CN105836106A - 基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘及其偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘及其偏转方法，该后缘利用SMA丝部分缠绕在绝缘杆上，通过给SMA丝加热，利用SMA丝的形状记忆效应实现了绝缘杆的转动，绝缘杆与蜗杆相连从而代替了传统电机驱动；后缘襟翼分为上下2个部分，该偏转方法通过一根蜗杆转动同时带动两个蜗轮旋转，实现了上下翼肋同时由平衡位置向极限位置偏转，并且可以通过改变蜗轮蜗杆的传动比实现上下翼肋不同角度的偏转。

Description

基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘及其偏转方法

技术领域

本发明涉及飞行控制领域，具体涉及一种在较薄翼型的情况下设计一种基于形状记忆合金驱动的变体后缘机构及其偏转方法。

背景技术

传统后缘襟翼驱动方式主要为机电驱动式，例如液压驱动，优点在于高灵敏度和安全性，适合于大负载要求，但其存在成本大、易漏油等缺点；电机驱动，其优点在于具有较大的功率质量比，控制精度高，但是驱动电路较为复杂，对设备稳定性要求高。随着新材料新技术的研究和发展，新型智能材料不断涌现，在此之中适合作驱动元件的主要有压电陶瓷材料、磁致伸缩材料和形状记忆合金(SMA)。

形状记忆合金是近几十年发展起来的一种新型智能材料，它具有功重比高、回复力大、回复形变大、抗冲击能力强等优点被广泛应用于航空航天、工业仪器仪表、医疗器械、机器人等诸多领域。形状记忆合金是一种新型的智能材料，具有“形状记忆”的特殊效应。当SMA材料被加热，温度达到某一值时，能够消除原有的塑性变形，回复到变性前的状态。

形状记忆效应一般金属在受到外力作用后被拉伸，首先产生的是弹性变形，当达到应力屈服点后，金属就产生了塑形变形，应力消除后无法回复原状，留下永久变形，而有些材料在加热到一定温度后能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应。压电陶瓷材料作为驱动元件激励功率小，响应速度快，尺寸可以做到很小和很薄，使用灵活，但是当位移较大时，它产生的力就比较小，要获得最大的应变量时，需要的驱动电压也要很高。磁致伸缩材料的频率特性好，可靠性高，无疲劳，但也存在伸缩变形很小，需要施加外磁场、驱动需要的能量大，势必导致整个机构装置外形尺寸大，结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘及其偏转方法，利用了新型智能材料形状记忆合金驱动代替了传统的电机驱动，解决了在薄翼型的情况下没有足够的空间安装电机等问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

提供基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，所述后缘为采用形状记忆合金SMA配合传动机构构成的驱动系统，所述系统包括翼肋、SMA丝、绝缘杆以及传动机构；所述翼肋包括若干个相互连接的关节，所述SMA丝一端缠绕并固定在绝缘杆上，另一端固定在翼肋上；所述绝缘杆与传动机构啮合，所述传动机构连接在各关节的节点上，使翼肋以节点为轴相对作圆周运动。

所述传动机构包括蜗轮、第一翼肋转轴、第一同步轮、同步带、第二翼肋转轴；所述翼肋包括对称设置的左右翼肋，其中，所述蜗轮同轴连接在第二翼肋转轴中间位置，第二翼肋转轴两端与分别与一个第二同步轮同轴固定连接，第二同步轮上设有同步带；所述同步带带动第一同步轮转动，第一同步轮同轴固定在第一翼肋转轴的两端，所述第一翼肋转轴、第二翼肋转轴同向的一端连接在一侧翼肋的节点上，使各关节可相对周向旋转。

