CN104875806A

CN104875806A - 一种单桅杆翼帆

Info

Publication number: CN104875806A
Application number: CN201510336023.4A
Authority: CN
Inventors: 冯凯; 谢少荣; 吴翔; 罗均; 陈继清; 李恒宇
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明公开了一种单桅杆翼帆。它包括一根桅杆、一个帆体、一个翼帆连接件、一个轴承座和两根拉索增长杆，所述桅杆通过方形轴同所述翼帆连接件和所述帆体上的方形孔进行周向固定，所述轴承座底端压住所述帆体后，通过紧定螺钉安装在所述桅杆顶端，所述两根拉索增长杆通过螺栓组固定于所述轴承座上。所述帆体由一个帆座、四个帆腰和一个帆顶通过止口连接而成。沿所述帆座、帆腰和帆顶内壁及桅杆周向安装有高强度的碳素纤维杆，承受翼帆在空气流场中的弯矩和扭矩。本发明结构紧凑、强度高、加工装配简单、便于实施有效的控制策略。

Description

一种单桅杆翼帆

技术领域

本发明涉及一种单桅杆翼帆。

背景技术

单桅杆翼帆是一种在低速空气流场中能产生升阻力的硬帆，可为陆地翼帆探测机器人提供动力，其受风时变形量小，空气动力学参数稳定，通过单桅杆连接，翼帆控制简单，可快速调整翼帆攻角使机器人获得理想推力和侧倾力。

查阅现有国内外文献发现，现有翼帆大多采用铆接结构的梁式机翼，其具有强有力的翼梁和硬质蒙皮，大部分弯矩由翼梁承受，梁腹板承受剪力，蒙皮和腹板组成的盒段承受扭矩，蒙皮也参与翼梁缘条的承弯作用。但铆接结构的梁式机翼的零件数量庞大，将零件结合起来的铆接工作、在最先进的工厂也只达到20%的机械程度，因此制造劳动量大。同时，结构的空气动力外形相对于理论外形的误差很大，从而使探测机器人所得的推力和侧倾力不准确。翼帆加工制造过程复杂，对于小型翼帆采用铆接结构时制造成本过高。

相对于亚音速或超音速空气流场中的机翼，在低速空气流场中的单桅杆翼帆所受弯矩和扭矩较小，为减小制造成本，翼帆材料可选择非金属材料。探测机器人的动力由翼帆产生，所以翼帆不能折断和扭曲，并且用于陆地翼帆探测机器人的翼帆，其质量过大会造成机器人重心过高而易发生倾覆，因此需设计出轻质的高强度翼帆。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在缺陷，提供一种单桅杆翼帆，以满足制造装配简单、质量小、可承受大弯矩和扭矩等多项技术要求，结构紧凑，制造成本低，强度高。

为实现上述目的，本发明的构思是：

设计一个单桅杆支撑的翼帆，桅杆通过方形轴孔配合，使翼帆与桅杆同步转动。翼帆分成六段，各段均为薄壁结构，减轻翼帆质量，采用三维打印技术整体加工后，通过止口相互连接而成，为保证连接可靠，在止口连接处注入高塑性胶。薄壁型翼帆无法承受弯矩和大扭矩，为保证翼帆在空气流场中不发生折断，沿翼帆内壁对称安装高强度的碳素纤维杆，弯矩主要由碳素纤维杆承受；而通过沿桅杆周向安装碳素纤维杆，由其承受翼帆所受到的扭矩。该单桅杆翼帆的质量轻，不会对探测机器人的重心偏移机架过多，可实现机器人的平稳运动。同时，翼帆在空气流场中所受弯矩和扭矩均由高强度的碳素纤维杆承受，翼帆整体强度高，不易发生折断和扭曲变形，能保证其外形轮廓不变，空气动力学特性稳定，便于实施有效的控制策略。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种单桅杆翼帆，包括一根桅杆、一个帆体、一个翼帆连接件、一个轴承座和两根拉索增长杆，所述桅杆通过方形轴同所述翼帆连接件和所述帆体上的方形孔进行周向固定，所述轴承座底端压住所述帆体后，通过紧定螺钉安装在所述桅杆顶端，所述两根拉索增长杆通过螺栓组固定于所述轴承座上。

