一种新型可伸缩轮刺月球车的越障特性分析_张明顺.pdf

技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期收稿日期：作者简介：张明顺（），男，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为先进制造技术。文章编号：（）一种新型可伸缩轮刺月球车的越障特性分析张明顺（沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 ）摘要：针对传统月球车存在的弊端以及月球表面特殊的地表环境，设计了一种可伸缩轮刺的新型月球车。新型月球车通过精确控制车轮轮刺的伸缩高度来改变车轮直径，使月球车能较平稳地越过不同高度的障碍物。通过分析新型月球车在平整地形和障碍地形上的运动过程，建立虚拟样机模型并进行了动力学仿真。仿真结果表明，可伸缩轮刺的车轮结构设计合理。关键词：月球车；可伸缩轮刺车轮；车轮结构；越障能力；障碍地形；虚拟样机中图分类号：；文献标识码：月球的地表环境非常复杂，月球车对车轮的性能要求很高。带轮刺的传统车轮在平整地形上运动时会产生多边形效应而影响月球车的运动稳定性；在经过障碍物时会以一定的速度与障碍物发生碰撞，使车轮产生震动冲击而影响月球车行驶的平顺性。为解决传统月球车的这些问题，需要开发一种可伸缩轮刺的新型月球车。这种新型月球车在平整地形上运动时，通过轮刺收缩可减少多边形效应对月球车运动稳定性的影响；在遇到障碍物时伸出轮刺，使月球车能够较平稳地越过不同高度的障碍物，从而提高月球车的科学考察工作效率。本文将主要分析这种新型可伸缩轮刺月球车的越障特性。平整地形上的多边形效应传统月球车（图）的车轮上带有固定的轮刺。它在月球表面的运动阻力较小，车轮的附着系数较大，驱动效率较高；同时，因为有固定轮刺，车轮的质心会随着车轮的转动而上下波动，月球车行驶的稳定性会受到影响，这就是传统月球车存在的多边形效应问题。图所示为带轮刺车轮在平整地形上运动的示意图。假设车轮轮刺数量为个，车轮半径为，轮刺所对的圆心角为，两根轮刺的夹角为（），车轮运动的角速度为，车轮在月球车前进中转动的角度为，前进的方向为轴的正方向，竖轴的正方向垂直于地面向上。图传统月球车图带轮刺车轮在平整地形上运动的示意图根据文献，在轮辐运动部分，即车轮轮辐与地面接触时，车轮质心高度（即质心与地面的距离）不变，技术创新 ，车轮质心的位移为：（）（）从上一个轮刺末端与地面的接触开始，到下一个轮刺前半部分与地面的接触终止，这个运动过程为轮刺前运动部分。对应这一运动过程，车轮质心随车轮运动逐渐降低，车轮质心的位移为：（）（）（）（）从上一个轮刺前半部分与地面的接触开始，到下一个轮刺始端与地面的接触终止，这个运动过程为轮刺后运动部分。对应这一运动过程，车轮质心随车轮运动逐渐升高，车轮质心的位移为：（）（）（）（）（）对式（）式（）进行归纳，可得出车轮质心的位移规律。带固定轮刺车轮在平整地形上运动过程中，车轮质心的位移可表示为：，（），（），（）对车轮质心位移进行求导，可得出车轮质心在轮辐运动部分的运动速度，即 （）（）车轮质心在轮刺前运动部分的运动速度为：（）（）（）（）车轮质心在轮刺后运动部分的运动速度为：（）（）（）（）对式（）式（）进行归纳，所得带固定轮刺车轮在平整地形上运动过程中，车轮质心的运动速度为：，（），（），（）对车轮质心的运动速度进行求导，可得出车轮质心在轮辐运动部分的运动加速度，即（）（）车轮质心在轮刺前运动部分的运动加速度为：（）（）（）（）车轮质心在轮刺后运动部分的运动加速度为：（）（）（）（）对式（）式（）进行归纳，所得带固定轮刺车轮在平整地形上运动过程中，车轮质心的运动加速度为：，（），（），（）分析可知：带固定轮刺的月球车行走在平整地形上时，车轮质心的运动规律不仅与车轮转动的角速度有关，还与轮刺所对的圆心角和两根轮刺的夹角有关；越大，即车轮表面的轮刺与地面接触面积越大，则车轮质心在方向运动的位移、速度、加速度越大，车轮所受振动冲击也就越大；车轮周向轮刺的数量越多，即在轮刺所对的圆心角不变时两根轮刺的夹角越小，则车轮质心在方向运动的位移、速度、加速度越小。