CN105620728A - 一种能够变桨径桨距的螺旋桨 - Google Patents

Abstract

一种能够变桨径桨距的螺旋桨，在底座的中心有中央立柱。两套变径变距机构和两套同步机构分别位于桨毂的底座内，其中各变径变距机构中静轴的一端分别与位于中央立柱上的水平孔内的拉伸弹簧的两端连接。各静轴另一端分别与连接轴固连。各连接轴的另一端分别位于各动轴内。各动轴的另一端分别与各桨叶根部连接。两个桨叶对称的安装在桨毂的两端。两个滚珠套分别套装在各桨叶根部上并与桨叶间形成平动副。本发明应用基于离心力的自驱动原理，完整的实现了变桨径变桨距，将变桨产生的积极效果最大化，同时应用解耦功能巧妙的防止变距的旋转对拉伸弹簧拉力产生干扰，同时实现了螺旋桨的变桨径和变桨距运动。本发明具有并且结构简单，重量轻的特点。

Description

一种能够变桨径桨距的螺旋桨

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器推进装置变体螺旋桨机构，具体的说是一种基于桨叶离心力的变桨径变桨距螺旋桨机构。

背景技术

因为20-30km高空的空气密度是海平面的1/14-1/70，螺旋桨负载工况在高空和低空时变化范围很大，电机系统与螺旋桨负载在大范围变化的工况中很难保持全功率匹配，存在着按照高空环境设计的动力系统在低空时性能较差，按照低空环境设计的动力系统在高空时性能很差的现象。造成这种现状的原因是推进系统都采用桨叶固定的螺旋桨，在最大扭矩限制下，螺旋桨的高空最大转速是海平面最大转速的3-8倍，造成推进系统低空推力很小，在低空飞行时动力严重不足。

变桨距和变桨径螺旋桨推进系统是一种很好的解决该问题的技术途径，低空时采用小桨径和小桨距，高空时采用大桨径和大桨距，最大程度吸收电机功率，增加推力。变桨距螺旋桨技术在直升机领域发展已比较成熟，但在某些领域例如浮空器研究领域、倾转旋翼研究领域、风力发电领域等由于螺旋桨变距范围的限制，仅仅通过改变螺旋桨的桨距无法让螺旋桨在不同的工作模式下均达到较高的效率。在这些研究领域采用同时可变桨径螺旋桨可以扩展螺旋桨的调节范围，提高螺旋桨效率。

西北工业大学在申请号为201418000448.4的国防发明创造中提出了一种应用于飞行器的变桨径桨距螺旋桨，变距电机通过锥齿轮系将扭矩传递到桨叶根部实现变距，变径电机通过齿轮齿条转向器将转动转换为平动，由此实现桨叶的变径运动。该机构的有益效果是同时实现了螺旋桨的变距运动和变径运动，而且可精确控制，但是需要增加伺服电机控制系统，为此付出的重量代价太大。

西北工业大学在申请号为2015102062859的发明创造中提出了一种能够变桨径的螺旋桨。该发明创造是基于桨叶自身离心力驱动的可变直径螺旋桨机构，在旋转过程中依据桨叶自身的离心力大小控制螺旋桨的桨径大小，克服了主动式变桨径螺旋桨赔付重量太大的缺点，但该机构只能变桨径，不能同时实现变桨径和变桨距以达到更好的使用效果。

发明内容

为克服现有技术中存在的不能同时实现变桨径和变桨距的不足，本发明提出了一种能够变桨径桨距的螺旋桨。

本发明包括一对桨叶、桨毂、中央立柱、两套变径变距机构和两套同步机构。所述桨毂是所述变径变距机构和同步机构的载体，包括上盖和底座，在底座的中心有中央立柱。所述两套变径变距机构和两套同步机构分别位于桨毂的底座内，其中，两套变径变距机构中的静轴的一端分别与位于中央立柱上的水平孔内的拉伸弹簧的两端连接。所述各静轴另一端的端面分别与连接轴固连。所述各连接轴的另一端分别位于各动轴内。所述各动轴的另一端分别与各桨叶根部连接。两个桨叶对称的安装在所述桨毂的两端。两个滚珠套分别套装在一个桨叶根部上并位于该桨叶的一端。

