適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置的製作方法

2023-06-05 16:46:01 1

專利名稱：適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種臺車裝置，更詳細地說，是指一種可改變車輪與行走地面之間垂直作用力，從而模擬不同重力環境下的車輪與地面相互作用情況的，適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置。
背景技術：
人類目前的行星探測主要是指月球探測和火星探測，以往的探測表明在月球表面存在一層特別精細鬆軟的月球土壤層，相當於地球上的精細沙地。月球土壤平均內聚力為1KPa，內摩擦角為35°。火星上土壤和地球上的可見土壤類型相似，包括了流沙和軟土路面，對火星地面可以使用常用的土壤特性參數來描述。目前行星探測車輛的移動機構以輪式為主，各種輪式行走機構由於結構、尺寸、材料的不同，其在行星表面行走時的性能有較大的差別。由車輛地面力學的理論可知，車輪在行星表面鬆軟路面行走時的滾動阻力和車輪所能提供的牽引力，決定了行星探測車輛的通過能力和消耗能量的大小，通過對相應力學參數的測量，可以對探測車輛移動機構的移動性能進行評價。
本發明提出一種模擬車輪在行星地面行走時與地面相互作用關係的臺車裝置，使用該裝置可以通過試驗方法對車輪移動性能進行研究、優化輪式行走機構的設計。
輪式行走機構移動性能實驗包括(1)行走機構的牽引力試驗利用傳感器直接測量不同結構、不同表面形狀和材料的車輪所能提供的最大牽引力，輪軸扭矩，對各種車輪設計方案進行對比分析，從而確定最優方案。
(2)滾動阻力試驗把車輪作為從動輪，在一定的垂直載荷作用下，車輪不發生滑轉情況下，臺車驅動車輪勻速滾動時，測量車輪水平方向的力，即為滾動阻力。
(3)車輪結構與負荷關係的承壓特性試驗測量車輪行走時的接地比壓，接地面積，車輪下陷量，觀察和測量載荷作用下的土壤變形，驗證與修正理論計算所採用的承壓特性模型，為車輪結構尺寸的優化提供試驗驗證和支持。
(4)車輪不同滑轉率下的牽引力變化通過試驗確定最佳的滑轉率範圍，對比驗證控制車輪滑轉率的不同控制算法。通過控制和測量車輪轉動角速度和臺車移動速度，控制和計算車輪的滑轉率，在不同的車輪滑轉率情況下測量車輪所能提供的牽引力。

發明內容
本發明的目的是提供一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置，該臺車裝置通過測量被測車輪行走時與土槽體內土壤間的相互作用力和力矩，對車輪的移動性能進行評價。
本發明是一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置，由臺車機構、臺車支架和驅動機構組成；臺車支架的上直線導軌與臺車機構的上直線軸承A和上直線軸承B滾動連接，臺車支架的下直線導軌與臺車機構的下直線軸承A和下直線軸承B滾動連接；臺車支架的左立柱、右立柱和驅動機構固定安裝在地面上；鋼絲繩纏繞在驅動機構的主動滑輪合件的滑輪與從動滑輪合件的滑輪上，鋼絲繩的兩端分別固定在臺車支架的凸臺體的兩側面上；所述臺車支架的左立柱、右立柱相互平行且垂直固定安裝在地面上，上橫梁、中橫梁和下橫梁在水平方向上相互平行，並且兩端分別固定在左立柱和右立柱上，左立柱和右立柱之間設有中立柱，中立柱安裝在上橫梁和下橫梁之間；在上橫梁上安裝有上導軌座，上導軌座上安裝有上直線導軌；在中橫梁上安裝有下導軌座，下導軌座上安裝有下直線導軌；所述臺車機構的臺車框架為一體鑄造成型件，滑輪支座固定在上隔板上，上隔板上設有供提升配重塊的鋼絲繩通過的孔，以及供安裝豎直導軌A和豎直導軌B一端通過的導軌孔A