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3.5 四轮车模机械结构装调方法

3.5.1 B型车模机械结构介绍

B型车模如图3.33所示,前轮采用舵机转向,舵机的原装型号是SD-5,规则不允许使用除原装舵机以外的其他舵机。与舵机相连的两根连杆直接连至前轮,舵机默认的安装方法是立式安装,可根据具体情况做相应的修改,其修改将在后面介绍。电机的位置是固定的,但可根据齿轮的啮合情况进行细微的调节,两个后轮通过一个垫片式差速器连接。

3.5.2 C型车模机械结介绍

C型车模如图3.34所示,C型车模是从第六届竞赛开始出现的,因为和A型车模出自同一生产商,因此有良好的口碑,也继承了A型车模的优点,只是在驱动部分从A型车模的单电机变成了双电机。C型车模出现的第一年,用于摄像头组别,由于当时技术和电机性能的限制,速度和A型车模还有一定差距。后来,生产商对C型车模的尺寸、电机和轮胎进行了改进,其性能提升明显,尤其在双电机的差速控制方面,给编程带来了新内容。

图3.33 B型车模示意图

图3.34 双电机C型车模示意图

3.5.3 四轮车模前轮安装方法介绍

若要使车模直线稳定运行,转向灵敏,转向后自动回正能力强,在转向轮、转向节和前轴之间需形成一定的相对安装位置,叫作车轮定位。若要改变车模与地面的接触方式,调试出利于转向、直线运行的四轮定位,由于车模本身的一些限制,只能通过调整前轮倾角各定位参数来实现。各个定位参数主要包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束。

(1)主销内倾角

主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角,它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强,但转向时也就越费力,轮胎磨损增大;反之,角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于 8°。通过调整前桥的螺杆长度可以改变主销内倾角的大小,由于过大的内倾角也会增大转向阻力,增加轮胎磨损,所以在调整时可以近似调整为 0°~ 3°,不宜太大。主销内倾角如图3.35所示。

(2)主销后倾角

主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车模转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩,使车轮自动恢复到原来的中间位置。所以,主销后倾角越大,车速越高,前轮自动回正的能力就越强,但是过大的回正力矩会使车模转向沉重。车模的主销后倾角可以设置为 0°、2°~ 3°、4°~ 6°,可以通过改变上横臂轴上的黄色垫片来调整,一共有四个垫片,前二后二时为 0°,前一后三时为 2°~ 3°,四个全装后面时为 4°~ 6°。由于主销后倾角过大时会引起转向沉重,所用舵机特性偏软,所以不宜采用 4°~ 6°的主销后倾角,2°~ 3°已足够。

图3.35 主销内倾角示意图

(3)前轮外倾角

前轮外倾角的调整主要影响弯道性能,可以通过调整前轮轴平面上方的螺丝长度来改变前轮外倾角。实际调整中,车模的前轮调成“八”字形,这样调整可以使车模转向时更加平稳,但是会增加舵机负载而引起转向迟滞。具体的长度则需要在实验中进行调整。前轮外倾如图3.36所示。

图3.36 前轮外倾示意图

(4)前轮前束

前轮前束调整能够影响车模过弯,提高车模减速性能。但是过大的前轮前束会造成驱动电机阻力增大,影响直道加速性能。可以通过调整舵机与前轮连杆长度进行调整。实际调整中,使车模前轮呈现“外八字”形状。具体的调整也需要通过实验进行。

在对前轮结构进行调整时,需要注意的是,车模的轮距、轮宽是不能随意改变的,轮胎的胎皮也需要使用原装的胎皮。这里给出B车模前轮定位参数的几个调节位置,如图3.37所示,C车模的前轮调节与B车模大同小异,就不再叙述。

图3.37 前轮定位参数调节

3.5.4 舵机安装

舵机用于控制智能汽车的转向,在车模高速行进时,舵机的灵敏度和稳定性对车模运行速度和稳定性起到决定性作用,所以对舵机的安装要非常重视,一般需要经过反复实验才能确定舵机的安装位置和安装角度。舵机的安装方式主要分为三大类:立式、卧式、横式。

