基于重載四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 垚 鄭 鵬

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870

0 引言

四旋翼無(wú)人機(jī)是一種通用性能多用途廣泛的航空航天飛行器，被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、植保、消防等場(chǎng)合。目前，無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上大多是電動(dòng)無(wú)人機(jī)。電動(dòng)無(wú)人機(jī)通過(guò)電機(jī)和電調(diào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電線連接旋翼傳動(dòng)，但其承載能力和續(xù)航時(shí)間尚有欠缺，一些公司設(shè)計(jì)的小型油動(dòng)無(wú)人機(jī)載重輕、續(xù)航能力不足。本文設(shè)計(jì)的油動(dòng)無(wú)人機(jī)具有大載重、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的優(yōu)勢(shì)，以發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的主要來(lái)源，利用帶傳動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)將扭矩傳到2根支臂軸，支臂軸末端為90°布置的錐齒輪，錐齒輪上端連著旋翼，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)整機(jī)飛行工作，故傳動(dòng)系統(tǒng)是油動(dòng)重載四旋翼無(wú)人機(jī)的重要結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。為了能使油動(dòng)無(wú)人機(jī)保證良好工作狀態(tài)以及壽命，必須保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度、零件強(qiáng)度和整個(gè)裝配體強(qiáng)度。本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)以碳纖維為傳動(dòng)軸外殼，鋁合金為主要支撐部件（見(jiàn)圖1），可帶動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)工作。

圖1 油動(dòng)重載四旋翼無(wú)人機(jī)整機(jī)

復(fù)合材料是一種高性能新型特定加工成型的材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合的目的是要改善材料的性能，確保用復(fù)合材料制成的材料有特定的力學(xué)性能，如受扭矩載荷、拉力載荷、彎矩載荷等。復(fù)合材料按使用要求大致分為結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料和功能型復(fù)合材料，在航空領(lǐng)域，目前和今后幾十年的發(fā)展主流是用于制造航天飛行器結(jié)構(gòu)件的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，在此基礎(chǔ)上發(fā)展結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，以提高航天器的技術(shù)水平。

1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

該方案的基本設(shè)計(jì)要求有：1）整機(jī)長(zhǎng)4 300 mm，寬3 700 mm，高1 600 mm；2）動(dòng)力源件為發(fā)動(dòng)機(jī)；3）傳動(dòng)軸為碳纖維材料減輕機(jī)身自重；4）為防止軸加工長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，將軸分為3段并用聯(lián)軸器連接。根據(jù)以上要求和飛行器飛行的基本原理，初定無(wú)人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)為工字形，如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)布局

1.2 整機(jī)重要部件參數(shù)的選取

根據(jù)整機(jī)的布局、旋翼額定功率30 kW、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，合理選取發(fā)動(dòng)機(jī)功率、中間軸轉(zhuǎn)矩、齒輪箱轉(zhuǎn)矩等組成部分的材料參數(shù)，并計(jì)算最大升力，設(shè)計(jì)中的其他參數(shù)選取如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)其他材料參數(shù)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)功率

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)過(guò)程中的摩擦損耗，分析給出發(fā)動(dòng)機(jī)功率135 kW，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

2）中間軸轉(zhuǎn)矩

發(fā)動(dòng)機(jī)按照1:1.3的轉(zhuǎn)速比將輸出傳遞到中間軸，故中間軸轉(zhuǎn)矩為

考慮中間軸為動(dòng)力輸出中心，中間軸的安全系數(shù)取1.5，最后中間軸實(shí)際傳出的轉(zhuǎn)矩為837 N·m。

3）齒輪箱轉(zhuǎn)矩

中間軸通過(guò)帶傳動(dòng)將轉(zhuǎn)矩按1:1的比例傳遞到2個(gè)支臂軸，支臂軸再按照1:1的比例將轉(zhuǎn)矩傳到齒輪箱，故齒輪箱的轉(zhuǎn)矩為

4）旋翼總升力

齒輪箱內(nèi)部為90°布置1:1傳動(dòng)的錐齒輪，錐齒輪模數(shù)為5，齒數(shù)為16，故一個(gè)旋翼的升力為

其中，α＝ 20°，β＝ 45°。

整機(jī)所能提起的總升力為

1.3 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證2根支臂軸之間相對(duì)穩(wěn)定，機(jī)架中間應(yīng)設(shè)計(jì)為塔式形狀，用鋁合金肋板將各組成件相互連接，機(jī)架結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。將中間軸與支臂軸用鋁合金肋板連接成為一個(gè)整體，將支臂軸分為3段相同的軸端，并用聯(lián)軸器和軸套連接。

圖3 油動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

將圖3所示通過(guò)ug建模后的裝配體進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入Ansys Workbench有限元分析軟件中，根據(jù)工作實(shí)際情況對(duì)整機(jī)施加約束并進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)每個(gè)旋翼施加豎直向上的升力，升力為1 400 N。將整機(jī)的中心位置進(jìn)行固定，計(jì)算得到的圖4所示最大位移和應(yīng)力云圖，整機(jī)最大位移量為0.004 7 mm，最大應(yīng)力為3.94 MPa。

圖4 整機(jī)位移與應(yīng)力云圖

2.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

對(duì)前述導(dǎo)入的無(wú)人機(jī)整機(jī)模型進(jìn)行無(wú)約束的自由模態(tài)分析，提取圖5所示前4階非剛性模態(tài)振型云圖，并與整機(jī)部分組成件的無(wú)約束模態(tài)進(jìn)行頻率對(duì)比。通過(guò)分析軟件計(jì)算的自由模態(tài)分析的前4階頻率（見(jiàn)表2），整機(jī)各組成件的固有工作頻率均在200 Hz以上，與整機(jī)固有工作頻率19.28 Hz相比相差較多。因此，此次設(shè)計(jì)的油動(dòng)重在四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架不存在整機(jī)和組成件之間的共振現(xiàn)象，同時(shí)強(qiáng)度剛度等均遠(yuǎn)低于鋁合金材料的需用參數(shù)，本次機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求。

圖5 前4階非剛性模態(tài)振型云圖

表2 前4固有頻率

通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)，整機(jī)結(jié)構(gòu)的最大位移量較小，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，整機(jī)與組成件頻率差距過(guò)大，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。機(jī)架1～4階振型顯示整機(jī)變形均發(fā)生在支臂軸與支臂軸連接的組成件處，主要原因?yàn)橹П圯S長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)變形。

3 結(jié)論

1）查詢相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，計(jì)算整機(jī)最大的工作應(yīng)力，合理選擇無(wú)人機(jī)重要組件材料參數(shù)，通過(guò)ug建模軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)部位進(jìn)行機(jī)架設(shè)計(jì)。

2）靜力學(xué)分析結(jié)果顯示，無(wú)人機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的最大位移較小，最大計(jì)算應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件的許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。 通過(guò)對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)無(wú)約束的自由模態(tài)分析結(jié)果表明：整機(jī)機(jī)架的最大固有工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各組成件的固有工作頻率，能有效避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，整機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。此次設(shè)計(jì)計(jì)算的研究結(jié)果給四旋翼無(wú)人機(jī)整機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)出了一條新的思路，為實(shí)現(xiàn)重載油動(dòng)四旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)行使用提供了一個(gè)新的研究方向。