CN104176251B - 一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构 - Google Patents

Abstract

一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，它包括：倾转主轴、舵机固定架、伺服舵机、舵机盘、球头拉杆总成、左、右发动机机座、机座紧固螺栓、发动机固定架、机架紧固螺栓和机座转动轴承；倾转主轴与机身连接；伺服舵机通过舵机固定架连接在倾转主轴上，伺服舵机与舵机固定架之间通过螺钉连接，舵机固定架上设置有松紧装置用于舵机固定架在倾转主轴上的装卸与移动；舵机盘插装在伺服舵机的输出轴上，球头拉杆总成一端连接舵机盘，另一端连接左发动机机座，左、右发动机机座通过机座转动轴承连接到倾转主轴上，左、右发动机机座的轴向和周向定位均通过机座转动轴承来实现；发动机固定架通过四个机架固定螺栓固定在左、右发动机机座上。

Description

一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构

技术领域

本发明属于航空发动机倾转技术领域，具体涉及一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，它是一种可以在较小角度内驱动发动机进行倾转的机构，可应用于小型倾转旋翼机。

背景技术

对于某些小型的倾转旋翼机或者一般的二轴飞行器而言，悬停状态下的俯仰、偏航姿态稳定性要通过在一定范围内倾转发动机使螺旋桨拉力线偏离重心来实现，要保持飞行器的姿态稳定需要有一套灵敏可靠的倾转机构以执行控制器发出的控制指令。

对于倾转旋翼机而言，其本身即有一套倾转机构使得发动机以及螺旋桨能在90度左右的范围内转动，但是如果利用这套机构来执行控制器的控制指令，在倾转旋翼机变换飞行状态、大角度倾转发动机的过程中会导致两种控制指令的耦合，可能会引起控制失灵，不利于飞机控制的稳定性和安全性。为了避免这一问题，提高系统的可靠性，可以将两种动作分开执行，引入一套发动机小角度倾转机构来专门执行控制器维持飞机姿态稳定的指令，从而有效避免控制耦合。

以此为出发点，本发明提出了一种简单可靠的倾转机构设计方案，在机械原理领域属于四连杆机构，具有运动灵活、传力平稳的优势。相比直接用舵机驱动发动机而言，本方案能有效减小舵机所需输出扭矩，减小转动过程中对于舵机产生的冲击，并且降低了对于装配精度的要求，是一种简洁、可靠而实用的方案。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，在倾转旋翼飞行器的悬停模态下，该机构可以在控制器的作用下灵活倾转，使得发动机的拉力线偏离重心以获得俯仰和偏航力矩，维持飞机的姿态稳定；在倾转旋翼飞行器的平飞模态下，该机构可以实现对发动机的锁定。

2、技术方案：本发明的目的通过以下技术方案来实现。

一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，它包括：倾转主轴、舵机固定架、伺服舵机、舵机盘、球头拉杆总成、左、右发动机机座、机座紧固螺栓、发动机固定架、机架紧固螺栓、机座转动轴承。它们之间的位置连接关系是：倾转主轴与机身连接；伺服舵机通过舵机固定架连接在倾转主轴上，其中，伺服舵机与舵机固定架之间通过螺钉连接，舵机固定架上设置有松紧装置用于舵机固定架在倾转主轴上的装卸与移动；舵机盘插装在伺服舵机的输出轴上，两者之间有啮合齿，保证扭矩有效传递，并有螺钉连接以保证紧固；球头拉杆总成一端连接舵机盘，另一端连接左发动机机座，这些连接是通过球头上的螺钉实现的，拉杆的长度可以根据实际情况进行调整；左、右发动机机座通过机座转动轴承连接到倾转主轴上，机座紧固螺栓保证了左、右发动机机座与机座转动轴承的紧密结合，左、右发动机机座的轴向和周向定位均通过机座转动轴承来实现；发动机固定架通过四个机架固定螺栓固定在左、右发动机机座上，它的主要作用是连接发动机与左、右发动机机座，同时起到了保证左、右发动机机座相对位置的作用。

所述倾转主轴是高强度空心轴，它的主要功能是连接机身与发动机并传递发动机的拉力，其上安装有舵机固定架和发动机机座，是主要的连接件。

所述舵机固定架为q形状，分为两片，两片结构完全相同，主要作用是连接伺服舵机与倾转主轴，环形的部分与倾转主轴连接，其上有松紧机构来实现舵机固定架的拆装以及在主轴上的移动，直板部分与伺服舵机连接，其上有三个螺纹孔，用于安装不同类型的伺服舵机。

