螕Q擋，所以不容易損壞變速箱。這樣簡單的換擋動(dòng)作，可以用一個(gè)雙作用氣缸代替完成。

整個(gè)換擋系統(tǒng)除了變速箱，一般還包括撥片信號(hào)觸發(fā)機(jī)構(gòu)、用于儲(chǔ)存氣體的氣瓶、降低氣壓的減壓閥、控制氣體的電磁閥、用于做功的氣缸及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)、以及相關(guān)的信號(hào)采集檢測與控制系統(tǒng)。

下圖為本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)示意圖，其中包括氣路部分布置與電路布置。鑒于換擋系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文中基于自主研發(fā)的控制電路模塊，將僅針對(duì)信號(hào)采集以及控制氣缸完成換擋動(dòng)作的過程，而暫不介紹與離合器控制相關(guān)的控制與和 ECU 有關(guān)的斷油補(bǔ)油控制。


圖1 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)原理圖

2 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于換擋系統(tǒng)的原理圖，本文將換擋系統(tǒng)細(xì)分為換擋撥片機(jī)構(gòu)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、充放氣氣路、換擋電氣控制等四個(gè)子系統(tǒng)?，F(xiàn)對(duì)這四個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分別介紹。

2.1 換擋撥片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

換擋撥片作為換擋的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，是車手控制換擋系統(tǒng)的唯一紐帶。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)該注重穩(wěn)定性，還要保證一定的撥片手感。

2.1.1 撥片開關(guān)

撥片開關(guān)用于換擋信號(hào)的觸發(fā)，是換擋控制系統(tǒng)的重要部件，故其選型主要考慮到使用穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)選用的開關(guān)為防水防爆開關(guān)。耐壓值為250V，最大電流2A，接觸電阻50毫歐。絕緣電阻100M歐。使用溫度為-20度到85度。壽命為20萬次。以上參數(shù)完全可以滿足其在賽車上作為換擋開關(guān)的使用要求。

2.1.2 撥片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

撥片機(jī)構(gòu)如圖2，包括抬高墊圈、延伸墊片、撥片支架與撥片。

撥片固定在撥片支架上。車手通過撥動(dòng)撥片按下開關(guān)，觸發(fā)換擋操作。同時(shí)撥片設(shè)計(jì)尺寸較大，為了能夠讓車手在駕駛的同時(shí)，更加方便的找到撥片，實(shí)現(xiàn)“盲操作”。


圖2 按鈕選型與撥片設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

2.2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

換擋動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由氣缸、換擋臂與氣缸支架組成。氣缸作為換擋機(jī)構(gòu)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選型尤為重要，氣缸的主要基本參數(shù)有缸徑與行程。要想成功換擋，需要有兩個(gè)必要條件，即足夠的換擋力以及足夠的換擋作用角度。在氣壓一定的情況下，換擋力主要由氣缸的缸徑?jīng)Q定，換擋作用角度由氣缸行程和換擋搖臂共同決定。

通過查詢技術(shù)參數(shù)，賽車搭載的序列式變速箱需要的換擋力大致為約為11.25Nm，所需換擋角度約為32度。在滿足換擋力與角度要求的同時(shí)，為了保證換擋的成功率與換擋速度，應(yīng)該盡量減少充氣時(shí)間和作用過程，這樣才能夠縮短換擋時(shí)間，提升賽車性能。

首先對(duì)氣缸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。原則上，為了使氣缸快速充氣，減少換擋時(shí)間，所以應(yīng)該盡量用最大的氣壓來工作。市場上氣缸的耐壓值一般為0.7MPa~1MPa不等。而缸徑有12mm、16mm、20mm、25mm等各類氣缸。這樣，可以方便的得出各個(gè)氣缸可以提供的最大輸出力分別約為：90N、161N、251N、393N。

變速箱自帶的換擋搖臂原長大約為90mm。根據(jù)換擋所需扭矩，從而可以推算出需要?dú)飧资┘拥膿Q擋力大約為125N。這樣就初步選定了缸徑16mm的氣缸作為執(zhí)行元件。因?yàn)闅飧椎哪蛪褐禐?bar，故此氣缸能提供的最大輸出力為：

