电动换挡在FSC赛车上的应用设计与实现*

王昌硕 郝亮 马建强 梁广振 高祥 皓倪权（辽宁工业大学）

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动及操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。在传统的FSC赛车制作过程中，一般采用手动离合和换挡杆，这样的换挡系统在比赛过程中容易反应慢，使赛车手驾驶疲劳。因此，在传统换挡机械装置基础上，采用电子控制进行换挡，提高换挡的反应速度，在FSC赛事中体现出换挡的智能性，故研究电动换挡有着必然的趋势和必然性。

1 系统总体设计

设计开发FSC赛车上的电动换挡系统，使用开关作为输入信号发生源，开关作为系统前端采集设备，将采集到的信号输入到微处理器中，使用PWM（脉宽调制）算法，对采集到的信号进行运算处理，根据输出运算结果（扭矩）控制大功率直流电机带动拉杆机构等机械装置完成自动换挡，实现FSC赛车的电动智能换挡。硬件包括单片机最小系统模块、电源模块及直流电机驱动模块[1]等电路。

本系统采用51单片机作为控制器，实时获取方向盘上按钮的开关信号，控制电机换挡，其系统电路总体架构，如图1所示。电源模块采用将12 V车载直流电源转换为5 V的电源供电。直流电机驱动模块采用H桥全桥整流电路能够实现正反转的目的。软件部分用C语言编程，在keil软件上进行操作和程序校核，系统原理图，如图2所示。

1.1 系统硬件设计

利用Altiumdesigner软件画出电路结构框架图，绘制电路板。采用51单片机、+5 V电源供电。51单片机作为处理器，有成本低、体积小、质量轻、抗干扰能力强及运行稳定等优点[2]。

电源模块将12 V车载直流电源转换为5 V的电源供控制器使用，采用防干扰设计，是系统稳定运行的设计基础，如图3所示。

电机驱动采用H桥驱动电路，可以很方便实现直流电机的四象限运行，达到正装和反转的目的，如图4所示。

换挡机构的推杆结构[3]是利用CATIA三维设计出来的，导入CAXA中做出二维图。为了保证换挡强度，采用两端是球头结构，中间用中空螺纹杆连接作为推杆。电机输出轴通过键连接与旋转杆相连[4]，将电机的转矩输出，连到推杆，再连接发动机本身的换挡结构，从而将电机的输出转矩成为了代替传统换挡结构中人的臂力，实现了电机换挡。节省了驾驶员的体力，减少赛车驾驶员的驾驶疲劳。推杆机构，如图5所示。

1.2 系统软件设计

在keil软件中运用C语言进行软件编程，根据实际需要实现软件逻辑思路，采用PWM算法[5]，通过用PWM（即脉宽调制）来改变送给电动机的平均电压，达到调节的目的，编程的软件界面，如图6所示。

2 整体系统调试

将系统安装在FSC赛车上，进行实车试验，通过车手关于行驶中换挡的成功率和换挡平顺性的反馈，对换挡时间间隔和响应速度进行了多次调节，以及对换挡机构的稳定性进行测试，换挡机构的实际装配，如图7所示。

3 结论

电动换挡系统能够准确地对开关输入信号进行有效采集和处理，根据输出扭矩控制大功率直流电机带动拉杆机构等机械装置完成自动换挡的功能，通过实车匹配试验有效地解决了电动换挡实时性、精确性及稳定性的问题，电动换挡系统在FSC实车应用不仅大大地减轻了驾驶员的实际换挡操纵负荷，而且在提高换挡效率的同时，也提高了行车的安全性，这充分证明了电动智能换挡在FSC赛车上应用的可行性。