雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

聶廣華，徐 珂，馮躍軍，袁 康

（1.河南工學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學(xué)院 工程技術(shù)教育中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南風(fēng)雷航空電子科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；4.河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

大載重、長(zhǎng)航時(shí)多旋翼無人機(jī)有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。從使用情況看，多旋翼無人機(jī)還存在一些問題：電動(dòng)方案由于受制于電池的能量密度，在掛載任務(wù)下續(xù)航時(shí)間短，持續(xù)飛行需準(zhǔn)備多個(gè)備用電池，更換電池將增加繁瑣危險(xiǎn)起降的次數(shù)，也致使單次飛行工作效率低下[2]；油電混合方案比較穩(wěn)妥，但由于需攜帶油、電兩套動(dòng)力系統(tǒng)，致使其重量增加，整機(jī)性能的提升受到限制[3]；油動(dòng)方案目前多由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力或每個(gè)旋翼使用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)其穩(wěn)定性較差，如果發(fā)動(dòng)機(jī)因故障停車，將會(huì)造成無人機(jī)墜毀。

本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)是一款新型的雙發(fā)四旋翼無人機(jī)，采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，四個(gè)直升機(jī)變距旋翼帶動(dòng)無人機(jī)完成垂直起降等各種飛行任務(wù)，具有載重大、航時(shí)長(zhǎng)、安全系數(shù)高、使用范圍廣等特點(diǎn)。

1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)方案如圖1所示。航空發(fā)動(dòng)機(jī)（1、20）通過同步帶輪（2、21）、同步帶（3、22）與同步帶輪（4、23）帶動(dòng)變速箱的輸入軸（6、24）轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)直齒圓柱齒輪（7、12、26）一級(jí)減速后，由變速箱輸出軸（13）通過聯(lián)軸器（14、28）驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸（15、29）旋轉(zhuǎn),再通過兩組1∶1錐齒輪副（10、16、18、31、33、35）與傳動(dòng)軸（11、17、32、34）帶動(dòng)四個(gè)變距旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各旋翼的速度控制與姿態(tài)調(diào)整。兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不相同時(shí)，由單向軸承（5、8、25、27）保證同步輸入，旋翼螺距的改變由變距器實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)于現(xiàn)有多旋翼無人機(jī)，該傳動(dòng)系統(tǒng)方案能實(shí)現(xiàn)以下性能：

（1）載重大幅度提高。與電動(dòng)多旋翼無人機(jī)相比，由于采用了內(nèi)燃機(jī)和更大可變距螺旋槳，其載重大幅度提高。

（2）機(jī)動(dòng)性能明顯改善。工作時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速固定，通過改變螺旋槳螺距的方式能實(shí)現(xiàn)升力的快速改變，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)多旋翼飛行器無法完成的倒飛任務(wù)。

（3）航時(shí)大幅提升。滿載6L油時(shí)可飛行2—3個(gè)小時(shí)，與電動(dòng)多旋翼無人機(jī)相比，續(xù)航時(shí)間大幅提升。

（4）可靠性提高。避免單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)因發(fā)動(dòng)機(jī)故障造成的墜機(jī)事故。

（5）穩(wěn)定性增強(qiáng)。電動(dòng)多旋翼無人機(jī)下落時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)速過低，升力改變不夠迅速，容易墜機(jī)。變距旋翼方式可以快速實(shí)現(xiàn)升力變化，穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

圖1 雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)方案

2 傳動(dòng)系統(tǒng)及主要參數(shù)確定

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)與旋翼的選型，主要零部件選型或結(jié)構(gòu)的確定，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算確定動(dòng)力參數(shù)。

2.1 主要?jiǎng)恿Σ考x型

變距旋翼結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與旋翼參數(shù)的選擇及匹配情況，很大程度上影響著無人機(jī)動(dòng)力性能。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)選型

根據(jù)預(yù)設(shè)的120kg起飛重量，經(jīng)過對(duì)單軸直升機(jī)與油動(dòng)多旋翼無人機(jī)所使用發(fā)動(dòng)機(jī)的情況進(jìn)行對(duì)比，選定功率高、穩(wěn)定可靠、綜合性能好的3W-157XiB2 CS型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3W-157XiB2 CS航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 旋翼選擇

