CN107352026A - 一种共轴反向旋转双输出传动装置及使用该装置的无人机 - Google Patents

Abstract

一种共轴反向旋转双输出传动装置及使用该装置的无人机，传动装置包括主机架、动力输入轴、动力输出轮毂一、动力输出轮毂二、耦合锥齿轮传动组件；动力输入轴安装在主机架内，动力输出轮毂一安装在动力输入轴上，动力输出轮毂二安装在主机架上；动力输出轮毂一设有与其同轴的主动锥齿轮，动力输出轮毂二上设有从动锥齿轮，耦合锥齿轮传动组件包括至少两个与主动锥齿轮和从动锥齿轮均啮合的耦合锥齿轮、位于主动锥齿轮与从动锥齿轮之间的主机架上。具有质量轻，体积小、成本低、驱动效率高、有效载荷大、飞行阻力小、飞行稳定性好、抗风能力强等优势。

Description

一种共轴反向旋转双输出传动装置及使用该装置的无人机

技术领域

本发明涉及机械传动装置技术领域，详细讲是一种结构简单、紧凑、成本低廉，体积小、质量轻的共轴反向旋转双输出传动装置。

背景技术

我们知道，超小型和微型无人机具有体积小、重量轻、携带方便、隐蔽性好、时效性好、收放简便等诸多优点，特别适合随身携带、跟拍和执行一些特殊的任务，便于普及应用。目前，垂直升降类无人机主要基于三种技术平台，一种是 “多轴”（即并列多旋翼）式，另一种是传统的“旋翼＋尾桨”技术，第三种就是“共轴反向双旋翼”技术。

其中，“多轴”式是时下较流行的技术形式，有四轴、六轴、八轴及以上等多轴结构形式，这种形式的最主要优点就是控制方便，如无人机的姿态、航向、旋转控制都可以用控制各电机的转速来实现。但基于这种技术平台打造的无人机结构较复杂，外廓尺寸相对较大，与同等质量、同功率的“旋翼＋尾桨”无人机和“共轴反向双旋翼”无人机相比，存在成本高、有效载荷小、飞行阻力较大、抗风能力较弱等缺点，此外，多轴的张臂式结构不利于无人机的进一步小型化和微型化。

第二种，“旋翼＋尾桨”技术形式。技术特点是：旋翼轴线与尾桨轴线相互垂直或呈某一角度，在机身上旋翼与尾桨的距离应尽可能远。旋翼是产生升力和各向飞行所需拉力的唯一部件，尾桨的主要作用是利用其相对旋翼轴产生的力矩来平衡旋翼旋转时所产生的巨大反向转矩（该反向转矩通过传动系传递给机身，使机身产生与旋翼相反方向的旋转），其次，通过调节尾桨平衡力矩的大小来改变无人机的飞行方向。“旋翼＋尾桨”历史悠久、技术成熟，基于这种技术平台打造的无人机具有有效载荷能力强、飞行阻力较小、速度较快等主要优点，缺点是传动系统和操控机构复杂、传动效率相对较低，目前这种技术形式主要应用在中大型无人机上。由于单旋翼的桨盘直径较大、后机身较长，因此也不便实现无人机的小（微）型化。

第三种，“共轴反向双旋翼”技术。结构特点是：两入＋两出，即整个传动装置拥有两根动力输入轴（分别由两台发动机或电动机驱动）、两根动力输出轴（对外输出动力）。两根动力输入轴通过两套独立的减速齿轮机构驱动两根同轴套装的动力输出轴，每根动力输出轴连接一旋翼，从而形成所谓共轴反向双旋翼驱动技术形式。由于两根动力输出轴同轴线（称为共轴）安装，工作时带动各自旋翼互为相反方向旋转，因此两只旋翼各自产生的反作用转矩也因方向相反而相互抵消，因此也就不需要再设置尾桨来平衡旋翼的反作用转矩。此外，由于采用双旋翼，因此传递相同功率所需的旋翼尺寸（桨盘直径）可以比单旋翼的小很多。因此，相对于上述两种技术平台，基于“共轴反向双旋翼”技术打造的无人机外廓尺寸可以做得小一些。该技术存在的主要缺点：目前的“共轴反向双旋翼”技术相当于由两套独立的动力与传动系统叠加而成，从而导致传动机械结构和操控机构复杂、系统震动较大、机械效率较低、对轴承的性能和质量要求高、成本较高等问题，机械系统质量、体积均较大，也不利于无人机的进一步小型化和微型化。因此，目前采用这种技术平台的无人机很少。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑、简单可靠、成本低廉，体积小、质量轻、效率高的共轴反向旋转双输出传动装置。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于包括主机架、动力输入轴、动力输出轮毂一、动力输出轮毂二、耦合锥齿轮传动组件；动力输入轴经轴承（前后贯穿的）安装在主机架内，动力输出轮毂一安装在主机架前侧的动力输入轴上，动力输出轮毂二经轴承与动力输出轮毂一同轴地安装在主机架上；动力输出轮毂一上与动力输出轮毂二相对侧设有与其同轴的主动锥齿轮，动力输出轮毂二上与主动锥齿轮相对处设有与其同轴的从动锥齿轮，耦合锥齿轮传动组件位于主动锥齿轮与从动锥齿轮之间的主机架上，耦合锥齿轮传动组包括至少两个与主动锥齿轮和从动锥齿轮均啮合的耦合锥齿轮。