和導軌孔B；中隔板上設有供提升配重塊的鋼絲繩通過的通孔；下隔板的底部設有凸臺體；臺車框架的後立板上設有軸承座A、軸承座B、軸承座C和軸承座D，軸承座A上安裝有上直線軸承A，軸承座C上安裝下直線軸承A，軸承座C上安裝有上直線軸承B，軸承座D上安裝有下直線軸承B；豎直導軌A穿過軸承座D的通孔、軸承座B的通孔後安裝於導軌孔A內，豎直導軌B穿過軸承座C的通孔、軸承座A的通孔並安裝於導軌孔B內；託板的下方設有長形槽，長形槽內固定安裝有螺母和絲槓，絲槓的一端安裝在螺母內，並且絲槓的端部順次連接有軸承座、聯軸節、減速器和電機；連接車輪的傳動軸一端安裝在軸承A和軸承B上，並順次連接減速器和電機，軸承A、軸承B、減速器和電機安裝在軸承座內，端蓋安裝在軸承座的前端，軸承座的後端與凸形板連接，六分力傳感器安裝在凸形板的傳感器安裝座內；與傳感器安裝座對應位置處的凸形板設計成方形孔，凸形板上設有供安裝軸承A和軸承B的圓孔，供安裝吊環的凸臺，供鋼絲繩通過的通孔；滑輪支架安裝在臺車框架的上隔板上，滑輪通過滑輪軸、軸承安裝在滑輪支架上；滑輪上纏繞有鋼絲繩，伸出凸形板下方的鋼絲繩端連接有吊環螺栓，吊環螺栓下端連接有一託板，託板用於放置配重塊；所述驅動機構由主動滑輪合件、鋼絲繩和從動滑輪合件組成，主動滑輪合件的底座上安裝有滑輪支座，滑輪支座上安裝有軸承A和軸承B，滑輪套裝在轉軸上，轉軸安裝在軸承A和軸承B上，轉軸的一端連接有編碼器，轉軸的另一端與減速器連接，減速器連接在電機的輸出軸上，主動滑輪合件通過安裝孔與地面固定；從動滑輪合件的底座上安裝有滑輪支座，滑輪支座上安裝有兩個軸承，滑輪套裝在轉軸上，轉軸的兩端分別安裝在這兩個軸承上，從動滑輪合件通過安裝孔與地面固定；從動滑輪合件上的滑輪與轉軸、軸承的安裝關係與主動滑輪合件上的滑輪安裝關係相同。
本發明臺車裝置的優點在於(1)通過改變配重塊102的重量，可以改變車輪103在豎直方向上所受力的大小，從而模擬在不同探測車重量和不同重力加速度情況下，車輪與地面間相互作用力的大小；(2)臺車裝置布置在土槽體的側面，便於進行試驗操作和試驗觀察；(3)通過控制臺車機構1由鋼絲繩33牽引移動的速度和車輪103由電機156主動驅動的轉動速度，可以改變和控制車輪滾動的滑轉率。(4)在試驗開始之前和試驗結束之後，提升機構可以使車輪103與土壤脫離接觸，使臺車到達指定的位置；(5)臺車機構1的上直線軸承A107和上直線軸承B109與臺車支架2的上直線導軌204是滾動接觸，臺車機構1的下直線軸承A108和下直線軸承B110與臺車支架2的上直線導軌204是滾動接觸，採用滾珠軸承模式，使臺車機構1與臺車支架2具有較小的運動阻力；(6)使用六分力傳感器105對車輪103所受的力和力矩進行測量，測量系統結構簡單。


圖1是本發明臺車外部結構圖。
圖1A是臺車支架結構圖。
圖1B是臺車支架剖視圖。
圖2是臺車機構結構圖。
圖2A是臺車機構後視圖。
圖2B是臺車框架結構圖。
圖2C是提升機構部分的結構圖。
圖2D是臺車機構的凸形板結構圖。
圖2E是車輪傳動部件的剖視圖。
圖2F是滑輪與支架的裝配圖。
圖3A是從動滑輪合件結構圖。
圖3B是主動滑輪合件結構圖。
圖3C是主動滑輪合件剖視圖。
圖4是土槽系統的整體結構圖。
