CN101101047A - 一种等速-差速、双轴反向输出变速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等速-差速、双轴反向输出变速方法及装置，其特征在于：用一套驱动机构驱动两组行星轮系，所述两组行星轮系的转速相同、转向相反地带动两根输出轴，用另一驱动机构同时带动安装在同一控制轴上的两个控制齿轮同向转动，所述两控制齿轮分别与所述两组行星轮系的齿圈外齿啮合，当所述两控制齿轮被驱动时，可分别带动两组所述行星轮系的齿圈同速转动，当其中一个齿圈的转动方向与所在行星轮系输出的方向一致时，另一个齿圈的转动方向必定与所在行星轮系输出的方向相反。本发明集减速、差速、等速、分动和航向控制为一体，同时采用齿轮传动机构，因此传动比准确、工作可靠、易于加工、使用寿命长、易于保养。本发明可广泛应用于军事与民用航空领域。

Description

一种等速-差速、双轴反向输出变速方法及装置

技术领域

本发明涉及一种变速方法及变速装置，特别是关于一种机械周转轮系减速及差速机构中等速-差速、双轴反向输出变速方法及装置。

背景技术

在直升机家族中，有一种共轴双桨直升机，它是有一对在同一轴线上，旋转方向相反旋翼的直升机。由于它没有尾管和尾桨，与常规单桨直升机相比，具有外形尺寸小、结构紧凑、故障率低以及悬停和中速飞行效率高等优点，因此受到各国的青睐。但是由于它在控制系统上的技术较常规单桨直升机复杂，因此时至今日，也只有俄罗斯卡莫夫设计局设计的共轴双桨直升机能批量生产，并被广泛地用于军事和民用航空领域。由于多种原因，我国的共轴双桨直升机目前还处于研制阶段。北京航空航天大学在共轴双桨直升机的研究上取得了实质性的突破，并于1995年9月29日成功试飞了我国第一架共轴双桨无人直升机。

共轴双桨直升机与常规单桨直升机的控制系统都是由横向操纵系统、纵向操纵系统、航向操纵系统和总距操纵系统四个独立的系统组成。在共轴双桨直升机与常规单桨直升机的控制系统中，横向操纵系统，纵向操纵系统和总距操纵系统相似；但在航向操纵时，由于其工作原理不同，因此它们的航向操纵系统完全不同。常规单桨直升机的航向改变，是由尾桨完成的，而共轴双桨直升机的航向改变，是由两个在同一轴线上，旋转方向相反旋翼的“转速差”或由两个旋转方向相反旋翼所产生的“扭矩差”来完成的。因此，在共轴双桨直升机的研制中，它的航向操纵系统被认为是研制共轴双桨直升机成败的关键之一。

目前，在使用和研制的共轴双桨直升机中，航向操纵系统主要有：等转速航向操纵系统、等扭矩航向操纵系统和气动导流板航向操纵系统(风压舵)三种形式。

等转速航向操纵系统中，两个在同一轴线上、旋转方向相反旋翼的转速始终完全相等，即当两个旋转方向相反旋翼的迎角相等时，所产生的“扭矩”相同：M1＝-M2；式中，M1为一个轴所产生的扭矩，M2为另一个轴所产生的扭矩，“负号”代表扭矩的方向不同。当M1＝-M2时，飞行航向不变。在航向操纵系统的控制下，其中一个轴上旋翼的迎角发生改变时，其产生的“扭矩”也会随之发生变化，而另一个轴上旋翼的迎角没有改变，它产生的“扭矩”不会变化，因此M1≠-M2。由两个旋转方向相反旋翼所产生的“扭矩差”使直生机的机身旋转，从而完成航向的改变。等转速航向操纵系统主要有一个不随主轴转动，但可以在主轴上上下滑动的套筒，套筒带动挺杆改变斜盘的角度，斜盘又控制杠杆系统改变旋翼迎角角度，从而达到改变旋翼所产生的“扭矩”发生变化。这套系统构造复杂，故障率高，技术难度大。

