本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-fsc賽車(chē)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

全套設(shè)計(jì)（圖紙）加扣扣194535455PAGEPAGEI摘要本文以2014年FSC賽車(chē)為實(shí)際載體，滿足中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽規(guī)則為要求，以及對(duì)賽車(chē)快速換擋和提高比賽成績(jī)的需要，提出了FSC賽車(chē)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方案。HUAT-4號(hào)賽車(chē)的氣動(dòng)換擋，利用CATIA軟件對(duì)賽車(chē)氣動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及手動(dòng)離合機(jī)構(gòu)的三維虛擬設(shè)計(jì)及裝配，再根據(jù)建好的是三維模型對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及離合機(jī)構(gòu)在賽車(chē)模型上進(jìn)行空寂布置，選擇最佳的設(shè)計(jì)來(lái)提高賽車(chē)的空間布置合理性和輕量化。利用MATLAB/Simulink模塊對(duì)氣動(dòng)換擋操作系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)易的虛擬仿真，驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究對(duì)于今后的車(chē)隊(duì)隊(duì)員更深一步的設(shè)計(jì)非常有指導(dǎo)性的意義。關(guān)鍵詞：FSC賽車(chē)；三維虛擬設(shè)計(jì)；氣動(dòng)換擋；虛擬仿真

AbstractThisarticleisbasedonthe2014FSCracingtotheactualcarrier，accordingtotherulesofChinaautomobileformulacompetitionrequirements,aswellastheneedsoftherapidshiftinordertoimprovetheperformanceforthecar,ithaveputtedforwarddevelopmentplanoftheFSCracingpneumaticshiftingsystem.Onthebasisofthe2014car,usingCATIAsoftwarewhichitis3Dvirtualdesignfortheracing’spneumaticshiftingandmanualclutch,undertheconditionofmeettherulestochoosethebestdesigntoimprovethecar'sspacelayout.Atthesametime,wecarriedonthedesignoftheactuator,meetingthestrengthrequirementandasfaraspossiblebelightweight.UsingtheMATLAB/Simulinkmodulewhichcarriedoutthesimplevirtualsimulationofthepneumaticshiftsystem,andithasverifiedthestabilityofthesystem.Thestudyisalsoveryinstructivesignificancefortheracingteam’sdesigninthefuture.Keywords:FSCRacing;3DVirtualDesign;PneumaticShiftingSystem;VirtualSimulation

目錄TOC\o"1-3"\h\u20409摘要 I26774Abstract II199701概述 1143051.1賽事背景 1279831.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3285641.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3199781.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 4235601.3課題的目的和意義 5272241.4課題的主要工作內(nèi)容 6146542電控氣動(dòng)換擋概述 8140752.1換擋系統(tǒng)的基本組成 8139872.1.1氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的組成部分 9257262.1.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的工作原理 10200052.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1126812.2換擋系統(tǒng)主要元器件的選型 12125012.2.1高壓氣瓶選型 1356732.2.2換擋氣缸選型 15239732.2.3換擋電磁閥選型 17242532.2.4電控裝置的選型 18232982.3本章小結(jié) 1953733氣動(dòng)換擋系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的建模與裝配 2147003.1CATIA軟件介紹 21126013.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)零件建模 2212483.3氣動(dòng)換擋系統(tǒng)裝配 27229483.4本章小結(jié) 2927854氣動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)的空間布置設(shè)計(jì) 30195834.1發(fā)動(dòng)機(jī)的介紹 3071214.2換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一 33299014.3換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二 35191234.4離合機(jī)構(gòu)的布置 36177594.5本章小結(jié) 38172645MATLAB/Simulik虛擬仿真 3954925.1MATLAB軟件介紹 39141925.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì) 39213275.3本章小結(jié) 41236576結(jié)論與展望 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。175086.1結(jié)論 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。302806.2不足及展望 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2065致謝 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。28047參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1概述1.1賽事背景中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽FormulaStudentChina（簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSC”）是一項(xiàng)由普通高等院校汽車(chē)工程或與汽車(chē)相關(guān)專業(yè)的在校本科大學(xué)生和研究生組隊(duì)參加的汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造比賽。此賽事被譽(yù)為“汽車(chē)工程師的搖籃”。各參賽車(chē)隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)及制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單座方程式賽車(chē)，能夠成功完成三個(gè)靜態(tài)和5個(gè)動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。中國(guó)FSC是一項(xiàng)非盈利的社會(huì)公益性事業(yè)。項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展結(jié)合優(yōu)秀普通高等院校試驗(yàn)資源、整車(chē)和零部件制造商資源，獲得了政府部門(mén)和社會(huì)各界的大力支持以及品牌企業(yè)的資助。社會(huì)各界對(duì)項(xiàng)目投入的人力支持和資金贊助全部用于賽事組織、賽事推廣和為參賽學(xué)生設(shè)立賽事獎(jiǎng)金，同時(shí)賽事有著許多汽車(chē)工程師為比賽當(dāng)志愿者。中國(guó)FSC一直堅(jiān)持著“中國(guó)創(chuàng)造擎動(dòng)未來(lái)”的遠(yuǎn)大抱負(fù)，以中國(guó)汽車(chē)的工程教育和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，吸收及借鑒其他國(guó)家SAE（如：FSG德國(guó)賽、FSJ日本賽等）賽事的設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)，打造一個(gè)中國(guó)特色的未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師培養(yǎng)及學(xué)術(shù)交流的活動(dòng)，并將此活動(dòng)發(fā)展成為一個(gè)與國(guó)際青年汽車(chē)工程師的交流平臺(tái)。中國(guó)FSC賽事致力于為汽車(chē)專業(yè)人才的培養(yǎng)和選拔提供了一個(gè)很好的交流平臺(tái)，通過(guò)賽車(chē)設(shè)計(jì)、營(yíng)銷(xiāo)報(bào)告、制造成本與分析、直線加速、8字繞環(huán)、高速避障、耐久性測(cè)試和燃油經(jīng)濟(jì)性8項(xiàng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)比賽的評(píng)比，提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)、協(xié)調(diào)與溝通等五方面的綜合能力，全面提升汽車(chē)專業(yè)大學(xué)生的綜合素質(zhì)，為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長(zhǎng)期的人才儲(chǔ)備，促進(jìn)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)從“制造大國(guó)”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略方針邁進(jìn)。東風(fēng)HUAT賽車(chē)隊(duì)秉承大賽提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)、溝通與協(xié)調(diào)以及學(xué)習(xí)汽車(chē)專業(yè)知識(shí)等方面的綜合能力，全面提升汽車(chē)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)的宗旨，廣泛吸納全校各學(xué)院的優(yōu)秀人才。