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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 楊斌
學(xué) 號(hào)： 060104242
(用外文寫)
外文出處： Acta Astronautica 64 (2009)
925-934
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
該生對(duì)專業(yè)詞匯比較熟悉，翻譯的外文資料語(yǔ)句比較通順流暢，表達(dá)比較準(zhǔn)確，圖文并茂，達(dá)到外文翻譯良好的要求。
簽名：
年 月 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于演化方法的月球車高性能懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：懸掛機(jī)構(gòu);四連桿機(jī)構(gòu);月球探測(cè)器，探測(cè)車
摘要：本文提出了一種新的月球車的懸掛機(jī)構(gòu)，稱作正面反向四連桿懸架機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱ORF-L機(jī)構(gòu)）它的兩個(gè)組成部分根據(jù)轉(zhuǎn)向架和搖桿轉(zhuǎn)變而成。首先，我們分析了轉(zhuǎn)向架的構(gòu)造，并且研究了提高其性能的方法。在研究的基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)向架形成的機(jī)構(gòu)，命名為正面四連桿機(jī)構(gòu)。它比轉(zhuǎn)向架有更好的性能。另外一個(gè)搖桿形成的機(jī)構(gòu)也被提了出來(lái)，命名為反向四連桿機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向架，搖桿和他們的形成機(jī)構(gòu)對(duì)可以組成包括有興趣的ORF-L懸掛在內(nèi)的4個(gè)可以使用的懸掛機(jī)構(gòu)。由于ORF-L懸掛機(jī)構(gòu)由兩個(gè)形成機(jī)構(gòu)組成，所以它具有最高的性能。為了驗(yàn)證它，我們通過仿真來(lái)對(duì)ORF-L和搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較。最后，我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了一個(gè)裝有ORF-L懸掛機(jī)構(gòu)的火星車原型。它如預(yù)期的一樣有著令人稱贊的性能。
1.引用
輪式機(jī)車系統(tǒng)可以高效率的在各種地表上行駛。它的沖擊載荷，能源消耗和磨損不僅較小，而且其配置也比其他類型的機(jī)車系統(tǒng)簡(jiǎn)單。舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)就是機(jī)車跟蹤系統(tǒng)。輪式機(jī)車系統(tǒng)廣泛用于行星探索。但是，它在行進(jìn)方面的能力較差，為了提高它的性能，各種各樣的懸掛機(jī)構(gòu)被發(fā)明制造了出來(lái)，例如，美國(guó)航天局將搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)用于Sojourner，Rocky7,MER,FIDO,等項(xiàng)目中；瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所將并行結(jié)構(gòu)和彈簧懸掛機(jī)構(gòu)用于SHRIMP等研究項(xiàng)目中；本宇航研究所將司服懸掛機(jī)構(gòu)用于日本的Mcro5；RCL概念系列當(dāng)中，CRAB也被用于ESA 和 ASL的火星車原型，諸如此類，不慎枚舉。盡管所有的懸掛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是以在崎嶇的地形上行走并且性能良好為準(zhǔn)則，但是每個(gè)設(shè)計(jì)都有其自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，并行體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向架和彈簧懸掛結(jié)構(gòu)具有良好的爬坡能力，但它的平臺(tái)平穩(wěn)性并不像將它的一個(gè)后輪直接固定在平臺(tái)上那樣平穩(wěn)。因此，仍有必要設(shè)計(jì)一個(gè)新的懸掛機(jī)構(gòu)，用于徹底提高輪式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的性能。
