CN110155309A - 一种变转速驱动的旋翼及其桨距的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变转速驱动的旋翼及其桨距的控制方法，包括旋翼主轴，所述旋翼主轴顶端设置有桨榖，所述桨榖包括桨榖中央件、挥舞铰、负耦合的摆振/变距铰和正耦合的摆振/变距铰，本发明结构科学合理，使用安全方便，通过摆振/变距铰的作用引入一个摆振‑变距耦合，通过向旋翼主轴的稳定转速上附加一个一阶或者高阶的转速谐波分量，激励桨叶旋转时产生一个对应的频率的摆振和变距运动，通过控制旋翼转速的谐波参数来实现桨叶一阶或高阶挥舞特性的控制，取消了桨叶系统中的自动倾斜器，降低了制造和维护成本，提高了设备可靠性，同时降低了小型飞行器的制造难度，并减小其尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及多种飞行器适用的旋翼技术领域，具体为一种变转速驱动的旋翼及其桨距的控制方法。
背景技术
具有垂直起降能力的飞行器在世界范围内广泛使用，目前具有垂直起降能力的飞行器基本都是采用的升力旋翼/螺旋桨技术。
传统的旋翼桨距控制系统涉及到复杂的自动倾斜器机构和传动链，极大提高了维护使用成本，降低了整体可靠性，使用升力螺旋桨的小型飞行器，一般采用多个螺旋桨的组合和差动来实现飞行器的姿态控制，然而不足是整体尺寸大，机体结构重而复杂，且阻力大，所以急需一种变转速驱动的旋翼及其桨距的控制方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种变转速驱动的旋翼及其桨距的控制方法，可以有效解决上述背景技术中提出传统的旋翼桨距控制系统涉及到复杂的自动倾斜器机构和传动链，极大提高了维护使用成本，降低了整体可靠性，使用升力螺旋桨的小型飞行器，一般采用多个螺旋桨的组合和差动来实现飞行器的姿态控制，然而不足是整体尺寸大，机体结构重而复杂，且阻力大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种变转速驱动的旋翼，包括旋翼主轴，所述旋翼主轴与动力系统进行连接，并在动力系统的驱动下旋转，所述旋翼主轴顶端设置有桨榖，所述桨榖包括桨榖中央件、挥舞铰、负耦合的摆振/变距铰和正耦合的摆振/变距铰；
所述旋翼主轴顶端安装有桨榖中央件，所述桨榖中央件一端通过挥舞铰与负耦合的摆振/变距铰相连，所述负耦合的摆振/变距铰一端与负耦合桨叶相连接，所述桨榖中央件另一端通过挥舞铰与正耦合的摆振/变距铰相连，所述正耦合的摆振/变距铰一端与正耦合桨叶相连接。
优选的，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰均与所述桨榖中央件倾斜连接，且所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰和桨榖中央件两侧均通过球铰活动相连，并通过所述球铰活动连接，来实现挥舞运动。
优选的，所述桨榖中央件两端均安装有连接耳，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰分别与两个连接耳倾斜卡接，且所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰一端均安装有柔性梁，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰均通过柔性梁与负耦合桨叶和正耦合桨叶相连，并通过所述柔性梁等效挥舞铰，来实现挥舞运动。
优选的，所述桨榖中央件两端均安装有连接耳，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰分别与两个连接耳倾斜卡接，且所述桨榖中央件底端活动连接有跷跷板，并通过所述跷跷板铰，来实现挥舞运动。
优选的，所述跷跷板顶端通过活动轴与桨榖活动相连。
优选的，一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，具体步骤如下，
S1、通过动力系统向旋翼主轴输出稳定转速；
S2、通过动力系统向旋翼主轴附加转速谐波分量；
S3、引入一个摆振-变距耦合。
优选的，所述步骤S1中，通过动力系统向旋翼主轴输出稳定转速是指通过动力系统控制旋翼主轴进行稳定旋转，并输出旋翼主轴稳定旋转时的转速。
优选的，所述步骤S2中，通过动力系统向旋翼主轴附加转速谐波分量，其中附加的转速谐波分量包括稳定转速的一倍，即一阶转速谐波分量，稳定转速的多倍，即高阶转速谐波分量以及同时叠加多个一阶或者高阶谐波分量。
优选的，所述步骤S3中，引入一个摆振-变距耦合是指通过不同形状的负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰和与之对应的桨榖相连，形成一个摆振-变距耦合装置，实现桨叶的摆振-变距运动耦合
优选的，所述附加的一阶或高阶转速谐波分量的幅值小于稳定转速的幅值。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便：通过摆振/变距铰作用引入一个摆振-变距耦合，通过向旋翼主轴的稳定转速上附加一个一阶或者高阶的转速谐波分量，激励桨叶旋转时产生一个对应的频率的摆振运动，通过控制旋翼转速的谐波参数来实现桨叶一阶或高阶挥舞特性的控制，且控制一阶以上转速波动激励实现桨叶的振动控制、噪音抑制、气动效率的优化，取消了桨叶系统中的自动倾斜器，降低了制造和维护成本，提高了设备可靠性，同时由于结构简单和单个旋翼即能实现操纵，降低了小型飞行器的制造难度，并减小其尺寸。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明变转速驱动旋翼的等效图
