陆空两用无人小车结构设计

　　文章对陆空两用无人小车结构进行了设计，其主要包括混合动力系统、传动系统、轮毂翻折机构以及轮毂、螺旋桨一体化结构，旨在减少机构纵向及横向的运动空间；油电混合驱动使小车具备更强的续航能力，最终实现了快捷方便的无人小车陆空模式切换。

　　关键词：陆空两用；无人小车；传动系统；翻转机构

　　目前，无人机、无人小车在军事、科学研究、农业、电力、运输、气象等诸等行业都得到了广泛应用，随着技术的不断发展，其优势越发凸显。无人机具有通过性好、速度快等优点，但是在洞穴、楼道等复杂环境中存在诸多不便，并且由于电量限制无法长时间作业[1]。地面车辆相对效能更高，但速度慢、移动性较差，受道路情况影响较多。针对上述问题，将空中飞行与陆地行驶功能有效结合，可极大地提升其性能以及扩大应用范围。

　　1陆空两用无人小车结构设计思路

　　动力驱动系统采用油电混合模式，降低小车在陆地行驶模式下的能耗，有效提高其续航能力，弥补无人机续航时间短的致命缺点。采用遥控方式驱动电机运转，进而实现机器的进退、转向、悬停等运动。翻转机构使小车可实现飞行、陆地行驶两种模式的自由切换，并在切换过程中保持车体的稳定性，不会发生倾斜、翻转等状况，解决目前固定翼或折叠式机器在切换飞行与陆地模式时空间占用大的问题。设计具备以下特点：1）灵活性：采用车轮翻转机构既可实现小车在两种模式下的灵活切换，又减少纵向及横向空间。2）质量轻：采用轻质材质，在减轻自身重量的同时满足设计强度，保证主体结构在满足承载能力的同时，具有一定的抗摔能力。3）易维修性：翻转机构和动力系统设计中留有合适的空间，装拆方便，方便机器出现故障能及时进行检修。4）美观性：陆空两用无人小车作为一种新颖的设备，外观美观，结构符合美学构图原理，讲究色彩搭配和光影明暗效果。5）续航能力强：采用油电混合驱动可充分利用高效率区运行，提高无人小车的续航能力。

　　2陆空两用无人小车结构动力系统类型及设计

　　2.1动力系统类型

　　目前，市场上存在的多旋翼飞行器动力源主要分为燃油发动机和电动机两种。燃油发动机多用于中大型旋翼飞行器，具有续航远、载重大、使用寿命长、便于维护等优点，但体积较大、自重较重，同时具有噪声大、易污染等缺点。电动机多用于中小型模型飞行器，成本低、无污染，易实现各旋翼的差速控制，但单次飞行时间较短，一般为20min[2]。综合考虑，设计采用油电混动形式，节能环保的同时保证续航时间。

　　2.2动力系统设计

　　动力系统主要由电动机、发动机和共用太阳轮的双排行星齿轮组成，其中发动机直接与后行星架相连，电动机通过减速器与太阳轮相连，前行星架与输出轴相连，如图1所示。动力系统工作模式分析如下：1）接和制动器B2、B4，则前齿圈、后行星架固定，此时太阳轮为主动件，前行星架为从动件，后齿圈空转。动力传递路线：电动机→太阳轮→前行星架。此模式为纯电模式，发动机不工作时噪声小、无污染，适用于小功率输出的情况。2）接和制动器B2、B3，则前、后齿圈固定，此时太阳轮为主动件，前、后行星架为从动件。动力传递路线：电动机→太阳轮→前、后行星架。此模式为启动模式，电动机在完成动力输出的同时启动发动机。3）接和制动器B2、B3，则前、后齿圈固定，此时后行星架为主动件，前行星架为从动件。与启动模式不同的是，此时的电动机不工作，动力由发动机输出。动力传递路线：发动机→太阳轮→前行星架、电动机。此模式为充电模式，发动机在完成动力输出的同时带动电动机旋转，完成发电工作。4）接和制动器B2、B3，则前、后齿圈固定，此时后行星架、太阳轮为主动件，前行星架为从动件。动力传递路线：发动机、电动机→太阳轮→前行星架。此模式为运动模式，发动机和电动机共同驱动太阳轮旋转，完成大功率输出。5）接和制动器B1、B3，则前行星架、后齿圈固定，此时后行星架为主动件，太阳轮为从动件，前齿圈空转。动力传递路线：发动机→太阳轮→电动机。此模式为静充电模式，无动力输出，发动机工作时仅为电池充电。

