2014年14
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1.绪论
1.1研究背景、目的及意义
FSAE是以各高校在读研究生或本科生(一般以机械工程类专业学生为主)组成FSAE车队,亲自设计制造FSAE赛车,并参与FSAE 比赛。通过参与FSAE赛车项目,工程类学生的专业知识和实践能力都得到了极大的提升。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,符合汽车产业对人才的实际需求和企业的实际需求,因而FSAE赛车运动能够激发学校、学生乃至企业的参与热情[1]。
车辆的换挡质量是车辆性能的重要标志,是车辆驾驶员在开车时可以直接感受到的,现代意义的换档质量被定义为换档过程对车辆性能及乘员健康的影响程度的标准[2]。
在FSAE比赛中,换挡质量对比赛具有至关重要的影响,因为不论是直线加速、高速避障,还是耐久性试验,都需要车手频繁且快速地换挡。对于大学生车手来说,驾驶技能并不高,因此,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,同时轻便的换挡操作则可以降低车手的疲劳程度。
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、自动档变速器。
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。目前,手动变速器的发展比较成熟而且成本低,在现代汽车装备市场中仍然占有很大的比重[2]。
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)、电控机械式自动变速器(AMT)和机械无级自动变速器(CVT)。
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。
AT的技术已相对成熟,是目前汽车装备自动变速器的主流。
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,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。由于AMT能在MT生产基础上改造,生产继承性好,投入费用也较低,容易被厂家接受。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。
CVT又称为连续变速式机械无级变速器。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]。
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、气动元件和执行元件等组成。
电子控制单元由单片机及外围电路组成。气动元件包括储气瓶、两个两位三通电磁阀和一个双作用气缸。
2.2气动换挡系统的基本工作原理
图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。由图可知,电子控制单元接受来自各种传感器产生的信号,如车速、发动机转速等,并在数码管上显示以供驾驶员参考。驾驶员可通过选档按钮,向电子控制单元ECU传递信号。ECU根据储存在内部的程序,控制电磁阀电路的通断,并根据换挡按钮的动作在数码管上进行档位显示。储气瓶作为气源,也是动力源,为气缸的动作提供足量的、恒定压力的压缩气体。气缸与变速器换挡机构连接,通过气缸的动作控制变速器进行换挡。
3.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。在方程式汽车大赛冲,赛车所采用的变速箱为序列式变速箱,它区别于普通手动变速箱的只是操作方法,加档和减档只需要前后推拉排挡杆就可以完成。这设计不但加快了换挡速度,更大大减低了换错挡的可能。
序列式变速箱的换挡方式分为循环档和国际档两种,本气动换挡系统只对循环档适用。其换挡方式为N-1-2-3-4-5-6,N表示空挡,且没有倒档。换挡时,通过单片机控制电磁阀的开闭,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,然后由气缸的动作带动换挡控制机构,进行换档。气缸的动作分为推拉两种,对应换挡的推拉排挡杆两个动作。
单片机采用C语言编程。
3.2主要元器件的选择
3.2.1气缸的选择
本气动换挡系统采用的气缸为单活塞双作用气缸,从活塞两侧交替供气,实现双向运动。
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
(南京农业大学江苏南京210000)
【摘要】FSAE(Formula SAE)是由各国SAE(汽车工程师协会)举办的一项学生方程式赛车比赛,要求参赛队伍在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性等方面有优异表现的小型赛车。在FSAE比赛中,换挡质量对比赛具有至关重要的影响,因为不论是直线加速、高速避障,还是耐久性试验都需要车手频繁且快速地换挡。对于大学生车手来说,驾驶技能并不高,因此,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,同时轻便的换挡操作则可以降低车手的疲劳程度。设计了基于单片机的气动换档控制系统,包括硬件系统和软件系统。硬件设计主要有气动方案的设计、气动元件的选择、显示电路设计、按钮电路设计、电磁阀控制电路设计等。软件设计采用单片机C语言编程。
【关键词】方程式赛车;气动换挡;单片机
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本系统所需电磁阀为两个两位三通的电磁阀,每个电磁阀具有一个进气孔(接进气气源)、一个出气孔(提空给目标设备)、一个排气孔。两个电磁阀分别控制双作用气缸活塞两侧气体的进出。
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:一个一位七段数码管,一个排阻作为上拉电阻,一个ULN2803,两个额定电压12V的灯泡用来代表电磁阀,一对按钮开关,和一对发光二极管。
本电路大致可分为四个部分:数码管档位显示电路,换挡按钮电路,电磁阀控制电路,时钟电路及复位电路。
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。
数码管是用于显示0,1,2,……9数字的显示器件。所有二极管的内部连接有两种:阳极连在一起,称为共阳型;阴极连在一起,称为共阴型[4]。