等扭矩航向操纵系统中，两个在同一轴线上、旋转方向相反旋翼的迎角相等，当两个旋翼的旋转速度相同时，两个旋转方向相反旋翼所产生的“扭矩”相同，即M1＝-M2。在航向操纵系统的控制下，其中一个轴的转速发生改变时，其产生的“扭矩”也随之发生变化，由于另一个轴的转速没有改变，它产生的“扭矩”不会变化因此M1≠-M2，由两个旋转方向相反旋翼所产生的“扭矩差”使直升机的机身旋转，从而完成航向的改变。等扭矩航向操纵系统是在两个旋翼轴上各安置了一个离合装置(一般采用磁粉离合器)，用控制离合器的分离和结合，达到使两个旋转方向相反的轴的转速不一样，从而达到改变旋翼所产生的“扭矩”发生变化。该系统中，离合装置重量较大，离合装置在工作时能耗大，旋翼轴的转速可能会因为离合器“打滑”而“丢转”。

上面介绍的这两种航向操纵系统的操作方式，都是利用使一对方向相反的“扭矩”失衡，完成航向的改变。但它们都存在一个重大的缺陷：当“扭矩”失衡时，也会改变平衡时的升力，导至在进行航向改变时，破坏原有的飞行姿态，从而引起飞行高度的变化。要想保持原有的飞行姿态，就会使原本复杂的机构更加复杂。

气动导流板航向操纵系统中，在旋翼下吹气流的下方，置放一块或数块可沿飞行纵轴线转动的导流板，其两个旋转方向相反旋翼所产生的扭矩始终相同：M1＝-M2。当导流板垂直于地面时，下吹气流从导流板两侧通过，下吹气流在导流板两侧所产生的压力相等，飞行航向不变。在航向操纵系统的控制下，使导流板沿飞行纵轴线转动一个角度时，导流板的一侧将会暴露在下吹气流之下，吹到导流板上所产生的水平分力，将会推动机体，以旋翼轴为圆心转动，从而完成航向的改变，其转动的转矩等于：旋翼轴至导流板距离×导流板产生的水平分力。气动导流板航向操纵系统的构造简单，并且在进行航向改变时，不会破坏原有的飞行姿态，但从上面给出的转矩公式中不难看出，要想获得足够的转动转矩，导流板距旋翼轴必须要有足够的距离，导流板也要有足够的面积。这意味着：机身要加长，导流板过大的面积，也会使直升机在飞行中，受到外界较大的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种共轴双桨直升机中航向操纵系统的等速-差速、双轴反向输出变速方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种等速-差速、双轴反向输出变速方法，其特征在于：用一套驱动机构驱动两组行星轮系，所述两组行星轮系的转速相同、转向相反地带动两根输出轴，用另一驱动机构同时带动安装在同一控制轴上的两个控制齿轮同向转动，所述两控制齿轮分别与所述两组行星轮系的齿圈外齿啮合，当所述两控制齿轮被驱动时，可分别带动两组所述行星轮系的齿圈同速转动，当其中一个齿圈的转动方向与所在行星轮系输出的方向一致时，另一个齿圈的转动方向必定与所在行星轮系输出的方向相反。

通过调节控制轴的静止、转动、转动方向和转速，来控制所述两组行星轮系的等速反向输出、等比差速输出、及所述两根输出轴的转速变化。

一种等速-差速、双轴反向输出变速装置，其特征在于它包括：一个由动力驱动的小锥齿轮；两个大锥齿轮，其分别与所述小锥齿啮合；两个太阳轮，每一所述太阳轮与一所述大锥齿轮同轴连接；两组行星轮，每组所述行星轮与一所述太阳轮啮合；两组行星轮架，每一所述星系轮架连接一组所述行星轮；两个齿圈，每一所述齿圈的内齿与一组所述行星轮啮合；两个输出齿轮，每一所述输出齿轮连接一组所述行星轮架的输出端；两个轴齿轮，每一所述轴齿轮连接一所述输出齿轮；一根内轴和一根外轴，其分别连接一所述轴齿轮，所述内、外轴分别转动支撑，且套装在一起；两个控制齿轮，每一所述控制齿轮与一所述齿圈的外齿啮合；一根控制轴，其设置在所述两控制齿轮的中心；一套控制轴驱动装置，其输出端与所述控制轴连接。

