专利名称：适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种台车装置，更详细地说，是指一种可改变车轮与行走地面之间垂直作用力，从而模拟不同重力环境下的车轮与地面相互作用情况的，适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置。
背景技术：
人类目前的行星探测主要是指月球探测和火星探测，以往的探测表明在月球表面存在一层特别精细松软的月球土壤层，相当于地球上的精细沙地。月球土壤平均内聚力为1KPa，内摩擦角为35°。火星上土壤和地球上的可见土壤类型相似，包括了流沙和软土路面，对火星地面可以使用常用的土壤特性参数来描述。目前行星探测车辆的移动机构以轮式为主，各种轮式行走机构由于结构、尺寸、材料的不同，其在行星表面行走时的性能有较大的差别。由车辆地面力学的理论可知，车轮在行星表面松软路面行走时的滚动阻力和车轮所能提供的牵引力，决定了行星探测车辆的通过能力和消耗能量的大小，通过对相应力学参数的测量，可以对探测车辆移动机构的移动性能进行评价。
本发明提出一种模拟车轮在行星地面行走时与地面相互作用关系的台车装置，使用该装置可以通过试验方法对车轮移动性能进行研究、优化轮式行走机构的设计。
轮式行走机构移动性能实验包括(1)行走机构的牵引力试验利用传感器直接测量不同结构、不同表面形状和材料的车轮所能提供的最大牵引力，轮轴扭矩，对各种车轮设计方案进行对比分析，从而确定最优方案。
(2)滚动阻力试验把车轮作为从动轮，在一定的垂直载荷作用下，车轮不发生滑转情况下，台车驱动车轮匀速滚动时，测量车轮水平方向的力，即为滚动阻力。
(3)车轮结构与负荷关系的承压特性试验测量车轮行走时的接地比压，接地面积，车轮下陷量，观察和测量载荷作用下的土壤变形，验证与修正理论计算所采用的承压特性模型，为车轮结构尺寸的优化提供试验验证和支持。
(4)车轮不同滑转率下的牵引力变化通过试验确定最佳的滑转率范围，对比验证控制车轮滑转率的不同控制算法。通过控制和测量车轮转动角速度和台车移动速度，控制和计算车轮的滑转率，在不同的车轮滑转率情况下测量车轮所能提供的牵引力。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置，该台车装置通过测量被测车轮行走时与土槽体内土壤间的相互作用力和力矩，对车轮的移动性能进行评价。
本发明是一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置，由台车机构、台车支架和驱动机构组成；台车支架的上直线导轨与台车机构的上直线轴承A和上直线轴承B滚动连接，台车支架的下直线导轨与台车机构的下直线轴承A和下直线轴承B滚动连接；台车支架的左立柱、右立柱和驱动机构固定安装在地面上；钢丝绳缠绕在驱动机构的主动滑轮合件的滑轮与从动滑轮合件的滑轮上，钢丝绳的两端分别固定在台车支架的凸台体的两侧面上；所述台车支架的左立柱、右立柱相互平行且垂直固定安装在地面上，上横梁、中横梁和下横梁在水平方向上相互平行，并且两端分别固定在左立柱和右立柱上，左立柱和右立柱之间设有中立柱，中立柱安装在上横梁和下横梁之间；在上横梁上安装有上导轨座，上导轨座上安装有上直线导轨；在中横梁上安装有下导轨座，下导轨座上安装有下直线导轨；所述台车机构的台车框架为一体铸造成型件，滑轮支座固定在上隔板上，上隔板上设有供提升配重块的钢丝绳通过的孔，以及供安装竖直导轨A和竖直导轨B一端通过的导轨孔A和导轨孔B；中隔板上设有供提升配重块的钢丝绳通过的通孔；下隔板的底部设有凸台体；台车框架的后立板上设有轴承座A、轴承座B、轴承座C和轴承座D，轴承座A上安装有上直线轴承A，轴承座C上安装下直线轴承A，轴承座C上安装有上直线轴承B，轴承座D上安装有下直线轴承B；竖直导轨A穿过轴承座D的通孔、轴承座B的通孔后安装于导轨孔A内，竖直导轨B穿过轴承座C的通孔、轴承座A的通孔并安装于导轨孔B内；托板的下方设有长形槽，长形槽内固定安装有螺母和丝杠，丝杠的一端安装在螺母内，并且丝杠的端部顺次连接有轴承座、联轴节、减速器和电机；连接车轮的传动轴一端安装在轴承A和轴承B上，并顺次连接减速器和电机，轴承A、轴承B、减速器和电机安装在轴承座内，端盖安装在轴承座的前端，轴承座的后端与凸形板连接，六分力传感器安装在凸形板的传感器安装座内；与传感器安装座对应位置处的凸形板设计成方形孔，凸形板上设有供安装轴承A和轴承B的