月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.     

轮胎侧偏角对路面车辆附着性能的影响

轮胎侧偏角对路面车辆纵向和侧向附着系数的峰值和最佳滑转率有重要影响，本文依据实验数据建立回归方程来描述它们之间的依赖关系。纵向烽值系数和侧倔角呈线性关系，侧向峰值系数和侧偏角呈复杂的函数关系；侧偏角对纵向最佳滑转率的影响呈指数函数关系，而对侧向最佳滑转率几乎没什么影响。     

基于车辙图像的CE-4月球车挂钩牵引力判别

为评估玉兔2号月球车月面行驶状态,提出了一种基于滑转率信息的月球车挂钩牵引力评价方法。该方法以玉兔2号月球车车轮与其地面原型车为试验对象,通过整车试验和土槽试验模拟玉兔2号月球行驶状态,以车辙信息、滑转率、轮上载荷作为输入参数,建立了沉陷量-滑转率、车辙间距-滑转率标定模型,并基于Matlab图像处理对滑转率进行识别。结果表明,玉兔2号月球车在月面特定区域D′、A、B′点行驶时的滑转率分别为10.45%、12.96%、19.70%,挂钩牵引力分别为177.03、181.62、194.47 N。地面试验和反演计算结果表明,玉兔2月球车在以上区域行驶状态良好。     

复杂工况下基于最佳滑移率的汽车牵引力控制算法

为了提高车辆在复杂路面下的起步加速驱动能力和稳定性,提出了基于最佳滑移率的牵引力控制策略。根据当前路况下的滑转率和附着系数采用可变遗忘因子最小二乘法求出最佳滑转率。系统通过发动机转矩调节和主动制动调节两种方式协调控制,将车轮的滑转率保持在最佳滑转率附近,从而提高车辆加速性能和稳定性。在Matlab/Simulink下的仿真结果及实车冬季场地试验表明了该系统的有效性和工程应用价值。     

外包U形钢混凝土组合梁承载力计算研究

外包U形钢混凝土组合梁是一种新兴的组合梁形式,该组合梁承载力的计算是组合梁应用的前提和基础。文章基于塑性理论和叠加原理对完全抗剪连接外包U形钢混凝土组合梁正、负弯矩作用下的极限受弯承载力、竖向抗剪承载力以及纵向抗剪和纵向抗滑移承载力的计算进行理论研究,探讨组合梁各承载力的计算方法,建立了相应承载力的计算公式,并通过试验验证了公式的适用性。结果表明:提出的极限受弯承载力计算公式可以较好地预测组合梁的受弯承载力;组合梁竖向抗剪承载力的计算为U形钢侧板和U形钢内混凝土两部分承载力的叠加;提出的组合梁纵向抗剪和纵向整体抗滑移的计算方法和公式,能保证组合梁在弯曲破坏之前不会发生纵向水平剪切破坏和纵向整体滑移破坏。     

4WID电动车附着系数的实时估算算法与试验验证

为了研究四轮独立驱动(4 Wheels Independent Drive,4WID)电动车的驱动防滑系统,需要实时计算车轮附着系数。提出一种基于扩张状态观测器的估算方法,对4WID电动车的利用附着系数进行实时估计。首先对车辆的滑转状态进行动力学分析,将含有纵向力的项视为滑转系统的扩张状态,设计了二阶非线性扩张状态观测器。然后将轮毂电机转速信号和扭矩信号作为输入信号,实时估算车轮的纵向力,进而计算出车轮的利用附着系数。最后设计了4WID电动车四轮低附着系数路面实车打滑试验对该方法进行验证。结果表明:该方法能够实时估算出车轮的纵向力,计算出的利用附着系数与实际值相近。     

驱动轮—土壤系统几个力学模型的理论研究

本文用完全的理论的方法,建立了对驱动轮——土壤系统至关重要的三个力学模型:滑转——下陷模陷、压力——下陷模型,推力——打滑模型。从理理上探讨了模型的真实形状,明确建立真正的土壤参数与应力、应变的关系,提出物理概念较为明确,具有普遍意义的关系式。     

基于格子法的平直通道内流体流动规律模拟研究

针对二维平直管道内流体流动规律,采用格子Boltzmann方法进行计算并对模拟结果进行分析。结果表明,雷诺数越大,模型中间区域的速度越小,边界区域的速度越大;在同一雷诺数下,流体在纵向上的速度呈锥形分布,中间区域速度比较大,越靠近边界速度越小,边界处的速度为0。     

