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《南京航空航天大学》 2009年
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地面探测车移动系统若干关键技术研究

尚伟燕  
【摘要】: 移动系统作为探测车的重要组成部分,其行驶性能直接影响探测任务能否顺利完成。为提高地面探测车对复杂路面的适应能力,本文对探测车移动系统的若干关键技术问题进行了较深入系统的研究,并研制了轮履复合式探测车的新型移动系统。本文的主要研究内容如下: 在对不同结构的移动系统进行分析基础上,根据探测车的设计目标要求,提出了轮履复合式探测车移动系统方案,并对移动系统的性能与结构进行了设计与分析。对于前履带轮结构,提出采用平行四边形机构连接前后侧杆的方案,该方案在降低悬架系统复杂性的同时使两承重轮在平行四边形机构的作用下对地形起伏起到一次线性平均作用;履带轮结构使探测车越障爬坡的有效轮径增大,增强了越障爬坡性能;通过摇臂悬架结构连接前后轮履,探测车被动适应地形能力得到提高,降低了控制系统的设计难度;移动系统的左右两侧摇臂通过差速平衡机构与车体相联,使运动过程中车体俯仰摆动相对平缓,有利于提高车身平稳性。 在结构设计的基础上对轮履复合式探测车进行了运动学分析。给出一种适用于内外侧轮差速转向、越障的移动系统多体运动模型的构建方法,采用Householder变换法给出了探测车超静定复合运动方程的最小二乘解。与传统求解方法相比,采用Householder变换求探测车运动学方程最小二乘解的方法结果更为精确,求解时间短,数值稳定性好。 为提高轮履复合式探测车复杂路面行驶时车身的平顺性及稳定性,给出了具有摇臂悬架结构的移动系统的动力学建模方法,建立了对复合式移动系统的悬架结构进行参数优化设计的模型。利用NSGA-II方法对探测车悬架参数进行优化设计,优化结果使车身加速度的有效值σz2、最大值max ( z)以及车轮动载荷最大值( )max Fd /G1q1分别降低了8.19%、2.36%和5.76%,且探 测车限位不被撞击的概率满足要求。对平行四边形机构中扭转弹簧刚度系数进行了选择,车身行驶平顺性进一步提高。 为更好把握轮履复合式探测车转向时的运动学和动力学规律,提高其转向机动性和灵活性,对其水平路面及斜坡转向特性进行了研究。给出了实现差速转向的探测车内外侧轮速度比与转向传动比之间的关系,将轮履复合式探测车转向阻力系数f w和转向灵活度系数λ作为探测车能否顺利转向和转向难易程度的度量指标,讨论了轮履复合式探测车斜坡转向时瞬时转向中心纵向偏移量的变化规律;分析了转向方位角及斜坡坡度对斜坡转向阻力矩及牵引力的影响。在转向分析的基础上,确定了探测车左右侧轮中心间距、前后轮履中心间距及探测车质心高度。 根据结构设计、参数优化及转向分析得到的参数,对轮履复合式探测车移动系统进行了样机加工与制作,并进行了试验。越障爬坡试验结果表明,在给定的结构参数下,轮履复合式移动系统爬坡最大坡度为42°,最大越障高度为180mm,跨越深沟的最大宽度为150mm。对探测车车身俯仰摆角的测试表明,在探测车行驶过程中,差速平衡机构起到较好的调整车体平衡的作用。通过对探测车行驶平顺性测试,并将理论计算与试验分析进行对比验证了对悬架系统简化分析的合理性,车身行驶平顺性较好。对轮履复合式探测车水平路面原地转向和斜坡转向进行了试验,结果表明转向试验测试值与理论分析结果相一致。 综上所述,本文对轮履复合式探测车移动系统从方案确定到结构设计、行驶平顺性分析及转向特性分析等方面进行了较深入系统的研究。样机试验表明,轮履复合式移动系统能较好地应用于特殊工作环境的探测车。
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