CN101472793B - 具有稳定俯仰力矩的离心力轴承 - Google Patents

Abstract

公开一种具有用于提供稳定俯仰力矩的装置的离心力轴承。该离心力轴承可选择性地包括锥形装置。公开一种具有离心力轴承的旋翼系统。公开一种具有离心力轴承的旋翼飞行器。

Description

具有稳定俯仰力矩的离心力轴承

技术领域

本发明总体涉及旋翼飞行器领域，尤其地，本发明涉及用于旋翼飞行器的旋翼系统的领域。

背景技术

旋翼飞行器已经存在了很长时间。旋翼飞行器的许多设计都包括改变旋翼叶片或者翼面围绕俯仰改变轴线的俯仰的装置，从而改变由于叶片或翼面围绕中心柱旋转而产生的推进力的量。在多种用于改变叶片俯仰的装置中，公知部件包括大体竖直的俯仰连杆和大体水平的俯仰角柄。

该俯仰连杆通常是杆状结构，一端连接至控制装置(通常是隔板)，另一端连接至俯仰角柄。该俯仰角柄也连接至叶片。该俯仰连杆连接至俯仰角柄，使得俯仰角柄随着俯仰连杆沿着俯仰连杆的纵向轴线平移而被扰动。使该俯仰角柄扰动可使得所连接的叶片围绕叶片的俯仰改变轴线旋转。然而，随着俯仰角柄使叶片旋转，俯仰角柄以及俯仰连杆受到源自于叶片固有质量/惯性属性的无益反作用力矩的作用。多数叶片都可归纳为具有长惯性轴线和短惯性轴线，其中长惯性轴线与弦长的方向性相关联。典型地，该叶片往往与通常平行于地面的弦长共面。在操作过程中，随着俯仰角柄将叶片旋转入产生推力的更大迎角，该叶片往往同时地使得叶片旋转离开初始的较低迎角位置。

随着俯仰连杆和俯仰角柄有目的地经受使叶片围绕俯仰改变轴线旋转所需的力的作用，俯仰连杆和俯仰角柄也必须经受由于意外反作用力矩而传送的合力。由于这些力对于旋翼飞行器设计者来说是公知的，所以必须将俯仰连杆、俯仰角柄和相关联的部件设计成经受至少上述想要的和不想要的力的和。

通常地，俯仰连杆、俯仰角柄和相关联的部件的尺寸、形状和构成材料都需要能够经受所预期的力的和。为了适应由叶片传送的无益反作用力矩，俯仰连杆、俯仰角柄和相关联的部件都必须更大、更重，形成不方便处理的形状，和/或采用成本更高的材料构成，除非这些部件不必经受意外的反作用力矩。

此外，在不采用额外硬件的情况下，由多个叶片产生的无益反作用力矩通常传送通过控制系统一直到飞行员输入装置。当飞行员尝试通过调节叶片的俯仰而使得推力增加时，飞行员会受到该反作用力矩的作用，作为额外的阻力。通常由飞行员经受的阻力是明显的并且由此有必要将液压补偿器安装入该控制系统中，从而使飞行员无法感受到多个无益反作用力矩的和。类似于上述讨论，加入能够补偿所有无益反作用力矩的液压系统会无益地增加整个控制系统设计的重量、成本以及包装复杂度。

最后，一些更高性能的翼面往往具有更高的无益反作用俯仰力矩。使用更高性能翼面的吸引力正在并且将会逐渐消退，直到更大无益反作用俯仰力矩的负面影响被有益地处理和解决。

虽然上述叶片俯仰改变机构展现出对于旋翼飞行器的明显改善，但是仍然存在大量的缺点。

发明内容

需要一种提供不变俯仰力矩的离心力轴承。

因此，本发明的目的是设计一种提供不变俯仰力矩的离心力轴承。

这一目的是通过设置具有用于提供不变俯仰力矩的俯仰力矩装置的离心力轴承而实现的。

本发明能够带来明显的优势，包括：(1)提供低成本和低重量的装置以减小叶片的无益反作用俯仰力矩，(2)减小将无益的力输送至飞行员输入装置，以及(3)能够使用更高性能的翼面，而不需要使用明显增加强度的控制-系统部件。