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。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]。
数码管档位显示电路的功能为显示当前档位。其初始值为0,当按下一次进档按钮,数码管显示的数值加一,按下一次减档按钮,则显示的数值减一。如此。数值按照循环档的档位从0到6进行变化,显示为6时,进档则为0。
3.3.3换挡按钮电路设计
本部分电路由一对发光二极管,一对按钮开关和一对电阻组成。
此处的发光二极管起到指示作用,当按下进档或减档按钮时,对应的二极管点亮,指示该按钮被按下。
两个电阻为限流电阻,可以为二极管提供适当的电流。
3.3.4电磁阀控制电路设计
电磁阀控制电路由两个电磁阀,一个ULN2803组成。
电磁阀为DC12V,两位三通。
单片机输出高电平时电压最大值为5V,本系统采用电磁阀为直流12V,因此采用ULN2803作为驱动芯片。
两电磁阀为常开,当按下进档或减档按钮时,对应的一个电磁阀关闭,从而使连接气缸的两条气路形成压力差,电磁阀关闭的持续时间小于1秒,一次关闭开启即实现一个换挡动作。
ULN2803是摩托罗拉公司生产的具有高电压、大电流的8路达林顿驱动器,广泛应用于计算机、工业和消费类产品中[6]。
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,它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。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]。
程序代码如下:
#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 uint8table[]={0xC0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90};uint8i=0;
void delay(){uint8j=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 (i<6)i++;else i=0;P0=table[i];OPUT1=0;delay();}}else{delay();if(CTL0==1) OPUT1=1;}if(CTL1==0){delay();if(CTL1==0){if(i>0)i--;elsei=6;P0=table
[i];OPUT2=0;delay();}}else{delay();if(CTL1==1)OPUT2=1;}}}
4.2单片机系统仿真
利用Proteus与KeilμVision3进行联合仿真,步骤如下:首先,用Proteus绘制单片机系统的电路原理图;其次,用KeilμVision3编译C 语言程序并生成“*.hex”格式文件;第三步,在Proteus中将“*.hex”文件导入单片机,运行、仿真演示。
经过仿真,本文所设计的换挡策略可以演示成功。仿真结果不一一列举
。
【参考文献】
[1]吴发亮,阳林,邓仲卿,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,2013(03).
[2]孙斌.电控气动换档系统中换档力控制策略的研究[D].大连:大连理工大学, 2010.
[3]张建珍,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,2007 (01):38-39.
[4]于肃.数码管的动态显示技术[J].计量技术,1997,(8):16-17.
[5]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,2009,17, (3):9-10.
[6]李长安,李志勇,赵玲,孙昱,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,2011,19(5):190-192.
[7]卢旭锦.浅谈单片机编程语言[J].开发研究与设计技术,2007(03):765-778.
●
(上接第281页)把“再生”,见图6所示。
图6统一修改尺寸
6.总结
按照上述绘图步骤能够快速提高速度,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,看轮廓是否存在开发端点和重叠图元,尤其当草图中存在重叠图元时会引起多余弱尺寸;Pro/E软件采用全约束来控制草图截面的形状和大小,即绘制一个图元不仅要确定它的定型尺寸,还要包括它相对于其它图元间的位置尺寸。如果用户在绘制图元时,缺少一些尺寸,则为欠约束。当存在欠约束时,系统会自动计算该图形缺少哪些尺寸,然后以弱尺寸自动补全,如果用户添加了多余的尺寸,则为过约束。草图过约束时,系统会弹出警告对话框,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,同时在草图中高亮显示冲突的尺寸约束
。
【参考文献】
[1]吴林.Pro/ENGINEERWildfire5.0技术应用项目式教程.合肥.中国科学技术大学出版,2013.8.
[2]张军峰.Pro/ENGINEERWildfire5.0产品设计与工艺基本功特训.北京:电子工业出版社,2012.5.
[3]二代龙震工作室.Pro/ENGINEERWildfire5.0基础设计.北京:清华大学出版社
,2010.9.●
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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
作者：刘奕玮
作者单位：南京农业大学 江苏 南京 210000
刊名：
科技致富向导
英文刊名：KEJI ZHIFU XIANGDAO
年，卷(期)：2014(10)
参考文献(7条)
1.吴发亮;阳林;邓仲卿;周永光FSAE赛车运动的现状与发展趋势分析 2013(03)
2.孙斌电控气动换档系统中换档力控制策略的研究 2010
3.张建珍;过学迅车辆自动变速器的研究现状及发展趋势 2007(01)
4.于肃数码管的动态显示技术 1997(08)
5.王鹏拉电阻在数字电路中的应用 2009(03)
6.李长安;李志勇;赵玲;孙昱 付少波基于MAX7219芯片的大尺寸LED数码显示驱动电路设计 2011(05)
7.卢旭锦浅谈单片机编程语言 2007(03)
引用本文格式：刘奕玮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[期刊论文]-科技致富向导 2014(10)