CN109017182A - 一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行汽车技术领域，具体涉及一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，包括：车身、折叠翼、尾翼、动力系统、传动机构和起落架，所述动力系统由旋翼涵道系统、尾推桨和变桨距机构组成；所述旋翼涵道系统包括四组共轴双旋翼涵道。解决了现有技术中的飞行汽车的起降距离远，对起降场地要求高的缺陷以及涵道旋翼飞行汽车获取升力效率低，耗油率大，稳定性不足的技术问题。升力获取率更高，油耗更小，其可靠性、安全性高、成本更低。
Description
技术领域
本发明属于飞行汽车技术领域，具体涉及一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车。
背景技术
飞行汽车是一种既可以在空中飞行,又可以在地面行驶的交通工具,它是飞机与汽车的结合体。随着世界人口的快速增加和经济水平的提高,人类对汽车的需求也快速增长。由此带来的地面交通堵塞问题将会更加严重。考虑到未来公路交通状况的复杂性，如果采用普通的滑跑起降方式，将不得不面临很多突出问题。比如飞机的滑跑起降方式对公路的质量要求较高，如公路的平面形状，因为起降过程中需要提供一个较为平直的且延伸距离较长的路段，而寻找这样的路段就在一定程度上限制了飞行汽车的使用范围。同时飞机的滑跑起降方式对公路交通状况要求较高，起飞着陆过程需要提供绝对安全的路况，一般情况下，起飞着陆的过程均需要一定时间，怎样保证这样一段时间内的相对“干净”的道路状况是不容易的。因此具有超短距起降或垂直起降功能的飞行汽车可以较好的解决以上问题。与此同时随着汽车数量的增多，城市道路拥堵问题日益严峻和人们对快速、便捷、灵活交通工具的需求，为飞行汽车的发展带来了巨大的技术潜力。
申请号为201610173428.5，名称为四旋翼垂直起降飞行汽车的发明专利提出的飞行汽车包括车身,动力装置、驱动装置,车身前后各两个旋翼螺旋桨。该发明重点在于通过四个旋翼螺旋桨的倾转对飞行汽车的飞行姿态进行控制。其缺点在于结构设计不实用,容易损坏，升力效率低，耗油率大。并且在行驶过程中旋翼螺旋桨裸露在外存在各种不完全因素。
申请号为201620231780.5，实用新型名称为垂直起降飞行汽车的专利。专利提出的飞行汽车包括车身、动力装置、驱动装置,车身的前部和后部分别设置有垂直起降装置。飞行汽车的升力效率低，耗油率大，稳定性不足。
发明内容
本发明解决了现有技术中的飞行汽车的起降距离远，对起降场地要求高的缺陷以及涵道旋翼飞行汽车获取升力效率低，耗油率大，稳定性不足的技术问题。
具体技术方案是，所述垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，包括：车身、折叠翼、尾翼、动力系统、传动机构和起落架，所述动力系统由旋翼涵道系统、尾推螺旋桨和变螺旋桨距机构组成；所述旋翼涵道系统包括四组共轴双旋翼涵道。
所述旋翼涵道系统由四组旋翼涵道组成，第一旋翼涵道置于所述车身前部主轴左端，第二旋翼涵道置于所述车身前部主轴右端，第三旋翼涵道置于车身后部主轴左端，第四旋翼涵道置于所述车身后部主轴右端。
旋翼涵道中的旋翼为共轴双旋翼，包括共轴设置的上旋翼和下旋翼。
折叠翼包括中翼、第一内翼、第二内翼、第一外翼、第二外翼，都为矩形翼；中翼与第一内翼和第二内翼通过两个第一铰链相链接，第一内翼与第一外翼、第二内翼与第二外翼通过第二铰链链接，中翼置于车身顶部，折叠翼为上单翼；折叠翼采用2°安装角；中翼与内翼通过第一铰链链接，内翼和外翼通过第二铰链链接；第一铰链设置在内翼外端头和中翼内端头上部位置；第二铰链设置在内翼外端头靠近下部位置与外翼内端头靠近下部位置。
内翼与中翼之间设置第一折叠机构，内翼与外翼之间设置第二折叠机构；所述第一折叠机构为带有液压杆的液压装置，液压机构的底座固定在中翼外端头靠近底部位置，液压机构的液压杆固定在内翼内端头的上部位置，中翼与内翼通过第一折叠机构实现折叠；所述第二折叠机构包括三角形部件、第一摇臂、第二摇臂、第一传动杆和第二传动杆；所述三角形部件倒置放置下部三角与第二铰链链接，第一摇臂和第二摇臂一端固定在中翼内部的底部位置与舵机驱动连接，并在舵机驱动下实现主动摇摆，另一端分别与三角形部件的上部两个三角通过转轴连接，中翼和外翼通过第二折叠机构实现折叠。