（1）

得出F=160.85N。而根據(jù)換擋所需扭矩11.25Nm來計(jì)算，可以得出所選氣缸所對(duì)應(yīng)的換擋長度約為70mm，下圖即為設(shè)計(jì)的換擋原理圖。左圖初始狀態(tài)下，氣缸活塞位于中部，且氣缸與換擋搖臂垂直。右圖為換擋過程中，換擋搖臂的上下極限位置角度，即可得到氣缸上下的行程，從而確定氣缸的有效行程。


圖3 氣缸行程原理圖

從圖中可以看出，要提供32度的轉(zhuǎn)角，50mm的氣缸行程即可滿足需求，且正好有一定的余量。

根據(jù)上述計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)與選型，并結(jié)合實(shí)際的整車布置情況，本文對(duì)整個(gè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。下圖是換擋機(jī)構(gòu)的實(shí)際三維模型設(shè)計(jì)，包括了換擋搖臂、氣缸支架、氣缸、電磁閥與電磁閥支架。


圖4 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)建模

由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出鏈輪與用于支撐鏈輪力的支架都為整車主要承力部件，其形狀都經(jīng)過了拓?fù)鋬?yōu)化的分析與嚴(yán)密設(shè)計(jì)，所以不方便改動(dòng)，換擋機(jī)構(gòu)只能避免與這些機(jī)構(gòu)造成干涉。氣缸輸出軸的直徑為8mm，攻有0.8mm螺距的螺紋，連接一個(gè)桿端軸承。軸承與換擋搖臂末端連接，連接處安裝帶有橡膠墊的螺栓，防止換擋瞬間沖擊過大而造成的結(jié)構(gòu)損傷，提高機(jī)構(gòu)壽命。

氣缸支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)支架上。參見圖4。氣缸動(dòng)作時(shí)，會(huì)有輕微的扭轉(zhuǎn)，所以氣缸支架設(shè)計(jì)成可以帶著氣缸繞著固定軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在行程的極限位置又保證不會(huì)與電磁閥相干涉。

2.3 充放氣氣路設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)換擋，氣源不可缺少。從上節(jié)的計(jì)算可以得出，成功換擋需要為氣缸提供至少8個(gè)大氣壓的氣體，作為動(dòng)力源。由于FSAE賽車是一輛單座小型賽車，整車質(zhì)量約為200kg左右，質(zhì)量最輕的賽車僅需150kg左右。所以在車上加裝空氣壓縮泵等機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)賽車重量帶來較大影響，而且對(duì)只有33kW的發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)構(gòu)成不小的負(fù)擔(dān)。所以，本文將壓縮好的氣體存放在氣瓶里，當(dāng)作氣動(dòng)系統(tǒng)的氣源。

本文采用二氧化碳作為推動(dòng)氣缸做功的氣體，主要考慮到它易液化的性質(zhì)。這樣，在一定的氣瓶體積下，氣體以液態(tài)的形式存在于氣瓶中，能夠保證比賽過程中更多次的使用。氣瓶的選型包括氣瓶材質(zhì)與體積。另外由于氣瓶的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，所以氣瓶的接口各異，選型也應(yīng)考慮的瓶頭閥的選型。

2.3.1 氣瓶設(shè)計(jì)選型

氣瓶的容積根據(jù)氣體的需求量來確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，整場比賽總共需要換擋300多次，加上安全系數(shù)，取500次作為氣瓶能夠提供給氣缸做功的次數(shù)。假設(shè)每次換擋都用盡氣缸半缸的氣體，且整個(gè)過程氣體溫度不變，忽略二氧化碳?xì)饣鼰釒淼挠绊?。依?jù)理想氣體狀態(tài)方程：

（2）

可知當(dāng)氣體溫度不變時(shí)，氣體在各狀態(tài)下的氣壓與對(duì)應(yīng)的體積的乘積應(yīng)該等于一個(gè)定值。即常用到的一個(gè)推論：

PV=PV1+PV2+PV3··· （3）

式中P，V為氣瓶內(nèi)的初始體積與壓強(qiáng)。Pn，Vn為每次放氣的體積和對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)，當(dāng)每次放氣的壓強(qiáng)和體積相等時(shí)：

