CN102267560A - 摆线桨偏心圆控制机构 - Google Patents
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Abstract
一种摆线桨偏心圆控制机构，摆线桨旋转轴安装在底座的中心。底盘、上端板和下端板分别套装在摆线桨旋转轴上，并且上端板与底座连接，下端板与底盘连接，上端板和下端板之间通过第一连接板和第二连接板连接，从而形成由上端板和第一连接板组成的第二旋转副、下端板和第一连接板组成的第三旋转副、下端板和第二连接板组成的第四旋转副和上端板和第二连接板组成的第五旋转副，并由上端板、下端板、第一连接板、第二连接板以及第二旋转副、第三旋转副、第四旋转副和第五旋转副组成了平行四边形机构。本发明通过上端板的控制摇臂和第一连接板控制摇臂控制平行四边形的位置，依次带动下端板和底盘，使主轴与底盘的相对位置得到改变，进而控制叶片俯仰角。
Description
技术领域
本发明属于推进器领域，具体是一种偏心圆控制机构。
背景技术
摆线桨，亦称为直翼推进器，是一种能够提供瞬间可变全向矢量推力的推进装置，它具有效率高，矢量推力变化快等特点。
由李仁国申请的中国专利CN85103046A中公开采用了一种凸轮作为控制机构的摆线桨。该发明的目的是避免使用常规的滑块连杆机构，设法降低系统复杂程度，提高机械效率。该专利中的控制机构由一个凸轮底盘组成，叶片安装在叶片盘上。叶片盘带动叶片绕着凸轮盘公转。同时叶片盘上安装有两个导轮，导轮在凸轮盘的凸轮内部运动，从而使摆线桨叶片的攻角可以根据凸轮事先设计好的运动规律变化。该专利中的摆线桨控制机构相对简单，但是凸轮的导轮槽曲线是固定的，很难实现瞬间可变的矢量推力。同时凸轮盘结构庞大、笨重，只适用与中小运输船舶的推进器，不适合于飞行器。
由Heuver申请的美国专利No.2580428讲述的是一个摆线桨飞机。当飞机作摆线运动轨迹时，旋翼提供升力和推力。桨叶的俯仰运动控制则通过链轮，齿轮系，连动装置，偏心销和杠杆这一系统完成。
由胡峪等人申请的美国专利No.60/939,888，提出摆线桨旋转倾斜盘控制机构。该机构通过舵机控制底盘的倾斜角，再通过一系列连杆机构传递，从而实现对桨叶俯仰角的控制。该控制具有极快的响应，较轻的重量，并已成功运用于摆线桨微型飞机。但是该控制机构由于构件之间接触多，致使其机械损失较大。
韩国汉城大学Yun，C.Y.，Park，I.k.，Hwang，I.S.和Kim，S.J于2005年发表了关于摆线桨控制机构的文章，在该文章中，提出一种采用双舵机的摆线桨偏心圆环定位机构。该机构采用舵机和皮带轮直接定位偏心圆环，简单可靠，是比较成功的摆线桨圆环定位机构之一。详情见Yun，C.Y.，Park，I.K.，Hwang，I.S.and Kim，S.J.“Thrust Control Mechanism of VTOL UAV Cyclocopter with Cycloidal BladesSystem”，Journal of Intelligent Material Systems and Structures，Vol.16，No.11-12，pp.937-943，December 2005。
总之，对目前存在的摆线桨控制机构，要么是其结构庞大复杂，机构摩擦损失严重，就是机构响应慢很难实现瞬间可变的矢量推力。
发明内容
为克服现有技术中存在的响应慢，摩擦损失大等不足，本发明提出一种摆线桨偏心圆控制机构。