所述伺服舵机是一个矩形状的动力部件，可以根据控制信号输出运动和扭矩，通过一套执行机构来实现发动机的倾转与锁定。

所述舵机盘是一个带有轴孔、螺纹孔的板状结构件，它与伺服舵机输出轴、球头拉杆总成连接，实现力矩的输出。轴孔中带有啮合齿，与伺服舵机输出轴连接后能实现无滑动转动，伺服舵机转动通过舵机盘拉动(或推动)球头拉杆总成带动发动机机座转动。

所述球头拉杆总成是一套由球头、球头套、螺纹拉杆构成的组合件，它的主要作用是连接舵机盘与发动机机座，受力形式以拉压为主。球头上固有螺钉，用于与舵机盘、发动机机座连接；球头可以在球头套中实现一定角度的转动，另一方面球头套上有一段较长的内螺纹，用以连接螺纹拉杆，螺纹拉杆两端均带有外螺纹，通过松紧该螺纹连接可以实现球头拉杆总成长度的调整。

所述左、右发动机机座分为左、右两个，两者结构上为对称关系，左、右发动机机座上开有阶梯轴孔，其中较小的轴孔用于使倾转主轴得以通过，较大的轴孔用于安放机座转动轴承；在左、右发动机机座的阶梯孔下开有一定宽度的间隙，并有一个与之垂直的通孔，用于安装机座紧固螺栓；在左、右发动机机座的顶部开有两个对称的螺纹孔，用于连接发动机固定架。

所述机座紧固螺栓共两个，是长度较长的螺栓，其主要作用是拉紧发动机机座底部两部分，使得发动机机座与机座转动轴承尽可能紧密的结合。

所述发动机固定架是一个呈X形的镂空结构件，其上有八个通孔，其中外部的四个通孔用于连接左、右发动机机座，内部的四个通孔则是用于连接发动机。发动机固定架的主要作用是连接发动机与左、右发动机机座，同时也起到了保证左、右发动机机座相对位置的作用。

所述机架紧固螺栓共四个，其主要作用是连接发动机固定架与发动机机座。

所述机座转动轴承是标准深沟球轴承，左右两个、成对使用。主要作用是保证左、右发动机机座相对倾转主轴灵活转动，同时起到了对左、右发动机机座进行轴向和周向定位的作用。

本发明的工作过程描述如下：

当倾转旋翼机处于悬停模态时，需要发动机小角度倾转机构调整发动机以及螺旋桨的姿态角以实现整机的俯仰与偏航姿态稳定。根据接收到的控制信号，伺服舵机分别做出左右转动或者保持原位的响应。当伺服舵机转动时，舵机盘随之转动并通过与之相连的球头拉杆总成对发动机机座产生拉力(或压力)，该拉力(或压力)会对倾转主轴产生扭矩，最终表现为驱动发动机机座转动，并带动发动机和螺旋桨转动，使得发动机产生的拉力偏离全机重心，以产生俯仰(两侧发动机同向偏转)和偏航(两侧发动机反向偏转)控制力矩，实现整机俯仰和偏航姿态稳定。

当倾转旋翼机处于或即将进入平飞模态时，需要锁定发动机小角度倾转机构以保证飞行的稳定可靠。此时，控制器对伺服舵机发出保持原位的指令，伺服舵机归中，发动机回到预定角度，在倾转过程中和平飞状态下，由于发动机机座、发动机以及螺旋桨这一整套机构重心不可能与倾转主轴轴心完全重合，故其自重会产生相对倾转主轴的扭矩，这个扭矩通过球头拉杆总成和舵机盘传递到伺服舵机输出轴，并在此处平衡；发动机与螺旋桨受到外界干扰时的传力路线和平衡方式与之类似。以此保证平飞过程中的发动机角度稳定。

