周 淼，楊保成，焦洪宇

（常熟理工學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

隨著FSC賽事的不斷發(fā)展，賽車(chē)也在朝著智能化電氣化方向發(fā)展. 在FSC比賽中，一場(chǎng)持久賽可能會(huì)換擋超過(guò)100次，傳統(tǒng)的手動(dòng)換擋即是通過(guò)設(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)使換擋軸與車(chē)手身邊的換擋桿連接，車(chē)手通過(guò)前后推動(dòng)換擋桿從而實(shí)現(xiàn)升降擋. 在高速行駛中，手動(dòng)換擋會(huì)分散注意力，進(jìn)而有車(chē)輛失控的危險(xiǎn). 同時(shí)頻繁的手動(dòng)升降擋也會(huì)影響比賽速度. 因此，設(shè)計(jì)一套便捷的換擋離合系統(tǒng)顯得十分重要. 在這種情況下，氣動(dòng)換擋系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［1］.

1 氣動(dòng)換擋方案設(shè)計(jì)

圖1 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)渲染圖

圖2 升降擋時(shí)工作順序

氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的組成如圖1所示，其原理是將高壓氣瓶與電磁閥和氣缸連接起來(lái)，當(dāng)需要升擋或者降擋時(shí)觸發(fā)升擋或降擋按鈕，使得升降擋對(duì)應(yīng)的電磁閥導(dǎo)通. 氣瓶中的氣體通過(guò)電磁閥閥腔進(jìn)入氣缸，推動(dòng)氣缸活塞上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)換擋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降擋. 其升降擋具體工作順序如圖2所示. 升擋時(shí)，按下升擋按鈕，會(huì)觸發(fā)ECU工作，控制電磁閥打開(kāi)，工作順序依次為氣瓶→減壓閥→電磁閥→氣缸→換擋桿. 同時(shí)按鈕會(huì)觸發(fā)ECU的斷火指令，引起升擋瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)斷火（發(fā)動(dòng)機(jī)斷火是指賽車(chē)所使用的Motec ECU中有升擋斷火程序，在升擋瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)會(huì)切斷點(diǎn)火與噴油工作，輔助完成升擋）. 而降擋時(shí)，按下降擋按鈕將不會(huì)觸發(fā)ECU斷火指令，其工作順序依次為氣瓶→減壓閥→電磁閥→氣缸→換擋桿. 升降擋流程順序差異只體現(xiàn)在升擋過(guò)程中需要觸發(fā)ECU斷火指令.

2 換擋系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣缸的選擇

由于FSC賽車(chē)后艙體積緊湊，選型時(shí)應(yīng)選擇使用小型氣缸. 氣缸由缸筒、活塞和活塞桿組成. 圖3所示為雙作用氣缸工作原理圖. 在圖3（a）中，高壓氣從A口進(jìn)入并充滿(mǎn)左腔，推動(dòng)活塞與活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)右腔氣體從B口排出. 同理，若B口進(jìn)氣、A口排氣，則活塞與活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，如圖3（b）所示. 若A、B兩口同時(shí)排氣，則活塞與活塞桿會(huì)處于中間位置［1］.

圖3 雙作用氣缸工作原理示意圖

2.2 電磁閥的選擇

氣動(dòng)換擋時(shí)，氣缸雙向工作，中間停止，這就要求電磁閥有3個(gè)工作位置，所以換擋電磁閥選型為三位五通電磁閥. 三位五通電磁閥可以分為中位封閉式閥、中位泄壓式閥和中位加壓式閥. 賽車(chē)跑動(dòng)過(guò)程中，氣缸不需要精確定位，中途停止時(shí)間短暫，因此選擇中封型換擋電磁閥［2］. 根據(jù)上述要求，選擇了三位五通電磁閥，型號(hào)為4 V230DC12 V，氣動(dòng)離合由于只需“拉”這一個(gè)步驟，需要兩位三通電磁閥，選擇的型號(hào)為4 V210DC120 V.

2.3 氣瓶的選擇

通過(guò)圓柱體積計(jì)算公式計(jì)算出單次耗氣量VQ，并轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下單次最大耗氣量（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取P0為0.1 MPa）. 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算出氣瓶容積（取氣瓶氣壓P1為6 Mpa）. 參照氣瓶規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，選取氣瓶型號(hào).

在FSC比賽中需要不停升降擋的項(xiàng)目為耐久競(jìng)賽項(xiàng)目，此項(xiàng)目也是對(duì)氣瓶容量最有考驗(yàn)性的一項(xiàng). 一共有14圈，每圈需要升降擋15次左右. 由此可得標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體體積V1=15×14×（VQ1+VQ2）=33.6 L.

