CN102582830A - 一种摆线桨推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种摆线桨推进器，包括摆线桨叶片，桨叶支架、摆线桨转轴、驱动电机和偏心圆环定位机构，桨叶支架上有支架臂和夹套，夹套与叶片主管梁转动配合，偏心圆环定位机构包括控制拉杆、偏心转动圆环、偏心空心圆柱定位台和辅助定位拉杆，偏心圆环定位机构实现了偏心转动圆环的中心轴线与摆线桨转轴的中心轴线存在偏心距，进而实现了摆线桨叶片在控制拉杆的控制下将做周期性俯仰运动，从而产生拉力。本发明克服了现有技术中悬臂梁式桨叶安装方式存在桨叶枢轴承受极大的弯矩，桨叶极易折断的问题，以及现有技术中通过电磁或液压等形式进行作动器控制攻角而带来控制系统复杂的问题。

Description

一种摆线桨推进器

技术领域

本发明涉及动力系统技术领域，具体为一种摆线桨推进器。

背景技术

摆线桨，又名直翼推进器，因其向前推进时桨叶的运动轨迹为摆线而得名。摆线桨桨叶的展向与桨盘转轴的轴线平行，通过轴线与桨盘转轴轴线平行的枢轴安装在桨盘上，桨叶可绕着枢轴摆动。桨叶作为升力面，在绕桨盘转轴转动过程中，其攻角经历从零攻角到最大攻角，再从最大攻角到零攻角的连续周期变化，桨叶的这种俯仰运动带来的非定常气动效应可以大大提高摆线桨的气动效率。另外，通过控制机构调节桨叶的最大攻角大小，可以改变摆线桨的拉力大小；而通过调节桨叶攻角最大时在桨盘上的方位角，则可以产生垂直于桨盘转轴的平面内任一方向的拉力，因而可以能够产生飞行器偏航力矩，起到方向舵的作用，而传统的螺旋桨桨叶与转轴垂直，仅能提供沿转轴轴线方向的拉力，因而需要方向舵来改变拉力方向。

由Jurgens和Dirk等人申请的美国专利US 7,059,923公开了一种带防护板的船用摆线桨。该发明中，摆线桨由一个旋转盘和一个安装于其上的若干个叶片组成，在旋转盘旋转过程中，每个桨叶绕着自身枢轴摆动，每个叶片上的枢轴轴线与旋转盘的转轴轴线平行。防护板大体上垂直于旋转盘的转轴轴线，并且接近桨叶远离旋转盘一端。防护板至少开有一个狭缝，狭缝的开缝方向大体上与船的行驶方向垂直，水流从防护板底部的狭缝流入，从防护板上端面的狭缝流出，可以提高摆线桨的效率。该发明的目的是提高摆线桨的效率和运行的平稳性。但由于在该发明中，摆线桨的桨叶只有一端安装在旋转盘上，当摆线桨高速旋转时，这种悬臂梁式的桨叶安装方式将会使得安装在旋转盘处的桨叶枢轴承受极大的弯矩，桨叶极易折断，因而，其应用范围仅限于如船舶领域等摆线桨转速较低的情况。

由施科宜和杨世锡等人申请的中国专利CN 101327839公开了一种以步进电机作为控制机构的直翼摆线推进器。在该发明中，在安装底座上设有主电机安装支架，主电机安装支架上设有主驱动电机，主驱动电机通过连接轴与主轴相连接，连接轴上套有导电环，主轴与安装底座下方的会转向相连接；回转箱内设有第一叶片控制电机、第二叶片控制电机，第一叶片控制电机与第一叶片相连接。该发明的目的是利用步进电机响应快、控制方便的特点解决普通直翼摆线推进器控制机构复杂、使用寿命短、动态响应慢等问题。但是，该发明中，桨叶仅有一端与步进电机连接，同样形成了悬臂梁结构，在桨叶与步进电机连接处将会产生极大弯矩；同时，该发明需要编写复杂的摆线桨叶片攻角的控制算法，且步进电机必须与环形脉冲信号控制器、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，这不仅增加了控制难度，也增加了成本。

由Heinz A.Gerhardt，Redondo Beach，Calif等人申请的美国专利5,265,827中公开了一种采用摆线桨的飞行器。该发明的目的是依靠两个摆线桨实现飞行器的垂直起降。在该发明中，叶片攻角通过电磁或液压等形式的作动器控制，而作动器则由计算机控制，控制机构较为复杂；另外，每个叶片由两根支架支撑，且需要很长的转轴。这不仅增加了飞行器的重量，也增加了飞行器的阻力。

