《基于大学生方程式汽车大赛的气动换挡系统的设计与仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于大学生方程式汽车大赛的气动换挡系统的设计与仿真（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2014 年 14 期 1 绪论 1 1 研究背景尧目的及意义 FSAE 是以各高校在读研究生或本科生 渊一般以机械工程类专业 学生为主冤组成 FSAE 车队袁亲自设计制造 FSAE 赛车袁并参与 FSAE 比赛遥 通过参与 FSAE 赛车项目袁工程类学生的专业知识和实践能力 都得到了极大的提升遥这种项目式管理的教学方法培养了专业基础扎 实且知识面广的复合型人才袁符合汽车产业对人才的实际需求和企业 的实际需求袁因而 FSAE 赛车运动能够激发学校尧学生乃至企业的参 与热情 1 遥 车辆的换挡质量是车辆性能的重要标志袁是车辆驾驶员在开车时 可以直接感受到的袁现代意义的换档质量被定义为换档过程对车
2、辆性 能及乘员健康的影响程度的标准 2 遥 在 FSAE 比赛中袁换挡质量对比赛具有至关重要的影响袁因为不 论是直线加速尧高速避障袁还是耐久性试验袁都需要车手频繁且快速地 换挡遥 对于大学生车手来说袁驾驶技能并不高袁因此袁合适的换挡时机 与快捷的换挡速度可以大幅提高比赛成绩袁同时轻便的换挡操作则可 以降低车手的疲劳程度遥 1 2 变速器国内外研究现状 汽车变速器从控制上分为手动档变速器尧自动档变速器遥 汽车变速器是用于协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的 变速装置 是衡量汽 车性能的重要标志之一 因此变速器技术也随着汽车技术的发展 而不断地与时俱进遥 目前 手动变速器的发展比较成熟而且成本低
3、 在 现代汽车装备市场中仍然占有很大的比重 2 遥 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有 3 种类型 液力自 动变速器 AT 尧电控机械式自动变速器 AMT 和机械无级自动变速器 CVT 遥 液力自动变速器是最早的自动变速器 是根据车速和负荷 油 门踏板的行程 来进行双参数控制 档位根据这两个参数来自动升 降遥 AT 的技术已相对成熟 是目前汽车装备自动变速器的主流遥 电控机械自动变速器是在传统干式离合器和手动齿轮变速器的 基础上改造而成 主要改变了手动换档操纵部分袁即在 MT 总体结构不 变的情况下改用电子控制来实现自动换档遥 由于 AMT 能在 MT 生产 基础上改造 生产继承性好 投
4、入费用也较低 容易被厂家接受遥AMT 的 核心技术是电子控制 电子技术及质量将直接决定AMT 的性能与运行 质量遥 CVT 又称为连续变速式机械无级变速器遥 与有级式的区别在于 它的变速比不是间断的点 而是一系列连续的值 CVT 传递的扭矩容量 不大 目前以小排量汽车为主 其性能和可靠性尚未经过充分的考验和 证实 技术还不够成熟 3 遥 2 气动换挡系统总体方案设计 2 1 气动换挡系统的基本组成 气动换挡系统由电子控制单元尧 气动元件和执行元件等组 成遥 电子控制单元由单片机及外围电路组成遥 气动元件包括储气瓶尧 两个两位三通电磁阀和一个双作用气缸遥 2 2 气动换挡系统的基本工作原理 图
5、2 1气动换挡系统控制框图 本气动换挡系统控制框图如图 2 1 所示遥 由图可知袁电子控制 单元接受来自各种传感器产生的信号袁如车速尧发动机转速等袁并在 数码管上显示以供驾驶员参考遥 驾驶员可通过选档按钮袁向电子控 制单元 ECU 传递信号遥 ECU 根据储存在内部的程序袁控制电磁阀电 路的通断袁并根据换挡按钮的动作在数码管上进行档位显示遥 储气 瓶作为气源袁也是动力源袁为气缸的动作提供足量的尧恒定压力的压 缩气体遥 气缸与变速器换挡机构连接袁通过气缸的动作控制变速器 进行换挡遥 猿援气动换挡系统硬件设计 3 1 设计思路 本气动换挡系统针对大学生方程式赛车进行设计遥 在方程式 汽车大赛冲袁赛