雙發(fā)四旋翼無人機(jī)為變螺距旋翼結(jié)構(gòu)，工作時(shí)轉(zhuǎn)速一定，通過改變旋翼螺距實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的匹配，獲得合適的拉力，帶動(dòng)無人機(jī)垂直起降與前后運(yùn)動(dòng)。設(shè)定傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比為1∶3，對(duì)旋翼進(jìn)行設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的80%，即6000r/min左右，得到旋翼轉(zhuǎn)速N=2000r/min。

計(jì)算旋翼直徑時(shí)，翼載荷σ與旋翼徑長(zhǎng)R、負(fù)載M有關(guān)，速度V則與轉(zhuǎn)速N、旋翼徑長(zhǎng)R有關(guān)[4]。

因a=340m/s，本文設(shè)計(jì)σ=10kg/m2，M=30kg，取旋翼徑長(zhǎng)R=1m，由式(1)—(3)得V=209.3m/s，馬赫數(shù)Ma為0.616，小于0.7，屬于亞音速范圍。展弦比的大小對(duì)飛機(jī)飛行性能有明顯的影響，一般變螺距旋翼取較大值，取展弦比為10，得弦長(zhǎng)為0.1 m。選取徑長(zhǎng)1m、弦長(zhǎng)0.1m的旋翼。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定與動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

2.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定

設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由變速箱、傳動(dòng)軸、錐齒輪副與變距旋翼組成。為保證工作時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可靠，要求傳動(dòng)系統(tǒng)具有較高的精度、實(shí)時(shí)響應(yīng)及良好的穩(wěn)定性。同時(shí)為保證預(yù)設(shè)的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性能，要求在保證傳動(dòng)系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度下，其結(jié)構(gòu)重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)盡量減小。作為一種全新的雙發(fā)四旋翼無人機(jī)，為減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)與減速器間用同步帶傳動(dòng)；變距旋翼無人機(jī)工作時(shí)為定速飛行，設(shè)定變速箱輸入和輸出轉(zhuǎn)速分別為6000r/min和2000r/min，變速箱的傳動(dòng)比為1∶3，根據(jù)傳遞的扭矩，確定齒輪模數(shù)與結(jié)構(gòu)；變速箱輸出軸通過傳動(dòng)軸與兩組1∶1錐齒輪副，經(jīng)兩次變向，帶動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)。雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

對(duì)雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力參數(shù)計(jì)算，傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括變速箱輸入輸出軸及齒輪傳動(dòng)、聯(lián)軸器和錐齒輪副。

（1）變速箱輸入軸許用彎曲應(yīng)力為70MPa，輸入扭矩為22.30N?m。

（2）變速箱齒輪傳動(dòng)齒面接觸許用應(yīng)力為570MPa。

（3）變速箱輸出軸許用彎曲應(yīng)力為60MPa，輸入扭矩為178.03N?m。

（4）聯(lián)軸器選擇可拆裝型梅花聯(lián)軸器MJC-65。其軸套材質(zhì)為鋁合金，額定扭矩160N?m，最大扭矩320N?m。

（5）錐齒輪副齒面接觸許用應(yīng)力為572MPa。

3 結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，無人機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)身與主要支撐件的確定。其結(jié)構(gòu)需保證足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)為提高無人機(jī)載重、增加續(xù)航時(shí)間，應(yīng)盡可能地減輕其結(jié)構(gòu)重量。

（1）主機(jī)身。機(jī)體整體布局采用具有良好飛行穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的X構(gòu)型。主機(jī)身設(shè)計(jì)在雙發(fā)四旋翼無人機(jī)機(jī)體中央，由矩形截面管構(gòu)造龍骨，兩塊“十字”支撐板形成雙層框架結(jié)構(gòu)。為了降低結(jié)構(gòu)重量，主機(jī)身全部采用輕質(zhì)鋁合金，在非主受力部位開有減重孔，既減輕重量，又可提高可靠性。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)布局與連接。兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)采用全對(duì)稱排布，通過減震墊用螺栓與主機(jī)身連接，并在安裝部位與發(fā)動(dòng)機(jī)間增加緩沖材料。緩沖材料在減震的同時(shí)，還能起到一定的消音作用。

（3）旋翼支撐臂。由于發(fā)動(dòng)機(jī)力矩較大，為保證旋翼支撐穩(wěn)定可靠，旋翼支撐臂采用輕質(zhì)鋁合金。旋翼支撐臂與主機(jī)身連接處增設(shè)法蘭與加固裝置，并在旋翼臂與主機(jī)身間增加斜支撐，提高支撐強(qiáng)度與剛性。

雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 雙發(fā)四旋翼無人機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

