CN112549890A - 一种轮式月球车的悬架机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮式月球车的悬架机构，包括车体和车轮，所述车体和车轮之间通过下横臂连接，包括车体中间部位与车轮之间连接有四连杆支撑机构，所述四连杆支撑机构互为左右对称结构，所述四连杆支撑机构包括第一连杆、第二连杆第三连杆和第四连杆，四个所述连杆铰接互为菱形结构，所述四连杆支撑机构上设置有减振器用以调整连杆垂直的形变位置，本发明通过螺杆驱动双连杆对称布置式刚度可调悬架结构，使得轮式车辆具有可实现油气弹簧所能实现的抗侧倾、静态车高调节、动态车姿调节，大范围的距地高调节功能。

Description

一种轮式月球车的悬架机构
技术领域
本发明属于轮式月球车技术领域，具体涉及一种轮式月球车的悬架机构。
背景技术
用于行星表面或其它恶劣环境的探测车，要求具有较强的地形适应性、灵活的转向能力、较好的避障能力、平稳的车体姿态，并且结构紧凑，能耗少，较里化。月球车路面多为凹凸不平的自然路面。车辆行驶时，由路面不平等因素引起振动，影响乘坐舒适性和操纵稳定性，甚至影响行驶速度，损坏车辆的零部件和运载的货物。车辆悬架系统承担车辆的减振功能，传统被动悬架的阻尼系数和刚度系数一般按经验设计或优化设计方法选择。二个参数一经设定，在车辆行驶过程中就无法对其进行调节，这种固定参数的悬挂系统不能适应车辆行驶状况和路面激励的变化。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优，减振性能有限。。显然，被动悬挂也难以适应载人月球车的高机动性与高舒适性要求。
目前应用较多的探测车为六轮探测车，其原因在于传统的地面两轴四轮车地形自适应能力差、越障通过性不好，但是探测车具有结构紧凑、能耗少，控制简单等优点，为使探测车能完成复杂的探测任务，由于智能悬挂能主动改变悬挂的支撑力，能动态实时地实现车轮动行程的大范围调节与良好减振，是较佳的载人月球车悬挂形式，因此需要为其匹配合适的悬架机构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮式月球车的悬架机构。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明包括车体和车轮，所述车体和车轮之间通过上、下横臂连接，所述车体中间部位与车轮之间连接有四连杆支撑机构，所述四连杆支撑机构为左右对称结构，所述四连杆支撑机构的第一调节点A和第二调节点B分别与螺旋滑块机构连接用以使得车体保持稳定性。
具体地，所述四连杆支撑机构上设置有减振器用以调整连杆垂直的形变位置，所述四连杆支撑机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，四个所述连杆铰接互为四边形结构，所述第一连杆(O1A)和所述第三连杆(OA)连接处为第一调节点A,所述第二连杆(O1B)和所述第四连杆(OB)连接处为第二调节点B，所述第一调节点A和第二调节点B位于同一水平调整轴线上。
进一步地，所述螺旋滑块机构包括至少两组螺旋滑块、电机、弹簧和导筒，所述螺旋滑块设置在车体上的腔体内用以水平滑动调整所述四连杆支撑机构的水平形变位置，所述电机的输出轴通过螺杆与多组所述螺旋滑块的输入端连接，所述螺旋滑块的滑动端与所述导筒的一端可转动连接，所述弹簧套装在所述导筒上，所述导筒的上、下端分别与所述螺旋滑块和第二调节点B铰接点连接。
具体地，所述第一连杆和第二连杆为上连杆，所述第三连杆和第四连杆为下连杆，所述减振器的下端设置在所述第三连杆和第四连杆的铰接点上或下横臂上，所述减振器的上端与所述第一连杆和第二连杆的铰接点连接或连接于车体上。
具体地，两个所述螺旋滑块通过电机驱动螺杆实现同轴调整。
进一步地，所述螺杆在两个所述螺旋滑块内的螺纹旋向相反且螺旋角相同。
具体地，所述减振器为直线电机式减振器。
