载人月球车悬架与车轮结构设计及性能研究

发布时间：2017-10-16 00:20

  本文关键词：载人月球车悬架与车轮结构设计及性能研究

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【摘要】：无论是在月面的短期驻留还是长期居住,载人月球车都是不可缺少的重要研究媒介和探测工具,可以更高效地搭载宇航员到达距离登月舱较远的地方,有效地完成多种探测任务。载人月球探测车由于科学任务及承载对象的不同,与无人月球车在移动系统构型、移动性能等研究有很大不同,作为行驶在月面上的特殊电动运输平台,对载人月球车移动系统的机动性提出了更高的要求,为此需要对载人月球探测车可折展移动系统设计所涉及的理论及关键技术进行较为深入的研究。本文以载人月球车可折展悬架与车轮结构设计及性能研究为对象,通过可折展移动系统构型综合、移动系统平顺性及可通过性能分析、可折展悬架与车轮结构设计方法研究、移动系统搭建、移动性能仿真与实验等,旨在设计出满足设计约束的载人月球车可折展移动系统,力图为载人月球车移动系统设计提供理论和技术支持。载人月球车移动系统按机构学和多体动力学的观点,可折展车架可看作串联机构,可折展悬架为多支路并联机构,移动系统为串并混联机构,利用并联机构拓扑综合相关理论,基于回路秩分配对车架、悬架进行机构综合,由此得到六种满足回路秩分配要求的载人月球车可折展车架及悬架四支路组合方案。对于双轴四轮载人月球车移动系统,车身和车轮通过弹性元件、阻尼元件以及悬架导向机构有机的联系在一起。适当简化移动系统,研究其主要因素,忽略其次要因素,建立两自由度单点激励车辆振动模型,通过仿真分析,得到悬架及车轮主要性能参数对载人月球车平顺性能的影响分析。基于载人月球车移动系统结构参数对其进行顶起失效、触头失效、坡道行驶、越障及越壕沟等进行了分析,以保证载人月球车移动系统的可通过性能。载人月球车悬架子系统约束条件多,设计相当复杂。在保证车轮上下跳动过程中,其定位参数在合理范围内变化的基础上,还要考虑与转向传动机构存在耦合作用,尤其是悬架大转角折展过程对车轮定位参数的影响,更增加了设计难度。应用四步设计法,利用当量机构平面法的基本原理,将空间多连杆机构转变为横向及水平面内的平面多杆机构进行分析和优化仿真,获得满足各种约束条件的导向机构及转向横拉杆断开点位置参数。悬架的弹性元件采用纵向布置扭杆弹簧,同样考虑折展性的影响,从力学特性和弹性特性两个方面入手,增加对大转角范围内悬架弹性性能的分析,并结合力学模型对上下横臂双扭杆的刚度匹配问题进行分析,以设计出满足悬架性能要求的扭杆弹簧。作为载人月球车移动系统和月面环境间的物理接口,车轮对载人月球车的移动性能具有决定性作用。其结构特殊,采用轮毂电机,集驱动传动于一体,可基于轮地力学理论,对单轮驱动扭矩及功率进行分析和修正。对于车轮本体,组合式轮毂及关键部件可采用力学分析和基于多点约束的有限元仿真的方法,分析相关因素的影响,对组合式轮毂结构进行改进。并通过试验的方法来解决金属弹性筛网热处理成形及装配工艺,保证车轮胎面编织及成形的一致性。最后对从机械系统和控制系统两方面完成载人月球车地面原理样机移动系统的搭建,进行移动性能仿真分析及实验验证。在地面重力条件下,对载人月球车进行了折展功能实验。对地月不同重力加速度条件下载人月球车相关移动性能进行对比分析。基于仿真结果,利用室外松散沙土模拟月壤进行地面重力条件下越障、爬坡等可通过性能相关试验,为后续更深入开展载人月球车移动系统研究奠定基础。
【关键词】：载人月球车 可折展移动系统构型综合 可折展双横臂扭杆弹簧悬架 金属弹性筛网轮 性能分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V476.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第1章 绪论16-32
• 1.1 课题研究的意义16
• 1.2 载人月球车移动系统构型研究现状16-21
• 1.2.1 无可增压装置载人月球车移动系统构型研究现状17
• 1.2.2 有可增压装置载人月球车移动系统构型研究现状17-21
• 1.3 车辆平顺性研究现状21-23
• 1.4 车轮构型及设计理论研究现状23-27
• 1.4.1 车轮构型研究现状23-25
• 1.4.2 车轮设计理论及方法25-27
• 1.5 车辆悬架构型及设计理论研究现状27-30
• 1.5.1 悬架构型研究现状27-29
• 1.5.2 悬架相关设计方法29-30
• 1.6 课题来源及研究的主要内容30-32
• 第2章 载人月球车可折展移动系统构型综合32-51
• 2.1 引言32
• 2.2 系统构型综合约束条件及折展功能实现方式32-37
• 2.2.1 构型综合相关基本定义33-35
