CN102317155A - 刚性平面的旋翼构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于旋翼飞机的旋翼组件，包括：中间轮毂，包括具有多个臂的弯曲的扭柄轭，每一臂适合于将旋翼叶片安装到臂上，所述臂通过沿相对应的变距轴线扭转所述臂的部分来实现固定到所述轭上的叶片的间距变化。内侧变距轴承，与每一臂相关联，内侧变距轴承固定到轮毂组件，并允许随附的叶片沿变距轴线旋转，内侧变距轴承也能够允许臂相对于轮毂组件沿摆动轴线作平面外移动。外侧变距轴承，与每一臂相关联，外侧变距轴承固定到相关联的臂，并距离内侧变距轴承可选距离，以允许随附的叶片沿变距轴线旋转。

Description

刚性平面的旋翼构型

技术领域

该技术领域为用于旋翼飞行器的刚性平面旋翼。

背景技术

用于例如直升机和倾转旋翼机的旋翼飞行器的旋翼组件具有多种构型。例如贝尔/波音公司的V-22倾转旋翼机，具有用万向架固定的轮毂，在摆动过程中允许整个轮毂相对于柱杆用万向架固定，与此同时叶片保持在相对于轮毂的固定平面方向上。在具有整体或半铰接构型的其他的旋翼机中，叶片相对于轮毂得以摆动，并能相对于轮毂在超前-滞后(lead-lag)模式中移动。

虽然一些在先技术中的旋翼组件已获得成功，但是仍存在缺陷。

附图说明

图1为旋翼组件的斜视图，其中一些部件从中移除以易于观看；

图2为图1中旋翼组件的部分的斜视图，其中一些另外的部件从中移除以易于观看；

图3为图2部分的侧视图；

图4为图1中旋翼组件的部分的横截面图；

图5为旋翼组件的斜视图，其中一些部件从中移除以易于观看；

图6为图5中旋翼组件的部分的斜视图，其中一些另外的部件从中移除以易于观看；以及

图7为图5中旋翼组件的部分的横截面图。

具体实施方式

一种改进的刚性平面的旋翼构型，具有弯曲型的轮毂和相对应于每个叶片的两个变距(pitch)轴承，所述变距轴承彼此间隔。本设计提供有紧凑的轮毂中心，其能减少旋翼的摆动瞬间、重量以及成本。

参阅图1～4，旋翼组件11包括轮毂组件13和配置用于设置到轮毂组件13上的旋翼叶片15(仅示出一个)。轮毂组件13通过花键或其他合适的装置设置到柱杆17上，这样柱杆17能够驱动轮毂组件13与柱杆17一起旋转。叶片15分别设置到弯曲的扭柄轭(yoke)20的臂19，臂19大致上从位于轮毂组件13中的轭20开始径向延伸。优选地是，每一轭20由复合材料形成，轭20的构型使得臂19能相对于轭20的中心部分在平面外的方向上移动，使得叶片15得以摆动。

每一臂19的外侧端具有叶片底座21，所述叶片底座适合于连接相对应的叶片15的部分，以用于将力从叶片15传递到臂19。每一臂19的结构使得臂19的外侧部分能沿变距轴线23扭转有限量，正如箭头25所示，因此，每一叶片15相对于臂19的剩余部分和轭20沿变距轴线23枢轴转动，同时能固定地固定到叶片底座21上。叶片15的变距角由旋转斜板机构(swashplate mechanism)27控制，所述旋转斜板机构通过变距链结29连接到位于每一叶片15上的变距角柄(horn)31。在优选实施方式中，臂19构造成：使得在叶片15的间距改变中，大约95％的臂19的扭转发生在区域33中。例如，这能够通过臂19的制造形式来完成，以使得区域33中的弦向宽度比臂19的内侧部的弦向宽度更窄。

优选地，但是可选地是，轭20通过由例如玻璃纤维的复合材料的多层形成，并通过弹性材料层分隔。

在优选实施方式中，复合材料层能够在臂19的平面外(摆动)或扭转偏斜(变距)中相对于彼此自由移动。使用具有多层结构的轭20，能够减少摆动瞬间，并减少抗扭刚度，以允许使用较短的扭转柄。

