《智能车制作 “飞思卡尔杯”从入门到精通》教材部分章节节选

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1、第3章机械结构介绍汽车底盘由四大系统组成：转向系统、传动系统、制动系统和行驶系统。智能车是仿真赛车的模型车，与真实汽车一样也具有四大系统，只是在具体结构上略有差异。本章将参照汽车的结构讲解智能车的各机械系统。3.1转向系统3.1.1转向系统结构汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总成，它的功用是保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。按照转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械式转向系以驾驶员的体力作为转向动力，其中所有传力件都是机械机构，它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。如图3-1所示：图3-1机械转向系统示

2、意图转向操纵机构：转向盘、转向轴、万向节、传动轴；转向器：改变力矩方向，减速增扭；13转向传动机构：转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向节、梯形臂、横杆；传力途径：转动转向盘—通过万向节输入转向器—经转向器减速增扭—转向摇臂—纵拉杆—转向节臂—左转向节绕主销偏转—左梯形臂—横拉杆—右梯形臂—右转向节。智能车转向系统为机械转向系，结构上与汽车的转向结构类似。汽车的转向系统因前悬架不同分为非独立式转向系统和独立式转向系统，智能车前悬架为独立式悬架，转向系统是参考汽车独立式悬架转向系统设计的。图3-2所示为汽车独立式悬架转向系统的结构示意图，图3--3为智能车

3、转向系统结构示意图，它们的结构是基本相同的。智能车转向系统也有左右对称的横拉杆、转向节臂。图3-2独立悬挂转向系统示意图图3-3智能车转向系统现代车辆的转向原理是四杆机构中的双曲柄机构，如图3-4所示。AC和BD为两等长不平行的曲柄，即AB和CD两平行不等长长的连杆设计而成的阿克曼几何。当以A点为瞬时中心时，中心将曲柄AC向右转动角α1时，经由连杆CD使曲柄BD亦向右转动β1角。此时，α1>β1；同理AC向左转角α2时，经由连杆CD使曲柄BD亦向左转动β2角，此时α2<β2。图3-4四连杆双曲柄机构为了避免在汽车转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过

4、快磨损，要求转向系统能保证在汽车转向时所有车轮均作纯滚动。这只有在所有车轮的轴线都相交于14一点方能实现。此交点O称为车轮的转向中心（图3-5）。这个中心不是固定不变，而是随着驾驶员的操纵的转向轮的偏转角度的变化而变化。这中心也叫瞬时转向中心。这就是我们所说的阿克曼转角定律。由右图可见，内转向轮偏转角β应大于外转向轮偏转角α。在车轮为绝对刚体的假设条件下，角α与β的理想关系式为：BcotαcotβL其中B为前轮距，L为轴距。图3-5阿克曼转角定律3.1.2舵机固定方式智能车竞赛规则中对舵机做了限制，每个组别的车模只能使用同一种型号的舵机。以A车模为例

5、，其使用FutubaS3010舵机（图3-6）。其性能参数为：6V时扭矩为6.5KG.CM、动作速度为0.16+/-0.02sec/60°。15图3-6FutubaS3010舵机智能车转向系统追求稳定、可靠的转向速度。在舵机性能固定的条件下，转向系统设计需考虑以下边界条件：1、性能稳定、可靠；2、转向左右对称；3、快速转向；4、整体布局紧凑。智能车竞赛经历了八届，转向系统大部分为图3-3所示结构，但舵机布局略有差异。舵机的固定位置不同对转向系统的响应速度和整车布局均有影响。下面介绍舵机的不同固定方式，同时分析不同布置方式的特点。1）.卧式图3-7前置卧式

6、16图3-8后置卧式优点：安装原车模舵机布置方式、改动量小，重心低；缺点：响应速度慢、两边拉杆长度不一样、转向不对称。2）.扣式图3-9扣式优点：重心低、响应速度快、转向平顺对称；缺点：安装过程复杂、不利于后续维护调整。3）.卧式图3-10前置立式图3-11后置立式优点：响应速度快、转向平顺对称、安装便捷；缺点：重心略高，后置立式占用底盘中部空间。经过上述对比、分析，发现前置立式舵机固定方式更适合智能车竞赛的综合要求。前置立式舵机固定方式，不仅可以获得更快的转向响应速度，，而且舵机前置可以把车模中部的空间完全提供给电路、传感器布局。173.1.3转向系统

7、设计采用前置立式舵机固定方式，因舵机输出轴高度增加，需要重新设计固定支架和转向摆臂。图3-12舵机固定支架图3-13转向摆臂下面以A车为例讲述舵机摆臂和舵机支架的设计思路。舵机摆臂是将舵机的旋转运动转换成横摆运动的一种机构。在智能车竞赛里面，通过舵机摆臂将舵机转矩传递到连接轮子上面的横拉杆，实现轮子的左右转动，从而实现转向。转向在智能车比赛中是至关重要的，而摆臂直接关系到智能车转向灵敏度。如图3-14所示，匀速圆周运动的线速度等于角速度与旋转半径的乘积，即V=ω*R。图3-14匀速圆周运动转向舵机因型号固定在供电电压确定时其输出力矩是固定的，我们知道力矩

8、等于力与力臂的乘积，即M=F*L。舵机的输出力矩与摆臂长度关系如下：舵机转矩=舵