CN107215458B - 电动双共轴倾转旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动双共轴倾转旋翼飞行器，包括机身、倾转主轴和设置于倾转主轴两端的短舱结构，短舱结构包括两个相对设置的旋翼、用于产生使两个旋翼旋转的动力的驱动装置和与两个旋翼连接且用于改变旋翼迎角的变距系统，驱动装置包括旋翼主轴和通过第一传动机构与旋翼主轴连接的两个电动机，两个旋翼分别与旋翼主轴的一端连接。机翼和旋翼可同时倾转，在垂直起飞时有利于减小风阻，还有利于减小旋翼与机翼的气动干扰作用，提升旋翼的气动性能。本发明的电动双共轴倾转旋翼飞行器，采用的短舱结构使用双电机带动一根主轴转动，有利于受力均衡，对于改善疲劳强度和可靠性、减小结构重量、简化结构和控制等方面效果显著。

Description

电动双共轴倾转旋翼飞行器

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体的说，本发明涉及一种电动双共轴倾转旋翼飞行器。

背景技术

倾转旋翼机是一种既具有普通直升机那样的垂直起降和空中悬停能力，又具有像螺旋桨飞机那样巡航飞行速度大、航程较远等特点。倾转旋翼机目前被各国的研究人员认为是航空界发展前景和应用价值最高的飞机之一。

倾转旋翼机不但具有垂直起降和高速巡航性能,而且机动性很强，所以应用领域及其广阔。20世纪中期，美国开始了对倾转旋翼技术的研究,该技术开始于XV-3，成熟于XV-15，应用于V-22鱼鹰。

目前，现有的倾转旋翼无人机的短舱结构，存在着结构复杂，控制复杂等缺陷，影响倾转旋翼机的性能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种电动双共轴倾转旋翼飞行器，目的是提升性能。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：电动双共轴倾转旋翼飞行器，包括机身、设置于机身上的倾转主轴和设置于倾转主轴两端的短舱结构，所述短舱结构包括两个相对设置的旋翼、用于产生使两个旋翼旋转的动力的驱动装置和与两个旋翼连接且用于改变旋翼迎角的变距系统，驱动装置包括旋翼主轴和通过第一传动机构与旋翼主轴连接的两个电动机，两个旋翼分别与旋翼主轴的一端连接，所述机翼固定设置于倾转主轴上且机翼与旋翼可同时实现倾转。

所述两个电动机分别位于旋翼主轴的一侧且两个电动机为同轴设置。

所述第一传动机构包括设置于所述电动机上的第一齿轮和设置于所述旋翼主轴上且与第一齿轮啮合的第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮为锥齿轮。

所述第一齿轮的直径小于第二齿轮的直径。

所述变距系统包括变距舵机、设置于所述旋翼主轴上的十字盘、与所述旋翼和十字盘连接的变距杆以及与十字盘和变距舵机连接的第二传动机构。

所述第二传动机构包括依次转动连接的第一舵机拉杆、第一舵机臂、第二舵机拉杆、第二舵机臂和第三舵机拉杆，第一舵机臂设置于所述变距舵机上，第一舵机拉杆与设置于所述旋翼主轴上的一个所述十字盘连接，第三舵机拉杆与设置于旋翼主轴上的另一个十字盘连接。

所述第二舵机臂为可旋转设置，所述第一舵机臂和第二舵机臂为相平行。

所述变距舵机和所述第二传动机构均分别设置多个且数量相等。

所述短舱结构还包括与所述倾转主轴连接的短舱侧板，短舱侧板设置两个，所述变距舵机、所述旋翼主轴和所述第二传动机构位于两个短舱侧板之间。

所述机翼位于两个所述短舱结构之间。

本发明的电动双共轴倾转旋翼飞行器，采用的短舱结构使用双电机带动一根主轴转动，有利于受力均衡，在短舱克服旋翼拉力的同时稳定的输出扭矩，对机械结构的抗疲劳情况有所改善，使用寿命得到提升，而且该短舱结构从结构上、控制上、可靠性上都有简化，有利于减小结构重量，可以提升倾转旋翼飞行器的性能。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明电动双共轴倾转旋翼飞行器；

