CN101204992B - 直升机共轴双旋翼转速差动装置 - Google Patents

Abstract

一种能够实现共轴双旋翼直升机旋翼转速差动的装置，可用于实现共轴双旋翼直升机偏航控制。它是一套三级齿轮传动机构：第一级传动是将单一动力输入按相同传动比分为两股；第二级传动是两个结构完全相同的行星齿轮减速器，经过第一级传动后的两股动力分别驱动两个行星减速器的太阳轮；第三级传动是将两个行星减速器的输出按相同的传动比分别驱动旋翼内轴和外轴，并实现内轴和外轴旋转方向相反。实现转速差动的关键在第二级行星减速器传动结构，其有两种构型：第一种是行星轮盘作为输出，两个行星减速器的内齿轮可转动并且是联动的；第二种是内齿轮作为输出，两个行星减速器的行星轮盘可转动并且是联动的。旋翼内轴和外轴所承受的扭矩可以在两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)之间传递，当偏航控制执行机构不施加驱动力时，旋翼内、外轴扭矩平衡；当两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)受偏航控制执行机构的驱动力作用时，旋翼内、外轴转速一个增大、一个减小，并且增加量和减小量相同，从而实现扭矩差。

Description

直升机共轴双旋翼转速差动装置

所属技术领域

本发明属于直升机技术领域。

背景技术

现有的共轴双旋翼直升机偏航控制方式有两种，一种是通过桨距差动实现，即通过变距拉杆机构使上下两副旋翼的桨距产生差异(上下旋翼的桨距一个增大一个减小)，从而产生扭矩差，驱动机身旋转达到偏航的目的；另一种是双电机转速差动方式，常用于小型共轴模型直升机，该方式使用两台电动机各驱动一副旋翼，采用电子调速电路控制两台电动机的转速，实现两副旋翼的转速差动，从而产生扭矩差，实现偏航。桨距差动方式多用于大型有人驾驶的共轴直升机，由于其变距拉杆机构的结构复杂，不便于在微小型共轴双旋翼无人直升机上采用。双电机转速差动方式不能用于非电动直升机或单发动机直升机。

发明内容

为了避免在微小型共轴直升机旋翼轴上增加差动变距拉杆机构导致结构过于复杂，并且克服现有双电机转速差动方式不能用于非电动直升机或单发动机直升机的不足，本发明提供了一种齿轮传动装置，将单一动力输入分配给上下两副旋翼，并能根据需要实现两副旋翼的转速差，从而实现直升机偏航控制。

本发明实现上下旋翼转速差所采用的技术方案是：采用单一动力输入轴，通过三级齿轮传动关系将动力传递给旋翼内轴和外轴，旋翼内轴和外轴分别驱动上下两副旋翼(本说明书将旋翼转速差动与旋翼内、外轴转速差动视为等同)。第一级齿轮传动是在动力输入轴两侧同时啮合两个传动比相同的一级减速齿轮，将动力分为两股；第二级传动是两个结构完全相同的行星齿轮减速器，经过第一级传动后的两股动力分别驱动两个行星减速器的太阳轮；第三级传动是将两个行星减速器的输出按相同的传动比分别驱动旋翼内轴和外轴，并实现内轴和外轴旋转方向相反。实现转速差动的关键在第二级行星减速器传动结构，其有两种构型：第一种是行星轮盘作为输出，两个行星减速器的内齿轮可转动并且是联动的；第二种是内齿轮作为输出，两个行星减速器的行星轮盘可转动并且是联动的。两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)可以同步、同速旋转，例如将两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)外缘均加工成蜗轮，并同时与安置在两个行星齿轮减速器中间位置的多头非自锁蜗杆相啮合，蜗杆由执行偏航指令的伺服电机驱动。当不需要做偏航控制时，蜗杆不受驱动，行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)自由联动，两个行星齿轮减速器的输出扭矩完全相同，再经过第三级齿轮传动后，旋翼内、外轴的输出扭矩也完全相同，但转向相反；当需要偏航控制时，蜗杆被驱动，驱动蜗轮并带动行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)转动，由于蜗杆位于两个蜗轮中间位置，因此两个蜗轮的转向相反、转速相同，此时两个行星齿轮减速器的输出转速一个增大、一个减小，并且增加量和减小量相同，经过第三级齿轮传动后，旋翼内、外轴转速一个增大、一个减小，从而产生偏航力矩。

本项发明的一个有益效果是，进行偏航控制时旋翼内、外轴的转速增量总是大小相同、符号相反，也就是说，旋翼内、外轴的平均转速不因偏航控制而改变，其现实意义是最大限度降低了直升机偏航控制对其他方向运动的干扰。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的第一种构型的三维立体图。

