基于可變形四旋翼結(jié)構(gòu)的新型飛行汽車模型設(shè)計(jì)

潘 云，申宇佳，程 辰

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人均汽車保有量也逐年提升。隨之而來(lái)的是交通擁堵日益嚴(yán)重，特別是節(jié)假日期間，“高速停車場(chǎng)”現(xiàn)象普遍發(fā)生。相較于有限的地面空間，立體空中交通網(wǎng)就更加廣闊，因此，所有遇上交通擁堵的人們都不禁在想“我的汽車要是能飛起來(lái)就好了”。人類要擺脫地面的束縛，同時(shí)避免乘坐飛機(jī)的不便，自然而然地就想將汽車的陸地行駛功能和飛機(jī)的自由翱翔融合起來(lái)，即“飛行汽車”［1-2］。因此，在美國(guó)也有人把第四次交通革命稱為建設(shè)“空中高速公路”［3］。

早在1917年，飛行汽車的設(shè)想在飛機(jī)誕生后不久就被飛行汽車之父、美國(guó)航空先驅(qū)者蓋倫·柯蒂斯初步實(shí)現(xiàn)了［4］。他的Autoplane裝有3只翼展達(dá)12.2 m的機(jī)翼，用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車尾的四葉片螺旋推動(dòng)器。但Autoplane從未真正飛上天空，最多只能實(shí)現(xiàn)一些短距離的飛行式跳躍。隨著技術(shù)的發(fā)展，不同類型的飛行汽車也逐漸面世［5］：第一種是固定翼式飛行汽車，即將可折疊式機(jī)翼的固定翼飛機(jī)與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車優(yōu)點(diǎn)是飛行穩(wěn)定、航程長(zhǎng)，缺點(diǎn)是需要專門(mén)的起降空間，如美國(guó)的“TF-X”和“MOLLER SKYCAR”。第二種是旋翼式飛行汽車，即將直升機(jī)與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車的最大優(yōu)點(diǎn)是可以垂直起降，擺脫了起降環(huán)境的限制，缺點(diǎn)是航程短、安全性相對(duì)較差，如美國(guó)的“飛行悍馬”，荷蘭推出的旋翼式三輪飛行汽車“PAL-V”。第三種較為流行的是多旋翼式飛行汽車，即將多旋翼飛行器與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車擁有與第二種飛行汽車相同的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于利用多旋翼結(jié)構(gòu)，其續(xù)航能力和安全穩(wěn)定性相較于單一旋翼的飛行汽車更好，如以色列飛行汽車“XHawk”等。

針對(duì)短途擁擠的市內(nèi)環(huán)境，本文提出了一種基于可變形四旋翼結(jié)構(gòu)的飛行汽車，它通過(guò)一套獨(dú)特的輪式全向旋轉(zhuǎn)變形機(jī)構(gòu)，可方便實(shí)現(xiàn)飛行汽車在飛行形態(tài)和陸地行駛形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且還兼任著汽車狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向功能。此外，結(jié)合機(jī)械離合系統(tǒng)，該飛行汽車的每個(gè)旋翼和對(duì)應(yīng)的輪轂可以共用同一套動(dòng)力系統(tǒng)，有效降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約了制造成本。本文主要對(duì)飛行汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。

1 可變形四旋翼結(jié)構(gòu)

在多數(shù)飛行汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，陸地行駛動(dòng)力系統(tǒng)和飛行動(dòng)力系統(tǒng)往往是相互獨(dú)立的，這就帶來(lái)了制造成本的提升、系統(tǒng)復(fù)雜性高等問(wèn)題。因此，本文基于四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款共用動(dòng)力系統(tǒng)的飛行汽車模型裝置，它通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的45°傾轉(zhuǎn)機(jī)械裝置和一套離合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同一套動(dòng)力系統(tǒng)在汽車形態(tài)和飛行形態(tài)間的切換。同時(shí)，該傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)還能作為汽車形態(tài)下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而不需要其他額外的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，因此整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單高效，制造成本也較低。

1.1 變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

相較于其他種類的飛行器，多旋翼類飛行器的突出優(yōu)點(diǎn)是能垂直起降，飛行安全穩(wěn)定。特別是四旋翼飛行器，它的4個(gè)旋翼的分布與汽車4個(gè)輪轂的位置類似，區(qū)別是四旋翼的螺旋槳呈水平位置，而汽車的輪轂呈垂直位置。本文設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單的傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將這兩個(gè)位置聯(lián)系在一起。

圖1為整個(gè)飛行汽車的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)：45°傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，動(dòng)力電機(jī)、螺旋槳和輪轂固定在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)軸與定子連接，定子與轉(zhuǎn)子間的接觸面與水平方向呈45°角。圖中所示狀態(tài)為飛行姿態(tài)，螺旋槳和輪轂皆呈水平；當(dāng)轉(zhuǎn)子部分繞軸旋轉(zhuǎn)180°后，螺旋槳和輪轂呈豎直狀態(tài)，此時(shí)輪轂著地，即為行駛姿態(tài)。

圖1 45°傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。轉(zhuǎn)子部分通過(guò)固定在定子內(nèi)的減速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，減速步進(jìn)電機(jī)可以在操控者的控制下旋轉(zhuǎn)至任意角度并停止。飛行用螺旋槳直接安裝到動(dòng)力無(wú)刷電機(jī)上，以避免動(dòng)能損耗。輪轂通過(guò)機(jī)械離合傳動(dòng)裝置以及兩個(gè)支撐輪安裝在轉(zhuǎn)子座上。因設(shè)計(jì)的是飛行車模型，考慮到動(dòng)力有限和加工成本，轉(zhuǎn)子部分均為用碳纖維板搭建的框架結(jié)構(gòu)。定子部分為3D打印的高強(qiáng)度尼龍結(jié)構(gòu)件，通過(guò)碳纖維管與飛行車機(jī)身連接。

