一种飞行汽车操纵系统的制作方法

本发明属于机械控制技术领域，涉及了传统机械式汽车转向系统和线控飞机操控系统，实现地面行驶和飞行时对飞行汽车的姿态控制，以及动态模式转换功能。具体地说，是一种飞行汽车操纵系统。

背景技术：

多学科交叉的飞行汽车目前还在研制阶段。现阶段飞行汽车的地面转向系统和飞行操纵机构均相互独立，沿用汽车和飞机的原始设计，空间占用大，结构复杂，质量较重，并且需要在模式转换过程中停稳车辆，转换过程不够流畅。如何设计出一套简单有效、可靠且寿命较长的融合式操纵系统，改进原有汽车转向系统及飞机操纵盘机构使其巧妙结合，既可以独立实现行驶或飞行模式下的功能，互不干扰，又可以在起降动态过程中实现模式转换，连贯流畅，成为了一项技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了满足现有技术的需求，提供一种飞行汽车操纵系统。通过所述的飞行汽车操纵系统，简化飞行汽车操纵机构的结构，达到减重的目的。驾驶员在不改变驾驶习惯的基础上，在地面模式和飞行模式这两种模式下可靠操纵飞行汽车，并且能够实现飞行汽车起降过程中的模式转换。

所述的飞行汽车操控系统，安装在飞行汽车的机架上，包括操纵盘、操纵柱、机罩、转向轴、锥齿轮箱、转向传动轴、转向器、转向直拉杆、转向横拉杆旋转力反馈机构、推拉力反馈机构和模式转换机构。所述的飞行汽车操控系统，初始静置状态时所述的操纵盘所在平面竖直，所述的操纵柱水平，靠近操纵盘所在平面为前，远离操纵盘所在平面为后。

所述的转向轴水平且与操纵柱平行，由前向后依次由A段、B段和C段三部分焊接制成。所述的A段前端通过深沟球轴承和转向轴轴承座支撑到机架上；A段的位置沿转向轴轴向方向有一根凸键，称为凸键导轨，凸键导轨的前后两端分别有一个外花键即传扭花键。所述的凸键导轨可使转向传动齿轮在模式转换过程中，时刻与转向轴保持周向同步，避免与外花键结合不顺畅。在地面状态下，所述的凸键导轨前端的传扭花键与转向传动齿轮之间啮合；在飞行状态下，所述的凸键导轨后端的传扭花键与转向传动齿轮之间啮合，在地面状态或飞行状态传递扭矩。所述的B段为薄壁钢管，所述的C段为一带内花键的套筒，C段与锥齿轮箱中的直齿圆锥齿轮组连接。所述的直齿圆锥齿轮组通过花键与分别转向轴和转向传动轴连接，实现转向轴与转向传动轴之间的转矩直角变向传递。所述锥齿轮箱的箱体固定在机架上。所述转向器底部装有转向器角位移传感器，实时监测转向器小齿轮转角。

所述旋转力反馈机构包括一对大小齿轮组(包括旋转力反馈大齿轮和旋转力反馈小齿轮)、步进电机即旋转力反馈电机和旋转力角位移传感器。其中，所述的大小齿轮组相啮合。所述的旋转力反馈大齿轮通过四颗螺栓固定在操纵柱的法兰盘上，两侧分别与旋转力反馈小齿轮和转向传动齿轮啮合。所述的旋转力角位移传感器和旋转力反馈小齿轮通过旋转力反馈传感器座固定在旋转力反馈电机的输出轴上。所述的旋转力反馈传感器座与所述的旋转力角位移传感器和旋转力反馈小齿轮之间分别是键连接，所述的旋转力反馈传感器座与所述的旋转力反馈电机之间为键连接。旋转力角位移传感器、旋转力反馈小齿轮与所述的旋转力反馈电机的输出轴实现同轴转动。所述的旋转力反馈电机侧面固定连接在保持架上，所述保持架与推拉力反馈齿条的背面通过法兰连接，且旋转力反馈电机的输出轴与推拉力反馈齿条的长轴平行；旋转力反馈电机通过保持架与滑块连接。所述的滑块嵌于滑轨中，所述的滑轨与机架固连，所述旋转力反馈电机通过滑块在滑轨上滑动。

