CN109367773B - 一种有舵面的倾转机构 - Google Patents

Abstract

一种有舵面的倾转机构，水平舵面安装在水平舵面框的一个长边上，两个垂直舵面分别安装在垂直舵面框的一个长边上。水平舵面与垂直舵面均处于该舵面安装框的同一侧。电机固定在由水平舵面框与垂直舵面框形成的十字中心处。倾转轴的两端分别固定在上连接件与下连接件之间。在舵面安装框的水平舵面框的一端安装有水平舵面舵机，在舵面安装框的垂直舵面框的两端分别安装有垂直舵面舵机。本发明通过附带的舵面，使该倾转机构能够自平衡力矩，对外部气流干扰的抵抗能力较强，并且所需安装精度较低；在垂直起降或者飞行速度较低的状态下能够更加容易控制姿态；在无机身遮挡、每分钟9000转条件下，该旋翼拉力大小为10.13N；增大了气动效率。

Description

一种有舵面的倾转机构

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体是一种有舵面的倾转机构。

背景技术

倾转旋翼飞行器是一种既能实现垂直起降与空中悬停、又能高速巡航飞行的飞行器。垂直起降与空中悬停时，旋翼提供飞机升力。平飞时，旋翼提供前向拉力。倾转机构就是实现两种状态切换的机构。

现有典型倾转机构专利，如公开号CN105620743A“一种倾转三旋翼飞行器倾转机构”，采用了“前二后一”的旋翼布局，但其存在以下问题：1、后旋翼旋转时电机会对机身产生反扭矩，导致飞机姿态的变化，影响飞行安全。2、由于在倾转过程中飞机速度较小，飞机舵效较低，对外部气流干扰的抵抗能力较弱。

现有典型倾转机构专利如公开号CN103935511A“一种倾转三旋翼飞行器”，其提供了使用链条传动的倾转机构，但其存在以下问题：1、链条传动平稳性差。2、后倾转旋翼位于机身上方，机身会对气流起到阻挡作用，影响气动性能。

发明内容

为克服现有技术中存在的链条传动平稳性差，以及后倾转旋翼位于机身上方影响气动性能的不足，本发明提出了一种有舵面的倾转机构。

本发明包括舵面安装框、电机座、水平舵面、两个垂直舵面、电机座、倾转轴、连接件和用于连接机身的安装架。其中：所述水平舵面通过合页安装在所述舵面安装框的水平舵面框的一个长边上，所述两个垂直舵面分别通过合页安装在所述舵面安装框的垂直舵面框的一个长边上，并分别位于所述水平舵面的上表面一侧和下表面一侧。所述水平舵面与垂直舵面均处于该舵面安装框的同一侧。所述电机座位于该舵面安装框的另一侧，并固定在由所述水平舵面框与垂直舵面框形成的十字的中心处。电机固定在所述电机座内；在该电机的输出轴上安装有一个双叶桨；该双叶桨的桨叶位于所述水平舵面框内。一对上连接件的内端分别固定在所述电机座外端面，两个下连接件分别固定在该上连接件外端的侧面上。倾转轴的两端分别固定在所述上连接件与下连接件之间。安装架一端的安装板通过轴承安装在所述倾转轴上，并位于所述一对上连接件之间。倾转舵机固定在所述安装板上。所述主动轮固装在所述倾转舵机的输出轴上；所述从动轮固装在所述倾转轴的一端，并使所述主动轮与从动轮啮合。所述安装架另一端的连接筒与飞机机身尾部固连。所述安装架的连接筒的中心与电机的中心同轴。在所述舵面安装框的水平舵面框的一端安装有水平舵面舵机；该水平舵面舵机的舵机臂通过水平舵面连杆与水平舵面上的水平舵面舵角连接，并使二者之间转动配合。在所述舵面安装框的垂直舵面框的两端分别安装有垂直舵面舵机；该垂直舵面舵机舵机臂通过垂直舵面连杆与垂直舵面上的垂直舵面舵角连接，并使二者之间转动配合。