可伸缩轮刺的车轮结构若月球车采用可伸缩轮刺的车轮（图），且其在平整地形上运动时能将轮刺缩回，则可很好地弥补传统月球车的不足。图有可伸缩轮刺车轮的月球车示意图可伸缩轮刺车轮的主体主要由车轮轮辐和多个技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期可伸缩的轮刺组成，每个轮刺都有一个一体式驱动单元。驱动单元是实现轮刺伸缩的关键，它主要由压力传感器、位移传感器和伸缩结构组成。伸缩结构主要由电机、丝杠、螺母和伸缩杆组成。车轮轮刺的伸缩结构如图所示。图车轮轮刺的伸缩结构有可伸缩轮刺车轮的月球车感知到地形变化时，会将信号传递到控制器；控制器控制电机转动，进而带动丝杠转动；丝杠再带动螺母做直线运动，而螺母和伸缩杆是固定在一起的，故可实现伸缩杆的伸缩。待伸缩杆伸缩完毕，压力传感器和位移传感器会将信号再次反馈到控制器。车轮的轮刺可以在较短时间内完成伸缩任务，且整个伸缩过程是闭环控制的。可伸缩轮刺车轮的结构如图所示。（）轮刺回位状态（）轮刺伸出状态图可伸缩轮刺车轮的结构可伸缩轮刺车轮越障时的受力分析由文献 可知，新型可伸缩轮刺月球车的结构参数如表所示。表新型可伸缩轮刺月球车的结构参数车轮直径收缩时 展开时车轮宽度整车质量 车轮数量个 在月球车经过障碍物时，车轮与障碍物的接触面上存在阻力作用。设障碍物是固定在地面上的，则月球车在前轮接触障碍物瞬间的受力情况如图所示。、分别为前、后轮所受地面支撑反力；为前后轴的轴距，为障碍物高度，为车轮牵引力；为作用在月球车上的总重力；为车轮的附着系数；为车轮接触障碍物的特殊角度图 月球车在前轮接触障碍物瞬间的受力情况前轮越障的阻力为：（）角度为障碍物高度和车轮半径的函数，即 （）（）前轮离地瞬间的力平衡方程为：（）前轮离地瞬间的力矩平衡方程为：（）由式（）式（）可求得前轮越障的阻力，即（）（）（）设定 ，.，则由式（）可绘制前轮越障阻力与车轮直径的关系曲线（图）。图前轮越障阻力与车轮直径的关系曲线技术创新 ，由图可看出，车轮直径越大，越障时阻力就越小。同理，可对后轮越障的阻力进行分析。这里不予赘述。当有可伸缩轮刺车轮的月球车遇到障碍物时，轮刺伸出，增大了车轮直径，进而减小了越障的阻力，使月球车能够更好地越过障碍物。可伸缩轮刺车轮的越障过程仿真 月球地表环境的模拟月球表面大多区域覆盖着岩石碎片、沙粒和灰尘，月壤松软，石块散落，地形复杂多变。其中，岩石碎块有大有小，但直径一般不超过 。此外，月球上地形起伏，障碍物坡度在 左右，月球表面还有特殊的陨石撞击坑，存在一些较深且宽的坑状极端地形。这都会对正常行驶的月球车造成一定影响。为了真实地模拟月球的地表环境，本文根据文献，在构建图所示的月球表面障碍物分布模型时，将模型中台阶障碍物的高度设定为 、和 这种，而将斜坡障碍物的坡度设定为 。图月球表面的障碍物分布模型 月球车越障过程仿真条件的设置本文将传统月球车与新型可伸缩轮刺月球车的模型参数先后导入 仿真软件，分别进行了两种月球车越障过程的仿真。鉴于月球表面覆盖着松软的月壤，其地面参数与土路比较接近，本文在查阅文献 后，设置了下列仿真条件：月球车材料为铝合金，总质量为 ；月球表面的重力加速度为 ；月球车驱动角速度为 ；地面刚度系数为，静摩擦系数为，动摩擦系数为。两种车轮质心高度变化的对比分析通过仿真，可得图所示两种月球车左前轮质心高度的变化曲线。月球车右前轮质心高度的变化曲线与左前轮类似，这里不再罗列。（）可伸缩轮刺车轮（）传统的车轮图两种月球车左前轮质心高度的变化曲线分析可知：新型可伸缩轮刺月球车可以轻松地越过处高度分别为 、和 的障碍物，且能够在平整月面甚至是斜坡的月面上较平稳地行驶；而传统月球车虽然也可在平整月面上平稳行驶，但是相比于新型可伸缩轮刺的月球车来说，在越过高度不同的障碍物时，其前轮质心的高度变化较大，高度变化的最大值约为 （而可伸缩轮刺车轮质心高度变化的最大值约为 ），会产生较大波动，对月球车行驶的平顺性产生不利的影响。当通过沟壑地形时，传统月球车比新型可伸缩轮刺月球车的车轮质心高度变化要大。