基于連桿機構的S型無碳小車微調方案

康渝佳　周浩　付昌勝　李霞

摘要：由于設計、制造、裝配及現場發車等各種原因，無碳小車實際行走的軌跡與理論軌跡往往存在一定偏差。轉向機構作為無碳小車的核心組成部分，將其設計成微調結構能有效的調節軌跡偏差。通過 MATLAB仿真，分析連桿機構各桿長變化時對小車軌跡的影響；結合仿真結果和制作的小車實際調試試驗，分析當小車軌跡產生偏差時的微調方案對小車實際調試過程具有指導意義。

關鍵詞：連桿機構；無碳小車；MATLAB ；微調方案

Abstract：Due to the design，manufacture，assembly，and other reasons，there is a certain deviation between the actual trajectory and the trajectory of the carbon free car.As the core component of the carbon free car，the steering mechanism is designed to adjust the trajectory deviation.Through MATLAB simulation，impact on the car trajectory analysis of spatial linkages mechanism changes； combined with the simulation result and actual production car test，analysis of finetuning the program when the car trajectory deviation from the actual debugging process has guiding significance on the car.

Key words：Spatial linkage mechanism；Carbon free car； MATLAB ；Adjustment scheme

第五屆全國大學生工程訓練大賽以“重力勢能驅動的具有方向控制的自行小車”為主題，要求小車在行走過程中所需的能量均由給定的重力勢能轉換而得，且小車的轉向機構具有可調節功能，以適應放有不同間距障礙物的競賽場地。因此在研究過程中，使“S”型無碳小車走出均勻的“S”型軌跡尤為重要。在整個小車設計過程中，轉向機構的設計是核心部分。王政等基于ADAMS軟件為平臺，創建以連桿機構為參考的完全參數化無碳小車轉向機構系統模型[1]；吳新良等設計了一種采用凹槽凸輪推桿機構實現轉向的自行小車[2]；劉敏等利用不完全齒輪機構控制對心曲柄連桿滑塊機構間歇性運動來實現無碳小車周期性轉向[3]；曹斌等利用槽輪機構實現8字軌跡的循環繞行[4]；這些方案都可以實現小車的轉向功能。但從歷屆工程訓練大賽參賽小車總體情況來來看，由于結構簡單、加工方便等原因，小車轉向機構選擇最多的還是空間連桿機構。

1 無碳小車行走軌跡的理論分析

大賽要求小車為三輪結構，其中一輪為轉向輪，另外二輪為行進輪。為了小車整體結構簡單，小車前輪為轉向輪，一個后輪為主動輪，另一個為從動輪。對于小車軌跡分析，根據比賽要求，無碳小車需要繞過間距為1m的障礙物。所以擬定無碳小車中心的軌跡為：

y=Asin（2πx2000）

其中A為小車在S軌跡的最大峰值，根據實際情況，在不脫離賽道的范圍前提下，小車軌跡振幅越大，小車的容錯率越高，即小車在行走過程中不易于受到由于振幅小、誤差累計而導致撞到障礙物的問題。同時A值也不應偏大，當A偏大時，無碳小車在實際行走時走出跑道的概率也增大。由于賽道的寬度為2m。這里選擇A值為400mm。構建圖1小車模型：

為了得出式（1）的軌跡函數，通過仿真計算得出小車主要尺寸如下：小車曲柄l1=21mm，連桿l2=110mm，轉向搖桿l3=45mm，小車前后輪之間的距離d=134mm，小車兩后輪之間的距離2h=137mm。無碳小車采用空間連桿機構，其主要運動過程為：曲柄做圓周運動，會帶動前輪轉向搖桿做擺動，前輪的轉角則由轉向搖桿控制。通過仿真設計過程可以得出：改變小車曲柄長度，連桿長度，小車的行走軌跡也會有所不同。

