模型車(chē)底盤(pán)技術(shù)的分析與建議

摘要：本文參照汽車(chē)理論的角度對轉向輪定位參數、車(chē)輛的重心選擇、側滑等原理，重點(diǎn)介紹了智能車(chē)比賽用模型車(chē)底盤(pán)。該車(chē)底盤(pán)通過(guò)對轉向輪定位參數、舵機性能以及模型車(chē)轉向穩態(tài)性的測試，得出了這些調整參數之間的影響規律。該技術(shù)可以為相關(guān)參賽隊伍在算法制定、仿真參數設定以及底盤(pán)、舵機等硬件結構調整、優(yōu)化等方面提供一定的參考。

引言

本文從汽車(chē)理論的角度對轉向輪定位、車(chē)輛的重心選擇、側滑等原理加以介紹，并針對比賽用模型車(chē)底盤(pán)進(jìn)行了一系列測試，包括轉向輪定位參數的選擇、舵機性能測試以及模型車(chē)轉向穩態(tài)測試，得出了這些調整參數之間的影響規律，希冀能夠給相關(guān)參賽隊伍在算法制定、仿真參數設定以及底盤(pán)、舵機等硬件結構調整、優(yōu)化等方面提供一定的參考。

模型車(chē)底盤(pán)相關(guān)性能

模型車(chē)底盤(pán)轉向輪定位參數

對于汽車(chē)而言，要保持車(chē)輛直線(xiàn)行駛的穩定性，使之轉彎自動(dòng)回正、轉向輕便，必須確定車(chē)輪定位參數，包括主銷(xiāo)后傾、主銷(xiāo)內傾、前輪外傾和前輪前束。

模型車(chē)底盤(pán)主銷(xiāo)內傾角

在汽車(chē)前后方向上，主銷(xiāo)向內傾斜一個(gè)角度，主銷(xiāo)軸線(xiàn)與垂線(xiàn)間的夾角稱(chēng)為主銷(xiāo)內傾角。當汽車(chē)轉向輪在外力作用下發(fā)生偏轉時(shí)，由于主銷(xiāo)內傾，則車(chē)輪連同整個(gè)汽車(chē)的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車(chē)輪就會(huì )在重力作用下力圖恢復到原來(lái)的中間位置。通常主銷(xiāo)內傾角不大于8°。

模型車(chē)底盤(pán)前輪外傾角

在汽車(chē)的橫向平面內，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱(chēng)為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車(chē)輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉向阻力，使汽車(chē)轉向輕便;另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外傾角為1°左右，但對于有高速、急轉向要求的車(chē)輛，前輪外傾角可減小甚至為負值。

模型車(chē)底盤(pán)主銷(xiāo)后傾角

主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪偏轉后形成一回正力矩，阻礙車(chē)輪偏轉。主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速愈高，車(chē)輪偏轉后自動(dòng)回正力越強，但回正力矩過(guò)大，將會(huì )引起前輪回正過(guò)猛，加速前輪擺振，并使轉向沉重。通常后傾角為1°～3°。

模型車(chē)底盤(pán)前輪前束

俯視車(chē)輪，汽車(chē)的兩個(gè)前輪的旋轉平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現象稱(chēng)為前輪前束。車(chē)輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調，保證前輪在汽車(chē)行駛中滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。前輪前束一般為0～12mm。而現代汽車(chē)的前輪外傾角出現減小甚至為負值的趨勢，前輪前束也應相應減小甚至也為負值。

重心位置對汽車(chē)性能的影響

汽車(chē)重心的位置通常用重心距前軸中心線(xiàn)的水平距離和重心距水平路面的高度來(lái)表示?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗法、估算法測出重心位置。

