CN216478856U - 大学生方程式赛车电动换挡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大学生方程式赛车电动换挡装置，该装置由换挡执行与电机固定机构、无刷电机调速器、电池和单片机控制盒组成；换挡执行与电机固定机构包括换挡执行机构、电机固定机构两部分；换挡执行机构包括换挡输入结臂、电机输出结臂和两条输入输出结臂连杆，用于将电机的扭力传递到发动机变速箱内同时对电机的转矩进行放大，从而完成换挡；无刷电机调速器的一端与电机相连，另一端与单片机控制盒和电池相连，方向盘上的换挡拨片控制器与单片机控制盒相连。本实用新型解决了传统气动换挡装置所需换挡断火时间长、换挡成功率低、续航大幅受限等问题，具有操作方便，安装保养轻松，具有换挡速度快、换挡成功率高、安全的优点。

Description

大学生方程式赛车电动换挡装置

技术领域

本实用新型涉及一种赛车换挡装置，特别是一种大学生方程式赛车电动换挡装置。

背景技术

赛车换挡装置是赛车传动系统中重要的部件之一，对赛车的加速性能和操控性能有着重要的影响，因此在设计方面有很高的要求。

根据《中国大学生方程式大赛规则》，对于赛车的换挡装置的要求仅有与车架固定。但由于发动机排气量限制为710cc，所以全部车队采用摩托车发动机为动力来源。因此没有成熟稳定的商用换挡装置可以直接采用，目前车队采用的方案有手动换挡、气动换挡和有降档补油功能的气动换挡。

其中手动机械式换挡是将换挡软轴连接到驾驶舱内推拉杆上，由车手推拉档杆来控制换挡。这种方式在换挡时车手需要单手要脱离方向盘，换挡时机很难把握，换挡速度相对最慢，同时频繁的换挡也容易导致车手疲劳。

气动换挡是车手通过方向盘上的按钮控制电磁阀，从而利用储气瓶内高压气体冲击推动气缸带动换挡杆来实现换挡。这种换挡方式在气瓶内气体压力减小到一定的阈值后不能产生足够的力来完成换挡，因此在行驶一段时间后需要停车对高压储气瓶充入气体，高压气瓶的大小受限于赛车后舱的体积占用和整车质量的控制，因此对于中国大学生方程式大赛耐久赛来说，设计续航冗余不足。同时由于气体推力相对不可控，在赛车加速升档时需设置较长的发动机升档断火时间，降档时换挡成功率很低，对赛车操纵性能有较大的影响。这种换挡方式有很大的局限性，也不够安全、稳定。

有降档补油功能的气动换挡是在气动换挡装置的基础上结合电子节气门。该系统的降档信号同时控制电子节气门开启一定角度，实现降档时补油的功能，从而一定程度上提高了气动换挡的成功率。但由于电子节气门很难调试，并且由于工况原因容易出现故障，所以这个系统稳定性较差，对于中国大学生方程式大赛不够实用。

综上所述，目前的大学生方程式赛车换挡装置存在换挡速度慢、换挡成功率低、稳定性，安全性差等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、操作方便、换挡成功率高且性能稳定的大学生方程式赛车电动换挡装置。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种大学生方程式赛车电动换挡装置，包括换挡执行与电机固定机构、无刷电机调速器、单片机控制盒和电池；

所述换挡执行与电机固定机构固定在赛车后桥前的三角车架结构上，无刷电机调速器的一端与换挡执行与电机固定机构的电机相连，另一端与单片机控制盒和电池相连，方向盘上的换挡拨片控制器与单片机控制盒相连。

进一步的，换挡执行与电机固定机构由换挡执行机构、电机固定机构两部分组成；换挡执行机构包括电机、电机输出节臂、换挡输入节臂、两条输入输出节臂连杆，电机固定机构包括电机固定法兰；

电机输出结臂通过输入输出节臂连杆与换挡输入结臂相连；电机固定在电机固定法兰上，电机输出轴与电机结臂相连接，且电机输出轴与发动机换挡输入轴平行。

进一步的，电机固定机构还包括上电机法兰固定支架，下电机法兰固定支架；

所述上电机法兰固定支架、下电机法兰固定支架一端固定在赛车车架上，另一端分别与电机固定法兰上下固定点相固定。

进一步的，电机输出节臂通过电机输出结臂锁紧机构与电机输出轴相连，所述电机输出结臂锁紧机构包括M3X35杯头内六角螺栓、打孔铝合金薄块、铝合金膨胀块、楔形钢块、M3平垫圈、M3螺母；