所述绝缘杆将SMA丝缠绕在绝缘杆上，且绝缘杆的末端连接有蜗杆；所述后缘包括上下两组叠置的驱动系统，上、下驱动系统通过蜗杆连接为一整体。

所述上、下驱动系统同时实现上下偏置变体，所述SMA丝包括左右SMA丝，左右SMA丝以相反的缠绕方向缠绕并固定在绝缘杆处，另一端连接在动驱动系统的两侧翼肋上。

所述各关节的节点处为同轴咬合连接，使节点两侧的翼肋以节点为轴在设定范围内转动，第一翼肋转轴与第一段翼肋通过键固定连接。

基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘的偏转方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，加热一侧SMA丝，通过SMA丝的形状记忆合金效应带动绝缘杆、蜗杆转动；

步骤二，蜗杆带动蜗轮、第二翼肋转轴、第二同步轮、同步带以及第一翼肋转轴转动，第一翼肋转轴与翼肋之间的键与翼肋的第一节点固定，从而带动第一翼肋转动，此时地二翼肋保持不动；

步骤三，当翼肋的第一关节运动到设置角度后，以第二节点为轴，第一关节带动第二关节产生偏置运动，当第二关节偏置到设置角度时，后缘一个开襟翼周期偏转完成；

步骤四，加热另一侧的SMA丝，绝缘杆和蜗杆向相反方向偏转，实现闭襟翼的过程。

所述闭襟翼周期偏转为与开襟翼周期偏转顺序相反。

所述变体后缘偏转角度最大为：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{sin\mathrm{\α}+sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{1+\cos \mathrm{\α}+\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})};$

蜗杆转动的周数为l＝n₁(n₂)*(α+β)；

其中，n₁与n₂上下蜗轮蜗杆的传动比，前两段转动关节的偏转角度分别为α和β。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明的后缘襟翼驱动机构设计与变形设计，在以形状记忆效应原理上，通过蜗轮蜗杆的传动机构，带动转轴旋转，实现了多关节襟翼连续偏转，同时由于襟翼分为上下两个部分，本发明采用了一根蜗杆同时驱动两个蜗轮的方法，实现了上下翼肋的同时偏转，大大提高了传动机构的效率，同时在襟翼驱动机构外载荷不变前提下，大大的降低了传动机构的设计载荷，提高了襟翼的可靠性。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是后缘襟翼驱动机构的整体结构图；

图2是后缘襟翼驱动机构原理示意图；

图3至图5是局部机构示意图；

图6是偏转与角度分析示意图；

图中，1.第一SMA丝，2.第二上翼肋转轴，3.第二下翼肋转轴，4.绝缘杆，5.蜗杆，6.蜗轮，7.第二SMA丝，8.同步轮，9.同步带，10.第一上翼肋转轴，11.左第一上翼肋，12.左第一下翼肋，13.第一下翼肋转轴，14.右第一下翼肋，15.右第一上翼肋，16.旋转关节节点，17.旋转关节相互咬合。

具体实施方式

本发明提供一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘及其偏转方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示的基于形状记忆合金驱动的变体后缘，其具体结构为采用形状记忆合金SMA配合传动机构构成的驱动系统，该系统包括翼肋、SMA丝、绝缘杆4以及传动机构；翼肋包括若干个相互连接的关节，SMA丝一端缠绕并固定在绝缘杆4上，另一端固定在翼肋上；绝缘杆4与传动机构啮合，传动机构连接在各关节的节点上，使翼肋以节点为轴相对作圆周运动。

如图4所示的绝缘杆4，两组SMA丝分别以逆时针和顺时针缠绕并固定在绝缘杆4上，且绝缘杆4的末端连接有蜗杆5；后缘包括上下两组叠置的驱动系统，上、下驱动系统通过蜗杆5连接为一整体。

如图2所示，上传动机构包括蜗轮6、第一上翼肋转轴10、同步轮、同步带9、第二上翼肋转轴2；翼肋包括对称设置的左右翼肋即左、右第一上翼肋11和15，其中，蜗轮6同轴连接在第二上翼肋转轴2中间位置，第二上翼肋转轴2两端与分别与一个第一同步轮同轴固定连接，第一同步轮上设有同步带9；所述同步带9带动第二同步轮转动，第二同步轮同轴固定在第一上翼肋转轴10的两端，所述第一上翼肋转轴10、第二上翼肋转轴2同向的一端连接在一侧翼肋的节点上，使各关节可相对周向旋转。