仿真还发现，传统月球车在经过高度为 的障碍物时会出现打滑现象，而无法越过障碍物。两种车轮质心运动加速度的对比分析通过仿真，可得图 所示两种月球车前轮质心在方向的运动加速度曲线。月球车前轮质心在方向运动加速度的值反映了地面对前轮造成冲击的强弱，是衡量月球车行驶平顺性的重要指标。分析可知，前轮质心在方向运动加速度值的波动一般出现在前轮经过障碍物或者越过沟壑时，障碍物越高，前轮质心在方向运动加速度值的波动就越大。由图 可看出：新型可伸缩轮刺月球车在其前轮经过障碍物或者沟壑时，前轮质心在方向运动的加速度值一般在 上下变化，其最大值约为 ；传统月球车在其前轮经过障碍物或技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期者沟壑时，前轮质心在方向运动加速度的值波动较大，最大时超过了 ，是可伸缩轮刺车轮的倍多，此时对月球车行驶的平顺性会产生巨大的负面影响。（）可伸缩轮刺左前轮（）可伸缩轮刺右前轮（）传统的左前轮（）传统的右前轮图 两种月球车前轮质心在方向的运动加速度曲线 两种车轮驱动扭矩的对比分析通过仿真，可得图 所示两种月球车前轮的驱动扭矩曲线。由图（）、（）可看出：可伸缩轮刺月球车前轮在启动时驱动扭矩较大，启动后行驶中所需驱动扭矩则比较小，因为此时只需克服车轮的滚动阻力即可；在月球车经过障碍物时，前轮的驱动扭矩较大，其最大值接近 ；月球车左前轮与右前轮接触障碍物的点不同，所需驱动扭矩也不同。由图（）、（）可看出：传统月球车在平整月面上运动时，其前轮的驱动扭矩比可伸缩轮刺前轮的小，这是传统月球车的优势所在；但是在越障时，传统月球车需要的前轮驱动扭矩比较大，最大值超过了 ，远大于可伸缩轮刺月球车前轮的驱动扭矩。（）可伸缩轮刺左前轮（）可伸缩轮刺右前轮（）传统的左前轮（）传统的右前轮图 两种月球车前轮的驱动扭矩曲线技术创新 ，两种车轮与月球表面接触力的对比分析通过仿真，可得图 所示两种月球车前轮与月球表面的接触力曲线。（）可伸缩轮刺左前轮（）可伸缩轮刺右前轮（）传统的左前轮（）传统的右前轮图 两种月球车前轮与月球表面的接触力曲线由图（）、（）可看出：可伸缩轮刺月球车在平整的月球表面行驶时，由于可伸缩轮刺的作用，其前轮与月球表面的接触力曲线呈周期性变化，比较均匀；当月球车经过障碍物或者沟壑时，其前轮会受到障碍物或者沟壑撞击，导致前轮与月球表面的接触力增大，其最大值为 。由图（）、（）可看出：传统月球车在平整的月球表面行驶时，其前轮与月球表面的接触力较小；当月球车经过障碍物或者沟壑时，其前轮会受到障碍物或者沟壑撞击，导致前轮与月球表面的接触力急剧增大，其最大值可达 ，这不仅影响月球车行走的平顺性，还会加剧车轮的磨损，缩短车轮的使用寿命。结语（）通过推导月球车在平整地面上行驶的质心运动方程，说明了带固定轮刺车轮在运动过程中轮刺对车轮质心位移、运动速度和运动加速度的影响；进一步说明，可伸缩轮刺车轮在平整地面上行走时，通过轮刺收缩，可很好地弥补传统月球车的不足。（）通过建立月球车在越障过程的力学分析方程，分析了车轮直径与越障阻力的关系。结果表明，车轮直径越大，越障阻力就越小。可伸缩轮刺车轮通过伸出轮刺能直接增大车轮的直径，减小越障阻力，提高月球车的越障能力。（）在 软件中建立仿真模型后进行了动力学分析，并以可伸缩轮刺月球车车轮与传统月球车车轮的仿真结果对比证明，可伸缩轮刺车轮的月球车可以更轻松地越过障碍物。参考文献张鹏跃载人月球车感知型变辐车轮的设计与分析重庆：重庆工业大学，（）：李建桥，黄晗，党兆龙，等轻载荷条件下的筛网轮沉陷吉林大学学报（工学版），（）：，：张晓露 载人月球车新型悬架结构设计与动力学分析 南京：南京航空航天大学，：胡明，邓宗全，高海波，等基于 的六轮月球车动力学建模与仿真哈尔滨工业大学学报，（）：张薛伟，蒋云，刘寒，等 月球火山碎屑堆积物光谱研究地学前缘，（）：技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期高海波，孟庆鑫，邓宗全，等 月球车用行星车轮的优化设计 哈尔滨工业大学学报，（）：盘嘉怡 具有着陆功能的高速载人