(1)立式安装

舵机立式安装方式使用最多,也是默认的安装方式,但是在安装过程中一般不会使用原装的零件,普遍认为原装零件的使用效果不太好,各大智能汽车配件提供商提出了各自的安装方案,如图3.38所示是其中一种方案。在实际的安装过程中,舵机会与底盘分开一定的距离,看似将重心往上移了,但其实舵机的位置与地面的高度基本上没有变化,这种改变仅仅是把底盘降低了。很多参赛队伍会在舵机支架下面再加铜柱,目的是增加连接片的长度,增加舵机的有效力臂长度,进而提高舵机的灵敏性和响应速度。实际应用中,这种方法非常有效,但是如果要采用这种方法,就要根据所加铜柱的高度,自制一个合适的连接片。直立式的优点是安装简单,力矩长,响应速度快,但由于重心较高,转弯容易侧翻。

图3.38 立式安装

关于拉杆的问题,有两种情况,一种是当舵机处于中值时,把拉杆调整到水平位置,尽量使拉杆在此时保持最大力矩。另一种是当舵机处于中值时,把拉杆调整为“V”形或者倒“V”形,在舵机能达到的最大角,把拉杆调整成水平位置,这样在舵机转到最大角度时,力矩最大,能很快地使舵机恢复姿态,提高灵敏性和响应速度。需要注意的是,在打孔固定铜柱的时候千万要注意,不能左右偏得太严重,尽量保持在对称的位置,这样才能满足重心的要求。

(2)卧式安装

卧式安装如图3.39所示,卧式安装方案要比直立式安装方案重心低,这是卧式安装方案最大的优点。然而,卧式舵机支架力臂和车轮转向臂在一个面上,舵机的力大部分用作车轮响应,力分散小,转向有效力大,有利于转向,但是力矩要比直立式小很多,手动转动略沉。重心确实下降很多,但是力矩很难调大,安装也较费劲。

图3.39 卧式安装

3.5.5 车模后轮安装方法介绍及B型车模差速器的调整

由于比赛规则的限制,无法改变后轮的轮距,因此,四轮车模后轮位置与前轮相对位置基本是固定的,只能通过改变后轮轴承的安装位置来改变底盘的高度。不过,考虑到赛道上颠簸路面的存在,底盘如果太低,容易导致车身偏移,使小车直接冲出赛道。在实际的调车过程中,建议多次改变底盘高度,找出最优的高度。

C型车模有两个电机,可以从程序上控制实现差速,所以后轮机械上不需要进行太多的调整,需要注意的是各个齿轮之间的啮合,后文将会介绍啮合方法。与C型车模不同,B型车模只有一个电机,所以其后轮还有一个特别重要的零件——机械差速器,如图3.40所示。B型车模差速器的调整对提高入弯时的速度非常有利,其紧固螺母的松紧程度一般是靠经验感知出来的,不同速度下松紧程度都会有所差异,同时根据差速器本身的差异,有些差速器在车模行进的过程中其紧固螺母随着时间推移会有所松动,因此,车模运行一段时间就需要对差速器进行重新调整。

图3.40 后轮主轴及差速器

差速器调整如图3.41所示,用平口钳夹住夹紧端,注意不要夹坏端部的螺纹,用另一把钳子反向松或紧夹紧螺母;然后用一只手握住右边的主轴,另一只手轻轻转动主齿轮,当感到左边(短)的主轴反向转动,再用手指压住左边的主轴,转动主齿,感觉松紧合适即可。松紧度与车模的质量有直接的关系,需要反复调整。

任何机械零部件在使用一段时间之后总会有些磨损,差速器也不例外,因此,要注意对差速器进行保养,主要的保养方法是给其涂上差速油,太脏的差速器可以使用酒精清洗一遍,然后再涂差速油。

图3.41 差速器调整示意图

3.5.6 四轮车模重心位置控制

四轮车模的重心位置,一般来说越低越好。重心越低,车模过弯道时侧翻的概率越小,同时,直道提速更快。降低重心最简单的方法就是降低底盘高度,这可以在相应位置添加垫片或者其他零部件来实现。

除了降低重心外,还需要考虑重心在车模前后左右的位置,具体来说,要保持左右两个轮子所受的压力基本相同。也就是说,保持重心在车模的中心线上,这仅仅是确定了左右重心位置,重心前后位置根据实际情况调整,重心靠前可能会影响转向性能,太靠后又会降低转向摩擦,一般的经验是,如果车模比较重,可以把重心的位置尽量往后移,反之可以把重心往前移。车模的质量不要过轻,也不要太重,太重了,高速过弯的时候容易翻车;太轻了,过弯时很容易滑出去。因此,重心前后位置的问题,可以结合车模实际情况做相应的调整。

