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外文資料翻譯
原文名稱
Design of pneumatic transmission system base on FSC car
中文名稱
FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計
原文來源：
JieLi，ShsnHuYu,GangZhu,Advanced Materials Research，2013，共7頁
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1 英文原文: (PDF格式)
2 中文翻譯:
氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計—基于大學(xué)FSC賽車
摘要：華南理工大學(xué)的FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了半自動換檔，司機可以在較短的時間內(nèi)更加快捷地完成移位操作，從而提高比賽成績。根據(jù)預(yù)設(shè)程序驅(qū)動換擋油缸和離合器油缸，壓縮二氧化碳在電控單元的操縱下完成整個傳動過程。本文詳細(xì)討論了執(zhí)行器和電子控制單元的設(shè)計過程，同時對由此產(chǎn)生的汽車調(diào)試問題，提出了系統(tǒng)的優(yōu)化方向。
關(guān)鍵詞:FSC賽車，氣壓傳動系統(tǒng)，執(zhí)行器，控制單元
介紹
傳統(tǒng)的FSC賽車采用普通手動換檔方式，對駕駛員的操作要求較高，影響了汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和比賽的性能。華南理工大學(xué)的FSC賽車采用氣壓換檔系統(tǒng)代替手動換檔系統(tǒng)，實現(xiàn)了半自動變速，具有減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，減少傳動時間，提高汽車動力性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等顯著效果。
與手動換擋系統(tǒng)相比，氣壓傳動系統(tǒng)如下優(yōu)點：
(1) 換擋更快，換擋時間縮短，有利于改善比賽結(jié)果；
(2) 在駕駛過程中，司機可以一直緊握方向盤，提高車輛的機動性；
(3) 當(dāng)換檔時，盡可能減少駕駛員注意力的分散，駕駛員可以更好地加入到 比賽中，從而提高汽車的安全性。
研究方案
主要研究方法和依據(jù)：氣壓傳動系統(tǒng)主要包括參數(shù)測量設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制電路設(shè)計，部件采購生產(chǎn)，裝配調(diào)試等。在設(shè)計過程開始之前，我們需要已知量的測量參數(shù)，如起重檔位的轉(zhuǎn)角，傳動扭矩等。設(shè)計理論結(jié)合實際情況，如汽車傳動系統(tǒng)布局協(xié)調(diào)的組合空間等。反復(fù)進行生產(chǎn)裝配過程，來驗證各子系統(tǒng)的合理性和可靠性，確保氣壓傳動系統(tǒng)符合設(shè)計要求。為了實現(xiàn)相對合理的換檔系統(tǒng)工作狀態(tài)，我們明確了車輛調(diào)試過程中調(diào)試目標(biāo)和調(diào)試方案。
主旨：在peumatic pick shift系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)中，我們必須解決以下問題：
(1) 設(shè)計合理穩(wěn)定的氣壓回路，在原理上完成換檔動作；
(2) 設(shè)計滿足要求的控制電路，使其在工作流程中穩(wěn)定地運作；
(3) 氣力密封是可靠的，工作壓力符合設(shè)計要求；
(4) 設(shè)計生產(chǎn)起動離合器的操縱機構(gòu)，以滿足汽車順利啟動要求；
(5) 對整個系統(tǒng)進行靜態(tài)和動態(tài)的測試與調(diào)試，測試工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時根據(jù)實際 情況調(diào)整控制參數(shù)，進一步縮短換擋時間。
氣壓傳動系統(tǒng)工作原理
轉(zhuǎn)換的過程：發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速之間的關(guān)系為公式(1)：
(1)
