基于STM32的FSAE气动换挡与数采系统
2019-09-10张晓舟曹瑞程其远
张晓舟 曹瑞 程其远
摘要：通过STM32嵌入式平台实现对大学生方程式赛车（油车）气动换挡机构的控制，以获得平稳顺畅的换挡动作。同时利用数据采集系统对换挡时的曲轴转速、车速及换挡用时进行记录，以调试出最佳动力性升挡时机。
关键词：大学生方程式;气动换挡;STM32
中图分类号：TP274
文献标识码：A
文章编号：2095-6487（2019）02-0001-02
0引言
中國大学生方程式汽车大赛（FormulaStudentChina），是主要面向中国大学生的一项工程教育型赛事。赛事要求各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、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。
赛事动态比赛部分对于车辆动力性能有着较大要求，一个稳定顺畅的换挡系统对于赛事成绩至关重要。近几年赛事中，已经有了同济大学、湖南大学等一部分车队通过气动换挡系统，在赛事中取得了优异的成绩，越来越多的车队也在换挡自动化方面开始了探索。总的来说，换挡自动化已成为趋势，已较为成熟的气动换挡更是各车队探索的首选[2]。
1气动换挡机构设计
我们采用了集成机械序列式变速箱的HONDACBR600RR发动机，其换挡所需参数如下。
1.1气动元件选型
1.1.1气缸负载率β
考虑气缸动态特性时，由于运动时排气腔背压的存在，气缸实际作用力远小于其理论作用力。因此引入负载率β=实际负载力气缸理论输出力其值随气缸运动速度不同而变化。
1.1.2换挡气缸
考虑布置空间，初步确定换挡力臂长度L为60mm。于是由：
s≈Lxsinθ+Lxsin日=34mm
得气缸行程S应至少大于34mm，参考亚德客产品型录，取标准行程S=50mm。考虑，换挡气缸动作时间t=0.ls，得气缸动作速度V=;S取负载率β=0.75则由：21=0.25m/s，由表2可F，>-Sβ=109.33N参考亚德客产品型录，得气缸内径20mm（0.5MPa下，无杆腔出力157.0N，有杆腔出力131.9N），满足要求。综上选用亚德客缸径20mm、行程50mm的复动型气缸：MBL20X50CAS。
1.1.3离合气缸
考虑布置空间，初步确定离合力臂L为50mm;由离合最小扭矩为7.5N/m;同上可得，选用亚德客缸径25mm、行程25mm的单动型气缸：MBL25X25CAS。
1.2电磁阀选型
换挡气缸为复动型气缸，其拥有三个工作状态，因此需选用三位五通电磁阀。换挡只是瞬时工况，气瓶应置于常闭状态，因此应选用三位五通中封式电磁阀，查亚德客产品型录得换挡电磁阀型号为：4V130C06F。离合气缸为单动型气缸，只需选用二位三通常闭型电磁阀即可，查阅亚德客产品型录得离合电磁阀型号为：3V106F（3]。
1.3气瓶选型
气瓶要求在能够存储足够多气量的前提下，尽量减小体积以适应布置空间，尽量减小重量以保证轻量化。因此，考虑采用附带瓶口减压阀的高压碳纤维气瓶。
初算气瓶容积时，定义工质为理想气体，取标准大气压Po=0.1MPa，气瓶气压P=10MPa，气缸工作压力P=0.6MPa，标准大气压下，升档单次耗气量q，，降档单次耗气量q2，则：
考虑泄露及气瓶标准容积等因素，选取气瓶容积为0.5L。
1.4气路设计
利用气瓶瓶口减压阀实现0.6MPa气压输出;利用消声器对排气口进行消声处理，同时防止吸入灰尘损坏气动元件造成漏气;具体气动回路如图1。
2硬件系统设计
硬件系统主要用于实现通过CAN总线从ECU读取车速、驱动STM32、存储换挡数据等功能。
设计选用ECU型号为MoTeCM84，基于CAN2.0总线协议，每次以1Mbps的速度广播发送176字节的报文，利用HVP230CAN收发器接收报文;通过5V高电平低时延继电器控制电磁阀的通断;设置换挡模式选择开关以切换自动升档与拨片换挡模式。电路原理如图2所示。
3软件系统设计
软件系统通过STM32平台实现换挡模式识别、自动升挡、降档离合配合及换挡参数储存等功能。升挡时，先发送断火信号，以适当降低发动机转速及扭矩使升挡接合平顺，减小由冲击造成的动力损失;降档时，先分离离合，防止车速过快对发动机倒拖。换挡流程如图3所示。
4结束语
经调试，断火延时50ms、降档离合提前分离时间为45ms时换挡成功率最为稳定。在通过实车测试后得出的各挡位最佳换挡转速下，赛车换挡时间能够减少46%，直线加速成绩能够提升5%左右。
参考文献
[1]中国汽车工业学会：《2018中国大学生方程式大赛规则》[S]，2018.
[2]刘汉钧.谈谈气缸的负载率和机械效率[J].液压与气动，1992（1），24-26.
[3]MoTeCPty.Ltd：《MoTeCM800Set3DataProtocol》[M]，2013.