所述的推拉力反馈机构包括一对齿轮齿条组(包括推拉力反馈齿轮和推拉力反馈齿条)、伺服电机即推拉力反馈电机和旋转力角位移传感器。其中，所述的推拉力反馈齿条与推拉力反馈齿轮相啮合。所述的推拉力角位移传感器和推拉力反馈齿轮通过推拉力反馈传感器座固定在推拉力反馈电机的输出轴上。所述的推拉力反馈传感器座与所述的推拉力角位移传感器和推拉力反馈齿轮之间分别是键连接，所述的推拉力反馈传感器座与所述的推拉力反馈电机之间为键连接。推拉力角位移传感器、推拉力反馈齿轮与所述的推拉力反馈电机的输出轴实现同轴转动。所述的推拉力反馈电机固定在机架上。

所述的保持架由三个法兰和一对拨叉组成，三个法兰互相垂直，其中一个竖直方向上的法兰与拨叉中的一个在同一平面上。所述的拨叉中间装有铜垫圈调隙，夹住旋转力反馈大齿轮；与拨叉在同一平面上的法兰通过四颗螺栓固定旋转力反馈电机，另一竖直方向上的法兰通过三颗螺栓固定推拉力反馈齿条，使其与旋转力反馈电机固连；底部的法兰通过四颗螺栓固定滑块。

当操纵盘带动大齿轮前后运动时，拨叉带动保持架、旋转力反馈电机、旋转力角位移传感器、推拉力反馈齿条和滑块在滑轨上同步前后运动。在保持架和滑轨的作用下，旋转力反馈齿轮组、推拉力反馈齿轮齿条组始终分别正确啮合。所述的旋转力角位移传感器和推拉力角位移传感器分别采集操纵盘旋转和推拉带来的角位移变化，经过控制器计算后将电信号输入给相应的力反馈电机以及舵面执行器，产生反馈力矩和舵面操纵力。

所述的模式转换机构包括模式转换手柄、齿轮拨叉、模式转换开关、转向传动齿轮、手柄位置锁止机构、机罩锁止齿、操纵柱自锁器。所述的模式转换手柄通过螺栓与齿轮拨叉连接。所述的齿轮拨叉带动转向传动齿轮沿模式转换手柄的轴向前后运动。所述的模式转换开关固定在驾驶舱仪表板背面，用来控制旋转力反馈电机、推拉力反馈电机和直线运动电机，以及舵面执行器进入工作或停止工作。所述手柄位置锁止机构包括手柄位置锁和位置锁槽。所述的位置锁槽为一固定在模式转换手柄上的带有凹槽的金属块，通过侧壁按压模式转换开关，使其实现通断。所述的手柄位置锁包括位置锁壳、钢珠、压紧弹簧和压紧螺钉。所述的位置锁壳通过外螺纹固定在机架上，内螺纹用于固定压紧螺钉。手柄位置锁垂直于模式转换手柄，通过压紧弹簧将钢珠压紧到模式转换手柄杆上的位置锁槽内实现自锁，且位置锁壳末端的孔径小于钢珠的直径，使钢珠在未提供锁止功能时不会被顶出位置锁壳。所述的机罩锁止齿通过预埋刚性固定在机罩内，在飞行模式时与转向轴上的传扭花键一起，锁止转向传动齿轮的运动。所述操纵柱自锁器依靠自锁器壳上的外螺纹固定在机架上，通过直线运动电机的作动柱顶住钢珠，实现地面模式下对操纵柱轴向位置的锁止；通过直线运动电机的作动柱缩回，依靠弹簧钢珠结构实现飞行模式下对操纵柱轴向位置的自锁。其中，模式转换手柄、转向轴、操纵柱、旋转力反馈步进电机的轴线，均在同一平面内。便于布置与加工，并增大了驾驶舱空间。转向传动轴与转向轴垂直，省去了万向节，提高传动结构刚度，增大了转动效率。

