基于可變形四旋翼結構的新型飛行汽車模型設計

潘 云，申宇佳，程 辰

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156）

0 引言

隨著經濟的發展，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，特別是節假日期間，“高速停車場”現象普遍發生。相較于有限的地面空間，立體空中交通網就更加廣闊，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“空中高速公路”［3］。

早在1917年，飛行汽車的設想在飛機誕生后不久就被飛行汽車之父、美國航空先驅者蓋倫·柯蒂斯初步實現了［4］。他的Autoplane裝有3只翼展達12.2 m的機翼，用汽車發動機驅動車尾的四葉片螺旋推動器。但Autoplane從未真正飛上天空，最多只能實現一些短距離的飛行式跳躍。隨著技術的發展，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合，這種飛行汽車優點是飛行穩定、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合，這種飛行汽車的最大優點是可以垂直起降，擺脫了起降環境的限制，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合，這種飛行汽車擁有與第二種飛行汽車相同的優點，同時由于利用多旋翼結構，其續航能力和安全穩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環境，本文提出了一種基于可變形四旋翼結構的飛行汽車，它通過一套獨特的輪式全向旋轉變形機構，可方便實現飛行汽車在飛行形態和陸地行駛形態之間的轉換，并且還兼任著汽車狀態下的轉向功能。此外，結合機械離合系統，該飛行汽車的每個旋翼和對應的輪轂可以共用同一套動力系統，有效降低了整體系統的復雜度，節約了制造成本。本文主要對飛行汽車的機械結構設計做詳細介紹。

1 可變形四旋翼結構

在多數飛行汽車的結構設計中，陸地行駛動力系統和飛行動力系統往往是相互獨立的，這就帶來了制造成本的提升、系統復雜性高等問題。因此，本文基于四旋翼飛行器結構，設計了一款共用動力系統的飛行汽車模型裝置，它通過一個簡單的45°傾轉機械裝置和一套離合系統，實現了同一套動力系統在汽車形態和飛行形態間的切換。同時，該傾轉系統還能作為汽車形態下的轉向系統，而不需要其他額外的轉向機構，因此整個裝置結構更加簡單高效，制造成本也較低。

1.1 變形機構設計

相較于其他種類的飛行器，多旋翼類飛行器的突出優點是能垂直起降，飛行安全穩定。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。本文設計了一套簡單的傾轉結構將這兩個位置聯系在一起。

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

圖1 45°傾轉結構

三維結構設計如圖2所示。轉子部分通過固定在定子內的減速步進電機驅動旋轉，減速步進電機可以在操控者的控制下旋轉至任意角度并停止。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子座上。因設計的是飛行車模型，考慮到動力有限和加工成本，轉子部分均為用碳纖維板搭建的框架結構。定子部分為3D打印的高強度尼龍結構件，通過碳纖維管與飛行車機身連接。

圖2 水平姿態和豎直姿態

1.2 離合式輪轂驅動

在圖2中，輪轂的離合驅動機構是一個關鍵部件，它必須實現：飛行形態時，電機只驅動螺旋槳工作，輪轂不轉動，以達到最小的動力損耗；汽車行駛形態時，電機通過減速裝置驅動輪轂轉動。在兩個前輪結構中，輪轂驅動齒輪、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構件上，滑動結構件嵌在中心板與輪轂支撐臂構成的滑槽中，使得滑動結構件可沿著輪轂徑向滑動，具體結構如圖3所示。同時，滑動結構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。

圖3 輪轂離合驅動機構

2 動力與傳動系統參數

2.1 無刷電機

相較于傳統的有刷電機，無刷直流電機采用半導體開關器件來實現電機線圈換向，不需要傳統的換向器和電刷等部件，因此運行更加穩定，噪音低，適合應用在大電流、高轉速等設備中［6］。本文設計的飛行汽車，自身質量約為2.35 kg，輪轂直徑約為140 mm，采用的無刷電機參數，如表1所示。

根據上述型號無刷電機的參數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

根據電機參數和輪轂尺寸，在離合驅動結構中設計了如圖4和表2所示的傳動方案。

表2 齒輪參數

圖4 傳動結構

根據表1中電機的最大轉速、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和最大驅動力F。

表1 無刷電機及運行參數

式中：nmax為最大轉速，r/s；i為傳動比；r輪為輪轂半徑，m，代入上述參數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，代入上述參數可得最大驅動力為83.66 N。

3 飛行汽車控制方案

3.1 飛行形態

當飛行汽車處于飛行形態時（見圖5），45°傾轉機構旋轉使得螺旋槳與地面平行。此時，滑動結構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，電機僅驅動螺旋槳轉動，而輪轂不動，實現飛行。此時飛行汽車即為典型的四旋翼結構，整個裝置在飛行控制系統的控制下實現各種穩定飛行動作，如垂直起降、前進、后退、側飛、轉彎等。

圖5 飛行形態

3.2 汽車形態

當飛行汽車處于汽車形態時（見圖6），45°傾轉機構旋轉使得輪轂與地面垂直，接觸地面。此時，在自身重力作用下，滑動結構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，電機可驅動離合齒輪、同步帶輪和輪轂驅動齒輪，使得輪轂轉動。并且通過設計合理的齒輪減速比，可有效增加輪轂的扭矩，本設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動45°傾轉機構實現轉向，不需要額外的轉向系統。

圖6 汽車形態

4 結語

本文提出了一種基于可變形四旋翼結構的飛行汽車模型設計方案。它通過一套獨特的全向旋轉變形機構，可方便實現飛行汽車的飛行形態和陸地行駛形態之間的轉換。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°傾轉系統的機械結構設計圖紙，其中包括動力系統和離合齒輪傳動系統的設計參數。通過模擬計算表明，這套傾轉系統完全符合設計要求，并且飛行汽車的每個旋翼和對應的輪轂可以共用同一套動力系統，有效降低了整體系統的復雜度，節約了制造成本。