CN112478144B - 一种柔性起落架减震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种柔性起落架减震装置，属于航空器的减震技术领域；包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆为等径直杆，第二连杆为外周面一侧设置有半圆凸起的直杆结构，半圆凸起的直径和直杆结构的轴向平行；两个第一连杆相对设置，两个第二连杆相对设置，通过四个柔性铰链将四个连杆首尾相接，形成柔性结构的四连杆机构；当所述四连杆机构为自由状态时，两个第二连杆的半圆凸起外周面之间挤压相切，将两个半圆凸起的切线作为参考线；当所述四连杆机构受冲击为运动状态时，两个半圆凸起之间的接触区域沿半圆凸起边缘移动，通过挤压变形所产生的摩擦力消除冲击力。本发明整体式的柔性减震器最大优化了减震效果，其中，能量的耗散是非常关键的。

Description

一种柔性起落架减震装置
技术领域
本发明属于航空器的减震技术领域，具体涉及一种柔性起落架减震装置。
背景技术
起落架装置是飞行器重要的具有承力兼操纵性的部件，在飞行器安全起降过程中担负着及其重要的使命。起落架是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的支持系统，是飞机的主要部件之一，其性能的优劣直接关系到飞机的使用与安全。
张等人2018年在《野外机器人》杂志上，发表了一篇名为“受生物启发的带有软减震器的自主飞行机器人的着陆系统设计”的论文[Zhang K,Chermprayong P,TzoumanikasD,et al.Bioinspired design of a landing system with soft shock absorbers forautonomous aerial robots[J].Journal of Field Robotics,2019,36(1):230-251.]，其中提出了着陆腿减震器的设计，试图提高无人机着陆阶段的安全性。该方法基于仿生学思想，设计了无人机接近策略和一个可伸缩的系统，使用了两个减震器。第一个被称为“波纹壳”，使用标准铰链将三个柔性壳结构连接在一个折叠连杆结构上。该结构由5个零件组成，既具有线性运动的性质，也具有弹簧的非线性特性。第二个减震器位于起落架的末端，这种被称为“软着陆垫”的小阻尼器吸收少量着陆能量，通过弯曲和扭转，可适应不同的着陆表面。张等人提出的着陆腿有三个明显的问题：(1)主动伸缩系统中嵌入了机动化，增加了飞机的死重。(2)没有专门用于能量耗散的模块，而该模块是着陆器转化动能避免破碎或弹跳的标准模块。(3)该机构相对复杂，在装配中使用了多个部件，并没有使机构的尺寸得到优化。
目前，大多数起落架只是让无人机保持静止，只能吸收小冲击力。通常由于地面效应或其他原因，着陆阶段可能会导致硬碰撞。因此，无人机最好能不受控制的弹跳，但这也会导致一些零件的断裂。
由于无摩擦、无间隙和最少装配阶段的卓越品质，柔性机构正变得越来越有前景。与标准机构不同的是，标准机构具有可移动的关节，而柔性机构则通过柔性构件的挠度来获得其灵活性，其运动学模型与结构的力学行为相耦合。一般情况下，标准机构的刚性铰链可以被横梁截面积较小的柔性铰链代替。柔性部件的变形具有弹性效应，因此，柔性机制具有减震器的作用，可用于吸收冲击中的能量。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种柔性起落架减震装置，作为一种柔性机构设计本发明的阻尼器为单体式设计，利用四杆机构理论，在运动过程中对特定区域的摩擦效应进行调节，同时能够消除着陆冲击，使减震效应达到预期的效果。这种新型的着陆腿设计具有更好的减震效果，防止对无人机的潜在破坏，并保持更好的控制。