本发明一种飞行汽车操纵系统的优点在于：

1、汽车方向盘与飞机操纵盘巧妙融合为一体，设计新式装置，化简重复机构，增大驾驶舱空间。

2、机翼操控使用线控传动，结构可靠，质量轻，操作简便，适应机翼折叠机构的布置。

3、在不改变驾驶员驾驶习惯的基础上，飞行汽车在地面上可以像汽车一样进行转向，拥有良好操控性能；在空中像使用飞机操纵盘一样控制姿态，灵活便捷。

4、允许飞行汽车在起降运动过程中实现陆空模式转换，使操控方式的切换连贯流畅，提高转换效率。

附图说明

图1A为本发明飞行汽车操纵系统的整体结构示意图；

图1B本发明飞行汽车操纵系统的整体剖视示意图；

图2本发明转向轴A段位置示意图；

图3本发明旋转力反馈机构和推拉力反馈机构组合示意图；

图4本发明模式转换手柄自锁机构示意图；

图5本发明机罩锁止机构示意图；

图6本发明操纵柱自锁器示意图；

图7本发明保持架示意图。

图中：

1、操纵盘； 2、操纵柱； 3、机罩； 4、操纵柱自锁器；

5、模式转换手柄； 6、转向轴； 7、锥齿轮箱； 8、转向传动轴；

9、转向器； 10、转向直拉杆； 11、转向横拉杆； 12、模式转换开关；

13、手柄位置锁A； 14、手柄位置锁B； 15、旋转力反馈齿轮组；

16、旋转力角位移传感器； 17、旋转力反馈电机； 18、滑轨；

19、保持架； 20、推拉力反馈齿轮齿条组； 21、推拉力反馈电机；

22、转向传动齿轮； 23、推拉力角位移传感器； 301、机罩锁止齿；

24、转向器角位移传感器； 401、直线运动电机； 402、自锁器壳；

403、压紧弹簧A； 404、钢珠A； 501、齿轮拨叉； 601、传扭花键；

602、凸键导轨； 603、转向轴轴承座； 1301、位置锁壳； 1302、位置锁槽；

1303、钢珠B； 1304、压紧弹簧B； 1305、压紧螺钉；

1501、旋转力反馈大齿轮； 1502、调隙铜垫圈；

1503、旋转力反馈小齿轮； 1504、旋转力反馈传感器座；

2001、推拉力反馈齿条； 2002、推拉力反馈齿轮；

2003、推拉力反馈传感器座；

1901、拨叉； 1902、法兰A； 1903、法兰B； 1904、法兰C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种飞行汽车操纵系统，安装在飞行汽车机架上，驾驶舱前端。所述操纵系统如图1A和图1B所示，包括操纵盘1、操纵柱2、机罩3、转向轴6、锥齿轮箱7、转向传动轴8、转向器9、转向直拉杆10、转向横拉杆11、旋转力反馈机构、推拉力反馈机构和模式转换机构。所述的旋转力反馈机构和推拉力反馈机构设置在机罩内，所述的模式转换机构连接在机罩3前。

所述操纵柱2的一端固定连接操纵盘1，另一端穿过机罩3后与固定在机架上的操纵柱自锁器4连接，实现对操纵柱2的解锁或锁定。所述的转向轴6的前端通过深沟球轴承和转向轴承座603固定在机架上，转向轴6与操纵柱2轴线平行，机罩3后端输出转向轴6。转向轴6的后端为输出端，输出端通过锥齿轮箱7实现与转向传动轴8之间的转矩直角变向传递；转向传动轴8的输出端连接转向器9，所述转向器9上连接转向直拉杆10，所述转向直拉杆10上连接转向横拉杆11。

