[发明专利]一种共轴旋翼飞行器的结构功能一体化主轴设计方法

说明书

一种共轴旋翼飞行器的结构功能一体化主轴设计方法，属于飞行器设计领域。将主轴零件与线缆、弱电器件、减震垫和部分电源进行一体化设计和制造。本发明在实际应用于中小型共轴双旋翼无人机等同时对机械结构、结构强度刚度、以及结构零件与电源线缆有装配配合要求的产品，在产品的设计进行一体设计，在制造阶段完成了线缆的装配和强弱电分离、信号屏蔽，将部分电路板与主轴进行了功能集成，将装配耗时繁琐的零件在制造阶段就与主轴进行整体的固化，减小了结构振动传递和装配时间；可以对主轴结构刚度强度进行分区域设计，进一步减少主轴重量，提高中小型共轴双旋翼无人机结构紧凑性，极大减少装配和维修时间。

技术领域

本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种共轴旋翼飞行器的结构功能一体化主轴设计方法。

背景技术

共轴双旋翼无人机通过上下螺旋桨的转动产生升力，螺旋桨的正方向转动克服自身的反扭，具有结构紧凑、气动特性对称、悬停效率高、负载能力强、噪声小等优势，但是由于上下螺旋桨的旋转切断的外部传力路线，使得共轴旋翼无人机的整体传力路径单一，所有的线缆均需要从主轴内部进行装配。共轴旋翼无人机的主轴作为整体结构中唯一的主要承力部件，起到了结构承载、部件连接和线缆装配通路的作用。目前常用的中小型共轴旋翼无人机主轴是一根中空金属管材，根据无人机的负载和结构要求选取管材壁厚，在管材上根据部件的安装位置钻出螺丝孔位和线缆穿入穿出的孔位，进行设备安装和线缆的安装焊接。目前共轴双旋翼无人机的装配和维修步骤十分繁琐，对安装顺序也要较高要求。在设备安装的同时，需要进行线缆进行梳理并小心穿过轴上的线缆孔位，线缆需要与相关设备进行同步安装，同步进行长度的调试控制，还需留出适量的线缆长度余量方便安装位置的调整。在后期维修上，共轴双旋翼无人机部件安装布局紧凑，线缆延伸遍布各个部位，局部零件的损坏往往就需要将所有的零件进行拆卸，同时为了防止线缆的磨损，所有的线缆也需要全部抽出，待部件维修更换后，又需要进行重新的装配调试，极大的减小了共轴双旋翼无人机的维修维护性。

随着对共轴旋翼无人机的功率、尺寸以及使用功能要求的增加，共轴旋翼的螺旋桨尺寸也需要增加，所需要进行装配的线缆的数量和线缆的粗细直径也进一步增加。电源设备和控制、数传图传设备的强电、弱电信号线均集中安装在主轴的中空管道内，在无人机操作时，电源线产生的交变电流会影响其他的弱电控制信号。无人机尺寸和功率的增加，使得结构受到的振动环境将更加恶劣，主轴作为整体结构中唯一的主要承力部件，结构重量和振动环境的增大进一步提高了对主轴结构的强度刚度的需要，增大了线缆装配以及后期维修的难度。现有的中小型共轴旋翼无人机的主轴结构，仍是空心管材和安装部件的钻孔定位加工方式，在零部件组装装配和后期调试、维修效率低下，无法进一步体现共轴旋翼无人机的使用优势。

目前中小型共轴旋翼无人机的主轴设计和制造，仍然使用的是一根上下等直径的空心金属(铝合金或钢等)管材，根据安装部件的位置和线缆穿出穿入的位置进行定位钻孔，同时在主轴外表面使用车床车出卡槽便于止动部件的安装。在零部件组装装配和后期调试过程中，对单一零件的更换维修均需要对各个部件和线缆进行重新焊接、拆卸，装配。随着无人机尺寸和载荷功率的增大，主轴结构强度刚度、零部件位置的设计和装配维修上的矛盾点越来越突出。现有的共轴旋翼无人机主轴设计使得整体结构的安装性和维修性低下，无法进一步体现共轴旋翼无人机的使用优势

现有的共轴旋翼无人机的设计中，主要的结构布局为中部为动力组件，包含减速电机或者直驱电机、减震垫、桨毂、螺旋桨部件；下部为控制组件，包含倾斜盘、舵机和飞控板、数传、图传(摄像头)部件；其他部件如电池和载荷均可以作为整体的重心调节部件。但是无论采取何种布局形式和重心位置，主轴都是作为整体结构的唯一主承力结构和线缆通路，会将动力部分的振动和热量传导至其他各个组件，现有的结构设计可以通过其他结构的轻量化、增加阻尼材料减少振动、选用高品质的细线缆等方法在一定程度上解决部分问题，但是现有的设计均不能去除主轴结构，不能有效减少整体的装配维修难度，无法从根本上解决主轴部件的问题。