基于鳥巢結(jié)構(gòu)的載人月球車車輪設(shè)計與性能分析

王婷，王振軍

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

月球環(huán)境惡劣，其重力約為地球的1/6，晝夜溫差大，月面受到太陽直接照射的極限溫度可達(dá)150 ℃，黑夜極限溫度可達(dá)-180 ℃[1]。月球表面地形復(fù)雜，有松軟的月壤、斜坡、小坑和火山玻璃等塊狀物體[2]。這些都要求在月球環(huán)境下運行的載人月球車應(yīng)具有較好的移動性能和承載能力，能夠越過障礙物。

本文基于阿波羅月球車，提出了一種基于鳥巢結(jié)構(gòu)的新型載人月球車輪。此載人月球車車輪輪轂與編織網(wǎng)外胎的改變，對減小車輪質(zhì)量、減少仿真計算量有很大改善，為載人月球車車輪設(shè)計與性能仿真提供了參考。

1 載人月球車車輪設(shè)計

1.1 載人月球車車輪的功能要求和技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合探測任務(wù)要求和月面地形及空間環(huán)境條件，車輪需要滿足如下要求[3-5]：

（1）承載能力要求：自身重量、2 名宇航員以及月面活動需要的儀器設(shè)備；

（2）包絡(luò)尺寸約束：載人月球車展開時的外形尺寸應(yīng)小于3.1 m ×2.1 m ×1.2 m；

（3）質(zhì)量約束：車輪應(yīng)盡可能輕量化；

（4）移動要求：應(yīng)能夠翻越一定數(shù)值的凸起障礙，凹陷障礙物和斜坡；

（5）車輪材料要求：在月表環(huán)境下，車輪材料應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 載人月球車金屬車輪構(gòu)型介紹

考慮載人月球車車輪的承載能力要求，本文提出的車輪直徑為800 mm，寬度為225 mm，車輪由輪轂、彈性限止器和編織網(wǎng)外胎組成，車輪的整體構(gòu)型如圖1 所示。

1.2.1 輪轂

輪轂設(shè)計構(gòu)型如圖2 所示。輪輻采用鳥巢結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以為車輪提供足夠的結(jié)構(gòu)強度，還可以減輕輪輻質(zhì)量，為了進(jìn)一步實現(xiàn)輪轂輕量化，在輪輞處加入緊密的圓孔。

1.2.2 彈性限止器

彈性限止器主要在沖擊載荷下受力，為了增大彈性限止器的承力面積，將彈性限止器設(shè)計成U型，將36 個彈性限止器鉚接在輪轂上如圖3 所示。

圖3 彈性限止器Fig.3 Elastic inner-frames

1.2.3 編織網(wǎng)外胎

為增大車輪牽引力，編織網(wǎng)外胎采用條狀薄片編織，與鋼絲編織的金屬網(wǎng)相比，薄片編織的金屬網(wǎng)更容易進(jìn)行仿真計算，同時增大了接觸面積。編織網(wǎng)外胎結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 編織網(wǎng)外胎Fig.4 Sheet mesh carcass

1.3 載人月球車金屬車輪材料的選擇

月球表面晝夜溫差大，輻射強，一般材料在月球環(huán)境下很難保存，在這種環(huán)境下，金屬材料能滿足車輪運行所需的材料要求，金屬材料密度見表1[6]。本文選取材料密度小，強度高，高低溫條件下工作性能好的2Al2-CZ 硬質(zhì)鋁合金材料作為輪轂與編織網(wǎng)外胎的主要材料。限止器是車輪受到極限沖擊狀態(tài)時主要的支承構(gòu)件，因此本文選擇屈服強度更高的鈦合金作為限止器的主要材料。材料的屬性參數(shù)如表1 所示。

表1 車輪材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of wheel

2 載人月球車車輪有限元分析

在ANSYS Workbench 中檢驗了車輪的各部件結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求。本文分析了以下兩種工況：（1）載人月球車滿載時，承載質(zhì)量為700 kg，此時單輪承受的載荷約為285 N；（2）載人月球車受沖擊載荷時，此時單輪承受的沖擊載荷約為715 N。

2.1 輪轂有限元分析

在Workbench 中對輪轂進(jìn)行固定與施力，將力施加在輪轂與車架接觸的1/3 軸面上，將正對施力軸面的2個彈性限止器與輪轂接觸的面固定。圖5 為車輪在兩種工況下的應(yīng)力和變形分布圖。