图2是本发明通过球铰实现挥舞运动的旋翼的结构示意图；
图3是本发明通过的柔性梁实现挥舞运动的旋翼的结构示意图；
图4是本发明通过跷跷板实现挥舞运动的旋翼的结构示意图；
图5是本发明变转速驱动的旋翼桨距控制方法的流程图；
图6是本发明附加一阶转速震荡图；
图7是本发明中附加一阶转速震荡且摆振/变距耦合系数为1的桨叶摆振/变距响应时域图；
图8是本发明桨叶挥舞响应时域图。
图中标号：1、桨榖；2、桨榖；3、桨榖中央件；4、挥舞铰；5、负耦合摆振/变距铰；6、负耦合桨叶；7、正耦合摆振/变距铰；8、正耦合桨叶；9、球铰；10、连接耳；11、柔性梁；12、跷跷板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，本发明提供一种技术方案，一种变转速驱动的旋翼，包括旋翼主轴1，所述旋翼主轴1与动力系统进行连接，并在动力系统的驱动下旋转，所述旋翼主轴1顶端设置有桨榖2，所述桨榖2包括桨榖中央件3、挥舞铰4、负耦合的摆振/变距铰5和正耦合的摆振/变距铰7；
所述旋翼主轴1顶端安装有桨榖中央件3，所述桨榖中央件3一端通过挥舞铰4与负耦合的摆振/变距铰5相连，所述负耦合的摆振/变距铰5一端与负耦合桨叶6相连接，所述桨榖中央件3另一端通过挥舞铰4与正耦合的摆振/变距铰7相连，所述正耦合的摆振/变距铰7一端与正耦合桨叶8相连接。
如图5所示，一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，具体步骤如下，
S1、通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速；
S2、通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量；
S3、引入一个摆振-变距耦合。
具体的，步骤S1中，通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速是指通过动力系统控制旋翼主轴1进行稳定旋转，并输出旋翼主轴1稳定旋转时的转速。
具体的，步骤S2中，通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量，其中附加的转速谐波分量包括稳定转速的一倍，即一阶转速谐波分量、稳定转速的多倍，即高阶转速谐波分量以及同时叠加多个一阶或者高阶谐波分量。
具体的，步骤S3中，引入一个摆振-变距耦合是指通过不同形状的负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7和与之对应的桨榖2相连，形成一个摆振-变距耦合装置，实现桨叶的摆振-变距运动耦合。
具体的，附加的一阶或高阶转速谐波分量的幅值小于稳定转速的幅值。
进一步的，如图2所示，所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7均与所述桨榖中央件3倾斜连接，且所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7和桨榖中央件3两侧均通过球铰9活动相连，并通过所述球铰9活动连接，来实现挥舞运动。
当旋翼主轴1在动力系统的控制下进行旋转时，旋翼主轴1带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7旋转，同时同步带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7一侧连接的负耦合桨叶6和正耦合桨叶8进行旋转，利用球铰9将负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7与桨榖中央件3倾斜连接，实现摆振-变距耦合，从而实现了桨叶摆振运动和变距运动的耦合。
如图6-8所示，通过向旋翼主轴1的稳定转速上附加一个一阶的转速谐波分量，激励负耦合桨叶6和正耦合桨叶8旋转时产生一个对应的频率的摆振运动，其中，桨距的变化直接决定着桨叶挥舞运动特性，从而通过控制旋翼转速的谐波参数来实现桨叶一阶挥舞特性的控制，且控制一阶以上转速波动激励实现桨叶的振动控制、噪音抑制、气动效率的优化，取消了桨叶系统中的自动倾斜器，降低了制造和维护成本，提高了设备可靠性，同时由于结构简单和单个旋翼即能实现操纵，降低了小型飞行器的制造难度，并减小其尺寸。
实施例2：如图3所示，一种变转速驱动的旋翼，包括旋翼主轴1，所述旋翼主轴1与动力系统进行连接，并在动力系统的驱动下旋转，所述旋翼主轴1顶端设置有桨榖2，所述桨榖2包括桨榖中央件3、挥舞铰4、负耦合的摆振/变距铰5和正耦合的摆振/变距铰7；
所述旋翼主轴1顶端安装有桨榖中央件3，所述桨榖中央件3一端通过挥舞铰4与负耦合的摆振/变距铰5相连，所述负耦合的摆振/变距铰5一端与负耦合桨叶6相连接，所述桨榖中央件3另一端通过挥舞铰4与正耦合的摆振/变距铰7相连，所述正耦合的摆振/变距铰7一端与正耦合桨叶8相连接。
