CN101522521B - 硬安装的减震塔架 - Google Patents

Abstract

一种用于飞机的塔架，该塔架的优选实施方式具有六个将塔架安装在机架上的塔架安装联杆。每个联杆是“几乎刚性的”，联杆两端具有球形轴承杆端，因此，联杆只能传送轴向载荷。至少一个联杆内承载有物质，并且该物质由致动机构以振动方式选择性地沿联杆轴线移动，以衰减通过联杆传送的振动。致动机构可以是电子机械、液压、气动或压电系统。由于每个联杆安装成相对于其它联杆成选定取向，所以可通过减少轴向振动的方式操纵致动机构，否则这些振动会通过联杆传至机架。

Description

硬安装的减震塔架

技术领域

本发明一般涉及主动控震的领域，并特别涉及飞机的主动控震。

背景技术

多年来一直在努力设计一种设备，其目的是隔离振动体，使其不能向另其他物体传送振动。这类装置在多种技术领域里都有用处，在这些领域中期望从结构的尾部隔离振荡或振动设备诸如引擎的振动。典型的隔震和减震装置(“隔离装置”)使用各种不同机械系统元素的结合(弹簧和物质)，调整整个系统的频率响应特性，以系统中感兴趣的结构上获得可接受的振动水平。飞机领域是广泛利用这些隔离装置的领域，其中利用隔震系统将机架或飞机其它部份与机械振动隔开，如与推进系统关联的和由飞机引擎、传动装置、螺旋桨或旋翼引起的谐振。

隔震装置不同于在背景技术中被错误描述为“隔离装置”的减震装置。以下是简单的振动力方程：

$F=m\stackrel{\·\·}{x}+c\stackrel{\·}{x}+\mathrm{kx}$

隔震装置用惯性力

抵消弹力kx，而减震装置是用损耗效应

去除振动系统能量。

设计飞机隔震系统的一个重要目标是减少隔离装置的长度、重量和总体积(包括截面)。这是与飞机有关的所有工程努力的首要目标。

设计隔震系统的另一个重要工程目标是节省飞机其它方面设计或隔震系统设计方面投入的工程资源。换言之，重要的工业目标是对隔震系统做不断的改进，而无须对现有隔震系统的所有组件再次做彻底的工程或再次做全部的设计。

隔震领域中引人注目的一项特别用于固定机翼和旋转机翼飞机的发展，在1980年12月2日授权予Halwes等人(Halwes′607)的题为“VibrationSuppression System”的共同转让美国专利4,236,607中进行了公开。Halwes′607通过引用方式包含在本文中。Halwes′607披露了一种隔震装置，在其中使用了浓稠、低粘度的流体作为“调节”物质，来抵消通过隔离装置传送的振动力。这种隔离装置采用的原则是，振动物质的加速度与位移之间的相差为180度。

在Halwes′607中，业已认知的是，浓密、低粘度流体的惯性特性与由活塞运动造成的液压优势会控制相差加速度，以产生均衡力来衰减或抵消振动。与背景技术中所提供的相比，Halwes′607提供了一种较之现有技术更为紧凑、可靠和有效的隔离装置。Halwes′607最初打算用的浓稠、低粘度的流体是水银。

自Halwes的早期发明以来，在此方面曾有过许多努力以取代水银这种流体，或改变单隔离装置的动态响应，以衰减不同的振动模式。后者在共同转让的授权予McKeown等人(McKeown‘082)、题为“Hydraulic InertialVibration Isolator”的美国专利5,439,082以及授权予Smith等人(Smith‘106)、题为“Method and Apparatus for Improved Vibration Isolation”的美国专利6,695,106中存在示例。McKeown‘082和Smith‘106通过引用方式包含在本文中。

Halwes的隔震装置和类似的隔离装置在直升飞机控震应用方面提供了实际有效的用途。在当前大多数直升飞机上，驱动轴(杆)和传动装置刚性地连接在称为“塔架”的装置中。塔架安装在机架上，引擎也安装在机架上，但和塔架组件是分开的。

例如，图1是现有技术的结构，其中塔架11包含有安装在机架15上的传动装置13。传动装置13用多个联杆17安装。引擎19用多个联杆21安装至机架15，靠近塔架11。耦合器23将引擎19输出联接至轴25，其利用耦合器27联接至传动装置13的输入。由引擎19产生的扭矩通过轴25传至传动装置13，以驱动主轴29旋转。主轴29与至少一个旋翼(未示出)耦合，以使旋翼旋转。在此示出的联杆17具有集成隔离装置31，如Halwes隔离装置，以隔离从塔架11通过联杆17传输的振动。每个联杆17的每端有球形轴承杆端33a和33b，将连接联杆17分别连接在传动装置13和机架15的安装位置。

