CN104326089A - 一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其构成包括涵道和升力风扇，所述升力风扇环括在所述涵道内，以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，涵道关于中轴线对称布置；涵道位于发动机上方，通过发动机驱动其旋转；涵道下方设计导风道，引导风流吹向发动机的气缸。本发明在冷却发动机的同时，利用此功率为无人驾驶直升机提供了部分额外升力和反扭力，使无人驾驶直升机的有效载荷更大，效率更高。

Description

一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置

技术领域

本发明属于无人驾驶直升机领域，具体涉及一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置

背景技术

由于小型无人机具有成本低、容易维护、灵活机动好等优势，在自然灾害的监视与救援、边境巡逻与控制、勘探、电力系统线路巡检等很多领域里无人机都起到了举足轻重的作用。近年来，尤其作为现代农业植保技术的最新发展和前沿技术，无人机低空施药技术发展前景广阔。无人驾驶直升机是一个技术要求高、可靠性要求高、操纵难度大的复杂系统。利用无人驾驶直升机进行航拍、测绘、侦查、植保施药等作业时，作业效果受各种因素影响明显，对作业平台提出了很高的要求。无人驾驶直升机升力的大小和控制方式是影响无人驾驶直升机工作性能的关键。目前，无人驾驶直升机动力系统的冷却方式有风冷和液冷两种。对于大功率强制风冷的无人直升机动力系统通常需要设计专用的冷却风扇，而传统的冷却风扇体积大、通气量少、损耗功率大。同时，中小型无人直升机对动力系统的效率提出更高的要求，充分提高动力系统的效率和直升机的升重比成为提高无人驾驶直升机性能的重要途径。

现有的动力系统强制风冷装置多采用普通叶片或离心叶片，能实现为发动机降温冷却的功能，但是该类型冷却装置并未实现对损耗功率的有效利用，未能在实现把该部分功率在为发动机提供风冷冷却的同时提供无人驾驶直升机升力、反扭力等功能。

现有的单旋翼无人驾驶直升机的反扭力，通常是通过设计一个尾旋翼装置来提供反扭力的。此类尾旋翼装置能实现产生(相对无人驾驶直升机纵轴线)与主旋翼旋转方向相同的扭矩，从而克服主旋翼阻力(相对无人驾驶直升机纵轴线)所产生的扭矩。这类装置布置于主旋翼外，机构复杂、尺寸较大，消耗功率大、功率利用率不高。

发明内容

本发明公开了一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，利用冷却发动机的功率，为无人驾驶直升机提供了部分额外升力和反扭力，使无人驾驶直升机的有效载荷更大，动力系统的利用率更高。

本发明的技术方案为：

一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其特征在于，包括涵道49和升力风扇53，所述升力风扇53设置在所述涵道49内，涵道通过安装支架固定于发动机上方，升力风扇由发动机驱动，升力风扇的旋转方向与主旋翼的旋转方向相反；涵道下方设有导风道，引导气流吹向发动机的气缸。

进一步地，所述涵道和升力风扇为1个；以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，涵道关于中轴线对称布置，所述升力风扇由发动机直接驱动。

进一步地，所述涵道和升力风扇为2个，以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，所述涵道对称布置于无人驾驶直升机中轴线的两侧，所述升力风扇由发动机通过传动部件驱动旋转。

进一步地，所述传动部件为传动皮带、齿轮和轴中的任一种。

以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，涵道关于中轴线对称布置，使无人驾驶直升机在滚转控制方向受力平衡，保证了无人驾驶直升机滚转控制的稳定性和方便设计时布置无人驾驶直升机的重心。

