城市多旋翼飛行汽車的對(duì)接鎖緊裝置設(shè)計(jì)

盧曉煜 林威

關(guān)鍵詞：城市多旋翼飛行汽車;對(duì)接鎖緊裝置;有限元分析;動(dòng)力學(xué)仿真

0引言

目前，城市交通擁擠、港口運(yùn)輸不便已經(jīng)成為一種城市普遍的現(xiàn)狀，城市分體式多旋翼飛行汽車的問(wèn)世較好地緩解了這個(gè)現(xiàn)狀，同時(shí)其各個(gè)單元間的關(guān)鍵對(duì)接技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍處于空白狀態(tài)。分體式城市多旋翼如圖1所示。目前，國(guó)外POPUP所研發(fā)的旋轉(zhuǎn)自鎖對(duì)接技術(shù)處于原理驗(yàn)證階段，而國(guó)內(nèi)此技術(shù)處于完全空白狀態(tài)。因此，多旋翼各單元間對(duì)接裝置的研發(fā)設(shè)計(jì)將成為一種未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。與此相關(guān)的技術(shù)包括：國(guó)內(nèi)外研制的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接技術(shù)和以AGI、ATI與RAD等美國(guó)公司為代表所研發(fā)的機(jī)械臂末端執(zhí)行器的快換對(duì)接技術(shù)及OdysseyIIB AUV水下對(duì)接技術(shù)等。

本文所研究的對(duì)接裝置是一種基于飛行單元與箱體單元間的快速對(duì)接、分離裝置，第二部分是關(guān)于POP UP以及相關(guān)技術(shù)的背景總結(jié)及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比;第三部分是結(jié)合任務(wù)性、功能性要求對(duì)整體工作原理設(shè)計(jì)與對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)的選取及關(guān)鍵零部件的有限元分析;第四部分是整合鎖緊裝置的動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證;最后一部分則是對(duì)本設(shè)計(jì)的結(jié)論總結(jié)。

1對(duì)接裝置

旋轉(zhuǎn)自鎖對(duì)接裝置是目前用于城市多旋翼飛行汽車的對(duì)接、分離的現(xiàn)有技術(shù)，其通過(guò)上下兩個(gè)卡扣的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的鎖緊、分離。此對(duì)接裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化程度高，但是其對(duì)接要求精度高、冗余度低致使可靠性不高。

根據(jù)表1所示的幾種相關(guān)對(duì)接技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比、分析，本文設(shè)計(jì)了一種用于飛行單元和箱體單元間的全新對(duì)接裝置，滿足可靠性高、空間占比小、冗余度高等功能性要求，且對(duì)接裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多次、快速的對(duì)接和分離。

2對(duì)接裝置的方案設(shè)計(jì)

2.1指標(biāo)性要求

對(duì)接裝置的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)飛行單元與箱體單元間的導(dǎo)引、捕獲、定位、鎖緊，同時(shí)應(yīng)具備電、通訊接口，接口主要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）可靠性：載人式的城市多旋翼，需要快速對(duì)接、分離，所以需要高可靠性。

（2）輕量化：質(zhì)量越小，負(fù)載越小，飛行單元承重就比較小，飛行時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)。

（3）小體積：不占用過(guò)多系統(tǒng)空間。

（4）冗余度：其中一個(gè)失效不影響整體對(duì)接狀態(tài)。

表2所示為整體對(duì)接裝置的初始尺寸以及對(duì)接時(shí)產(chǎn)品本身所允許的誤差。

2.2總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的對(duì)接裝置是一種用于飛行單元和箱體單元的對(duì)接鎖緊裝置，其整體的系統(tǒng)如圖2所示。對(duì)于本文的研究?jī)?nèi)容，如果全部按照實(shí)際尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作量過(guò)于龐大，因此進(jìn)行整體簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)鎖緊裝置進(jìn)行原理驗(yàn)證。

