基于賽車序列式變速箱的氣動換擋系統設計＊

楊晨曦，馬鈞

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

前言

賽車運動中，對于賽車所搭載的序列式變速箱而言，撥片換擋相對傳統手動機械換擋具有較大的性能優勢。而氣動換擋作為撥片換擋的一種較為經濟的方式，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項目的成績。

本文從FSAE大學生方程式賽車的設計需求出發，針對賽車所采用的WR450發動機及其自帶的序列式5檔變速箱，設計了一套氣動換擋系統。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，同時也具有較好的經濟性。

1 氣動換擋系統原理

1.1 換擋技術概述

撥片換擋技術最早起源于 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，只需撥動撥片，利用方向盤后撥片的開關信號通過自動控制來實現換擋。這種換擋的主要優勢在于使駕駛員能夠更加快速的完成換擋操作，另外對于換擋的時機和換擋力的控制也更加精確，大大提高了賽車操縱性能。換擋的執行機構通常有氣動和電動兩種形式：

氣動換擋：即利用氣缸等執行機構對換擋桿施加推力和拉力，實現換擋。氣動換擋系統一般包括氣體、壓縮機、儲氣的氣瓶、減壓閥、電磁閥、氣缸以及控制器等部件，通過電信號控制壓縮氣體經由氣缸執行換擋動作。在乘用車上，普通 H 型手動擋的換擋至少需要兩個氣缸，才能完成 X 和Y 軸兩個方向的動作。而在賽車上所常見的序列式變速箱只需要一個氣缸即可實現升檔和降檔，設計較為方便，控制上也容易實現[1]。

電動換擋：電動換擋的形式有很多，常見的換擋執行器有齒輪馬達、電磁推桿等等，利用馬達提供的扭矩或電磁推桿的推力完成換擋動作。為了實現高速換擋，需要執行器瞬時提供強大的扭矩或推力，這些用電設備的瞬時電流也會非常大，對電壓的管理要求相對較高。同時高扭矩（或高推力）的馬達或電磁推桿在國內很難買到， 價格也較昂貴，故從系統落地周期以及成本角度考慮，可行性相對較低。

所以對于FSAE大學生方程式賽車，氣動換擋是在綜合考慮成本、性能、開發周期、安全性等因素下的最優選擇。故本文選擇氣動換擋系統進行開發設計，應用在FSAE賽車上。

1.2 氣動換擋系統原理

對于一般乘用車而言，升檔操作包括以下幾步：踩離合、松油門、換擋、松離合、補油。要想完成一次平順的換擋，使車輛運行無頓挫感，需要以上步驟精確的配合。而氣動換擋系統的設計要求，就是要做到車手只需要觸動撥片開關，不踩離合，不松油門，就可以由換擋系統自動執行以上幾個步驟。

本文所要設計的氣動換擋系統，是針對FSAE賽車上所搭載序列式變速箱的換擋輔助系統。由于序列式變速箱換擋只有上下兩個動作，相比于普通H擋手動變速箱操作簡單，換擋時間短。而且因為只能按順序依次換擋，所以不容易損壞變速箱。這樣簡單的換擋動作，可以用一個雙作用氣缸代替完成[2]。

整個換擋系統除了變速箱，一般還包括撥片信號觸發機構、用于儲存氣體的氣瓶、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行機構、以及相關的信號采集檢測與控制系統。

圖1 氣動換擋系統原理圖

圖1為本文設計的氣動換擋系統示意圖，其中包括氣路部分布置與電路布置。鑒于換擋系統的復雜性，本文中基于自主研發的控制電路模塊，將僅針對信號采集以及控制氣缸完成換擋動作的過程，而暫不介紹與離合器控制相關的控制與和 ECU 有關的斷油補油控制。

2 氣動換擋系統設計方案

基于換擋系統的原理圖，本文將換擋系統細分為換擋撥片機構、換擋執行機構、充放氣氣路、換擋電氣控制等四個子系統。現對這四個子系統的設計進行分別介紹。

2.1 換擋撥片機構設計

換擋撥片作為換擋的觸發機構，是車手控制換擋系統的唯一紐帶。該機構的設計不僅應該注重穩定性，還要保證一定的撥片手感。

2.1.1 撥片開關

撥片開關用于換擋信號的觸發，是換擋控制系統的重要部件，故其選型主要考慮到使用穩定性。本設計選用的開關為防水防爆開關。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。以上參數完全可以滿足其在賽車上作為換擋開關的使用要求。