模型車(chē)底盤(pán)對制動(dòng)性能的影響

汽車(chē)制動(dòng)性要求制動(dòng)減速度大、制動(dòng)距離短，有良好的制動(dòng)方向穩定性，即不易發(fā)生前輪喪失轉向、后輪側滑和跑偏現象。制動(dòng)方向的穩定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心位置保證汽車(chē)的同步附著(zhù)系數(β為前制動(dòng)力占整車(chē)制動(dòng)器制動(dòng)力比例，b為重心到后軸水平距離)等于汽車(chē)常用路面附著(zhù)系數，那制動(dòng)穩定性即較好;若重心前移，b增大，易發(fā)生后軸側滑，對高速汽車(chē)危險性大;若重心后移，b減小，前輪易喪失轉向能力。

模型車(chē)底盤(pán)對動(dòng)力性能的影響

汽車(chē)正常行駛必須滿(mǎn)足驅動(dòng)-附著(zhù)條件：

即汽車(chē)的驅動(dòng)力必須大于等于坡度阻力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力之和而等于汽車(chē)驅動(dòng)輪的附著(zhù)力。附著(zhù)力與路面附著(zhù)系數和驅動(dòng)軸的軸荷有關(guān)，而驅動(dòng)軸的軸荷取決于重心的水平位置，故重心位置必須保證驅動(dòng)輪能夠提供足夠的附著(zhù)力。僅從此方面考慮，重心越靠近驅動(dòng)軸越好。

對通過(guò)性的影響

汽車(chē)在較陡側坡行駛或高速急轉彎行駛時(shí)，會(huì )發(fā)生側向傾覆，為避免這種危險，重心應在保證最小離地間隙的前提下盡量降低。

綜合上面分析，在加裝諸多電路板后應盡可能保證模型車(chē)的重心垂直位置盡量的低，水平位置應在車(chē)中線(xiàn)上靠近后軸。

汽車(chē)側滑

為保證汽車(chē)轉向車(chē)輪無(wú)橫向滑移的直線(xiàn)滾動(dòng)，要求車(chē)輪外傾角和車(chē)輪前束有適當配合，當車(chē)輪前束值與車(chē)輪外傾角匹配不當時(shí)，車(chē)輪就可能在直線(xiàn)行駛過(guò)程中不作純滾動(dòng)，產(chǎn)生側向滑移現象。這種滑移現象過(guò)于嚴重時(shí)，將破壞車(chē)輪的附著(zhù)條件，使汽車(chē)喪失定向行駛能力。側滑分為以下幾種情況。

定向側滑

隨機側滑

轉向側滑

制動(dòng)側滑

汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中若前輪先抱死拖滑，則將可能發(fā)生側滑。

可以采取一些補償措施減小側滑。對于定向側滑，用前輪前束產(chǎn)生的Q類(lèi)側滑來(lái)補償外傾產(chǎn)生的W類(lèi)側滑是基本手段。Q類(lèi)側滑的性質(zhì)為：側滑大小等于前束角大小;側滑方向與前束角方向相反，與車(chē)輛行駛方向有關(guān);與路面質(zhì)量無(wú)關(guān)。對于隨機側滑，主要是從改變獨立懸架結構入手，如本車(chē)模的雙橫臂式獨立懸架車(chē)橋車(chē)輪的隨機側滑可用四連桿機構綜合理論改變上下橫臂的長(cháng)度，使模型行駛過(guò)程中輪距變化不大，從而減小隨機側滑。對于轉向側滑，主要靠選擇合適的主銷(xiāo)角度，合理搭配主銷(xiāo)內傾與后傾角，盡可能使轉向內輪產(chǎn)生外傾或增加外傾，使轉向外輪產(chǎn)生內傾或減小外傾。

模型車(chē)底盤(pán)性能

模型車(chē)底盤(pán)采用的是等長(cháng)雙橫臂式獨立懸架(如圖1)，當車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，車(chē)輪平面沒(méi)有傾斜，但輪距會(huì )發(fā)生較大變化，故車(chē)輪發(fā)生側向滑移的可能性較大。本車(chē)共有6處參數可調，其中主銷(xiāo)內傾角對模型車(chē)性能影響不大，可設為。

