摘 要

在技术日益发展的今天，飞行汽车的出现是大势所趋，随着城市的交通情况逐渐拥堵，人们的目光逐渐聚焦于飞行汽车，这些年来飞行汽车的设计也逐渐新颖，飞行汽车的在一些方面具有独特的优势，除在解决城市拥堵的情况下，还可以用作观光和救援等方面。本文所设计的飞行汽车的升力方式为自转旋翼式，对比于固定翼，它在短距离内可以实现垂直降落；对比于普通旋翼式，它质量较小，机械结构较为简单，成本较低，所以本文选取自转旋翼式飞行汽车为主要设计目标。

本文的主要研究设计内容如下：

1. 本文就飞行汽车的升力系统进行对比选型，在单旋翼、共轴双旋翼、剪刀式旋翼、多轴多旋翼中分析优缺点，选择旋翼的模型并进行尺寸设计。
2. 根据汽车设计对于飞行汽车的总体车身进行计算和预估，比如：车身外廓尺寸、轴距；飞行汽车的质量参数；飞行汽车的性能参数。
3. 根据实际的需要对于底盘的各个系统进行选型，有悬架的选取、传动系统的设计、变速器的基本设计。
4. 根据设计的参数需要进行计算，选择合适的发动机以及预旋转机构。
5. 设计参数完成，对于地面性能以及空中性能进行计算。

本文在设计的过程中参考了一些国内外的已有的飞行汽车的模型，性能计算方面参照了汽车设计，对各系统的做出了布置。

关键词：飞行汽车、总体布置、系统选型、自转旋翼、性能计算

Abstract

Today, with the development of technology, the emergence of flying cars is the general trend. With the traffic congestion in cities, people gradually focus on flying cars. Over the years, the design of flying cars has become more and more innovative. Flying cars have unique advantages in some aspects. In addition to solving urban congestion, they can also be used for sightseeing and rescue. The lift mode of the flying vehicle designed in this paper is the spin-rotor type, which can achieve vertical landing in short distance compared with the fixed wing type. Compared with the ordinary rotor type, it has smaller mass, simpler mechanical structure and lower cost. Therefore, the spin-rotor type flying vehicle is chosen as the main design objective in this paper.

The main research and design contents of this paper are as follows:

1. In this paper, the lift system of flying vehicle is compared and selected. The advantages and disadvantages of single-rotor, coaxial twin-rotor, scissors-rotor and multi-axis multi-rotor are analyzed, and the rotor model is selected and the size is designed.
2. Calculate and predict the overall body of the flying vehicle according to the design of the vehicle, such as the body outline size, wheelbase, the quality parameters of the flying vehicle and the performance parameters of the flying vehicle.
3. According to the actual needs of the chassis system selection, there are suspension selection, transmission system design, the basic design of transmission.
4. According to the design parameters, the appropriate engine and pre-rotating mechanism are selected.
5. The design parameters are completed and the ground performance and air performance are calculated.

In the process of design, this paper refers to some existing flying vehicle models at home and abroad, and in the aspect of performance calculation, refers to the automobile design, and makes the layout of each system.

Key words: flying vehicle, general layout, system selection, spinning rotor, performance calculation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的意义 1