由于Sojourner和MER已經(jīng)在火星上成功地完成工作，而且它們的懸掛機(jī)構(gòu)都是搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)，所以搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)是很值得研究的。因此，本文開頭先對(duì)搖桿和轉(zhuǎn)向架分析，然后提出一種在搖桿和轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)之上演變而來(lái)的一種新型懸掛機(jī)構(gòu)。
2正面四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1轉(zhuǎn)向架的特征
轉(zhuǎn)向架是搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)的一個(gè)組成部分。火星探測(cè)器Sojourner的轉(zhuǎn)向架如圖1。 因?yàn)樗菑澢臈U，所以穩(wěn)定性不強(qiáng)，在不平的道路上行走很容易被推翻。樞軸點(diǎn)轉(zhuǎn)向架和輪1和第2輪的中心點(diǎn)，使角度β和α，形成一個(gè)三角形（見圖1）。通過分析三角形的穩(wěn)定性，我們知道，角α越大三角形就越容易變成順時(shí)針，角β越大三角形就越容易變成逆時(shí)針.另外，在不平衡的道路上，當(dāng)一輪相對(duì)于另一輪抬高的高度較大，角α和β越大，車輪負(fù)荷的變化就越多，轉(zhuǎn)向架翻的可能性更大。
為了加強(qiáng)轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性和減少車輛負(fù)荷的變化，有必要調(diào)整轉(zhuǎn)向架，使角α和β調(diào)的更小甚至為零，圖2.Rocky7是所示Rocky7轉(zhuǎn)向架美國(guó)航空航天局改進(jìn)型Sojourner，其轉(zhuǎn)向架是直線型的.但是這樣的調(diào)整也降低了轉(zhuǎn)向架和地面之間的距離，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架存在被障礙封死的可能.雖然縮短轉(zhuǎn)向架長(zhǎng)度的Rocky7可以減少被障礙封鎖的可能性，但同時(shí)也降低了其穩(wěn)定性。因此，由于轉(zhuǎn)向架，穩(wěn)定性，輪載不變性與離地間隙相互制約著對(duì)方。為了找到平衡，一個(gè)適合的角α或β應(yīng)當(dāng)是存在的。
攀爬的轉(zhuǎn)向架可以算是它的扭矩在轉(zhuǎn)向架輪裝載幫助攀登（積極扭矩）克服了這在轉(zhuǎn)向架加載，以防止攀爬（負(fù)扭矩）車輪扭矩。對(duì)于轉(zhuǎn)向架，不管如何調(diào)整形狀，長(zhǎng)度和契機(jī)，爬坡能力仍然薄弱。這是因?yàn)樵谳?在扭矩下攀升與輪2攀登的相互克制，而且這些調(diào)整不能打破這個(gè)克制.換句話說(shuō)，爬坡能力薄弱的轉(zhuǎn)向架是與生俱來(lái)的，不能被優(yōu)化.因此為了要提高，我們必須設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu)，打破這種相互克制。
2.2提高轉(zhuǎn)向架攀登能力的方法
通過2.1，我們知道，轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性和Rocky7輪載比不變性比Sojourner要好。因此，我們開始研究Rocky7的轉(zhuǎn)向架輪1接觸的障礙時(shí)的相關(guān)參數(shù)列于圖3（a）。當(dāng)輪1遇到障礙，輪1的受到力與扭矩是F1和Tf1。輪2的受到力與扭矩是F2和Tf2 。轉(zhuǎn)向架樞軸點(diǎn)之間，輪1和輪2的中心距離分別是L1和L2.積極扭矩作為攀登設(shè)為T1，順時(shí)針方向.負(fù)扭矩攀登設(shè)為T2，逆時(shí)針方向。 F1和F2的力臂是Lb1和Lb2。與轉(zhuǎn)向架及F1和F2力臂的角度分別是γ1和γ2。F1和地平線之間的角度是β1。F2和地平線之間的角度為β2.轉(zhuǎn)向架和地平線之間的角度分別是α1和α2。
當(dāng)輪1接觸障礙，當(dāng)它在0<1<900和0<2<900 之間變化，通過圖3（a）中，當(dāng)γ1較小時(shí)T1越大。顯然，通過抬升傾斜轉(zhuǎn)向架可以減少γ1（當(dāng)α1增加至900 -β1時(shí)，γ1將減少到零），見圖3（b）項(xiàng)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)向架的姿勢(shì)是抬升狀態(tài)時(shí)積極扭矩T1 就會(huì)增加。此外，橫向構(gòu)成這種傾斜，α2就會(huì)上升。由于T2 =F2×Lb2 =F2×L2×sin (β2-α2)和α2上升，T2就出現(xiàn)故障。因此，負(fù)扭矩在這種姿勢(shì)下會(huì)下降。
