CN103097243A - 尤其用于旋翼飞机的推进和运动传递组件 - Google Patents

Abstract

一种尤其用于旋翼飞机的推进和运动传递组件（1），组件（1）包括：第一电机减速器组件（2）；以及第二电机减速器组件（4），其中，第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）设置用于驱动旋翼飞机的至少一个转子旋转；以及其中，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）中的每一个均包括：机械差速器（6；24），其包括第一输入轴（8；26）、第二输入轴（10；28）和输出轴（12；30）；以及分别与所述第一输入轴（8，10）和第二输入轴（26，28）连接的第一电动机（14；32）和第二电动机（16；34），各个电机减速器组件的输出轴设置为与旋翼飞机的转子旋转连接。

Description

尤其用于旋翼飞机的推进和运动传递组件

技术领域

本发明涉及推进和运动传递系统，尤其用于旋翼飞机以及用于将运动传递到安装于旋翼飞机的一个或多个转子上。

背景技术

由于旋翼飞机的强大的多功能性及其执行固定翼飞机所无法实现的任务的能力，旋翼飞机可用在各种民用和军事应用中。

在旋翼飞行的技术领域中，对于推进和运动传递组件来说最通常的选择是采用流体机械，例如往复式内燃发动机或燃气涡轮机，其耦合到与转子相连的机械变速器上。

然而，尤其是在由一个燃气涡轮机来负责推进的飞机中，在燃气涡轮机因为故障中断其运转的情况下，飞机随之而来的快速下降到地面只能通过转子的自转来控制。

为了保证即使在出现故障的情况下的飞机中的人员安全，推进组件一般包括两个或多个连接到转子的电动机组，其功率相对于正常飞行的要求来说是过大的，这使得如果它们中的一个发生故障，仍然运转的那个电动机组能够使飞机保持飞行，弥补了出故障电动机组的动力传送的故障。

然而，不可能总是有一个可用的冗余推进组件，这是因为在许多飞机上出于与减轻重量和尺寸相关的原因，通常不可能安装一个以上的电动机组。在这种情况下，如果发生故障，控制飞机的唯一可能性取决于如已描述的转子的自转。基于这个原因，事实上，单涡轮直升机飞越人口中心被一些具体的规则所禁止。

而且，在旋翼飞机不是传统类型的直升机、而是配备了用以在地面上前进的轮子并且已经应用了飞行模块的交通工具（这种类型的交通工具是已知的，例如可见文献GB-A-908691和GB-A-938686）的情况下，显然，除了任何航空应用中典型的冗余要求以外，包含重量并提供一种尽可能地紧凑且能够容易安装的系统的要求仍被认为更加重要。

而且，不应该被遗忘的是，当今常见的几乎所有的旋翼飞机都采用燃气涡轮机作为电动机组的选择，从而导致一系列众所周知的关于其调节的问题。一般来说，由于燃气涡轮机的调节的难度，通常是通过改变总距来获得转子叶片的升力的变化，而不是通过改变涡轮机（或涡轮机组）的每分钟转数来获得的，其中涡轮机（或涡轮机组）基本上在一个固定的每分钟转数下工作。

这就引起了对飞机的最大平移速度的限制，这是因为如本领域的技术人员所公知的那样，在相对于叶片的流体的跨音速流动的条件下，会发生危险的振动现象（跨音速颤振）。由于在叶片本身的任何点处的流体和叶片之间的相对速度等于由旋转运动引起的叶片的切向速度与飞机的平移速度的矢量和，显然最关键的一点是在叶片的圆周上，尤其是在上述两个速度具有方向相同的平行矢量的位置上。

事实上，虽然在整个转子上平移速度是一致的，然而在叶片的圆周处切向速度是最大的，这存在于距离转子的旋转轴线为最大距离之处。飞机平移的极限速度是，叶片圆周处的流动在跨音速状态的极限的条件下出现，特别是在大约0.9马赫。