Halwes隔震装置已被结合进塔架的安装系统，相对于机架为塔架提供六个自由度。六个自由度(6DOF)的塔架是Halwes在80年代初期开发并披露的，它包含有六个隔震联杆，曾在演示飞机上成功地展示了很低的振动。联杆以静定桁架排列，因此稳定的载荷，包括扭矩，都通过六个联杆承载。

图2至图5是现有技术中塔架的六自由度(6DOF)组件，具有六个联杆，至少某些联杆具有Halwes隔离装置。图2和图3分别是塔架35的斜视图和顶视图，其结构是六个联杆17成对地连接至传动装置37。每个联杆17的内杆端33a连接至传动装置13上的三个安装点39a、39和39c中之一，这些点沿传动装置13的周边大约以等距离相隔。每个联杆17的外杆端33b连接至机架三个安装点41a，41b和41c中之一，这些点在机架上大约以等距离相隔。

图4和图5分别是塔架43的斜视图和顶视图，具有六个联杆17的结构，六个联杆成对地连接至传动装置45。每两对联杆17的内杆端33a连接至传动装置45相对两侧的安装点47a和47b中之一，第三对联杆49连接至传动装置45的安装点51上，此点大约位于与47a和47b等距离的位置。每个外杆端33b连接至机架上的安装点53a、53b、53c和53d。每个联杆49具有连接至安装点51的内杆端55a和连接至安装点53c和53d之一的外杆端55b。联杆49长度比联杆17短，但联杆49也具有集成Halwes隔离装置56，并与联杆17以同样方式操作。

由于联杆17和49在每端都有杆端33a和33b或55a和55b，因此联杆17和49仅能沿其轴线传送载荷，衰减了通过联杆17和49的轴向振动，显著减少了通过联杆传至机架的振动。然而，六个自由度(6DOF)塔架的安装是一种允许塔架运动的“软”安装，其需要1)高性能的驱动轴耦合器来处理引擎和传动装置失准，2)解耦控制，以防止偶发的飞行控制输入，和3)允许塔架运动的间隙。

发明内容

需要有用于飞机的减震、硬安装塔架，并配置主动减震安装联杆与其一起使用。

因此，此发明的目的即为飞机提供减震的硬安装塔架，并配置主动减震安装联杆与其一起使用。

塔架的优选实施方式具有六个塔架安装联杆，将塔架安装在机架上。每个联杆是“几乎刚性的”，联杆两端具有球形轴承杆端，以使联杆仅能传送轴向载荷。至少一个联杆内承载有物质，并且所述物质可以由致动机构以振动方式沿联杆轴选择性地移动，以衰减通过联杆的轴向振动。致动机构可以是电子机械、液压、气压或压电系统。当每个联杆安装成与其它联杆呈选定取向时，致动机构可以以衰减轴向振动的方式操作，否则振动将通过联杆传至机架。

本发明提供了几个优势，包括：(1)对于各种不同频率范围，主动减震；(2)可以使用低复杂性的连接件，如基本的驱动轴耦合器，将塔架连接至其它组件；及(3)可以使用安装在传动装置上的设备，如空调压缩机。

附图说明

为更加全面了解此发明，包括其特点和优势，现在结合附图论述本发明的详细说明，在附图中类似的附图标记表示类似的部件：

图1是现有技术中安装在机架上的塔架和引擎的侧视图；

图2是现有技术中塔架和安装结构的斜视图；

图3是图2所示现有技术中塔架和安装结构的顶视图；

图4是现有技术中塔架和安装结构的斜视图；

图5是图4所示现有技术中塔架和安装结构的顶视图；

图6是根据本发明且用在本发明塔架中的安装联杆的优选实施方式的侧视图，联杆的一部份为剖视图；

图7是根据本发明且用在本发明塔架中的安装联杆的优选实施方式的侧视图，联杆的一部份为剖视图；

图8是根据发明的塔架和安装结构的优选实施方式的斜视图，塔架安装架包含本发明的联杆；

图9是图8所示塔架和安装结构的顶视图；

图10是本发明的塔架和安装结构的替代实施方式的斜视图，塔架安装架包含本发明的联杆；

图11是图10所示塔架和安装结构的顶视图；

图12是具有本发明硬安装塔架和本发明减震系统的旋翼飞机的侧视图；和

图13是本发明的减震系统的概要图。

具体实施方式

此发明着眼于使用减震联杆的塔架安装结构，此发明在带有旋翼的飞机上尤为有用。首选的具体实施方式是一种结构，在此结构中，使用多联杆将塔架硬安装在飞机上，以限制塔架的移动并在旋翼改变旋转速度时提供有效和可调的振动处理方法。此发明可以用于所有的旋翼飞机，减少从塔架传至机架的振动或从机架传至电子设备和控制系统、前视系统或乘员座系统的振动。此发明还包括了一种减震系统，以控制塔架联杆的操作。