圖2 水平姿態(tài)和豎直姿態(tài)

1.2 離合式輪轂驅(qū)動(dòng)

在圖2中，輪轂的離合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵部件，它必須實(shí)現(xiàn)：飛行形態(tài)時(shí)，電機(jī)只驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作，輪轂不轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到最小的動(dòng)力損耗；汽車行駛形態(tài)時(shí)，電機(jī)通過(guò)減速裝置驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩個(gè)前輪結(jié)構(gòu)中，輪轂驅(qū)動(dòng)齒輪、離合齒輪、同步帶和同步輪均通過(guò)軸承安裝在圖中的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件上，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件嵌在中心板與輪轂支撐臂構(gòu)成的滑槽中，使得滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件可沿著輪轂徑向滑動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時(shí)，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件受到固定在中心板上兩個(gè)彈簧沿著徑向向外的拉力作用，在輪轂不受外力作用時(shí)，離合齒輪與電機(jī)傳動(dòng)齒輪保持分離的狀態(tài)。

圖3 輪轂離合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2 動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

2.1 無(wú)刷電機(jī)

相較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)線圈換向，不需要傳統(tǒng)的換向器和電刷等部件，因此運(yùn)行更加穩(wěn)定，噪音低，適合應(yīng)用在大電流、高轉(zhuǎn)速等設(shè)備中［6］。本文設(shè)計(jì)的飛行汽車，自身質(zhì)量約為2.35 kg，輪轂直徑約為140 mm，采用的無(wú)刷電機(jī)參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)上述型號(hào)無(wú)刷電機(jī)的參數(shù)可計(jì)算出飛行車采用四旋翼作為飛行方案時(shí)，4個(gè)電機(jī)所能提供的理論最大升力為5.5 kg，完全滿足飛行需求，動(dòng)力充盈。

2.2 傳動(dòng)齒輪參數(shù)

根據(jù)電機(jī)參數(shù)和輪轂尺寸，在離合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了如圖4和表2所示的傳動(dòng)方案。

表2 齒輪參數(shù)

圖4 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1中電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速、輪轂的直徑和齒輪的傳動(dòng)比，可以計(jì)算出飛行車的理論最大行駛速度v和最大驅(qū)動(dòng)力F。

表1 無(wú)刷電機(jī)及運(yùn)行參數(shù)

式中：nmax為最大轉(zhuǎn)速，r/s；i為傳動(dòng)比；r輪為輪轂半徑，m，代入上述參數(shù)可得最大行駛速度為1.05 m/s。

式中：P為最大功率，kW；nmax的單位為r/min，代入上述參數(shù)可得最大驅(qū)動(dòng)力為83.66 N。

3 飛行汽車控制方案

3.1 飛行形態(tài)

當(dāng)飛行汽車處于飛行形態(tài)時(shí)（見(jiàn)圖5），45°傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使得螺旋槳與地面平行。此時(shí)，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件受到彈簧向外的拉力作用，離合齒輪與電機(jī)傳動(dòng)齒輪分開(kāi)，電機(jī)僅驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，而輪轂不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行。此時(shí)飛行汽車即為典型的四旋翼結(jié)構(gòu)，整個(gè)裝置在飛行控制系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)各種穩(wěn)定飛行動(dòng)作，如垂直起降、前進(jìn)、后退、側(cè)飛、轉(zhuǎn)彎等。

圖5 飛行形態(tài)

3.2 汽車形態(tài)

當(dāng)飛行汽車處于汽車形態(tài)時(shí)（見(jiàn)圖6），45°傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)使得輪轂與地面垂直，接觸地面。此時(shí)，在自身重力作用下，滑動(dòng)結(jié)構(gòu)件克服彈簧向外的拉力，離合齒輪與電機(jī)傳動(dòng)齒輪有效接觸，電機(jī)可驅(qū)動(dòng)離合齒輪、同步帶輪和輪轂驅(qū)動(dòng)齒輪，使得輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)。并且通過(guò)設(shè)計(jì)合理的齒輪減速比，可有效增加輪轂的扭矩，本設(shè)計(jì)中電機(jī)傳動(dòng)齒輪與輪轂間的傳動(dòng)比為26.3∶1。該飛行汽車在陸地行駛時(shí)，還可直接通過(guò)減速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)45°傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，不需要額外的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖6 汽車形態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于可變形四旋翼結(jié)構(gòu)的飛行汽車模型設(shè)計(jì)方案。它通過(guò)一套獨(dú)特的全向旋轉(zhuǎn)變形機(jī)構(gòu)，可方便實(shí)現(xiàn)飛行汽車的飛行形態(tài)和陸地行駛形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。文中重點(diǎn)對(duì)飛行車的4個(gè)輪式旋翼以及整體布局做了詳細(xì)的討論，給出了45°傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，其中包括動(dòng)力系統(tǒng)和離合齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)模擬計(jì)算表明，這套傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求，并且飛行汽車的每個(gè)旋翼和對(duì)應(yīng)的輪轂可以共用同一套動(dòng)力系統(tǒng)，有效降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約了制造成本。