工作原理，在进行机翼折叠时，首先液压装置液压杆向外伸出，推动内翼向上转动，直到达到90°，然后通过控制舵机进而带动第一摇臂与第二摇臂一起向内摇摆，也就是二者施力大小相等方向相反，进而施力于第一传动杆与第二传动杆，再作用在三角形部件上，然后实现外翼以第二铰链为轴向下转动，最终实现折叠。
所述尾翼包括平尾、左垂尾、右垂尾，平尾、左垂尾、右垂尾都采用对称翼型；升降舵的弦长为平尾弦长的25％，升降舵的舵面展长和平尾展长长度相同。
传动机构包括涵道旋翼传动系统和推进螺旋桨传动系统；涵道旋翼传动系统包括发动机，液力变距器，主减速器，锥齿轮组，传动轴，联轴器和副减速器，设置在车身内部；推进螺旋桨传动系统包括，发动机，液力变距器，主减速器，中间传动机构，副减速器,这里的发动机、液力变距器、主减速器与涵道旋翼传动系统与涵道旋翼传动系统共用；发动机为所述推进螺旋桨传动系统的动力输入机构，液力变距器将扭矩和转速传递给主减速器，并增大扭矩减小转速，主减速器将改变后的转速传递给中间传动机构，中间传动机构将转速传递给副减速器，其中副减速器与尾推桨相连，安装在车身后部。
起落架为固定式四轮结构，包括前起落架、后起落架，前起落架有两个前轮轮胎，轮胎与车身前部的悬架通过减震器相连；后起落架有两个后轮轮胎，与车身后部的悬架通过减震器相连。
工作原理：该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车首先用四组共轴双旋翼涵道垂直起降，即以旋翼模式以一定的速度垂直上升到距离地面所需的高度，然后旋翼模式转换至固定翼模式，此时折叠翼由完全收起到完全展开，其内翼绕第一铰链向下转动，外翼绕第二铰链向上展开，此时折叠翼展开转为固定翼，再以固定翼模式爬升至所需高度进行巡航，然后以固定翼模式空中巡航。在固定翼模式下以一定的巡航速度水平飞行至目标点后，收起机翼，由固定翼模式切换为旋翼模式，以旋翼模式回到地面。
有益效果：
(1)该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车设计为涵道旋翼-折叠翼混合结构的总体设计，该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车将涵道式飞行汽车可以进行短距起降或垂直起降的优点和固定翼飞行汽车获取升力效率高，耗油率低，巡航效率高、性能较佳的优点有机结合起来。
(2)该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车采用折叠机翼，折叠机翼为上单翼布局。当在路面行驶时，飞行汽车必须满足标准车道的要求，这便要求该飞行汽车机翼能在飞行模式和地面模式下进行相互转换。
(3)该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车在空中获取升力的效率较高，在陆地上占用空间合理。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车利用发动机燃油动力，机械传动直接进行驱动旋翼，所有的传动系统采用齿轮传动，通过变桨距机构产生桨距的变化，实现机翼可折叠展开的飞行汽车的操纵。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车使用机械传动，其可靠性高、成本低，同时发动机能重比高。
附图说明
图1为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的等轴侧视图。
图2为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的俯视图。
图3为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的左视图。
图4为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的正视图。
图5为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的折叠翼立体图。
图6为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的折叠翼折叠机构示意图。
图7为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的尾翼示意图。
图8为本发明提出的一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车方案的布置示意图。
图9为涵道旋翼传动系统示意图。
图10为推进螺旋桨传动系统示意图。
