CN106741979B - 一种用于飞行器的传动结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于飞行器的传动结构，包括：设置在飞行器的机臂(1)内的光轴(11)；轴套(12)，轴套(12)套在光轴(11)外；防冲座(13)，防冲座(13)设置在轴套(12)外。本发明大大改善了飞行器的同轴度和摩擦力。

Description

一种用于飞行器的传动结构

技术领域

本发明涉及飞行器领域。更具体地，涉及一种用于飞行器的传动结构。

背景技术

目前的竞速无人机，又称穿越机(Racing drone)，是四轴飞行器的一种消费级分支，其比赛内容是在空中赛道中竞速，一般来说这类飞行器有着重量轻操纵灵活及耐摔的特点。可变倾转竞速无人机(Tilt racing drone)是上诉飞行器的增强版，该飞行器可以在不改变飞机姿态的情况下通过旋转机臂将螺旋桨面向前倾斜，从而达到在短时间获得较大前进加速度的效果。

DHL Parcelcopter 3.0是DHL公司第三代运输无人机，该无人机结合了固定翼飞机(Fixed wing)和三轴飞行器(Tri-copter)，将涵道风扇内置于机腹中控制用于控制飞行器的俯仰(Pitch)稳定。

目前的竞速无人机中，大部分采取四轴的方案依靠螺旋桨差速转向，在高速飞行时转向不直接，电量会大量浪费在减速和弯道上，而且由于四轴飞行器加速靠倾斜姿态，也会导致一部分视觉死角使得操作者体验不佳。可变倾转竞速无人机(Tilt racing drone)的出现一定程度上改善了加速的性能，但由于依靠差速改变偏航的特性，该款无人机对于弯道可能还不如较为轻型的普通穿越机，质量轻惯量小，依靠操作者过硬的反应速度不停调整其姿态来控制飞行器，一定程度上来说增高了入门的门槛。

发明内容

根据现有技术中的问题，本发明提出一种用于飞行器的传动结构，包括：设置在飞行器的机臂内的光轴；轴套，轴套套在光轴外；防冲座，防冲座设置在轴套外。

可选地，所述的传动结构还包括：推力球轴承，推力球轴承位于两个机臂的连接处。

可选地，所述的传动结构还包括：杯型连接件，杯型连接件设置在防冲座轴向内侧。

可选地，所述的传动结构还包括：U型摇臂，U型摇臂套在杯型连接件直径较小一端上。

可选地，轴套与防冲座之间是过盈配合。

可选地，光轴与轴套之间是间隙配合。

可选地，杯型连接件与防冲座接触部分采用推力球轴承方式配合。

可选地，推力球轴承之间通过推力球轴承连接件连接，推力球轴承连接件的内侧端设有用于放置法兰轴承的沉孔，推力球轴承和法兰轴承通过螺钉贯穿连接。

可选地，推力球轴承连接件位于杯型连接件径向内侧。

可选地，所述的传动结构还包括：涵道风扇，涵道风扇设置在飞行器的机身腹部，朝向为机身方向。

本发明的有益效果为：本发明的飞行器可以弥补Bi copter两轴飞行器在高速向前飞行过程中，俯仰不稳定这一缺陷。另在竞速方案中，该发明可以依靠甩尾和手动加油门来做到过弯加速，将能量最大程度用于加速，也优化了操作者的视角体验。