6、车所采用的变速箱为序列式变速箱袁它区别于普通 手动变速箱的只是操作方法袁 加档和减档只需要前后推拉排挡杆 就可以完成遥 这设计不但加快了换挡速度袁更大大减低了换错挡 的可能遥 序列式变速箱的换挡方式分为循环档和国际档两种袁本气动换挡 系统只对循环档适用遥其换挡方式为 N 1 2 3 4 5 6袁N 表示空挡袁且 没有倒档遥换挡时袁通过单片机控制电磁阀的开闭袁并通过电磁阀的开 闭控制压缩气体进入和排除双作用气缸袁然后由气缸的动作带动换挡 控制机构袁进行换档遥气缸的动作分为推拉两种袁对应换挡的推拉排挡 杆两个动作遥 单片机采用 C 语言编程遥 3 2 主要元器件的选择 3 2 1 气缸的选择 本气
7、动换挡系统采用的气缸为单活塞双作用气缸袁从活塞两侧交 替供气袁实现双向运动遥 3 2 2 电磁阀的选择 基于大学生方程式汽车大赛的气动换挡系统的设计与仿真 刘奕玮 渊南京农业大学江苏南京210000冤 揖摘 要铱FSAE渊Formula SAE冤是由各国 SAE渊汽车工程师协会冤举办的一项学生方程式赛车比赛袁要求参赛队伍在一年的时间内制造出一辆 在加速尧刹车尧操控性等方面有优异表现的小型赛车遥 在 FSAE 比赛中袁换挡质量对比赛具有至关重要的影响袁因为不论是直线加速尧高速避障袁还 是耐久性试验都需要车手频繁且快速地换挡遥对于大学生车手来说袁驾驶技能并不高袁因此袁合适的换挡时机与快捷的换挡速度
8、可以大幅提高比赛 成绩袁同时轻便的换挡操作则可以降低车手的疲劳程度遥设计了基于单片机的气动换档控制系统袁包括硬件系统和软件系统遥硬件设计主要有气动 方案的设计尧气动元件的选择尧显示电路设计尧按钮电路设计尧电磁阀控制电路设计等遥 软件设计采用单片机 C 语言编程遥 揖关键词铱方程式赛车 气动换挡 单片机 殷科技论坛殷 283 2014 年 14 期 本系统所需电磁阀为两个两位三通的电磁阀袁 每个电磁阀具 有一个进气孔渊接进气气源冤尧一个出气孔渊提空给目标设备冤尧一 个排气孔遥 两个电磁阀分别控制双作用气缸活塞两侧气体的进 出遥 3 3 硬件电路的设计 3 3 1 整体电路 本电路中的主要元件包括
9、院一个一位七段数码管袁一个排阻作为 上拉电阻袁 一个 ULN2803袁 两个额定电压 12V 的灯泡用来代表电磁 阀袁一对按钮开关袁和一对发光二极管遥 本电路大致可分为四个部分院数码管档位显示电路袁换挡按钮电 路袁电磁阀控制电路袁时钟电路及复位电路遥 3 3 2 数码管显示电路设计 数码管档位显示电路由数码管和排阻构成遥 数码管是用于显示 0 1 2 噎噎9 数字的显示器件遥 所有二极管的 内部连接有两种 阳极连在一起 称为共阳型曰阴极连在一起 称为共阴 型 4 遥 上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的 也就是拉 电流遥 一般作单键触发使用时 如果 IC 本身没有内接电阻 为了使单键
10、 维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态 必须在 IC 外部另接 一电阻 5 遥 数码管档位显示电路的功能为显示当前档位遥 其初始值为 0袁当 按下一次进档按钮袁数码管显示的数值加一袁按下一次减档按钮袁则显 示的数值减一遥如此遥数值按照循环档的档位从 0 到 6 进行变化袁显示 为 6 时袁进档则为 0遥 3 3 3 换挡按钮电路设计 本部分电路由一对发光二极管袁 一对按钮开关和一对电阻组 成遥 此处的发光二极管起到指示作用袁 当按下进档或减档按钮时袁对 应的二极管点亮袁指示该按钮被按下遥 两个电阻为限流电阻袁可以为二极管提供适当的电流遥 3 3 4 电磁阀控制电路设计 电磁阀控制电路由两个
11、电磁阀袁一个 ULN2803 组成遥 电磁阀为 DC12V袁两位三通遥 单片机输出高电平时电压最大值为 5V袁 本系统采用电磁阀为直 流 12V袁因此采用 ULN2803 作为驱动芯片遥 两电磁阀为常开袁当按下进档或减档按钮时袁对应的一个电磁阀 关闭袁从而使连接气缸的两条气路形成压力差袁电磁阀关闭的持续时 间小于 1 秒袁一次关闭开启即实现一个换挡动作遥 ULN2803 是摩托罗拉公司生产的具有高电压尧 大电流的 8 路达 林顿驱动器袁广泛应用于计算机尧工业和消费类产品中 6 遥 4 气动换挡控制系统软件设计与仿真 4 1 单片机 C 语言编程 单片机的 C 语言是一种编译型程序设计语言 它兼