本发明中所述的耦合锥齿轮传动组件的结构是：主机架上设有圆环形耦合锥齿轮安装套，耦合锥齿轮安装套与主机架之间用花键间隙配合连接，耦合锥齿轮安装套上周向均布有至少两个传动销轴，耦合锥齿轮设置在传动销轴上。耦合锥齿轮传动组件可在主机架上沿其轴向滑动。

本发明中所述的耦合锥齿轮安装套上沿周向均布有三个的传动销轴，传动更平稳。传动销轴、耦合锥齿轮的数量可根据传递动力的大小及本发明对质量的要求而增减配置数量。

本发明中所述的动力输出轮毂一和动力输出轮毂二上分别设有桨叶安装耳。桨叶安装耳用于安装螺旋桨桨叶。

本发明中所述的动力输出轮毂一与主动锥齿轮集成为一整体，所述的动力输出轮毂二与从动锥齿轮集成为一整体。主动锥齿轮在传动系中即是主动轮，也是动力输出轮之一；从动锥齿轮在传动系中是从动轮，也是另一只动力输出轮；在从动锥齿轮的轴孔内嵌入有滚动轴承，轴承的内圈与主机架采用过渡配合连接。

本发明中所述的动力输出轮毂一与动力输入轴的前端采用花键连接，并用轴端螺母锁紧；所述的动力输出轮毂一前侧设有将动力输入轴的前端和轴端螺母遮挡封闭的密封端盖。

本发明中所述的主机架后侧设有电动机，电动机经轴端联轴器与动力输入轴相连。电动机作为本发明的动力源，可根据设计需要，通过匹配不同功率的电动机和不同规格的旋翼（螺旋桨），获得不同飞行性能的无人机产品。

本发明中所述的主机架后部的外围设有万向支撑环，万向支撑环上对称的设有一对连接轴孔，万向支撑环经连接轴孔、销轴与主机架铰链连接，在外部伺服机构作用下，主机架可以绕一对连接轴孔的轴线转动；万向支撑环上还对称的设有一对安装轴孔，一对安装轴孔的轴线与连接轴孔的轴线90度相交。一对安装轴孔经另一对销轴与外部设备（如无人机机壳）铰链连接（在外部伺服机构作用下，主机架连同万向支撑环一起可以绕一对安装轴孔的轴线左右转动）。

一种无人机，其特征在于使用了权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置作为动力传输装置。

本发明在工作时，动力输入轴与动力源（电动机）相连，动力源把动力传递给动力输入轴，动力输入轴把动力传递给动力输出轮毂一和主动锥齿轮，动力输出轮毂一对外输出功率，并正向旋转；与此同时，主动锥齿轮把动力经耦合锥齿轮传递给从动锥齿轮和动力输出轮毂二，在传递扭矩的同时使动力输出轮毂二相对动力输出轮毂一反向旋转，实现单一轴输入、共轴反向旋转双输出的功能。本发明实现了单一动力输入，两个互为反转的动力输出，整个装置实现了微（小）型化。特别适合于采用共轴反向旋转双旋翼驱动的小型和微型无人机配套使用，为无人机实现超小型化和微型化提供有力的技术支撑。

将本发明应用在飞机中作为动力传动装置，在动力输出轮毂一和动力输出轮毂二上安装螺旋桨桨叶，具有质量轻，体积小、成本低、驱动效率高、有效载荷大、飞行阻力小、飞行稳定性好、抗风能力强等优势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中动力输入轴与驱动电机输出轴间的连接结构示意图；