通過(guò)這幾年指導(dǎo)老師和隊(duì)長(zhǎng)及副隊(duì)長(zhǎng)們對(duì)車(chē)隊(duì)的管理工作及取得了成效，得到了全校和院里所有老師及學(xué)生的認(rèn)可、贊同。車(chē)隊(duì)在上屆學(xué)長(zhǎng)們的精心總結(jié)與耐心指導(dǎo)下，進(jìn)一步加強(qiáng)了管理，制定了詳細(xì)的管理?xiàng)l例和工作制度，部門(mén)機(jī)構(gòu)更加完善，分工明確，建立了嚴(yán)格的人才選撥制度和賽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。車(chē)隊(duì)現(xiàn)有底盤(pán)部、車(chē)身部、項(xiàng)目管理部、試驗(yàn)部動(dòng)力總成部和技術(shù)開(kāi)發(fā)部六個(gè)部門(mén)（如圖1.1）。車(chē)隊(duì)骨干全部為我校的在校本?？茖W(xué)生，學(xué)生設(shè)計(jì)出來(lái)零部件或系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多次與專業(yè)指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)一起討論、驗(yàn)證，直到到方案通過(guò)，再到后續(xù)的加工、裝配，最后誕生了HUAT-4號(hào)賽車(chē)。在2012年的FSC大賽中，HUAT-2號(hào)賽車(chē)力壓群雄，榮獲了成本第一名、直線加速第二名、營(yíng)銷(xiāo)第六名、總分排名第一名的好成績(jī)。2013年FSC大賽中，HUAT-3號(hào)車(chē)榮獲了“8字繞環(huán)”第二名、直線加速第一名、總分第五名的好成績(jī)。2014年FSJ大賽榮獲了全日本第18名、CAE分析三等獎(jiǎng)的好成績(jī)，在FSC大賽中由于靜態(tài)成績(jī)優(yōu)異，榮獲一輛進(jìn)口CBR500賽車(chē)摩托車(chē)、“直線加速”第三名、總分全國(guó)第四名的好成績(jī)。大賽到如今已經(jīng)舉辦了五屆，而東風(fēng)HUAT車(chē)隊(duì)已經(jīng)參加了四屆，為了進(jìn)一步提升賽車(chē)的整體性能，同時(shí)研發(fā)出賽事中的前言技術(shù)，東風(fēng)HUAT車(chē)隊(duì)針對(duì)于今年的比賽對(duì)每一部門(mén)分別進(jìn)行了總結(jié)分析，相比今年湖南大學(xué)車(chē)隊(duì)，他們的賽車(chē)?yán)糜?jì)算機(jī)選擇恰當(dāng)?shù)膿Q擋時(shí)機(jī)而代替了駕駛員的經(jīng)驗(yàn)換擋，在直線加速上有更快捷更方便的換擋系統(tǒng)，使得他們“直線加速”獲得第一名。本文就是致力于對(duì)東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，希望打造一輛高技術(shù)、高含量的小型賽車(chē)。圖1.1東風(fēng)HUAT車(chē)隊(duì)組織結(jié)構(gòu)圖1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)外，大學(xué)生方程式賽車(chē)比賽已經(jīng)舉辦了三十多年，從最初的機(jī)械零部件的拼裝、順利的完賽，到如今的智能化控制系統(tǒng)，國(guó)外大部分車(chē)隊(duì)在這方面已經(jīng)相當(dāng)成熟。如德國(guó)“慕尼黑工業(yè)大學(xué)”車(chē)隊(duì)對(duì)于電控?fù)Q擋技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在2011年獲得德國(guó)FSAE大賽冠軍。而國(guó)內(nèi)今年已經(jīng)舉辦了第五屆，但是有少數(shù)高校在滿足基本的結(jié)構(gòu)性能后，現(xiàn)在已經(jīng)做了電動(dòng)控制方面的研究，如2014年全國(guó)總冠軍湖南大學(xué)車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)出了氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，在換擋速度上明顯優(yōu)越于機(jī)械換擋，相信隨著賽事的發(fā)展，中國(guó)各大高校的賽車(chē)車(chē)隊(duì)都會(huì)加大對(duì)電控方面的研究。1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外的賽事起源于1979年，第一屆FSAE比賽在美國(guó)的波斯頓舉行，在參賽的13只隊(duì)伍中有11只隊(duì)伍成功完賽。當(dāng)時(shí)的比賽規(guī)則是設(shè)計(jì)及制作出一臺(tái)5馬力的木制賽車(chē)。SAE方程式（FormulaSAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生和研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造小型具有越野性能的方程式賽車(chē)的能力。參賽車(chē)隊(duì)一般花費(fèi)8個(gè)月左右的時(shí)間設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)試賽車(chē)。與來(lái)自全球的高等院校的賽車(chē)隊(duì)進(jìn)行競(jìng)技賽，該賽事給了賽車(chē)隊(duì)展示自己團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造和工程能力的平臺(tái)。如今在德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家每年都有超過(guò)100支車(chē)隊(duì)參加比賽，這項(xiàng)比賽已經(jīng)成為全球汽車(chē)類(lèi)院校普遍重視及參與的比賽，參賽車(chē)隊(duì)隊(duì)員在設(shè)計(jì)、制造賽車(chē)以及最終的動(dòng)靜態(tài)比賽中體驗(yàn)到了汽車(chē)從設(shè)計(jì)、制造到總裝的諸多環(huán)節(jié)，車(chē)隊(duì)學(xué)習(xí)職業(yè)賽車(chē)隊(duì)的運(yùn)營(yíng)模式，這使得參賽的隊(duì)員提前接觸了汽車(chē)工業(yè)。一個(gè)國(guó)家FSAE的比賽水平往往能反映該國(guó)家汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展水平，世界上很多著名的汽車(chē)及汽車(chē)零部件生產(chǎn)廠商都特別關(guān)注這項(xiàng)比賽，他們致力于培養(yǎng)全球汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的新生力量，贊助或部分贊助參加比賽的學(xué)校和對(duì)參加比賽的車(chē)隊(duì)學(xué)生給予必要的技術(shù)指導(dǎo)，通過(guò)這種方式建立雙方良好的合作關(guān)系，以便從中篩選、吸納杰出的汽車(chē)人才，同時(shí)受贊助及技術(shù)指導(dǎo)的車(chē)隊(duì)如果在比賽中成績(jī)優(yōu)異，也會(huì)幫助汽車(chē)或汽車(chē)零部件廠商很好的宣傳他們的產(chǎn)品。例如奔馳汽車(chē)公司贊助的斯圖加特賽車(chē)隊(duì)，在2014年德國(guó)賽獲得電車(chē)第二名，保時(shí)捷贊助的KIT車(chē)隊(duì)在中國(guó)比賽中，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，但是高速避障的成績(jī)是相當(dāng)不錯(cuò)的，德國(guó)賽也獲得了全國(guó)第二名。贊助商和車(chē)隊(duì)互相合作，實(shí)現(xiàn)了雙贏，都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。國(guó)外經(jīng)過(guò)這么多年的比賽，對(duì)于從機(jī)械換擋系統(tǒng)到電控?fù)Q擋系統(tǒng)技術(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，通過(guò)東風(fēng)HUAT車(chē)隊(duì)連續(xù)兩年參加國(guó)外賽獲得的經(jīng)驗(yàn)，可以說(shuō)，國(guó)外的絕大部分車(chē)隊(duì)已經(jīng)掌握了電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)或電控電子換擋系統(tǒng)的核心技術(shù)。例如，去年來(lái)中國(guó)參加比賽的KIT車(chē)隊(duì)，電控?fù)Q擋已經(jīng)研究相當(dāng)成熟，換擋和離合都集成在方向盤(pán)上。相比這些，中國(guó)FSAE比賽在技術(shù)方面跟國(guó)外還有很大的差距，尤其在高端技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)車(chē)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)欠缺。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)內(nèi)，汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的整體水平依然落后于國(guó)外的汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)。FSAE賽事直到2010年才被引進(jìn)到國(guó)內(nèi)，第一屆有來(lái)自全國(guó)16個(gè)省市的20支賽車(chē)隊(duì)參加了這項(xiàng)比賽，由于比賽的開(kāi)展迅速被各大汽車(chē)及汽車(chē)相關(guān)專業(yè)的院校重視，前幾屆比賽場(chǎng)地的上海賽車(chē)場(chǎng)的規(guī)模已經(jīng)不能滿足賽事的發(fā)展與擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)大賽組委會(huì)與襄陽(yáng)市人民政府合作投建方程式夢(mèng)想賽車(chē)場(chǎng)，決定2012年以后大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽在襄陽(yáng)賽車(chē)場(chǎng)舉辦。到今年賽事已經(jīng)舉辦了第五屆，2014年報(bào)名參賽的隊(duì)伍已經(jīng)超過(guò)100支，而最后按抽選循序選擇了80支車(chē)隊(duì)參加了比賽。2012年之后，由于國(guó)家能源問(wèn)題的提出，全國(guó)汽車(chē)行業(yè)在大范圍的推行電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，大賽組委會(huì)為了推動(dòng)電動(dòng)賽車(chē)的發(fā)展，電車(chē)車(chē)隊(duì)也被列入?yún)①愱?duì)伍當(dāng)中。2012年上海比賽中，第一輛電車(chē)加入了比賽，德國(guó)斯圖加特車(chē)隊(duì)的電車(chē)在賽場(chǎng)上馳騁，操縱性能相當(dāng)穩(wěn)定，在動(dòng)態(tài)賽中刷新了中國(guó)車(chē)隊(duì)所有比賽項(xiàng)目成績(jī)的最高紀(jì)錄。因此，大賽組委會(huì)決定在2012年之后的比賽中，增加電動(dòng)賽車(chē)比賽的項(xiàng)目，油電賽車(chē)均可報(bào)名參加比賽。