圆孔，供安装吊环的凸台，供钢丝绳通过的通孔；滑轮支架安装在台车框架的上隔板上，滑轮通过滑轮轴、轴承安装在滑轮支架上；滑轮上缠绕有钢丝绳，伸出凸形板下方的钢丝绳端连接有吊环螺栓，吊环螺栓下端连接有一托板，托板用于放置配重块；所述驱动机构由主动滑轮合件、钢丝绳和从动滑轮合件组成，主动滑轮合件的底座上安装有滑轮支座，滑轮支座上安装有轴承A和轴承B，滑轮套装在转轴上，转轴安装在轴承A和轴承B上，转轴的一端连接有编码器，转轴的另一端与减速器连接，减速器连接在电机的输出轴上，主动滑轮合件通过安装孔与地面固定；从动滑轮合件的底座上安装有滑轮支座，滑轮支座上安装有两个轴承，滑轮套装在转轴上，转轴的两端分别安装在这两个轴承上，从动滑轮合件通过安装孔与地面固定；从动滑轮合件上的滑轮与转轴、轴承的安装关系与主动滑轮合件上的滑轮安装关系相同。
本发明台车装置的优点在于(1)通过改变配重块102的重量，可以改变车轮103在竖直方向上所受力的大小，从而模拟在不同探测车重量和不同重力加速度情况下，车轮与地面间相互作用力的大小；(2)台车装置布置在土槽体的侧面，便于进行试验操作和试验观察；(3)通过控制台车机构1由钢丝绳33牵引移动的速度和车轮103由电机156主动驱动的转动速度，可以改变和控制车轮滚动的滑转率。(4)在试验开始之前和试验结束之后，提升机构可以使车轮103与土壤脱离接触，使台车到达指定的位置；(5)台车机构1的上直线轴承A107和上直线轴承B109与台车支架2的上直线导轨204是滚动接触，台车机构1的下直线轴承A108和下直线轴承B110与台车支架2的上直线导轨204是滚动接触，采用滚珠轴承模式，使台车机构1与台车支架2具有较小的运动阻力；(6)使用六分力传感器105对车轮103所受的力和力矩进行测量，测量系统结构简单。
图1是本发明台车外部结构图。
图1A是台车支架结构图。
图1B是台车支架剖视图。
图2是台车机构结构图。
图2A是台车机构后视图。
图2B是台车框架结构图。
图2C是提升机构部分的结构图。
图2D是台车机构的凸形板结构图。
图2E是车轮传动部件的剖视图。
图2F是滑轮与支架的装配图。
图3A是从动滑轮合件结构图。
图3B是主动滑轮合件结构图。
图3C是主动滑轮合件剖视图。
图4是土槽系统的整体结构图。
图中 1.台车机构 101.台车框架 102.配重块 103.车轮104.轴承座 105.六分力传感器106.凸形板 107.上直线轴承A108.下直线轴承A109.上直线轴承B 110.下直线轴承B111.滑轮支座112.上隔板 113.中隔板 114.下隔板 115.后立板116.丝杠座 117.轴承座A118.轴承座C 119.轴承座B120.轴承座D121.竖直导轨A 122.竖直导轨B 123.通孔 124.通孔 125.通孔126.通孔127.凸台体 128.导轨孔A 129.导轨孔B131.托板132.丝杠133.长形槽 134.轴承座 135.联轴节 136.减速器137.电机138.螺母 141.吊环螺栓 142.轴承A 143.通孔144.方形孔 145.安装座 146.吊环 147.凸台 148.钢丝绳149.轴承B 150.滑轮 151.滑轮轴 152.轴承 153.传动轴154.端盖155.轴承 156.电机 157.减速器 2.台车支架201.上横梁 202.中横梁 203.下横梁 204.上直线导轨 205.下直线导轨206.右立柱 207.左立柱 208.中立柱 209.上导轨座 210.下导轨座3.驱动机构 31.主动滑轮合件 311.电机 312.减速器313.滑轮314.编码器 315.滑轮支座 316.底座 317.转轴318.轴承A 319.轴承B 320.安装孔 32.从动滑轮合件321.底座322.安装孔 323.滑轮支座 324.滑轮 33.钢丝绳 4.土槽体具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置，请参见图1所示，由台车机构1、台车支架2和驱动机构3组成；台车支架2的上直线导轨201与台车机构1的上直线轴承A 107和上直线轴承B 109滚动连接，台车支架2的下直线导轨205与台车机构1的下直线轴承A 108和下直线轴承B 110滚动连接；台车支架2的左立柱207、右立柱206和驱动机构3固定安装在地面上；钢丝绳33缠绕在驱动机构3的主动滑轮合件31的滑轮313与从动滑轮合件32的滑轮324上，钢丝绳33的两端分别固定在台车支架2的凸台体127的两侧面上。
