八輪月球車懸架的動態(tài)特性分析

八輪月球車懸架的動態(tài)特性分析

0月球車懸架與變懸架在月球表面光滑、復(fù)雜的地形環(huán)境中執(zhí)行科學(xué)勘探任務(wù)。移動系統(tǒng)是球類車最重要的部件，也是各種設(shè)備和運輸?shù)钠脚_。其功能和適應(yīng)性直接關(guān)系到球類車的使用壽命，以及是否能夠完成指定的檢測任務(wù)。性能優(yōu)越的懸架能夠使月球車具有良好的抗傾覆、爬坡和跨坑道等越障性能,并且具有減振能力,這對于保持車體的穩(wěn)定,減輕有效載荷的振動,保持其正常的工作狀態(tài)是極其重要的。美國JPL在月球及行星車研制方面的成果代表了該領(lǐng)域的最高水平,開發(fā)的Rocky系列六輪火星車國內(nèi)在行星車懸架構(gòu)型方面的研制尚處于起步階段。提高整車質(zhì)量在各輪上分配的均勻性,可提高驅(qū)動電動機驅(qū)動功率的一致性;提高懸架被動適應(yīng)松軟復(fù)雜地形能力,可提高其穩(wěn)定性和越障能力。因此,有必要對八輪月球車的被動適應(yīng)地形懸架構(gòu)型進(jìn)行研究。1新型復(fù)合懸架結(jié)構(gòu)的提出本研究所指的八輪懸架均為被動適應(yīng)地形的懸架。懸架的構(gòu)型可以通過研究多自由度多環(huán)平面機構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合方法來研究解決。1.1輪懸架方案的提出為得到合理的八輪月球車懸架結(jié)構(gòu),首先進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合。圖1為部分常用八輪懸架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D,俯視驅(qū)動輪布置方式有9種,側(cè)視獨立懸架鉸接方式有4種,可將不同的俯視圖布置方式與側(cè)視圖布置方式結(jié)合,形成多種八輪懸架布置方案。設(shè)計月球車移動系統(tǒng)時,驅(qū)動輪及懸架布置應(yīng)該滿足以下條件。(1)驅(qū)動輪盡可能對稱、均勻分布,有利于為車載平臺體提供穩(wěn)定的支撐。(2)在松軟的沙地上行駛時,驅(qū)動輪直線前進(jìn)方向形成的軌跡數(shù)盡可能是兩條,這樣可以減小行駛阻力,有利于節(jié)省能量。(3)懸架中各構(gòu)件盡可能減少交叉點,以方便各構(gòu)件在空間位置的布置?；谏鲜鲈瓌t,可選擇圖1中車輪布置方式a根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合,提出以下兩種具有對稱結(jié)構(gòu)的懸架方案。方案1的單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示:單側(cè)懸架4個驅(qū)動輪獨立驅(qū)動,前后2個驅(qū)動輪獨立轉(zhuǎn)向,懸架通過2個鉸接點同車載平臺相連接。電機驅(qū)動功率一致(1)結(jié)構(gòu)對稱,重力在各輪上均勻分配,電動機驅(qū)動功率一致。(2)8個驅(qū)動輪與月面接觸,接地比壓小,有利于減小行駛阻力。(3)主車體由兩個橫軸支撐,強度高。側(cè)輪懸架結(jié)構(gòu)(1)跨越的障礙較高時容易出現(xiàn)中間兩驅(qū)動輪相互干涉的現(xiàn)象。(2)懸架通過4個鉸接點與主車體連接,主車體平穩(wěn)性較差。(3)在復(fù)雜地形移動時容易出現(xiàn)車輪離地現(xiàn)象。