由李仁国申请的中国专利CN85103046A中公开了一种采用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。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种摆线桨推进器，通过采用偏心圆环定位机构实现叶片的控制。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种摆线桨推进器，其特征在于：包括摆线桨叶片，桨叶支架、摆线桨转轴、驱动电机和偏心圆环定位机构；

所述驱动电机固定在电机壳体内，驱动电机的功率输出端与摆线桨转轴一端通过联轴器连接，摆线桨转轴另一端与桨叶支架中心固定连接，且摆线桨转轴垂直于桨叶支架平面，在电机壳体上端面沿圆周方向均匀分布有若干球头，且圆周的圆心处于摆线桨转轴中心轴线上；

桨叶支架有若干个均匀发散形分布的支架臂，每个支架臂的外端固定有夹套，夹套与摆线桨叶片的主管梁转动配合，摆线桨叶片个数与支架臂个数相同；摆线桨叶片的主管梁和小管梁分别平行于摆线桨转轴，摆线桨叶片的小管梁外伸段上带有球头，小管梁通过球头与偏心圆环定位机构中的控制拉杆一端采用球头铰链配合；

偏心圆环定位机构包括控制拉杆、偏心转动圆环、偏心空心圆柱定位台和辅助定位拉杆；偏心转动圆环一侧面上沿圆周方向均匀分布有若干球头，偏心转动圆环上的球头个数与摆线桨叶片个数相同，偏心转动圆环另一侧面与偏心空心圆柱定位台一端面通过轴承配合，且偏心转动圆环与偏心空心圆柱定位台同轴，在偏心空心圆柱定位台另一端面上也均匀分布有多个球头，偏心空心圆柱定位台上的球头个数与辅助定位拉杆个数和电机壳体上端面的球头个数相同；偏心空心圆柱定位台与外部舵机连接；控制拉杆个数与摆线桨叶片个数相同，控制拉杆另一端与偏心转动圆环上的球头采用球头铰链配合，且至少一根控制拉杆与偏心转动圆环卡接固定；偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台套在摆线桨转轴上；辅助定位拉杆一端与偏心空心圆柱定位台上的球头采用球头铰链配合，辅助定位拉杆另一端与电机壳体上端面的球头采用球头铰链配合。

所述的一种摆线桨推进器，其特征在于：摆线桨叶片的最大攻角不超过45度，偏心转动圆环偏心距的最大值为摆线桨叶片主管梁轴线与摆线桨叶片小管梁轴线之间距离的0.707倍。

有益效果

本发明提出的一种摆线桨推进器，其桨叶支架与摆线桨叶片采用转动配合，克服了现有技术中悬臂梁式桨叶安装方式存在桨叶枢轴承受极大的弯矩，桨叶极易折断的问题；而且，本发明结构简单，通过单个电机和偏心圆环定位机构实现摆线桨叶片攻角的改变和最大攻角的调整，克服了现有技术中通过电磁或液压等形式进行作动器控制攻角而带来控制系统复杂的问题。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：偏心圆环定位机构的支撑部位结构示意图；

图3：桨叶支架与摆线桨叶片安装结构示意图；

图4：摆线桨叶片结构示意图；

图5：夹套结构示意图；

图6：左夹套结构示意图；

图7：右夹套结构示意图；

图8：摆线桨转轴示意图；

图9：控制拉杆示意图；

图10：偏心转动圆环俯视图；

图11：偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台剖视图；

图12：偏心转动圆环与控制拉杆的安装结构示意图；

其中：2.摆线桨叶片；3.支架臂；5.摆线桨转轴；18.电机壳体；19.驱动电机；20.转轴轴承；21.摆线桨叶片小管梁；22.转轴轴承定位凸缘；23.偏心圆环定位机构支撑件；24.球形铰下安装凸台；25.拉杆球形铰链；26.辅助定位拉杆；27.控制拉杆；28.万向联轴器；30.偏心空心圆柱定位台；31.球形铰上安装凸台；32.夹套；33.摆线桨叶片蒙皮；34.摆线桨叶片翼肋；35.摆线桨叶片主管梁；36.摆线桨叶片主管梁安装轴承；37.摆线桨叶片小管梁球形铰球头；38.桨叶支架连接件；46.偏心转动圆环；47.球形铰球头安装孔；48.球形铰球头；49.控制拉杆限位槽；50.偏心圆环轴承挡圈；51.挡圈固定螺母；52.尼龙轴承；53.杆件。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例为一种摆线桨推进器，包括摆线桨叶片2，桨叶支架、摆线桨转轴5、驱动电机19和偏心圆环定位机构。