M3X35杯头内六角螺栓依次穿过铝合金膨胀块、楔形钢块、M3平垫圈，通过M3螺母紧固，所述楔形钢块顶部伸入铝合金膨胀块底部，铝合金膨胀块受楔形钢块挤压后膨胀锁紧。

进一步的，装置还包括用于连接电机输出节臂、换挡输入节臂与两条输入输出节臂连杆的两组紧固件，使节臂与连杆形成转动副，每组紧固件包括M4X25杯头内六角螺栓、M4平垫片、M4螺母；所述M4X25杯头内六角螺栓依次穿过其中一条输入输出节臂连杆、M4平垫片、换挡输入节臂/电机输出节臂、M4平垫片、另一条输入输出节臂连杆、M4平垫片，通过M4螺母紧固。

进一步的，所述电机壳体通过螺栓固定在电机固定法兰上。

进一步的，装置还包括用于连接电机和无刷电机调速器的线缆7-pin电机数据端口、用于连接电机和无刷电机调速器的三相动力接头、用于连接无刷电机调速器和电池的电调供电线、用于连接单片机控制盒和电池的单片机供电线、用于连接单片机控制盒和无刷电机调速器的PWM信号线。

进一步的，两条输入输出节臂连杆使用碳纤维板制成，碳纤维连杆的厚度为2mm。

进一步的，控制盒采用STM32F103单片机，电机型号DJI M3508，无刷电机调速器型号为DJI C620。

进一步的，电池为24v聚合物锂离子电池。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本实用新型的电动换挡装置结构简单，重量较轻，减少赛车后舱空间占用的同时对于赛车整车质量有一定的减轻；

(2)本实用新型换挡成功率高，换挡速度快，对赛车的加速、操纵性能有很大帮助；

(3)本实用新型采用电驱动换挡装置，换挡精准，便于操作、调试和维护；

(4)本实用新型舍去了高压气瓶，续航能力不受气瓶容积限制，在减重的同时增加了整车的安全性。

附图说明

为了更加清晰的说明本实用新型，以下对实施例或现有具体实施方式中所需使用的附图作简单说明。此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型大学生方程式赛车电动换挡装置的元件连接图。

图2是本实用新型大学生方程式赛车电动换挡装置的工作原理图。

图3是换挡执行与电机固定机构结构图。

图4是换挡执行与电机固定机构连接及位置关系爆炸图。

图5是换挡执行与电机固定机构固定位置图。

图6是电机输出轴与输出节臂锁紧机构各部件连接图。

图7是铝合金膨胀块与楔形钢块所构成的膨胀锁紧机构图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提出一种大学生方程式赛车电动换挡装置，该装置包括换挡执行与电机固定机构1、无刷电机调速器2、单片机控制盒3、电池4，以及若干用于连接电机1-1和无刷电机调速器2的线缆7-pin电机数据端口5、用于连接电机1-1和无刷电机调速器2的三相动力接头6、用于连接无刷电机调速器2和电池4的电调供电线7、用于连接单片机控制盒3和电池4的单片机供电线8、用于连接单片机控制盒3和无刷电机调速器2的PWM信号线9，连接方式如图1所示，工作原理如图2所示，单片机与无刷电机调速器由电池供直流电，当工作时，单片机控制盒3收到升/降档信号后发出PWM信号给无刷电机调速器2，无刷电机调速器2将电池4的直流电调制成电机1-1所需要的三相电，电机1-1将必要信息反馈给无刷电机调速器2由此实现闭环控制，电机1-1精确正/反转驱动换挡机构升/降档作动。

如图5所示，换挡执行与电机固定机构1固定在赛车后桥前的三角车架结构上，包括换挡执行机构、电机固定机构两部分；换挡执行机构包括电机1-1、电机输出结臂1-3、换挡输入结臂1-4和两条输入输出结臂连杆1-7、1-8，用于将电机1-1的扭力传递到发动机变速箱内同时对电机1-1的转矩进行一定程度地放大，从而完成换挡；电机输出结臂1-3通过电机输出结臂锁紧机构与电机输出轴相连。电机固定机构由电机固定法兰1-2、上电机法兰固定支架1-5、下电机法兰固定支架1-6组成；电机1-1通过电机固定法兰1-2、上电机法兰固定支架1-5和下电机法兰固定支架1-6与方程式赛车的车架相连；电池4固定在赛车座舱后部，主电源附近。换挡执行与电机固定机构1结构如图3所示。

换挡执行机构与电机固定机构1将电机1-1的扭力传递到发动机变速箱内部，同时启到了放大转矩的作用；无刷电机调速器2的一端与电机1-1相连，另一端与单片机控制盒3和电池4相连，方向盘上的换挡拨片控制器与单片机控制盒3相连。