所述滚珠套的外圈通过卡簧与桨榖固定连接，该滚珠套的内圈套在桨叶根部上，使所述的滚珠套与桨叶之间形成平动副。

所述各桨叶根部的圆周表面有螺旋槽；该螺旋槽的旋转角度与螺旋桨的变桨距角度相同，以实现螺旋桨的变桨距运动。

在所述各静轴的圆周表面均有径向凸出的限位块；在与该限位块对称的静轴的圆周表面均有用于安装限位弹簧顶珠的阶梯孔。所述限位弹簧顶珠与底座板上表面的限位凹槽配合，以实现对所述静轴位置的限定。在所述静轴的圆周表面还对称的分布有一对用于固定同步机构的耳片；所述一对耳片与所述限位块和限位弹簧顶珠之间的夹角为90度。在所述耳片上分布固定有与导轨配合的滑块。

所述中央立柱位于底座中心的凹槽内；在该凹槽的两侧有分别有底座板，在各底座板上分别有一对导轨；在各对导轨之间均布有限位凹槽。在所述两侧底座板的外端分别有用于安装滑轮的销轴。

所述同步机构有两套。分别位于凹槽两侧的底座板上，其中，一侧同步机构中的绳索的一端固定在位于同一侧的耳片上，另一端绕过位于该侧底座板外端的滑轮，并固定在位于另一侧底座板上的静轴的耳片上；同样，另一侧同步机构中的绳索的一端固定在位于该侧的耳片上，另一端绕过位于该侧底座板外端的滑轮，并固定在位于对向一侧底座板上的静轴的耳片上。所述的两根绳索等长。

在所述的变径变距机构中分别包括两个推力球轴承。所述的两个推力球轴承套装在该端的连接轴上，并位于该连接轴的内端。在连接轴的外端分别套装有挡板，并使该挡板与连接轴之间滑动配合。在各连接轴的外端分别套装有弹簧，并使该弹簧的内端面与所述挡板贴合。所述推力球轴承、挡板和弹簧均分别位于各动轴内。

本发明是一种利用螺旋桨桨叶离心力变化，自动实现桨叶直径增大或缩小同时又能自动实现螺旋桨桨距调节的机构，利用螺旋桨桨叶离心力变化，自动实现桨叶直径增大或缩小同时又能自动实现螺旋桨桨距的调节。

本发明中，中央立柱位于桨毂中心，其内固定有弹簧，弹簧的两端分别与静轴连接，静轴的耳片与滑块通过螺栓固连，滑块能够沿着固定在桨毂底座板上的导轨滑动。静轴另一端的端面与连接轴固连，连接轴的另一端位于动轴内。动轴另一端通过内螺纹桨叶根部螺纹连接。在桨叶根部的另一侧套有滚珠套，滚珠套外圈通过卡簧等零件与桨毂固定。同步机构的滑轮固定在底座上，绳索绕过滑轮并且两端分别固定在静轴上的耳片。限位凹槽对称分布于桨毂上，限位弹簧顶珠设置在静轴上，限位弹簧顶珠与限位凹槽相互配合以限制桨叶在桨毂中的位置。通过套装在桨叶根部的滚珠套与桨叶之间形成平动副。绳索同步机构的滑轮固定在底座上，绳索与滑轮缠绕，绳索两端分别与两侧变距解耦机构伸出的耳片相连接。