具体的，所述桨榖中央件3两端均安装有连接耳10，所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7分别与两个连接耳10倾斜卡接，且所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7一端均安装有柔性梁11，所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7均通过柔性梁11与负耦合桨叶6和正耦合桨叶8相连，并通过所述柔性梁11等效挥舞铰，来实现挥舞运动。
如图5所示，一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，具体步骤如下，
S1、通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速；
S2、通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量；
S3、引入一个摆振-变距耦合。
具体的，步骤S1中，通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速是指通过动力系统控制旋翼主轴1进行稳定旋转，并输出旋翼主轴1稳定旋转时的转速。
具体的，步骤S2中，通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量，其中附加的转速谐波分量包括稳定转速的一倍，即一阶转速谐波分量、稳定转速的多倍，即高阶转速谐波分量以及同时叠加多个一阶或者高阶谐波分量。
具体的，步骤S3中，引入一个摆振-变距耦合是指通过不同形状的负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7和与之对应的桨榖2相连，形成一个摆振-变距耦合装置，实现桨叶的摆振-变距运动耦合。
具体的，附加的一阶或高阶转速谐波分量的幅值小于稳定转速的幅值。
当旋翼主轴1在动力系统的控制下进行旋转时，旋翼主轴1带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7旋转，同时同步带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7一侧连接的负耦合桨叶6和正耦合桨叶8进行旋转，通过柔性梁11的作用，使得负耦合桨叶6和正耦合桨叶8旋转时产生变距运动，从而实现了桨叶摆振运动和变距运动的耦合，通过向旋翼主轴1的稳定转速上附加一个一阶或者高阶的转速谐波分量，激励负耦合桨叶6和正耦合桨叶8旋转时产生一个对应的频率的摆振运动，其中，桨距的变化直接决定着桨叶挥舞运动特性，从而通过控制旋翼转速的谐波参数来实现桨叶一阶或高阶挥舞特性的控制，且控制一阶以上转速波动激励实现桨叶的振动控制、噪音抑制、气动效率的优化，取消了桨叶系统中的自动倾斜器，降低了制造和维护成本，提高了设备可靠性，同时由于结构简单和单个旋翼即能实现操纵，降低了小型飞行器的制造难度，并减小其尺寸。
实施例3：如图4所示，一种变转速驱动的旋翼，包括旋翼主轴1，所述旋翼主轴1与动力系统进行连接，并在动力系统的驱动下旋转，所述旋翼主轴1顶端设置有桨榖2，所述桨榖2包括桨榖中央件3、挥舞铰4、负耦合的摆振/变距铰5和正耦合的摆振/变距铰7；
所述旋翼主轴1顶端安装有桨榖中央件3，所述桨榖中央件3一端通过挥舞铰4与负耦合的摆振/变距铰5相连，所述负耦合的摆振/变距铰5一端与负耦合桨叶6相连接，所述桨榖中央件3另一端通过挥舞铰4与正耦合的摆振/变距铰7相连，所述正耦合的摆振/变距铰7一端与正耦合桨叶8相连接。
具体的，所述桨榖中央件3两端均安装有连接耳10，所述负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7分别与两个连接耳10倾斜卡接，且所述桨榖中央件3底端活动连接有跷跷板12，其中，所述跷跷板12顶端通过活动轴与桨榖活动相连，实现桨榖中央件3的摆动，并通过所述跷跷板铰12，来实现挥舞运动。
如图5所示，一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，具体步骤如下，
S1、通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速；
S2、通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量；
S3、引入一个摆振-变距耦合。
具体的，步骤S1中，通过动力系统向旋翼主轴1输出稳定转速是指通过动力系统控制旋翼主轴1进行稳定旋转，并输出旋翼主轴1稳定旋转时的转速。
具体的，步骤S2中，通过动力系统向旋翼主轴1附加转速谐波分量，其中附加的转速谐波分量包括稳定转速的一倍，即一阶转速谐波分量、稳定转速的多倍，即高阶转速谐波分量以及同时叠加多个一阶或者高阶谐波分量。
具体的，步骤S3中，引入一个摆振-变距耦合是指通过不同形状的负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7和与之对应的桨榖2相连，形成一个摆振-变距耦合装置，实现桨叶的摆振-变距运动耦合。
具体的，附加的一阶或高阶转速谐波分量的幅值小于稳定转速的幅值。
