智能模型车底盘浅析..doc

智能模型车底盘浅析 陈宋 李立国 黄开胜 （清华大学 汽车工程系 北京 100084） 摘要：本文根据汽车理论中与车辆底盘性能相关的原理，针对智能车比赛用模型车底盘，对其各调整参数 加以介绍，并侧重从转向轮定位参数的选择，重心位置，舵机性能与行驶速度对转弯半径的影响的角度对 模型车底盘性能加以分析。 关键词：前轮定位 舵机 转向 转弯半径 1．引言 全国高等学校自动化专业教学指导分委员会受国家教育部委托，举办第一届“飞思卡尔”杯大学生智能车邀请赛。由于该模型车底盘转向轮定位、底盘高度等诸多参数均可调，且会对模型的性能产生一定的影响，故我们从专业的角度对转向轮定位、车辆的重心选择、侧滑的原理加以介绍，并针对比赛用模型车底盘进行了一系列测试，包括转向轮定位参数的选择、舵机性能实验以及模型车转向稳态实验，得出了这些调整参数之间的影响规律，希冀能够给相关参赛队伍在算法制定、仿真参数设定以及底盘、舵机等硬件结构调整、优化等方面提供一定的参考。 2．汽车底盘相关性能的原理 2．1转向轮定位参数 对于汽车而言，要保持车辆直线行驶的稳定性，使之转弯自动回正、转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。 （1）主销后倾角 主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩, 阻碍车轮偏转(如图1)。直线行驶的汽车偏行驶方向而右转弯, 由于离心力作用, 在车轮与路面接触点b产生一个对车轮的侧向反作用力Y , 由于不通过轴线, 而形成了使车轮绕主轴线旋转的力矩YL , 其方向与车轮偏转方向相反。此力矩使车轮恢复到原来中间位置, 从而保持了汽车直线行驶的稳定性。主销后倾角越大, 车速愈高, 车轮偏转后自动回正力越强, 但回正力矩过大, 将会引起前轮回正过猛, 加速前轮摆振, 并使转向沉重。 通常后倾角为1°－3°。 （2）主销内倾角 在汽车前后方向上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角（如图2角β）。当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时, 由于主销内倾, 则车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。另外由于主销内倾, 使主销轴线延长线与路面的交点到车轮中心平面的距离减小, 转向时路面作用在转向轮上的阻力矩减小, 从而可减少转向时驾驶员施加在转向盘上的力, 使转向操纵轻便。通常主销内倾角不大于8°。 （3）前轮外倾角 前后方向看车轮，轮胎并非垂直安装，而是稍微倾斜。在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角（见图2角α）。 前轮外倾角一方面可以在汽车重载时减小或消除主销与衬套、轮毂与轴承等处的装配间隙, 使车轮接近垂直路面滚动而滑动, 同时也减小了转向阻力, 使汽车转向轻便；另一方面也防止了由于路面对车轮垂直反作用力的轴向分力压向轮毂外端的轴承, 减少了轴承及其锁紧螺母的载荷,增加了使用寿命, 提高了安全性。一般前轮外倾角为1°左右。但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。 （4）前轮前束 俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束（如图3）。车轮前束的作 用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果, 二者相互协调,保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。现代汽车既然前轮外倾角已经减小甚至为负值, 相应的前轮前束也应减小甚至也为负值。一般为0－12mm。 2．2重心位置对汽车性能的影响 汽车重心的位置通常用重心距前轴中心线的水平距离和重心距水平路面的高度来表示。可通过实验法、估算法测出重心位置。 （1）对动力性能的影响 汽车正常行驶必须满足驱动－附着条件： 即汽车的驱动力必须大于等于坡度阻力、滚动阻力、空气阻力之和而等于汽车驱动轮的附着力。附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷有关，而驱动轴的轴荷取决于重心的水平位置，故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力。仅从此方面考虑，重心越靠近驱动轴越好。 （2）对制动性能的影响 汽车制动性要求制动减速度大、制动距离短，有良好的制动方向稳定性，即不易发生前轮丧失转向、后轴侧滑和跑偏现象。制动方向的稳定性与前后轮的抱死次序有关，而抱死次序则与重心位置有关，若重心位置保证汽车的同步附着系数（β为前制动力占整车制动器制动力比例，b为重心到后轴水平距离）等于汽车常用路面附着系数，那制动稳定性即较好；若重心前移，b增大，易发生后轴侧滑，对高速汽车危险性大；若重心后移，b减小，前轮易丧失转向能力。 （3）对通过性的影响 汽车在较陡侧坡行驶或高速急转弯行驶时，会发生侧向倾覆，为避免这种危险，重心应在保证最小离地间隙的前提下尽量降低。 综合上面分析，在加装诸多电路板后应尽可能保证模型车的重心垂