方案2的單側(cè)懸架結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示:單側(cè)懸架4個驅(qū)動輪獨立驅(qū)動,前后2個驅(qū)動輪獨立轉(zhuǎn)向。前主搖臂的前端連接1個轉(zhuǎn)向機構(gòu),該轉(zhuǎn)向機構(gòu)與前輪相連,前主搖臂的后端通過鉸鏈與副搖臂連接;副搖臂上安裝2個中間輪,副搖臂通過鉸鏈與后主搖臂的前端連接;后主搖臂的后端連接1個轉(zhuǎn)向機構(gòu),該轉(zhuǎn)向機構(gòu)與后輪相連;搖臂連接桿和擺桿通過鉸鏈將前、后主搖臂連接在一起,搖臂連接桿通過差動機構(gòu)與車載平臺相連,擺桿位于主搖臂的上方。驅(qū)動輪與月面接觸(1)結(jié)構(gòu)對稱,重力在各輪上均勻分配,電動機驅(qū)動功率一致。(2)8個驅(qū)動輪與月面接觸,接地比壓小,有利于減小行駛阻力。(3)主車體由差動裝置與懸架相連接,可調(diào)節(jié)月球車兩側(cè)驅(qū)動輪接觸不同地形差異,保證其主車體承受兩側(cè)懸架擾動的均值,增強了主車體姿態(tài)的平穩(wěn)性。使用2個場景的缺點1.2兩種方案的比較用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析,為使兩種方案具有可比性,設(shè)定以下仿真原則。(1)兩種方案ADAMS模型的最大三維包絡(luò)尺寸相同。(2)每個驅(qū)動輪驅(qū)動力矩相同。(3)車載平臺質(zhì)量相同。(4)車輪均采用光滑驅(qū)動輪,輪徑、質(zhì)量均相同。(5)車體最小離地間隙相同。(6)仿真的路面條件相同。1.2.1雙側(cè)行駛距離越障能力垂直障礙是各種障礙路面中條件最惡劣的一種,通過比較跨越垂直障礙的情況,能夠反映兩種方案越障性能的優(yōu)劣。判斷依據(jù):在相同條件下相同時間內(nèi),在同一設(shè)有垂直障礙的路面上行駛的距離越長說明越障越容易,即越障能力越強。方案1在ADAMS中仿真完畢后從其后處理文件中可得到時間位移曲線,如圖4a所示,50s后的位移是2855mm;同理,方案2的時間位移曲線如圖4b所示,50s后的位移是3248mm。比較兩種方案模型越障的結(jié)果,方案2在50s內(nèi)通過的距離大于方案1,而且當(dāng)障礙高度提高后,通過仿真發(fā)現(xiàn),方案1的越障能力遠(yuǎn)不如方案2。因此,方案2的越障性能強于方案1。1.2.2中間輪之間的干涉曲面地形是一種對懸架性能要求比較高的地形環(huán)境,通過在曲面地形的仿真,可以判斷兩種方案適應(yīng)地形的能力。判斷依據(jù):驅(qū)動輪是否存在離地現(xiàn)象;驅(qū)動輪之間是否有相互干涉現(xiàn)象。在滿足以上兩點的情況下,相同時間內(nèi)通過的位移較大者其移動系統(tǒng)性能較好。方案1在行駛過程中兩個中間輪出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象。而且,如果不在懸架上加限位,在復(fù)雜地形上會出現(xiàn)懸架翻轉(zhuǎn)超過90°的現(xiàn)象,造成模型不能繼續(xù)行駛。方案2順利通過了該曲面地形。1.2.3影響垂直方向位移變化的仿真模型單側(cè)驅(qū)動輪越障是移動系統(tǒng)適應(yīng)地形的一種情況,其判斷依據(jù):不跨越障礙一側(cè)驅(qū)動輪是否存在離地現(xiàn)象。在相同的仿真條件下對兩種方案進(jìn)行了仿真,圖5為方案2的單側(cè)障礙路面地形行駛的仿真模型。