图2是本发明电动双共轴倾转旋翼飞行器处于巡航状态的侧视图；

图3是本发明电动双共轴倾转旋翼飞行器处于巡航状态的主视图；

图4是本发明电动双共轴倾转旋翼飞行器处于起飞和降落状态的侧视图；

图5是本发明电动双共轴倾转旋翼飞行器处于起飞和降落状态的主视图；

图6是短舱结构的结构示意图；

图7是短舱结构的内部结构示意图；

图中标记为：

1、机身；2、机翼；3、襟翼；4、起落架；5、电池组；6、倾转机构；7、飞控系统；8、短舱结构；801、桨叶；802、桨毂；803、第二舵机臂；804、电动机；805、第一齿轮；806、第二齿轮；807、变距杆；808、十字盘；809、第一舵机拉杆；810、限位圈；811、变距舵机；812、旋翼；813、电机座；814、旋翼主轴；815、限位轴套；816、短舱侧板；817、变距摇杆；818、变距支座；819、第一舵机臂；820、第二舵机拉杆；821、第三舵机拉杆；9、倾转主轴；10、尾翼。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图7所示，本发明提供了一种电动双共轴倾转旋翼飞行器，包括机身1、机翼2、起落架4、尾翼10、倾转机构6、飞控系统、电池组5、设置于机身1上的倾转主轴9和设置于倾转主轴9两端的短舱结构。短舱结构包括两个相对设置的短舱侧板816、两个相对设置的旋翼812、用于产生使两个旋翼旋转的动力的驱动装置和与两个旋翼连接且用于改变旋翼迎角的变距系统，驱动装置包括旋翼主轴814和通过第一传动机构与旋翼主轴814连接的两个电动机804，两个旋翼812分别与旋翼主轴814的一端连接。本发明的电动双共轴倾转旋翼无人机针对传统倾转旋翼机做出结构上的改进，进而最大化的提升其飞行性能。从结构上来看：本发明的倾转旋翼无人机旋翼直径较小，有利于空间布局，还能有效避免因旋翼过大桨叶变形过大的问题；直升机模式飞行性能提升：在起飞阻力、爬升率、悬停时间等性能上都有很大提升；飞机模式飞行性能提升：最大平飞速度增大。

具体的说，如图1至图5所示，短舱结构上下各有一副旋翼，短舱结构布置在机翼2两侧。机翼2和短舱结构在直升机模式下机翼2展弦与地面垂直；飞机模式下机翼2和短舱结构一起倾转像螺旋桨飞机那样提供动力。起落架4设置于机身1上且位于机翼2的下方，尾翼10设置于机身1的尾部，倾转主轴9沿水平方向朝向机身1的两侧伸出，机翼2设置于机身1的两侧且与倾转主轴9固定连接，襟翼3与机翼2连接，倾转机构6、飞控系统、电池组5等设置于机身1的内部。

倾转主轴9与倾转机构6相连接，倾转机构6用于产生使倾转主轴9旋转的动力，使机翼和旋翼一起倾转。倾转机构6包括舵机以及与舵机和倾转主轴9连接的蜗轮蜗杆传动机构，电池组5为舵机提供电力，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆与舵机连接，蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮固定设置于倾转主轴9上。这种倾转机构6具有可靠性强，承载扭矩较大等特点。如图1至图4所示，在飞机刚起飞时，机翼2展弦与地面垂直，与传统多旋翼无人机一样垂直起降；在升空后巡航阶段，倾转机构6的舵机转动带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮与倾转主轴9固接，机翼2、倾转轴、短舱结构三者固接在一起，那么蜗轮也就带动短舱结构和机翼2转动，转化为飞机模式。进入飞机模式后可高速巡航。机翼2和旋翼短舱可同时倾转，在垂直起飞时有利于减小风阻，还有利于减小旋翼与机翼2的气动干扰作用，提升旋翼的气动性能。

如图6所示，旋翼的结构如同本领域技术人员所公知的那样，其主要是由桨毂802和设置于桨毂802上的多个桨叶801构成，旋翼主轴814的两端分别与一个旋翼的桨毂802固定连接。两个电动机804分别位于旋翼主轴814的一侧且两个电动机804为同轴设置，两个电动机804分别安装在一个电机座813上，电机座813安装在两侧的短舱侧板816上，两个电动机804并为对称分布在旋翼主轴814的两侧，电动机804的轴线与旋翼主轴814的轴线相垂直且两者处于与短舱侧板816相平行的同一平面内，电池组5为电动机804提供电力。