飛行汽車由飛行單元（多旋翼）、對(duì)接鎖緊裝置、箱體部分（箱體單元與底座單元的結(jié)合，稱行駛模態(tài)）組成。多旋翼的下底板與4個(gè)鎖緊腳通過(guò)固定法蘭采用螺栓進(jìn)行固定，同時(shí)對(duì)接腳也作為多旋翼整體的支撐腳，用于其單獨(dú)著陸。箱體部分的箱體頂端上底板與鎖緊孔也通過(guò)法蘭進(jìn)行連接，同時(shí)也采用螺栓進(jìn)行固定。當(dāng)多旋翼通過(guò)導(dǎo)引裝置捕獲目標(biāo)至預(yù)定范圍后，上對(duì)接裝置動(dòng)力漸進(jìn)式消失，4個(gè)對(duì)接腳與箱體單元的上對(duì)接底板互相接觸;位置校正裝置開始工作，保證對(duì)接腳與對(duì)接孔水平誤差為0，角度誤差小于或等于5°;鎖緊裝置由于重力作用沿著導(dǎo)引面下降，直至完全接觸，鎖緊指開始鎖緊，電、通訊開始連接傳輸數(shù)據(jù)。本文僅對(duì)對(duì)接鎖緊裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、研究。

2.3對(duì)接鎖緊裝置設(shè)計(jì)

2.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

對(duì)接裝置的工作過(guò)程分為鎖緊和分離2個(gè)過(guò)程。鎖緊過(guò)程分為鎖緊指收縮、下降、伸張鎖緊3個(gè)狀態(tài);分離過(guò)程分為鎖緊指收縮、快速分離2個(gè)狀態(tài)。鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，鎖緊指狀態(tài)圖如圖4所示。

（1）鎖緊過(guò)程

目標(biāo)被導(dǎo)引、捕獲至預(yù)定范圍內(nèi)，鎖緊指處于初始（收縮）狀態(tài);整個(gè)鎖緊裝置因重力作用沿導(dǎo)引面下降至鎖緊裝置與鎖緊孔完全接觸，通訊、電觸頭完全接觸;完全接觸信號(hào)傳至電機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲杠開始工作，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)使其鎖緊盤勻速向下移動(dòng)，鎖緊盤的移動(dòng)帶動(dòng)卡銷在卡槽中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)銷推動(dòng)鎖緊指開始伸張，完成對(duì)接裝置鎖緊要求。至此，整個(gè)鎖緊過(guò)程完成。

同時(shí)，在整個(gè)鎖緊階段，絲杠與鎖緊盤通過(guò)螺紋連接，采用等距、較小螺距的絲杠螺紋，此應(yīng)用可以保持整個(gè)鎖緊過(guò)程的穩(wěn)定，且較小螺距的螺紋升角小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角，極大地增加了整個(gè)對(duì)接裝置的可靠性。

（2）分離過(guò)程

在完成對(duì)目標(biāo)的對(duì)接任務(wù)完成后，通訊裝置發(fā)出指令，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)。鎖緊指的收縮過(guò)程為伸張過(guò)程的逆過(guò)程;整個(gè)上對(duì)接裝置開始帶動(dòng)鎖緊腳上升，當(dāng)鎖緊腳與鎖緊孔完全分離時(shí)分離過(guò)程完成。至此，分離過(guò)程全部完成。

當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，各個(gè)動(dòng)作為鎖緊指伸張的逆過(guò)程，直到回到初始位置，為下一次對(duì)接作好準(zhǔn)備，且上對(duì)接裝置的4個(gè)對(duì)接腳還可以用作于飛行單元的支撐。

2.3.2電機(jī)選取

步進(jìn)電機(jī)是現(xiàn)階段小型化控制模塊普遍采用的動(dòng)力裝置，相比早期使用的三相異步電機(jī)等動(dòng)力裝置，步進(jìn)電機(jī)在可靠性、成本、啟停及反轉(zhuǎn)響應(yīng)等方面更有優(yōu)勢(shì)，而且近年來(lái)電機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，電機(jī)的功率類型越來(lái)越多、轉(zhuǎn)速的范圍越來(lái)越大，步進(jìn)電機(jī)本身的特性（電機(jī)響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定）使其成為未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

