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中期報告
學 生 姓 名：
學 號：
學 院：
專 業(yè)：
設計（設計）題目：
賽車傳動系設計
指 導 教 師:
中 期 報 告
姓名
班級
學號
設計（設計）題目：
賽車傳動系設計
本人在該設計（設計）中具體
應完成的工作：
（1）查閱相關文獻15篇以上，準備資料，進行開題。
（2）查找并翻譯一篇與設計設計相關的英文資料。
（3）確定傳動系統(tǒng)的布置方案（萬向節(jié)、傳動軸的布置）。
（4）傳動系統(tǒng)的建模與分析。
（5）利用MATLAB與ADAMS軟件對傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。
（6）確定萬向節(jié)及傳動軸的設計方案。
（7）應用CATIA對傳動系統(tǒng)各部件進行三維建模。
（8）傳動系統(tǒng)的加工制作。
（9）撰寫設計說明書一篇。
1. 簡述設計（設計）開始以來所做的具體工作和取得的進展（要詳細內(nèi)容）
1.1所做的具體工作和取得進展：
1)收集和整理資料，參閱部分收集到的資料，對設計命題有了初步的認識。
2)完成開題報告，并通過指導老師和設計開題答辯小組審查。
3)查找與閱讀設計相關的合適的英文文獻，對其進行翻譯并完成。
4)通過文獻研究和實踐研究，對設計命題有了較為全面的理解后，結合前人的研究成果，完成設計中需要計算的部分并完成。
1.2主要計算過程如下：
傳動系的設計：
a) 傳動比與動力性的計算
大學方程式4.0號賽車采用鈴木GSXR-600四缸水冷電控汽油噴射式發(fā)動機，按照比賽規(guī)則來說，在20mm的限流閥下，所有進氣必須通過。這樣就會限制到發(fā)動機的功率和扭矩，因此，限流后的發(fā)動機特性參數(shù)要被分析。
(1) 原發(fā)動機特性參數(shù)：在13500r/min轉速時最大功率達到82Kw。最大扭矩在11500r/min轉速下為69N·m。
(2) 發(fā)動機特性參數(shù)（限流后）：在11500r/min轉速時最大功率達到60.2Kw。最高車速120Km/h在10500r/min的轉速下最大扭矩52N·m。
(3) 變速器的各檔位比：I1=2.785；I2=2.052；I3=1.681；I4=1.450；I5=1.304。
(4) 由于比賽賽道有最高車速限制，即最高時速為100Km/h，限流后，發(fā)動機轉速n=11500r/min時，最大功率P=60.2Kw，初級減速比i0=1.926。5檔減速比i5=1.304。輪距r=228mm。由以上可算出轉速nt和末級傳動比if得
（1-1）
（1-2）
由于小鏈輪齒數(shù)Z1=11，由式（2-2）得，計算大鏈輪的齒數(shù)得：
（1-3）
由此可以得出大鏈輪的齒數(shù)為43。其實際傳動比為
b) 動力性計算
表1-1 賽車各檔驅動力
檔位
1
2
3
4
5
驅動力
4294
3164
2592
2236
2011
c) 行駛車速
轉速n下對應的最高車速。測得n=12500r/min，r=228mm，i0=1.92，if=3.9。將數(shù)據(jù)代入得出表1-2所示。
表1-2賽車最大行駛車速
檔位
1
2
3
4
5
車速（km/h）
51.36
69.71
85.09
98.65
109.70
d) 行駛阻力
(1) 滾動阻力
(1-4)
(2) 空氣阻力
(1-5)
表1-3賽車的行駛阻力
滾動阻力(N)
41.34
44.38
47.65
51.06
54.21
空氣阻力(N)
10.56
19.45
28.99
38.96
48.17
(3) 加速度
(1-6)
表1-4 賽車最大行駛加速度
檔位
1
2
3
4
5
加速度
12.85
9.39
7.52
6.50
5.78
1.3 傳動方式的選擇
a) 鏈傳動
鏈傳動也被叫做撓性傳動，鏈條、小鏈輪和大鏈輪組合成了撓性傳動。我?！皦粝?.0號”賽車由于考慮到性能方面的原因，所以采用滾子鏈傳動。它的國標標準為下表1-5所示。
表1-5 選取鏈條的規(guī)格和參數(shù)
ISO鏈號
節(jié)距P
滾子直徑d1
內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1
銷軸直徑d2
內(nèi)鏈板高度h2
抗拉載荷
10A
15.875
10.16
