技术领域
[0001] 本
发明涉及无人机发射领域，特别涉及小型无人机链传动模块化分级加速电动弹射器设计方法。
背景技术
[0002] 小型无人机在民用领域的用途越来越广泛，影响也越来越深远，广泛应用于航拍、环境监测、电
力巡检等诸多方面。这使轻小型无人机的弹射装置的创新研究也越来越受到人们的重视。
[0003] 目前市场上大多数轻小型无人机的弹射器结构设置简单、制造成本低廉、用粗糙的橡筋电动弹射，由于橡筋电动弹射利用橡筋拉伸后的弹性
势能使无人机加速，故滑跑过程的加速度会越来越小，导致加速时间偏长。而对于本身携带
燃料有限的油动无人机或电量有限的电动无人机，在保证安全性的前提下加速度越快越好，
起飞所用的时间越短越好。所以市场需要无人机电动弹射装置的传动方式的创新研究，以待解决无人机在传统弹射装置的滑跑过程中速度衰减问题和弹射装置体积普遍偏大，不利于运输和维护保养的问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，提供小型无人机链传动模块化分级加速电动弹射器设计方法，以克服传统无人机弹射装置为增加弹射能力而将装置大型化导致出现的运输和维护保养不便的问题和传统弹射装置上无人机滑跑的速度衰减问题。
[0005] 本发明所采用的技术解决方案是：小型无人机链传动模块化分级加速电动弹射器包括：弹射器本体、基本装置、动力装置、悬架装置、安全保护装置、挡块、扣板、释放机构、闭
锁机构、滑块、限位块；
[0006] 所述基本装置包括
导轨和弹射架，所述导轨设置有两根，所述两根导轨相互平行设置且
水平成
中轴线对称；所述导轨的横截面设置为圆形；所述弹射架设置在导轨的末端；所述导轨通过弹射架与无人机相连接，所述弹射架左右两端均设置有限位块；所述弹射架的后面设置有挡块；所述弹射架的前面设置有扣板；所述弹射架的底部设置有四个相同的滑块；所述滑块内部设置有滚珠；
[0007] 所述动力装置包括直流
电动机和链传动装置；所述链传动装置由链条和
链轮组成；所述链传动装置上设置有两个直流电动机；所述每一个链传动装置和设置在链传动装置上的两个直流电动机构成一个链传动模块，所述导轨两侧分别设置有多个链传动模块，所述每一个链传动模块首尾放置同样规格的转速方向相反的两个直流电动机，所述直流电动机通过
轴承带动链传动装置运转；
[0008] 所述悬架装置包括后
支架和前支架，所述后支架和前支架均通过
螺栓固定在弹射器本体上；
[0009] 所述安全保护装置为减速阻尼器，所述减速阻尼器安装在导轨的前端；所述减速阻尼器设置有一对
弹簧减速器；
[0010] 所述释放机构设置在弹射器本体的前端；所述闭锁机构设置在弹射器本体的后端；
[0011] 作为优选，所述导轨长度设置在0.5cm-3.5cm之间，宽度设置在175cm-185cm之间，所述后支架厚度设置在2mm-4mm之间且后支架4采用
钢板制成。
[0012] 作为一种优选的技术方案，所述导轨1采用
铝合金5000材料制成。
[0013] 作为一种优选的技术方案，所述直流电动机选用ZYT系列直流永磁电动机。
[0014] 作为一种优选的技术方案，链传动装置里的链条和链轮均是采用金属材料制成。
[0015] 作为一种优选的技术方案，所述前支架
自上而下依次设置有
螺柱、弹簧减震器、
支撑座；所述支撑座上设置有螺栓。
[0016] 作为一种优选的技术方案，所述弹射架上设置有锁紧销。
[0017] 一种小型无人机链传动模块化分级加速电动弹射器设计方法，包括：步骤1：对弹射器进行了总体设计和各元件的布局，主要包括基本结构、动力装置、悬架装置、安全保护装置四大部分组成；
