月球车差动装置设计与分析

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1、硕士学位论文硕士学位论文 月球车差动装置设计与分析 DESIGN AND ANALYSIS OF DIFFRENTIAL DEVICE ON LUNAR ROVER 高高 鹏鹏 2010 年 6 月 国内图书分类号：V476.3 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公 开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 月球车差动装置设计与分析 硕 士 研 究 生： 高 鹏 导 师： 邓宗全教授 申请学位： 工学硕士 学科： 机械设计及理论 所 在 单 位： 机电工程学院 答 辩 日 期： 2010 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 Classified Index：V476.3

2、U.D.C.：621 Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND ANALYSIS OF DIFFRENTIAL DEVICE ON LUNAR ROVER Candidate： Gao Peng Supervisor： Prof. Deng ZongQuan Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Machine Design and Theory Date of Oral Examination： June, 2010 Unive

3、rsity： Harbin Institute of Technology 摘 要 - I - 摘 要 随着深空探测技术的发展，对月球进行探测已被越来越多的国家所重视。月球车作为月球探测的必备工具，要求其具有较高的移动性能。在两点支撑载荷平台式月球车系统中，差动平衡装置作为移动系统的重要组成部分，是不可缺少的，其起到承载月球车本体、平衡月球车本体姿态、协调各车轮载荷分配，提高月球车移动性能的作用。 本文提出一种月球车用齿轮- 四杆式差动平衡装置结构， 并对其进行结构设计、分析及实验研究。 通过分析月球车差动平衡装置的工作特性，得出差动平衡装置在提高月球车移动性能方面具有重要意义。依据月球车差动

4、平衡装置的功能要求，在借鉴国内外相关研究的基础上，提出三种不同的月球车差动平衡装置结构设计方案，优选出一种方案进行分析、设计与加工，并对差动平衡装置原理样机进行差动功能实验验证。 为了解地形崎岖特性对差动平衡装置的动态激励响应，根据多体动力学理论，建立六轮主副摇臂式月球车系统模型。基于松软轮- 地相互作用力学理论，利用MATLAB 编程软件， 对月球车在月面各种典型地形及随机地形中的运动进行计算机仿真研究，得到月球车在各种典型地形环境下行驶时差动平衡装置工作状态的仿真 数据，为对月球车差动平衡装置进行分析提供参考，同时为后文进行差动平衡装置测试台设计做准备。 提出月球车差动平衡装置性能测试设备

5、结构方案，并对其进行结构设计，提出测试设备的控制系统及软件系统构架。 关键词：月球车；差动平衡装置；动力学仿真；性能测试 Abstract - II - Abstract With the development of deep space technology, lunar exploration presents its possibility to an increasing number of countries. Working as necessary lunar transportation tools, lunar rovers deserve sufficient resea

6、rch on its mobility. Differential mechanism serves to support the main structure of rovers, and is an irreplaceable part for rovers. Other favored property of differential mechanism includes smoothing main structures attitude variation and balancing wheel pressures. The paper presents a novel geared

7、 B齿宽。 将齿厚偏差转换到法向方向，齿轮副的齿厚上偏差与上述各项的关系为 12min23()cos()snssnsnnnEEjjj+= + (2- 12) 取 Esns1= Esns2=Esns，得齿厚上偏差为 min231()2cossnsnnnEjjj= + (2- 13) 为使齿轮副侧隙不至于过大，还必须限制齿厚下偏差 Esni。齿厚公差的大小可通过切齿径向进刀公差 br和径向跳动公差 Fr来计算， 依据独立随机变量合成的方法哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 19 - 进行合成，再折算到齿厚方向有 222tansnrrTbF=+ (2- 14) 得齿厚下偏差为 snisnssnEET

8、= (2- 15) 齿轮副的侧隙公差为 222(cos)(2sin)snaTnTf=+ (2- 16) 所以，综上可得齿轮副的最大可能侧隙为 max11nnnnjjTj=+ (2- 17) 2.4.2.1 连杆侧隙的确定 (1)中心距误差的影响 对于连杆的中心距误差，综合差动装置壳体和连杆的中心距误差，并考虑到这些误差很难同时达到最大，故按独立随机变量合成的方法合成，折算到单侧连杆孔所需间隙为 22112aaJff=+ (2- 18) 式中 1af连杆中心距误差； 2af壳体中心距误差。 (2)温升影响 温度变化对运动副间隙的影响计算为 233224433()()Jattdtt= + (2-

9、19) 式中 3连杆材料的线膨胀系数，1/C； 4连杆销轴的线膨胀系数，1/C； t3连杆温度 t3对 20C 的偏差，即t3= t3- 20C； t4销轴温度 t3对 20C 的偏差，即t4= t4- 20C； d销轴公称直径。 综上得连杆侧隙为 12JJJ=+ (2- 20) 2.4.2.1 差动精度计算 将齿轮副的法向侧隙转换到圆周方向，得到圆周侧隙为 costnjj= (2- 21) 齿轮侧的转角误差为 11()180tj r=o (2- 22) 式中 1r 齿轮分度圆半径。 根据连杆间隙，得连杆侧的转角误差为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 20 - 22()180J r=o(2