本发明包括底座、摆线桨旋转轴、桨叶支架、控制拉杆、桨叶、底盘、上端板、下端板、第一连接板、第二连接板、上端板控制摇臂和第一连接板控制摇臂。其中：摆线桨旋转轴安装在底座的中心。底盘、上端板和下端板分别套装在摆线桨旋转轴上，并且上端板与底座连接，下端板与底盘连接，上端板和下端板之间通过第一连接板和第二连接板连接，从而形成由上端板和第一连接板组成的第二旋转副、下端板和第一连接板组成的第三旋转副、下端板和第二连接板组成的第四旋转副和上端板和第二连接板组成的第五旋转副。由上端板、下端板、第一连接板、第二连接板以及第二旋转副、第三旋转副、第四旋转副和第五旋转副组成了平行四边形机构。两层桨叶支架均位于底盘下方并套装在摆线桨旋转轴上。两层桨叶支架之间的距离以能够支撑桨叶为宜。两层桨叶支架包括多个支板，各支板均布并水平固定在摆线桨旋转轴的圆周上；桨叶通过两个支点绞接在所述的两层桨叶支架的支板的顶端。控制拉杆一端的球形铰套环分别与底盘上的一个球形铰球头配合，控制拉杆另一端与桨叶绞接，组成旋转副；尼龙球形铰套环与控制拉杆胶合固定在一起。第一连接板控制摇臂由固定板和摇臂杆组成；摇臂杆的顶端一直延展到上端板处；第一连接板控制摇臂的摇臂杆位于第一连接板控制摇臂的连接板长度方向的对称面上，并且与所述的固定板之间有45度夹角；第一连接板控制摇臂螺栓孔的中心线与舵机连接孔的中心线相互垂直。
上端板控制摇臂位于上端板一侧表面的端头处；上端板控制摇臂的端头处有舵机的连接孔。所述的舵机连接孔的中心线与底座的连接耳片上孔的中心线平行。底盘放置在下端板有滚动轴承端面上，并使底盘的内孔表面与滚动轴承接触。
底座的中心有摆线桨旋转轴的安装孔；底座下表面对称的两侧边处有一对与上端板连接的耳片，将上端板通过销轴与所述的耳片连接，并且由销轴连接与上端板形成了第一旋转副。
底盘的中心有与下端板表面中心套筒配合的孔；在底盘的一个表面均布有与控制杆球形铰配合的球形铰球头；在其中一个球形铰球头外侧有拉杆限位板，用于约束相应控制拉杆的位置，使底盘与摆线桨旋转轴同步运动。
下端板的中心有通孔，该通孔的内径为摆线桨旋转轴轴径的3～4倍；在下端板的一个表面中心有凸出的套筒；所述的套筒的内孔与下端板中心通孔的内孔同轴并且同径；所述套筒的外径大于底盘内孔的孔径；下端板台阶端面上均布有滚动轴承孔和底盘挡板螺栓孔；在下端板的另一个表面，环中心孔均匀分布有两对耳片，用于连接第一连接板和第二连接板。
在第一连接板和第二连接板的两端，均有沿所述的连接板长度方向伸出的连接耳片，用于将第一连接板和第二连接板的两端分别与上端板和下端板连接。
本发明中，桨叶支架、球形铰球头、控制拉杆和球形铰套环的数量与桨叶的数量一致。
本发明将底座安装在旋转轴上，上端板与底座通过旋转副连接，第一连接板，第二连接板以及下端板均通过各旋转副连接组成平行四边形机构，并通过上端板的控制摇臂和第一连接板控制摇臂控制平行四边形的位置，依次带动下端板和底盘，使主轴与底盘的相对位置得到改变，进而控制叶片俯仰角。控制拉杆与桨叶数目相同，每个控制拉杆控制一个叶片攻角，其中一个控制拉杆与底盘固连，其余铰连，这样当摆线桨旋转时，底盘会随着摆线桨旋转轴一起旋转，避免出现机构卡滞。
本发明从机构效率看，由于控制机构仅有底盘运动，而且机构间接触少，因此相对于其它已有的控制机构来说，具有更高的机械效率，并且本发明机构具备快速的响应，当偏心距变化小范围时，叶片最大俯仰角可迅速提高。本发明提出的摆线桨偏心圆控制机构具有结构简单、响应快、机械摩擦小和重量轻的优点。
附图说明
附图1是摆线桨偏心圆控制机构主视图；
附图2是摆线桨偏心圆控制机构俯视图；
