基于大学生方程式赛车的舵机换挡机构的设计

杨雪峰 刘爽 王强 张爱英

摘要：基于大学生方程式赛车换挡机构的创新设计，总结手动、气动、电磁换档方式的缺点与不足之处，研发舵机换挡机构。通过CATIA软件进行模型的建立。舵机换挡装置的主要结构由档杆操纵机构、可调电位计连接机构、舵机控制器机构、舵机总成等组成，将档杆与可调电位计花键相连，电位计和舵机控制器机构用导线连接以传递电信号。舵机控制器通借助螺栓连接和车架固定，舵机总成借助螺栓连接和车架固定，连接方式多为螺栓和焊接而成，结构简单实用，加工制造成本低，该舵机换挡机构的最大特点是安全可靠，可重复使用、质量轻。

关键词：舵机换挡 CATIA软件 轻量化

一、前言

传统的变速器大多将换挡执行机构作为单独的总成装配，并使用独立电机作为换挡执行机构的动力源。一方面，变速器与换挡执行机构相互独立意味着变速器总成的空间尺寸将被放大，另一方面，使用独立电机作为动力源将提高变速器的成本。

手动换挡：将车手的动作传递到离合器拉杆和换挡杆上拉动拉杆的同时还应配合加油或减油的动作，操作难度较大。

气动换挡：重量大，技术难度高，换挡次数受气瓶容量限制。

电磁换挡：响应时间短，受到电源负载能力限制，不一定适用于所有赛车。

目前FSAE赛事风靡全球，可将此机构应用于大学生方程式赛车中，市面上没有用舵机来控制档位，舵机换挡机构操作简单、轻量化、舵机是由蓄电池供电，安全系数高、灵敏度高、成本低它刚好弥补了现有换挡机构的不足，控制精准，成本较低前景非常可观。

二、舵机换挡机构模型建立

本研究中使用CATIA软件，该软件是CAD/CAE/CAM一体化软件，汽车工业主要是通过设计数据，构造零部件CAD模型和模具CAD模型，在通过数控加工制造模具，进而在进行零件生产的设计制造流程。

在设计制造流程使用CATIA软件，给我们带来了极大的方便，减少了设计失误率，并大大缩短了设计周期。

本研究中舵机换挡机构主要包括挡杆，基座，电位器，控制器，舵机。

挡杆1与电位器旋钮4通过花键连接，电位器与控制器7连接，控制器连接舵机8，舵機的舵盘与变速箱连接，建立的三维图形如图2.2所示。

三、变速器工作原理与舵机换挡机构的设计

DHT变速器指的是混合动力汽车专用变速器，与传统以内燃机作为单一动力输入源的变速器不同，DHT变速器通过增加动力耦合单元，使用内燃机和一个 （或多个） 电机共同对车辆进行驱动，以提高车辆的动力性能。由于电机的介入，内燃机可以始终工作在高效工作区间，所产生的多余能量被电机转化并存储，这大幅提高了车辆的能源使用效率。

为了适应混合动力汽车多样的行驶路况，DHT变速器需要在多种模式下进行智能切换，由于模式切换的临界条件十分复杂，驾驶员很难在最合适的换挡点进行换挡操作，以发挥出DHT变速器最佳的动力性能与节油效率。舵机换挡机构，配合相应的换挡执行机构，实现换挡的智能化，以提升车辆驾驶的简易度，以及变速器的燃油经济性与动力性。下面是舵机换挡机构的原理：

档杆带动变速器：每次只能转动一格，不可逆转，三个拨叉三个凹槽，互相配合工作。横柱转起来，顶柱的尖头就按槽部的轨迹左右移动。如图3.1所示，齿轮之间进行啮合，从而实现不同传动比的实现，实现档位的变化。

如图2.2所示，舵机有舵盘，位置反馈电位器，减速齿轮组，直流电机和控制电路组成。减速齿轮组由直流电机驱动，其输出转轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。控制电路根据电位器的反馈电压，与外部输入控制脉冲进行比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正转或反转，使减速齿轮输出的位置与期望值相复合。从而达到精确控制转向角度的目的。

舵机：左边长方体块是控制器，最左边是电位器旋钮，拧旋钮，舵机就转，舵机带动变速器。用舵机来换挡，调节电位器的旋钮，拧多大的角度，舵机臂就转多大角，这个动力带动变速器（蓝色轴旋转），实现换挡。

转角控制：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系如图3.2所示：

四、结束语

电动舵机换挡机构省去了高压气瓶及减压阀的控制，体现了轻量化;并且结构简单，成本低廉、减少了人工或高压气泵充气的环节;高压气瓶内的高压若压力过高时会撑裂高压气瓶具有一定的危险性而电动舵机是由蓄电池控制的;可以实现重复使用。设计更加简单，容易操作。基于单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积小的特点。舵机可以在微机电系统和作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。在生活中目前还没有电动舵机换挡机构，此机构在序列式变速器中可广泛使用。一旦电动舵机换挡机构得以普及，本作品实现批量生产，产生的经济效益亦是十分显著的。

参考文献：

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[3]屈亚锋.基于特性方程式的通用4T65E自动变速器档位分析[J].淮北职业技术学院学报，2018，17（03）：100-103.

作者单位：鄂尔多斯应用技术学院