4 基于Unigraphics NX的主要零部件有限元分析

4.1 基于Unigraphics NX 進(jìn)行有限元分析的主要步驟

（1）建立模型。利用軟件三維建模模塊，構(gòu)建零部件的三維結(jié)構(gòu)模型。

（2）網(wǎng)格劃分。根據(jù)UG高級(jí)仿真求解器的離散化求解原理，對(duì)構(gòu)建的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（3）指派材料。對(duì)零件指派材料，并設(shè)定材料屬性。對(duì)于系統(tǒng)材料庫里沒有的材料需新建材料并輸入材料屬性參數(shù)。

（4）施加約束及載荷。根據(jù)零件的受力條件，建立力學(xué)模型，在相應(yīng)部位施加載荷或者約束。對(duì)于齒輪接觸特性的分析，需要設(shè)置齒輪嚙合相互接觸面、接觸類型及邊界條件[5]。

（5）仿真求解。完成網(wǎng)格劃分、設(shè)定材料與施加約束及載荷后，系統(tǒng)開始進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

（6）后處理。有限元分析后得到應(yīng)力云圖、位移云圖等結(jié)果。

4.2 主要傳動(dòng)零部件有限元分析

根據(jù)圖4、圖5所示的變速器與錐齒輪副變向機(jī)構(gòu)三維模型，對(duì)主要零部件進(jìn)行有限元分析，將分析結(jié)果與動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步確定其結(jié)構(gòu)的安全性，并為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

圖4 變速器三維模型

圖5 錐齒輪副變向機(jī)構(gòu)三維模型

（1）變速箱輸入軸。變速箱輸入軸應(yīng)力云圖和位移云圖如圖6、圖7所示，其所受最大應(yīng)力為53.26MPa，最大位移為0.0221mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）變速箱齒輪傳動(dòng)。對(duì)變速箱齒輪嚙合進(jìn)行有限元分析得到應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8、圖9所示，其所受最大應(yīng)力為188.36MPa，最大位移為0.0121mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）變速箱輸出軸。變速箱輸出軸應(yīng)力云圖和位移云圖如圖10、圖11所示，其所受最大應(yīng)力為50.90MPa，最大位移0.0102mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）聯(lián)軸器。梅花聯(lián)軸器受力相對(duì)簡(jiǎn)單，在理論狀態(tài)下只受扭矩作用。當(dāng)一個(gè)半聯(lián)軸器受力時(shí)，鍵齒面沿扭矩方向給前面的墊塊齒面壓力，而對(duì)后面的墊塊齒面沒有壓力[6]。

圖6 變速箱輸入軸應(yīng)力云圖

圖7 變速箱輸入軸位移云圖

圖8 變速箱齒輪傳動(dòng)應(yīng)力云圖

圖9 變速箱齒輪傳動(dòng)位移云圖

圖10 變速箱輸出軸應(yīng)力云圖

圖11 變速箱輸出軸位移云圖

對(duì)一個(gè)半聯(lián)軸器進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖12、圖13所示，其最大應(yīng)力為50.60MPa，最大位移為0.00686mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 聯(lián)軸器軸套應(yīng)力云圖

圖13 聯(lián)軸器軸套位移云圖

對(duì)聯(lián)軸器墊塊進(jìn)行有限元分析時(shí)，將傳遞的扭矩轉(zhuǎn)化為受力齒齒面所受的力，再進(jìn)行求解，結(jié)果如圖14、圖15所示。其最大應(yīng)力為8.790Mpa，最大位移為0.0722mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 聯(lián)軸器墊塊應(yīng)力云圖

圖15 聯(lián)軸器墊塊位移云圖

（5）錐齒輪副。錐齒輪副應(yīng)力云圖和位移云圖如圖16、圖17所示,其最大應(yīng)力為95.7MPa,最大位移為0.0147mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 錐齒輪副應(yīng)力云圖

圖17 錐齒輪副位移云圖

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)完成的雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)方案通過雙發(fā)動(dòng)機(jī)集中同步驅(qū)動(dòng)，較好彌補(bǔ)了當(dāng)前油動(dòng)多旋翼無人機(jī)的缺點(diǎn)，提升了油動(dòng)多旋翼無人機(jī)的整體性能。

（2）對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼等主要零部件進(jìn)行選型、參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)建模，通過對(duì)主要零件的有限元分析，保證了設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠。

（3）主要對(duì)雙發(fā)四旋翼無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，后續(xù)工作中將考慮利用無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。