桑 喆 江 斌 楊記周 趙讀偉 高 騰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

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小型無人直升機(jī)仿生起落架設(shè)計(jì)

桑 喆 江 斌 楊記周 趙讀偉 高 騰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種針對小型無人直升機(jī)的仿生起落架。通過展望當(dāng)前該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和前景，明確本設(shè)計(jì)的意義，闡述該設(shè)計(jì)的目的、原理以及方法。同時(shí)，利用仿真模擬軟件，進(jìn)行受力分析的計(jì)算、三維函數(shù)圖象的繪制、校核強(qiáng)度，并最后分析設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：小型無人直升機(jī) 仿生 起落架 三維建模 強(qiáng)度校核

引言

隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，小型無人直升機(jī)作為一種先進(jìn)的飛行器，在軍用和民用領(lǐng)域得到廣泛重視。它具有隱蔽性強(qiáng)、起落方便、體積輕巧等特點(diǎn)，既可以執(zhí)行軍事偵察任務(wù)，又可以完成高空作業(yè)、航拍以及高空實(shí)驗(yàn)等。

目前的小型無人機(jī)的起落架廣泛采用雪橇式（如圖1所示）或機(jī)輪式，制造工藝性好，成本較低，適用于簡易平坦地形的降落任務(wù)。本文基于鳥類足部運(yùn)動模式，設(shè)計(jì)了一種仿生起落架，以幫助小型無人直升機(jī)完成在特殊地形降落的任務(wù)，從而拓展其工作范圍，提升其應(yīng)用效果。

1 仿生起落架設(shè)計(jì)

1.1 仿生起落架原理

本設(shè)計(jì)采用一種復(fù)合的單自由度四桿機(jī)構(gòu)，即將兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)用齒輪傳動連接起來，并對其結(jié)構(gòu)加以改造，設(shè)計(jì)成一種可以適應(yīng)于降落崎嶇地形和特殊結(jié)構(gòu)的小型直升機(jī)起落架，如圖1所示。該起落架的主要受力區(qū)為如圖2所示1、2區(qū)，分別在桿狀地形和平面地形時(shí)作用。該四桿機(jī)構(gòu)是平行四邊形結(jié)構(gòu)。安裝時(shí)，在直升機(jī)體底部前后并排裝兩個(gè)仿生起落架，以達(dá)到調(diào)整機(jī)身傾斜角和適應(yīng)地形的需要。

本課題小組初步確定了起落架的各零部件尺寸、連接方式以及所用材料，并使用CATIA軟件進(jìn)行三維建模如圖2所示。然后，使用MATLAB進(jìn)行力學(xué)分析與模擬，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖1 傳統(tǒng)起落架圖

圖　2 起落架三維建模

1.2 重要參數(shù)

起落架分為主體結(jié)構(gòu)與連接螺栓兩部分。主體結(jié)構(gòu)為主要支撐和受力部分。每個(gè)起落架主體由兩個(gè)用齒輪傳動連接的單自由度四桿機(jī)構(gòu)組成。

因本機(jī)構(gòu)低速運(yùn)轉(zhuǎn)且工況穩(wěn)定，為了減少裝配誤差且考慮實(shí)際工作區(qū)間，齒輪只切出1/4齒數(shù)，并固結(jié)到構(gòu)件上。

本課題組組裝了T-REX 450作為仿生起落架的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證載體。材料選用具體內(nèi)容見表1。

表1 零部件材料

2 降落特殊地形的可行性分析

2.1 桿狀地形

桿狀地形指方梁狀、圓桿狀以及不規(guī)則桿狀地形。一般，起落架無法滿足此種地形的降落要求。本設(shè)計(jì)采用仿生鳥類抓緊并固定桿狀物的原理，設(shè)計(jì)一種可以滿足在此地形降落的起落架。此時(shí)主要受力面處于受力1區(qū)，如圖2所示。

2.1.1 受力分析

根據(jù)建模尺寸（單位：mm）：L1=22，L2=30，L3=22，L4=30，s1=20，s2=4，以及γ=β，α=π-φ的幾何關(guān)系，對CD桿進(jìn)行平面受力分析，如圖3所示。取CD桿為分析對象，受力如圖4所示。注意，AD桿是一個(gè)二力桿。由于機(jī)身重量被2個(gè)起落架即4個(gè)四桿機(jī)構(gòu)分擔(dān)，設(shè)靜摩擦系數(shù)f=0.4，F(xiàn)=4.9，F(xiàn)f=4.9，且有Fn=Ff/f。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)間畫圖

