周 淼，楊保成，焦洪宇

（常熟理工學院 汽車工程學院，江蘇 常熟 215500）

隨著FSC賽事的不斷發(fā)展，賽車也在朝著智能化電氣化方向發(fā)展. 在FSC比賽中，一場持久賽可能會換擋超過100次，傳統(tǒng)的手動換擋即是通過設計一種機構(gòu)使換擋軸與車手身邊的換擋桿連接，車手通過前后推動換擋桿從而實現(xiàn)升降擋. 在高速行駛中，手動換擋會分散注意力，進而有車輛失控的危險. 同時頻繁的手動升降擋也會影響比賽速度. 因此，設計一套便捷的換擋離合系統(tǒng)顯得十分重要. 在這種情況下，氣動換擋系統(tǒng)應運而生［1］.

1 氣動換擋方案設計

圖1 氣動換擋系統(tǒng)渲染圖

圖2 升降擋時工作順序

氣動換擋系統(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，當需要升擋或者降擋時觸發(fā)升擋或降擋按鈕，使得升降擋對應的電磁閥導通. 氣瓶中的氣體通過電磁閥閥腔進入氣缸，推動氣缸活塞上下運動，從而帶動換擋軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)升降擋. 其升降擋具體工作順序如圖2所示. 升擋時，按下升擋按鈕，會觸發(fā)ECU工作，控制電磁閥打開，工作順序依次為氣瓶→減壓閥→電磁閥→氣缸→換擋桿. 同時按鈕會觸發(fā)ECU的斷火指令，引起升擋瞬間發(fā)動機斷火（發(fā)動機斷火是指賽車所使用的Motec ECU中有升擋斷火程序，在升擋瞬間發(fā)動機電控系統(tǒng)會切斷點火與噴油工作，輔助完成升擋）. 而降擋時，按下降擋按鈕將不會觸發(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)在升擋過程中需要觸發(fā)ECU斷火指令.

2 換擋系統(tǒng)硬件設計

2.1 氣缸的選擇

由于FSC賽車后艙體積緊湊，選型時應選擇使用小型氣缸. 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口進入并充滿左腔，推動活塞與活塞桿向右運動，同時右腔氣體從B口排出. 同理，若B口進氣、A口排氣，則活塞與活塞桿反向運動，如圖3（b）所示. 若A、B兩口同時排氣，則活塞與活塞桿會處于中間位置［1］.

圖3 雙作用氣缸工作原理示意圖

2.2 電磁閥的選擇

氣動換擋時，氣缸雙向工作，中間停止，這就要求電磁閥有3個工作位置，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. 賽車跑動過程中，氣缸不需要精確定位，中途停止時間短暫，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，型號為4 V230DC12 V，氣動離合由于只需“拉”這一個步驟，需要兩位三通電磁閥，選擇的型號為4 V210DC120 V.

2.3 氣瓶的選擇

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

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

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

3 換擋系統(tǒng)軟件設計

賽車所使用的CBR600型發(fā)動機是序列式換擋變速器，此形式的換擋系統(tǒng)的優(yōu)點是升擋時不需要拉離合，且賽車所使用的Motec ECU系統(tǒng)中有升擋斷火程序. 在升擋瞬間，發(fā)動機電控系統(tǒng)控制完成斷火程序，即可完成升擋. 在降擋時，倘若不拉離合則需要車手進行補油操作，難度非常大. 因此，在降擋時考慮讓離合介入變得十分重要. 這里采用單片機作為電控元件來控制換擋與離合的間隔時間. 在單片機上安裝兩個繼電器即可完成上述操作. 51單片機程序穩(wěn)定且價格便宜，適合本機構(gòu).

單片機控制時間差原理如圖4所示. 降擋時，在換擋機構(gòu)開始工作前離合便要提前開始工作，在換擋工作結(jié)束后離合停止工作. 這個原理與乘用車手動換擋的原理是一致的，即在離合工作時間內(nèi)完成換擋. 具體編寫程序要求是離合立即啟動，同時設置離合啟動后第一個延時以控制換擋工作，在換擋工作完設定第二個延時以控制離合關(guān)閉.

圖4 離合換擋時間示意圖

4 后期調(diào)試

首先進行離合換擋靜態(tài)測試，測試結(jié)果如表1所示.

表1 不同延時時間效果表

經(jīng)過實驗測試，當換擋機構(gòu)與離合機構(gòu)同時工作時，離合執(zhí)行總是快于換擋機構(gòu)，即離合的響應速度快于換擋速度. 因此，單片機中延時時間需要增加，但是動力切斷時間過長會嚴重影響性能表現(xiàn)，如第三組數(shù)據(jù)所示，盡管換擋成功，但動力切斷時間過長. 經(jīng)過反復多次實驗后，最終確定了較為合適的間隔時間. 在使用過程中還出現(xiàn)了單片機受到信號干擾的問題，在加裝單片機盒后，該問題得以解決.

在靜態(tài)測試完成后開始動態(tài)測試，選取直線加速與高速避障作為測試依據(jù)，讀取Motec記錄的數(shù)據(jù)，見圖5. 在圖5中，經(jīng)過單片機控制后直線加速過程中升擋時間保持在合理的范圍內(nèi)，且通過設定選取合理的斷火時間，升擋十分順暢.

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

5 結(jié)論

通過對換擋機構(gòu)的設定與選型，并根據(jù)競賽需要編寫相匹配的程序，成功開發(fā)了氣動換擋系統(tǒng). 賽車的性能變得更加優(yōu)異，且大大降低了車手的操作難度. 此系統(tǒng)的實質(zhì)類似于在傳動手動變速器的基礎上加裝一套電控系統(tǒng)實現(xiàn)半自動控制. 從而以較低的成本解決了當前FSC競賽中較為棘手的問題.經(jīng)過不斷的測試與調(diào)整，單片機延時時間達到最優(yōu)值. 這套系統(tǒng)變得日益完善，在此基礎上可以升級為自動升擋機構(gòu)，在直線加速等賽事中完全解放車手，實現(xiàn)換擋全自動.

圖5 直線加速與高速避障實車數(shù)據(jù)