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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 3．1 闭环换挡逻辑 在图1中的黑色箭头使整个换挡控制系 输入设备 车手 变速箱 输出设备 控制系统 图1 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，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。 3.2 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，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10N·M（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：