王曉東，任俊楠，鄧 立，王 見(jiàn)，吳永智

（南通理工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 南通 226000）

目前，無(wú)人機(jī)、無(wú)人小車在軍事、科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)、電力、運(yùn)輸、氣象等諸等行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯。無(wú)人機(jī)具有通過(guò)性好、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是在洞穴、樓道等復(fù)雜環(huán)境中存在諸多不便，并且由于電量限制無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)[1]。地面車輛相對(duì)效能更高，但速度慢、移動(dòng)性較差，受道路情況影響較多。針對(duì)上述問(wèn)題，將空中飛行與陸地行駛功能有效結(jié)合，可極大地提升其性能以及擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

1 陸空兩用無(wú)人小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用油電混合模式，降低小車在陸地行駛模式下的能耗，有效提高其續(xù)航能力，彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短的致命缺點(diǎn)。采用遙控方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向、懸停等運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使小車可實(shí)現(xiàn)飛行、陸地行駛兩種模式的自由切換，并在切換過(guò)程中保持車體的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生傾斜、翻轉(zhuǎn)等狀況，解決目前固定翼或折疊式機(jī)器在切換飛行與陸地模式時(shí)空間占用大的問(wèn)題。設(shè)計(jì)具備以下特點(diǎn)：

1）靈活性：采用車輪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)小車在兩種模式下的靈活切換，又減少縱向及橫向空間。

2）質(zhì)量輕：采用輕質(zhì)材質(zhì)，在減輕自身重量的同時(shí)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，保證主體結(jié)構(gòu)在滿足承載能力的同時(shí)，具有一定的抗摔能力。

3）易維修性：翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中留有合適的空間，裝拆方便，方便機(jī)器出現(xiàn)故障能及時(shí)進(jìn)行檢修。

4）美觀性：陸空兩用無(wú)人小車作為一種新穎的設(shè)備，外觀美觀，結(jié)構(gòu)符合美學(xué)構(gòu)圖原理，講究色彩搭配和光影明暗效果。

5）續(xù)航能力強(qiáng)：采用油電混合驅(qū)動(dòng)可充分利用高效率區(qū)運(yùn)行，提高無(wú)人小車的續(xù)航能力。

2 陸空兩用無(wú)人小車結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)類型及設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)類型

目前，市場(chǎng)上存在的多旋翼飛行器動(dòng)力源主要分為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種。燃油發(fā)動(dòng)機(jī)多用于中大型旋翼飛行器，具有續(xù)航遠(yuǎn)、載重大、使用壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但體積較大、自重較重，同時(shí)具有噪聲大、易污染等缺點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)多用于中小型模型飛行器，成本低、無(wú)污染，易實(shí)現(xiàn)各旋翼的差速控制，但單次飛行時(shí)間較短，一般為20min[2]。綜合考慮，設(shè)計(jì)采用油電混動(dòng)形式，節(jié)能環(huán)保的同時(shí)保證續(xù)航時(shí)間。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和共用太陽(yáng)輪的雙排行星齒輪組成，其中發(fā)動(dòng)機(jī)直接與后行星架相連，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器與太陽(yáng)輪相連，前行星架與輸出軸相連，如圖1 所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

動(dòng)力系統(tǒng)工作模式分析如下：

1）接和制動(dòng)器B2、B4，則前齒圈、后行星架固定，此時(shí)太陽(yáng)輪為主動(dòng)件，前行星架為從動(dòng)件，后齒圈空轉(zhuǎn)。動(dòng)力傳遞路線：電動(dòng)機(jī)→太陽(yáng)輪→前行星架。此模式為純電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)噪聲小、無(wú)污染，適用于小功率輸出的情況。

2）接和制動(dòng)器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時(shí)太陽(yáng)輪為主動(dòng)件，前、后行星架為從動(dòng)件。動(dòng)力傳遞路線：電動(dòng)機(jī)→太陽(yáng)輪→前、后行星架。此模式為啟動(dòng)模式，電動(dòng)機(jī)在完成動(dòng)力輸出的同時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3）接和制動(dòng)器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時(shí)后行星架為主動(dòng)件，前行星架為從動(dòng)件。與啟動(dòng)模式不同的是，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)不工作，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。動(dòng)力傳遞路線：發(fā)動(dòng)機(jī)→太陽(yáng)輪→前行星架、電動(dòng)機(jī)。此模式為充電模式，發(fā)動(dòng)機(jī)在完成動(dòng)力輸出的同時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，完成發(fā)電工作。

4）接和制動(dòng)器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時(shí)后行星架、太陽(yáng)輪為主動(dòng)件，前行星架為從動(dòng)件。動(dòng)力傳遞路線：發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)→太陽(yáng)輪→前行星架。此模式為運(yùn)動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，完成大功率輸出。

5）接和制動(dòng)器B1、B3，則前行星架、后齒圈固定，此時(shí)后行星架為主動(dòng)件，太陽(yáng)輪為從動(dòng)件，前齒圈空轉(zhuǎn)。動(dòng)力傳遞路線：發(fā)動(dòng)機(jī)→太陽(yáng)輪→電動(dòng)機(jī)。此模式為靜充電模式，無(wú)動(dòng)力輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)僅為電池充電。