9.4
5.09
15.09
21.8
b) 計算功率
(1-7)
KA表示工況系數(shù)，取 1.0；KP表示多排鏈系數(shù)，取1.0，雙排鏈時選1.75，三排練時選2.5， P表示傳動功率（Kw）；KZ取2.9，即KZ=2.9
c) 計算大小鏈輪的參數(shù)
由下表1-6所示。
表1-6 大小鏈輪參數(shù)
參數(shù)
小鏈輪
大鏈輪
齒數(shù)
Z1
11
Z2
43
分度圓
d1
56.348
d2
217.480
齒頂圓
da1min
59.754
da2min
222.604
da1min
66.032
da2max
227.164
齒根圓
df1
46.188
df2
207.320
齒高
ha1min
2.858
ha2min
2.858
ha1max
5.996
ha2max
5.137
節(jié)距
15.875
d) 確定中心距
(1-8)
經(jīng)過式（1-8）的計算得出Lp=88節(jié)
(1-9)
由此計算得出
e) 鏈輪包角
(1-10)
已知小鏈輪的最小包角是120°，將其代入式（1-10）得最小中心距a=153.88mm。據(jù)給定的車輪半徑和軸距尺寸來估計。我們選取小鏈輪的中心距在153.88～477.27mm之間，我們選取a=300mm≈19p。將這個數(shù)據(jù)代入上列式中可以得出α=149°，LP=66節(jié)。
f) 鏈速計算
(1-11)
鏈速的計算可得出。
g) 鏈輪受到的緊邊和松邊拉力
緊邊拉力： (1-12)
式中：表示有效圓周力，
Fe表示離心力引起的拉力， Fe=1494.26N
Ff表示懸垂拉力，F(xiàn)f=1499。
松邊拉力：F2=Fc+Ff=2993.26N (1-13)
中 期 報 告
2.目前存在的問題，下一步的主要研究任務，具體設想與安排（要詳細內(nèi)容）
1. 存在問題及解決措施
到目前為止，在設計的寫作中主要有以下幾個問題：
1) 對設計所涉及的知識認識得不夠深刻，所以對命題的探討不夠深入。
2) 研究中引入的數(shù)據(jù)不夠，對相關問題的支撐程度不足。
3) 設計的各部分之間的銜接不夠強，有的地方缺少邏輯。
導致上述問題主要有兩個原因，一是研究不夠深入，二是撰寫不夠嚴密。針對這兩個原因，解決方法有：
[1] 對設計所涉及的知識以及前人的研究成果理解程度需要更加深刻，在這個基礎上才能得到有深度的結論。
[2] 需要對已完成的內(nèi)容進行多次審閱，從內(nèi)容、結構及用語等方面給予調(diào)整。
[3] 對于寫作過程中遇到的具體難題要多向指導老師請求援助。
2. 后期工作安排
在往后的設計寫作中主要研究任務是在已完成的基礎上給予完善三維建模，以及零部件的優(yōu)化設計，具體的方法是參閱更多的相關研究文章，尤其是研究較為完整系統(tǒng)的書籍，深度提取其成果，結合本文的研究方向與思路來引用，另外，設計的進度方面，在初稿基礎上進行修改，圖紙的繪制以及三維建模也要抓緊時間，爭取在五月下旬完成設計終稿。
中 期 報 告
3.指導教師對該學生前期研究工作的評價（是否同意繼續(xù)研究工作）
指導教師簽字：
年 月 日
備注：1、本表由學生填寫，指導教師親筆簽署意見。
2、以上各項句間距可以根據(jù)實際內(nèi)容需要調(diào)整。
13
任務書
學 院：
專 業(yè)：
學 生 姓 名：
學 號：
設計題目：
賽車傳動系設計
起 迄 日 期:
設計地點:
指 導 教 師:
負 責 人:
發(fā)任務書日期:
任務書填寫要求
1．設計任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在學院的負責人審查、負責人簽字后生效。此任務書應在設計開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學生；
2．任務書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學生設計完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及學院領導審批后方可重新填寫；
4．任務書內(nèi)有關“學院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。
任 務 書
一、設計課題的任務和要求：
