1、河南理工本科毕业论文（设计） 1 摘 要 随着社会的发展，私家车越来越多的涌入普通家庭，但是交通阻塞拥挤日渐突出，在我国尤为凸显，特别是不可持续发展能源过度利用，给环境带来了很大的危害。面对这样的问题，本设计 主要是根据目前 电动汽车与直升飞机 的螺旋飞行的技术 ， 而采用的一种组合结构，并采用新型的环保能源蓄电池供电来研究，也就是电动飞行器，本设计的主要任务是 电动飞行器传动机构 的设计，包括 传动机构的概述、传动方案选择、传动系参数设计等。 关键词： 电动飞行器 ; 传动系 ; 参数匹配 河南理工本科毕业论文（设计） 2 ABSTRACT Along with the social dev
2、elopment, the private car more and more flows out into common family, but the traffic jam hustles gradually outstanding, at our country in order to highlight, especially can not keep on to develop energy excesssive make use of, brought environment very great harm.Face a problem like this, this desig
3、n speaking of putting together dynamoelectric car and helicopter knot, is also a dynamoelectric aircraft, the main task of this design is the design of propeller, includes propping up of propeller organization, spread motive to reach, design and total pit in the school of Han way. Key words： Dynamoe
4、lectric aircraft； Propeller； Spread； Prop up 新乡学院本科毕业论文（设计） 3 第 1 章 绪论 1.1 选题依据及研究意义 21 世纪 ， 在 党的 正确领导下 制定了中国未来发展的蓝图，中国经济社会发展将进入一个新的发展阶段。在国际经济环境不稳定、不确定因素较多的情况下，中国经济依然保持稳定快速的发展，世界经济的重心已明显的向亚太 地区转移，而中国作为亚洲经济的大国俨然成为引领世界经济发展的火车头。 国家经济的发展带动人民生活水平的提高，随着人民收入的提高，追求健康的品质生活也愈演愈烈，近年来的旅游业的发展就是最好的体现；国家实行的大小节假日，实
5、际上就是为了发展旅游经济，而一个国家旅游行业的发展成为拉动国家内需的主要产业之一。国家旅游产业的兴旺发展，不仅带来了国内游客的增加，而且也吸引了许多国外游客的中国之旅，然而光鲜的背后总存在着的许多问题，在高峰期各大旅游胜地相当拥堵。导致事故增加，严重影响游客心情。因而大力发展的近郊旅游也逐渐引起 了 人民的重视 。 由于 我国目前积极实行城乡一体化的经济发展，特别是由城市带动周边乡镇发展，经济的快速增长带来家庭轿车的大幅度增加，尽管国家道路交通也在大力发展，但是仍就满足不了日益严重的交通拥挤与堵塞问题，尤其是高峰期特别是大小节假日的拥挤与堵塞， 对经济的可持续发展造成了严重的影响 。 1.2
