飞行汽车动力与传动系统的概念设计毕业论文

2020-02-17 11:02

摘要

飞行汽车是集陆地行驶和空中飞行功能于一体的新型交通工具，对解决世界范围内出现的交通拥挤导致的出行效率低下问题提供了一个新颖的、具有可行性的方法。本文针对一款搭载两人的小型飞行汽车对其进行动力系统参数匹配设计、选型和传动系统的结构、参数设计，对传动系统在整车的布置进行设计，并基于Matlab对动力传动系统设计参数进行仿真分析以及进行一定的参数优化，使飞行汽车具有更好的动力性与经济性。

本文具体研究内容如下：

（1）依据已有研究资料、论文，对比选择最佳的实现飞行的方式为自转旋翼飞行模式，确定了旋翼的翼型、结构和尺寸等基本参数并设计飞行汽车基本参数。

（2）根据最高车速和最大起飞重量等飞行汽车基本参数计算飞行汽车发动机功率为105Kw，并根据已有研究项目“中华第一飞”选取发动机型号。

（3）设计传动系的整体结构和位置布置，确定动力布置及驱动方式为中置后驱，设计滑动花键和同步器结构实现动力路径的切换。

（4）根据动力性和经济性要求，计算传动系的基本参数，主要包括主减速器传动比、变速器挡位数、各挡传动比和螺旋桨减速器传动比。

（5）基于Matlab对设计参数进行了动力性仿真分析，仿真结果达到设计要求。

（6）利用三维建模软件Catia对传动系的各个主要部件（包括离合器、变速器、主减速器、差速器、万向传动装置）进行三维建模，并进行总体布置装配。

本文研究设计的动力传动系统参数可为飞行汽车的设计制造提供一定的参考和借鉴。

关键词：飞行汽车；动力传动系统；参数设计；Matlab

Abstract

Flying vehicle is a new type of transportation which integrates land driving and air flying capabilities. It provides a novel and feasible method to solve the problem of low travel efficiency caused by traffic congestion around the world. Aiming at a small flying car carrying two people, this paper designs its power system parameters matching design, selection and structure and parameter design of transmission system, designs the layout of transmission system in the whole vehicle, and simulates and analyses the design parameters of power transmission system based on MATLAB and optimizes some parameters, so that the flying car has better power and economy.

The specific contents of this paper are as follows:

(1) According to the existing research data and papers, the best way to achieve flight is the spin-rotor flight mode. The basic parameters of the rotor airfoil, structure

and size are determined and the basic parameters of the design flying vehicle are estimated.

(2) According to the basic parameters of the flying vehicle, such as the maximum speed and the maximum take-off weight, the engine power of the flying vehicle is calculated to be 105Kw, and the engine model is selected according to the existing research project "China First Flight".

(3) Design the overall structure and position arrangement of the transmission system, determine the power layout and driving mode as the middle rear drive mode, and design the sliding spline and joint sleeve structure to realize the power path switching.

(4) According to the requirement of power economy, the basic parameters of transmission system are designed and calculated, including transmission ratio of main reducer, transmission number, transmission ratio of each gear and transmission ratio of propeller reducer.

(5) Based on MATLAB, the dynamic performance of the design parameters is simulated and analyzed, and the simulation results meet the design requirements.

(6) The three-dimensional modeling software Catia is used to build the three-dimensional model of the main components of the transmission system (including clutch, transmission, main reducer, differential, universal transmission) and assemble the overall layout.

The parameters of power transmission system studied and designed in this paper can provide some reference for the design and manufacture of flying vehicle.

Keywords：Flying vehicle; Power transmission system; Parameter design ; Matlab

绪论

研究背景及意义

飞行汽车，顾名思义及具有空中飞行能力又能在路面正常行驶的汽车，陆空两栖、行驶路径的灵活选择的特性无疑是其在现代社会拥挤的道路行驶状况下最突出的特点。

在现代社会中，随着世界各国经济、科技快速发展，国民经济快速提高，在世界范围内大量的私家车及商用车投入使用。以中国为例，据公安部交通管理局2018年7月份发布，截至2018年6月底，全国机动车保有量达到3.19亿辆^[1]。近些年来，汽车销量的大幅增长以及私家车的数量急剧上升给道路系统的正常运行和建设维护更是增加了巨大的压力。虽然国内目前正投入大量的资金修建公路，并且也大力推进公共交通基础设施建设，例如公共汽车、地下铁路、高铁及公共自行车等多种方式以缓解日益增长的交通出行压力，还采取摇号购车和限号出行等措施限制道路行驶的车辆数量。但由于各种条件限制，城市道路交通设施还是不能完全满足城市机动车行驶需求。面对道路交通拥堵这一世界难题，飞行汽车无疑是一项不错的解决方案。随着近几年国家低空政策的开放，国内飞行汽车行业逐步兴起，交通网络布局开始从单一的地面二维交通发展成为地面空中三维交通，飞行汽车成为解决城市道路交通拥挤难题的重要途径^[2]。

