潘 云，申宇佳，程 辰

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人均汽車保有量也逐年提升。隨之而來的是交通擁堵日益嚴重，特別是節(jié)假日期間，“高速停車場”現(xiàn)象普遍發(fā)生。相較于有限的地面空間，立體空中交通網(wǎng)就更加廣闊，因此，所有遇上交通擁堵的人們都不禁在想“我的汽車要是能飛起來就好了”。人類要擺脫地面的束縛，同時避免乘坐飛機的不便，自然而然地就想將汽車的陸地行駛功能和飛機的自由翱翔融合起來，即“飛行汽車”［1-2］。因此，在美國也有人把第四次交通革命稱為建設(shè)“空中高速公路”［3］。

早在1917年，飛行汽車的設(shè)想在飛機誕生后不久就被飛行汽車之父、美國航空先驅(qū)者蓋倫·柯蒂斯初步實現(xiàn)了［4］。他的Autoplane裝有3只翼展達12.2 m的機翼，用汽車發(fā)動機驅(qū)動車尾的四葉片螺旋推動器。但Autoplane從未真正飛上天空，最多只能實現(xiàn)一些短距離的飛行式跳躍。隨著技術(shù)的發(fā)展，不同類型的飛行汽車也逐漸面世［5］：第一種是固定翼式飛行汽車，即將可折疊式機翼的固定翼飛機與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車優(yōu)點是飛行穩(wěn)定、航程長，缺點是需要專門的起降空間，如美國的“TF-X”和“MOLLER SKYCAR”。第二種是旋翼式飛行汽車，即將直升機與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車的最大優(yōu)點是可以垂直起降，擺脫了起降環(huán)境的限制，缺點是航程短、安全性相對較差，如美國的“飛行悍馬”，荷蘭推出的旋翼式三輪飛行汽車“PAL-V”。第三種較為流行的是多旋翼式飛行汽車，即將多旋翼飛行器與汽車相結(jié)合，這種飛行汽車擁有與第二種飛行汽車相同的優(yōu)點，同時由于利用多旋翼結(jié)構(gòu)，其續(xù)航能力和安全穩(wěn)定性相較于單一旋翼的飛行汽車更好，如以色列飛行汽車“XHawk”等。

針對短途擁擠的市內(nèi)環(huán)境，本文提出了一種基于可變形四旋翼結(jié)構(gòu)的飛行汽車，它通過一套獨特的輪式全向旋轉(zhuǎn)變形機構(gòu)，可方便實現(xiàn)飛行汽車在飛行形態(tài)和陸地行駛形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且還兼任著汽車狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向功能。此外，結(jié)合機械離合系統(tǒng)，該飛行汽車的每個旋翼和對應(yīng)的輪轂可以共用同一套動力系統(tǒng)，有效降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約了制造成本。本文主要對飛行汽車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計做詳細介紹。

1 可變形四旋翼結(jié)構(gòu)

在多數(shù)飛行汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，陸地行駛動力系統(tǒng)和飛行動力系統(tǒng)往往是相互獨立的，這就帶來了制造成本的提升、系統(tǒng)復(fù)雜性高等問題。因此，本文基于四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款共用動力系統(tǒng)的飛行汽車模型裝置，它通過一個簡單的45°傾轉(zhuǎn)機械裝置和一套離合系統(tǒng)，實現(xiàn)了同一套動力系統(tǒng)在汽車形態(tài)和飛行形態(tài)間的切換。同時，該傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)還能作為汽車形態(tài)下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而不需要其他額外的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，因此整個裝置結(jié)構(gòu)更加簡單高效，制造成本也較低。

1.1 變形機構(gòu)設(shè)計

相較于其他種類的飛行器，多旋翼類飛行器的突出優(yōu)點是能垂直起降，飛行安全穩(wěn)定。特別是四旋翼飛行器，它的4個旋翼的分布與汽車4個輪轂的位置類似，區(qū)別是四旋翼的螺旋槳呈水平位置，而汽車的輪轂呈垂直位置。本文設(shè)計了一套簡單的傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將這兩個位置聯(lián)系在一起。

圖1為整個飛行汽車的核心機械結(jié)構(gòu)：45°傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，動力電機、螺旋槳和輪轂固定在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸與定子連接，定子與轉(zhuǎn)子間的接觸面與水平方向呈45°角。圖中所示狀態(tài)為飛行姿態(tài)，螺旋槳和輪轂皆呈水平；當轉(zhuǎn)子部分繞軸旋轉(zhuǎn)180°后，螺旋槳和輪轂呈豎直狀態(tài)，此時輪轂著地，即為行駛姿態(tài)。

圖1 45°傾轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

三維結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。轉(zhuǎn)子部分通過固定在定子內(nèi)的減速步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，減速步進電機可以在操控者的控制下旋轉(zhuǎn)至任意角度并停止。飛行用螺旋槳直接安裝到動力無刷電機上，以避免動能損耗。輪轂通過機械離合傳動裝置以及兩個支撐輪安裝在轉(zhuǎn)子座上。因設(shè)計的是飛行車模型，考慮到動力有限和加工成本，轉(zhuǎn)子部分均為用碳纖維板搭建的框架結(jié)構(gòu)。定子部分為3D打印的高強度尼龍結(jié)構(gòu)件，通過碳纖維管與飛行車機身連接。

