单旋翼农用无人机尾传动系统的动力特性研究

摘要

在现代社会中，随着现代社会科技的快速发展，单旋翼农用无人机应用范围越来越广泛。单旋翼农用无人机的优点体现在快速性、轻便性。在社会生活应用过程中，单旋翼农用无人机的作用越来越卓著，它对一个国家的科技发展起到重要作用。尾传动系统是单旋翼农用无人机的关键部分。尾传动系统传动过程的可靠性对单旋翼农用无人机飞行的安全性有着重要影响。本文研究针对两套单旋翼农用无人机尾传动系统，包括圆锥齿轮尾传动系统和同步带尾传动系统。通过将理论分析、有限元分析数值分析技术与单旋翼农用无人机尾传动系统试验相结合，对单旋翼农用无人机尾传动系统关键部件关于传动原理、受力选型、结构设计、关键参数、及传动进行试验研究，旨在探究单旋翼农用无人机尾传动系统动力特性性能，以提高单旋翼农用无人机的尾传动系统的传动效率和工作性能认知。主要研究内容如下：
　　（1）简要介绍单旋翼农用无人机尾传动系统的传动装置，评估尾传动系统的传动装置在机械原理上可行性。对单旋翼农用无人机的尾传动系统的同步带、同步带轮、圆锥齿轮、尾桨固定轴、水平传动轴等相关部件进行强度校核，为单旋翼农用无人机尾传动系统的关键部件选型提供依据。同步带轮采用材料为40号钢，是一种优质碳素结构钢，它的弹性模量为 E=213.5GPa，同步带轮齿数为 Z1=Z2=19、带轮节径d=12.29mm；同步带选用MXL型同步带，节距Pb=2.032mm、同步带齿数Zb=375、节线长度Lp=762mm、带宽ba=4.8mm；圆锥齿轮材料都选择为AISI-4340钢，是40CrNiMo合金结构钢、精度7级，齿数为Z1=Z2=25；尾桨固定轴，水平传动轴选择45号优质碳素钢。
　　（2）对圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴在不同扭矩作用下进行有限元仿真分析，作用扭矩分别为0.025N.m、0.035N.m、0.045N.m，分析圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴在不同扭矩载荷下的应力、应变、位移和安全系数。结果表明：作用扭矩对单旋翼农用无人机尾传动系统的传动有着较大的影响。作用扭矩越大，圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴的应力、应变越大安全系数越小。不过在作用扭矩范围内圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴的最大应力没有超过所选材料的许可应力，圆锥齿轮、同步带轮和尾桨固定轴选型材料选择符合要求。
　　（3）搭建了两套单旋翼农用无人机尾传动系统，包括同步带尾传动系统和圆锥齿轮尾传动系统，对这两套尾传动系统进行动力特性试验。假定每套尾传动系统的试验水平为六组，每组试验六次，以电机的输出功率为试验因素，尾传动系统的传动过程是否正常为试验标准。试验结果表明，无论是同步带尾传动系统还是圆锥齿轮传动系统在电机输出功率范围在11.1W至22.2W区间内，试验结果是这两套尾传动系统传动过程正常。分析尾传动系统的尾桨固定轴转速、尾桨风速，对比不同尾传动系统的载荷比、风速比、动力特性。同步带尾传动系统载荷比较小，圆锥齿轮尾传动系统的风速比较小，圆锥齿轮尾传动系统的动力特性相对高些，提高对单旋翼农用无人机尾传动系统设计研究工作。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 前言

1.1 课题的研究目的及背景

1.2 直升机尾传动系统研究现状

1.3 课题的主要研究内容与意义

1.4 本章小结

第二章 尾传动系统的基础研究

2.1 尾传动系统的分类及传动原理

2.2 同步带尾传动系统的基础研究

2.3 圆锥齿轮尾传动系统的基础研究

2.4 同步带与圆锥齿轮尾传动系统的性能对比

2.5 本章小结

第三章 不同尾传动系统动力特性试验平台的设计与构建

3.1 同步带尾传动系统设计

3.2 圆锥齿轮尾传动系统设计

3.3 尾传动系统动力特性试验平台构建

3.4 本章小结

第四章 不同尾传动系统的静力学模拟仿真试验

4.1 静力学仿真原理

4.2 模拟仿真环境的选取

4.3 有限元模型建立

4.4 模型网格划分

4.5 不同载荷下同步带尾传动系统静力学仿真试验

4.6 不同载荷下圆锥齿轮尾传动系统静力学仿真试验

4.7 不同驱动下尾传动系统静力学仿真分析对比

4.8 本章小结

第五章 不同尾传动系统的动力特性试验与分析

5.1 试验准备

5.2 同步带尾传动系统的动力特性试验

5.3 锥齿轮尾传动系统的动力特性试验

5.4 不同尾传动系统的动力性能对比分析

5.5 本章小结

第六章 结论与讨论

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录A硕士期间学习成果状况

附录B试验数据