全套設(shè)計（圖紙）加扣扣194535455PAGEPAGE42摘要本文以2014年FSC賽車為實際載體，滿足中國大學生方程式賽車大賽規(guī)則為要求，以及對賽車快速換擋和提高比賽成績的需要，提出了FSC賽車氣動換擋系統(tǒng)的開發(fā)方案。HUAT-4號賽車的氣動換擋，利用CATIA軟件對賽車氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)及手動離合機構(gòu)的三維虛擬設(shè)計及裝配，再根據(jù)建好的是三維模型對執(zhí)行機構(gòu)及離合機構(gòu)在賽車模型上進行空寂布置，選擇最佳的設(shè)計來提高賽車的空間布置合理性和輕量化。利用MATLAB/Simulink模塊對氣動換擋操作系統(tǒng)進行簡易的虛擬仿真，驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這項研究對于今后的車隊隊員更深一步的設(shè)計非常有指導性的意義。關(guān)鍵詞：FSC賽車；三維虛擬設(shè)計；氣動換擋；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國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3285641.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3199781.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4235601.3課題的目的和意義 5272241.4課題的主要工作內(nèi)容 6146542電控氣動換擋概述 8140752.1換擋系統(tǒng)的基本組成 8139872.1.1氣動換擋系統(tǒng)的組成部分 9257262.1.2氣動換擋系統(tǒng)的工作原理 10200052.1.3執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計準則 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氣動換擋系統(tǒng)機構(gòu)的建模與裝配 2147003.1CATIA軟件介紹 21126013.2氣動換擋系統(tǒng)零件建模 2212483.3氣動換擋系統(tǒng)裝配 27229483.4本章小結(jié) 2927854氣動換擋機構(gòu)的空間布置設(shè)計 30195834.1發(fā)動機的介紹 3071214.2換擋機構(gòu)設(shè)計方案一 33299014.3換擋機構(gòu)設(shè)計方案二 35191234.4離合機構(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氣動換擋系統(tǒng)的仿真設(shè)計 39213275.3本章小結(jié) 41236576結(jié)論與展望 錯誤！未定義書簽。175086.1結(jié)論 錯誤！未定義書簽。302806.2不足及展望 錯誤！未定義書簽。2065致謝 錯誤！未定義書簽。28047參考文獻 錯誤！未定義書簽。1概述1.1賽事背景中國大學生方程式汽車大賽FormulaStudentChina（簡稱“中國FSC”）是一項由普通高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校本科大學生和研究生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。此賽事被譽為“汽車工程師的搖籃”。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準手冊，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計及制造出一輛在加速、制動、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，能夠成功完成三個靜態(tài)和5個動態(tài)項目的全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。中國FSC是一項非盈利的社會公益性事業(yè)。項目的運營和發(fā)展結(jié)合優(yōu)秀普通高等院校試驗資源、整車和零部件制造商資源，獲得了政府部門和社會各界的大力支持以及品牌企業(yè)的資助。社會各界對項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生設(shè)立賽事獎金，同時賽事有著許多汽車工程師為比賽當志愿者。中國FSC一直堅持著“中國創(chuàng)造擎動未來”的遠大抱負，以中國汽車的工程教育和汽車產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，吸收及借鑒其他國家SAE（如：FSG德國賽、FSJ日本賽等）賽事的設(shè)計及制造經(jīng)驗，打造一個中國特色的未來汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導者和工程師培養(yǎng)及學術(shù)交流的活動，并將此活動發(fā)展成為一個與國際青年汽車工程師的交流平臺。中國FSC賽事致力于為汽車專業(yè)人才的培養(yǎng)和選拔提供了一個很好的交流平臺，通過賽車設(shè)計、營銷報告、制造成本與分析、直線加速、8字繞環(huán)、高速避障、耐久性測試和燃油經(jīng)濟性8項靜態(tài)和動態(tài)比賽的評比，提高學生們的設(shè)計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、協(xié)調(diào)與溝通等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)大學生的綜合素質(zhì)，為中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行長期的人才儲備，促進中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強國”的戰(zhàn)略方針邁進。東風HUAT賽車隊秉承大賽提高學生們的設(shè)計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調(diào)以及學習汽車專業(yè)知識等方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學生的綜合素質(zhì)的宗旨，廣泛吸納全校各學院的優(yōu)秀人才。通過這幾年指導老師和隊長及副隊長們對車隊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生的認可、贊同。車隊在上屆學長們的精心總結(jié)與耐心指導下，進一步加強了管理，制定了詳細的管理條例和工作制度，部門機構(gòu)更加完善，分工明確，建立了嚴格的人才選撥制度和賽車設(shè)計開發(fā)流程。