通過ADAMS后處理文件可以得到方案1不跨越障礙一側(cè)4個驅(qū)動輪在垂直方向位移變化曲線如圖6a所示,其中前輪和中后輪最大垂直位移約為48mm,表明有明顯離地現(xiàn)象:方案2不跨越障礙一側(cè)4個驅(qū)動輪在垂直方向位移變化曲線如圖6b所示,最大垂直位移3mm,表明沒有離地現(xiàn)象,產(chǎn)生小幅升高原因是驅(qū)動輪傾斜導(dǎo)致測量點(驅(qū)動輪質(zhì)心)小幅上升,而且此時4個驅(qū)動輪在垂直方向位移變化幾乎完全相同,導(dǎo)致4條曲線基本重合。可見方案2的車體運動平穩(wěn)性強于方案1。2月球車懸架的結(jié)構(gòu)組成和工作原理根據(jù)仿真結(jié)果,兩種方案的詳細(xì)比較見表1。通過列表比較分析,方案2在越障性能、地形適應(yīng)能力、車體運動平穩(wěn)性方面優(yōu)于方案1。因此,最終確定方案2為可用的八輪月球車被動適應(yīng)地形的懸架構(gòu)型方案。該新型八輪移動系統(tǒng)包括8個獨立驅(qū)動的驅(qū)動輪、4個獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)、4根主搖臂、2根副搖臂、2根搖臂連接桿、2根擺桿和1個移動子系統(tǒng)與本體的連接的差動裝置。圖3為該新型八輪移動系統(tǒng)單側(cè)組成,表2為其移動系統(tǒng)組成及各主要零部件的功能。新型八輪移動系統(tǒng)單側(cè)懸架系統(tǒng)的組成包括:1根主搖臂、2根副搖臂、4個驅(qū)動輪、1根搖臂連接桿和1根擺桿,由圖3可見,其單側(cè)懸架的自由度為2。因此,需要在搖臂連接桿和擺桿之間加限位,以防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。各部分之間的連接關(guān)系為:前主搖臂的前端連接1個轉(zhuǎn)向裝置,該轉(zhuǎn)向機構(gòu)與前輪相連,主搖臂的后端通過鉸鏈與副搖臂連接;副搖臂上安裝2個中間輪,副搖臂通過鉸鏈與后主搖臂的前端連接;后主搖臂的后端連接1個轉(zhuǎn)向裝置,該轉(zhuǎn)向機構(gòu)與后輪相連;搖臂連接桿和擺桿通過鉸鏈將前、后主搖臂連接在一起。兩側(cè)的搖臂連接桿通過差動裝置與月球車本體相連。該八輪移動子系統(tǒng)的工作原理如下所述。(1)前進(jìn)、后退:當(dāng)所有驅(qū)動電動機正、反轉(zhuǎn)時,兩側(cè)主、副搖臂、桿件和轉(zhuǎn)向機構(gòu)在8個驅(qū)動輪的作用下向前、后移動,兩側(cè)的懸架系統(tǒng)再通過連接裝置帶動本體向前、后移動。(2)轉(zhuǎn)向:前2個轉(zhuǎn)向裝置同時工作、或者后2個轉(zhuǎn)向裝置同時工作、或者4個轉(zhuǎn)向裝置共同工作,可以控制月球車按照不同的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向。(3)制動:當(dāng)月球車停留在斜坡上或完成某項作業(yè)需要時,通過驅(qū)動輪上的制動裝置實現(xiàn)所有驅(qū)動輪的制動,從而實現(xiàn)整個月球車的制動,以確保其能夠停留在斜坡上或完成某項作業(yè)。(4)越障:當(dāng)月球車的驅(qū)動輪遇到障礙時,通過搖臂連接桿繞差動裝置的轉(zhuǎn)動、擺桿繞2個鉸鏈的轉(zhuǎn)動和主、副搖臂繞各自鉸鏈的轉(zhuǎn)動,并借助于中間輪可以調(diào)整重力在各個輪上的分力,從而提高車體的穩(wěn)定性和越障能力。(5)維持本體相對平衡:兩側(cè)的懸架通過差動裝置與月球車本體相連,這樣,本體就能夠通過差動裝置來保持與兩側(cè)搖臂連接桿的平衡,使本體的俯仰角度為兩側(cè)搖臂連接桿俯仰角度的平均值。