根據(jù)上述分析，我們知道，當(dāng)輪1接觸到障礙，如果轉(zhuǎn)向架是抬頭傾斜的，它攀登障礙的能力將得到加強(qiáng)（攀登的積極扭矩增加，負(fù)扭矩減少）。同樣的方式，不難證明，當(dāng)輪2接觸障礙，攀爬障礙的能力也可在這種姿勢(shì)下得到提高。根據(jù)這一姿勢(shì)，轉(zhuǎn)向架和地面之間的間隙增加。當(dāng)輪2攀登障礙時(shí)該轉(zhuǎn)向架的穩(wěn)定性是非常高的。現(xiàn)在的問題是，轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性不高，當(dāng)輪1攀登障礙，因?yàn)殡S后的轉(zhuǎn)向架翻轉(zhuǎn)會(huì)令角2更大（另見2.1節(jié)分析）。但這個(gè)問題可以通過反向轉(zhuǎn)向架及增加L2的長(zhǎng)度來(lái)解決，如圖所示4。
根據(jù)本節(jié)的分析，我們可以得出一個(gè)結(jié)論，傾斜和反向轉(zhuǎn)向架具有較強(qiáng)的爬坡能力，也對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性和輪載不變性有好處。
圖2. Rocky7和它的搖桿轉(zhuǎn)向架懸掛機(jī)構(gòu)
圖3.轉(zhuǎn)向架參數(shù)化模型：（一）轉(zhuǎn)向架原始狀態(tài)（其中1 = 0，2 = 0）;（二）國(guó)產(chǎn)傾斜轉(zhuǎn)向架
2.3． 正面四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
上述的分析證實(shí)了傾斜和反向轉(zhuǎn)向架的優(yōu)勢(shì)。為了在實(shí)踐中的表現(xiàn)出色，我們必須找到一個(gè)適當(dāng)?shù)念愃茩C(jī)構(gòu)，因?yàn)閮A斜的轉(zhuǎn)向架不能保留在實(shí)際工作中。
基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)[9]，我們提出的傾斜和反向轉(zhuǎn)向架類似機(jī)構(gòu)，命名為正面四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖.5所示。
當(dāng)正面四連桿是一個(gè)并行結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度和相應(yīng)的鏈接斜坡角度，兩種機(jī)構(gòu)之間是相同的，運(yùn)動(dòng)軌跡及相應(yīng)的車輪壓力是與十字型標(biāo)志樞紐同樣被固定的。因此，正面四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以有傾斜和反向轉(zhuǎn)向架同樣的優(yōu)勢(shì)。
圖4. Rocky7的傾斜和反向轉(zhuǎn)向架
圖 5 轉(zhuǎn)向架及其等效機(jī)制
圖.6 搖臂的參數(shù)化模型以及它的演進(jìn)機(jī)制（反向四連桿）：（a）搖桿（b）反向四連桿
3. 反向四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
我們?cè)趯?duì)轉(zhuǎn)向架搖桿演變搖臂懸掛的基礎(chǔ)上提出了一種逆向四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖6（b）所示。下面的分析表明，新機(jī)構(gòu)比搖桿有更好的性能，如圖6（a）所示。
反向四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)有四個(gè)支點(diǎn)，搖桿有一個(gè)支點(diǎn)。為了模擬實(shí)際工作狀態(tài)，十字形標(biāo)志的樞軸是固定的聯(lián)系，可以自由地反向固定支點(diǎn)。
3.1爬坡能力的比較
為了公平比較，我們使得搖桿和反向四連桿機(jī)構(gòu)的聯(lián)系尺寸、相應(yīng)的角度、力和力矩都相同，（見圖6）。駕駛室負(fù)荷是G，輪子轉(zhuǎn)向架的力F3和扭矩Tf3，當(dāng)輪3遇到障礙時(shí)，遵循規(guī)則：0 < b3< 90?（見圖3），平衡扭矩Te1和Te2是負(fù)載的，
圖.7 搖臂的參數(shù)化模型及反向四連桿后車輪爬上障礙 （a）搖桿;（b）反向四連桿
兩個(gè)負(fù)載兩端聯(lián)系著，以阻止爬坡輪。因此，機(jī)構(gòu)的爬坡能力可以由其平衡扭矩Te來(lái)反映。平衡扭矩Te越大，爬坡能力越強(qiáng)。Te1和Te2可寫成如下式：
其中，R是車輪半徑，f是車輪和地面之間的摩擦系數(shù)。所以我們令，0
0.
