八輪月球車懸架的動(dòng)態(tài)特性分析

八輪月球車懸架的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)是球類車最重要的部件，也是各種設(shè)備和運(yùn)輸?shù)钠脚_(tái)。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(cè)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(duì)于保持車體的穩(wěn)定,減輕有效載荷的振動(dòng),保持其正常的工作狀態(tài)是極其重要的。美國(guó)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(guó)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(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的一致性;提高懸架被動(dòng)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(duì)八輪月球車的被動(dòng)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(dòng)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(jī)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(dòng)輪布置方式有9種,側(cè)視獨(dú)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(jì)月球車移動(dòng)系統(tǒng)時(shí),驅(qū)動(dòng)輪及懸架布置應(yīng)該滿足以下條件。(1)驅(qū)動(dòng)輪盡可能對(duì)稱、均勻分布,有利于為車載平臺(tái)體提供穩(wěn)定的支撐。(2)在松軟的沙地上行駛時(shí),驅(qū)動(dòng)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(diǎn),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(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),前后2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向,懸架通過2個(gè)鉸接點(diǎn)同車載平臺(tái)相連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率一致(1)結(jié)構(gòu)對(duì)稱,重力在各輪上均勻分配,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率一致。(2)8個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)橫軸支撐,強(qiáng)度高。側(cè)輪懸架結(jié)構(gòu)(1)跨越的障礙較高時(shí)容易出現(xiàn)中間兩驅(qū)動(dòng)輪相互干涉的現(xiàn)象。(2)懸架通過4個(gè)鉸接點(diǎn)與主車體連接,主車體平穩(wěn)性較差。(3)在復(fù)雜地形移動(dòng)時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),前后2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向。前主搖臂的前端連接1個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),該轉(zhuǎn)向機(jī)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(gè)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(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),該轉(zhuǎn)向機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)與車載平臺(tái)相連,擺桿位于主搖臂的上方。驅(qū)動(dòng)輪與月面接觸(1)結(jié)構(gòu)對(duì)稱,重力在各輪上均勻分配,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率一致。(2)8個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置與懸架相連接,可調(diào)節(jié)月球車兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪接觸不同地形差異,保證其主車體承受兩側(cè)懸架擾動(dòng)的均值,增強(qiáng)了主車體姿態(tài)的平穩(wěn)性。使用2個(gè)場(chǎng)景的缺點(diǎn)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩相同。(3)車載平臺(tái)質(zhì)量相同。(4)車輪均采用光滑驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi),在同一設(shè)有垂直障礙的路面上行駛的距離越長(zhǎng)說明越障越容易,即越障能力越強(qiáng)。方案1在ADAMS中仿真完畢后從其后處理文件中可得到時(shí)間位移曲線,如圖4a所示,50s后的位移是2855mm;同理,方案2的時(shí)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(qiáng)于方案1。1.2.2中間輪之間的干涉曲面地形是一種對(duì)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(dòng)輪是否存在離地現(xiàn)象;驅(qū)動(dòng)輪之間是否有相互干涉現(xiàn)象。在滿足以上兩點(diǎn)的情況下,相同時(shí)間內(nèi)通過的位移較大者其移動(dòng)系統(tǒng)性能較好。方案1在行駛過程中兩個(gè)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(huì)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(dòng)輪越障是移動(dòng)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(dòng)輪是否存在離地現(xiàn)象。在相同的仿真條件下對(duì)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪傾斜導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)輪質(zhì)心)小幅上升,而且此時(shí)4個(gè)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)適應(yīng)地形的懸架構(gòu)型方案。該新型八輪移動(dòng)系統(tǒng)包括8個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪、4個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)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(gè)移動(dòng)子系統(tǒng)與本體的連接的差動(dòng)裝置。圖3為該新型八輪移動(dòng)系統(tǒng)單側(cè)組成,表2為其移動(dòng)系統(tǒng)組成及各主要零部件的功能。新型八輪移動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)向裝置,該轉(zhuǎn)向機(jī)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(gè)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(gè)轉(zhuǎn)向裝置,該轉(zhuǎn)向機(jī)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(dòng)裝置與月球車本體相連。該八輪移動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí),兩側(cè)主、副搖臂、桿件和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的作用下向前、后移動(dòng),兩側(cè)的懸架系統(tǒng)再通過連接裝置帶動(dòng)本體向前、后移動(dòng)。(2)轉(zhuǎn)向:前2個(gè)轉(zhuǎn)向裝置同時(shí)工作、或者后2個(gè)轉(zhuǎn)向裝置同時(shí)工作、或者4個(gè)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(dòng):當(dāng)月球車停留在斜坡上或完成某項(xiàng)作業(yè)需要時(shí),通過驅(qū)動(dòng)輪上的制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)月球車的制動(dòng),以確保其能夠停留在斜坡上或完成某項(xiàng)作業(yè)。