近些年来飞行汽车的研发制造取得一定进展，并且国内外都不断有可量产化的飞行汽车车型出现。但就目前来看，尚未有专门针对飞行汽车这一特种车型的具体系统参数设计的相关资料。而且，对于飞行汽车，行驶工况相较于传统陆行汽车较复杂，故其动力传动系统要复杂许多，由于要在飞行模式与路面行驶模式之间进行切换，其动力传动系统就必须有特殊的布置方式，以及涉及到完成固定式机翼的收展动作的动力传递的设计。故本设计将针对某一小型固定翼式飞行汽车的动力传动系统进行概念设计，为后续关于飞行汽车的动力匹配、传动系设计等研究工作提供一定的参考。

国内外发展现状

1.2.1 国外研究现状

在国外，飞行汽车的研究开始较早，早在1917年，美国的格•寇蒂斯就制造出人类历史上第一辆真正意义上的飞行汽车，这是一辆装有固定翼的全铝制的飞行器^[3]。飞行汽车的研究从出现发展至今，各个国家的研究人员提出了许多设计方案，还有大量的工程师将自己的设计想法实际打造出来并进行试运行，这其中有许多都失败了但也不乏有成功的案例。目前比较成熟的飞行汽车的设计方案主要有固定翼式飞行汽车、旋翼式飞行汽车以及涵道式飞行汽车。

1.2.1.1 固定翼式飞行汽车

固定翼式飞行汽车，简单来说就是利用类似飞机的固定翼装置使飞行汽车获得升空飞行的升力。目前，美国的飞行汽车公司 Terrafugia已经实现了固定翼式的飞行汽车的量产并逐步在美国范围内推广普及，其名为“飞跃”系列的飞行汽车（图1.1）早在2012年左右就实现了试飞试验并获得生产销售许可。

图1.1 “飞越”固定翼飞行汽车

这款固定翼飞行汽车在陆地向行驶时和普通汽车相同，利用发动机驱动车轮获得向前行驶的动力，这时用于飞行的机翼处于折叠的状态以满足道路法规对汽车尺寸的要求。当飞行汽车在合适的场地准备起飞时，通过动力装置将机翼展开，发动机动力的传递路径改变为驱动飞行汽车尾部的螺旋桨产生推力推动汽车加速，流过机翼的空气由于压差产生向上的升力使飞行汽车起飞。

但这一类固定翼式飞行汽车的缺点是当机翼展开时，飞行汽车的车宽较普通汽车宽度将近有3倍左右，不符合目前法规对车身宽度的要求。所以，这对飞行汽车的起飞提出了场地要求，必须要在合适的场地条件下才能实行滑行起飞，而目前世界上只有少数地区才满足这样的场地要求，所以这对固定翼式飞行汽车的推广普及产生了不小的阻碍。并且，这一类飞行汽车不能实现垂直升降，所以使用方便性更加大打折扣。

1.2.1. 2旋翼式飞行汽车

旋翼类飞行汽车是利用旋转翼作为提供升力的装置，这类飞行汽车结构尺寸较固定翼式的飞行汽车在宽度尺寸方面大大减小，并且可以实现垂直升降，在使用方便性方面更胜一筹。目前，这类飞行汽车由于旋翼的布置方式以及结构不同分为较多的种类，主要有自转旋翼式、单旋翼式、双旋翼式（如图1.3）、多旋翼式（如图1.4），旋翼的布置形式不同飞行汽车的结构也相应的不同。

图1.3 双旋翼飞行汽车图1.4 多旋翼飞行汽车

图1.5 荷兰飞行汽车PAL-V

图1.5中的飞行汽车PAL-V是一款由荷兰飞行汽车公司开发的自转旋翼式飞行汽车，这款飞行汽车通过发动机带动尾部的螺旋桨推动飞行汽车向前，同时由于来流的作用使得旋翼旋转产生升力来克服重力使飞行汽车在空中飞行。这款飞行汽车在地面的耗油量和一辆普通家庭轿车相近，在空中飞行的耗油量约为20升/百公里。地面行驶的最高车速约为110Km/h,空中飞行的最高速度为180Km/h^[3]。

自转旋翼飞行器的最大特点是其旋翼升力装置不是由动力装置直接驱动的，而是由飞行汽车向前时产生的气流来流作用使旋翼旋转从而产生升力，这种升力装置相比较于动力直接驱动的旋翼其结构更加简单，质量较小，传动机构的结构更加简单，传动效率更高。在发动机空中停车后能依靠旋翼的自旋转实现安全着陆。但在理论上，自转旋翼飞行器不能实现垂直升降，也需要一定距离的跑道滑行使旋翼转速达到一定时才能起飞。但相应的解决办法是装备预旋转机构在准备起飞阶段利用预旋转机构使旋翼转速快速达到起飞转速，升空后螺旋桨推动飞行汽车向前飞行预旋机构逐渐停止工作，从而达到垂直起飞或者缩短起飞滑行距离的目的，降落原理也相似。