吳邦彥

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基于FSC的電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳邦彥

（武漢理工大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，湖北 武漢 430000）

文章以中國(guó)大學(xué)生方程式大賽（FSC）為背景，基于比賽常用的序列式變速箱，經(jīng)過整體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、元件選型和仿真與調(diào)試，完成了一套符合比賽規(guī)則、滿足性能要求的電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，大幅提升賽車換擋性能。

FSC；氣動(dòng)換擋；自動(dòng)升檔；SMC Model Selection

前言

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FSC）是中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)于2010年起舉辦的全國(guó)性賽事。在FSC比賽中，直線加速、高速避障等比賽項(xiàng)目都需要大量的換擋動(dòng)作，所以換擋系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠是十分必要的。同時(shí)，對(duì)于缺少職業(yè)車手的大學(xué)生賽車隊(duì)伍來說，準(zhǔn)確的換擋電和快速的換擋動(dòng)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(jī)。

而相較于手動(dòng)機(jī)械換擋與電動(dòng)換擋，電控氣動(dòng)換擋擁有穩(wěn)定、快速、簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以使賽車的性能顯著提升。

1 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

FSC比賽中選用序列式變速箱，檔位次序?yàn)?-N-2-3-4-5- 6，非循環(huán)檔。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)換擋扭桿時(shí)升檔，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)換擋扭桿時(shí)降檔，拉動(dòng)離合搖臂至止點(diǎn)時(shí)離合器分離。

如圖1所示，氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的氣動(dòng)回路主要包括氣源、氣源處理機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1 氣動(dòng)回路圖

如圖2、圖3所示，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)桿端連接換擋搖臂，搖臂以花鍵連接換擋扭桿，升檔時(shí)活塞桿伸出，降檔時(shí)活塞桿退回。離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)以鋼索連接離合搖臂，活塞桿退回分離離合器。

圖2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型圖

圖3 離合執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型圖

圖4 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)控制電路示意圖

如圖4所示，氣動(dòng)換擋系統(tǒng)控制電路主要包括換擋撥片、單片機(jī)、光耦隔離模塊與繼電器。車手通過撥片向單片機(jī)發(fā)送換擋信號(hào)，單片機(jī)控制繼電器，進(jìn)而控制氣路控制元件，同時(shí)與ECU通訊，接收轉(zhuǎn)速信號(hào)、發(fā)送升檔斷火信號(hào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 初始數(shù)據(jù)

因空間限制與輕量化要求，為使設(shè)計(jì)緊湊，設(shè)計(jì)靜止位時(shí)換擋搖臂水平放置，換擋氣缸與之垂直，頂端連接搖臂。測(cè)得允許換擋搖臂最大長(zhǎng)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(zhǎng)度可忽略，測(cè)得所需最大拉力為320N，需離合氣缸行程25mm。氣路工作壓強(qiáng)定為0.8MPa。

2.1.2 缸徑計(jì)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(shí)可令d=0.3D。

氣缸負(fù)載率公式為：

式中為氣缸負(fù)載率；F為氣缸軸向?qū)嶋H負(fù)載（N）。

換擋氣缸的直徑為：

離合氣缸的直徑為：

2.2 控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

換擋操作是雙向的，加上靜止工作狀態(tài)，共需三個(gè)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(zhǎng)時(shí)間停留，且要求氣缸在扭簧的作用下及時(shí)歸位以準(zhǔn)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(gè)工作狀態(tài)，且靜止工作狀態(tài)需電磁閥關(guān)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(shè)計(jì)

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(jì)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(zhì)量計(jì)算公式為：

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

故升檔一次需要的氣體質(zhì)量為：

降檔一次換擋氣缸需要的氣體質(zhì)量：

離合氣缸工作一次需要的氣體質(zhì)量：

降一次檔需要的氣體質(zhì)量：

常用碳纖維氣瓶的最大工作壓強(qiáng)多為30MPa，故初定氣瓶?jī)?chǔ)氣壓強(qiáng)為25MPa，當(dāng)瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)低于工作氣壓的時(shí)不能使用，工作氣壓以1MPa為計(jì)。

考慮FSC比賽項(xiàng)目中距離最長(zhǎng)的耐久賽所需換擋次數(shù)，耐久賽共14圈、22公里，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以每圈20次換擋計(jì)，設(shè)共需換擋280次，每次換擋以消耗氣體更多的降檔計(jì)，耐久賽共需氣體72.8g。

查得與要求相近的、常見的氣瓶標(biāo)準(zhǔn)容積有0.22L、0.36L、0.42L、0.5L，計(jì)算得可用氣體質(zhì)量分別為61.8g、101.1g、118.0g、140.5g。根據(jù)充?？紤]與輕量化要求，選用容積為的0.36L碳纖維復(fù)合氣瓶。

減壓調(diào)壓閥需滿足工作壓力要求，在工作壓力附近連續(xù)可調(diào)并保證穩(wěn)定。

2.4 觸發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證換擋手感，選用集成式換擋撥片，撥動(dòng)時(shí)向單片機(jī)I/O口發(fā)送低電平信號(hào)。