1.2 研究的背景以及研究现状 1

1.3 设计的思路 2

第2章 总体车身设计 3

2.1 飞行汽车总设计形式 3

2.2 车身尺寸的设计 3

2.2.1 汽车的轴距L 4

2.3.2 前后轮距和 4

2.3 飞行汽车质量参数 4

2.3.1 汽车整备质量 4

2.3.2 汽车的总质量 4

2.4 汽车的性能参数 5

2.4.1 动力性参数 5

2.4.2 地面模式的性能 5

2.4.3 空中模式的性能 5

第3章 气动外形及气动零件 6

3.1 升力系统的选择 6

3.1.1 升力系统的种类 6

3.1.2 不同升力系统的优缺点 9

3.1.3 升力系统的分析以及选择 9

3.2 旋翼的选型 9

3.2.1 单轴单旋翼构型 9

3.2.2 单轴双旋翼构型 10

3.2.3 剪刀式旋翼构型 10

3.2.4 多轴多旋翼构型 10

3.3 其他气动零件的设计 10

3.3.1 气动外形的设计以及减租 10

3.3.2 水平安定面和垂直安定面 10

3.3.3 旋翼的参数化设计 11

3.3.4 推进螺旋桨的设计 12

第4章 底盘系统的设计 13

4.1 悬架的选取以及设计 13

4.1.1 悬架的可选类型 13

4.1.2 悬架的选取 14

4.2 传动系的设计以及布置 14

4.3 变速器的设计以及计算选取 15

4.4 制动系统的设计 16

4.4.1 地面模式制动系统 16

4.4.2 空中模式制动系统 17

4.5 轮胎的选择 17

第5章 动力系统的设计 18

5.1 发动机的参数化设计 18

5.1.1 地面模式 18

5.1.2 飞行模式 18

5.1.3 发动机的选取 19

5.2 预旋转机构的设计 19

第6章 飞行汽车的总布置 21

6.1 飞行汽车的底盘布置 21

6.2 飞行模式和地面模式的机械布置 21

第7章 性能计算 23

7.1 地面模式的性能计算 23

7.1.1 初始计算参数 23

7.1.2 动力性计算 24

7.1.3 制动性计算 24

7.1.4 操纵稳定性的计算 25

7.2 飞行模式的性能计算 28

7.2.1 航程航时 28

7.2.2 滑跑起飞 29

7.2.3 着陆距离 29

7.2.4 计算结果 30

7.3 本章小结 31

第8章 飞行汽车的评价及展望 32

8.1 飞行汽车的评价 32

8.2 飞行汽车的展望 32

参考文献 33

致谢 34

绪论

研究的意义

随着各国汽车数量的快速增长，尤其是国际化大都市拥堵的越来越严重的情况下，人们就逐步开始思考飞行汽车的便捷性和可行性，飞行汽车的功能自然不必多说，拥有空中和地面两套模式或者系统，能够实现两种状态的无缝切换，在拥堵和交通环境恶劣的情况下有着非常大的优势，可以缓解城市复杂的交通拥堵，也可以运用在医疗救助、城市观光。

根据用户的使用需求，在地面使用时与我们现在所接触的汽车功能无异；而在空中飞行的时候也可以达到舒适性和安全性的基本要求，同时车内的智能驾驶辅助系统为用户的空中飞行提供了线路规划，在整体的数据库中实时更新路径，既提供了安全保障，也提高了空间利用率，缓解拥堵。

研究的背景以及研究现状

1917年，美国的飞行汽车之父格·寇蒂斯研制了第一辆飞行汽车，虽然该飞行汽车没有真正的飞上天空，但是为飞行汽车的发展史迈出了重要的一步。如今随着科技的发展以及生活水平的提高，汽车早已成了大众产品，但是飞行汽车仍旧大多数处在理论研究的方面，同时伴随着汽车造成的城市拥堵，逐渐国内外一些企业开始了飞行汽车的研发，其中包括国内的吉利、西安美联航空公司，都已造出成品但是无法量产，原因就是技术存在一定的缺陷、安全存在一定的问题以及价格高昂等等。目前国外有公司成功的量产了飞行汽车，如AeroMobil等等公司生产的飞行汽车。不过飞行汽车相对于普通汽车而言它有两套动力系统，所以整体的飞行汽车的空间布置以及结构是不同的，大体上的飞行汽车的种类可以根据动力系统分成以下四类：

①固定翼飞行汽车：主要是靠汽车左右两侧的机翼进行升降和飞行，在地面模式和空中模式进行切换的时候，主要是靠着离合器进行动力的切断与转换，该汽车的机翼是可以进行折叠的，能够在地面模式的时候折叠机翼从而达到节省空间的目的。不过该汽车也有一个明显的缺点，在切换模式的时候容易干扰到其他的汽车，会造成极大的安全隐患。

②旋翼式飞行汽车：有着单旋翼、双旋翼以及多旋翼多种，其中对于动力的要求自然也不尽相同，不管是何种情况，旋翼式飞行汽车的噪声非常大，并且占用空间很大。其机翼是无法收缩的，所以目前城市道路是不宜出行的。

③推进式飞行汽车：该款飞行汽车的动力主要是靠在汽车前后两端的推进器提供，并且推进器的方向是可以改变的，通过改变推进器的方向和动力大小可以改变飞行的方向。不过该汽车的速度太快以及航程受限是一个问题。

④涵道类飞行汽车：通过飞机尾部很大的涵道提供动力，涵道的方向也可改变，从而改变飞行的方向以及速度。

设计的思路

主要是通过以下的几步进行：

1. 通过查找文献了解国内外的研究现状和设计的思路，同时对于整体的总布置有一个设计思路。
2. 对于总布置结构的设计，要考虑到各个系统布置的空间是否存在干涉。
3. 选型发动机的型号以及传动系。
4. 对于动力切换的问题做出一个设计方案，解决动力在地面和空中两种模式时的传输路径问题，采用机械结构的方案。
5. 对于底盘系统的设计，选型悬架的设计。
6. 设计气动外形，同时要考虑到空中的各个方向稳定性问题。
7. 完成总布置的设计，通过设计参数的具体化进行仿真以及性能参数的计算，比如地面模式的最大速度，空中模式时的最大续航里程。