换挡执行与电机固定机构1与车架通过上电机法兰固定支架，下电机法兰固定支架，以及紧固件刚性连接在一起。其中，用于连接电机固定法兰1-2与上下固定支架的紧固件包括4个M5X16杯头内六角螺栓1-20，用于将电机1-1固定在电机固定法兰1-2上的紧固件包括4个M4X12杯头内六角螺栓1-21，用于将上下支架固定在车架钢管上的紧固件包括8组M4X12杯头内六角螺栓1-22、M4螺母紧固件1-23。连接及位置关系见图4所示爆炸图。

电机输出节臂锁紧机构包括M3X35杯头内六角螺栓1-14、打孔铝合金薄块1-15、铝合金膨胀块1-16、楔形钢块1-17、M3平垫圈1-18、M3螺母1-19；M3X35杯头内六角螺栓1-14依次穿过铝合金膨胀块1-16、楔形钢块1-17、M3平垫圈1-18，通过M3螺母1-19紧固，所述楔形钢块1-17顶部伸入铝合金膨胀块1-16底部，铝合金膨胀块1-16受楔形钢块1-17挤压后膨胀锁紧，在能够有效锁紧的情况下使输出节臂拥有了沿电机输出轴轴向共约10mm的调节范围，锁紧机构各部件具体连接方式如图6所示，铝合金膨胀块1-16与楔形钢块1-17所构成的膨胀锁紧机构如图7所示。

装置还包括用于使节臂与连杆形成转动副的两组紧固件，紧固件包括M4X25杯头内六角螺栓1-9、第一M4平垫片1-10、第二M4平垫片1-11、第三M4平垫片1-12、M4螺母1-13；M4X25杯头内六角螺栓1-9依次穿过其中一条输入输出节臂连杆1-7、第一M4平垫片1-10、换挡输入节臂1-4/电机输出节臂1-3、第二M4平垫片1-11、另一条输入输出节臂连杆1-8、第三M4平垫片1-12，通过M4螺母1-13紧固。

两条输入输出节臂连杆1-7、1-8使用碳纤维板制成，强度高，重量轻，耐疲劳性好，尤其适合换挡这种应力方向不断变化的工况。碳纤维连杆的厚度为2mm。

优选的，单片机控制盒3中使用的是STM32F103单片机，使用PWM信号来控制电机。电机型号DJI M3508，无刷电机调速器型号为DJI C620。电池4为一块24v聚合物锂离子电池。

本实用新型解决了传统气动换挡装置所需换挡断火时间长、换挡成功率低、续航大幅受限等问题，具有操作方便，安装保养轻松，具有换挡速度快、换挡成功率高、安全的优点。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例

结合图1，一种大学生方程式赛车电动换挡装置，包括换挡执行与电机固定机构1、无刷电机调速器2、单片机控制盒3、电池4，以及若干线缆7-pin电机数据端口5、三相动力接头6、电调供电线7、单片机供电线8、PWM信号线9，连接方式如图1所示；

换挡执行与电机固定机构1包括电机1-1，电机固定法兰1-2，电机输出节臂1-3，换挡输入节臂1-4，上电机法兰固定支架1-5，下电机法兰固定支架1-6，两条输入输出节臂连杆1-7、1-8；

所述上电机法兰固定支架1-5、下电机法兰固定支架1-6一端固定在赛车车架上，另一端分别与电机固定法兰1-2上下固定点相固定。

所述电机1-1壳体固定在电机固定法兰上1-2，输出轴与电机输出结臂1-3上输出节臂锁紧机构相连。无刷电机调速器2一端与电机1-1相连，另一端与电池4和单片机控制盒3相连。

所述电机输出结臂1-3上输出节臂锁紧机构中铝合金膨胀块1-16受楔形钢块1-17挤压后膨胀锁紧，在能够有效锁紧的情况下使输出节臂拥有了沿电机输出轴轴向共约10mm的调节范围。电机输出结臂1-3另一端与两条输入输出节臂连杆相连，连杆厚度为2mm，连杆另一端与换挡输入结臂1-4相连。

本实施例的换挡执行与电机固定机装置结构如图3、图4所示，电机结臂1-3、输入输出节臂连杆1-7、1-8、换挡结臂1-4相连；电机1-1固定在电机固定法兰1-2上，电机输出轴与电机输出结臂1-3相连接，且电机输出轴与发动机换挡输入轴平行。