所述控制轴与所述控制轴驱动装置之间，设置一自锁机构，所述自锁机构可以是一蜗轮蜗杆传动装置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用一个驱动机构同时驱动A、B两个相对设置的行星轮系，因此可以在航向操纵系统中实现共轴异向等速输出。2、本发明通过一个控制轴上的两个控制轮对A、B两个行星轮系中的齿圈同时驱动，因此两轴输出的速度差是等比差速，即一个轴的转速增加多少，另一个的转速就减少多少，从而解决了直升机的改变航向的问题。3、本发明由于是采取等比差速解决转向问题，因此在进行航向改变时，不会破坏原有的飞行姿态，不会引起飞行高度的变化。4、本发明将齿圈浮动地放置在两圆盘之间，特别是在圆盘与齿圈之间设置滚珠，其不但可以将齿圈准确定位，而且可以减少齿圈与圆盘之间的摩擦。5、本发明在控制轴和控制轴驱动装置之间设置蜗轮蜗杆类的自锁机构，可以保证双轴等速输出的可靠性。6、本发明从变速装置的内部解决了旋翼轴转速的变化，没有暴露在机体外面的附加机构，所以整机的构造更加简洁。7、本发明集减速、差速、等速、分动和航向控制为一体，同时采用齿轮传动机构，因此传动比准确、工作可靠、易于加工、使用寿命长、易于保养。本发明可以广泛用于军事与民用航空领域的共轴双桨直升机的航向操作系统中。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明的的另一实施例示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一个通过动力驱动的小锥齿轮10，小锥齿轮10同时带动两个大锥齿轮1、11，与两个大锥齿轮1、11同轴设置两太阳轮2、12，每一个太阳轮2、12同时带动一组行星轮3、4、13、14(以每组两个行星轮为例，还可以是三个行星轮)，上面的一组行星轮3、4的中心轴连接一行星轮架5，同时行星轮3、4与一个齿圈6的内齿啮合；下面的一组行星轮13、14的中心轴连接另一行星轮架15，同时行星轮13、14与一个齿圈16的内齿啮合。两个输出齿轮7、17的中心轴分别连接在两行星轮架5、15上。两个输出齿轮7、17分别啮合一个轴齿轮8、18，两个齿圈6、16的外齿分别啮合一个控制齿轮9、19。两个控制齿轮9、19连接在同一根控制轴20上，控制轴20连接一套驱动装置(图中未示出)；两个轴齿轮8、18分别连接一内轴21和一外轴22，内、外轴21、22分别转动支撑并套装在一起，各自输出动力。

由上述结构描述可以看出，本发明组成了两个完全相同的周转轮系，其中上方的大齿轮1，太阳轮2，行星轮3、4，行星轮架5，齿圈6，输出齿轮7和轴齿轮8组成了周转轮系A，下方的大齿轮11，太阳轮12，行星轮13、14，行星轮架15，齿圈16，输出齿轮17和轴齿轮18组成了周转轮系B。控制齿轮9与A轮系的齿圈6啮合；控制齿轮19与B轮系的齿圈16啮合。

上述实施例中，行星轮架5、15也可以采取其它结构形式，如图2所示，行星轮架可以是由四个圆盘23、24、25、26组成，上面A轮系的星轮3、4的中心分别通过轴承27连接一中心轴28，两中心轴28的两端分别固定连接上方的一对圆盘23、24；下面B轮系的行星轮13、14的中心分别通过轴承29连接一中心轴30，中心轴30的两端分别固定连接下方的一对圆盘25、26。A轮系的齿圈6夹在圆盘23、24之间，B轮系的齿圈16夹在圆盘25、26之间，在A轮系的两圆盘25、26与齿圈6之间设置有数个凹坑，在每对凹坑中设置一个滚珠31，同样在B轮系的两圆盘26、27上对应设置数个凹坑，在每对凹坑中设置一个滚珠31，从而实现齿圈6、16的定位和减少与圆盘23、24、25、26之间的摩擦。在两圆盘23、16上分别固定连接一短轴32、33，两短轴32、33分别连接在输出齿轮7、17的中心。

本发明运行时，如图1所示，动力驱动小锥齿轮10转动时，小锥齿轮10带动与之啮合的两个大锥齿轮1、11同时转动。由于大锥齿轮1、11的齿数相同，所以大锥齿轮111、的转速相同，但转向相反。大锥齿轮1、11分别带动太阳轮2、12转动，太阳轮2、12分别带动与之啮合的行星轮3、4、13、14转动。由于行星轮3、4、13、14又分别与齿圈6、16的内齿啮合，因此在行星轮3、4、13、14自转的同时，又会围绕着与之啮合的太阳轮2、12做公转。上、下两组行星轮3、4、13、14分别连接一行星轮架5、15，因此行星轮架5、15将分别以上方的行星轮3、4和下方的行星轮13、14公转的速度和旋转方向转动。行星轮架5、15将其转速和转向，通过两个齿数相同的输出齿轮7、17传给另外两个齿数相同的轴齿轮8、18，从而带动与轴齿轮8、18固定连接的内轴21和外轴22转动。

