八轮扭杆摇臂式月球车可展开移动系统研究

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月球车移动系统作为月面探测的媒介,其关键技术的研究对于完善探月工程具有重要意义。本文依托国家高技术研究发展规划863-703主题资助项目(2003AA735052),主要进行八轮扭杆摇臂式月球车可展开移动系统的关键技术研究。  为实现月球车折叠比及相应的功能要求,分别对组成移动系统的悬架部件、车轮部件进行拓扑结构综合。应用并联机构拓扑结构综合方法,从悬架展开运动输出矩阵出发,获得了可展开悬架新构型。利用图论理论对可展开车轮进行构型综合、构态变换分析,确定了可展开车轮新构型,设计了车轮各构件间的关联模型。  通过准静力学分析,建立由结构参数表征越障通过性的参数表达式,分析了各结构参数对月球车越障通过性的影响。为确保八轮扭杆摇臂式月球车越障能力满足设计要求,建立以越障高度为目标、通过性为约束条件的结构参数优化数学模型,求解后确定了其整体结构尺寸。采用所确定的结构尺寸在ADAMS中建立移动系统越障仿真模型,对理论越障高度进行了仿真验证。  根据所确定的拓扑构型及结构尺寸,对八轮扭杆摇臂式月球车可展开移动系统进行设计,包括车轮部件、悬架部件及悬架展开动力源。根据车轮部件独立驱动、独立转向的功能要求,进行驱动传动装置及转向装置的设计,同时采用可展开车轮新构型设计了相应的轮辐结构。根据可展开悬架新构型,对悬架部件进行了总体结构设计。采用扭转弹簧与平面蜗卷弹簧组合作为悬架展开动力源,并根据所提出的设计准则进行设计,解决了弹簧体积与其所提供的动力不能同时满足设计要求的矛盾。  针对可展开悬架在展开锁止前后拓扑结构改变的特点,分展开过程和展开状态两阶段进行动力学分析,根据经典碰撞理论建立两阶段数学模型间的关系,建立了全面反映悬架展开运动动态特性的动力学模型。首先通过数值方法求解展开锁止前一瞬间各构件质心速度,确定锁止后系统振动初始条件。再通过复模态分析,求解系统中各自由度加速度响应,了解系统参数对加速度响应的影响,为改善系统动态特性提供依据。在ADAMS中建立可展开悬架仿真模型,进行动力学分析,确定了改善构件碰撞接触处动态特性的阻尼范围,提出了改善构件碰撞接触处动态特性的方法,即合理选择阻尼的同时进行主动减振。  利用四分之一可展开悬架的原理样机,通过添加配重模拟月球低重力环境,变换展开动力源参数及配重质量进行悬架展开实验,验证了所设计悬架的展开功能。根据相似理论,建立在地球重力与月球重力下悬架展开运动的动态特性间相似准则,为加速度测试实验提供了理论依据。利用加速度传感器及数据采集系统,测试承载平台在悬架展开运动中的加速度,分析悬架展开对车载仪器动态特性的影响,证明了理论计算结果的正确性。  本文在完成可展开移动系统拓扑构型设计的基础上,设计了可展开移动系统的机械部分,根据结构及性能改进的需求,对其越障通过性能、在悬架展开运动中的动态特性进行了探索性研究。
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