基于STM32的FSAE氣動換擋與數(shù)采系統(tǒng)

張曉舟　曹瑞　程其遠(yuǎn)

摘要：通過STM32嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)對大學(xué)生方程式賽車（油車）氣動換擋機(jī)構(gòu)的控制，以獲得平穩(wěn)順暢的換擋動作。同時利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對換擋時的曲軸轉(zhuǎn)速、車速及換擋用時進(jìn)行記錄，以調(diào)試出最佳動力性升擋時機(jī)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式;氣動換擋;STM32

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）02-0001-02

0引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（FormulaStudentChina），是主要面向中國大學(xué)生的一項(xiàng)工程教育型賽事。賽事要求各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、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。

賽事動態(tài)比賽部分對于車輛動力性能有著較大要求，一個穩(wěn)定順暢的換擋系統(tǒng)對于賽事成績至關(guān)重要。近幾年賽事中，已經(jīng)有了同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)等一部分車隊(duì)通過氣動換擋系統(tǒng)，在賽事中取得了優(yōu)異的成績，越來越多的車隊(duì)也在換擋自動化方面開始了探索。總的來說，換擋自動化已成為趨勢，已較為成熟的氣動換擋更是各車隊(duì)探索的首選[2]。

1氣動換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計

我們采用了集成機(jī)械序列式變速箱的HONDACBR600RR發(fā)動機(jī)，其換擋所需參數(shù)如下。

1.1氣動元件選型

1.1.1氣缸負(fù)載率β

考慮氣缸動態(tài)特性時，由于運(yùn)動時排氣腔背壓的存在，氣缸實(shí)際作用力遠(yuǎn)小于其理論作用力。因此引入負(fù)載率β=實(shí)際負(fù)載力氣缸理論輸出力其值隨氣缸運(yùn)動速度不同而變化。

1.1.2換擋氣缸

考慮布置空間，初步確定換擋力臂長度L為60mm。于是由：

s≈Lxsinθ+Lxsin日=34mm

得氣缸行程S應(yīng)至少大于34mm，參考亞德客產(chǎn)品型錄，取標(biāo)準(zhǔn)行程S=50mm。考慮，換擋氣缸動作時間t=0.ls，得氣缸動作速度V=;S取負(fù)載率β=0.75則由：21=0.25m/s，由表2可F，>-Sβ=109.33N參考亞德客產(chǎn)品型錄，得氣缸內(nèi)徑20mm（0.5MPa下，無桿腔出力157.0N，有桿腔出力131.9N），滿足要求。綜上選用亞德客缸徑20mm、行程50mm的復(fù)動型氣缸：MBL20X50CAS。

1.1.3離合氣缸

考慮布置空間，初步確定離合力臂L為50mm;由離合最小扭矩為7.5N/m;同上可得，選用亞德客缸徑25mm、行程25mm的單動型氣缸：MBL25X25CAS。

1.2電磁閥選型

換擋氣缸為復(fù)動型氣缸，其擁有三個工作狀態(tài)，因此需選用三位五通電磁閥。換擋只是瞬時工況，氣瓶應(yīng)置于常閉狀態(tài)，因此應(yīng)選用三位五通中封式電磁閥，查亞德客產(chǎn)品型錄得換擋電磁閥型號為：4V130C06F。離合氣缸為單動型氣缸，只需選用二位三通常閉型電磁閥即可，查閱亞德客產(chǎn)品型錄得離合電磁閥型號為：3V106F（3]。

1.3氣瓶選型

氣瓶要求在能夠存儲足夠多氣量的前提下，盡量減小體積以適應(yīng)布置空間，盡量減小重量以保證輕量化。因此，考慮采用附帶瓶口減壓閥的高壓碳纖維氣瓶。

初算氣瓶容積時，定義工質(zhì)為理想氣體，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Po=0.1MPa，氣瓶氣壓P=10MPa，氣缸工作壓力P=0.6MPa，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，升檔單次耗氣量q，，降檔單次耗氣量q2，則：

考慮泄露及氣瓶標(biāo)準(zhǔn)容積等因素，選取氣瓶容積為0.5L。

1.4氣路設(shè)計

利用氣瓶瓶口減壓閥實(shí)現(xiàn)0.6MPa氣壓輸出;利用消聲器對排氣口進(jìn)行消聲處理，同時防止吸入灰塵損壞氣動元件造成漏氣;具體氣動回路如圖1。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)通過CAN總線從ECU讀取車速、驅(qū)動STM32、存儲換擋數(shù)據(jù)等功能。

設(shè)計選用ECU型號為MoTeCM84，基于CAN2.0總線協(xié)議，每次以1Mbps的速度廣播發(fā)送176字節(jié)的報文，利用HVP230CAN收發(fā)器接收報文;通過5V高電平低時延繼電器控制電磁閥的通斷;設(shè)置換擋模式選擇開關(guān)以切換自動升檔與撥片換擋模式。電路原理如圖2所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)通過STM32平臺實(shí)現(xiàn)換擋模式識別、自動升擋、降檔離合配合及換擋參數(shù)儲存等功能。升擋時，先發(fā)送斷火信號，以適當(dāng)降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩使升擋接合平順，減小由沖擊造成的動力損失;降檔時，先分離離合，防止車速過快對發(fā)動機(jī)倒拖。換擋流程如圖3所示。

4結(jié)束語

經(jīng)調(diào)試，斷火延時50ms、降檔離合提前分離時間為45ms時換擋成功率最為穩(wěn)定。在通過實(shí)車測試后得出的各擋位最佳換擋轉(zhuǎn)速下，賽車換擋時間能夠減少46%，直線加速成績能夠提升5%左右。

參考文獻(xiàn)

[1]中國汽車工業(yè)學(xué)會：《2018中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》[S]，2018.

[2]劉漢鈞.談?wù)剼飧椎呢?fù)載率和機(jī)械效率[J].液壓與氣動，1992（1），24-26.

[3]MoTeCPty.Ltd：《MoTeCM800Set3DataProtocol》[M]，2013.