ua是車速(km/h)，n是發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)，r為車輪半徑(m)，ig是傳動比，i0減速機齒輪比。賽車升檔，變速比降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低； 賽車降檔，變速箱齒輪比增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也提高。 在升檔過程中，為了使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，可以通過三種方式實現(xiàn)：駕駛員松開加速踏板，發(fā)動機燃油噴射暫停，點火暫停。 發(fā)動機點火開關(guān)切斷，速度快速下降，驅(qū)動器不需要釋放加速器，從笨重的動作中消除，對發(fā)動機功率沒有影響，并確?；鸹ㄈ谡－h(huán)境下工作，減少受損。 因此，賽車行業(yè)通常采用發(fā)動機點火方式來完成賽車升檔動作。 汽車可以控制Motec M800的發(fā)動機點火。在賽車降檔過程中，要使發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，必須使離合器分離，司機踏上加速器及時補油。為了減少駕駛員疲勞，縮短時間等方面，我們設(shè)計氣壓離合器。
執(zhí)行機構(gòu)的工作原理：換檔執(zhí)行機構(gòu)原理圖如下圖1所示，氣瓶中的高壓氣體為動力源，氣體通過減壓閥制動氣缸。電磁閥用于控制離合器臂和搖臂運動的移動。
圖 1 執(zhí)行機構(gòu)原理圖
執(zhí)行器設(shè)計
氣體介質(zhì)：因為氮和二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，我們可以從相關(guān)渠道購買液氮或二氧化碳，最重要的是在日常生活中我們可以以液體形式儲存。 二氧化碳與氮氣相比，完成相同的換檔次數(shù)，氮氣瓶體積大于二氧化碳瓶，氮的價格高于二氧化碳。最重要的是液態(tài)二氧化碳在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于水族箱，因此瓶裝的更方便。綜合上述因素，我們選擇二氧化碳作為氣體介質(zhì)。
氣壓：考慮到電磁閥和氣缸的壓力為0.15?0.8MPa，出售的二氧化碳減壓閥的工作壓力可以調(diào)整，范圍為0?1MPa，執(zhí)行器的工作壓力700 kP(101.5 psi)。
氣缸模型：執(zhí)行器由兩個氣缸組成，每個控制裝置分別移動搖臂和離合器的搖臂。氣缸模型主要確定氣缸類型，沖程，活塞面積和固定方式。 換檔氣缸通過氣體驅(qū)動進行來
運動，因此選擇雙作用氣缸。離合器氣缸依靠氣動活塞桿出來，在外力作用下返回，所以選擇單作用氣缸。
變速缸的確定：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，移位角為14°，設(shè)計移位搖臂L1的長度為110 mm。換檔齒輪軸和換檔油缸的安裝方法如圖2所示，活塞桿在降檔時熄滅，活塞桿升檔時返回，活塞桿處于中間位置時不動作。
圖2換檔缸安裝原理圖 圖3氣缸行程的圖形方法
假設(shè)為80毫米迷你氣缸選擇沖程，圖2中的兩點距離為200毫米，通過已知的圖形方法(圖3)，提升氣缸沖程為50 mm。為了方便安裝和吸氣，用20 mm限額計算沖程余量，因此氣缸沖程大于70mm。根據(jù)GB/T2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸。 基于一系列的活塞沖程，結(jié)果表明，沖程為80 mm的氣缸可以滿足設(shè)計要求，并使氣缸的響應(yīng)時間最小化，因此氣缸沖程S1為80 mm。
降檔，活塞桿突出。 實驗數(shù)據(jù)表明，使換檔軸順時針轉(zhuǎn)矩T1=6300 N?mm，搖臂長度L1為110 mm(L1=110 mm)，作用力與搖臂之間的角度α為65°(α=65°) ，安全系數(shù)S為1.5，根據(jù)公式(2)，氣缸推力F1為95N(F1=95N)。
(2)
(3)
通過公式(3)，其中p=700 kPa，我們可以獲得活塞直徑D1=13.14 mm。升檔時，活塞桿返回。以同樣的方式，
(4)
通過公式(4)，其中p=700 kPa，因為活塞桿壓縮和張力，所以d2=0.5D2，我們可以獲得活塞直徑d2=16.38 mm?？傊?，根據(jù)GB/T 2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸?；谝幌盗械幕钊麤_程，我們得到變速箱內(nèi)徑D=20 mm，活塞桿直徑d=8 mm。檢查符合要求。
離合器缸的確定：離合器氣缸的安裝方法如圖4所示，活塞桿脫落時出現(xiàn)。
圖4離合器缸安裝方式
實驗數(shù)據(jù)表明，離合器T3的單獨扭矩為11820N?mm（T3 = 11820N?mm），設(shè)計的離合器臂L3為70 mm（L3 = 70 mm），作用力與搖臂之間的角度β為77 °（β= 77°），安全系數(shù)S'為2，根據(jù)公式（2），氣缸推力F3 = 346.6N，根據(jù)公式（3），活塞直徑D3 = 25.11 mm。
根據(jù)“GB/T 2348-1993流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸硼砂和活塞桿直徑”來計算氣缸內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)化，離合器缸內(nèi)徑D=32mm。同樣，離合器分離角度為35°(包括自由行程)，最后選擇離合器油缸行程S3=50mm?？傊瑩Q氣缸是20×80mm的小號雙作用筒，固定的方式是鉸鏈；離合器缸是32×50mm中號單動圓柱，固定的方式是鉸鏈。
