CN108773494A - 一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，包括上旋翼操纵单元和下旋翼操纵单元，上旋翼伺服舵机将变距操纵传递给上旋翼倾斜器，上旋翼倾斜器外环与直升机机身相连，上旋翼倾斜器内环和上旋翼倾斜器外环保持相对转动，上旋翼倾斜器内环随着上旋翼的转轴转动，上旋翼倾斜器通过三角梁机构与上旋翼过渡环连接，并把变距操纵传递给上旋翼过渡环，上旋翼过渡环随着上旋翼的转轴转动并将变距操纵传递给上旋翼；下旋翼伺服舵机与下旋翼倾斜器连接，下旋翼倾斜器通过与下旋翼连接，下旋翼倾斜器内环随下旋翼的转轴一起转动，下旋翼倾斜器外环不随下旋翼转动。

Description

一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统

技术领域

本发明涉及共轴式无人直升机技术领域，特别是涉及一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统。

背景技术

目前常见的无人直升机主要有单旋翼带尾桨和共轴双旋翼两种形式，由于载重量较大，稳定性较好，共轴双旋翼逐渐受到人们的关注。早在20世纪中叶，世界上许多个国家对共轴双旋翼的气动特性、空间布局以及操纵形式进行了研究，特别是前苏联在共轴双旋翼直升机领域做出了突出的贡献。共轴双旋翼直升机按照桨叶片数不同，大致可以分为上下各两片桨叶的“跷跷板”式和上下有多片桨叶的结构形式。单副旋翼采用两片桨叶的共轴双旋翼多用于无人直升机领域，如国内北京航空航天大学直升机所研制的FH1、F-300等。单副旋翼采用多片桨叶的共轴双旋翼多用于有人直升机领域，如俄罗斯的卡莫夫公司研制的Ka-32、Ka-126等。

以上两种结构形式的共轴双旋翼直升机都采用比较传统的操纵系统，其形式为：上旋翼的桨距通过上旋翼自动倾斜器控制，下旋翼的桨距通过下旋翼自动倾斜器控制。由于操纵通道有限，总距和周期变距的操纵，采用上下旋翼桨距联动的形式，使得上下旋翼具有相同的总距和周期变距改变。在航向操纵上，采用上下旋翼桨距差动的形式，使得两副旋翼产生大小不同的反扭矩来实现偏航操纵。由于航向操纵的不同，共轴双旋翼直升机的操纵系统可以分为全差动操纵系统和半差动操纵系统。这种传统的操纵形式存在的缺点有：上旋翼倾斜器和下旋翼倾斜器之间通过复杂的机械结构连接，降低了可靠性；同时这些机械结构完全暴露在旋翼的流场中，非线性的结构件极大的增加了直升机的废阻；对于半差动操纵系统，存在航向-总距耦合效应，增加了控制的复杂性。

近来，桨距分控操纵系统被运用在共轴无人直升机上，这种新型的操纵系统极大的解决了传统操纵系统产生的诸多缺点。桨距分控系统是指上旋翼桨距操纵与下旋翼桨距操纵相互独立、分别控制。通过上旋翼与下旋翼操纵控制的配合，实现共轴式无人直升机纵向、横向、总距和偏航的四个控制，但是这种操纵形式目前仅仅应用于“跷跷板”式的共轴双旋翼上无人直升机上，而“跷跷板”式每副旋翼只有两片桨叶，不能满足大载荷无人直升机的需求。

因此，如何改变现有技术中，无人直升机操纵系统机械结构复杂、操纵耦合、多余废阻，以及带有桨距分控操纵系统的“跷跷板”式共轴双旋翼直升机载荷不足的现象，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，以解决上述现有技术存在的问题，使共轴式无人直升机桨距分控操纵系统结构得到简化，避免操纵耦合，减小直升机废阻，同时填补三叶桨共轴式无人直升机在桨距分控操纵系统方面的空白。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，包括：