2 軌跡偏差理論分析

2.1 軌跡偏差來源

無碳小車在裝配完成后，開始調試時會發現小車實際軌跡與理論軌跡有較大偏差，造成偏差的原因可歸結為以下幾類：

2.1.1加工精度造成的尺寸偏差

[JP3]雖然連桿機構相對于凸輪、槽輪等其它類型的轉向機構來說，結構簡單，加工容易。但在實際的加工過程中，所選擇的加工設備和操作者的技能對最終制作的零件仍有較為直接的影響。由于在校學生的實際加工能力所限，制作的零件與圖紙產生偏差在所難免，但因為成本受限等原因，往往對加工的零件選擇了讓步使用，這是造成零件加工制作精度偏差的一個主要原因。[JP]

2.1.2裝配精度造成的尺寸偏差

裝配精度誤差是整個競賽拆裝過程中無法避免的問題。軸承座安裝誤差直接會影響到同軸度，進而影響小車的整個運行軌跡；齒輪的嚙合間隙問題，嚙合間隙過小會增大小車的摩擦力，甚至會出現齒輪完全卡死不能運轉的情況，間隙變大則可能導致脫齒現象；還有其他運動部件與靜止部件的裝配間隙的大小均會對小車的運行軌跡產生一定的影響。

2.1.3結構影響造成的轉角偏差

由于連桿機構存在急回特性等原因，導致所設計的小車軌跡在一個周期范圍內，左右偏角并不相等。

2.1.4發車位置造成的軌跡偏差

針對于空間連桿型的無碳小車，小車的初始發車位置應位于左右振幅的最大峰值處，此時小車的轉向輪也同樣為最大偏角時即曲柄位置于水平，車身應位于垂直于起點線。因此要準確找到發車位置同時具備上述兩個基本條件，才可以使小車行走出預定軌跡。圖3、圖4分別為小車發車位置存在偏差時的行走軌跡。

2.2 解決方案

作為對精度要求比較高的無碳小車，首先要從設計上防止零件加工后出現較大的誤差的可能性，如增加車體關鍵零件的剛度。 其次應避免由于設計不當造成裝配的誤差積累比如在零件上多加一些銷，鍵等保證定位的零件。多做一些較精確的定位基準面等措施，在零件加工時盡量一次成型不進行二次加工，減少因多個基準而造成的誤差。[5]

但盡管如此，仍有一些無法避免的誤差。所以這里采用微調機構，增加微調機構在一定程度上能補償了誤差帶來的軌跡偏差。其中，影響誤差最大的地方就在于轉向機構的調整方案。轉向機構直接控制前輪的擺角，從而起到微調的作用。

3 軌跡微調裝置及調節方案

無碳小車轉向機構采用了結構和運動都相對穩定可靠的空間連桿機構（如右圖6所示），通過設計曲柄搖桿機構中各桿長參數使其形成擺轉副，來實現對小車前輪轉向的控制[6]，并通過合理設計各桿長，來有效提高搖桿擺角規律的對稱性。絲桿和滑塊連接，通過扭動絲桿改變滑塊的位置從而改變曲柄的有效長度。連桿采用微分頭連接，通過調節微分頭來改變連桿的有效長度。

無碳小車在運行過程中通過重物帶動主動軸轉動使曲柄做規律的圓周運動，通過連桿在中間的傳遞作用帶動搖桿前后搖擺，使與搖桿連接的轉向輪隨之左右擺動從而實現小車前輪的轉向要求。

無碳小車轉向機構的微調裝置分析。使用可調節的連桿機構能夠改變無碳小車運動軌跡及其周期變化，通過調節曲柄長度和連桿長度進而改變周期和擺角。首先在結構問題當中，左右偏角不同的問題探討，經過MATLAB分析優化，不斷調整桿長與之適應，得出如圖7軌跡曲線，滿足小車軌跡運動基本曲線。

如圖6為設計的曲柄微調機構，在小車行走總路程（即弧線總長）一定的前提下，通過調節絲桿機構可以有效改變曲柄的長度，繼而影響小車的周期，在周期改變的同時振幅也相應進行改變。通過MATLAB模擬仿真，可得出圖7所示行走軌跡。