另外，设置在一个或多个燃气涡轮机和转子之间的机械式变速器不可避免会导致与转子的动态耦合的缺点，这意味着转子的所有谐波运动导致在传动和燃气涡轮机本身（或燃气涡轮机组，如果它们超过一个话）的操作中的类似振荡，其带有明显的不规律的操作，如果没有被克服，则其能够引起部件的过早磨损。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术问题。尤其是，本发明的目的是提供一种用于旋翼飞机的推进和运动传递组件，其能够即使在发生故障时也能保持它本身的功能，具有减少的重量和负载，而且在提供相同功率的情况下与已知的系统相比能实现更高的平移速度。此外，本发明的目的是提供一种用于旋翼飞机的推进和运动传递组件，其能够容易地实现所述飞机的一个或多个转子的旋转速度的变化。

通过具有构成所附权利要求中的一个或多个主题的特征的推进和运动传递组件，实现了本发明的目的，该权利要求构成了在此提供的关于本发明的技术指导的不可分割的部分。

附图说明

现在将参照仅以非限制性示例的方式提供的附图对本发明进行描述，在附图中：

图1是根据本发明的推进和运动传递组件的立体图；

图2无差别地显示了对应图1所示组件的第一功能复合体（线IIA-IIA）和图1所示组件的第二功能复合体（线IIB-IIB）的局部剖视图；

图3是使用了图1所示的推进和运动传递组件的飞机的转子组件的立体图。

具体实施方式

图1中的附图标记1是根据本发明的推进和运动传递组件。组件1包括第一电机减速器组件2和第二电机减速器组件4，它们彼此相同。

第一电机减速器组件2包括第一机械差速器6，其优选为开放式的（所谓的“开放式差速器”），包括彼此同轴且与第一旋转轴线X2同轴的第一输入轴8和第二输入轴10（它们能够围绕第一旋转轴线X2旋转），以及输出轴12，其能够转动并且具有与正交于轴线X2的第二旋转轴线Z2重合且与输入轴8、10正交的轴线。

第一电动机14和第二电动机16分别与第一输入轴8和第二输入轴10连接，它们彼此相同且同轴，并且与轴线X2同轴。

在接下来的描述中将参考图2，其中标记包括由逗号隔开的多对数字标记。在每一对中，逗号左边的标记与电机减速器组件2相关联，而显然逗号右边的标记与电机减速器组件4相关联，并且，由同一对标记所指定的部件彼此相同。

差速器6进一步包括：

－输入轴8、10穿过其中的第一主体SH1；

－分别与输入轴8、10旋转连接的第一太阳齿轮S1和第二太阳齿轮S2，它们分别与第一行星齿轮P1和第二行星齿轮P2啮合；

－第一轴PS1，其以可旋转的方式支承了行星齿轮P1、P2（以惰轮的方式安装在其上）；

－轴PS1和齿轮P1、P2、S1、S2位于其内的第一行星架PC1；以及

－固定在行星架PC1上的具有圆锥形齿的第一冠状轮C1。

在该实施例中，所有齿轮P1、P2、S1、S2都有圆锥形齿。当然，在其他示例中可以构思出使用圆柱形齿的变体。

轴PS1可以等同替换为两个独立的轴，分别用于各行星齿轮P1、P2。

冠状轮C1具有圆锥形齿，并与具有圆锥形锯齿的第一齿轮W1啮合，该第一齿轮W1设置在主体SH1中且与输出轴12旋转连接，输出轴12贯穿于主体S H1本身。

与输出轴12旋转连接的是第一主动轮18，其能够围绕轴线Z2旋转，并又通过第一传动带20旋转连接到第一从动轮22，其能够围绕与轴线Z2平行的轴Z_C旋转。参考图2、3，从动轮22设置为通过共用轴线Z_C的第一传动轴23A与旋翼飞机的第一转子23旋转连接。

优选地，从动轮22具有一个远大于主动轮18的直径。另一方面，可以理解，滑轮18、22和传动带20提供的机械式变速器能够被任何同等的变速器代替，例如齿轮变速器或链变速器。