根據(jù)中國大學生方程式汽車大賽賽事規(guī)則和賽車制造標準要求，對賽車傳動系統(tǒng)進行設計及優(yōu)化，協(xié)同制作中國大學生方程式賽車。賽車必須在加速、制動和操控性方面具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，同時又必須具有足夠的耐久性能夠順利完成規(guī)則中提及的及比賽現(xiàn)場進行的所有項目。
二、設計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
1、了解課題相關背景，熟悉、掌握汽車傳動系統(tǒng)的組成及工作原理；
2、查閱相關技術文獻15篇以上，其中至少有2篇外文相關文獻，并將其中1篇不少于2000詞的外文資料翻譯成漢語；
3、確定傳動系統(tǒng)的布置方案（萬向節(jié)、傳動軸的布置）；
4、傳動系統(tǒng)的建模與分析；
5、利用MATLAB與ADAMS軟件對傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設計；
6、確定萬向節(jié)及傳動軸的設計方案；
7、應用CATIA對傳動系統(tǒng)各部件進行三維建模；
8、傳動系統(tǒng)的加工制作；
9、制作FSC賽車、撰寫設計說明書1篇；
10、設計答辯。
任 務 書
三、對設計課題成果的要求〔包括設計、圖紙、實物樣品等)：
1、 FSC賽車一輛；
2、 設計設計、設計電子文稿、答辯PPT各一份；
3、外文翻譯一份。
四、設計課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2017年
2月13日~ 3月6 日
3月7日~ 5月20 日
5月21 日~6月10 日
調(diào)研、文獻檢索、制定方案，撰寫開題報告
制作中國大學生方程式賽車、撰寫設計說明書
準備和進行設計設計答辯
學生所在學院審查意見：
負責人：
年 月 日
開題報告
學 生 姓 名：
學 號：
學 院：
專 業(yè)：
設計題目：
賽車傳動系設計
指導教師:
開 題 報 告
1． 選題依據(jù)：
1.研究的目的及意義
FSC是一級方程式汽車比賽汽車工程由大學或汽車相關專業(yè)學生組成的團隊參加汽車比賽的設計和制造[1]。中國大學生方程式汽車大賽（簡稱FSC大賽）也是由中國汽車工程協(xié)會主辦，有著“力爭上游，擎動未來”的巨大夢想，堅持“穩(wěn)中求勝”的設計理念，立足于中國汽車工程教育發(fā)展和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實根基，吸收和借鑒國際大學生方程式汽車大賽（簡稱FSAE大賽） 賽事的成功經(jīng)驗，為國內(nèi)優(yōu)秀汽車行業(yè)人才的培養(yǎng)和選拔建立公共平臺。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，由一年的時間內(nèi)，自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面均具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，同時，設計的賽車要成功完成各部分賽事，所以要求所設計的賽車必須滿足耐久性、經(jīng)濟性和動力性[2]。發(fā)動機系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、車架、車身、制動系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等構成了FSC賽車。因此，為了獲得良好的加速性、制動性、耐久性和經(jīng)濟性，傳動系統(tǒng)的設計尤為重要[3]。
汽車傳動系參數(shù)的優(yōu)化設計是在質量的軸荷分配、汽車總質量、空阻及滾阻等量已確定的情況下，較為合理的設計和選擇傳動系參數(shù)，可以很大程度提高匹配后汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放特性[4]。以往傳動系統(tǒng)參數(shù)設計依靠大量的實驗和反復測試完成，耗時長，高花費，計算機的廣泛使用和新的計算方法的出現(xiàn)， 使得以計算機模擬計算為基礎的傳動系設計可在方程式賽車的設計階段就較準確地預測賽車的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，經(jīng)濟且迅速。
