王曉東 任俊楠 冒亞萍 孫 楊

(南通理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院,江蘇 南通226000)

1 概述

隨著人們對(duì)各領(lǐng)域的探索和開發(fā),無人機(jī)和無人小車的應(yīng)用越來越廣泛,同時(shí)其各自弊端愈發(fā)明顯。無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、負(fù)載能力差、環(huán)境適應(yīng)性差,無人小車移動(dòng)速度慢、受地形影響較多,單獨(dú)個(gè)體不能很好的滿足人們多元化的需求。許多國(guó)家已開始進(jìn)行陸空兩用無人小車的研究[1]。常見的陸空兩用小車是將飛行系統(tǒng)和陸地系統(tǒng)分開布置設(shè)計(jì),即螺旋槳與車輪為非同軸式結(jié)構(gòu),這導(dǎo)致小車結(jié)構(gòu)的冗雜、控制系統(tǒng)的復(fù)雜以及故障率的增加,降低了整車工作效率[2]。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了一款陸空兩用無人小車,將螺旋槳與車輪在結(jié)構(gòu)上有效結(jié)合,配合油電混合動(dòng)力系統(tǒng),使之不僅具備多旋翼無人機(jī)的高通過性和靈活性,也具備輪式地面無人車的長(zhǎng)續(xù)航優(yōu)勢(shì),能夠更好的應(yīng)對(duì)各種不良工作環(huán)境。

2 工作原理分析

2.1 地面行駛原理

如圖1 所示為陸地行駛模式下的小車簡(jiǎn)圖。其螺旋槳槳面通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至與地面垂直狀態(tài),通過接合套改變齒輪接合形式,實(shí)現(xiàn)前后軸旋向相同,可共同驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。每個(gè)半軸都安裝一個(gè)盤式制動(dòng)器,在行駛過程中可起到轉(zhuǎn)彎與制動(dòng)的效果。

圖1 陸地行駛狀態(tài)簡(jiǎn)圖

左側(cè)兩制動(dòng)器夾緊,可限制或制止左側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)由于差速器的作用,右側(cè)車輪加速旋轉(zhuǎn),達(dá)到向左轉(zhuǎn)向或原地左轉(zhuǎn)的效果。同樣的,右側(cè)制動(dòng)器加緊,可向右轉(zhuǎn)向或原地右轉(zhuǎn)。行駛時(shí)所有制動(dòng)器動(dòng)時(shí)加緊可起到緊急制動(dòng)的效果。

2.2 空中飛行原理

如圖2 所示為空中飛行模式下的小車簡(jiǎn)圖。螺旋槳槳面通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至水平位置,通過接合套改變齒輪接合形式,實(shí)現(xiàn)前后軸旋向相反。而由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用,同軸的槳葉旋向相反,故同側(cè)槳葉旋向也相反,對(duì)角槳葉旋向相同,槳葉高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自轉(zhuǎn)力矩可以相互抵消。而通過四個(gè)半軸制動(dòng)器配合作用,可實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)不同的運(yùn)動(dòng)方式。

俯仰運(yùn)動(dòng)：令前軸兩個(gè)半軸制動(dòng)器輕微夾緊,如圖2,即1槳和2 槳的半軸制動(dòng)器夾緊,可使前軸升力略微小于后軸,車身向前小幅度翻滾,因而車身可加速向前飛行。同理,后軸半軸制動(dòng)器輕微夾緊,可使車身向前飛行時(shí)減速,或空中靜止后向后加速。

橫滾運(yùn)動(dòng)：與俯仰運(yùn)動(dòng)相似,令車身左側(cè)兩個(gè)半軸制動(dòng)器輕微夾緊,即1 槳和3 槳半軸制動(dòng)器夾緊,可使左側(cè)升力小于右側(cè),車身小幅度向左翻滾,因而車身可向左加速飛行。同理,右側(cè)半軸制動(dòng)器夾緊,可使車身向右加速飛行。