通过随后的书面说明将清楚地了解其他的目的、特征和优势。

附图说明

本发明的具有新颖性的特征将在随后的权利要求中阐述。但是，发明本身以及优选实施例和其他目的和优势将通过结合附图理解的下述详细说明书而得以理解，其中：

图1是具有根据本发明的离心力轴承的斜旋翼飞行器的倾斜视图；

图2是旋翼毂组件的一部分的倾斜视图，该毂组件包括根据本发明优选实施例的离心力轴承；

图3是图2的离心力轴承的倾斜视图，其方向适于与轭架共同使用；

图4是图2的离心力轴承的倾斜分解视图，其方向适于示出向内面对的部件表面；以及

图5是图2的离心力轴承的倾斜分解视图，其方向适于示出向外面对的部件表面。

具体实施方式

本发明示出：用于旋翼飞行器旋翼毂俯仰改变机构的离心力轴承(下文称为CF轴承)可适于有利地作用于无益俯仰力矩的冲击。虽然使用斜旋翼飞行器作为具体参照，但是本发明可选择性地用于任何其他旋翼交通工具/航空器。

图1描述具有本发明的CF轴承的斜旋翼飞行器。图1示出的斜旋翼飞行器101处于直升机的飞行操作模式。飞行器101包括具有附接机翼105的机身103。吊舱107通常设置在机翼105的外侧端。吊舱107通常可在所示的直升飞机模式位置与面向前的飞行器模式位置(未示出)之间旋转。吊舱107搭载发动机和变速器，用于为旋翼系统109提供动力进行旋转。每个旋翼系统109包括旋翼毂俯仰改变机构111，该机构选择性地围绕它们相应的俯仰改变轴线(未示出)而使旋翼叶片113旋转。每个旋翼系统109如图所示具有三个叶片113。自旋盖115和吊舱107基本上封闭旋翼毂俯仰改变机构111，使得旋翼毂俯仰改变机构111无法从图1中看到。

现在参照附图中的图2，示出根据本发明的旋翼毂俯仰改变机构的倾斜视图。旋翼毂俯仰改变机构111通常包括将柄部对接于轭架的轴承，以允许柄部与轭架进行相对移动，以及控制连杆(未示出)，作用于柄部和连接叶片113(未示出)的移动。旋翼毂俯仰改变机构111包括内侧和外侧剪切轴承116和CF轴承117。CF轴承117包括用于刚性地与旋翼毂轭架121对接的安装装置119、选择性地产生围绕俯仰改变轴线124的俯仰力矩的俯仰力矩装置123，在柄部(未示出)与CF轴承117之间传递力(至少为旋转和压缩力)的柄部对接装置125，以及允许在柄部与轭架121之间进行小的相对锥形移动的锥形装置127。虽然未示出，但是柄部用于将叶片113连接至CF轴承117。

轭架121构造成围绕柱轴线129旋转。轭架121通常包括多个臂部131(只示出一个)，每个臂部131用于连接至叶片113。轭架121也具有与每个臂部131相关联的内侧孔133(只示出一个)。内侧孔133的尺寸和形状适于在轭架121与安装装置119之间形成方便的对接。孔133的尺寸和形状优选地具有位于孔133的最远离柱轴线129的一部分处的分割部135。分割部135的尺寸和形状专门设计从而与安装装置119对接，由此最小化当轭架121和CF轴承117围绕柱轴线129旋转时轭架121与安装装置119之间的相对移动。

现在参照图3-5，根据本发明的CF轴承117的优选实施例单一地并且更加详细地示出在图中。安装装置119、俯仰力矩装置123、柄部对接装置125和锥形差动装置127的每个将在下文详细地说明其特定物理特性；但是，应该理解，本发明的范围延伸超过特定的优选物理实施例。

安装装置119的位置比CF轴承117的其余部件更远离柱轴线129。安装装置119包括上壁137、下壁139和内侧壁141。壁部137、139和141优选地由单件钢形成；但是，壁部137、139和141可采用具有适当强度的任何其他材料形成并且都可通过焊接或者任何其他适当装置连接到一起。内侧壁141构造成对接分割部135，上壁137构造成对接轭架121的上侧，下壁139构造成对接轭架121的底侧。上壁137和下壁139的每个都具有孔143。孔143构造成接纳保持固紧件，诸如螺栓或销(都没有示出)以将安装装置119固定至轭架121。内侧面145(参见图4)构造成具有大体为柱面曲率，其中该柱面曲率的方向性和半径使得重合圆柱的纵向轴线将与内侧剪切轴承116交错并且垂直于俯仰改变轴线124并与该俯仰改变轴线共面。重合圆柱的半径大体等于从内侧剪切轴承116和俯仰改变轴线124的相交点到俯仰改变轴线124与内侧面145的相交点的距离。内侧面145的侧部由大体平行的保持壁147形成边界，该平行保持壁大体平行于俯仰改变轴线124并且朝向柱轴线129延伸。