車隊現(xiàn)有底盤部、車身部、項目管理部、試驗部動力總成部和技術(shù)開發(fā)部六個部門（如圖1.1）。車隊骨干全部為我校的在校本專科學生，學生設(shè)計出來零部件或系統(tǒng)，經(jīng)過多次與專業(yè)指導教師團隊一起討論、驗證，直到到方案通過，再到后續(xù)的加工、裝配，最后誕生了HUAT-4號賽車。在2012年的FSC大賽中，HUAT-2號賽車力壓群雄，榮獲了成本第一名、直線加速第二名、營銷第六名、總分排名第一名的好成績。2013年FSC大賽中，HUAT-3號車榮獲了“8字繞環(huán)”第二名、直線加速第一名、總分第五名的好成績。2014年FSJ大賽榮獲了全日本第18名、CAE分析三等獎的好成績，在FSC大賽中由于靜態(tài)成績優(yōu)異，榮獲一輛進口CBR500賽車摩托車、“直線加速”第三名、總分全國第四名的好成績。大賽到如今已經(jīng)舉辦了五屆，而東風HUAT車隊已經(jīng)參加了四屆，為了進一步提升賽車的整體性能，同時研發(fā)出賽事中的前言技術(shù)，東風HUAT車隊針對于今年的比賽對每一部門分別進行了總結(jié)分析，相比今年湖南大學車隊，他們的賽車利用計算機選擇恰當?shù)膿Q擋時機而代替了駕駛員的經(jīng)驗換擋，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。本文就是致力于對東風HUAT-4號賽車電控氣動換擋系統(tǒng)的開發(fā)，希望打造一輛高技術(shù)、高含量的小型賽車。圖1.1東風HUAT車隊組織結(jié)構(gòu)圖1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在國外，大學生方程式賽車比賽已經(jīng)舉辦了三十多年，從最初的機械零部件的拼裝、順利的完賽，到如今的智能化控制系統(tǒng)，國外大部分車隊在這方面已經(jīng)相當成熟。如德國“慕尼黑工業(yè)大學”車隊對于電控換擋技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在2011年獲得德國FSAE大賽冠軍。而國內(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)做了電動控制方面的研究，如2014年全國總冠軍湖南大學車隊設(shè)計研發(fā)出了氣動換擋系統(tǒng)，在換擋速度上明顯優(yōu)越于機械換擋，相信隨著賽事的發(fā)展，中國各大高校的賽車車隊都會加大對電控方面的研究。1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國外的賽事起源于1979年，第一屆FSAE比賽在美國的波斯頓舉行，在參賽的13只隊伍中有11只隊伍成功完賽。當時的比賽規(guī)則是設(shè)計及制作出一臺5馬力的木制賽車。SAE方程式（FormulaSAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生和研究生團隊構(gòu)思、設(shè)計與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。參賽車隊一般花費8個月左右的時間設(shè)計、制造、裝配和調(diào)試賽車。與來自全球的高等院校的賽車隊進行競技賽，該賽事給了賽車隊展示自己團隊創(chuàng)造和工程能力的平臺。如今在德國、美國、日本等國家每年都有超過100支車隊參加比賽，這項比賽已經(jīng)成為全球汽車類院校普遍重視及參與的比賽，參賽車隊隊員在設(shè)計、制造賽車以及最終的動靜態(tài)比賽中體驗到了汽車從設(shè)計、制造到總裝的諸多環(huán)節(jié)，車隊學習職業(yè)賽車隊的運營模式，這使得參賽的隊員提前接觸了汽車工業(yè)。一個國家FSAE的比賽水平往往能反映該國家汽車工業(yè)的發(fā)展水平，世界上很多著名的汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商都特別關(guān)注這項比賽，他們致力于培養(yǎng)全球汽車工業(yè)發(fā)展的新生力量，贊助或部分贊助參加比賽的學校和對參加比賽的車隊學生給予必要的技術(shù)指導，通過這種方式建立雙方良好的合作關(guān)系，以便從中篩選、吸納杰出的汽車人才，同時受贊助及技術(shù)指導的車隊如果在比賽中成績優(yōu)異，也會幫助汽車或汽車零部件廠商很好的宣傳他們的產(chǎn)品。例如奔馳汽車公司贊助的斯圖加特賽車隊，在2014年德國賽獲得電車第二名，保時捷贊助的KIT車隊在中國比賽中，雖然發(fā)動機出現(xiàn)故障，但是高速避障的成績是相當不錯的，德國賽也獲得了全國第二名。贊助商和車隊互相合作，實現(xiàn)了雙贏，都取得了不錯的成績。國外經(jīng)過這么多年的比賽，對于從機械換擋系統(tǒng)到電控換擋系統(tǒng)技術(shù)的研究已經(jīng)相當成熟，通過東風HUAT車隊連續(xù)兩年參加國外賽獲得的經(jīng)驗，可以說，國外的絕大部分車隊已經(jīng)掌握了電控氣動換擋系統(tǒng)或電控電子換擋系統(tǒng)的核心技術(shù)。例如，去年來中國參加比賽的KIT車隊，電控換擋已經(jīng)研究相當成熟，換擋和離合都集成在方向盤上。相比這些，中國FSAE比賽在技術(shù)方面跟國外還有很大的差距，尤其在高端技術(shù)方面，國內(nèi)車隊的經(jīng)驗相當欠缺。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在國內(nèi)，汽車工業(yè)發(fā)展的整體水平依然落后于國外的汽車工業(yè)強國。FSAE賽事直到2010年才被引進到國內(nèi)，第一屆有來自全國16個省市的20支賽車隊參加了這項比賽，由于比賽的開展迅速被各大汽車及汽車相關(guān)專業(yè)的院校重視，前幾屆比賽場地的上海賽車場的規(guī)模已經(jīng)不能滿足賽事的發(fā)展與擴大。經(jīng)過汽車工業(yè)協(xié)會大賽組委會與襄陽市人民政府合作投建方程式夢想賽車場，決定2012年以后大學生方程式賽車大賽在襄陽賽車場舉辦。到今年賽事已經(jīng)舉辦了第五屆，2014年報名參賽的隊伍已經(jīng)超過100支，而最后按抽選循序選擇了80支車隊參加了比賽。2012年之后，由于國家能源問題的提出，全國汽車行業(yè)在大范圍的推行電動汽車的發(fā)展，大賽組委會為了推動電動賽車的發(fā)展，電車車隊也被列入?yún)①愱犖楫斨小?012年上海比賽中，第一輛電車加入了比賽，德國斯圖加特車隊的電車在賽場上馳騁，操縱性能相當穩(wěn)定，在動態(tài)賽中刷新了中國車隊所有比賽項目成績的最高紀錄。因此，大賽組委會決定在2012年之后的比賽中，增加電動賽車比賽的項目，油電賽車均可報名參加比賽。由于國內(nèi)高等院校對于強電的研究都不夠成熟，且對大學生來說危險性太大，暫時提出了“純電動方程式大賽暫不對專科院校開放”的要求。到2014年，F(xiàn)SC賽事已經(jīng)有60多支油車、20多支電車報名參賽。國內(nèi)從2006年起就有高校開始組建FSAE車隊，例如湖南大學、廈門理工大學、上海交通大學、同濟大學從2007年到2009年就參加了4場在美國西部賽事和日本賽事，在國外曾獲得了多個單項獎及新秀獎，他們的開創(chuàng)車隊也帶動了中國FSAE賽事的發(fā)展。