飞行汽车变形机构设计建模及仿真毕业论文.docx
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飞行汽车变形机构设计建模及仿真毕业论文
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摘要
随着道路上的车辆越来越多，现在越来越容易出现交通拥挤，于是出现了飞行汽车，但是现在的飞行汽车基本都不能在普通的道路上以普通汽车模式行驶的同时，在遇到堵车的情况下能及时地起飞避开拥堵路段。
该研究的意义就在于实现飞行汽车在汽车模式下在道路上遇到拥堵时，可以及时完成变形同时起飞离开拥堵路段到达目的地。
这样能很大程度的提高飞行汽车作为普通交通工具的可能。
本次毕业设计就将利用Solidworks进行设计并建立三维模型，利用铰链，液压，连杆等机构实现飞行汽车的变形。
关键词：
飞行汽车、变形、机构
Abstract
Withmoreandmorevehiclesontheroad,itisnowmoreandmorepronetotrafficcongestion,soflyingcarsappear,butnowadaysflyingcarsarebasicallyunabletodriveinordinarycarmodeonordinaryroads.Inthecaseoftrafficjams,itcantakeoffintimetoavoidcongestedroads.Thesignificanceofthisstudyistorealizethatwhenflyingcarsencountercongestionontheroadincarmode,theycancompletethedeformationintimeandtakeoffandleavethecongestedroadtoreachtheirdestination.Thiscangreatlyimprovethepossibilityofflyingcarsasordinaryvehicles.ThisgraduationprojectwilluseSolidworkstodesignandbuildathree-dimensionalmodel,usinghinges,hydraulicpressure,connectingrodsandothermechanismstoachievethedeformationofflyingcars.
Keywords:
flyingcar,deformation,mechanism
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
随着经济的增长，路上的汽车数量不断增长，越来越多的车挤在同一条道路上就造成了交通拥堵。
人们为了解决这种现状纷纷开始抓紧了研究可以实现更高效运载的交通工具。
早在1986年就已经出现了第一台飞行汽车，但直到现在，也只有少数的几家公司的飞行汽车可以做到符合普通道路的标准的同时还能在到路拥堵的时候及时起飞远离拥堵。
现在主要车型有吉利收购的美国公司Terrafugia生产的TF-X，LiliumAviation公司的Liliumjet，还有明年将在2020年奥运会上点燃圣火的来自丰田的SkyDrive。
但是TF-X在网上给出的数据是翼展6米，这使得TF-X如果需要起飞的话就必须要有特定的场地才能起飞。
同时Liliumjet也需要专用的停机点。
这很大程度上限制了飞行汽车的普及。
如今的飞行汽车基本都不能在普通的道路上实现以普通汽车模式行驶的同时，在遇到堵车的情况下能及时地起飞避开拥堵路段。
该研究的意义就在于实现飞行汽车在汽车模式下在道路上遇到拥堵时，可以及时完成变形同时起飞离开拥堵路段到达目的地。