• 2.2.2 移动系统折展功能实现方式35-37
• 2.2.3 构型综合约束条件37
• 2.3 可折展车架串联拓扑结构综合37
• 2.4 可折展悬架并联拓扑结构综合37-47
• 2.4.1 基于回路秩分配的拓扑结构综合38-39
• 2.4.2 确定悬架支路拓扑结构类型39-41
• 2.4.3 分配悬架各基本回路的秩41-42
• 2.4.4 确定悬架支路组合方案42-45
• 2.4.5 悬架拓扑结构类型选择45-47
• 2.5 车架及悬架串并混联机构构型综合47-50
• 2.6 本章小结50-51
• 第3章 移动系统平顺性及可通过性能分析51-79
• 3.1 引言51
• 3.2 悬架与车轮主要参数及分析方法51-52
• 3.3 基于性能参数的载人月球车移动系统平顺性分析52-65
• 3.3.1 两自由度单点激励模型及振动响应量的幅频特性53-57
• 3.3.2 悬架与车轮主要性能参数对平顺性影响分析57-63
• 3.3.3 基于平顺性悬架阻尼比可行设计区域63-65
• 3.4 基于结构参数的载人月球车可通过性能分析65-78
• 3.4.1 顶起失效与触头失效的几何条件65-67
• 3.4.2 载人月球车坡道行驶能力分析67-70
• 3.4.3 载人月球车越障能力分析70-77
• 3.4.4 载人月球车越过壕沟能力分析77-78
• 3.5 本章小结78-79
• 第4章 可折展双横臂扭杆弹簧独立悬架设计79-109
• 4.1 引言79
• 4.2 可折展悬架设计约束、组成及结构分析79-82
• 4.2.1 悬架设计约束79-80
• 4.2.2 悬架组成及结构分析80-81
• 4.2.3 可折展性对悬架设计的影响81-82
• 4.3 可折展悬架空间连杆机构运动学分析82-94
• 4.3.1 基于当量平面机构法的悬架横向平面投影的四步设计法82-88
• 4.3.2 基于当量平面机构法的悬架水平面投影分析88-90
• 4.3.3 悬架空间连杆机构硬点实验研究及双目标优化90-94
• 4.4 可折展双横臂独立悬架弹性元件设计与分析94-107
• 4.4.1 扭杆弹簧特点及设计输入输出关系94
• 4.4.2 不同布置方式扭杆弹簧特性分析94-100
• 4.4.3 可折展悬架双置式扭杆相关特性分析100-107
• 4.5 本章小结107-109
• 第5章 金属弹性筛网轮设计109-132
• 5.1 引言109
• 5.2 金属弹性筛网轮设计约束及技术指标109-113
• 5.2.1 金属弹性筛网轮设计约束109-110
• 5.2.2 金属弹性筛网轮构型特点110-113
• 5.3 单轮轮地作用分析113-121
• 5.3.1 考虑弹性变形量的轮地作用模型113-116
• 5.3.2 考虑筛网参数的轮地作用模型116-119
• 5.3.3 单轮驱动扭矩及功率分析119-121
• 5.4 金属弹性筛网轮本体结构设计与分析121-129
• 5.4.1 轮体主要结构尺寸影响因素分析121-123
• 5.4.2 基于多点约束的车轮主要组成部件有限元分析123-128
• 5.4.3 筛网热处理成形及装配工艺128-129
• 5.5 金属筛网轮基本性能测试129-131
• 5.6 本章小结131-132
• 第6章 载人月球车移动系统搭建及性能实验132-156
• 6.1 引言132
• 6.2 载人月球车地面原理样机移动系统搭建132-139
• 6.2.1 移动系统设计指标132-133
• 6.2.2 机械系统基本组成133-136
• 6.2.3 控制系统基本框架136-139
• 6.3 折展功能实验139-143
• 6.3.1 地面折展实验辅助装置139-140
• 6.3.2 折叠角度及折展包络尺寸测量140-142
• 6.3.3 移动系统展开过程分解142-143
• 6.4 载人月球车移动性能仿真分析143-149
• 6.4.1 仿真相关参数设置144-145
• 6.4.2 爬坡性能仿真145-147
• 6.4.3 越障性能仿真147-149
• 6.5 地面重力条件载人月球车移动性能实验研究149-155
• 6.5.1 室外模拟月壤水平移动性能相关实验149-151
• 6.5.2 室外模拟月壤转向实验151-153
• 6.5.3 载人月球车爬坡实验153-154
• 6.5.4 载人月球车越障实验154-155
• 6.6 本章小结155-156
• 结论156-158
• 参考文献158-166
• 攻读博士学位期间发表的学术论文166-168
• 致谢168-170
• 个人简历170

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本文编号：1039544