CN108438209A - 摆线桨偏心圆控制机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种摆线桨偏心圆控制机构，将转动盘通过轴间限位固定在旋转轴上，转动盘的外环通过轴承可实现在旋转轴上的旋转运动，转动盘的十字环、内环以及各旋转副组成平行四杆机构，并通过舵机摇臂与外环的铰接控制外环绕旋转轴的旋转，带动十字盘使得旋转轴与十字盘的相对位置发生改变，进而控制桨叶相对俯仰角。每个控制杆控制一个桨叶迎角，两端均铰接，十字环的卡槽结构限制了控制杆与十字环的相对运动，当摆线桨旋转时，十字环会随着摆线桨绕主轴同步旋转，不会出现机构卡滞。本发明是一种新型的、同时满足气动要求、振动要求的摆线桨矢量推力控制装置，具有更高的传动效率，结构简单、响应快、传动效率高、重量轻并且具备迅捷的响应。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器传动系统及、升力控制领域，具体是一种摆线桨偏心圆控制机构。
背景技术
摆线桨是一种新型产生气动升力的装置，桨叶在绕摆线桨转轴公转的同时还绕铰链做俯仰振荡运动，多用于低雷诺数飞行器，通过周期改变旋转桨叶系统中不同位置桨叶的迎角来提供升力，通过控制摆线桨上偏心圆的位置来改变桨叶周期变距的相位角进而改变净矢量拉力方向，由于摆线桨的周期旋转带来的非定常流动特性，增大了桨叶的失速迎角，使得摆线桨具有效率高、噪声低、矢量推力变化快等特点。
公开号为CN103434627A的中国专利公开采用了一种摇臂滑块作为控制机构的摆线桨。该发明的目的是避免使用常规的凸轮机构，设法提高机构的可靠性以及提高机械效率，该专利中的控制机构是通过利用机构中的内环固定立杆和传递横向位移；滑块带动内环横向位移使桨叶获得偏转角，内环周向转动使桨叶得到相位角，该专利中的摆线桨控制机构相对复杂，同时整体机构庞大，笨重，只适用于作为实验平台研究摆线桨气动特性，不适合飞行器。
由西工大胡峪等人申请的美国专利NO.6/939,888(公开号GB939888 (A))，提到的一种利用倾斜盘控制摆线桨偏心圆机构。该机构通过舵机控制侧板的倾斜角以及一系列的连杆传动，从而实现对桨叶俯仰角的控制。该控制机构具有极快的响应，较轻的重量，并成功运用于微型摆线桨无人机。但是该解决方案由于构件之间接触多，导致机械损失较大。
韩国Seung Yong Min,Choong Hee Lee和Myeong Hum Seung等人于2015年发表的Experimental Study of Quadrotor Cyclocopter文章，提出了一种利用三舵机控制的摆线桨偏心圆定位控制机构。该机构利用舵机与机械结构精准控制偏心圆环的运动，简单可靠，是比较成功的摆线桨偏心圆控制机构之一。详情见Seung Yong Min,Choong Hee Lee，Myeong Hum Seung.“Experimental Study of Quadrotor Cyclocopter”《Journal of theAmerican Helicopter Society》,2015,60(3)。
总之，对于现阶段存在的摆线桨矢量控制机构，要么结构庞大复杂，机械结构摩擦损失严重，要么就是机构响应慢很难实现瞬间可变的矢量推力。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种摆线桨偏心圆控制机构，是一种新型的、同时满足气动要求、振动要求的摆线桨矢量推力控制装置，具有更高的传动效率，结构简单、响应快、传动效率高、重量轻并且具备迅捷的响应。
本发明包括转动盘、摆线桨旋转轴、舵机摇臂、舵机拉杆、桨叶支架、侧板、若干桨叶以及和桨叶数量对应的控制拉杆。