所述安装架由一端封闭的套筒，和位于该安装架封闭端端面的安装板组成。所述安装板该套筒轴向延伸，并且在该安装板上有用于轴承的轴孔；该轴承用于安装倾转轴。在靠近该安装板端头处有用于安装倾转舵机的矩形安装孔。所述套筒的内径与机身上连接杆的外径相同，并使二者之间固连。

所述舵面安装框包括水平舵面框、垂直舵面框和四个弧形的支撑杆；所述水平舵面框和垂直舵面框均为矩形框架。使水平舵面框一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交固接，将该水平舵面框另一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交的中心处断开，在该中心形成了电机座的安装空间。

所述水平舵面框和垂直舵面框长度相同。在各水平舵面框的框架上和垂直舵面框的框架上分别有用于安装水平舵面或垂直舵面的合页。在所述水平舵面框的外端与垂直舵面框的外端之间通过弧形的支撑杆固定支撑；所述的四根支撑杆中，两根位于舵面一侧，两根位于电机座一侧。

所述垂直舵面舵机臂为一细长杆，两端分别开有小孔，通过该小孔将垂直舵面舵机臂的一端固定在舵机输出轴上；垂直舵面连杆的一端穿过垂直舵面舵机臂另一端的小孔，并与该小孔转动配合；垂直舵面连杆另一端穿过垂直舵面舵角上的垂直舵面连杆孔，并与该垂直舵面连杆孔转动配合。垂直舵面舵角的连接板与垂直舵面固连。

所述两个水平舵面合页的位置分别位于该水平舵面一个长边的1/4长度与3/4长度处。

所述两个齿轮包括主动轮和从动轮。所述主动轮模数为1、齿数为16，从动轮模数为1、齿数为64，均为标准凸台齿轮。所述从动轮固定安装在倾转轴上；从动轮固定安装在倾转驱动舵机的输出轴上；所述主动轮与从动轮啮合。

所述倾转连接件分为上连接件与下连接件。其中的上连接件为矩形的板状；在该上连接件两个长边的一端有凸出的连接板。在该连接板的下表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述连接板长度方向的中心。所述下连接件为条形，在该下连接件上表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述下连接件长度方向的中心。当上连接件与下连接件组合固定连接后，分别位于连接板下表面的半圆形凹槽与下连接件上表面的半圆形凹槽组合成为圆形的通孔；该通孔的孔径与倾转轴的外径相同，并夹紧该倾转轴。

本发明通过附带的舵面，使该倾转机构能够自平衡力矩，对外部气流干扰的抵抗能力较强，并且所需安装精度较低。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果包括：

1、图1为电机反扭矩以及舵面能产生最大力矩与转速关系图。通过图1发现，在舵面偏转25°时，舵面产生力矩始终大于电机反扭矩，因此通过舵面偏转角度的调整，以平衡电机对机身的反扭矩，使得飞行更加稳定，减小飞行难度。

2、倾转过程中，通过舵面力矩计算公式：

可以发现在相同飞机的条件下，舵面力矩与速度的平方成正比关系，由于本发明的舵面安装在螺旋桨气流方向的下方，图2为倾转角度(电机座轴线与水平面夹角)与舵面流速平方关系，发现在螺旋桨尾流区内气流速度快，因此舵效较高，特别是在垂直起降状态(倾转90°附近状态)，普通飞机舵面几乎无舵效。可以使得使用本发明倾转机构的飞机在垂直起降或者飞行速度较低的状态下能够更加容易控制姿态。

3、本发明采用框架式设计，并远离机身，减小了机身对旋翼气流的遮挡作用，使用流体仿真软件CFX分别对有无机身遮挡两种情况进行了仿真，得到结果如下：在无机身遮挡、每分钟9000转条件下，该旋翼拉力大小为10.13N；而在有机身遮挡、每分钟9000转条件情况下该旋翼拉力大小为6.3N，增大了气动效率。

附图说明

图1为本发明电机反扭矩、舵面偏转产生扭矩与转速的关系图。

图2为倾转角度与舵面流速关系图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为舵面安装框的结构示意图，其中：图4a是主视图，图4b是左视图，图4c是俯视图，图4d是轴测图。