固定在控制轴20上的两个控制齿轮9、19的齿数相同，与两个控制齿轮9、19啮合的两个齿圈6、16的外齿数相同。当控制轴20处于静止状态时，控制齿轮9、19也处于静止状态，控制齿轮9、19限制了与之啮合的齿圈6、16的转动。当齿圈6、16被固定不能转动时，则由分别与两个太阳轮2、12为一体的两个大锥齿1、11作为动力输入端，两个行星轮架5、15作为动力输出端。由于A轮系与B轮系是两个完全相同的周转轮系，其传动比相同，输入转速相同，因此A轮系与B轮系输出的转速也相同；但由于两个大锥齿轮1、11的输入转向相反，因此A轮系与B轮系的输出端的转向也相反。

输入转速与输出转速的关系满足下列公式：

n_i/i＝n_o

其中，n_i为输入端转速，即大锥齿轮1、11的转速；

n_o为输出端转速，即行星轮架5、15的转速；

i为该轮系输入端与输出端的传动比。

当控制轴20处于静止不转动的状态时，存在：

内轴21的转速：-n_i/i＝n_o；

外轴22的转速：n_i/i＝n_o；

其中，负号表示外轴22的转向与内轴21的转向相反。式中未考虑动力输入小锥齿10、大锥齿轮1、11、输出齿轮7、17及轴齿轮8、18的传动比。

当控制轴20受外力驱动转动时，控制齿轮9、19也随之转动，同时驱动与之啮合的齿圈6、16转动，由于控制齿轮9、19的转向一致，而两大锥齿轮1、11的转向相反，此时A轮系与B轮系为差动轮系，会出现以下两种情况：一种是控制齿轮9与A轮系的输入端大锥齿轮1的转向相同，控制齿轮19与B轮系的输入端大锥齿轮11的转向相反；另一种是控制齿轮9与A轮系的输入端大锥齿轮1的转向相反，控制齿轮19与B轮系的输入端大锥齿轮11的转向相同。即当控制齿轮9、19同向转动时，必定有一个轮系的输入端转向与控制齿轮9、19的转向相同，同时另一个轮系的输入端转向与控制齿轮9、19的转向相反。

周转轮系的输出端转速应满足以下公式：

n_o＝[n_i±(i-1)n齿圈]/i

其中，n_o为A轮系和B轮系的输出转速，也是行星轮架5、15的转速；

n_i为A轮系和B轮系的输入转速，也是大锥齿1、11的转速；

n齿圈为控制齿轮9、19驱动齿圈6、16所获得的转速；

i为A轮系和B轮系的齿圈6、16被固定时输入端与输出端的传动比。

当其中一个控制齿轮9(仅以此为例，但不限于此)的转向与该周转轮系的输入端转向相同时，该周转轮系的输出转速大于齿圈6被“固定”时的输出转速。当控制齿轮9的转向与该周转轮系的输入端转向相反时，该系统的输出转速小于其齿圈6被“固定”时的输出转速。当控制齿轮6、16的转速为一个定值时，输入端大锥齿轮1、11和输出端行星轮架5、15的传动比为一个定值；当控制齿轮9、19的转速为一个变量时，输入端大锥齿轮1、11和输出端行星轮架5、15的传动比，将随着控制齿轮9、19转速的快慢而变化。无论控制齿轮9、19的转速为定值还是为变量，而且当其转速为变量时，不论所获得的新传动比如何变化，输入端与输出端的转速都满足下式：

n_oA+n_oB＝2n_i/i

其中，n_oA为A轮系输出转速，n_oB为B轮系输出转速。这一特性使本发明的变速装置具备了共轴双桨直升机航向操纵系统的基本要求。当控制轴20的转向与A轮系中大锥齿1相同时，控制齿轮9的转向也与A轮系中大锥齿1相同时，控制齿轮19的转向必定与B轮系大锥齿11相反，且有：

