CN108454827A - 一种紧凑型摆线桨叶片控制机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型摆线桨叶片控制机构。包括摆线桨叶片，叶片支架，摆线桨驱动轴，驱动电机和摆线桨摆动控制机构。驱动电机固定在电机支座上，驱动电机的功率输出端与小齿轮连接，驱动轴上套有的大齿轮与小齿轮啮合用于将输出动力减速，带动摆线桨驱动轴转动，使安装在叶片支架上的摆线桨叶片转动，另一方面，摆线桨摆动控制机构控制摆线桨叶片攻角变化，使其高效率工作。

Description

一种紧凑型摆线桨叶片控制机构
技术领域
本发明设计一种摆线桨控制机构，具体地说，涉及一种紧凑型摆线桨叶片控制机构。
背景技术
摆线桨，又称为直翼推进器或者平旋桨，因其向前推进时桨叶的运动轨迹为摆线而得名。摆线桨的桨叶的展向与桨盘转轴的轴线平行，通过轴线与桨盘转轴轴线平行的枢轴安装在桨盘上，桨叶可绕着枢轴转动。桨叶作为升力面，在绕桨盘转动过程中，其攻角经历从零攻角到最大攻角，再从最大攻角到零攻角的连续周期变化，桨叶的这种俯仰运动带来的非定常气动效应可以大大提高摆线桨的气动效率。另外，通过控制机构调节桨叶的最大最小攻角，可以改变摆线桨拉力的大小；而通过调节桨叶攻角最大时在桨盘上的方位角，则可以产生垂直桨盘转轴的平面内任一方向的拉力，因而能够产生飞行器偏航力矩，起到方向舵的作用，而传统的螺旋桨桨叶与转轴垂直，仅能提供沿转轴轴线方向的拉力，因而需要方向舵来改变拉力方向。
由李仁国申请的中国专利CN85103046A中公开了一种采用凸轮作为控制机构的摆线桨。该发明的目的是避免使用常规的滑块连杆机构，设法降低系统复杂程度，提高机械效率。该专利中的控制机构由一个凸轮盘组成，叶片安装在叶片盘上，叶片盘带动叶片绕着凸轮盘公转。同时叶片盘上安装有两个凸轮，导轮在凸轮盘的凸轮内部运动，从而使摆线桨叶片的攻角可以根据凸轮事先设计好的运动规律变化。该专利中的摆线桨控制机构相对简单，但是凸轮的导轮槽曲线是固定的，很难实现瞬间可变的矢量推力。同时凸轮盘结构庞大、笨重，因此不适合于飞行器。
由Heinz A Gerhardt，Redondo Beach，Calif等人申请的美国专利5,265,827中公开了一种采用摆线桨的飞行器。在该专利中，飞机将至少依靠两个摆线桨实现飞机的垂直起降飞行，摆线桨的轴线位于飞机对称平面内，同飞机中轴线垂直，当摆线桨的升力矢量差动时，可以控制飞机的偏航角和横滚角，而尾桨可以控制飞机的俯仰角。每个摆线桨叶片由两根支架支撑，叶片攻角通过电磁或液压等形式的作动器控制，而作动器则由计算机控制，该专利中描述的摆线桨需要很长的转轴，需要复杂的叶片支撑结构和控制机构，因此会带来重量和阻力的代价。摆线桨的扭距随时间是波动的，因此飞机俯仰角的配平和控制难度较大。
由Thomas G.Stephens，Grand Prairie等人申请的美国专利7,370,828 B2讲述的是一种摆线桨旋转轴线与机身轴线平行的飞行器。该发明中，飞机机身呈环状，摆线桨叶片在机身圆环内运动，摆线桨叶片的攻角由直径与机身圆环直径相近的偏心圆环控制。为了抵消摆线桨的非定常扭距，该发明采用两个旋转方向相反的摆线桨。该发明取消了摆线桨叶片撑杆和摆线桨转轴，同时摆线桨轴线同飞机飞行方向大致相同，因此有可能提高飞机的的飞行速度。但是环状机身和偏心圆环结构尺寸远大于常规的摆线桨，因此该发明依然存在结构笨重和阻力大的缺陷。