所述的侧板上开有摆线桨旋转轴的安装孔，安装孔内有轴承，摆线桨旋转轴通过轴承固定在侧板的安装孔内，所述的转动盘套装在摆线桨主轴上。摆线桨旋转轴是摆线桨的主要承力部件，无刷电机转动经过传动系统传递至摆线桨旋转轴，进而带动摆线桨桨叶绕摆线桨旋转轴公转。
所述的转动盘包括十字环、内环和外环，十字环的法兰凸台嵌入内环的凹槽内，外环的法兰凸台嵌入十字环的内壁上，外环与内环通过螺纹孔相连实现十字环的轴向定位；
所述的转动盘的外环与摆线桨旋转轴通过轴承相连，转动盘中的十字环、外环与每一个控制拉杆之间均形成转动副。
所述的转动盘外环通过轴间定位与舵机拉杆连接，舵机摇臂与舵机拉杆连接，外环、舵机拉杆与舵机摇臂组成了平行四边形机构。
所述的桨叶支架套装在摆线桨旋转轴上并与摆线桨旋转轴相连，桨叶支架每个分支顶端通过轴承孔固定有桨叶，控制拉杆的两端分别设有尼龙球形铰套环，每个控制拉杆的一端通过尼龙球形铰套环与一个桨叶后缘处的金属铰头配合，另一端通过尼龙球形铰套环与十字环支点相连。
所述的控制拉杆有四根，由合金钢杆以及套在合金钢杆两端的尼龙塑料球形铰套环组成。
所述的桨叶有四片，采用轻木材料，外形为矩形，均布五根翼肋，沿桨叶展向的中心线开有双通槽，双通槽内埋有碳管，机构在运动过程中，通过控制拉杆带动后缘碳管从而使机翼绕前缘碳管做俯仰周期性运动。
本发明有益效果在于：
1、本发明从机械效率上来看，由于控制机构只有十字盘转动，而且各机构间无卡滞，因此相对于其他已有的控制机构来说，具有更高的传动效率。
2、本发明机构具备迅捷的响应，无迟滞，当偏心距小范围变化时，桨叶俯仰角可迅速提高。
3、本发明提出的摆线桨偏心圆控制机构具有结构简单、响应快、传动效率高和重量轻的优点。
附图说明
图1是摆线桨偏心圆控制机构俯视图。
图2是摆线桨偏心圆控制机构的正视图。
图3是控制摇臂及平行四边形机构的装配示意图。
图4是转动盘爆炸示意图。
图5是桨叶示意图。
图6是旋转盘偏移到摆线桨旋转轴的右下方示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明一种具体实施方式如图1和图2所示，包括转动盘、摆线桨旋转轴1、舵机摇臂5、舵机拉杆6、桨叶支架4、侧板2、四个桨叶11以及和四个控制拉杆7。
所述的侧板2为矩形，采用碳纤维材料。侧板2上开有摆线桨旋转轴的安装孔，安装孔内有轴承，摆线桨旋转轴1通过轴承固定在侧板2的安装孔内，所述的转动盘套装在摆线桨旋转轴1上。摆线桨旋转轴是摆线桨的主要承力部件，无刷电机转动经过传动系统传递至摆线桨旋转轴，进而带动摆线桨桨叶绕摆线桨旋转轴公转。
所述的转动盘如图4所示，包括十字环8、内环9和外环10，十字环8的法兰凸台嵌入内环9的凹槽内，外环10的法兰凸台嵌入十字环8的内壁上，外环10与内环9通过螺纹孔相连实现十字环8的轴向定位。
所述的转动盘的外环与摆线桨旋转轴通过轴承相连，十字环、外环与第一控制拉杆形成了第一转动副，十字环、外环与第二控制拉杆形成了第二转动副，十字环、外环与第三控制拉杆形成了第三转动副，十字环、外环与第四控制拉杆形成了第四转动副。
所述的转动盘外环通过轴间定位与舵机拉杆连接，舵机摇臂与舵机拉杆连接，外环、舵机拉杆与舵机摇臂组成了平行四边形机构，如图3所示。舵机摇臂5上连接有舵机3。
所述的桨叶支架套装在摆线桨旋转轴上并与摆线桨旋转轴相连，桨叶支架每个分支顶端通过轴承孔固定有桨叶，控制拉杆的两端分别设有尼龙球形铰套环，每个控制拉杆的一端通过尼龙球形铰套环与一个桨叶后缘处的金属铰头配合，另一端通过尼龙球形铰套环与十字环支点相连。
所述的桨叶如图5所示，采用轻木材料，外形为矩形，均布五根翼肋，沿桨叶展向的中心线开有双通槽，双通槽内埋有碳管，机构在运动过程中，通过控制拉杆带动后缘碳管从而使机翼绕前缘碳管做俯仰周期性运动。
