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1、基于 FSAE 赛车的气动换挡逻辑与控制摘要：本研究的目的在于基于 FSAE(Formula SAE)赛车中国赛规则下，对油车气动换挡的稳定性、高效性进行分析。对气动换挡的机构进行了简单的介绍，详细分析了多种换挡逻辑和换挡控制方法。关键词：FSAE FSC 气动换挡 换挡逻辑 气动控制1.前言：FSAE 赛车是世界范围内最大的大学生方程式汽车大赛，是未来汽车工程师的摇篮。在 FSAE 大赛中，赛车的每一部分，如发动机、传动、避震、轮胎、车架、空气套件等等都对整车的性能产生很大的影响。对于动力系统来说，稳定以及快速的换挡机构，至少能在 0-75 米加速比赛中提高0.5 秒的成绩。对于高速壁障和耐
2、久赛的贡献会更大。在缺少职业车手的参赛队伍中，提高整车的易操作性是十分必要的。因此对于 FSAE 赛车的气动换挡研究是很有意义的。2.气动换挡元器件极其关系在 FSAE 大赛中，发动机的选用普遍为日系摩托车发动机，排量不超过 610CC。换挡机构都包括了两个部分，一个是离合，一个是换挡扭杆。首先应对整个换挡机构进行逻辑控制的设计。 （如图 1 所示）名词解释：输入设备：车手与控制系统之间的沟通媒介，可以是换挡拨片、换挡按钮或其他设备。控制系统：根据不同车队的实际成本预算以及技术储备，可以在整车上使用统一的 ECU，或者使用延时继电器、单片机或者 PLC。 （不推荐使用 PLC，后文详解。 ）输
3、出设备：包括电磁阀、气缸、固定气缸的支架。有时也包括电磁阀的汇流板等。车手通过输入设备，向控制系统传递换挡信号。输入设备将信号经过处理后（如滤波） ，将脉冲信号传递给控制系统。控制系统根据信号控制输出设备，最终完成换挡动作。3气动换挡逻辑的分类及分析31 闭环换挡逻辑在图 1 中的黑色箭头使整个换挡控制系统构成了一个闭环控制系统。除了上述的逻辑控制系统以外，加入了档位信号给控制系统的一个反馈信号。也就是说控制系统时刻知道变速箱的现在档位以及升降档动作是否成功。这一闭环控制系统从理论上讲是十分必要的。因为 FSAE 大赛中的发动机都是摩托车手动换挡的发动机，因此在发动机不转动或者其他特殊情况时，
4、可能会造成升降档动作不成功。从而造成控制系统中的理论档位与变速箱的实际档位不符，使得多次换挡后控制系统无法正常工作。输入设备车手变速箱输出设备控制系统图 13.2 开环换挡逻辑在图 1 中去掉黑色箭头，使得变速箱的升降档信号不反馈给控制系统。控制系统不知道现在具体的变速箱档位，使得整个换挡控制系统构成了一个开环的系统。考虑到不少参赛队使用的 CBR 和 GSX 发动机的特殊档位顺序（1-0-2-3-4-5-6） ，需要车手通过仪表盘上的档位信号来实际操作输入设备。3.3 闭环及开环换挡系统的比较闭环系统有着开环系统所不具有的亲和力和人性化，对于车手来讲操作简单无论是空挡升一档还是一档升二档，一
5、律右手升档左手减档。其劣势在于，对于不少车队来讲其技术储备不够完成相应的闭环控制系统，再加上有些系统也并不具有读取档位信号的能力。使得整个气动换挡系统变得复杂。加大了人员、资金、精力的投入。开环系统的控制策略是粗放的。缺点非常明显，车手在面对空挡升一档时要操作左侧的按键或拨片，但是在一档升二档时又要操作另一边的。因此首先车手必须要知道这个变速箱的档位顺序，以及整个换挡系统的工作方式。第二个缺点是，如果换挡动作不成功，那么车手必须立即再补上一次换挡动作来完成换挡，其反应速度势必不如闭环系统的电脑来的快。但是实际上换挡不成功的概率是很低的。从另一方面来看，在实际比赛中，空挡、一档、二档之间的互相转