單片機(jī)選用功能強(qiáng)大的STM32F103系列單片機(jī)，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(fā)送升檔斷火信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 操作執(zhí)行流程

如圖5所示，升檔操作觸發(fā)時(shí)，首先向ECU發(fā)送升檔斷火脈沖信號(hào)，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(fā)時(shí)，首先控制離合電磁閥線圈工作，延時(shí)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(shè)計(jì)

為了在直線加速比賽中更好地把握換擋時(shí)機(jī)，設(shè)計(jì)直線加速比賽自動(dòng)升檔系統(tǒng)。使用單片機(jī)從ECU讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，到達(dá)各檔位轉(zhuǎn)速設(shè)定值時(shí)自動(dòng)升檔。配合升檔斷火，可在直線加速比賽中精確把握換擋時(shí)機(jī)、縮短換擋時(shí)間，從而提高成績(jī)。

程序控制邏輯如圖7所示。

圖7 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)程序控制邏輯示意圖

4 仿真、調(diào)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(dòng)元件選型軟件Model Selection Ver4.0可以模擬氣動(dòng)系統(tǒng)的工作過程。

首先分別建立換擋氣缸升檔動(dòng)作、換擋氣缸降檔動(dòng)作和離合氣缸離合動(dòng)作的氣路模型，并選用合適的元件，輸入相關(guān)參數(shù)，如負(fù)載率、供給壓力等，經(jīng)計(jì)算可得活塞速度—時(shí)間、加速度—時(shí)間、行程—時(shí)間和氣室壓力—時(shí)間曲線等數(shù)據(jù)。

圖8 P0=0.6MPa氣缸升檔動(dòng)作特性圖

圖9 P0=0.7MPa氣缸升檔動(dòng)作特性圖

圖10 P0=0.8MPa氣缸升檔動(dòng)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(shí)換擋氣缸升檔動(dòng)作的過程，圖11、12、13分別為電磁閥流量系數(shù)為0.3dm3·s-1·bar-1、0.45 dm3·s-1·bar-1、0.7dm3·s-1·bar-1時(shí)換擋氣缸升檔動(dòng)作的過程。

圖11 電磁閥C= 0.3dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動(dòng)作特性圖

圖12 電磁閥C=0.45 dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動(dòng)作特性圖

圖13 電磁閥C=0.7dm3·s-1·bar-1氣缸升檔動(dòng)作特性圖

綜合三個(gè)氣路模型仿真數(shù)據(jù)，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(shù)為0.5，此時(shí)升檔時(shí)活塞行程時(shí)間0.08s，降檔時(shí)活塞行程時(shí)間0.10s，離合時(shí)活塞行程時(shí)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(shè)計(jì)中，調(diào)壓閥選用亞德客公司AR2000型調(diào)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?xì)夤堋?/p>

4.2 時(shí)間參數(shù)確定

為保證換擋成功率，活塞運(yùn)動(dòng)到止點(diǎn)時(shí)應(yīng)保持一定時(shí)間，故電磁閥工作時(shí)間應(yīng)為活塞行程時(shí)間與活塞保持時(shí)間之和，活塞保持時(shí)間約為10~110ms。

根據(jù)實(shí)車測(cè)試結(jié)果，保證換擋成功率的情況下，取換擋電磁閥工作時(shí)間Tu1=2ms，Tu2=200ms，Td2=60ms，離合提前時(shí)間Td1=20ms，離合滯后時(shí)間Td3=20ms。

4.3 自動(dòng)升檔模式的仿真與調(diào)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(yōu)升檔轉(zhuǎn)速，即最優(yōu)換擋時(shí)機(jī)。

以武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)2018賽季賽車為例，首先輸入車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、空氣動(dòng)力學(xué)、輪胎動(dòng)力學(xué)等的數(shù)據(jù)，之后建立直線加速比賽賽道模型，分析得最優(yōu)換擋轉(zhuǎn)速均為13500轉(zhuǎn)，用時(shí)4.31秒，如圖14所示。

圖14 75m直線加速RPM—T仿真圖

5 總結(jié)與展望

本文通過理論計(jì)算、仿真分析與實(shí)車調(diào)試，完成了一套符合FSC比賽要求、滿足性能需要的電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。后期應(yīng)著重對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、輕量化、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行優(yōu)化。

[1] 陸鑫盛,周洪.氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2000.

[2] 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則（2018）[EB/OL].(2017) [2018-12-15]. http://www.formulastudent.com.cn.

[3] 石振,王保華.基于FSAE的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2017.31(1):19-22.

[4] 沈文臣,胡宇輝,余天嘯,席軍強(qiáng),陳慧巖.氣動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力特性仿真與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016.47(2):338-348.

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(xué)國(guó)際教育學(xué)院車輛工程專業(yè)，從事FSC賽車設(shè)計(jì)制造。

武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2018-GJ-A1-01）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.030