PV=nP0V0 （4）

式中，P0V0是每次放出的體積與壓強(qiáng)，n為放氣次數(shù)。當(dāng)放氣次數(shù)要求為500次，選用內(nèi)徑16mm，換擋行程為25mm（單次換擋行程為氣缸總行程的一半）的氣缸時(shí)：

（5）
（6）

將數(shù)據(jù)帶入上式?？梢缘玫阶罱K需要的氣體質(zhì)量m約為36g。而二氧化碳液態(tài)時(shí)密度與水相當(dāng)，所以只需要不到0.1L的氣瓶就可以滿足要求。為了保守起見，本文選用0.4-0.5L的氣瓶，同時(shí)也可以提高換擋機(jī)構(gòu)的持續(xù)使用性。

同時(shí)，考慮到碳纖維氣瓶耐壓值一般可達(dá)30MPa，質(zhì)量也非常輕，正符合了賽車對(duì)于輕量化的要求，能夠最大限度的符合對(duì)性能的追求。故選用碳纖維材質(zhì)的氣瓶來儲(chǔ)存液態(tài)的二氧化碳。

2.3.2 氣管與減壓閥的設(shè)計(jì)選型

二氧化碳在氣缸做功時(shí)，氣壓約為0.8MPa，即8bar。所以可以選用PU管作為傳送氣體的介質(zhì)。PU管標(biāo)稱耐壓值為10bar，實(shí)際耐壓可高達(dá)16bar。

由于在氣瓶中氣壓約為5.8MPa。所以，在氣瓶出口，必須要接一個(gè)減壓閥，將管內(nèi)氣壓降至1MPa左右，才能保證氣管不被壓爆。同時(shí)還要有一個(gè)瓶口閥，可以控制出氣的開關(guān)，允許直接通過瓶口閥向內(nèi)充氣。兩個(gè)閥還需要與氣瓶相匹配，才能發(fā)揮出最佳工作效果。

最終本文選擇了容積0.5L，工作壓力為50MPa的碳纖維氣瓶，并找到了與之匹配的減壓閥與瓶口閥，使得整套充放氣裝置重量僅有1.1Kg，體積也十分緊湊。


圖5 充放氣裝置

2.3.3 電磁閥的設(shè)計(jì)選型

氣動(dòng)換擋過程中，需要將一路具有一定壓力的氣體，按照實(shí)際需求分配給雙作用氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣口，所以在本設(shè)計(jì)中要用到方向控制閥。

圖6是方向控制閥的典型結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)二位五通直動(dòng)式彈簧復(fù)位閥。其主要結(jié)構(gòu)有：


圖6 電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（1） 電磁鐵

（2） 控制活塞

（3） 滑柱式銅芯

（4） 閥體

（5） 復(fù)位彈簧

（6） 出氣口

（7） 手動(dòng)按鈕

（8） 電磁鐵接線座

根據(jù)氣動(dòng)換擋的實(shí)際應(yīng)用場景，使用頻率要求不高，但需要較大的流量和壓強(qiáng)，所以本文選用先導(dǎo)式電磁閥來進(jìn)行氣路控制。

2.4 換擋電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從前幾節(jié)可以看出，要完成換擋控制，需要進(jìn)行換擋觸發(fā)信號(hào)采集、檔位信號(hào)采集、電磁閥控制等。這些功能的實(shí)現(xiàn)都離不開集成電路與單片機(jī)的控制。本節(jié)將簡要介紹氣動(dòng)換擋的電氣硬件部分。

2.4.1 信號(hào)采集與控制底板設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與控制底板是單片機(jī)核心板與無線發(fā)射模塊等的接口，上面還集成了許多功能模塊。其設(shè)計(jì)主要為了對(duì)賽車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄、無線發(fā)送、接收以及換擋控制、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制等。由于其功能針對(duì)性強(qiáng)，本文自行設(shè)計(jì)了此款底板，具有集成度高、體積小、功能豐富等特點(diǎn)。其主要功能包括：