本发明的有益效果在于：
本发明通过螺杆驱动双连杆对称布置式刚度可调悬架结构，使得轮式车辆具有可实现油气弹簧所能实现的刚度调节、抗侧倾、距地高调节、动态车姿调节，慢主动控制功能，不仅能实现的刚度调节功能，可以实现悬架刚度可调半主动控制、实时的慢主动控制、被动控制等混合悬挂功能，其既可用于行星探测车，也适于恶劣环境下的无人探测车，不能满足载人月球车的高机动性、高通过性、高平顺性行驶需求。
附图说明
图1为本发明轮式月球车的悬架机构的结构侧视图；
图2为本发明轮式月球车的悬架机构的结构前视图；
图3为本发明悬架静态高度与螺旋滑块偏离中心距离关系图(图3中文字要改过来)；
图中1-螺旋滑块，2-螺杆，3-弹簧，4-第一连杆，5-第二连杆，6-导筒，7-电机，8-第三连杆，9-减振器，10-第四连杆，12-下横臂，13-上横臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，所述车体和车轮之间通过上横臂13和下横臂12连接，包括车体中间部位与车轮之间连接有四连杆支撑机构，所述四连杆支撑机构为左右对称结构，所述四连杆支撑机构包括第一连杆4、第二连杆5、第三连杆8和第四连杆10，四个所述连杆铰接互为四边形结构，所述四连杆支撑机构上设置有减振器9用以调整连杆垂直的形变位置，所述第一连杆4和所述第三连杆8连接处为第一调节点A,所述第二连杆5和所述第四连杆10连接处为第二调节点B，所述第一调节点A和第二调节点B位于同一水平调整轴线上，所述四连杆支撑机构的第一调节点A和第二调节点B分别与螺旋滑块机构连接用以使得车体保持稳定性，所述螺旋滑块机构包括至少两组螺旋滑块1、电机7、弹簧3和导筒6，所述螺旋滑块1设置在车体上的腔体内用以水平滑动调整所述四连杆支撑机构的水平形变位置，所述电机7的输出轴通过螺杆2与多组所述螺旋滑块的输入端连接，所述左、右侧的螺旋滑块1的滑动端分别与所述左、右侧的导筒6的上端转动连接，所述弹簧3套装在所述左、右侧导筒上，所述左、右侧导筒的下端分别与所述第一调节点A和第二调节点B铰接点连接。
所述第一连杆4和第二连杆5为上连杆，两者长度相等，所述第三连杆8和第四连杆10为下连杆，两者长度相等，所述减振器9的上端设置在所述第三连杆和第四连杆的铰接点，所述减振器9的下端与所述第一连杆和第二连杆的铰接点连接，如图2所示，所述减振器9上端可与车体相铰接，下端与下横臂铰接。
车体中间部位与车轮之间位于下横臂12的连接处设置有一个左右、上下对称的四连杆支撑机构；但在四连杆支撑机构左右连接点A、B处均有一压缩弹簧通过左右两个轴对称布置的弹簧与螺旋滑块机构和车体上部连接(弹簧内部有保持其稳定的导筒，以保持其压缩稳定性，形成弹性支撑力。滑块机构构件包括螺杆、螺旋滑块、导筒。其中左、右导筒上端分别铰接在螺旋滑块1上，左、右导筒下端分别铰接于A、B点上；螺杆由电机驱动，螺旋滑块安装在螺杆上，与螺杆构成螺旋运动幅，但螺杆在左右螺旋滑块内的螺纹旋向相反，螺旋角相同。这样，当启动电机运转时，可以改变弹簧与水平面之间的夹角γ，连动改变下连杆与水平线之间的夹角α、上连杆与水平面之间的夹角β，从而达到改变悬架刚度与距地高的目的(如图3所示)，初步计算表明，该悬架机构不仅能实现刚度可调、还能实现距地高调节与车姿调节等功能。
本发明中所述四连杆支撑机构包括第一连杆4、第二连杆5、第三连杆8和第四连杆10，第一连杆4和第二连杆5为上连杆，两者长度相等；所述第三连杆8和第四连杆10为下连杆，两者长度相等，四个所述连杆铰接一呈左右对称的四边形结构，第一连杆4与第二连杆5铰接于车体上的O1点，第三连杆8与第四连杆10铰接于下横臂上的O点；第一连杆4和第三连杆8连接处为第一调节点A,第二连杆5和第四连杆10连接处为第二调节点B，第一调节点A和第二调节点B位于同一水平调整轴线上。