6、问题提出与初步解决 近郊旅游以及短距离的一日工作圈的现实状况，人们采用的主要交通工具是小轿车，但是随着社会经济的发展，当前的轿车已经凸显出许多问题。面对显现的问题，提出了初步的解决。 1.2.1 凸显问题 （ 1）污 染问题相当严重，汽车尾气排除的一氧化碳、一氧化氮、二氧化硫等有毒气体严重威胁着人们的健康。二氧化碳的过量排放带来了严重的温室效应带来全球表面变热，海平面的上升给沿海国家带来了严重的威胁。同时大量的汽车带来的噪声污染也相当严重，给人们带来了许多心理上的压力和精神上的疾病。严重损害了社会的健康发展。 （ 2）现阶段 95%以上的汽车燃烧的是汽油，随着汽车数量的不断增加，石油新乡学院本
7、科毕业论文（设计） 4 的开采也相当厉害，能源的浪费与短缺为未来经济的发展埋下了祸根。同时这种资源的利用率相对于电能来说也普遍的较低。而且 国际油价价格波动对能源生 产国和消费国都造成严峻挑战。由于从短期看面临许多不确定因素，长期看石油供需矛盾存在，中东北非局势不定，能源的短缺严重违背了可持续发展这一战略目标。 1.2.2 初步解决 对于空间立体，存在地上、立交、高空，面对交通阻塞问题，我们选择空间立体的中间低空，发展空中走廊，面对能源的浪费和短缺我们采用效率高的电能，蓄电池这一领域在世界上也已基本成熟，单位容量的电能也是相当的可观。综上考虑，将电动汽车与直升飞机结合起来提出了电动飞行器这一概
8、念。该题目的优点在于可持续性发展，蓄电池作为能量的来源污染较少，人既可以在路上 行驶也可以在低空飞行，无实物阻碍，行程短，工作效率高，能源利用率也高。 1.3 国内外研究现状 新型近距离交通工具的开发和研究，国内国外都有很多的形式，但都不是太近如人意。 1.3.1 国外现状 国外对电动飞行汽车有很多研究，但大都不尽如人意。美国专利号为#2,573,2711951的设计由 Adolph R.Perl提出，他设计了名为 Roadable aircraft 的汽车飞机，但是没有制造出实物。而且国外飞行器的特点是能够飞行但是能源主要是汽油。 1.3.2 国内现状 国内基本没有涉及汽车飞机的资料 ，通过
9、查阅，发现南京航空航天大学一篇 2007 届本科生毕业论文对汽车飞机模型做了部分探究，但是常规的布局让其看起来更像是一架飞机，而且主翼没有设计旋转机构。然而国内的电动汽车已初步成熟，特点是利用蓄电池作为电能输出，但是不能飞行。 1.4 技术支撑 电动汽车加上直升机螺旋桨对电动飞行器的整体设计提供了可能。由于现代技术的发展，机械领域得到了飞速的发展。电动汽车在中国已初步成型。 6蓄电池新乡学院本科毕业论文（设计） 5 领域的发展为电动飞行器电能的输入提供了可靠依据 。电能能源的问题解决在于单位容量的储能问题。直升机在世界上得到了广发的发展和研究，螺旋桨的技术也相当成熟，为电动汽车安装螺旋桨也成为
10、了可能，为此电动飞行器在理论上是可以完成设计的。 1.5 市场前景 从能源与环保的角度来说，电动飞行器已被世界汽车业公以为 未来汽车 。但从目前的技术发展水平来看，按现有技术正好可采用蓄电池作能源，即用电动机来直接驱动飞行。而此电动飞行器的设计主要是针对中高层收入家庭，发展方向也主要集中在中高层阶段，由于考虑到能耗问题以及技术的问题其价格在 100万左右。 新乡学院本科毕业论文（设计） 6 第 2 章 电动飞行器的初步设计 2.1 电动飞行器的总体设想 电动飞行器 主要是在电动汽车的基础上去掉发动机改由电动机并加装螺旋桨 。 设计思路的来源于一款正在研究的法拉利飞行跑车如图 2-1 所示。这种
11、飞行汽车是在价值大约 20 万英磅的法拉利 599GTB 跑车设计方案的基础上改进而成，车身上装有 8 个“风扇”。在地面上行驶时，这些风扇为汽车提供稳定但并不是太强的推动力。一旦升入空中，汽车就变得好象直升飞机一样，可以俯冲，可以向前，还可以左右转动改变方向。 目前这款汽车还处于初期的设计阶段，但实验模型已经证实了法拉利这种奇妙的想法是确 实可行的。 如图 2-1 法拉利电动飞行器模型 2.2 电动飞行器的工作原理 电动飞行器的 螺旋桨 是由 8 个独立的电机来驱动。尽管是 8 个驱动，但因为飞行器具有六个坐标输出，所以仍然是欠驱动和动力不稳定的系统。沿着任意给定方向的独立运动，飞行器如果没