图2是本发明第一种构型的纵剖面构造原理图。

图3是本发明第一种构型的行星减速器及其与蜗杆啮合图。

图4是本发明第一种构型实施偏航控制时行星减速器旋转方向示意图。

图5是本发明的第二种构型的三维立体图。

图6是本发明第二种构型的纵剖面构造原理图。

图7是本发明第二种构型的行星减速器及其与蜗杆啮合图。

图中带标号的零部件名称如下：

1.动力输入齿轮

2.右侧一级减速齿轮

3.下支撑架

4.右侧蜗轮

5.右侧太阳轮

6.右侧行星轮

7.右侧内齿轮

8.上支撑架

9.内轴驱动齿轮

10.内轴齿轮

11.外轴齿轮

12.外轴换向齿轮

13.外轴驱动齿轮

14.左侧内齿轮

15.左侧行星轮

16.左侧太阳轮

17.左侧蜗轮

18.左侧一级减速齿轮

19.蜗杆

20.右侧行星轮盘

21.左侧行星轮盘

附图中轴与齿轮的连接方式有两种：有轴承表示轴与齿轮可相对转动；没有轴承表示轴与齿轮刚性同步连接。

具体实施方式

在图2纵剖面构造原理图中，上支撑架(8)以下的零部件是左右对称的，将动力分为两股，分别驱动旋翼内轴和外轴。

右侧的动力传动路线如下：动力输入齿轮(1)与右侧一级减速齿轮(2)啮合，将动力传递给右侧一级减速齿轮(2)，这是第一级传动；右侧一级减速齿轮(2)与右侧太阳轮(5)同轴刚性连接，右侧太阳轮(5)与右侧行星轮(6)啮合，右侧行星轮(6)同时也与右侧内齿轮(7)啮合，不做转速差动时右侧内齿轮(7)静止，动力由右侧一级减速齿轮(2)传递到右侧太阳轮(5)，再驱动右侧行星轮(6)自转并公转，右侧行星轮(6)的公转带动右侧行星轮盘(20)转动，这是第二级传动；右侧行星轮盘(20)与内轴驱动齿轮(9)同轴刚性连接，将动力传递给内轴驱动齿轮(9)，内轴驱动齿轮(9)与内轴齿轮(10)啮合，动力传递给内轴，这是第三级传动。

左侧的动力传动路线如下：动力输入齿轮(1)与左侧一级减速齿轮(18)啮合，将动力传递给左侧一级减速齿轮(18)，这是第一级传动；左侧一级减速齿轮(18)与左侧太阳轮(16)同轴刚性连接，左侧太阳轮(16)与左侧行星轮(15)啮合，左侧行星轮(15)同时也与左侧内齿轮(14)啮合，不做转速差动时左侧内齿轮(14)静止，动力由左侧一级减速齿轮(18)传递到左侧太阳轮(16)，再驱动左侧行星轮(15)自转并公转，左侧行星轮(15)的公转带动左侧行星轮盘(21)转动，这是第二级传动；左侧行星轮盘(21)与外轴驱动齿轮(13)同轴刚性连接，将动力传递给外轴驱动齿轮(13)，外轴驱动齿轮(13)与外轴齿轮(11)之间通过外轴换向齿轮(12)啮合，动力传递给外轴的同时改变了旋转方向，这是第三级传动。

左侧内齿轮(14)与左侧蜗轮(17)固连在一起，右侧内齿轮(7)与右侧蜗轮(4)固连在一起，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)均与安装在中间位置的蜗杆(19)啮合。当不做转速差动时蜗杆(19)静止，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都静止，由于左右两侧每一级传动的传动比均分别相同，因此内轴和外轴转速相同，转向相反。

当需要进行转速差动时蜗杆(19)转动，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都转动，并且左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)始终转速相同、转向相反，此时左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)的转速一个增大、一个减小，从而实现内外轴转速差。图4给出了第二级传动(即行星减速器)的一种旋转方向示例，左侧太阳轮(16)与右侧太阳轮(5)的转速、转向始终相同，假设为图中标明的逆时针方向，则此时左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)均为顺时针自转，逆时针公转，因此左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)也都是逆时针转动。如果蜗杆(19)转动使左侧蜗轮(17)逆时针旋转、右侧蜗轮(4)顺时针旋转，就会导致左侧行星轮(15)的公转速度加快、右侧行星轮(6)的公转速度减慢，进而导致左侧行星轮盘(21)转速加快，右侧行星轮盘(20)转速减慢，从而实现旋翼内、外轴的转速差动。如果蜗杆(19)改变转动方向，则左右两侧行星轮盘的转速改变量的符号也都会随之改变。可以证明，左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)的转速改变量总是大小相等、符号相反。