[0018] 步骤2：对各部件进行详细分析和结构设计，完成直流电动机、链传动装置、导轨、弹射架、闭锁机构、释放机构、前支架、后支架、减速阻尼器型号的选择和参数的计算；
[0019] 所述基本结构：包括由两根互相平行且发射
角可调的导轨和弹射架组成；弹射架可以带着无人机加速滑跑，使其获得足够的速度以摆脱重力实现起飞；所述弹射架要紧扣在导轨上，以防在无人机滑跑过程弹射架脱离导轨导致弹射失败。所述弹射架与无人机采用不稳定连接，当无人机加速到导轨末端时，保证无人机和弹射架的准确分离；
[0020] 所述动力装置：由若干直流电动机和链式传动装置组成，每个链传动装置首尾放置同样规格的两个直流电动机，构成链式传动模块，导轨两侧分别分布一个链式传动模块，形成联动；直流电动机通过轴承带动链传动装置运转，电动机一个正转一个反转，提高链的转速以使无人机获得较大的加速度，针对不同重量的无人机可选择增减链传动模块，每一组链传动模块都可实现一次无人机滑跑的再加速，实现无人机的分级加速，解决了无人机滑跑过程的速度衰减问题；
[0021] 所述悬架装置：包括后支架4和前支架5，所述前支架自上而下依次设置有螺柱、弹簧减震器、支撑座；所述支撑座上设置有螺栓支承座上可设置螺栓以将弹射装置固定在拖车架或地面上，保证弹射过程的
稳定性，且便于安装和拆卸；螺柱用来微调发射角，弹簧减震器用来耗散无人机发射过程的残余
能量，快速衰减无人机弹射过程装置所受的反作用能量；
[0022] 所述安全保护装置：由弹簧减速阻尼器构成；
[0023] 步骤3：运用CATIA
软件对弹射器装置进行三维实体建模。
[0024] 所述步骤2还包括：
[0025] 步骤2.1：直流电动机的选型：直流电动机选用ZYT系列直流永磁电动机，其参数为：(1)功率：20-1200W；(2)
电压V：24V、110V、220V；(3)
扭矩：0.050-3822N.m；(4)转速：1500r/min、3000r/min、6000r/min；(5)安装方式：A1底脚安装、A3
法兰安装；(6)机座外径为：55mm、70mm、90mm、110mm、130mm；
[0026] 步骤2.2：链传动装置的选型：链传动装置采用一种
挠性传动，链传动装置由链条和链轮组成，链轮由大链轮和小链轮组成，利用链轮
轮齿与链条链节的
啮合来传递运动和动力；根据链传动的平均
传动比 设计大链轮和小链轮等齿数，即i＝1；
[0027] 步骤2.3：导轨的选型：导轨选用
铝合金5000系列材料制成，导轨的横截面设置为圆形，导轨设置成三段，使用时根据需要组合安装，一级加速导轨长度为1m，由二组四个同型号的直流电动机驱动，二级加速导轨长度为2m；三级加速导轨长度为3m；导轨宽度统一设置为180mm，与无人机
机身宽度相同；
[0028] 步骤2.4：弹射架的选型：弹射架底部安装有四个滑块，在滑块内安装有滚珠，弹射架左右侧均设置有限位块，弹射架后端安装有挡块，弹射架前端安装有扣板，弹射架上设置有锁紧销；
[0029] 步骤0.5：闭锁机构与释放机构的选型：闭锁机构设置在弹射器装置的后端，发射准备阶段无人机
发动机运转后，等待直流电动机运转平稳且达到最大功率，此时闭锁机构将卡住弹射架；当准备阶段结束时，闭锁机构打开，无人机随发射架向前滑跑；释放机构设置在弹射器装置的前端，无人机发动机的推力较小，不会使扣板转动，当发射架到达导轨的末端时，在减速阻尼器的冲击下，释放机构使扣板转动，无人机与弹射架成功脱离；
[0030] 步骤2.6：前支架的选型：前支架采用整体式轴设计，前支架自上而下依次设置有螺柱、弹簧减震器、支撑座；所述支撑座上设置有螺栓支承座上可设置螺栓以将弹射装置固定在拖车架或地面上；
[0031] 弹簧减震器由两根圆柱