由施科宜和杨世锡等人申请的中国专利CN 101327839公开了一种以步进电机作为控制机构的直翼摆线桨。在该发明中，在安装底座上设有主电机安装支架，主电机安装支架上设有主驱动电机，主驱动电机通过连接轴与主轴相连接，连接轴上套有导电环，主轴与安装底座下的下方的回转箱连接；回转箱内设有第一叶片控制电机、第二叶片控制电机，第一叶片控制电机与第一叶片相连接。该发明的目的是利用步进电机响应快、控制方便的特点解决普通直翼摆线桨推进器控制机构复杂、使用寿命短、动态响应慢等问题。但是，该发明中，桨叶仅有一端与步进电机连接，同样形成了悬臂梁结构，在桨叶与步进电机连接处将会产生极大弯矩；同时，该发明需要编写复杂的摆线桨叶片攻角的控制算法，且步进电机必须与环形脉冲信号控制器、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，这不仅增加了控制难度，也增加了成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为避免现有技术的不足，克服摆线桨控制机构的结构复杂，机械损失严重，摆线桨叶片偏转角不能自由控制的问题，本发明提出一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，来实现对叶片的控制。
本发明的技术方案是：一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，包括驱动机构、驱动轴-叶片叉6、四组连接组件、四根连接杆8和四个桨叶片15，所述驱动轴-叶片叉6主体为柱状体，周向均布有四个通孔，四个通孔的轴线不平行，轴线的延长线相交成一点；驱动轴-叶片叉6其中一端面与驱动机构的从动轮同轴固连；四根连接杆8一端分别穿过驱动轴-叶片叉6上的四个通孔，且与四个通孔进行轴承配合；四根连接杆8穿过通孔后，通过驱动机构的从动轮进行轴向限位，四根连接杆8另一端分别与四个桨叶片15固连，且桨叶片15轴线与连接杆8轴线相互重合；每个连接杆8均与一组连接组件连接；所述连接组件包括叶片轴摆动连接叉12、叶片动连杆摇臂11和叶片轴摆动连接套13；叶片轴摆动连接套13为两端开口的空腔柱状体，套在连接杆8)外壁上，叶片轴摆动连接套13与连接杆8外壁固连；叶片轴摆动连接叉12一端开凹槽，凹槽两端对称开有铰接孔，另一端开有关节球槽；叶片动连杆摇臂11为杆件，两端均开有通孔；叶片轴摆动连接叉12一端与叶片轴摆动连接套13外壁铰接，且叶片轴摆动连接套轴线与铰接孔轴线相互垂直，另一端与叶片动连杆摇臂11其中一端通过关节球进行连接；四个叶片动连杆摇臂11的另一端共同通过固定轴连接，且固定轴轴线与驱动轴-叶片叉6轴线平行不重合；固定轴通过支撑轴9进行限位，支撑轴9为圆盘状，与驱动轴-叶片叉6连接的一端设有一凸起且和驱动轴-叶片叉6固连；驱动机构驱动驱动轴-叶片叉6周向转动，从而带动四个桨叶片15周向转动，且每个桨叶片15能够自身周向转动，转动时叶片攻角能够周期性改变。
本发明的进一步技术方案是：所述驱动机构包括支座1、驱动电机2、第一齿轮4和第二齿轮5，其中第一齿轮4为主动轮，第二齿轮5为从动轮；驱动电机2、第一齿轮4和第二齿轮5安装在支座1上，第一齿轮4和第二齿轮5相互啮合；驱动电机2驱动第一齿轮4转动，第一齿轮4驱动第二齿轮5周向转动。
本发明的进一步技术方案是：所述第二齿轮5上周向均布若干减重孔。
本发明的进一步技术方案是：所述驱动轴-叶片叉6两端周向均布有若干凸起，凸起上开有通孔，两端凸起上对应位置的通孔轴线相互重合，周向同角度位置的通孔轴线不平行且不重合，驱动轴-叶片叉6一端与第二齿轮5固连，且凸起位于减重孔和减重孔之间；连接杆8插入通孔。