附图3是控制摇臂及平行四边形机构的配合示意图；
附图4是控制摇臂及平行四边形机构的配合示意图；
附图5是底盘挡板同底盘的配合示意图：
附图6是底座的俯视图：
附图7是底座的侧视图：
附图8是主轴与桨叶支架配合示意图的俯视图；
附图9是主轴与桨叶支架配合示意图的侧视图；
附图10是控制拉杆和拉杆球形铰套环配合示意图；
附图11是拉杆球形铰套环示意图；
附图12是桨叶的俯视图；
附图13是桨叶的底视图；
附图14是桨叶与支架、控制拉杆的配合示意图；
附图15是底盘的俯视图；
附图16是底盘的侧视图；
附图17是底盘与主轴偏心距为0时的示意图
附图18是底盘与主轴偏心角为-45°时的示意图
附图19是底盘与主轴偏心角为135°时的示意图
附图20下端板的俯视图；
附图21下端板的底视图；
附图22是第一连接板控制摇臂的侧视图；
附图23是第一连接板控制摇臂的俯视图；
附图24是第二连接板主视图；
附图25是上端板的示意图；
附图26是上端板的俯视图；
附图27是摆线桨桨叶攻角为0时的示意图。图中：
1.底座 2.摆线桨旋转轴 3.桨叶支架 4.控制拉杆 5.桨叶
6.底盘 7.上端板 8.下端板 9.第一连接板 10.第二连接板
11.上端板控制摇臂 12.第一连接板控制摇臂 13.球形铰套环 14.球形铰球头
15.第一旋转副 16.第二旋转副 17.第三旋转副 18.第四旋转副
19.第五旋转副 20.底盘挡板 21.底盘挡板螺栓 22.拉杆限位挡板
23.轴承孔 24.底盘挡板螺栓孔 25.第一连接板控制摇臂螺栓孔 26.铁丝
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种用于微型飞机的摆线桨推进器控制机构。包括底座1，摆线桨旋转轴2，桨叶支架3，控制拉杆4，桨叶5，底盘6，上端板7，下端板8，第一连接板9，第二连接板10，上端板控制摇臂11，第一连接板控制摇臂12。底座1为方形，采用铝合金材料，如图6，7所示。底座1的中心有摆线桨旋转轴2的安装孔。底座1下表面对称的两侧边处有一对与上端板7连接的耳片，将上端板7通过销轴与所述的耳片连接，并且由销轴连接与上端板7形成了第一旋转副15。
摆线桨旋转轴2与桨叶支架3均采用铝合金材料制成，如图8，9所示。
桨叶支架3有两层，两层桨叶支架3之间的距离以能够支撑桨叶5为宜。每层桨叶支架3包括三个支板。所述各支板的一端均固定在摆线桨旋转轴2上，并且各支板之间的夹角为120°。所述的支板另一端的顶端均有桨叶的铰接孔，并且该桨叶铰接孔的中心线与摆线桨旋转轴2的中心线平行。为减轻摆线桨推进器控制机构的重量，在桨叶支架3上有减轻孔。
摆线桨旋转轴2是摆线桨的主要受力部件，电机转动经过传动系统传递至旋转轴，进而带动摆线桨桨叶运动。
如图15、16所示。底盘6采用铝合金材质。底盘6的中心有与下端板8配合的孔。在底盘6的一个表面均布有三个球形铰球头14，用于与控制杆球形铰配合。在一个球形铰球头外侧有拉杆限位挡板22，用于约束相应控制拉杆4的位置，使底盘6与摆线桨旋转轴2同步运动。
如图10所示，控制拉杆4有三根，均由合金钢杆和尼龙塑料的球形铰套环13组成。控制拉杆4一端的球形铰套环13分别与底盘6上的一个球形铰球头14配合，控制拉杆4另一端与桨叶5绞接，组成旋转副。尼龙球形铰套环13与控制拉杆4胶合固定在一起。
如图12、13所示。桨叶5有三片，采用层木制成，其外形为矩形。在桨叶5的一个表面，沿桨叶5展向的中心线上有凸台，该凸台的宽度以能够满足将桨叶5与桨叶支架3绞接为宜。桨叶5展向中心线上的凸台能够使整个叶片的重心位于两支架顶点的连线上，从而减少惯性力对机构的影响。