这样能很大程度的提高飞行汽车作为普通交通工具的可能。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在国外，各个公司都在竞相研发飞行汽车，企图早些抢占飞行汽车这一领域的市场份额。
打车巨头公司Uber的打车项目VTOL，如图1.1所示，是行业最大的出租车项目之一。
Uber的Uberair飞机将能够达到150mph的时速，并且在载有一名飞行员和四名乘客的情况下，他的非备用动力的续航里程约为60英里。
原型机是电动的，并且可以自行飞行，但是飞行员也能够在紧急情况下收回控制权。
但是这种飞行出租车是需要专门的停机坪，而且没有具备转换成汽车状态的功能。
图1.1VTOL巡航图
Volocopter2X是由德国研发，如图1.2所示，具有通过单个操纵杆控制的18个用电池供电的旋翼。
2X可以搭载两名乘客；它的飞行时间为30分钟，充电中心之间的飞行距离为17英里。
这种只有旋翼的飞行载具在飞行速度上以及飞行距离上很难满足远距离输送的需求。
图1.2Volocopter外形图
PioneerPersonalAirLandingVehicle是由荷兰一家汽车公司开发的，这款飞行汽车主要是由旋翼提供飞行动力的，这款飞行汽车可以在十分钟内把旋翼展开，变形成为旋翼飞机的状态，此时最大的飞行速度可达320公里每小时。
但是这款飞行汽车起飞需要160米的跑道来起飞，同时还需要30米的跑道进行降落，所以其实很大程度上也限制了这款飞机的使用。
如图1.3所示，
图1.3PioneerPersonalAirLandingVehicle外形图
KittyHawk的飞行汽车Heaviside，如图1.4所示，使用八个马达（机翼上的六个和前舵上的两个）来产生垂直升力，使螺旋桨向下倾斜，并在面向后方时产生水平推力。
这款飞行汽车只能在离地三到十英尺高的地方盘旋，所以这个原型机也只能算作为娱乐用途了。
但是这种勇于创新的精神也是非常值得我们学习。
图1.4Heaviside外观图
Pop.Up.Next是奥迪和空客集团以及意大利汽车造型工作室Italdesign三方合作展示了飞行出租车的原型，如图1.5，该车在2018年11月的时候，在荷兰阿姆斯特丹举行的无人机周展会上亮相了。
这款出租车概念车由能装载一名乘客的有自动驾驶能力的电动汽车和一个飞行器组成，在第一次公共飞行试验中，驾驶模式可以准确携带到试验场，然后车辆进入地面模式，将其变成自动驾驶的电动汽车，以自动驾驶方式驶出试验场。
可惜的是这个项目已经被奥迪叫停，奥迪公司认为这个项目需要花费大量的时间。
图1.5Pop.Up.Next外形图
1.2.2国内研究现状
国内的飞行汽车相对于国外有很大的差距，国内的吉利汽车公司研发的transition，如图1.6所示，飞行时最高时速可以达到322公里每小时，最大高度可以到达3000米，但是这款飞行汽车虽然可以变形，可以很有效的节省空间，但是变形后需要500米的出跑才能起飞。
如果在市堵车了恐怕很难找到合适的地方进行起飞。
图1.6Transition外形图
吉利旗下公司之前也推出一款飞行概念车，名叫TF-X，是吉利公司收购的美国公司Terrafugia推出的可以变形的垂直起降飞行汽车，如图1.7所示，这款飞行汽车在空中飞行的时候最高时速可以达到322公里每小时，续航超过了800公里。
这款飞行汽车起飞不需要专用的跑到，可以在任意的地方进行起飞。
这款飞行汽车现在还处于概念状态，该公司的成员认为这款飞行汽车在未来需要8-12年才能正式投入生产。
图1.77TF-X概念图
中国的亿航184，如图1.8所示，是广州亿航智能技术有限公司研发的全球首辆可在人的无人驾驶飞机，亿航184是一款完全自动化、完全安全、完全舒适、通过基本的触摸屏界面供电、任何人都可以使用的个人四轴飞行器。
但这款飞机更偏向于是专用的停机坪之间的运输，不能在普通的公路上行走。
但这也说明了未来的一个趋势。
图1.8亿航184外形图