上旋翼操纵单元，包括上旋翼伺服舵机、上旋翼倾斜器、三角梁机构、上旋翼过渡环，所述上旋翼伺服舵机与所述上旋翼倾斜器传动相连，所述上旋翼过渡环与上旋翼传动相连，所述上旋翼倾斜器通过所述三角梁机构与所述上旋翼过渡环传动相连，所述上旋翼倾斜器包括上旋翼倾斜器内环和上旋翼倾斜器外环，所述上旋翼倾斜器外环套装于所述上旋翼倾斜器内环的外部，所述上旋翼倾斜器外环和所述上旋翼倾斜器内环转动连接，所述上旋翼倾斜器外环与无人直升机的机身相连，所述上旋翼倾斜器内环与上旋翼的转动轴传动相连，上旋翼的转动轴能够带动所述上旋翼倾斜器内环转动；

下旋翼操纵单元，包括下旋翼伺服舵机和下旋翼倾斜器，所述下旋翼伺服舵机与所述下旋翼倾斜器传动相连，所述下旋翼倾斜器与下旋翼传动相连，所述下旋翼倾斜器包括下旋翼倾斜器内环和下旋翼倾斜器外环，所述下旋翼倾斜器外环套装于所述下旋翼倾斜器内环的外部，所述下旋翼倾斜器外环和所述下旋翼倾斜器内环转动连接，所述下旋翼倾斜器内环与下旋翼的转动轴传动相连，下旋翼的转动轴能够带动所述下旋翼倾斜器内环转动，所述下旋翼倾斜器外环与无人机的机身相连；

所述上旋翼操纵单元穿过所述下旋翼操纵单元与上旋翼相连。

优选地，所述三角梁机构位于上旋翼的转轴的内部，所述三角梁机构的轴线与上旋翼的转轴的轴线重合，所述三角梁机构连接所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环，所述上旋翼过渡环、所述上旋翼倾斜器内环和所述三角梁机构的轴线重合。

优选地，所述三角梁机构包括三角梁和三角梁滑块，所述三角梁的横截面为三角形，所述三角梁滑块分别固定于所述三角梁的三个面上，所述三角梁滑块具有弧形结构，所述弧形结构与上旋翼的转轴的内壁抵接，所述三角梁滑块的数量为六个，六个三角梁滑块分别设置于所述三角梁的三个面的上下两端。

优选地，所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环的中心处分别设置球铰，所述球铰的螺纹端分别与所述三角梁的两端相连。

优选地，所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器之间还设置三根内拉杆，所述内拉杆均分别与所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器转动相连。

优选地，所述三角梁滑块上具有矩形凸起，上旋翼的转轴的内壁上设置有与所述矩形凸起相匹配的凹槽，所述矩形凸起与所述凹槽滑动连接。

优选地，所述上旋翼伺服舵机的数量为三个，三个所述上旋翼伺服舵机均分别通过倾斜器变距拉杆与所述上旋翼倾斜器相连，所述倾斜器变距拉杆可伸缩。

优选地，所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环均通过扭力臂与上旋翼的转轴相连，所述上旋翼过渡环通过过渡环变距拉杆与上旋翼相连，所述过渡环变距拉杆可伸缩。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，包括上旋翼操纵单元和下旋翼操纵单元，其中，上旋翼操纵单元，包括上旋翼伺服舵机、上旋翼倾斜器、三角梁机构、上旋翼过渡环，上旋翼伺服舵机与上旋翼倾斜器传动相连，上旋翼过渡环与上旋翼传动相连，上旋翼倾斜器通过三角梁机构与上旋翼过渡环传动相连，上旋翼倾斜器包括上旋翼倾斜器内环和上旋翼倾斜器外环，上旋翼倾斜器外环套装于上旋翼倾斜器内环的外部，上旋翼倾斜器外环和上旋翼倾斜器内环转动连接，上旋翼倾斜器外环与无人直升机的机身相连，上旋翼倾斜器内环与上旋翼的转动轴传动相连，上旋翼的转动轴能够带动上旋翼倾斜器内环转动。工作时，上旋翼伺服舵机将变距操纵传递给上旋翼倾斜器，上旋翼倾斜器外环与直升机机身相连，上旋翼倾斜器内环和上旋翼倾斜器外环保持相对转动，上旋翼倾斜器内环随着上旋翼的转轴转动，上旋翼倾斜器通过三角梁机构与上旋翼过渡环连接，并把变距操纵传递给上旋翼过渡环，上旋翼过渡环随着上旋翼的转轴转动并将变距操纵传递给上旋翼。整体操纵系统结构简单，不会给直升机带来多余废阻，且应用于三叶桨共轴式无人直升机，解决了分控操纵系统只能应用于共轴双旋翼无人直升机上的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统和旋翼的结构示意图；

