基于FSC的電控氣動換擋系統設計*

吳邦彥

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基于FSC的電控氣動換擋系統設計*

吳邦彥

（武漢理工大學國際教育學院，湖北 武漢 430000）

文章以中國大學生方程式大賽（FSC）為背景，基于比賽常用的序列式變速箱，經過整體方案設計、系統硬件設計、系統軟件設計、元件選型和仿真與調試，完成了一套符合比賽規則、滿足性能要求的電控氣動換擋系統，大幅提升賽車換擋性能。

FSC；氣動換擋；自動升檔；SMC Model Selection

前言

中國大學生方程式汽車大賽（FSC）是中國汽車工程學會于2010年起舉辦的全國性賽事。在FSC比賽中，直線加速、高速避障等比賽項目都需要大量的換擋動作，所以換擋系統的穩定、可靠是十分必要的。同時，對于缺少職業車手的大學生賽車隊伍來說，準確的換擋電和快速的換擋動作可以大幅提升賽車性能，減輕車手疲勞度，以便取得更好的成績。

而相較于手動機械換擋與電動換擋，電控氣動換擋擁有穩定、快速、簡便、使用壽命長的優勢，可以使賽車的性能顯著提升。

1 氣動換擋系統方案設計

FSC比賽中選用序列式變速箱，檔位次序為1-N-2-3-4-5- 6，非循環檔。逆時針旋轉換擋扭桿時升檔，順時針旋轉換擋扭桿時降檔，拉動離合搖臂至止點時離合器分離。

如圖1所示，氣動換擋系統的氣動回路主要包括氣源、氣源處理機構、控制機構、執行機構。

圖1 氣動回路圖

如圖2、圖3所示，換擋執行機構桿端連接換擋搖臂，搖臂以花鍵連接換擋扭桿，升檔時活塞桿伸出，降檔時活塞桿退回。離合執行機構以鋼索連接離合搖臂，活塞桿退回分離離合器。

圖2 換擋執行機構模型圖

圖3 離合執行機構模型圖

圖4 氣動換擋系統控制電路示意圖

如圖4所示，氣動換擋系統控制電路主要包括換擋撥片、單片機、光耦隔離模塊與繼電器。車手通過撥片向單片機發送換擋信號，單片機控制繼電器，進而控制氣路控制元件，同時與ECU通訊，接收轉速信號、發送升檔斷火信號。

2 系統硬件設計

2.1 執行機構設計

2.1.1 初始數據

因空間限制與輕量化要求，為使設計緊湊，設計靜止位時換擋搖臂水平放置，換擋氣缸與之垂直，頂端連接搖臂。測得允許換擋搖臂最大長度50mm，初定為45mm。換擋所需最大推拉力為150N，需換擋氣缸行程50mm。離合氣缸以鋼索連接離合搖臂，離合搖臂長度可忽略，測得所需最大拉力為320N，需離合氣缸行程25mm。氣路工作壓強定為0.8MPa。

2.1.2 缸徑計算

氣缸的理論輸出力公式為：

式中F0為氣缸理論輸出力（N）；D為缸徑（m）；P為氣缸的工作壓力（Pa）；d為活塞桿直徑（m），估算時可令d=0.3D。

氣缸負載率公式為：

式中為氣缸負載率；F為氣缸軸向實際負載（N）。

換擋氣缸的直徑為：

離合氣缸的直徑為：

2.2 控制機構設計

換擋操作是雙向的，加上靜止工作狀態，共需三個工作位置，故選用三位五通電磁閥。因換擋操作不要求氣缸定位及長時間停留，且要求氣缸在扭簧的作用下及時歸位以準備下一次換擋操作，故選用三位五通中泄式電磁閥。

離合共兩個工作狀態，且靜止工作狀態需電磁閥關閉，故選用兩位三通常閉式電磁閥。

2.3 氣源及氣源處理裝置設計

考慮安全性與成本，選擇工作氣體為空氣。

活塞桿伸出、退回行程的耗氣量計算公式分別為：

式中V為氣缸耗氣量（m3）；D為缸徑（m）；d為活塞桿直徑（m）；L為活塞行程（m）。

氣體質量計算公式為：

式中m為氣體質量（Kg）；P為氣體壓力（Pa）；V為氣體體積（m3）；r為氣體常數（J·K-1·g-1）；M為摩爾質量（g/mol）；R為普適氣體常數，約為8.31J·mol-1·K-1；T為絕對溫度（K）。

故升檔一次需要的氣體質量為：

降檔一次換擋氣缸需要的氣體質量：

離合氣缸工作一次需要的氣體質量：

降一次檔需要的氣體質量：

常用碳纖維氣瓶的最大工作壓強多為30MPa，故初定氣瓶儲氣壓強為25MPa，當瓶內氣體的壓強低于工作氣壓的時不能使用，工作氣壓以1MPa為計。

考慮FSC比賽項目中距離最長的耐久賽所需換擋次數，耐久賽共14圈、22公里，根據經驗以每圈20次換擋計，設共需換擋280次，每次換擋以消耗氣體更多的降檔計，耐久賽共需氣體72.8g。

查得與要求相近的、常見的氣瓶標準容積有0.22L、0.36L、0.42L、0.5L，計算得可用氣體質量分別為61.8g、101.1g、118.0g、140.5g。根據充?？紤]與輕量化要求，選用容積為的0.36L碳纖維復合氣瓶。