水浮莲型生态河道水流纵向流速垂线分布规律

通过物理模型试验、理论分析和数值模拟的方法,研究了有水浮莲覆盖水流的纵向流速垂线分布规律.在水浮莲全覆盖条件下,初步对比分析了3种不同工况下水流纵向时均流速的变化趋势和垂线分布特点.通过"双层边壁"假设,以最大流速线(点)为界将流动沿水深方向分成两层等效明渠流流动层:植被下层和床面上层,并假定上下两层互不影响,即分别只受植被底部和床面粗糙程度影响;利用混合长度模型简化时均动量方程,推导出有水浮莲覆盖水流在恒定均匀流下的纵向时均流速对数分布公式;根据实测数据对公式进行了验证分析.水浮莲对水流影响的数值模拟主要利用计算流体力学软件FLUENT,结合可实现双方程紊流模型,对有水浮莲覆盖的水槽二维两相流场作了数值模拟,并采用多孔介质域模拟水浮莲覆盖区域,将数值计算得到的流速分布与试验实测结果进行了比对,两者吻合较好.     

泄漏油品在不同颗粒直径土壤中扩散范围计算

针对油品在不同颗粒直径的土壤中渗透范围计算问题,借助CFD软件建立土壤多孔介质中油水两相流动的三维流动传质耦合模型。模拟结果表明,油品在0.5mm和0.221mm较大颗粒土壤中的泄漏范围是以U形区域扩散;在0.147mm和0.098mm较小颗粒土壤中以蛋状区域扩散;在0.021mm和0.002mm微小颗粒土壤中以鸭梨状区域扩散。油品泄漏1min内,在6种土壤中的扩散速率几乎相同;泄漏1～5min之间,颗粒在0.5mm至0.021mm依次减小的5种土壤中油品扩散速率逐渐增大,0.021mm比0.5mm土壤的扩散率高约12%;颗粒小于0.021mm时,其与0.002mm在相差近10倍的情况下,扩散速率几乎相同。     

鼓形驱动轮与松散沙土相互作用力学分析

为给月球车结构设计、运动控制和模拟仿真等提供必要的轮-地相互作用理论模型,基于车轮与松散沙土间的承压、剪切特性理论,建立了鼓形驱动轮与松散沙土相互作用力学模型.通过分析轮-地接触法向应力与切向应力分布,考虑最大法向应力向车轮前方偏移的现象,引入最大法向应力角随滑转率变化的理论公式,分析鼓形轮运动特性指标与松散沙土力学参数及车轮参数间的定量关系.依据松散沙土力学参数测量,指出剪切变形模量与接地比压的定量表达式,通过分析鼓形轮的接地面积,确定对应于载荷的剪切变形模量值.利用月球车车轮运动性能综合测试系统进行了鼓形轮在松散沙土上的滚动力学实验,结果验证了利用该理论模型预测鼓形轮运动性能的可行性.     

基于自适应快速终端滑模的车轮滑移率跟踪控制

针对汽车对连续、快速和稳定的车轮滑移率跟踪控制的需求,提出基于自适应快速终端滑模的车轮滑移率跟踪控制策略. 基于Burckhardt轮胎模型建立车轮滑移率跟踪控制模型,将模型简化过程中的不确定性考虑成复合干扰项,将轮胎侧向力对纵向力的影响考虑成未知参数. 利用双曲正切函数和终端吸引因子设计改进的跟踪微分器,平滑车轮滑移率跟踪误差和估计车轮滑移率跟踪误差的一阶导数. 以车轮滑移率跟踪控制模型和改进的跟踪微分器输出为基础,基于自适应快速终端滑模控制理论,设计对复合干扰项具有强鲁棒性的车轮滑移率跟踪控制律;基于投影算子理论设计自适应律来实时补偿未知参数,利用LaSalle不变性原理证明了闭环系统的渐近稳定性. 利用车辆动力学软件仿真验证提出的控制律的可行性和有效性. 结果表明,提出的车轮滑移率跟踪控制策略具有精度高和鲁棒性强的优点.     

轿车轮边缓速器制动过程的仿真分析

介绍了轮边缓速器的结构和工作原理,基于Matlab/Simulink仿真技术,建立了轿车轮边缓速器的动力学模型,对轮边缓速器的制动过程进行仿真.根据速度信号对输入电流大小进行控制,使得汽车在高速情况下,轮边缓速器产生合适的制动力矩,并将轮胎的滑移率控制在最佳的滑移率附近,迅速降低汽车行驶速度,使汽车处于稳定的制动状态.通过与ABS的仿真结果对比,表明轮边缓速器具有良好的制动性能.     