例如，上海交大于2006年開始組建FSAE車隊，2008年參加美國FormulaSAEWest賽事，獲得了新秀獎第三名；湖南大學于2006年開始組建FSAE車隊，2007、2008年連續(xù)兩屆參加美國FormulaSAEWest賽事，2007年榮獲新秀車隊獎，2008年榮獲最低噪音獎；廈門理工學院于2009年參加美國FormulaSAEWest賽事，名列第23名。同濟大學于2007年開始組建FSAE車隊，2009年赴日本參加FormulaSAEJapan（簡稱FSJ賽事，榮獲營銷報告獎和新秀車隊三等獎。國內(nèi)賽事的發(fā)展僅短短的五年，就有很多車隊的賽車有了突破性的進展，我校第一年比賽被別人稱為“農(nóng)民造車”的車隊，在2012年所有隊員共同努力下獲得了全國總冠軍。經(jīng)過這幾年的機械系統(tǒng)發(fā)展，大部分高校的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)基本上已經(jīng)成熟。例如，東風HUAT車隊2012年到2014年的發(fā)展，車隊底盤方面的系統(tǒng)都設(shè)計得比較成熟，輕量化設(shè)計也相當極限，而且在2014年賽車加上了空氣動力學套件，進一步提升了整車的性能，但是2014年比賽中，湖南大學換擋系統(tǒng)更改為電控氣動換擋系統(tǒng)，在“直線加速”項目中占據(jù)換擋優(yōu)勢，獲得直線加速第一名。根據(jù)FSC賽事的逐步成熟，對于中國汽車工業(yè)的發(fā)展是相當有利的，相信未來的不久，F(xiàn)SC賽事會迅速崛起，將汽車行業(yè)前言的、高端的技術(shù)應用在FSC賽車上。1.3課題的目的和意義電控氣動換擋系統(tǒng)屬于汽車自動控制技術(shù)領(lǐng)域，將繁瑣的操作系統(tǒng)換成機電一體控制，保證了換擋的輕便、快捷。本課題基于對湖北汽車工業(yè)學院大學生方程式4號賽車的技術(shù)上對氣動換擋系統(tǒng)的開發(fā)。因為賽車與乘用車相比性能方面要求相對差異比較大，從實際FSAE賽事中對賽車性能的角度出發(fā)，在同等條件下的賽車，一種用氣動換擋系統(tǒng)，另一種用機械換擋系統(tǒng)，比賽“直線加速”項目可相差0.3秒左右，在耐久比賽中差異性更是明顯。對于2014年賽車來說，機械換擋系統(tǒng)的布置比較困難。由于賽車布置形式為中置后驅(qū)，換擋拉桿會比較長，這樣對于拉桿的剛度影響很大，據(jù)去年比賽期間車手對于換擋的反饋，比賽時換擋不夠迅速，拉桿變形比較大，而且有時較難換擋。根據(jù)這一問題，也就引出了本文研究的主要方向，對于電控氣動換擋系統(tǒng)的理論研究，改變其換擋方式，徹底解決去年車手對于換擋提出的問題。賽車采用該氣動換擋系統(tǒng)，有許多優(yōu)點：縮小了駕駛艙空間。不需要在駕駛艙左手邊布置機械換擋手柄，同時也節(jié)約了機械換擋系統(tǒng)的材料成本。換擋操作輕便，執(zhí)行迅速。氣動換擋系統(tǒng)的操作是方向盤下面的撥片，通過撥動撥片提供電信號給ECU，ECU通過獲得的電信號做出執(zhí)行操作，即換擋。在這個過程中，時間非常迅速，這對于賽車比賽的過程中是相當有優(yōu)勢的。壓縮空氣容易獲得。在賽車上裝有小型氣瓶，通過外部高壓氣筒給氣瓶打氣，來源很方便，也節(jié)約了成本。系統(tǒng)質(zhì)量輕，而且壽命長。相比機械換擋，氣動換擋操作及壽命更加長久，而且輕量化方面相比機械換擋要優(yōu)越。換擋系統(tǒng)穩(wěn)定。去年賽車的換擋桿比較軟，由于換擋桿較細，傳力較長，桿的撓度比較大，有時候會導致?lián)Q擋失效，使得機械換擋不夠穩(wěn)定。而氣動換擋不會出現(xiàn)這個問題。1.4課題的主要工作內(nèi)容根據(jù)2014年比賽成績及跟湖南大學賽車隊的差距，氣動換擋系統(tǒng)對于“直線加速”項目可以減少0.5秒左右的時間，在“高速避障”項目和“耐久性測試”都有極大的優(yōu)勢，同時氣動換擋相對于電子換擋系統(tǒng)來說程序設(shè)計也相對簡單些，在輕量化上比機械換擋也要優(yōu)越一些?；谶@個要求，我們決定今年開始開發(fā)HUAT-4號賽車的氣動換擋系統(tǒng)。本文主要是從執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計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方面：研究氣動換擋的組成；研究氣動換擋的工作原理；確定氣動換擋系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計準則；確定氣動換擋主要元件的選型；設(shè)計氣動換擋系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)及布置形式；設(shè)計離合操縱機構(gòu)及布置形式；氣動換擋系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真；研究系統(tǒng)裝配及調(diào)試的事項；

2電控氣動換擋概述電控氣動換擋系統(tǒng)在商用車上使用得較為普遍，但是乘用車用到的很少。由于氣動換擋對于布置緊湊的乘用車來說比較安裝比較困難，而且乘用車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，直接使用機械換擋更為方便，但由于駕駛員對于乘用車駕駛要求不斷的提高，現(xiàn)在乘用車基本上使用的是線控換擋。但是商用車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，選擇線控換擋的成本又比較高而且對于技術(shù)的要求比較高，而氣動換擋系統(tǒng)對于商用車來說是最好的選擇。東風HUAT-4號賽車的布置形式為中置后驅(qū)，對于機械換擋的拉桿會比較長，而且換擋執(zhí)行機構(gòu)的布置也比較困難，電控氣動換擋系統(tǒng)對于許多車隊來說是一個比較好的選擇，成本較低也解決了換擋系統(tǒng)布置困難的問題，但是對于車隊技術(shù)人員來說是一個大的挑戰(zhàn)。2.1換擋系統(tǒng)的基本組成電控氣動換擋系統(tǒng)是以導線中的電信號為傳遞手段、以壓縮的空氣為動力源的電控氣動系統(tǒng)，東風HUAT-4號賽車的變速箱采用齒輪換擋，由于發(fā)動機為賽車摩托車發(fā)動機，換擋只有加檔和減檔兩種執(zhí)行狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了用一根導線代替了變速器與換擋操縱桿之間的機械連接,從而滿足了賽車的布置緊湊的同時也提高了換擋的快捷穩(wěn)定，這種安裝方式不僅簡化了機械換擋系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計,同時也節(jié)省了駕駛艙的駕駛空間，可以更加容易的通過車架駕駛艙規(guī)則的檢查。對于一般客車或者轎車，換擋系統(tǒng)分為選檔和換擋兩個部分，一個負責選擇檔位，另外一個負責加檔和減檔操作。