螺旋弹簧并联组成，螺旋弹簧的旋绕比C设置在C＝5～8之间；计算螺旋弹簧的曲度系数，如公式(1)所示：
[0032]
[0033] 确定弹簧丝的直径d，如公式(2)所示：
[0034]
[0035] 其中，Fmax为弹簧最大工作
载荷，[τ]为弹簧丝的许用
应力，
[0036] 确定螺旋弹簧的有效圈数n，如公式(3)所示：
[0037]
[0038] 其中，G为切变模量,λmax为弹簧最大
变形量；
[0039] 确定螺旋弹簧内部最大循环切应τmax，如公式(4)所示：
[0040]
[0041] 其中，Fmax为螺旋弹簧最大工作载荷，D为螺旋弹簧外径；
[0042] 确定螺旋弹簧内部最小循环切应τmin，如公式(5)所示：
[0043]
[0044] 其中，Fmin为螺旋弹簧最小工作载荷，D为螺旋弹簧外径；
[0045] 最后进行螺旋弹簧疲劳强度Sca的验算，如公式(6)所示：
[0046]
[0047] 其中，τ0为螺旋弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，SF为螺旋弹簧疲劳强度设计安全系数；
[0048] 步骤2.7：后支架的选型：选择厚度在0.5mm-3.5mm之间的钢板，并附加有强筋板来提升其强度；
[0049] 步骤2.8减速阻尼器的选型：弹射架释放无人机后经过弹簧减速阻尼器的减速过程是一个单
自由度系统有阻尼受迫振动的过程；减速阻尼器缓冲的弹射架的能量如公式(7)所示：
[0050]
[0051] 其中m为弹射架的
质量，v为弹射架释放无人机时的速度，此速度为无人机的起飞速度vc；
[0052] 减速阻尼器是由两个
刚度系数分别为k1、k2弹簧组成的并联系统，系统的等效弹簧刚度系数为如公式(8)所示:
[0053] keq＝k1+k2，(8)
[0054] 该系统无阻尼时的固有振动
频率如公式(9)所示：
[0055]
[0056] 由于有阻尼的存在，该振动分为两个部分：第一部分是衰减振动，过程很短暂；第二部分是受迫振动；受迫振动的振动微分方程的标准形式如公式(10)所示：
[0057]
[0058] 式中 为阻尼系数， 为激振力的力幅与质量之比。
[0059] 与
现有技术相比较，本发明的有益效果在于：(1)成本小、适用性更强；(2)本发明可以实现无人机导轨滑跑过程的分级加速，解决传统利用橡筋电动弹射的装置在无人机滑跑过程中的速度衰减问题，有效地缩短了无人机起飞所需的速度累积时间；(3)将一个封闭链式传动装置模块化，不同的模块可以组装和拆解，具有较强的激
动能力，便于运输和维护保养；(4)本发明无人机弹射装置可实现拆装模块化，并且具有更加高效且稳定的链式传动装置，在弹射无人机的过程中实现了分级加速；(5)能够在特定的空间和一定的时间成功发射小型无人机。
附图说明
[0060] 图1是本发明的正视剖视图；
[0061] 图2是本发明的俯视图；
[0062] 图3是本发明的左视图。
[0063] 附图序号说明：1导轨；2直流电动机；3链传动装置；4后支架；5前支架；6弹射架；7挡块；8扣板；9减速阻尼器；10释放机构；11闭锁机构；12链传动模块；13滑块；14限位块；15螺柱；16弹簧减震器；17支撑座。
具体实施方式
[0064] 下面结合附图对本发明的较佳
实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0065] 结合图1、图2、图3；一种小型无人机链传动模块化分级加速电动弹射器，包括弹射器本体、基本装置、动力装置、悬架装置、安全保护装置、挡块7、扣板8、释放机构10、闭锁机构11、滑块13；