圖1前輪前束調整

主銷(xiāo)后傾角

可以通過(guò)增加墊片的數量來(lái)增大主銷(xiāo)后傾角，共有4片墊片，前2后2，后傾角為0;前1后3，后傾角為;前0后4，后傾角為。

對于本模型車(chē)，若欲使之轉向靈活，主銷(xiāo)后傾角可選;欲增大回正力矩，則后傾角可選。

前輪外傾角

與模型車(chē)的側滑關(guān)系較大，需與前輪前束相匹配，可設為。

底盤(pán)離地間隙

在獨立懸架下擺臂與底板之間可以通過(guò)增減墊片來(lái)調整底盤(pán)前半部分的離地間隙，墊片有1mm和2mm兩種規格。一片墊片不加，車(chē)前部離地間隙為9mm，故離地間隙的調整范圍為9mm～12mm。從已有的經(jīng)驗來(lái)看，在加裝了傳感器之后，此距離過(guò)小，會(huì )降低模型車(chē)爬坡時(shí)的通過(guò)度;過(guò)大，則會(huì )影響傳感器的靈敏度。

模型車(chē)底盤(pán)前輪前束

前輪是由舵機帶動(dòng)左右橫拉桿實(shí)現轉向的。主銷(xiāo)在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(cháng)度即可改變前輪前束的大小。左桿短，可調范圍為10.8mm～18.1mm;右桿長(cháng)，可調范圍為29.2mm～37.6mm(如圖1紅圈所示)。

后懸掛縱向減震彈簧預緊力

在圖2紅圈處增加墊片即可增大彈簧的預緊力。

圖2懸掛預緊力調整

舵機性能測試

在舵機的軸上連接一個(gè)變阻器，該變阻器有三個(gè)接頭，兩側的接頭一端接在5V電源上，另一端接地，中間的接頭連在示波器上，示波器測電壓。當舵機帶動(dòng)前輪轉動(dòng)時(shí)，變阻器的阻值隨之改變，示波器的電壓值也發(fā)生變化，即將電壓與舵機的轉角對應起來(lái)，這樣，通過(guò)測量電壓隨時(shí)間的變化即可知舵機轉角的變化率。從試驗中可知，舵機近似勻速地由一側最大轉角轉至另一側最大轉角。結合對前輪最大轉角的測量，可估測出舵機的轉速約為2.42rad/s-2.52rad/s。由汽車(chē)理論的相關(guān)知識可知，該舵機性能偏軟，可通過(guò)增大前輪前束來(lái)進(jìn)行調整。

對舵機性能的測試主要用于設定仿真參數，同時(shí)估算出的舵機轉速也對程序相應速度和轉向時(shí)的車(chē)速限制有一定的參考意義。

模型車(chē)穩態(tài)轉向測試

本節探討舵機PWM占空比與車(chē)速、轉彎半徑之間的關(guān)系。試驗中舵機PWM占空比設為6擋，分別以1、2、3、4、5、6表示，數字越大轉角越大。如圖1為舵機轉角為擋位1時(shí)的車(chē)速DD轉彎半徑對應圖，由試驗可知，在相同轉角下，轉彎半徑與車(chē)速大致呈線(xiàn)性關(guān)系。

根據模型車(chē)的相關(guān)數據由下式可算得理論轉彎半徑為275mm。該值與模型車(chē)試驗中0.31m/s時(shí)的轉彎半徑相近;當模型車(chē)車(chē)速>1.4m/s后開(kāi)始出現側滑現象。

結語(yǔ)

本文對智能車(chē)比賽用模型車(chē)的轉向輪定位參數調整、底盤(pán)高度的調整、重點(diǎn)的選擇、側滑的控制、舵機的轉向性能及轉向穩定性進(jìn)行了分析，給出了模型車(chē)相關(guān)參數的調整建議。另外由于上述模型車(chē)關(guān)于轉向的參數是相互影響的，因此本文給出的僅是各參數的調整趨勢，最佳匹配值還需根據賽道調試獲得。