上下翼肋驱动系统在涡轮的带动下同时转动。作为一种优选，如图3所示，各关节的节点处为同轴咬合连接，使节点两侧的翼肋以节点为轴在设定范围内转动。

本发明的设计内容分为以下两部分：

1、变形原理及结构设计

后缘襟翼从机翼弦平面开裂为上、下两部分，每部分均由两个厚度相同且平行翼肋组成每个翼肋在垂直于后缘梁弦线的方向上共被分为三段关节，三个关节最后一段与后缘梁固定相连，另外两段可自由转动。上下襟翼部分的两翼肋间都通过转轴相连，通过键实现翼肋关节相对转动，每段关节的一侧设计有圆形的凹槽，相邻两段关节在凹槽处接触，并通过凹面与凸面的咬合，通过轴连接形成旋转关节，整根翼肋共有两个这样的旋转关节。由于链式结构的累积效应，每个关节只需要旋转较小的角度即可实现整个翼肋大角度向下摆动。

2、驱动原理及结构设计

本发明选取SMA丝作为驱动元件，在一根绝缘杆上两端分别以不同的方向绕上SMA丝，丝的另一端固定在在翼肋上，通过SMA丝的形状记忆效应，给SMA丝通电加热，实现了SMA丝带动绝缘杆顺时针或逆时针的转动。绕着SMA丝的绝缘杆与蜗杆相连带动蜗杆转动，同时带动分别与上、下部分两翼肋间转轴(第二翼肋转轴2、3)相连的两个蜗轮转动，蜗轮的转动带动转轴转动，其中第二上下翼肋转轴与翼肋之间为自由转动，而第一上下翼肋转轴与翼肋之间通过键与其锁死固定，翼肋的第一关节通过同步带使其与第二翼肋转轴同步转动，通过翼肋的旋转关节使翼肋的第一关节先转动，当第一关节偏转到极限角度时才带动第二关节转动。本发明通过一根蜗杆带动两个蜗轮转动从而实现上、下两部分翼肋同时由平衡位置向各自方向偏转。

如图1至图6所示，本发明提供的一种基于形状记忆合金驱动的变体后缘机构，其机构偏转的过程，包括：

步骤一、以上翼肋向上偏转为例(上下翼肋偏转原理相同)，给其中一根SMA丝通电加热，通过SMA丝的形状记忆合金效应带动绝缘杆4转动，绝缘杆4与蜗杆5相连，蜗杆5带动蜗轮6转动，蜗轮6、第二上翼肋转轴2和同步轮通过轴套相连能同步转动，同步轮与第一上翼肋转轴10通过同步带9固连，由于第一上翼肋转轴与上翼肋的第一关节通过键锁死固定，则第一上翼肋11即上翼肋的第一关节随第一上翼肋转轴10偏转。当第一上翼肋偏转到极限角度β时，由于上翼肋的第一关节与第二关节为相互咬合连接17，而上翼肋的第二关节与第二上翼肋转轴2可自由转动，当转轴继续偏转时，第二上翼肋随之转动至达极限角度α，根据步骤三里的公式可以算出最终偏转角度θ。至此，整个变体后缘襟翼完成开裂。

步骤二、以上翼肋向下偏转为例(上下翼肋偏转原理相同)，给第二SMA丝7通电加热，通过SMA丝的形状记忆效应带动绝缘杆4转动，绝缘杆4与蜗杆5相连，蜗杆5带动蜗轮6转动，蜗轮6、第二上翼肋转轴2和同步轮通过轴套相连能同步转动，同步轮与第一上翼肋转轴10通过轴套固连，由于转轴与上翼肋的第一关节通过键锁死固定，则第一上翼肋随上第一上翼肋转轴10偏转。当第一上翼肋向下偏转到初始位置时，由于上翼肋的第一关节与第二关节为相互咬合连接，当转轴继续偏转时，第二上翼肋随之偏转到初始位置。至此，整个变体后缘襟翼完成闭合。