所述辅助升力-反扭力-冷却功能装置的工作原理：发动机驱动所述主旋翼和尾翼旋转，使无人驾驶直升机获得大部分的升力和反扭力，同时发动机驱动辅助升力-反扭力-冷却功能装置的升力风扇旋转，使升力风扇的叶片对涵道内的气流做功，使气流获得动量，同时升力风扇获得一定量的拉力，该拉力垂直于机身(即升力)；在升力风扇获得升力的同时，会产生与旋转方向相反的阻力，最终转换为与其旋转方向相反的扭矩，由于主旋翼与升力风扇的旋转方向相反，空气对升力风扇所产生的反扭矩刚好可以抵消一部分空气对主旋翼所产生的反扭矩。与此同时，涵道内的气流经涵道的引导，垂直吹向发动机的气缸，对发动机实现强制风冷的效果。

有益效果：

1)本发明相对传统风冷发动机的冷却风扇，通气量更大，保证了发动机的效果。

2)本发明在不额外消耗发动机功率的前提下，为无人驾驶直升机提供了部分额外升力，使无人驾驶直升机的有效载荷更大。

3)本发明在不额外消耗发动机功率的前提下，为无人驾驶直升机提供了部分额外的反扭力，使得尾旋翼的尺寸得以减小，效率更高。

附图说明

图1本发明的无人驾驶直升机结构示意图

图2本发明实例中主旋翼系统的结构示意图

图3本发明实例中主旋翼系统内部结构示意图

图4本发明实例中无人驾驶直升机4通道混合控制倾斜盘装置结构示意图

图5本发明实例中无人驾驶直升机的启动装置结构示意图

图6本发明实例中无人驾驶直升机的机身框架结构示意图

图7本发明实例中机身框架的侧板结构示意图

图8本发明实例中无人直升机传动系统结构示意图

图9本发明实例中减速箱内部结构示意图

图10本发明实例中辅助升力-反扭力-冷却功能装置结构示意图

图11本发明实例中单个辅助升力-反扭力-冷却功能装置结构示意图

图12本发明实例中无人驾驶直升机起落装置结构示意图

图13本发明实例中无人驾驶直升机尾旋翼装置结构示意图

图中：

1、主旋翼头       12、尾旋翼装置    24、端面止推轴承

2、主旋翼         13、机身框架      25、旋转杯体

3、倾斜盘装置     14、变距摇臂      26、固定杯体

4、减速箱         15、主桨夹        27、第一舵机

5、启动装置       16、主旋翼垫片    28、第二舵机

6、辅助升力-反扭  17、旋翼头中联    29、舵机安装支架力-冷却功能装置          18、主轴          30、变距拉杆

7、发动机         19、摆振铜套      31、动作拉杆

8、排气管         20、支撑轴承      32、双环剪型臂

9、起落架         21、挥舞减震垫    33、单环剪型臂

10、尾旋翼        22、横轴          34、止转导轨

11、尾管          23、挥舞铰支柱    35、第三舵机

36、第四舵机      48、从动齿轮      61、变距滑套

37、机身侧板      49、涵道          62、铜轴套

38、辅助升力-反   50、高速平带主动  63、开口止转臂扭力-冷却功能装置安    轮                  64、尾舵盘摇臂装支架                   51、平带张紧轮    65、尾轴

39、发动机安装板  52、平带从动轮    66、尾中联

40、机身支柱      53、升力风扇      67、启动齿轮盘

41、离合器        54、起落架固定块  68、启动电机

42、一级同步轮    55、拱形弯管      69、启动电机减速

43、同步带        56、弓形支架   箱

44、二级同步轮    57、锁尾舵机      70、启动机安装支

45、减速箱下盖    58、尾桨夹    架

46、减速箱上盖    59、尾变距拉杆    71、超越齿轮

47、齿轮轴        60、联轴臂

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1，所示的一种采用辅助升力-反扭力-冷却功能装置冷却发动机并采用4通道混合控制倾斜盘的无人驾驶直升机结构示意图，其特征在于：包括主旋翼头1、主旋翼2、倾斜盘装置3、减速箱4、启动装置5、至少一个辅助升力-反扭力-冷却功能装置6、发动机7、排气管8、起落架9、尾旋翼10、尾管11、尾旋翼装置12和机身框架13。所述主旋翼头1安装在所述减速箱4的上方；所述主旋翼2安装在主旋翼头的两端；所述4通道倾斜盘控制装置3安装在主旋翼头的下方，固定在减速箱的上方；所述启动装置5安装在所述机身框架13的前部，发动机7的上方；所述发动机7通过悬挂方式安装在机身框架的前部，所述起落架9安装在机身框架的下方，所述尾管11安装在机身框架的后部，其后端与所述尾旋翼装置12固定，所述尾旋翼安装在尾旋翼装置的尾桨夹两端。