柄部对接装置125比CF轴承117的其他部分更接近柱轴线129。柄部对接装置125通常是圆盘形状并且包括面向内部的壁149(通常面向柱轴线129)以及面向外部的壁151(通常背向柱轴线129)。柱销153从面向内部的壁149伸出，大体平行于俯仰改变轴线124并且大体朝向柱轴线129。柱销153通常形成为圆柱；但是，柱销也可形成为任何其他适当的互锁装置以将柄部对接装置125与柄部对接。柄部(未示出)包括与柱销153互补的结构，以接纳柱销153。柄部与柄部对接装置125之间的旋转力交换(围绕俯仰改变轴线124)主要出现在柱销153与柄部的交界面中。

该相同的柄部也包括与面向内部的壁149互补的结构，主要用于将离心压缩力(沿着俯仰改变轴线124)传递至面向内部的壁149。面向外部的壁151包括多个螺旋边缘的斜面155，其中，该螺旋形状具有与俯仰改变轴线124一致的中心轴线，并且螺旋形状的倾角是大约2-3度；但是，CF轴承的备选实施例可采用其他的倾角或者包括不与俯仰改变轴线124一致的螺旋轴线。更具体地说，每个斜面155具有围绕俯仰改变轴线124的分离螺旋形后掠形(sweep)，其中，每个螺旋后掠形具有基本相同的倾角，但是单个的螺旋后掠形并不是一致的，而是围绕俯仰改变轴线124平均地形成角度偏差。倾斜的凸缘157连接临近的斜面155。

面向内的壁149、面向外的壁151、柱销153、斜面155和凸缘157优选地由单件钢形成；但是，面向内的壁149、面向外的壁157、柱销153、斜面155和凸缘157可由任何其他材料形成，这些材料需要具有适当的强度并且可通过焊接或任何其他适当的装置连接到一起。

通常地，俯仰力矩装置123和锥形装置127夹置在安装装置119与柄部对接装置125之间。更具体地说，俯仰力矩装置123夹置在俯仰力矩装置123与柄部对接装置125之间，柄部对接装置125夹置在俯仰力矩装置123与安装装置119之间。

俯仰力矩装置123包括橡胶插入件159和垫片161的叠置结构。每个垫片161形成为大体圆盘形状的结构，具有内侧163和外侧165，该内侧构造成大体与面向外的壁151互补(允许侧部163和壁151的配合有所偏移)，外侧165构造成大体具有与面向外的壁151相同的轮廓。垫片161的每个优选地采用单件薄金属，但是也可选择性地采用任何其他适当的材料以及采用任何其他适当的方式。橡胶插入件159的每个优选地形成为完全遮盖斜面155。因此，插入件159都相同地良好地构造成完全遮盖垫片161的形状类似于斜面155的部分。每个插入件159优选地采用具有不变厚度的薄橡胶片。插入件159优选地采用混合天然橡胶形成；但是，备选实施例可采用由除了混合天然橡胶之外的材料形成的插入件。

锥形装置127包括力矩反作用板163以及橡胶片165和弯曲垫片167的交替叠置的结构。力矩反作用板163包括面向内的旋转交界壁169和面向外的锥形交界壁171。旋转交界壁169构造成大体与面向外的壁151的轮廓互补从而允许壁169与临近垫片161偏移地配合。锥形交界壁171构造成大体与安装装置119的内侧面145的轮廓互补。片165夹置在壁171与弯曲垫片167之间。多个片165和垫片167采用交替叠置的结构，使得叠置结构的最外端包括用于与安装装置的内侧面145对接的橡胶片165。每个垫片167优选地采用具有不变厚度的弯曲金属薄片。每个片165优选地采用具有不变厚度的橡胶薄片。片165优选地由混合天然橡胶形成；但是，备选实施例可采用由混合天然橡胶之外的材料形成的片。