图2为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元和下旋翼操纵单元的结构示意图；

图3为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的主视结构示意图；

图4为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的侧视结构示意图；

图5为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼倾斜器的结构示意图；

图6为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼过渡环的结构示意图；

图7为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的三角梁机构的结构示意图；

图8为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的剖切结构示意图；

其中，1为上旋翼操纵单元，2为下旋翼操纵单元，3为上旋翼伺服舵机，4为三角梁机构，5为上旋翼过渡环，6为上旋翼倾斜器，7为上旋翼倾斜器外环，8为上旋翼倾斜器内环，9为三角梁，10为三角梁滑块，11为球铰，12为内拉杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，以解决上述现有技术存在的问题，使共轴式无人直升机桨距分控操纵系统结构得到简化，避免操纵耦合，减小直升机废阻，同时填补三叶桨共轴式无人直升机在桨距分控操纵系统方面的空白。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-8，其中，图1为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统和旋翼的结构示意图，图2为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元和下旋翼操纵单元的结构示意图，图3为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的主视结构示意图，图4为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的侧视结构示意图，图5为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼倾斜器的结构示意图，图6为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼过渡环的结构示意图，图7为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的三角梁机构的结构示意图，图8为本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统的上旋翼操纵单元的剖切结构示意图。

本发明提供一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，包括：

上旋翼操纵单元1，包括上旋翼伺服舵机3、上旋翼倾斜器6、三角梁机构4、上旋翼过渡环5，上旋翼伺服舵机3与上旋翼倾斜器6传动相连，上旋翼过渡环5与上旋翼传动相连，上旋翼倾斜器6通过三角梁机构4与上旋翼过渡环5传动相连，上旋翼倾斜器6包括上旋翼倾斜器内环8和上旋翼倾斜器外环7，上旋翼倾斜器外环7套装于上旋翼倾斜器内环8的外部，上旋翼倾斜器外环7和上旋翼倾斜器内环8转动连接，上旋翼倾斜器外环7与无人直升机的机身相连，上旋翼倾斜器内环8与上旋翼的转动轴传动相连，上旋翼的转动轴能够带动上旋翼倾斜器内环8转动；

下旋翼操纵单元2，包括下旋翼伺服舵机和下旋翼倾斜器，下旋翼伺服舵机与下旋翼倾斜器传动相连，下旋翼倾斜器与下旋翼传动相连，下旋翼倾斜器包括下旋翼倾斜器内环和下旋翼倾斜器外环，下旋翼倾斜器外环套装于下旋翼倾斜器内环的外部，下旋翼倾斜器外环和下旋翼倾斜器内环转动连接，下旋翼倾斜器内环与下旋翼的转动轴传动相连，下旋翼的转动轴能够带动下旋翼倾斜器内环转动，下旋翼倾斜器外环与无人机的机身相连；

上旋翼操纵单元1穿过下旋翼操纵单元2与上旋翼相连。

工作时，上旋翼伺服舵机3将变距操纵传递给上旋翼倾斜器6，上旋翼倾斜器外环7与直升机机身相连，上旋翼倾斜器内环8和上旋翼倾斜器外环7通过轴承保持相对转动，上旋翼倾斜器内环8随着上旋翼的转轴转动，上旋翼倾斜器6通过三角梁机构4与上旋翼过渡环5连接，并把变距操纵传递给上旋翼过渡环5，上旋翼过渡环5随着上旋翼的转轴转动并将变距操纵传递给上旋翼。整体操纵系统结构简单，不会给直升机带来多余废阻，且应用于三叶桨共轴式无人直升机，解决了分控操纵系统只能应用于共轴双旋翼无人直升机上的问题。