3 陸空兩用無(wú)人小車結(jié)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 分動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。動(dòng)力由輸出軸輸出后經(jīng)兩組相互嚙合齒輪分動(dòng)至兩軸，各軸中間的差速器將轉(zhuǎn)矩均勻傳至兩半軸，半軸上具有帶式制動(dòng)器，通過(guò)制動(dòng)各半軸完成兩半軸的差速，從而實(shí)現(xiàn)各軸間不同轉(zhuǎn)速控制。但2 號(hào)、4 號(hào)車輪的傳動(dòng)與1 號(hào)、3 號(hào)車輪略有區(qū)別，需要在輸出軸與傳動(dòng)軸之間再加裝一個(gè)倒擋齒輪，使2 號(hào)、4 號(hào)車輪作為機(jī)翼使用時(shí)其旋轉(zhuǎn)方向與1 號(hào)、3 號(hào)機(jī)翼相反，從而滿足飛行條件。在陸地模式時(shí)，中間齒輪撤去，齒圈與傳動(dòng)軸直接相連，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程可以通過(guò)手動(dòng)換擋的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 翻折處傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

翻折處傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖3 所示。傳動(dòng)軸本應(yīng)水平、一體化，但由于要進(jìn)行駕駛模式的切換，文章將傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成斷開(kāi)可翻折的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)軸斷開(kāi)處采用固定剛性聯(lián)軸器加直齒錐齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，陸地模式下，兩軸間通過(guò)聯(lián)軸器完成水平方向傳動(dòng)；飛行模式下，兩軸間通過(guò)相互嚙合的直齒錐齒輪完成水平向垂直方向傳動(dòng)。因聯(lián)軸器傳動(dòng)和直尺錐齒輪傳動(dòng)均無(wú)間隙，從而使動(dòng)力能夠精準(zhǔn)傳遞，也保證了折疊時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡齒現(xiàn)象。

圖2 分動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 翻折處傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)車輪與螺旋槳同軸一體化的同時(shí)，可快速實(shí)現(xiàn)兩種駕駛模式的切換，當(dāng)無(wú)人車由陸地行駛模式轉(zhuǎn)化為空中飛行模式時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可將螺旋槳翻轉(zhuǎn)與地面平行，實(shí)現(xiàn)空中飛行，當(dāng)無(wú)人小車由飛行模式轉(zhuǎn)化為陸地行駛模式時(shí)，將螺旋槳翻轉(zhuǎn)與地面垂直[3]。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖4 所示，其中軸承座內(nèi)部通過(guò)軸承與傳動(dòng)軸相連，外部通過(guò)支架與大齒輪Ⅱ相連。當(dāng)陸地模式需要切換為飛行模式時(shí)，由電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)減速器大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪帶動(dòng)同軸小齒輪，將轉(zhuǎn)矩傳至大齒輪Ⅱ，從而使得傳動(dòng)半軸與軸承支架同步旋轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)換。兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的減速增矩，使翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)能夠獲得更大的扭矩和適當(dāng)?shù)姆D(zhuǎn)速度，提高了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)飛行模式下反向鎖止功能，確保飛行時(shí)無(wú)人小車的穩(wěn)定性與安全性。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 輪轂、螺旋槳一體化結(jié)構(gòu)

5 輪轂、螺旋槳設(shè)計(jì)

輪轂、螺旋槳一體化結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。傳統(tǒng)的多旋翼陸空兩用無(wú)人小車多采用螺旋槳、車輪分開(kāi)化的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)不僅占用了較大空間、增加自身重量，還使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，并且獨(dú)立的螺旋槳機(jī)構(gòu)也較容易損壞。設(shè)計(jì)將螺旋槳與車輪同軸，行走時(shí)螺旋槳鑲嵌在輪轂中作為輪輻使用。輪轂通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)無(wú)人小車即切換為飛行模式。

螺旋槳槳葉數(shù)目是螺旋槳的重要參數(shù)，決定了螺旋槳的效率和載重[4]。增加槳葉數(shù)目可以減小螺旋槳的尺寸，增加最大拉力，減少風(fēng)的干擾，有利于充分吸收發(fā)動(dòng)機(jī)功率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致螺旋槳重量的增加，和槳葉互相干擾。設(shè)計(jì)綜合考慮無(wú)人小車的質(zhì)量和載重要求及驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速，決定選用四葉槳作為螺旋槳槳葉。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章充分考慮現(xiàn)有無(wú)人機(jī)和無(wú)人小車的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及車輪和螺旋槳一體化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在保證無(wú)人小車正常行走的前提下，可以實(shí)現(xiàn)向飛行模式的快速切換，彌補(bǔ)了無(wú)人小車通過(guò)性較差的缺陷。同時(shí)，動(dòng)力上采用了油電混合的形式，可實(shí)現(xiàn)雙向輸出和快速充電，解決了無(wú)人機(jī)的續(xù)航短問(wèn)題。