而對于大學生方程式賽車來說，規(guī)則要求發(fā)動機排量不能草果610cc，所以幾乎所有學校選擇的發(fā)動機都是大排量摩托車發(fā)動機，其變速箱與發(fā)動機是一體，而且比轎車和客車的操作都簡單，例如本田CBR600RR發(fā)動機，換擋操作為：向前是升檔，向后是降檔，沒有復雜的選檔過程。2.1.1氣動換擋系統(tǒng)的組成部分電控氣動換擋主要由以下幾個模塊組成：氣源。氣源是氣動換擋系統(tǒng)的動力源泉，對于大學生方程式賽車來說，氣源的多少決定了賽車換擋的次數(shù)。就賽事的賽車而言，氣源有兩種方案可以選擇：方案一是通過在賽車上增加一個小的高壓氣泵，可以源源不斷的提供高壓氣體；方案二就是在賽車上放置一個較大點的高壓氣瓶，每次通過高壓氣筒打氣，可以維持一部分時間的換擋，需要重復給氣瓶打氣。東風HUAT-4號賽車采用高壓氣瓶的方案，對于第一種方案，高壓氣泵需要外接電源，而HUAT-4號賽車在發(fā)動機點火系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等都需要用到外接電源，外接高壓氣泵對賽車來說壓力比較大，賽車的穩(wěn)定性會明顯下降。其次，賽車接入氣泵以后，對于高壓氣體的儲存及恒壓監(jiān)控方面也比較困難。所以東風HUAT-4號賽車采用的跟其他車隊一樣，選擇用高壓氣瓶來作為氣源驅(qū)動，高壓氣瓶通過高壓氣筒打入高壓氣體，對于每個比賽項目來說，換擋次數(shù)足夠?？刂圃姶砰y、ECU。電子控制單元，即ECU是收集信號及發(fā)出換擋命令信號的控制中樞。東風HUAT-4號賽車采用撥片操作，在撥動撥片或者按鈕后，傳感器發(fā)出脈沖信號到ECU，CEU根據(jù)傳感器信號、賽車車速以及賽車檔位綜合分析，確定賽車是否需要增加檔位或者降低檔位，如果可以執(zhí)行，ECU將信號發(fā)給電磁閥，電磁閥通過控制閥門的“開—關(guān)”控制換擋氣缸的執(zhí)行，實現(xiàn)換擋操作，在換擋以后，ECU接收反饋信號，并判斷換擋是否成功，同時對數(shù)碼管進行實時的檔位顯示。HUAT-4號賽車選擇的電磁閥為臺灣亞德客氣動器生產(chǎn)及供貨公司銷售的兩位五通電磁閥。執(zhí)行單元—換擋氣缸。換擋氣缸是氣動換擋的執(zhí)行元件，在電磁閥接收信號后打開閥門，高壓管道被導通，高壓氣體直接作用于氣缸內(nèi)的活塞，推動活塞做功，從而推動換擋桿換擋。東風HUAT-4號賽車選擇的氣缸為臺灣亞德客氣動器生產(chǎn)及供貨公司銷售的雙作用氣缸，該氣缸向右推動活塞為增加檔位，向左推動活塞為降低檔位，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賽車一般為高壓空氣，由高壓氣動打入）壓強穩(wěn)定在一個恒定的值，以便于氣缸能順利的工作。若沒有恒壓閥，氣瓶在開始時氣壓比較高，作用于氣缸和執(zhí)行操作時，容易因推力太大以至于部分零部件變形甚至損壞，使得賽車在賽場上有出現(xiàn)危險的可能性。同時無恒壓閥的氣瓶對氣體流失也比較快，不利于高壓氣體的儲存。2.1.2氣動換擋系統(tǒng)的工作原理該賽車氣動換擋系統(tǒng)的控制框圖如圖2.2所示。根據(jù)框圖可知，車手想要執(zhí)行換擋操作時，首先要拉動離合桿使得離合器處于完全分離的狀態(tài)，離合器傳感器會將產(chǎn)生的離合信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送到賽車的ECU主控制單元，此時ECU還會收到來自方向盤下方的撥片傳感器發(fā)出的換擋信號。這些信號最終由主控制單元ECU處理、分析，最后判斷賽車是否可以換擋。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入氣缸中推動氣缸活塞的移動，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)動機的換擋操作桿。當高壓氣體推動活塞做功時，推力可以直接傳遞到發(fā)動機的換擋操作桿上，即可完成換擋操作。完成換擋的過程中,主控單元ECU會隨時接收來自換擋氣缸及車速的反饋信號,這些信號用于反饋氣缸活塞的相對位置以及換擋操作是否完成,主控單元ECU將通過這些信號判斷氣動換擋系統(tǒng)是否正常運行。換擋結(jié)束后,主控單元ECU會控制二位五通電磁閥及時關(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現(xiàn)“推—拉”兩個狀態(tài)，從而很方便的實現(xiàn)了換擋的加檔和減檔操作。同時，違反換擋操作不予執(zhí)行，保護變速箱及駕駛員的安全。例如，賽車已經(jīng)降到1檔或已經(jīng)加檔到6檔，再去降檔或者升檔，氣動換擋系統(tǒng)的氣動控制單元ECU將不對此操作。車手車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氣動換擋系統(tǒng)控制框圖2.1.3執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計準則將機構(gòu)的整個工藝過程所需的動作或功能分解成一系列基本動作和功能，并確定完成這些動作或功能所需的執(zhí)行構(gòu)件數(shù)目和各執(zhí)行構(gòu)件的運動規(guī)律后，即可根據(jù)功能的要求，選擇或設(shè)計合適的機構(gòu)來實現(xiàn)這些動作。執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響到機構(gòu)的工作質(zhì)、使用效果和結(jié)構(gòu)的策簡程度。它是機械系統(tǒng)方案設(shè)計中極其重要的一環(huán)，也是一項極具創(chuàng)造性的工作。在進行執(zhí)行機構(gòu)型式設(shè)計時，要遵循一定的準則：滿足執(zhí)行構(gòu)件所需的工藝動作和運動要求，折運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡方面的要求，是執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計時首先要考慮的最基本因素。同時，在機構(gòu)滿足的運動規(guī)律或運動軌跡方面的條件后，應選擇其中最優(yōu)化的運動規(guī)律或運動軌跡來作為執(zhí)行機構(gòu)的運動規(guī)律。盡最簡化和縮短運動鏈，選擇較簡單的機構(gòu)。機構(gòu)設(shè)計應盡量采用構(gòu)件數(shù)和運動副最少的機構(gòu)。這樣可以降低制造的費用，減輕機械重量；有利于減少運動副摩擦帶來的功率損耗，提高機械效率，有利于減小運動鏈的累計誤差，從而可提高傳動精度和工作可靠性，有利于提高機械系統(tǒng)的剛性。所以在進行執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，有時寧可采用具有較小設(shè)計誤差但結(jié)構(gòu)簡單的近似機構(gòu)，而不采用理論。選用較為合適的運動副的形式。運動副在機構(gòu)傳遞過程中起到了重要的作用，它直接影響了該機構(gòu)的傳遞形式、傳遞效率以及使用壽命等。