工作中，当螺旋桨静止时，在拉伸弹簧预紧力作用下螺旋桨处于小桨径和小桨距状态，随着转速逐渐增加，作用在桨叶上的离心力逐渐增大，当离心力大于拉伸弹簧预紧力和内侧限位卡槽与限位弹簧顶珠作用力的合力时，变径变距机构与桨叶沿着螺旋桨径向方向运动，直到限位弹簧顶珠卡入外侧限位卡槽中为止，在这个过程中静轴沿着导轨保持平动，桨叶根部在滚珠套与螺旋槽的共同作用下，沿着螺旋桨径向平动，同时沿着自身轴线转动。由此实现螺旋桨从小桨径小桨距状态变为大桨径大桨距状态。当转速下降时，拉伸弹簧拉力克服桨叶离心力与外侧限位卡槽与限位弹簧顶珠作用力合力，使得限位弹簧顶珠滑动至内侧限位卡槽中，实现螺旋桨从大桨径大桨距状态变为小桨径小桨距状态。

本发明取得了以下有益效果：

1、应用解耦功能巧妙的防止变距的旋转对拉伸弹簧拉力产生干扰，而且同时实现了螺旋桨的变桨径和变桨距运动。

2、基于桨叶离心力设计的变桨机构，结构简单，比一般的主动控制机构减少了伺服电机和控制器，减轻了机构的重量。

3、一方面同时实现变桨径和变桨距，另一方面应用基于离心力的自驱动原理，不增加过多重量却完整的实现了变桨径变桨距，二者的结合将变桨产生的积极效果最大化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是图2的B-B剖视图；

图4是桨毂上盖结构示意图，其中：图4a为上盖主视图，图4b为上盖左视图，图4c为上盖俯视图；

图5是桨毂底座和中央立柱结构示意图，其中图5a为主视图，图5b为左视图，图5c为俯视图，图5d为图5a中A部位的剖视图；

图6是桨叶结构示意图；

图7是限位弹簧顶珠示意图；

图8是静轴的结构示意图，其中图8a为主视图，图8b为左视图，图8c为俯视图；

图9是动轴、静轴的连接示意图；

图10是同步机构的安装示意图。图中：

1.桨叶；2.上盖；3.底座；4.限位滑槽；5.中央立柱；6.限位凹槽；7.桨叶根部；8.桨叶柄；9.螺旋槽；10.绳索；11.滑轮；12.耳片；13.滑块；14.导轨；15.滚珠套；16.拉伸弹簧；17.静轴；18.连接轴；19.动轴；20.限位弹簧顶珠；21.限位块；22.挡板；23.推力球轴承；24.弹簧；25底座板。

具体实施方式

本实施例是一种能够变桨径桨距的螺旋桨，包括一对桨叶1、桨毂、中央立柱5、两套变径变距机构和两套同步机构。所述的能够变桨径桨距的螺旋桨为对称结构。

所述桨毂是所述变径变距机构和同步机构的载体，由上盖2和底座3通过螺栓连接组成。所述底座3的中心为圆形的凹槽，在该凹槽内的中心有凸出该底座内表面的中央立柱5。在凹槽的两侧的有对称的底座板25，在各两侧底座板上分别有一对导轨14；在各对导轨之间均布有限位凹槽6。在所述两侧底座板25的外端分别有用于安装滑轮11的销轴。两个桨叶1对称的安装在所述桨毂的两端。

所述两套变径变距机构和两套同步机构分别位于桨毂的底座3内，其中，两套变径变距机构中的静轴17的一端分别与位于中央立柱5上的水平孔内的拉伸弹簧16的两端连接。所述各静轴另一端的端面分别与连接轴18固连。所述各连接轴18的另一端分别位于各动轴19内。所述各动轴19的另一端通过内螺纹分别与各桨叶根部7螺纹连接。所述各桨叶根部7为圆形杆状，在各桨叶根部的圆周表面有螺旋槽；该螺旋槽的旋转角度与螺旋桨的变桨距角度相同，以实现螺旋桨的变桨距运动。两个滚珠套15分别套装在一个桨叶根部上并位于该桨叶1的一端，该滚珠套的外圈通过卡簧与桨榖固定连接，该滚珠套的内圈套在桨叶根部7上，使所述的滚珠套与桨叶之间形成平动副。在所述各静轴的圆周表面均有径向凸出的限位块21；在与该限位块21对称的静轴的圆周表面均有用于安装限位弹簧顶珠20的阶梯孔。所述限位弹簧顶珠20与底座板25上表面的限位凹槽6配合，以实现对所述静轴位置的限定。