请参见图1A、图1B所示，在本发明中，台车支架2的左立柱207、右立柱206相互平行且垂直固定安装在地面上，上横梁201、中横梁202和下横梁203在水平方向上相互平行，并且两端分别固定在左立柱207和右立柱206上，为了保证横梁的刚性、防止产生大的变形，在左立柱207和右立柱206之间可设有多个中立柱208，中立柱208安装在上横梁201和下横梁203之间。在上横梁201上安装有上导轨座209，上导轨座209上安装有上直线导轨204；在中横梁202上安装有下导轨座210，下导轨座210上安装有下直线导轨205。
请参见图2、图2A所示，在本发明中，台车机构1的台车框架101为一体铸造成型件，滑轮支座111固定在上隔板112上，上隔板112上设有供提升配重块102的钢丝绳148通过的孔，以及供安装竖直导轨A 121和竖直导轨B 122通过的导轨孔A 128和导轨孔B 129；中隔板113上设有供提升配重块102的钢丝绳148通过的通孔143；下隔板114的底部设有凸台体127，凸台体127用于将驱动机构3中钢丝绳33的两端固紧，实现台车机构1在台车支架2的两直线导轨(上直线导轨204、下直线导轨205)上沿水平方向运动。(请参见图2B所示)台车框架101的后立板115上设有四个轴承座(轴承座A 117、轴承座B 118、轴承座C 119和轴承座D 120)，轴承座A 117上安装有上直线轴承A 107，轴承座C 118上安装下直线轴承A 108，轴承座C 119上安装有上直线轴承B 109，轴承座D 120上安装有下直线轴承B 110；竖直导轨A 121穿过轴承座D 120的通孔126、轴承座B 118的通孔125并安装于导轨孔A 128内，竖直导轨B 122穿过轴承座C118的通孔124、轴承座A 117的通孔123并安装于导轨孔B 129内；竖直导轨A 121和竖直导轨B 122提供了台车机构1凸形板106带动车轮103的上下运动，即实现用于测试用的车轮103离开土槽体4内的土壤，或者与土槽体4内做有标记的土壤接触，对车轮103移动性能进行评价；后立板115上的四个轴承座的通孔123和通孔124的中心线共线，通孔125和通孔126的中心线共线。(请参见图2C所示)托板131的下方设有长形槽133，长形槽133内固定安装有螺母138和丝杠132，丝杠132的一端安装在螺母138内，并且丝杠132的端部顺次连接有轴承座134、联轴节135、减速器136和电机137。(请参见图2D、2E所示)连接车轮103(被测件)的传动轴153一端安装在轴承A 155和轴承B 158上，并顺次连接减速器157和电机156，轴承A 155、轴承B 158、减速器157和电机156安装在轴承座104内，端盖154安装在轴承座104的前端，起到定位、密封和防尘作用，轴承座104的后端与凸形板106连接，六分力传感器105(选用ATI公司的SI-1800-350型号传感器)安装在凸形板106的传感器安装座145内。与传感器安装座145对应位置处的凸形板106设计有方形孔144，凸形板106上设有供安装轴承A 142和轴承B149的圆孔，供安装吊环146的凸台147，供钢丝绳148通过的通孔143。(请参见图2F所示)滑轮支架111安装在台车框架101的上隔板112上，滑轮150通过滑轮轴151、轴承152安装在滑轮支架111上；滑轮150上缠绕有钢丝绳148，伸出凸形板106下方的钢丝绳148端连接有吊环螺栓141。吊环螺栓141下端连接有一托板，托板用于放置配重块102，配重块102用于改变车轮垂直方向上承受力的大小。配重块102的重量调节范围为0～120Kg。
请参见图3A、图3C所示，在本发明中，驱动机构3由主动滑轮合件31、钢丝绳33和从动滑轮合件32组成，主动滑轮合件31的底座316上安装有滑轮支座315，滑轮支座315上安装有轴承A 318和轴承B 319，滑轮313套装在转轴317上，转轴317安装在轴承A 318和轴承B 319上，转轴317的一端连接有编码器314，转轴317的另一端与减速器312连接，减速器312连接在电机311的输出轴上。主动滑轮合件31通过安装孔320与地面固定。
请参见图3B所示，在本发明中，驱动机构3的从动滑轮合件32的底座321上安装有滑轮支座323，滑轮支座323上安装有两个轴承，滑轮324套装在转轴上，转轴的两端分别安装在这两个轴承上，从动滑轮合件32通过安装孔322与地面固定。从动滑轮合件32上的滑轮324与转轴、轴承的安装关系与主动滑轮合件31上的滑轮313安装关系相同(请参见图3C所示)。