如图2和图3，本发明中无人驾驶直升机主旋翼系统的结构示意图，所述主旋翼头包括变距摇臂14、主桨夹15、主旋翼垫片16、旋翼头中联17、主轴18、摆振铜套19、支撑轴承20、挥舞减震垫21、横轴22、挥舞铰支柱23和端面止推轴承24。所述变距摇臂14安装在所述主桨夹15的侧端面上，为使变距工作行程范围上下对称，变距摇臂的安装平面与所述主旋翼垫片16的端面垂直，所述主桨夹15的数量为2个；所述旋翼中联17安装在所述主轴18上，旋翼头中联是一个T型结构的空心构件，其下端用于固定主轴，上端内安装有若干轴承和轴套，用于固定所述横轴22和挥舞减震垫21；主桨夹15安装在横轴的两端与旋翼头中联相连；所述挥舞铰支柱23是一个铰链式支撑结构，安装在旋翼头中联中间，用于承载旋盘的垂直力矩，当主旋翼上下挥舞时，挥舞铰支柱同两端的支撑轴承20把垂直方向的力转移到旋翼头中联上。

如图1和4，所述倾斜盘装置3，包括变距拉杆30、动作拉杆31、倾斜盘、双环剪型臂32、单环剪型臂33、止转导轨34、4个舵机和一个控制器。其中，倾斜盘包括旋转杯体25和固定杯体26，所述变距拉杆与倾斜盘旋转杯体通过关节轴承相连。

所述4通道混合操纵倾斜盘的4个舵机相对主旋翼的主轴中心成平均分布。舵机的动作摇臂与动作拉杆下端相连，动作拉杆通过关节轴承与倾斜盘固定杯体连接，成十字型布置。

所述的4个舵机，通过舵机安装板安装固定在传动系统的减速箱箱体上方。

所述导向剪型臂有两组，每组包括一个双环剪型臂32、一个单环剪型臂33和关节轴承，所述两组剪型臂相对主轴对称布置，双环剪型臂与主旋翼中联相连，单环剪型臂通过关节轴承与倾斜盘旋转杯体相连，两组剪型臂对称安装，形成的平面与两个变距拉杆形成的平面垂直。

所述4通道混合操纵倾斜盘的4个舵机相对主旋翼的主轴轴心上一点呈中心对称分布；

以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，第一舵机与第四舵机安装位置的连线与中轴线呈正45度角，第二舵机与第三舵机安装位置的连线与中轴线呈负45度角【第一、第二舵机靠近机头；第三、第四舵机靠近机尾】；或者以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，第一舵机与第四舵机安装位置的连线与中轴线呈0度角，第二舵机与第三舵机安装位置的连线与中轴线呈90度角【第一舵机靠近机头；第四舵机靠近机尾；第二舵机在中轴线左侧，第三舵机在中轴线右侧】。

