無人機結(jié)構(gòu)動力學

（9）無人機傳動系統(tǒng)的功能無人機傳動系統(tǒng)是用于將發(fā)動機的功率傳輸至主旋翼和尾槳的連接系統(tǒng)，其功能主要有（1）傳遞動力。（2）改變轉(zhuǎn)速。（3）改變轉(zhuǎn)向。（4）自由旋轉(zhuǎn)。（5）多發(fā)解耦。無人機傳動系統(tǒng)的組成無人機傳動系統(tǒng)的組成部件包括實現(xiàn)動力傳遞的部件和輔助性部件兩類。無人機傳動系統(tǒng)的特點（1）高的功率重量比。（2）高減速比、高效率、高可靠性、良好的維護性。（3）載荷復雜、動力學問題突出、壽命要求高。（4）潤滑系統(tǒng)復雜。（5）涉及面廣、基礎(chǔ)性強。無人機傳動系統(tǒng)研制涉及到機械學、材料與強度、摩擦與潤滑、動力學、聲學、流體力學、傳熱學等基礎(chǔ)學科。無人機傳動系統(tǒng)的振動問題傳動系統(tǒng)作為無人機的動力傳動鏈，可以視為是由質(zhì)量盤及聯(lián)系各質(zhì)量盤的扭軸所構(gòu)成的扭振系統(tǒng)，在工作時處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要受力件是在振動條件下工作，承受周期的交變載荷。無人機傳動系統(tǒng)不僅有“扭轉(zhuǎn)”振動問題，而且還有軸系的橫向振動和縱向振動問題，其中最常見的是“扭轉(zhuǎn)”和橫向振動兩種。由于傳動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復雜、工作頻率多，在設(shè)計時對傳動系統(tǒng)進行固有特性的研究至關(guān)重要。

除此之外，無人機傳動系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計研制過程中必須注意靜、動平衡，以免振動過大。無人機傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的定義無人機傳動系統(tǒng)在發(fā)動機帶動下高速旋轉(zhuǎn)時，由于轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)本身總會存在一些微小的質(zhì)量不平衡（例如，轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心軸線偏離轉(zhuǎn)動軸線）和初始彎曲變形，在這些動不平衡因素的作用下就會產(chǎn)生以離心力為表征的周期性干擾力，從而引起傳動軸的橫向彎曲振動。如果這種強迫振動的頻率與傳動軸的彎曲固有頻率接近或相等，就出現(xiàn)了共振現(xiàn)象，產(chǎn)生共振現(xiàn)象時傳動軸的轉(zhuǎn)速就是臨界轉(zhuǎn)速。

為了避免傳動軸在高轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振，要求傳動軸不得與任何一階臨界轉(zhuǎn)速相接近，也不得與一階臨界轉(zhuǎn)速的簡單倍數(shù)和分數(shù)相接近。傳動軸臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計方式（1）亞臨界設(shè)計：使傳動系統(tǒng)最低階臨界轉(zhuǎn)速高于它的最大工作轉(zhuǎn)速，并留有一定余量。（2）超臨界設(shè)計：使傳動系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速在一階和二階臨界轉(zhuǎn)速之間。（3）高超臨界設(shè)計：使傳動系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速在二階和三階臨界轉(zhuǎn)速之間。超臨界設(shè)計和高超臨界設(shè)計方案的優(yōu)點是可以讓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，振動更小，重量更輕；傳動軸質(zhì)心更趨于接近旋轉(zhuǎn)中心，需要的支撐彈性剛度更小，對于結(jié)構(gòu)振動的敏感性更低等。傳動軸臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計方式超臨界和高超臨界設(shè)計的缺點是要比亞臨界設(shè)計存在更多的振動問題需要解決，主要包括：（1）附加外部阻尼器。傳動軸系不僅要有較大的臨界轉(zhuǎn)速裕度，而且在運轉(zhuǎn)過程中必須滿足苛刻的振動限制條件要求，以保證有足夠的疲勞壽命，因此需要首先為傳動系統(tǒng)提供外部阻尼器，然后在系統(tǒng)啟動階段很快地通過低階臨界轉(zhuǎn)速。（2）穩(wěn)定性條件。由于超臨界和高超臨界傳動系統(tǒng)內(nèi)部阻尼會產(chǎn)生不穩(wěn)定問題，為了消除這種不穩(wěn)定性，要求傳動軸第i階橫向振動模態(tài)滿足：