附图说明

图1为本发明的飞行器的传动结构的两个机臂的立体图；

图2为本发明的飞行器的传动结构的两个机臂的剖视图；

图3为图2所示的两个机臂的左视图；

图4为本发明的飞行器的传动结构的立体图；

图5为本发明的飞行器的传动结构的侧视图；

图6为图4中的尾翼的主视图；

图7为图4中的尾翼的后视图；

图8为图4中的尾翼的俯视图；

图9为图4中的尾翼的一部分的立体图。

附图标记

1-机臂；11-光轴；12-轴套；13-防冲座；14-推力球轴承；15-杯型连接件；

16-U型摇臂；17-推力球轴承连接件；18-法兰轴承；19-半牙螺钉；

2-尾翼；21-垂直尾翼；22-水平尾翼；23-舵面；24-舵机；25-长连杆；

26-水平尾翼连接件；27-半圆摇臂；28-挡板；29-尾管；

261-第一连接端；262-第二连接端；263-第三连接端；

3-涵道风扇。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

图1显示了本发明的飞行器的传动结构的两个机臂的立体图，其中为便于观察，未显示光轴11。图2显示了本发明的飞行器的传动结构的两个机臂的剖视图。

本发明的飞行器的传动结构包括：两个机臂1，每个机臂1的中间有一段空心光轴11，光轴11外部设置有轴套12，光轴11与轴套12是间隙配合。轴套12外设置有防冲座13，防冲座13上设置有孔，供光轴11穿过，但是轴套12与防冲座13之间是过盈配合。防冲座13上设置有孔，轴套12与其过盈配合。光轴11穿过轴套12，两者间隙配合。

防冲座13轴向内侧设置有杯型连接件15(优选用铝制成)。杯型连接件15直径较小的一端上套有U型摇臂16。杯型连接件15用螺丝螺母同时夹锁住光轴11与U型摇臂16，U型摇臂16上有孔位用于固定金属球头。U型摇臂16与舵机24用球头和长连杆25相连(下面详述)。

防冲座13和杯型连接件15的作用是限制机臂1只具有转动自由度，不可轴向和径向活动。防冲座13的外部形状今后会随飞行器的机身的形状而改变。

有利地，杯型连接件15与防冲座13接触部分也采用推力球轴承，来减小径向活动间隙和转动摩擦，或者，也可以采用带法兰边的光滑轴套替代。

U型摇臂16通过航模球头拉杆(未示出)与正下方舵机(未示出)相连，舵机将力矩传递至U型摇臂16，而U型摇臂又与机臂相固定，从而舵机可以控制整个机臂1来达到控制飞行器偏航(YAW)和俯仰(P)。

飞行器的两个机臂1通过轴承连接，优选地使用推力球轴承14连接。推力球轴承使得两机臂1具有很高的同轴度和非常低的转动摩擦，有利于舵机控制。

更具体地，推力球轴承14之间通过推力球轴承连接件17连接。推力球轴承连接件17的内侧端设有用于放置法兰轴承18的沉孔。推力球轴承14放置于两个推力球轴承连接件17中间。半牙螺钉19依次穿过法兰轴承18-推力球轴承14-法兰轴承18，用自紧螺母将整套转动系统连接起来。推力球轴承连接件17包裹住法兰轴承18。推力球轴承连接件17外侧为杯型连接件15。

空心光轴11通过螺丝螺母与杯型连接件15固定，杯型连接件15也通过螺丝螺母与机臂1的碳纤维圆管固定，整体视为一个刚体，力最终传递至防冲座13。外界轴向冲击则因为杯型连接件15止锁作用，力再次作用在防冲座13上，从而保护了推力球轴承14和光轴11。

另外，空心光轴11在轴套12内保证了同轴度，降低了两轴飞行器的径向力，而推力球轴承和防冲座13降低了两轴飞行器的轴向力，使得整个两轴飞行器有很高的同轴度和非常低的转动摩擦。

如图4所示，本发明的两翼飞行器的传动结构还包括：涵道风扇3，涵道风扇3设置在飞行器的机身腹部，朝向为机身方向。涵道风扇3将气流向机身后吹，同时，涵道风扇3向后吹的气流转换为可以控制的变量，弥补了双轴飞行器在俯仰轴上的不稳定性。

