CN106741927A - 一种变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，包括固定框、驱动器、后缘小翼以及与固定框相配合的压块、楔形块与钢棒；所述的驱动器包括驱动器基体钢片以及粘贴在驱动器基体钢片上方的压电纤维片；驱动器基体钢片的后端连接后缘小翼，基体钢片的前端通过压块固定到固定框本体上；压电纤维片与后缘小翼之间的驱动器基体钢片部分的上表面与固定框本体上的楔形块相接触，下表面与固定框本体上的钢棒相接触，钢棒与楔形块对驱动器基体钢片夹持构成旋转滑移铰。本发明用于驱动后缘小翼的偏转运动，通过后缘小翼偏转运动产生的附加气动载荷抵消部分旋翼振动载荷，达到减振的目的。
Description
技术领域
本发明属于直升机领域的智能驱动机构，具体涉及适用于变转速刚性旋翼的主动变形后缘小翼轻质驱动机构。
背景技术
直升机因其具有高效悬停、低速前飞等固定翼飞行器所不具备的性能，在军用及民用领域得到了广泛的应用。但是与固定翼飞行器相比，常规构型直升机在最大航程、航时等方面存在明显的差距。导致这一问题的主要原因之一便是常规直升机旋翼转速不能根据飞行状态的变化适时作出调整。在常规直升机的设计阶段，设计人员综合考量直升机最大重量、最大前进速度、设计临界高度等参数，确定直升机旋翼的额定转速。除去自转下滑等极限情况外，直升机在正常工作时旋翼转速变化极小。固定的旋翼转速为直升机旋翼、传动系统的研制带来了方便，但是，当旋翼工作在设计点以外的状态时，可能会出现旋翼转速与功率高于实际需用值的问题，造成燃料的浪费，降低了直升机的效率。
变转速直升机的出现从根本上改善了直升机效率较低的问题，旋翼的转速能够根据飞行状态的不同不断调整，使旋翼总是处在最佳工作状态。比如美国波音公司开发的A160T“蜂鸟”变转速直升机，其设计航程超过4630千米，续航时间超过20小时，其旋翼转速可以随着飞行高度、起飞重量以及巡航速度的不同进行优化调整。
变转速直升机改善了直升机的效率和性能，但是其振动问题十分突出。常规的旋翼减振措施如动力吸振器，主要是针对固定的旋翼转速，通过吸收特定频率的旋翼系统振动载荷以达到减振的目的，因此其有效工作频率带宽较窄。变转速直升机旋翼工作转速随工作状态的不同会在一个较大的范围内变化，其旋翼振动载荷频率也随之发生较大改变，常规的旋翼减振措施很难满足变转速直升机旋翼减振需求。而主动后缘小翼控制技术已经在BO105直升机的试飞中得到验证，具有宽频带范围内的控制能力。
而变转速刚性旋翼在结构设计上，对桨叶内部减振装置的质量控制非常严格，如果嵌入过大的集中质量，将会对旋翼的、动特性、强度和疲劳设计提出过于苛刻的要求，反而与振动控制之间存在矛盾，因而，想采用主动后缘小翼技术控制变转速刚性旋翼振动载荷，其驱动机构在可靠的控制输出前提下，结构重量越轻越好。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，用于驱动后缘小翼的偏转运动，通过后缘小翼偏转运动产生的附加气动载荷抵消部分旋翼振动载荷，达到减振的目的。
本发明公开了一种变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，包括固定框、驱动器、后缘小翼以及与固定框相配合的压块、楔形块与钢棒；所述的固定框包括与旋翼桨叶展向平行的前缘固定大梁、后缘横梁及与旋翼桨叶弦向平行的加强翼肋，该固定框的上下表面与旋翼桨叶蒙皮相贴合；所述的前缘固定大梁位于固定框的前端，加强翼肋位于前缘展向大梁的两端及中间，后缘横梁位于加强翼肋的后缘处并与与前缘固定大梁平行；所述的驱动器包括驱动器基体钢片以及粘贴在驱动器基体钢片上方的压电纤维片；驱动器基体钢片的后端连接安装后缘小翼后，由前端通过压块固定连接在固定框本体的前缘展向大梁上；压电纤维片与后缘小翼之间的驱动器基体钢片部分的上表面与固定框本体上的楔形块相接触，下表面与固定框本体上的钢棒相接触，钢棒与楔形块对驱动器基体钢片夹持构成旋转滑移铰。
进一步改进，所述的固定框的前缘固定大梁前端设有与变转速刚性旋翼桨叶的C形大梁紧密粘合的前缘大梁凹槽，后端设有固定压块的压块螺丝孔，并通过沉头螺钉将压块固定在固定框本体上。
进一步改进，所述的加强翼肋上设有多个驱动器口盖的口盖安装螺纹孔，其中靠近旋翼桨榖中心端的竖直加强翼肋上设有用于缠绕克服驱动器固定框离心力的单独大梁带的缠绕凹槽。
