基于鸟巢结构的载人月球车车轮设计与性能分析

王婷，王振军

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

月球环境恶劣，其重力约为地球的1/6，昼夜温差大，月面受到太阳直接照射的极限温度可达150 ℃，黑夜极限温度可达-180 ℃[1]。月球表面地形复杂，有松软的月壤、斜坡、小坑和火山玻璃等块状物体[2]。这些都要求在月球环境下运行的载人月球车应具有较好的移动性能和承载能力，能够越过障碍物。

本文基于阿波罗月球车，提出了一种基于鸟巢结构的新型载人月球车轮。此载人月球车车轮轮毂与编织网外胎的改变，对减小车轮质量、减少仿真计算量有很大改善，为载人月球车车轮设计与性能仿真提供了参考。

1 载人月球车车轮设计

1.1 载人月球车车轮的功能要求和技术指标

结合探测任务要求和月面地形及空间环境条件，车轮需要满足如下要求[3-5]：

（1）承载能力要求：自身重量、2 名宇航员以及月面活动需要的仪器设备；

（2）包络尺寸约束：载人月球车展开时的外形尺寸应小于3.1 m ×2.1 m ×1.2 m；

（3）质量约束：车轮应尽可能轻量化；

（4）移动要求：应能够翻越一定数值的凸起障碍，凹陷障碍物和斜坡；

（5）车轮材料要求：在月表环境下，车轮材料应具有良好的环境适应性。

1.2 载人月球车金属车轮构型介绍

考虑载人月球车车轮的承载能力要求，本文提出的车轮直径为800 mm，宽度为225 mm，车轮由轮毂、弹性限止器和编织网外胎组成，车轮的整体构型如图1 所示。

1.2.1 轮毂

轮毂设计构型如图2 所示。轮辐采用鸟巢结构，该结构不仅可以为车轮提供足够的结构强度，还可以减轻轮辐质量，为了进一步实现轮毂轻量化，在轮辋处加入紧密的圆孔。

1.2.2 弹性限止器

弹性限止器主要在冲击载荷下受力，为了增大弹性限止器的承力面积，将弹性限止器设计成U型，将36 个弹性限止器铆接在轮毂上如图3 所示。

图3 弹性限止器Fig.3 Elastic inner-frames

1.2.3 编织网外胎

为增大车轮牵引力，编织网外胎采用条状薄片编织，与钢丝编织的金属网相比，薄片编织的金属网更容易进行仿真计算，同时增大了接触面积。编织网外胎结构如图4 所示。

图4 编织网外胎Fig.4 Sheet mesh carcass

1.3 载人月球车金属车轮材料的选择

月球表面昼夜温差大，辐射强，一般材料在月球环境下很难保存，在这种环境下，金属材料能满足车轮运行所需的材料要求，金属材料密度见表1[6]。本文选取材料密度小，强度高，高低温条件下工作性能好的2Al2-CZ 硬质铝合金材料作为轮毂与编织网外胎的主要材料。限止器是车轮受到极限冲击状态时主要的支承构件，因此本文选择屈服强度更高的钛合金作为限止器的主要材料。材料的属性参数如表1 所示。

表1 车轮材料参数Tab.1 Material parameters of wheel

2 载人月球车车轮有限元分析

在ANSYS Workbench 中检验了车轮的各部件结构强度是否满足要求。本文分析了以下两种工况：（1）载人月球车满载时，承载质量为700 kg，此时单轮承受的载荷约为285 N；（2）载人月球车受冲击载荷时，此时单轮承受的冲击载荷约为715 N。

2.1 轮毂有限元分析

在Workbench 中对轮毂进行固定与施力，将力施加在轮毂与车架接触的1/3 轴面上，将正对施力轴面的2个弹性限止器与轮毂接触的面固定。图5 为车轮在两种工况下的应力和变形分布图。

图5 轮毂有限元分析Fig.5 Static analysis results of hub

由有限元结果可知，轮毂在满载与冲击载荷下的最大应力分别为41.648，104.49 MPa，最大应力均小于材料屈服强度390 MPa且位于弹性限止器与轮毂铆接的铆接孔处。最大位移发生在轮毂上方，满载与冲击载荷下轮毂的最大变形量为0.157，0.395 mm，最大变形在弹性范围内，轮毂的强度和刚度满足设计要求。

2.2 弹性限止器有限元分析

弹性限止器在车轮受极限冲击时对车轮起支承作用，将弹性限止器与轮毂接触的面进行固定，在限止器顶部平面施加715 N 的冲击载荷。有限元分析结果如图6 所示。

图6 弹性限止器有限元分析Fig.6 Static analysis results of elastic inner frame

由有限元结果分析可知，弹性限止器最大应力为752.81 MPa 且发生在圆弧倒角处，小于材料的屈服强度1 012 MPa；最大应变发生在冲击载荷施加的平面上，最大应变为14.504 mm，属于弹性变形，弹性限止器的强度和刚度满足要求。

2.3 编织网外胎有限元分析

为方便对编织网外胎施力，在土壤与胎面接触面加力，土壤与外胎装配如图7。

图7 土壤与外胎面接触模型Fig.7 Carcass-soil contact model

将方向向上的力施加在土壤面上，固定外胎与轮毂接触的两个面，编织网外胎在两种工况下的有限元分析结果如图8 所示。

由图8 可知，满载与冲击载荷下编织网外胎的最大应力分别为107.2，268.94 MPa，两种工况下的最大应力均小于材料的屈服强度，最大应力发生在外胎与地面接触的面的转折处。最大变形发生在编织网外胎与地面接触的平面上，满载与冲击载荷下最大变形分别为0.387 3，0.971 mm，属于弹性变形。编织网外胎的应力与应变均呈对称分布，强度和刚度满足要求。

