小型折疊多旋翼無人機的機翼轉軸結構設計

張敬衡

(湖北科技職業學院，湖北 武漢 430074)

目前，市場上的小型多旋翼式無人機按機翼結構劃分為固定翼式(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

圖2 折疊翼無人機

固定翼無人機由于機架和機翼的固定式設計，無轉軸結構，因此剛度好，各機翼上風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振動小、噪聲小、操控性好，運行更加平穩，整機載荷更大，尤其是航拍和探測性能更優異，因而主要用于軍事和商業等有較高性能要求的領域；而折疊翼無人機最大優點在于，不使用時，機翼可以收回并隱藏至機體內，使得體積大大縮小，迷你型甚至可以放進口袋里，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，不需要背負大背包，也無需擔心脆弱風葉被碰壞，因而越來越受到用戶歡迎。隨著機翼轉軸結構設計的不斷改進和新材料新工藝的使用，折疊式無人機的飛行性能、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。現今，無論是網上或網下的民用、商用甚至軍用市場，折疊式無人機都已變得十分暢銷[2]。

本文分析了機翼轉軸的結構設計要求，研究了2種典型自位型轉軸的結構及其優缺點，針對這些缺點提出了一種全金屬自位軸承結構，并指出了其設計中的關鍵技術和注意事項。

1 機翼轉軸的結構設計要求

對于折疊式無人機，機翼的轉軸結構設計是決定飛行器各項性能指標的一個重要因素。優秀的轉軸結構應滿足如下條件[3]。

1)具備自位功能。轉軸旋轉至工作位附近時要求彈性落位，即當機翼旋轉展開至工作位附近時，結構設計上要求產生一個對機翼的附加切向推力或轉矩，幫助機翼自行準確落位。滿足這個功能要求具有3個好處：一是可確保風葉中心的正確位置；二是給使用者一個扭矩突變的手感提示，以免過度旋轉將機翼掰斷；三是產生一個足以抵抗風葉高速旋轉時對機翼的反向扭矩[4]，避免風葉旋轉中心失位而引起整機的振動，或產生非對稱驅動現象而導致飛行器的失穩失控。

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

3)質量輕。無人機在空中運行必須身輕如燕，操控靈活。尤其是便攜迷你型無人機，應盡可能設法減掉多余的材料和質量。轉軸設計同樣如此。

4)使用壽命長。無人機價格不菲，耐用度必須要保證。有運動副的地方，應盡量減少磨損。

5)結構簡單，裝配容易。

2 轉軸結構設計分析

現今絕大多數小型可折疊式無人機，其轉軸結構設計通常是利用機翼和機身這2個塑料零件，在相互連接處的轉動部位分別設計組裝成滑動軸承副，即把其中一個充當轉軸，另一個充當軸承套，或者相反，通過相互間的間隙配合來實現機翼的旋轉展開。這種結構簡單，裝配方便，用材較少，質量較輕。

為了滿足自位功能的設計要求，一般采用如下2種方法來實現機翼展開時的彈性落位。

方法1是分別在塑料機翼軸套和機架殼相互配合的表面上取相應的機翼展開時的工作位置設計球冠形凸點和凹坑(一般是迷你型機采用)(見圖3)，或沿軸向方向上將球冠形變成圓弧形的凸凹柱面(小型機采用)。當轉動機翼臂時，凸起部強力頂開機架內壁，利用塑料機架零件的內壁變形所產生的彈性恢復力實現自位功能。

圖3 機翼彈性落位結構1

方法2是在轉軸的端部切開4道槽，使其變為彈性軸，以便裝入軸套、圓環凸片和蝶簧組(見圖4)；在軸的縱向表面上開有4道淺齒槽，而圓環凸片的內孔設計有相應的內齒，將兩者鑲嵌在一起可使圓環凸片只能上下移動不能轉動；而圓環凸片外部設有4個向下的圓弧突起，突起部位正好是機翼工作位。與之相對應，將機翼軸套的上部設計成圓弧坑，在圓環凸片的上面設置1個蝶簧組，其作用是產生軸向壓力并通過圓環凸片將其轉換成對機翼軸套的切向自位力。