本发明的进一步技术方案是：还包括若干叶片轴根部加强套7，叶片轴根部加强套7数量与连接杆8数量相同；所述叶片轴根部加强套7为两端开口的柱状空腔体，叶片轴根部加强套7套在连接杆8上，增加连接杆8根部强度；套入叶片轴根部加强套7的连接杆8部分插入驱动轴-叶片叉6凸起上的通孔中，均为轴承配合。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出的一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，结构简单，通过单个电机和摆线桨摆动控制机构就能实现摆线桨叶片攻角的改变和矢量推力的调整。克服了现有技术中通过电磁或液压系统等形式进行作动器控制叶片攻角而带来的控制系统复杂的问题。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：本发明前视图；
图3：摆线桨摆动控制机构示意图；
图4：驱动轴-叶片叉结构示意图；
图5：叶片支架与叶片轴摆动连接件结构示意图；
图6为支撑轴示意图
其中：1.电机支架；2.驱动电机；3.摆线桨驱动轴；4.大齿轮；5.小齿轮；6.驱动轴-叶片叉；7.叶片轴根部加强套；8叶片支架；9.支撑轴；10.摇臂轴；11.叶片动连杆摇臂；12.叶片轴摆动连接叉；13.叶片轴摆动连接件；14.关节球；15.摆线桨叶片。
具体实施方式
本实施例是一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，该机构能够对摆线桨叶片攻角进行控制，为摆线桨气动特性研究提供良好的实验平台。本发明克服了摆线桨控制机构的结构复杂，机械损失严重，摆线桨叶片偏转角不能自由控制的问题。
参见图1-图6，所述一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，包括摆线桨叶片，叶片支架，摆线桨驱动轴，驱动电机和摆线桨摆动控制机构。
所述驱动电机固定在电机支座上，驱动电机的功率输出端与小齿轮连接，摆线桨驱动轴一端连接摆线桨摆动控制机构，另一端与电机支座固定连接，且驱动轴上套有的大齿轮与小齿轮啮合用于将输出动力减速。
叶片支架为高强度碳杆，根部为了增强抗弯刚度，套入叶片轴根部加强套，一同插入驱动轴-叶片叉通孔，与其轴承配合。叶片支架另一端安装摆线桨叶片，叶片可根据实际需要选用不同形状，材质。
摆线桨摆动控制机构包括驱动轴-叶片叉、支撑轴、叶片动连杆摇臂、叶片摆动连接叉、叶片轴摆动连接件以及关节球；摆线桨叶片个数与叶片动连杆摇臂、叶片轴摆动连接件以及关节球个数相同。驱动轴-叶片叉通过螺栓与大齿轮连接，套在摆线桨驱动轴上，叶片支架穿过驱动轴-叶片叉预留孔。支撑轴套在摆线桨驱动轴一端面与其固定连接。摇臂轴插入支撑轴套，叶片动连杆摇臂与摇臂轴转动配合，一端与叶片摆动连接叉通过关节球配合。叶片摆动连接叉与套在叶片支架上的叶片轴摆动连接件转动配合。
所述的一种摆线桨自动控制机构，其特征在于：摆线桨叶片的最大攻角不超过45°。
本发明摆线桨的自动控制机构由摆线桨叶片15，叶片支架8，摆线桨驱动轴3，驱动电机2，电机支架1和摆线桨摆动控制机构组成。
如图1所示，电机支架成方形，支架主要功能用于固定驱动电机2和摆线桨摆动控制机构，驱动电机2固定在电机支架上，与电机支架相连，小齿轮5套在电机驱动轴输出端上，通过一个齿数比为10的齿轮降低转速然后传递扭距给电机支架上的摆线桨摆动控制机构。整个机构与摆线桨驱动轴3转动配合，摆线桨驱动轴3固连在电机支架1上。
如图2、3、图6所示，左侧为摆线桨叶片部分，叶片可根据实际需要选用不同形状，材质。它与叶片支架固定连接，随支架一同转动。机构运动时，大齿轮4带动驱动轴-叶片叉6转动，大齿轮和驱动轴-叶片叉通过螺钉相连，支撑轴9固接在摆线桨驱动轴上，摇臂轴10与叶片动连杆摇臂11通过支撑轴9转动配合，叶片轴摆动连接叉12通过关节球14与叶片动连杆摇臂配合，叶片支架8根部套上叶片轴根部加强套7，一同插入驱动轴-叶片叉通孔，与其轴承配合。