所述帆体由一个帆座、四个帆腰和一个帆顶构成，所述帆座上端为阴坎，所述帆腰下端为阳坎，上端为阴坎，所述帆顶下端为阳坎；通过在止口连接处注入强塑性胶使所述帆座、帆腰和帆顶间形成不可破坏性连接，构成所述帆体。

所述帆座、帆腰和帆顶下端紧贴内壁对称分布有10个大圆孔，沿方形孔周向对称分布有4个小圆孔，所述帆座、帆腰和帆顶上的大圆孔、小圆孔相对所述桅杆位置相同，通过10根粗碳素纤维杆和4根细碳素纤维杆将所述帆座、帆腰和帆顶连接构成所述帆体。

所述翼帆连接件上周向分布有四个螺纹孔，通过旋配四个螺钉使所述翼帆安装于所述机架上，四个压缩弹簧位于所述翼帆和所述机架间，拧紧或旋松所述螺钉调节所述弹簧的压缩长度，控制所述翼帆相对所述机架的安装高度。

所述拉索增长杆总长略大于所述翼帆弦长，通过两根斜拉索将所述拉索增长杆与所述机架连接，使所述轴承座固定安装于所述机架上。

本发明与现有技术比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明单桅杆翼帆采用非金属材料三维打印通过止口而成，不仅重量轻，而且零件数量少，便于加工，装配简单，制造成本小，利用该翼帆产生推力的探测机器人重心低，机器人不易发生倾覆，运动平稳。

2、本发明单桅杆翼帆通过碳素纤维杆承受其在空气流场中受到的弯矩和扭矩，翼帆强度高，不易发生折断和扭曲，能保证翼帆外形轮廓不变，从而获得的空气动力学参数，便于实施有效的控制策略。

3、本发明单桅杆翼帆采用单桅杆支撑，桅杆与帆体间采用方形轴孔配合，帆体随桅杆同步转动，控制简单，可快速调整翼帆攻角，为机器人提供稳定的推力和侧倾力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中的局部放大图。

图3是图1中翼帆截面的结构示意图。

图4是图1 的轴测图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参考图1，本单桅杆翼帆，它包括一根桅杆3、一个帆体4、一个翼帆连接件11、一个轴承座9和两根拉索增长杆10-A，10-B，其特征在于所述桅杆1通过方形轴同所述翼帆连接件11和所述帆体4上的方形孔进行周向固定，所述轴承座9底端压住所述帆体4后，通过紧定螺钉安装在所述桅杆3顶端，所述两根拉索增长杆10-A，10-B通过螺栓组固定于所述轴承座9上。该翼帆2安装在机架1上，通过电机驱动所述桅杆3转动，实现所述翼帆2攻角的快速调整。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述帆体4由一个帆座5、四个帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和一个帆顶8构成，所述帆座5上端为阴坎，所述帆腰6-A，6-B，6-C，6-D下端为阳坎，上端为阴坎，所述帆顶8下端为阳坎；通过在止口连接处注入强塑性胶使所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8间形成不可破坏性连接，构成所述帆体4。连接牢固，使单桅杆翼帆在高速流场作用下仍可保持外形轮廓，从而获得良好的空气动力学参数。

所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8下端紧贴内壁对称分布有10个大圆孔，沿方形孔周向对称分布有4个小圆孔，所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8上的大圆孔、小圆孔相对所述桅杆3位置相同，通过10根粗碳素纤维杆14-A，14-B，14-C，14-D，14-E，14-F，14-G，14-H，14-I，14-J和4根细碳素纤维杆15-A，15-B，15-C，15-D将所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8连接构成所述帆体4。所述帆体2壁厚2mm，通过紧贴所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8内壁安装所述粗碳素纤维杆14-A，14-B，14-C，14-D，14-E，14-F，14-G，14-H，14-I，14-J，流场对所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8施加的力由所述粗碳素纤维杆14-A，14-B，14-C，14-D，14-E，14-F，14-G，14-H，14-I，14-J承受，大大提高单桅杆翼帆的强度，其在高速流场中不会折断；通过沿所述帆体2方形孔周向安装所述细碳素纤维杆15-A，15-B，15-C，15-D，保证所述帆座5、帆腰6-A，6-B，6-C，6-D和帆顶8的连接处不会因流场作用下产生的扭矩而错位和滑移，始终保持单桅杆翼帆良好的空气动力学特性。

