CN104908976A - 一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，包括内轴、外轴、作动器组、下操纵系统、上操纵系统、上旋翼桨毂和下旋翼桨毂；上旋翼桨毂包括第一桨毂座和通过全铰接方式设于第一桨毂座的第一桨叶臂；下旋翼桨毂包括第二桨毂座和通过全铰接方式设于第二桨毂座的第二桨叶臂；上操纵系统与第一桨叶臂连接，下操纵系统与所述第二桨叶臂连接，上操纵系统与下操纵系统通过中间拉杆相连接，作动器组与下操纵系统连接，操纵第一桨叶臂和第二桨叶臂的同步运动。本发明能够实现共轴双旋翼的总距操纵和周期变距，有效地完成共轴双旋翼上下旋翼气动特性、旋翼动稳定性、旋翼动部件载荷等多项直升机动力学试验。

Description

一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构

技术领域

本发明涉及直升机综合试验领域，特别是涉及一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构。

背景技术

与单旋翼带尾桨直升机相比，共轴式双旋翼直升机最大的特点是靠上下旋翼反转平衡扭矩，所以不再需要尾桨。从总体结构上，由于无尾桨，所以不需要过长的尾梁和复杂的传动系统，消除了单旋翼直升机存在的尾桨故障隐患和在飞行中因尾梁里的振动变形引起的尾桨传动机构的故障隐患，从而提高了直升机的生存性。从气动特性上，共轴双旋翼直升机有两副旋翼产生升力，所以可以缩短旋翼尺寸，减小总体尺寸；没有用于平衡反扭矩的尾桨功率消耗，功率消耗更合理；在空气动力学上是对称的，可以有效地消除偏航影响，并不易受横风的影响；具有较大的俯仰、横滚控制力矩，机动性更佳。共轴直升机由于其诸多优势，所以在舰载直升机和复合式高速直升机有着广阔的应用前景。共轴双旋翼直升机的一些特性比如上下旋翼的气动干扰有必要进行试验研究。国内只有北京航空航天大学在研制小型共轴双旋翼直升机，关于共轴双旋翼直升机的试验研究更是少之又少，因此试验数据匮乏，使得很多数学建模的正确性难以得到验证，阻滞了共轴双旋翼直升机的研发。因此有必要建立合适的共轴双旋翼试验台，使机构最简化，既节省成本，又能得到理想的试验数据。

试验台的设计最简单有效的方式就是移植真实直升机的旋翼机构，但是往往不太现实，因为真实旋翼机构过于复杂。本专利发明中的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构是基于俄罗斯卡莫夫设计局的“卡”系列共轴式直升机旋翼操纵机构，并对其按试验需求进行了最大程度的简化，简单实用。俄罗斯卡莫夫设计局研制的“卡”系列直升机，它们基本上都是双旋翼共轴式布局。其共轴结构为内，外轴结构，内外轴靠齿轮传动机构实现同速反转。内外轴为空心细长轴，下旋翼桨毂固定在外轴上，内轴从外轴内伸出，用于固定安装上层旋翼桨毂。卡式直升机的旋翼操纵机构可以实现总距操纵，周期变距和航向操纵。为了实现航向操纵，需要改变上下旋翼的扭矩，造成上下扭矩差。卡莫夫系列共轴直升机均采用全差动的操纵方式，同时反向改变上下旋翼的桨距来实现直升机航向的操纵和稳定。这就使得旋翼操纵机构增加了很多小拉杆和过渡摇臂，使得机构过于繁琐。对于共轴式双旋翼直升机试验主要关注的是上下旋翼的气动干扰、横向变距时上下旋翼干涉、旋翼气弹响应、动部件载荷和旋翼系统的动稳定性问题，所以完全可以去掉航向操纵，保留总距操纵和周期变距操纵，从而得到简化后的共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种简化的共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，旋翼机构布局合理、紧凑，操纵机构简易实用，操纵灵活，能够有效的完成共轴双旋翼上下旋翼气动特性、旋翼动稳定性、旋翼动部件载荷等多项直升机动力学试验。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，包括内轴、外轴、作动器组、下操纵系统、上操纵系统、上旋翼桨毂和下旋翼桨毂；所述上旋翼桨毂包括第一桨毂座和通过全铰接方式设于第一桨毂座的第一桨叶臂；所述下旋翼桨毂包括第二桨毂座和通过全铰接方式设于第二桨毂座的第二桨叶臂；所述外轴为空心轴，所述内轴从所述外轴的内部伸出；所述下旋翼桨毂设于所述外轴，所述上旋翼桨毂设于所述内轴；所述上操纵系统与所述第一桨叶臂连接，所述下操纵系统与所述第二桨叶臂连接，所述上操纵系统与所述下操纵系统通过中间拉杆相连接，所述作动器组与所述下操纵系统连接，操纵所述第一桨叶臂和所述第二桨叶臂的同步运动。