本发明的技术方案是：一种柔性起落架减震装置，其特征在于：包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆为等径直杆，第二连杆为外周面一侧设置有半圆凸起的直杆结构，半圆凸起的直径和直杆结构的轴向平行；两个第一连杆相对设置，两个第二连杆相对设置，通过四个柔性铰链将四个连杆首尾相接，形成柔性结构的四连杆机构；
两个所述第二连杆的半圆凸起的半径之和大于第一连杆的轴向长度；当所述四连杆机构为自由状态时，两个第二连杆的半圆凸起外周面之间挤压相切，将两个半圆凸起的切线作为参考线；当所述四连杆机构受冲击为运动状态时，两个半圆凸起之间的接触区域沿半圆凸起边缘移动，通过挤压变形所产生的摩擦力消除冲击力。
本发明的进一步技术方案是：所述第一连杆的直径大于柔性铰链的直径。
本发明的进一步技术方案是：所述第二连杆的半圆凸起为弹性材料。
本发明的进一步技术方案是：所述柔性铰链的材料为聚丙烯PP，通过3D打印制备。
本发明的进一步技术方案是：两个所述第二连杆的半圆凸起相切后，其边缘线位于参考线外围，能够增强摩擦阻力。
本发明的进一步技术方案是：所述第二连杆的外周面并列设置有两个半圆凸起，两个第二连杆的四个半圆凸起交错设置；位于上方的所述第一连杆与航行器的机架连接，作为减震装置与航行器的连接件；位于下方的第一连杆作为与地面接触的足端。
本发明的进一步技术方案是：所述连接件为三角形框架结构，所述足端为三角形实体结构。
本发明的进一步技术方案是：两个所述第二连杆位于中间的两个半圆凸起的外周面上设置有终点挡块，在冲击运动过程中通过终点挡块限位，能够停止起落架的运动，防止能量耗散的不足。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明整体式的柔性减震器最大优化了减震效果，其中，能量的耗散是非常关键的。作为一个单一的整体，它能在多种不同情况下安装使用。其中一个应用是快速着陆技术，该减震器可以安装在无人机、微型飞行器或任何垂直起降的飞行器上实现快速着陆。此外，它在保持轻量级的基础上，具有对着陆冲击较好的吸收性能，这在着陆阶段和携带过程都能较好地保护飞行器。具有良好的碰撞损耗和减震效果，重量轻，易于安装使该减震器的性能远远优于现有着陆腿的设计结构。
附图说明
图1是初始形状为平行四边形的柔性减震器结构。
图2是减震过程中呈收缩状平行四边形的柔性减震器结构。
图3是在初始状态的柔性无人机起落架。
图4是在减震过程中的柔性无人机起落架。
附图标记说明：1、第一连杆；2、第二连杆；3.柔性铰链；4、接触区域；5、参考线；6、终点挡块；7、足端；8、连接件；9、半圆凸起。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明提出的柔性减震机构是一种四连杆机构，包括第一连杆1、第二连杆2和柔性铰链3，柔性铰链3的横截面积相对结构杆2较窄。在图中展示出了两种类型的连杆：等径的第一连杆1和具有半圆凸起结构的第二连杆2，两个第一连杆1相对设置，两个第二连杆2相对设置，通过四个柔性铰链3将四个连杆首尾相接，形成柔性结构的四连杆机构。将两个半圆凸起的切线作为参考线5，从图中可以看出，为了提高接区域4处的摩擦效果，半圆凸起的边缘均超出参考线5。
如图2所示，机构的运动使得接触区域4沿半圆凸起9边缘移动，到参考线5的垂直距离随着连杆的旋转而增加。柔性铰链3的弹性系数取决于材料和该位置处的界面。这种情况是在与地面接触时在2维拉伸的挤压而形成的。当连杆件处于初始自由状态时，机构处于稳定状态。这种形状是通过结构记忆的，也是减震机构倾向保持的形状即柔性件自然状态下形状。长时间的挤压增加了接触区域4的大小，因此增加了机构的摩擦效果。采用增材制造技术生产柔性材料的是获得本发明提出的整体式减震器的一种方式。本发明提出了一种采用柔性材料生产整个柔性减震器的增材制造方法。
与现有的减震器相比，本发明的设计注重减震器的轻量化设计和运动过程中摩擦力的控制，这样可以有效地消耗运动的动能。
第二连杆2和柔性铰链3具有相同的弹性系数，当第二连杆2形变量为Δh时，其弹性恢复力为：
Fk＝-kΔh
其中，k为常值弹性系数，形变量Δh，大小为参考线5和接触区域4沿杆方向的距离，弹性恢复力的方向与受挤压的方向相反。
