航空宇航制造工程综合课程设计指导书.docx
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航空宇航制造工程综合课程设计指导书
综合课程设计Ⅱ
月球车车轮运动性能综合测试台
课程设计指导书
哈尔滨工业大学
2009年2月
第1章概述...............................................................................................................3
1.1课程设计的目的.................................................................................................3
1.2课程设计的内容.................................................................................................3
1.3课程设计的方法和步骤.....................................................................................3
1.4课程设计的要求.................................................................................................4
第2章车轮运动性能综合测试台总体设计...........................................................5
2.1车轮运动性能综合测试实验台国外研究现状.................................................5
2.2车轮运动性能综合测试台的功能及要求.........................................................6
2.3车轮运动性能综合测试台的方案设计.............................................................6
2.4数据采集系统的方案设计.................................................................................8
2.5车轮测试台的测试原理.....................................................................................9
2.5.1车轮滚动力学特性的测试原理...................................................................9
2.5.2车轮转向力学特性的测试原理.................................................................11
第3章测试台机械结构设计.................................................................................14
3.1前进驱动机构的设计.......................................................................................14
3.1.1前进驱动机构的结构设计.........................................................................14
3.1.2驱动传动与测量装置的选择.....................................................................15
3.2可调车轮支架的结构设计...............................................................................17
3.3转向驱动机构的设计.......................................................................................18
3.3.1转向驱动机构的结构设计.........................................................................18
3.3.2驱动、传动与测量装置的选择.................................................................18
3.4自由沉降机构的设计.......................................................................................21
3.5拖拽机构的设计...............................................................................................23