所述止转导轨固定安装在舵机的安装支架上，同时通过一个止转销固定于固定杯体，用于抑制倾斜盘固定杯体旋转。

所述双环剪型臂和单环剪型臂活动连接，活动角度为35-145度。

所述止转导轨34平行于主轴固定安装在舵机安装支架29上，固定杯体后方安装有一个止转销，止转销插入止转导轨上的销槽内，止转导轨和止转销用于抑制固定杯体旋转。

4通道混合操纵倾斜盘工作原理：A、主旋翼总距控制：通过控制器控制所述4个舵机同时向上或向下运动时，4个舵机的动作拉杆同时向相同方向运动，带动倾斜盘水平上升或者下降，倾斜盘通过变距拉杆推动主旋翼叶片向相同方向偏转，从而实现变距操作。B、45度夹角安装的4通道混合控制倾斜盘系统循环变距操作：通过控制器控制，当4个舵机的第一和第二舵机驱动动作拉杆向下(或向上)运动，第三和第四舵机驱动动作拉杆向上(或向下)运动，使倾斜盘向前(或向后)倾斜，从而实现无人驾驶直升机的俯仰操纵；当通过控制器控制4个舵机中的第一和第三舵机驱动动作拉杆向上(或向下)运动、舵机中的第二和第四舵机驱动动作拉杆向下(或向上)运动，使倾斜盘向左(或向右)倾斜，从而实现无人驾驶直升机的滚转操纵。C、0度夹角安装的4通道混合控制倾斜盘系统循环变距操纵：通过控制器控制，第二、第三舵机保持位置不动，第一舵机驱动对应的动作拉杆向下(或向上)运动，第四舵机驱动对应的动作拉杆向上(或向下)运动时，倾斜盘向前(或向后)倾斜，从而实现无人驾驶直升机的俯仰操纵；当第一、第四舵机保持位置不动，第二舵机驱动对应的动作拉杆向下(或向上)运动，第三舵机驱动对应的动作拉杆向上(或向下)运动时，倾斜盘向左(或向右)倾斜，从而实现无人驾驶直升机的滚转操纵。

如图5所示，本发明中无人驾驶直升机的启动装置结构示意图，所述启动装置5包括启动电机68、超越离合器、启动电机减速箱69、超越齿轮71、启动齿轮盘67和启动器安装支架70；所述启动电机68连接启动减速齿轮箱69，启动减速齿轮箱内安装有超越离合器，所述超越齿轮连接在启动减速齿轮箱外侧。

启动装置工作原理:启动电机工作时超越齿轮由螺旋纹推动往前甩出与固定在发动机7输出轴上的启动齿轮盘啮合从而驱动发动机转动，启动电机停止转动时，超越齿轮在减速齿轮箱前端的弹簧推动下自动脱离接触齿轮盘。

如图1、6和7所示，本发明中无人驾驶直升机机身框架的结构示意图。机身框架13包括两张用于支撑和安装部件的机身侧板37、安装在机身侧板前方的辅助升力-反扭力-冷却功能装置安装支架38、安装启动器的启动器安装支架70、用于安装固定发动机的发动机安装板39和机身支柱。所述机身侧板如图7，机身侧板左右结构相同，开有减重孔，前下端开口为发动机安装缺口，通过此开口可实现发动机的快速拆装。所述机身支柱40的数量为3。

如图1、8和9，本发明中无人驾驶直升机的传动系统结构示意图。所述传动系统包括安装在发动机输出轴上的离合器41、离合器前端的一级同步轮42、同步带43、二级同步轮44、安装在机身框架上方的减速箱，其中减速箱包括减速箱上盖46、减速箱下盖45、减速箱内连接二级同步轮的齿轮轴47和减速箱内的从动齿轮48，从动齿轮通过键与主轴相连。减速箱内设有储油槽和减重孔。

图11本发明中单个辅助升力-反扭力-冷却功能装置结构示意图。

辅助升力-反扭力-冷却功能装置包括涵道49和升力风扇53，所述升力风扇环括在所述涵道内，涵道通过安装支架固定于发动机上方，升力风扇通过发动机驱动旋转，旋转方向与主旋翼旋转方向相反；涵道下方设计导风道，引导风流吹向发动机的气缸。

所述辅助升力-反扭力-冷却功能装置的数量可以为1个。

所述辅助升力-反扭力-冷却功能装置的数量为1个时，所述涵道位于发动机上方，以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，涵道关于中轴线对称布置，所述升力风扇安装在涵道内，由发动机直接驱动，旋转方向与主旋翼旋转方向相反，涵道下方设计导风道，引导风流吹向发动机的气缸。涵道关于中轴线对称布置，使无人驾驶直升机在滚转控制方向受力平衡，保证了无人驾驶直升机滚转控制的稳定性和方便设计时布置无人驾驶直升机的重心。