本发明第二种构型的三维立体图见图5，图6是第二种构型的纵剖面构造原理图.第二种构型与第一种构型在第一级传动和第三级传动结构上完全相同，不同之处在于第二级传动.如图6，第二种构型的第二级传动结构(即行星减速器)相当于第一种构型(图2)中的行星减速器上下倒置安装：左侧蜗轮(17)兼作左侧行星轮盘，右侧蜗轮(4)兼作右侧行星轮盘，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)均与安装在中间位置的蜗杆(19)啮合；左侧内齿轮(14)与外轴驱动齿轮(13)同轴刚性连接，将动力传递给外轴驱动齿轮(13)；右侧内齿轮(7)与内轴驱动齿轮(9)同轴刚性连接，将动力传递给内轴驱动齿轮(9).当不做转速差动时蜗杆(19)静止，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都静止，左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)只有自转没有公转，分别将左侧太阳轮(16)、右侧太阳轮(5)的动力传递给左侧内齿轮(14)和右侧内齿轮(7)，由于左右两侧每一级传动的传动比均分别相同，因此内轴和外轴转速相同，转向相反.当需要进行转速差动时蜗杆(19)转动，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都转动，从而带动左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)公转，并且左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)始终转速相同、转向相反，此时左侧内齿轮(14)与右侧内齿轮(7)的转速一个增大、一个减小，从而实现内外轴转速差.可以证明，左侧内齿轮(14)与右侧内齿轮(7)的转速改变量总是大小相等、符号相反.

本发明的第一种构型和第二种构型都具有如下特性，蜗杆(19)是非自锁蜗杆(附图中以四头非自锁蜗杆为例)，当输入动力克服旋翼内轴和外轴上的阻力扭矩而驱动其转动时，由于蜗轮与内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)固连，蜗轮必然受到反作用扭矩，左右两侧蜗轮的反作用扭矩作用于蜗杆(19)时是方向相反的，如果两侧扭矩不等，则扭矩大的一方将驱动扭矩小的一方转动，根据前文所述的传动特点，扭矩大的一方旋翼转速将减小，扭矩小的一方旋翼转速将增大，转速的变化又会导致旋翼阻力扭矩变化，最终使两副旋翼达到扭矩平衡。因此，旋翼内、外轴上的驱动扭矩可以在左右两侧蜗轮之间通过蜗杆(19)传递。当不需偏航控制时，蜗杆(19)不受控制执行机构约束，旋翼内轴和外轴上获得的驱动扭矩始终相等，保持机身航向稳定；当航向受到扰动需要做偏航控制或进行偏航动作时，蜗杆(19)受到偏航控制执行机构的驱动，给旋翼内、外轴施加大小相等、符号相反的转速增量，产生需要的扭矩差。采用蜗轮蜗杆作为偏航控制的传动机构不是本发明的唯一选择，蜗轮蜗杆机构可由其它具有相同功能的传动机构代替，例如本实施例中的两个蜗轮也可改为直接啮合的齿轮，其中的任何一个与控制机构的输出齿轮啮合。

Claims (3)

1.一种用于直升机偏航控制的共轴双旋翼转速差动装置，由三级齿轮传动结构组成，第一级传动是由动力输入齿轮同时啮合两个一级减速齿轮，第二级传动是由两个一级减速齿轮分别与两个行星齿轮减速器的太阳轮同轴刚性连接，分别驱动两个行星轮盘(第一种构型)或两个内齿轮(第二种构型)作为输出，第三级传动是由两个行星减速器的输出分别驱动旋翼内轴和外轴，并实现内轴和外轴旋转方向相反，其特征是：采用单一动力输入，两个一级减速齿轮并列安装并且齿数相同，两个行星减速器并列安装并且结构完全相同，由两个行星减速器的输出分别驱动旋翼内轴和外轴的传动比相同，两个行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)可转动并且是同速、反向联动的。

2.根据权利要求1所述的共轴双旋翼转速差动装置，其特征是：两个行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)外缘均加工成蜗轮，并同时与安置在两个行星减速器中间位置的非自锁蜗杆相啮合，构成非自锁联动关系。

3.根据权利要求1或2所述的共轴双旋翼转速差动装置，其特征是：当需要进行偏航控制时，由蜗杆接收并传入偏航控制执行机构施加的驱动扭矩。

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