1.3设计时主要难点
论文研究难点在于以下几点：
第一，现在市面上很少利用旋翼和固定翼镶嵌结合的飞行器，飞机都很少，不管是国内还是国外，所以这次需要设计一个可以运用在汽车上的镶嵌式旋翼。
现在大家研究主要的是在固定翼上挂上旋翼，这样设计会简单一些，但是这样设计会占用比普通机翼更大的空间，所以希望可以通过设计把旋翼与固定翼镶嵌在一起，这样就可以节省大量的空间。
第二，旋翼的结构比想象中要复杂很多，由于不是学这方面专业的，所以需要自己查阅大量的网上资料以及书籍进行学习。
而且不同的旋翼有不同的结构，需要找到或者设计一个合适于本飞行汽车的旋翼非常重要。
设计的同时还需要进行建模查看结构与结构之间是否合理可行。
还需要通过修改模型以达到合适的大小嵌入固定翼中。
第三，对一个完整的大型的产品进行设计的事情从来没有尝试过，而且SolidWorks的曲面功能也是没有接触过，所以也是需要通过不断的做，同时在网上查找大量的资料，同时也没有学过设计或者美术，对于在脑海中想象的图形和实际做出来的图形相接近有难度，然后还需要再把画出来的图形用SolidWorks的曲面造型进行建模就更难了。
第四，用Adams和MATLAB/Simulink进行联合仿真也是之前从来没有接触过的东西，所以也需要自行查阅大量的资料进行学习。
联合仿真需要把建模导入到Adams的同时，需要知道零件的运动轨迹，然后建立函数表达。
运动轨迹的函数和设计建模又有相关联，所以需要通过多次设计建模才能达到理想的运动轨迹，然后导入MATLAB/Simulink中进行仿真，如果运动函数有错误，MATLAB/Simulink将无法进行仿真，这时需要重复建模然后导出导入，工作量相当大。
第二章飞行汽车变形结构设计研究
2.1飞行汽车旋翼部分研究
旋翼系统是直升机最关键的动部件，起着为直升机提供升力、前进力及操纵力的作
。
本论文研究的飞行汽车旋翼部分的设计采用的是直升机的旋翼设计，但是由于本次所采用的旋翼数量比较多，所以需要在普通的旋翼系统上进行修改。
直升机和普通客机的飞行原理是相同的，都是通过叶片或机翼在运动的过程中使流过叶片或机翼的气流速度形成速度差，形成向上的升力，当向上的升力大于机身的重量时，直升机就向上飞，当升力小于重力的时候就向下降。
但是直升飞机的旋翼系统相对比较复杂，首先我们先对系统的结构进行分析。
简单的旋翼系统如图2.1所示，即为旋翼系统总示意图。
由示意图我们可以知道，这个旋翼的系统，是由六个部分组成，分别是：
旋翼主轴，旋翼叶片，旋翼叶片柄，操纵杆，倾斜盘，固定。
图2.1旋翼结构示意图
2.1.1倾斜盘
其中最重要的是倾斜盘部分亦称自动倾斜器，自动倾斜器是直升机操纵系统及旋翼系统的一个重要组成部分，直升机在空中飞行时的姿态调整及升力分配是通过旋翼的总距及周期变距操纵来实现的，这些操纵都离不开自动倾斜
。
目前，自动倾斜器环式结构较多，以球铰式为例，可以将直升机自动倾斜器分为动环组件和不动环组件，动环组件主要由动环、变距拨杆等部件构成；不动环组件主要由防扭臂、不动环等构
，如图2.1.1所示。
图2.2自动倾斜器的构
图2.3中的操纵杆是用于控制叶片的倾斜角度的，因为直升机的旋翼并不是通过旋翼的转速来进行上升和下降的，而是通过控制叶片的迎角来改变升力实现机体的上升和下降。
同时操纵杆也起到了控制直升机前进和后退的作用。
图2.3操纵杆
同时旋翼中重要的零部件还有挥舞铰、摆振铰和变距铰。
2.1.2挥舞铰
挥舞铰是一种铰接装置，它的作用是在飞机向前倾斜前进时，旋翼的旋转，前方的升力会大于后方的升力，因为旋翼前行叶片的相对气流速度会大于后行叶片的相对气流速度，所以就会造成旋翼两侧的升力不均。
这时，如果叶片和桨毂刚性链接，一方面叶片上下不均的升力会使叶片产生强烈的扭曲，这不仅会加速叶片的疲劳，还会引起振动。
另一方面，旋翼两侧的升力不同会使飞机失去平衡向一边侧翻。
为解决这一问题，加入了挥舞铰。