为了保证无人驾驶直升机俯仰和滚转操纵力矩的平衡，所述涵道的进风口和出风口的方向与机身垂直设置。

涵道的出风口所输送的气流，流向发动机的气缸。

所述辅助升力-反扭力-冷却功能装置的工作原理：发动机驱动所述主旋翼和尾翼旋转，使无人驾驶直升机获得大部分的升力和反扭力，同时发动机驱动辅助升力-反扭力-冷却功能装置的升力风扇旋转，使叶片对涵道内的气流做功，使气流获得动量，同时升力风扇获得一定量的拉力，该拉力垂直于机身(即升力)；在升力风扇获得升力的同时，会产生与旋转方向相反的阻力，最终转换为与其旋转方向相反的扭矩，由于主旋翼与升力风扇的旋转方向相反，升力风扇所产生的扭矩刚好可以抵消一部分由主旋翼所产生的扭矩(即产生反扭力)。与此同时，涵道内的气流经涵道的引导，垂直吹向发动机的气缸，对发动机实现强制风冷的效果。

如图12本发明中无人驾驶直升机起落装置结构示意图，所述起落装置包括拱形弯管55、弓形支架56和起落架固定块54。拱形弯管55通过支架机构连接到弓形支架56的下端，弓形支架56通过L型起落架固定块54安装到机身侧板的下端。所述拱形弯管的数量为2，所述弓型支架的数量为2，所述L型起落架固定块的数量为4。

如图13本发明中无人驾驶直升机尾旋翼装置结构示意图。所述尾旋翼装置通过尾管内的同步带传动至发动机，由发动机提供动力。所述尾旋翼装置包括锁尾舵机57、尾桨夹58、尾变距拉杆59、联轴臂60、变距滑套61、铜轴套62、开口止转臂63、尾轴65和尾中联66.所述尾桨夹58数量为2，安装在所述尾中联66的两端，尾中联安装在尾轴上。锁尾舵机通过控制位舵盘摇臂64的角度练的安装在其外侧的开口止转臂63推动变距滑套61带动联轴臂60前后移动，再通过尾变距拉杆来改变尾桨夹的倾转角，从而控制尾旋翼的螺距。

实施例2：

实施例2的结构与实施例1结构基本相同，不同之处在于：

所述涵道和升力风扇为2个，以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，所述涵道对称布置于无人驾驶直升机中轴线的两侧，，保证无人驾驶直升机滚转控制的稳定性和易于布置无人驾驶直升机的重心，所述升力风扇由发动机通过传动部件驱动旋转，保持所有所述升力风扇的旋转方向与主旋翼旋转方向相反。所述传动部件为传动皮带、齿轮和轴中的任一种。本实施例的辅助升力-反扭力-冷却功能装置结构如图10所示。

Claims (4)

1.一种无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其特征在于，包括涵道(49)和升力风扇(53)，所述升力风扇(53)设置在所述涵道(49)内，涵道通过安装支架固定于发动机上方，升力风扇由发动机驱动，升力风扇的旋转方向与主旋翼的旋转方向相反；涵道下方设有导风道，引导气流吹向发动机的气缸。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其特征在于，所述涵道和升力风扇为1个；以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，涵道关于中轴线对称布置，所述升力风扇由发动机直接驱动。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其特征在于，所述涵道和升力风扇为2个，以无人驾驶直升机前进方向为中轴线，所述涵道对称布置于无人驾驶直升机中轴线的两侧，所述升力风扇由发动机通过传动部件驱动旋转。

4.根据权利要求3所述的无人驾驶直升机的辅助升力-反扭力-冷却功能装置，其特征在于，所述传动部件为传动皮带、齿轮和轴中的任一种。