初始静置状态时所述的操纵盘1所在平面竖直，所述的操纵柱2水平，定义操纵盘1所在的方向为前方，远离操纵盘1所在平面的操纵柱2一侧为后方。

所述的转向轴6由前向后依次由A段、B段和C段三部分焊接制成。所述的A段前端通过深沟球轴承和转向轴轴承座603支撑到机架上；A段的位置如图2所示沿轴向方向有一根凸键，称为凸键导轨602，凸键导轨602的前后两端分别有一个外花键即传扭花键601。所述的凸键导轨602可使转向传动齿轮22在模式转换过程中，时刻与转向轴6保持周向同步，避免与传扭花键601结合不顺畅。在地面状态下，所述的凸键导轨602前端的传扭花键601与转向传动齿轮22之间啮合，在飞行状态下，所述的凸键导轨602后端的传扭花键601与转向传动齿轮22之间啮合，在地面状态或飞行状态传递扭矩。所述凸键导轨602的长度，略小于于模式转换机构中手柄位置锁A13和手柄位置锁B14之间距离，确保在飞行状态时，手柄位置锁B14锁止，转向传动齿轮22能停在后端的传扭花键601上。所述的B段为薄壁钢管。所述的C段为一带内花键的套筒，C段与锥齿轮箱7中的直齿圆锥齿轮组连接，所述的直齿圆锥齿轮组与转向轴6和转向传动轴8分别通过花键连接，实现转向轴6与转向传动轴8之间的转矩直角变向传递，此结构刚度大于万向节，传动效率较高。所述锥齿轮箱7的箱体固定在机架上。所述转向器9底部装有转向器角位移传感器24，实时监测转向器小齿轮转角。

所述旋转力反馈机构包括旋转力反馈齿轮组15、旋转力角位移传感器16和旋转力反馈电机17。其中，所述的旋转力反馈齿轮组15是一对相啮合的大小齿轮组，如图3所示，所述的旋转力反馈齿轮组15包括相互啮合的旋转力反馈大齿轮1501和旋转力反馈小齿轮1503；所述的旋转力反馈大齿轮1501通过四颗螺栓固定在操纵柱2的法兰盘上，可以随着操纵柱2的转动而转动。所述的旋转力角位移传感器16和旋转力反馈小齿轮1503通过旋转力反馈传感器座1504固定在旋转力反馈电机17的输出轴上，可以与所述旋转力反馈电机17的输出轴同轴转动。具体的，所述的旋转力反馈传感器座1504与所述的旋转力角位移传感器16和旋转力反馈小齿轮1503之间分别是键连接，所述的旋转力反馈传感器座1504与所述的旋转力反馈电机17之间为键连接，所述的键连接保证同轴转动，同时，所述的旋转力反馈传感器座1504与所述的旋转力反馈电机17的输出轴之间固定连接，保证周向和轴向运动的一致。所述的旋转力反馈电机17侧面固定连接在保持架19上，所述保持架19与推拉力反馈齿条2001的背面通过法兰连接，且旋转力反馈电机17的输出轴与推拉力反馈齿条2001的长轴平行；旋转力反馈电机17的底面通过保持架19与滑块连接。所述的滑块嵌于滑轨18中，所述的滑轨18与机架固连，所述旋转力反馈电机17通过滑块在滑轨18上滑动。所述滑轨18上滑块滑动方向与推拉力反馈齿条2001的长度方向平行。当所述飞行汽车处于地面状态时，所述的旋转力反馈大齿轮1501与转向传动齿轮22啮合，旋转力反馈大齿轮1501将操纵柱2的转动通过转向传动齿轮22传递给转向轴6，进一步传递到锥齿轮箱7、转向传动轴8、转向器9、转向直拉杆10和转向横拉杆11，实现对飞行汽车底面状态的转向控制；同时，旋转力反馈大齿轮1501将操纵柱2的转动通过旋转力反馈小齿轮1503传递到旋转力角位移传感器16，实时检测旋转力反馈小齿轮1503转角，在控制器中与转向器角位移传感器24的数据对比；此时旋转力反馈电机17不工作，不提供反馈力。

所述的推拉力反馈机构包括推拉力反馈齿轮齿条组20、推拉力角位移传感器23和推拉力反馈电机21。其中，所述的推拉力反馈齿轮齿条组20是一对相啮合的齿轮齿条组，如图3所示，包括推拉力反馈齿条2001和推拉力反馈齿轮2002。所述的推拉力角位移传感器23和旋推拉力反馈齿轮2002通过推拉力反馈传感器座2003固定在推拉力反馈电机21的输出轴上。所述的推拉力反馈传感器座2003与所述的推拉力角位移传感器23和推拉力反馈齿轮2002之间分别是键连接，所述的推拉力反馈传感器座2003与所述的推拉力反馈电机21的输出轴之间为键连接。推拉力角位移传感器23、推拉力反馈齿轮2002与所述的推拉力反馈电机21的输出轴实现同轴转动。所述的推拉力反馈电机21固定在机架上。