此发明中的塔架结构用内装有振动式减震器的六个联杆替代了六自由度(6DOF)安装结构中具有Halwes液体隔离器的联杆。此发明将减震器设计地较小并将其置于每个联杆中。由于这种设计，它们可减少轴向振动，否则这些振动将通过联杆传至附接的结构中。还有，联杆是“几乎刚性的”，因此较之使用Halwes隔离装置的结构大大减少了塔架的移动。减少了塔架的移动，就可使用简单的驱动轴耦合(例如，Thomas耦合)和传动装置上安装的设备，如空调压缩机。

图6和图7示出发明中所述联杆的具体实施方式。图6是联杆57的侧视图，其中一部分联杆57是剖视图。联杆57包含有细长的柱体59，在柱体59相反的两端具有球形轴承杆端61a和61b，因此，联杆57仅能承载沿其纵轴施加的载荷。柱体59包封住开口容积63，容积63中装载的物质65是可以移动的。装载的物质65可动地承载在语音线圈致动器67上并与其同轴，该语音线圈致动器包含有卷绕在杆71上的导线69。杆71固定安装在柱体59中。导线69与引出线73传导相接，以接通电源。物质65由磁铁材料做成并/或保有永久磁铁。

在操作中，当电流供应到引出线73时，电流通过导线69并形成磁场，导致物质65在容积63中沿联杆57的纵轴线移动。导线69中电流方向的振动导致物质65以振动方式移动。物质65振动产生的振动力可用来抵消通过联杆57的振动。

图7是发明中所述联杆的替代实施方式的侧视图，包含有减少通过联杆的振动的惯性装置。一部分以剖视图示出的联杆75，包含有细长柱体77，柱体相反的两端具有球形轴承杆端79a和79b，因此联杆75仅能承载沿其纵轴线施加的载荷。柱体77包封开口容积81，其分为两个流体室83a和83b，物质85可动地承载于容积81中。物质85在容积81中作为活塞操作，利用靠近物质85端部的密封件89密封在容积81的内表面87。液压流体管91和93分别与液体室83a和83b连通，为流体室83a和83b提供液压。流体管95与流体室83a和83b流体连通，使流体能从流体室83a和83b中的一个流进液体室83a和83b中的另一个。可以用阀97控制通过流体管95的流体流动。

当液压通过管91和93之一供应时，关联的流体室83a和83b中的流体压力在物质85相邻的表面发生作用，驱使物质85沿联杆75的纵轴移至另一流体室83a和83b。以振动方式向流体室83a和83b加压，导致物质85以振动方式移动。可用由物质85振动产生的振动力来抵消通过联杆75的振动。

发明中所述的的联杆显示了具有电子机械(联杆57)和惯性装置中的液压(联杆75)致动机构，但必须理解的是，也可以用其它机构，包括如气动和压电机构。

图8和图9分别示出根据本发明并使用本发明的联杆的“硬安装”塔架实施方式的斜视图和顶视图。塔架99包含有传动装置101和主轴103。在所示的结构中，塔架99被设定以六个自由度(6DOF)的安装结构用联杆57安装至飞机。每个联杆57的内杆端61a在三个安装点105a、105b和105c中之一连接至传动装置101，安装点沿传动装置101的周边大约以等距离相隔。每个联杆57的外杆端61b连接在三个安装点41a、41b和41c中之一，这些点在机架上大约以等距离相隔。

图10和图11分别示出根据本发明并采用本发明联杆的所述“硬安装”塔架的替代实施方式的斜视图和顶视图。塔架109包含有传动装置111和主轴113。每两对联杆57的内杆端61a连接至传动装置111相对两侧上的安装点115a和115b中之一。长度比其它两对联杆短的第三对联杆57连接至传动装置111上的安装点115c，此点大约与安装点115a和115b以等距离相间隔。每个外杆端61b连接至机架的安装点117a、117b、117c和117d。连接在安装点115c上的每个联杆57的外杆端61b连同其它对联杆57中的一个联杆57连接至安装位置117c和117d。

图12是直升飞机的侧视图，飞机具有本发明的塔架安装结构和控震系统。直升飞机119具有机架121和从机架121后部延伸出的尾翼123。主旋翼125由机架121上方的主轴127旋转，尾桨129装载在尾翼123的后部。引擎131安装在机架121的上部，产生扭矩并通过传动装置133传至主轴127，以旋转旋翼125。传动装置133和主轴127组成塔架，其用如联杆57的减震联杆安装在直升飞机119中，安装位置如以上示出和描述的塔架安装结构之一。控震系统的基于计算机的控制器135装载在直升飞机119上，以控制联杆57的致动机构的操作。