10、- 23) 式中 2r 摇杆长度。 综上得齿轮- 四杆式差动平衡装置的输出角度误差为 12() 2= + (2- 24) 2.5 本章小结 本章对月球车差动平衡装置的工作特性进行了分析，得出了差动平衡装置具有平衡车体姿态、均化车体载荷在各车轮的分配、提高月球车移动性能的作用。在综合已有的星球车差动平衡装置结构基础上，提出了三种不同形式的差动平衡装置结构方案， 并对几种方案进行了对比分析， 最终确定选用齿轮- 四杆式结构方案进行设计。通过对差动平衡装置的受力状态进行分析，得到了其受载影响因素。对确定的齿轮- 四杆式差动平衡装置结构方案， 通过进行运动学仿真， 验证了其差动功能的可行性，并对其所能

11、达到的差动精度进行了分析计算。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 21 - 第第3章章 月球车差动平衡装置的结构设计月球车差动平衡装置的结构设计 3.1 引言 结构方案确定后，具体的结构设计是保证差动平衡装置性能的又一关键。本章将在满足月球车差动平衡装置的功能及尺寸等技术要求前提下对齿轮- 四杆式差动平衡装置进行具体的结构设计。 3.2 月球车差动平衡装置的功能和性能要求 月球车差动平衡装置的作用是连接月球车本体与摇臂，支撑月球车本体质量，将载荷传递到摇臂，平衡月球车本体姿态，是月球车的主要承力装置；同时作为航天装置，对其质量又有严格的要求。月球车差动平衡装置的主要功能和性能要求如下： (一

12、) 功能要求： (1) 承受月球车本体质心相对于差动装置轴线的偏转力矩； (2) 差动装置应包括壳体和两个差动轴，具有差动功能，当一侧差动轴旋转时另一侧差动轴等速反向旋转； (3) 具有差动机械行程限位装置； (4) 具有差动角测量功能。 (二) 性能要求： (1) 承载质量：Gkg，质量：不大于 Mkg； (2) 差动轴转角行程(相对于差动装置壳体)：PQ； (3) 差动角度测量范围：JK； (4) 差动转角测量精度：优于 L； (5) 左、右两侧悬架主摇臂转角输入，输出为两者的平均值，输出值与平均值之间误差小于 F(暂定)； (6) 双差动轴承载扭矩：不小于 TNm； (7) 强度要求：差

13、动装置应能承受月球车任务过程中遇到的所有力学环境，而不发生破坏及产生影响使用的变形； (8) 机械接口：包络尺寸为：Xmm(X)Ymm(Y) Zmm(Z)，差动平衡装置 Y 向总宽度不大于 Nmm。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 22 - 3.3 差动机构的设计 差动机构是整个月球车差动平衡装置的核心部分，整个装置的差动功能都是基于这一部分来实现的，其包括差动装置壳体、差动中心轴、过渡轴、齿轮、连杆等传动件和相应的定位、密封及紧固件等。 3.3.1 齿轮传动单元设计 因技术要求中对月球车差动平衡装置的包络尺寸提出了严格要求，使得整个差动机构的几何尺寸不能较大，在较小的几何空间里，如何合理

14、布置各必要部件，使其能够方便的装配成整体，同时又要避免各部件的运动干涉，保持结构整体具有较小的结构质量成为机构设计的关键。根据月球车差动平衡装置与月球车的机械接口要求：差动平衡装置的差动中心轴距车体底板距离较小，这一尺寸条件，限制了传动齿轮的几何尺寸，使齿轮的模数不可能过大，但同时又要满足结构强度的要求，这样导致了尺寸和强度条件的矛盾，为尽量增大齿轮的外形尺寸，从而增大齿轮单元的承载能力，两齿轮传动轴在差动装置壳体中采用倾斜 45放置。经承载能力设计计算，齿轮参数选用模数为 1.5mm，齿数为 25 的直齿轮，材料选用航天常用的合金结构钢 30CrMnSiA，进行调制处理。因实际应用中差动平衡

15、装置在整个工作过程中为有限行程运动，对圆柱齿轮的整周轮齿来说，在具体工作时仅有有限个轮齿能处于啮合工作状态，而其它大部分轮齿不会参与啮合，这一部分轮齿在实际中是没有功能意义的。为尽量减轻整个差动装置的结构质量，在满足要求的差动行程前提下， 两传动齿轮均设计成不完全齿轮的形式， 仅保留实际工作中有用的齿轮轮齿，齿轮在传动轴上的固定方式采用圆锥销固定定位，设计的齿轮的结构模型如图 3- 1所示。 图 3- 1 传动齿轮三维模型 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 23 - 作为该差动平衡装置的关键传动零件，所设计齿轮的强度应满足要求的承载能力，为进行精确的校核，采用 Patran 有限元软件对其进行有限元分析。由于齿轮轮齿啮合传动过程中其接触线的位置随齿轮转动而发生变化，要分析齿轮的最大齿根应力，应在齿根产生最大应力时的啮合线位置进行加载。因齿轮传动的重合