由于國(guó)內(nèi)高等院校對(duì)于強(qiáng)電的研究都不夠成熟，且對(duì)大學(xué)生來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)性太大，暫時(shí)提出了“純電動(dòng)方程式大賽暫不對(duì)?？圃盒ｉ_(kāi)放”的要求。到2014年，F(xiàn)SC賽事已經(jīng)有60多支油車(chē)、20多支電車(chē)報(bào)名參賽。國(guó)內(nèi)從2006年起就有高校開(kāi)始組建FSAE車(chē)隊(duì)，例如湖南大學(xué)、廈門(mén)理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)從2007年到2009年就參加了4場(chǎng)在美國(guó)西部賽事和日本賽事，在國(guó)外曾獲得了多個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)及新秀獎(jiǎng)，他們的開(kāi)創(chuàng)車(chē)隊(duì)也帶動(dòng)了中國(guó)FSAE賽事的發(fā)展。例如，上海交大于2006年開(kāi)始組建FSAE車(chē)隊(duì)，2008年參加美國(guó)FormulaSAEWest賽事，獲得了新秀獎(jiǎng)第三名；湖南大學(xué)于2006年開(kāi)始組建FSAE車(chē)隊(duì)，2007、2008年連續(xù)兩屆參加美國(guó)FormulaSAEWest賽事，2007年榮獲新秀車(chē)隊(duì)獎(jiǎng)，2008年榮獲最低噪音獎(jiǎng)；廈門(mén)理工學(xué)院于2009年參加美國(guó)FormulaSAEWest賽事，名列第23名。同濟(jì)大學(xué)于2007年開(kāi)始組建FSAE車(chē)隊(duì)，2009年赴日本參加FormulaSAEJapan（簡(jiǎn)稱FSJ賽事，榮獲營(yíng)銷(xiāo)報(bào)告獎(jiǎng)和新秀車(chē)隊(duì)三等獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)賽事的發(fā)展僅短短的五年，就有很多車(chē)隊(duì)的賽車(chē)有了突破性的進(jìn)展，我校第一年比賽被別人稱為“農(nóng)民造車(chē)”的車(chē)隊(duì)，在2012年所有隊(duì)員共同努力下獲得了全國(guó)總冠軍。經(jīng)過(guò)這幾年的機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展，大部分高校的底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)基本上已經(jīng)成熟。例如，東風(fēng)HUAT車(chē)隊(duì)2012年到2014年的發(fā)展，車(chē)隊(duì)底盤(pán)方面的系統(tǒng)都設(shè)計(jì)得比較成熟，輕量化設(shè)計(jì)也相當(dāng)極限，而且在2014年賽車(chē)加上了空氣動(dòng)力學(xué)套件，進(jìn)一步提升了整車(chē)的性能，但是2014年比賽中，湖南大學(xué)換擋系統(tǒng)更改為電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，在“直線加速”項(xiàng)目中占據(jù)換擋優(yōu)勢(shì)，獲得直線加速第一名。根據(jù)FSC賽事的逐步成熟，對(duì)于中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展是相當(dāng)有利的，相信未來(lái)的不久，F(xiàn)SC賽事會(huì)迅速崛起，將汽車(chē)行業(yè)前言的、高端的技術(shù)應(yīng)用在FSC賽車(chē)上。1.3課題的目的和意義電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)屬于汽車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，將繁瑣的操作系統(tǒng)換成機(jī)電一體控制，保證了換擋的輕便、快捷。本課題基于對(duì)湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院大學(xué)生方程式4號(hào)賽車(chē)的技術(shù)上對(duì)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。因?yàn)橘愜?chē)與乘用車(chē)相比性能方面要求相對(duì)差異比較大，從實(shí)際FSAE賽事中對(duì)賽車(chē)性能的角度出發(fā)，在同等條件下的賽車(chē)，一種用氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，另一種用機(jī)械換擋系統(tǒng)，比賽“直線加速”項(xiàng)目可相差0.3秒左右，在耐久比賽中差異性更是明顯。對(duì)于2014年賽車(chē)來(lái)說(shuō)，機(jī)械換擋系統(tǒng)的布置比較困難。由于賽車(chē)布置形式為中置后驅(qū)，換擋拉桿會(huì)比較長(zhǎng)，這樣對(duì)于拉桿的剛度影響很大，據(jù)去年比賽期間車(chē)手對(duì)于換擋的反饋，比賽時(shí)換擋不夠迅速，拉桿變形比較大，而且有時(shí)較難換擋。根據(jù)這一問(wèn)題，也就引出了本文研究的主要方向，對(duì)于電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的理論研究，改變其換擋方式，徹底解決去年車(chē)手對(duì)于換擋提出的問(wèn)題。賽車(chē)采用該氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，有許多優(yōu)點(diǎn)：縮小了駕駛艙空間。不需要在駕駛艙左手邊布置機(jī)械換擋手柄，同時(shí)也節(jié)約了機(jī)械換擋系統(tǒng)的材料成本。換擋操作輕便，執(zhí)行迅速。氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的操作是方向盤(pán)下面的撥片，通過(guò)撥動(dòng)撥片提供電信號(hào)給ECU，ECU通過(guò)獲得的電信號(hào)做出執(zhí)行操作，即換擋。在這個(gè)過(guò)程中，時(shí)間非常迅速，這對(duì)于賽車(chē)比賽的過(guò)程中是相當(dāng)有優(yōu)勢(shì)的。壓縮空氣容易獲得。在賽車(chē)上裝有小型氣瓶，通過(guò)外部高壓氣筒給氣瓶打氣，來(lái)源很方便，也節(jié)約了成本。系統(tǒng)質(zhì)量輕，而且壽命長(zhǎng)。相比機(jī)械換擋，氣動(dòng)換擋操作及壽命更加長(zhǎng)久，而且輕量化方面相比機(jī)械換擋要優(yōu)越。換擋系統(tǒng)穩(wěn)定。去年賽車(chē)的換擋桿比較軟，由于換擋桿較細(xì)，傳力較長(zhǎng)，桿的撓度比較大，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋失效，使得機(jī)械換擋不夠穩(wěn)定。而氣動(dòng)換擋不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。1.4課題的主要工作內(nèi)容根據(jù)2014年比賽成績(jī)及跟湖南大學(xué)賽車(chē)隊(duì)的差距，氣動(dòng)換擋系統(tǒng)對(duì)于“直線加速”項(xiàng)目可以減少0.5秒左右的時(shí)間，在“高速避障”項(xiàng)目和“耐久性測(cè)試”都有極大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)氣動(dòng)換擋相對(duì)于電子換擋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)程序設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)單些，在輕量化上比機(jī)械換擋也要優(yōu)越一些?；谶@個(gè)要求，我們決定今年開(kāi)始開(kāi)發(fā)HUAT-4號(hào)賽車(chē)的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)。本文主要是從執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置和控制策略方面著手研究。本文的主要工作包括以下幾個(gè)方面：研究氣動(dòng)換擋的組成；研究氣動(dòng)換擋的工作原理；確定氣動(dòng)換擋系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；確定氣動(dòng)換擋主要元件的選型；設(shè)計(jì)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及布置形式；設(shè)計(jì)離合操縱機(jī)構(gòu)及布置形式；氣動(dòng)換擋系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真；研究系統(tǒng)裝配及調(diào)試的事項(xiàng)；

2電控氣動(dòng)換擋概述電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)在商用車(chē)上使用得較為普遍，但是乘用車(chē)用到的很少。由于氣動(dòng)換擋對(duì)于布置緊湊的乘用車(chē)來(lái)說(shuō)比較安裝比較困難，而且乘用車(chē)的布置形式幾乎都是前置前驅(qū)，變速箱的布置就在駕駛艙附近，直接使用機(jī)械換擋更為方便，但由于駕駛員對(duì)于乘用車(chē)駕駛要求不斷的提高，現(xiàn)在乘用車(chē)基本上使用的是線控?fù)Q擋。但是商用車(chē)的布置形式一般為前置后驅(qū)，而駕駛艙離變速箱距離較遠(yuǎn)，選擇線控?fù)Q擋的成本又比較高而且對(duì)于技術(shù)的要求比較高，而氣動(dòng)換擋系統(tǒng)對(duì)于商用車(chē)來(lái)說(shuō)是最好的選擇。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)的布置形式為中置后驅(qū)，對(duì)于機(jī)械換擋的拉桿會(huì)比較長(zhǎng)，而且換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布置也比較困難，電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)對(duì)于許多車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較好的選擇，成本較低也解決了換擋系統(tǒng)布置困難的問(wèn)題，但是對(duì)于車(chē)隊(duì)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。2.1換擋系統(tǒng)的基本組成電控氣動(dòng)換擋系統(tǒng)是以導(dǎo)線中的電信號(hào)為傳遞手段、以壓縮的空氣為動(dòng)力源的電控氣動(dòng)系統(tǒng)，東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)的變速箱采用齒輪換擋，由于發(fā)動(dòng)機(jī)為賽車(chē)摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，換擋只有加檔和減檔兩種執(zhí)行狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了用一根導(dǎo)線代替了變速器與換擋操縱桿之間的機(jī)械連接,從而滿足了賽車(chē)的布置緊湊的同時(shí)也提高了換擋的快捷穩(wěn)定，這種安裝方式不僅簡(jiǎn)化了機(jī)械換擋系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)也節(jié)省了駕駛艙的駕駛空間，可以更加容易的通過(guò)車(chē)架駕駛艙規(guī)則的檢查。