所述的保持架19由三个法兰和一对拨叉组成，如图7所示，拨叉1901与法兰A1902在同一平面上，法兰A1902和法兰C1904竖直，法兰B1903水平，三个法兰互相垂直。拨叉1901中间装有旋转力反馈大齿轮1501，并且在拨叉1901与旋转力反馈大齿轮1501之间的位置设置调隙铜垫圈1502；所述拨叉1901末端开口，操纵柱2穿过所述的拨叉1901的开口，实现的操纵柱2的横向位置保持。法兰A1902通过四颗螺栓固定旋转力反馈电机17，法兰C1904通过三颗螺栓固定推拉力反馈齿条2001，使其与旋转力反馈电机17固连；法兰B1903通过四颗螺栓固定滑块。

所述模式转换机构包括模式转换手柄5、齿轮拨叉501、模式转换开关12、转向传动齿轮22、手柄位置锁止机构、机罩锁止齿301和操纵柱自锁器4。所述的模式转换手柄5通过螺栓与齿轮拨叉501连接。所述的齿轮拨叉501内侧有凸块，凸块与转向传动齿轮22侧壁接触，可以减小齿轮拨叉501与转向传动齿轮22之间的摩擦阻力。齿轮拨叉501套在转向传动齿轮22外缘，不影响转向传动齿轮22的转动，模式转换手柄5的前后移动，可以通过齿轮拨叉501带动转向传动齿轮22沿转向轴6的轴向前后运动，实现地面模式和飞行模式两种模式的锁止位置。所述的模式转换开关12固定在驾驶舱仪表板背面，用来控制旋转力反馈电机17、推拉力反馈电机21和直线运动电机401，以及舵面执行器进入工作或停止工作。所述的模式转换手柄5、转向轴6、操纵柱2和旋转力反馈电机17的轴线，均在同一平面内。

所述的手柄位置锁止机构包括手柄位置锁A13、手柄位置锁B14和位置锁槽1302。如图4所示，所述的位置锁槽1302为一固定在模式转换手柄5上的带有凹槽的金属块。手柄位置锁A13和手柄位置锁B14的结构相同，以手柄位置锁A13为例，所述的手柄位置锁A13包括位置锁壳1301、钢珠B1303、压紧弹簧B1304和压紧螺钉1305。位置锁壳1301通过外螺纹固定在机架上，内螺纹用于固定压紧螺钉1305。手柄位置锁A13垂直于模式转换手柄5，通过压紧弹簧B1304将钢珠B1303压紧到位置锁槽1302内实现自锁，且位置锁壳1301末端的孔径小于钢珠B1303的直径，使钢珠B1303在未提供锁止功能时不会被顶出位置锁壳1301。两个手柄位置锁分别对应两种模式时模式转换手柄5的位置：地面模式时，手柄位置锁A13卡入位置锁槽1302，，模式转换开关12被手柄位置锁A13压紧处于按下状态，旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21断电，直线运动电机401上电工作；地面模式切换到飞行模式时，向后推模式转换手柄5带动位置锁槽1302，同时位置锁槽1302侧面离开模式转换开关12，模式转换开关12弹开，直线运动电机401断电，旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21上电工作；飞行模式时，手柄位置锁B14卡入位置锁槽1302，模式转换开关12仍处于弹开状态，直线运动电机401断电，旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21上电工作，实现对旋转力和推拉力的反馈。

