文章對陸空兩用無人小車結構進行了設計，其主要包括混合動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、輪轂翻折機構以及輪轂、螺旋槳一體化結構，旨在減少機構縱向及橫向的運動空間；油電混合驅動使小車具備更強的續(xù)航能力，最終實現了快捷方便的無人小車陸空模式切換。

　　關鍵詞：陸空兩用；無人小車；傳動系統(tǒng)；翻轉機構

　　目前，無人機、無人小車在軍事、科學研究、農業(yè)、電力、運輸、氣象等諸等行業(yè)都得到了廣泛應用，隨著技術的不斷發(fā)展，其優(yōu)勢越發(fā)凸顯。無人機具有通過性好、速度快等優(yōu)點，但是在洞穴、樓道等復雜環(huán)境中存在諸多不便，并且由于電量限制無法長時間作業(yè)[1]。地面車輛相對效能更高，但速度慢、移動性較差，受道路情況影響較多。針對上述問題，將空中飛行與陸地行駛功能有效結合，可極大地提升其性能以及擴大應用范圍。

　　1陸空兩用無人小車結構設計思路

　　動力驅動系統(tǒng)采用油電混合模式，降低小車在陸地行駛模式下的能耗，有效提高其續(xù)航能力，彌補無人機續(xù)航時間短的致命缺點。采用遙控方式驅動電機運轉，進而實現機器的進退、轉向、懸停等運動。翻轉機構使小車可實現飛行、陸地行駛兩種模式的自由切換，并在切換過程中保持車體的穩(wěn)定性，不會發(fā)生傾斜、翻轉等狀況，解決目前固定翼或折疊式機器在切換飛行與陸地模式時空間占用大的問題。設計具備以下特點：1）靈活性：采用車輪翻轉機構既可實現小車在兩種模式下的靈活切換，又減少縱向及橫向空間。2）質量輕：采用輕質材質，在減輕自身重量的同時滿足設計強度，保證主體結構在滿足承載能力的同時，具有一定的抗摔能力。3）易維修性：翻轉機構和動力系統(tǒng)設計中留有合適的空間，裝拆方便，方便機器出現故障能及時進行檢修。4）美觀性：陸空兩用無人小車作為一種新穎的設備，外觀美觀，結構符合美學構圖原理，講究色彩搭配和光影明暗效果。5）續(xù)航能力強：采用油電混合驅動可充分利用高效率區(qū)運行，提高無人小車的續(xù)航能力。

　　2陸空兩用無人小車結構動力系統(tǒng)類型及設計

　　2.1動力系統(tǒng)類型

　　目前，市場上存在的多旋翼飛行器動力源主要分為燃油發(fā)動機和電動機兩種。燃油發(fā)動機多用于中大型旋翼飛行器，具有續(xù)航遠、載重大、使用壽命長、便于維護等優(yōu)點，但體積較大、自重較重，同時具有噪聲大、易污染等缺點。電動機多用于中小型模型飛行器，成本低、無污染，易實現各旋翼的差速控制，但單次飛行時間較短，一般為20min[2]。綜合考慮，設計采用油電混動形式，節(jié)能環(huán)保的同時保證續(xù)航時間。

　　2.2動力系統(tǒng)設計

　　動力系統(tǒng)主要由電動機、發(fā)動機和共用太陽輪的雙排行星齒輪組成，其中發(fā)動機直接與后行星架相連，電動機通過減速器與太陽輪相連，前行星架與輸出軸相連，如圖1所示。動力系統(tǒng)工作模式分析如下：1）接和制動器B2、B4，則前齒圈、后行星架固定，此時太陽輪為主動件，前行星架為從動件，后齒圈空轉。動力傳遞路線：電動機→太陽輪→前行星架。此模式為純電模式，發(fā)動機不工作時噪聲小、無污染，適用于小功率輸出的情況。2）接和制動器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時太陽輪為主動件，前、后行星架為從動件。動力傳遞路線：電動機→太陽輪→前、后行星架。此模式為啟動模式，電動機在完成動力輸出的同時啟動發(fā)動機。3）接和制動器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時后行星架為主動件，前行星架為從動件。與啟動模式不同的是，此時的電動機不工作，動力由發(fā)動機輸出。動力傳遞路線：發(fā)動機→太陽輪→前行星架、電動機。此模式為充電模式，發(fā)動機在完成動力輸出的同時帶動電動機旋轉，完成發(fā)電工作。4）接和制動器B2、B3，則前、后齒圈固定，此時后行星架、太陽輪為主動件，前行星架為從動件。動力傳遞路線：發(fā)動機、電動機→太陽輪→前行星架。此模式為運動模式，發(fā)動機和電動機共同驅動太陽輪旋轉，完成大功率輸出。5）接和制動器B1、B3，則前行星架、后齒圈固定，此時后行星架為主動件，太陽輪為從動件，前齒圈空轉。動力傳遞路線：發(fā)動機→太陽輪→電動機。此模式為靜充電模式，無動力輸出，發(fā)動機工作時僅為電池充電。