對(duì)于一般客車(chē)或者轎車(chē)，換擋系統(tǒng)分為選檔和換擋兩個(gè)部分，一個(gè)負(fù)責(zé)選擇檔位，另外一個(gè)負(fù)責(zé)加檔和減檔操作。而對(duì)于大學(xué)生方程式賽車(chē)來(lái)說(shuō)，規(guī)則要求發(fā)動(dòng)機(jī)排量不能草果610cc，所以幾乎所有學(xué)校選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)都是大排量摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，其變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)是一體，而且比轎車(chē)和客車(chē)的操作都簡(jiǎn)單，例如本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)，換擋操作為：向前是升檔，向后是降檔，沒(méi)有復(fù)雜的選檔過(guò)程。2.1.1氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的組成部分電控氣動(dòng)換擋主要由以下幾個(gè)模塊組成：氣源。氣源是氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，對(duì)于大學(xué)生方程式賽車(chē)來(lái)說(shuō)，氣源的多少?zèng)Q定了賽車(chē)換擋的次數(shù)。就賽事的賽車(chē)而言，氣源有兩種方案可以選擇：方案一是通過(guò)在賽車(chē)上增加一個(gè)小的高壓氣泵，可以源源不斷的提供高壓氣體；方案二就是在賽車(chē)上放置一個(gè)較大點(diǎn)的高壓氣瓶，每次通過(guò)高壓氣筒打氣，可以維持一部分時(shí)間的換擋，需要重復(fù)給氣瓶打氣。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)采用高壓氣瓶的方案，對(duì)于第一種方案，高壓氣泵需要外接電源，而HUAT-4號(hào)賽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等都需要用到外接電源，外接高壓氣泵對(duì)賽車(chē)來(lái)說(shuō)壓力比較大，賽車(chē)的穩(wěn)定性會(huì)明顯下降。其次，賽車(chē)接入氣泵以后，對(duì)于高壓氣體的儲(chǔ)存及恒壓監(jiān)控方面也比較困難。所以東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)采用的跟其他車(chē)隊(duì)一樣，選擇用高壓氣瓶來(lái)作為氣源驅(qū)動(dòng)，高壓氣瓶通過(guò)高壓氣筒打入高壓氣體，對(duì)于每個(gè)比賽項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，換擋次數(shù)足夠?？刂圃姶砰y、ECU。電子控制單元，即ECU是收集信號(hào)及發(fā)出換擋命令信號(hào)的控制中樞。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)采用撥片操作，在撥動(dòng)撥片或者按鈕后，傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)到ECU，CEU根據(jù)傳感器信號(hào)、賽車(chē)車(chē)速以及賽車(chē)檔位綜合分析，確定賽車(chē)是否需要增加檔位或者降低檔位，如果可以執(zhí)行，ECU將信號(hào)發(fā)給電磁閥，電磁閥通過(guò)控制閥門(mén)的“開(kāi)—關(guān)”控制換擋氣缸的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)換擋操作，在換擋以后，ECU接收反饋信號(hào)，并判斷換擋是否成功，同時(shí)對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)的檔位顯示。HUAT-4號(hào)賽車(chē)選擇的電磁閥為臺(tái)灣亞德客氣動(dòng)器生產(chǎn)及供貨公司銷(xiāo)售的兩位五通電磁閥。執(zhí)行單元—換擋氣缸。換擋氣缸是氣動(dòng)換擋的執(zhí)行元件，在電磁閥接收信號(hào)后打開(kāi)閥門(mén)，高壓管道被導(dǎo)通，高壓氣體直接作用于氣缸內(nèi)的活塞，推動(dòng)活塞做功，從而推動(dòng)換擋桿換擋。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)選擇的氣缸為臺(tái)灣亞德客氣動(dòng)器生產(chǎn)及供貨公司銷(xiāo)售的雙作用氣缸，該氣缸向右推動(dòng)活塞為增加檔位，向左推動(dòng)活塞為降低檔位，如圖2.1所示。圖2.1換擋雙作用氣缸示意圖恒壓閥。恒壓閥的功能是保證出氣口氣體（FSAE賽車(chē)一般為高壓空氣，由高壓氣動(dòng)打入）壓強(qiáng)穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值，以便于氣缸能順利的工作。若沒(méi)有恒壓閥，氣瓶在開(kāi)始時(shí)氣壓比較高，作用于氣缸和執(zhí)行操作時(shí)，容易因推力太大以至于部分零部件變形甚至損壞，使得賽車(chē)在賽場(chǎng)上有出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性。同時(shí)無(wú)恒壓閥的氣瓶對(duì)氣體流失也比較快，不利于高壓氣體的儲(chǔ)存。2.1.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的工作原理該賽車(chē)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的控制框圖如圖2.2所示。根據(jù)框圖可知，車(chē)手想要執(zhí)行換擋操作時(shí)，首先要拉動(dòng)離合桿使得離合器處于完全分離的狀態(tài)，離合器傳感器會(huì)將產(chǎn)生的離合信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送到賽車(chē)的ECU主控制單元，此時(shí)ECU還會(huì)收到來(lái)自方向盤(pán)下方的撥片傳感器發(fā)出的換擋信號(hào)。這些信號(hào)最終由主控制單元ECU處理、分析，最后判斷賽車(chē)是否可以換擋。如果可以換擋，主控制單元ECU將控制兩位五通電磁閥，使壓縮的高壓空氣進(jìn)入氣缸中推動(dòng)氣缸活塞的移動(dòng)，從而執(zhí)行換擋操作。換擋氣缸的活塞桿一端與換擋支架相連，換擋支架連接著發(fā)動(dòng)機(jī)的換擋操作桿。當(dāng)高壓氣體推動(dòng)活塞做功時(shí)，推力可以直接傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的換擋操作桿上，即可完成換擋操作。完成換擋的過(guò)程中,主控單元ECU會(huì)隨時(shí)接收來(lái)自換擋氣缸及車(chē)速的反饋信號(hào),這些信號(hào)用于反饋氣缸活塞的相對(duì)位置以及換擋操作是否完成,主控單元ECU將通過(guò)這些信號(hào)判斷氣動(dòng)換擋系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。換擋結(jié)束后,主控單元ECU會(huì)控制二位五通電磁閥及時(shí)關(guān)閉。由于加檔和減檔的工作原理完全相同，只是雙作用氣缸在活塞兩端都有高壓管路，所以換擋氣缸可以實(shí)現(xiàn)“推—拉”兩個(gè)狀態(tài)，從而很方便的實(shí)現(xiàn)了換擋的加檔和減檔操作。同時(shí)，違反換擋操作不予執(zhí)行，保護(hù)變速箱及駕駛員的安全。例如，賽車(chē)已經(jīng)降到1檔或已經(jīng)加檔到6檔，再去降檔或者升檔，氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的氣動(dòng)控制單元ECU將不對(duì)此操作。車(chē)手車(chē)手換擋撥片換擋撥片離合傳感器檔位顯示ECU離合傳感器檔位顯示ECU電磁閥氣瓶電磁閥電磁閥氣瓶電磁閥雙作用換擋氣缸雙作用換擋氣缸減檔減檔加檔加檔圖2.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)控制框圖2.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則將機(jī)構(gòu)的整個(gè)工藝過(guò)程所需的動(dòng)作或功能分解成一系列基本動(dòng)作和功能，并確定完成這些動(dòng)作或功能所需的執(zhí)行構(gòu)件數(shù)目和各執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，即可根據(jù)功能的要求，選擇或設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)、使用效果和結(jié)構(gòu)的策簡(jiǎn)程度。它是機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)，也是一項(xiàng)極具創(chuàng)造性的工作。在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循一定的準(zhǔn)則：滿足執(zhí)行構(gòu)件所需的工藝動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)要求，折運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡方面的要求，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的最基本因素。同時(shí)，在機(jī)構(gòu)滿足的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡方面的條件后，應(yīng)選擇其中最優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。盡最簡(jiǎn)化和縮短運(yùn)動(dòng)鏈，選擇較簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副最少的機(jī)構(gòu)。這樣可以降低制造的費(fèi)用，減輕機(jī)械重量；有利于減少運(yùn)動(dòng)副摩擦帶來(lái)的功率損耗，提高機(jī)械效率，有利于減小運(yùn)動(dòng)鏈的累計(jì)誤差，從而可提高傳動(dòng)精度和工作可靠性，有利于提高機(jī)械系統(tǒng)的剛性。所以在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)寧可采用具有較小設(shè)計(jì)誤差但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的近似機(jī)構(gòu)，而不采用理論。選用較為合適的運(yùn)動(dòng)副的形式。運(yùn)動(dòng)副在機(jī)構(gòu)傳遞過(guò)程中起到了重要的作用，它直接影響了該機(jī)構(gòu)的傳遞形式、傳遞效率以及使用壽命等。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)動(dòng)副容易設(shè)計(jì)和制造，容易保證零部件運(yùn)動(dòng)副之間的配合精度，且效率很高。