第二电机减速器组件4与电机减速器组件2完全相同，包括机械式的第二差速器24，其优选为开放式的，与差速器6相同，并且包括彼此同轴且与优选与旋转轴线X2平行的第三旋转轴线X4同轴的第三输入轴26和第四输入轴28（它们可以围绕第三旋转轴线X4旋转），以及第二输出轴30，其具有与正交于轴线X4的第四旋转轴线Z4重合且与轴线Z2平行的轴线且能够围绕其旋转。再次参照图2，差速器24与差速器6类似地包括：

－输入轴26、28穿过其中的第二主体SH2；

－分别与输入轴26、28旋转连接的第三太阳齿轮S3和第四太阳齿轮S4，它们分别与第三行星齿轮P3和第四行星齿轮P4啮合；

－第二轴PS2，其以可旋转的方式支承了行星齿轮P3、P4（以惰轮的方式安装在其上）；

－轴PS2和齿轮P3、P4、S3、S4位于其内的第二行星架PC2；以及

－固定在行星架PC2上的具有圆锥形齿的第二冠状轮C2。

冠状轮C2与齿轮W2啮合，该齿轮W2也具有圆锥形锯齿，其被设置在主体SH2中，与贯穿于主体SH2本身的输出轴30旋转连接。

与输入轴26、28分别连接的是彼此相同且与电动机14、16相同的第三电动机32和第四电动机34。电动机32、34彼此同轴且与轴线X4同轴。

第二主动轮36，其与输出轴30旋转连接，其能够沿着轴线Z4转动并且通过第二传动带38与第二从动轮40旋转连接，在本实施例中第二从动轮40与从动轮22相同且设置与从动轮22同轴。第二从动轮40被设置为通过第二传动轴41A与旋翼飞机的第二转子41旋转连接，该第二传动轴41A是空心的且在其内部设置第一传动轴23A。

第一转子23可操作地连接到用于改变周期距的装置上（其整体上由42标示），该装置被认为是常规的类型，因此在此不进行详细描述。第二转子41可操作地连接到平衡杆44上，该平衡杆44也是常规的类型，其结构为本领域技术人员所公知。

因此，与相应的转子23、41耦合的电机减速器组件2、4的复合体限定了旋翼飞机的转子组件（图3）。

各个电机减速器组件2、4和组件1的操作描述如下。

关于电机减速器组件2（其与电机减速器组件4的操作是完全一样的，且随后的描述也适用于电机减速器组件4的相应部件），各个电动机14、16通过输入轴8、10传递机械动力到差速器6。从这里，机械动力传递给太阳齿轮S1、S2，然后传递给行星齿轮P1、P2以及行星架PC1，从它通过冠状轮C1和齿轮W1将机械动力传递到输出轴12和滑轮18。

然后，通过传动带20，旋转运动被传递给从动轮22，并从这里传到转子23。因此，转子23在正常操作的条件下被两个电动机14、16驱动旋转。

电机减速器组件2本质上是冗余的，这是因为在电动机14、16中的一个发生故障的情况下，均能够实现到滑轮22的动力传送。事实上，假设电动机14处于故障状态下，并且由于故障使得到差速器6和转子23的动力传送中止，电动机16能够继续通过与其连接的输入轴10提供动力，并且由于差速器6的存在而不需要驱动发生故障的电动机14。

实际上，连接在电动机14上的太阳齿轮S1保持固定，而行星齿轮P1、P2通过太阳齿轮S2由电动机16围绕它们自身的轴线以及也沿着太阳齿轮S1的旋转轴线（其与轴线X2一致）来回转动，保持行星架PC1、输出轴12和转子23转动。

需要注意的是，为了得到上述情况，差速器6必须是开放式的，这是因为纵然是具有最小锁定比的自锁式差速器也将会强制电动机一直运转，以驱动发生故障的电动机。

当然，这同样适用于万一发生故障的电动机16，同样适用于电机减速器组件4，假定电机减速器组件2、4在结构上和功能上是相同的。

而且，各个电动机14、16和32、34的尺寸选择成使得当相应的电机减速器组件2、4不处于故障时，它在其自身最大功率的50%下运转。例如，如果电动机14和/或电动机32发生故障，其足以使电动机16和/或电动机34分别仍然运转以提供最大功率，使得故障对组件1的运行的影响实质上为0。

