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

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2014 年 14 期
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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
电子控制单元由单片双作用气缸。
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
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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
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。
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。
举。 科 ●
【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 ．
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。
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<reg52.h> 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 uint8 table [] ={0xC0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90};uint8i=0; void delay(){uint8 j=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 Keil μVision3 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 Keil μVision3 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