與轉(zhuǎn)動(dòng)副相比，移動(dòng)副配合精度條件很難達(dá)到，效率低且易發(fā)生變形或跳動(dòng)，因此，它一般只于作的直線移動(dòng)的場(chǎng)合。盡量減小機(jī)構(gòu)的尺寸。在一般工作要求的前提下，應(yīng)追求機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)死角等條件。例如，東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該注重輕量化這項(xiàng)重要指標(biāo)，那對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅僅是選擇強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的材料，還要有緊湊，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。選擇合適的動(dòng)力源。在進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮工作要求、生產(chǎn)條件和動(dòng)力源情況。選擇合適的動(dòng)力源，有利于簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)和改善機(jī)械性能。當(dāng)有氣、液源時(shí)，常采用液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣既可以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，省去許多電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，又有利于操作、調(diào)節(jié)速度和減振。對(duì)于東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源就是高壓氣瓶里面的高壓空氣。由于高壓空氣較容易獲得。2.2換擋系統(tǒng)主要元器件的選型對(duì)于氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的零部件來(lái)說(shuō)，在滿足執(zhí)行命令的操作同時(shí)，也需要零部件有較高的壽命、質(zhì)量要輕等特點(diǎn)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類(lèi)特別多，而且在國(guó)內(nèi)商用車(chē)和客車(chē)這塊兒對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，商用車(chē)上氣瓶的布置也比較方便，而且商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力足，可以增加一個(gè)氣泵，就可以對(duì)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的高壓氣瓶自充氣；還有一塊兒慢慢興起的就是中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)和專業(yè)F1賽車(chē)，對(duì)于賽車(chē)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力性和操作方便性非常重要，這決定了競(jìng)技比賽最終的成績(jī)，所以在換擋這塊兒幾乎都在向電控氣動(dòng)換擋方向發(fā)展。例如，2014年中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽中，就有6所高校使用氣動(dòng)換擋而代替機(jī)械換擋，湖大使用氣動(dòng)換擋在“直線加速”項(xiàng)目中獲得第一名。2.2.1高壓氣瓶選型氣源作為整個(gè)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，完全決定了賽車(chē)換擋的次數(shù)。根據(jù)理想氣體的本構(gòu)方程P*V=N*R*T，氣源儲(chǔ)存氣體的容量在體積一定的情況下壓力越高儲(chǔ)存的越多，因此高壓氣瓶是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。接下來(lái)我們可以計(jì)算氣罐的容積，以市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的高壓氣罐為例，其最高耐壓一般為30MPa，即300bar的壓力，而實(shí)際使用的高壓氣瓶最高耐壓一般不低于20MPa，因此以下計(jì)算取最低的耐壓值20MPa為初始?xì)馄繅毫?。單次換擋氣缸耗氣量（Z1=P*V）Z1=30mm2·π/4·30mm/2·10·101000Pa=10.71J其中，Z1為換擋氣缸的耗氣量。公式為氣源輸出的10bar壓力的氣體將本來(lái)體積為0的氣室推至體積為V所消耗的氣體的量，其量綱明顯并不是體積。另外極其還要注意的是，每次換擋除了氣缸需要消耗氣體，恒壓閥至氣缸之間的氣管一樣要消耗部分氣體（減壓閥至分流管路之間的氣管不消耗氣體），因此氣管的直徑應(yīng)該在滿足電磁閥實(shí)際通徑的前提下盡量短而細(xì)。以250mm長(zhǎng)，內(nèi)徑6mm的氣管計(jì)算:Z2=5mm2·π/4·250mm·10·101000Pa=4.96J其中Z2為氣管的耗氣量。Z2相對(duì)于Z1并不是可以忽略的數(shù)值，因此這是極容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的。另外上式中的10是一個(gè)理想值，實(shí)際應(yīng)該是介于9與10之間的一個(gè)常數(shù)，因?yàn)樵陔姶砰y換向之前氣管里本身已經(jīng)有1bar的氣體，其壓強(qiáng)的變化量為9bar。但是又考慮到氣管以及其他部位的變形以及在氣體做功的過(guò)程中一些其他情況，最終在計(jì)算的時(shí)候選取了常數(shù)為10。定義Z=Z1+Z2=15.67J為換擋常數(shù)。已知?dú)馄繅毫為20MPa，體積L,假設(shè)換擋1000次。計(jì)算氣瓶的體積至少為多少:L·P=ZxaL>0.7835L其中，L為氣瓶的體積；Z為換擋常數(shù)；a為換擋次數(shù)；P為氣瓶壓力。也就是說(shuō)，要保證能換擋1000次至少要0.7835升的氣瓶，且起始?jí)毫?yīng)為21MPa（也要考慮到高壓氣瓶?jī)?nèi)的氣體在低于1MPa時(shí)，實(shí)際減壓閥輸出的壓力已經(jīng)低于10bar，換擋氣缸已經(jīng)不能稱為正常工作了）。其中還要考慮整個(gè)系統(tǒng)的氣密性，時(shí)間越長(zhǎng)其氣密性就會(huì)逐漸下降，這塊兒損失的氣體就越不容忽略。再加上如果在工作中有離合氣缸的工作（根據(jù)實(shí)際情況看是否需要?dú)鈩?dòng)離合或者還是機(jī)械式離合）。但是具體的計(jì)算方法與上文基本一致，無(wú)外乎改變換擋常數(shù)。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)最初選擇用耐壓強(qiáng)度為25-30MPa的鋁瓶，如圖4所示。但是在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，裝滿高壓空氣后的氣瓶重量在1kg以上，這樣對(duì)于賽車(chē)的負(fù)重又增加了，最后綜合決定選擇耐壓強(qiáng)度同等的碳纖維氣瓶，在質(zhì)量上能減輕一半，這個(gè)對(duì)于賽車(chē)輕量化和燃油經(jīng)濟(jì)性都是比較優(yōu)越的。圖2.3換擋氣瓶2.2.2換擋氣缸選型換擋氣缸是氣動(dòng)換擋系統(tǒng)必要的執(zhí)行元件，最重要的問(wèn)題是氣缸的選擇。氣缸的工作力的大小來(lái)源于兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是缸徑一個(gè)是工作壓力。因?yàn)閷?duì)于賽車(chē)來(lái)講，小型氣缸的優(yōu)勢(shì)非常明顯，首先是重量輕，其次是好布置、易拆裝。因此工作壓力的提高很重要，工作壓力的提高意味著缸徑的減小。市場(chǎng)上常見(jiàn)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作壓力一般為[-1bar,+10bar]。因此最終選用工作壓力值為10bar的氣缸（一般情況下，這樣的換擋氣缸在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的實(shí)際耐壓值往往能達(dá)到15bar）。采集變速箱檔桿和離合器推桿的實(shí)際工作力矩和力。離合器推桿力約為35KG（350N），發(fā)動(dòng)機(jī)的換擋扭矩T約為15N·m，換擋桿的擺臂長(zhǎng)度L為50mm,換擋桿的換擋角度大約在3~5°之間（此數(shù)據(jù)為簡(jiǎn)易的測(cè)量計(jì)采集得到的粗略數(shù)據(jù)，若需要比較精確的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)及實(shí)際狀況重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)采集）。換擋氣缸半徑R：1/4*ΠR2·P·L=T=15N·mR≈4.371mm其中，P為氣瓶壓力；L為換擋桿的擺臂長(zhǎng)度；T為發(fā)動(dòng)機(jī)的換擋扭矩；R為換擋氣缸的半徑。最終選擇缸徑為25mm的換擋雙作用氣缸，總行程為50mm。也就是說(shuō)單向行程為25mm。參考國(guó)內(nèi)其他車(chē)隊(duì)對(duì)于換擋氣缸品牌的參考，最后選擇購(gòu)買(mǎi)臺(tái)灣一家氣動(dòng)零部件生產(chǎn)公司亞德客公司，型號(hào)為：MAL20x50,換擋氣缸實(shí)物如下圖2.4所示。不建議使用扭轉(zhuǎn)氣缸，因?yàn)榕まD(zhuǎn)氣缸的重量和體積更大。圖2.4換擋氣缸2.2.3換擋電磁閥選型換擋電磁閥是氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的控制部分。一般市場(chǎng)上所用到的電磁閥根據(jù)其功能可以分為兩位兩通、兩位三通（如圖2.5）、三位五通（如圖2.6）共三種。本賽車(chē)采用三位五通的電磁閥，與雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（換擋氣缸）或者兩個(gè)單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用。東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)選擇的氣缸為雙作用氣缸，電磁閥選擇購(gòu)買(mǎi)臺(tái)灣一家氣動(dòng)零部件生產(chǎn)公司亞德客公司的兩位五通電磁閥，為了和雙作用氣缸匹配。型號(hào)為：4V130E-06。三位是指有三種中央功能的選擇，五通是指五個(gè)通道氣孔，其中一個(gè)與氣源相連接，兩個(gè)通道分別與雙作用氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣端口相連（加檔操作和減檔操作）或者兩個(gè)單作用氣缸的兩個(gè)進(jìn)氣口，另外兩個(gè)孔分別是兩個(gè)排氣口，用來(lái)安裝兩個(gè)消音器。該電磁閥的工作原理圖如下圖2.7所示，P為進(jìn)氣口，A（B）為進(jìn)氣口，R(S)為排氣口，A、B兩個(gè)口連接氣缸，R、S兩個(gè)口連接消音器。圖2.5二位三通電磁閥圖2.6三位五通電磁閥圖2.7三位五通電磁閥工作原理圖2.2.4電控裝置的選型除了最基本的氣動(dòng)執(zhí)行元件，電控裝置也在某種程度上決定了換擋的速度和穩(wěn)定性。