小型折叠多旋翼无人机的机翼转轴结构设计

张敬衡

(湖北科技职业学院，湖北 武汉 430074)

目前，市场上的小型多旋翼式无人机按机翼结构划分为固定翼式(见图1)、折叠翼式(见图2)和伸缩翼式(本文从略)3种[1]。

图1 固定翼无人机

图2 折叠翼无人机

固定翼无人机由于机架和机翼的固定式设计，无转轴结构，因此刚度好，各机翼上风叶中心理论位置精确且能保持长久，飞行中相对于折叠翼无人机振动小、噪声小、操控性好，运行更加平稳，整机载荷更大，尤其是航拍和探测性能更优异，因而主要用于军事和商业等有较高性能要求的领域；而折叠翼无人机最大优点在于，不使用时，机翼可以收回并隐藏至机体内，使得体积大大缩小，迷你型甚至可以放进口袋里，这对爱好旅游或随时随地想“秀一把上帝视角照”的普通自拍用户来讲，不需要背负大背包，也无需担心脆弱风叶被碰坏，因而越来越受到用户欢迎。随着机翼转轴结构设计的不断改进和新材料新工艺的使用，折叠式无人机的飞行性能、航拍和探测性能以及坚固性、耐用性等均已得到了很大的提高。现今，无论是网上或网下的民用、商用甚至军用市场，折叠式无人机都已变得十分畅销[2]。

本文分析了机翼转轴的结构设计要求，研究了2种典型自位型转轴的结构及其优缺点，针对这些缺点提出了一种全金属自位轴承结构，并指出了其设计中的关键技术和注意事项。

1 机翼转轴的结构设计要求

对于折叠式无人机，机翼的转轴结构设计是决定飞行器各项性能指标的一个重要因素。优秀的转轴结构应满足如下条件[3]。

1)具备自位功能。转轴旋转至工作位附近时要求弹性落位，即当机翼旋转展开至工作位附近时，结构设计上要求产生一个对机翼的附加切向推力或转矩，帮助机翼自行准确落位。满足这个功能要求具有3个好处：一是可确保风叶中心的正确位置；二是给使用者一个扭矩突变的手感提示，以免过度旋转将机翼掰断；三是产生一个足以抵抗风叶高速旋转时对机翼的反向扭矩[4]，避免风叶旋转中心失位而引起整机的振动，或产生非对称驱动现象而导致飞行器的失稳失控。

2)满足关键零件的精度与刚度要求。前者是满足精确的风叶中心位置，后者是防止塑料件塑性变形。

3)质量轻。无人机在空中运行必须身轻如燕，操控灵活。尤其是便携迷你型无人机，应尽可能设法减掉多余的材料和质量。转轴设计同样如此。

4)使用寿命长。无人机价格不菲，耐用度必须要保证。有运动副的地方，应尽量减少磨损。

5)结构简单，装配容易。

2 转轴结构设计分析

现今绝大多数小型可折叠式无人机，其转轴结构设计通常是利用机翼和机身这2个塑料零件，在相互连接处的转动部位分别设计组装成滑动轴承副，即把其中一个充当转轴，另一个充当轴承套，或者相反，通过相互间的间隙配合来实现机翼的旋转展开。这种结构简单，装配方便，用材较少，质量较轻。

为了满足自位功能的设计要求，一般采用如下2种方法来实现机翼展开时的弹性落位。

方法1是分别在塑料机翼轴套和机架壳相互配合的表面上取相应的机翼展开时的工作位置设计球冠形凸点和凹坑(一般是迷你型机采用)(见图3)，或沿轴向方向上将球冠形变成圆弧形的凸凹柱面(小型机采用)。当转动机翼臂时，凸起部强力顶开机架内壁，利用塑料机架零件的内壁变形所产生的弹性恢复力实现自位功能。

图3 机翼弹性落位结构1

方法2是在转轴的端部切开4道槽，使其变为弹性轴，以便装入轴套、圆环凸片和蝶簧组(见图4)；在轴的纵向表面上开有4道浅齿槽，而圆环凸片的内孔设计有相应的内齿，将两者镶嵌在一起可使圆环凸片只能上下移动不能转动；而圆环凸片外部设有4个向下的圆弧突起，突起部位正好是机翼工作位。与之相对应，将机翼轴套的上部设计成圆弧坑，在圆环凸片的上面设置1个蝶簧组，其作用是产生轴向压力并通过圆环凸片将其转换成对机翼轴套的切向自位力。