圖2 水平姿態(tài)和豎直姿態(tài)

1.2 離合式輪轂驅(qū)動

在圖2中，輪轂的離合驅(qū)動機構(gòu)是一個關(guān)鍵部件，它必須實現(xiàn)：飛行形態(tài)時，電機只驅(qū)動螺旋槳工作，輪轂不轉(zhuǎn)動，以達到最小的動力損耗；汽車行駛形態(tài)時，電機通過減速裝置驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動。在兩個前輪結(jié)構(gòu)中，輪轂驅(qū)動齒輪、離合齒輪、同步帶和同步輪均通過軸承安裝在圖中的滑動結(jié)構(gòu)件上，滑動結(jié)構(gòu)件嵌在中心板與輪轂支撐臂構(gòu)成的滑槽中，使得滑動結(jié)構(gòu)件可沿著輪轂徑向滑動，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時，滑動結(jié)構(gòu)件受到固定在中心板上兩個彈簧沿著徑向向外的拉力作用，在輪轂不受外力作用時，離合齒輪與電機傳動齒輪保持分離的狀態(tài)。

圖3 輪轂離合驅(qū)動機構(gòu)

2 動力與傳動系統(tǒng)參數(shù)

2.1 無刷電機

相較于傳統(tǒng)的有刷電機，無刷直流電機采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)電機線圈換向，不需要傳統(tǒng)的換向器和電刷等部件，因此運行更加穩(wěn)定，噪音低，適合應(yīng)用在大電流、高轉(zhuǎn)速等設(shè)備中［6］。本文設(shè)計的飛行汽車，自身質(zhì)量約為2.35 kg，輪轂直徑約為140 mm，采用的無刷電機參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)上述型號無刷電機的參數(shù)可計算出飛行車采用四旋翼作為飛行方案時，4個電機所能提供的理論最大升力為5.5 kg，完全滿足飛行需求，動力充盈。

2.2 傳動齒輪參數(shù)

根據(jù)電機參數(shù)和輪轂尺寸，在離合驅(qū)動結(jié)構(gòu)中設(shè)計了如圖4和表2所示的傳動方案。

表2 齒輪參數(shù)

圖4 傳動結(jié)構(gòu)

根據(jù)表1中電機的最大轉(zhuǎn)速、輪轂的直徑和齒輪的傳動比，可以計算出飛行車的理論最大行駛速度v和最大驅(qū)動力F。

表1 無刷電機及運行參數(shù)

式中：nmax為最大轉(zhuǎn)速，r/s；i為傳動比；r輪為輪轂半徑，m，代入上述參數(shù)可得最大行駛速度為1.05 m/s。

式中：P為最大功率，kW；nmax的單位為r/min，代入上述參數(shù)可得最大驅(qū)動力為83.66 N。

3 飛行汽車控制方案

3.1 飛行形態(tài)

當飛行汽車處于飛行形態(tài)時（見圖5），45°傾轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)使得螺旋槳與地面平行。此時，滑動結(jié)構(gòu)件受到彈簧向外的拉力作用，離合齒輪與電機傳動齒輪分開，電機僅驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，而輪轂不動，實現(xiàn)飛行。此時飛行汽車即為典型的四旋翼結(jié)構(gòu)，整個裝置在飛行控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)各種穩(wěn)定飛行動作，如垂直起降、前進、后退、側(cè)飛、轉(zhuǎn)彎等。

圖5 飛行形態(tài)

3.2 汽車形態(tài)

當飛行汽車處于汽車形態(tài)時（見圖6），45°傾轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)使得輪轂與地面垂直，接觸地面。此時，在自身重力作用下，滑動結(jié)構(gòu)件克服彈簧向外的拉力，離合齒輪與電機傳動齒輪有效接觸，電機可驅(qū)動離合齒輪、同步帶輪和輪轂驅(qū)動齒輪，使得輪轂轉(zhuǎn)動。并且通過設(shè)計合理的齒輪減速比，可有效增加輪轂的扭矩，本設(shè)計中電機傳動齒輪與輪轂間的傳動比為26.3∶1。該飛行汽車在陸地行駛時，還可直接通過減速步進電機驅(qū)動45°傾轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，不需要額外的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖6 汽車形態(tài)

4 結(jié)語

本文提出了一種基于可變形四旋翼結(jié)構(gòu)的飛行汽車模型設(shè)計方案。它通過一套獨特的全向旋轉(zhuǎn)變形機構(gòu)，可方便實現(xiàn)飛行汽車的飛行形態(tài)和陸地行駛形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。文中重點對飛行車的4個輪式旋翼以及整體布局做了詳細的討論，給出了45°傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙，其中包括動力系統(tǒng)和離合齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。通過模擬計算表明，這套傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)完全符合設(shè)計要求，并且飛行汽車的每個旋翼和對應(yīng)的輪轂可以共用同一套動力系統(tǒng)，有效降低了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度，節(jié)約了制造成本。