圖5 輪轂有限元分析Fig.5 Static analysis results of hub

由有限元結(jié)果可知，輪轂在滿載與沖擊載荷下的最大應(yīng)力分別為41.648，104.49 MPa，最大應(yīng)力均小于材料屈服強度390 MPa且位于彈性限止器與輪轂鉚接的鉚接孔處。最大位移發(fā)生在輪轂上方，滿載與沖擊載荷下輪轂的最大變形量為0.157，0.395 mm，最大變形在彈性范圍內(nèi)，輪轂的強度和剛度滿足設(shè)計要求。

2.2 彈性限止器有限元分析

彈性限止器在車輪受極限沖擊時對車輪起支承作用，將彈性限止器與輪轂接觸的面進(jìn)行固定，在限止器頂部平面施加715 N 的沖擊載荷。有限元分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 彈性限止器有限元分析Fig.6 Static analysis results of elastic inner frame

由有限元結(jié)果分析可知，彈性限止器最大應(yīng)力為752.81 MPa 且發(fā)生在圓弧倒角處，小于材料的屈服強度1 012 MPa；最大應(yīng)變發(fā)生在沖擊載荷施加的平面上，最大應(yīng)變?yōu)?4.504 mm，屬于彈性變形，彈性限止器的強度和剛度滿足要求。

2.3 編織網(wǎng)外胎有限元分析

為方便對編織網(wǎng)外胎施力，在土壤與胎面接觸面加力，土壤與外胎裝配如圖7。

圖7 土壤與外胎面接觸模型Fig.7 Carcass-soil contact model

將方向向上的力施加在土壤面上，固定外胎與輪轂接觸的兩個面，編織網(wǎng)外胎在兩種工況下的有限元分析結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知，滿載與沖擊載荷下編織網(wǎng)外胎的最大應(yīng)力分別為107.2，268.94 MPa，兩種工況下的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強度，最大應(yīng)力發(fā)生在外胎與地面接觸的面的轉(zhuǎn)折處。最大變形發(fā)生在編織網(wǎng)外胎與地面接觸的平面上，滿載與沖擊載荷下最大變形分別為0.387 3，0.971 mm，屬于彈性變形。編織網(wǎng)外胎的應(yīng)力與應(yīng)變均呈對稱分布，強度和剛度滿足要求。

圖8 編織網(wǎng)外胎有限元分析Fig.8 Static analysis results of sheet mesh carcass

3 載人月球車車輪移動性能分析

3.1 地面模型與行駛工況的建立

月球表面布滿了大大小小的隕石撞擊坑，載人月球車的活動任務(wù)區(qū)域一般都在月海和高地地區(qū)。根據(jù)月球探測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，月海區(qū)域相對較為平坦，最大坡度約為17°，大部分坡度在0～10°之間。高地區(qū)域坡度較大，最大坡度約為34°，大部分在0～23°之間。月球表面裸露著許多巖石和風(fēng)化的碎塊，大多數(shù)巖石和碎塊直徑小于20 cm。為保證月球車在月海和高地完成探測任務(wù)，本文建立了長48.3 m，寬10 m 的路面，對路面環(huán)境設(shè)置以下3 種地形工況：（1）30 cm高的單邊和雙邊障礙；（2）40 cm 寬的壕溝；（3）20°與25°的斜坡。所建立的道路模型如圖9 所示。

圖9 道路模型Fig.9 Road model

將仿真環(huán)境設(shè)置為月面狀態(tài)，月球的重力加速度g=1.63 m/s2，月球表面大部分由月壤覆蓋，參考文獻(xiàn)[7]，取靜摩擦系數(shù)為0.65。月球車保持滿載狀態(tài)M=700 kg?？紤]綜合工況，取載人月球車平均運行車速9km/h 進(jìn)行分析，將車輪相關(guān)尺寸代入進(jìn)行計算，得到車輪角速度為360 °/s。

3.2 越障分析

3.2.1 單邊越障

載人月球車30 cm 單邊越障過程如圖10 所示。載人月球車車輪單邊越障結(jié)果顯示，當(dāng)車輛的右前輪與障礙物接觸并跨越障礙時，左前輪跟著顛簸，右前車輪成功跨越障礙。右后輪跨越障礙時左后輪無顛簸現(xiàn)象，后輪成功跨越單邊障礙，由于后輪車速不同，車身發(fā)生偏移。仿真結(jié)果表明，載人月球車能滿足單邊越障的要求。