基本上，各个电机减速器组件2、4的各个电动机选择成使得它开发了这样一个最大功率，其基本上等于用于驱动连接在相应的电机减速器组件上的负载、尤其是第一转子23和第二转子41旋转所需功率的两倍。

通过电机减速器组件2、4，转子23、41被驱动而朝彼此相反的方向转动，其目的显然是消除反作用在安装了组件1的旋翼飞机的框架上的扭矩。

利用上述冗余特征和在电机减速器组件2、4发生故障时的行为，显而易见的是安装了组件1的飞机甚至在各个电机减速器组件2、4的电动机发生损坏故障的情况下也能够完全安全地飞行。因此，飞机能够在最多具有两个故障的电动机的情况下以安全的状态飞行，只要电动机属于不同的电机减速器组件即可。换言之，组件1甚至在所安装的四个电动机中的两个起作用的状况下也能够运转，只要那两个故障电动机（或等效地来说两个起作用的电动机）没有被连接在同一个差速器、也就因此没有连接到同一个转子上。

而且，与通过往复式热机或燃气涡轮机来提供促动力（其中每分钟转数的变化是一个成问题的且不能避免风险的操作）的正常的推进和运动传递组件不同，在这种情况下，可能以一种完全独立的方式改变各个转子23、41的每分钟转数，以及简单地对电动机14、16和32、34的供电电压进行操作。

上述每分钟转数的变化的可能性使得放弃采用机械式指令去改变转子23、41的总距，这是因为通过改变各个转子的每分钟转数就能够简单地得到总距变化的效果。

另外，由电动机14、16和32、34的电压调节所允许的可行性使得在飞行中转子23、41的旋转速度降低，这又使得飞机的平移速度增大。

事实上，流体相对于各转子叶片的速度基本上取决于叶片本身的各点的圆周速度，其由飞机在空气中的推进运动所产生的驱动速度来增加。如上所述，当叶片相对于它处于其中的流体的绝对速度达到临界条件、即与那些音速流相对应的条件时，随着跨音速颤振的开始存在有升力的突然失去，这种情况对于飞机飞行的稳定性和安全性是非常危险的。相反，通过降低转子23、41的旋转速度，可以减小叶片的圆周速度的分量，因此脱离了如上所述音速流的体系。

而且，从飞机的可控性和飞行参数的稳定性的观点出发，使用组件1用于促动转子23、41展现了进一步的优点。尤其是，不像那些通过燃料供给的系统（例如上面提到的往复式热机和燃气涡轮机），组件1通过一组电池来供能，很显然，这在运行期间没有改变它们自身的重量。因此，存在着具有基本上恒重的可用系统的优点，该优点使在整个运输过程中使用相同的参数飞行。

而且，使用机械式差速器分别用于从电动机14、16和32、34到转子23和41的运动传递，使得相对于电动机的运动的转子叶片的适当谐波运动被解耦，这是因为沿着传输轴23A、41A传输的可能振荡基本上被差速器6、24通过行星齿轮P1、P2和P3、P4相对于连接到电动机14、16和32、34的相对太阳齿轮S1、S2和S3、S4的微小旋转“过滤”了。

对于相同的性能来说，与基于带有机械或静液压传动装置的热机的相似系统相比，根据本发明的组件1是非常紧凑的。与其中工作流体的压力通常是数百巴级的前者相比，只要高压流体在其中流动的一个或多个管没有破裂的危险，组件1就本质上更加安全。

而且，组件1能够无差别地应用在多种飞机上，其中所述用语是指任何被设计为可在天空中运动的交通工具，包括安装了飞行模块的主要设计为用于在陆地上使用的飞行器。在后者的应用中，在其中可用于安装推进和运动传递组件的空间与设计为只用于在空气中运动的飞行器中的通常可用的空间相比是非常小的，组件1的可观的紧凑性有助于更容易的安装。

此外可以理解的是，虽然在所示实施例中推进及运动传递组件1设置用于同轴的不同转子的促动，组件1中的各个电机减速器组件2、4能够被设置为驱动同一个（且只有一个）转子旋转，例如在旋翼飞机中的一个单独的主转子和尾转子，或者也能够设置为安装在非同轴的双转子飞机上。

