張敬衡

(湖北科技職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

目前，市場上的小型多旋翼式無人機(jī)按機(jī)翼結(jié)構(gòu)劃分為固定翼式(見圖1)、折疊翼式(見圖2)和伸縮翼式(本文從略)3種[1]。

圖1 固定翼無人機(jī)

圖2 折疊翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)由于機(jī)架和機(jī)翼的固定式設(shè)計，無轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，因此剛度好，各機(jī)翼上風(fēng)葉中心理論位置精確且能保持長久，飛行中相對于折疊翼無人機(jī)振動小、噪聲小、操控性好，運(yùn)行更加平穩(wěn)，整機(jī)載荷更大，尤其是航拍和探測性能更優(yōu)異，因而主要用于軍事和商業(yè)等有較高性能要求的領(lǐng)域；而折疊翼無人機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)在于，不使用時，機(jī)翼可以收回并隱藏至機(jī)體內(nèi)，使得體積大大縮小，迷你型甚至可以放進(jìn)口袋里，這對愛好旅游或隨時隨地想“秀一把上帝視角照”的普通自拍用戶來講，不需要背負(fù)大背包，也無需擔(dān)心脆弱風(fēng)葉被碰壞，因而越來越受到用戶歡迎。隨著機(jī)翼轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷改進(jìn)和新材料新工藝的使用，折疊式無人機(jī)的飛行性能、航拍和探測性能以及堅固性、耐用性等均已得到了很大的提高。現(xiàn)今，無論是網(wǎng)上或網(wǎng)下的民用、商用甚至軍用市場，折疊式無人機(jī)都已變得十分暢銷[2]。

本文分析了機(jī)翼轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，研究了2種典型自位型轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)，針對這些缺點(diǎn)提出了一種全金屬自位軸承結(jié)構(gòu)，并指出了其設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)和注意事項(xiàng)。

1 機(jī)翼轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

對于折疊式無人機(jī)，機(jī)翼的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計是決定飛行器各項(xiàng)性能指標(biāo)的一個重要因素。優(yōu)秀的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下條件[3]。

1)具備自位功能。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至工作位附近時要求彈性落位，即當(dāng)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)展開至工作位附近時，結(jié)構(gòu)設(shè)計上要求產(chǎn)生一個對機(jī)翼的附加切向推力或轉(zhuǎn)矩，幫助機(jī)翼自行準(zhǔn)確落位。滿足這個功能要求具有3個好處：一是可確保風(fēng)葉中心的正確位置；二是給使用者一個扭矩突變的手感提示，以免過度旋轉(zhuǎn)將機(jī)翼掰斷；三是產(chǎn)生一個足以抵抗風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)時對機(jī)翼的反向扭矩[4]，避免風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)中心失位而引起整機(jī)的振動，或產(chǎn)生非對稱驅(qū)動現(xiàn)象而導(dǎo)致飛行器的失穩(wěn)失控。

2)滿足關(guān)鍵零件的精度與剛度要求。前者是滿足精確的風(fēng)葉中心位置，后者是防止塑料件塑性變形。

3)質(zhì)量輕。無人機(jī)在空中運(yùn)行必須身輕如燕，操控靈活。尤其是便攜迷你型無人機(jī)，應(yīng)盡可能設(shè)法減掉多余的材料和質(zhì)量。轉(zhuǎn)軸設(shè)計同樣如此。

4)使用壽命長。無人機(jī)價格不菲，耐用度必須要保證。有運(yùn)動副的地方，應(yīng)盡量減少磨損。

5)結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易。

2 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

現(xiàn)今絕大多數(shù)小型可折疊式無人機(jī)，其轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計通常是利用機(jī)翼和機(jī)身這2個塑料零件，在相互連接處的轉(zhuǎn)動部位分別設(shè)計組裝成滑動軸承副，即把其中一個充當(dāng)轉(zhuǎn)軸，另一個充當(dāng)軸承套，或者相反，通過相互間的間隙配合來實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)展開。這種結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，用材較少，質(zhì)量較輕。