2.1.2 撥片機構設計

撥片機構如圖 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。車手通過撥動撥片按下開關，觸發換擋操作。同時撥片設計尺寸較大，為了能夠讓車手在駕駛的同時，更加方便的找到撥片，實現“盲操作”。

圖2 按鈕選型與撥片設計細節

2.2 換擋執行機構設計

換擋動作的執行機構主要由氣缸、換擋臂與氣缸支架組成。氣缸作為換擋機構的動力執行機構，選型尤為重要，氣缸的主要基本參數有缸徑與行程。要想成功換擋，需要有兩個必要條件，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決定，換擋作用角度由氣缸行程和換擋搖臂共同決定[3]。

通過查詢技術參數，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，為了保證換擋的成功率與換擋速度，應該盡量減少充氣時間和作用過程，這樣才能夠縮短換擋時間，提升賽車性能。

首先對氣缸尺寸進行設計。原則上，為了使氣缸快速充氣，減少換擋時間，所以應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。根據換擋所需扭矩，從而可以推算出需要氣缸施加的換擋力大約為125N。這樣就初步選定了缸徑16mm的氣缸作為執行元件[4]。因為氣缸的耐壓值為8bar，故此氣缸能提供的最大輸出力為：

得出F=160.85N。而根據換擋所需扭矩11.25Nm來計算。可以求得換擋搖臂的長度：

可以得出所選氣缸所對應的換擋長度約為 70mm，下圖即為設計的換擋原理圖。左圖初始狀態下，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度的轉角，50mm的氣缸行程即可滿足需求，且正好有一定的余量。

根據上述計算得到的相關參數與選型，并結合實際的整車布置情況，本文對整個換擋執行機構進行了設計。下圖是換擋機構的實際三維模型設計，包括了換擋搖臂、氣缸支架、氣缸、電磁閥與電磁閥支架。

圖4 換擋執行機構設計建模

由于發動機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，其形狀都經過了拓撲優化的分析與嚴密設計，所以不方便改動，換擋機構只能避免與這些機構造成干涉。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構損傷，提高機構壽命。

氣缸支架固定在發動機支架上。參見圖4。氣缸動作時，會有輕微的扭轉，所以氣缸支架設計成可以帶著氣缸繞著固定軸旋轉，同時在行程的極限位置又保證不會與電磁閥相干涉。

2.3 充放氣氣路設計

要實現氣動換擋，氣源不可缺少。從上節的計算可以得出，成功換擋需要為氣缸提供至少8個大氣壓的氣體，作為動力源。由于FSAE賽車是一輛單座小型賽車，整車質量約為200kg左右，質量最輕的賽車僅需150kg左右。所以在車上加裝空氣壓縮泵等機構會對賽車重量帶來較大影響，而且對只有33kW的發動機也會構成不小的負擔。所以，本文將壓縮好的氣體存放在氣瓶里，當作氣動系統的氣源。

本文采用二氧化碳作為推動氣缸做功的氣體，主要考慮到它易液化的性質。這樣，在一定的氣瓶體積下，氣體以液態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與體積。另外由于氣瓶的應用領域較廣，所以氣瓶的接口各異，選型也應考慮的瓶頭閥的選型。

2.3.1 氣瓶設計選型

氣瓶的容積根據氣體的需求量來確定。根據經驗，整場比賽總共需要換擋300多次，加上安全系數，取500次作為氣瓶能夠提供給氣缸做功的次數。假設每次換擋都用盡氣缸半缸的氣體，且整個過程氣體溫度不變，忽略二氧化碳氣化吸熱帶來的影響。依據理想氣體狀態方程：

可知當氣體溫度不變時，氣體在各狀態下的氣壓與對應的體積的乘積應該等于一個定值。即常用到的一個推論[5]：

式中P，V為氣瓶內的初始體積與壓強。Pn，Vn為每次放氣的體積和對應的壓強，當每次放氣的壓強和體積相等時：

式中，P0V0是每次放出的體積與壓強，n為放氣次數。當放氣次數要求為 500次，選用內徑 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：

將數據帶入上式。可以得到最終需要的氣體質量m約為36g。而二氧化碳液態時密度與水相當，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，同時也可以提高換擋機構的持續使用性。