[0066] 所述基本装置包括导轨1和弹射架6，所述导轨1设置有两根，所述两根导轨1相互平行设置且水平成中轴线对称；所述导轨1的横截面设置为圆形；所述弹射架6设置在导轨1的末端；所述导轨1通过弹射架6与无人机相连接，所述弹射架6可以带着无人机加速滑跑，使其获得足够的速度以摆脱重力实现起飞；所述弹射架6左右两端均设置有限位块14，所述限位防止无人机滑跑过程的左右摆动；所述弹射架6的后面设置有挡块7，挡块7可防止弹射架6滑跑过程中无人机由于惯性向后运动；所述弹射架6的前面设置有扣板8；所述弹射架6上设置有锁紧销，所述锁紧销在触碰到导轨1末端的无人机时释放机构10打开，成功释放无人机；所述弹射架6的底部设置有四个相同的滑块13；滑块13与导轨1契合，避免滑跑运动过程中
脱轨发生危险，所述滑块13内部设置有滚珠；向滚珠内滴入
润滑油，减小摩擦阻力；
[0067] 所述动力装置包括直流电动机2和链传动装置3；所述链传动装置3由链条和链轮组成；所述链传动装置3上设置有两个直流电动机2；所述每一个链传动装置3和设置在链传动装置3上的两个直流电动机2构成一个链传动模块12，所述导轨1两侧分别设置有多个链传动模块12，所述每一个链传动模块12首尾放置同样规格的两个直流电动机2，所述直流电动机2通过轴承带动链传动装置3运转；
[0068] 所述悬架装置包括后支架4和前支架5，所述后支架4和前支架5均通过螺栓连接在弹射器本体上；
[0069] 所述安全保护装置为减速阻尼器9，所述减速阻尼器9安装在导轨1的前端，对释放无人机后的弹射架6起减速作用，防止弹射架6滑出导轨1造成危险，所述减速阻尼器9设置有一对弹簧减速器，用来缓冲弹射架6的残余能量，快速衰减和无人机分离后的弹射架6的速度，使其始终约束在导轨1上，以免飞出发生危险。
[0070] 所述释放机构10设置在弹射器本体的前端；所述闭锁机构11设置在弹射器本体的后端；
[0071] 作为一种优选的技术方案，导轨1长度设置在0.5cm-3.5cm之间，宽度设置在175cm-185cm之间，所述后支架4厚度设置在2mm-4mm之间且后支架4采用钢板制成，其材料结构强度大，并且附加了加强筋板来提升其强度，所述后支架4用来支撑弹射器和固定弹射器。
[0072] 作为一种优选的技术方案，所述导轨1采用铝合金5000材料制成。
[0073] 作为一种优选的技术方案，所述直流电动机2选用ZYT系列直流永磁电动机，该系列电动机采用
铁氧体永久
磁铁激磁，系封闭自冷式；
[0074] 作为一种优选的技术方案，所述链传动装置3里的链条和链轮均是采用金属材料制成，相比于弹力绳，同样的使用条件下整体尺寸较小，结构较为紧凑和轻便；可用于较恶劣的工作环境，环境适应性强；适用于直流电动机2的两轴相距较远的情况；链传动装置3采用的是一种挠性传动，它由链条和链轮组成，通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。
[0075] 作为一种优选的技术方案，所述前支架5自上而下依次设置有螺柱15、弹簧减震器16、支撑座17；所述支撑座17上设置有螺栓，用来将弹射器装置固定在拖车架或地面上，螺柱15可用来微调发射角，弹簧减震器16用来耗散无人机发射过程的残余能量。
[0076] 作为一种优选的技术方案，本发明的弹射架6可以带着无人机加速滑跑，使其获得足够的速度以摆脱重力实现起飞。
[0077] 一种小型无人机链传动模块12化分级加速电动弹射器设计方法，包括：
[0078] 步骤1：对弹射器进行了总体设计和各元件的布局，主要包括基本结构、动力装置、悬架装置、安全保护装置四大部分组成；
