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        一種新型可伸縮輪刺月球車的越障特性分析

        2022-02-14 12:11:46張明順
        關(guān)鍵詞:月球車前輪質(zhì)心

        張明順

        (沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽110159)

        月球的地表環(huán)境非常復(fù)雜,月球車對車輪的性能要求很高。帶輪刺的傳統(tǒng)車輪在平整地形上運動時會產(chǎn)生多邊形效應(yīng)而影響月球車的運動穩(wěn)定性;在經(jīng)過障礙物時會以一定的速度與障礙物發(fā)生碰撞,使車輪產(chǎn)生震動沖擊而影響月球車行駛的平順性[1]。為解決傳統(tǒng)月球車的這些問題,需要開發(fā)一種可伸縮輪刺的新型月球車。這種新型月球車在平整地形上運動時,通過輪刺收縮可減少多邊形效應(yīng)對月球車運動穩(wěn)定性的影響;在遇到障礙物時伸出輪刺,使月球車能夠較平穩(wěn)地越過不同高度的障礙物,從而提高月球車的科學(xué)考察工作效率[2]。本文將主要分析這種新型可伸縮輪刺月球車的越障特性。

        1 平整地形上的多邊形效應(yīng)

        圖1 傳統(tǒng)月球車

        圖2 帶輪刺車輪在平整地形上運動的示意圖

        根據(jù)文獻(xiàn)[1],在輪輻運動部分,即車輪輪輻與地面接觸時,車輪質(zhì)心高度(即質(zhì)心與地面的距離)不變,車輪質(zhì)心的位移為:

        (1)

        從上一個輪刺末端與地面的接觸開始,到下一個輪刺前半部分與地面的接觸終止,這個運動過程為輪刺前運動部分。對應(yīng)這一運動過程,車輪質(zhì)心隨車輪運動逐漸降低,車輪質(zhì)心的位移為:

        (2)

        從上一個輪刺前半部分與地面的接觸開始,到下一個輪刺始端與地面的接觸終止,這個運動過程為輪刺后運動部分。對應(yīng)這一運動過程,車輪質(zhì)心隨車輪運動逐漸升高,車輪質(zhì)心的位移為:

        (3)

        對式(1)-式(3)進(jìn)行歸納,可得出車輪質(zhì)心的位移規(guī)律。帶固定輪刺車輪在平整地形上運動過程中,車輪質(zhì)心的位移可表示為:

        (4)

        對車輪質(zhì)心位移進(jìn)行求導(dǎo),可得出車輪質(zhì)心在輪輻運動部分的運動速度,即

        (5)

        車輪質(zhì)心在輪刺前運動部分的運動速度為:

        (6)

        車輪質(zhì)心在輪刺后運動部分的運動速度為:

        (7)

        對式(5)-式(7)進(jìn)行歸納,所得帶固定輪刺車輪在平整地形上運動過程中,車輪質(zhì)心的運動速度為:

        (8)

        對車輪質(zhì)心的運動速度進(jìn)行求導(dǎo),可得出車輪質(zhì)心在輪輻運動部分的運動加速度,即

        (9)

        車輪質(zhì)心在輪刺前運動部分的運動加速度為:

        (10)

        車輪質(zhì)心在輪刺后運動部分的運動加速度為:

        (11)

        對式(9)-式(11)進(jìn)行歸納,所得帶固定輪刺車輪在平整地形上運動過程中,車輪質(zhì)心的運動加速度為:

        (12)

        分析可知:帶固定輪刺的月球車行走在平整地形上時,車輪質(zhì)心的運動規(guī)律不僅與車輪轉(zhuǎn)動的角速度ω有關(guān),還與輪刺所對的圓心角α和兩根輪刺的夾角β有關(guān);α越大,即車輪表面的輪刺與地面接觸面積越大,則車輪質(zhì)心在Y方向運動的位移、速度、加速度越大,車輪所受振動沖擊也就越大;車輪周向輪刺的數(shù)量越多,即在輪刺所對的圓心角α不變時兩根輪刺的夾角β越小,則車輪質(zhì)心在Y方向運動的位移、速度、加速度越小。

        2 可伸縮輪刺的車輪結(jié)構(gòu)

        若月球車采用可伸縮輪刺的車輪(圖3),且其在平整地形上運動時能將輪刺縮回,則可很好地彌補傳統(tǒng)月球車的不足。

        圖3 有可伸縮輪刺車輪的月球車示意圖

        可伸縮輪刺車輪的主體主要由車輪輪輻和多個可伸縮的輪刺組成,每個輪刺都有一個一體式驅(qū)動單元[4]。驅(qū)動單元是實現(xiàn)輪刺伸縮的關(guān)鍵,它主要由壓力傳感器、位移傳感器和伸縮結(jié)構(gòu)組成。伸縮結(jié)構(gòu)主要由電機、絲杠、螺母和伸縮桿組成。車輪輪刺的伸縮結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 車輪輪刺的伸縮結(jié)構(gòu)