其中，所述作动器组包括至少3个作动器。

其中，所述第二桨叶臂上设有下桨距摇臂，所述外轴的外侧设有外轴套筒；所述下操纵系统包括下倾斜器和下变距拉杆；所述下倾斜器设于所述下旋翼桨毂的下方；所述下倾斜器包括第二上倾斜盘和第二下倾斜盘，所述第二下倾斜盘通过球铰设于所述外轴套筒，所述第二上倾斜盘通过第二轴承与所述第二下倾斜盘可转动连接；所述下变距拉杆的一端与所述第二上倾斜盘连接，其另一端与所述下桨距摇臂连接。

其中，所述第一桨叶臂上设有上桨距摇臂，所述上操纵系统包括上倾斜器和上变距拉杆；所述上倾斜器设于所述内轴，并且位于所述上旋翼桨毂和所述下旋翼桨毂之间；所述上倾斜器包括第一上倾斜盘和第一下倾斜盘；所述第一上倾斜盘通过第一轴承与所述第一下倾斜盘可转动连接，所述上变距拉杆的一端与所述第一上倾斜盘连接，其另一端与所述上桨距摇臂连接。

其中，所述第一上倾斜盘通过第一扭力臂与所述内轴相连接；所述第一下倾斜盘通过第二扭力臂与所述外轴连接；所述第二上倾斜盘通过第三扭力臂与所述外轴连接。

其中，所述第一扭力臂通过固定环形夹具与所述内轴连接。

其中，所述第二扭力臂和第三扭力臂均通过固定环形夹具与所述外轴连接。

其中，所述内轴通过内外轴支撑座套装在所述外轴上，所述内外轴支撑座包括轴承座、轴承挡圈和同心轴承；所述轴承座固定安装在所述外轴顶端，所述同心轴承设于所述轴承座并用所述轴承挡圈固定，所述同心轴承的内圈与所述内轴相配合。

其中，所述第一桨毂座与所述内轴通过第一花键连接，所述第二桨毂座与所述外轴通过第二花键连接。

(三)有益效果

(1)本发明涉及的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，能够实现共轴双旋翼的总距操纵和周期变距，有效地完成共轴双旋翼上下旋翼气动特性、旋翼动稳定性、旋翼动部件载荷等多项直升机动力学试验。

(2)本发明涉及的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，布置合理，结构简洁有效。拉杆的数量、桨毂的结构形式，都在实现功能的前提下做到构件最少，结构最紧凑，这同时也节省了制作成本，降低了加工难度。

(3)本发明涉及的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，可扩展性强。上下旋翼桨毂与内外轴采用花键连接，拆卸方便灵活，容易更换桨叶桨毂进行相关试验，实现一台多用。