所述的限位块21与桨毂的上盖2内表面的限位滑槽4配合，以防止桨叶脱出或过度收缩。所述的限位弹簧顶珠20与限位块21对称的分布在所述静轴的圆周表面。在所述静轴的圆周表面还对称的分布有一对用于固定同步机构的耳片12；所述一对耳片12与所述限位块21和限位弹簧顶珠20之间的夹角为90度。在所述耳片12上分布固定有与导轨配合的滑块13。

所述同步机构有两套。分别位于两侧的底座板上，其中，一侧同步机构中的绳索10的一端固定在位于同一侧的耳片12上，另一端绕过位于该侧底座板25外端的滑轮11，并固定在位于另一侧底座板上的静轴的耳片上；同样，另一侧同步机构中的绳索10的一端固定在位于该侧的耳片12上，另一端绕过位于该侧底座板25外端的滑轮11，并固定在位于对向一侧底座板上的静轴的耳片上。所述的两根绳索等长。当位于一侧底座板上的静轴向同侧的桨叶方向运动时，固定在该静轴上的绳索通过滑轮带动固定在另一侧底座板上静轴向该静轴所在一侧的桨叶方向运动；同理，当另一侧底座板上静轴向同侧的桨叶方向运动时，固定在该静轴上的绳索通过滑轮带动固定在对向底座板上静轴向该静轴所在一侧的桨叶方向运动。通过所述同步机构实现两侧桨叶的同步运动。

在两端的变径变距机构中分别包括两个推力球轴承23。所述的两个推力球轴承套装在该端的连接轴18上，并位于该连接轴的内端。在连接轴的外端分别套装有挡板22，并使该挡板与连接轴之间滑动配合。在各连接轴18的外端分别套装有弹簧24，并使该弹簧的内端面与所述挡板22贴合。所述推力球轴承23、挡板22和弹簧24均分别位于各动轴内。

所述限位弹簧顶珠由顶珠和弹簧组成。安装时，将弹簧置于所述用于安装限位弹簧顶珠的阶梯孔内，再将顶珠的一端装入该阶梯孔，并与所述弹簧贴合，使该顶珠在受到外力作用时能够向该阶梯内收缩。

通过本实施例，能够实现桨叶桨径桨距从最小到最大的变化：

最小桨径桨距时：

静止时限位弹簧顶珠20卡入内侧的限位凹槽6之中。当螺旋桨的转速开始增大，桨叶产生的离心力导致限位弹簧顶珠20与内侧的限位凹槽6之间有相互的作用，进而压缩限位弹簧顶珠20。在螺旋桨转速不超过某个阀值时，限位弹簧顶珠20并未被压缩到足够短，也就不能从内侧的限位凹槽6中弹出，故桨叶保持小桨径小桨距状态。

桨径桨距变大时：

当螺旋桨的转速达到某个阀值时，桨叶离心力大于拉伸弹簧预紧力和限位凹槽6与限位弹簧顶珠作用力的合力，限位弹簧顶珠20被压缩至很短并从内侧的限位凹槽6中弹出，变径变距机构与桨叶沿着螺旋桨径向方向运动，直到限位弹簧顶珠20卡入外侧的限位凹槽中为止，在这个过程中静轴17沿着导轨14保持平动，桨叶根部7在滚珠套15与螺旋槽9的共同作用下，不仅沿着螺旋桨径向平动而且沿着自身轴线转动。由此实现螺旋桨从小桨径小桨距状态变为大桨径大桨距状态。