如图6所示，第一传动机构包括固定设置于电动机804的主轴上的第一齿轮805和固定设置于旋翼主轴814上且与第一齿轮805啮合的第二齿轮806，第二齿轮806位于两个旋翼之间，第一齿轮805和第二齿轮806优选为直齿锥齿轮，有利于短舱结构的空间布局，第一齿轮805的直径并小于第二齿轮806的直径。两个第一齿轮805分别位于旋翼主轴814的一侧，两个第一齿轮805分别与一个电动机804连接。两台电动机804运转，通过第一齿轮805和第二齿轮806构成的齿轮传动机构进而带动旋翼转动，为倾转旋翼无人机提供动力。使用双电机带动一根主轴转动，这在旋翼无人机里也是很少见的，这样有利于受力均衡，在短舱克服旋翼拉力的同时稳定的输出扭矩，对机械结构的抗疲劳情况有所改善，使用寿命得到提升。而且，通过对称布置两个第一齿轮805和电动机804，电动机804输出的力和扭矩对称均匀。

变距系统是控制倾转旋翼无人机飞行姿态的重要机构，如图6和图7所示，变距系统包括变距舵机811、设置于旋翼主轴814上的两个十字盘808、与旋翼和十字盘808连接的变距杆807以及与两个十字盘808和变距舵机811连接的第二传动机构。电池组5为变距舵机811提供电力，变距舵机811固定设置于短舱侧板816上，变距舵机811和第二传动机构的数量与旋翼的桨叶801数量相同，所有变距舵机811处于两个电动机804所在的同一直线的同一侧。十字盘808的结构如同本领域技术人员所公知的那样，两个十字盘808分别通过变距杆807与一个旋翼连接，与各个旋翼连接的变距杆807的数量与旋翼的桨叶801的数量相同，各个变距杆807的一端与十字盘808转动连接，各个变距杆807的另一端与桨毂802上所设的变距摇杆817转动连接。

如图6和图7所示，第二传动机构包括依次转动连接的第一舵机拉杆809、第一舵机臂819、第二舵机拉杆820、第二舵机臂803和第三舵机拉杆821，第一舵机臂819设置于变距舵机811上，第一舵机拉杆809的一端与第一舵机臂819的一端转动连接，第一舵机拉杆809的另一端与设置于旋翼主轴814上且距离最近的一个十字盘808转动连接，第二舵机拉杆820的一端与第一舵机臂819的另一端转动连接，第二舵机拉杆820的另一端与第二舵机臂803的一端转动连接，第三舵机拉杆821的一端与第二舵机臂803的另一端转动连接，第三舵机拉杆821的另一端与设置于旋翼主轴814上的另一个十字盘808连接。短舱侧板816上设有变距支座818，第二舵机臂803为可旋转的设置于变距支座818上，第一舵机臂819和第二舵机臂803为相平行，第二舵机拉杆820与旋翼主轴814相平行。通过控制变距舵机811输出扭矩，变距舵机811运转，通过第二传动机构和十字盘808带动变距杆807拉动桨毂802上所设的变距摇杆817，进而带动桨叶801达到变距效果，改变旋翼迎角。

在本实施例中，各个旋翼的浆叶设置三片，相应的，与各个旋翼相连接的变距杆807设置三个，变距舵机811和第二传动机构分别设置三个，各个变距舵机811分别通过一个第二传动机构和两个十字盘808与两个变距杆807相连接。这种结构的变距系统通过三个变距舵机811控制上下两个旋翼的操纵，也就是说倾转旋翼无人机的每副短舱虽然有两副旋翼，但与一副旋翼的控制是相同的。这种变距系统相比于现有技术节省了一半的变距舵机，按照传统无人机设计方式设计，这里最少每个短舱需要六台舵机，而这种变距系统仅使用三台变距舵机811，通过第二传动机构，同时控制两个旋翼达到变距的目的，这种结构在达到性能提升的同时简化了控制和结构，减少了控制量就增大控制效率，降低了飞控的复杂程度。

如图6和图7所示，两个短舱侧板816为固定连接且与倾转主轴9的端部固定连接，短舱侧板816并与倾转主轴9的轴线相垂直，电机座813、两个电动机804、变距舵机811、限位圈810、旋翼主轴814、第二传动机构等部件均位于两个短舱侧板816之间。这样的布置很节省空间，减小气动阻力。