具体地，三角梁机构4位于上旋翼的转轴的内部，三角梁机构4的轴线与上旋翼的转轴的轴线重合，三角梁机构4连接上旋翼过渡环5和上旋翼倾斜器内环8，上旋翼过渡环5、上旋翼倾斜器内环8和三角梁机构4的轴线重合。三角梁机构4起到连接上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5的桥梁作用。

为了保证上旋翼倾斜器6、上旋翼过渡环5始终与上旋翼的转轴同心，同时保证上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5能够进行正常的变距操纵，三角梁机构4包括三角梁9和三角梁滑块10，三角梁9的横截面为三角形，三角梁滑块10分别固定于三角梁9的三个面上，三角梁滑块10具有弧形结构，弧形结构与上旋翼的转轴的内壁抵接，即三角梁滑块10的外表面构成一个与上旋翼的转轴的内径相匹配的同心圆，三角梁滑块10的数量为六个，六个三角梁滑块10分别设置于三角梁9的三个面的上下两端，进一步保证三角梁9与上旋翼的转轴的同轴。

更具体地，上旋翼过渡环5和上旋翼倾斜器内环8的中心处分别设置球铰11，球铰11的螺纹端分别与三角梁9的两端相连。采用球铰11的连接方式，保证了上旋翼倾斜器6、上旋翼过渡环5与上旋翼的转轴同轴，且球铰11只限制了上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5的中心位置，并不能限制上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5的转动，从而不影响两者正常的变距操纵。

进一步地，上旋翼过渡环5和上旋翼倾斜器6之间还设置三根内拉杆12，内拉杆12均分别与上旋翼过渡环5和上旋翼倾斜器6转动相连，三根内拉杆12保证了上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5变距操纵始终保持一致。

因上旋翼倾斜器6和上旋翼过渡环5随着上旋翼的转轴转动，因此，连接两者的内拉杆12也随着上旋翼的转轴转动，为避免三根内拉杆12与三角梁9碰撞产生干涉，三角梁滑块10上具有矩形凸起，上旋翼的转轴的内壁上设置有与矩形凸起相匹配的凹槽，矩形凸起与凹槽滑动连接，矩形凸起和凹槽相配合能够令三角梁9随着上旋翼的转轴转动。

更进一步地，上旋翼伺服舵机3的数量为三个，三个上旋翼伺服舵机3均分别通过倾斜器变距拉杆与上旋翼倾斜器6相连，倾斜器变距拉杆可伸缩。三个上旋翼伺服舵机3能够带动上旋翼倾斜器6做上下运动和纵横向旋转运动，上旋翼倾斜器6独立于下旋翼倾斜器。

另外，上旋翼过渡环5和上旋翼倾斜器内环8均通过扭力臂与上旋翼的转轴相连，上旋翼倾斜器外环7通过扭力臂与直升机机身相连，上旋翼过渡环5通过过渡环变距拉杆与上旋翼相连，过渡环变距拉杆可伸缩。其中，扭力臂分为两段式，两段扭力臂铰接，且扭力臂一端与上旋翼过渡环5(或上旋翼倾斜器6)铰接，扭力臂另一端与上旋翼的转轴铰接。

本发明的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，包括上旋翼操纵单元1和下旋翼操纵单元2，上旋翼伺服舵机3将变距操纵通过倾斜器变距拉杆作用于上旋翼倾斜器6，上旋翼倾斜器外环7通过扭力臂与机身连接，上旋翼倾斜器内环8与外环之间通过轴承来保持相对转动，上旋翼倾斜器内环8通过扭力臂随上旋翼的转轴一起转动，上旋翼倾斜器6通过三角梁9、内拉杆12与上旋翼过渡环5连接，并把变距操纵传递给上旋翼过渡环5，上旋翼过渡环5通过扭力臂随上旋翼的转轴一起转动，上旋翼过渡环5通过过渡环变距拉杆将变距操纵传递给上旋翼；