沿桨叶5展向的中心线上开有通槽，通过该通槽，用铁丝将桨叶支架3支板的一端与桨叶5连接，使得在机构运动过程中桨叶5能够绕桨叶支架3做俯仰周期性运动。在桨叶5上的一个通槽一侧，有用于连接控制拉杆4的通槽，将控制拉杆4的一端通过铁丝与桨叶5铰接，以通过拉杆4控制桨叶5的俯仰角。
如图20和21所示，下端板8采用铝合金制成。下端板8的中心有通孔，该通孔的内径为摆线桨旋转轴2轴径的3～4倍。在下端板8的一个表面中心有凸出的套筒。所述的套筒的内孔与下端板中心通孔的内孔同轴并且同径；所述套筒的外径大于底盘6内孔的孔径。下端板8表面中心的套筒的端头处为台阶状，该台阶形成的最小外径与底盘6内孔的孔径相同；下端板8台阶端面上均布有三个滚动轴承孔23。在三个滚动轴承之间有三个底盘挡板螺栓孔24。底盘挡板螺栓孔24与底盘挡板20上均布的三个通孔通过底盘挡板螺栓21连接，以防止底盘6在运动时脱落。底盘挡板20为一薄板，中心有于摆线桨旋转轴外径相同的通孔。底盘挡板20位于底盘6的下方，并与其紧贴。底盘6放置在下端板8有滚动轴承端面上，并使底盘6的内孔表面与滚动轴承接触，将底盘与底盘支撑处的滑动摩擦转化为滚动摩擦，进一步减少机械损失。在下端板8的另一个表面，环中心孔均匀分布有两对耳片，用于连接第一连接板9和第二连接板10。
上端板7为用铝合金制成的方形板件。上端板7的中心有通孔，该通孔的孔径与下端板8中心通孔的孔径相同。在上端板7一个表面的四个角上，均有凸出该表面的耳片，用于连接第一连接板9和第二连接板10。在上端板7另一个表面两个边的中心，各有一个耳片，用于连接底座1；所述的两个耳片的孔同心。上端板7上的第一连接板9和第二连接板10的连接耳片上孔的中心线与底座1的连接耳片上孔的中心线相互垂直。
在上端板7一侧表面的端头处有延伸的摇臂11。摇臂11的端头处有舵机的连接孔。所述的舵机连接孔的中心线与底座1的连接耳片上孔的中心线平行。通过舵机拉/推动摇臂11，以控制底盘6在水平方向的运动。
第一连接板9和第二连接板10均为用铝合金制成的矩形板件。在第一连接板9和第二连接板10的两端，均有沿所述的连接板长度方向伸出的连接耳片，用于将第一连接板9和第二连接板10的两端分别与上端板7和下端板8连接。
将第一连接板9和第二连接板10分别与上端板7和下端板8绞接，从而形成由上端板7和第一连接板9组成的第二旋转副16、下端板8和第一连接板9组成的第三旋转副17、下端板8和第二连接板10组成的第四旋转副18和上端板7和第二连接板10组成的第五旋转副19。上端板7、下端板8、第一连接板9、第二连接板10以及第二旋转副16、第三旋转副17、第四旋转副18和第五旋转副19组成了平行四边形机构以控制底盘6位置。
如图22和23所示。第一连接板控制摇臂12采用铝合金制成。第一连接板控制摇臂12由固定板和摇臂杆组成。摇臂杆的顶端一直延展到上端板7处，这样当其绕旋转副23运动时，可获得最大的旋转力臂，从而使舵机承受最小的力。在摇臂杆的顶端处有通孔，用于与舵机连接，通过舵机的拉/推动作控制摇臂12，进而控制底盘在竖直方向的运动。在第一连接板控制摇臂12的固定板上，对称分布有两个第一连接板控制摇臂螺栓孔25。第一连接板控制摇臂12的摇臂杆位于第一连接板控制摇臂12的连接板长度方向的对称面上，并且与所述的固定板之间有45度夹角。第一连接板控制摇臂螺栓孔25的中心线与舵机连接孔的中心线相互垂直。