本发明通过一套简单可靠的机构实现了对发动机角度的调整，具有较强的可实现性和较大的使用价值。

本发明的优点是：

1.以四连杆结构为原始力学模型，具有传力平稳、运动可靠的优点，有利于保证控制的灵活性。

2.机构简单高效，可靠性高，摒弃了复杂设计，零件数目少且受力合理，保证了机构的寿命和可靠性。

3.便于实现、应用范围广，本机构并没有很高的技术门槛，比较容易实现，有望在小型倾转旋翼机上广泛使用。

附图说明

图1是本发明的三维示意图；

图2是本发明的右视图；

图3是本发明计算机模拟分析得出的马达力矩示意图；

图4是本发明计算机模拟分析得出的输入角速度示意图；

图5是本发明计算机模拟分析得出的输出角速度示意图。

图中：1-倾转主轴，2-舵机固定架，3-伺服舵机，4-舵机盘，5-球头拉杆总成，6-发动机机座，7-机座紧固螺栓，8-机架紧固螺栓，9-发动机固定架，10-机座转动轴承。

具体实施方式

本实施方式以某小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构为例，说明该倾转机构各零件的设计及工作原理。

图1是该机构的三维示意图，图2是其右视图。

本发明一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，它包括：倾转主轴1、舵机固定架2、伺服舵机3、舵机盘4、球头拉杆总成5、发动机机座6(左、右两个)、机座紧固螺栓7、机架紧固螺栓8、发动机固定架9、机座转动轴承10。如图1所示，它们之间的位置连接关系是：倾转主轴1一端连接机身(图中未画出)一端连接该机构；其中，伺服舵机3通过两片舵机固定架2连接在倾转主轴1上，舵机固定架2上有松紧螺栓(图中未画出)，通过旋拧该螺栓可以调整舵机固定架2的环形部分的松紧以实现舵机固定架2的拆装和移动，每片舵机固定架2上都有三个螺纹孔，伺服舵机3上有两个固定耳片，每个耳片上有两个通孔，这样伺服舵机3便可通过螺钉(图中未画出)与舵机固定架2连接；舵机盘4上有轴孔和螺纹孔，舵机盘4插装在伺服舵机3的输出轴上，轴孔有内齿可与伺服舵机3的输出轴外齿啮合，保证两者之间不发生滑动以传递扭矩；球头拉杆总成5的两球头上均固有螺钉，其中一个旋接在舵机盘4的螺纹孔上，另外一个旋接在发动机机座6上，拉杆的长度可以根据实际情况进行调整；发动机机座6分为左右两个，分别通过两个机座转动轴承10连接到倾转主轴1上(如图2所示)，两个机座紧固螺栓7保证了发动机机座6与机座转动轴承10的紧密结合；发动机固定架9通过四个机架紧固螺栓8连接在发动机机座6上，其内部的四个孔用于连接发动机(图中未画出)。

倾转主轴1是高强度空心轴，其本身可以在略大于90°的范围内转动，实现倾转旋翼机悬停模态与平飞模态的转换，它的主要功能是连接机身(图中未画出)与发动机(图中未画出)并传递发动机的拉力，其上安装有舵机固定架2和发动机机座6，是主要的连接件。

舵机固定架2分为两片，两片结构完全相同，主要作用是连接伺服舵机3与倾转主轴1，环形的部分与倾转主轴1连接，通过调整螺栓改变环形部分的松紧来实现舵机固定架2的拆装以及在倾转主轴1上的移动，直板部分与伺服舵机3连接，其上有三个螺纹孔，用于安装不同类型的伺服舵机3。

伺服舵机3是一个矩形状的动力部件，可以根据控制信号输出运动和扭矩，通过与之相连的舵机盘4、球头拉杆总成5可将该运动和扭矩传递至发动机机座6。

舵机盘4是一个带有轴孔、螺纹孔的板状结构件，轴孔中带有啮合齿，与伺服舵机3输出轴连接后能实现无滑动转动，螺纹孔用于旋接球头拉杆总成5的球头。它与伺服舵机3输出轴、球头拉杆总成5连接，实现力矩的输出；伺服舵机3转动通过舵机盘4拉动(或推动)球头拉杆总成5带动发动机机座6转动。

球头拉杆总成5是一套由球头、球头套、螺纹拉杆构成的组合件，它的主要作用是连接舵机盘4与发动机机座6，受力形式以拉压为主。球头上固有螺钉，用于与舵机盘4、发动机机座6连接；球头可以在球头套中实现一定角度的转动，另一方面球头套上有一段较长的内螺纹，用以连接螺纹拉杆，螺纹拉杆两端均带有外螺纹，通过松紧该螺纹连接可以实现球头拉杆总成5长度的调整。两端球头的连接方式保证了球头拉杆总成5能在一定范围内实现灵活的空间运动。

