基于连杆机构的S型无碳小车微调方案

康渝佳　周浩　付昌胜　李霞

摘要：由于设计、制造、装配及现场发车等各种原因，无碳小车实际行走的轨迹与理论轨迹往往存在一定偏差。转向机构作为无碳小车的核心组成部分，将其设计成微调结构能有效的调节轨迹偏差。通过 MATLAB仿真，分析连杆机构各杆长变化时对小车轨迹的影响；结合仿真结果和制作的小车实际调试试验，分析当小车轨迹产生偏差时的微调方案对小车实际调试过程具有指导意义。

关键词：连杆机构；无碳小车；MATLAB ；微调方案

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

第五屆全国大学生工程训练大赛以“重力势能驱动的具有方向控制的自行小车”为主题，要求小车在行走过程中所需的能量均由给定的重力势能转换而得，且小车的转向机构具有可调节功能，以适应放有不同间距障碍物的竞赛场地。因此在研究过程中，使“S”型无碳小车走出均匀的“S”型轨迹尤为重要。在整个小车设计过程中，转向机构的设计是核心部分。王政等基于ADAMS软件为平台，创建以连杆机构为参考的完全参数化无碳小车转向机构系统模型[1]；吴新良等设计了一种采用凹槽凸轮推杆机构实现转向的自行小车[2]；刘敏等利用不完全齿轮机构控制对心曲柄连杆滑块机构间歇性运动来实现无碳小车周期性转向[3]；曹斌等利用槽轮机构实现8字轨迹的循环绕行[4]；这些方案都可以实现小车的转向功能。但从历届工程训练大赛参赛小车总体情况来来看，由于结构简单、加工方便等原因，小车转向机构选择最多的还是空间连杆机构。

1 无碳小车行走轨迹的理论分析

大赛要求小车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮。为了小车整体结构简单，小车前轮为转向轮，一个后轮为主动轮，另一个为从动轮。对于小车轨迹分析，根据比赛要求，无碳小车需要绕过间距为1m的障碍物。所以拟定无碳小车中心的轨迹为：

y=Asin（2πx2000）

其中A为小车在S轨迹的最大峰值，根据实际情况，在不脱离赛道的范围前提下，小车轨迹振幅越大，小车的容错率越高，即小车在行走过程中不易于受到由于振幅小、误差累计而导致撞到障碍物的问题。同时A值也不应偏大，当A偏大时，无碳小车在实际行走时走出跑道的概率也增大。由于赛道的宽度为2m。这里选择A值为400mm。构建图1小车模型：

为了得出式（1）的轨迹函数，通过仿真计算得出小车主要尺寸如下：小车曲柄l1=21mm，连杆l2=110mm，转向摇杆l3=45mm，小车前后轮之间的距离d=134mm，小车两后轮之间的距离2h=137mm。无碳小车采用空间连杆机构，其主要运动过程为：曲柄做圆周运动，会带动前轮转向摇杆做摆动，前轮的转角则由转向摇杆控制。通过仿真设计过程可以得出：改变小车曲柄长度，连杆长度，小车的行走轨迹也会有所不同。

2 轨迹偏差理论分析

2.1 轨迹偏差来源

无碳小车在装配完成后，开始调试时会发现小车实际轨迹与理论轨迹有较大偏差，造成偏差的原因可归结为以下几类：

2.1.1加工精度造成的尺寸偏差

[JP3]虽然连杆机构相对于凸轮、槽轮等其它类型的转向机构来说，结构简单，加工容易。但在实际的加工过程中，所选择的加工设备和操作者的技能对最终制作的零件仍有较为直接的影响。由于在校学生的实际加工能力所限，制作的零件与图纸产生偏差在所难免，但因为成本受限等原因，往往对加工的零件选择了让步使用，这是造成零件加工制作精度偏差的一个主要原因。[JP]

2.1.2装配精度造成的尺寸偏差

装配精度误差是整个竞赛拆装过程中无法避免的问题。轴承座安装误差直接会影响到同轴度，进而影响小车的整个运行轨迹；齿轮的啮合间隙问题，啮合间隙过小会增大小车的摩擦力，甚至会出现齿轮完全卡死不能运转的情况，间隙变大则可能导致脱齿现象；还有其他运动部件与静止部件的装配间隙的大小均会对小车的运行轨迹产生一定的影响。

2.1.3结构影响造成的转角偏差

由于连杆机构存在急回特性等原因，导致所设计的小车轨迹在一个周期范围内，左右偏角并不相等。

2.1.4发车位置造成的轨迹偏差

针对于空间连杆型的无碳小车，小车的初始发车位置应位于左右振幅的最大峰值处，此时小车的转向轮也同样为最大偏角时即曲柄位置于水平，车身应位于垂直于起点线。因此要准确找到发车位置同时具备上述两个基本条件，才可以使小车行走出预定轨迹。图3、图4分别为小车发车位置存在偏差时的行走轨迹。

2.2 解决方案

作为对精度要求比较高的无碳小车，首先要从设计上防止零件加工后出现较大的误差的可能性，如增加车体关键零件的刚度。 其次应避免由于设计不当造成装配的误差积累比如在零件上多加一些销，键等保证定位的零件。多做一些较精确的定位基准面等措施，在零件加工时尽量一次成型不进行二次加工，减少因多个基准而造成的误差。[5]