进一步改进，所述的加强翼肋的中后部开有安装楔形块的楔形块槽，并通过沉头螺钉将楔形块固定在固定框本体上。
进一步改进，所述加强翼肋底部侧面设有位于同一水平线上的用于固定钢棒的安装孔，其中最靠近旋翼桨尖处加强翼肋上的为盲孔，中间和右侧支臂上的是通孔。
进一步改进，所述的驱动器基体钢片的前端开有多个与压块螺丝孔相配合并起调节基体钢片刚度作用的开槽，并降低了基体钢片夹持端的弯曲刚度，在一定条件下可以增大后缘小翼的偏转角度。
进一步改进，所述的楔形块下表面与驱动器基体钢片和压电纤维片之间呈角度设置，防止基体钢片变形与楔形块下表面发生干涉。
进一步改进，所述的楔形块的后缘设有压紧驱动器基体钢片的刀口。
本发明的工作原理在于：
本发明的驱动器包括驱动器基体钢片以及粘贴在驱动器基体钢片上方的压电纤维片，利用压电纤维片在通电后的压电效应所产生的驱动力使驱动器基体钢片产生弹性弯曲变形，通过驱动机构的杠杆放大作用，使驱动器基体钢片带动所连接的桨叶后缘小翼产生挥舞运动输出，改变桨叶后缘小翼的气动迎角，使偏转的后缘小翼产生附加的气动载荷，抵消部分振动载荷，从而达到减振的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用压电纤维复合材料作为驱动原件，具有体积小、重量轻、可靠性高等优点，适合直升机旋翼内部安装集成；驱动器基体选用厚度薄、弹性好的合金钢，既能保证有足够的弯曲变形，又能提供良好的回复和疲劳特性；基体前端开槽，降低了桨叶根部的抗弯刚度，增大了机构的弯曲变形，同时减轻了结构重量；固定的钢棒和楔形块两部分与驱动器基体构成旋转-滑移铰，在保证驱动器可以弯曲变形的同时，约束了其在垂直方向的位移，具有机械间隙小，结构紧凑的优点；后缘小翼采用树脂胶粘接到驱动器基体上，小翼与旋翼桨叶在弦向无间隙，保证了小翼的气动效率；后缘小翼材质为轻质复合材料，强度高，并且其结构重量轻，减轻了由于小翼离心力产生的惯性载荷对桨叶振动载荷的影响；这种驱动机构能够有效驱动后缘小翼在不同的频率下产生有效偏转，所产生的附加气动载荷可以用于抵消变转速刚性旋翼的振动载荷。
附图说明
图1为带有后缘小翼的桨叶总体效果图；
图2为口盖打开后的后缘小翼机构示意图；
图3为后缘小翼驱动机构结构示意图；
图4为固定框结构示意图；
图5为驱动器固定时的示意图；
图6为驱动器结构示意图；
图7楔形块结构示意图。
其中，1-旋翼桨叶，2-驱动器蒙皮口盖，3-后缘小翼，4-压电纤维片，5-固定框，6-压块，7-驱动器基体钢片，8-楔形块，9-前缘大梁凹槽，10-大梁带槽，11-楔形块槽，12-安装孔，13-口盖安装螺纹孔，14-压块螺纹孔，15-钢棒，16-刀口。
具体实施方式
如图1-7所示，本发明公开的驱动机构安装在旋翼桨叶1内部，为驱动机构的蒙皮口盖提供固定支撑；其结构主要包括固定框5、驱动器、后缘小翼3以及与固定框相配合的压块6、楔形块8与钢棒15；
其中，固定框5的上下表面与旋翼桨叶1的蒙皮相贴合，该固定框的前端为与旋翼桨叶展向平行的前缘固定大梁，前缘固定大梁的两端及中间可根据需要布置与旋翼桨叶弦向平行的加强翼肋，加强翼肋后缘的中下部贯穿一根与前缘固定大梁平行的后缘横梁，前缘固定大梁、加强翼肋以及后缘横梁形成完整的本体固定框结构；前缘固定大梁前缘开有与变转速刚性旋翼桨叶的C形大梁紧密粘合的前缘大梁凹槽9，并设有固定压块的压块螺纹孔14；在加强翼肋上均设有多个安装驱动器蒙皮口盖2的口盖安装螺纹孔13，方便驱动机构的安装和维护；其中靠近旋翼桨叶旋转中心的内侧加强翼肋上设有用于缠绕单独的大梁带的大梁带凹槽10，前缘大梁凹槽9和大梁带槽10共同对固定框5起粘接固定作用，承受整个驱动机构在旋翼桨叶1旋转过程中产生的离心载荷；加强翼肋上还设有安放楔形块的楔形块槽11，并通过沉头螺钉将楔形块固定在固定框本体上；加强翼肋的后缘部设有位于同一水平线上的用于固定钢棒的安装孔12，其中相对旋转中心最外侧加强翼肋的安装孔为盲孔，相对最外侧加强翼肋的中间和内侧加强翼肋上的安装孔为通孔，钢棒15穿过安装孔12，钢棒长度略小于固定框径向尺寸，钢棒安装到位后，加强翼肋上钢棒15的安装孔用树脂胶灌注，限制钢棒移动。
