Eine Methode zur Untersuchung der Traktionsfähigkeit von Roverrädern auf gemischtem Planetengelände mit beweglichen Steinen

Die Erkundungsmission Chang’e-6/7/8 wurde kürzlich von China offiziell angekündigt, und die Pläne für internationale Mond- und Mars-Forschungsstationen werden in den 2030er Jahren umgesetzt. Man kann vorhersagen, dass Chinas künftige Aktivitäten zur Erkundung der Mond- und Marsoberfläche länger dauern werden, eine größere Erkundungsreichweite haben und ein komplexeres Gelände zum Durchqueren und Erkunden haben werden, was die Arbeitsleistung des Planetenrovers und seine Anpassungsfähigkeit vor große Herausforderungen stellen wird zur Planetenoberflächenumgebung.

Eines der Hauptprobleme wird darin bestehen, den Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften des Planetenbodens und der Traktionsleistung der Räder des Planetenrovers zu untersuchen. Die gemischten Gelände der Terramechanik-Forschung bestehen hauptsächlich aus statischen Steinen und lockerem Boden.

Bei der Analyse des Einflusses der Traktionsleistung des Rades durch gemischtes Gelände wird das Bewegungsverhalten von Steinen hingegen oft außer Acht gelassen. Da die bestehende Theorie zur Erklärung des terramechanischen Problems der Bewegung des Rades des Planetenfahrzeugs im gemischten Gelände aus beweglichen Steinen und losem Boden unvollkommen und ihre Berechnung relativ komplex ist, wurde die neue Lösung der Kontaktkraft des Rades eines Planetenfahrzeugs unter dem gemischten Gelände gefunden von beweglichen Steinen und lockerem Boden ist forschungswürdig.

In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit in Weltraum: Wissenschaft und TechnologieUm diese Probleme zu lösen, schlagen Jiangshan Du und Tieqiu Huang von der Beijing Jiaotong University ein Restbodenmodell zur Lösung der Wechselwirkungskraft zwischen dem verbleibenden Boden, der nicht von Steinen und Rädern bedeckt ist, und einem plastischen homogenen Bodenmechanikmodell zur Berechnung des Bodens vor Kraft, die auf einen beweglichen Stein ausgeübt wird.

Zunächst untersuchen die Autoren zwei typische Interaktionsmodelle zwischen Rad und Boden. Im Wong-Reece-Modell und im Janosi-Modell wird der Kontakt zwischen starrem Rad und weichem Boden dargestellt. Das Wong-Reece-Modell beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Annäherungswinkel Θ1 und die Senkung z für gegeben μ Wert, der durch Experimente ermittelt wird.

Das Janosi-Scherspannungsmodell formuliert τ(Θ) unter μ =1. Beide zusammen ergeben die Stützkraft W und die Zugdeichsel DP über Integrationen. Im Kontaktmodell eines starren Rads und Steins wird das nichtlineare Feder-Dämpfer-Modell basierend auf der Hertz-Kontakttheorie verwendet, um die Normalkraft zwischen einem Festkörper und einem Festkörper zu berechnen.

Wenn ein Rad über einen Stein läuft, entsteht ebenfalls Haftung P berechnet durch das Coulomb-Reibungsmodell und das Widerstandsmoment Mw.

Anschließend erarbeiten die Autoren zwei vorgeschlagene Modelle. Die vorgeschlagenen Modelle erfüllen die folgenden Annahmen: 1) Die Modelle treten auf gemischtem Gelände mit beweglichen Steinen und lockerem Boden auf; 2) es gibt keinen Kontakt zwischen Steinen, unabhängig davon, ob sich die Steine ​​bewegen oder nicht; 3) Ohne Berücksichtigung der Querkraft werden die Modelle nur auf der zweidimensionalen Ebene verwendet.

Im Restbodenmodell besteht die Grundidee darin, den Integrationsbereich für zu ändern W Und DP um die Wechselwirkungskraft zwischen dem Rad und dem verbleibenden Boden zu lösen, wenn ein sich bewegendes Rad gleichzeitig mit einem Stein und dem Boden in Kontakt ist. Unter dieser Bedingung wird das Durchfahren eines Rades durch einen Stein als der Prozess betrachtet, den ein Stein nacheinander durch den Annäherungswinkel durchläuft Θ1, der Winkel der maximalen Spannung ΘMund der Abflugwinkel Θ2.

Schließlich verlässt es den Bereich, in dem ein Rad mit dem Boden interagiert. Im Modell der plastischen homogenen Bodenmechanik kann das Druck-Sink-Modell von Bekker, das die Trageigenschaften des Bodens widerspiegelt und näherungsweise als typisches nichtlineares Federmodell angesehen werden kann, weiter auf den zweidimensionalen Raum erweitert werden, um die Beziehungen zwischen Druck und Sinken zu untersuchen in 2 Richtungen.

Abschließend führen die Autoren die Simulation und das Experiment durch, um die vorgeschlagenen Modelle zu verifizieren. Die Radbreite beträgt 14 cm. Der Durchmesser des Rades beträgt 30 cm. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Rades beträgt 0,03 m/s. Das Schlupfverhältnis beträgt 0,3. Das Rad führt eine gleichmäßige geradlinige Bewegung entlang der positiven X-Achse aus. Im Experiment gibt der Fahrmotor 4 über einen Förderband ein Drehmoment an das Rad ab, um das Rad vorwärts zu schieben, während ein anderer Antriebsmotor 4, der sich darunter befindet, auf eine Kupplung angewiesen ist, um das Rad um seine Achse drehen zu lassen.

Die Fahr- und Drehgeschwindigkeiten werden über die mit den Antriebswellen verbundenen Encoder 3 gemessen. Diese Studie nimmt den Marsboden als Forschungsobjekt; Daher wird trockener Sand als Boden gewählt und die Topographie ist flach. Die Gültigkeit des Modells der plastischen homogenen Bodenmechanik und des Restbodenmodells wird durch den Vergleich des Traktionsleistungsfehlers des starren Rads in Kontakt mit verschiedenen Gesteinen in Simulation und Experiment überprüft.

Die Ergebnisse zeigen Folgendes: 1) Für die beweglichen Steine ​​stimmen die Simulationsergebnisse für Absinken, Zugkraft und Widerstandsmoment gut mit den experimentellen Ergebnissen überein, was die Wirksamkeit der oben vorgeschlagenen Modelle bestätigt; 2) Im Vergleich zum festen Stein ist deutlich zu erkennen, dass die Bewegungszustände von Steinen einen wichtigen Einfluss auf die Traktionsleistung des Rades haben. In einigen Fällen kann es daher zu großen Fehlern führen, wenn der Einfluss der Steinbewegung auf die Traktionsfähigkeit des Rads ignoriert wird.