最大桨径桨距时：

完成变大桨径大桨距状态后，桨叶甩至大桨径大桨距位置，限位弹簧顶珠20卡入外侧的限位凹槽中，此时桨叶保持大桨径大桨距状态。此时限位槽4限制了限位块21沿螺旋桨桨径方向的运动，在机构失效之前无论离心力如何增大桨叶直径也不会变大。

桨径桨距变小时：

当螺旋桨的转速降低到某个阀值时，限位弹簧顶珠20被压缩到很短，并从外侧的限位凹槽中弹出，拉伸弹簧拉力克服桨叶离心力和外侧限位凹槽与限位弹簧顶珠作用力的合力，桨叶沿着导轨14的方向收缩。两个桨叶中的任何一个有桨径和桨距变化的趋势都会通过绳索同步机构带动另一个产生相同的运动趋势，直到另一个桨叶达到变径变距条件时机构才开始变径和变距。限位弹簧顶珠20卡入内侧的限位凹槽中，桨叶恢复至小桨径小桨距状态。

Claims (7)

1.一种能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，包括一对桨叶、桨毂、中央立柱、两套变径变距机构和两套同步机构；所述桨毂是所述变径变距机构和同步机构的载体，包括上盖和底座，在底座的中心有中央立柱；所述两套变径变距机构和两套同步机构分别位于桨毂的底座内，其中，两套变径变距机构中的静轴的一端分别与位于中央立柱上的水平孔内的拉伸弹簧的两端连接；所述各静轴另一端的端面分别与连接轴固连；所述各连接轴的另一端分别位于各动轴内；所述各动轴的另一端分别与各桨叶根部连接；两个桨叶对称的安装在所述桨毂的两端；两个滚珠套分别套装在一个桨叶根部上并位于该桨叶的一端。

2.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，所述滚珠套的外圈通过卡簧与桨榖固定连接，该滚珠套的内圈套在桨叶根部上，使所述的滚珠套与桨叶之间形成平动副。

3.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，所述各桨叶根部的圆周表面有螺旋槽；该螺旋槽的旋转角度与螺旋桨的变桨距角度相同，以实现螺旋桨的变桨距运动。

4.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，在所述各静轴的圆周表面均有径向凸出的限位块；在与该限位块对称的静轴的圆周表面均有用于安装限位弹簧顶珠的阶梯孔；所述限位弹簧顶珠与底座板上表面的限位凹槽配合，以实现对所述静轴位置的限定；在所述静轴的圆周表面还对称的分布有一对用于固定同步机构的耳片；所述一对耳片与所述限位块和限位弹簧顶珠之间的夹角为90度；在所述耳片上分布固定有与导轨配合的滑块。

5.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，所述中央立柱位于底座中心的凹槽内；在该凹槽的两侧有分别有底座板，在各底座板上分别有一对导轨；在各对导轨之间均布有限位凹槽；在所述两侧底座板的外端分别有用于安装滑轮的销轴。

6.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，所述同步机构有两套；分别位于凹槽两侧的底座板上，其中，一侧同步机构中的绳索的一端固定在位于同一侧的耳片上，另一端绕过位于该侧底座板外端的滑轮，并固定在位于另一侧底座板上的静轴的耳片上；同样，另一侧同步机构中的绳索的一端固定在位于该侧的耳片上，另一端绕过位于该侧底座板外端的滑轮，并固定在位于对向一侧底座板上的静轴的耳片上；所述的两根绳索等长。

7.如权利要求1所述能够变桨径桨距的螺旋桨，其特征在于，在所述的变径变距机构中分别包括两个推力球轴承；所述的两个推力球轴承套装在该端的连接轴上，并位于该连接轴的内端；在连接轴的外端分别套装有挡板，并使该挡板与连接轴之间滑动配合；在各连接轴的外端分别套装有弹簧，并使该弹簧的内端面与所述挡板贴合；所述推力球轴承、挡板和弹簧均分别位于各动轴内。