附图说明

图1是本发明实施例的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构的三维轴测图；

图2是本发明实施例的上旋翼桨毂的变距铰剖面图；

图3是本发明实施例的内外轴支撑座剖面图。

图中，1：内轴；101：第一作动器；102：第二作动器；103：第三动作器；2：外轴；201：外轴套筒；202：下倾斜器；2021：第二下倾斜盘；2022：第二上倾斜盘；203：球铰；204：下桨距摇臂；205：下变距拉杆；206：第二轴承；3：中间拉杆；402：上倾斜器；4021：第一下倾斜盘；4022：第一上倾斜盘；404：上桨距摇臂；405：上变距拉杆；5：上旋翼桨毂；501：第一桨毂座；502：第一桨叶臂；503：摆振铰；504：挥舞铰；505：变距铰；5051：外侧深沟球轴承；5052：推力球轴承；5053：内侧深沟球轴承；6：内外轴支撑座；601：轴承座；602：轴承挡圈；603：同心轴承；7：下旋翼桨毂；701：第二桨毂座；702：第二桨叶臂；801：第一扭力臂；802：第二扭力臂；803：第三扭力臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明为一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，包括内轴1、外轴2、作动器组、下操纵系统、上操纵系统、上旋翼桨毂5和下旋翼桨毂7；上旋翼桨毂5包括第一桨毂座501和通过全铰接方式设于第一桨毂座501的第一桨叶臂502；下旋翼桨毂7包括第二桨毂座701和通过全铰接方式设于第二桨毂座701的第二桨叶臂702；外轴2为空心轴，内轴1从外轴2的内部伸出；下旋翼桨毂7设于所述外轴2，上旋翼桨毂5设于内轴1；上操纵系统与第一桨叶臂502连接，下操纵系统与第二桨叶臂702连接，上操纵系统与下操纵系统通过中间拉杆3相连接，作动器组与下操纵系统连接，操纵第一桨叶臂502和第二桨叶臂702的同步运动。这种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构能够实现共轴双旋翼的总距操纵和周期变距，有效地完成共轴双旋翼上下旋翼气动特性、旋翼动稳定性、旋翼动部件载荷等多项直升机动力学试验。

进一步地，第二桨叶臂702上设有下桨距摇臂204，外轴2的外侧设有外轴套筒201；下操纵系统包括下倾斜器202和下变距拉杆205；下倾斜器202设于下旋翼桨毂7的下方第二桨叶臂702。下倾斜器202包括第二下倾斜盘2021和第二上倾斜盘2022，第二上倾斜盘2022通过第二轴承206与第二下倾斜盘2021可转动地连接。下倾斜器202通过球铰203设于外轴套筒201上，下倾斜器202能绕球铰203向任意方向倾斜，并能沿外轴套筒201上下滑动。其中球铰203也可以用万向节来代替。下变距拉杆205的下端与第二上倾斜盘2022连接，下变距拉杆205的上端与下桨距摇臂204连接，当下倾斜器202发生上下滑动或倾斜时，通过下变距拉杆205的传动，使下桨距摇臂204带动下旋翼桨毂7的第二桨叶臂702同步上下摇动，进而改变下旋翼的桨距。

进一步地，第一桨叶臂502上设有上桨距摇臂404，上操纵系统包括上倾斜器402和上变距拉杆405；上倾斜器402安装在内轴1上，并且位于上旋翼桨毂5和下旋翼桨毂7之间。上倾斜器402包括第一上倾斜盘4022和第一下倾斜盘4021，第一上倾斜盘4022通过第一轴承与第一下倾斜盘4021连接，上变距拉杆405的下端与上倾斜器402的第一上倾斜盘4022相连，上变距拉杆405的上端与上桨距摇臂404连接，当上操纵系统随下操纵系统同步运动时，上桨距摇臂404带动上旋翼桨毂5的第一桨叶臂502同步上下摇动，进而改变上旋翼的桨距。

进一步地，作动器组包括第一作动器101、第二作动器102和第三作动器103，每个作动器的下端均通过球铰与试验台固定台架连接。每个作动器的上端均连接在下倾斜器202的第二下倾斜盘2021上，第二下倾斜盘2021通过防扭臂与试验台固定台架连接，保证第二下倾斜盘2021不随外轴2转动。

