基于大學生方程式賽車的舵機換擋機構的設計

楊雪峰 劉爽 王強 張愛英

摘要：基于大學生方程式賽車換擋機構的創新設計，總結手動、氣動、電磁換檔方式的缺點與不足之處，研發舵機換擋機構。通過CATIA軟件進行模型的建立。舵機換擋裝置的主要結構由檔桿操縱機構、可調電位計連接機構、舵機控制器機構、舵機總成等組成，將檔桿與可調電位計花鍵相連，電位計和舵機控制器機構用導線連接以傳遞電信號。舵機控制器通借助螺栓連接和車架固定，舵機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，結構簡單實用，加工制造成本低，該舵機換擋機構的最大特點是安全可靠，可重復使用、質量輕。

關鍵詞：舵機換擋 CATIA軟件 輕量化

一、前言

傳統的變速器大多將換擋執行機構作為單獨的總成裝配，并使用獨立電機作為換擋執行機構的動力源。一方面，變速器與換擋執行機構相互獨立意味著變速器總成的空間尺寸將被放大，另一方面，使用獨立電機作為動力源將提高變速器的成本。

手動換擋：將車手的動作傳遞到離合器拉桿和換擋桿上拉動拉桿的同時還應配合加油或減油的動作，操作難度較大。

氣動換擋：重量大，技術難度高，換擋次數受氣瓶容量限制。

電磁換擋：響應時間短，受到電源負載能力限制，不一定適用于所有賽車。

目前FSAE賽事風靡全球，可將此機構應用于大學生方程式賽車中，市面上沒有用舵機來控制檔位，舵機換擋機構操作簡單、輕量化、舵機是由蓄電池供電，安全系數高、靈敏度高、成本低它剛好彌補了現有換擋機構的不足，控制精準，成本較低前景非常可觀。

二、舵機換擋機構模型建立

本研究中使用CATIA軟件，該軟件是CAD/CAE/CAM一體化軟件，汽車工業主要是通過設計數據，構造零部件CAD模型和模具CAD模型，在通過數控加工制造模具，進而在進行零件生產的設計制造流程。

在設計制造流程使用CATIA軟件，給我們帶來了極大的方便，減少了設計失誤率，并大大縮短了設計周期。

本研究中舵機換擋機構主要包括擋桿，基座，電位器，控制器，舵機。

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

三、變速器工作原理與舵機換擋機構的設計

DHT變速器指的是混合動力汽車專用變速器，與傳統以內燃機作為單一動力輸入源的變速器不同，DHT變速器通過增加動力耦合單元，使用內燃機和一個 （或多個） 電機共同對車輛進行驅動，以提高車輛的動力性能。由于電機的介入，內燃機可以始終工作在高效工作區間，所產生的多余能量被電機轉化并存儲，這大幅提高了車輛的能源使用效率。

為了適應混合動力汽車多樣的行駛路況，DHT變速器需要在多種模式下進行智能切換，由于模式切換的臨界條件十分復雜，駕駛員很難在最合適的換擋點進行換擋操作，以發揮出DHT變速器最佳的動力性能與節油效率。舵機換擋機構，配合相應的換擋執行機構，實現換擋的智能化，以提升車輛駕駛的簡易度，以及變速器的燃油經濟性與動力性。下面是舵機換擋機構的原理：

檔桿帶動變速器：每次只能轉動一格，不可逆轉，三個撥叉三個凹槽，互相配合工作。橫柱轉起來，頂柱的尖頭就按槽部的軌跡左右移動。如圖3.1所示，齒輪之間進行嚙合，從而實現不同傳動比的實現，實現檔位的變化。

如圖2.2所示，舵機有舵盤，位置反饋電位器，減速齒輪組，直流電機和控制電路組成。減速齒輪組由直流電機驅動，其輸出轉軸帶動一個具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。控制電路根據電位器的反饋電壓，與外部輸入控制脈沖進行比較，產生糾正脈沖，控制并驅動直流電機正轉或反轉，使減速齒輪輸出的位置與期望值相復合。從而達到精確控制轉向角度的目的。

舵機：左邊長方體塊是控制器，最左邊是電位器旋鈕，擰旋鈕，舵機就轉，舵機帶動變速器。用舵機來換擋，調節電位器的旋鈕，擰多大的角度，舵機臂就轉多大角，這個動力帶動變速器（藍色軸旋轉），實現換擋。

轉角控制：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系如圖3.2所示：

四、結束語

電動舵機換擋機構省去了高壓氣瓶及減壓閥的控制，體現了輕量化;并且結構簡單，成本低廉、減少了人工或高壓氣泵充氣的環節;高壓氣瓶內的高壓若壓力過高時會撐裂高壓氣瓶具有一定的危險性而電動舵機是由蓄電池控制的;可以實現重復使用。設計更加簡單，容易操作。基于單片機的舵機控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點。舵機可以在微機電系統和作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統非常容易與之接口。在生活中目前還沒有電動舵機換擋機構，此機構在序列式變速器中可廣泛使用。一旦電動舵機換擋機構得以普及，本作品實現批量生產，產生的經濟效益亦是十分顯著的。

參考文獻：

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作者單位：鄂爾多斯應用技術學院