如图5所示，本发明还提出一种用于飞行器的尾翼结构，包括：尾翼部分2，尾翼部分2设置在两翼飞行器的尾部，尾翼部分2包括垂直尾翼21和水平尾翼22。

水平尾翼22使用对称翼型，一定程度上保证气流不失速，而且对称翼型利于转轴的结构设计。水平尾翼22位于垂直尾翼21侧后方，这样的布局在结构和气动方面都可以保证水平尾翼22和垂直尾翼21互不干涉，而且垂直尾翼21在前方可以将气流整流，使得水平尾翼22更好的在气动中心产生力矩。

有利地，如图8所示，水平尾翼22后缘垂直升起一定百分比弦长的挡板28，目的是在翼面积被限制的条件下，最大程度的保证流体气泡不分离，最终使得尾翼2可以更好地控制气流。

双垂直尾翼21同样受飞控混合控制，双垂直尾翼21与双机臂1共同控制飞行器偏航(YAW)。当飞行器进入高速向前飞行状态时(FFF)，双机臂1的偏航权重变小，双垂直尾翼21偏航权重变大。以上的设计可以让飞行器在高速飞行过程中可以实现类似于拉力赛车中的甩尾，涵道风扇3的油门由于不受飞控控制，完全手动，可以理解为赛车中的油门。

如图4-5所示，垂直尾翼21固定在两翼飞行器的尾管29上。垂直尾翼21的后缘具有一块可转动的舵面23，用于改变气流方向。该舵面23受舵机24控制，舵机24(见图5-6)位于垂直尾翼21下方。

如图5所示，长连杆25在尾管29下方沿着尾管29方向延伸，水平尾翼22通过水平尾翼连接件26与长连杆25连接在一起。

下面参照图6-9来描述水平尾翼连接件26。水平尾翼连接件26包括第一连接端261、第二连接端262和第三连接端263。第一连接端261采取推力球轴承方式连接到尾管29的尾端，第一连接端261可以相对于尾管29旋转。第二连接端262采取推力球轴承方式连接到长连杆25。第三连接端263通过4颗螺栓接插固定到水平尾翼22。当长连杆25前后运动时，可以拉动第二连接端262前后运动，由此，第一连接端261绕着尾管29旋转，进而第三连接端263带动水平尾翼旋转(以图7为例，水平尾翼22可以在垂直于纸面的平面上转动)，从而改变气流方向。

再次参考图5，长连杆25一端连接水平尾翼连接件26，另一端连接半圆摇臂27。半圆摇臂27位于涵道风扇3下方，由涵道风扇3下方的舵机控制。半圆摇臂27前后摆动，拉动长连杆25前后摆动，又因为水平尾翼连接件26连接着水平尾翼22，通过长连杆25的传动，实现了通过半圆摇臂27来控制水平尾翼22。

力矩从半圆摇臂27开始传递到长连杆25，在传动过程中有限位，这样的限位可以保证长连杆25传动力的有效性。实质上，形成一个有限位的平行四边形双曲柄机构，主摇杆为半圆摇臂27，从摇杆为水平尾翼连接件26。

水平尾翼22为后掠翼设计且气动中心位于转轴。这里的转轴是指水平尾翼连接件26(在下面详述)中的推力球轴承的轴心，固定方法是半牙螺钉穿过法兰轴承-推力球轴承-法兰轴承，再与自紧螺母配合。气动中心位于转轴可以提高控制系统的有效性，可以保证尾翼在任何状态下，产生的力永远垂直于转轴，力臂为零所以力矩为零。

以上实现了一个舵机用两根推杆控制一个机臂的俯仰，较之齿轮传动和传送带传动，这样的连杆传动方式虚位较小，利于舵机控制。舵机的转动角度会被机架中的中层碳纤维板限位，使之不会转动过度。也可采用斜齿轮传动，斜齿轮传动的好处是可以改变力的方向，这样一来可以更合理地安排舵机布局。

但发明核心还是：通过2个舵机(或电机)控制2个机臂，这2个机臂在同一轴心且通过推力球轴承相连，从而达到控制飞行器偏航(YAW)、俯仰(PITCH)的目的。

本发明用尾翼部分2通过飞控混控飞行器的俯仰(Pitch)，而涵道风扇3直接通过遥控器其中一个通道控制(相当于是飞行稳定系统中一个外力因素，比如风)，尾翼部分2实时根据飞控信号变动产生力矩以修正飞行器姿态。