在舵机作用下，控制机构将改变位置，使底盘6圆心位置相对于摆线桨旋转轴2圆心出现偏移，如图18、19所示，底盘6的圆心同摆线桨旋转轴2圆心之间的距离叫偏心距。图17、18、19为底盘6与摆线桨旋转轴2的相对关系。图17为摆线桨旋转轴2与底盘6偏心角为0的示意图，图18、19是偏心角分别为-45°、135°的示意图。当偏心距为0时，控制拉杆3的长度使得桨叶5的弦线与桨叶5的运动速度方向始终重合，桨叶攻角为0不产生升力，如图17和27。当偏心距不为0时，桨叶在控制拉杆3的控制下做周期性俯仰运动从而产生矢量推力，并控制飞机姿态。假设底盘6在舵机的操纵下，偏移到摆线桨旋转轴的右下方，如图18所示，当桨叶5运动到正上方时，在控制拉杆3的拉动下，桨叶5将抬头，与线速度产生正攻角，升力为正上方；当桨叶5运动到左上方时，在控制拉杆3的控制下，桨叶5仍然相对其线速度产生正攻角，升力方向为左上方；当桨叶5运动到左方时，桨叶5弦线与速度方向平行，不产生升力；当桨叶5运动到左下方时，桨叶5在控制拉杆的推动下，相对其线速度方向产生正攻角，升力方向为右上方；当桨叶5运动到下方时，控制拉杆3推动桨叶，使其相对线速度方向产生正攻角，升力方向为正上方；当桨叶5运动到右下方时，控制拉杆3控制桨叶5，使其产生正攻角，升力方向为左上方；当桨叶5运动到右方时，控制拉杆3使桨叶弦线与其速度方向平行，桨叶5不产生升力；当桨叶5运动到右上方时，控制拉杆3拉动桨叶5，使其抬头，升力为右上方。通过一个桨叶5绕圆周一周产生的升力的分析可以看出，桨叶5在左方和右方时，不产生升力；在其他方位时，能够产生正上方的升力分量。因此当底盘6偏移到摆线桨旋转2轴下方时，随着摆线桨的运动，桨叶5的合力方向将是正上方。由于底盘6的偏心距方向可以在360°的任意方向，因此摆线桨桨叶5的合力也可以是360°范围的任意方向，从而提供360°范围内任意方向的矢量推力。如果调解底盘6的偏心距，还可以调节合力的大小。
所述的桨叶5为摆线桨的桨叶，该桨叶的数量一般为3～6片，并且桨叶支架3的支板、球形铰球头14、控制拉杆4和球形铰套环13的数量与桨叶5的数量一致。在实施例中，仅以3片桨叶5为例，说明本发明的结构特征。桨叶及相关零件数量关系见下表：
桨叶与相关零件数量关系
| 桨叶(片) | 桨叶支架支板(个) | 球形铰球头(个) | 控制拉杆(个) | 球形铰套环(个) |
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
Claims (6)
1.一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，所述的摆线桨偏心圆控制机构包括底座(1)、摆线桨旋转轴(2)、桨叶支架(3)、控制拉杆(4)、桨叶(5)、底盘(6)、上端板(7)、下端板(8)、第一连接板(9)、第二连接板(10)、上端板控制摇臂(11)和第一连接板控制摇臂(12)；其中：
a.摆线桨旋转轴(2)安装在底座(1)的中心；底盘(6)、上端板(7)和下端板(8)分别套装在摆线桨旋转轴(2)上，并且上端板(7)与底座(1)连接，下端板(8)与底盘(6)连接，上端板(7)和下端板(8)之间通过第一连接板(9)和第二连接板(10)连接，从而形成由上端板(7)和第一连接板(9)组成的第二旋转副(16)、下端板(8)和第一连接板(9)组成的第三旋转副(17)、下端板(8)和第二连接板(10)组成的第四旋转副(18)和上端板(7)和第二连接板(10)组成的第五旋转副(19)；由上端板(7)、下端板(8)、第一连接板(9)、第二连接板(10)以及第二旋转副(16)、第三旋转副(17)、第四旋转副(18)和第五旋转副(19)组成了平行四边形机构；两层桨叶支架(3)均位于底盘(6)下方并套装在摆线桨旋转轴(2)上；两层桨叶支架(3)之间的距离以能够支撑桨叶(5)为宜；