由圖7，可以看出曲柄長度變化對小車行走軌跡的影響：與設計的標準長度相比，若曲柄長度變小，則小車左右擺動的極限偏角變小，造成小車運行振幅變小，周期變長；反之，若曲柄長度變大，則小車左右擺動的極限偏角變大，造成小車振幅變大，運行周期變長。在實際的競賽過程中，在樁距未知的情況下，可以通過調節曲柄長度來改變小車運行周期以適應不同的樁距。

在實際競賽過程中，由于比賽規則周期已明確，在小車曲柄位置上不完全依賴微調，在通過實際試跑確定周期的前提下，可以盡量不去改動，若周期發生改變，為保證小車能夠沿直線行走其對應的桿長也要相應發生改變，不易精確控制。

連桿長度的改變直接影響小車左右偏角的大小。設計的連桿微調機構如圖8所示，為了更加精確的記錄實際實驗的數據，以及定量的試跑調車，在連接調節桿長長度的地方加裝了微分頭，精確到最小誤差0.01mm，通過MATLAB進行仿真分析，來觀察連桿長度與其理論長度產生偏差時，小車軌跡的變化。

桿長為理論尺寸時的小車行走軌跡如圖9所示：

當使桿長比理論尺寸增大+ 0.15mm時，小車行走軌跡如圖10所示：

當使桿長比理論尺寸減小 0.15mm時，小車行走軌跡如圖11所示：

由圖911分析，在桿長變化0.3mm之間小車的運動軌跡就發生了很大程度上的偏離，由于累加效應，桿長微小的變動就會使軌跡之間的差異很大，要想使小車行走軌跡不偏離，微調的范圍則更小，因此在這里選擇微分頭，調節精度精確到0.01mm。

4 結論

本文通過理論分析，說明了由于設計、制造、裝配及現場發車等因素的影響，無碳小車軌跡偏差存在的必然性。對無碳小車中的轉向機構——“空間連桿機構”進行微調設計，通過MATLAB仿真及實際調試軌跡分析得出空間連桿機構的曲柄，連桿長度變化對小車運行軌跡的影響。即：曲柄控制周期，振幅的變化，調節曲柄同時連桿也發生變化，曲柄長度減小，周期變大；長度增大，周期變小。連桿控制轉向輪的左右偏角的大小，改變連桿，則行走軌跡的一邊極限偏角變大，一邊偏差偏角變小（具體與小車的結構有關）；由于軌跡誤差的累加性質，連桿的調節范圍往往以0.01mm為單位進行適當調節。周期振幅滿足條件的情況下，若小車發生左偏，則連桿長度縮短，反之則反。通過對轉向裝置微調方案定性和定量的分析，當實際行走軌跡不滿足現場競賽要求時，本文的分析結果可以指導小車進行相應的微調，以使無碳小車走出符合要求的軌跡。

參考文獻：

[1]王政，何國旗，胡增.基于ADAMS軟件的無碳小車轉向機構設計[J].湖南工業大學學報，2013，5（27）.

[2]吳新良，劉建春，鄭朝陽.重力驅動的避障小車設計與制造[J].機械設計，2014，10（31）.

[3]劉敏，涂強.“8”字形軌跡無碳小車結構設計淺析[J].電子制作，2013.

[4]曹斌，張海波，朱華炳.基于槽輪機構的8字軌跡無碳小車設計[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2014，6（37）.

[5]趙鵬飛，孫庭偉，賈雨超，常昊天.無碳小車設計及誤差補償的討論[J].科技視界，2014.

[6]陳果，黃榮舟，李炳川.無碳小車轉向機構設計與微調分析[J].機械工程師，2015（8）.

作者簡介：康渝佳（1997），男，山西朔州人，汽車服務工程專業，2015級，研究無碳小車微調優化方案。

*通訊作者：周浩（1986），男，碩士，工程師，研究方向：智能制造。