如图1所示，本发明中螺旋滑块机构包括电机、螺杆、螺旋滑块。电机安装于螺杆一端，电机轴与螺杆同心固定连接，直接做成同一个轴，或通过万向节连接；每车轮悬架上设置有左右2个螺旋滑块1，均布置在车体的水平滑道中，其与车体之间通过水平滑动幅来连接，左、右螺旋滑块1相对于过轮轴的垂直面左右对称；螺旋滑块1与螺杆上设计有配合的螺纹，两者之间通过螺旋幅来连接，但是左右滑块内部螺纹旋向相反、旋转角相同，螺杆左端与螺旋滑块1配合的螺纹与螺杆右端与螺旋滑块2配合的螺纹旋向也相反。这样，当启动电机驱动螺杆旋转时，左右螺旋滑块做相向或相背的同步等速对称运动。
如图1所示，为实现悬架的缓冲与支撑作用，在四连杆支撑机构的第一调节点A和第二调节点B分别与左、右螺旋滑块1之间连接有一组导筒弹簧组件。每组导筒弹簧组件均由压缩弹簧3与长度可伸缩的滑动导筒6组成，两者同心。压缩弹簧3用以支撑车体，并起到减振缓冲的作用，滑动导筒6主要起稳定弹簧的作用，防止弹簧压缩时失稳，以使保持悬架结构的稳定性。如图1所示，左侧的螺旋滑块1的滑动端分别与所述左侧的导筒6的上端转动连接，弹簧3套装在所述左侧导筒上，所述左侧导筒的下端分别与第一调节点A铰接点连接；右侧与左侧呈左右对称。
为实现减振功能，悬架必须安装减振器，如图1所示，减振器9的上端设置在所述第三连杆和第四连杆的铰接点O1上，下端与第一连杆和第二连杆的铰接点O连接，减振器9的上端也可以直接布置在车体其它处，下端布置在下横臂上。
由于月球上昼夜温差大，液压减振器不能正常使用。为避免液压减振器9不适应月球车极端气候条件的问题，本实施例中，减振器9采用直线电机式减振器。
如图1与图2所示，由于车体与每个车轮之间位于下横臂12的连接处设置有一个左右对称的四连杆支撑机构与导筒弹簧组件，在四连杆支撑机构左右连接点A、B处均有一压缩弹簧通过左右两个轴对称布置的螺旋滑块机构和车体上部连接(弹簧内部有保持其稳定的导筒，以保持其压缩稳定性)，形成弹性支撑力。由于螺杆由电机驱动，螺旋滑块安装在螺杆上，与螺杆构成螺旋运动幅，但螺杆在左右螺旋滑块内的螺纹旋向相反，螺旋角相同。这样，当启动电机运转时，可以改变弹簧与水平面之间的夹角γ，连动改变下连杆与水平线之间的夹角α、上连杆与水平面之间的夹角β，从而达到改变悬架刚度与距地高的目的(如图3所示)，初步计算表明，该悬架机构不仅能实现刚度可调、还能实现距地高调节与车姿调节等功能。
本发明能实现刚度半主动悬挂控制调节、车姿调节、慢主动控制等多功能，当启动电机运转时，可以改变弹簧与水平面之间的夹角γ，连动改变下连杆与水平线之间的夹角α、上连杆与水平面之间的夹角β，从而达到改变悬架刚度与距地高的目的(如图3所示)；由于在刚度调节的同时，悬架高度也会发生相应的变化。因此，单独调节每轮悬架的高度，还能实现距地高调节与车姿调节等功能；当车速不是太快时，可启动螺杆2驱动电机，驱动螺杆2水平移动，调节悬架的刚度，实现慢主动控制。
如图1所示，当悬架压缩时，四连杆结构O1AOB中O1A、O1B与水平面夹角变小，弹簧3不仅压缩，其与水平面的夹角γ还增大，弹簧等效刚度增大，这种变形能增加弹簧的位能，能有效改善弹簧3的缓冲能力与悬架减振性能。
本发明中采用螺杆机构的运动幅实际上是多对斜面高效滑动的平面幅(实际为面接触)，其受力状况要较齿轮运动幅(实际为线接触)好，提高了整个悬架的可靠性、寿命；
所述减振器9为直线电机式减振器相较于传统的液压减振器有以下优势：结构简单，体积小，纯机械电子部件组成，无液压系统，维护简单，部件少，除滑动轴承或直线电机导轨以外，运动时无机械接触，没有任何其它的摩擦外，从而大大降低了零部件的磨损，可靠性高，使用寿命长。特别适合用开月球车，非常适合月球上极端气候条件，基可以本实现免维护。
由于螺杆旋转幅导角可设计的较小，以实现较大的传动比。由于采用大传动比、较高效率的螺杆驱动机构驱动螺旋滑块，其传动比可设计较大以实现减速增扭驱动螺旋滑块等速反向移动，螺杆机构导角设计得较小，可以实现反向运动时自锁以维持双对称滑块连杆机构的稳定性。因此悬架机构具有高稳定性、高效率。