图3为本发明中万向支撑环与主机架和外部支撑体（如：无人机机体）的连接结构及它们的摆动方向示意图。

具体实施方式

为能更加清楚的理解本发明的设计理念、技术特征和效果，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的共轴反向旋转双输出传动装置，包括密封端盖1、主动锥齿轮2、动力输出轮毂一3、圆环形耦合锥齿轮安装套4、耦合锥齿轮5、从动锥齿轮6、动力输出轮毂二7、主机架8、轴承9、轴端联轴器10、销钉孔11、万向支撑环12、轴承14、桨叶安装耳15、钢丝挡圈16、传动销轴17、桨叶安装耳18、弹性挡圈19、轴端螺母20、动力输入轴21和耦合锥齿轮传动组件；动力输入轴21经轴承9前后贯穿的安装在主机架8内，动力输出轮毂一与主机架前侧的轮动力输入轴的前端采用花键连接，并用轴端螺母20锁紧；所述的动力输出轮毂一前侧设有将动力输入轴的前端和轴端螺母20遮挡封闭的密封端盖1。动力输出轮毂二7经轴承14与动力输出轮毂一3同轴地安装在主机架8外壁上；动力输出轮毂一3上与动力输出轮毂二7相对侧设有与其同轴的主动锥齿轮2，动力输出轮毂一与主动锥齿轮集成制成一体，所述的动力输出轮毂二与从动锥齿轮集成制成一体；主动锥齿轮在传动系中即是主动轮，也是动力输出轮之一；从动锥齿轮在传动系中是从动轮，也是另一只动力输出轮；在从动锥齿轮的轴孔内嵌入有滚动（或滑动）轴承，轴承的内圈与主机架采用过渡配合连接。动力输出轮毂二7上与主动锥齿轮2相对处设有与其同轴的从动锥齿轮6，耦合锥齿轮传动组件位于主动锥齿轮2与从动锥齿轮6之间的主机架8上，耦合锥齿轮传动组包括至少两个与主动锥齿轮2和从动锥齿轮6均啮合的耦合锥齿轮5。本发明中动力输出轮毂二和耦合锥齿轮传动组件处的主机架呈套筒状，述的耦合锥齿轮传动组件的结构是：主机架上设有圆环形耦合锥齿轮安装套4，耦合锥齿轮安装套4与主机架之间用花键间隙配合连接，耦合锥齿轮安装套4上在动力输入轴的周向上均布有至少两个轴线与动力输入轴21轴线垂直且相交的传动销轴17，耦合锥齿轮5设置在传动销轴17上，耦合锥齿轮传动组件可在主机架上、主动锥齿轮2和从动锥齿轮6之间沿动力输入轴的轴向滑动。所述的耦合锥齿轮安装套上沿周向均布有三个的传动销轴，传动更平稳。传动销轴、耦合锥齿轮的数量可根据传递动力的大小及本发明对质量的要求而增减配置数量。动力输出轮毂一3和动力输出轮毂二7上分别沿其周向均布有桨叶安装耳18、15。桨叶安装耳18、15用于安装螺旋桨桨叶。

本发明使用时，所述的主机架8后侧设有电动机，电动机经轴端联轴器10与动力输入轴21相连。电动机作为本发明的动力源，可根据设计需要，通过匹配不同功率的电动机和不同规格的旋翼（螺旋桨），获得不同飞行性能的无人机产品。

本发明进一步改进，如图3所示，所述的主机架8后部的外围设有万向支撑环12，万向支撑环12周边上对称的设有一对连接轴孔，万向支撑环12经连接轴孔、销轴13A与主机架8铰链连接，在外部伺服机构作用下，主机架可以绕一对连接轴孔的轴线转动；万向支撑环周边上还对称的设有一对安装轴孔，一对安装轴孔的轴线与连接轴孔的轴线90度相交。一对安装轴孔经另一对销轴13B与外部设备（如无人机机壳）铰链连接，在外部伺服机构作用下，主机架连同万向支撑环一起可以绕一对安装轴孔的轴线左右转动。