下旋翼伺服舵机通过舵机拉杆与下旋翼倾斜器连接，下旋翼倾斜器通过与下旋翼连接，下旋翼倾斜器内环随下旋翼的转轴一起转动，下旋翼倾斜器外环不随下旋翼转动。本发明所针对的三叶桨共轴式无人直升机，下旋翼的转轴为外轴，上旋翼的转轴为内轴。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于，包括：

上旋翼操纵单元，包括上旋翼伺服舵机、上旋翼倾斜器、三角梁机构、上旋翼过渡环，所述上旋翼伺服舵机与所述上旋翼倾斜器传动相连，所述上旋翼过渡环与上旋翼传动相连，所述上旋翼倾斜器通过所述三角梁机构与所述上旋翼过渡环传动相连，所述上旋翼倾斜器包括上旋翼倾斜器内环和上旋翼倾斜器外环，所述上旋翼倾斜器外环套装于所述上旋翼倾斜器内环的外部，所述上旋翼倾斜器外环和所述上旋翼倾斜器内环转动连接，所述上旋翼倾斜器外环与无人直升机的机身相连，所述上旋翼倾斜器内环与上旋翼的转动轴传动相连，上旋翼的转动轴能够带动所述上旋翼倾斜器内环转动；

下旋翼操纵单元，包括下旋翼伺服舵机和下旋翼倾斜器，所述下旋翼伺服舵机与所述下旋翼倾斜器传动相连，所述下旋翼倾斜器与下旋翼传动相连，所述下旋翼倾斜器包括下旋翼倾斜器内环和下旋翼倾斜器外环，所述下旋翼倾斜器外环套装于所述下旋翼倾斜器内环的外部，所述下旋翼倾斜器外环和所述下旋翼倾斜器内环转动连接，所述下旋翼倾斜器内环与下旋翼的转动轴传动相连，下旋翼的转动轴能够带动所述下旋翼倾斜器内环转动，所述下旋翼倾斜器外环与无人机的机身相连；

所述上旋翼操纵单元穿过所述下旋翼操纵单元与上旋翼相连。

2.根据权利要求1所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述三角梁机构位于上旋翼的转轴的内部，所述三角梁机构的轴线与上旋翼的转轴的轴线重合，所述三角梁机构连接所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环，所述上旋翼过渡环、所述上旋翼倾斜器内环和所述三角梁机构的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述三角梁机构包括三角梁和三角梁滑块，所述三角梁的横截面为三角形，所述三角梁滑块分别固定于所述三角梁的三个面上，所述三角梁滑块具有弧形结构，所述弧形结构与上旋翼的转轴的内壁抵接，所述三角梁滑块的数量为六个，六个三角梁滑块分别设置于所述三角梁的三个面的上下两端。

4.根据权利要求3所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环的中心处分别设置球铰，所述球铰的螺纹端分别与所述三角梁的两端相连。

5.根据权利要求4所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器之间还设置三根内拉杆，所述内拉杆均分别与所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器转动相连。

6.根据权利要求5所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述三角梁滑块上具有矩形凸起，上旋翼的转轴的内壁上设置有与所述矩形凸起相匹配的凹槽，所述矩形凸起与所述凹槽滑动连接。

7.根据权利要求1所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述上旋翼伺服舵机的数量为三个，三个所述上旋翼伺服舵机均分别通过倾斜器变距拉杆与所述上旋翼倾斜器相连，所述倾斜器变距拉杆可伸缩。

8.根据权利要求1所述的三叶桨共轴式无人直升机桨距分控操纵系统，其特征在于：所述上旋翼过渡环和所述上旋翼倾斜器内环均通过扭力臂与上旋翼的转轴相连，所述上旋翼过渡环通过过渡环变距拉杆与上旋翼相连，所述过渡环变距拉杆可伸缩。