圖10 單邊越障Fig.10 Unilateral obstacle crossing

3.2.2 雙邊越障

圖11 所示為載人月球車車輪跨越30 cm 的雙邊越障的狀態(tài)。

圖11 雙邊越障Fig.11 Bilateral obstacle crossing

載人月球車車輪雙邊越障結(jié)果顯示，車輪在跨越30 cm 的雙邊障礙時，由于車身偏移，左側(cè)前車輪率先接觸障礙物，帶動左后輪顛簸，隨后右側(cè)車輪也接觸障礙物，兩輪共同越過雙邊障礙，兩后輪也同時越過障礙，載人月球車滿足雙邊越障要求。

3.3 跨越壕溝分析

載人月球車跨越40 cm 寬的壕溝時的整體狀態(tài)如圖12 所示。

圖12 跨越壕溝Fig.12 Trench crossing

車輪跨越壕溝結(jié)果顯示，兩前輪與兩后輪均能順利跨越寬40 cm 的壕溝。載人月球車車輪有良好的跨越壕溝的能力。

3.4 爬坡分析

圖13 所示為載人月球車爬20°坡的位置狀態(tài)圖，仿真結(jié)果表明，載人月球車車輪順利地爬上了20 °的斜坡。

圖13 20°坡Fig.13 Slope with grade of 20°

圖14 為載人月球車爬25°坡的位置狀態(tài)。車輪能順利爬上25°斜坡，爬坡過程中未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，表明載人月球車滿足20°與25°的爬坡要求。

圖14 25°坡Fig.14 Slope with grade of 25°

3.5 車輪質(zhì)心位移曲線

在ADAMS 軟件中將載人月球車車輪仿真結(jié)果輸出如圖15，分別表示車輪在建立的單邊障礙、雙邊越障、壕溝、20 °與25 °斜坡路面上運行時的質(zhì)心位移情況。

圖15 車輪質(zhì)心位移曲線Fig.15 Centroid displacement of wheels

右前輪跨越單邊障礙時，左前輪跟著右前輪出現(xiàn)了明顯的顛簸，左右前輪質(zhì)心都出現(xiàn)了波動；在右后輪跨越單邊障礙時，左后輪無顛簸，其質(zhì)心無變化，右后輪質(zhì)心出現(xiàn)波動，車輪順利跨越單邊障礙。

左前輪在跨越雙邊障礙時，質(zhì)心出現(xiàn)2 次波動。第1 次為越障時的正常波動，第2 次為跨過障礙后顛簸產(chǎn)生的波動；兩后輪越障出現(xiàn)了2 次波動。左后輪第1 次為左前輪先接觸障礙帶動后輪顛簸，右后輪第1 次為左前輪率先落地引起右后輪顛簸，第2 次波動為正常越障引起的質(zhì)心波動。

車輪跨越40 cm 寬的壕溝時質(zhì)心出現(xiàn)輕微波動，順利跨越壕溝。車輪成功爬越20°和25°的斜坡后顛簸，質(zhì)心產(chǎn)生波動。

從質(zhì)心曲線可以看出，車輪能夠在崎嶇的路面上運行。

4 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了一種基于鳥巢結(jié)構(gòu)的載人月球車車輪，車輪由采用2Al-CZ 硬質(zhì)鋁合金材料制成的輪轂與編織網(wǎng)外胎和采用Ti-6Al-4V 鈦合金材料制成的彈性限止器構(gòu)成。

（2）對載人月球車車輪在滿載285 N 與沖擊載荷715 N 下進(jìn)行靜力學(xué)分析。在滿載與沖擊載荷下，輪轂的最大應(yīng)力分別為41.648，104.49 MPa，編織網(wǎng)外胎的最大應(yīng)力分別為107.2，268.94 MPa,它們的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強度390 MPa。在沖擊載荷下，彈性限止器的最大應(yīng)力小于材料的屈服強度1 012 MPa，為752.81 MPa。此載人月球車車輪的剛度和強度滿足要求。

（3）對載人月球車車輪進(jìn)行了移動性能仿真，車輪成功越過了高30 cm 的單邊與雙邊障礙、寬40 cm 的壕溝、坡角為25°和30°的斜坡，車輪具有良好的移動性能。