八轮月球车悬架的动态特性分析

八轮月球车悬架的动态特性分析

0月球车悬架与变悬架在月球表面光滑、复杂的地形环境中执行科学勘探任务。移动系统是球类车最重要的部件，也是各种设备和运输的平台。其功能和适应性直接关系到球类车的使用寿命，以及是否能够完成指定的检测任务。性能优越的悬架能够使月球车具有良好的抗倾覆、爬坡和跨坑道等越障性能,并且具有减振能力,这对于保持车体的稳定,减轻有效载荷的振动,保持其正常的工作状态是极其重要的。美国JPL在月球及行星车研制方面的成果代表了该领域的最高水平,开发的Rocky系列六轮火星车国内在行星车悬架构型方面的研制尚处于起步阶段。提高整车质量在各轮上分配的均匀性,可提高驱动电动机驱动功率的一致性;提高悬架被动适应松软复杂地形能力,可提高其稳定性和越障能力。因此,有必要对八轮月球车的被动适应地形悬架构型进行研究。1新型复合悬架结构的提出本研究所指的八轮悬架均为被动适应地形的悬架。悬架的构型可以通过研究多自由度多环平面机构的拓扑结构综合方法来研究解决。1.1轮悬架方案的提出为得到合理的八轮月球车悬架结构,首先进行拓扑结构综合。图1为部分常用八轮悬架结构的拓扑图,俯视驱动轮布置方式有9种,侧视独立悬架铰接方式有4种,可将不同的俯视图布置方式与侧视图布置方式结合,形成多种八轮悬架布置方案。设计月球车移动系统时,驱动轮及悬架布置应该满足以下条件。(1)驱动轮尽可能对称、均匀分布,有利于为车载平台体提供稳定的支撑。(2)在松软的沙地上行驶时,驱动轮直线前进方向形成的轨迹数尽可能是两条,这样可以减小行驶阻力,有利于节省能量。(3)悬架中各构件尽可能减少交叉点,以方便各构件在空间位置的布置。基于上述原则,可选择图1中车轮布置方式a根据拓扑结构综合,提出以下两种具有对称结构的悬架方案。方案1的单侧悬架结构示意图如图2所示:单侧悬架4个驱动轮独立驱动,前后2个驱动轮独立转向,悬架通过2个铰接点同车载平台相连接。电机驱动功率一致(1)结构对称,重力在各轮上均匀分配,电动机驱动功率一致。(2)8个驱动轮与月面接触,接地比压小,有利于减小行驶阻力。(3)主车体由两个横轴支撑,强度高。侧轮悬架结构(1)跨越的障碍较高时容易出现中间两驱动轮相互干涉的现象。(2)悬架通过4个铰接点与主车体连接,主车体平稳性较差。(3)在复杂地形移动时容易出现车轮离地现象。方案2的单侧悬架结构示意图如图3所示:单侧悬架4个驱动轮独立驱动,前后2个驱动轮独立转向。前主摇臂的前端连接1个转向机构,该转向机构与前轮相连,前主摇臂的后端通过铰链与副摇臂连接;副摇臂上安装2个中间轮,副摇臂通过铰链与后主摇臂的前端连接;后主摇臂的后端连接1个转向机构,该转向机构与后轮相连;摇臂连接杆和摆杆通过铰链将前、后主摇臂连接在一起,摇臂连接杆通过差动机构与车载平台相连,摆杆位于主摇臂的上方。驱动轮与月面接触(1)结构对称,重力在各轮上均匀分配,电动机驱动功率一致。(2)8个驱动轮与月面接触,接地比压小,有利于减小行驶阻力。(3)主车体由差动装置与悬架相连接,可调节月球车两侧驱动轮接触不同地形差异,保证其主车体承受两侧悬架扰动的均值,增强了主车体姿态的平稳性。使用2个场景的缺点1.2两种方案的比较用ADAMS软件进行仿真分析,为使两种方案具有可比性,设定以下仿真原则。(1)两种方案ADAMS模型的最大三维包络尺寸相同。(2)每个驱动轮驱动力矩相同。(3)车载平台质量相同。(4)车轮均采用光滑驱动轮,轮径、质量均相同。(5)车体最小离地间隙相同。(6)仿真的路面条件相同。1.2.1双侧行驶距离越障能力垂直障碍是各种障碍路面中条件最恶劣的一种,通过比较跨越垂直障碍的情况,能够反映两种方案越障性能的优劣。判断依据:在相同条件下相同时间内,在同一设有垂直障碍的路面上行驶的距离越长说明越障越容易,即越障能力越强。方案1在ADAMS中仿真完毕后从其后处理文件中可得到时间位移曲线,如图4a所示,50s后的位移是2855mm;同理,方案2的时间位移曲线如图4b所示,50s后的位移是3248mm。比较两种方案模型越障的结果,方案2在50s内通过的距离大于方案1,而且当障碍高度提高后,通过仿真发现,方案1的越障能力远不如方案2。因此,方案2的越障性能强于方案1。