電動換擋在FSC賽車上的應用設計與實現*

王昌碩 郝亮 馬建強 梁廣振 高祥 皓倪權（遼寧工業大學）

中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規則和賽車制造標準，在一年時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動及操控性等方面具有優異表現的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環節的比賽。在傳統的FSC賽車制作過程中，一般采用手動離合和換擋桿，這樣的換擋系統在比賽過程中容易反應慢，使賽車手駕駛疲勞。因此，在傳統換擋機械裝置基礎上，采用電子控制進行換擋，提高換擋的反應速度，在FSC賽事中體現出換擋的智能性，故研究電動換擋有著必然的趨勢和必然性。

1 系統總體設計

設計開發FSC賽車上的電動換擋系統，使用開關作為輸入信號發生源，開關作為系統前端采集設備，將采集到的信號輸入到微處理器中，使用PWM（脈寬調制）算法，對采集到的信號進行運算處理，根據輸出運算結果（扭矩）控制大功率直流電機帶動拉桿機構等機械裝置完成自動換擋，實現FSC賽車的電動智能換擋。硬件包括單片機最小系統模塊、電源模塊及直流電機驅動模塊[1]等電路。

本系統采用51單片機作為控制器，實時獲取方向盤上按鈕的開關信號，控制電機換擋，其系統電路總體架構，如圖1所示。電源模塊采用將12 V車載直流電源轉換為5 V的電源供電。直流電機驅動模塊采用H橋全橋整流電路能夠實現正反轉的目的。軟件部分用C語言編程，在keil軟件上進行操作和程序校核，系統原理圖，如圖2所示。

1.1 系統硬件設計

利用Altiumdesigner軟件畫出電路結構框架圖，繪制電路板。采用51單片機、+5 V電源供電。51單片機作為處理器，有成本低、體積小、質量輕、抗干擾能力強及運行穩定等優點[2]。

電源模塊將12 V車載直流電源轉換為5 V的電源供控制器使用，采用防干擾設計，是系統穩定運行的設計基礎，如圖3所示。

電機驅動采用H橋驅動電路，可以很方便實現直流電機的四象限運行，達到正裝和反轉的目的，如圖4所示。

換擋機構的推桿結構[3]是利用CATIA三維設計出來的，導入CAXA中做出二維圖。為了保證換擋強度，采用兩端是球頭結構，中間用中空螺紋桿連接作為推桿。電機輸出軸通過鍵連接與旋轉桿相連[4]，將電機的轉矩輸出，連到推桿，再連接發動機本身的換擋結構，從而將電機的輸出轉矩成為了代替傳統換擋結構中人的臂力，實現了電機換擋。節省了駕駛員的體力，減少賽車駕駛員的駕駛疲勞。推桿機構，如圖5所示。

1.2 系統軟件設計

在keil軟件中運用C語言進行軟件編程，根據實際需要實現軟件邏輯思路，采用PWM算法[5]，通過用PWM（即脈寬調制）來改變送給電動機的平均電壓，達到調節的目的，編程的軟件界面，如圖6所示。

2 整體系統調試

將系統安裝在FSC賽車上，進行實車試驗，通過車手關于行駛中換擋的成功率和換擋平順性的反饋，對換擋時間間隔和響應速度進行了多次調節，以及對換擋機構的穩定性進行測試，換擋機構的實際裝配，如圖7所示。

3 結論

電動換擋系統能夠準確地對開關輸入信號進行有效采集和處理，根據輸出扭矩控制大功率直流電機帶動拉桿機構等機械裝置完成自動換擋的功能，通過實車匹配試驗有效地解決了電動換擋實時性、精確性及穩定性的問題，電動換擋系統在FSC實車應用不僅大大地減輕了駕駛員的實際換擋操縱負荷，而且在提高換擋效率的同時，也提高了行車的安全性，這充分證明了電動智能換擋在FSC賽車上應用的可行性。