参照附图1，所述驱动电机19固定在电机壳体18内，驱动电机的功率输出端穿过电机壳体中间壁板后，与摆线桨转轴5的一端通过万向联轴器28连接，采用万向联轴器28的好处是它可以传递大扭矩，并容许两轴之间由于加工所带来的较小的角位移偏差。参照附图2，摆线桨转轴与电机壳体上壁板通过转轴轴承20配合，并且在摆线桨转轴上有转轴轴承定位凸缘22，转轴轴承定位凸缘压在转轴轴承上端，实现了摆线桨转轴的轴向定位。在电机壳体上壁板上还固定有偏心圆环定位机构支撑件23用于支撑偏心圆环定位机构，参照附图2，偏心圆环定位机构支撑件为环形，且偏心圆环定位机构支撑件的中心轴线与摆线桨转轴5的中心轴线重合，在偏心圆环定位机构支撑件上沿圆周方向均匀分布有四个球形铰下安装凸台24，每个球形铰下安装凸台上都固定有一个球形铰球头，用于与偏心圆环定位机构中的辅助定位拉杆26采用球头铰链配合。

参照附图3，摆线桨转轴另一端与桨叶支架中心的桨叶支架连接件38固定连接，且摆线桨转轴垂直于桨叶支架平面，桨叶支架连接件38与桨叶支架螺钉固定连接；桨叶支架包括支架臂和夹套，桨叶支架采用铝合金制造，支架臂呈均匀发散形分布，本实施例中，桨叶支架包括四个支架臂，四个支架臂呈十字形分布，每个支架臂的外端都固定有一个夹套32。参照附图5至附图7，夹套32分为左夹套和右夹套，夹套内表面有轴承安装弧形槽，左夹套和右夹套通过螺钉固定。夹套内表面的轴承安装弧形槽与摆线桨叶片主管梁35上的摆线桨叶片主管梁安装轴承36配合，既实现了夹套与摆线桨叶片主管梁的转动配合，又实现了支架臂在摆线桨叶片主管梁上的轴向定位，摆线桨叶片既可以随着桨叶支架一起公转，又可以绕着摆线桨叶片主管梁自由转动。

参照附图4，摆线桨叶片2采用NACA0014对称翼型的矩形翼面；摆线桨叶片个数与支架臂个数相同；在摆线桨叶片表面覆盖有碳纤维复合材料制造的摆线桨叶片蒙皮33；摆线桨叶片的弦长为60mm，翼展为120mm，展弦比为2，摆线桨叶片内均布六片相互平行的摆线桨叶片翼肋34，并且在摆线桨叶片翼肋上距前缘点8mm和25mm处有贯通的管梁孔，摆线桨叶片主管梁35和摆线桨叶片小管梁21分别穿过各摆线桨叶片翼肋的管梁孔。摆线桨叶片主管梁35的轴向中部安装有摆线桨叶片主管梁安装轴承36，摆线桨叶片主管梁安装轴承与夹套的轴承安装弧形槽配合，使得摆线桨叶片得以固定在桨叶支架上，随桨叶支架一起转动。摆线桨叶片小管梁与摆线桨叶片主管梁都平行于摆线桨转轴，摆线桨叶片小管梁外伸段下端固定有摆线桨叶片小管梁球形铰球头37，用于与偏心圆环定位机构中的控制拉杆27一端采用球头铰链配合。

参照附图1，偏心圆环定位机构包括四根控制拉杆27、偏心转动圆环46、偏心空心圆柱定位台30和四根辅助定位拉杆26。

控制拉杆与辅助定位拉杆结构相同，均由杆件53和拉杆球形铰链25组成，如附图9所示，杆件53两端与拉杆球形铰链25同轴螺纹连接配合，拉杆球形铰链25用于与球头采用球头铰链配合。

参照附图10，偏心转动圆环46一侧面上沿圆周方向均匀分布有四个带内螺纹的球形铰球头安装孔47，球形铰球头固定在球形铰球头安装孔47内，用于与控制拉杆27的另一端采用球头铰链配合。在其中一个球形铰球头安装孔47的外缘处有凸出的控制拉杆限位槽49，用于卡住其中一根控制拉杆杆件，使偏心转动圆环46随摆线桨一起转动。