1) 4路外部觸發(fā)中斷

2) 2路溫度檢測

3) 13路AD檢測

4) 5路脈沖計(jì)數(shù)

5) 7路低端輸出（1A）

6) 1路H橋（10A）

7) 1路CAN

8) 三軸加速度/陀螺儀(12位精度)

9) 時(shí)鐘模塊

10) SD卡記錄

11) 無線數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊

12) 電子鑰匙無線遙控器接收模塊

13) 5V輸出（2A）

其中換擋部分需要用到的幾個(gè)功能有：

2路外部觸發(fā)中斷，接兩個(gè)撥片觸點(diǎn)信號(hào)開關(guān)。1路AD檢測，用于檢測檔位。4路脈沖計(jì)數(shù)，用于測量四個(gè)輪子的輪速。CAN總線，負(fù)責(zé)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、儀表的信息交互。2路低端輸出，用于電磁閥的控制。


圖7 數(shù)據(jù)采集電路板2.0版PCB設(shè)計(jì)與打樣裸板

2.4.2 單片機(jī)簡介

該單片機(jī)用在信號(hào)采集與控制底板上。在賽車上，要求單片機(jī)工作穩(wěn)定，而底板的要求又較高，所以單片機(jī)采用飛思卡爾的S12系列16位單片機(jī)，型號(hào)為MC9S12XEP100MAL。

本次選用的MC9S12XEP100MAL是一款高性能雙核16位單片機(jī)，它內(nèi)部集成了16路，12bit的AD轉(zhuǎn)換器、8路可級(jí)聯(lián)的PWM、多路外部觸發(fā)中斷、多路CAN，SCI，SPI等總線接口，非常適合嵌入式開發(fā)。這些多功能引腳可以減少控制系統(tǒng)的外部元器件，簡化電路，而且具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3 換擋系統(tǒng)測試

對(duì)于賽車所搭載的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，最需要關(guān)心的是能否穩(wěn)定換擋，以及單次充氣后換擋次數(shù)能否達(dá)到要求。如果換擋的成功率低，則將會(huì)嚴(yán)重影響賽車及車手的發(fā)揮。而換擋次數(shù)不能達(dá)到要求，在賽場上將導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)的癱瘓。

在整套換擋系統(tǒng)中，最需要進(jìn)行可靠性驗(yàn)證的就是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際的工作情況和理論計(jì)算的背景會(huì)有較大的差別，所以需要不斷地進(jìn)行測試和改進(jìn)。

根據(jù)本文對(duì)整套換擋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將換擋系統(tǒng)各個(gè)子部分進(jìn)行加工制造或選型，并裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱上（如下圖中所示），同時(shí)在FSAE賽車上進(jìn)行了實(shí)際的測試。


圖8 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱上的裝配


圖9 換擋系統(tǒng)在賽車上的測試

在經(jīng)過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的多次實(shí)驗(yàn)與測試后，結(jié)果顯示，整體換擋成功率維持在90%左右，換擋延遲約為150ms-200ms，單次充氣后的換擋次數(shù)也完全可以滿足單場比賽的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本滿足了目標(biāo)要求，但日后還需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

4 總結(jié)與展望

本文基于FSAE大學(xué)生方程式賽車所搭載的序列式變速箱，設(shè)計(jì)并制造了一套氣動(dòng)換擋系統(tǒng)。并且通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了整套換擋系統(tǒng)能夠在賽車靜止以及動(dòng)態(tài)測試的時(shí)候順利實(shí)現(xiàn)加減檔操作。不僅實(shí)現(xiàn)了整套氣動(dòng)換擋裝置的基本功能，滿足了賽車對(duì)于高性能、快速換擋的需求，同時(shí)也一定程度上兼顧了經(jīng)濟(jì)性，符合FSAE比賽的原則與初衷。

另外，整套系統(tǒng)依然存在一些需要改進(jìn)的地方。比如會(huì)出現(xiàn)氣壓不穩(wěn)定、換擋卡頓、偶爾甚至?xí)霈F(xiàn)換不上檔等問題。這就需要接下來進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，比如在氣體利用率的提高、機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、線束的優(yōu)化、控制電路的集成化等方面進(jìn)行更加深入的工作。