图13是当前发明中所述的控震系统137的概要图。传动装置133用六个减震联杆57安装在机架121上。振动传感器139和141位于靠近每个联杆57的外端，以感应从联杆57传至机架121的振动。此外，可将振动传感器143和145定位于直升飞机119的其它区域，以感应所选区域的振动，如乘员区或敏感设备。也可用传感器143和145来感应由尾翼123进入机架121的振动。数据线缆147、149、151和153在控制器135和振动传感器139、141、143和145之间分别进行数据通信。线缆155和157在控制器135和联杆57之间进行操作指令和/或数据的通信。为使例解简明易懂，只示出两个与控制器135进行通信的联杆57。然而，在优选实施方式中，由至少一个控制器135操作所有的联杆57。同时还要指出的是，系统137也许会用更多或更少的振动传感器。

在操作中，振动传感器139、141、143和145感应与它们相连的结构的振动，并将振动数据传至控制器135。控制器135用振动数据和减震算法计算将感应到的振动衰减至选定衰减度所需的频率和力的量。这种衰减可以将感应到的振动衰减一定的百分比，或将感应到的振动减至选定的水平。为了衰减振动，控制器135指令每个联杆57的致动机构，以选择的频率、速度和/或以每个联杆57中物质移动的距离来移动内载的物质。可用控制器135控制单独联杆57的操作，也可同时控制两个或更多的联杆57。

本发明具有若干优势，包括：(1)对于各种不同频率范围内进行主动减震；(2)可以使用低复杂性的连接，如基本的驱动轴耦合，将塔架连接至其它组件；及(3)可以使用安装在传动装置上的设备，如空调压缩机。

虽然参照示例实施方式描述了本发明，但是说明书并不应该理解为限制的意思。参照本说明书，本领域技术人员将明白示例实施方式的各种改型和组合以及本发明的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于飞机的塔架，所述飞机具有机架、至少一台引擎和至少一个旋翼，所述塔架包括：

适配成将扭矩从引擎传至旋翼的传动装置；

多个塔架安装联杆，它们适配成将所述传动装置安装至所述机架，每个安装联杆具有：

具有相对两个端部的单个刚性主体，该刚性主体包封住开口的内部容积；

第一容积和第二容积，该第一容积和第二容积由内表面至少部分地限定在刚性主体的内部容积内；

分隔第一容积和第二容积的物质，该物质构造为活塞，使得该物质可移动地密封到刚性主体的内表面；

第一流体管，与第一容积流体连通；

第二流体管，与第二容积流体连通；和

第三流体管，仅与第一和第二容积流体连通；

位于每个联杆的每个端部的杆端，沿着基本上平行于相关联杆的轴线的方向通过所述联杆传递载荷；以及

用于每个安装联杆内的物质的致动机构，每个致动机构配置成以振动方式选择性地移动关联的物质；

其中，每一物质的移动产生振动力，衰减通过关联的联杆轴向运行的塔架震动。

2.如权利要求1所述的塔架，其特征是，安装联杆还包括位于第三流体管中的阀。

3.如权利要求1所述的塔架，其特征是，所述多个联杆包括六个联杆。

4.如权利要求1所述的塔架，其特征是，所述多个联杆包括六个联杆，且每个联杆具有物质和致动机构。

5.如权利要求1所述的塔架，进一步包括：

操纵每一个致动机构的控震系统；

至少一个振动传感器，其将振动信息传给所述控震系统，所述振动信息表示通过所述联杆传送的振动；

其中，所述控震系统响应所述振动信息来操纵每一个致动机构。

6.一种将塔架安装至飞机的减震联杆，所述联杆包括：

具有相对两个端部的单个刚性主体，每个端部适配成枢轴连接至飞机的塔架和刚性结构其中之一，该刚性主体包封住开口的内部容积；

第一容积和第二容积，该第一容积和第二容积由内表面至少部分地限定在刚性主体的内部容积内；

分隔第一容积和第二容积的物质，该物质构造为活塞，使得该物质可移动地密封到刚性主体的内表面；

第一流体管，与第一容积流体连通；

第二流体管，与第二容积流体连通；和

第三流体管，仅与第一和第二容积流体连通；及

致动机构，该机构响应传递到所述致动机构的信号以振动方式选择性地移动所述物质；

其中，所述物质的移动产生振动力，用于衰减所述塔架的震动。

7.如权利要求6所述的联杆，其特征是，所述端部是具有球形轴承的杆端。

8.如权利要求6所述的联杆，其特征是，所述振动力反作用于第一容积和第二容积附近的震动力。

9.如权利要求6所述的联杆，还包括：

位于第三流体管中的阀。

10.如权利要求6所述的联杆，其特征是，致动机构通过第一流体管向第一容积以及通过第二流体管向第二容积交替地提供液压，从而使物质以振动方式移动，以产生振动力；并且

其中，通过第三流体管的流体流动由阀控制。

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