n_内轴21＝-[n_i-(i-1)n齿圈]/i

n_外轴22＝[n_i+(i-1)n齿圈]/i

其中，n_外轴22为外轴22的转速，n_内轴21为内轴21的转速，负号表示内轴21的转向与外轴22的转向相反。

当控制轴20的转向与A轮系中大锥齿1的转向相反时，控制齿轮9的转向也与A轮系中大锥齿1转向相反，控制齿轮19的转向必定与B轮系大锥齿11的转向相同，且有：

n_外轴22＝[n_i-(i-1)n齿圈]/i

n_内轴21＝-[n_i+(i-1)n齿圈]/i

其中，n_外轴22为外轴22的转速，n_内轴21为内轴21的转速，负号表示内轴21的转向与外轴22的转向相反。

上面四个公式均未考虑到小锥齿轮10、大锥齿1、11、输出齿轮7、17和轴齿轮8、18的传动比。

调整控制轴20的转速，可以改变差速状态时的差速比。只要控制控制轴20的转与停及正转与反转，即可完成双轴等速转动、内轴快外轴慢差速和内轴慢外轴快差速三种状态的转换。

作为驱动控制轴20的动力元件，需要具备连续正转、连续反转和停止的功能。当驱动控制轴20的动力元件具备调速功能时，本发明的变速装置才具有在差速状态时改变输出传动比的功能；当驱动控制轴20的动力元件不具备调速功能时，本发明的变速装置只具有双轴等速输出和固定的等比差速输出。

由于外轴22和内轴21转动阻力不可能完全相等，因此A轮系与B轮系的齿圈6、16转动的阻力也有差异。当控制轴20处于浮动状态时，齿圈6、16给与之啮合的控制齿轮9、19的反力方向相反，但大小不相等，控制轴20将被反力大的齿圈驱动，不能自锁。因此，在控制轴20与控制轴驱动装置之间，应设置主动件自锁机构，比如设置一级蜗轮蜗杆传动装置等，以保证双轴等速输出的可靠性。

本发明采用的航向操纵系统，与等扭矩航向操纵系统的航向操纵原理一样，利用改变旋翼轴转速的变化，使一对方向相反的“扭矩”失衡，完成航向的改变；不同的是：它是从本发明变速装置的内部解决了旋翼轴转速的变化，本发明变速装置采用齿轮机构，输出轴的差速是等比差速，并可改变差速比，当控制系统发生故障时，变速装置会自动锁定为双轴等速输出状态。

Claims (5)

1、一种等速-差速、双轴反向输出变速方法，其特征在于：用一套驱动机构驱动两组行星轮系，所述两组行星轮系的转速相同、转向相反地带动两根输出轴，用另一驱动机构同时带动安装在同一控制轴上的两个控制齿轮同向转动，所述两控制齿轮分别与所述两组行星轮系的齿圈外齿啮合，当所述两控制齿轮被驱动时，可分别带动两组所述行星轮系的齿圈同速转动，当其中一个齿圈的转动方向与所在行星轮系输出的方向一致时，另一个齿圈的转动方向必定与所在行星轮系输出的方向相反。

2、如权利要求1所述的一种等速-差速、双轴反向输出变速方法，其特征在于：通过调节控制轴的静止、转动、转动方向和转速，来控制所述两组行星轮系的等速反向输出、等比差速输出、及所述两根输出轴的转速变化。

3、一种等速-差速、双轴反向输出变速装置，其特征在于它包括：

一个由动力驱动的小锥齿轮；

两个大锥齿轮，其分别与所述小锥齿啮合；

两个太阳轮，每一所述太阳轮与一所述大锥齿轮同轴连接；

两组行星轮，每组所述行星轮与一所述太阳轮啮合；

两组行星轮架，每一所述星系轮架连接一组所述行星轮；

两个齿圈，每一所述齿圈的内齿与一组所述行星轮啮合；

两个输出齿轮，每一所述输出齿轮连接一组所述行星轮架的输出端；

两个轴齿轮，每一所述轴齿轮连接一所述输出齿轮；

一根内轴和一根外轴，其分别连接一所述轴齿轮，所述内、外轴分别转动支撑，且套装在一起；

两个控制齿轮，每一所述控制齿轮与一所述齿圈的外齿啮合；

一根控制轴，其设置在所述两控制齿轮的中心；

一套控制轴驱动装置，其输出端与所述控制轴连接。

4、如权利要求3所述的一种等速-差速、双轴反向输出变速装置，其特征在于：所述控制轴与所述控制轴驱动装置之间，设置一自锁机构。

5、如权利要求4所述的一种等速-差速、双轴反向输出变速装置，其特征在于：所述自锁机构为一蜗轮蜗杆传动装置。

Images