如完整构造的那样，CF轴承117是由上述部件组成的单一结构。虽然天然橡胶插入件159和片165如上所述为分离件，但是它们优选地可通过注射/硫化过程导入CF轴承117，由此CF轴承117的金属部件是间隙地布置的，将橡胶注入以填充金属部件之间的间隙。这一硫化过程确保金属和CF轴承117的橡胶部件形成到一起从而形成单一结构。

在操作中，CF轴承117与轭架121共同地围绕柱轴线129旋转。离心压缩力从柄部传送至柄部对接装置125，从柄部对接装置125传递至俯仰力矩装置123，从俯仰力矩装置传递至锥形装置127，从锥形装置127传递至安装装置119，最后从安装装置119传递至轭架121。压缩力可以是非常高的。例如，CF轴承117在使用于Bell直升飞机V-22斜旋翼飞行器上时可能经受高达130,000lbf。在明显的压缩下，橡胶插入件159和片165变成几乎没有剪切摩擦。因此，典型的离心力轴承既不会阻碍也不会辅助柄部和相关联的叶片113围绕俯仰改变轴线进行旋转。

但是，CF轴承117并不是典型的。虽然在明显的压缩下，但是俯仰力矩装置123的临近垫片161被朝向彼此压缩，使得临近垫片161的螺旋形倾斜面相互作用。这一相互作用使得每个垫片161从其非压缩停止状态开始轻微的旋转并且使得CF轴承117围绕俯仰改变轴线124施加稳定的力矩。

如上所述，当诸如机构111的旋翼毂俯仰改变机构作用于将诸如叶片113的叶片旋转入更有利或者更高的俯仰位置时，无益的反作用俯仰力矩被从叶片113传送至机构111。CF轴承117的几何尺寸和材料优选地进行调整使得由CF轴承围绕俯仰改变轴线124施加的稳定力矩基本上反作用于并且抵消无益的反作用俯仰力矩。虽然CF轴承117的优选实施例构造成施加稳定力矩(该力矩的大小紧密地匹配于无益反作用俯仰力矩的值)，但是本发明的备选实施例可构造成施加更大或更低的稳定力矩。CF轴承117构造成允许柄部对接装置125相对于安装装置119围绕俯仰改变轴线124旋转±45度或更多。

此外，随着柄部和相关联的叶片进行锥形移动，那些移动可以至少部分地从柄部传送至柄部对接装置125，从柄部对接装置125传递至俯仰力矩装置123，以及从俯仰力矩装置传递至锥形装置127。锥形装置127构造成允许在板163与安装装置119之间进行至少2-3度的锥形移动。如图3最清楚地示出，板163由保持壁147而被防止沿锥形方向移动过多。

当然，根据本发明的CF轴承的备选实施例可以基本上类似于CF装置117但是不包括锥形装置。这一备选实施例通过调整安装装置119以直接地与俯仰力矩装置123对接而容易地构成。本发明的另一备选实施例可包括锥形装置和基本上类似构造的超前滞后装置，适于允许小的相对超前滞后移动。当然，另一备选实施例可仅包括超前滞后装置，而不包括锥形装置。

已经清楚地说明并示出具有明显优势的本发明。虽然所示出的本发明具有有限的形式，但是其并不仅仅局限于这些形式，可以在不脱离本发明的精髓的情况下进行各种改变和改进。

Claims (16)

1.一种用于旋翼毂的离心力轴承，该离心力轴承包括：

适于连接至轭架的安装装置；

柄部对接装置，该柄部对接装置适于与叶片柄部进行俯仰旋转并且接收来自于该柄部的离心压缩力；以及

连接至该安装装置和柄部对接装置的俯仰力矩装置，该俯仰力矩装置构造成在俯仰力矩装置受到离心压缩力压缩时施加俯仰力矩，

其中该俯仰力矩装置包括：

多个垫片；以及

位于临近垫片之间的插入件；

其中该垫片和插入件相互配合从而当俯仰力矩装置受到离心压缩力压缩时产生俯仰力矩，

其中所述垫片包括多个螺旋形状轮廓的斜面，其中该螺旋形状具有与俯仰改变轴线一致的中心轴线。

2.根据权利要求1所述的离心力轴承，其中，该垫片和插入件沿着俯仰改变轴线设置，其中，离心压缩力沿着俯仰改变轴线作用。

3.根据权利要求1所述的离心力轴承，其中，插入件至少局部地由弹性材料构成。

4.根据权利要求1所述的离心力轴承，还包括：

角度差动装置，该装置允许在柄部对接装置与安装装置之间进行相对角向移动。

5.根据权利要求1所述的离心力轴承，其中，俯仰力矩基本上是不变的。

6.一种用于旋翼毂的离心力轴承，该离心力轴承包括：

适于刚性连接至轭架的第一端部；

与第一端部相对的第二端部，该第二端部适于与叶片柄部进行枢转并且适于接纳通常沿着纵向轴承轴线来自于柄部的离心压缩力，该第二端部构造成相对于第一端部围绕纵向轴承轴线旋转；