本装置工作时，固定在赛车车架后部，确保换挡结臂与赛车发动机换挡输入轴紧密连接。由车手方向盘上的换挡拨片发出控制信号，单片机控制盒3收到升/降档信号后发出PWM信号给无刷电机调速器2，无刷电机调速器2将电池4的直流电调制成电机1-1所需要的三相电，电机1-1将必要信息反馈给无刷电机调速器2由此实现闭环控制，电机1-1顺时针或逆时针旋转一定角度，带动电机输出结臂1-3、输入输出节臂连杆和换挡输入结臂1-4动作，完成升档或降档工作。换挡过程所需发动机断火时间短，换挡成功率高、速度快，且避免换挡力过大造成卡档或长距离系统不稳定等故障。

Claims (10)

1.一种大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：包括换挡执行与电机固定机构(1)、无刷电机调速器(2)、单片机控制盒(3)和电池(4)；

所述换挡执行与电机固定机构(1)固定在赛车后桥前的三角车架上，无刷电机调速器(2)的一端与换挡执行与电机固定机构(1)的电机(1-1)相连，另一端与单片机控制盒(3)和电池(4)相连，方向盘上的换挡拨片控制器与单片机控制盒相连。

2.根据权利要求1所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：换挡执行与电机固定机构(1)由换挡执行机构、电机固定机构两部分组成；换挡执行机构包括电机(1-1)、电机输出节臂(1-3)、换挡输入节臂(1-4)、两条输入输出节臂连杆，电机固定机构包括电机固定法兰(1-2)；

电机输出节臂(1-3)通过输入输出节臂连杆与换挡输入节臂(1-4)相连；电机(1-1)固定在电机固定法兰(1-2)上，电机输出轴与电机输出节臂(1-3)相连接，且电机输出轴与发动机换挡输入轴平行。

3.根据权利要求2所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：所述电机固定机构还包括上电机法兰固定支架(1-5)和下电机法兰固定支架(1-6)；

所述上电机法兰固定支架(1-5)、下电机法兰固定支架(1-6)一端固定在赛车车架上，另一端分别与电机固定法兰(1-2)上下固定点相固定。

4.根据权利要求2所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：所述电机输出节臂(1-3)通过电机输出节臂锁紧机构与电机输出轴相连，所述电机输出节臂锁紧机构包括M3X35杯头内六角螺栓(1-14)、打孔铝合金薄块(1-15)、铝合金膨胀块(1-16)、楔形钢块(1-17)、M3平垫圈(1-18)、M3螺母(1-19)；M3X35杯头内六角螺栓(1-14)依次穿过铝合金膨胀块(1-16)、楔形钢块(1-17)、M3平垫圈(1-18)，通过M3螺母(1-19)紧固，所述楔形钢块(1-17)顶部伸入铝合金膨胀块(1-16)底部，铝合金膨胀块(1-16)受楔形钢块(1-17)挤压后膨胀锁紧。

5.根据权利要求2所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：装置还包括用于连接电机输出节臂(1-3)、换挡输入节臂(1-4)与两条输入输出节臂连杆的两组紧固件，使节臂与连杆形成转动副，每组紧固件包括M4X25 杯头内六角螺栓(1-9)、第一M4平垫片(1-10)、第二M4平垫片(1-11)、第三M4平垫片(1-12)、M4螺母(1-13)；所述M4X25杯头内六角螺栓(1-9)依次穿过其中一条输入输出节臂连杆、第一M4平垫片(1-10)、换挡输入节臂(1-4)/电机输出节臂(1-3)、第二M4平垫片(1-11)、另一条输入输出节臂连杆、第三M4平垫片(1-12)，通过M4螺母(1-13)紧固。

6.根据权利要求2所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：所述电机(1-1)壳体通过螺栓固定在电机固定法兰上(1-2)。

7.根据权利要求2所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：装置还包括用于连接电机(1-1)和无刷电机调速器(2)的线缆7-pin电机数据端口(5)、用于连接电机(1-1)和无刷电机调速器(2)的三相动力接头(6)、用于连接无刷电机调速器(2)和电池(4)的电调供电线(7)、用于连接单片机控制盒(3)和电池(4)的单片机供电线(8)、用于连接单片机控制盒(3)和无刷电机调速器(2)的PWM信号线(9)。

8.根据权利要求1所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：两条输入输出节臂连杆使用碳纤维板制成，碳纤维连杆的厚度为2mm。

9.根据权利要求1所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：单片机控制盒(3)采用STM32F103单片机，电机(1-1)型号DJI M3508，无刷电机调速器(2)型号为DJIC620。

10.根据权利要求1所述的大学生方程式赛车电动换挡装置，其特征在于：电池(4)为24v聚合物锂离子电池。

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