本发明将转动盘通过轴间限位固定在旋转轴上，转动盘的外环通过轴承可实现在旋转轴上的旋转运动，转动盘的十字环、内环以及各旋转副组成平行四杆机构，并通过舵机摇臂与外环的铰接控制外环绕旋转轴的旋转，带动十字盘使得旋转轴与十字盘的相对位置发生改变，进而控制桨叶相对俯仰角。每个控制杆控制一个桨叶迎角，两端均铰接，十字环的卡槽结构限制了控制杆与十字环的相对运动，当摆线桨旋转时，十字环会随着摆线桨绕主轴同步旋转，不会出现机构卡滞。
控制机构将在舵机的作用下发生位置改变，从而使旋转盘圆心位置相对于摆线桨旋转轴圆心将产生偏移现象，旋转盘的圆心同摆线桨旋转轴圆心之间的距离叫做偏心距。当偏心距为0时，桨叶有效迎角为0，桨叶的速度方向与弦线始终保持一致，将不会产生升力；当偏心距不为0时，桨叶有效迎角也不为0，桨叶通过操控拉杆的控制，做周期性俯仰运动，产生矢量推力，由此可以改变飞机的飞行姿态。假设通过舵机的操纵, 旋转盘偏移到摆线桨旋转轴的右下方,如图6所示。桨叶处于正上方，通过拉动操控拉杆,桨叶抬头，与线速度产生正攻角,升力为正上方；桨叶处于左上方,通过控制操控拉杆,桨叶同线速度仍然产生的为正攻角,升力方向为左上方；桨叶处于左方,由于桨叶速度与弦线平行,不产生升力；桨叶运动处于左下方,推动桨叶的操控拉杆,使得桨叶与线速度方向产生正攻角,升力方向为右上方；桨叶处于下方, 推动桨叶的操控拉杆, 使得桨叶与线速度方向产生正攻角,升力方向为正上方，桨叶处于右下方, 通过控制操控拉杆,使桨叶产生正攻角,升力方向为左上方；桨叶处于右方, 通过操控拉杆的控制，使桨叶速度与弦线平行,不产生升力；桨叶处于右上方, 通过操控拉杆的控制,桨叶抬头,升力为右上方。由此通过分析桨叶绕圆周产生的升力情况的可以得出,桨叶处于左方和右方时,将不会产生升力；而当桨叶处于其他方位时,就可以产生正上方的升力分量。所以当旋转盘偏移到摆线桨旋转轴下方时,通过摆线桨的运动,桨叶将产生方向为正上方的合力。
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 (3)
1.一种摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于：包括转动盘、摆线桨旋转轴、舵机摇臂、舵机拉杆、桨叶支架、侧板、若干桨叶以及和桨叶数量对应的控制拉杆；
所述的侧板上开有摆线桨旋转轴的安装孔，安装孔内有轴承，摆线桨旋转轴通过轴承固定在侧板的安装孔内，所述的转动盘套装在摆线桨主轴上；
所述的转动盘包括十字环、内环和外环，十字环的法兰凸台嵌入内环的凹槽内，外环的法兰凸台嵌入十字环的内壁上，外环与内环通过螺纹孔相连实现十字环的轴向定位；
所述的转动盘的外环与摆线桨旋转轴通过轴承相连，转动盘中的十字环、外环与每一个控制拉杆之间均形成转动副；
所述的转动盘外环通过轴间定位与舵机拉杆连接，舵机摇臂与舵机拉杆连接，外环、舵机拉杆与舵机摇臂组成了平行四边形机构；
所述的桨叶支架套装在摆线桨旋转轴上并与摆线桨旋转轴相连，桨叶支架每个分支顶端通过轴承孔固定有桨叶，控制拉杆的两端分别设有尼龙球形铰套环，每个控制拉杆的一端通过尼龙球形铰套环与一个桨叶后缘处的金属铰头配合，另一端通过尼龙球形铰套环与十字环支点相连。
2.根据权利要求1所述的摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于：所述的控制拉杆有四根，由合金钢杆以及套在合金钢杆两端的尼龙塑料球形铰套环组成。
3.根据权利要求1或2所述的摆线桨偏心圆控制机构，其特征在于：所述的桨叶有四片，采用轻木材料，外形为矩形，均布五根翼肋，沿桨叶展向的中心线开有双通槽，双通槽内埋有碳管，机构在运动过程中，通过控制拉杆带动后缘碳管从而使机翼绕前缘碳管做俯仰周期性运动。
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