本发明台车装置是一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试用的机构，其通过与土槽体4的配合使用能够完成车轮移动性能测试实验。在试验前和试验结束之后，通过驱动机构3的电机311转动驱动滑轮313带动钢丝绳33运动，使连接在钢丝绳33上的台车机构1沿台车支架2上的上直线导轨204和下直线导轨205作水平运动，实现车轮103在水平方向上的往返运动，从而控制车轮103从土槽体4的端部开始运动进行试验，并在试验结束后使车轮103复位。在试验中，电机156通过减速器157驱动传动轴153转动实现车轮103主动驱动，即传动轴153带动车轮103转动，由车轮103通过轴承座104带动台车机构1在水平方向运动，由六分力传感器105测量车轮103在竖直方向的载荷力和车轮103能够提供的水平方向牵引力。为了测试车轮103的滑转率变化对牵引力的影响，需要控制车轮103的滑转率，通过电机156驱动车轮103实现转动运动，同时驱动机构3上的电机311带动台车机构1在水平方向上运动，通过控制车轮103的转动角速度和台车机构1的水平运动的速度可以改变车轮103的滑转率。
在试验开始之前和试验结束之后，为了使车轮103与土槽体4内的土壤脱离接触，由电机137通过减速器136和联轴节135带动丝杠132转动，丝杠132的转动带动连接在它上面的螺母138在竖直方向作直线运动，螺母138固定在长形槽133上，从而带动长形槽133在竖直方向上运动并通过托板131将凸形板106向上顶起，使连接在凸形板106上的车轮103产生向上的运动，从而达到与土槽体4内的土壤脱离接触。在车轮103到达工作指定位置之后，电机137带动丝杠132作反向转动，使托板131向下运动，凸形板106和车轮103在重力的作用下向下落，车轮103与土槽体4内的土壤接触，此时可以开始进行测试试验了。
本发明的台车装置使用配重块102改变车轮103垂直方向载荷力的大小，可以模拟在低于地球重力加速度的环境下车轮与地面间的作用力。在台车机构1和车轮103之间安装有六分力传感器106，可以测量车轮103所受三个方向的力和力矩，台车机构1上带有电机137可以对车轮103进行主动驱动，使车轮103带动台车机构1前进，此时可以测量地面附着允许车轮103提供的牵引力；水平牵引装置使用电机311和钢丝绳33传动可以拖动台车前进，此时可以测量车轮103滚动阻力的大小。
权利要求
1.一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置，其特征在于由台车机构(1)、台车支架(2)和驱动机构(3)组成；台车支架(2)的上直线导轨(201)与台车机构(1)的上直线轴承A(107)和上直线轴承B(109)滚动连接，台车支架(2)的下直线导轨(205)与台车机构(1)的下直线轴承A(108)和下直线轴承B(110)滚动连接；台车支架(2)的左立柱(207)、右立柱(206)和驱动机构(3)固定安装在地面上；钢丝绳(33)缠绕在驱动机构(3)的主动滑轮合件(31)的滑轮(313)与从动滑轮合件(32)的滑轮(324)上，钢丝绳(33)的两端分别固定在台车支架(2)的凸台体(127)的两侧面上；所述台车支架(2)的左立柱(207)、右立柱(206)相互平行且垂直固定安装在地面上，上横梁(201)、中横梁(202)和下横梁(203)在水平方向上相互平行，并且两端分别固定在左立柱(207)和右立柱(206)上，左立柱(207)和右立柱(206)之间设有中立柱(208)，中立柱(208)安装在上横梁(201)和下横梁(203)之间；在上横梁(201)上安装有上导轨座(209)，上导轨座(209)上安装有上直线导轨(204)；在中横梁(202)上安装有下导轨座(210)，下导轨座(210)上安装有下直线导轨(205)；所述台车机构(1)的台车框架(101)为一体铸造成型件，滑轮支座(111)固定在上隔板(112)上，上隔板(112)上设有供提升配重块(102)的钢丝绳(148)通过的孔，以及供安装竖直导轨A(121)和竖直导轨B(122)一端通过的导轨孔A(128)和导轨孔B(129)；中隔板(113)上设有供提升配重块(102)的钢丝绳(148)通过的通孔(143)；下隔板(