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

2.3.2 氣管與減壓閥的設計選型

二氧化碳在氣缸做功時，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。PU管標稱耐壓值為10bar，實際耐壓可高達16bar。

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

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 電磁閥的設計選型

氣動換擋過程中，需要將一路具有一定壓力的氣體，按照實際需求分配給雙作用氣缸的兩個進氣口，所以在本設計中要用到方向控制閥。

圖6是方向控制閥的典型結構。這是一個二位五通直動式彈簧復位閥。其主要結構有：

（1）電磁鐵

（2）控制活塞

（3）滑柱式銅芯

（4）閥體

圖6 電磁閥內部結構圖

（5）復位彈簧

（6）出氣口

（7）手動按鈕

（8）電磁鐵接線座

根據氣動換擋的實際應用場景，使用頻率要求不高，但需要較大的流量和壓強，所以本文選用先導式電磁閥來進行氣路控制。

2.4 換擋電氣控制系統設計

從前幾節可以看出，要完成換擋控制，需要進行換擋觸發信號采集、檔位信號采集、電磁閥控制等。這些功能的實現都離不開集成電路與單片機的控制。本節將簡要介紹氣動換擋的電氣硬件部分。

2.4.1 信號采集與控制底板設計

信號采集與控制底板是單片機核心板與無線發射模塊等的接口，上面還集成了許多功能模塊。其設計主要為了對賽車進行數據采集、記錄、無線發送、接收以及換擋控制、發動機冷卻系統控制等。由于其功能針對性強，本文自行設計了此款底板，具有集成度高、體積小、功能豐富等特點。其主要功能包括：

1）4路外部觸發中斷

2）2路溫度檢測

3）13路AD檢測

4）5路脈沖計數

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）時鐘模塊

10）SD卡記錄

11）無線數據接收/發送模塊

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功能有[6]：

2路外部觸發中斷，接兩個撥片觸點信號開關。1路AD檢測，用于檢測檔位。4路脈沖計數，用于測量四個輪子的輪速。CAN總線，負責與發動機ECU、儀表的信息交互。2路低端輸出，用于電磁閥的控制。

圖7 數據采集電路板2.0版PCB設計與打樣裸板

2.4.2 單片機簡介

該單片機用在信號采集與控制底板上。在賽車上，要求單片機工作穩定，而底板的要求又較高，所以單片機采用飛思卡爾的 S12系列 16位單片機，型號為 MC9S12XEP100 MAL[7]。

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

3 換擋系統測試

對于賽車所搭載的氣動換擋系統，最需要關心的是能否穩定換擋，以及單次充氣后換擋次數能否達到要求。如果換擋的成功率低，則將會嚴重影響賽車及車手的發揮。而換擋次數不能達到要求，在賽場上將導致換擋系統的癱瘓。

在整套換擋系統中，最需要進行可靠性驗證的就是換擋執行機構，因為機械結構實際的工作情況和理論計算的背景會有較大的差別，所以需要不斷地進行測試和改進。

根據本文對整套換擋系統的設計，將換擋系統各個子部分進行加工制造或選型，并裝配到發動機與變速箱上（如下圖中所示），同時在FSAE賽車上進行了實際的測試。

圖8 換擋執行機構在發動機變速箱上的裝配

圖9 換擋系統在賽車上的測試

在經過靜態與動態的多次實驗與測試后，結果顯示，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也完全可以滿足單場比賽的需求。系統設計基本滿足了目標要求，但日后還需要進一步進行改進與優化。

4 總結與展望

本文基于FSAE大學生方程式賽車所搭載的序列式變速箱，設計并制造了一套氣動換擋系統。并且通過實驗，驗證了整套換擋系統能夠在賽車靜止以及動態測試的時候順利實現加減檔操作。不僅實現了整套氣動換擋裝置的基本功能，滿足了賽車對于高性能、快速換擋的需求，同時也一定程度上兼顧了經濟性，符合FSAE比賽的原則與初衷。

另外，整套系統依然存在一些需要改進的地方。比如會出現氣壓不穩定、換擋卡頓、偶爾甚至會出現換不上檔等問題。這就需要接下來進行進一步的優化，比如在氣體利用率的提高、機械結構的拓撲優化、線束的優化、控制電路的集成化等方面進行更加深入的工作。

參考文獻

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