圖中 1.臺車機構 101.臺車框架 102.配重塊 103.車輪104.軸承座 105.六分力傳感器106.凸形板 107.上直線軸承A108.下直線軸承A109.上直線軸承B 110.下直線軸承B111.滑輪支座112.上隔板 113.中隔板 114.下隔板 115.後立板116.絲槓座 117.軸承座A118.軸承座C 119.軸承座B120.軸承座D121.豎直導軌A 122.豎直導軌B 123.通孔 124.通孔 125.通孔126.通孔127.凸臺體 128.導軌孔A 129.導軌孔B131.託板132.絲槓133.長形槽 134.軸承座 135.聯軸節 136.減速器137.電機138.螺母 141.吊環螺栓 142.軸承A 143.通孔144.方形孔 145.安裝座 146.吊環 147.凸臺 148.鋼絲繩149.軸承B 150.滑輪 151.滑輪軸 152.軸承 153.傳動軸154.端蓋155.軸承 156.電機 157.減速器 2.臺車支架201.上橫梁 202.中橫梁 203.下橫梁 204.上直線導軌 205.下直線導軌206.右立柱 207.左立柱 208.中立柱 209.上導軌座 210.下導軌座3.驅動機構 31.主動滑輪合件 311.電機 312.減速器313.滑輪314.編碼器 315.滑輪支座 316.底座 317.轉軸318.軸承A 319.軸承B 320.安裝孔 32.從動滑輪合件321.底座322.安裝孔 323.滑輪支座 324.滑輪 33.鋼絲繩 4.土槽體具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置，請參見圖1所示，由臺車機構1、臺車支架2和驅動機構3組成；臺車支架2的上直線導軌201與臺車機構1的上直線軸承A 107和上直線軸承B 109滾動連接，臺車支架2的下直線導軌205與臺車機構1的下直線軸承A 108和下直線軸承B 110滾動連接；臺車支架2的左立柱207、右立柱206和驅動機構3固定安裝在地面上；鋼絲繩33纏繞在驅動機構3的主動滑輪合件31的滑輪313與從動滑輪合件32的滑輪324上，鋼絲繩33的兩端分別固定在臺車支架2的凸臺體127的兩側面上。
請參見圖1A、圖1B所示，在本發明中，臺車支架2的左立柱207、右立柱206相互平行且垂直固定安裝在地面上，上橫梁201、中橫梁202和下橫梁203在水平方向上相互平行，並且兩端分別固定在左立柱207和右立柱206上，為了保證橫梁的剛性、防止產生大的變形，在左立柱207和右立柱206之間可設有多個中立柱208，中立柱208安裝在上橫梁201和下橫梁203之間。在上橫梁201上安裝有上導軌座209，上導軌座209上安裝有上直線導軌204；在中橫梁202上安裝有下導軌座210，下導軌座210上安裝有下直線導軌205。
請參見圖2、圖2A所示，在本發明中，臺車機構1的臺車框架101為一體鑄造成型件，滑輪支座111固定在上隔板112上，上隔板112上設有供提升配重塊102的鋼絲繩148通過的孔，以及供安裝豎直導軌A 121和豎直導軌B 122通過的導軌孔A 128和導軌孔B 129；中隔板113上設有供提升配重塊102的鋼絲繩148通過的通孔143；下隔板114的底部設有凸臺體127，凸臺體127用於將驅動機構3中鋼絲繩33的兩端固緊，實現臺車機構1在臺車支架2的兩直線導軌(上直線導軌204、下直線導軌205)上沿水平方向運動。(請參見圖2B所示)臺車框架101的後立板115上設有四個軸承座(軸承座A 117、軸承座B 118、軸承座C 119和軸承座D 120)，軸承座A 117上安裝有上直線軸承A 107，軸承座C 118上安裝下直線軸承A 108，軸承座C 119上安裝有上直線軸承B 109，軸承座D 120上安裝有下直線軸承B 110；豎直導軌A 121穿過軸承座D 120的通孔126、軸承座B 118的通孔125並安裝於導軌孔A 128內，豎直導軌B 122穿過軸承座C118的通孔124、軸承座A 117的通孔123並安裝於導軌孔B 129內；豎直導軌A 121和豎直導軌B 122提供了臺車機構1凸形板106帶動車輪103的上下運動，即實現用於測試用的車輪103離開土槽體4內的土壤，或者與土槽體4內做有標記的土壤接觸，對車輪103移動性能進行評價；後立板115上的四個軸承座的通孔123和通孔124的中心線共線，通孔125和通孔126的中心線共線。