3.5.1拖拽机构的结构组成.................................................................................23
3.5.2驱动与传动计算.........................................................................................23
3.5.3拖拽机构的结构设计.................................................................................25
3.5.4导轨的结构设计.........................................................................................26
3.6车轮测试台的总成...........................................................................................26
3.6.1土槽框架的结构设计.................................................................................26
3.6.2车轮测试台总成.........................................................................................27
第4章测试台装配工作图设计.............................................................................29
4.1装配工作图绘制要求.......................................................................................29
4.2装配工作图尺寸标注.......................................................................................29
4.3装配工作图上零件序号、明细栏和标题栏的编写.......................................29
第5章编写设计计算说明书.................................................................................31
5.1设计计算说明书的内容...................................................................................31
5.2设计计算说明书格式要求...............................................................................31
5.2.1目录.............................................................................................................31
5.2.2论文正体.....................................................................................................31
5.2.3参考文献.....................................................................................................32
5.2.4公式.............................................................................................................33
5.2.5表题和图题.................................................................................................33
第6章课程设计的总结和答辩.............................................................................34
第7章附录：
部分产品样本.................................................................................35
第1章概述
1.1课程设计的目的
课程设计是培养学生航天设备设计的实践性教学环节，其目的是：
（1）通过课程设计，建立正确的设计思想，培养学生综合运用所学知识去分析问题和解决问题的能力。
（2）掌握基本的设计方法，培养学生具有初步的结构分析、设计和计算的能力，并能从系统的角度出发，根据实际要求学会如何选择合适的驱动元件和传感测量元件。
（3）通过课程设计，进一步提高学生的绘图能力。
1.2课程设计的内容
课程设计的内容包括：
（1）机械结构设计根据技术要求，确定试验台结构方案，确定轴系、框架等的尺寸。
（2）驱动组件设计和测量元件设计根据控制要求，确定驱动元件电机的类型和传动机构，以及测量元件。
