行星越障轮式月球车的设计

万方数据 （ #$$$ < =#）
作者简介：邓宗全 （=Z"@ A ） ， 男， 教授，博士生导师 <
第/期
邓宗全， 等： 行星越障轮式月球车的设计
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此其行驶系统的越障能力是完成探测任务的基本保 证 ! 以上所列举的轮式行驶系统大都是通过悬架来 提高月球探测车的越障能力， 只有个别的考虑到车 轮本身的越障能力， 而且车轮的越障能力也不是很 强 ! 本文从提高月球车的越障能力这一角度出发， 设 计了行星越障轮式月球车 !
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收稿日期：#$$# A $@ A =! < 基金项目：哈 尔 滨 工 业 大 学 跨 学 科 交 叉 性 研 究 基 金 资 助 项 目
行驶系统均采用各轮独立驱动， 自主工作的方式， 同时各轮均采用弹性悬挂方式， 故工作起来方便 ［=， #］ 灵巧， 同心性和转向性均较好 < 通过以往的实验验证可知， 刚性轮具有较高的 机械可靠性， 较好的转向性和环境适应性， 但其行 驶稳定性和耐磨损性均较差； 充气轮虽然具有较好 的行驶稳定性和越障能力， 但其环境适应能力差， 故不能应用到月球车中； 筛网轮的机械可靠性、 越 障性、 行驶稳定性和耐磨性均较好， 但爬坡能力相 对较差； 金属弹性轮的爬坡性能、 耐磨损性、 环境适 应性以及机械可靠性、 越障能力均较好， 但其转向 性能较差； 椭圆轮、 半球轮和无毂轮的爬坡和越障 性能及耐磨损性能均较好， 但其行驶稳定性较差， 机械可靠性最低 < 月球探测车能够完成各种任务的前提是能够安 全地在月面上行驶， 并且能够越过比较小的障碍， 因
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（#） 扭杆弹簧与固定臂和调节臂的连接结构
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简单； （!） 由于扭杆弹簧的一端与调节臂相连， 因而 可以通过不同的装配预扭角实现车身在一定范围 内的高度调节 " 基于以上原因， 本设计的月球车也采用了扭 杆弹簧悬架 " 前苏联发射到月球上的 ! # $ % $ & # 月球车和 " ! # $ % $ & $ 月球车的运行寿命主要取决于扭杆弹 " 簧的疲劳寿命， 一旦其中一根扭杆弹簧由于疲劳 而产生断裂， 那么这根扭杆弹簧所在的车轮也就 无法支撑车体重量， 车体将处于不稳定状态， 如果 继续在月球表面凹凸不平的地形上行驶， 月球车 非常容易翻车 " 因此， 在本设计中有必要采取措 施， 即使扭杆弹簧由于疲劳而断裂， 也要保证这根 扭杆弹簧所在的车轮对车体继续起到支撑作用， 而且支撑力最好是可以在一定的弹性范围内变化 的， 这样， 仍能够缓和由于车轮的上下跳动对车体 内部仪器所产生的振动和冲击 " 从而保证月球车 能够继续行驶 " 另外， 扭杆弹簧悬架受到冲击后， 将产生振 动， 故悬架还应包括减振器， 使振动迅速衰减 " 综合以上两点考虑， 本设计采用了磁弹簧减 振器和扭杆弹簧并联形式的悬架 " 磁弹簧减振器 既可以起到弹性元件的作用， 也可以起到减振器 的作用， 从而满足以上两点要求 " !"# 磁弹簧减振器 现有的减振器主要以液体或气体作为介质进 行减振， 有着严格的密封要求 " 月球表面昼夜温差 大， 白昼温度高达 #%& ’ #(& ) ， 夜间温度可下降 到 * #+& ’ * #,& ) ， 同时， 月球表面又是高度真 空环境 " 在这种条件下， 减振器内的液体的粘度将 有很大的变化， 同时， 由于热胀冷缩液体或气体的 体积也将会有很大的变化， 这就使得减振器的减 振性能变得难以控制 " 另外， 在月球的高度真空环 境下， 要实现严格的密封是非常困难的， 即使能够 达到密封条件， 那么减振器的体积和重量不但要 增大， 而且制造成本将成倍增长， 也就意味着发射 成本的增加 " 磁弹簧减振器就是利用永久磁铁构成的磁弹 簧以及导体中涡流的阻尼作用实现可调节减振的
［(］ 一种非线性减振器 " 本设计所采用的磁铁为钕
块永久磁铁的磁极两两相对地安装在如图所示的 位置， 下磁铁 - 固定在下磁铁安装座 , 中， 下磁铁 活动磁铁 + 在两个固 安装座 , 与扭杆摇臂相连， 定磁铁的排斥力作用下停在中间， 活动磁铁又通 过活塞杆 # 与车架相连， 从而实现扭杆弹簧与磁 弹簧减振器的并联 " 上下磁铁之间距离可以通过 调整上磁铁 ( 的位置来调整， 这样就可以改变磁 弹簧减振器的刚度 " 图中除了磁铁以外的其他零 件均是用非导磁材料制造的， 以便减少漏磁， 最大 限度地利用磁铁的能量 " 这种减振器的优点是体 积小， 安装方便， 可以用于任意方向和任意频率机 械振动的动力吸振 "
［#］ 应地演变成定轴轮系或行星轮系 ! 当行星越障轮