目前，我國圍繞汽車傳動系統(tǒng)的設計和優(yōu)化，主要在以下幾個方面展開工作：①汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計評價指標的研究；②汽車傳動系各部分數(shù)學模型的研究，特別是傳動系各部分在非工況下模型的研究；③按給定工況模式的模擬研究；④按實際路況隨機模擬的研究；⑤傳動系參數(shù)優(yōu)化模型的研究；⑥模擬程序的開發(fā)與研究[5]。
2.傳動系統(tǒng)的簡介
傳動系統(tǒng)以 Carl Benz 研制的第一輛汽車為誕生標志。發(fā)展到今天，自驅動汽車已基本成為現(xiàn)代汽車的代名詞隨著自驅動汽車的發(fā)展，其傳動系統(tǒng)也相應經(jīng)歷了幾代的更新與完善，傳動介質豐富化、傳動功能集成化、傳動裝置自由度的增長化趨勢越來越明顯，同時隨著傳動系統(tǒng)種類和形式的擴大及結構的復雜，不同傳動系統(tǒng)之間的關聯(lián)性越來越難了解。發(fā)現(xiàn)了傳動系統(tǒng)會向無級、復合傳動、多功率流及多自由度方向演變發(fā)展[6]。
汽車的傳動系統(tǒng)是汽車實現(xiàn)機械轉換和傳遞的重要部件系統(tǒng)，因為傳動系統(tǒng)，才使發(fā)動機的輸出動力能夠穩(wěn)定地傳送給車輪，并驅動車輪轉動，實現(xiàn)汽車在任何條件下都能正常行駛，且努力提高汽車的動力性和經(jīng)濟性[7]。對于提高汽車動力性、燃油經(jīng)濟性主要是因為汽車動力傳動系形式與參數(shù)的合理選擇。能與發(fā)動機合理匹配的傳動系可以使發(fā)動機經(jīng)常在經(jīng)濟工作區(qū)域內(nèi)工作。其中傳動系統(tǒng)包括：（1）變速器 ①改變傳動比，滿足不同行駛狀況下對牽引力的需要，使發(fā)動機盡可能工作在有利的工況下，滿足可能的行駛速度； ②實現(xiàn)倒車行駛，用來滿足汽車倒退行駛的需要；③中斷動力傳遞，在發(fā)動機起動，怠速運轉，汽車換檔或需要停車進行動力輸出時，中斷向驅動輪的動力傳遞。（2）離合器 安裝于發(fā)動機與變速器之間，用于短暫地分離兩者或平順地結合以傳遞發(fā)動機的動力。（3）萬向傳動裝置 在汽車傳動系及其它系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)一些軸線相交或相對位置經(jīng)常變化的轉軸之間的動力傳遞，必須采用萬向傳動裝置。萬向節(jié)和傳動軸組成了萬向傳動裝置，有時還要有中間支承。其連接變速器與驅動橋、連接離合器與驅動橋或變速器與分動器、連接斷開式驅動橋或轉向驅動橋和連接轉向操縱機構。（4）驅動橋 其主要由主減速器、差速器、半軸和驅動橋殼等組成。其功能是將變速器輸出的轉矩一次經(jīng)過主減速器、差速器、半軸等傳到驅動輪；通過主減速器齒輪副實現(xiàn)減速增距，并在需要時改變動力傳遞方向；通過差速器來實現(xiàn)左、右驅動輪以不同的轉速旋轉即差速作用[8] [9]。
此外，由于發(fā)動機、離合器和變速器固定在車架上，而驅動橋和驅動輪一般是通過彈性懸架與車架聯(lián)系的，因此在汽車行駛過程中，變速器與驅動輪之間有相對運動。在這樣的情況下，兩者之間不能用簡單的通過整體傳動軸傳動，應該采用萬向傳動裝置。汽車傳動系統(tǒng)的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動機的形式和性能、汽車總體結構形式、汽車行駛系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)本身的結構形式等許多因素。方程式賽車一般采用發(fā)動機中置后輪驅動的MR方案。該方案布置有利于實現(xiàn)前、后軸的軸荷分配。MR方案中發(fā)動機發(fā)出的動力經(jīng)過離合器、變速器、由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置以及安裝在驅動橋的主減速器、差速器和半軸，最后傳到驅動車輪[10]。
3.方程式賽車傳動系統(tǒng)國內(nèi)外研究狀況
3.1國外研究現(xiàn)狀