步骤三、偏转角度计算分析，后缘襟翼的两个翼肋在垂直于后缘梁弦线的方向上被分为三个关节，单个关节的最后一段与后缘梁相连，设上下蜗轮蜗杆5和6的传动比为n₁与n₂，假设前两段转动关节的偏转角度分别为α和β，整体偏转为θ，则蜗轮6转动的角度为α与β之和，蜗杆转动的周数为l＝n₁(n₂)*(α+β)，可列出角度θ的公式：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{sin\mathrm{\α}+sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{1+\cos \mathrm{\α}+\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}.$

以上所述，仅为了解释本发明所设计的简易实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，其特征在于，所述后缘为采用形状记忆合金SMA配合传动机构构成的驱动系统，所述系统包括翼肋、SMA丝、绝缘杆以及传动机构；所述翼肋包括若干个相互连接的关节，所述SMA丝一端缠绕并固定在绝缘杆上，另一端固定在翼肋上；所述绝缘杆与传动机构啮合，所述传动机构连接在各关节的节点上，使翼肋以节点为轴相对作圆周运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，其特征在于，所述传动机构包括蜗轮、第一翼肋转轴、第一同步轮、同步带、第二翼肋转轴；所述翼肋包括对称设置的左右翼肋，其中，所述蜗轮同轴连接在第二翼肋转轴中间位置，第二翼肋转轴两端分别与一个第二同步轮同轴固定连接，第二同步轮上设有同步带；所述同步带带动第一同步轮转动，第一同步轮同轴固定在第一翼肋转轴的两端，所述第一翼肋转轴、第二翼肋转轴同向的一端连接在一侧翼肋的节点上，使各关节可相对周向旋转。

3.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，其特征在于，所述绝缘杆将SMA丝缠绕在绝缘杆上，且绝缘杆的末端连接有蜗杆；所述后缘包括上下两组叠置的驱动系统，上、下驱动系统通过蜗杆连接为一整体。

4.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，其特征在于，所述上、下驱动系统同时实现上下偏置变体，所述SMA丝包括左右SMA丝，左右SMA丝以相反的缠绕方向缠绕并固定在绝缘杆处，另一端连接在动驱动系统的两侧翼肋上。

5.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘，其特征在于，所述各关节的节点处为同轴咬合连接，使节点两侧的翼肋以节点为轴在设定范围内转动，第一翼肋转轴与第一段翼肋通过键固定连接。

6.基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘的偏转方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，加热一侧SMA丝，通过SMA丝的形状记忆合金效应带动绝缘杆、蜗杆转动；

步骤二，蜗杆带动蜗轮、第二翼肋转轴、第二同步轮、同步带以及第一翼肋转轴转动，第一翼肋转轴与翼肋之间的键与翼肋的第一节点固定，从而带动第一翼肋转动，此时第二翼肋保持不动；

步骤三，当翼肋的第一关节运动到设置角度后，以第二节点为轴，第一关节带动第二关节产生偏置运动，当第二关节偏置到设置角度时，后缘一个开襟翼周期偏转完成。

步骤四，加热另一侧的SMA丝，绝缘杆和蜗杆向相反方向偏转，实现闭襟翼的过程。

7.根据权利要求6所述的基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘的偏转方法，其特征在于，所述闭襟翼周期偏转为与开襟翼周期偏转顺序相反。

8.根据权利要求6所述的基于形状记忆合金驱动的变体机翼后缘的偏转方法，其特征在于，

所述变体后缘偏转角度最大为：

$tan\mathrm{\θ}=\frac{sin\mathrm{\α}+sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{1+\cos \mathrm{\α}+\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}$

蜗杆转动的周数为l＝n₁(n₂)*(α+β)；

其中，n₁与n₂上下蜗轮蜗杆的传动比，前两段转动关节的偏转角度分别为α和β。