114)的底部设有凸台体(127)；台车框架(101)的后立板(115)上设有轴承座A(117)、轴承座B(118)、轴承座C(119)和轴承座D(120)，轴承座A(117)上安装有上直线轴承A(107)，轴承座C(118)上安装下直线轴承A(108)，轴承座C(119)上安装有上直线轴承B(109)，轴承座D(120)上安装有下直线轴承B(110)；竖直导轨A(121)穿过轴承座D(120)的通孔(126)、轴承座B(118)的通孔(125)后安装于导轨孔A(128)内，竖直导轨B(122)穿过轴承座C(118)的通孔(124)、轴承座A(117)的通孔(123)并安装于导轨孔B(129)内；托板(131)的下方设有长形槽(133)，长形槽(133)内固定安装有螺母(138)和丝杠(132)，丝杠(132)的一端安装在螺母(138)内，并且丝杠(132)的端部顺次连接有轴承座(134)、联轴节(135)、减速器(136)和电机(137)；连接车轮(103)的传动轴(153)一端安装在轴承A(155)和轴承B(158)上，并顺次连接减速器(157)和电机(156)，轴承A(155)、轴承B(158)、减速器(157)和电机(156)安装在轴承座(104)内，端盖(154)安装在轴承座(104)的前端，轴承座(104)的后端与凸形板(106)连接，六分力传感器(105)安装在凸形板(106)的传感器安装座(145)内；与传感器安装座(145)对应位置处的凸形板(106)设计成方形孔(144)，凸形板(106)上设有供安装轴承A(142)和轴承B(149)的圆孔，供安装吊环(146)的凸台(147)，供钢丝绳(148)通过的通孔(143)；滑轮支架(111)安装在台车框架(101)的上隔板(112)上，滑轮(150)通过滑轮轴(151)、轴承(152)安装在滑轮支架(111)上；滑轮(150)上缠绕有钢丝绳(148)，伸出凸形板(106)下方的钢丝绳(148)端连接有吊环螺栓(141)，吊环螺栓(141)下端连接有一托板，托板上放置有配重块(102)；所述驱动机构(3)由主动滑轮合件(31)、钢丝绳(33)和从动滑轮合件(32)组成，主动滑轮合件(31)的底座(316)上安装有滑轮支座(315)，滑轮支座(315)上安装有轴承A(318)和轴承B(319)，滑轮(313)套装在转轴(317)上，转轴(317)安装在轴承A(318)和轴承B(319)上，转轴(317)的一端连接有编码器(314)，转轴(317)的另一端与减速器(312)连接，减速器(312)连接在电机(311)的输出轴上，主动滑轮合件(31)通过安装孔(320)与地面固定；从动滑轮合件(32)的底座(321)上安装有滑轮支座(323)，滑轮支座(323)上安装有两个轴承，滑轮(324)套装在转轴上，转轴的两端分别安装在这两个轴承上，从动滑轮合件(32)通过安装孔(322)与地面固定；从动滑轮合件(32)上的滑轮(324)与转轴、轴承的安装关系与主动滑轮合件(31)上的滑轮(313)安装关系相同。
2.根据权利要求1所述的台车装置，其特征在于所述台车机构(1)沿所述台车支架(2)的上直线导轨(204)和下直线导轨(205)完成水平方向的运动；所述台车机构(1)沿竖直导轨A(121)和竖直导轨B(122)完成垂直方向的运动。
3.根据权利要求1所述的台车装置，其特征在于所述配重块(102)的重量调节范围为0～120Kg。
全文摘要
本发明公开了一种适用于行星探测车辆车轮移动性能测试的台车装置，由台车机构、台车支架和驱动机构组成；台车支架的上直线导轨与台车机构的上直线轴承A和上直线轴承B滚动连接，台车支架的下直线导轨与台车机构的下直线轴承A和下直线轴承B滚动连接；台车支架的左立柱、右立柱和驱动机构固定安装在地面上；钢丝绳缠绕在驱动机构的主动滑轮合件的滑轮与从动滑轮合件的滑轮上，钢丝绳的两端分别固定在台车支架的凸台体的两侧面上。本发明的台车装置使用配重块改变车轮垂直方向载荷力的大小，可以模拟在低于地球重力加速度的环境下车轮与地面间的作用力。在台车机构和车轮之间安装有六分力传感器，可以测量车轮所受三个方向的力和力矩。
文档编号B64G3/00GK1831506SQ20061007632
公开日2006年9月13日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者高峰, 孙刚, 徐国艳, 李雯 申请人:北京航空航天大学