為了滿足自位功能的設(shè)計要求，一般采用如下2種方法來實(shí)現(xiàn)機(jī)翼展開時的彈性落位。

方法1是分別在塑料機(jī)翼軸套和機(jī)架殼相互配合的表面上取相應(yīng)的機(jī)翼展開時的工作位置設(shè)計球冠形凸點(diǎn)和凹坑(一般是迷你型機(jī)采用)(見圖3)，或沿軸向方向上將球冠形變成圓弧形的凸凹柱面(小型機(jī)采用)。當(dāng)轉(zhuǎn)動機(jī)翼臂時，凸起部強(qiáng)力頂開機(jī)架內(nèi)壁，利用塑料機(jī)架零件的內(nèi)壁變形所產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)自位功能。

圖3 機(jī)翼彈性落位結(jié)構(gòu)1

方法2是在轉(zhuǎn)軸的端部切開4道槽，使其變?yōu)閺椥暂S，以便裝入軸套、圓環(huán)凸片和蝶簧組(見圖4)；在軸的縱向表面上開有4道淺齒槽，而圓環(huán)凸片的內(nèi)孔設(shè)計有相應(yīng)的內(nèi)齒，將兩者鑲嵌在一起可使圓環(huán)凸片只能上下移動不能轉(zhuǎn)動；而圓環(huán)凸片外部設(shè)有4個向下的圓弧突起，突起部位正好是機(jī)翼工作位。與之相對應(yīng)，將機(jī)翼軸套的上部設(shè)計成圓弧坑，在圓環(huán)凸片的上面設(shè)置1個蝶簧組，其作用是產(chǎn)生軸向壓力并通過圓環(huán)凸片將其轉(zhuǎn)換成對機(jī)翼軸套的切向自位力。

圖4 機(jī)翼彈性落位結(jié)構(gòu)2

上述2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。

方法1是靠轉(zhuǎn)動軸承副塑料零件的內(nèi)外壁變形產(chǎn)生的回復(fù)彈性力來實(shí)現(xiàn)自位功能的。這里存在一個設(shè)計上的矛盾，即回彈力的大小和壁厚有關(guān)，壁厚尺寸設(shè)計太小能減輕質(zhì)量，但回彈力通常不足使自位效果不佳；壁厚尺寸大了，則使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加，而且會促使變形部位加速塑化產(chǎn)生永久變形進(jìn)而使飛行器性能降低，使用壽命減少。

方法2避開了塑料件的變形，利用金屬蝶簧片變形所產(chǎn)生的彈力來實(shí)現(xiàn)自位；但軸承在旋轉(zhuǎn)工作時，由于存在金屬零件和塑料零件之間的強(qiáng)力摩擦，難免使塑料件工作表面加速磨損，因而使用壽命也會受到較大的影響，而且由于是利用軸向壓力來轉(zhuǎn)換成切向自位力，轉(zhuǎn)換效率不高，故蝶簧片厚度通常比標(biāo)準(zhǔn)蝶簧更厚，以獲得更大的軸向力，這樣使摩擦表面工作環(huán)境更差。

3 一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上述問題，本文提出一種彈性自位軸承結(jié)構(gòu)，將其用于飛行器機(jī)翼轉(zhuǎn)軸上，既可較好地解決上述問題，也能充分滿足飛行器的性能要求。

這種軸承結(jié)構(gòu)在原理上并不陌生，它廣泛用于一些家電、IT電器以及玩具行業(yè)，已經(jīng)形成粗細(xì)、長短系列化的各種規(guī)格產(chǎn)品。使用時，可以按照所需要的切向自位力和機(jī)翼結(jié)構(gòu)大小來選購，也可以向相關(guān)廠家定制，不構(gòu)成專利侵權(quán)。成品外觀和分解結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 彈性自位軸承結(jié)構(gòu)示意圖

該軸承由軸芯、軸卡簧、彈簧、下滑塊、上滑塊以及外殼構(gòu)成。其中，下滑塊和上滑塊在對應(yīng)的軸向方向設(shè)計成正弦共軛凸凹曲面[5]；軸芯外徑和上、下滑塊的內(nèi)孔為滑動配合；上、下滑塊的外圓表面上均被削出2個對稱平面；筒狀外殼也壓制出同樣形狀的對稱平面并和上滑塊外表面處于滑動配合；軸卡簧的作用是將整套零件組裝在一起，并限制外殼的軸向移動。