进一步地，中间拉杆3的下端与第二上倾斜盘2022连接，中间拉杆3的上端与上倾斜器402的第一下倾斜盘4021相连，当下倾斜器202发生上下滑动或倾斜时，通过四根中间拉杆3的传动，保证上倾斜器402同步运动，实现上操纵系统与下操纵系统之间的同步联动。

进一步地，简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构还包括第一扭力臂801、第二扭力臂802和第三扭力臂803，第一扭力臂801的一端与上倾斜器402的第一上倾斜盘4022相连，第一扭力臂801的另一端与内轴1上的可拆卸的第一固定环形夹具相连，保证第一上倾斜盘4022随内轴1同步转动。第二扭力臂802的一端与上倾斜器402的第一下倾斜盘4021相连，第二扭力臂802的另一端与外轴2上的可拆卸的第二固定环形夹具相连，保证第一下倾斜盘4021随外轴2同步转动。第三扭力臂803的一端与第二上倾斜盘2022连接，第三扭力臂803的另一端与外轴2上的可拆卸的第三固定环形夹具连接，保证第二上倾斜盘2022随外轴2同步转动。

优选地，第一桨毂座501与内轴1通过第一花键连接，第二桨毂座701与外轴2通过第二花键连接。如图1所示，第一桨毂座501设有花键孔，且通过第一花键固定安装与内轴1，第一桨叶臂502用于固定安装桨叶。同样的，第二桨毂座701设有花键孔，且通过第二花键固定安装与外轴2，第二桨叶臂702用于固定安装桨叶。

进一步地，第一桨毂座501与第一桨叶臂502依次通过全铰接方式连接。即第一桨毂座501通过摆振铰503、挥舞铰504和变距铰505与第一桨叶臂502相连接。挥舞铰504和摆振铰503采用十字交叉的方式组合在一起，挥舞铰504通过滚针轴承和销连接在摆振铰503上，实现桨叶的摆振、挥舞和变距运动。本实施例中试验台旋翼桨毂的变距铰505是旋翼机构一个关键部件，承受桨叶离心力的同时，还要实现桨叶变距功能。如图2所示，桨叶的离心力由推力球轴承5052承担。桨叶的变距运动由内测深沟球轴承5053和外侧深沟球轴承5051共同实现。下旋翼桨毂7的结构与上旋翼桨毂5的结构相同，不再重复描述。上下旋翼桨毂与内外轴采用花键连接，拆卸方便灵活，容易更换桨叶桨毂进行相关试验，实现一台多用。

进一步地，内轴1通过内外轴支撑座6套装在外轴2上。如图3所示，内外轴支撑座6包括轴承座601、轴承挡圈602和同心轴承603；轴承座601固定安装在外轴2顶端，随外轴2一起转动，同心轴承603设于轴承座601且用轴承挡圈602固定，同心轴承603的外圈固定于轴承座601，轴承挡圈与轴承座601连接，用于对同心轴承603起限位作用。内轴1穿过同心轴承603的内圈，并与同心轴承603的内圈紧密配合。内轴1和外轴2通过下方的齿轮传动系统实现同速反向转动，内轴1为细长体，容易发生弯曲，内轴1通过内外轴支撑座6套装在外轴2上，使得内外轴之间保持一定间隙，不发生碰撞，保证了内外轴高速稳定的旋转。

上述实施例简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构的几种典型操纵，具体如下：

(1)总距操纵

以总距增加操纵为例，当进行上下旋翼总距增加的操纵时，同时操纵第一作动器101、第二作动器102和第三作动器103向上移动，使下倾斜器202向上滑动，下变距拉杆205随之同步向上拉动下桨距摇臂204，从而改变下旋翼的总距；通过中间拉杆3的传递，使上倾斜器402随之同步向上滑动，再通过上变距拉杆405把运动传给上桨距摇臂404，从而实现了上下旋翼总距的同步增加。