但尽管如此，仍有一些无法避免的误差。所以这里采用微调机构，增加微调机构在一定程度上能补偿了误差带来的轨迹偏差。其中，影响误差最大的地方就在于转向机构的调整方案。转向机构直接控制前轮的摆角，从而起到微调的作用。

3 轨迹微调装置及调节方案

无碳小车转向机构采用了结构和运动都相对稳定可靠的空间连杆机构（如右图6所示），通过设计曲柄摇杆机构中各杆长参数使其形成摆转副，来实现对小车前轮转向的控制[6]，并通过合理设计各杆长，来有效提高摇杆摆角规律的对称性。丝杆和滑块连接，通过扭动丝杆改变滑块的位置从而改变曲柄的有效长度。连杆采用微分头连接，通过调节微分头来改变连杆的有效长度。

无碳小车在运行过程中通过重物带动主动轴转动使曲柄做规律的圆周运动，通过连杆在中间的传递作用带动摇杆前后摇摆，使与摇杆连接的转向轮随之左右摆动从而实现小车前轮的转向要求。

无碳小车转向机构的微调装置分析。使用可调节的连杆机构能够改变无碳小车运动轨迹及其周期变化，通过调节曲柄长度和连杆长度进而改变周期和摆角。首先在结构问题当中，左右偏角不同的问题探讨，经过MATLAB分析优化，不断调整杆长与之适应，得出如图7轨迹曲线，满足小车轨迹运动基本曲线。

如图6为设计的曲柄微调机构，在小车行走总路程（即弧线总长）一定的前提下，通过调节丝杆机构可以有效改变曲柄的长度，继而影响小车的周期，在周期改变的同时振幅也相应进行改变。通过MATLAB模拟仿真，可得出图7所示行走轨迹。

由图7，可以看出曲柄长度变化对小车行走轨迹的影响：与设计的标准长度相比，若曲柄长度变小，则小车左右摆动的极限偏角变小，造成小车运行振幅变小，周期变长；反之，若曲柄长度变大，则小车左右摆动的极限偏角变大，造成小车振幅变大，运行周期变长。在实际的竞赛过程中，在桩距未知的情况下，可以通过调节曲柄长度来改变小车运行周期以适应不同的桩距。

在实际竞赛过程中，由于比赛规则周期已明确，在小车曲柄位置上不完全依赖微调，在通过实际试跑确定周期的前提下，可以尽量不去改动，若周期发生改变，为保证小车能够沿直线行走其对应的杆长也要相应发生改变，不易精确控制。

连杆长度的改变直接影响小车左右偏角的大小。设计的连杆微调机构如图8所示，为了更加精确的记录实际实验的数据，以及定量的试跑调车，在连接调节杆长长度的地方加装了微分头，精确到最小误差0.01mm，通过MATLAB进行仿真分析，来观察连杆长度与其理论长度产生偏差时，小车轨迹的变化。

杆长为理论尺寸时的小车行走轨迹如图9所示：

当使杆长比理论尺寸增大+ 0.15mm时，小车行走轨迹如图10所示：

当使杆长比理论尺寸减小 0.15mm时，小车行走轨迹如图11所示：

由图911分析，在杆长变化0.3mm之间小车的运动轨迹就发生了很大程度上的偏离，由于累加效应，杆长微小的变动就会使轨迹之间的差异很大，要想使小车行走轨迹不偏离，微调的范围则更小，因此在这里选择微分头，调节精度精确到0.01mm。

4 结论

本文通过理论分析，说明了由于设计、制造、装配及现场发车等因素的影响，无碳小车轨迹偏差存在的必然性。对无碳小车中的转向机构——“空间连杆机构”进行微调设计，通过MATLAB仿真及实际调试轨迹分析得出空间连杆机构的曲柄，连杆长度变化对小车运行轨迹的影响。即：曲柄控制周期，振幅的变化，调节曲柄同时连杆也发生变化，曲柄长度减小，周期变大；长度增大，周期变小。连杆控制转向轮的左右偏角的大小，改变连杆，则行走轨迹的一边极限偏角变大，一边偏差偏角变小（具体与小车的结构有关）；由于轨迹误差的累加性质，连杆的调节范围往往以0.01mm为单位进行适当调节。周期振幅满足条件的情况下，若小车发生左偏，则连杆长度缩短，反之则反。通过对转向装置微调方案定性和定量的分析，当实际行走轨迹不满足现场竞赛要求时，本文的分析结果可以指导小车进行相应的微调，以使无碳小车走出符合要求的轨迹。

参考文献：

[1]王政，何国旗，胡增.基于ADAMS软件的无碳小车转向机构设计[J].湖南工业大学学报，2013，5（27）.

[2]吴新良，刘建春，郑朝阳.重力驱动的避障小车设计与制造[J].机械设计，2014，10（31）.

[3]刘敏，涂强.“8”字形轨迹无碳小车结构设计浅析[J].电子制作，2013.

[4]曹斌，张海波，朱华炳.基于槽轮机构的8字轨迹无碳小车设计[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014，6（37）.

[5]赵鹏飞，孙庭伟，贾雨超，常昊天.无碳小车设计及误差补偿的讨论[J].科技视界，2014.

[6]陈果，黄荣舟，李炳川.无碳小车转向机构设计与微调分析[J].机械工程师，2015（8）.

作者简介：康渝佳（1997），男，山西朔州人，汽車服务工程专业，2015级，研究无碳小车微调优化方案。

*通讯作者：周浩（1986），男，硕士，工程师，研究方向：智能制造。