此外可以理解，每个电机减速器组件2、4也能分别用作具有一个单独主转子的交通工具中的一个的独立装置，这是因为如前面所述，它本质上是冗余的。

应当指出，实际上，电机减速组件2，4之间没有任何形式的合作，但这本质上不限制设想它们的组合应用到推进和运动传递组件上。

当然，在不影响本发明的原理的情况下，相对于在此仅通过非限制性的例子的方式已描述和说明的内容来说，结构和实施例的细节可以有很大程度的变化，由所附权利要求所定义。

Claims (10)

1.一种尤其是用于旋翼飞机的推进和运动传递组件（1），其特征在于，它包括：

第一电机减速器组件（2）；以及

第二电机减速器组件（4），

其中，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）设置用于驱动旋翼飞机的至少一个转子旋转；以及

其中，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）中的每一个均包括：

机械差速器（6；24），其包括第一输入轴（8；26）、第二输入轴（10；28）以及输出轴（12；30）；以及

分别与所述第一输入轴（8，10）和第二输入轴（26，28）连接的第一电动机（14；32）和第二电动机（16；34），

各个电机减速器组件（2，4）的输出轴（12，30）设置为与旋翼飞机的转子（23，41）旋转连接。

2.根据权利要求1所述的组件（1），其特征在于，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）中的每一个的机械差速器（6；24）是开放式的差速器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的组件（1），其特征在于，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）中的每一个的机械差速器（6；24）包括：

与所述第一输入轴（8；26）连接的第一太阳齿轮（S1；S3）和与所述第二输入轴（10；28）连接的第二太阳齿轮（S2；S4）；

第一行星齿轮（P1，P2）和第二行星齿轮（P3，P4），它们与所述第一太阳齿轮（S1，S2）和第二太阳齿轮（S3，S4）啮合，并以可旋转的方式由行星架（PC1；PC2）支承；以及

冠状轮（C1；C2），其固定在所述行星架（PC1；PC2）上，并与旋转连接到所述输出轴（12；30）的齿轮（W1；W2）啮合。

4.根据权利要求3的组件（1），其特征在于，各个机械差速器（6，24）的第一输入轴（8，10）和第二输入轴（26，28）相互共轴，并且与它们所围绕旋转的第一旋转轴线（X2，X4）共轴，并且各个机械差速器（6，24）的输出轴（12；30）与第二旋转轴线（Z2；Z4）共轴，所述输出轴（12；30）能围绕所述第二旋转轴线（Z2；Z4）旋转，并且所述第二旋转轴线（Z2；Z4）相对于所述第一旋转轴线（X2，X4）正交。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的组件（1），其特征在于，所述冠状轮（C1；C2）和所述齿轮（W1；W2）具有圆锥形齿。

6.根据权利要求4所述的组件（1），其特征在于，各个电机减速器组件（2，4）的第一电动机（14，16）和第二电动机（32，34）相互共轴，且与所述第一旋转轴线（X2；X4）共轴。

7.根据权利要求1所述的组件（1），其特征在于，主动轮（18；36）与各个机械差速器（6，24）的输出轴（12；30）旋转连接，所述主动轮（18；36）又通过传动带（20；38）旋转连接到设置为与旋翼飞机的转子（23；41）旋转连接的从动轮（22；40）。

8.根据权利要求1或权利要求7所述的组件（1），其特征在于，所述第一电机减速器组件（2）设置为用于促动旋翼飞机的第一转子（23），以及所述第二电机减速器组件（4）设置为用于促动第二转子（41）。

9.根据权利要求1所述的组件（1），其特征在于，所述第一电机减速器组件（2）和第二电机减速器组件（4）中的每一个的各个电动机（14，16；32，34）具有最高功率，其等于用于驱动负载、尤其是连接到相应电机减速器组件（2，4）的旋翼飞机的转子（23，41）旋转所需的功率的两倍。

10.一种旋翼飞机，其特征在于，包括根据权利要求1到9中的一项或多项所述的推进和运动传递组件（1）。

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