圖4 機翼彈性落位結構2

上述2種方法的優缺點比較如下。

方法1是靠轉動軸承副塑料零件的內外壁變形產生的回復彈性力來實現自位功能的。這里存在一個設計上的矛盾，即回彈力的大小和壁厚有關，壁厚尺寸設計太小能減輕質量，但回彈力通常不足使自位效果不佳；壁厚尺寸大了，則使結構的質量增加，而且會促使變形部位加速塑化產生永久變形進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生的彈力來實現自位；但軸承在旋轉工作時，由于存在金屬零件和塑料零件之間的強力摩擦，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換成切向自位力，轉換效率不高，故蝶簧片厚度通常比標準蝶簧更厚，以獲得更大的軸向力，這樣使摩擦表面工作環境更差。

3 一種新的結構設計

針對上述問題，本文提出一種彈性自位軸承結構，將其用于飛行器機翼轉軸上，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。

這種軸承結構在原理上并不陌生，它廣泛用于一些家電、IT電器以及玩具行業，已經形成粗細、長短系列化的各種規格產品。使用時，可以按照所需要的切向自位力和機翼結構大小來選購，也可以向相關廠家定制，不構成專利侵權。成品外觀和分解結構如圖5所示。

圖5 彈性自位軸承結構示意圖

該軸承由軸芯、軸卡簧、彈簧、下滑塊、上滑塊以及外殼構成。其中，下滑塊和上滑塊在對應的軸向方向設計成正弦共軛凸凹曲面[5]；軸芯外徑和上、下滑塊的內孔為滑動配合；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。

設計機架和機翼的旋轉部位時，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，也就是在機架端部設計1個孔和軸承的下凸塊外表面配合，然后在機翼端部也設計1個孔和軸承的外殼外表面配合。本文推薦采用過度配合，因為塑料具備彈性，金屬件插入時略帶阻力。

軸承工作時，轉動機翼帶動外殼和上滑塊一起轉動，下滑塊由于和機架相連并不隨之轉動，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動一邊相對于外殼向上滑動，而彈簧力則阻止這個運動，其軸向阻力通過凸凹曲面轉換成對機翼的反向阻扭矩；當機翼轉動至上滑塊的凸起頂點，越過下滑塊的凸起頂點后，阻扭矩反向變為正扭矩，此時，無需人工轉動機翼便可自行落位。

設計前，應根據機翼上確定的風葉尺寸和轉速計算出工作扭矩，以此作為確定選購轉軸尺寸的依據。為了確保飛行器安全穩定地運行，選購的轉軸要求其最小工作扭矩為風葉工作扭矩的1.5～2倍。所謂最小工作扭矩是指機翼正轉展開并自行落入工作位之后，反向轉動機翼所需的最小扭矩。該工作位置點是指上滑塊已滑至最低點，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 結語

上述設計是將轉軸作為一個獨立功能部件，其轉動和自行落位功能設計與機翼，機架的材料、結構均無關系，體現了模塊化設計思想。它克服了前2種設計的缺點，無需靠塑料變形來產生彈性回復力導致材料易發生塑性老化問題；也避免了金屬和塑料之間的強力摩擦引起過早磨損失效的問題。

由于轉軸采用了金屬組件，使無人機質量不可避免地加大了。實踐結果表明，采用了金屬結構，各零件的強度、硬度、承載能力和耐磨性與塑料件相比提高了2～3倍，因而其結構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，微型機增加了2～3 g，小型機增加了3～4 g。比起無人機的工作壽命、精確性、穩定性和可靠性等重要性能指標而言，所增加的這點質量是完全值得的。

[1] 廖波，袁昌盛，李永澤．折疊機翼無人機的發展現狀和關鍵技術研究[J]. 機械設計，2012，29(4):1-4.

[2] 宇辰網. 無人機：引領空中機器人新革命[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

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

[4] 李強，李周復，劉鐵中. 折疊變體飛行器風洞試驗模型研發[J]. 機械設計, 2010，27(5):21-24.

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