[0079] 所述基本结构：包括由两根互相平行且发射角可调的导轨1和弹射架6组成；弹射架6可以带着无人机加速滑跑，使其获得足够的速度以摆脱重力实现起飞；所述弹射架6要紧扣在导轨1上，以防在无人机滑跑过程弹射架6脱离导轨1导致弹射失败，所述弹射架6与无人机采用不稳定连接，当无人机加速到导轨1末端时，保证无人机和弹射架6的准确分离；
[0080] 所述动力装置：由若干直流电动机2和链式传动装置组成，每个链传动装置3首尾放置同样规格的两个直流电动机2，构成链式传动模块，导轨1两侧分别分布一个链式传动模块，形成联动；直流电动机2通过轴承带动链传动装置3运转，电动机一个正转一个反转，提高链的转速以使无人机获得较大的加速度，针对不同重量的无人机可选择增减链传动模块12，每一组链传动模块12都可实现一次无人机滑跑的再加速，实现无人机的分级加速，解决了无人机滑跑过程的速度衰减问题；
[0081] 所述悬架装置：包括后支架44和前支架55，所述前支架5自上而下依次设置有螺柱15、弹簧减震器16、支撑座17；所述支撑座17上设置有螺栓支承座上可设置螺栓以将弹射装置固定在拖车架或地面上，保证弹射过程的稳定性，且便于安装和拆卸；螺柱15用来微调发射角，弹簧减震器16用来耗散无人机发射过程的残余能量，快速衰减无人机弹射过程装置所受的反作用能量；
[0082] 所述安全保护装置：主要由弹簧减速阻尼器9构成，用来快速衰减和无人机分离后的弹射架6的速度，使其始终约束在导轨1上，以免飞出发生危险。
[0083] 步骤2：对各部件进行详细分析和结构设计，完成直流电动机2、链传动装置3、导轨1、弹射架6、闭锁机构11、释放机构10、前支架5、后支架4、减速阻尼器9型号的选择和参数的计算；
[0084] 步骤3：运用CATIA软件对弹射器装置进行三维实体建模。
[0085] 结合附图是三级加速电动弹射器，每级加速模块由左右对称的链传动装置3构成，每个链传动装置3由同型号，转速相反的两个直流电动机2驱动，每个加速导轨1长度设置为1m，且各加速模块可自由组合和拆装，根据无人机起飞重量的不同可增减模块，实现无人机弹射过程的分级加速，大大缩短了无人机的起飞时间。
[0086] 所述步骤2包括：
[0087] 步骤2.1：直流电动机2的选型：直流电动机2选用ZYT系列直流永磁电动机，其参数为：(1)功率：20-1200W；(2)电压V：24V、110V、220V；(3)扭矩：0.050-3822N.m；(4)转速：1500r/min、3000r/min、6000r/min；(5)安装方式：A1底脚安装、A3法兰安装；(6)机座外径为：55mm、70mm、90mm、110mm、130mm；
[0088] 步骤2.2：链传动装置3的选型：链传动装置3采用一种挠性传动，链传动装置3由链条和链轮组成，链轮由大链轮和小链轮组成，利用链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力；根据链传动的平均传动比 设计大链轮和小链轮等齿数，即i＝1；
[0089] 步骤2.3：导轨1的选型：导轨1选用铝合金5000系列材料制成，导轨1的横截面设置为圆形，导轨1设置成三段，使用时根据需要组合安装，一级加速导轨1长度为1m，由二组四个同型号的直流电动机2驱动，二级加速导轨1长度为2m；三级加速导轨1长度为3m；导轨1宽度统一设置为180mm，与无人机机身宽度相同；
[0090] 步骤2.4：弹射架6的选型：弹射架6底部安装有四个滑块13，滑块13便于与导轨1契合，避免运动过程中脱轨发生危险，在所述滑块13内安装有滚珠，弹射架6左右侧均设置有限位块14，弹射架6后端安装有挡块7，弹射架6前端安装有扣板8，弹射架6上设置有锁紧销；