2.1.3摆振铰
摆振铰也是一种铰接装置，他的作用是在叶片向上挥舞时，中心向旋转轴靠近，产生的科里奥利力矩使叶片加速旋转。
而当叶片恢复水平时，重心远离旋转轴，科里奥利力矩又会使叶片减速旋转。
这种情况下叶片会在水平方向前后摇摆，补偿挥舞造成的科里奥利力矩。
这种摇摆会对叶片造成很大的损害，所以需要加一个摆振铰来解决这个问题。
2.1.4变距铰
变距铰就是用来改变叶片的迎角，以便在飞行的过程中随时可以通过改变叶片的角度来增大升力使飞机向上爬升或者减小升力使飞机向下降落。
挥舞铰、摆振铰和变距铰如图2.3所示：
图2.4挥舞铰、摆振铰和变距铰
第三章飞行汽车变形结构及总体建模
3.1SolidWorks软件介绍
这次毕业设计建模使用的软件是SolidWorks。
SolidWorks是Windows系统中的机械设计软件。
它是整合了CAD/CAE/CAM三个功能的软件，其设计功能主要是在主界面完成。
该界面的操作完全是Windows风格的，并且具有人性化的操作界面。
SolidWorks可以动态查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零件执行动态干涉检查和自由空间检测。
同时还可以对装配体的零件进行动态修改参数，对整体进行设计方便。
在建模方面，SolidWorks通过可控制的切线操作（例如使用控制线进行扫描，跟踪，填充和拖动）来生成复杂的曲面。
同时还可以直观地对曲面进行修剪，拉伸，倒角和缝合操作。
SolidWorks的操作界面如图3.1所示。
图3.1SolidWorks操作界面
3.2固定翼变形结构
为了节省空间，以达到能在国内普通的3.5-3.75米的公路上进行起飞的功能，所以需要进行分步变形。
第一步的变形是利用液压杆把固定翼从车身贴合的状态下，利用如图3.2中标示的液压杆推动固定翼抬升到水平的状态，在这个状态下可以让旋翼环和旋翼有足够的空间展开，如图3.3所示。
图3.2固定翼液压杆初始状态
图3.3固定翼液压杆伸长状态
在这个状态下，飞机可以通过机身两侧的旋翼同时启动，从而达到垂直起飞的效果。
在第二阶段的变形中，利用铰链机构中的液压杆推动连杆，如图3.4，然后通过连杆机构把机翼进一步的展开到完全展开的状态，如图3.5。
旋翼向前转，在这个状态下，通过向前的旋翼旋转提供向后的推力，当达到一定速度之后就可以进行前进飞行，如图3.6所示。
图3.4推出机翼的铰链机构
图3.5固定翼完全展开
图3.6旋翼向前时的状态
3.3旋翼变形结构
旋翼在本毕业设计中起到了非常重要的作用。
本次毕业设计中，我们选用的叶片的翼型是Lissaman7769，叶片的弦长是0.1m，叶片的展长是0.6m，如图3.7，图3.8所示。
图3.7机翼设计
图3.8机翼设计
通过一系列的计算得出，我们的飞行汽车需要装载6个叶片，才能使旋翼在合理的转速范围内提供足够的升力让飞行汽车向上爬升。
在这个数量下的叶片，也可以降低旋翼的最大直径。
叶片的参数如下表3.1所示：
表3.1旋翼叶片参数
参数类别
数值
翼型
Lissaman7769
弦长
0.1米
展长
0.6米
片数
6片
本次设计的飞行汽车中的旋翼既要在水平的状态下，如图3.5所示，提供向下的推力，使得飞行汽车能在垂直方向上上升下降，还需要在垂直的状态下，如图3.6提供向后的推力，使得飞行汽车能够在水平方向上前进。
并且旋翼在飞行汽车在公路上行走的时候还不能影响到整个车体的协调性，所以需要把旋翼设计成可以收折的状态以减小旋翼所占的空间，如图3.9所示，旋翼收折起来可以节省一半以上的占地空间。
在这个状态下，旋翼的叶片部分收入到固定翼的空位处，如图3.10所示，这样同时还有保护旋翼叶片，减小叶片受损的概率的作用。
图3.9旋翼收折状态俯视图
图3.10旋翼收折在固定翼中