本发明的飞行器还包括飞控部分。飞控(FC)采用开源的KK2.1.5，固件为OpenAeroVTOL V1.5开源固件，该固件最大特点是拥有8个自定义混空通道，支持两种飞行模式无缝切换(比如垂直起落固定翼飞机V22和现在很多的固定翼垂直起落方案)。

所述飞控部分包括：上下双桨，其中上桨螺距小，下桨螺距大，实现了转速的差异，优化了气动效率。飞控部分包括四个电机，四个电机占四个混控通道控制油门(THR)和副翼(AIL)。飞控部分包括两个舵机，分别控制两个机臂1，两个舵机占两个混控通道控制方向舵(RUDD)和升降舵(ELE)。飞控部分4包括一个水平尾翼舵机，占一个混控通道控制升降舵(RUDD)。飞控部分4包括两个垂直尾翼舵机，两个垂直尾翼舵机通过一根Y舵机线占用一个混控通道控制方向舵(RUDD)。可选地，涵道风扇可以为纯手动，不通过飞控单独占用一个遥控器通道(AUX)。可选地，垂直尾翼和涵道风扇选其一占用飞控混控通道，剩下一个用遥控器通道，根据飞行器需求选择。

本发明的飞行器经过Solidworks flow simulation模拟，尾翼力矩达到设计要求，力的大小可以根据挡板28高度来调节。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于飞行器的传动结构，其特征在于，包括：

设置在飞行器的机臂(1)内的光轴(11)；

轴套(12)，轴套(12)套在光轴(11)外；

防冲座(13)，防冲座(13)设置在轴套(12)外；

杯型连接件(15)，杯型连接件(15)设置在防冲座(13)轴向内侧，防冲座(13)和杯型连接件(15)能够限制机臂(1)只具有转动自由度，不能轴向和径向活动；

U型摇臂(16)，U型摇臂(16)套在杯型连接件(15)直径较小一端上，U型摇臂(16)与机臂(1)固定；

涵道风扇(3)，涵道风扇(3)设置在飞行器的机身腹部，朝向为机身方向；

长连杆(25)，长连杆(25)在飞行器的尾管(29)下方沿着机身延伸；

水平尾翼连接件(26)，水平尾翼连接件(26)包括第一连接端(261)、第二连接端(262)和第三连接端(263)，其中，第一连接端(261)采取推力球轴承方式连接到尾管(29)，第二连接端(262)采用推力球轴承方式连接到长连杆(25)的尾端，第三连接端(263)通过4颗螺栓接插固定到飞行器的水平尾翼(22)；

半圆摇臂(27)位于涵道风扇(3)下方，由涵道风扇(3)下方的舵机控制，半圆摇臂(27)连接到长连杆(25)的头端。

2.根据权利要求1所述的传动结构，其特征在于，还包括：

推力球轴承(14)，推力球轴承(14)位于两个机臂(1)的连接处。

3.根据权利要求1所述的传动结构，其特征在于，还包括：

轴套(12)与防冲座(13)之间是过盈配合。

4.根据权利要求1所述的传动结构，其特征在于

光轴(11)与轴套(12)之间是间隙配合。

5.根据权利要求1所述的传动结构，其特征在于，

杯型连接件(15)与防冲座(13)接触部分采用推力球轴承方式配合。

6.根据权利要求2所述的传动结构，其特征在于，

机臂处的推力球轴承(14)之间通过两个推力球轴承连接件(17)连接，

推力球轴承连接件(17)的内侧端设有用于放置法兰轴承(18)的沉孔，机臂处的推力球轴承(14)和法兰轴承(18)通过螺钉贯穿连接。

7.根据权利要求6所述的传动结构，其特征在于，

推力球轴承连接件(17)位于杯型连接件(15)径向内侧。