　　3陸空兩用無人小車結構傳動結構設計

　　3.1分動機構設計

　　分動機構簡圖，如圖2所示。動力由輸出軸輸出后經兩組相互嚙合齒輪分動至兩軸，各軸中間的差速器將轉矩均勻傳至兩半軸，半軸上具有帶式制動器，通過制動各半軸完成兩半軸的差速，從而實現各軸間不同轉速控制。但2號、4號車輪的傳動與1號、3號車輪略有區(qū)別，需要在輸出軸與傳動軸之間再加裝一個倒擋齒輪，使2號、4號車輪作為機翼使用時其旋轉方向與1號、3號機翼相反，從而滿足飛行條件。在陸地模式時，中間齒輪撤去，齒圈與傳動軸直接相連，實現四輪驅動，這一轉化過程可以通過手動換擋的方式實現。

　　3.2翻折處傳動機構

　　翻折處傳動機構簡圖，如圖3所示。傳動軸本應水平、一體化，但由于要進行駕駛模式的切換，文章將傳動軸設計成斷開可翻折的結構。傳動軸斷開處采用固定剛性聯軸器加直齒錐齒輪的傳動結構，陸地模式下，兩軸間通過聯軸器完成水平方向傳動；飛行模式下，兩軸間通過相互嚙合的直齒錐齒輪完成水平向垂直方向傳動。因聯軸器傳動和直尺錐齒輪傳動均無間隙，從而使動力能夠精準傳遞，也保證了折疊時不會出現卡齒現象。

　　4翻轉機構設計

　　翻轉機構在實現車輪與螺旋槳同軸一體化的同時，可快速實現兩種駕駛模式的切換，當無人車由陸地行駛模式轉化為空中飛行模式時，翻轉機構可將螺旋槳翻轉與地面平行，實現空中飛行，當無人小車由飛行模式轉化為陸地行駛模式時，將螺旋槳翻轉與地面垂直[3]。翻轉機構簡圖，如圖4所示，其中軸承座內部通過軸承與傳動軸相連，外部通過支架與大齒輪Ⅱ相連。當陸地模式需要切換為飛行模式時，由電動機提供驅動力，驅動減速器大齒輪旋轉，大齒輪帶動同軸小齒輪，將轉矩傳至大齒輪Ⅱ，從而使得傳動半軸與軸承支架同步旋轉，完成轉換。兩級減速機構可以實現電動機的減速增矩，使翻轉機構工作時能夠獲得更大的扭矩和適當的翻轉速度，提高了翻轉機構工作的穩(wěn)定性。同時，實現飛行模式下反向鎖止功能，確保飛行時無人小車的穩(wěn)定性與安全性。

　　5輪轂、螺旋槳設計

　　輪轂、螺旋槳一體化結構，如圖5所示。傳統(tǒng)的多旋翼陸空兩用無人小車多采用螺旋槳、車輪分開化的結構，這樣的設計不僅占用了較大空間、增加自身重量，還使傳動機構變得復雜，并且獨立的螺旋槳機構也較容易損壞。設計將螺旋槳與車輪同軸，行走時螺旋槳鑲嵌在輪轂中作為輪輻使用。輪轂通過翻轉機構旋轉90°，螺旋槳轉動，這時無人小車即切換為飛行模式。螺旋槳槳葉數目是螺旋槳的重要參數，決定了螺旋槳的效率和載重[4]。增加槳葉數目可以減小螺旋槳的尺寸，增加最大拉力，減少風的干擾，有利于充分吸收發(fā)動機功率，同時會導致螺旋槳重量的增加，和槳葉互相干擾。設計綜合考慮無人小車的質量和載重要求及驅動裝置的轉速，決定選用四葉槳作為螺旋槳槳葉。

　　6結束語

　　文章充分考慮現有無人機和無人小車的優(yōu)缺點，對動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、翻轉機構以及車輪和螺旋槳一體化結構進行了設計，在保證無人小車正常行走的前提下，可以實現向飛行模式的快速切換，彌補了無人小車通過性較差的缺陷。同時，動力上采用了油電混合的形式，可實現雙向輸出和快速充電，解決了無人機的續(xù)航短問題。

　　參考文獻：

　　[1]楊文亮,韓亞麗,許周凱,等.小型陸空兩棲無人機的結構設計與試驗[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新,2019,32(6):57-60.

　　[2]陶彥隱.陸空兩棲旋翼式無人機結構設計與控制算法研究[D].南京:南京理工大學,2018.

　　[3]陳偉.叉車電池自動助焊裝配線的升降與翻轉機構設計[J].南方農機,2018,49(22):49.

　　[4]王培基.一種無人機螺旋槳的設計與實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2017.

　　作者：王曉東 任俊楠 鄧立 王見 吳永智