楊晨曦,馬鈞
(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)
賽車運(yùn)動(dòng)中,對(duì)于賽車所搭載的序列式變速箱而言,撥片換擋相對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械換擋具有較大的性能優(yōu)勢(shì)。而氣動(dòng)換擋作為撥片換擋的一種較為經(jīng)濟(jì)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(gè)項(xiàng)目的成績(jī)。
本文從FSAE大學(xué)生方程式賽車的設(shè)計(jì)需求出發(fā),針對(duì)賽車所采用的WR450發(fā)動(dòng)機(jī)及其自帶的序列式5檔變速箱,設(shè)計(jì)了一套氣動(dòng)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(shí)也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
撥片換擋技術(shù)最早起源于 F1 賽車,近些年在乘用車上也逐漸流行起來(lái)。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(dòng)撥片,利用方向盤后撥片的開關(guān)信號(hào)通過自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋。這種換擋的主要優(yōu)勢(shì)在于使駕駛員能夠更加快速的完成換擋操作,另外對(duì)于換擋的時(shí)機(jī)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(jī)構(gòu)通常有氣動(dòng)和電動(dòng)兩種形式:
氣動(dòng)換擋:即利用氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)換擋桿施加推力和拉力,實(shí)現(xiàn)換擋。氣動(dòng)換擋系統(tǒng)一般包括氣體、壓縮機(jī)、儲(chǔ)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(hào)控制壓縮氣體經(jīng)由氣缸執(zhí)行換擋動(dòng)作。在乘用車上,普通 H 型手動(dòng)擋的換擋至少需要兩個(gè)氣缸,才能完成 X 和Y 軸兩個(gè)方向的動(dòng)作。而在賽車上所常見的序列式變速箱只需要一個(gè)氣缸即可實(shí)現(xiàn)升檔和降檔,設(shè)計(jì)較為方便,控制上也容易實(shí)現(xiàn)[1]。
電動(dòng)換擋:電動(dòng)換擋的形式有很多,常見的換擋執(zhí)行器有齒輪馬達(dá)、電磁推桿等等,利用馬達(dá)提供的扭矩或電磁推桿的推力完成換擋動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)高速換擋,需要執(zhí)行器瞬時(shí)提供強(qiáng)大的扭矩或推力,這些用電設(shè)備的瞬時(shí)電流也會(huì)非常大,對(duì)電壓的管理要求相對(duì)較高。同時(shí)高扭矩(或高推力)的馬達(dá)或電磁推桿在國(guó)內(nèi)很難買到, 價(jià)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(duì)較低。
所以對(duì)于FSAE大學(xué)生方程式賽車,氣動(dòng)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(dòng)換擋系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),應(yīng)用在FSAE賽車上。
對(duì)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(bǔ)油。要想完成一次平順的換擋,使車輛運(yùn)行無(wú)頓挫感,需要以上步驟精確的配合。而氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,就是要做到車手只需要觸動(dòng)撥片開關(guān),不踩離合,不松油門,就可以由換擋系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行以上幾個(gè)步驟。
本文所要設(shè)計(jì)的氣動(dòng)換擋系統(tǒng),是針對(duì)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(gè)動(dòng)作,相比于普通H擋手動(dòng)變速箱操作簡(jiǎn)單,換擋時(shí)間短。而且因?yàn)橹荒馨错樞蛞来螕Q擋,所以不容易損壞變速箱。這樣簡(jiǎn)單的換擋動(dòng)作,可以用一個(gè)雙作用氣缸代替完成[2]。
整個(gè)換擋系統(tǒng)除了變速箱,一般還包括撥片信號(hào)觸發(fā)機(jī)構(gòu)、用于儲(chǔ)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(jī)構(gòu)、以及相關(guān)的信號(hào)采集檢測(cè)與控制系統(tǒng)。
圖1 氣動(dòng)換擋系統(tǒng)原理圖
圖1為本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)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(fù)雜性,本文中基于自主研發(fā)的控制電路模塊,將僅針對(duì)信號(hào)采集以及控制氣缸完成換擋動(dòng)作的過程,而暫不介紹與離合器控制相關(guān)的控制與和 ECU 有關(guān)的斷油補(bǔ)油控制。
基于換擋系統(tǒng)的原理圖,本文將換擋系統(tǒng)細(xì)分為換擋撥片機(jī)構(gòu)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、充放氣氣路、換擋電氣控制等四個(gè)子系統(tǒng)?,F(xiàn)對(duì)這四個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分別介紹。
換擋撥片作為換擋的觸發(fā)機(jī)構(gòu),是車手控制換擋系統(tǒng)的唯一紐帶。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)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(guān)
撥片開關(guān)用于換擋信號(hào)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(shè)計(jì)選用的開關(guān)為防水防爆開關(guān)。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(wàn)次。以上參數(shù)完全可以滿足其在賽車上作為換擋開關(guān)的使用要求。
2.1.2 撥片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
撥片機(jī)構(gòu)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(dòng)撥片按下開關(guān),觸發(fā)換擋操作。同時(shí)撥片設(shè)計(jì)尺寸較大,為了能夠讓車手在駕駛的同時(shí),更加方便的找到撥片,實(shí)現(xiàn)“盲操作”。
圖2 按鈕選型與撥片設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