6、换，其使用率很低。只有在起步时会用到这样的档位，而主要的档位集中在二档、三档和四档。因此开环控制系统的劣势也不像看上去那么明显，甚至对于初接触气动换挡的车队有着更大的实际意义。4气动换挡装置的选择与计算4.1 气动执行机构：执行机构包括了离合部分以及换挡部分。换挡气缸必然是气动控制。离合器可以单独用气缸控制或者单独用机械式拉线控制（有利于起步且比较简单） ，或者设计成机械与气动都可以独立对离合进行控制。首先最重要的问题是气缸的选择。气缸的工作力的大小来源于两个参数，一个是缸径一个是工作压力。因为对于赛车来讲，小型气缸的优势非常明显，首先是重量轻，其次是好布置、易拆装。因此工作压力的提高很重要，
7、工作压力的提高意味着缸径的减小。市场上常见的气动执行机构的工作压力一般为-1BAR,+10BAR。因此选用最高的 10BAR 的气缸（一般这样的气缸的实验耐压值往往能达到 15BAR） 。采集变速箱档杆和离合器推杆的实际工作力矩和力。离合器推杆力约为 120KG（1200N） ，换挡扭矩约为 10NM（此为粗略采集数据，应根据不同发动机及实际状况重新对数据进行采集） 。离合器气缸直径 R：R/4P=F=1200NR0.0435M=43.5MM因此至少选用 43.5MM 缸径以上的气缸下文的计算一律按照缸径 50MM，行程 10MM计算。换挡气缸要根据实际设计的换挡杆长度来决定换挡气缸的工作力。
8、不建议使用扭转气缸，因为扭转气缸的重量和体积更大。下文一律按照缸径 30MM，行程 30MM 气缸计算。4.2 气源气源作为整个气动换挡系统的动力装置，完全决定了换挡次数。根据理想气体的本构方程 PV=NRT ，气源储存气体的量在体积一定的情况下压力越高储存的越多，因此高压气罐是不二的选择。下面来计算气罐的容积。以市售的比较常见的高压气罐，其最高耐压一般为 30MPA 即 300BAR 的压力，而实际使用一般为不低于 20MPA，因此以下计算取 20MPA 为初始气瓶压力。单次换挡气缸耗气量（Z1=PV）Z1=30MM/430MM/210101000Pa=10.71J公式为气源输出的 10BA
9、R 压力的气体将本来体积为 0 的气室推至体积为 V 所消耗的气体的量，其量纲明显并不是体积。另外极其还要注意的是，每次换挡除了气缸需要消耗气体，汇流板至气缸的气管一样消耗气体（减压阀至汇流板之间的气管不消耗气体） ，因此气管的直径应该在满足电磁阀实际通径的前提下尽量短而细。以 250MM 长，内径 5MM 的气管计算。Z2=5MM/4250MM10101000Pa=4.96JZ2 相对于 Z1 并不是可以忽略的数值，因此这是极容易产生错误的。另外上式中的 10 实际应该是介于 9 与 10 之间的一个数，因为在电磁阀换向之前气管里本身已经有 1BAR 的气体，其P 为 9BAR。但是又考虑到
10、气管以及其他部位的变形以及宁可多算不能少算的原因，取了 10。定义 Z=Z1+Z2=15.67J 为换挡常数。已知气瓶压力为 20MPA，体积 L,假设换挡1000 次并且没有使用离合气缸，计算气瓶的体积至少为多少。L20MPA 15.67J X 1000L0.7835L也就是说，要保证能换挡 1000 次至少要0.7835 升的气瓶，且起始压力应为21MPA（也要考虑到气瓶低于 1MPA 时实际减压阀输出的压力已经低于 10BAR 已经不能称为正常工作了） 。其中还要考虑整个系统的气密性，时间越长其气密性就越不容忽略。再加上实际工作中离合气缸的工作（根据实际情况看是否需要气动离合或者还是机械