承载在第一端部与第二端部之间的多个叠置垫片；以及

承载在临近垫片之间的至少一个插入件；

其中，当离心压缩力使得第二端部朝向第一端部移动时垫片和插入件相互配合以产生围绕纵向轴承轴线的俯仰力矩，

其中该第二端部还包括：

第二侧；以及

从第二侧伸出的至少一个斜面，每个斜面以螺旋形状倾斜，每个斜面以螺旋形状基本上与纵向轴承轴线同轴地并且朝向第一端部地向前延伸；

其中，每个垫片具有第一垫片侧和第二垫片侧，该第一垫片侧构造成基本上配合地符合第二端部的第二侧的形状，该第二垫片侧的形状基本上类似于第二端部的第二侧；以及

其中，插入件将最外部垫片与第一端部分离开，第一端部的最内侧构造成配合地符合最外垫片的第二垫片侧的形状。

7.根据权利要求6所述的离心力轴承，其中，该第二端部包括：

第一侧；以及

从第一侧伸出的柱销，该柱销适于接纳来自于柄部的旋转力。

8.根据权利要求6所述的离心力轴承，其中，该插入件至少局部地由弹性材料构造。

9.根据权利要求6所述的离心力轴承，其中，所述离心力轴承还包括：

角向差动装置，允许在第一端部与第二端部之间进行相对角向移动，该角向差动装置包括：

具有内侧和外侧的力矩板，该内侧构造成与临近垫片相交接，外侧的形状为具有纵向轴线的柱形曲面，该纵向轴线大体切向于柱轴线并且与纵向轴承轴线共面；

承载在板与第一端部之间的多个叠置的柱面弯曲垫片；以及

承载在临近垫片之间以及最外柱面弯曲垫片与第一端部之间的至少一个柱面弯曲插入件；其中，第一端部的面向内的侧部呈柱面弯曲从而有利于相对的角向移动。

10.根据权利要求9所述的离心力轴承，其中，所述第一端部还包括：

限定面向内的侧部的边界的保持壁，用于限制力矩板与第一端部之间的相对锥形移动。

11.根据权利要求9所述的离心力轴承，其中，柱面弯曲的插入件至少部分地由弹性材料构成。

12.一种具有至少一个旋翼的旋翼飞行器，该旋翼包括：

轭架；

与轭架相关联的至少两个叶片；

用于将叶片连接至轭架的至少一个叶片柄部；以及

离心力轴承，

其特征在于，

所述离心力轴承包括：

适于连接至轭架的安装装置；

适于与柄部的其中一个进行旋转的柄部对接装置，并且用于接收来自于柄部的离心压缩力；以及

连接至安装装置和柄部对接装置的俯仰力矩装置，该俯仰力矩装置构造成当俯仰力矩装置受到离心压缩力压缩时将俯仰力矩施加到相关联的柄部上，

其中，该俯仰力矩装置包括：

多个垫片；以及

位于临近垫片之间的插入件；

其中，垫片与插入件相互配合从而在俯仰力矩装置受到离心压缩力压缩时产生俯仰力矩，

其中所述垫片包括多个螺旋形状轮廓的斜面，其中该螺旋形状具有与俯仰改变轴线一致的中心轴线。

13.根据权利要求12所述的旋翼飞行器，其中，垫片和插入件沿着俯仰改变轴线设置，其中，离心压缩力沿着俯仰改变轴线产生作用。

14.根据权利要求12所述的旋翼飞行器，其中，插入件至少部分地由弹性材料构成。

15.根据权利要求12所述的旋翼飞行器，其中，所述离心力轴承还包括：

角向差动装置，用于允许柄部对接装置与安装装置之间进行相对角向移动。

16.根据权利要求12所述的旋翼飞行器，其中，俯仰力矩基本上是不变的。

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