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螺旋桨

螺旋桨把电机轴上的机械功转化为空气动量变化和推力。它也是高速旋转的易损件,选型错误可能导致电流过大、振动、失控和人身伤害。

多旋翼螺旋桨实物

外观示例:多旋翼三叶螺旋桨。图片来源:Gemfan 6042三叶螺旋桨。用于识别部件,不构成型号推荐。

螺旋桨参数与负载影响

直径

螺旋桨直径是旋转圆盘的最大宽度,常用英寸表示。

直径增大通常会:

  • 增加桨盘面积;
  • 改变可产生的推力;
  • 增加电机负载;
  • 改变响应和效率;
  • 要求更大的机架净空。

“5英寸桨”不能说明螺距、叶片数量、桨毂和电机是否匹配。

螺距

几何螺距可以理解为螺旋桨在没有滑移的理想介质中旋转一圈前进的理论距离。

实际空气中存在滑移、诱导速度和复杂气流,因此螺距不是飞行器每转一圈真实前进距离。

提高螺距通常会改变高速能力和负载,但效果取决于电机、电压、直径、叶片形状和飞行工况。

叶片数量

常见有两叶、三叶和更多叶片。

增加叶片数量可能:

  • 增加有限直径内的受力面积;
  • 改变抓力和响应;
  • 增加电流和噪声;
  • 降低某些工况下的效率;
  • 改变振动特征。

不能把三叶理解为必然优于两叶,也不能只根据用途标签选择。

材料和刚度

常见材料包括不同配方的聚碳酸酯、尼龙和复合材料。

刚度会影响:

  • 高转速下的形变;
  • 控制响应;
  • 效率;
  • 振动;
  • 碰撞后的断裂方式。

过软可能在负载下明显变形,过硬则可能把冲击传递给电机和机架。材料名称不能替代实际测试。

顺时针与逆时针

四旋翼通常需要两种相反旋向的螺旋桨。

正反桨与旋向示意

顺时针(CW,Clockwise)和逆时针(CCW,Counterclockwise)必须说明观察方向。市场还可能使用“正桨”“反桨”等叫法,定义不一致时应以产品图、叶片标记和厂商说明为准。

安装时需要同时确认:

  • 电机实际转向;
  • 螺旋桨旋向;
  • 桨叶前缘;
  • 桨叶产生推力的方向;
  • 固件采用桨叶向内还是向外布局。

仅让螺母能拧紧不能证明螺旋桨安装正确。

桨毂和固定方式

核对:

  • 中心孔径;
  • 电机轴径;
  • 螺纹方向;
  • 锁紧螺母;
  • T形安装孔;
  • 中心螺钉;
  • 桨毂厚度;
  • 适配垫片。

孔径不匹配会造成偏心和振动。不要依靠松动间隙或强行扩孔解决。

动平衡与制造差异

螺旋桨质量和几何不平衡会产生周期性振动。新桨也可能存在:

  • 毛边;
  • 桨毂偏心;
  • 叶片质量差异;
  • 翘曲;
  • 模具差异。

不要用大幅滤波或降低控制增益掩盖明显机械振动。

是否需要单独平衡取决于尺寸、转速、制造质量和应用,但任何可见损伤都应先更换。

必须查动力组合数据

螺旋桨与电机、电池电压共同决定负载。

同一电机更换螺旋桨后,可能同时改变:

  • 最大电流;
  • 推力;
  • 效率;
  • 电机温升;
  • 电调温升;
  • 电池压降;
  • 噪声;
  • 控制响应。

因此必须查目标电压、目标电机和目标螺旋桨的组合测试。缺少测试时,应从更低负载方案开始,并在受控台架条件下逐步验证,而不是直接全油门试飞。

机架和安全净空

检查:

  • 相邻桨尖间距;
  • 桨叶与机臂;
  • 桨叶与电池绑带;
  • 桨叶与天线、导线和载荷;
  • 桨叶形变后的余量;
  • 保护圈和桨叶的间隙。

不要把导线、扎带尾部或天线固定在桨盘内。

损伤检查

以下情况应停止使用:

  • 裂纹;
  • 缺口;
  • 白化;
  • 明显弯曲;
  • 桨毂松动;
  • 叶片型号不一致;
  • 碰撞后无法确认完整性。

高速旋转会放大微小缺陷。不要徒手弯折测试已安装在电机上的螺旋桨。

采购前检查

  • 直径满足机架桨盘净空;
  • 螺距和叶片数量出现在目标电机测试表中;
  • 目标电压下的电流不超过电调和电池能力;
  • CW和CCW数量正确;
  • 桨毂、轴和固定方式匹配;
  • 材料和重量满足任务;
  • 有同型号备件;
  • 包装和桨叶标记可追溯。

检查理解

  1. 螺距为什么不等于实际每转前进距离?
  2. 三叶桨为什么不一定优于两叶桨?
  3. 为什么换桨后必须重新检查电流?
  4. “CW”为什么必须说明观察方向?
  5. 哪些损伤意味着螺旋桨不能继续使用?

主要参考