3運行裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計3.1差動裝置設(shè)計差動裝置是一個2自由度運動轉(zhuǎn)換機構(gòu),它能夠?qū)蓚€運動輸入轉(zhuǎn)化為一個運動輸出,或?qū)⒁粋€運動輸入分解為兩個不同的運動輸出。對于月球車,若將差動裝置的兩個運動輸入構(gòu)件分別與兩側(cè)懸架的搖臂連接桿連接,而運動輸出構(gòu)件與主車體相連,則結(jié)合懸架的搖臂關(guān)節(jié),可以確保所有的車輪在任何路況下均與地面保持接觸,以增大月球車的牽引力和越障能力。同時,差動裝置具有的運動輸出線性平均特性,能保證主車體僅承受兩側(cè)懸架擾動量的平均值,這有助于提高月球車的運動平穩(wěn)性。本項目的差動裝置選擇的是差動輪系式,其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高,易采取密封和保溫措施等特點,差動裝置的輸出可精確實現(xiàn)兩側(cè)懸架擾動輸入的線性平均。差動裝置的工作原理如圖7所示,該裝置的中心是一組由圓錐齒輪組成的差動輪系,兩個中心輪分別與左右懸架連接,作為運動輸入軸,兩個行星輪的支撐軸(系桿)與主車體固接,作為運動輸出構(gòu)件。設(shè)Φ由此可知,差動裝置對月球車所運行的地形引起的擾動起到了一次線性平均的作用。3.2差動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計差動裝置的受力分析是進(jìn)行差動輪系傳動設(shè)計計算、軸系部件設(shè)計計算和接口設(shè)計計算的基礎(chǔ)。根據(jù)主車體的質(zhì)量和質(zhì)心位置計算得到主車體等效質(zhì)量對差動裝置兩個坐標(biāo)軸線的作用力矩;再根據(jù)移動系統(tǒng)的左、右懸架對差動裝置輸入軸的作用力矩,以及月球車應(yīng)該適應(yīng)的爬坡角度和側(cè)傾角度的要求建立方程組,可計算得到差動裝置軸系部件各主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸,然后進(jìn)行差動裝置詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖8為差動裝置實物照片。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,輸入軸均采用空心結(jié)構(gòu)來降低重量;輸入軸與主車體承力板的位置關(guān)系根據(jù)月球車的總體設(shè)計來確定;輸入軸的軸向長度根據(jù)主車體的寬度尺寸和移動系統(tǒng)懸架與主車體之間的間距確定。為減小差動裝置底板與主車體承力板連接螺釘?shù)募羟辛?在差動裝置與主車體承力板裝配后應(yīng)加裝定位銷。月球車對差動裝置輪系傳動精度的要求較低,但輪系傳動回差的存在會影響主車體的動態(tài)平穩(wěn)性,因此應(yīng)盡量降低輪系傳動回差。在齒輪傳動系統(tǒng)中,產(chǎn)生回差主要有三個原因:①傳動件材料的彈性變形,它是由材料本身的力性能決定的,可通過選用屈強比小的材料來控制。②保證齒輪正常潤滑傳動的齒側(cè)間隙,可在齒輪設(shè)計和加工過程中加以控制,盡可能實現(xiàn)最小側(cè)隙。③傳動件各運動副之間的間隙、滑動部分的磨損等造成的傳動鏈回差,應(yīng)在傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工和安裝過程中加以控制,本差動裝置輪系的各軸向定位均設(shè)計有預(yù)緊和調(diào)整措施,能夠通過調(diào)整軸向預(yù)緊來減小齒輪及各運動副之間存在的以及由磨損產(chǎn)生的間隙。