同时，整个系统存在静摩擦，根据库伦摩擦定律给出的近似模型，作用在接触区域4上的摩擦力可以表示成下式：
Ff≤μFn
其中，Ff是与表面平行且与运动方向相反的摩擦力，μ是摩擦因数，Fn是作用在接触区域4表面上的法向力。摩擦因数μ是经验值，并且可以在表中查到，它取决于两个接触面的材料和粗糙度。
结合前面两个方程，对于给定的材料，装置摩擦力的绝对值为下式：
Ff≤2kμΔh
通过以上可以看出，装置内部的弹力随着作用在接触面上的力的增加而线性增加。在运动过程中，两个凸起部分之间的摩擦力会增加，这意味着整个装置的速度以恒定的加速度在不断减小。
图1所示的柔性减震器可用于较大碰撞情况下的减震，其能量耗散效果很好。以无人机着陆阶段的减震为例，说明该装置的具体实施方式如下：
首先，四杆机构的动力学连接系统是按照其目标运动方式设计的，以无人机起落架为例，运动方式需为竖直方向的直线，与机架垂直。当达到图4中的压缩位置时，足端7的末端与地面的运动几乎是直线运动此时，图3所示的四个柔性铰链3会发生形变以适应该运动状态。连接件8在减震器的最上面，使起落架可以连接到无人机机架上，三角形形状的结构使连接件有一定的刚性。
四个连杆为刚性杆，在机构的两个相对直杆之间至少需要找到一个不变的距离。参考线5是两个半圆凸起相交于一点的参考线，这可以加倍提高摩擦效果。但由于实际连杆的自然弯曲，参考线5和半圆凸起9之间的距离需要从期望值稍微增加整体尺寸的1％～3％，否则可能达不到预想效果。终点挡块6被加入到系统中以停止起落架的运动，防止能量耗散的不足。
图3中的起落架是在初始位置，起落架机构是在其稳定形状下展示的。2D绘制的是被挤压15mm的示意图。聚丙烯(PP)可以用来制造柔性铰链4，它是用于3D打印的增材制造材料，这种材料具有柔性机构所需要的弯曲特性，填充量设定为20％，其他参数保持PP印刷的标准参数。
最后再次强调该起落架的特点：重量轻，易于安装，具有良好的碰撞损耗和减震效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种柔性起落架减震装置，其特征在于：包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆为等径直杆，第二连杆为外周面一侧设置有半圆凸起的直杆结构，半圆凸起的直径和直杆结构的轴向平行；两个第一连杆相对设置，两个第二连杆相对设置，通过四个柔性铰链将四个连杆首尾相接，形成柔性结构的四连杆机构；
两个所述第二连杆的半圆凸起的半径之和大于第一连杆的轴向长度；当所述四连杆机构为自由状态时，两个第二连杆的半圆凸起外周面之间挤压相切，将两个半圆凸起的切线作为参考线；当所述四连杆机构受冲击为运动状态时，两个半圆凸起之间的接触区域沿半圆凸起边缘移动，通过挤压变形所产生的摩擦力消除冲击力；
所述第二连杆的半圆凸起为弹性材料。
2.根据权利要求1所述柔性起落架减震装置，其特征在于：所述第一连杆的直径大于柔性铰链的直径。
3.根据权利要求1所述柔性起落架减震装置，其特征在于：所述柔性铰链的材料为聚丙烯PP，通过3D打印制备。
4.根据权利要求1所述柔性起落架减震装置，其特征在于：两个所述第二连杆的半圆凸起相切后，其边缘线位于参考线外围，能够增强摩擦阻力。
5.根据权利要求1所述柔性起落架减震装置，其特征在于：所述第二连杆的外周面并列设置有两个半圆凸起，两个第二连杆的四个半圆凸起交错设置；位于上方的所述第一连杆与航行器的机架连接，作为减震装置与航行器的连接件；位于下方的第一连杆作为与地面接触的足端。
6.根据权利要求5所述柔性起落架减震装置，其特征在于：所述连接件为三角形框架结构，所述足端为三角形实体结构。
7.根据权利要求5所述柔性起落架减震装置，其特征在于：两个所述第二连杆位于中间的两个半圆凸起的外周面上设置有终点挡块，在冲击运动过程中通过终点挡块限位，能够停止起落架的运动，防止能量耗散的不足。
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