CN108275270B - 一种摇橹式扑翼控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摇橹式扑翼控制机构，属于微型飞行器领域，该系统包括：电机支座，电机，摇橹式控制机构以及桨叶。桨叶安装在摇橹式控制机构端部，摇橹式控制机构和电机安装在电机支座上。在电机的驱动下，驱动轴带动桨叶做圆周运动，与空气相互作用产生气动力用于飞行。传动机构简单，控制简单，可靠性高，且方便调整推力方向，效率较高。

Description

一种摇橹式扑翼控制机构

技术领域

本发明属于新概念飞行器领域，具体是一种可产生矢量推力的旋转扑动推进装置，特别涉及一种摇橹式扑翼控制机构。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫的飞行的新型飞行器。与微型固定翼和旋翼飞行器不同，其具有更出色的机动性和更卓越的飞行性能。利用尾迹气流获取部分升力，并将举升、悬停和推进功能集成于一体，更能节约能量，灵活性高，仿照生物扑翼方式能够高效率产生推力。如果搭载传感器和相关的数据传输和控制系统，具有广阔的应用前景。

传统的扑翼飞行器，大多数机构为曲柄连杆机构或者滑槽类机构。其效率较低，且大多数都是被动控制运动状态，其机构设计一旦确定，运动便被固定下来，难以调整推力方向。现有的扑翼相比，如采用曲柄滑块机构实现扑动，结构中有多个滑块机构存在，会增加机构数量，而且滑块势必造成摩擦损耗，又如可实现如翅翼扭转、折叠等复杂的运动规律机构，又很复杂，需要采用多套运动机构控制装置，势必会增加结构重量。

中国专利“一种连续扑翼飞行器”(授权公告号CN103213680B，授权公告日2015年2月18日)公开了一个具有三个扑翼，转翼轴在同一平面以三叉星形分布的扑动装置。该发明是由三根扑翼连续扑打空气来产生升力、前行力或后行力的飞行器，具有机械效率高，连续稳定，安静，控制反推力方向容易准确的优点。其不足之处是，机构的组成比较复杂，难以轻量化，且扑翼叶片在与空气发生作用时，除了产生升力外，扑翼翼翅的背面也会产生反作用力。

中国专利“一种旋转扑翼推力生成装置”(授权公告号CN103991546A，授权公告日2014年8月20日)公开了一个旋转扑翼推力装置，该装置在发动机驱动下，扑翼做圆周旋转，扑动空气产生推力，具有效率较高，方便调整推力方向的优点。(如图1所示)其不足之处是，该机构沿剖面弦向布置，结构不紧凑，导向器导向杆间会有磨损并产生附加弯矩，调节推力方向困难。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现阶段存在的上述问题，本发明的目的是克服传统飞行器的缺陷，发明一种效率较高的类似摆线桨的摇橹式扑动推力产生装置机构。

本发明的技术方案是：一种摇橹式扑翼控制机构，其特征在于，包括支座1、驱动机构、桨叶2和曲柄连杆机构；驱动机构位于支座1内，桨叶2通过曲柄连杆机构与驱动机构连接；传动机构带动曲柄连杆机构运动，从而带动桨叶2进行周向旋转，桨叶2在周向旋转时，能够自转，使得攻角随桨叶2转动位置发生改变；所述驱动机构中的从动轮上设有关节球槽，且关节球槽位于从动轮上的偏心位置；所述曲柄连杆机构包括驱动轴—叶片叉8、摇臂支座13、动连杆摇臂14、U型铰接件15和叶片前缘摇曳支点16；摇臂支座13连接于支座1外壁，摇臂支座13轴线与从动轮轴线重合，与从动轮上关节球槽的轴线不重合；摇臂支座13内设有关节球槽；驱动轴—叶片叉8为一杆状体，一端与桨叶2固连，另一端上穿过摇臂支座13后插入从动轮上的关节球槽，且与摇臂支座13和从动轮均为球头轴承配合；摇臂支座13未与支座1外壁连接的一侧设有凸起，叶片前缘摇曳支点16为块状体，与驱动轴—叶片叉8的杆体固连；叶片前缘摇曳支点16对称设有铰接孔，U型铰接件15与叶片前缘摇曳支点16相互铰接；动连杆摇臂14为杆状体，U型铰接件15与动连杆摇臂14之间通过关节球进行配合；驱动轴和叶片叉8上叶片前缘摇曳支点16至摇臂支座13关节槽的部分作为曲柄，动连杆摇臂14作为最长杆，其中曲柄长度最短，且曲柄长度和最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，保证桨叶2能够完整的进行周向转动。