运用差动轮系传动比的相关公式， 可以得出 如下关系式： #/ !. ! !4 $ " #. !/ ! !4 式中： !4 为系杆 - 的转速； !. 为中心齿轮 . 的转 速； #. 为中心齿轮 . 的 !/ 为驱动齿轮 / 的转速； 齿数； #/ 为驱动齿轮 / 的齿数 ! 当驱 动 轮 系 为 定 轴 轮 系 时， 所以 !4 " $， !. %!/ " #/ % #. ，车轮 " 与中心齿轮 . 具有相同 的旋向 ! 当驱动轮系为行星轮系时， 所以 !/ " $， 在电机转向不变的情况下， !. %!& " " ! #/ % #. ， 要使整个行星越障轮继续往前运动， 系杆必须和 中心齿轮的旋向相同， 所以有 !. %!& ’ $， 即 #. 可以提高行星越障 ’ #/ $ 当 #. % #/ 取较大值时， 轮的越障能力， 但取值过大， 不仅不利于机构的小 型化， 而且增加机构的实现难度 ! 行星越障轮不需要复杂的辅助机构来实现平 面上运动与越障运动之间转换， 因此作业时具有 很高的可靠性， 特别适合用在人类难以到达环境 下作业的作业器上 ! 所以， 采用行星越障轮的月球 车能够适应凹凸不平、 表层土壤松软的月球地形 表面环境 ! !"$ 扭杆弹簧悬架 前苏联发射到月球上的 ! # $ % $ & " 月球车和 " ! # $ % $ & / 月球车都应用了扭杆弹簧悬架 ! 扭杆 " ［&］ 弹簧悬架和扭杆弹簧主要具有以下优点 ： （"） 单位质量扭杆弹簧所贮存的能量比其他 种类的弹性元件都大， 即当能容量相同时， 扭杆弹 簧具有较小的质量； （/） 应用扭杆弹簧可使非簧载质量减小， 有利 于月球探测车行驶平顺性的提高；
在平坦的路面上行驶时， 受两个车轮同时着地的约 束限制， 系杆 - 不能转动只能随车沿路面平动， 此 时驱动轮系演变成定轴轮系， 实现在平坦路面的快 速行驶； 当前进的车轮碰到障碍物而停止不前时， 根据差动轮系传动比关系式， 驱动轮系就演变成行 星轮系， 系杆 - 带着另外两个车轮绕行星越障轮中 心轴 3 转动， 实现翻越障碍的目的 !
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行星越障轮式月球车的设计
邓宗全，高海波，胡 明，王少纯
（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 ="$$$=）
摘Βιβλιοθήκη Baidu
要：为提高月球车的越障能力， 结合月球表面的复杂环境， 设计了一种行星越障轮式月球车 < 该车主要
由 ! 大部件组成： 车架、 悬架 （由扭杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成） 和行星越障轮 < 设计重点在月球车的行 驶系统， 该车不仅在悬架设计上考虑了行驶系统的越障性能— — —采用了扭杆弹簧和磁弹簧减振器相结合的 形式， 而且在车轮的设计上也考虑到车轮本身的越障能力— — —采用了行星越障轮 < 对该车的行驶系统进行了 概述， 并对行驶性能进行了分析和计算 < 结果表明： 该车具有较强的越障能力和灵活的转弯特性， 能够适应月 球表面凹凸不平的环境 < 关键词：月球车； 行星越障轮； 磁弹簧减振器 中图分类号：6>?@9! 文献标识码：* 文章编号：$!@? A @#!> （#$$!） $# A $#$! A $>
人类利用宇宙空间探测器对月球的飞行探测 已取得极大的成功 < 但飞行器的飞行探测仅是利 用空间照片和远程传感器进行探测， 在探测方式、 范围和能力上都有很大的局限性 < 为了获得月球 的进一步详细资料， 必须进行表面探测 < 由于月球 高真空、 强辐射和大温差的环境， 进行月球表面探 测的困难和危险性很大， 而月球探测车可以扩大 人类活动能力， 代替宇航员从事危险性大的工作， 提高月球表面作业的安全性、 可靠性， 减小月球探 测、 开发的风险和成本 < 目前世界各空间大国都在 大力研制行星表面探测机器人 < 为适应复杂的月面环境， 月球探测车的轮式
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月球车行驶系统概述
月球车总体概况
该车主要由 # 大部件组成： 车架、 悬架 （由扭 杆弹簧和磁弹簧减振器并联构成） 和行星越障轮， 每个行星越障轮都是独立驱动的， 电机功率为 "$ 所以该车的总的长度和 %! 由于采用了扭杆弹簧， 高度是随着有效载荷和地面对车轮的反作用力的 变化而变化的 ! 该车质量约为 &$ ’(， 外形尺寸约 为 )$ *+ , -# *+ , .# *+， 在平直路面上的行驶速 度为 $ ! #/ ’+ 0 1 ! !"# 行星越障轮 图 " 为行星越障轮简图 ! 具体工作原理为： 由 直流电机 2 驱动中心齿轮 . 转动， 来带动过渡齿 轮 & 和驱动齿轮 / 进行转动， 而驱动齿轮 / 和车 轮 " 是固接在一起的， 从而带动车轮 " 绕驱动轮 轴 # 转动 ! 行星越障轮在行驶时任意两个车轮接地， 对 于采用四个行星越障轮的月球车来说， 实际上相 当于八轮驱动 ! 行星越障轮式月球车在平坦地面 行驶时， 利用车轮快速驱动， 其效率与普通轮式车 辆相同 ! 由于行星越障轮中的三个车轮都是驱动 轮， 因而有效地利用了行星越障轮的附着重量， 而 且较多的驱动车轮增加了车轮与地面的接触面 积， 降低了接地比压， 从而提高了行星越障轮在松 软地面的通过能力 ! 驱动轮系随着地面对车轮 " 作用力的不同， 相
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