FSAE比賽開始在1980年初在美國舉辦的第一次比賽，國外目前已經(jīng)是為汽車工程學會的學生成員舉辦的一項國際賽事[11]。當時報名的學校只有6個，但只有4支參賽隊伍，如今美國每年有200支隊伍參加比賽，比賽的人數(shù)將近2萬人次[12]。20世紀60、70年代初期就開始對汽車動力性、燃油經(jīng)濟性的計算機模擬程序的研究。這些程序在樣車制造前就能準確地對汽車動力性燃料經(jīng)濟性進行預測，并可根據(jù)幾種傳動系速比的變化引起整車性能變化，找到此變化的關系及能與所選發(fā)動機合理匹配的傳動系。歐美等發(fā)達國家對大學生方程式FSAE比賽都非常關注，每個學校都會組建自己FSAE賽車隊，參加各自區(qū)域的系列賽車,并且重新設計自己的賽車，使制造的賽車性能更加突出。日本的方程式FSAE比賽發(fā)展很快，已經(jīng)成為亞洲地區(qū)舉FSAE賽事的先鋒隊。其在加速性能上，日本所設計的賽車變速器能在規(guī)格指標和目標時間準確算出必要的功率[13]。伊朗、印度以及泰國等十幾家外國車隊都參加過日本舉辦的FSAE比賽。FSAE比賽早已進入平穩(wěn)發(fā)展階段由此可見，國外的傳動系統(tǒng)的技術已經(jīng)進入成熟階段[14]。
3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
隨著大學生方程式汽車大賽影響力的逐漸擴大，中國各大專院校也開始逐漸關注并
參與這一賽事。2010 年10 月，首屆中國大學生方程式汽車大賽（FSC）在上海舉行，
吸引了國內(nèi) 20 支大學車隊參與了這次比賽，大賽取得圓滿成功。此后的幾年時間里，
大賽規(guī)模不斷擴大，賽事影響力不斷加深[15]。①華南理工大學的FSC賽車氣動傳動系統(tǒng)
實現(xiàn)了半自動換檔，司機可以更方便，在更短的時間內(nèi)完成換檔操作，從而提高比賽結
果。 根據(jù)預設程序驅動換檔氣缸和離合器氣缸，壓縮二氧化碳在電子控制單元的操縱
下完成整個傳動過程[16]。②天津大學采用春風CF188 發(fā)動機總成變速器有V 型齒形皮
帶自動無級變速器和帶換檔凸輪的有級變速器，采用手操作杠桿式變檔。離合器型式為
濕式蹄塊自動離心式。傳動系統(tǒng)初始方案為：發(fā)動機總成-傳動軸-主減速器-差速器-左
右半軸-左右驅動輪[17]。③大學方程式4.0號賽車采用鈴木GSXR-600四缸發(fā)動機和
托森差速器。該賽車在調(diào)節(jié)方式上采用偏心輪調(diào)節(jié)，在去年的基礎上球籠（等速萬向節(jié)）
短軸一體，而且尺寸改小，在受力強度要求符合的情況下的改進。其他部分是材料的變
化。④太原理工大學方程式賽車采用本田CBR600發(fā)動機，還采用了托森差速器，其更
換了差速器外殼，其他是材料和工藝上的設計。
參考文獻
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開 題 報 告
２．研究方案：
1.研究及解決的問題：
（1） 傳動比與動力性計算；
（2） 鏈傳動的計算；
（3） 各零件的設計、建模、應力分析；
（4） 工程圖的繪制；
2.設計方案概述：
（1）在動力性計算時，可以根據(jù)公式進行計算賽車的動力性參數(shù)，部分參數(shù)需要近似計算，然后參考數(shù)據(jù)進行傳動系的設計。當然最優(yōu)的方法是采用臺架實驗等測出相關參數(shù)，然后采用數(shù)據(jù)擬合軟件，較為精確得到各參數(shù)的數(shù)值與變化情況。由于設備和知識水平的限制，本文采用公式計算賽車的動力性。但是經(jīng)過分析，數(shù)據(jù)具有有效的參考價值。
（2）結構設計原則主要為輕量化。采用三維軟件輔助設計，根據(jù)已有的零件、車架及裝配關系來設計其他零件，對零件進行嚴格的三維建模并裝配，以設計其余零件并檢查干涉情況與限位情況。對零件的應力分析，有經(jīng)驗公式計算和軟件分析等方法，本文采用軟件分析法，以得到零件更準確的受力。
（3）另外，加工零件必須還有材料、公差配合、技術要求等。本文借助機械設計手冊對加工件進行了公差設計，并繪制工程圖紙，根據(jù)工程圖紙可加工出各零件。
3.設計工作進度：
① 2月13日-3月16日 調(diào)研、文獻檢索、制定方案、撰寫開題報告。
② 3月 7日-5月20日 制作大學“夢想4.0”大學生方程式賽車、撰寫設計說明書。
③ 5月21日-6月10日 準備和進行設計設計答辯。