总体车身设计

飞行汽车总设计形式

飞行汽车的形式主要是驱动方式和总布置的形式的差别上。

1. 飞行汽车最基础的模式时仍然是实现普通汽车的功能，所以在轴数上仍然是二轴。
2. 飞行汽车的驱动形式与普通汽车无异，普通汽车的驱动形式主要是4×4、4×2，即四驱和两驱。四驱车的通过性相对两驱车比较好，但是结构比较复杂、整备质量和制造成本比较高，飞行汽车主要的设计难点是飞行模式，所以此款飞行汽车选用结构简单的4×2的驱动方式。
3. 飞行汽车的总布置的方式要考虑到发动机、传动系以及推进螺旋桨的布置问题。这里我们兼顾到飞行汽车的旋翼的结构和布置空间问题，所以发动机前置，同时使用后驱，在推进螺旋桨的驱动上仍然是使用了发动机的动力，所以在传动系的设计上要添加一个分动的机械结构。

车身尺寸的设计

此款汽车的设计主要是为了解决城市拥堵和为了商业用途，所以在一些功能的运用上与普通的汽车并没有多大的差异，在地面模式的时候要能够达到与正常的汽车的时速，且在空中模式的时候能够实现模式的柔和切换，且能够实现短距离起飞和安全降落，在满足正常使用需求的情况下要能够使车身尽可能的小和紧凑，具有良好的安全性和经济性等等，所以在参考国内外的飞行汽车的先例和满足我们的设计的需求后的车身尺寸参数为表2.1：

表2.1 车身轮廓尺寸

设计完汽车的主要车身尺寸，还需要考虑飞行汽车的底盘上的一些基本尺寸：

汽车的轴距L

飞行汽车的轴距在此不仅要考虑到传统的汽车的空间布置问题，还应考虑到飞行汽车的总的空间布置问题，我们在此将发动机中置，同时降低车身高度，势必会增加轴距的长度。轴距过长在一定的条件下会影响汽车的操纵稳定性等汽车性能指标；同时轴距过短会使汽车的空间变小。所以在此综合多种因素，我们取大一点的轴距，初步定轴距为3.4m。

前后轮距和

飞行汽车的前后轮距会影响汽车的空间布置，受到左右轮距的限制，车身的宽度会受到影响，发动机的布置以及座椅、悬架的的布置会受限。同时在汽车的性能指标方面，会改变汽车的稳定性，轮距减小，会减小汽车的转弯半径，机动性变好。在飞行汽车的概念设计上，考虑到减小飞行汽车的迎风面积，减小空气阻力，在不影响汽车的正常空间布置的情况下，取小于普通汽车的轮距。

根据飞行汽车的概念设计以及汽车设计的教材，初步选定轮距为/:1660mm/1780mm.

飞行汽车质量参数

汽车整备质量

汽车的整备质量是汽车在完全空载时但加满油的情况下的汽车质量，他的数值在一定情况下会影响汽车的燃油经济性。

设计初期我们根据指导书上，每位乘员占汽车的整备质量为280kg，设计的乘员数为2人，发动机的排量为1.8T，则得到汽车的整备质量为560kg。

汽车的总质量

设计的乘员数是2位，所以以每人70kg来算，汽车的总质量为700kg。

汽车的性能参数

动力性参数

汽车的动力性的参数可以依据汽车设计教材，根据发动机的排量选定车速等动力性参数。因为飞行汽车的性能以及特殊性主要体现在飞行模式，所以在地面模式时达到普通汽车的水平，该飞行汽车的发动机排量时1.8T，所以最高车速定为120km/h。

地面模式的性能

表2.2 地面模式性能

空中模式的性能

表2.3 空中模式性能

气动外形及气动零件

气动外形设计主要是根据现有的飞行汽车的模型进行设计，并且满足减阻的目的，且气动外形的设计要考虑到飞行汽车空间内布置等因素。

升力系统的选择

升力系统的种类

1. 固定翼飞行汽车：

工作原理类似于民航飞机的升力原理，飞行汽车上有动力装置产生使车身向前的推力，是飞行汽车的固定翼产生升力。这种升力系统在目前的飞机上也应用极为广泛。在飞行汽车的运用上，主要是通过设计机械结构使飞行汽车的机翼进行折叠，使其在地面模式的时候不占用很大空间且能够达到安全性的要求。固定翼飞行汽车的布置如图3.1.

图3.1 固定翼飞行汽车

1. 推进式飞行汽车

目前有一款飞行汽车名为“Autovolantor”，它有着两套行驶系统，飞行模式和空中模式，和普通汽车可以正常行驶，也可以像飞机一样飞行。它的机械结构主要是在车身的前部和尾部装载有推进器，这些推进器可以为它提供飞行的推力，同时这些推进器的方向可以改变，从而可以实现改变飞行汽车的空中姿态，这些是非常方便的，它的最高的飞行高度可以达到1500m，动力系统非常强劲。但是安全性让人堪忧，在飞行模式的时候，如果其中一个推进器失效，飞行汽车会处于快速的失控状态，而且车身姿态难以控制，车内人员的安全无法得到保障。同时因为该飞行汽车的航程受限，所以它的技术在推进式飞行汽车的发展当中仍然难以攻克。推进式飞行汽车的布置如图3.2.

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