(2)俯仰操纵

操纵第三作动器103改变下倾斜器202的俯仰角，通过中间拉杆的传动，使上倾斜器402和下倾斜器202同步向前或向后倾斜。同时，下变距拉杆205随之摇动下桨距摇臂204，改变下旋翼桨距，上变距拉杆405也同步摇动上桨距摇臂404，改变上旋翼桨距，从而实现俯仰操纵。

(3)滚转操纵

协调操纵第一作动器101和第二作动器102的反向运动改变下倾斜器202的滚转角,通过中间拉杆3的传递，使上倾斜器402和下倾斜器202同步向左或向右倾斜。同时，下变距拉杆205随之摇动下桨距摇臂204，改变下旋翼桨距，上变距拉杆405也同步摇动上桨距摇臂404，改变上旋翼桨距，从而实现滚转操纵。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，包括内轴、外轴、作动器组、下操纵系统、上操纵系统、上旋翼桨毂和下旋翼桨毂；所述上旋翼桨毂包括第一桨毂座和通过全铰接方式设于第一桨毂座的第一桨叶臂；所述下旋翼桨毂包括第二桨毂座和通过全铰接方式设于第二桨毂座的第二桨叶臂；

所述外轴为空心轴，所述内轴从所述外轴的内部伸出；

所述下旋翼桨毂设于所述外轴，所述上旋翼桨毂设于所述内轴；

所述上操纵系统与所述第一桨叶臂连接，所述下操纵系统与所述第二桨叶臂连接，所述上操纵系统与所述下操纵系统通过中间拉杆相连接，所述作动器组与所述下操纵系统连接，操纵所述第一桨叶臂和所述第二桨叶臂的同步运动。

2.根据权利要求1所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述作动器组包括至少3个作动器。

3.根据权利要求1所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第二桨叶臂上设有下桨距摇臂；所述外轴的外侧设有外轴套筒；所述下操纵系统包括下倾斜器和下变距拉杆；所述下倾斜器设于所述下旋翼桨毂的下方；所述下倾斜器包括第二上倾斜盘和第二下倾斜盘，所述第二下倾斜盘通过球铰设于所述外轴套筒，所述第二上倾斜盘通过第二轴承与所述第二下倾斜盘可转动连接；所述下变距拉杆的一端与所述第二上倾斜盘连接，其另一端与所述下桨距摇臂连接。

4.根据权利要求1所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第一桨叶臂上设有上桨距摇臂，所述上操纵系统包括上倾斜器和上变距拉杆；所述上倾斜器设于所述内轴，并且位于所述上旋翼桨毂和所述下旋翼桨毂之间；所述上倾斜器包括第一上倾斜盘和第一下倾斜盘；所述第一上倾斜盘通过第一轴承与所述第一下倾斜盘可转动连接，所述上变距拉杆的一端与所述第一上倾斜盘连接，其另一端与所述上桨距摇臂连接。

5.根据权利要求4所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第一上倾斜盘通过第一扭力臂与所述内轴相连接；所述第一下倾斜盘通过第二扭力臂与所述外轴连接；所述第二上倾斜盘通过第三扭力臂与所述外轴连接。

6.根据权利要求5所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第一扭力臂通过固定环形夹具与所述内轴连接。

7.根据权利要求5所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第二扭力臂和第三扭力臂均通过固定环形夹具与所述外轴连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述内轴通过内外轴支撑座套装在所述外轴上，所述内外轴支撑座包括轴承座、轴承挡圈和同心轴承；所述轴承座固定安装在所述外轴顶端，所述同心轴承设于所述轴承座并用所述轴承挡圈固定，所述同心轴承的内圈与所述内轴相配合。

9.根据权利要求1-7任一项所述的简易共轴双旋翼直升机试验台旋翼机构，其特征在于，所述第一桨毂座与所述内轴通过第一花键连接，所述第二桨毂座与所述外轴通过第二花键连接。