開 題 報 告
指導教師意見：
指導教師：
年 月 日
外文資料翻譯
原文名稱
Design of pneumatic transmission system base on FSC car
中文名稱
FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)的設計
原文來源：
JieLi，ShsnHuYu,GangZhu,Advanced Materials Research，2013，共7頁
學生姓名：
學號：
學 院：
專 業(yè)：
指導教師:
外文資料翻譯
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1 英文原文: (PDF格式)
2 中文翻譯:
氣壓傳動系統(tǒng)的設計—基于大學FSC賽車
摘要：華南理工大學的FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了半自動換檔，司機可以在較短的時間內(nèi)更加快捷地完成移位操作，從而提高比賽成績。根據(jù)預設程序驅動換擋油缸和離合器油缸，壓縮二氧化碳在電控單元的操縱下完成整個傳動過程。本文詳細討論了執(zhí)行器和電子控制單元的設計過程，同時對由此產(chǎn)生的汽車調(diào)試問題，提出了系統(tǒng)的優(yōu)化方向。
關鍵詞:FSC賽車，氣壓傳動系統(tǒng)，執(zhí)行器，控制單元
介紹
傳統(tǒng)的FSC賽車采用普通手動換檔方式，對駕駛員的操作要求較高，影響了汽車轉向的穩(wěn)定性和比賽的性能。華南理工大學的FSC賽車采用氣壓換檔系統(tǒng)代替手動換檔系統(tǒng)，實現(xiàn)了半自動變速，具有減輕駕駛員負擔，減少傳動時間，提高汽車動力性能和轉向穩(wěn)定性等顯著效果。
與手動換擋系統(tǒng)相比，氣壓傳動系統(tǒng)如下優(yōu)點：
(1) 換擋更快，換擋時間縮短，有利于改善比賽結果；
(2) 在駕駛過程中，司機可以一直緊握方向盤，提高車輛的機動性；
(3) 當換檔時，盡可能減少駕駛員注意力的分散，駕駛員可以更好地加入到 比賽中，從而提高汽車的安全性。
研究方案
主要研究方法和依據(jù)：氣壓傳動系統(tǒng)主要包括參數(shù)測量設計，機械結構設計，控制電路設計，部件采購生產(chǎn)，裝配調(diào)試等。在設計過程開始之前，我們需要已知量的測量參數(shù)，如起重檔位的轉角，傳動扭矩等。設計理論結合實際情況，如汽車傳動系統(tǒng)布局協(xié)調(diào)的組合空間等。反復進行生產(chǎn)裝配過程，來驗證各子系統(tǒng)的合理性和可靠性，確保氣壓傳動系統(tǒng)符合設計要求。為了實現(xiàn)相對合理的換檔系統(tǒng)工作狀態(tài)，我們明確了車輛調(diào)試過程中調(diào)試目標和調(diào)試方案。
主旨：在peumatic pick shift系統(tǒng)設計和生產(chǎn)中，我們必須解決以下問題：
(1) 設計合理穩(wěn)定的氣壓回路，在原理上完成換檔動作；
(2) 設計滿足要求的控制電路，使其在工作流程中穩(wěn)定地運作；
(3) 氣力密封是可靠的，工作壓力符合設計要求；
(4) 設計生產(chǎn)起動離合器的操縱機構，以滿足汽車順利啟動要求；
(5) 對整個系統(tǒng)進行靜態(tài)和動態(tài)的測試與調(diào)試，測試工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時根據(jù)實際 情況調(diào)整控制參數(shù)，進一步縮短換擋時間。
氣壓傳動系統(tǒng)工作原理
轉換的過程：發(fā)動機轉速與車速之間的關系為公式(1)：
(1)
ua是車速(km/h)，n是發(fā)動機轉速(r/min)，r為車輪半徑(m)，ig是傳動比，i0減速機齒輪比。賽車升檔，變速比降低，發(fā)動機轉速降低； 賽車降檔，變速箱齒輪比增加，發(fā)動機轉速也提高。 在升檔過程中，為了使發(fā)動機轉速降低，可以通過三種方式實現(xiàn)：駕駛員松開加速踏板，發(fā)動機燃油噴射暫停，點火暫停。 發(fā)動機點火開關切斷，速度快速下降，驅動器不需要釋放加速器，從笨重的動作中消除，對發(fā)動機功率沒有影響，并確保火花塞在正常環(huán)境下工作，減少受損。 因此，賽車行業(yè)通常采用發(fā)動機點火方式來完成賽車升檔動作。 汽車可以控制Motec M800的發(fā)動機點火。在賽車降檔過程中，要使發(fā)動機轉速提高，必須使離合器分離，司機踏上加速器及時補油。為了減少駕駛員疲勞，縮短時間等方面，我們設計氣壓離合器。