一般來說，轉(zhuǎn)動副容易設(shè)計和制造，容易保證零部件運動副之間的配合精度，且效率很高。與轉(zhuǎn)動副相比，移動副配合精度條件很難達到，效率低且易發(fā)生變形或跳動，因此，它一般只于作的直線移動的場合。盡量減小機構(gòu)的尺寸。在一般工作要求的前提下，應追求機械結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕、無運動死角等條件。例如，東風HUAT-4號賽車的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，應該注重輕量化這項重要指標，那對于執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計，不僅僅是選擇強度高、質(zhì)量輕的材料，還要有緊湊，而且執(zhí)行機構(gòu)運動合理，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。選擇合適的動力源。在進行執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應充分考慮工作要求、生產(chǎn)條件和動力源情況。選擇合適的動力源，有利于簡化機構(gòu)和改善機械性能。當有氣、液源時，常采用液壓和氣動機構(gòu)。這樣既可以簡化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，省去許多電動機、傳動機構(gòu)或轉(zhuǎn)換運動的機構(gòu)，又有利于操作、調(diào)節(jié)速度和減振。對于東風HUAT-4號賽車，執(zhí)行機構(gòu)的動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于氣動換擋系統(tǒng)的零部件來說，在滿足執(zhí)行命令的操作同時，也需要零部件有較高的壽命、質(zhì)量要輕等特點?，F(xiàn)在市場上對于氣動執(zhí)行機構(gòu)的種類特別多，而且在國內(nèi)商用車和客車這塊兒對該技術(shù)的應用已經(jīng)比較成熟，商用車上氣瓶的布置也比較方便，而且商用車發(fā)動機動力足，可以增加一個氣泵，就可以對氣動換擋系統(tǒng)的高壓氣瓶自充氣；還有一塊兒慢慢興起的就是中國大學生方程式賽車和專業(yè)F1賽車，對于賽車來說，動力性和操作方便性非常重要，這決定了競技比賽最終的成績，所以在換擋這塊兒幾乎都在向電控氣動換擋方向發(fā)展。例如，2014年中國大學生方程式賽車大賽中，就有6所高校使用氣動換擋而代替機械換擋，湖大使用氣動換擋在“直線加速”項目中獲得第一名。2.2.1高壓氣瓶選型氣源作為整個氣動換擋系統(tǒng)的動力裝置，完全決定了賽車換擋的次數(shù)。根據(jù)理想氣體的本構(gòu)方程P*V=N*R*T，氣源儲存氣體的容量在體積一定的情況下壓力越高儲存的越多，因此高壓氣瓶是一個不錯的選擇。接下來我們可以計算氣罐的容積，以市場上比較常見的高壓氣罐為例，其最高耐壓一般為30MPa，即300bar的壓力，而實際使用的高壓氣瓶最高耐壓一般不低于20MPa，因此以下計算取最低的耐壓值20MPa為初始氣瓶壓力。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），因此氣管的直徑應該在滿足電磁閥實際通徑的前提下盡量短而細。以250mm長，內(nèi)徑6mm的氣管計算:Z2=5mm2·π/4·250mm·10·101000Pa=4.96J其中Z2為氣管的耗氣量。Z2相對于Z1并不是可以忽略的數(shù)值，因此這是極容易產(chǎn)生錯誤的。另外上式中的10是一個理想值，實際應該是介于9與10之間的一個常數(shù)，因為在電磁閥換向之前氣管里本身已經(jīng)有1bar的氣體，其壓強的變化量為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程中一些其他情況，最終在計算的時候選取了常數(shù)為10。定義Z=Z1+Z2=15.67J為換擋常數(shù)。已知氣瓶壓力P為20MPa，體積L,假設(shè)換擋1000次。計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，要保證能換擋1000次至少要0.7835升的氣瓶，且起始壓力應為21MPa（也要考慮到高壓氣瓶內(nèi)的氣體在低于1MPa時，實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）。其中還要考慮整個系統(tǒng)的氣密性，時間越長其氣密性就會逐漸下降，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)實際情況看是否需要氣動離合或者還是機械式離合）。但是具體的計算方法與上文基本一致，無外乎改變換擋常數(shù)。東風HUAT-4號賽車最初選擇用耐壓強度為25-30MPa的鋁瓶，如圖4所示。但是在使用時發(fā)現(xiàn)，裝滿高壓空氣后的氣瓶重量在1kg以上，這樣對于賽車的負重又增加了，最后綜合決定選擇耐壓強度同等的碳纖維氣瓶，在質(zhì)量上能減輕一半，這個對于賽車輕量化和燃油經(jīng)濟性都是比較優(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換擋系統(tǒng)必要的執(zhí)行元件，最重要的問題是氣缸的選擇。氣缸的工作力的大小來源于兩個參數(shù)，一個是缸徑一個是工作壓力。因為對于賽車來講，小型氣缸的優(yōu)勢非常明顯，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。市場上常見的氣動執(zhí)行機構(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驗測試的實際耐壓值往往能達到15bar）。采集變速箱檔桿和離合器推桿的實際工作力矩和力。離合器推桿力約為35KG（350N），發(fā)動機的換擋扭矩T約為15N·m，換擋桿的擺臂長度L為50mm,換擋桿的換擋角度大約在3~5°之間（此數(shù)據(jù)為簡易的測量計采集得到的粗略數(shù)據(jù)，若需要比較精確的數(shù)據(jù)，應根據(jù)不同發(fā)動機及實際狀況重新對數(shù)據(jù)進行精細采集）。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為換擋桿的擺臂長度；T為發(fā)動機的換擋扭矩；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。也就是說單向行程為25mm。參考國內(nèi)其他車隊對于換擋氣缸品牌的參考，最后選擇購買臺灣一家氣動零部件生產(chǎn)公司亞德客公司，型號為：MAL20x50,換擋氣缸實物如下圖2.4所示。不建議使用扭轉(zhuǎn)氣缸，因為扭轉(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換擋系統(tǒng)的控制部分。一般市場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。