        有可伸縮輪刺車輪的月球車感知到地形變化時,會將信號傳遞到控制器;控制器控制電機轉(zhuǎn)動,進(jìn)而帶動絲杠轉(zhuǎn)動;絲杠再帶動螺母做直線運動,而螺母和伸縮桿是固定在一起的,故可實現(xiàn)伸縮桿的伸縮。待伸縮桿伸縮完畢,壓力傳感器和位移傳感器會將信號再次反饋到控制器。車輪的輪刺可以在較短時間內(nèi)完成伸縮任務(wù),且整個伸縮過程是閉環(huán)控制的??缮炜s輪刺車輪的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        (a) 輪刺回位狀態(tài) (b) 輪刺伸出狀態(tài)

        3 可伸縮輪刺車輪越障時的受力分析

        由文獻(xiàn)[5]可知,新型可伸縮輪刺月球車的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

        表1 新型可伸縮輪刺月球車的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        在月球車經(jīng)過障礙物時,車輪與障礙物的接觸面上存在阻力作用。設(shè)障礙物是固定在地面上的,則月球車在前輪接觸障礙物瞬間的受力情況如圖6所示。

        N1、N2分別為前、后輪所受地面支撐反力;L為前后軸的軸距,h為障礙物高度,F(xiàn)d為車輪牽引力;W為作用在月球車上的總重力;μ為車輪的附著系數(shù);γ為車輪接觸障礙物的特殊角度

        前輪越障的阻力為:

        F=N1cosγ-μN1sinγ

        (13)

        角度γ為障礙物高度h和車輪半徑R的函數(shù),即

        γ=arcsin[(R-h)/R]

        (14)

        前輪離地瞬間的力平衡方程為:

        (15)

        前輪離地瞬間的力矩平衡方程為:

        μN1R+FdR—N2L+WL/2=0

        (16)

        由式(13)-式(16)可求得前輪越障的阻力F,即

        (17)

        設(shè)定L=1 800 mm,h=100 mm,μ=0.4,則由式(17)可繪制前輪越障阻力與車輪直徑的關(guān)系曲線(圖7)。

        圖7 前輪越障阻力與車輪直徑的關(guān)系曲線

        由圖7可看出,車輪直徑越大,越障時阻力就越小。同理,可對后輪越障的阻力進(jìn)行分析。這里不予贅述。

        當(dāng)有可伸縮輪刺車輪的月球車遇到障礙物時,輪刺伸出,增大了車輪直徑,進(jìn)而減小了越障的阻力,使月球車能夠更好地越過障礙物。

        4 可伸縮輪刺車輪的越障過程仿真

        4.1 月球地表環(huán)境的模擬

        月球表面大多區(qū)域覆蓋著巖石碎片、沙粒和灰塵,月壤松軟,石塊散落,地形復(fù)雜多變。其中,巖石碎塊有大有小,但直徑一般不超過500 mm[6]。此外,月球上地形起伏,障礙物坡度在25°左右,月球表面還有特殊的隕石撞擊坑,存在一些較深且寬的坑狀極端地形。這都會對正常行駛的月球車造成一定影響。

        為了真實地模擬月球的地表環(huán)境,本文根據(jù)文獻(xiàn)[7-9],在構(gòu)建圖8所示的月球表面障礙物分布模型時,將模型中臺階障礙物的高度設(shè)定為150 mm、300 mm和500 mm這3種,而將斜坡障礙物的坡度設(shè)定為30°。

        圖8 月球表面的障礙物分布模型

        4.2 月球車越障過程仿真條件的設(shè)置

        本文將傳統(tǒng)月球車與新型可伸縮輪刺月球車的模型參數(shù)先后導(dǎo)入ADAMS仿真軟件,分別進(jìn)行了兩種月球車越障過程的仿真。

        鑒于月球表面覆蓋著松軟的月壤,其地面參數(shù)與土路比較接近,本文在查閱文獻(xiàn)[10-12]后,設(shè)置了下列仿真條件:月球車材料為鋁合金,總質(zhì)量為400 kg;月球表面的重力加速度為1.634 m/s2;月球車驅(qū)動角速度為30 °/s;地面剛度系數(shù)為10,靜摩擦系數(shù)為0.8,動摩擦系數(shù)為0.5。

        4.3 兩種車輪質(zhì)心高度變化的對比分析

        通過仿真,可得圖9所示兩種月球車左前輪質(zhì)心高度的變化曲線。月球車右前輪質(zhì)心高度的變化曲線與左前輪類似,這里不再羅列。

        (a) 可伸縮輪刺車輪

        分析可知:新型可伸縮輪刺月球車可以輕松地越過3處高度分別為150 mm、300 mm和500 mm的障礙物,且能夠在平整月面甚至是斜坡的月面上較平穩(wěn)地行駛;而傳統(tǒng)月球車雖然也可在平整月面上平穩(wěn)行駛,但是相比于新型可伸縮輪刺的月球車來說,在越過高度不同的障礙物時,其前輪質(zhì)心的高度變化較大,高度變化的最大值約為620 mm(而可伸縮輪刺車輪質(zhì)心高度變化的最大值約為590 mm),會產(chǎn)生較大波動,對月球車行駛的平順性產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)通過溝壑地形時,傳統(tǒng)月球車比新型可伸縮輪刺月球車的車輪質(zhì)心高度變化要大。

