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【干货】悟的射桨研究及改进意见

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悟的射桨研究及改进意见
      自去年底大疆推出了全新概念无人机悟,让玩家惊叹不已,其高超的设计理念,让人啧啧称奇,太完美了!但在玩家尽心操控时,却频频出现令人惶恐不安的事故,‘射桨’——即螺旋桨飞脱机体,其后果轻则折桨,重则炸机,令玩家惊呆了!好在大疆公司及时发现了问题,对购机客户提出了暂不要试飞的要求,并在很短的时间里推出了安全锁扣,使其不再出现“射桨”现象,终于平复了玩家的不安,打了一个完美的补丁。但是,这个看似完美的补丁,却暴露出设计上的欠考虑和控制上的不合理,本人想作一些不成熟的分析,以便引起大疆公司的重视,使无人机更安全,更完美。
    早几年大疆公司推出的精灵无人机已经证明其安全性和操控性是值得信懒的,为此我们以此为依据来作一些比较、分析和认证,以便发现问题的症结,以下是四轴小精灵和悟的基本数据对比:
  
名   称
  
最大起飞重量
桨叶重量
最大推力
桨叶螺纹X螺距
有效螺纹数
小精灵
1450克
11克
800克/轴
M6*1左右螺旋
2.5圈
3400克
19克
2100克/轴
M5*0.8
5圈
增幅
134.48%
72.72%
162.5%
-16.7%
100%
    从这些数据中我们不难发现桨叶螺纹直径出现负增幅,这让人费解,整机起飞重量增加,桨叶增大,扭矩增大,电机轴螺纹直径却减小了,这是为什么呢?我们知道无人机在飞行时,前进后退,上升下降,阵风振荡,都会对电机轴产生不同方向的扭矩,加速度越大对电机轴的刚性强度要求越高,直径大小的选择是非常重要的考量。材料、热处理硬度的选择稍有不慎,极易引起金属疲劳,电机轴会出现连根折断的现象。M5螺丝的有效直径严格来说小于4.2毫米,对于悟这款无人机来说,无论从何种角度考虑,都是非常危险的选择,就在写此文时,我们接待了一位精灵玩家的修 理服务,他在卸桨时不慎将电机轴连根折断,其实这和不慎无关,说明6毫米电机轴已经出现金属疲劳裂纹,被折断了,这有照片和玩家可证实,这比任何理论分析更有力直接,当然悟的电机轴的根部也作了设计改进,这样可使电机轴根部应力相对分散,减少了金属疲劳的频度,我们从照片的对比中可见一斑,轴的台阶直径差越大,轴的根部越清角,应力就越集中,就越易产生金属疲劳,尽管大疆对悟电机轴根部作了改进,但选择5毫米电机轴在强度上欠考虑的。
电机轴根部被折断

精灵电机轴与Inspire电机轴对比

下面我们再来分析“射桨”问题,电机轴和螺旋桨是通过螺丝连接的,电机旋转方向是朝桨叶螺纹旋紧的方向旋转的,既然旋转方向不变,且越旋越紧,那怎么会出现“射桨”呢?这是个非搞清楚不可的问题,在解析这一问题时,我们设定电机和螺旋桨都在正常旋紧状态下工作的,我们分三种状态进行分析,分析的依据是牛顿定律。
第一种状态:电机以均速运动旋转,即在线速度不变的状态下工作,在不考虑空气阻力的情况下,电机与螺旋桨之间不存在旋紧和旋松的力矩,如果考虑空气阻力,这个阻力的方向和运动方向相反,是一个旋紧方向的力矩。因此在这种情况下不存在“射桨”问题
第二种状态,电机以均加速运动旋转,即线速在单位时间内加速的状态下工作,有加速度就有力的存在,这个力和空气阻力合成一个电机与螺旋桨之间旋紧的力距。既然这个力矩是旋紧方向的,因此在这种情况下,也不存在“射桨"问题。
第三种状态,电机以均速运动旋转,然后以均减速运动旋转,这相当于无人机在飞行时,转入下降阶段,均减速是一个反相加速度,有加速度就有力的存在,这个力的方向所形成的力矩是和运转方向相反的,同时空气阻力形成的力矩也和运转方向相反,即两个力距叠加形成桨叶旋松的力矩,如果这个力距足以解开桨叶螺纹旋紧的力矩,那么“射桨”的大幕就拉开了。“射桨”的机理就是这样。
举一个通俗的例子:我们坐在汽车上均速前行,如果不看窗外,我们并未感觉汽车在前行,说明我们和汽车之间不存在作用力,当汽车加速前行时,我们会感觉有一个力从前向后推,使人窂窂靠在椅背上,当汽车煞车减速时(反相加速度)我们会感到有一个力,从后向前推,当减速时间是足够短时,这个力足以使我们脱离座位,身体向前冲。从这个例子中,我们假设人好比螺旋桨,车好比电动机,这样我们也就不难理解“射桨”问题了,那么悟能否象小精灵一样,舍弃安全锁扣呢?答案是肯定,我们可以从两个方面来解决“射桨”问题。
第一在操控设置上,设置限制条件
我们注意到悟的“射桨"一般发生在起飞初期,仔细观察就可以发现,起飞前置,有连续两次急速提速和降速的动作,显然这是设计者为了旋紧螺旋桨而为之,但正是这个动作引起了“射桨”,这是为什么呢?这是因为正向加速度和反向加速度相等或差额过小,以及螺纹锁紧力矩不够引起的,合理的做法是快速提速缓慢降速,或者取消起飞前置,在整个操控飞行中,设置最低反向加速度的安全值,这样才能避免“射桨”。举个简单的例子,我们用手在水桶里旋转水,当水形成旋涡时,突然反向旋转,这时我们会感到反向旋转非常困难,需要用很大的力才能克服反向水流。这个现象足以说明书起飞前置出现“射桨”的原因,因为水和空气有许多相同的特性,可用流体力学来解析。
第二,提高螺纹锁紧力矩,
螺丝螺纹的选择,在机械设计中有着举足轻重的作用,选择是否得当,不会马上显示出来,有着很大的隐蔽性,相同直径的螺丝,螺距越大,锁紧越差,可乐瓶无论你拧得多么紧,都可以顺手拧开,因为螺距大,机用螺丝选择不当既使拧得再紧也会松开。有家乡镇企业,研发自行车,前后轮轴选用普通螺纹,样车试用都没有问题,结果等到批量投产了,投诉多了,事故多了,赔款多了,这才发现螺纹选错了。机械设计中螺纹选择有个重要原则,静态紧固选用普通螺纹,动态紧固选用细牙螺纹,自行车轴属于动态紧固,应用细牙螺纹,缝纫机的另件,大多是动态且高速运行,选用的是英制细牙螺纹,英制螺纹选用面宽,且灵活,公制螺纹选用标准统一,固定一致,各有千秋各有优势,那么悟的电机轴,究竟选用怎样的螺丝螺纹才合适呢?前面我们已经分析得出选用M5*0.8螺纹轴,在强度上是不合适的,那么以我之见,电机轴螺丝应选用6毫米或以上的螺丝,以6毫米螺丝为例,公制螺距有三种选择,M6*1、M6*0.75、M6*0.5,第一种是普通螺纹,显然不适合应用在动态紧固,第三种螺纹较细,对频繁拆卸不利,因此选用M6*0.75作为悟的电机轴螺丝较合适,在提高了螺纹锁紧力矩的同时,其有效截面从原来的S1=                              (5-0.8)2=13.85平方毫米提高到S2= (6-0.75)2=21.64平方毫米,提高了P=( S2- S1)/ S1*100%=56.24%,也就是说其强度提高了56.24%,同理推得比小精灵轴强度提高了百分之10.27%。
    综上所述,我们分析了“射桨”的原因,并从二方面提出了解决方案,相信舍弃安全锁扣是可以做到的,当然解决方案有多种,并不拘泥于这两方面,但希望我的分析能对大疆公司有所帮助。


