電動換擋在FSC賽車上的應(yīng)用設(shè)計與實現(xiàn)*

王昌碩 郝亮 馬建強 梁廣振 高祥 皓倪權(quán)（遼寧工業(yè)大學(xué)）

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準，在一年時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動及操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。在傳統(tǒng)的FSC賽車制作過程中，一般采用手動離合和換擋桿，這樣的換擋系統(tǒng)在比賽過程中容易反應(yīng)慢，使賽車手駕駛疲勞。因此，在傳統(tǒng)換擋機械裝置基礎(chǔ)上，采用電子控制進行換擋，提高換擋的反應(yīng)速度，在FSC賽事中體現(xiàn)出換擋的智能性，故研究電動換擋有著必然的趨勢和必然性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計開發(fā)FSC賽車上的電動換擋系統(tǒng)，使用開關(guān)作為輸入信號發(fā)生源，開關(guān)作為系統(tǒng)前端采集設(shè)備，將采集到的信號輸入到微處理器中，使用PWM（脈寬調(diào)制）算法，對采集到的信號進行運算處理，根據(jù)輸出運算結(jié)果（扭矩）控制大功率直流電機帶動拉桿機構(gòu)等機械裝置完成自動換擋，實現(xiàn)FSC賽車的電動智能換擋。硬件包括單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊及直流電機驅(qū)動模塊[1]等電路。

本系統(tǒng)采用51單片機作為控制器，實時獲取方向盤上按鈕的開關(guān)信號，控制電機換擋，其系統(tǒng)電路總體架構(gòu)，如圖1所示。電源模塊采用將12 V車載直流電源轉(zhuǎn)換為5 V的電源供電。直流電機驅(qū)動模塊采用H橋全橋整流電路能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)的目的。軟件部分用C語言編程，在keil軟件上進行操作和程序校核，系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

利用Altiumdesigner軟件畫出電路結(jié)構(gòu)框架圖，繪制電路板。采用51單片機、+5 V電源供電。51單片機作為處理器，有成本低、體積小、質(zhì)量輕、抗干擾能力強及運行穩(wěn)定等優(yōu)點[2]。

電源模塊將12 V車載直流電源轉(zhuǎn)換為5 V的電源供控制器使用，采用防干擾設(shè)計，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的設(shè)計基礎(chǔ)，如圖3所示。

電機驅(qū)動采用H橋驅(qū)動電路，可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，達到正裝和反轉(zhuǎn)的目的，如圖4所示。

換擋機構(gòu)的推桿結(jié)構(gòu)[3]是利用CATIA三維設(shè)計出來的，導(dǎo)入CAXA中做出二維圖。為了保證換擋強度，采用兩端是球頭結(jié)構(gòu)，中間用中空螺紋桿連接作為推桿。電機輸出軸通過鍵連接與旋轉(zhuǎn)桿相連[4]，將電機的轉(zhuǎn)矩輸出，連到推桿，再連接發(fā)動機本身的換擋結(jié)構(gòu)，從而將電機的輸出轉(zhuǎn)矩成為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)換擋結(jié)構(gòu)中人的臂力，實現(xiàn)了電機換擋。節(jié)省了駕駛員的體力，減少賽車駕駛員的駕駛疲勞。推桿機構(gòu)，如圖5所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在keil軟件中運用C語言進行軟件編程，根據(jù)實際需要實現(xiàn)軟件邏輯思路，采用PWM算法[5]，通過用PWM（即脈寬調(diào)制）來改變送給電動機的平均電壓，達到調(diào)節(jié)的目的，編程的軟件界面，如圖6所示。

2 整體系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)安裝在FSC賽車上，進行實車試驗，通過車手關(guān)于行駛中換擋的成功率和換擋平順性的反饋，對換擋時間間隔和響應(yīng)速度進行了多次調(diào)節(jié)，以及對換擋機構(gòu)的穩(wěn)定性進行測試，換擋機構(gòu)的實際裝配，如圖7所示。

3 結(jié)論

電動換擋系統(tǒng)能夠準確地對開關(guān)輸入信號進行有效采集和處理，根據(jù)輸出扭矩控制大功率直流電機帶動拉桿機構(gòu)等機械裝置完成自動換擋的功能，通過實車匹配試驗有效地解決了電動換擋實時性、精確性及穩(wěn)定性的問題，電動換擋系統(tǒng)在FSC實車應(yīng)用不僅大大地減輕了駕駛員的實際換擋操縱負荷，而且在提高換擋效率的同時，也提高了行車的安全性，這充分證明了電動智能換擋在FSC賽車上應(yīng)用的可行性。