12、有给予足够多的运动驱动。而且前罩 4 个与后罩 4 个螺旋桨形成互补关系，那么该飞行器就是欠驱动的，因此为了实现全部的运动控制目标。必然存在旋转力矩与平移系统的耦合。 如 图 2-2 所示， 给出前后车罩各四个螺旋桨工作时的示意图，可以看出每两组螺旋桨以相反的方向旋转，通过改变螺旋桨 速度，就可以改变升力并产生各种动作。同时增加或者减小四个螺旋桨的速度可以产生垂直运动。相反的改变相对的螺旋桨的速度可以产生滚动以及相应的侧向运动。同理，俯仰运动和相应的侧向运动来自于另外的相对的螺新乡学院本科毕业论文（设计） 7 旋桨速度的相反改变，偏航运动则更加复杂，因为它来自于每对螺旋桨反力矩的差异。向上或向
13、下的动作是同时增加或减小所有四个螺旋桨来控制的，前后螺旋桨推力的差异产生俯仰力矩导致前后动作的转换。同理左右运动的转换时通过左右螺旋桨的推力来改变的。 如图 2-2 8 个螺旋桨的工作过程示意图 2.3 电动飞行器的初步设计参数 参照汽车设计师考虑机械布局所弥定的外形尺寸进行大体轮廓设计，根据经验总结的各主要级别（主要乘用车）的常见尺寸范围 ，如表 2-1。 新乡学院本科毕业论文（设计） 8 表 2-1 常见车型尺寸范围 中小型车 奥迪 A3 4292*1765*1432 广汽本田 峰范 4400*1695*1470 BYD F0 3460*1618*1465 大众 POLO 3970*168
14、2*1462 斯柯达 晶锐 3992*1642*1500 中华 骏捷 FRV 4240*1755*1460 奇瑞 QQ3 3550*1495*1530 雪铁龙 震欧 3947*1690*1503 一汽大众 4540*1775*1467 一汽大众 速腾 4544*1760*1461 马自达 6 4670*1780*1435 马自达 3 4515*1745*1465 马自达 5 4582*1872*1645 奔驰 GLK 4528*1840*1691 KIA 福瑞迪 4530*1775*1460 上海 MG6 4653*1827*1478 斯柯达 明锐 4569*1769*1462 北京现代 悦动
15、 4542*1775*1490 一般中小型乘用车长 4m左右；宽度主 要影响乘坐空间和灵活性，但是车身太宽会降低在市区行走、停泊的方便性，因此对于轿车来说车宽 2m是一个公认的上限；车身高度直接影响重心（操控性）和空间，重心过高会导致主动安全性下降，大部分的室内停车场都有高度限制，一般为 1.8m；在车长被确定后，轴距是影响乘坐空间最重要的因素，同时在行驶性能方面，长轴距能提高直路巡航的稳定性，但转向灵活性下降，因此在稳定性和灵活性之间必须作出取舍，取得适当的平衡；一般轿车的悬长都不能太短，一来轴矩太长会影响灵活性，二来要考虑机械零件的布局车，车长 =前悬 +后悬 +轴距；轮距直接影响 汽车的
16、前后宽度比例，考虑空气动力学，一般轿车的前轮距比后轮略大（相差约 10-50mm），即车身前半部比后半部略宽；离地距高低意味着重心高低，影响操控性，一般轿车的最低离地距为 130mm-200mm，附合正常道路状况的使用要求。初步绘制电动飞行器长 4m，宽 2m，高 1.7m；质量： 2t，不能过重，只得比普通汽车稍重；飞行高度： 300m，为了避开高楼，缓解如今日益严重的交通压力。而且如若太高，导致空气稀薄，以免驾驶员受到不必要的伤害；速度： 300km/h ，不能太新乡学院本科毕业论文（设计） 9 高也不能太低，以保证实用性；承载： 2人；行驶 距离： 300km，续航 1.5 小时 。 2
