小型无人直升机仿生起落架设计

桑 喆 江 斌 杨记周 赵读伟 高 腾

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009)



小型无人直升机仿生起落架设计

桑 喆 江 斌 杨记周 赵读伟 高 腾

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009)

摘 要：本文设计了一种针对小型无人直升机的仿生起落架。通过展望当前该领域的发展趋势和前景，明确本设计的意义，阐述该设计的目的、原理以及方法。同时，利用仿真模拟软件，进行受力分析的计算、三维函数图象的绘制、校核强度，并最后分析设计的可行性。

关键词：小型无人直升机 仿生 起落架 三维建模 强度校核

引言

随着近年来无人机技术的快速发展，小型无人直升机作为一种先进的飞行器，在军用和民用领域得到广泛重视。它具有隐蔽性强、起落方便、体积轻巧等特点，既可以执行军事侦察任务，又可以完成高空作业、航拍以及高空实验等。

目前的小型无人机的起落架广泛采用雪橇式（如图1所示）或机轮式，制造工艺性好，成本较低，适用于简易平坦地形的降落任务。本文基于鸟类足部运动模式，设计了一种仿生起落架，以帮助小型无人直升机完成在特殊地形降落的任务，从而拓展其工作范围，提升其应用效果。

1 仿生起落架设计

1.1 仿生起落架原理

本设计采用一种复合的单自由度四杆机构，即将两个四杆机构用齿轮传动连接起来，并对其结构加以改造，设计成一种可以适应于降落崎岖地形和特殊结构的小型直升机起落架，如图1所示。该起落架的主要受力区为如图2所示1、2区，分别在杆状地形和平面地形时作用。该四杆机构是平行四边形结构。安装时，在直升机体底部前后并排装两个仿生起落架，以达到调整机身倾斜角和适应地形的需要。

本课题小组初步确定了起落架的各零部件尺寸、连接方式以及所用材料，并使用CATIA软件进行三维建模如图2所示。然后，使用MATLAB进行力学分析与模拟，最后进行强度校核。

图1 传统起落架图

图　2 起落架三维建模

1.2 重要参数

起落架分为主体结构与连接螺栓两部分。主体结构为主要支撑和受力部分。每个起落架主体由两个用齿轮传动连接的单自由度四杆机构组成。

因本机构低速运转且工况稳定，为了减少装配误差且考虑实际工作区间，齿轮只切出1/4齿数，并固结到构件上。

本课题组组装了T-REX 450作为仿生起落架的实验验证载体。材料选用具体内容见表1。

表1 零部件材料

2 降落特殊地形的可行性分析

2.1 杆状地形

杆状地形指方梁状、圆杆状以及不规则杆状地形。一般，起落架无法满足此种地形的降落要求。本设计采用仿生鸟类抓紧并固定杆状物的原理，设计一种可以满足在此地形降落的起落架。此时主要受力面处于受力1区，如图2所示。

2.1.1 受力分析

根据建模尺寸（单位：mm）：L1=22，L2=30，L3=22，L4=30，s1=20，s2=4，以及γ=β，α=π-φ的几何关系，对CD杆进行平面受力分析，如图3所示。取CD杆为分析对象，受力如图4所示。注意，AD杆是一个二力杆。由于机身重量被2个起落架即4个四杆机构分担，设静摩擦系数f=0.4，F=4.9，Ff=4.9，且有Fn=Ff/f。

图3 四杆机构间画图

图4 构件CD受力分析

由平面力系的平衡条件可知：

同样，可以列出受力关系，并根据式（1）代入相关参数，可得：

用MATLAB进行计算，并作出Fx，Fy，F4以及M的图像，如图5、图6所示。

图6 M随α的变化图

由图像趋势分析知，当α＞1rad时，Fx，Fy，F4以及M取值均在合理区域。

本设计中α=65°处于合理范围内。

当α=65°时，Fx，Fy，F4以及M是随β在（0,π/2）内逐渐增大的函数，图像如图7。

图7 α=65°时M随β的变化图象

由函数图像变化趋势不难发现：Fy，F4随着β的增加略微增大，而Fx几乎不变；M在（0,1）区间内单调增加，在（1,π/2）内单调减少。由此确定，危险工况β=1 rad。

2.1.2 强度校核

由受力分析可知，本设计的危险工况在β=1 rad时出现。现校核该工况下构件CD、二力杆AD以及D处铰接螺栓的强度。

1.构件CD

构件CD受到压、弯载荷而产生组合变形。该构件横截面为矩形（见图8所示），利用式（2）得到其抗弯截面的系数：

图8 构件CD横截面图

将b3=6mm，h3=10mm，代入式（2），得W3=100。再由式（3），计算出所受弯矩载荷。

最后用式（4），计算压、弯组合载荷应力。

2.二力杆AD

二力杆AD受压，对其材料强度进行校核：

3.螺栓1

螺栓1为最危险螺栓，其规格为M3标准螺栓，如图9所示。

它主要受剪切力作用，对其进行剪切力校核：

图9 螺栓1位置示意图

4.校核结论

查LY11以及45钢的材料机械强度参数，取安全因数S=1.2，计算许用应力[σs]与[σ3c]：

由式（2）、（3）和（4），得：

故设计尺寸符合材料强度要求。

2.2 平面地形

这里的平面地形包括平面崎岖地形和平坦弧状地形。该起落架可以通过调整前后起落架的开合角来调整机体的俯仰角度，从而适应于崎岖地形。

平面地形受力与杆状地形受力相似，且其主受力面为受力2区，如图2所示。它的受力情况与起落架开合角无关。其主要破坏形式为受力2区的压溃破坏。

现校核其强度：

故设计尺寸符合材料强度要求。

3 结论

小型无人直升机仿生起落架可以完成机体在崎岖表面以及特殊地形的降落任务，拓展其工作范围。当然，该设计目前依然存在制造工艺性以及畸变地形降落可靠性的不足，所以需要继续对其进行探究，以实现这种先进的装备技术能够真正应用于实践。

参考文献

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[4]韩国玺.直升机起落架构型分析与仿真试验[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[5]李兵.直升机起落架的研究与有限元仿真[D].石河子：石河子大学，2013.

[6]李兵，魏敏，刘振江，朱英杰，张东波.直升机起落架机轮轴载荷分析与强度校核[J].装备制造技术，2012，（12）：35-37.

Design of Bionic Landing Gear for Small Unmanned Helicopter

SANG Zhe,JIANG Bin,YANG Jizhou,ZHAO Duwei,GAO Teng
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009)

Abstract:A short paper is presented to show a bionic landing gear for a small unmanned helicopter. This paper looks forward to the development trend and Prospect of this field, so as to clarify the significance of this design. The purpose, principle and method of the design are described. Using the simulation software to carry on the analysis of the force analysis, the three-dimensional function picture to draw, to check the strength and finally analyzes the design feasibility.

Key words:Small unmanned helicopter, Bionics, Underca rriage, 3D modeling, Strength check

基金项目：合肥工业大学2014年国家级大学生创新训练计划项目（201410359006）。