本賽車采用三位五通的電磁閥，與雙作用氣動執(zhí)行機構(gòu)（換擋氣缸）或者兩個單作用氣動執(zhí)行機構(gòu)配套使用。東風HUAT-4號賽車選擇的氣缸為雙作用氣缸，電磁閥選擇購買臺灣一家氣動零部件生產(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。型號為：4V130E-06。三位是指有三種中央功能的選擇，五通是指五個通道氣孔，其中一個與氣源相連接，兩個通道分別與雙作用氣缸的兩個進氣端口相連（加檔操作和減檔操作）或者兩個單作用氣缸的兩個進氣口，另外兩個孔分別是兩個排氣口，用來安裝兩個消音器。該電磁閥的工作原理圖如下圖2.7所示，P為進氣口，A（B）為進氣口，R(S)為排氣口，A、B兩個口連接氣缸，R、S兩個口連接消音器。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。換擋時間分為兩部分，一部分稱之為是響應時間，包括車手決定換擋，按下?lián)Q擋撥片或按鈕，脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞至控制單元ECU，控制單元ECU輸出信號控制電磁閥，電磁閥響應后勵磁并接通氣路，整個氣路氣壓的上升。第二部分稱之為動作時間，是實際氣缸推動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回到原始位置）。這兩部分有一個明顯的分界線，那就是發(fā)動機的輸出動力是否被切斷。第一部分預備時間，如果很長，那么車手會認為這輛賽車給他的感覺是它的反應不是那么迅速，有比較明顯滯后的感覺。這對于一個優(yōu)秀的車手發(fā)揮他的駕駛技術(shù)是十分不利的，例如，車手本來已經(jīng)準備好降檔提速，但是由于賽車明顯的換擋滯后，錯過了車手認為的最好時機。第二部分動作時間過程中，發(fā)動機的輸出動力被暫時切斷，其時間的長短給車手的感覺就是時強時弱的頓挫感。優(yōu)秀的換擋機構(gòu)應該保證換擋時間足夠短，讓車手感受到的沖擊盡量的小。這主要不是為了考慮賽車的舒適性，而是為了保證賽車動力的持續(xù)輸出。從縮短響應時間的角度來看，運用更好的電控單元ECU，如高主頻的單片機，或者直接使用行車電腦等等都是不錯的選擇。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題(應該盡量使用電壓與蓄電池電壓相同的電磁閥，以避免此類問題，但是由于庫存以及供貨期問題有時與蓄電池電壓不同的繼電器的使用在所難免)。繼電器應該選用響應快的。市售繼電器響應時間由0.5ms~20ms不等，雖然20ms本身并不多，但是相對于整個系統(tǒng)都是毫秒級的情況來講其影響還是不小的。另外電磁閥分為先導式以及直通式電磁閥，直通式往往比先導式反應時間要短。電磁閥通電后需要時間來勵磁并且切換氣路，這里的時間一般在5ms~75ms之間，最好能選擇5ms這個量級的電磁閥縮短響應時間。再來分析一下動作時間。這個部分主要是換擋桿的轉(zhuǎn)動以及回位的時間。一個比較容易忽略的問題就是電磁閥的實際通徑。一般在購買電磁閥的時候廠家會給予許多數(shù)據(jù)信息，其中有其實際通徑。也就是電磁閥全開時氣路的最大直徑。無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響應時間以及動作時間，是氣動換擋系統(tǒng)中的重點。另外選用缸徑稍大的氣動執(zhí)行機構(gòu)會占些便宜。但是也要考慮到增重、難布置以及隨之而來的耗氣量的升高。換擋桿推到換擋位之后，其回位可以通過自身的回位彈簧來完成，但是為讓其更快的回到原位恢復賽車動力，在程序設(shè)計時也可以給活塞一個回位推力。2.3本章小結(jié)本章著重研究了氣動換擋系統(tǒng)幾個主要氣動元件的選型，根據(jù)FSAE賽事對車隊所要達到的競技要求和輕量化要求，合理化選擇賽車氣動換擋系統(tǒng)幾個元件的參數(shù)，根據(jù)粗略測得本田CBR600RR發(fā)動機的基本換擋力矩和離合拉線拉力等參數(shù)，通過簡單的計算得出換擋氣缸缸徑的選擇，同時也對電控單元ECU的換擋操作時間做了較為仔細的分析，從而決定出最終東風HUAT-4號賽車氣動換擋系統(tǒng)的零部件購買方案。表2.1氣動換擋系統(tǒng)零部件購買方案氣動元件型號選型理由采購的公司高壓氣瓶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，實現(xiàn)輕量化；0.5L氣瓶大約換擋400次，對于項目比賽足夠。天海工業(yè)有限公司換擋氣缸迷你型鋁合金氣缸MAL25x50-U通過測試可知換擋力矩約15N·m,根據(jù)計算可得，氣缸缸徑大于5mm即可；換擋有加減檔，選擇雙作用氣缸在機構(gòu)布置上簡單方便。臺灣亞德客公司換擋電磁閥4V130E-06采用三位五通的電磁閥，與雙作用氣動執(zhí)行機構(gòu)（換擋氣缸）配合使用；臺灣亞德客公司消音器BSL01減小或消除在換擋電磁閥打開時高壓氣體沖擊發(fā)出的噪音。臺灣亞德客公司恒壓閥SDR100M51保證氣瓶出來的高壓氣體的壓強保持恒定，避免造成換擋氣缸的損壞。臺灣亞德客公司

3氣動換擋系統(tǒng)機構(gòu)的建模與裝配3.1CATIA軟件介紹CATIA是法國DassaultSystem公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子\電器、消費品行業(yè)，它的集成解決方案幾乎覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(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)，但其強大的功能以得到各行業(yè)的認可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事實上的標準。CATIA軟件的著名用戶包括波音飛機公司、克萊斯勒汽車公司、寶馬汽車公司、奔馳汽車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PDG模塊、裝配設(shè)計ASD模塊、創(chuàng)成式外形設(shè)計GSD模塊、自由曲面設(shè)計FSS模塊、DMU運動機構(gòu)KIN模塊等。下面詳細的介紹這幾個模塊。零件設(shè)計PDG模塊。該模塊提供了三維機械零件設(shè)計的強大的設(shè)計工具。應用“智能實體”設(shè)計思想，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算等方法，允許工程師結(jié)合多種設(shè)計方法：可以在設(shè)計中或完成以后出現(xiàn)不合理的數(shù)據(jù)，可隨時進行參數(shù)化數(shù)據(jù)修改；可以在裝配設(shè)計環(huán)境下進行草圖設(shè)計和零件設(shè)計；該軟件支持零件的多實體操作，可以輕易的修改、管理零件，例如，進行產(chǎn)品設(shè)計的后期修改操作。同時，該模塊的模型樹層次分明，設(shè)計人員可以對整個模型樹進行管理操作，以加快設(shè)計更改。