(4)越障:當(dāng)月球車的驅(qū)動(dòng)輪遇到障礙時(shí),通過搖臂連接桿繞差動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)、擺桿繞2個(gè)鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)和主、副搖臂繞各自鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng),并借助于中間輪可以調(diào)整重力在各個(gè)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(duì)平衡:兩側(cè)的懸架通過差動(dòng)裝置與月球車本體相連,這樣,本體就能夠通過差動(dòng)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(yùn)行裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1差動(dòng)裝置設(shè)計(jì)差動(dòng)裝置是一個(gè)2自由度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),它能夠?qū)蓚€(gè)運(yùn)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)化為一個(gè)運(yùn)動(dòng)輸出,或?qū)⒁粋€(gè)運(yùn)動(dòng)輸入分解為兩個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)輸出。對(duì)于月球車,若將差動(dòng)裝置的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入構(gòu)件分別與兩側(cè)懸架的搖臂連接桿連接,而運(yùn)動(dòng)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(shí),差動(dòng)裝置具有的運(yùn)動(dòng)輸出線性平均特性,能保證主車體僅承受兩側(cè)懸架擾動(dòng)量的平均值,這有助于提高月球車的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。本項(xiàng)目的差動(dòng)裝置選擇的是差動(dòng)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(diǎn),差動(dòng)裝置的輸出可精確實(shí)現(xiàn)兩側(cè)懸架擾動(dòng)輸入的線性平均。差動(dòng)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(dòng)輪系,兩個(gè)中心輪分別與左右懸架連接,作為運(yùn)動(dòng)輸入軸,兩個(gè)行星輪的支撐軸(系桿)與主車體固接,作為運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件。設(shè)Φ由此可知,差動(dòng)裝置對(duì)月球車所運(yùn)行的地形引起的擾動(dòng)起到了一次線性平均的作用。3.2差動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差動(dòng)裝置的受力分析是進(jìn)行差動(dòng)輪系傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算、軸系部件設(shè)計(jì)計(jì)算和接口設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。根據(jù)主車體的質(zhì)量和質(zhì)心位置計(jì)算得到主車體等效質(zhì)量對(duì)差動(dòng)裝置兩個(gè)坐標(biāo)軸線的作用力矩;再根據(jù)移動(dòng)系統(tǒng)的左、右懸架對(duì)差動(dòng)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(jì)算得到差動(dòng)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(dòng)裝置詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖8為差動(dòng)裝置實(shí)物照片。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)來確定;輸入軸的軸向長(zhǎng)度根據(jù)主車體的寬度尺寸和移動(dòng)系統(tǒng)懸架與主車體之間的間距確定。為減小差動(dòng)裝置底板與主車體承力板連接螺釘?shù)募羟辛?在差動(dòng)裝置與主車體承力板裝配后應(yīng)加裝定位銷。月球車對(duì)差動(dòng)裝置輪系傳動(dòng)精度的要求較低,但輪系傳動(dòng)回差的存在會(huì)影響主車體的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性,因此應(yīng)盡量降低輪系傳動(dòng)回差。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中,產(chǎn)生回差主要有三個(gè)原因:①傳動(dòng)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(qiáng)比小的材料來控制。②保證齒輪正常潤(rùn)滑傳動(dòng)的齒側(cè)間隙,可在齒輪設(shè)計(jì)和加工過程中加以控制,盡可能實(shí)現(xiàn)最小側(cè)隙。③傳動(dòng)件各運(yùn)動(dòng)副之間的間隙、滑動(dòng)部分的磨損等造成的傳動(dòng)鏈回差,應(yīng)在傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和安裝過程中加以控制,本差動(dòng)裝置輪系的各軸向定位均設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(duì)稱結(jié)構(gòu),因此對(duì)單側(cè)懸架的6個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,如圖9所示。根據(jù)原理樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求,利用ADAMS虛擬樣機(jī)分析軟件,建立原理樣機(jī)的仿真模型,優(yōu)選懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)。據(jù)設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)整體尺寸和車輪直徑計(jì)算得到。驅(qū)動(dòng)輪等間距分布,根據(jù)各構(gòu)件質(zhì)量、對(duì)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(shí)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(zhǎng)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(qiáng)。因此,可把相同時(shí)間內(nèi)月球車在多個(gè)垂直障礙的地面上行駛的位移作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)單個(gè)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(diǎn),初步確定4個(gè)獨(dú)立變量的取值范圍。(2)進(jìn)行4個(gè)獨(dú)立變量的敏感度分析,找到對(duì)移動(dòng)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(gè)獨(dú)立變量的數(shù)值:其他3個(gè)獨(dú)立變量在取值范圍內(nèi)初選一個(gè)值,第4個(gè)獨(dú)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(dú)立變量的數(shù)值。例如,確定l(4)在第(3)步計(jì)算得到的每個(gè)獨(dú)立變量的數(shù)值的基礎(chǔ)上,進(jìn)行4個(gè)變量同時(shí)改變的綜合仿真,最終確定每個(gè)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(gè)獨(dú)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(jì)時(shí)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(qiáng)度理論來設(shè)計(jì),最初設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度均滿足要求,但當(dāng)原理樣機(jī)在側(cè)傾角為30°的斜坡上時(shí),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(jì)成類似方管,并且在沿?fù)u臂長(zhǎng)度方向加上一些筋板,以增加搖臂的強(qiáng)度和剛度。各搖臂的材料為L(zhǎng)Y12,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(duì)初步設(shè)計(jì)的懸架進(jìn)行受力分析,最大動(dòng)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(shí)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(jī)在30°側(cè)傾地面時(shí)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?？梢?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(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。6設(shè)計(jì)承載質(zhì)量圖13為研制的新型八輪月球車移