基于大學(xué)生方程式賽車的舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

楊雪峰 劉爽 王強(qiáng) 張愛(ài)英

摘要：基于大學(xué)生方程式賽車換擋機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，總結(jié)手動(dòng)、氣動(dòng)、電磁換檔方式的缺點(diǎn)與不足之處，研發(fā)舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)。通過(guò)CATIA軟件進(jìn)行模型的建立。舵機(jī)換擋裝置的主要結(jié)構(gòu)由檔桿操縱機(jī)構(gòu)、可調(diào)電位計(jì)連接機(jī)構(gòu)、舵機(jī)控制器機(jī)構(gòu)、舵機(jī)總成等組成，將檔桿與可調(diào)電位計(jì)花鍵相連，電位計(jì)和舵機(jī)控制器機(jī)構(gòu)用導(dǎo)線連接以傳遞電信號(hào)。舵機(jī)控制器通借助螺栓連接和車架固定，舵機(jī)總成借助螺栓連接和車架固定，連接方式多為螺栓和焊接而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，加工制造成本低，該舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是安全可靠，可重復(fù)使用、質(zhì)量輕。

關(guān)鍵詞：舵機(jī)換擋 CATIA軟件 輕量化

一、前言

傳統(tǒng)的變速器大多將換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為單獨(dú)的總成裝配，并使用獨(dú)立電機(jī)作為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。一方面，變速器與換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立意味著變速器總成的空間尺寸將被放大，另一方面，使用獨(dú)立電機(jī)作為動(dòng)力源將提高變速器的成本。

手動(dòng)換擋：將車手的動(dòng)作傳遞到離合器拉桿和換擋桿上拉動(dòng)拉桿的同時(shí)還應(yīng)配合加油或減油的動(dòng)作，操作難度較大。

氣動(dòng)換擋：重量大，技術(shù)難度高，換擋次數(shù)受氣瓶容量限制。

電磁換擋：響應(yīng)時(shí)間短，受到電源負(fù)載能力限制，不一定適用于所有賽車。

目前FSAE賽事風(fēng)靡全球，可將此機(jī)構(gòu)應(yīng)用于大學(xué)生方程式賽車中，市面上沒(méi)有用舵機(jī)來(lái)控制檔位，舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單、輕量化、舵機(jī)是由蓄電池供電，安全系數(shù)高、靈敏度高、成本低它剛好彌補(bǔ)了現(xiàn)有換擋機(jī)構(gòu)的不足，控制精準(zhǔn)，成本較低前景非常可觀。

二、舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)模型建立

本研究中使用CATIA軟件，該軟件是CAD/CAE/CAM一體化軟件，汽車工業(yè)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)造零部件CAD模型和模具CAD模型，在通過(guò)數(shù)控加工制造模具，進(jìn)而在進(jìn)行零件生產(chǎn)的設(shè)計(jì)制造流程。

在設(shè)計(jì)制造流程使用CATIA軟件，給我們帶來(lái)了極大的方便，減少了設(shè)計(jì)失誤率，并大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

本研究中舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)主要包括擋桿，基座，電位器，控制器，舵機(jī)。

擋桿1與電位器旋鈕4通過(guò)花鍵連接，電位器與控制器7連接，控制器連接舵機(jī)8，舵機(jī)的舵盤(pán)與變速箱連接，建立的三維圖形如圖2.2所示。

三、變速器工作原理與舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

DHT變速器指的是混合動(dòng)力汽車專用變速器，與傳統(tǒng)以內(nèi)燃機(jī)作為單一動(dòng)力輸入源的變速器不同，DHT變速器通過(guò)增加動(dòng)力耦合單元，使用內(nèi)燃機(jī)和一個(gè) （或多個(gè)） 電機(jī)共同對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以提高車輛的動(dòng)力性能。由于電機(jī)的介入，內(nèi)燃機(jī)可以始終工作在高效工作區(qū)間，所產(chǎn)生的多余能量被電機(jī)轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)，這大幅提高了車輛的能源使用效率。

為了適應(yīng)混合動(dòng)力汽車多樣的行駛路況，DHT變速器需要在多種模式下進(jìn)行智能切換，由于模式切換的臨界條件十分復(fù)雜，駕駛員很難在最合適的換擋點(diǎn)進(jìn)行換擋操作，以發(fā)揮出DHT變速器最佳的動(dòng)力性能與節(jié)油效率。舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)，配合相應(yīng)的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)換擋的智能化，以提升車輛駕駛的簡(jiǎn)易度，以及變速器的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。下面是舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)的原理：

檔桿帶動(dòng)變速器：每次只能轉(zhuǎn)動(dòng)一格，不可逆轉(zhuǎn)，三個(gè)撥叉三個(gè)凹槽，互相配合工作。橫柱轉(zhuǎn)起來(lái)，頂柱的尖頭就按槽部的軌跡左右移動(dòng)。如圖3.1所示，齒輪之間進(jìn)行嚙合，從而實(shí)現(xiàn)不同傳動(dòng)比的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)檔位的變化。

如圖2.2所示，舵機(jī)有舵盤(pán)，位置反饋電位器，減速齒輪組，直流電機(jī)和控制電路組成。減速齒輪組由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)一個(gè)具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測(cè)?？刂齐娐犯鶕?jù)電位器的反饋電壓，與外部輸入控制脈沖進(jìn)行比較，產(chǎn)生糾正脈沖，控制并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使減速齒輪輸出的位置與期望值相復(fù)合。從而達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。

舵機(jī)：左邊長(zhǎng)方體塊是控制器，最左邊是電位器旋鈕，擰旋鈕，舵機(jī)就轉(zhuǎn)，舵機(jī)帶動(dòng)變速器。用舵機(jī)來(lái)?yè)Q擋，調(diào)節(jié)電位器的旋鈕，擰多大的角度，舵機(jī)臂就轉(zhuǎn)多大角，這個(gè)動(dòng)力帶動(dòng)變速器（藍(lán)色軸旋轉(zhuǎn)），實(shí)現(xiàn)換擋。

轉(zhuǎn)角控制：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如圖3.2所示：

四、結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)省去了高壓氣瓶及減壓閥的控制，體現(xiàn)了輕量化;并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、減少了人工或高壓氣泵充氣的環(huán)節(jié);高壓氣瓶?jī)?nèi)的高壓若壓力過(guò)高時(shí)會(huì)撐裂高壓氣瓶具有一定的危險(xiǎn)性而電動(dòng)舵機(jī)是由蓄電池控制的;可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，容易操作?；趩纹瑱C(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡(jiǎn)單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。在生活中目前還沒(méi)有電動(dòng)舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)在序列式變速器中可廣泛使用。一旦電動(dòng)舵機(jī)換擋機(jī)構(gòu)得以普及，本作品實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益亦是十分顯著的。

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作者單位：鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院