附图标记说明：1.车身；2.折叠翼；3.尾翼；4.动力系统；5.传动机构；6.起落架；7.车身前部；8.车身后部；9.油箱；10.中翼；11.第一内翼；12.第二内翼；13.第一外翼；14.第二外翼；15.第一铰链；16.第二铰链；17.平尾；18.右垂尾；19.左垂尾；20.升降舵；21.右方向舵；22.左方向舵；23.四组共轴双旋翼涵道；24.变桨距机构；25.尾推桨；26.第一旋翼涵道；27.第二旋翼涵道；28.第三旋翼涵道；29.第四旋翼涵道；30.旋翼；31.上旋翼；32.下旋翼；33.涵道旋翼传动系统；34.推进螺旋桨传动系统；35.发动机；36.液力变距器；37.主减速器；38.锥齿轮组；39.传动轴；40.联轴器；41.副减速器；42.中间传动机构；43.副减速器；44.前起落架；45.后起落架；46.前轮；47.后轮；48.飞控系统；49.操纵系统；50、第一折叠机构；50.1、液压机构；51、第二液压机构；51.1、三角形部件；51.2、第一摇臂；51.3、第二摇臂；51.4、第一传动杆；51.5、第二传动杆。
具体实施方式
本发明提供了一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，解决了现有技术中的飞行汽车的起降距离远，对起降场地要求高的缺陷以及涵道旋翼飞行汽车获取升力效率低，耗油率大，稳定性不足的技术问题。
实施例1，如图1-图10所示，所述垂直起降机翼可折叠的飞行汽车包括：车身1、折叠翼2、尾翼3、动力系统4、传动机构5和起落架6。所述车身1采用正常轿车车身，采用流线体形式。车身1包括：车身前部7、车身后部8。其中驾驶舱49置于车身前部7的内部，与车身1重心相距1.7m。车身前部7是具有翼型且长度与车身最宽处等长的防撞结构，车身前部采用具有水滴形座舱外形，并总体呈现一定流线型。车身前部7的前端弧度较大，以适应飞行时的高速气动要求，这个结构一方面可以保护车身，另一方面在飞行时可以提供一定的升力。车身1外壳采用铝合金框架，复合材料蒙板的半硬壳式机体结构，保证了机翼可折叠展开的飞行汽车的碰撞安全性。车身后部8设计为前端与车身前部7光滑连接，接着逐渐向尾推桨25安装处收缩。所述车身(1)除用于连接折叠翼(2)、尾翼(3)外，还用于装载人员和安装车内的各种系统和设备。
所述折叠翼2包括：中翼10、第一内翼11、第二内翼12、第一外翼13、第二外翼14，都为矩形翼。其中中翼10与第一内翼11和第二内翼12通过第一铰链15相链接，第一内翼11和第二内翼12与第一外翼13和第二外翼14通过第二铰链16链接，中翼10置于车身1顶部，折叠翼2为上单翼，油箱9置于中翼10的内部，设置在车身1的重心处，用于调节整机重心。为了使垂直起降折叠翼飞行汽车在巡航状态时的阻力达到最小，折叠翼2采用2°安装角，即折叠翼安装在车身上时翼根翼剖面弦线与车身轴线之间的夹角为2°。第一铰链15设置在内翼外端头和中翼内端头上部位置；第二铰链16设置在内翼外端头靠近下部位置与外翼内端头靠近下部位置。
内翼与中翼之间设置第一折叠机构50，内翼与外翼之间设置第二折叠机构51；所述第一折叠机构50为带有液压杆的液压装置50.1，具体液压装置50.1的结构以为现有技术中技术已经很成熟，并且该种液压机构也已大面积应用，其结构对于本领域技术人员来说是已知的，因此在此不再赘述。液压装置50.1的底座固定在中翼10外端头靠近底部位置，液压装置50.1的液压杆固定在内翼的内端头的上部位置，中翼10与内翼通过第一折叠机构50实现折叠；所述第二折叠机构51包括三角形部件51.1、第一摇臂51.2、第二摇臂51.3、第一传动杆51.4和第二传动杆51.5；所述三角形部件51.1倒置放置，下部三角与第二铰链16链接，第一摇臂51.2和第二摇臂51.3一端固定在中翼10内部的底部位置与舵机驱动连接，并在舵机驱动下实现主动摇摆，另一端分别与三角形部件51.1的上部两个三角通过转轴连接，中翼和外翼通过第二折叠机构实现折叠。其中内翼即包括第一内翼11、第二内翼12，外翼包括第一外翼13、第二外翼14。
折叠机翼工作原理，在进行机翼折叠时，首先液压装置50.1液压杆向外伸出，推动内翼向上转动，直到达到90°，然后通过控制舵机进而带动第一摇臂51.2与第二摇臂51.3一起向内摇摆，也就是两个摇臂二者施力大小相等方向相反，进而施力于第一传动杆与第二传动杆，再作用在三角形部件51.1上，然后实现外翼以第二铰链16为轴向下转动，最终实现折叠。