发动机机座6分为左右两个，两者结构上为对称关系，主要表现为：该发动机机座6上开有阶梯轴孔，其中较小的轴孔用于使倾转主轴1得以通过，两者之间留有一定间隙，较大的轴孔则是一个轴承孔，用于安放机座转动轴承10，在尺寸设计上保证了机座转动轴承10位于发动机机座6中央；对于左发动机机座而言，小轴孔在其左侧，较大的轴承孔在其右侧，右发动机机座刚好与之相反，这样的设计实际上起到了轴向定位的作用。注意到，在左右发动机机座6的阶梯孔下开有一定宽度的间隙，并有一个与之垂直的通孔，用于安装机座紧固螺栓7；在发动机机座6的顶部开有两个螺纹孔，用于连接发动机固定架9；在左机座的左侧面开有螺纹孔，用于连接球头拉杆总成5的球头。

机座紧固螺栓7共两个，是长度较长的螺栓，其主要作用是拉紧发动机机座6底部两部分，使得发动机机座6与机座转动轴承10尽可能紧密的结合。

机架紧固螺栓8共四个，其主要作用是连接发动机固定架9与发动机机座6。

发动机固定架9是一个呈X形的镂空结构件，其上有八个通孔和一个轴孔，其中外部的四个通孔通过四个机架紧固螺栓8连接于发动机机座6，内部的四个通孔则是用于连接发动机(图中未画出)。发动机固定架9的主要作用是连接发动机(图中未画出)与发动机机座6，同时也起到了保证左右两片发动机机座6相对位置的作用。

机座转动轴承10是标准深沟球轴承，左右两个、成对使用。主要作用是保证发动机机座6相对倾转主轴1灵活转动，同时起到了对发动机机座6进行轴向和周向定位的作用。

本发明小型倾转旋翼机发动机小角度倾转机构，可工作于两种模态：

1.倾转旋翼机的悬停模态

该模态下，飞行控制器(图中未画出)需要根据飞机的姿态角发出控制指令保持其姿态稳定，其中，俯仰和偏航姿态分别通过同向和反向倾转发动机来实现(其机理是使发动机拉力线偏离重心以获得控制力矩)。接收到飞行控制器信号后，伺服舵机3开始旋转，舵机盘4随之转动，并拉动(或推动)球头拉杆总成5，最终拉力(或压力)作用于发动机机座6上，该拉力(或压力)对倾转主轴1产生扭矩作用，最终驱动发动机机座6带动发动机及螺旋桨(图中未画出)转动，实现发动机的倾转。旋转过程中发动机机座6上的球头连接点与舵机盘4并不在同一平面上，球头拉杆总成5是在做空间运动，球头的连接方式使得这种运动能灵活进行，但也决定了该机构的转动范围不能太大。

2.倾转旋翼机的平飞模态

在倾转旋翼机处于平飞模态或者即将进入平飞模态时，需要发动机锁死以保证飞行的稳定安全和可靠。此时，飞行控制器对伺服舵机3发出保持原位的指令，伺服舵机3归中，发动机(图中未画出)回到预定角度，在倾转过程中(即倾转旋翼机由悬停模态转换到平飞模态)和平飞状态下，由于发动机机座6、发动机以及螺旋桨这一整套机构重心不可能与倾转主轴轴心完全重合，故其自重会产生相对倾转主轴1的扭矩，这个扭矩通过球头拉杆总成5和舵机盘4传递到伺服舵机3的输出轴，并在此处平衡；发动机与螺旋桨受到外界干扰时的传力路线和平衡方式与之类似。以此保证平飞过程中的发动机角度稳定。

通过SolidWorks软件对该机构进行了完整建模并进行了运动仿真，对其受力特点和运动特性进行了分析和评估。

设定伺服舵机3做正弦运动，在考虑惯性的情况下得出了马达力矩即伺服舵机受力情况的变化趋势，在图3中可以看到机构刚开始运动时，由于每个构件的初始速度均为零，会产生一定程度的冲击载荷，伺服舵机3承受的扭矩较大。此后，伺服舵机3承受的力矩均较为平稳且保持在一个较低的水平上，这说明该机构在运动过程中，伺服舵机3受力情况较为合理，没有较大的冲击，有利于提高系统的寿命。另一方面，如图4和图5所示，当输入运动为正弦运动时，输出运动也是正弦运动(正负的不同由飞行控制器内部的软件坐标系选择方式产生)，不存在频率和相位上的差别。这说明该机构的输出运动可由输入运动完全确定，且两者的形式具有很强的相似性，这对于控制稳定是非常有利的。