裝配設(shè)計ASD模塊。在該模塊中，設(shè)計師們采用自頂向下（Top-down）或自底向上（Bottom-up）的設(shè)計方法管理大型父子關(guān)系的裝配結(jié)構(gòu)，可真正意義上的實現(xiàn)零件裝配設(shè)計的并行工程。通過使用移動工具或羅盤工具，設(shè)計人員就能將零件拖動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，可以檢測裝配系統(tǒng)是否裝配完成，還能檢測裝配間隙及干涉性問題；通過重復命令，可以使相同的零件重復應用，無需再次導入。ASD提供的這些高效的工作方式，使得裝配設(shè)計者可以大幅減少設(shè)計時間和提高設(shè)計質(zhì)量。創(chuàng)成式外形設(shè)計GSD模塊。可根據(jù)基礎(chǔ)線框與多個曲面特征組合，設(shè)計復雜的滿足要求的車身曲面。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、線、面等。它基于特征的設(shè)計方法，提供了高效、直觀的設(shè)計環(huán)境，包括的智能化工具和定律（law）功能，允許用戶對設(shè)計方法和技術(shù)規(guī)范進行捕捉并二次應用。自由曲面設(shè)計FSS模塊。該模塊提供了大量的點、線、面創(chuàng)建及修改工具。設(shè)計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工具、可以實時檢查曲線曲面的質(zhì)量。同時系統(tǒng)提供了一個可以自由匹配的模塊，支持NURBS和Bezier曲線的繪制，因此設(shè)計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去二維工程圖到三維零件建模的設(shè)計效率。DMU運動機構(gòu)KIN模塊。通過在命令中直接給零件直接施加運動副或者通過裝配約束轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的運動副，對DMU電子樣機進行機構(gòu)運動的定義。通過機構(gòu)運動的干涉性檢查以及校核零件運動的過程中最小間隙來進行機構(gòu)的運動分析。KIN模塊可以生成運動軌跡，得出運動不確定性的軌跡曲線，也可以在運動中檢測最小距離是否滿足設(shè)計要求。該模塊能夠滿足從汽車產(chǎn)品設(shè)計到汽車系統(tǒng)功能評估的各類工程設(shè)計人員的需要。3.2氣動換擋系統(tǒng)零件建模通過對CATIA軟件零件設(shè)計模塊、裝配設(shè)計模塊、創(chuàng)成式設(shè)計模塊及曲面設(shè)計模塊的學習，基本熟練地掌握了軟件的基本操作方法。通過對軟件多個模塊進行混合設(shè)計，更加精確的完成了氣動換擋系統(tǒng)的零件測繪建模。用CATIA軟件繪制氣缸支架零件的過程如下：新建一個part模型，并命名為zhijia。如圖3.1所示。圖3.1創(chuàng)建零件點擊圖標，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，點擊拉伸命令，設(shè)置拉伸長度為10mm，勾選鏡像拉伸。如圖3.2所示。圖3.3凸臺創(chuàng)建點擊凹槽命令，繪制方形輪廓，約束尺寸，在凹槽命令中設(shè)計長度為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)計長度為30mm，勾選鏡像范圍，如圖3.5所示。這樣就完成了簡單支架的建模。圖3.5創(chuàng)建孔氣動換擋系統(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球銷建模圖3.19換擋頭建模3.3氣動換擋系統(tǒng)裝配在CATIA軟件中的裝配設(shè)計ASD模塊，通過導入之前繪制的實體零件，采用down-top的設(shè)計思想，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。接下來詳細說明換擋氣缸的裝配設(shè)計過程：新建一個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氣缸的零件導入見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（測繪獲得），將螺母1一個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)行機構(gòu)零件裝配圖3.25氣動換擋系統(tǒng)總裝配3.4本章小結(jié)零件建模采用了零件設(shè)計、創(chuàng)成式設(shè)計和自由曲面設(shè)計三個模塊，例如，電磁閥、換擋氣缸的建模都是用零件模塊，氣管的建模運用了創(chuàng)成式和自由曲面模塊。而且建模的方式采用測繪實體零件，然后根據(jù)尺寸建模，雖然在測量中存在很小的誤差，但是對于總裝來說，影響不大，可以忽略。裝配設(shè)計思想采用down-top思想，將建模好的零件在裝配設(shè)計模塊中進行裝配，根據(jù)靜態(tài)時的狀態(tài)進行裝配，距離可以測繪出來，最終得到3.25圖所示。

4氣動換擋機構(gòu)的空間布置設(shè)計4.1發(fā)動機的介紹汽車發(fā)動機是為汽車提供動力的發(fā)動機，是汽車的心臟，影響汽車的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。根據(jù)動力來源不同，汽車發(fā)動機可分為柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、電動汽車電動機以及混合動力等[1]。常見的汽油機和柴油機都屬于往復活塞式內(nèi)燃機，是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為活塞運動的機械能并對外輸出動力。汽油機轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油機好。發(fā)動機是一輛汽車的心臟，對于FSAE賽事來說，為了追求速度的競爭，發(fā)動機是不可或缺的關(guān)鍵動力部件。發(fā)動機選擇的好壞直接決定了動態(tài)賽的成績排名。接下來就2014年中國大學生方程式賽車大賽中參加的車隊來說，用四缸機的車隊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)動機。現(xiàn)在對比賽用的較多的四款發(fā)動機做一個對比，如表1所示。表4.1FSAE賽事發(fā)動機比較型式本田CBR600RR雅馬哈YZF-R6鈴木GXS-R600川崎ZX-R6發(fā)動機類型直列四缸四沖程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。壓縮比相對較低，對油品的要求相對較低，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)速扭矩輸出相對較弱。變速箱齒比比較稀疏，與發(fā)動機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)濟性。