換擋動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由氣缸、換擋臂與氣缸支架組成。氣缸作為換擋機(jī)構(gòu)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu),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(gè)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(shù)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(shí),為了保證換擋的成功率與換擋速度,應(yīng)該盡量減少充氣時(shí)間和作用過程,這樣才能夠縮短換擋時(shí)間,提升賽車性能。
首先對(duì)氣缸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。原則上,為了使氣缸快速充氣,減少換擋時(shí)間,所以應(yīng)該盡量用最大的氣壓來(lái)工作。市場(chǎng)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(gè)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(zhǎng)大約為 90mm。根據(jù)換擋所需扭矩,從而可以推算出需要?dú)飧资┘拥膿Q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?yàn)闅飧椎哪蛪褐禐?bar,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(lái)計(jì)算。可以求得換擋搖臂的長(zhǎng)度:
可以得出所選氣缸所對(duì)應(yīng)的換擋長(zhǎng)度約為 70mm,下圖即為設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)與選型,并結(jié)合實(shí)際的整車布置情況,本文對(duì)整個(gè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。下圖是換擋機(jī)構(gòu)的實(shí)際三維模型設(shè)計(jì),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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)建模
由于發(fā)動(dòng)機(jī)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?fù)鋬?yōu)化的分析與嚴(yán)密設(shè)計(jì),所以不方便改動(dòng),換擋機(jī)構(gòu)只能避免與這些機(jī)構(gòu)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(gè)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(jié)構(gòu)損傷,提高機(jī)構(gòu)壽命。
氣缸支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)支架上。參見圖4。氣缸動(dòng)作時(shí),會(huì)有輕微的扭轉(zhuǎn),所以氣缸支架設(shè)計(jì)成可以帶著氣缸繞著固定軸旋轉(zhuǎn),同時(shí)在行程的極限位置又保證不會(huì)與電磁閥相干涉。
要實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)換擋,氣源不可缺少。從上節(jié)的計(jì)算可以得出,成功換擋需要為氣缸提供至少8個(gè)大氣壓的氣體,作為動(dòng)力源。由于FSAE賽車是一輛單座小型賽車,整車質(zhì)量約為200kg左右,質(zhì)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(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)賽車重量帶來(lái)較大影響,而且對(duì)只有33kW的發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)構(gòu)成不小的負(fù)擔(dān)。所以,本文將壓縮好的氣體存放在氣瓶里,當(dāng)作氣動(dòng)系統(tǒng)的氣源。
本文采用二氧化碳作為推動(dòng)氣缸做功的氣體,主要考慮到它易液化的性質(zhì)。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(zhì)與體積。另外由于氣瓶的應(yīng)用領(lǐng)域較廣,所以氣瓶的接口各異,選型也應(yīng)考慮的瓶頭閥的選型。
2.3.1 氣瓶設(shè)計(jì)選型
氣瓶的容積根據(jù)氣體的需求量來(lái)確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),整場(chǎng)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(shè)每次換擋都用盡氣缸半缸的氣體,且整個(gè)過程氣體溫度不變,忽略二氧化碳?xì)饣鼰釒?lái)的影響。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:
可知當(dāng)氣體溫度不變時(shí),氣體在各狀態(tài)下的氣壓與對(duì)應(yīng)的體積的乘積應(yīng)該等于一個(gè)定值。即常用到的一個(gè)推論[5]:
式中P,V為氣瓶?jī)?nèi)的初始體積與壓強(qiáng)。Pn,Vn為每次放氣的體積和對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng),當(dāng)每次放氣的壓強(qiáng)和體積相等時(shí):
式中,P0V0是每次放出的體積與壓強(qiáng),n為放氣次數(shù)。當(dāng)放氣次數(shù)要求為 500次,選用內(nèi)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(shí):
將數(shù)據(jù)帶入上式??梢缘玫阶罱K需要的氣體質(zhì)量m約為36g。而二氧化碳液態(tài)時(shí)密度與水相當(dāng),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(shí)也可以提高換擋機(jī)構(gòu)的持續(xù)使用性。
同時(shí),考慮到碳纖維氣瓶耐壓值一般可達(dá)30MPa,質(zhì)量也非常輕,正符合了賽車對(duì)于輕量化的要求,能夠最大限度的符合對(duì)性能的追求。故選用碳纖維材質(zhì)的氣瓶來(lái)儲(chǔ)存液態(tài)的二氧化碳。
2.3.2 氣管與減壓閥的設(shè)計(jì)選型
二氧化碳在氣缸做功時(shí),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(zhì)。PU管標(biāo)稱耐壓值為10bar,實(shí)際耐壓可高達(dá)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(gè)減壓閥,將管內(nèi)氣壓降至1MPa左右,才能保證氣管不被壓爆。同時(shí)還要有一個(gè)瓶口閥,可以控制出氣的開關(guān),允許直接通過瓶口閥向內(nèi)充氣。兩個(gè)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?jī)H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(shè)計(jì)選型