氣缸容積：氣瓶的二氧化碳作為一個系統(tǒng)，在完成轉(zhuǎn)變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境之間交換的熱量是Q，交換的功是W，由于轉(zhuǎn)換過程非常快，通過傳熱損耗的能量Q很小，可以忽略不計：
(5)
W 是當(dāng)活塞運動時消耗的能量。W1是升檔時氣缸工作消耗的能量，W2是降檔時汽缸工作時消耗的能量，W3是離合器氣缸工作消耗的能量，完成一個換檔周期(一次升檔，下移降檔)，離合器氣缸工作一次，換氣缸工作二次，氣缸總能量W表達如下:
(6)
在把二氧化碳從液體變成氣態(tài)的過程中，熱力學(xué)能是
(7)
m是完成轉(zhuǎn)變周期的二氧化碳質(zhì)量，T1，T2是二氧化碳之前和之后的溫度變化，T1是293 k，T2是323 k，C1，C2可以通過查表得到。計算得到二氧化碳的質(zhì)量是0.090 g。假設(shè)轉(zhuǎn)變次數(shù)n最好是2500次，現(xiàn)在考慮傳熱損失的能量，安全系數(shù)S=2.5，這里用于完成比賽的二氧化碳的質(zhì)量是：
(8)
對比市場上的二氧化碳?xì)馄浚?.8 L的二氧化碳?xì)馄靠梢詽M足要求。
電磁閥的類型：考慮到只需要傳動離合器油缸活塞桿，所以我們可以選擇兩三個常用的閉合電磁閥。壓縮氣體驅(qū)動移動氣缸活塞桿縮回，當(dāng)不換擋時，氣缸需要保持中立地通過3.5個排放壓力的電磁閥控制。由于汽車電源電壓為12 V，所以選擇12 V電的磁閥。
啟動離合器控制機構(gòu)的設(shè)計：在變速、離合器快速結(jié)合的過程中，氣動控制系統(tǒng)為了確保汽車起動，汽車應(yīng)采用通過纜繩分離和離合器控制組合的離合器控制機構(gòu)。
汽車應(yīng)該通過纜線分離和離合器控制組合，從開關(guān)控制機構(gòu)開始。設(shè)計起動離合器，應(yīng)考慮方案的可行性。圖5和圖6是材料和安裝示意圖。
圖5 起動離合器的物理圖 圖6 起動離合器的安裝簡圖
控制單元的設(shè)計
控制的任務(wù)：司機通過按一個按鈕，提升信號，控制單元驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥，壓縮氣體帶動相應(yīng)的汽缸工作，實現(xiàn)了換擋操作。表1是控制單元的工作過程:
表 1 控制單元的工作過程
發(fā)送降檔指令
↓
離合器電磁閥工作
↓
離合器電磁閥和降檔電磁閥一起工作
↓
降檔電磁閥停止工作
離合器電磁閥繼續(xù)工作
↓
離合器電磁閥停止工作
升檔行為結(jié)束
發(fā)送升檔指令
↓
EUC點火控制
↓
降檔電磁閥和EUC關(guān)閉點火控制一起
↓
EUC點火控制
降檔電磁閥停止工作
完成降檔
電路設(shè)計：電路的原理圖如圖7所示。
圖7電路工作原理圖
電路的特性
(1) 兩個中斷的按鈕設(shè)置(P3.2和P3.3)，與常用的die循環(huán)查詢方法相比，信號處理更快；
(2) 由于51系列單片機(MCU)的特點，電力輸出的全部默認(rèn)值為高水平。如果直接使用單片機控制芯片，會導(dǎo)致為了幾微妙所有電磁閥一起工作。使用74HS04逆變器作為反向處理的信號，使單片機信號進入低電平，使初始工作正常。信號驅(qū)動電磁閥通過常用的電機驅(qū)動芯片MC33886，MC33886，能夠提供滿足電磁閥0.25A的工作電流。
編程設(shè)計：本程序結(jié)合了Keil uVision4與C語言。由于有C語言的程序，因此注釋清晰，易更改，容易控制和關(guān)閉時間?？梢钥吹匠绦蚪Y(jié)構(gòu)的流程圖。海外團隊的最佳時間是200毫秒。為了保護引擎和其他原因，程序的初始設(shè)定時間相應(yīng)出現(xiàn)。通過實際車輛調(diào)試，將電梯控制時間調(diào)整到最佳方式。
控制單元的改進：STC1F04E單片機控制芯片，有一些不穩(wěn)定的問題，比如讀齒輪信號問題，完成換擋信號不清楚，響應(yīng)延遲等。與單片機相比，ECU有非常穩(wěn)定的功能，并能切實有效地解決外部誤差信號的干擾，準(zhǔn)確地執(zhí)行司機控制動作。結(jié)合汽車的情況，我們直接使用ECU控制移位信號。MoTec M800有移位控制功能，不需要復(fù)雜的手動編程，只在ECU程序中設(shè)置一些參數(shù)。同時ECU布線方便，因此，將A32，A33和A34三個插頭與相應(yīng)的電磁閥控制直接連接，圖10顯示了右上部分的3個引線。
圖10 MoTec M800 ECU部分附件
結(jié)論
本文對華南理工大學(xué)的FSAE汽車的設(shè)計進行了綜合分析。氣壓傳動系統(tǒng)直接影響著汽車的操作，換擋系統(tǒng)直接影響汽車的性能。本文結(jié)合三者的參與經(jīng)驗和實際情況，主要介紹了氣動換擋系統(tǒng)的設(shè)計方法，對華南理工大學(xué)FSC賽車的氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
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