所述机罩锁止齿301通过预埋刚性固定在机罩3内，如图5所示，与转向轴6上后端的传扭花键601位置相对应，二者一起在飞行模式下锁止转向传动齿轮22的运动防止其摆动。如图6所示，所述的操纵柱自锁器4包括直线运动电机401、自锁器壳402、压紧弹簧A403、钢珠A404，所述自锁器壳402固定连接在机架上，所述直线运动电机401固定在自锁器壳402上，所述自锁器壳402两端开口，内部设置压紧弹簧A403和钢珠A404，实现飞行模式下对操纵柱2轴向位置的自锁。所述自锁器壳402两端开口中，一个开口A的直径大于直线运动电机401的输出轴的直径，另一个开口B的直径小于钢珠A404的直径。在地面模式下，直线运动电机401的输出轴穿过开口A推动钢珠A404，钢珠A404卡住操纵柱2末端外圆周上的环形凹槽，使操纵柱2停留在推拉中央位置，保证旋转力反馈大齿轮1501与转向传动齿轮22的啮合。在飞行模式下，直线运动电机401断电停止工作，直线运动电机401的输出轴缩回，操纵柱2可以进行周向转动和轴向的推拉移动。所述直线运动电机401的输出轴的轴向垂直于操纵柱2的轴向。

具体的工作状态如下：

地面模式下，位置锁槽1302在手柄位置锁A13位置，模式转换开关12被手柄位置锁A13压紧处于按下状态，旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21断电，直线运动电机401上电工作，操纵柱自锁器4处于锁止状态，操纵柱2只能转动不能推拉移动。旋转力反馈大齿轮1501与转向传动齿轮22啮合，通过操纵盘1进行地面驾驶的操纵，使车轮产生转向角，旋转力反馈角位移传感器16和转向器角位移传感器24同时采集数据，控制器分析地面转向系统效率。

地面模式切换到飞行模式，将模式转换手柄5推至最后端，使位置锁槽1302从手柄位置锁A13位置切换到手柄位置锁B14位置，位置锁槽1302侧面离开模式转换开关12，模式转换开关12弹起，直线运动电机401断电停止工作，操纵柱自锁器4处于解锁状态，操纵柱2可以进行转动和推拉移动。转向传动齿轮22随模式转换手柄5被推至最后端，与旋转力反馈大齿轮1501完全脱开，直至与机罩锁止齿301锁止，确保转向传动齿轮22无法产生摆角。

飞行模式下，位置锁槽1302在手柄位置锁B14位置，模式转换开关12处于弹起状态，旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21工作，直线运动电机401退出工作。机罩锁止齿301与传扭花键601一起，锁止转向传动齿轮22的运动。通过旋转操纵盘1控制副翼使飞行汽车发生滚转，推拉操纵盘1将带动平尾使飞行汽车产生俯仰，通过旋转力反馈角位移传感器16和推拉力反馈角位移传感器23同时采集数据给控制器，控制器计算将结果传送到机翼舵面执行机构进行控制，传送到旋转力反馈电机17和推拉力反馈电机21进行反馈力调节。

本发明提供的飞行汽车操纵系统中，利用转向传动齿轮22取代了方向盘，地面状态和飞行状态共用操纵盘1和操纵柱2，自主设计新型旋转力反馈机构和推拉力反馈机构，克服了飞行汽车地面转向系统和飞行操纵机构相互独立、结构复杂、质量较重、转换过程不流畅的缺点，增大了驾驶舱空间。本发明中机翼操控使用线控传动，结构可靠，质量轻，操作简便，适应机翼折叠机构的布置。机罩3使用碳纤维加工，预埋加强筋和功能件，使用碳纤维和铝合金加工操纵盘1，转向器9和锥齿轮箱7等的壳体、支架和基座等零件使用航空级别七系铝合金加工，仅齿轮、齿条、操纵柱等传动部件使用高强度合金钢加工，使用高强度合金钢加工传动部件，轴类零件均采用空心管状结构，在材料和结构上实现减重。驾驶员仅需控制操纵盘1，不用调整驾驶习惯，便可使飞行汽车在地面上像汽车一样进行转向，在空中像使用飞机操纵盘一样控制姿态。此系统经过优化设计，可以获得良好的地面转向操控性能，及灵活便捷的飞行控制能力。并且允许飞行汽车在起降运动过程中实现陆空模式转换，使操控方式的切换连贯流畅，提高转换效率。