旋翼叶片部分，两边的叶片收折方向是要相同的，所以两个相互对着的一组叶片的的链接机构都应该是在同一个方向上，但是同时这里的六个叶片的方向都是要保持在一个方向上的，比如一个旋翼上的所有叶片要么同时是朝顺时针方向的，要么同时朝向逆时针方向。
只有这样才能保证每一个旋翼的叶片都是提供升力的，而不是抵消升力的。
为了让叶片可以收折起来而且不会相互碰撞，并且还不会碰到旋翼的架子，所以每个两个相对的一组需要给它们设置一组收折的角度。
通过大量的建立模型修改模型的实践之后，如图3.11所示，我发现图中旋翼叶片1、2的收折偏转角度为8度，旋翼叶片3、4的收折偏转角度为4度，旋翼叶片5、6的收折偏转角度为0度时，可以节省更多的空间。
图3.11旋翼收折图
不同叶片所对应的角度如下表3.2所示：
表3.2不同叶片所对应的不同角度
叶片名称
角度
叶片1、叶片2
叶片3、叶片4
叶片5、叶片6
在这个上述的叶片收折角度下，叶片收折时叶片的最低处也不会超过旋翼架上的位置，如图3.12所示：
图3.12旋翼侧视图
图中，箭头所标示的位置即为旋翼架的位置。
从图中我们可以看出旋翼的叶片的最低点没有超过旋翼架的位置，所以叶片在收折的过程中不会碰撞到承托旋翼部分的旋翼架，这样做有效地避免导致叶片受损影响飞行及驾驶安全。
旋翼的部分有较多的机构，所以会有很多零部件。
所以旋翼的设计部分也比固定翼的部分设计要困难得多。
首先，旋翼的基本组成有：
旋翼轴，倾斜盘，操纵杆、倾斜盘液压杆还有叶片。
其次为了增加旋翼叶片耐用性，还增加了挥舞铰和摆振铰还有摆振阻尼器。
旋翼整体组装细节部分如图3.13所示。
图3.13旋翼整体组装细节图
本次设计的倾斜盘主要由五部分组成，分别是倾斜盘球体、中间换、倾斜盘上部、倾斜盘下部和轴承。
倾斜盘总装图如图3.14所示：
图3.14倾斜盘总装图
我设计的这个倾斜盘可以实现其他倾斜盘一样的功能，都可以达到改变叶片的迎风角、调整旋翼锥体可以向前后左右各个方向倾斜，这样就能让飞行汽车上升下降、向前后左右倾斜，从而实现往不同的方向飞行。
我设计的这个倾斜盘可以同时操控到六个叶片，进行对叶片迎风角的改变。
倾斜盘的上部拉伸出来的球体部分是用于和控制叶片迎风角的操纵杆相连接的。
如图3.15所示，
图3.15操纵杆示意图
倾斜盘的下部连接的是液压杆，一个液压杆的升降会使倾斜盘往其中一个方向倾斜，使得飞行汽车向那个方向倾斜飞行。
当全部液压杆同时升降的时候，此时的作用是改变叶片的迎风角从而改变旋翼所提供的升力来实现上升和下降，如图3.16所示，
倾斜盘液压杆
图3.16倾斜盘液压杆
旋翼中的挥舞铰和摆振铰开始是分开两个零件分别担当挥舞铰和摆振铰的角色，如图3.17所示，
图3.17分开的挥舞铰、摆振铰
后来利用十字形结构把挥舞铰的上下运动和摆振铰的左右运动结合在一个零件上，这样设计使得旋翼整体更加紧凑。
挥舞铰和摆振铰如图3.18所示。
图3.18挥舞铰与摆振铰相结合、摆振阻尼器
上图3.18中的摆振阻尼器是为了防止摆振铰摆得太厉害，还需要为摆振铰添加摆振阻尼器。
当飞行汽车在地面上滑行和或者降落时旋翼会和地面产生地面共振的现象。
地面共振是一种旋翼和机体耦合的动不稳定性运动—自激运动，主要的自激振动源是旋翼后退型摆振运动与旋翼桨毂中心有水平运动的机体模态耦
。
直升机地面共振在桨叶一定转速范围内发生，这个范围称为直升机地面共振转速不稳定区。
避免地面共振的主要途径是适当选择起落架的刚度、阻尼，并在各桨叶上配置适量阻尼的减摆
。
所以在这里我添加摆振阻尼器还有一个作用就是为了避免地面共振对旋翼和机体造成破坏。
旋翼的收折使用齿轮传动，这样增加它收折的可靠性，稳定性还有转动的准确性。
利用电机控制每一个位置的叶片收折的角度，不同特定位置的叶片收折的角度不同，用电机控制可以控制他们的每个叶片之间不发生相互碰撞，如图3.19所示，
叶片
图3.19叶片收折传动