本发明的进一步技术方案是：所述传动机构包括电机3、第一齿轮4和第二齿轮5，其中第二齿轮5作为从动轮；电机3与第一齿轮4为同轴连接；第一齿轮4和第二齿轮5啮合；第二齿轮5沿轴线方向开有通孔，且通孔轴线与摇臂支座13轴线不重合；第二齿轮5上设有关节球槽；曲柄连杆机构与第二齿轮5连接；电机3驱动第一齿轮4旋转，第一齿轮4驱动第二齿轮5转动，第二齿轮5带动连接组件沿第二齿轮5轴线进行周向转动。

本发明的进一步技术方案是：还包括两个轴套10；所述叶片轴套10为两端开口的柱状空腔体，其中一个套入驱动轴—叶片叉8未与桨叶2连接的一端后，与驱动轴—叶片叉粘接，另一个位于摇臂支座13球头轴承处进行粘接，放置防止驱动轴—叶片叉8进行晃动。

发明效果

本发明的技术效果在于：1)本专利在考虑实现叶片旋转扑动以产生最大推力和效率的要求下，运用了曲柄摇杆机构原理，最大简化了机构，控制简单，且并不影响功能的实现。2)机构连接多采用轴承配合，效率高摩擦小，可靠性高；3)结构简单，易于轻量化、小型化。扑翼控制机构是将旋转运动和扑动结合起来，有且只有一个叶片，连接杆设计为斜撑，沿展向半径就会改变，叶片展向线速度不同会带来沿展向的科氏加速度，有利于前缘涡的稳定附着对提升叶片气动效率由很大帮助。同自然界中的蜻蜓等翅膀扇动过程对比，蜻蜓上扑过程会带来负升力，本设计的叶片在上升运动时，是顺气流方向，阻力很小，能提高飞行效率。

附图说明

图1为背景技术现有机构的结构示意图

图2为叶片运动示意图

图3为本发明专利的整体装配图；

图4为本发明专利的左视图；

图5为本发明专利的俯视图；

图6为驱动轴与叶片叉与大齿轮配合局部放大图；

图7为驱动轴与叶片叉与电机支座配合局部放大图。

图8为曲柄连杆机构的简化示意图

图1中的附图标记为：1-主轴，2-转臂，3-扑翼，4-翼轴，5-导向杆，6-导向器，61-直线轴承，62-关节轴承。

图2-图7中的附图标记为：1.电机支座；2.桨叶；3.电机；4.小齿轮；5.大齿轮；6.大齿轮轴；7.大齿轮轴支架；8.驱动轴与叶片叉；9.球头轴承；10.叶片轴套；11.球头轴承；12.叶片轴套；13.摇臂支座；14.连杆摇臂；15.U型铰接件；16.叶片前缘摇曳支点；17.关节球。

具体实施方式

参见图1到图8，一种摇橹式扑翼控制机构，包括电机支座、电机、摇橹式控制机构以及桨叶，桨叶安装在摇橹式控制机构端部，摇橹式控制机构和电机安装在电机支座上。摇橹式控制机构中，小齿轮安装在电机上，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮通过大齿轮轴与大齿轮轴支架固接在电机支座上。其中摇橹式运动结构是：驱动轴与叶片叉一端通过球头轴承、叶片轴套与大齿轮配合，另一端穿过电机支座预留孔并使用球头轴承、叶片轴套与电机支座配合。同时，摇臂支座与叶片动连杆摇臂铰接，叶片前缘摇曳支点外框通过关节球与叶片动连杆摇臂球接；叶片前缘摇曳支点外框与穿入驱动轴与叶片叉的叶片前缘摇曳支点铰接，共同组成完整的摇橹式控制机构。摇臂支座固接在电机支座上。