计算
车轮驱动及转向力矩，选取电机和减速器。
（3）学生应完成的工作完成装配工作图2张
编写设计计算说明书1份
1.3课程设计的方法和步骤
课程设计应根据技术要求，首先确定总体结构方案，进行必要的计算和结构设计，最后完成图纸绘制和设计计算说明书。
设计中，由于很多因素的影响，结构中有些尺寸需要先初步估定，等绘制出装配草图后，再进行修正。
课程设计按照以下步骤进行：
（1）设计准备认真分析设计任务书，明确设计要求。
通过看实物、模型、图片来了解设计对象。
准备好设计需要的设计手册、计算机和相关资料。
明确课程设计时间安排。
（2）测试台机械结构设计确定机械结构方案，轴系结构、框架机构以及各部分间的联结方式。
（3）驱动组件和测量元件的选取根据车轮驱动和转向力矩，计算电机功率、选择电机和减速器。
根据控制要求，选择合适测量元件，如：
力传感器、角度传感器等。
（4）装配图设计绘制装配图草图，重新对各轴系进行计算，检验电机和减速器选取是否正确。
必要时对重要的轴系进行强度分析。
最后完成整个装配工作图，不仅要按照制图规范画出足够的视图，而且要完成装配图的其他要求，如尺寸标注、技术要求、零件编号以及明细栏、标题栏等。
（5）编写设计计算说明书将所有的设计计算，元器件的选择、设计，查阅的相关资料进行整理，编写
设计计算说明书。
说明书的格式依照本科生毕业设计要求的格式。
1.4课程设计的要求
实验台装配工作图2张（A0图纸）设计计算说明书1份（不少于5000字）
答辩（答辩时间5分钟）
第2章车轮运动性能综合测试台总体设计
汽车等交通工具的车轮均为橡胶弹性轮，车辆通常高速行驶，因此对车轮的动平衡度要求很高。
而由于月球环境的特殊性，这种橡胶弹性轮及充气轮胎在月球等深空星球上无法应用，月球探测车多采用金属刚性轮或弹性筛网轮。
月球车在较低的速度下运行，对动力学性能要求不高，但对车轮的通过性、牵引性能以及能量消耗等方面要求很高。
因此，需要研制专门的车轮力学特性测试系统对月球车车轮的运动性能进行测试。
为了获知月球车车轮与土壤作用的力学特性、并验证建立的车轮力学模型的有效性，建立较真实的车轮运动仿真环境提供实验数据，需要使用车轮力学特性测试系统测量车轮在土壤上运动的力学特性参量。
本课程设计要求在参考国外车轮力学特性测试系统的基础上，提出一种能集成测试月球车车轮滚动特性和转向特性的新型多功能车轮测试系统。
该测试系统由机械系统即测试台和数据采集系统两部分组成。
2.1车轮运动性能综合测试实验台国外研究现状
在NASA的资助下，美国麻省理工大学机器人实验室完成了“Rocky”系列探测车的车轮运动性能测试系统，如图2-1所示。
该系统可以测量车轮行驶过程中的挂钩牵引力，车轮下陷量，车轮的滑转率，以及前进驱动转矩等参量。
根据这些参数可以动态地估测土壤的力学特性参数。
图2-1MIT的车轮测试系统
美国卡内基-梅隆大学针对“Nomad”探测车的车轮，研制了一套车轮性能测试装置，如图2-2所示。
该装置可以用来测量车轮持续工作和跨越障碍的驱动功率以及车轮驱动单元的耐久性。
图2-2CMU的车轮测试系统
2.2车轮运动性能综合测试台的功能及要求
根据车轮与土壤作用的滚动和转向力学模型的测试要求，测试台必须能够完成以下功能。
（1）滚动力学特性测试功能
车轮滚动时，滑转率s是一个非常重要的参数。
挂钩牵引力、驱动转矩、下陷量都和滑转率s有着密切的关系。
因此，测试台必须能够测试车轮在不同滑转率下的力学特性。
另外，车轮挂钩牵引力、驱动转矩、下陷量和车轮垂直载荷W也有着密切的关系。
因此，作用在车轮上的垂直载荷应能够根据要求改变。
车轮应能够在垂直方向自由沉降，模拟车轮在任意载荷下的运动状态。
（2）转向力学特性测试功能
车轮转向时，转向力矩与车轮承受的垂直载荷W有着密切关系，车轮上方的垂直载荷也应能够根据要求改变。
车轮转向包括无偏距转向和有偏距转向两种，在这两种状态下，车轮的转向力矩是不同的。
因此，测试台应能够测试无偏距和有偏距两种情况的转向力学特性。
（3）对不同车轮的适应性由于测试不同车轮时，车轮的宽度和直径可能不同，因此要求测试系统可以
适应不同宽度和不同直径甚至不同构型的车轮。
2.3车轮运动性能综合测试台的方案设计
将国外的两种车轮测试系统对比可知，麻省理工大学的测试系统可以测试车轮在不同滑转率下工作的滚动力学特性，而不能够测试车轮的转向力学特性。
卡内基梅隆大学的测试系统也可以实现车轮在不同滑转率下工作，但其仅可以测试
车轮沿圆弧轨迹持续运动和跨越障碍的驱动功率以及车轮驱动单元的耐久性。
因此麻省理工大学车轮测试系统的测试项目与所需要的测试功能较接近。
本课程设计要求的的测试台是在麻省理工大学的车轮测试台的基础上，增加了转向力学特性测试的功能。
在车轮安装机构上作了改进，使之能够适应不同车轮直径、宽度的车轮。
图2-3是测试台机械系统的方案。
测试台由测试台机架、实验土槽、前进驱动机构、可调车轮支架、转向驱动机构、自由沉降机构、以及拖拽机构等部分组成。
前进驱动机构与可调车轮支架相连，用于驱动车轮滚动；转向驱动机构和可调车轮支架相连，用于驱动车轮转向；自由沉降机构和转向驱动机构相固连，并和托架经直线轴承副相连，用于模拟车轮在垂直载荷下的自由沉陷；拖拽机构中同步带和托架相固连，用于模拟车轮在行驶方向的负载作用。
151413
910
8
1
2
3
711
126
5
4
1-测试台机架2-实验土槽3-直线导轨4-拖拽机构5-前进驱动机构6-可调车轮支架
7-转向驱动机构8-托架9-自由沉降机构10-位移传感器11-六维力/力矩传感器