設(shè)計機(jī)架和機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)部位時，只需將兩者的連接部分分別和軸承的下滑塊與外殼相連便可，也就是在機(jī)架端部設(shè)計1個孔和軸承的下凸塊外表面配合，然后在機(jī)翼端部也設(shè)計1個孔和軸承的外殼外表面配合。本文推薦采用過度配合，因?yàn)樗芰暇邆鋸椥?，金屬件插入時略帶阻力。

軸承工作時，轉(zhuǎn)動機(jī)翼帶動外殼和上滑塊一起轉(zhuǎn)動，下滑塊由于和機(jī)架相連并不隨之轉(zhuǎn)動，這樣，在上、下滑塊的共軛凸凹曲面作用下，就迫使上滑塊一邊轉(zhuǎn)動一邊相對于外殼向上滑動，而彈簧力則阻止這個運(yùn)動，其軸向阻力通過凸凹曲面轉(zhuǎn)換成對機(jī)翼的反向阻扭矩；當(dāng)機(jī)翼轉(zhuǎn)動至上滑塊的凸起頂點(diǎn)，越過下滑塊的凸起頂點(diǎn)后，阻扭矩反向變?yōu)檎ぞ?，此時，無需人工轉(zhuǎn)動機(jī)翼便可自行落位。

設(shè)計前，應(yīng)根據(jù)機(jī)翼上確定的風(fēng)葉尺寸和轉(zhuǎn)速計算出工作扭矩，以此作為確定選購轉(zhuǎn)軸尺寸的依據(jù)。為了確保飛行器安全穩(wěn)定地運(yùn)行，選購的轉(zhuǎn)軸要求其最小工作扭矩為風(fēng)葉工作扭矩的1.5～2倍。所謂最小工作扭矩是指機(jī)翼正轉(zhuǎn)展開并自行落入工作位之后，反向轉(zhuǎn)動機(jī)翼所需的最小扭矩。該工作位置點(diǎn)是指上滑塊已滑至最低點(diǎn)，彈簧處于最大的工作長度，凸凹摩擦面正好完整嵌合，相互間間隙為零。

4 結(jié)語

上述設(shè)計是將轉(zhuǎn)軸作為一個獨(dú)立功能部件，其轉(zhuǎn)動和自行落位功能設(shè)計與機(jī)翼，機(jī)架的材料、結(jié)構(gòu)均無關(guān)系，體現(xiàn)了模塊化設(shè)計思想。它克服了前2種設(shè)計的缺點(diǎn)，無需靠塑料變形來產(chǎn)生彈性回復(fù)力導(dǎo)致材料易發(fā)生塑性老化問題；也避免了金屬和塑料之間的強(qiáng)力摩擦引起過早磨損失效的問題。

由于轉(zhuǎn)軸采用了金屬組件，使無人機(jī)質(zhì)量不可避免地加大了。實(shí)踐結(jié)果表明，采用了金屬結(jié)構(gòu)，各零件的強(qiáng)度、硬度、承載能力和耐磨性與塑料件相比提高了2～3倍，因而其結(jié)構(gòu)尺寸在滿足同樣的工作扭矩條件下可以做得很小，這樣總體上增重很少，微型機(jī)增加了2～3 g，小型機(jī)增加了3～4 g。比起無人機(jī)的工作壽命、精確性、穩(wěn)定性和可靠性等重要性能指標(biāo)而言，所增加的這點(diǎn)質(zhì)量是完全值得的。

[1] 廖波，袁昌盛，李永澤．折疊機(jī)翼無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計，2012，29(4):1-4.

[2] 宇辰網(wǎng). 無人機(jī)：引領(lǐng)空中機(jī)器人新革命[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3] 王華光, 王華. 巡飛器折疊翼的設(shè)計要求[J]. 飛航導(dǎo)彈，2009(6):36-39.

[4] 李強(qiáng)，李周復(fù)，劉鐵中. 折疊變體飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱邪l(fā)[J]. 機(jī)械設(shè)計, 2010，27(5):21-24.

[5] 孫明珠. 正弦直紋曲面的研究[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 27(4):86-88.