当旋翼主轴1在动力系统的控制下进行旋转时，旋翼主轴1带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7旋转，同时同步带动负耦合摆振/变距铰5和正耦合摆振/变距铰7一侧连接的负耦合桨叶6和正耦合桨叶8进行旋转，通过活动轴将桨榖2与跷跷板12连接，使得负耦合桨叶6和正耦合桨叶8旋转时产生变距运动，从而实现了桨叶摆振运动和变距运动的耦合，通过向旋翼主轴1的稳定转速上附加一个一阶或者高阶的转速谐波分量，激励负耦合桨叶6和正耦合桨叶8旋转时产生一个对应的频率的摆振运动，其中，桨距的变化直接决定着桨叶挥舞运动特性，从而通过控制旋翼转速的谐波参数来实现桨叶一阶或高阶挥舞特性的控制，且控制一阶以上转速波动激励实现桨叶的振动控制、噪音抑制、气动效率的优化，取消了桨叶系统中的自动倾斜器，降低了制造和维护成本，提高了设备可靠性，同时由于结构简单和单个旋翼即能实现操纵，降低了小型飞行器的制造难度，并减小其尺寸。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变转速驱动的旋翼，包括旋翼主轴，所述旋翼主轴与动力系统进行连接，并在动力系统的驱动下旋转，其特征在于：所述旋翼主轴顶端设置有桨榖，所述桨榖包括桨榖中央件、挥舞铰、负耦合的摆振/变距铰和正耦合的摆振/变距铰；
所述旋翼主轴顶端安装有桨榖中央件，所述桨榖中央件一端通过挥舞铰与负耦合的摆振/变距铰相连，所述负耦合的摆振/变距铰一端与负耦合桨叶相连接，所述桨榖中央件另一端通过挥舞铰与正耦合的摆振/变距铰相连，所述正耦合的摆振/变距铰一端与正耦合桨叶相连接。
2.根据权利要求1所述的一种变转速驱动的旋翼，其特征在于：所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰均与所述桨榖中央件倾斜连接，且所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰和桨榖中央件两侧均通过球铰活动相连，并通过所述球铰活动连接，来实现挥舞运动。
3.根据权利要求1所述的一种变转速驱动的旋翼，其特征在于：所述桨榖中央件两端均安装有连接耳，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰分别与两个连接耳倾斜卡接，且所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰一端均安装有柔性梁，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰均通过柔性梁与负耦合桨叶和正耦合桨叶相连，并通过所述柔性梁等效挥舞铰，来实现挥舞运动。
4.根据权利要求1所述的一种变转速驱动的旋翼，其特征在于：所述桨榖中央件两端均安装有连接耳，所述负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰分别与两个连接耳倾斜卡接，且所述桨榖中央件底端活动连接有跷跷板，并通过所述跷跷板铰，来实现挥舞运动。
5.根据权利要求4所述的一种变转速驱动的旋翼，其特征在于：所述跷跷板顶端通过活动轴与桨榖活动相连。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，其特征在于：具体步骤如下，
S1、通过动力系统向旋翼主轴输出稳定转速；
S2、通过动力系统向旋翼主轴附加转速谐波分量；
S3、引入一个摆振-变距耦合。
7.根据权利要求6所述的一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过动力系统向旋翼主轴输出稳定转速是指通过动力系统控制旋翼主轴进行稳定旋转，并输出旋翼主轴稳定旋转时的转速。
8.根据权利要求6所述的一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过动力系统向旋翼主轴附加转速谐波分量，其中附加的转速谐波分量包括稳定转速的一倍，即一阶转速谐波分量，稳定转速的多倍，即高阶转速谐波分量以及同时叠加多个一阶或者高阶谐波分量。
9.根据权利要求6所述的一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，引入一个摆振-变距耦合是指通过不同形状的负耦合摆振/变距铰和正耦合摆振/变距铰和与之对应的桨榖相连，形成一个摆振-变距耦合装置，实现桨叶的摆振-变距运动耦合。
10.根据权利要求9所述的一种变转速驱动的旋翼桨距的控制方法，其特征在于：所述附加的一阶或高阶转速谐波分量的幅值小于稳定转速的幅值。
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| US20160001877A1 (en) * | 2013-03-14 | 2016-01-07 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Passive rotor control mechanism for micro air vehicles |
| CN210310858U (zh) * | 2019-07-03 | 2020-04-14 | 南京航空航天大学 | 一种变转速驱动的旋翼 |
-
2019
- 2019-07-03 CN CN201910593327.7A patent/CN110155309A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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