因此，具有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)的反四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，比搖桿具有更好的爬坡能力。
3.2駕駛室平穩(wěn)性比較
Sojourner的駕駛室通過平均機(jī)構(gòu)[10,11]連接到要干的負(fù)載上，這是一種可取連接駕駛室的方法，該方法也適用于我們的火星車。因此，我們可以通過評(píng)估負(fù)載聯(lián)系的斜坡角度來(lái)評(píng)估駕駛室的平穩(wěn)性。（見圖.7）連接駕駛室的位置標(biāo)有方形。在初始狀態(tài)，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的負(fù)載都是橫向的聯(lián)系。（見圖.6）
在這兩種機(jī)構(gòu)中，輪3被障礙物拱起的高度為H2，兩個(gè)負(fù)載連接的坡角分別為和，因此比較這兩角可以評(píng)估出兩個(gè)駕駛室的穩(wěn)定性。
基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)四連桿機(jī)構(gòu)，聯(lián)系負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)方向與輪轉(zhuǎn)向相對(duì)聯(lián)系負(fù)荷的方向相同。因此當(dāng)兩個(gè)聯(lián)系負(fù)載順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致輪3爬上障礙物時(shí)滿足關(guān)系：。根據(jù)（5）（6），是一個(gè)增函數(shù)，在以上的分析基礎(chǔ)上不難推斷出。因此，wheel3爬上障礙時(shí)火星與反四聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)火星車駕駛室比搖桿平穩(wěn)性高。
用相同的方法，當(dāng)輪3下降的時(shí)候不難得出相同的結(jié)論。
4.正背面四連桿懸掛設(shè)計(jì)
從第2、3部分我們知道，正面四連桿機(jī)構(gòu)（OF—L）比轉(zhuǎn)向架和反向四連桿機(jī)構(gòu)（RF—L）以及搖桿表現(xiàn)更好。認(rèn)為由（OF—L）和（RF—L）構(gòu)成的懸掛是高性能的，這是合理的。（這一結(jié)論也驗(yàn)證了第六部分的模擬）。（OF—L）和（RF—L）組合的實(shí)現(xiàn)，
一個(gè)高性能的懸掛便誕生了，名為正背面四連桿懸架，（ORF—L懸掛），如圖8 。ORF—L懸架包含6個(gè)聯(lián)系點(diǎn)和7個(gè)支點(diǎn)。ORF—L懸架的安裝和使用方法與搖桿轉(zhuǎn)向架相同。
ORF—L懸架繼承了OF—L和RF—L的優(yōu)點(diǎn)，因此，它在攀登障礙、駕駛室穩(wěn)定性、輪載不變性和懸浮穩(wěn)定性方面具有比轉(zhuǎn)向架搖桿懸架更高的性能。
5. 組合機(jī)構(gòu)分析
OF—L，RF—L，轉(zhuǎn)向架和搖桿可以組成四個(gè)可用的懸掛，分別命名為：ORF—L懸架，OF—L搖臂懸架，轉(zhuǎn)向架RF—L懸架和轉(zhuǎn)向架搖桿懸架。如圖9
圖8. ORF—L懸架機(jī)構(gòu)的羅孚模式
圖9. 組合機(jī)構(gòu): (a) ORF-L; (b) OF-L-搖桿; (c) 轉(zhuǎn)向架-RF-L; (d) 轉(zhuǎn)向架-搖桿