如图3、5所示，叶片支架8中部套有叶片轴摆动连接件13，通过销钉与叶片轴摆动连接叉12连接。
改变电机转速会改变推力的大小，电机转速越大，推力越大。

Claims (5)

1.一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，包括驱动机构、驱动轴-叶片叉(6)、四组连接组件、四根连接杆(8)和四个桨叶片(15)，所述驱动轴-叶片叉(6)主体为柱状体，周向均布有四个通孔，四个通孔的轴线不平行，轴线的延长线相交成一点；驱动轴-叶片叉(6)其中一端面与驱动机构的从动轮同轴固连；四根连接杆(8)一端分别穿过驱动轴-叶片叉(6)上的四个通孔，且与四个通孔进行轴承配合；四根连接杆(8)穿过通孔后，通过驱动机构的从动轮进行轴向限位，四根连接杆(8)另一端分别与四个桨叶片(15)固连，且桨叶片(15)轴线与连接杆(8)轴线相互重合；每个连接杆(8)均与一组连接组件连接；所述连接组件包括叶片轴摆动连接叉(12)、叶片动连杆摇臂(11)和叶片轴摆动连接套(13)；叶片轴摆动连接套(13)为两端开口的空腔柱状体，套在连接杆(8)外壁上，叶片轴摆动连接套(13)与连接杆(8)外壁固连；叶片轴摆动连接叉(12)一端开凹槽，凹槽两端对称开有铰接孔，另一端开有关节球槽；叶片动连杆摇臂(11)为杆件，两端均开有通孔；叶片轴摆动连接叉(12)一端与叶片轴摆动连接套(13)外壁铰接，且叶片轴摆动连接套轴线与铰接孔轴线相互垂直，另一端与叶片动连杆摇臂(11)其中一端通过关节球进行连接；四个叶片动连杆摇臂(11)的另一端共同通过固定轴连接，且固定轴轴线与驱动轴-叶片叉(6)轴线平行不重合；固定轴通过支撑轴(9)进行限位，支撑轴(9)为圆盘状，与驱动轴-叶片叉(6)连接的一端设有一凸起且和驱动轴-叶片叉(6)固连；驱动机构驱动驱动轴-叶片叉(6)周向转动，从而带动四个桨叶片(15)周向转动，且每个桨叶片(15)能够自身周向转动，转动时叶片攻角能够周期性改变。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，所述驱动机构包括支座(1)、驱动电机(2)、第一齿轮(4)和第二齿轮(5)，其中第一齿轮(4)为主动轮，第二齿轮(5)为从动轮；驱动电机(2)、第一齿轮(4)和第二齿轮(5)安装在支座(1)上，第一齿轮(4)和第二齿轮(5)相互啮合；驱动电机(2)驱动第一齿轮(4)转动，第一齿轮(4)驱动第二齿轮(5)周向转动。
3.如权利要求2所述的一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，所述第二齿轮(5)上周向均布若干减重孔。
4.如权利要求1或2所述的一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，所述驱动轴-叶片叉(6)两端周向均布有若干凸起，凸起上开有通孔，两端凸起上对应位置的通孔轴线相互重合，周向同角度位置的通孔轴线不平行且不重合，驱动轴-叶片叉(6)一端与第二齿轮(5)固连，且凸起位于减重孔和减重孔之间；连接杆(8)插入通孔。
5.如权利要求1所述的一种紧凑型摆线桨叶片控制机构，其特征在于，还包括若干叶片轴根部加强套(7)，叶片轴根部加强套(7)数量与连接杆(8)数量相同；所述叶片轴根部加强套(7)为两端开口的柱状空腔体，叶片轴根部加强套(7)套在连接杆(8)上，增加连接杆(8)根部强度；套入叶片轴根部加强套(7)的连接杆(8)部分插入驱动轴-叶片叉(6)凸起上的通孔中，均为轴承配合。
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