朱家义
上海神谷电子高级机械设计工程师
DJI即时消息请关注微信公众号shengultd
淘宝店:shengultd.taobao.com
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人形TAS  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-3-24 2#
受教于是乎.......
bolome  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-3-24 3#
非常专业,虽然我不是学机械的,此文深入浅出,从原理讲到案例,受教颇多。
再次期待好文!!
亢头   2015-3-24 4#
虽然看不懂!但是改给个赞,那么犀利的工程师,相信以后很多人会去你那买东西!
黑马A   2015-3-24 5#
非常专业,只能按赞!!!
zzr2681@163  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-3-24 6#
社区里多些这种帖子该多好,我小精灵也射过一次桨,当时我的操作我记得很清,是第二台第一次试飞,桨叶拧上去没用扳手锁紧,完了解锁后加速到将要起飞时又突然减速,完了吓我一跳,一个桨叶突然反转,一直到掉下为止,现在我都是把桨叶锁紧的。
多轴
固定翼
474847706@qq.co   2015-3-24 7#
太强悍了
文哥  Mavic Air认证用户 2015-3-24 8#
专业,又长见识了
380030234   2015-3-24 9#
需要这样的高手来指导和分析。学习了
1157840@qq.com   2015-3-24 10#
太强悍了
panzerelite  Inspire 1 Pro认证用户 2015-3-24 11#
要是能结合快拆桨就好了。楼主有没有针对快拆桨的分析啊。。。。
我的设备:Inspire1 X5升级版 双控
bennian   2015-3-24 12#
看不懂但是支持一下
hztv  Inspire 2认证用户 2015-3-24 13#
希望DJI仔细研究
diao001388  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-3-24 14#
学习下
zhongming119@12   2015-3-24 15#
飞行重量增加,但受力部分截面积减小,不合理
yuppie@163.com  Mavic Air认证用户 2015-3-24 16#
确实专业 , 赞一个!
朱丽叶  Inspire 1 V2.0认证用户 2015-3-24 17#

受教了!好文章啊啊啊啊啊!
805580192@qq.co  Goggles认证用户 2015-3-24 18#
小悟的确需要改进,这样的贴子非常赞,希望大疆重视,给神谷电子工程师点个赞,大疆创新继续加油,赶快改进电机,起落架问题
厉害 厉害
拥有设备: F450 精灵2 H3-3D  inspire 1  相机:5D2 24-70 2.8L   5D mark 2  50 1.2L  胶片相机:尼康FM2
568444234  Mavic Pro铂金版认证用户 2015-3-25 20#
学习了,好贴。
qq28442   2015-3-25 21#
运输条件允许的话 尽量少拆浆 拆的次数多了不射都难
聊飞机的好基友们请加qq 576245929
474847706@qq.co   2015-3-28 22#
顶贴,写的非常专业
那楼主请问下,现在出的快拆浆是否也是一种解决方案呢?
极光航拍  Inspire 1 Pro认证用户 2015-3-29 23#
大疆应该收了楼主
fxb624.sina  Goggles认证用户 2015-7-27 24#
分析得透彻、专业啊
已累计飞行6070米
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