圖5所示為對(duì)接鎖緊的關(guān)鍵受力部件鎖緊指，電機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)的選擇主要根據(jù)受力件的負(fù)載大小來(lái)進(jìn)行選擇。本文依據(jù)對(duì)接鎖緊裝置整體的空間占比及飛行單元所需承擔(dān)負(fù)載的需求選取42系列的絲桿伸出長(zhǎng)度為80mm的步進(jìn)電機(jī)，考慮到精度、鎖緊圓盤的上、下移動(dòng)距離（32mm），決定采用轉(zhuǎn)速400r/min、導(dǎo)程2mm的42直線式滾珠絲桿步進(jìn)電機(jī)，然后通過(guò)求靜轉(zhuǎn)距確定選取的型號(hào)。

通過(guò)查取42系列直線式絲桿步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)靜轉(zhuǎn)矩的不同選取不同的機(jī)身長(zhǎng)，從而確定其電機(jī)型號(hào)。因此，本論文選取機(jī)身長(zhǎng)為44mm、型號(hào)為42BYGH442直線式絲桿步進(jìn)電機(jī)。

3鎖緊指的有限元分析及鎖緊裝置的動(dòng)力學(xué)仿真

3.1單元類型及材料參數(shù)選取

結(jié)合指標(biāo)性要求與經(jīng)濟(jì)成本原則，本文決定采用AL6061鋁合金材料，該材料具有的相關(guān)參數(shù)如表3所示。該材料在保證強(qiáng)度的情況下，因其輕盈的特點(diǎn)可以極大地減少飛行單元的負(fù)載，從而確保多旋翼的空中飛行工作時(shí)長(zhǎng);焊接性能優(yōu)良且本身屬于常見的非標(biāo)材料之一能夠極大地減少制造成本;耐腐蝕性好，經(jīng)過(guò)冷處理后的硬度可達(dá)HB150，可以保證在多次鎖緊、分離中減少磨損。因此，本文的鎖緊裝置決定采用AL6061材料。

對(duì)接鎖緊裝置的快速對(duì)接、分離、鎖緊過(guò)程是通過(guò)鎖緊指與鎖緊殼的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的鎖緊指及鎖緊殼為其主要受力件，考慮到鎖緊指為主運(yùn)動(dòng)件，因此，本文僅對(duì)關(guān)鍵零部件鎖緊指進(jìn)行有限元分析。本文通過(guò)Solidworks軟件對(duì)主受力件鎖緊指進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò)x_t格式導(dǎo)人到有限元分析軟件AN-SYS Workbench中，選用8節(jié)點(diǎn)的SOLIDl85實(shí)體單元來(lái)定義，確保單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變的能力。

3.2網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.2.1網(wǎng)格劃分

鎖緊指的實(shí)體單元形狀取六面體，對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將整個(gè)實(shí)體劃分成最小單元，且各個(gè)單元間具有公共節(jié)點(diǎn)。整個(gè)鎖緊指劃分為5441個(gè)節(jié)點(diǎn)，980個(gè)單元，如圖6所示。

3.2.2邊界條件

根據(jù)對(duì)接鎖緊件的工況，在鎖緊指的轉(zhuǎn)銷處定義旋轉(zhuǎn)約束，僅保留ROXZ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。考慮受力工況下，卡銷處于卡槽最下端，本文僅考慮鎖緊指本身強(qiáng)度特性，因此對(duì)鎖緊指卡槽的最小端處定于全約束。

因?qū)渔i緊裝置需要負(fù)載整個(gè)箱體以及乘客的質(zhì)量400kg，整個(gè)對(duì)接裝置所負(fù)載的工作阻力是4000N，每個(gè)對(duì)接腳（鎖緊裝置）的工作阻力為1000N，即每個(gè)鎖緊指對(duì)應(yīng)的工作阻力為333.3N（已知工作阻力333.3 N和初始受力面面積0.025776m2，根據(jù)壓強(qiáng)公式P=f/s可得受力面所受的初始面壓力為12930.6Pa），即每個(gè)鎖緊指所受的面壓力載荷是12930.6Pa。得到的載荷和約束模型如圖7所示。

3.3有限元結(jié)果分析

鎖緊指作為鎖緊裝置的主要受力件，其力學(xué)性能影響整個(gè)鎖緊裝置的工作。本章基于ANSYS Work-bench軟件對(duì)鎖緊指進(jìn)行有限元分析，從而確定鎖緊指的相關(guān)尺寸參數(shù)，分析得到的關(guān)鍵零部件鎖緊指的應(yīng)力和位移如圖8～9所示。