两个相平行的变距轴承35、37设置在每一臂19的内侧部上，每一叶片15的内侧部在所述臂的内侧部上得以旋转。轴承35、37彼此间隔，以允许轴承35、37抵抗叶片15的平面内剪切载荷，从而提供刚性平面的构型。

每一轴承35、37由与每一臂19相关联的相对应轴承座39、41支撑。轴承座39设置到轴承座41的外侧，优选地是，轴承座39具有比轴承座41更小的直径。轴承座39设置到具有套筒43的臂19上，所述套筒43具有能够紧凑地容纳臂19的大体上为矩形横截面的形状。为了避免臂19的相邻层的磨损，优选地是，在套筒43的内表面和相关臂19之间还设置有弹性缓冲区(未示出)。镂空网45自套筒43向外延伸，圆周环47固定到具有球状弹性层48的网45。在臂19的摆动中，当臂19和圆锥体71间的角度变化时，弹性层48能在网45和环47之间作少量的相对有角度移动。

每一轴承座41不是直接设置到相关臂19上，而是枢轴连接到轮毂49，使得在平面外摆动、或臂19的移动中，每一轴承座可绕摆动轴51(图2中示出)在有限量范围内枢转。这种平面外移动可为任一方向，正如箭头53、55所示。

轮毂49包括毂衬57、59、61以及轭20，所述轭各自以堆叠的排布方式设置在毂衬57、59、61中的两者之间。每一相邻对的毂衬57、59、61都在其间保留了轭20，并形成用于每一轭20的臂19的抵抗增强弯曲的区域。图3和4示出了组件11的一部分的侧视图和横截面侧视图，用于臂19之一的弯曲区域也为可视的。

上毂衬57具有处于外围边缘的弯曲表面63，当臂19以箭头53的方向移动时，轭20的上表面65顶住弯曲表面63。弯曲表面63用于在摆动中减少发生在轭20上的弯曲应力集中。同样地，中间毂衬59具有处于外围边缘的弯曲表面67，当臂19在箭头55的方向上移动时，所述轭20的下表面69用于顶住弯曲表面67。

当臂19向平面外移动，轴承座39随臂19移动，从而导致轴承35不能平行于轴承37。为了避免这种情况，圆锥体形的环状对准支柱71设置在轴承座39、41之间，以在臂19的摆动中维持轴承35、37的平行对准。如图4所示，支柱71固定地啮合轴承座41和轴承座39的环47，从而使支柱71不会相对于轴承座41和轴承座39的环47沿变距轴线23旋转。虽然优选地是，支柱71由铝制成，然而支柱71也可以由任何合适的刚性材料制成。

为了使轴承座41能绕变距轴线51与臂19一同旋转，每一轴承座41枢轴连接到轮毂49。轴承座41包括终止于圆周环75的镂空网73。镂空网73的内部上形成有孔77，臂19贯穿孔77并未触及支承座41。轴承组件79设置在网73内部，轴承组件79包括刚性底座81和连接到网73的竖直外表面的抵抗弹性轴承83。轴承组件79设置到臂19的上、下方，每一组件79的位置大致上与孔77相邻近。每一组件79的底座81固定地固定到自每一相对应的毂衬57、59、61延伸出的凸缘87的外侧表面85。例如，如图3和4中所示的部分，具有自上毂衬57和中间毂衬59延伸出的凸缘，抵抗臂19与此类似。然而，臂19以垂直方向(例如进入或离开附图的平面)延伸，凸缘自中间毂衬59和下毂衬61延伸。

为了限定支承座41的摆动移动，毂衬57、59、61分别具有弯曲轴承表面89，每一弯曲轴承表面具有与相关联的变距轴线51同轴的弯曲轴。四个支架91自每一网73向内侧延伸，两个支架91位于臂19的每一侧上。每一支架91终止于弯曲片93，所述弯曲片滑动地啮合于毂衬57、59、61其中之一的弯曲轴承表面89，以允许每一轴承座41相对于轮毂19绕相关的变距轴线51以有限量旋转。另外，尽管弹性轴承83弹性地变形以允许轴承座41相对于凸缘87有限量旋转，但是每一轴承组件79的底座81相对于轮毂49维持固定。