所述的驱动器包括驱动器基体钢片7以及通过环氧树脂胶粘贴在驱动器基体钢片上方的压电纤维片4；驱动器基体钢片的后端上下通过环氧树脂胶粘贴后缘小翼3，压电纤维片4在给定的驱动电压下会发生变形，驱动器基体钢片带动后缘小翼3偏转；驱动器基体钢片的前端开有多个开槽，并通过压块压紧后再通过沉头螺钉与压块螺丝孔固定连接在固定框的前缘固定大梁上，开槽提高了基体钢片夹持端的弯曲柔度，在一定条件下可以增大后缘小翼3的偏转角度。楔形块8的后缘设有压紧驱动器基体钢片的刀口16，压电纤维片4与后缘小翼3之间的驱动器基体钢片7部分的上表面与固定框本体上的楔形块8通过刀口16相接触，下表面与固定框本体上的钢棒15相接触；楔形块8的刀口16与钢片下方的钢棒15组成铰链，对驱动装置起支撑作用。另外，楔形块8下表面与驱动器基体钢片7和压电纤维片4之间成一定角度，可以防止压电纤维片4与驱动器基体钢片7弯曲变形时与楔形块8发生干涉。
通过以上的结构设计，本发明解决了以下问题：
1）变转速直升机旋翼振动载荷的频率随旋翼转速而变化，后缘小翼驱动控制器需要具有宽频带的减振作动能力；
2）桨叶内部空间相对狭小，预留的安装后缘小翼及其驱动机构的空间有限，同时驱动机构带来的附加的质量会改变桨叶原有的动力学特性，带来新的动力学问题，驱动机构的体积与质量必须尽可能的小；
3）后缘小翼及其驱动机构工作在离心力场中，需要与复合材料桨叶的大梁、蒙皮等部分可靠地联结在一起，不能因驱动器附加重量过大引发强度问题而发生失效等问题；
4）后缘小翼与桨叶间铰链处的间隙会带来紊流，降低后缘小翼的气动效率，进而影响后缘小翼的减振效果，需要尽可能地减小小翼和桨叶间在弦长方向的间隙。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：包括固定框（5）、驱动器、后缘小翼（3）以及与固定框相配合的压块（6）、楔形块（8）与钢棒（15）；所述的固定框包括与旋翼桨叶展向平行的前缘固定大梁、后缘横梁及与旋翼桨叶弦向平行的加强翼肋，该固定框的上下表面与旋翼桨叶（1）蒙皮相贴合；所述的前缘固定大梁位于固定框的前端，加强翼肋位于前缘展向大梁的两端及中间，后缘横梁位于加强翼肋的后缘处并与与前缘固定大梁平行；所述的驱动器包括驱动器基体钢片（7）以及粘贴在驱动器基体钢片上方的压电纤维片（4）；驱动器基体钢片的后端连接安装后缘小翼（3）后，由前端通过压块（6）固定连接在固定框本体的前缘展向大梁上；压电纤维片（4）与后缘小翼之间的驱动器基体钢片（7）部分的上表面与固定框本体上的楔形块（8）相接触，下表面与固定框本体上的钢棒（15）相接触，钢棒与楔形块对驱动器基体钢片夹持构成旋转滑移铰。
2.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的前缘固定大梁前端设有与变转速刚性旋翼桨叶（1）的C形大梁紧密粘合的前缘大梁凹槽（9），后端设有固定压块的压块螺丝孔，并通过沉头螺钉将压块固定在固定框本体上。
3.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的加强翼肋上设有多个驱动器口盖（2）的口盖安装螺纹孔（13），其中靠近旋翼桨榖中心端的竖直加强翼肋上设有用于缠绕克服驱动器固定框离心力的单独大梁带的缠绕凹槽（10）。
4.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的加强翼肋的中后部开有安装楔形块（8）的楔形块槽（11），并通过沉头螺钉将楔形块固定在固定框本体上。
5.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述加强翼肋底部侧面设有位于同一水平线上的用于固定钢棒的安装孔（12），其中最靠近旋翼桨尖处加强翼肋上的为盲孔，中间和右侧支臂上的是通孔。
6.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的驱动器基体钢片的前端开有多个与压块螺丝孔相配合并起调节基体钢片刚度作用的开槽。
7.根据权利要求1所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的楔形块下表面与驱动器基体钢片和压电纤维片之间呈角度设置。
8.根据权利要求1或7所述的变转速刚性旋翼的后缘小翼的驱动机构，其特征在于：所述的楔形块的后缘设有压紧驱动器基体钢片的刀口（16）。
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