變速箱赤壁比較均衡。發(fā)動機壓縮比比較高，限流之后也能保證發(fā)動機有較高的扭矩輸出。但每年ZX-R6發(fā)動機的輸出特性都有所不同。四款發(fā)動機的優(yōu)點：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，本田CBR600RR發(fā)動機在中國市場占有率比較高，相對來說，在國內(nèi)比較容易買到，這也是部分學校選取該款發(fā)動機的原因。雅馬哈YZF-R6：雅馬哈YZF-R6發(fā)動機最大的特點無疑就是它驚人的轉(zhuǎn)速和功率。對于2008款以后的雅馬哈YZF-R6發(fā)動機，壓縮比都達到了13:1，更重要的是該發(fā)動機還更換了鈦合金氣門，降低了氣門運動的往復慣性力，有利于發(fā)動機的響應特性的提高。鈴木GXS-R600：鈴木GXS-R600的雙渦流燃燒室是一個頗為新奇的設(shè)計，這種設(shè)計對于對該發(fā)動機具有較大的峰值扭矩是功不可沒的，同時提高了燃油經(jīng)濟性。而且齒輪比介于本田CBR600RR和雅馬哈YZF-R6之間，這也是許多學校選取該發(fā)動機的理由。川崎ZX-R6：這款發(fā)動機具有較高的壓縮比，即使在大賽規(guī)則要求規(guī)定的安裝20mm的進氣限流閥的情況下，川崎ZX-R6發(fā)動機仍然具有較高的扭矩輸出，每臺發(fā)動機在標定后獲得其特性曲線，對于許多車隊來說也是一種很好的選擇。四款發(fā)動機的缺點：本田CBR600RR：本田CBR600RR發(fā)動機在這四款發(fā)動機中壓縮比是較低的，這將少許的降低對油品質(zhì)量的需求。但是在另一方面加劇了限流閥帶來的負面影響，越是充氣效率低的情況下，發(fā)動機扭矩降低得越快。這對于車隊設(shè)計進氣系統(tǒng)的人員來說是一個相當大的挑戰(zhàn)，而且進氣系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響了動態(tài)比賽的成績。雅馬哈YZF-R6：雅馬哈YZF-R6發(fā)動機在小的方面有些瑕疵，這也可能是造成該發(fā)動機在中低轉(zhuǎn)速區(qū)域下的扭矩不怎么理想的現(xiàn)象。同時雅馬哈YZF-R6發(fā)動機的變速箱齒輪比較稀疏，這對于FSAE賽事中的“高速避障”項目和“耐久性測試”項目是相當不利的。同時，雅馬哈YZF-R6發(fā)動機在國內(nèi)市場占有比例很小，幾乎在國內(nèi)市場購買不到，但是在國外市場占有率相當高，若學校車隊有充足的資金，可以考慮購買此款發(fā)動機。鈴木GXS-R600：鈴木GXS-R600發(fā)動機的峰值扭矩相當高，但是該發(fā)動機扭矩特性卻沒有什么改善，這使得中低轉(zhuǎn)速下的扭矩特性沒有太大的發(fā)揮，需要安裝廢氣渦輪增壓系統(tǒng)才能提高其性能。同時，鈴木GXS-R600發(fā)動機在中國市場的占有率也是很少，幾乎購買不到。川崎ZX-R6：川崎ZX-R6發(fā)動機每款發(fā)動機的輸出特性都不一樣，對于購買回來后的發(fā)動機，標定測試都是相當困難的，也不利于對一款發(fā)動機研究得比較深入來提高其性能。同時，川崎ZX-R6發(fā)動機在中國市場的占有率也是很少，幾乎購買不到。對比分析這幾款發(fā)動機，東風HUAT-4號賽車最后選擇了購買本田CBR600RR發(fā)動機。其原因有兩點：第一，本田CBR600RR發(fā)動機在國內(nèi)市場占有率比較大，從購買渠道來說，相比其他幾款發(fā)動機較容易購買。第二，本田CBR600RR發(fā)動機在中低轉(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），賽車除了在“直線加速”項目上需要高轉(zhuǎn)速下的高扭矩，在“8字繞環(huán)”、“高速避障”、“耐久性測試”項目比賽中，賽車大部分情況都只是在使用2檔和3檔，跑完整個項目賽車幾乎都是在用中低轉(zhuǎn)速比賽，根據(jù)這個特點，我們最后決定了購買本田CBR600RR這款發(fā)動機。而且本田CBR600RR發(fā)動機換擋順序為：1—N—2——3—4—5—6。為了簡化氣動換擋系統(tǒng)，我們選擇氣動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，在賽車推動的時候，我們可以將手動拉線離合拉起來推動賽車行走。4.2換擋機構(gòu)設(shè)計方案一換擋機構(gòu)的設(shè)計時依據(jù)東風HUAT-4號賽車車架及發(fā)動機模型為依據(jù)，再根據(jù)換擋執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計準則，在CATIA軟件中虛擬設(shè)計及裝配，發(fā)動機上的換擋桿外接一個伸長支架，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，將動力傳遞給換擋桿。整個氣動結(jié)構(gòu)是可以活動的，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固定托盤支架，下這樣可以防止繼電器在車架上發(fā)生旋轉(zhuǎn)移動，同時可以防止車架的振動損壞繼電器。在規(guī)則中對于氣動換擋系統(tǒng)沒有要求，所以氣動換擋氣瓶可以固定在車架主環(huán)斜撐上，用卡套固定即可。對于賽車尾艙布置，越緊湊越好，而且氣動傳遞力的路徑越短效率越高，機構(gòu)設(shè)計越簡單?；谶@個思想，將換擋氣缸一端的支架固定在車架固定發(fā)動機的吊耳上，整個布置不僅節(jié)省空間，而且整個傳遞執(zhí)行力只需一個傳遞支架即可，這種設(shè)計方式滿足設(shè)計要求，同時能達到輕量化的要求。圖3.1氣動換擋系統(tǒng)裝配圖但是該設(shè)計也有一定的缺點，對于單純的氣動換擋系統(tǒng)的操作沒有問題，但是對整個賽車而言，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)動機散熱水路經(jīng)過的地方，若更改水路的布置，其困難更大，也增加了發(fā)動機組學生的壓力；其二，換擋氣缸距離發(fā)動機很近，在賽車耐久賽過程中，一輛賽車需在賽道上駕駛22公里，而且發(fā)動機中置散熱效果本來就比較差，在比賽期間發(fā)動機溫度會超過100攝氏度，這樣一來，發(fā)動機對換擋氣缸會進行加熱，這降低換擋氣缸的使用壽命，而且容易導致?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，也給車手的安全帶來一定的隱患。圖3.2氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)方案一a圖3.3氣動換擋執(zhí)行機構(gòu)方案一b4.3換擋機構(gòu)設(shè)計方案二方案二相比方案一有所改進，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)并沒有太大的變化，但是從換擋系統(tǒng)的布置來說，方案二解決了方案一存在的很大的缺點，