由圖可以看出，當(dāng)受力面受到12930.6Pa的面壓力時(shí)，最大等效應(yīng)力為86.21MPa，位于鎖緊指與鎖緊盤聯(lián)接的邊緣處?？梢姡瑢?duì)于主要受力件鎖緊指，當(dāng)受力面負(fù)載對(duì)應(yīng)的面壓力的工況下，通過(guò)力矩平衡原理可知受力件的卡銷至卡槽的最下端時(shí)的卡槽邊緣是主要的承載部位，主要用于鎖緊裝置中鎖緊指與鎖緊殼的鎖緊。鎖緊指材料為鋁合金AL6160，最大等效應(yīng)力小于材料的屈服極限，且卡銷與卡槽連接處的抗拉強(qiáng)度小于材料的抗拉強(qiáng)度極限，因此，受力件鎖緊指滿足材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要求，處于安全范圍內(nèi)且偏于安全。位移最大值20.245mm位于受力面的左邊緣倒角處。可知，在受力面負(fù)載對(duì)應(yīng)的面壓力的工況下，受力件鎖緊指的受力面的邊緣處會(huì)出現(xiàn)較小的下移，此位移不影響整個(gè)對(duì)接鎖緊裝置的穩(wěn)定性及可靠性。因此，此對(duì)接鎖緊裝置的選用材料滿足此設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)受力件鎖緊指與鎖緊殼的穩(wěn)定、可靠連接。

3.4鎖緊裝置的動(dòng)力學(xué)仿真分析驗(yàn)證

將對(duì)接裝置的鎖緊、分離過(guò)程利用Solidworks軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其對(duì)接、分離過(guò)程的可行性。給定初始條件：鎖緊裝置偏移垂線較小角度5°，水平誤差不考慮（通過(guò)系統(tǒng)中位置校正裝置消除），引力加速度數(shù)值等于重力加速度9.8m/s2，方向豎直向下，定義鎖緊裝置與鎖緊殼內(nèi)表面實(shí)體接觸。仿真開始時(shí)，鎖緊裝置的鎖緊腳在初始條件下由于重力作用沿導(dǎo)引面勻速向下移動(dòng)，直至鎖緊裝置與鎖緊孔完全接觸，鎖緊裝置電機(jī)開始驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鎖緊指的收縮、伸張實(shí)現(xiàn)鎖緊腳與鎖緊孔的鎖緊。其分離過(guò)程是其鎖緊過(guò)程的逆過(guò)程。截取整個(gè)過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)如圖10所示。

由圖可知，鎖緊裝置在給定的初始條件下，對(duì)接腳與對(duì)接孔能實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接和分離。同時(shí)通過(guò)導(dǎo)引面的設(shè)計(jì)、導(dǎo)向作用減少了對(duì)接過(guò)程中所產(chǎn)生的撞擊，且其導(dǎo)向面的設(shè)計(jì)有效減少了分離過(guò)程中可能出現(xiàn)的卡死現(xiàn)象。

4結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合POPUP旋轉(zhuǎn)對(duì)接技術(shù)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)對(duì)接技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種滿足指標(biāo)性、功能性要求的對(duì)接鎖緊裝置。以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，介紹了整體結(jié)構(gòu)的工作原理和工作過(guò)程，描述了電機(jī)的選取及材料選取的過(guò)程，通過(guò)對(duì)裝置關(guān)鍵零部件的有限元分析確定了整個(gè)裝置的相關(guān)尺寸，確保其屈服強(qiáng)度極限和抗拉強(qiáng)度極限滿足材料屬性要求。除此之外，本文對(duì)對(duì)接鎖緊裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。結(jié)果表明，此對(duì)接鎖緊裝置的可靠性得到了提高，要求精度滿足了設(shè)計(jì)需求，允許了存在的水平誤差及角度誤差，輕量化、空間占比、冗余度等綜合性要求也得到了提高，說(shuō)明了本設(shè)計(jì)的可行性及有效性。此外，本研究為鎖緊、分離裝置原理樣機(jī)的加工提供了可靠的理論依據(jù)，同時(shí)也為該裝置的后續(xù)相關(guān)研究提供了重要的依據(jù)。