因为旋翼是需要旋转收折的，所以在旋翼叶片和叶片固定的地方是有分开以及对接的，所以我在旋翼叶片固定部分设计了一个卡槽，叶片上有对应的卡位，同时在叶片固定的卡位旁设计了弹簧和锁紧柱，在锁紧柱对着叶片的方向有个较大的倾斜倒角，是为了方便叶片回归与叶片固定架贴合的时候卡紧时可以以较容易地卡入卡槽，然后等卡孔超过锁紧柱时叶片就被固定在了叶片固定架上，而且在没有任何触发锁紧柱撤回之前，叶片都不会离开叶片固定架。
这样设计可以增加机翼在高速旋转的过程中的稳定性及可靠性，如图3.20所示。
图3.20叶片固定设计
第四章变形机构联合仿真
4.1MATLAB/Simulink和虚拟样机ADAMS简介
MATLAB（MatrixLaboratory）最初是CleveMoler用Fortran语言设计的，有关矩阵的算法来自Linkpack和Eispack课题的研究成果；现在的MATLAB程序是MathWorks公司用C语言开发的。
MATLAB整合了矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术等四个功能，为用户提供了一个很强大的科学及工程问题的分析计算和程序设计软件，它还提供了相当高水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是一款具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。
MATLAB操作界面如图4.1所示。
ADAMS软件是世界上使用范围最广的虚拟样机仿真软件。
这款软件采用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，它可以创建完全参数化的机械系统几何模型，它的求解器是采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，来建立系统动力学方程，然后对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，它还可以输出位移、速度、加速度、和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
操作界面如图4.2所示。
图4.1MATLAB操作界面
图4.2Adams操作界面
4.2飞行汽车固定翼变形仿真流程
在本次研究中，飞行汽车固定翼变形的仿真采用虚拟样机软件ADAMS和MATLAB/Simulink相结合的仿真形式，在Soliworks中建立飞行汽车固定翼的简化三维模型，在Adams中建立各部件之间的约束关系，设置运动副参数，完成动力学建模[7]。
模型的输出量又通过Simulink提供的接口，反馈到ADAMS-sub子系统中，在Matlab中建立联合仿真模型[8]。
在MATLAB/Simulink中绘制控制系统，编写控制程序，完成仿真系统设计。
设计框图如图4.3所示。
图1.3联合仿真流程图
4.3固定翼变形结构三维模型绘制及虚拟样机设置
为了尽可能得减轻仿真复杂程度，减少仿真过程中可能出现的错误，需要将固定翼变形结构的机械结构化到最简，去除所有的电机、轴和控制元件，在完全能够满足仿真需要的基础上将机构最简化。
简化后的三维建模图如图4.4所示。
图4.4简化后的建模
在完成建模之后，需要将模型保存为*.x_t格式文件，然后通过Adams的导入接口导入到Adams中，过程如图4.5所示。
图4.5导入文件过程图
导入模型如图4.6所示
图4.6导入模型
4.3.1添加约束
点击菜单栏“连接”选择固定副，我这里选择把固定架固定，所以需要点击选中固定架之后再点“地面”进行固定，如图4.7所示
图4.7固定支架
点击菜单栏“连接”选择转动副，选择两个物体并建立转动副，如图4.8所示。
图4.9添加转动副
选择两个液压杆建立移动副，如图4.10所示。
图4.10添加移动副
把所有的转动副和移动副和固定点建立好，如图4.11所示。
图4.11约束添加完成
4.3.
升级会员 