通过刚度可调悬架结构实时进行方向的调整，达到避障的目的，当探测车的轮体行驶在不平的路面上时候，实现油气弹簧所能实现的抗侧倾、静态车高调节、动态车姿调节，大范围的距地高调节功能，且消除了各车轮所在地形对车体姿态的耦合影响，被动适应地形变化，提高探测车的自适应性，悬架具有半主动、主动控制、车姿调节与车高调节等多调节功能。
由上分析可见，该悬架机构可实现油气弹簧所能实现的抗侧倾、静态车高调节、动态车姿调节，大范围的距地高调节功能，还能实现其不能实现的刚度调节功能，可以实现刚度可调半主动控制、实时的慢主动控制、被动控制等混合悬挂功能，能满足载人月球车的高机动性、高通过性、高平顺性行驶需求。如悬挂还能根据车辆载重调节车辆重心高度(如在好的城镇路面上可通过增加螺旋滑块的偏距x以降低重心与悬挂偏频，以减小风阻，提高平顺性，以期提高运动速度；在颠簸粗糙路面，为防止大的冲击，可以通过减小螺旋滑块的偏心距离x以提高重心与悬架动行程，提高通过性，并防止车辆撞击限制器，从而提高舒适性)；根据路况与速度调节悬挂高度与刚度；根据是否转向而采用抗侧倾措施等等。所以说该种悬挂系统稳定性与操纵稳定性将较一般悬挂好得多，能实现更高的机动性与平顺性，能装备到有特殊需求的轮式车辆(如运动型越野车辆，军用轮式车辆、大型导弹运输发射车)上，有着较大的市场应用前景。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种轮式月球车的悬架机构，包括车体和车轮，所述车体和车轮之间通过上、下横臂连接，其特征在于：所述车体中间部位与车轮之间连接有四连杆支撑机构，所述四连杆支撑机构为左右对称结构，所述四连杆支撑机构的第一调节点A和第二调节点B分别与螺旋滑块机构连接用以使得车体保持稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：所述四连杆支撑机构上设置有减振器用以调整连杆垂直的形变位置，所述四连杆支撑机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，四个所述连杆铰接互为四边形结构，所述第一连杆(O1A)和所述第三连杆(OA)连接处为第一调节点A,所述第二连杆(O1B)和所述第四连杆(OB)连接处为第二调节点B，所述第一调节点A和第二调节点B位于同一水平调整轴线上。
3.根据权利要求1所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：所述螺旋滑块机构包括至少两组螺旋滑块、电机、弹簧和导筒，所述螺旋滑块设置在车体上的腔体内用以水平滑动调整所述四连杆支撑机构的水平形变位置，所述电机的输出轴通过螺杆与多组所述螺旋滑块的输入端连接，所述螺旋滑块的滑动端与所述导筒的一端可转动连接，所述弹簧套装在所述导筒上，所述导筒的上、下端分别与所述螺旋滑块和第二调节点B铰接点连接。
4.根据权利要求2所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：所述第一连杆和第二连杆为上连杆，所述第三连杆和第四连杆为下连杆，所述减振器的下端设置在所述第三连杆和第四连杆的铰接点上或下横臂上，所述减振器的上端与所述第一连杆和第二连杆的铰接点连接或连接于车体上。
5.根据权利要求3所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：两个所述螺旋滑块通过电机驱动螺杆实现同轴调整。
6.根据权利要求3所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：所述螺杆在两个所述螺旋滑块内的螺纹旋向相反且螺旋角相同。
7.根据权利要求2所述的一种轮式月球车的悬架机构，其特征在于：所述减振器为直线电机式减振器。
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