再根據(jù)壓強(qiáng)體積公式P0V1=P1V瓶，可計(jì)算出氣瓶容積為0.55 L. 考慮到市場(chǎng)所售型號(hào)限制與成本限制，選擇了容積為0.66 L的氣瓶，材質(zhì)為鋁.

3 換擋系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

賽車(chē)所使用的CBR600型發(fā)動(dòng)機(jī)是序列式換擋變速器，此形式的換擋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是升擋時(shí)不需要拉離合，且賽車(chē)所使用的Motec ECU系統(tǒng)中有升擋斷火程序. 在升擋瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)控制完成斷火程序，即可完成升擋. 在降擋時(shí)，倘若不拉離合則需要車(chē)手進(jìn)行補(bǔ)油操作，難度非常大. 因此，在降擋時(shí)考慮讓離合介入變得十分重要. 這里采用單片機(jī)作為電控元件來(lái)控制換擋與離合的間隔時(shí)間. 在單片機(jī)上安裝兩個(gè)繼電器即可完成上述操作. 51單片機(jī)程序穩(wěn)定且價(jià)格便宜，適合本機(jī)構(gòu).

單片機(jī)控制時(shí)間差原理如圖4所示. 降擋時(shí)，在換擋機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作前離合便要提前開(kāi)始工作，在換擋工作結(jié)束后離合停止工作. 這個(gè)原理與乘用車(chē)手動(dòng)換擋的原理是一致的，即在離合工作時(shí)間內(nèi)完成換擋. 具體編寫(xiě)程序要求是離合立即啟動(dòng)，同時(shí)設(shè)置離合啟動(dòng)后第一個(gè)延時(shí)以控制換擋工作，在換擋工作完設(shè)定第二個(gè)延時(shí)以控制離合關(guān)閉.

圖4 離合換擋時(shí)間示意圖

4 后期調(diào)試

首先進(jìn)行離合換擋靜態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 不同延時(shí)時(shí)間效果表

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)換擋機(jī)構(gòu)與離合機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)，離合執(zhí)行總是快于換擋機(jī)構(gòu)，即離合的響應(yīng)速度快于換擋速度. 因此，單片機(jī)中延時(shí)時(shí)間需要增加，但是動(dòng)力切斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響性能表現(xiàn)，如第三組數(shù)據(jù)所示，盡管換擋成功，但動(dòng)力切斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng). 經(jīng)過(guò)反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)后，最終確定了較為合適的間隔時(shí)間. 在使用過(guò)程中還出現(xiàn)了單片機(jī)受到信號(hào)干擾的問(wèn)題，在加裝單片機(jī)盒后，該問(wèn)題得以解決.

在靜態(tài)測(cè)試完成后開(kāi)始動(dòng)態(tài)測(cè)試，選取直線(xiàn)加速與高速避障作為測(cè)試依據(jù)，讀取Motec記錄的數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5. 在圖5中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制后直線(xiàn)加速過(guò)程中升擋時(shí)間保持在合理的范圍內(nèi)，且通過(guò)設(shè)定選取合理的斷火時(shí)間，升擋十分順暢.

圖5中的轉(zhuǎn)速波形圖顯示賽車(chē)完成了4次降擋，且最低轉(zhuǎn)速達(dá)到了6 000 r/min，始終保持在最大扭矩平臺(tái)范圍內(nèi)，顯著提升了直線(xiàn)加速成績(jī). 而高速避障時(shí)，在轉(zhuǎn)速波形圖中明顯看到了賽車(chē)的升降擋，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度始終保持在接近全開(kāi)狀態(tài). 相比于離合未介入前無(wú)法降擋的狀況，高速避障項(xiàng)目的加速性能已得到了極大改善.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)定與選型，并根據(jù)競(jìng)賽需要編寫(xiě)相匹配的程序，成功開(kāi)發(fā)了氣動(dòng)換擋系統(tǒng). 賽車(chē)的性能變得更加優(yōu)異，且大大降低了車(chē)手的操作難度. 此系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)類(lèi)似于在傳動(dòng)手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上加裝一套電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制. 從而以較低的成本解決了當(dāng)前FSC競(jìng)賽中較為棘手的問(wèn)題.經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試與調(diào)整，單片機(jī)延時(shí)時(shí)間達(dá)到最優(yōu)值. 這套系統(tǒng)變得日益完善，在此基礎(chǔ)上可以升級(jí)為自動(dòng)升擋機(jī)構(gòu)，在直線(xiàn)加速等賽事中完全解放車(chē)手，實(shí)現(xiàn)換擋全自動(dòng).

圖5 直線(xiàn)加速與高速避障實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)