換擋時(shí)間分為兩部分，一部分稱之為是響應(yīng)時(shí)間，包括車(chē)手決定換擋，按下?lián)Q擋撥片或按鈕，脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞至控制單元ECU，控制單元ECU輸出信號(hào)控制電磁閥，電磁閥響應(yīng)后勵(lì)磁并接通氣路，整個(gè)氣路氣壓的上升。第二部分稱之為動(dòng)作時(shí)間，是實(shí)際氣缸推動(dòng)換擋桿以及將換擋桿拉回原始位置（或者換擋桿由于回彈力自動(dòng)回到原始位置）。這兩部分有一個(gè)明顯的分界線，那就是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力是否被切斷。第一部分預(yù)備時(shí)間，如果很長(zhǎng)，那么車(chē)手會(huì)認(rèn)為這輛賽車(chē)給他的感覺(jué)是它的反應(yīng)不是那么迅速，有比較明顯滯后的感覺(jué)。這對(duì)于一個(gè)優(yōu)秀的車(chē)手發(fā)揮他的駕駛技術(shù)是十分不利的，例如，車(chē)手本來(lái)已經(jīng)準(zhǔn)備好降檔提速，但是由于賽車(chē)明顯的換擋滯后，錯(cuò)過(guò)了車(chē)手認(rèn)為的最好時(shí)機(jī)。第二部分動(dòng)作時(shí)間過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力被暫時(shí)切斷，其時(shí)間的長(zhǎng)短給車(chē)手的感覺(jué)就是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱的頓挫感。優(yōu)秀的換擋機(jī)構(gòu)應(yīng)該保證換擋時(shí)間足夠短，讓車(chē)手感受到的沖擊盡量的小。這主要不是為了考慮賽車(chē)的舒適性，而是為了保證賽車(chē)動(dòng)力的持續(xù)輸出。從縮短響應(yīng)時(shí)間的角度來(lái)看，運(yùn)用更好的電控單元ECU，如高主頻的單片機(jī)，或者直接使用行車(chē)電腦等等都是不錯(cuò)的選擇。另外如果電磁閥的電壓與蓄電池的電壓不一樣，就要面臨使用繼電器的問(wèn)題(應(yīng)該盡量使用電壓與蓄電池電壓相同的電磁閥，以避免此類(lèi)問(wèn)題，但是由于庫(kù)存以及供貨期問(wèn)題有時(shí)與蓄電池電壓不同的繼電器的使用在所難免)。繼電器應(yīng)該選用響應(yīng)快的。市售繼電器響應(yīng)時(shí)間由0.5ms~20ms不等，雖然20ms本身并不多，但是相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)都是毫秒級(jí)的情況來(lái)講其影響還是不小的。另外電磁閥分為先導(dǎo)式以及直通式電磁閥，直通式往往比先導(dǎo)式反應(yīng)時(shí)間要短。電磁閥通電后需要時(shí)間來(lái)勵(lì)磁并且切換氣路，這里的時(shí)間一般在5ms~75ms之間，最好能選擇5ms這個(gè)量級(jí)的電磁閥縮短響應(yīng)時(shí)間。再來(lái)分析一下動(dòng)作時(shí)間。這個(gè)部分主要是換擋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)以及回位的時(shí)間。一個(gè)比較容易忽略的問(wèn)題就是電磁閥的實(shí)際通徑。一般在購(gòu)買(mǎi)電磁閥的時(shí)候廠家會(huì)給予許多數(shù)據(jù)信息，其中有其實(shí)際通徑。也就是電磁閥全開(kāi)時(shí)氣路的最大直徑。無(wú)論你使用多粗的氣管，都要被電磁閥的通氣能力所限制，因此電磁閥的選擇貫穿了整個(gè)響應(yīng)時(shí)間以及動(dòng)作時(shí)間，是氣動(dòng)換擋系統(tǒng)中的重點(diǎn)。另外選用缸徑稍大的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)占些便宜。但是也要考慮到增重、難布置以及隨之而來(lái)的耗氣量的升高。換擋桿推到換擋位之后，其回位可以通過(guò)自身的回位彈簧來(lái)完成，但是為讓其更快的回到原位恢復(fù)賽車(chē)動(dòng)力，在程序設(shè)計(jì)時(shí)也可以給活塞一個(gè)回位推力。2.3本章小結(jié)本章著重研究了氣動(dòng)換擋系統(tǒng)幾個(gè)主要?dú)鈩?dòng)元件的選型，根據(jù)FSAE賽事對(duì)車(chē)隊(duì)所要達(dá)到的競(jìng)技要求和輕量化要求，合理化選擇賽車(chē)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)幾個(gè)元件的參數(shù)，根據(jù)粗略測(cè)得本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)的基本換擋力矩和離合拉線拉力等參數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得出換擋氣缸缸徑的選擇，同時(shí)也對(duì)電控單元ECU的換擋操作時(shí)間做了較為仔細(xì)的分析，從而決定出最終東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的零部件購(gòu)買(mǎi)方案。表2.1氣動(dòng)換擋系統(tǒng)零部件購(gòu)買(mǎi)方案氣動(dòng)元件型號(hào)選型理由采購(gòu)的公司高壓氣瓶0.5L碳纖高壓氣瓶采用耐壓為20~30MPa的碳纖高壓氣瓶，質(zhì)量比普通鋁制氣瓶輕一倍，實(shí)現(xiàn)輕量化；0.5L氣瓶大約換擋400次，對(duì)于項(xiàng)目比賽足夠。天海工業(yè)有限公司換擋氣缸迷你型鋁合金氣缸MAL25x50-U通過(guò)測(cè)試可知換擋力矩約15N·m,根據(jù)計(jì)算可得，氣缸缸徑大于5mm即可；換擋有加減檔，選擇雙作用氣缸在機(jī)構(gòu)布置上簡(jiǎn)單方便。臺(tái)灣亞德客公司換擋電磁閥4V130E-06采用三位五通的電磁閥，與雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（換擋氣缸）配合使用；臺(tái)灣亞德客公司消音器BSL01減小或消除在換擋電磁閥打開(kāi)時(shí)高壓氣體沖擊發(fā)出的噪音。臺(tái)灣亞德客公司恒壓閥SDR100M51保證氣瓶出來(lái)的高壓氣體的壓強(qiáng)保持恒定，避免造成換擋氣缸的損壞。臺(tái)灣亞德客公司

3氣動(dòng)換擋系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的建模與裝配3.1CATIA軟件介紹CATIA是法國(guó)DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造、造船、機(jī)械制造、電子\電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案幾乎覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動(dòng)著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)力的提高。CATIA軟件提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。CATIA軟件源于航空航天業(yè)，但其強(qiáng)大的功能以得到各行業(yè)的認(rèn)可，在歐洲汽車(chē)業(yè)，已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。CATIA軟件的著名用戶包括波音飛機(jī)公司、克萊斯勒汽車(chē)公司、寶馬汽車(chē)公司、奔馳汽車(chē)公司等一大批知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。CATIA軟件的主要模塊包括：零件設(shè)計(jì)PDG模塊、裝配設(shè)計(jì)ASD模塊、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)GSD模塊、自由曲面設(shè)計(jì)FSS模塊、DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)KIN模塊等。下面詳細(xì)的介紹這幾個(gè)模塊。零件設(shè)計(jì)PDG模塊。該模塊提供了三維機(jī)械零件設(shè)計(jì)的強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具。應(yīng)用“智能實(shí)體”設(shè)計(jì)思想，廣泛地使用混合建模、智能尺寸、關(guān)聯(lián)特征和靈活的布爾運(yùn)算等方法，允許工程師結(jié)合多種設(shè)計(jì)方法：可以在設(shè)計(jì)中或完成以后出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)，可隨時(shí)進(jìn)行參數(shù)化數(shù)據(jù)修改；可以在裝配設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)；該軟件支持零件的多實(shí)體操作，可以輕易的修改、管理零件，例如，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期修改操作。同時(shí)，該模塊的模型樹(shù)層次分明，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)整個(gè)模型樹(shù)進(jìn)行管理操作，以加快設(shè)計(jì)更改。裝配設(shè)計(jì)ASD模塊。在該模塊中，設(shè)計(jì)師們采用自頂向下（Top-down）或自底向上（Bottom-up）的設(shè)計(jì)方法管理大型父子關(guān)系的裝配結(jié)構(gòu)，可真正意義上的實(shí)現(xiàn)零件裝配設(shè)計(jì)的并行工程。通過(guò)使用移動(dòng)工具或羅盤(pán)工具，設(shè)計(jì)人員就能將零件拖動(dòng)到距離裝配較近的位置，便于裝配約束；選擇裝配中的爆炸命令，可以檢測(cè)裝配系統(tǒng)是否裝配完成，還能檢測(cè)裝配間隙及干涉性問(wèn)題；通過(guò)重復(fù)命令，可以使相同的零件重復(fù)應(yīng)用，無(wú)需再次導(dǎo)入。ASD提供的這些高效的工作方式，使得裝配設(shè)計(jì)者可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)GSD模塊?？筛鶕?jù)基礎(chǔ)線框與多個(gè)曲面特征組合，設(shè)計(jì)復(fù)雜的滿足要求的車(chē)身曲面。它提供了一套涵蓋面廣泛的工具集，用以建立并修改參數(shù)化點(diǎn)、線、面等。它基于特征的設(shè)計(jì)方法，提供了高效、直觀的設(shè)計(jì)環(huán)境，包括的智能化工具和定律（law）功能，允許用戶對(duì)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)規(guī)范進(jìn)行捕捉并二次應(yīng)用。自由曲面設(shè)計(jì)FSS模塊。該模塊提供了大量的點(diǎn)、線、面創(chuàng)建及修改工具。設(shè)計(jì)師們可以方便地修改、光順和修剪繪制的曲線和曲面。借助于曲線曲面的曲率等檢測(cè)工具、可以實(shí)時(shí)檢查曲線曲面的質(zhì)量。同時(shí)系統(tǒng)提供了一個(gè)可以自由匹配的模塊，支持NURBS和Bezier曲線的繪制，因此設(shè)計(jì)師們可以直接修剪曲面，而且保持曲面的相關(guān)性。