图5为舵面安装框以及电机座安装示意图。

图6为图3的俯视图。

图7为安装架的结构示意图，其中：图7a是主视图，图7b是左视图，图7c是俯视图，图7d是轴测图。

图8为图6中A部位的局部放大图，其中：图8a是主视图，图8b是图8a中E-E剖面的视图，

图9为图3的侧视图。

图10为图9中B部位的局部放大图。

图11为图9中c部位的局部放大图。

图12为舵机、倾转轴、齿轮的安装示意图，其中：图12a是主视图，图12b是图12a的F-F向示意图。

图13为下连接件、上连接件以及倾转轴的装配示意图，其中：图13a是主视图，图13b是图13a的G-G向剖视图。

图中：1.舵面安装框；2.水平舵面舵机臂；3.水平舵面连杆；4.水平舵面舵角；5.水平舵面；6.水平舵面舵机；7.水平舵面合页；8.垂直舵面舵机臂；9.垂直舵面连杆；10.垂直舵面舵角；11.垂直舵面；12.垂直舵面合页；13.垂直舵面舵机；14.安装架；15.倾转轴；16.轴承；17.倾转舵机；18.主动轮；19.从动轮；20.下连接件；21.上连接件；22.电机座。

具体实施方式

本实施例是一种有舵面的倾转机构，包括舵面安装框1、电机座22、水平舵面5、两个垂直舵面11、电机座22、倾转轴15、连接件和用于连接机身的安装架14。其中：所述水平舵面5通过合页安装在所述舵面安装框1的水平舵面框的一个长边上，所述两个垂直舵面11分别通过合页安装在所述舵面安装框的垂直舵面框的一个长边上，并分别位于所述水平舵面的上表面一侧和下表面一侧。所述水平舵面与垂直舵面均处于该舵面安装框的同一侧。所述电机座22位于该舵面安装框的另一侧，并固定在由所述水平舵面框与垂直舵面框形成的十字的中心处。电机固定在所述电机座内；在该电机的输出轴上安装有一个双叶桨；该双叶桨的桨叶位于所述水平舵面框内。一对上连接件21的内端分别固定在所述电机座外端面，两个下连接件20分别固定在该上连接件外端的侧面上。倾转轴15的两端分别固定在所述上连接件与下连接件之间。安装架14一端的安装板通过轴承安装在所述倾转轴上，并位于所述一对上连接件之间。倾转舵机17通过螺钉固定在所述安装板上。所述主动轮18固装在所述倾转舵机的输出轴上；所述从动轮19固装在所述倾转轴的一端，并使所述主动轮与从动轮啮合。所述安装架另一端的连接筒与飞机机身尾部固连。所述安装架的连接筒的中心与电机的中心同轴。在所述舵面安装框的水平舵面框的一端安装有水平舵面舵机6；该水平舵面舵机的舵机臂通过水平舵面连杆3与水平舵面上的水平舵面舵角4连接，并使二者之间转动配合。在所述舵面安装框的垂直舵面框的两端分别安装有垂直舵面舵机13；该垂直舵面舵机舵机臂通过垂直舵面连杆9与垂直舵面上的垂直舵面舵角8连接，并使二者之间转动配合。

所述安装架由一端封闭的套筒，和位于该安装架封闭端端面的安装板组成。所述安装板该套筒轴向延伸，并且在该安装板上有用于安装轴承16的轴孔；该轴承用于安装倾转轴15。在靠近该安装板端头处有用于安装倾转舵机的矩形安装孔。所述套筒的内径与机身上连接杆的外径相同，并使二者之间固连。为使位于该安装板上的倾转舵机与上连接件21之间无干涉，所述安装板在套筒端面上的位置偏向该套筒端面一侧。

所述舵面安装框1包括水平舵面框、垂直舵面框和四个弧形的支撑杆；所述水平舵面框和垂直舵面框均为矩形框架。使水平舵面框一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交固接，将该水平舵面框另一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交的中心处断开，在该中心形成了电机座22的安装空间。