3.5.7 四轮车模底盘高度与底盘刚度调整

B型车模有两种,在第十三届智能汽车竞赛中,新B型车模首次用于竞赛。两种车模从整体上来说结构基本一致,最大的区别就是底板,旧B型车模的底板相对于新B型车模刚度会小一些,因此,在装车的过程中需要对其进行加固,通常用来加固的材料是玻璃纤维板,可以在画好CAD文件后由专门的厂家进行加工,也可以自己手动加工。对于新B型车模和C型车模,底板刚度足够,不需要再进行加固。

车模的底盘越低车模运行会更流畅,但考虑到赛道元素(坡道和颠簸路面)的存在,也不能太低,合适即可。可以使用垫片或者其他材料将螺栓连接处垫高,从而达到降低底盘的目的。

3.5.8 齿轮啮合

啮合是指两机械零件间的一种传动关系,称为啮合传动。齿轮传动是最典型的啮合传动,也是应用最广泛的一种传动形式。根据传动原理的不同,分为直齿齿轮啮合传动和斜齿齿轮啮合传动,这里介绍直齿齿轮啮合传动。电机上齿轮作为主动轮,后轮和编码器上的齿轮作为从动轮,理论上的啮合方法是主动轮和从动轮的分度圆相切,但实际上精确找到分度圆位置十分困难,所以采用经验法安装。每次啮合好后,转动轮胎,观察其是否流畅来确定啮合是否合适。

轮胎轴上的齿轮一般不能调节,所以先将电机上的螺钉拧松后,微调电机的位置,确定电机上的齿轮与轮轴上的齿轮的位置,转动轮轴观察其是否流畅。然后拧松编码器上的螺钉,微调编码器的位置,确定其齿轮与轮轴上的齿轮的位置,同样转动轮轴观察其是否流畅。

齿轮啮合好后需要注意维护,要及时清除齿轮啮合工作面的污染物,保持齿轮清洁并正确选用齿轮润滑油,定期换油,保持齿轮工作在正常的润滑状态。此外,还需要经常检查齿轮传动的啮合状况,保证齿轮处于正常的传动状态。

3.5.9 车模日常保养

车模调试过程中,车模的零件会受到不同程度的磨损,通过车模保养可以减缓其磨损速度。因此,每次车模调试完毕,需要对其进行保养。

车模保养最重要的是加装合适的防撞条,虽然厂家提供了B型车模的防撞条,在一定程度上可以减缓B型车模受到的冲击力,但其长度不太合适,如图3.42所示,部分前轮没有被防撞条挡住。车模高速运行时,如果撞到前轮,前轮通过舵机连杆直接影响到舵机内部的齿轮,因为SD-5 舵机内部的齿轮是塑料齿轮,在较强的冲击力下很容易发生折断,所以需要设计加装防撞条,使其能够保护前轮,防撞条需要有较大的缓冲力,C型车也同样需要加装防撞条。

图3.42 B型车模默认防撞条

B型车模轮胎很硬,在PVC耐磨塑胶地板材料上使用这种轮胎摩擦力很小,因此,对B型车模轮胎进行处理也是很有必要的。处理轮胎通常通过对其进行软化来实现,可以涂上轮胎软化剂,甚至用软化剂对轮胎进行一段时间的浸泡。同样,C型车模轮胎也可以进行软化处理,软化处理后用保鲜膜密封,如图3.43所示。

图3.43 C型车模轮胎保养示意图

有时候实验室环境下会有静电,需要注意静电所带来的危害,比如静电可能会使单片机复位,可以使用锡箔纸把车的底板等位置覆盖,然后用导线与电路板上的GND连在一起。

最后需要注意的是齿轮和差速器的润滑,齿轮润滑最主要的就是后轮的三个齿轮连接处,可以尝试使用各种润滑剂,但建议使用脂类润滑剂,不用润滑油,特别是在夏天,每1~2 天就需要涂一次。 IwU7PpMOR6pQTM0mfhab101JY9E7RU9KuWeT5t1f/06sBPjRL43q6Bs41m57m5Ns

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