[0091] 步骤0.5：闭锁机构11与释放机构10的选型：闭锁机构11设置在弹射器装置的后端，发射准备阶段无人机发动机运转后，等待直流电动机2运转平稳且达到最大功率，此时闭锁机构11将卡住弹射架6；当准备阶段结束时，闭锁机构11打开，无人机随发射架向前滑跑；释放机构10设置在弹射器装置的前端，无人机发动机的推力较小，不会使扣板8转动，当发射架到达导轨1的末端时，在减速阻尼器9的冲击下，释放机构10使扣板8转动，无人机与弹射架6成功脱离；
[0092] 步骤2.6：前支架5的选型：前支架5采用整体式轴设计，前支架5自上而下依次设置有螺柱15、弹簧减震器16、支撑座17；所述支撑座17上设置有螺栓支承座上可设置螺栓以将弹射装置固定在拖车架或地面上；螺柱15用来微调发射角，弹簧减震器16用来耗散无人机发射过程的残余能量。
[0093] 弹簧减震器16由两根圆柱螺旋弹簧并联组成，螺旋弹簧的旋绕比C设置在C＝5～8之间；计算螺旋弹簧的曲度系数，如公式(1)所示：
[0094]
[0095] 确定弹簧丝的直径d，如公式(2)所示：
[0096]
[0097] 其中，Fmax为弹簧最大工作载荷，[τ]为弹簧丝的许用应力，
[0098] 确定螺旋弹簧的有效圈数n，如公式(3)所示：
[0099]
[0100] 其中，G为切变模量,λmax为弹簧最大变形量；
[0101] 确定螺旋弹簧内部最大循环切应τmax，如公式(4)所示：
[0102]
[0103] 其中，Fmax为螺旋弹簧最大工作载荷，D为螺旋弹簧外径；
[0104] 确定螺旋弹簧内部最小循环切应τmin，如公式(5)所示：
[0105]
[0106] 其中，Fmin为螺旋弹簧最小工作载荷，D为螺旋弹簧外径；
[0107] 最后进行螺旋弹簧疲劳强度Sca的验算，如公式(6)所示：
[0108]
[0109] 其中，τ0为螺旋弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，SF为螺旋弹簧疲劳强度设计安全系数；
[0110] 步骤2.7：后支架4的选型：选择厚度在0.5mm-3.5mm之间的钢板，并附加有强筋板来提升其强度；
[0111] 步骤2.8减速阻尼器9的选型：弹射架6释放无人机后经过弹簧减速阻尼器9的减速过程是一个单自由度系统有阻尼受迫振动的过程；减速阻尼器9缓冲的弹射架6的能量如公式(7)所示：
[0112]
[0113] 其中m为弹射架6的质量，v为弹射架6释放无人机时的速度，此速度为无人机的起飞速度vc；
[0114] 减速阻尼器9是由两个刚度系数分别为k1、k2弹簧组成的并联系统，系统的等效弹簧刚度系数为如公式(8)所示:
[0115] keq＝k1+k2，(8)
[0116] 该系统无阻尼时的固有振动频率如公式(9)所示：
[0117]
[0118] 由于有阻尼的存在，该振动分为两个部分：第一部分是衰减振动，过程很短暂；第二部分是受迫振动；受迫振动的振动微分方程的标准形式如公式(10)所示：
[0119]
[0120] 式中 为阻尼系数， 为激振力的力幅与质量之比。
[0121] 本发明的工作过程：发射器发射准备阶段无人机发动机运转后需要等待直流电动机2运转平稳且达到最大功率，在此期间闭锁机构11将卡住弹射架6，避免其向前运动；当准备阶段结束时，闭锁机构11打开，无人机随发射架向前滑跑，当发射架到达导轨1的末端时，由于减速阻尼器9的冲击，释放机构10使扣板8转动，无人机与弹射架6成功脱离，独自腾空起飞。
[0122] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