11、式离合） 。但是具体的计算方法与上文基本一致，无外乎改变换挡常数。4.3 电控装置除了最基本的气动执行元件，电控装置也在某种程度上决定了换挡的速度和稳定性。比如上文不提倡用 PLC（可编程逻辑控制器）的原因在于其反应速度稍慢。换挡时间分为两部分，一部分我称为是响应时间，包括车手决定换挡，按下换挡拨片或按钮，脉冲信号传递至电控系统，电控系统输出信号控制电磁阀，电磁阀响应后励磁并接通气路，整个气路气压的上升。第二部分我称为动作时间，是实际气缸推动换挡杆以及将换挡杆拉回原始位置（或者换挡杆由于自己的回弹力自己回到原始位置） 。这两部分有一个鲜明的界限，那就是动力是否切断。第一部分预备时间，如果很长，
12、那么车手会认为这辆车给他的感觉是“蠢”的，它的反应不是那么迅速，有滞后的感觉。这对于一个好车手发挥他的技术是十分不利的，本来已经准备降档提速，但是错过了车手认为最好的时机。第二部分动作时间过程中，动力被暂时切断，其时间的长短给车手的感受就是顿挫感的强弱。优秀的换挡机构应该保证换挡时间足够短，使得车手感受到的冲击尽量小。这主要不是为了车的舒适性，而是保证赛车动力的持续输出。从缩短响应时间的角度来看，运用更好的电控系统，如高主频的单片机，或者直接使用行车电脑等等都是不错的选择。另外如果电磁阀的电压与蓄电池的电压不一样，就要面临使用继电器的问题(尽管我认为应该尽量使用电压与蓄电池电压相同的电磁阀，以
13、避免此类问题，但是由于库存以及供货期问题有时继电器的使用在所难免)。继电器应该选用响应快的。市售继电器响应时间由 0.5MS20MS 不等，虽然20MS 本身并不多，但是相对于整个系统都是毫秒级的情况来讲其影响还是不小的。另外电磁阀分为先导式以及直通式电磁阀，直通式往往比先导式反应时间要短。电磁阀通电后需要时间来励磁并且切换气路，这里的时间一般在 5MS75MS 之间，最好能选择 5MS 这个量级的电磁阀缩短响应时间。再来分析一下动作时间。这个部分主要是换挡杆的转动以及回位的时间。一个比较容易忽略的问题就是电磁阀的实际通径。一般在购买电磁阀的时候厂家会给予许多数据信息，其中有其实际通径。也就是
14、电磁阀全开时气路的最大直径。无论你使用多粗的气管，都要被电磁阀的通气能力所限制，因此电磁阀的选择贯穿了整个响应时间以及动作时间，是气动换挡系统中的重点。另外选用缸径稍大的气动执行机构会占些便宜。但是也要考虑到增重、难布置以及随之而来的耗气量的升高。换挡杆推到换挡位之后，其回位可以通过自身的回位弹簧来完成，但是为让其更快的回到原位恢复赛车动力，在程序设计时也可以“拉他一把” 。4.4 换挡时间综合第 4 节的内容，换挡时间可以大致计算出来。针对每一项，从采购的元件以及机构的设计上进行优化，可以大大的减少换挡的响应时间，以及动力的中断时间。5.前瞻性问题对于 FSAE 赛车而言，其换挡方式不仅限于
15、气动方案。本文只讨论了气动换挡的诸多问题，其实很多电磁、电机方式换挡的车队也大放异彩。而对于换挡问题还有很多有待于后人去深入学习和研究的问题。5.1 换挡与弹射起步、驱动防滑的问题无论对于赛车上的任何改进，都是为了提高赛车的性能。但是在 FSC 大赛中，每个车队在各个系统的整合问题上目前还并不成熟。做一辆好的赛车并不等于买一堆昂贵高端的发动机、轮胎、避震等等，并把他们组装在一起就能成为一辆好车。各个系统之间的良好协作才是整车的关键。对于换挡系统而言，其与驱动防滑、弹射起步的关系十分密切。目前很多车队已经在防滑方面（减少动力输出的损耗或者说最大的利用地面附着力）进行了很多有益的尝试。比如购买有限滑能力的限滑差速器，再有通过采集轮速和在适时限制发动机功率来控制赛车起步的打滑等等。但是对于赛车各个部分之间的整合做的还不够多。对于换挡系统而言，各个车队普遍的做法是既使用更快的气动或者电动换挡，又保留了原来手动的拉线离合。我认为这一设计有它存在的必然性，但并不是最理想的解决办法。是否能将起步与气动换挡（或其他换挡方式）相结合，大大的降低车手弹射起步的难度。我认为这是一个很好的整合思路。参考文献：无