图4 机翼弹性落位结构2

上述2种方法的优缺点比较如下。

方法1是靠转动轴承副塑料零件的内外壁变形产生的回复弹性力来实现自位功能的。这里存在一个设计上的矛盾，即回弹力的大小和壁厚有关，壁厚尺寸设计太小能减轻质量，但回弹力通常不足使自位效果不佳；壁厚尺寸大了，则使结构的质量增加，而且会促使变形部位加速塑化产生永久变形进而使飞行器性能降低，使用寿命减少。

方法2避开了塑料件的变形，利用金属蝶簧片变形所产生的弹力来实现自位；但轴承在旋转工作时，由于存在金属零件和塑料零件之间的强力摩擦，难免使塑料件工作表面加速磨损，因而使用寿命也会受到较大的影响，而且由于是利用轴向压力来转换成切向自位力，转换效率不高，故蝶簧片厚度通常比标准蝶簧更厚，以获得更大的轴向力，这样使摩擦表面工作环境更差。

3 一种新的结构设计

针对上述问题，本文提出一种弹性自位轴承结构，将其用于飞行器机翼转轴上，既可较好地解决上述问题，也能充分满足飞行器的性能要求。

这种轴承结构在原理上并不陌生，它广泛用于一些家电、IT电器以及玩具行业，已经形成粗细、长短系列化的各种规格产品。使用时，可以按照所需要的切向自位力和机翼结构大小来选购，也可以向相关厂家定制，不构成专利侵权。成品外观和分解结构如图5所示。

图5 弹性自位轴承结构示意图

该轴承由轴芯、轴卡簧、弹簧、下滑块、上滑块以及外壳构成。其中，下滑块和上滑块在对应的轴向方向设计成正弦共轭凸凹曲面[5]；轴芯外径和上、下滑块的内孔为滑动配合；上、下滑块的外圆表面上均被削出2个对称平面；筒状外壳也压制出同样形状的对称平面并和上滑块外表面处于滑动配合；轴卡簧的作用是将整套零件组装在一起，并限制外壳的轴向移动。

设计机架和机翼的旋转部位时，只需将两者的连接部分分别和轴承的下滑块与外壳相连便可，也就是在机架端部设计1个孔和轴承的下凸块外表面配合，然后在机翼端部也设计1个孔和轴承的外壳外表面配合。本文推荐采用过度配合，因为塑料具备弹性，金属件插入时略带阻力。

轴承工作时，转动机翼带动外壳和上滑块一起转动，下滑块由于和机架相连并不随之转动，这样，在上、下滑块的共轭凸凹曲面作用下，就迫使上滑块一边转动一边相对于外壳向上滑动，而弹簧力则阻止这个运动，其轴向阻力通过凸凹曲面转换成对机翼的反向阻扭矩；当机翼转动至上滑块的凸起顶点，越过下滑块的凸起顶点后，阻扭矩反向变为正扭矩，此时，无需人工转动机翼便可自行落位。

设计前，应根据机翼上确定的风叶尺寸和转速计算出工作扭矩，以此作为确定选购转轴尺寸的依据。为了确保飞行器安全稳定地运行，选购的转轴要求其最小工作扭矩为风叶工作扭矩的1.5～2倍。所谓最小工作扭矩是指机翼正转展开并自行落入工作位之后，反向转动机翼所需的最小扭矩。该工作位置点是指上滑块已滑至最低点，弹簧处于最大的工作长度，凸凹摩擦面正好完整嵌合，相互间间隙为零。

4 结语

上述设计是将转轴作为一个独立功能部件，其转动和自行落位功能设计与机翼，机架的材料、结构均无关系，体现了模块化设计思想。它克服了前2种设计的缺点，无需靠塑料变形来产生弹性回复力导致材料易发生塑性老化问题；也避免了金属和塑料之间的强力摩擦引起过早磨损失效的问题。

由于转轴采用了金属组件，使无人机质量不可避免地加大了。实践结果表明，采用了金属结构，各零件的强度、硬度、承载能力和耐磨性与塑料件相比提高了2～3倍，因而其结构尺寸在满足同样的工作扭矩条件下可以做得很小，这样总体上增重很少，微型机增加了2～3 g，小型机增加了3～4 g。比起无人机的工作寿命、精确性、稳定性和可靠性等重要性能指标而言，所增加的这点质量是完全值得的。

[1] 廖波，袁昌盛，李永泽．折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究[J]. 机械设计，2012，29(4):1-4.

[2] 宇辰网. 无人机：引领空中机器人新革命[M]. 北京：机械工业出版社，2017.

[3] 王华光, 王华. 巡飞器折叠翼的设计要求[J]. 飞航导弹，2009(6):36-39.

[4] 李强，李周复，刘铁中. 折叠变体飞行器风洞试验模型研发[J]. 机械设计, 2010，27(5):21-24.

[5] 孙明珠. 正弦直纹曲面的研究[J]. 天津工业大学学报, 2008, 27(4):86-88.