所述翼帆连接件11上周向分布有四个螺纹孔，通过旋配四个螺钉使所述翼帆2安装于所述机架1上，四个压缩弹簧13-A，13-B，13-C，13-D位于所述翼帆2和所述机架1间，拧紧或旋松所述螺钉12-A，12-B，12-C，12-D调节所述弹簧13-A，13-B，13-C，13-D的压缩长度，控制所述翼帆2相对所述机架1的安装高度。

所述拉索增长杆10-A，10-B总长略大于所述翼帆2弦长，通过两根斜拉索7-A，7-B将所述拉索增长杆10-A，10-B与所述机架1连接，使所述轴承座9固定安装于所述机架1上。可实现该高强度的单桅杆翼帆的两端固定，所述桅杆3受力产生挠度小，能为探测机器人提供稳定的推力和侧倾力。

以上具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims

1.一种单桅杆翼帆，包括一根桅杆（3）、一个帆体（4）、一个翼帆连接件（11）、一个轴承座（9）和两根拉索增长杆（10-A，10-B），其特征在于，所述桅杆（3）通过方形轴同所述翼帆连接件（11）和所述帆体（4）上的方形孔进行周向固定，所述轴承座（9）底端压住所述帆体（4）后，通过紧定螺钉安装在所述桅杆（3）顶端，所述两根拉索增长杆（10-A，10-B）通过螺栓组固定于所述轴承座（9）上。

2.根据权利要求1所述的单桅杆翼帆，其特征在于，所述帆体（4）由一个帆座（5）、四个帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）和一个帆顶（8）构成，所述帆座（5）上端为阴坎，所述帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）下端为阳坎，上端为阴坎，所述帆顶（8）下端为阳坎；通过在止口连接处注入强塑性胶使所述帆座（5）、帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）和帆顶（8）间形成不可破坏性连接，构成所述帆体（4）。

3.根据权利要求2所述的单桅杆翼帆，其特征在于，所述帆座（5）、帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）和帆顶（8）下端紧贴内壁对称分布有10个大圆孔，沿方形孔周向对称分布有4个小圆孔，所述帆座（5）、帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）和帆顶（8）上的大圆孔、小圆孔相对所述桅杆（3）位置相同，通过10根粗碳素纤维杆（14-A，14-B，14-C，14-D，14-E，14-F，14-G，14-H，14-I，14-J）和4根细碳素纤维杆（15-A，15-B，15-C，15-D）将所述帆座（5）、帆腰（6-A，6-B，6-C，6-D）和帆顶（8）连接构成所述帆体（4）。

4.根据权利要求1所述的单桅杆翼帆，其特征在于，所述翼帆连接件（11）上周向分布有四个螺纹孔，通过旋配四个螺钉使翼帆（2）安装于机架（1）上，四个压缩弹簧（13-A，13-B，13-C，13-D）位于所述翼帆（2）和所述机架（1）间，拧紧或旋松所述螺钉（12-A，12-B，12-C，12-D）调节所述压缩弹簧（13-A，13-B，13-C，13-D）的压缩长度，控制所述翼帆（2）相对所述机架（1）的安装高度。

5.根据权利要求1所述的单桅杆翼帆，其特征在于，所述拉索增长杆（10-A，10-B）总长大于所述翼帆（2）弦长，通过两根斜拉索（7-A，7-B）将所述拉索增长杆（10-A，10-B）与所述机架（1）连接，使所述轴承座（9）固定安装于所述机架（1）上。