圖4 構(gòu)件CD受力分析

由平面力系的平衡條件可知：

同樣，可以列出受力關(guān)系，并根據(jù)式（1）代入相關(guān)參數(shù)，可得：

用MATLAB進(jìn)行計(jì)算，并作出Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)4以及M的圖像，如圖5、圖6所示。

圖6 M隨α的變化圖

由圖像趨勢分析知，當(dāng)α＞1rad時(shí)，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)4以及M取值均在合理區(qū)域。

本設(shè)計(jì)中α=65°處于合理范圍內(nèi)。

當(dāng)α=65°時(shí)，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)4以及M是隨β在（0,π/2）內(nèi)逐漸增大的函數(shù)，圖像如圖7。

圖7 α=65°時(shí)M隨β的變化圖象

由函數(shù)圖像變化趨勢不難發(fā)現(xiàn)：Fy，F(xiàn)4隨著β的增加略微增大，而Fx幾乎不變；M在（0,1）區(qū)間內(nèi)單調(diào)增加，在（1,π/2）內(nèi)單調(diào)減少。由此確定，危險(xiǎn)工況β=1 rad。

2.1.2 強(qiáng)度校核

由受力分析可知，本設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)工況在β=1 rad時(shí)出現(xiàn)?，F(xiàn)校核該工況下構(gòu)件CD、二力桿AD以及D處鉸接螺栓的強(qiáng)度。

1.構(gòu)件CD

構(gòu)件CD受到壓、彎載荷而產(chǎn)生組合變形。該構(gòu)件橫截面為矩形（見圖8所示），利用式（2）得到其抗彎截面的系數(shù)：

圖8 構(gòu)件CD橫截面圖

將b3=6mm，h3=10mm，代入式（2），得W3=100。再由式（3），計(jì)算出所受彎矩載荷。

最后用式（4），計(jì)算壓、彎組合載荷應(yīng)力。

2.二力桿AD

二力桿AD受壓，對其材料強(qiáng)度進(jìn)行校核：

3.螺栓1

螺栓1為最危險(xiǎn)螺栓，其規(guī)格為M3標(biāo)準(zhǔn)螺栓，如圖9所示。

它主要受剪切力作用，對其進(jìn)行剪切力校核：

圖9 螺栓1位置示意圖

4.校核結(jié)論

查LY11以及45鋼的材料機(jī)械強(qiáng)度參數(shù)，取安全因數(shù)S=1.2，計(jì)算許用應(yīng)力[σs]與[σ3c]：

由式（2）、（3）和（4），得：

故設(shè)計(jì)尺寸符合材料強(qiáng)度要求。

2.2 平面地形

這里的平面地形包括平面崎嶇地形和平坦弧狀地形。該起落架可以通過調(diào)整前后起落架的開合角來調(diào)整機(jī)體的俯仰角度，從而適應(yīng)于崎嶇地形。

平面地形受力與桿狀地形受力相似，且其主受力面為受力2區(qū)，如圖2所示。它的受力情況與起落架開合角無關(guān)。其主要破壞形式為受力2區(qū)的壓潰破壞。

現(xiàn)校核其強(qiáng)度：

故設(shè)計(jì)尺寸符合材料強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

小型無人直升機(jī)仿生起落架可以完成機(jī)體在崎嶇表面以及特殊地形的降落任務(wù)，拓展其工作范圍。當(dāng)然，該設(shè)計(jì)目前依然存在制造工藝性以及畸變地形降落可靠性的不足，所以需要繼續(xù)對其進(jìn)行探究，以實(shí)現(xiàn)這種先進(jìn)的裝備技術(shù)能夠真正應(yīng)用于實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

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Design of Bionic Landing Gear for Small Unmanned Helicopter

SANG Zhe,JIANG Bin,YANG Jizhou,ZHAO Duwei,GAO Teng
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009)

Abstract:A short paper is presented to show a bionic landing gear for a small unmanned helicopter. This paper looks forward to the development trend and Prospect of this field, so as to clarify the significance of this design. The purpose, principle and method of the design are described. Using the simulation software to carry on the analysis of the force analysis, the three-dimensional function picture to draw, to check the strength and finally analyzes the design feasibility.

Key words:Small unmanned helicopter, Bionics, Underca rriage, 3D modeling, Strength check

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410359006）。