图8 编织网外胎有限元分析Fig.8 Static analysis results of sheet mesh carcass

3 载人月球车车轮移动性能分析

3.1 地面模型与行驶工况的建立

月球表面布满了大大小小的陨石撞击坑，载人月球车的活动任务区域一般都在月海和高地地区。根据月球探测数据统计，月海区域相对较为平坦，最大坡度约为17°，大部分坡度在0～10°之间。高地区域坡度较大，最大坡度约为34°，大部分在0～23°之间。月球表面裸露着许多岩石和风化的碎块，大多数岩石和碎块直径小于20 cm。为保证月球车在月海和高地完成探测任务，本文建立了长48.3 m，宽10 m 的路面，对路面环境设置以下3 种地形工况：（1）30 cm高的单边和双边障碍；（2）40 cm 宽的壕沟；（3）20°与25°的斜坡。所建立的道路模型如图9 所示。

图9 道路模型Fig.9 Road model

将仿真环境设置为月面状态，月球的重力加速度g=1.63 m/s2，月球表面大部分由月壤覆盖，参考文献[7]，取静摩擦系数为0.65。月球车保持满载状态M=700 kg。考虑综合工况，取载人月球车平均运行车速9km/h 进行分析，将车轮相关尺寸代入进行计算，得到车轮角速度为360 °/s。

3.2 越障分析

3.2.1 单边越障

载人月球车30 cm 单边越障过程如图10 所示。载人月球车车轮单边越障结果显示，当车辆的右前轮与障碍物接触并跨越障碍时，左前轮跟着颠簸，右前车轮成功跨越障碍。右后轮跨越障碍时左后轮无颠簸现象，后轮成功跨越单边障碍，由于后轮车速不同，车身发生偏移。仿真结果表明，载人月球车能满足单边越障的要求。

图10 单边越障Fig.10 Unilateral obstacle crossing

3.2.2 双边越障

图11 所示为载人月球车车轮跨越30 cm 的双边越障的状态。

图11 双边越障Fig.11 Bilateral obstacle crossing

载人月球车车轮双边越障结果显示，车轮在跨越30 cm 的双边障碍时，由于车身偏移，左侧前车轮率先接触障碍物，带动左后轮颠簸，随后右侧车轮也接触障碍物，两轮共同越过双边障碍，两后轮也同时越过障碍，载人月球车满足双边越障要求。

3.3 跨越壕沟分析

载人月球车跨越40 cm 宽的壕沟时的整体状态如图12 所示。

图12 跨越壕沟Fig.12 Trench crossing

车轮跨越壕沟结果显示，两前轮与两后轮均能顺利跨越宽40 cm 的壕沟。载人月球车车轮有良好的跨越壕沟的能力。

3.4 爬坡分析

图13 所示为载人月球车爬20°坡的位置状态图，仿真结果表明，载人月球车车轮顺利地爬上了20 °的斜坡。

图13 20°坡Fig.13 Slope with grade of 20°

图14 为载人月球车爬25°坡的位置状态。车轮能顺利爬上25°斜坡，爬坡过程中未出现打滑现象，表明载人月球车满足20°与25°的爬坡要求。

图14 25°坡Fig.14 Slope with grade of 25°

3.5 车轮质心位移曲线

在ADAMS 软件中将载人月球车车轮仿真结果输出如图15，分别表示车轮在建立的单边障碍、双边越障、壕沟、20 °与25 °斜坡路面上运行时的质心位移情况。

图15 车轮质心位移曲线Fig.15 Centroid displacement of wheels

右前轮跨越单边障碍时，左前轮跟着右前轮出现了明显的颠簸，左右前轮质心都出现了波动；在右后轮跨越单边障碍时，左后轮无颠簸，其质心无变化，右后轮质心出现波动，车轮顺利跨越单边障碍。

左前轮在跨越双边障碍时，质心出现2 次波动。第1 次为越障时的正常波动，第2 次为跨过障碍后颠簸产生的波动；两后轮越障出现了2 次波动。左后轮第1 次为左前轮先接触障碍带动后轮颠簸，右后轮第1 次为左前轮率先落地引起右后轮颠簸，第2 次波动为正常越障引起的质心波动。

车轮跨越40 cm 宽的壕沟时质心出现轻微波动，顺利跨越壕沟。车轮成功爬越20°和25°的斜坡后颠簸，质心产生波动。

从质心曲线可以看出，车轮能够在崎岖的路面上运行。

4 结论

（1）本文设计了一种基于鸟巢结构的载人月球车车轮，车轮由采用2Al-CZ 硬质铝合金材料制成的轮毂与编织网外胎和采用Ti-6Al-4V 钛合金材料制成的弹性限止器构成。

（2）对载人月球车车轮在满载285 N 与冲击载荷715 N 下进行静力学分析。在满载与冲击载荷下，轮毂的最大应力分别为41.648，104.49 MPa，编织网外胎的最大应力分别为107.2，268.94 MPa,它们的最大应力均小于材料的屈服强度390 MPa。在冲击载荷下，弹性限止器的最大应力小于材料的屈服强度1 012 MPa，为752.81 MPa。此载人月球车车轮的刚度和强度满足要求。

（3）对载人月球车车轮进行了移动性能仿真，车轮成功越过了高30 cm 的单边与双边障碍、宽40 cm 的壕沟、坡角为25°和30°的斜坡，车轮具有良好的移动性能。