(請參見圖2C所示)託板131的下方設有長形槽133，長形槽133內固定安裝有螺母138和絲槓132，絲槓132的一端安裝在螺母138內，並且絲槓132的端部順次連接有軸承座134、聯軸節135、減速器136和電機137。(請參見圖2D、2E所示)連接車輪103(被測件)的傳動軸153一端安裝在軸承A 155和軸承B 158上，並順次連接減速器157和電機156，軸承A 155、軸承B 158、減速器157和電機156安裝在軸承座104內，端蓋154安裝在軸承座104的前端，起到定位、密封和防塵作用，軸承座104的後端與凸形板106連接，六分力傳感器105(選用ATI公司的SI-1800-350型號傳感器)安裝在凸形板106的傳感器安裝座145內。與傳感器安裝座145對應位置處的凸形板106設計有方形孔144，凸形板106上設有供安裝軸承A 142和軸承B149的圓孔，供安裝吊環146的凸臺147，供鋼絲繩148通過的通孔143。(請參見圖2F所示)滑輪支架111安裝在臺車框架101的上隔板112上，滑輪150通過滑輪軸151、軸承152安裝在滑輪支架111上；滑輪150上纏繞有鋼絲繩148，伸出凸形板106下方的鋼絲繩148端連接有吊環螺栓141。吊環螺栓141下端連接有一託板，託板用於放置配重塊102，配重塊102用於改變車輪垂直方向上承受力的大小。配重塊102的重量調節範圍為0～120Kg。
請參見圖3A、圖3C所示，在本發明中，驅動機構3由主動滑輪合件31、鋼絲繩33和從動滑輪合件32組成，主動滑輪合件31的底座316上安裝有滑輪支座315，滑輪支座315上安裝有軸承A 318和軸承B 319，滑輪313套裝在轉軸317上，轉軸317安裝在軸承A 318和軸承B 319上，轉軸317的一端連接有編碼器314，轉軸317的另一端與減速器312連接，減速器312連接在電機311的輸出軸上。主動滑輪合件31通過安裝孔320與地面固定。
請參見圖3B所示，在本發明中，驅動機構3的從動滑輪合件32的底座321上安裝有滑輪支座323，滑輪支座323上安裝有兩個軸承，滑輪324套裝在轉軸上，轉軸的兩端分別安裝在這兩個軸承上，從動滑輪合件32通過安裝孔322與地面固定。從動滑輪合件32上的滑輪324與轉軸、軸承的安裝關係與主動滑輪合件31上的滑輪313安裝關係相同(請參見圖3C所示)。
本發明臺車裝置是一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試用的機構，其通過與土槽體4的配合使用能夠完成車輪移動性能測試實驗。在試驗前和試驗結束之後，通過驅動機構3的電機311轉動驅動滑輪313帶動鋼絲繩33運動，使連接在鋼絲繩33上的臺車機構1沿臺車支架2上的上直線導軌204和下直線導軌205作水平運動，實現車輪103在水平方向上的往返運動，從而控制車輪103從土槽體4的端部開始運動進行試驗，並在試驗結束後使車輪103復位。在試驗中，電機156通過減速器157驅動傳動軸153轉動實現車輪103主動驅動，即傳動軸153帶動車輪103轉動，由車輪103通過軸承座104帶動臺車機構1在水平方向運動，由六分力傳感器105測量車輪103在豎直方向的載荷力和車輪103能夠提供的水平方向牽引力。為了測試車輪103的滑轉率變化對牽引力的影響，需要控制車輪103的滑轉率，通過電機156驅動車輪103實現轉動運動，同時驅動機構3上的電機311帶動臺車機構1在水平方向上運動，通過控制車輪103的轉動角速度和臺車機構1的水平運動的速度可以改變車輪103的滑轉率。