12-被测车轮13-同步带14-砝码15-连接器图2-3车轮测试台的原理图
实验土槽2位于测试台机架1的底部。
两条直线导轨3以及拖拽机构4分别
固定于测试台机架1之上。
托架8通过滑块可以在直线导轨3上水平移动。
托架
8通过连接器15与同步带13固连，从而实现同步带13对托架向后的拖拽作用。
自由沉降机构9通过直线轴承副与托架8相连接，随托架移动，且可以在垂直方
向上自由沉降，其顶部用于加载砝码，对车轮进行垂直加载。
转向驱动机构7的
上端固连到自由沉降机构9上，下端输出到可调车轮支架6上，实现车轮的转向
运动。
被测车轮12安装在可调车轮支架6上，既可在前进驱动下滚动，又可在转向驱动下转动。
在前进驱动机构中装有扭矩传感器，它用于测量驱动车轮滚动的力矩大小。
在托架和自由沉降机构之间装有位移传感器10，用于测量自由沉降机构的垂直位移量。
在转向驱动机构中装有六维力/力矩传感器，用于测量转向驱动机构在空间三个方向的分力和力矩。
2.4数据采集系统的方案设计
这部分内容仅供参考了解，学生无需进行数据采集系统的设计，但应该了解数据采集系统的原理和组成。
数据采集系统需要完成前进驱动电机、拖拽电机以及转向驱动电机的控制，并能够采集扭矩传感器、位移传感器以及六维力/力矩传感器的数据。
数据采集系统包括数据采集硬件和数据采集软件两部分。
数据采集系统的硬件构成如图2-4所示。
六维力/力矩传感器的信号由自带的采集系统直接接入计算机，扭矩传感器、直线位移传感器以及拖拽电机编码器的信号由数据采集卡2进行采集，并传入计算机。
计算机通过两个串口分别与前进驱动电机、转向驱动电机的驱动器相连，发送控制命令至驱动器。
两驱动器分别与前进驱动电机和转向驱动电机相连。
计算机通过数据采集卡2与拖拽电机的驱动器相连，数据采集卡2的一路A/D输出作为拖拽电机的控制信号。
图2-4数据采集系统框图
关于数据采集软件部分，需要在MicrosoftVisualC++中开发一个终端软件，在这个软件中能够发送前进驱动电机、转向驱动电机以及拖拽电机的控制信号，并返回各电机的运行状态；采集六维力/力矩传感器、扭矩传感器以及直线位移传感器的信号；还应能够实时监测系统运行的状态，例如限位开关是否动作，传感器输出是否满量程等。
2.5车轮测试台的测试原理
车轮力学特性测试台需要测试车轮的滚动力学特性和转向力学特性。
测试车轮滚动力学特性时，需要测量车轮的下陷量z，驱动转矩T以及挂钩牵引力FDP；测试车轮转向力学特性时，需要测量车轮下陷量z，转向力矩TR。
2.5.1车轮滚动力学特性的测试原理
在测试车轮的滚动力学特性时，被测车轮以角速度ω作匀速转动，前进驱动电机施加给车轮的驱动转矩为T，托架以水平速度v在导轨上作匀速运动。
车轮的受力如图2-5所示。
图2-5车轮受力图
当车轮在水平面松软土壤上作等速滚动时，因受驱动力矩T和垂直载荷W的作用，松软土壤与车轮之间的作用力关系表现为连续的应力形式。
但在对车轮单独进行受力分析时，可以将连续的应力形式简化为集中力的形式，即有：
（1）土壤摩擦反力和轮齿嵌入剪切土壤产生的反力，二者之和构成驱动力Fq，
（2）土壤对车轮的作用力分解为土壤变形而产生内摩擦以及压实土壤形成轮辙，产生横向偏离车轮轴心的垂直支反力NV和水平方向的滚动阻力Fr。
车轮驱动力Fq（N）克服滚动阻力Fr（N）后，发挥挂钩牵引力FDP（N），因而存在下列力平衡方程：
（2-1）
（2-2）
（2-3）
式中，rd为车轮动力半径（mm），可取为去除轮齿高度后的车轮半径。
车轮驱动力Fq与滚动阻力Fr与车轮载荷W有密切关系，因此，在车辆——地面力学中，通常分别简化为由下式计算：
（2-4）
（2-5）
式中，φ称为地面附着系数；fr称为地面滚动阻力系数。
实际上，这两个参数随着车轮滑转率的增大而增加，直到完全滑转时达到极限值，需要通过实验测得。
在测试台设计与计算中，可以借鉴车辆在沙土路面的相关参数，给定φ=0.6～0.9，fr=0.18～0.25。
将前进驱动机构和六维力/力矩传感器作为一体进行受力分析，地面对车轮
的作用力简化至车轮轴处，如图2-6所示。
则六维力/力矩传感器受力面S—S处的作用力（距）有水平方向的分力FSH（N）和垂直方向的分力FSV（N）以及弯矩MS（Nm），其值分别为：
GG
v
lGS
lS
FSV
FSHS
MS
Nv
FDP
图2-6可调车轮支架受力图
⎧FSH=FDP
⎪
⎨FSV
⎪
=NV−GW
=W−GW
（2-6）
⎩MS=FDP⋅lS
式中，GW为车轮及前进驱动机构部分的重力（N）。
因此，六维力/力矩传感器测得的水平方向分力的大小FSH就是车轮滚动力学特性测试时的挂钩牵引力FDP的大小；测得的垂直方向分力FSV与车轮及前进驱动机构部分的重力之和就是车轮作用于土壤的载荷W（见图2-5）。
水平移动导轨受力面G—G处的作用力（距）有水平方向的分力FGH和垂直方向的分力FGV以及弯矩MG，其值分别为：
⎧FGH
⎪
⎨FGV
⎪
=FDP
=GQ
（2-7）
⎩MG=FDP⋅lG
式中，GQ（N）为车轮、前进驱动机构、转向机构、自由升降机构、水平移动滑板、加载机构及砝码等部分的重力之和。
综上所述，车轮的驱动转矩T由安装在与车轮同轴的扭矩传感器测得（实际为所测值乘以支承轴效率）；挂钩牵引力FDP由六维力/力矩传感器测得，即车轮前进方向的水平分力；下陷量z由安装在托架和自由沉降机构之间的直线位移传感器测得。
2.5.2车轮转向力学特性的测试原理
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