這樣很大程度的提高了過(guò)去二維工程圖到三維零件建模的設(shè)計(jì)效率。DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)KIN模塊。通過(guò)在命令中直接給零件直接施加運(yùn)動(dòng)副或者通過(guò)裝配約束轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)副，對(duì)DMU電子樣機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的定義。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的干涉性檢查以及校核零件運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中最小間隙來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。KIN模塊可以生成運(yùn)動(dòng)軌跡，得出運(yùn)動(dòng)不確定性的軌跡曲線，也可以在運(yùn)動(dòng)中檢測(cè)最小距離是否滿足設(shè)計(jì)要求。該模塊能夠滿足從汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到汽車(chē)系統(tǒng)功能評(píng)估的各類(lèi)工程設(shè)計(jì)人員的需要。3.2氣動(dòng)換擋系統(tǒng)零件建模通過(guò)對(duì)CATIA軟件零件設(shè)計(jì)模塊、裝配設(shè)計(jì)模塊、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)模塊及曲面設(shè)計(jì)模塊的學(xué)習(xí)，基本熟練地掌握了軟件的基本操作方法。通過(guò)對(duì)軟件多個(gè)模塊進(jìn)行混合設(shè)計(jì)，更加精確的完成了氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的零件測(cè)繪建模。用CATIA軟件繪制氣缸支架零件的過(guò)程如下：新建一個(gè)part模型，并命名為zhijia。如圖3.1所示。圖3.1創(chuàng)建零件點(diǎn)擊圖標(biāo)，選擇yz平面創(chuàng)建草圖。如圖3.2所示。圖3.2創(chuàng)建草圖退出草圖，點(diǎn)擊拉伸命令，設(shè)置拉伸長(zhǎng)度為10mm，勾選鏡像拉伸。如圖3.2所示。圖3.3凸臺(tái)創(chuàng)建點(diǎn)擊凹槽命令，繪制方形輪廓，約束尺寸，在凹槽命令中設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為8mm，勾選鏡像范圍，如圖3.4所示。圖3.4創(chuàng)建凹槽再次點(diǎn)擊凹槽，繪制圓形輪廓，約束直徑尺寸為30mm，在凹槽命令中設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為30mm，勾選鏡像范圍，如圖3.5所示。這樣就完成了簡(jiǎn)單支架的建模。圖3.5創(chuàng)建孔氣動(dòng)換擋系統(tǒng)其它相關(guān)零部件建模如下：圖3.6高壓氣瓶建模圖3.7恒壓閥建模圖3.8換擋氣缸缸體圖3.9換擋氣缸活塞桿圖3.10換擋氣缸螺母1圖3.11換擋氣缸螺母2圖3.12三位五通電磁閥建模圖3.13傳力支架建模圖3.14氣管建模圖3.15換擋桿支架建模圖3.16消音器建模圖3.17氣管接頭建模圖3.18球銷(xiāo)建模圖3.19換擋頭建模3.3氣動(dòng)換擋系統(tǒng)裝配在CATIA軟件中的裝配設(shè)計(jì)ASD模塊，通過(guò)導(dǎo)入之前繪制的實(shí)體零件，采用down-top的設(shè)計(jì)思想，先將部分零件裝配成部件，再將部件裝配成產(chǎn)品，積極遞增，結(jié)構(gòu)清晰。接下來(lái)詳細(xì)說(shuō)明換擋氣缸的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程：新建一個(gè)product文件，如圖3.18所示。圖3.20新建Product文件選擇命令，添加氣動(dòng)換擋氣缸的零件到裝配界面，如圖3.19所示。圖3.21氣缸的零件導(dǎo)入見(jiàn)活塞桿與氣缸缸體同軸相連，將螺母與活塞桿同軸相連，活塞與缸體一端距離50mm（測(cè)繪獲得），將螺母1一個(gè)端面與氣缸一端相合，設(shè)置螺母2距離桿端距離為23mm，即可裝配好換的氣缸部件。如圖3.20所示。圖3.22換擋氣缸裝配圖氣動(dòng)換擋系統(tǒng)其它部件建模如下圖所示。圖3.23三位五通電磁閥裝配圖3.24執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件裝配圖3.25氣動(dòng)換擋系統(tǒng)總裝配3.4本章小結(jié)零件建模采用了零件設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和自由曲面設(shè)計(jì)三個(gè)模塊，例如，電磁閥、換擋氣缸的建模都是用零件模塊，氣管的建模運(yùn)用了創(chuàng)成式和自由曲面模塊。而且建模的方式采用測(cè)繪實(shí)體零件，然后根據(jù)尺寸建模，雖然在測(cè)量中存在很小的誤差，但是對(duì)于總裝來(lái)說(shuō)，影響不大，可以忽略。裝配設(shè)計(jì)思想采用down-top思想，將建模好的零件在裝配設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行裝配，根據(jù)靜態(tài)時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行裝配，距離可以測(cè)繪出來(lái)，最終得到3.25圖所示。

4氣動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)的空間布置設(shè)計(jì)4.1發(fā)動(dòng)機(jī)的介紹汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是為汽車(chē)提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，是汽車(chē)的心臟，影響汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。根據(jù)動(dòng)力來(lái)源不同，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可分為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力等[1]。常見(jiàn)的汽油機(jī)和柴油機(jī)都屬于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為活塞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能并對(duì)外輸出動(dòng)力。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動(dòng)容易，制造成本低；柴油機(jī)壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟(jì)性能和排放性能都比汽油機(jī)好。發(fā)動(dòng)機(jī)是一輛汽車(chē)的心臟，對(duì)于FSAE賽事來(lái)說(shuō)，為了追求速度的競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)動(dòng)機(jī)是不可或缺的關(guān)鍵動(dòng)力部件。發(fā)動(dòng)機(jī)選擇的好壞直接決定了動(dòng)態(tài)賽的成績(jī)排名。接下來(lái)就2014年中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽中參加的車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)，用四缸機(jī)的車(chē)隊(duì)基本上都是使用本田CBR600RR、雅馬哈YZF-R6、鈴木GXS-R600、川崎ZX-R6這四款發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在對(duì)比賽用的較多的四款發(fā)動(dòng)機(jī)做一個(gè)對(duì)比，如表1所示。表4.1FSAE賽事發(fā)動(dòng)機(jī)比較型式本田CBR600RR雅馬哈YZF-R6鈴木GXS-R600川崎ZX-R6發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型直列四缸四沖程DOHC（雙頂置式凸輪軸）直列四缸四沖程DOHC（雙頂置式凸輪軸）直列四缸四沖程DOHC（雙頂置式凸輪軸）直列四缸四沖程DOHC（雙頂置式凸輪軸）氣缸67x42.5mm67x42.5mm67x42.5mm67x42.5mm排量599cc599cc599cc599cc功率（kw/rpm）65kw/10500rpm55kw/10500rpm55kw/8000rpm70kw/12250rpm扭距(N·m/rpm）70N·m/8500rpm60N·m/8500rpm80N·m/7000rpm59.8N·m/11750rpm壓縮比12:112.5:112.4:113.3:1檔位6檔6檔6檔，常嚙和6檔特點(diǎn)中轉(zhuǎn)速區(qū)域扭矩輸出較好，高轉(zhuǎn)速功率輸出較低。壓縮比相對(duì)較低，對(duì)油品的要求相對(duì)較低，適合增加廢氣渦輪增壓改裝。變速箱齒比比較綿密。高轉(zhuǎn)速區(qū)域功率輸出較高，中低轉(zhuǎn)速扭矩輸出相對(duì)較弱。變速箱齒比比較稀疏，與發(fā)動(dòng)機(jī)本身的輸出匹配并不是很好。雙渦流的燃燒室，具有較大的峰值扭矩和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。變速箱赤壁比較均衡。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比比較高，限流之后也能保證發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的扭矩輸出。但每年ZX-R6發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性都有所不同。四款發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：本田CBR600RR：本田CBR600RR在中轉(zhuǎn)速區(qū)域下具有良好的充氣效率，這就使得本田CBR600RR雖然無(wú)法具備高轉(zhuǎn)速區(qū)域下出眾的功率，但是在中轉(zhuǎn)速區(qū)域下具有較高的扭矩。同時(shí)，本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)占有率比較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)，在國(guó)內(nèi)比較容易買(mǎi)到，這也是部分學(xué)校選取該款發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。雅馬哈YZF-R6：雅馬哈YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)最大的特點(diǎn)無(wú)疑就是它驚人的轉(zhuǎn)速和功率。