        仿真還發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)月球車在經(jīng)過高度為500 mm的障礙物時會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,而無法越過障礙物。

        4.4 兩種車輪質(zhì)心運動加速度的對比分析

        通過仿真,可得圖10所示兩種月球車前輪質(zhì)心在Y方向的運動加速度曲線。

        月球車前輪質(zhì)心在Y方向運動加速度的值反映了地面對前輪造成沖擊的強弱,是衡量月球車行駛平順性的重要指標(biāo)[13]。分析可知,前輪質(zhì)心在Y方向運動加速度值的波動一般出現(xiàn)在前輪經(jīng)過障礙物或者越過溝壑時,障礙物越高,前輪質(zhì)心在Y方向運動加速度值的波動就越大。

        由圖10可看出:新型可伸縮輪刺月球車在其前輪經(jīng)過障礙物或者溝壑時,前輪質(zhì)心在Y方向運動的加速度值一般在1 000 mm/s2上下變化,其最大值約為2 000 mm/s2;傳統(tǒng)月球車在其前輪經(jīng)過障礙物或者溝壑時,前輪質(zhì)心在Y方向運動加速度的值波動較大,最大時超過了5 000 mm/s2,是可伸縮輪刺車輪的2倍多,此時對月球車行駛的平順性會產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

        (a) 可伸縮輪刺左前輪

        4.5 兩種車輪驅(qū)動扭矩的對比分析

        通過仿真,可得圖11所示兩種月球車前輪的驅(qū)動扭矩曲線。

        由圖11(a)、(b)可看出:可伸縮輪刺月球車前輪在啟動時驅(qū)動扭矩較大,啟動后行駛中所需驅(qū)動扭矩則比較小,因為此時只需克服車輪的滾動阻力即可;在月球車經(jīng)過障礙物時,前輪的驅(qū)動扭矩較大,其最大值接近3.5×105N·mm;月球車左前輪與右前輪接觸障礙物的點不同,所需驅(qū)動扭矩也不同。由圖11(c)、(d)可看出:傳統(tǒng)月球車在平整月面上運動時,其前輪的驅(qū)動扭矩比可伸縮輪刺前輪的小,這是傳統(tǒng)月球車的優(yōu)勢所在;但是在越障時,傳統(tǒng)月球車需要的前輪驅(qū)動扭矩比較大,最大值超過了1.2×106N·mm,遠(yuǎn)大于可伸縮輪刺月球車前輪的驅(qū)動扭矩。

        (a) 可伸縮輪刺左前輪

        4.6 兩種車輪與月球表面接觸力的對比分析

        通過仿真,可得圖12所示兩種月球車前輪與月球表面的接觸力曲線。

        (a) 可伸縮輪刺左前輪

        由圖12(a)、(b)可看出:可伸縮輪刺月球車在平整的月球表面行駛時,由于可伸縮輪刺的作用,其前輪與月球表面的接觸力曲線呈周期性變化,比較均勻;當(dāng)月球車經(jīng)過障礙物或者溝壑時,其前輪會受到障礙物或者溝壑撞擊,導(dǎo)致前輪與月球表面的接觸力增大,其最大值為1 500 N。由圖12(c)、(d)可看出:傳統(tǒng)月球車在平整的月球表面行駛時,其前輪與月球表面的接觸力較??;當(dāng)月球車經(jīng)過障礙物或者溝壑時,其前輪會受到障礙物或者溝壑撞擊,導(dǎo)致前輪與月球表面的接觸力急劇增大,其最大值可達(dá)5 500 N,這不僅影響月球車行走的平順性,還會加劇車輪的磨損[14],縮短車輪的使用壽命。

        5 結(jié) 語

        (1) 通過推導(dǎo)月球車在平整地面上行駛的質(zhì)心運動方程,說明了帶固定輪刺車輪在運動過程中輪刺對車輪質(zhì)心位移、運動速度和運動加速度的影響;進(jìn)一步說明,可伸縮輪刺車輪在平整地面上行走時,通過輪刺收縮,可很好地彌補傳統(tǒng)月球車的不足。

        (2) 通過建立月球車在越障過程的力學(xué)分析方程,分析了車輪直徑與越障阻力的關(guān)系。結(jié)果表明,車輪直徑越大,越障阻力就越小??缮炜s輪刺車輪通過伸出輪刺能直接增大車輪的直徑,減小越障阻力,提高月球車的越障能力。

        (3) 在ADAMS軟件中建立仿真模型后進(jìn)行了動力學(xué)分析,并以可伸縮輪刺月球車車輪與傳統(tǒng)月球車車輪的仿真結(jié)果對比證明,可伸縮輪刺車輪的月球車可以更輕松地越過障礙物。

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