執(zhí)行機構的工作原理：換檔執(zhí)行機構原理圖如下圖1所示，氣瓶中的高壓氣體為動力源，氣體通過減壓閥制動氣缸。電磁閥用于控制離合器臂和搖臂運動的移動。
圖 1 執(zhí)行機構原理圖
執(zhí)行器設計
氣體介質：因為氮和二氧化碳的化學性質非常穩(wěn)定，我們可以從相關渠道購買液氮或二氧化碳，最重要的是在日常生活中我們可以以液體形式儲存。 二氧化碳與氮氣相比，完成相同的換檔次數(shù)，氮氣瓶體積大于二氧化碳瓶，氮的價格高于二氧化碳。最重要的是液態(tài)二氧化碳在國內(nèi)廣泛應用于水族箱，因此瓶裝的更方便。綜合上述因素，我們選擇二氧化碳作為氣體介質。
氣壓：考慮到電磁閥和氣缸的壓力為0.15?0.8MPa，出售的二氧化碳減壓閥的工作壓力可以調(diào)整，范圍為0?1MPa，執(zhí)行器的工作壓力700 kP(101.5 psi)。
氣缸模型：執(zhí)行器由兩個氣缸組成，每個控制裝置分別移動搖臂和離合器的搖臂。氣缸模型主要確定氣缸類型，沖程，活塞面積和固定方式。 換檔氣缸通過氣體驅動進行來
運動，因此選擇雙作用氣缸。離合器氣缸依靠氣動活塞桿出來，在外力作用下返回，所以選擇單作用氣缸。
變速缸的確定：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，移位角為14°，設計移位搖臂L1的長度為110 mm。換檔齒輪軸和換檔油缸的安裝方法如圖2所示，活塞桿在降檔時熄滅，活塞桿升檔時返回，活塞桿處于中間位置時不動作。
圖2換檔缸安裝原理圖 圖3氣缸行程的圖形方法
假設為80毫米迷你氣缸選擇沖程，圖2中的兩點距離為200毫米，通過已知的圖形方法(圖3)，提升氣缸沖程為50 mm。為了方便安裝和吸氣，用20 mm限額計算沖程余量，因此氣缸沖程大于70mm。根據(jù)GB/T2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸。 基于一系列的活塞沖程，結果表明，沖程為80 mm的氣缸可以滿足設計要求，并使氣缸的響應時間最小化，因此氣缸沖程S1為80 mm。
降檔，活塞桿突出。 實驗數(shù)據(jù)表明，使換檔軸順時針轉矩T1=6300 N?mm，搖臂長度L1為110 mm(L1=110 mm)，作用力與搖臂之間的角度α為65°(α=65°) ，安全系數(shù)S為1.5，根據(jù)公式(2)，氣缸推力F1為95N(F1=95N)。
(2)
(3)
通過公式(3)，其中p=700 kPa，我們可以獲得活塞直徑D1=13.14 mm。升檔時，活塞桿返回。以同樣的方式，
(4)
通過公式(4)，其中p=700 kPa，因為活塞桿壓縮和張力，所以d2=0.5D2，我們可以獲得活塞直徑d2=16.38 mm。總之，根據(jù)GB/T 2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸。基于一系列的活塞沖程，我們得到變速箱內(nèi)徑D=20 mm，活塞桿直徑d=8 mm。檢查符合要求。
離合器缸的確定：離合器氣缸的安裝方法如圖4所示，活塞桿脫落時出現(xiàn)。
圖4離合器缸安裝方式
實驗數(shù)據(jù)表明，離合器T3的單獨扭矩為11820N?mm（T3 = 11820N?mm），設計的離合器臂L3為70 mm（L3 = 70 mm），作用力與搖臂之間的角度β為77 °（β= 77°），安全系數(shù)S'為2，根據(jù)公式（2），氣缸推力F3 = 346.6N，根據(jù)公式（3），活塞直徑D3 = 25.11 mm。
根據(jù)“GB/T 2348-1993流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸硼砂和活塞桿直徑”來計算氣缸內(nèi)徑的標準化，離合器缸內(nèi)徑D=32mm。同樣，離合器分離角度為35°(包括自由行程)，最后選擇離合器油缸行程S3=50mm?？傊瑩Q氣缸是20×80mm的小號雙作用筒，固定的方式是鉸鏈；離合器缸是32×50mm中號單動圓柱，固定的方式是鉸鏈。