参照附图11，偏心转动圆环另一侧面与偏心空心圆柱定位台30一端面通过尼龙轴承52配合，并通过偏心圆环轴承挡圈50将尼龙轴承52限位。偏心转动圆环与偏心空心圆柱定位台同轴，偏心转动圆环相对与偏心空心圆柱定位台可自由转动。偏心空心圆柱定位台与外部舵机连接，外部舵机用于调整偏心空心圆柱定位台的轴线位置。在偏心空心圆柱定位台另一端面上沿圆周方向均匀分布有四个球形铰上安装凸台31，每个球形铰上安装凸台上固定有一个球形铰球头，用于与偏心圆环定位机构中的辅助定位拉杆26采用球头铰链配合。

偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台套在摆线桨转轴上，辅助定位拉杆两端的拉杆球形铰链分别与球形铰下安装凸台和球形铰上安装凸台的球形铰球头配合，四个辅助定位拉杆组成的复合式平行四边形机构可以实现偏心圆环定位机构的轴向定位，并保证偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台轴线与摆线桨转轴轴线平行；而控制拉杆两端的拉杆球形铰链分别与偏心转动圆环球形铰球头安装孔内的球形铰球头和摆线桨叶片小管梁球形铰球头配合，实现摆线桨叶片带动偏心转动圆环转动。

所述偏心圆环定位机构中的偏心指的是偏心转动圆环的中心轴线与摆线桨转轴的中心轴线平行但不重合，存在偏心距。如图12所示，在外部伺服舵机的作用下，偏心空心圆柱定位台带动偏心转动圆环改变位置，从而产生偏心距，偏心距不为0时，摆线桨叶片在控制拉杆27的控制下将做周期性俯仰运动，从而产生拉力，外部伺服舵机调节偏心距大小或者由飞行员操纵改变驱动电机19的转速，则可以产生不同大小的拉力。

摆线桨叶片2的最大攻角不超过45度，偏心转动圆环偏心距的最大值为摆线桨叶片主管梁35轴线与摆线桨叶片小管梁21轴线之间距离的0.707倍，以避免摆线桨叶片2失速和机构振动、卡滞。

Claims (2)

1.一种摆线桨推进器，其特征在于：包括摆线桨叶片，桨叶支架、摆线桨转轴、驱动电机和偏心圆环定位机构；

所述驱动电机固定在电机壳体内，驱动电机的功率输出端与摆线桨转轴一端通过联轴器连接，摆线桨转轴另一端与桨叶支架中心固定连接，且摆线桨转轴垂直于桨叶支架平面，在电机壳体上端面沿圆周方向均匀分布有若干球头，且圆周的圆心处于摆线桨转轴中心轴线上；

桨叶支架有若干个均匀发散形分布的支架臂，每个支架臂的外端固定有夹套，夹套与摆线桨叶片的主管梁转动配合，摆线桨叶片个数与支架臂个数相同；摆线桨叶片的主管梁和小管梁分别平行于摆线桨转轴，摆线桨叶片的小管梁外伸段上带有球头，小管梁通过球头与偏心圆环定位机构中的控制拉杆一端采用球头铰链配合；

偏心圆环定位机构包括控制拉杆、偏心转动圆环、偏心空心圆柱定位台和辅助定位拉杆；偏心转动圆环一侧面上沿圆周方向均匀分布有若干球头，偏心转动圆环上的球头个数与摆线桨叶片个数相同，偏心转动圆环另一侧面与偏心空心圆柱定位台一端面通过轴承配合，且偏心转动圆环与偏心空心圆柱定位台同轴，在偏心空心圆柱定位台另一端面上也均匀分布有多个球头，偏心空心圆柱定位台上的球头个数与辅助定位拉杆个数和电机壳体上端面的球头个数相同；偏心空心圆柱定位台与外部舵机连接；控制拉杆个数与摆线桨叶片个数相同，控制拉杆另一端与偏心转动圆环上的球头采用球头铰链配合，且至少一根控制拉杆与偏心转动圆环卡接固定；偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台套在摆线桨转轴上；辅助定位拉杆一端与偏心空心圆柱定位台上的球头采用球头铰链配合，辅助定位拉杆另一端与电机壳体上端面的球头采用球头铰链配合。

2.根据权利要求1所述的一种摆线桨推进器，其特征在于：摆线桨叶片的最大攻角不超过45度，偏心转动圆环偏心距的最大值为摆线桨叶片主管梁轴线与摆线桨叶片小管梁轴线之间距离的0.707倍。

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