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(tǒng)手動機械換擋具有較大的性能優(yōu)勢。而氣動換擋作為撥片換擋的一種較為經(jīng)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(fā)，針對賽車所采用的WR450發(fā)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(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，同時也具有較好的經(jīng)濟性。

1 氣動換擋系統(tǒng)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(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(zhí)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(zhí)行機構對換擋桿施加推力和拉力，實現(xiàn)換擋。氣動換擋系統(tǒng)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(jīng)由氣缸執(zhí)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(xiàn)升檔和降檔，設計較為方便，控制上也容易實現(xiàn)[1]。

電動換擋：電動換擋的形式有很多，常見的換擋執(zhí)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(xiàn)高速換擋，需要執(zhí)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(tǒng)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(fā)周期、安全性等因素下的最優(yōu)選擇。故本文選擇氣動換擋系統(tǒng)進行開發(fā)設計，應用在FSAE賽車上。

1.2 氣動換擋系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)自動執(zhí)行以上幾個步驟。

本文所要設計的氣動換擋系統(tǒng)，是針對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(tǒng)除了變速箱，一般還包括撥片信號觸發(fā)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(zhí)行機構、以及相關的信號采集檢測與控制系統(tǒng)。

圖1 氣動換擋系統(tǒng)原理圖

圖1為本文設計的氣動換擋系統(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)的復雜性，本文中基于自主研發(fā)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(tǒng)設計方案

基于換擋系統(tǒng)的原理圖，本文將換擋系統(tǒng)細分為換擋撥片機構、換擋執(zhí)行機構、充放氣氣路、換擋電氣控制等四個子系統(tǒng)?，F(xiàn)對這四個子系統(tǒng)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(fā)機構，是車手控制換擋系統(tǒng)的唯一紐帶。該機構的設計不僅應該注重穩(wěn)定性，還要保證一定的撥片手感。

2.1.1 撥片開關

撥片開關用于換擋信號的觸發(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(shù)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(fā)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(xiàn)“盲操作”。

圖2 按鈕選型與撥片設計細節(jié)

2.2 換擋執(zhí)行機構設計

換擋動作的執(zhí)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(zhí)行機構，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[3]。

通過查詢技術參數(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，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(jù)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(zhí)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(jù)換擋所需扭矩11.25Nm來計算?？梢郧蟮脫Q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(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)上述計算得到的相關參數(shù)與選型，并結合實際的整車布置情況，本文對整個換擋執(zhí)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(zhí)行機構設計建模

由于發(fā)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(jīng)過了拓撲優(yōu)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(fā)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(xiàn)氣動換擋，氣源不可缺少。從上節(jié)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(fā)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(tǒng)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(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(jù)氣體的需求量來確定。根據(jù)經(jīng)驗，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(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

可知當氣體溫度不變時，氣體在各狀態(tài)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(shù)。當放氣次數(shù)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(shù)據(jù)帶入上式?？梢缘玫阶罱K需要的氣體質量m約為36g。而二氧化碳液態(tài)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(xù)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(tài)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(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(jù)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(tǒng)設計

從前幾節(jié)可以看出，要完成換擋控制，需要進行換擋觸發(fā)信號采集、檔位信號采集、電磁閥控制等。這些功能的實現(xiàn)都離不開集成電路與單片機的控制。本節(jié)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(fā)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(shù)據(jù)采集、記錄、無線發(fā)送、接收以及換擋控制、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)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(fā)中斷

2）2路溫度檢測

3）13路AD檢測

4）5路脈沖計數(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功能有[6]：

2路外部觸發(fā)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(shù)，用于測量四個輪子的輪速。CAN總線，負責與發(fā)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(shù)據(jù)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(wěn)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(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

對于賽車所搭載的氣動換擋系統(tǒng)，最需要關心的是能否穩(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(fā)揮。而換擋次數(shù)不能達到要求，在賽場上將導致?lián)Q擋系統(tǒng)的癱瘓。

在整套換擋系統(tǒng)中，最需要進行可靠性驗證的就是換擋執(zhí)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(jù)本文對整套換擋系統(tǒng)的設計，將換擋系統(tǒng)各個子部分進行加工制造或選型，并裝配到發(fā)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(zhí)行機構在發(fā)動機變速箱上的裝配

圖9 換擋系統(tǒng)在賽車上的測試

在經(jīng)過靜態(tài)與動態(tài)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(shù)也完全可以滿足單場比賽的需求。系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)。并且通過實驗，驗證了整套換擋系統(tǒng)能夠在賽車靜止以及動態(tài)測試的時候順利實現(xiàn)加減檔操作。不僅實現(xiàn)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(jīng)濟性，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的地方。比如會出現(xiàn)氣壓不穩(wěn)定、換擋卡頓、偶爾甚至會出現(xiàn)換不上檔等問題。這就需要接下來進行進一步的優(yōu)化，比如在氣體利用率的提高、機械結構的拓撲優(yōu)化、線束的優(yōu)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

[1] 梁建成.氣控換擋裝置的設計與應用[J].裝備制造技術, 2009(4)∶144-145.

[2] 居小凡.Formula SAE賽車的設計制造及測試[D].上海交通大學,2009..

[3] Enomoto H, Morita H, Fukunaga Y, et al. Simplification of the Shift/Clutch Operations for the Formula SAE Vehicles[J]. 2007.

[4] 劉欣,孫斌,方加寶.電控氣動換擋系統(tǒng)中位移與壓力關系的研究[J].汽車零部件, 2010(10)∶62-63.

[5] 楊柳青.液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社, 2008.

[6] 饒運濤,鄒繼軍,鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2003(6)∶11-11.

[7] 楊競喆,王志福,劉杰.基于 MC9S12XEP100的整車控制器 CAN BootLoader設計與實現(xiàn)[J].車輛與動力技術, 2014(1)∶25-29.