本实施例为一种摇橹式扑翼控制机构，包括电机支座1，桨叶2，电机3和摇橹式控制机构。

参照附图1、附图4与附图5，所述驱动电机3固定在电机支座1内，电机功率输出端与小齿轮4连接，大齿轮5通过大齿轮轴6与大齿轮轴支架7固接在电机支座1上。大齿轮5与小齿轮4啮合，大齿轮5通过球头轴承9、叶片轴套10与驱动轴与叶片叉8配合，另一端穿过电机支座预留孔并使用球头轴承11、叶片轴套12与电机支座1配合。叶片轴套10、叶片轴套12用于限定驱动轴与叶片叉8的位置。摇臂支座13固定在电机支座1上，叶片动连杆摇臂14与摇臂支座13通过铰链配合，摇臂支座13为圆盘状，未与电机支座1连接的一端设有一凸起，叶片前缘摇曳支点15与叶片动连杆摇臂14使用关节球17配合，叶片前缘摇曳支点外框15与穿入驱动轴与叶片叉8的叶片前缘摇曳支点16铰接配合。桨叶2安装在驱动轴与叶片叉8端部。

电机的动力经减速后传给驱动轴与叶片叉8，在驱动轴与叶片叉8的牵引下桨叶2旋转扑动。由于摇橹式机构的控制，桨叶2旋转时其攻角在一个工作周期内即旋转一周会发生规律变化，符合高升力机制，有利于产生推力。改变电机转速会改变推力的大小，电机转速越大，推力越大。由于桨叶2做圆周转动，对材料的疲劳强度要求不高，该装置结构简单紧凑，效率较高。

Claims (3)

1.一种摇橹式扑翼控制机构，其特征在于，包括支座(1)、驱动机构、桨叶(2)和曲柄连杆机构；驱动机构位于支座(1)内，桨叶(2)通过曲柄连杆机构与驱动机构连接；传动机构带动曲柄连杆机构运动，从而带动桨叶(2)进行周向旋转，桨叶(2)在周向旋转时，能够自转，使得攻角随桨叶(2)转动位置发生改变；所述驱动机构中的从动轮上设有关节球槽，且关节球槽位于从动轮上的偏心位置；所述曲柄连杆机构包括驱动轴—叶片叉(8)、摇臂支座(13)、动连杆摇臂(14)、U型铰接件(15)和叶片前缘摇曳支点(16)；摇臂支座(13)连接于支座(1)外壁，摇臂支座(13)轴线与从动轮轴线重合，与从动轮上关节球槽的轴线不重合；摇臂支座(13)内设有关节球槽；驱动轴—叶片叉(8)为一杆状体，一端与桨叶(2)固连，另一端上穿过摇臂支座(13)后插入从动轮上的关节球槽，且与摇臂支座(13)和从动轮均为球头轴承配合；摇臂支座(13)未与支座(1)外壁连接的一侧设有凸起，叶片前缘摇曳支点(16)为块状体，与驱动轴—叶片叉(8)的杆体固连；叶片前缘摇曳支点(16)对称设有铰接孔，U型铰接件(15)与叶片前缘摇曳支点(16)相互铰接；动连杆摇臂(14)为杆状体，U型铰接件(15)与动连杆摇臂(14)之间通过关节球进行配合；驱动轴—叶片叉(8)上叶片前缘摇曳支点(16)至摇臂支座(13)关节槽的部分作为曲柄，动连杆摇臂(14)作为最长杆，其中曲柄长度最短，且曲柄长度和最长杆长度之和小于其余两杆长度之和，保证桨叶(2)能够完整的进行周向转动。

2.如权利要求1所述的一种摇橹式扑翼控制机构，其特征在于，所述传动机构包括电机(3)、第一齿轮(4)和第二齿轮(5)，其中第二齿轮(5)作为从动轮；电机(3)与第一齿轮(4)为同轴连接；第一齿轮(4)和第二齿轮(5)啮合；第二齿轮(5)沿轴线方向开有通孔，且通孔轴线与摇臂支座(13)轴线不重合；第二齿轮(5)上设有关节球槽；曲柄连杆机构与第二齿轮(5)连接；电机(3)驱动第一齿轮(4)旋转，第一齿轮(4)驱动第二齿轮(5)转动，第二齿轮(5)带动连接组件沿第二齿轮(5)轴线进行周向转动。

3.如权利要求1或2所述的一种摇橹式扑翼控制机构，其特征在于，还包括第一叶片轴套(10)和第二叶片轴套(12)；第一叶片轴套(10)和第二叶片轴套(12)均为两端开口的柱状空腔体，其中第一叶片轴套(10)套入驱动轴—叶片叉(8)未与桨叶(2)连接的一端中，套入后与驱动轴—叶片叉粘接，第二叶片轴套(12)位于摇臂支座(13)球头轴承处进行粘接，防止驱动轴—叶片叉(8)进行晃动。

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