Wheel slip-sinkage and its prediction model of lunar rover

In order to investigate wheel slip-sinkage problem, which is important for the design, control and simulation of lunar rovers, experiments were carried out with a wheel-soil interaction test system to measure the sinkage of three types of wheels in dimension with wheel lugs of different heights and numbers under a series of slip ratios (0–0.6). The curves of wheel sinkage versus slip ratio were obtained and it was found that the sinkage with slip ratio of 0.6 is 3–7 times of the static sinkage. Based on the experimental results, the slip-sinkage principle of lunar’s rover lugged wheels (including the sinkage caused by longitudinal flow and side flow of soil, and soil digging of wheel lugs) was analyzed, and corresponding calculation equations were derived. All the factors that can cause slip sinkage were considered to improve the conventional wheel-soil interaction model, and a formula of changing the sinkage exponent with the slip ratio was established. Mathematical model for calculating the sinkage of wheel according to vertical load and slip ratio was developed. Calculation results show that this model can predict the slip-sinkage of wheel with high precision, making up the deficiency of Wong-Reece model that mainly reflects longitudinal slip-sinkage.     

电动轮驱动汽车的最佳车轮滑移率实时识别

根据汽车轮胎与路面的附着特性及电动轮驱动系统的特点,提出了电动轮汽车驱动轮对应最大附着系数的滑移率实时识别方法。该方法利用包括车轮驱动转矩和转速在内的车轮动力学参数表达轮胎与路面之间的附着特性。通过计算其导数变化来检测车轮滑转状态,从而获得最大附着系数所对应的滑移率。通过仿真及实车试验对本文方法进行了验证,结果表明其可实时准确地判断车轮是否打滑,并输出最佳滑移率及最大附着系数。     

四轮驱动汽车沙地牵引力控制方法仿真

建立了四轮驱动汽车驱动动力学模型,应用PI控制方法设计了油门控制系统。应用模糊控制方法建立了油门的模糊PI控制系统,给出了参数查询表。对室内沙槽的牵引力控制进行了模拟研究。结果表明:采用PI控制、模糊控制和模糊PI控制建立的油门控制系统可将驱动轮滑转率控制在最佳值附近,并能消除驱动轮过度滑转现象。     

月球车驱动轮在不同介质上的牵引性能

在月壤-车轮土槽测试系统上对月球车驱动轮在不同介质条件下的牵引性能进行了试验研究。试验结果表明:当滑转率在0～80%时,挂钩牵引力和效率系数呈现增加趋势,压实2次和4次的模拟月壤分别比自然状态时最大挂钩牵引力提高了38.9%和66.7%,最大效率系数提高了69.9%和171.6%。水泥路面的牵引性能要高于模拟月壤上的牵引性能,且当滑转率为20%时,驱动轮在水泥路面上的挂钩牵引力为其在模拟月壤上的8.2倍。驱动轮在模拟月壤和石英砂上的牵引性能相似,前者略好于后者,当滑转率为10%时,挂钩牵引力分别为36.8N和33.1N。     

复合材料深空探测车车轮的设计

运用地面力学与高等土力学的相关知识,对给定土壤参数的刚性轮-土壤的相互作用做了定性分析,获得了探测车行驶阻力与其所受的垂直载荷的相互关系。根据分析结果,提出了利用低密度的夹层复合材料制造探测车车轮的设计思想。     

Experimental analysis on effect of grouser circumferential angle on motion performance of lunar rover wheel

To guide the design of grouser parameters for lunar rover wheel,the effect analysis of circumferential angle of grousers on motion performance of a rigid wheel was conducted in a laboratory single-wheel test bed with loose sand bin.All tests had been done at a free wheel sinkage.The circumferential angle was varied from 0°,5°,10°,15° to 20°.By the analysis and comparisons of tractive and steering performance between smooth wheels and wheels with different circumferential angle grousers,the results show that the drawbar pull(DP),driving torque(DT) and steering resistance moment(SRM) decrease slightly with the increasing circumferential angle.And chevron grousers are more beneficial to improve the tractive performance than herringbone grousers.In order to evaluate motion performance of wheels with grousers,the evaluation indexes of motion performance are introduced into the experimental results.The results reveal that the optimal circumferential angle is 0°,and the optimum value of wheel slip is 13% from the perspective of saving energy to the similar loose sand in the experiments.     

Design and Trafficability Study of Flexible Wheel for Planetary Exploration Rover

To reduce sending costs, a flexible wheel configuration is proposed. The wheel is made of titanium alloy （Ti-6Al-4V） in consideration of the planetary environment factors （i. e. strong radiation, big temperature differences, high vacuum）, and mass constraint of launch vehicle. The advantages of the proposed wheel involves the potential for： ① small sending volume and mass, ② large deployed area and volume to reduce wheel loading, ③ a damping effect to smooth motion on rough terrain. To study the trafficability and tractive performance of the wheel concept, the drawbar pull and driven torque were calculated based on simplified model of terramechanics formulations. The results show that the wheel possesses sufficient drawbar pull to negotiate all types of soil stratums listed in this contribution.