支柱71固定地固定到轴承座39的环47以及轴承座41的环75上，支柱71确保在臂19的摆动移动中，环47、75彼此保持相互平行。因此，这种构型使得轴承35、37总是保持平行。

具体参阅图4，示出了设置到轴承座39、41上的支柱71。轴承35包括圆周外圈95和轴承件97，轴承37包括圆周外圈99和轴承件101。在优选实施方式中，支柱71的邻近的外表面作为用于每一轴承35、37的内环。每一轴承件97、101位于支柱71的每一外圈95、99和内圈部分之间，轴承件97、101也可以是任何合适的类型，例如辊针组、球轴承组或者聚合物轴承组。每一臂19的外圈95、99固定地设置到相对应的叶片15的内部，以允许叶片15和外圈95、99相对于相关臂19绕变距轴线23一同旋转。

应当注意地是，轴承35、37不会抵抗来自叶片15的离心力。所有的离心力通过位于臂19的外侧端上的相关叶片底座21传递进入轭20。

与此同时，图中的实施方式示出了具有不相同半径的变距轴承35、37。应当注意地是，可选择的构型还可能具有这种轴承35、37，即尺寸基本上相同或内侧轴承37的半径比外侧轴承35的半径小。因此，可选择构型的支柱71可能具有基本上呈圆柱形或者如图所示的在相反方向上逐渐变细的形状。

现参阅图5～7，旋翼组件103包括轮毂组件105和配置用于设置到轮毂组件105上的旋翼叶片107(仅示出一个)。轮毂组件105通过花键或其他合适的装置设置到柱杆109上，以允许柱杆109能够驱动轮毂组件105与柱杆109一起旋转。叶片107各自设置到弯曲类型的扭柄轭113的臂111，臂111大致上从位于轮毂组件105中的轭113开始径向延伸。优选地是，每一轭113由例如玻璃纤维的复合材料层形成，轭的构型使得臂111能相对于轭113的中心部分在平面外的方向上移动，使得叶片107得以摆动。每一臂111的外侧端具有叶片底座115，所述叶片底座适合于连接相对应叶片107的部分，以用于将力从叶片107传递到臂111。每一臂111的结构使得臂111的外侧部分能沿变距轴线117扭转有限量，正如箭头119所示，因此，每一叶片107相对于轮毂组件105的剩余部分沿变距轴线117枢轴转动，同时能固定地固定到叶片底座115上。叶片107的变距角由旋转斜板机构121控制，所述旋转斜板机构通过变距链结123连接到位于每一叶片107上的变距角柄125。在优选实施方式中，臂111如此构造，以使得在叶片107的间距改变中，大约95％的臂111的扭转发生在区域127中。例如，这能够通过形成臂111而完成，以使得区域127中的弦向宽度比臂111的内侧部的弦向宽度更窄。

在每一臂111的内侧部上还设置有变距轴承129，每一叶片107的内侧部在所述臂的内侧部上得以旋转。另外，为联合变距和摆动轴承的轴承131(见图7)，设置在轮毂组件105中。轴承129、131彼此间隔，以允许轴承129、131抵抗叶片15的平面内剪切载荷，从而提供刚性平面的构型。

轴承129由与每一臂111相关联的相对应轴承座133支撑。轴承座133设置到具有套筒135的臂111上，所述套筒113具有能够紧凑地容纳臂111的大体上为矩形横截面的形状。为了避免臂111的相邻层的磨损，优选地是，在套筒135的内表面和相关联臂111之间还设置有弹性缓冲区(未示出)。镂空网137自套筒135向外延伸，圆周环139固定到具有球状弹性层140的网45上。在臂111的摆动中，当臂111和叶片107的外部间的角度变化时，弹性层48能在网137和环139之间作少量的相对有角度移动。