根据以上分析可知，该机构在构件受力情况和运动的可控性方面均具有较大的优势，又有简洁可靠、易于实现的特点，具有很好的使用和推广价值。

Claims (1)

1.一种用于小型倾转旋翼机的发动机小角度倾转机构，其特征在于：它包括：倾转主轴、舵机固定架、伺服舵机、舵机盘、球头拉杆总成、左、右发动机机座、机座紧固螺栓、发动机固定架、机架紧固螺栓和机座转动轴承；倾转主轴与机身连接；伺服舵机通过舵机固定架连接在倾转主轴上，其中，伺服舵机与舵机固定架之间通过螺钉连接，舵机固定架上设置有松紧装置用于舵机固定架在倾转主轴上的装卸与移动；舵机盘插装在伺服舵机的输出轴上，两者之间有啮合齿，保证扭矩有效传递，并有螺钉连接以保证紧固；球头拉杆总成一端连接舵机盘，另一端连接左发动机机座，所述球头拉杆总成一端连接舵机盘的连接以及另一端连接左发动机机座中的连接是通过球头拉杆总成中球头上的螺钉实现，拉杆的长度根据实际情况进行调整；左、右发动机机座通过机座转动轴承连接到倾转主轴上，机座紧固螺栓保证左、右发动机机座与机座转动轴承的紧密结合，左、右发动机机座的轴向和周向定位均通过机座转动轴承来实现；发动机固定架通过四个机架固定螺栓固定在左、右发动机机座上，发动机固定架的作用是连接发动机与左、右发动机机座，同时起到了保证左、右发动机机座相对位置的作用；

所述倾转主轴是高强度空心轴，它的功能是连接机身与发动机并传递发动机的拉力，其上安装有舵机固定架和发动机机座，是主要的连接件；

所述舵机固定架为q形状，分为两片，两片结构完全相同，其作用是连接伺服舵机与倾转主轴，环形的部分与倾转主轴连接，其上有松紧机构来实现舵机固定架的拆装以及在倾转主轴上的移动，直板部分与伺服舵机连接，其上有三个螺纹孔，用于安装不同类型的伺服舵机；

所述伺服舵机是一个矩形状的动力部件，根据控制信号输出运动和扭矩，通过一套执行机构来实现发动机的倾转与锁定；

所述舵机盘是一个带有轴孔、螺纹孔的板状结构件，它与伺服舵机输出轴、球头拉杆总成连接，实现力矩的输出；轴孔中带有啮合齿，与伺服舵机输出轴连接后能实现无滑动转动，伺服舵机转动通过舵机盘拉动球头拉杆总成带动发动机机座转动；

所述球头拉杆总成是一套由球头、球头套、螺纹拉杆构成的组合件，它的作用是连接舵机盘与发动机机座，受力形式以拉压为主；球头上固有螺钉，用于与舵机盘、左、右发动机机座连接；球头在球头套中实现一定角度的转动，另一方面球头套上有一段较长的内螺纹，用以连接螺纹拉杆，螺纹拉杆两端均带有外螺纹，通过松紧该螺纹连接实现球头拉杆总成长度的调整；

所述左、右发动机机座分为左、右两个，两者结构上为对称关系，左、右发动机机座上开有阶梯轴孔，其中较小的轴孔用于使倾转主轴得以通过，较大的轴孔用于安放机座转动轴承；在左、右发动机机座的阶梯孔下开有一定宽度的间隙，并有一个与阶梯孔垂直的通孔，用于安装机座紧固螺栓；在左、右发动机机座的顶部开有两个对称的螺纹孔，用于连接发动机固定架；

所述机座紧固螺栓是两个长度较长的螺栓，其作用是拉紧左、右发动机机座底部两部分，使得左、右发动机机座与机座转动轴承尽可能紧密的结合；

所述发动机固定架是一个呈X形的镂空结构件，其上有八个通孔，其中外部的四个通孔用于连接左、右发动机机座，内部的四个通孔则是用于连接发动机；发动机固定架的作用是连接发动机与左、右发动机机座，同时也保证左、右发动机机座相对位置的作用；

所述机架紧固螺栓共四个，其主要作用是连接发动机固定架与左、右发动机机座；

所述机座转动轴承是标准深沟球轴承，左右两个成对使用；其作用是保证左、右发动机机座相对倾转主轴灵活转动，同时起到对左、右发动机机座进行轴向和周向定位的作用。