[发明专利]一种可变直径轮柔顺变径机构的力-变形行为分析方法

说明书

本发明公开了一种可变直径轮柔顺变径机构的力‑变形行为分析方法，其特征在于主要采用以下步骤：(1)根据变径机构变径过程中受力状况合理假设，建立两自由度系统伪刚体模型；(2)计算该系统中各主动力、主动力矩与扭簧扭矩所做的虚功；(3)根据虚功原理，得到该机构变径过程中力与变形的关系。本发明的有益效果：可以较准确地获取变径所需驱动转矩与轮径大小之间的关系，可确定变径所需最大转矩；利用该方法得到的力‑变形特性可为可变直径轮轮径变化的控制提供理论依据。

技术领域

本发明涉及一种可变直径轮柔顺变径机构的力-变形行为分析方法，属于柔顺机构的力与变形关系分析领域。

背景技术

该柔顺变径机构主要是为了实现可变直径轮的直径变化，目前这种机构应用于一种新型月球车可变直径轮与新型多栖移动平台可变直径轮。由于柔顺变径机构主要依靠柔顺铰链的变形产生运动，可避免磨损，润滑，密封等问题，使结构轻便紧凑。例如公开号为CN101503044的发明专利申请公开了一种适用于可变直径轮的机液联动变径轮架，然而这种变径机构的受力分析只是将其看作结构来分析，没有考虑变径过程是在车轮行走中进行的，然后根据经验添加一个安全系数来考虑弹簧扭矩的作用，因此只能大致估算变径所需最大转矩。没有一个系统的分析方法来获取变径所需驱动转矩与轮径大小之间的关系，从而无法通过该机构变径过程中的力-变形特性来对变径机构轮径变化进行有效的控制，阻碍了该种机构和可变直径轮的进一步应用和推广。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出了一种可变直径轮柔顺变径机构的力-变形行为分析方法，是一种较为准确可靠的获取柔顺变径机构变径过程中的力-变形特性的分析方法。

本发明采用的技术方案为依次按以下步骤进行：

步骤一、根据变径机构变径过程中受力状况合理假设，建立两自由度系统伪刚体模型；

假设变径过程中月球车轮腿能够保持结构稳定性(辐杆保持等腰梯形形状)，变径在低速中进行，可认为准静态，将轮毂D_cq1与轮毂D_cq2看作两个曲柄；由于轮脚为弧形脚，可以近似认为轮脚在它着地和离地的转角范围内始终能实现其中心点与地面接触，另外，由于轮脚外缘中点到轮脚连杆中点的径向距离较小，不妨忽略，即来自地面的集中力作用在轮脚连杆中点；该两自由度系统以轮心O为坐标原点，以轮毂D_cq1转角θ₁与轮毂D_cq2转角θ₂为广义坐标，柔顺铰链用具有等效刚度的扭簧表示，建立柔顺变径机构两自由度伪刚体模型。

则系统的总虚功可以表示为：

其中为作用在机构上的第i个主动力，为第i个主动力作用点到坐标原点的位置矢量，即虚位移，为作用在机构上的第i个主动转矩，为角位移，即虚角位移，为第i个扭簧力矩，为角位移，即虚角位移。

对于具有n个轮腿的可变直径轮系统，具体可表示为：

步骤二、计算该系统中各主动力、主动力矩与扭簧扭矩所做的虚功；

子步骤1：建立变径机构单个轮腿中的矢量封闭环方程，对其微分后可求得虚角位移δθ₃与δθ₁、δθ₂之间关系；

由该机构单个轮腿中的矢量封闭环方程可得：

r₂cosθ_z+r₃cosθ₃+r₄cosθ₄-r₅cosθ₅-r₁cosθ₁＝0 (3)