1.2.2中间轮之间的干涉曲面地形是一种对悬架性能要求比较高的地形环境,通过在曲面地形的仿真,可以判断两种方案适应地形的能力。判断依据:驱动轮是否存在离地现象;驱动轮之间是否有相互干涉现象。在满足以上两点的情况下,相同时间内通过的位移较大者其移动系统性能较好。方案1在行驶过程中两个中间轮出现相互干涉的现象。而且,如果不在悬架上加限位,在复杂地形上会出现悬架翻转超过90°的现象,造成模型不能继续行驶。方案2顺利通过了该曲面地形。1.2.3影响垂直方向位移变化的仿真模型单侧驱动轮越障是移动系统适应地形的一种情况,其判断依据:不跨越障碍一侧驱动轮是否存在离地现象。在相同的仿真条件下对两种方案进行了仿真,图5为方案2的单侧障碍路面地形行驶的仿真模型。通过ADAMS后处理文件可以得到方案1不跨越障碍一侧4个驱动轮在垂直方向位移变化曲线如图6a所示,其中前轮和中后轮最大垂直位移约为48mm,表明有明显离地现象:方案2不跨越障碍一侧4个驱动轮在垂直方向位移变化曲线如图6b所示,最大垂直位移3mm,表明没有离地现象,产生小幅升高原因是驱动轮倾斜导致测量点(驱动轮质心)小幅上升,而且此时4个驱动轮在垂直方向位移变化几乎完全相同,导致4条曲线基本重合。可见方案2的车体运动平稳性强于方案1。2月球车悬架的结构组成和工作原理根据仿真结果,两种方案的详细比较见表1。通过列表比较分析,方案2在越障性能、地形适应能力、车体运动平稳性方面优于方案1。因此,最终确定方案2为可用的八轮月球车被动适应地形的悬架构型方案。该新型八轮移动系统包括8个独立驱动的驱动轮、4个独立的转向机构、4根主摇臂、2根副摇臂、2根摇臂连接杆、2根摆杆和1个移动子系统与本体的连接的差动装置。图3为该新型八轮移动系统单侧组成,表2为其移动系统组成及各主要零部件的功能。新型八轮移动系统单侧悬架系统的组成包括:1根主摇臂、2根副摇臂、4个驱动轮、1根摇臂连接杆和1根摆杆,由图3可见,其单侧悬架的自由度为2。因此,需要在摇臂连接杆和摆杆之间加限位,以防止结构失稳。各部分之间的连接关系为:前主摇臂的前端连接1个转向装置,该转向机构与前轮相连,主摇臂的后端通过铰链与副摇臂连接;副摇臂上安装2个中间轮,副摇臂通过铰链与后主摇臂的前端连接;后主摇臂的后端连接1个转向装置,该转向机构与后轮相连;摇臂连接杆和摆杆通过铰链将前、后主摇臂连接在一起。两侧的摇臂连接杆通过差动装置与月球车本体相连。该八轮移动子系统的工作原理如下所述。(1)前进、后退:当所有驱动电动机正、反转时,两侧主、副摇臂、杆件和转向机构在8个驱动轮的作用下向前、后移动,两侧的悬架系统再通过连接装置带动本体向前、后移动。(2)转向:前2个转向装置同时工作、或者后2个转向装置同时工作、或者4个转向装置共同工作,可以控制月球车按照不同的转弯半径进行转向。(3)制动:当月球车停留在斜坡上或完成某项作业需要时,通过驱动轮上的制动装置实现所有驱动轮的制动,从而实现整个月球车的制动,以确保其能够停留在斜坡上或完成某项作业。(4)越障:当月球车的驱动轮遇到障碍时,通过摇臂连接杆绕差动装置的转动、摆杆绕2个铰链的转动和主、副摇臂绕各自铰链的转动,并借助于中间轮可以调整重力在各个轮上的分力,从而提高车体的稳定性和越障能力。(5)维持本体相对平衡:两侧的悬架通过差动装置与月球车本体相连,这样,本体就能够通过差动装置来保持与两侧摇臂连接杆的平衡,使本体的俯仰角度为两侧摇臂连接杆俯仰角度的平均值。3运行装置的工作原理和结构的设计3.1差动装置设计差动装置是一个2自由度运动转换机构,它能够将两个运动输入转化为一个运动输出,或将一个运动输入分解为两个不同的运动输出。对于月球车,若将差动装置的两个运动输入构件分别与两侧悬架的摇臂连接杆连接,而运动输出构件与主车体相连,则结合悬架的摇臂关节,可以确保所有的车轮在任何路况下均与地面保持接触,以增大月球车的牵引力和越障能力。同时,差动装置具有的运动输出线性平均特性,能保证主车体仅承受两侧悬架扰动量的平均值,这有助于提高月球车的运动平稳性。本项目的差动装置选择的是差动轮系式,其结构紧凑、可靠性高,易采取密封和保温措施等特点,差动装置的输出可精确实现两侧悬架扰动输入的线性平均。差动装置的工作原理如图7所示,该装置的中心是一组由圆锥齿轮组成的差动轮系,两个中心轮分别与左右悬架连接,作为运动输入轴,两个行星轮的支撑轴(系杆)与主车体固接,作为运动输出构件。