4月面為垂直障礙條件下行駛位移仿真分析由于該構(gòu)型懸架為左右對稱結(jié)構(gòu),因此對單側(cè)懸架的6個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,如圖9所示。根據(jù)原理樣機技術(shù)指標(biāo)要求,利用ADAMS虛擬樣機分析軟件,建立原理樣機的仿真模型,優(yōu)選懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)。據(jù)設(shè)計要求,輪徑及總體尺寸已經(jīng)確定,因此得到式中的A可根據(jù)移動系統(tǒng)整體尺寸和車輪直徑計算得到。驅(qū)動輪等間距分布,根據(jù)各構(gòu)件質(zhì)量、對稱性以及重力均勻分配的要求,可得由式(1)、(2)可知:若l因仿真月面中設(shè)置的垂直障礙屬惡劣地形,在相同條件下相同時間內(nèi),在設(shè)有垂直障礙的同一仿真地面上行駛的位移越長說明越障越容易,在一定程度上說明適應(yīng)地形能力也越強。因此,可把相同時間內(nèi)月球車在多個垂直障礙的地面上行駛的位移作為評價標(biāo)準(zhǔn),對單個參數(shù)進(jìn)行試算。利用ADAMS軟件進(jìn)行懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選的具體過程如下。(1)根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)特點,初步確定4個獨立變量的取值范圍。(2)進(jìn)行4個獨立變量的敏感度分析,找到對移動系統(tǒng)越障性能影響最大的變量,并進(jìn)一步縮小各變量的取值范圍。(3)依次優(yōu)選每個獨立變量的數(shù)值:其他3個獨立變量在取值范圍內(nèi)初選一個值,第4個獨立變量在取值范圍內(nèi)取不同的值進(jìn)行仿真,以確定該獨立變量的數(shù)值。例如,確定l(4)在第(3)步計算得到的每個獨立變量的數(shù)值的基礎(chǔ)上,進(jìn)行4個變量同時改變的綜合仿真,最終確定每個變量的取值。5懸架的受力分析根據(jù)優(yōu)選得到了懸架6個獨立變量的數(shù)值后,懸架中各搖臂的主要結(jié)構(gòu)尺寸即可確定,設(shè)計時要考慮盡量減小各搖臂的質(zhì)量,主要是通過控制搖臂斷面形狀和尺寸來控制搖臂質(zhì)量。按照等斷面強度理論來設(shè)計,最初設(shè)計的搖臂斷面形狀為工字形,這種形狀的搖臂在垂直方向的強度和剛度均滿足要求,但當(dāng)原理樣機在側(cè)傾角為30°的斜坡上時,這種搖臂的側(cè)向變形過大,剛度不滿足要求。因此,將搖臂斷面形狀設(shè)計成類似方管,并且在沿?fù)u臂長度方向加上一些筋板,以增加搖臂的強度和剛度。各搖臂的材料為LY12,其彈性模量為71GPa,泊松比為0.28,屈服極限為260MPa。利用Patran軟件對初步設(shè)計的懸架進(jìn)行受力分析,最大動載荷取靜載荷的3倍,重力加速度為地球重力加速度。圖11a為平地時單側(cè)懸架的受力云圖,可見最大應(yīng)力發(fā)生在搖臂連接桿上,數(shù)值為141MPa,圖11b為變形云圖,最大變形同樣發(fā)生在搖臂連接桿上,數(shù)值為0.672mm。圖12a為原理樣機在30°側(cè)傾地面時單側(cè)懸架的受力云圖,最大應(yīng)力發(fā)生在搖臂連接桿上,數(shù)值為131MPa,圖12b為變形云圖,最大變形同樣發(fā)生在搖臂連接桿上,數(shù)值為0.431mm。可見,這種結(jié)構(gòu)的懸架,無論是在30°側(cè)傾地面還是平地,其強度和剛度均滿足設(shè)計要求。6設(shè)計承載質(zhì)量圖13為研制的新型八輪月球車移