氣缸容積：氣瓶的二氧化碳作為一個系統(tǒng)，在完成轉變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境之間交換的熱量是Q，交換的功是W，由于轉換過程非?？?，通過傳熱損耗的能量Q很小，可以忽略不計：
(5)
W 是當活塞運動時消耗的能量。W1是升檔時氣缸工作消耗的能量，W2是降檔時汽缸工作時消耗的能量，W3是離合器氣缸工作消耗的能量，完成一個換檔周期(一次升檔，下移降檔)，離合器氣缸工作一次，換氣缸工作二次，氣缸總能量W表達如下:
(6)
在把二氧化碳從液體變成氣態(tài)的過程中，熱力學能是
(7)
m是完成轉變周期的二氧化碳質量，T1，T2是二氧化碳之前和之后的溫度變化，T1是293 k，T2是323 k，C1，C2可以通過查表得到。計算得到二氧化碳的質量是0.090 g。假設轉變次數(shù)n最好是2500次，現(xiàn)在考慮傳熱損失的能量，安全系數(shù)S=2.5，這里用于完成比賽的二氧化碳的質量是：
(8)
對比市場上的二氧化碳氣瓶，0.8 L的二氧化碳氣瓶可以滿足要求。
電磁閥的類型：考慮到只需要傳動離合器油缸活塞桿，所以我們可以選擇兩三個常用的閉合電磁閥。壓縮氣體驅動移動氣缸活塞桿縮回，當不換擋時，氣缸需要保持中立地通過3.5個排放壓力的電磁閥控制。由于汽車電源電壓為12 V，所以選擇12 V電的磁閥。
啟動離合器控制機構的設計：在變速、離合器快速結合的過程中，氣動控制系統(tǒng)為了確保汽車起動，汽車應采用通過纜繩分離和離合器控制組合的離合器控制機構。
汽車應該通過纜線分離和離合器控制組合，從開關控制機構開始。設計起動離合器，應考慮方案的可行性。圖5和圖6是材料和安裝示意圖。
圖5 起動離合器的物理圖 圖6 起動離合器的安裝簡圖
控制單元的設計
控制的任務：司機通過按一個按鈕，提升信號，控制單元驅動相應的電磁閥，壓縮氣體帶動相應的汽缸工作，實現(xiàn)了換擋操作。表1是控制單元的工作過程:
表 1 控制單元的工作過程
發(fā)送降檔指令
↓
離合器電磁閥工作
↓
離合器電磁閥和降檔電磁閥一起工作
↓
降檔電磁閥停止工作
離合器電磁閥繼續(xù)工作
↓
離合器電磁閥停止工作
升檔行為結束
發(fā)送升檔指令
↓
EUC點火控制
↓
降檔電磁閥和EUC關閉點火控制一起
↓
EUC點火控制
降檔電磁閥停止工作
完成降檔
電路設計：電路的原理圖如圖7所示。
圖7電路工作原理圖
電路的特性
(1) 兩個中斷的按鈕設置(P3.2和P3.3)，與常用的die循環(huán)查詢方法相比，信號處理更快；
(2) 由于51系列單片機(MCU)的特點，電力輸出的全部默認值為高水平。如果直接使用單片機控制芯片，會導致為了幾微妙所有電磁閥一起工作。使用74HS04逆變器作為反向處理的信號，使單片機信號進入低電平，使初始工作正常。信號驅動電磁閥通過常用的電機驅動芯片MC33886，MC33886，能夠提供滿足電磁閥0.25A的工作電流。
編程設計：本程序結合了Keil uVision4與C語言。由于有C語言的程序，因此注釋清晰，易更改，容易控制和關閉時間?？梢钥吹匠绦蚪Y構的流程圖。海外團隊的最佳時間是200毫秒。為了保護引擎和其他原因，程序的初始設定時間相應出現(xiàn)。通過實際車輛調(diào)試，將電梯控制時間調(diào)整到最佳方式。
控制單元的改進：STC1F04E單片機控制芯片，有一些不穩(wěn)定的問題，比如讀齒輪信號問題，完成換擋信號不清楚，響應延遲等。與單片機相比，ECU有非常穩(wěn)定的功能，并能切實有效地解決外部誤差信號的干擾，準確地執(zhí)行司機控制動作。結合汽車的情況，我們直接使用ECU控制移位信號。MoTec M800有移位控制功能，不需要復雜的手動編程，只在ECU程序中設置一些參數(shù)。同時ECU布線方便，因此，將A32，A33和A34三個插頭與相應的電磁閥控制直接連接，圖10顯示了右上部分的3個引線。
圖10 MoTec M800 ECU部分附件
結論
本文對華南理工大學的FSAE汽車的設計進行了綜合分析。氣壓傳動系統(tǒng)直接影響著汽車的操作，換擋系統(tǒng)直接影響汽車的性能。本文結合三者的參與經(jīng)驗和實際情況，主要介紹了氣動換擋系統(tǒng)的設計方法，對華南理工大學FSC賽車的氣壓傳動系統(tǒng)設計具有重要的指導意義。
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