本发明在工作时，动力输入轴与动力源（电动机）相连，动力源把动力传递给动力输入轴，动力输入轴把动力传递给动力输出轮毂一和主动锥齿轮，动力输出轮毂一对外输出功率，并正向旋转；与此同时，主动锥齿轮把动力经耦合锥齿轮传递给从动锥齿轮和动力输出轮毂二，在传递扭矩的同时使动力输出轮毂二相对动力输出轮毂一反向旋转，实现单一轴输入、共轴反向旋转双输出的功能。本发明实现了单一动力输入，两个互为反转的动力输出，整个装置实现了微（小）型化。特别适合于采用共轴反向旋转双旋翼驱动的小型和微型无人机配套使用，为无人机实现超小型化和微型化提供有力的技术支撑。

一种无人机或飞机，使用了本发明的共轴反向旋转双输出传动装置作为动力传输装置，在动力输出轮毂一和动力输出轮毂二上安装螺旋桨桨叶，具有质量轻，体积小、成本低、驱动效率高、有效载荷大、飞行阻力小、飞行稳定性好、抗风能力强等优势。

本发明中所述主机架8是本发明所的主要承力构件，由碳纤维复合材料制造，也可用铝合金等比强度较高的材料制造。其它零部件装配于主机架8身上。

在所述从动锥齿轮6和动力输出轮毂二7的轴孔内嵌入有滚动（或滑动）轴承14，轴承14的内圈与主机架8采用过渡配合连接。由钢丝挡圈16限制轴承14沿主机架8轴向的滑动（起到轴向定位作用）。

所述耦合锥齿轮传动组件，由一个圆环形耦合锥齿轮安装套4和两个或三个及以上数量的、规格完全相同的耦合锥齿轮5及相配套的传动销轴17组成（本案列举三个耦合锥齿轮方案）；所述耦合锥齿轮5及其传动销轴17沿着圆环形耦合锥齿轮安装套4的周边呈星型均匀分布。

所述圆环形耦合锥齿轮安装套4与主机架8之间采用花键配合连接，且圆环形耦合锥齿轮安装套4可沿着主机架8的轴线方向滑动；所述耦合锥齿轮5的配置数量可根据设计传递功率的大小而增减。

所述动力输入轴21通过轴承9与主机架8连接在一起。由弹性挡圈19限制输入轴21的轴向移动（即轴向定位）。

如图2所示，所述动力输入轴21的一端集成有轴端联轴器10，使用时，电动机轴通过所述轴端联轴器10与动力输入轴21连接在一起。

Claims (9)

1.一种共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于包括主机架、动力输入轴、动力输出轮毂一、动力输出轮毂二、耦合锥齿轮传动组件；动力输入轴经轴承安装在主机架内，动力输出轮毂一安装在主机架前侧的动力输入轴上，动力输出轮毂二经轴承与动力输出轮毂一同轴地安装在主机架上；动力输出轮毂一上与动力输出轮毂二相对侧设有与其同轴的主动锥齿轮，动力输出轮毂二上与主动锥齿轮相对处设有与其同轴的从动锥齿轮，耦合锥齿轮传动组件位于主动锥齿轮与从动锥齿轮之间的主机架上，耦合锥齿轮传动组包括至少两个与主动锥齿轮和从动锥齿轮均啮合的耦合锥齿轮。

2.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的耦合锥齿轮传动组件的结构是：主机架上设有圆环形耦合锥齿轮安装套，耦合锥齿轮安装套与主机架之间用花键间隙配合连接，耦合锥齿轮安装套上周向均布有至少两个传动销轴，耦合锥齿轮设置在传动销轴上。

3.根据权利要求2所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的耦合锥齿轮安装套上沿周向均布有三个的传动销轴。

4.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的动力输出轮毂一和动力输出轮毂二上分别设有桨叶安装耳。

5.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的动力输出轮毂一与主动锥齿轮集成为一整体，所述的动力输出轮毂二与从动锥齿轮集成为一整体。

6.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的动力输出轮毂一与动力输入轴的前端采用花键连接，并用轴端螺母锁紧；所述的动力输出轮毂一前侧设有将动力输入轴的前端和轴端螺母遮挡封闭的前端盖。

7.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的主机架后侧设有电动机，电动机经轴端联轴器与动力输入轴相连。

8.根据权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置，其特征在于所述的主机架后部的外围设有万向支撑环，万向支撑环上对称的设有一对连接轴孔，万向支撑环经连接轴孔、销轴与主机架铰链连接；万向支撑环上还对称的设有一对安装轴孔。

9.一种无人机，其特征在于使用了权利要求1所述的共轴反向旋转双输出传动装置作为动力传输装置。