面向松软地面的拨壤车轮设计及其通过性研究
作者单位：吉林大学
学位级别：硕士
导师姓名：金敬福
授予年度：2024年
主 题：车轮设计 拨壤车轮 松软地面 通过性 驱动机制 星球车
摘 要：松软地面上车辆通过性研究是农用机械、军事车辆和星球车移动系统领域的热点问题。车辆移动需求、农业作业需求和对未知地面的探索需求,都促进了面向松软地面的行走策略控制、车体悬挂、车轮功能等方面的创新。星球车的通过性是保障星球车安全行驶的关键。由于外星球表面主要为松软地形,其流动性和易陷性使得星球车的通过性难以保证,这与农业机械、军事车辆、越野车辆等在松软地面上的行驶特性有相似之处。提高在松软地面的通过能力一直是星球车移动系统设计的技术难题。星球车车轮作为直接与星壤接触的核心结构,是获取通过性的主要来源。本文参考沙漠动物运动时足爪扰动沙土形式,设计了仿生拨壤车轮;并开展单轮通过性试验;试验结果结合仿真分析,解释了无胎面拨壤车轮在松软地面上的行驶驱动机制;并进行整车通过能力验证。 基于沙漠动物运动时足爪扰动并剪切破坏沙土的生物现象,设计了一种通过连续破坏土壤形态获得车轮驱动力的仿生拨壤车轮。该拨壤车轮采用沉陷拨壤的运动模式,通过连续拨壤片剪切土壤、两侧轮缘固土的方法,有效达到在各种松软地形具备良好的通过能力。 参照农田、沙漠等区域的崎岖地面、松软地面行驶需求,开展车轮通过性评估研究。以蝰蛇号、祝融号等典型星球车车轮为对照,利用单轮回转试验台,对仿生拨壤车轮开展以沉陷量、滑转率、挂钩牵引力为试验指标的试验研究,并对其在平地、爬坡、脱困、越障4种地形条件下的通过能力进行分析。试验表明,拨壤车轮在松软地面上的前进驱动力主要来源于插入松软介质并对其剪切破坏。对比常规的星球车轮,拨壤车轮具备高沉陷、高滑转特性且与高轮刺车轮相比并不具备牵引力优势,但具备独特的优异脱困能力。 基于单轮通过性试验以及车轮驱动形式对比,结合轮壤EDEM离散元仿真模拟,分析了无胎面拨壤车轮在松软介质上的通过性机理,可为后续车轮优化提供了指导。拨壤车轮两侧轮缘,形成了封边结构避免了土壤分散,并限制了土壤运动趋势,使被扰动土壤只能向后运动,与后侧土壤相互挤压,最大化的为车轮提供前进驱动力。且拨壤车轮随沉陷量增大,在土壤内的拨壤片数量增加,可同时拨壤获得更多的驱动力。 为了充分验证仿生拨壤车轮在松软地面上的通过性能,采用三摇臂悬架六轮试验车开展了拨壤车轮整车验证试验。对装有拨壤车轮与两种常规星球车轮的试验车沉陷量、滑转率、挂钩牵引力进行测试研究,并对越障、脱困、爬坡3种地形条件下的通过能力进行对比分析,综合评估拨壤车轮的行驶机制和脱困特性。整车通过性试验结果表明,安装拨壤车轮的试验车在各种地形上均可通过,但行驶时沉陷量、滑转率较大。在脱困过程中,拨壤车轮试验车脱困速度最快,拨壤车轮全部轮脱困时间是单轮脱困时间的1.6倍,而高轮刺车轮为3.7倍,筛孔车轮为13.2倍。这展现了拨壤车轮通过破坏土壤结构获取前进动力的机理优势,拨壤车轮无需获取车轮前侧路径后通过,可在深陷状态下平稳前进。 在松软地面环境中,车辆的安全性至关重要。虽然拨壤车轮通过速度较低,但其能够适应各种常见地形,可靠性高。以松软地面上行驶的无人移动系统设计需求出发,拨壤车轮的通过性优势是至关重要的。本文提出的拨壤车轮结构及试验结果可为星球车车轮的设计提供参考和依据。
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