無人機傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的計算

傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速為

當傳動軸以變轉(zhuǎn)速越過臨界轉(zhuǎn)速時，最大振幅總是滯后出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速加速度越大，滯后越大，響應曲線也趨于平緩。對無人機傳動軸系來說，軸的形狀及材料、支承彈性、轉(zhuǎn)矩以及軸加速（或減速）等重要因素會影響傳動軸系的臨界轉(zhuǎn)速。無人機傳動軸臨界轉(zhuǎn)速有限元分析

無人機傳動系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速有限單元法是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個數(shù)，且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。對于一個實際連續(xù)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，經(jīng)離散化就變成一個多自由度系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子動力學中、基本動力學運動方程要增加陀螺效應和旋轉(zhuǎn)阻尼：

只考慮影響轉(zhuǎn)子動力學性能的主要因素，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行簡化。傳動軸臨界轉(zhuǎn)速有限元求解方法

有限元法求解無人機傳動系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速是一種比較精確的方法，可以考慮轉(zhuǎn)子的柔性和形變，求解流程可以分成三大步：（1）前處理。幾何清理、網(wǎng)格劃分及材料屬性。（2）求解。構(gòu)建連接關(guān)系及邊界條件定義。（3）后處理。查看結(jié)果云圖及數(shù)據(jù)曲線。實際上，目前主流前處理軟件前兩步都是可以實現(xiàn)的。設(shè)定好仿真環(huán)境

之后，只需要導入到求解

器進行計算就可以了，確

實比較方便。傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化1．軸段剛度表示法（1）當量剛度。（2）當量轉(zhuǎn)動慣量。2．軸在串聯(lián)工作時的總剛度表示法一個軸段在串聯(lián)工作時，總剛度的倒數(shù)為各個

分軸段剛度倒數(shù)之和。3．錐形軸的剛度表示法（1）實心錐形軸。（2）園柱孔錐形軸4．彈性聯(lián)軸節(jié)的剛度表示法一對齒輪嚙合的減速系統(tǒng)當量轉(zhuǎn)化為了把傳動減速系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為當量系統(tǒng)，必須把傳動減速系統(tǒng)的剛度和轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化為當量系統(tǒng)的當量剛度和當量轉(zhuǎn)動慣量，同時又不改變傳動減速振動系統(tǒng)的振動特性。轉(zhuǎn)化方式按照能量守恒的觀點來

處理，有關(guān)物理量的換算有；游星減速系統(tǒng)的當量轉(zhuǎn)化無人機上使用游星減速器，有一級游星齒輪減速、二級游星齒輪減速等，當量轉(zhuǎn)動慣量為：傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動固有特性計算按單旋翼帶尾槳輕型無人直升機原理圖進行當量化。在當量轉(zhuǎn)化中，不考慮系統(tǒng)的阻尼；不考慮旋翼三片槳葉的彈性變形。計算模型的等效轉(zhuǎn)動慣量旋翼系統(tǒng)中槳葉的運動方程為：

槳轂的運動微分方程為：槳葉等效到槳轂后的槳轂轉(zhuǎn)動慣量為：上式中，第一項為原槳轂轉(zhuǎn)動慣量，第二、三項就是漿葉的等效轉(zhuǎn)動慣量。擺動力吸振器的等效轉(zhuǎn)動慣量擺振動力吸振器的等效轉(zhuǎn)動慣量為：上式的第一項為原發(fā)動機曲軸等的轉(zhuǎn)動慣量，第二