所述水平舵面框和垂直舵面框长度相同。在各水平舵面框的框架上和垂直舵面框的框架上分别有用于安装水平舵面或垂直舵面的合页；通过各合页与水平舵面或垂直舵面铰接，并使所述水平舵面或垂直舵面位于与电机座相对的一侧。在所述水平舵面框的外端与垂直舵面框的外端之间通过弧形的支撑杆固定支撑；为减轻舵面安装框的结构重量，所述的四根支撑杆中，两根位于舵面一侧，两根位于电机座一侧。

在所述垂直舵面框框架两端的表面分别安装有垂直舵面舵机13，在所述水平舵面框一端框架的表面亦安装有水平舵面舵机6，且各垂直舵面舵机的安装方式相同。本实施例以其中一个为例加以详细描述。

在安装垂直舵面舵机时，通过螺栓将各垂直舵面舵机13固定在舵面安装框1上。垂直舵面舵机臂8为细长体，两端分别开有小孔，通过该小孔，将垂直舵面舵机臂的一端固定在舵机输出轴上。钢制的垂直舵面连杆9的一端穿过垂直舵面舵机臂8另一端小孔，并与该小孔转动配合；垂直舵面连杆9另一端穿过垂直舵面舵角10上的垂直舵面连杆孔，并与该垂直舵面连杆孔转动配合。垂直舵面舵角10的连接板与垂直舵面11通过螺栓固连。工作时，所述垂直舵面舵机13舵机驱动垂直舵面舵机臂8旋转，同时带动垂直舵面连杆9运动，从而使得垂直舵面舵角10与垂直舵面11绕垂直舵面合页12转轴转动，实现舵面偏转。

本实施例中，所述两个垂直舵面及其连接部件均关于水平舵面所在平面镜面对称。垂直舵面11的外形为等腰梯形，高为43mm，上底长84mm，下地长135mm。

所述水平舵面框的一端安装有水平舵面舵机6。该水平舵面舵机的安装方式与所述垂直舵面舵机的安装方式相同，不同之处在于，水平舵面舵机只有一个，安装在水平舵面一端框架的表面。

所述水平舵面5为矩形，长280mm、宽44mm；水平舵面5通过两个水平舵面合页7铰接在舵面安装框1的框架上；所述两个水平舵面合页的位置分别位于该水平舵面一个长边的1/4长度与3/4长度处。

所述两个齿轮包括主动轮和从动轮。所述主动轮18模数为1、齿数为16，从动轮19模数为1、齿数为64，均为标准凸台齿轮。所述从动轮固定安装在倾转轴15上；从动轮固定安装在倾转驱动舵机17的输出轴上；所述主动轮与从动轮啮合。

所述倾转连接件分为上连接件21与下连接件20，并通过所述上连接件与下连接件的组合使用夹紧倾转轴15。其中的上连接件21为矩形的板状；在该上连接件两个长边的一端有凸出的连接板。在该连接板的下表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述连接板长度方向的中心。所述下连接件20为条形，在该下连接件上表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述下连接件长度方向的中心。当上连接件21与下连接件20组合固定连接后，分别位于连接板下表面的半圆形凹槽与下连接件上表面的半圆形凹槽组合成为圆形的通孔；该通孔的孔径与倾转轴15的外径相同，并夹紧该倾转轴。

所述上连接件21与电机座22之间焊接固连。

本实施例中，当倾转驱动舵机17工作时，驱动主动轮18转动，从而带动从动轮19转动，使得倾转轴15转动，由于倾转轴15被上连接件21与下连接件20夹紧固接，使得上连接件21与下连接件20随之转动，又因为电机座22与所述上连接件21、所述舵面安装框1通过焊接固连，从而实现整个舵面系统以及电机座的倾转。

Claims (6)