如图6和图7所示，在短舱侧板816上设有用于在垂直起降时阻止旋翼主轴814纵向位移的限位轴套815，以减小轴承的轴向压力，限位轴套815套设于旋翼主轴814上且限位轴套815沿旋翼主轴814的轴向设置多个。在本实施例中，限位轴套815共设置四个，第二齿轮806的两侧均分别布置两个限位轴套815。

本发明的电动双共轴倾转旋翼飞行器具有如下的优点：

该新型倾转旋翼无人机的双旋翼布局，在旋翼气动拉力上增大较为明显，与传统短舱的单旋翼布局对比，在各种状态下大约增大18％～20％左右，这对飞机性能来说是很大的提升，与共轴双旋翼短舱对比，在结构和控制上更为简单，且能减小气动干扰，提升旋翼的气动性能；

2、由于本发明是用在倾转旋翼机上，倾转旋翼机左右两短舱可以相互抵消负扭，所以采用共轴同转向转动，这样总体短舱结构上更为简单和紧凑。

3、该新型倾转旋翼无人机在直升机模式下起飞时，与传统倾转旋翼机对比，在减阻上有很大的改良；

4、该新型倾转旋翼无人机悬停升限会随着爬升率的变化而变化，由于新型倾转旋翼无人机的爬升率增大，所以它的悬停升限也会有增大；

5、在飞机模式下，平飞时旋翼拉力提供向前的推力，机翼2产生的升力来平衡重力，由于新型倾转旋翼无人机旋翼拉力的变大，导致最大平飞速度必然变大。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.电动双共轴倾转旋翼飞行器，包括机身、机翼、设置于机身上的倾转主轴和设置于倾转主轴两端的短舱结构，其特征在于：所述短舱结构包括两个相对设置的旋翼、用于产生使两个旋翼旋转的动力的驱动装置和与两个旋翼连接且用于改变旋翼迎角的变距系统，驱动装置包括旋翼主轴和通过第一传动机构与旋翼主轴连接的两个电动机，两个旋翼分别与旋翼主轴的两端连接且两个旋翼转向相同，所述机翼固定设置于倾转主轴上且机翼与旋翼能够同时实现倾转；

所述两个电动机分别位于旋翼主轴的两侧且两个电动机为同轴设置；

第一传动机构包括固定设置于电动机的主轴上的第一齿轮和固定设置于旋翼主轴上且与第一齿轮啮合的第二齿轮，第二齿轮位于两个旋翼之间，第一齿轮和第二齿轮为锥齿轮；第一齿轮的直径小于第二齿轮的直径；两个第一齿轮分别位于旋翼主轴的两侧，两个第一齿轮分别与两个电动机连接；两个电动机运转，通过第一齿轮和第二齿轮构成的齿轮传动机构进而带动旋翼转动，为倾转旋翼飞行器提供动力；

变距系统包括变距舵机、设置于旋翼主轴上的两个十字盘、与旋翼和十字盘连接的变距杆以及与两个十字盘和变距舵机连接的第二传动机构；

第二传动机构包括依次转动连接的第一舵机拉杆、第一舵机臂、第二舵机拉杆、第二舵机臂和第三舵机拉杆，第一舵机臂设置于变距舵机上，第一舵机拉杆的一端与第一舵机臂的一端转动连接，第一舵机拉杆的另一端与设置于旋翼主轴上且距离最近的一个十字盘转动连接，第二舵机拉杆的一端与第一舵机臂的另一端转动连接，第二舵机拉杆的另一端与第二舵机臂的一端转动连接，第三舵机拉杆的一端与第二舵机臂的另一端转动连接，第三舵机拉杆的另一端与设置于旋翼主轴上的另一个十字盘连接；

所述短舱结构还包括与所述倾转主轴连接的短舱侧板，短舱侧板设置两个，所述变距舵机、所述旋翼主轴和所述第二传动机构位于两个短舱侧板之间；

短舱侧板上设有变距支座，第二舵机臂可旋转的设置于变距支座上，第一舵机臂和第二舵机臂相平行，第二舵机拉杆与旋翼主轴相平行；通过控制变距舵机输出扭矩，变距舵机运转，通过第二传动机构和十字盘带动变距杆拉动桨毂上所设的变距摇杆，进而带动桨叶达到变距效果，改变旋翼迎角。

2.根据权利要求1所述的电动双共轴倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述变距舵机和所述第二传动机构均分别设置多个且数量相等。

3.根据权利要求1所述的电动双共轴倾转旋翼飞行器，其特征在于：所述机翼位于两个所述短舱结构之间。