优选地是，轴承131为叠层弹性轴承，包括有交替的弹性层和刚性层，以允许叶片107以图中箭头143、145的方向，绕变距轴线117旋转，以及关于变距轴线141作平面外摆动。

轮毂105包括毂衬147、149、151以及轭113，所述轭各自以堆叠的排布方式设置在毂衬147、149、151中的两者之间。每一相邻对的毂衬147、149、151都在其间保留了轭113，并形成用于每一轭113的臂111的抵抗增强弯曲的区域。图6和7示出了组件103的一部分的斜视图和横截面侧视图，臂111之一的弯曲区域也为可视的。另外，每一轴承131保留在由每一对毂衬147、149、151形成的空隙或腔室153的内部。

上毂衬147具有处于外围边缘的弯曲表面155，当臂111以箭头143的方向移动时，轭113的上表面157顶住弯曲表面155。弯曲表面155用于在摆动中减少发生在轭113上的弯曲应力集中。同样地，中间毂衬149具有处于外围边缘的弯曲表面159，当臂111在箭头145的方向上移动时，所述轭113的下表面161用于顶住弯曲表面159。

内侧梁163用于将叶片107连接到相关联的轴承131，梁163能够相对于具有叶片107的轮毂105沿变距轴线117和摆动轴线141旋转。梁163具有本体165和柄167，所述柄自本体165的中心部分以内侧方向延伸。每一梁163位于形成于相关联臂111的孔169内部，孔169足够宽以允许运行中叶片107的移动所需的梁163的旋转量。柄167固定到轴承131的中间部分的内部，在梁163相对于轮毂沿变距轴线117和摆动轴线141旋转期间，轴承131的弹性层得以变形。为了使梁163得以旋转，需要轴承抵抗平面内的超前-滞后力，因此构型为刚性平面。梁163具有安装表面171，所述安装表面用于固定到叶片107的内表面173。

具体参阅图7，轴承129包括圆周外圈175和轴承件177，轴承件177可以是任何合适的类型，例如辊针组、球轴承组或者聚合物轴承组。外圈175固定到相对应的叶片107的内表面179，以允许叶片107和外圈175相对于相关臂111绕变距轴线117一同旋转。

再次参阅图5～7，当臂111受到来自叶片107的平面内的力，这些力能够用于引起组成臂111的层的扭曲或分离。为了通过夹紧力限制或阻止这种分离，在位于轴承129和孔169间的臂111上设置有可选择的臂的夹紧件181。每一夹紧件181包括上夹板183、下夹板185以及紧固件187，所述紧固件187用于将上夹板183和下夹板185彼此围绕臂111而固定。形成于每一夹板183、185的凹槽189(可见于每一夹板183、185的外侧端)在安装时能够相配合，以形成用于容纳臂111的横截面的孔。另外，可选择的内侧夹紧件191也可以通过夹紧力来限制位于孔169的任一侧上的臂111的层的分离。每一夹紧件191包括上夹板193、下夹板195以及用于将上夹板193和下夹板195彼此固定到一起的紧固件197。虽然在示出的实施方式中，每一臂111上有一个夹紧件181，然而一个以上的夹紧件181也可以设置到每一臂111上。同样地，虽然在示出的实施方式中，孔169的每一侧都具有两个夹紧件191，然而更多或更少的夹紧件169也是可行的。旋翼系统中预期的动态特征决定了是否使用一个或多个夹紧件181、191，以及夹紧件181、191的设置位置。应当注意地是，轴承131、129不会抵抗来自叶片107的离心力。所有的离心力通过位于臂111的外侧端的相关联的叶片底座115传输进入轭113。

上述的旋翼构型具有若干优势，包括：(1)紧凑的中间轮毂组件；(2)通过将摆动铰链进一步移动到比先前设计更内侧的位置，以减少摆动瞬间；以及(3)减少重量和成本。

虽然本发明已描述了至少一个示例性实施方式，但这种描述并不用于限制解释。示例性实施方式的多种改变和组合，以及本发明的其他实施方式，对于参阅了描述内容的本领域技术人员而言都是显而易见的。