在試驗開始之前和試驗結束之後，為了使車輪103與土槽體4內的土壤脫離接觸，由電機137通過減速器136和聯軸節135帶動絲槓132轉動，絲槓132的轉動帶動連接在它上面的螺母138在豎直方向作直線運動，螺母138固定在長形槽133上，從而帶動長形槽133在豎直方向上運動並通過託板131將凸形板106向上頂起，使連接在凸形板106上的車輪103產生向上的運動，從而達到與土槽體4內的土壤脫離接觸。在車輪103到達工作指定位置之後，電機137帶動絲槓132作反向轉動，使託板131向下運動，凸形板106和車輪103在重力的作用下向下落，車輪103與土槽體4內的土壤接觸，此時可以開始進行測試試驗了。
本發明的臺車裝置使用配重塊102改變車輪103垂直方向載荷力的大小，可以模擬在低於地球重力加速度的環境下車輪與地面間的作用力。在臺車機構1和車輪103之間安裝有六分力傳感器106，可以測量車輪103所受三個方向的力和力矩，臺車機構1上帶有電機137可以對車輪103進行主動驅動，使車輪103帶動臺車機構1前進，此時可以測量地面附著允許車輪103提供的牽引力；水平牽引裝置使用電機311和鋼絲繩33傳動可以拖動臺車前進，此時可以測量車輪103滾動阻力的大小。
權利要求
1.一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置，其特徵在於由臺車機構(1)、臺車支架(2)和驅動機構(3)組成；臺車支架(2)的上直線導軌(201)與臺車機構(1)的上直線軸承A(107)和上直線軸承B(109)滾動連接，臺車支架(2)的下直線導軌(205)與臺車機構(1)的下直線軸承A(108)和下直線軸承B(110)滾動連接；臺車支架(2)的左立柱(207)、右立柱(206)和驅動機構(3)固定安裝在地面上；鋼絲繩(33)纏繞在驅動機構(3)的主動滑輪合件(31)的滑輪(313)與從動滑輪合件(32)的滑輪(324)上，鋼絲繩(33)的兩端分別固定在臺車支架(2)的凸臺體(127)的兩側面上；所述臺車支架(2)的左立柱(207)、右立柱(206)相互平行且垂直固定安裝在地面上，上橫梁(201)、中橫梁(202)和下橫梁(203)在水平方向上相互平行，並且兩端分別固定在左立柱(207)和右立柱(206)上，左立柱(207)和右立柱(206)之間設有中立柱(208)，中立柱(208)安裝在上橫梁(201)和下橫梁(203)之間；在上橫梁(201)上安裝有上導軌座(209)，上導軌座(209)上安裝有上直線導軌(204)；在中橫梁(202)上安裝有下導軌座(210)，下導軌座(210)上安裝有下直線導軌(205)；所述臺車機構(1)的臺車框架(101)為一體鑄造成型件，滑輪支座(111)固定在上隔板(112)上，上隔板(112)上設有供提升配重塊(102)的鋼絲繩(148)通過的孔，以及供安裝豎直導軌A(121)和豎直導軌B(122)一端通過的導軌孔A(128)和導軌孔B(129)；中隔板(113)上設有供提升配重塊(102)的鋼絲繩(148)通過的通孔(143)；下隔板(114)的底部設有凸臺體(127)；臺車框架(101)的後立板(115)上設有軸承座A(117)、軸承座B(118)、軸承座C(119)和軸承座D(120)，軸承座A(117)上安裝有上直線軸承A(107)，軸承座C(118)上安裝下直線軸承A(108)，軸承座C(119)上安裝有上直線軸承B(109)，軸承座D(120)上安裝有下直線軸承B(110)；豎直導軌A(121)穿過軸承座D(120)的通孔(126)、軸承座B(118)的通孔(125)後安裝於導軌孔A(128)內，豎直導軌B(122)穿過軸承座C(118)的通孔(124)、軸承座A(117)的通孔(123)並安裝於導軌孔B(129