b.两层桨叶支架(3)包括多个支板，各支板均布并水平固定在摆线桨旋转轴(2)的圆周上；桨叶(5)通过两个支点绞接在所述的两层桨叶支架(3)的支板的顶端；
c.控制拉杆(4)一端的球形铰套环(13)分别与底盘(6)上的一个球形铰球头配合，控制拉杆(4)另一端与桨叶(5)绞接，组成旋转副；尼龙球形铰套环(13)与控制拉杆(4)胶合固定在一起；
d.第一连接板控制摇臂(12)由固定板和摇臂杆组成；摇臂杆的顶端一直延展到上端板(7)处；第一连接板控制摇臂(12)的摇臂杆位于第一连接板控制摇臂(12)的连接板长度方向的对称面上，并且与所述的固定板之间有45度夹角；第一连接板控制摇臂螺栓孔(25)的中心线与舵机连接孔的中心线相互垂直；
e.上端板控制摇臂(11)位于上端板(7)一侧表面的端头处；上端板控制摇臂(11)的端头处有舵机的连接孔；所述的舵机连接孔的中心线与底座(1)的连接耳片上孔的中心线平行；
f.底盘(6)放置在下端板(8)有滚动轴承端面上，并使底盘(6)的内孔表面与滚动轴承接触。
2.如权利要求1所述一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，底座(1)的中心有摆线桨旋转轴(2)的安装孔；底座(1)下表面对称的两侧边处有一对与上端板(7)连接的耳片，将上端板(7)通过销轴与所述的耳片连接，并且由销轴连接与上端板(7)形成了第一旋转副(15)。
3.如权利要求1所述一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，底盘(6)的中心有与下端板(8)表面中心套筒配合的孔；在底盘(6)的一个表面均布有与控制杆球形铰配合的球形铰球头(14)；在其中一个球形铰球头外侧有拉杆限位板，用于约束相应控制拉杆(4)的位置，使底盘(6)与摆线桨旋转轴(2)同步运动。
4.如权利要求1所述一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，下端板(8)的中心有通孔，该通孔的内径为摆线桨旋转轴(2)轴径的3～4倍；在下端板(8)的一个表面中心有凸出的套筒；所述的套筒的内孔与下端板中心通孔的内孔同轴并且同径；所述套筒的外径大于底盘(6)内孔的孔径；下端板(8)台阶端面上均布有滚动轴承孔(23)和底盘挡板螺栓孔(24)；在下端板(8)的另一个表面，环中心孔均匀分布有两对耳片，用于连接第一连接板(9)和第二连接板(10)。
5.如权利要求1所述一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，在第一连接板(9)和第二连接板(10)的两端，均有沿所述的连接板长度方向伸出的连接耳片，用于将第一连接板(9)和第二连接板(10)的两端分别与上端板(7)和下端板(8)连接。
6.如权利要求1和3所述一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于，桨叶支架(3)、球形铰球头(14)、控制拉杆(4)和球形铰套环(13)的数量与桨叶(5)的数量一致。
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