　　3陆空两用无人小车结构传动结构设计

　　3.1分动机构设计

　　分动机构简图，如图2所示。动力由输出轴输出后经两组相互啮合齿轮分动至两轴，各轴中间的差速器将转矩均匀传至两半轴，半轴上具有带式制动器，通过制动各半轴完成两半轴的差速，从而实现各轴间不同转速控制。但2号、4号车轮的传动与1号、3号车轮略有区别，需要在输出轴与传动轴之间再加装一个倒挡齿轮，使2号、4号车轮作为机翼使用时其旋转方向与1号、3号机翼相反，从而满足飞行条件。在陆地模式时，中间齿轮撤去，齿圈与传动轴直接相连，实现四轮驱动，这一转化过程可以通过手动换挡的方式实现。

　　3.2翻折处传动机构

　　翻折处传动机构简图，如图3所示。传动轴本应水平、一体化，但由于要进行驾驶模式的切换，文章将传动轴设计成断开可翻折的结构。传动轴断开处采用固定刚性联轴器加直齿锥齿轮的传动结构，陆地模式下，两轴间通过联轴器完成水平方向传动；飞行模式下，两轴间通过相互啮合的直齿锥齿轮完成水平向垂直方向传动。因联轴器传动和直尺锥齿轮传动均无间隙，从而使动力能够精准传递，也保证了折叠时不会出现卡齿现象。

　　4翻转机构设计

　　翻转机构在实现车轮与螺旋桨同轴一体化的同时，可快速实现两种驾驶模式的切换，当无人车由陆地行驶模式转化为空中飞行模式时，翻转机构可将螺旋桨翻转与地面平行，实现空中飞行，当无人小车由飞行模式转化为陆地行驶模式时，将螺旋桨翻转与地面垂直[3]。翻转机构简图，如图4所示，其中轴承座内部通过轴承与传动轴相连，外部通过支架与大齿轮Ⅱ相连。当陆地模式需要切换为飞行模式时，由电动机提供驱动力，驱动减速器大齿轮旋转，大齿轮带动同轴小齿轮，将转矩传至大齿轮Ⅱ，从而使得传动半轴与轴承支架同步旋转，完成转换。两级减速机构可以实现电动机的减速增矩，使翻转机构工作时能够获得更大的扭矩和适当的翻转速度，提高了翻转机构工作的稳定性。同时，实现飞行模式下反向锁止功能，确保飞行时无人小车的稳定性与安全性。

　　5轮毂、螺旋桨设计

　　轮毂、螺旋桨一体化结构，如图5所示。传统的多旋翼陆空两用无人小车多采用螺旋桨、车轮分开化的结构，这样的设计不仅占用了较大空间、增加自身重量，还使传动机构变得复杂，并且独立的螺旋桨机构也较容易损坏。设计将螺旋桨与车轮同轴，行走时螺旋桨镶嵌在轮毂中作为轮辐使用。轮毂通过翻转机构旋转90°，螺旋桨转动，这时无人小车即切换为飞行模式。螺旋桨桨叶数目是螺旋桨的重要参数，决定了螺旋桨的效率和载重[4]。增加桨叶数目可以减小螺旋桨的尺寸，增加最大拉力，减少风的干扰，有利于充分吸收发动机功率，同时会导致螺旋桨重量的增加，和桨叶互相干扰。设计综合考虑无人小车的质量和载重要求及驱动装置的转速，决定选用四叶桨作为螺旋桨桨叶。

　　6结束语

　　文章充分考虑现有无人机和无人小车的优缺点，对动力系统、传动系统、翻转机构以及车轮和螺旋桨一体化结构进行了设计，在保证无人小车正常行走的前提下，可以实现向飞行模式的快速切换，弥补了无人小车通过性较差的缺陷。同时，动力上采用了油电混合的形式，可实现双向输出和快速充电，解决了无人机的续航短问题。

　　参考文献：

　　[1]杨文亮,韩亚丽,许周凯,等.小型陆空两栖无人机的结构设计与试验[J].机电产品开发与创新,2019,32(6):57-60.

　　[2]陶彦隐.陆空两栖旋翼式无人机结构设计与控制算法研究[D].南京:南京理工大学,2018.

　　[3]陈伟.叉车电池自动助焊装配线的升降与翻转机构设计[J].南方农机,2018,49(22):49.

　　[4]王培基.一种无人机螺旋桨的设计与实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.

　　作者：王晓东 任俊楠 邓立 王见 吴永智