12、顾了多种高级 语言的特点 并具备汇编语言的功能遥 C 语言具有功能丰富的库函数 运算速度快 编译效率高 有良好的可移植性 而且可以实现直接对系 统硬件的控制 7 遥 程序代码如下院 include typedef unsigned char uint8 typedef unsigned int uint16 typedef unsigned long uint32 sbit CTL0 P2 0 sbit CTL1 P2 1 sbit CTL2 P2 2 sbit OPUT1 P3 3 sbit OPUT2 P3 4 sbit OPUT3 P3 5 code uint8 table 0 xC0
13、0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 uint8i 0 void delay uint8 j 100 i 35 while i while j int main void CTL0 1 CTL1 1 CTL2 1 OPUT1 1 OPUT2 1 OPUT3 1 P0 table 0 while 1 if CTL2 0 delay if CTL2 0 OPUT3 1 else delay if CTL2 1 OPUT3 0 if CTL0 0 delay if CTL0 0 if i0 i elsei 6 P0 table i
14、 OPUT2 0 delay else delay if CTL1 1 OPUT2 1 4 2 单片机系统仿真 利用 Proteus 与 Keil 滋Vision3 进行联合仿真袁步骤如下院首先袁用 Proteus 绘制单片机系统的电路原理图曰其次袁用 Keil 滋Vision3 编译 C 语言程序并生成野 hex冶格式文件曰第三步袁在 Proteus 中将野 hex冶文件 导入单片机袁运行尧仿真演示遥 经过仿真袁本文所设计的换挡策略可以演示成功遥 仿真结果不一一列 举遥 揖参考文献铱 咱员暂吴发亮袁阳林袁邓仲卿袁周永光 FSAE 赛车运动的现状与发展趋势分析 J 农 业装备与车辆工程袁201
15、3渊03冤援 咱圆暂孙斌 电控气动换档系统中换档力控制策略的研究 D 大连院大连理工大学袁 2010援 咱猿暂张建珍袁过学迅 车辆自动变速器的研究现状及发展趋势 J 技术导向袁2007 渊01冤院38 39援 咱源暂于肃 数码管的动态显示技术 J 计量技术袁1997袁渊8冤院16 17援 咱缘暂王鹏 拉电阻在数字电路中的应用 J 河南机电高等专科学校学报袁2009 17 渊3冤院9 10援 咱远暂李长安袁李志勇袁赵玲袁孙昱袁付少波 基于 MAX7219 芯片的大尺寸 LED 数码 显示驱动电路设计 J 电子设计工程袁2011 19渊5冤院190 192援 咱苑暂卢旭锦 浅谈单片机编程语言 J
16、开发研究与设计技术 2007 03 765 778援 荫 渊上接第 281 页冤把野再生冶袁见图 6 所示遥 图 6统一修改尺寸 远援总结 按照上述绘图步骤能够快速提高速度袁譬如在绘制完截面草图相 似图形后可不急于强化尺寸和添加约束而是进行轮廓封闭性检查袁看 轮廓是否存在开发端点和重叠图元袁尤其当草图中存在重叠图元时会 引起多余弱尺寸曰Pro E 软件采用全约束来控制草图截面的形状和大 小袁即绘制一个图元不仅要确定它的定型尺寸袁还要包括它相对于其 它图元间的位置尺寸遥如果用户在绘制图元时袁缺少一些尺寸袁则为欠 约束遥当存在欠约束时袁系统会自动计算该图形缺少哪些尺寸袁然后以 弱尺寸自动补全袁如果用户添加了多余的尺寸袁则为过约束遥 草图过 约束时袁系统会弹出警告对话框袁提示用户取消尺寸添加命令或删 除其它的约束来解决尺寸冲突袁 同时在草图中高亮显示冲突的尺寸 约束遥 揖参考文献铱 咱员暂吴林援Pro ENGINEERWildfire5 0 技术应用项目式教程援合肥援中国科学技术大 学出版袁2013援8援 咱圆暂张军峰援Pro ENGINEERWildfire5 0 产品设计与工艺基本功特训