偏航運(yùn)動(dòng)：令對(duì)角兩個(gè)半軸制動(dòng)器輕微夾緊,如1 槳和4 槳的半軸制動(dòng)器輕微夾緊,四槳的轉(zhuǎn)速差會(huì)形成力矩差,使車身按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。同理,使2 槳和4 槳的半軸制動(dòng)器輕微夾緊,車身會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3 主要部件的選型

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選型

發(fā)動(dòng)機(jī)是陸空兩用無人小車動(dòng)力裝置的核心設(shè)備,不僅作為動(dòng)力源直接輸出動(dòng)力,還可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給電動(dòng)機(jī)提供能量及電池充電,合理的選型決定了無人小車的各類性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

圖2 空中飛行狀態(tài)簡(jiǎn)圖

目前,無人機(jī)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)主要有活塞式和噴氣式兩大類?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)有較長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展歷史且技術(shù)發(fā)展較為成熟,而噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其優(yōu)異的推重比和高轉(zhuǎn)速時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性迅速取代后者,成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主流。但對(duì)于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)而言,功率越小,其可靠性和燃油經(jīng)濟(jì)性就越差,鑒于本設(shè)計(jì)為小型無人車,綜合考慮選用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本要求

3.1.1.1 比功率大。陸空兩用無人小車不僅滿足陸地行駛基本功能,還具有空中飛行的功能,因?yàn)榭罩酗w行對(duì)飛行器的重量有較高要求,因此作為重要部件,要求發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的功率質(zhì)量比。在滿足最大功率的情況下保證機(jī)體輕量化以確保無人車能夠平穩(wěn)、可控、持續(xù)地飛行。

3.1.1.2 能耗小。即有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性,節(jié)能減排的同時(shí),相同的油箱容積下一定意義上提高了小車的續(xù)航能力。

3.1.1.3 安全可靠。為了維持無人車在空中飛行時(shí)的安全性,發(fā)動(dòng)機(jī)必須有較好的安全可靠性,描述發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的參數(shù)是：空中停車率=發(fā)動(dòng)機(jī)空中故障次數(shù)/飛行時(shí)長(zhǎng)。

3.1.1.4 維護(hù)方便。有效減小后期小車維護(hù)成本。

3.1.2 具體型號(hào)的選擇

綜合考慮無人小車的自身重量、負(fù)載能力、續(xù)航能力、具體尺寸及使用環(huán)境等,選擇一款現(xiàn)有的水平對(duì)置、雙缸兩沖程汽油機(jī)DLE120,具體參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)DLE120 具體參數(shù)

3.2 電動(dòng)機(jī)的選型

陸空兩用無人小車在工作的過程中,因負(fù)載和工況的改變會(huì)經(jīng)常性地起動(dòng)/停車、加速/減速等,而且會(huì)面臨高寒、低氧的惡劣環(huán)境。因此要求相比于一般的工業(yè)性電動(dòng)機(jī)有更高的性能要求,基本要求如下：

(1)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大、超負(fù)載起動(dòng)性好、加速能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

(2)電動(dòng)機(jī)應(yīng)體積小、質(zhì)量輕、有較高的功率質(zhì)量比。.

(3)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有較好的可靠性,能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,如高寒、低氧等。

(4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)行時(shí)噪聲低,減少污染。

一般小型無人車所用電動(dòng)機(jī)均為直流電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī)根據(jù)換相方式的不同分為有刷和無刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)換相,因存在機(jī)械摩擦所以有較大的工作噪聲,且換相容易產(chǎn)生火花。而無刷直流電動(dòng)機(jī)采用電子換相的方法有效彌補(bǔ)了有刷直流電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)缺點(diǎn),且無刷直流電動(dòng)機(jī)更是具有易于調(diào)速、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可靠性高、功率質(zhì)量比大和轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[4]。綜合考慮本設(shè)計(jì)采選用無刷直流電動(dòng)機(jī)。

