轮地相互作用地面力学在星球车研究中有着重要意义,目前对于轮地作用中的轮刺效应研究尚不充分。基于Rankine被动土压力理论,分析轮刺与土壤作用的两种工作方式,推导了形成稳定剪切土环时轮刺高度与个数之间的关系式和保证连续剪切的轮刺倾斜角度计算公式。采用轮地相互作用测试系统对宽度为165mm,半径分别为135mm和157.35mm的月球车车轮,改变轮刺高度、个数和倾角进行实验,验证了理论分析结果,同时得到如下结论:增加轮刺高度可以提高车轮的牵引性能,轮刺高度为15mm时,比光滑车轮的最大牵引力提高达60%;增加轮刺个数有助于形成稳定的剪切土环;轮刺的倾斜角度可以减小车轮的振动幅度;车轮的牵引力随滑转率增加而增大,但最好将滑转率控制在0.4以下。研究成果为月球车轮刺设计和进行轮地作用力预测提供了依据,并可应用于类似的火星车和地面车辆等。
轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正,并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响,从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式,以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型,并结合试验数据进行验证。在载荷为80N,滑转率从0.05增加到0.6时,模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比,相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应,可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。