设Φ由此可知,差动装置对月球车所运行的地形引起的扰动起到了一次线性平均的作用。3.2差动装置结构设计差动装置的受力分析是进行差动轮系传动设计计算、轴系部件设计计算和接口设计计算的基础。根据主车体的质量和质心位置计算得到主车体等效质量对差动装置两个坐标轴线的作用力矩;再根据移动系统的左、右悬架对差动装置输入轴的作用力矩,以及月球车应该适应的爬坡角度和侧倾角度的要求建立方程组,可计算得到差动装置轴系部件各主要零件的结构尺寸,然后进行差动装置详细的结构设计。图8为差动装置实物照片。在结构设计中,输入轴均采用空心结构来降低重量;输入轴与主车体承力板的位置关系根据月球车的总体设计来确定;输入轴的轴向长度根据主车体的宽度尺寸和移动系统悬架与主车体之间的间距确定。为减小差动装置底板与主车体承力板连接螺钉的剪切力,在差动装置与主车体承力板装配后应加装定位销。月球车对差动装置轮系传动精度的要求较低,但轮系传动回差的存在会影响主车体的动态平稳性,因此应尽量降低轮系传动回差。在齿轮传动系统中,产生回差主要有三个原因:①传动件材料的弹性变形,它是由材料本身的力性能决定的,可通过选用屈强比小的材料来控制。②保证齿轮正常润滑传动的齿侧间隙,可在齿轮设计和加工过程中加以控制,尽可能实现最小侧隙。③传动件各运动副之间的间隙、滑动部分的磨损等造成的传动链回差,应在传动系统结构设计、加工和安装过程中加以控制,本差动装置轮系的各轴向定位均设计有预紧和调整措施,能够通过调整轴向预紧来减小齿轮及各运动副之间存在的以及由磨损产生的间隙。4月面为垂直障碍条件下行驶位移仿真分析由于该构型悬架为左右对称结构,因此对单侧悬架的6个设计参数进行优选,如图9所示。根据原理样机技术指标要求,利用ADAMS虚拟样机分析软件,建立原理样机的仿真模型,优选悬架结构参数。据设计要求,轮径及总体尺寸已经确定,因此得到式中的A可根据移动系统整体尺寸和车轮直径计算得到。驱动轮等间距分布,根据各构件质量、对称性以及重力均匀分配的要求,可得由式(1)、(2)可知:若l因仿真月面中设置的垂直障碍属恶劣地形,在相同条件下相同时间内,在设有垂直障碍的同一仿真地面上行驶的位移越长说明越障越容易,在一定程度上说明适应地形能力也越强。因此,可把相同时间内月球车在多个垂直障碍的地面上行驶的位移作为评价标准,对单个参数进行试算。利用ADAMS软件进行悬架结构参数优选的具体过程如下。(1)根据悬架结构特点,初步确定4个独立变量的取值范围。(2)进行4个独立变量的敏感度分析,找到对移动系统越障性能影响最大的变量,并进一步缩小各变量的取值范围。(3)依次优选每个独立变量的数值:其他3个独立变量在取值范围内初选一个值,第4个独立变量在取值范围内取不同的值进行仿真,以确定该独立变量的数值。例如,确定l(4)在第(3)步计算得到的每个独立变量的数值的基础上,进行4个变量同时改变的综合仿真,最终确定每个变量的取值。5悬架的受力分析根据优选得到了悬架6个独立变量的数值后,悬架中各摇臂的主要结构尺寸即可确定,设计时要考虑尽量减小各摇臂的质量,主要是通过控制摇臂断面形状和尺寸来控制摇臂质量。按照等断面强度理论来设计,最初设计的摇臂断面形状为工字形,这种形状的摇臂在垂直方向的强度和刚度均满足要求,但当原理样机在侧倾角为30°的斜坡上时,这种摇臂的侧向变形过大,刚度不满足要求。因此,将摇臂断面形状设计成类似方管,并且在沿摇臂长度方向加上一些筋板,以增加摇臂的强度和刚度。各摇臂的材料为LY12,其弹性模量为71GPa,泊松比为0.28,屈服极限为260MPa。利用Patran软件对初步设计的悬架进行受力分析,最大动载荷取静载荷的3倍,重力加速度为地球重力加速度。图11a为平地时单侧悬架的受力云图,可见最大应力发生在摇臂连接杆上,数值为141MPa,图11b为变形云图,最大变形同样发生在摇臂连接杆上,数值为0.672mm。图12a为原理样机在30°侧倾地面时单侧悬架的受力云图,最大应力发生在摇臂连接杆上,数值为131MPa,图12b为变形云图,最大变形同样发生在摇臂连接杆上,数值为0.431mm。可见,这种结构的悬架,无论是在30°侧倾地面还是平地,其强度和刚度均满足设计要求。6设计承载质量图13为研制的新型八轮月球车移