對(duì)于2008款以后的雅馬哈YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比都達(dá)到了13:1，更重要的是該發(fā)動(dòng)機(jī)還更換了鈦合金氣門(mén)，降低了氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的往復(fù)慣性力，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)特性的提高。鈴木GXS-R600：鈴木GXS-R600的雙渦流燃燒室是一個(gè)頗為新奇的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)對(duì)于對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的峰值扭矩是功不可沒(méi)的，同時(shí)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。而且齒輪比介于本田CBR600RR和雅馬哈YZF-R6之間，這也是許多學(xué)校選取該發(fā)動(dòng)機(jī)的理由。川崎ZX-R6：這款發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的壓縮比，即使在大賽規(guī)則要求規(guī)定的安裝20mm的進(jìn)氣限流閥的情況下，川崎ZX-R6發(fā)動(dòng)機(jī)仍然具有較高的扭矩輸出，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定后獲得其特性曲線，對(duì)于許多車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)也是一種很好的選擇。四款發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：本田CBR600RR：本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)在這四款發(fā)動(dòng)機(jī)中壓縮比是較低的，這將少許的降低對(duì)油品質(zhì)量的需求。但是在另一方面加劇了限流閥帶來(lái)的負(fù)面影響，越是充氣效率低的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低得越快。這對(duì)于車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)的人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，而且進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響了動(dòng)態(tài)比賽的成績(jī)。雅馬哈YZF-R6：雅馬哈YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)在小的方面有些瑕疵，這也可能是造成該發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域下的扭矩不怎么理想的現(xiàn)象。同時(shí)雅馬哈YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)的變速箱齒輪比較稀疏，這對(duì)于FSAE賽事中的“高速避障”項(xiàng)目和“耐久性測(cè)試”項(xiàng)目是相當(dāng)不利的。同時(shí)，雅馬哈YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有比例很小，幾乎在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)不到，但是在國(guó)外市場(chǎng)占有率相當(dāng)高，若學(xué)校車(chē)隊(duì)有充足的資金，可以考慮購(gòu)買(mǎi)此款發(fā)動(dòng)機(jī)。鈴木GXS-R600：鈴木GXS-R600發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩相當(dāng)高，但是該發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性卻沒(méi)有什么改善，這使得中低轉(zhuǎn)速下的扭矩特性沒(méi)有太大的發(fā)揮，需要安裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)才能提高其性能。同時(shí)，鈴木GXS-R600發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的占有率也是很少，幾乎購(gòu)買(mǎi)不到。川崎ZX-R6：川崎ZX-R6發(fā)動(dòng)機(jī)每款發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性都不一樣，對(duì)于購(gòu)買(mǎi)回來(lái)后的發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定測(cè)試都是相當(dāng)困難的，也不利于對(duì)一款發(fā)動(dòng)機(jī)研究得比較深入來(lái)提高其性能。同時(shí)，川崎ZX-R6發(fā)動(dòng)機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的占有率也是很少，幾乎購(gòu)買(mǎi)不到。對(duì)比分析這幾款發(fā)動(dòng)機(jī)，東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)最后選擇了購(gòu)買(mǎi)本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)。其原因有兩點(diǎn)：第一，本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率比較大，從購(gòu)買(mǎi)渠道來(lái)說(shuō)，相比其他幾款發(fā)動(dòng)機(jī)較容易購(gòu)買(mǎi)。第二，本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域下具有較高的扭矩，根據(jù)FSAE大賽的賽道情況（彎道居多），賽車(chē)除了在“直線加速”項(xiàng)目上需要高轉(zhuǎn)速下的高扭矩，在“8字繞環(huán)”、“高速避障”、“耐久性測(cè)試”項(xiàng)目比賽中，賽車(chē)大部分情況都只是在使用2檔和3檔，跑完整個(gè)項(xiàng)目賽車(chē)幾乎都是在用中低轉(zhuǎn)速比賽，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們最后決定了購(gòu)買(mǎi)本田CBR600RR這款發(fā)動(dòng)機(jī)。而且本田CBR600RR發(fā)動(dòng)機(jī)換擋順序?yàn)椋?—N—2——3—4—5—6。為了簡(jiǎn)化氣動(dòng)換擋系統(tǒng)，我們選擇氣動(dòng)推力保持為恒定的值，那么每次換擋都在1、2、3、4、5、6檔中變檔，而空擋是在1檔和2檔之間的半格，最終方案我們選擇不用空擋，在賽車(chē)推動(dòng)的時(shí)候，我們可以將手動(dòng)拉線離合拉起來(lái)推動(dòng)賽車(chē)行走。4.2換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一換擋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)東風(fēng)HUAT-4號(hào)賽車(chē)車(chē)架及發(fā)動(dòng)機(jī)模型為依據(jù)，再根據(jù)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在CATIA軟件中虛擬設(shè)計(jì)及裝配，發(fā)動(dòng)機(jī)上的換擋桿外接一個(gè)伸長(zhǎng)支架，換擋氣缸一端連接在固定支架上，另一端連接在傳遞支架上，將動(dòng)力傳遞給換擋桿。整個(gè)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)是可以活動(dòng)的，恰好與換擋桿的旋轉(zhuǎn)方向一致。二位五通繼電器可以固定在下圖3.1鋼管上，可以在鋼管上安裝一個(gè)固定托盤(pán)支架，下這樣可以防止繼電器在車(chē)架上發(fā)生旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，同時(shí)可以防止車(chē)架的振動(dòng)損壞繼電器。在規(guī)則中對(duì)于氣動(dòng)換擋系統(tǒng)沒(méi)有要求，所以氣動(dòng)換擋氣瓶可以固定在車(chē)架主環(huán)斜撐上，用卡套固定即可。對(duì)于賽車(chē)尾艙布置，越緊湊越好，而且氣動(dòng)傳遞力的路徑越短效率越高，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單。基于這個(gè)思想，將換擋氣缸一端的支架固定在車(chē)架固定發(fā)動(dòng)機(jī)的吊耳上，整個(gè)布置不僅節(jié)省空間，而且整個(gè)傳遞執(zhí)行力只需一個(gè)傳遞支架即可，這種設(shè)計(jì)方式滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)能達(dá)到輕量化的要求。圖3.1氣動(dòng)換擋系統(tǒng)裝配圖但是該設(shè)計(jì)也有一定的缺點(diǎn)，對(duì)于單純的氣動(dòng)換擋系統(tǒng)的操作沒(méi)有問(wèn)題，但是對(duì)整個(gè)賽車(chē)而言，該布置不是很合理。其一，由于換擋氣缸所布置的空間在發(fā)動(dòng)機(jī)散熱水路經(jīng)過(guò)的地方，若更改水路的布置，其困難更大，也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)組學(xué)生的壓力；其二，換擋氣缸距離發(fā)動(dòng)機(jī)很近，在賽車(chē)耐久賽過(guò)程中，一輛賽車(chē)需在賽道上駕駛22公里，而且發(fā)動(dòng)機(jī)中置散熱效果本來(lái)就比較差，在比賽期間發(fā)動(dòng)機(jī)溫度會(huì)超過(guò)100攝氏度，這樣一來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)換擋氣缸會(huì)進(jìn)行加熱，這降低換擋氣缸的使用壽命，而且容易導(dǎo)致?lián)Q擋氣缸中的活塞因受熱膨脹，也容易使氣缸漏氣甚至失效，也給車(chē)手的安全帶來(lái)一定的隱患。圖3.2氣動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案一a圖3.3氣動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案一b4.3換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二方案二相比方案一有所改進(jìn)，但大致的思路比較一致，換擋氣缸下邊的支架與推桿上的傳遞支架除了尺寸有一定的更改，其他結(jié)構(gòu)并沒(méi)有太大的變化，但是從換擋系統(tǒng)的布置來(lái)說(shuō)，方案二解決了方案一存在的很大的缺點(diǎn)，那就是換擋氣缸距離發(fā)動(dòng)機(jī)太近，容易使換擋氣缸過(guò)熱而導(dǎo)致活塞漏氣或失效。根據(jù)布置形式，可以將支架直接焊接在車(chē)架底部鋼管上，可以調(diào)整換擋桿上的擺臂長(zhǎng)度來(lái)保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在換擋平面活動(dòng)，這樣在裝配傳遞支架時(shí)，不會(huì)與換擋桿上的擺臂發(fā)生機(jī)械干涉（發(fā)生機(jī)械干涉對(duì)于變速箱的換擋桿以及傳遞支架