氣動(dòng)換擋過程中,需要將一路具有一定壓力的氣體,按照實(shí)際需求分配給雙作用氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣口,所以在本設(shè)計(jì)中要用到方向控制閥。
圖6是方向控制閥的典型結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)二位五通直動(dòng)式彈簧復(fù)位閥。其主要結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
(5)復(fù)位彈簧
(6)出氣口
(7)手動(dòng)按鈕
(8)電磁鐵接線座
根據(jù)氣動(dòng)換擋的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,使用頻率要求不高,但需要較大的流量和壓強(qiáng),所以本文選用先導(dǎo)式電磁閥來(lái)進(jìn)行氣路控制。
從前幾節(jié)可以看出,要完成換擋控制,需要進(jìn)行換擋觸發(fā)信號(hào)采集、檔位信號(hào)采集、電磁閥控制等。這些功能的實(shí)現(xiàn)都離不開集成電路與單片機(jī)的控制。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹氣動(dòng)換擋的電氣硬件部分。
2.4.1 信號(hào)采集與控制底板設(shè)計(jì)
信號(hào)采集與控制底板是單片機(jī)核心板與無(wú)線發(fā)射模塊等的接口,上面還集成了許多功能模塊。其設(shè)計(jì)主要為了對(duì)賽車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄、無(wú)線發(fā)送、接收以及換擋控制、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制等。由于其功能針對(duì)性強(qiáng),本文自行設(shè)計(jì)了此款底板,具有集成度高、體積小、功能豐富等特點(diǎn)。其主要功能包括:
1)4路外部觸發(fā)中斷
2)2路溫度檢測(cè)
3)13路AD檢測(cè)
4)5路脈沖計(jì)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(shí)鐘模塊
10)SD卡記錄
11)無(wú)線數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊
12)電子鑰匙無(wú)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(gè)功能有[6]:
2路外部觸發(fā)中斷,接兩個(gè)撥片觸點(diǎn)信號(hào)開關(guān)。1路AD檢測(cè),用于檢測(cè)檔位。4路脈沖計(jì)數(shù),用于測(cè)量四個(gè)輪子的輪速。CAN總線,負(fù)責(zé)與發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)與打樣裸板
2.4.2 單片機(jī)簡(jiǎn)介
該單片機(jī)用在信號(hào)采集與控制底板上。在賽車上,要求單片機(jī)工作穩(wěn)定,而底板的要求又較高,所以單片機(jī)采用飛思卡爾的 S12系列 16位單片機(jī),型號(hào)為 MC9S12XEP100 MAL[7]。
本次選用的MC9S12XEP100MAL是一款高性能雙核16位單片機(jī),它內(nèi)部集成了16路,12bit的AD轉(zhuǎn)換器、8路可級(jí)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(jiǎn)化電路,而且具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
對(duì)于賽車所搭載的氣動(dòng)換擋系統(tǒng),最需要關(guān)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(dá)到要求。如果換擋的成功率低,則將會(huì)嚴(yán)重影響賽車及車手的發(fā)揮。而換擋次數(shù)不能達(dá)到要求,在賽場(chǎng)上將導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)的癱瘓。
在整套換擋系統(tǒng)中,最需要進(jìn)行可靠性驗(yàn)證的就是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu),因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際的工作情況和理論計(jì)算的背景會(huì)有較大的差別,所以需要不斷地進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。
根據(jù)本文對(duì)整套換擋系統(tǒng)的設(shè)計(jì),將換擋系統(tǒng)各個(gè)子部分進(jìn)行加工制造或選型,并裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱上(如下圖中所示),同時(shí)在FSAE賽車上進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。
圖8 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱上的裝配
圖9 換擋系統(tǒng)在賽車上的測(cè)試
在經(jīng)過靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的多次實(shí)驗(yàn)與測(cè)試后,結(jié)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(chǎng)比賽的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本滿足了目標(biāo)要求,但日后還需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。
本文基于FSAE大學(xué)生方程式賽車所搭載的序列式變速箱,設(shè)計(jì)并制造了一套氣動(dòng)換擋系統(tǒng)。并且通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了整套換擋系統(tǒng)能夠在賽車靜止以及動(dòng)態(tài)測(cè)試的時(shí)候順利實(shí)現(xiàn)加減檔操作。不僅實(shí)現(xiàn)了整套氣動(dòng)換擋裝置的基本功能,滿足了賽車對(duì)于高性能、快速換擋的需求,同時(shí)也一定程度上兼顧了經(jīng)濟(jì)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(jìn)的地方。比如會(huì)出現(xiàn)氣壓不穩(wěn)定、換擋卡頓、偶爾甚至?xí)霈F(xiàn)換不上檔等問題。這就需要接下來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,比如在氣體利用率的提高、機(jī)械結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化、線束的優(yōu)化、控制電路的集成化等方面進(jìn)行更加深入的工作。
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