減壓調壓閥需滿足工作壓力要求，在工作壓力附近連續可調并保證穩定。

2.4 觸發機構設計

為保證換擋手感，選用集成式換擋撥片，撥動時向單片機I/O口發送低電平信號。

單片機選用功能強大的STM32F103系列單片機，通過帶有光耦隔離的繼電器模塊控制電磁閥，并通過光耦隔離向ECU發送升檔斷火信號。

3 系統軟件設計

3.1 操作執行流程

如圖5所示，升檔操作觸發時，首先向ECU發送升檔斷火脈沖信號，脈寬為Tu1,，之后再利用繼電器控制換擋電磁閥升檔線圈工作并保持Tu2。

圖5 升檔操作流程示意圖

如圖6所示，降檔操作觸發時，首先控制離合電磁閥線圈工作，延時Td1，再控制換擋電磁閥降檔線圈工作并保持Td2，最后延遲Td3后斷開離合電磁閥線圈。

圖6 降檔操作流程示意圖

3.2 控制邏輯設計

為了在直線加速比賽中更好地把握換擋時機，設計直線加速比賽自動升檔系統。使用單片機從ECU讀取發動機轉速，到達各檔位轉速設定值時自動升檔。配合升檔斷火，可在直線加速比賽中精確把握換擋時機、縮短換擋時間，從而提高成績。

程序控制邏輯如圖7所示。

圖7 氣動換擋系統程序控制邏輯示意圖

4 仿真、調試與氣路元件選型

4.1 氣路仿真與元件選型

利用SMC公司氣動元件選型軟件Model Selection Ver4.0可以模擬氣動系統的工作過程。

首先分別建立換擋氣缸升檔動作、換擋氣缸降檔動作和離合氣缸離合動作的氣路模型，并選用合適的元件，輸入相關參數，如負載率、供給壓力等，經計算可得活塞速度—時間、加速度—時間、行程—時間和氣室壓力—時間曲線等數據。

圖8 P0=0.6MPa氣缸升檔動作特性圖

圖9 P0=0.7MPa氣缸升檔動作特性圖

圖10 P0=0.8MPa氣缸升檔動作特性圖

以升檔為例，圖8、9、10分別為供給壓力0.6 MPa、0.7 MPa、0.8MPa時換擋氣缸升檔動作的過程，圖11、12、13分別為電磁閥流量系數為0.3dm3·s-1·bar-1、0.45 dm3·s-1·bar-1、0.7dm3·s-1·bar-1時換擋氣缸升檔動作的過程。

圖11 電磁閥C= 0.3dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動作特性圖

圖12 電磁閥C=0.45 dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動作特性圖

圖13 電磁閥C=0.7dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動作特性圖

綜合三個氣路模型仿真數據，充分考慮換擋速度與原件耐久度，選定氣路工作壓力為0.8MPa，電磁閥流量系數為0.5，此時升檔時活塞行程時間0.08s，降檔時活塞行程時間0.10s，離合時活塞行程時間0.10s。換擋氣缸活塞最大平均速度296mm/s，離合氣缸活塞平均速度232mm/s。

本設計中，調壓閥選用亞德客公司AR2000型調壓閥，換擋氣缸選用亞德客公司MAL25x50CA輕型氣缸，離合氣缸選用亞德客公司MAL32*25CA輕型氣缸，換擋電磁閥選用亞德客公司4V130E三位五通中泄式電磁閥，離合電磁閥選用亞德客公司3V110-NC兩位三通常閉式電磁閥，氣管選用亞德客公司UWS98A6040阻燃氣管。

4.2 時間參數確定

為保證換擋成功率，活塞運動到止點時應保持一定時間，故電磁閥工作時間應為活塞行程時間與活塞保持時間之和，活塞保持時間約為10~110ms。

根據實車測試結果，保證換擋成功率的情況下，取換擋電磁閥工作時間Tu1=2ms，Tu2=200ms，Td2=60ms，離合提前時間Td1=20ms，離合滯后時間Td3=20ms。

4.3 自動升檔模式的仿真與調試

在OptimumLap軟件中利用車輛與賽道模型，模擬分析直線加速比賽中的各檔位的最優升檔轉速，即最優換擋時機。

以武漢理工大學WUT車隊2018賽季賽車為例，首先輸入車輛發動機、傳動系統、空氣動力學、輪胎動力學等的數據，之后建立直線加速比賽賽道模型，分析得最優換擋轉速均為13500轉，用時4.31秒，如圖14所示。

圖14 75m直線加速RPM—T仿真圖

5 總結與展望

本文通過理論計算、仿真分析與實車調試，完成了一套符合FSC比賽要求、滿足性能需要的電控氣動換擋系統，達到了預期目標。后期應著重對系統穩定性、輕量化、經濟性等方面進行優化。

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Design of Electronically Pneumatic Shift System Based on FSC*

Wu Bangyan

( School of International Education, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

In this paper, set in Formula Student China (FSC), based on frequently used Sequential Manual Gearbox in this race, a satisfactory electronically pneumatic shift system is designed through the overall program design, hardware design, software design, model selection, simulation and debugging, which improves the racing car’s performance dramatically.

FSC;Pneumatic shift system; Automatically upshift; SMC Model Selection

U461.6

A

1671-7988(2019)09-91-04

U461.6

A

1671-7988(2019)09-91-04

吳邦彥(1998-)，男，就讀于武漢理工大學國際教育學院車輛工程專業，從事FSC賽車設計制造。

武漢理工大學自主創新基金項目（2018-GJ-A1-01）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.030