所述尾翼设计包括平尾17、左垂尾19、右垂尾18，其中平尾17、左垂尾19、右垂尾18都采用对称翼型；尾翼3安装在距整车重心3m处，为了保证飞机具有一定的静稳定性，同时又不使结构太重，取15％的静稳定裕度，平尾17的展长为2m，弦长为0.5m；升降舵20置于所述平尾17后部，升降舵20的弦长为平均弦长的25％左右，升降舵20的弦长占平尾17弦长的25％左右，升降舵20的舵面展长和平尾17展长相等；左垂尾19置于所述平尾17的左端，所述右垂尾18置于所述平尾17的右端；左方向舵22置于所述左垂尾19后部，右方向舵21置于所述右垂尾18后部，所述左垂尾(19)与车身后部(8)通过尾撑支撑相连，所述右垂尾(18)与车身后部(8)通过尾撑支撑相连。
所述动力系统4为垂直起降折叠翼飞行汽车提供运行动力，具体动力系统包括：四组共轴双旋翼涵道23、变桨距机构24、尾推桨25；第一旋翼涵道26置于所述车身前部7主轴左端，所述第二旋翼涵道27置于所述车身前部7主轴右端，所述第三旋翼涵道28置于所述车身后部8主轴左端，所述第四旋翼涵道29置于所述车身后部8主轴右端；旋翼30为共轴双旋翼，其中上旋翼31和下旋翼32为共轴设置，变桨距机构24和旋翼30共轴设置。所述旋翼30为共轴双旋翼，其中所述上旋翼31和所述下旋翼32为共轴设置。所述变桨距机构24和所述旋翼30共轴设置，变桨距机构24用于控制旋翼30的桨距。因为变桨距机构24可选用现有技术中的多种已知结构，如中国实用新型专利CN2016203339820中的一种变桨距机构，又如中国发明专利CN2017102437153中公开的一种飞行器内变桨距机构等都可实现本申请中所述变桨距机构的功能，在此不再赘述变桨距机构的具体结构。
传动机构5为垂直起降折叠翼飞行汽车的传动机构包括：涵道旋翼传动系统33、推进螺旋桨传动系统34；其中涵道旋翼传动系统33包括发动机35，液力变距器36，主减速器37，锥齿轮组38，传动轴39，联轴器40，副减速器41，其都放置在车身1内部；油箱9安装在中翼10内部，处于整车的重心处，发动机35安装在距重心0.25m处，主减速器37安装在距重心1.1m处；四组共轴双旋翼涵道23用以提供向上的升力，所需的扭矩和转速由发动机35经传动机构传递给旋翼30。其中发动机35为涵道旋翼传动系统33的动力输入机构，主减速器37接受液力变距器36传来的扭矩和转速，改变后传递给传动轴39和锥齿轮组38，然后将其传递给副减速器41，副减速器41与旋翼30相连，最终动力由副减速器41传递给旋翼30，由旋翼30提供飞行汽车所需升力，各涵道旋翼升力大小由变桨距机构24控制。
推进螺旋桨传动系统34包括：发动机35，液力变距器36，主减速器37，中间传动机构42，副减速器43；发动机35为所述推进螺旋桨传动系统34的动力输入机构，液力变距器36将扭矩和转速传递给主减速器37，并在这一过程中增大扭矩减小转速，主减速器37将改变后的转速传递给中间传动机构42，中间传动机构42传递给副减速器43，其中副减速器43与尾推桨25相连，安装在车身1后部，从而使发动机35的动力通过尾推桨输出。
起落架6为固定式四轮结构，包括前起落架44、后起落架45，前起落架44有两个前轮轮胎，轮胎与车身前部的悬架通过减震器相连，后起落架45有两个后轮轮胎，与车身后部的悬架通过减震器相连；前轮46的尺寸和后轮47的尺寸相同。
飞控系统48置于第一旋翼涵道26后部，飞控系统48是对飞行汽车实施自动或半自动控制，即飞机的俯仰、滚转和偏航控制，增升和增阻控制，人工配平，直接力控制等，其作用保证飞行汽车的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质；所述操纵系统49用于控制飞行汽车的运行,因为本申请的设计点主要在产品结构的设计改进，其飞控系统并非本申请的设计要点，其本申请中的飞控系统采用现有飞控系统完成，因此不再详细赘述，其可选用现有已公开的飞控系统来完成控制，如专利CN2016110680053中公开的一种涵道飞行器飞行控制系统，或选用现有的飞控系统如开源Ardupilot/APM飞控系统、NWC飞控系统等。