)內；託板(131)的下方設有長形槽(133)，長形槽(133)內固定安裝有螺母(138)和絲槓(132)，絲槓(132)的一端安裝在螺母(138)內，並且絲槓(132)的端部順次連接有軸承座(134)、聯軸節(135)、減速器(136)和電機(137)；連接車輪(103)的傳動軸(153)一端安裝在軸承A(155)和軸承B(158)上，並順次連接減速器(157)和電機(156)，軸承A(155)、軸承B(158)、減速器(157)和電機(156)安裝在軸承座(104)內，端蓋(154)安裝在軸承座(104)的前端，軸承座(104)的後端與凸形板(106)連接，六分力傳感器(105)安裝在凸形板(106)的傳感器安裝座(145)內；與傳感器安裝座(145)對應位置處的凸形板(106)設計成方形孔(144)，凸形板(106)上設有供安裝軸承A(142)和軸承B(149)的圓孔，供安裝吊環(146)的凸臺(147)，供鋼絲繩(148)通過的通孔(143)；滑輪支架(111)安裝在臺車框架(101)的上隔板(112)上，滑輪(150)通過滑輪軸(151)、軸承(152)安裝在滑輪支架(111)上；滑輪(150)上纏繞有鋼絲繩(148)，伸出凸形板(106)下方的鋼絲繩(148)端連接有吊環螺栓(141)，吊環螺栓(141)下端連接有一託板，託板上放置有配重塊(102)；所述驅動機構(3)由主動滑輪合件(31)、鋼絲繩(33)和從動滑輪合件(32)組成，主動滑輪合件(31)的底座(316)上安裝有滑輪支座(315)，滑輪支座(315)上安裝有軸承A(318)和軸承B(319)，滑輪(313)套裝在轉軸(317)上，轉軸(317)安裝在軸承A(318)和軸承B(319)上，轉軸(317)的一端連接有編碼器(314)，轉軸(317)的另一端與減速器(312)連接，減速器(312)連接在電機(311)的輸出軸上，主動滑輪合件(31)通過安裝孔(320)與地面固定；從動滑輪合件(32)的底座(321)上安裝有滑輪支座(323)，滑輪支座(323)上安裝有兩個軸承，滑輪(324)套裝在轉軸上，轉軸的兩端分別安裝在這兩個軸承上，從動滑輪合件(32)通過安裝孔(322)與地面固定；從動滑輪合件(32)上的滑輪(324)與轉軸、軸承的安裝關係與主動滑輪合件(31)上的滑輪(313)安裝關係相同。
2.根據權利要求1所述的臺車裝置，其特徵在於所述臺車機構(1)沿所述臺車支架(2)的上直線導軌(204)和下直線導軌(205)完成水平方向的運動；所述臺車機構(1)沿豎直導軌A(121)和豎直導軌B(122)完成垂直方向的運動。
3.根據權利要求1所述的臺車裝置，其特徵在於所述配重塊(102)的重量調節範圍為0～120Kg。
全文摘要
本發明公開了一種適用於行星探測車輛車輪移動性能測試的臺車裝置，由臺車機構、臺車支架和驅動機構組成；臺車支架的上直線導軌與臺車機構的上直線軸承A和上直線軸承B滾動連接，臺車支架的下直線導軌與臺車機構的下直線軸承A和下直線軸承B滾動連接；臺車支架的左立柱、右立柱和驅動機構固定安裝在地面上；鋼絲繩纏繞在驅動機構的主動滑輪合件的滑輪與從動滑輪合件的滑輪上，鋼絲繩的兩端分別固定在臺車支架的凸臺體的兩側面上。本發明的臺車裝置使用配重塊改變車輪垂直方向載荷力的大小，可以模擬在低於地球重力加速度的環境下車輪與地面間的作用力。在臺車機構和車輪之間安裝有六分力傳感器，可以測量車輪所受三個方向的力和力矩。
文檔編號B64G3/00GK1831506SQ20061007632
公開日2006年9月13日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者高峰, 孫剛, 徐國豔, 李雯 申請人:北京航空航天大學