17、.4 本课题的具体设计内容 本课题根据电动飞行器的方案的确定，对电动飞行器 传动机构 这一块做出 了具体的设计方案，主要包括 驱动方式的选择 ， 传动轴的动力学设计 ，螺旋桨 的传动机构 ， 以及传动方案 的选择等。 并对设计做出最后的校核。 2.5 电动飞行器的主要结构和工作原理 2.5.1 电动飞行器的总体架构 电动飞行器总体构架可分为基体、旋翼、尾桨、起落装置、发动机舱、传动装置以及其他系统的受力结构等部件结构或组件结构。 机身是电动飞行器的基体，它主要用于支持和固定电机、主减速器、旋翼、尾 桨和起落装置等部件支持和容纳操纵系统、液压系统也支持和容纳电气、电子、仪表等机载设备。旋翼是电动
18、飞行器的象征，也是飞行器的关键部分，它不仅提供飞行器的升力和前进力，而且提供飞行器的纵向和横向操纵力矩。旋翼和尾桨协同实现飞行器的航向操控。起落装置是飞行器是直升机于用于起飞、着陆、滑跑、滑行和停放的专门装置。 2.5.2 电动飞行器的动力装置 动力系统主要是电动机装置，此电动机是以蓄电池为原料带动螺旋桨，由螺旋桨产生推（拉）力为飞行器提供动能。 混合动力 装置 由发动机、发电机和驱动电动机三大主要部件总成组成。发动机 仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，延长混合动力电动汽车的行驶里程由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共
19、同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。 2.5.3 电动飞行器的操控装置 操纵系统通常由驾驶杆（盘）和操纵线系组成，操纵线系由拉杆或者钢索、摇臂、扇形件、滑轮等零件组成。提供精密的操控指令，主要包括飞行器的飞行：通过调节电动机的转速来改变螺旋桨速度实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。包括逃生控制、调速档位、转 向、升降 ,并通过传感装置来控制安全降落伞的打开来达到安全逃生。 新乡学院本科毕业论文（设计） 10 2.5.4 电动飞行器的传动机构 减速器与机身的连接固定，一般是通过减速器壳体和减速器架实现的。外载荷主要包括旋翼的六力素、发动机及其传动系统的输入、输出扭矩和
20、所承受的结构质量惯性力，以及操纵系统的操纵反力等。而固定连接点的支撑反力则应通过对传力路线的分析后，建立适当的计算分析模型求得，中问减速器主要起改变尾传动的转速和方向的作用。因此，中问减速器的受载主要包括中问减速器的输入、输出扭矩，其次为减速器及其相关传动系统零部件的质量惯性载荷。如图 2-3所示。 图 2-3 飞行器传动机构 2.5.5 电动飞行器的逃生机构 直升机坠毁伤亡事故表明，束带系统失效是引起坠毁伤亡的常见原因。经验表明，这种“接触伤亡”的人数比“过载伤亡”的人数大 4 或 5 倍。所以必须设计一套抗坠毁束带系统。束带系统由锁扣组件 1,腰带组件 2 和肩带组件 3 组成。 2.5.
21、6 电动飞行器的螺旋桨结构 机翼前行时，上下翼面之间的气流速度差造成上下翼面之间的压力差，这就是升力。所谓“机翼前行”，实际上是机翼和空气形成相对速度。既 然如此，和机身一起前行时，机翼可以造成升力，机身不动而机翼像风车叶一样打转转，和空气形成相对速度，也可以形成升力，这样旋转的“机翼”就成为旋翼，旋翼产生升力就是直升机可以垂直起落的基理。 2.5.7 电动飞行器的工作原理 由电动机作为动力系统由蓄电池提供能源，通过电动机带动传动轴，传动轴通过减速装置控制机翼，机翼可以造成升力，机身不动而机翼像风车叶一样打转转，和空气形成相对速度，同时形成升力，这样旋转的“机翼”就成为旋翼，旋翼产生升力，升力使电动汽车可以垂直起落。也可以控制螺旋桨来行进或控制航