3.3 電池的選型

無人小車電池選用需考慮的因素：

(1)輸出電流大于電動(dòng)機(jī)最大電流,且持續(xù)輸出電流大于電調(diào)最大持續(xù)輸出電流。

(2)有較好的比能量和比功率,滿足小車輕量化需求。

(3)綠色環(huán)保,無污染,可再次利用。

(4)循環(huán)壽命長(zhǎng)。

表2 為三種常見的動(dòng)力蓄電池性能的對(duì)比。

表2 三種動(dòng)力蓄電池的技術(shù)性能

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),鋰離子電池比功率、比能量較高,有助于提高小車的動(dòng)力性及續(xù)駛里程,同時(shí)自放電率低、壽命長(zhǎng)等都具有優(yōu)勢(shì),再綜合考慮無人小車工作環(huán)境因素及要求,最終選擇鋰離子電池。

4 陸空兩用無人小車主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主體結(jié)構(gòu)

圖3 為陸空兩用無人小車機(jī)械機(jī)構(gòu)示意圖。其中原動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)12 和電動(dòng)機(jī)10,發(fā)動(dòng)機(jī)12 通過動(dòng)力系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)10相連,并可以單獨(dú)或與電動(dòng)機(jī)共同輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。動(dòng)力系統(tǒng)還包括盤式制動(dòng)器11、公共太陽輪9 和行星齒輪組8 等。原動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由皮帶傳動(dòng)裝置7 傳遞到傳動(dòng)軸6,傳動(dòng)軸6前后兩端各存在一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋。前橋動(dòng)力由主減速器5 輸入,經(jīng)由差速器4 傳遞向左右半軸。后橋動(dòng)力由后主減速器輸入,經(jīng)由扭矩?fù)Q向差速器1 總成傳遞至左右半軸。最終,動(dòng)力經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成3 由輪轂螺旋槳一體化機(jī)構(gòu)2 轉(zhuǎn)化為飛行時(shí)的拉力或行走時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 陸空小車機(jī)械機(jī)構(gòu)

圖4 扭矩?fù)Q向- 差速器總成

4.2 扭矩?fù)Q向- 差速器結(jié)構(gòu)

如圖4 為扭矩?fù)Q向- 差速器總成。其中主減速器的結(jié)構(gòu)為單級(jí)直尺錐齒輪,且后軸主減速器兩個(gè)從動(dòng)錐齒輪2 和6 為左右對(duì)稱布置,從動(dòng)錐齒輪與主動(dòng)錐齒輪1 同時(shí)嚙合,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)向相反。從動(dòng)錐齒輪2 通過軸承7 固定在半軸上,除了通過接合齒圈5 與接合套3 連接外,與總成其它部件沒有動(dòng)力傳遞。即動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)錐齒輪1 傳遞至從動(dòng)錐齒輪2,再由其中一個(gè)從動(dòng)錐齒輪2 通過接合齒圈5 與接合套3 連接,將動(dòng)力經(jīng)結(jié)合套3 傳遞至差速器外殼4。最終,動(dòng)力由差速器向左右半軸8輸出。

接合套3 由撥叉9 和活塞缸10 控制,可左右軸向移動(dòng)。如圖4 所示,接合套3 移至左端后,與左從動(dòng)齒輪2的接合齒圈5 和差速器外殼4 同時(shí)連接并傳遞動(dòng)力。此時(shí)前后驅(qū)動(dòng)橋半軸的轉(zhuǎn)向相反,進(jìn)一步使螺旋槳在提供升力的同時(shí),抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭矩。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型陸空兩用無人小車,分析了地面行駛和空中飛行兩種工作模式的實(shí)現(xiàn)原理,并闡述兩種模式下小車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)整方式。綜合考慮無人小車的性能要求及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力,通過對(duì)比不同的發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及電池,最終確定了型號(hào)為DLE120 的水平對(duì)置式雙缸二沖程汽油機(jī),同時(shí)采用無刷直流電動(dòng)機(jī)配合發(fā)動(dòng)機(jī)為無人小車提供動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力的目的,電池方面則選用性能較好的鋰離子電池以滿足工作時(shí)長(zhǎng)的要求。其后,對(duì)整體結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述,并對(duì)扭矩?fù)Q向差速器總成的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方式進(jìn)行了著重說明。整體設(shè)計(jì)方案具有較高的可行性及可靠性,同時(shí)可為后續(xù)試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)提供了重要依據(jù)。