Claims (13)

1.一种用于旋翼飞机的旋翼组件，包括：

中间轮毂组件，包括具有多个臂的弯曲型扭柄轭，每一臂适合于将旋翼叶片安装到臂上，所述臂通过沿相对应的变距轴线扭转所述臂的部分来实现固定到所述轭上的叶片的间距变化；

内侧变距轴承，与每一臂相关联，内侧变距轴承固定到轮毂组件，并允许随附的叶片沿变距轴线旋转，内侧变距轴承也能够允许臂相对于轮毂组件沿摆动轴线作平面外移动；以及

外侧变距轴承，与每一臂相关联，外侧变距轴承固定到相关联的臂，并距离内侧变距轴承可选距离，以允许随附的叶片沿变距轴线旋转。

2.如权利要求1所述的旋翼组件，进一步包括：

内侧轴承支承座，与每一臂相关联，每一内侧支承轴承支撑在内侧支承座上；

其中，每一臂贯穿位于相关联内侧支承座上的支承孔。

3.如权利要求1所述的旋翼组件，进一步包括：

臂孔，形成于每一臂的内侧部分；

内侧梁，连接到每一内侧变距轴承，并适合于连接到相关联的叶片上，所述梁贯穿相关联的臂孔。

4.如权利要求1所述的旋翼组件，进一步包括：

至少一个臂夹紧件，所述臂夹紧件围绕臂的一部分，以限制臂的层的分离。

5.如权利要求1所述的旋翼组件，其中轭由多层形成，所述多层包括由弹性材料层分隔开的复合材料层。

6.一种用于旋翼飞机的旋翼组件，所述旋翼包括：

轮毂组件，包括具有多个臂的弯曲型的轭，每一臂适合于将旋翼叶片安装到臂上；

内侧变距轴承和外侧变距轴承，与每一臂相关联，每一臂的轴承为同轴的，并具有大体上沿相关臂的长度延伸的变距轴线，每一臂的轴承适合于允许随附的叶片相对于轮毂组件沿变距轴线旋转；以及

环状支柱，在每一臂的内侧和外侧变距轴承之间延伸，在臂相对于轮毂组件的摆动动作中，每一支柱使得相关联的轴承维持在同轴方向。

7.如权利要求6所述的旋翼组件，其中，支柱作为用于每一臂的变距轴承的内圈。

8.如权利要求6所述的旋翼组件，其中，外侧变距轴承固定到相关臂上。

9.如权利要求6所述的旋翼组件，其中，内侧变距轴承固定到轮毂组件上。

10.如权利要求6所述的旋翼组件，其中，轭由多层形成，所述多层包括由弹性材料层分隔开的复合材料层。

11.一种用于旋翼飞机的旋翼组件，所述旋翼包括：

中间轮毂组件，包括具有多个臂的弯曲类型的扭柄轭，每一臂适合于将旋翼叶片安装到臂上，所述臂通过沿相对应的变距轴线扭转所述臂的部分来实现固定到所述轭上的叶片的间距变化；

臂孔，形成于每一臂的内侧部分；

内侧变距轴承，与每一臂相关联，内侧变距轴承固定到轮毂组件，并允许随附的叶片沿变距轴线旋转，内侧变距轴承也能够允许臂相对于轮毂组件沿摆动轴线作平面外移动；以及

内侧梁，连接到每一内侧变距轴承，并适合于固定到相关叶片，梁贯穿相关臂孔；以及

外侧变距轴承，与每一臂相关联，外侧变距轴承固定到相关联的臂，并距离内侧变距轴承可选距离，以允许随附的叶片沿变距轴线旋转。

12.如权利要求11所述的旋翼组件，进一步包括：

至少一个臂夹紧件，所述臂夹紧件围绕臂的一部分，以限制臂的层的分离。

13.如权利要求11所述的旋翼组件，其中，轭由多层形成，所述多层包括由弹性材料层分隔开的复合材料层。

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