该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车设计为涵道旋翼-折叠翼混合结构的总体设计，该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车将涵道式飞行汽车可以进行短距起降或垂直起降的优点和固定翼飞行汽车获取升力效率高，耗油率低，巡航效率高、性能较佳的优点有机结合起来。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车采用折叠机翼，折叠机翼为上单翼布局。当在路面行驶时，飞行汽车必须满足标准车道的要求，这便要求该飞行汽车机翼能在飞行模式和地面模式下进行相互转换，机翼可折叠展开的飞行汽车设计是符合国家道路宽度要求。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车在空中获取升力的效率较高，在陆地上占用空间合理。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车利用发动机燃油动力，机械传动直接进行驱动旋翼，所有的传动系统采用齿轮传动，通过变桨距机构产生桨距的变化，实现机翼可折叠展开的飞行汽车的操纵。该垂直起降机翼可折叠的飞行汽车使用机械传动，其可靠性高、成本低，同时发动机能重比高。
Claims (8)
1.一种垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，包括：车身、折叠翼、尾翼、动力系统、传动机构和起落架，其特征在于：所述动力系统由旋翼涵道系统、尾推螺旋桨和变螺旋桨距机构组成；所述旋翼涵道系统包括四组共轴双旋翼涵道。
2.根据权利要求1所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：所述旋翼涵道系统由四组旋翼涵道组成，第一旋翼涵道置于所述车身前部主轴左端，第二旋翼涵道置于所述车身前部主轴右端，第三旋翼涵道置于车身后部主轴左端，第四旋翼涵道置于所述车身后部主轴右端。
3.根据权利要求2所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：旋翼涵道中的旋翼为共轴双旋翼，包括共轴设置的上旋翼和下旋翼。
4.根据权利要求1所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：折叠翼包括中翼、第一内翼、第二内翼、第一外翼、第二外翼，都为矩形翼；中翼与第一内翼和第二内翼通过两个第一铰链相链接，第一内翼与第一外翼、第二内翼与第二外翼通过第二铰链链接，中翼置于车身顶部，折叠翼为上单翼；折叠翼采用2°安装角；中翼与内翼通过第一铰链链接，内翼和外翼通过第二铰链链接；第一铰链设置在内翼外端头和中翼内端头上部位置；第二铰链设置在内翼外端头靠近下部位置与外翼内端头靠近下部位置。
5.根据权利要求4所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：内翼与中翼之间设置第一折叠机构，内翼与外翼之间设置第二折叠机构；所述第一折叠机构为带有液压杆的液压装置，液压机构的底座固定在中翼外端头靠近底部位置，液压机构的液压杆固定在内翼内端头的上部位置，中翼与内翼通过第一折叠机构实现折叠；所述第二折叠机构包括三角形部件、第一摇臂、第二摇臂、第一传动杆和第二传动杆；所述三角形部件倒置放置下部三角与第二铰链链接，第一摇臂和第二摇臂一端固定在中翼内部的底部位置与舵机驱动连接，并在舵机驱动下实现主动摇摆，另一端分别与三角形部件的上部两个三角通过转轴连接，中翼和外翼通过第二折叠机构实现折叠。
6.根据权利要求5所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：尾翼包括平尾、左垂尾、右垂尾，平尾、左垂尾、右垂尾都采用对称翼型；升降舵的弦长为平尾弦长的25％，升降舵的舵面展长和平尾展长长度相同。
7.根据权利要求1至6中任一所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：传动机构包括涵道旋翼传动系统和推进螺旋桨传动系统；涵道旋翼传动系统包括发动机，液力变距器，主减速器，锥齿轮组，传动轴，联轴器和副减速器，设置在车身内部；推进螺旋桨传动系统包括，发动机，液力变距器，主减速器，中间传动机构，副减速器；发动机为所述推进螺旋桨传动系统的动力输入机构，液力变距器将扭矩和转速传递给主减速器，并增大扭矩减小转速，主减速器将改变后的转速传递给中间传动机构，中间传动机构将转速传递给副减速器，其中副减速器与尾推桨相连，安装在车身后部。
8.根据权利要求7所述的垂直起降机翼可折叠的飞行汽车，其特征在于：起落架为固定式四轮结构，包括前起落架、后起落架，前起落架有两个前轮轮胎，轮胎与车身前部的悬架通过减震器相连；后起落架有两个后轮轮胎，与车身后部的悬架通过减震器相连。
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