1.一种有舵面的倾转机构，其特征在于，包括舵面安装框、电机座、水平舵面、两个垂直舵面、电机座、倾转轴、连接件和用于连接机身的安装架；其中：所述水平舵面通过合页安装在所述舵面安装框的水平舵面框的一个长边上，所述两个垂直舵面分别通过合页安装在所述舵面安装框的垂直舵面框的一个长边上，并分别位于所述水平舵面的上表面一侧和下表面一侧；所述水平舵面与垂直舵面均处于该舵面安装框的同一侧；所述电机座位于该舵面安装框的另一侧，并固定在由所述水平舵面框与垂直舵面框形成的十字的中心处；电机固定在所述电机座内；在该电机的输出轴上安装有一个双叶桨；该双叶桨的桨叶位于所述水平舵面框内；一对上连接件的内端分别固定在所述电机座外端面，两个下连接件分别固定在该上连接件外端的侧面上；倾转轴的两端分别固定在所述上连接件与下连接件之间；安装架一端的安装板通过轴承安装在所述倾转轴上，并位于所述一对上连接件之间；倾转舵机固定在所述安装板上；主动轮固装在所述倾转舵机的输出轴上；从动轮固装在所述倾转轴的一端，并使所述主动轮与从动轮啮合；所述安装架另一端的连接筒与飞机机身尾部固连；所述安装架的连接筒的中心与电机的中心同轴；在所述舵面安装框的水平舵面框的一端安装有水平舵面舵机；该水平舵面舵机的舵机臂通过水平舵面连杆与水平舵面上的水平舵面舵角连接，并使二者之间转动配合；在所述舵面安装框的垂直舵面框的两端分别安装有垂直舵面舵机；该垂直舵面舵机舵机臂通过垂直舵面连杆与垂直舵面上的垂直舵面舵角连接，并使二者之间转动配合；

舵面安装框包括水平舵面框、垂直舵面框和四个弧形的支撑杆；所述水平舵面框和垂直舵面框均为矩形框架；使水平舵面框一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交固接，将该水平舵面框另一侧的框架与垂直舵面框同侧的框架十字相交的中心处断开，在该中心形成了电机座的安装空间；

所述连接件分为上连接件与下连接件；其中的上连接件为矩形的板状；在该上连接件两个长边的一端有凸出的连接板；在该连接板的下表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述连接板长度方向的中心；所述下连接件为条形，在该下连接件上表面有半圆形的凹槽，并使该凹槽位于所述下连接件长度方向的中心；当上连接件与下连接件组合固定连接后，分别位于连接板下表面的半圆形凹槽与下连接件上表面的半圆形凹槽组合成为圆形的通孔；该通孔的孔径与倾转轴的外径相同，并夹紧该倾转轴。

2.如权利要求1所述有舵面的倾转机构，其特征在于，所述安装架由一端封闭的套筒，和位于该安装架封闭端端面的安装板组成；所述安装板该套筒轴向延伸，并且在该安装板上有用于轴承的轴孔；该轴承用于安装倾转轴；在靠近该安装板端头处有用于安装倾转舵机的矩形安装孔；所述套筒的内径与机身上连接杆的外径相同，并使二者之间固连。

3.如权利要求1所述有舵面的倾转机构，其特征在于，所述水平舵面框和垂直舵面框长度相同；在各水平舵面框的框架上和垂直舵面框的框架上分别有用于安装水平舵面或垂直舵面的合页；在所述水平舵面框的外端与垂直舵面框的外端之间通过弧形的支撑杆固定支撑；所述的四根支撑杆中，两根位于舵面一侧，两根位于电机座一侧。

4.如权利要求1所述有舵面的倾转机构，其特征在于，所述垂直舵面舵机臂为一细长杆，两端分别开有小孔，通过该小孔将垂直舵面舵机臂的一端固定在舵机输出轴上；垂直舵面连杆的一端穿过垂直舵面舵机臂另一端的小孔，并与该小孔转动配合；垂直舵面连杆另一端穿过垂直舵面舵角上的垂直舵面连杆孔，并与该垂直舵面连杆孔转动配合；垂直舵面舵角的连接板与垂直舵面固连。

5.如权利要求1所述有舵面的倾转机构，其特征在于，所述两个水平舵面合页的位置分别位于该水平舵面一个长边的1/4长度与3/4长度处。

6.如权利要求1所述有舵面的倾转机构，其特征在于，所述主动轮模数为1、齿数为16，从动轮模数为1、齿数为64，均为标准凸台齿轮。