CN110294099B - 基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置 - Google Patents

基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，属于航空结构设计领域，辅助驱动装置包括传动装置以及固液混杂弹簧机构，固液混杂弹簧机构包括主液压缸以及通过输油管与之连接的若干分流液压缸；本发明的折叠机翼辅助驱动装置在机翼展开时能够将外力做的功储存起来，在机翼折叠时回放出来，提供一部分驱动力，辅助主驱动器，可以减少对主驱动器驱动能力的需求;并且采用固液混杂弹簧储能，通过液压缸传递力和位移行程，把弹簧放置在机翼内部任何对重量和空间尺寸不敏感的位置，解决了翼型对空间尺寸和重量的限制问题。

Description

基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置
技术领域
本发明属于航空结构设计领域，具体涉及一种基于固液混杂弹簧的折叠机翼辅助驱动装置。
背景技术
机翼折叠技术可以节省舰载机停放时占用甲板的空间，也可以在飞行过程中折起机翼，增加飞行的稳定性。驱动装置在机翼折叠展开过程中占有重要的地位，需要根据具体的载荷需求和安装空间选取合适的驱动装置。目前折叠翼的驱动装置主要包括以下几种：电机驱动的、气动/液压驱动的和混合驱动器，根据具体的负载情况来配备驱动器；但是在负载比较大时，驱动器的尺寸需要增加，占用的空间和重量比较大，而安装空间不一定能容纳。如果有一个辅助驱动装置，能把外力做的功储存起来，等需要驱动力时回放出来，辅助主驱动器，就可以减少对主驱动器驱动能力的需求，解决驱动力和安装空间之间的矛盾。为此本发明设计了一种辅助驱动装置。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明公开了基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，本发明的辅助驱动装置由折叠翼原有的主驱动器提供一部分驱动力，辅助驱动装置承担剩余的驱动力，在机翼展开时，辅助驱动装置将重力做的功储存起来，在机翼折叠时回放出来，替主驱动器承担一部分驱动力。
本发明是这样实现的：
一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，辅助驱动装置包括传动装置以及固液混杂弹簧机构，固液混杂弹簧机构包括主液压缸以及通过输油管与之连接的若干分流液压缸。分流液压缸包括分流液压缸外筒，在分流液压缸外筒内部设置分流液压缸隔板，起到对分流液压缸活塞杆的支撑和导向作用。所述的分流液压缸外筒的上端面与分流液压缸隔板之间设置有分流液压缸活塞，所述的分流液压缸活塞上的分流液压缸活塞杆穿过分流液压缸隔板开设的中心孔，所述的分流液压缸活塞杆上安装有弹簧，弹簧两端分别顶住分流液压缸隔板、分流液压缸活塞；固液混杂弹簧由主液压缸、输油管、分流液压缸和弹簧组成，液压缸负责传递力和位移行程，弹簧负责储存能量。如果直接将弹簧放在转轴上，弹簧需要很大的空间且重量大，转轴处的翼型高度不能满足要求，因此通过液压缸传递力和位移行程，就可以把弹簧放置在对重量和空间尺寸不敏感的位置。由固液混杂弹簧实现储能功能。
主液压缸的活塞杆受到螺杆的推力后，将油液压到若干个分流液压缸中，主液压缸和分流液压缸通过输油管相连，各个分流液压缸流入的油液体积之和等于主液压缸流出的油液体积，且油液的压强处处相等，因此通过设计主液压缸和分流液压缸活塞的面积，就可以实现主液压缸到分流液压缸力和位移的传递。
所述的主液压缸、分流液压缸内部均设置有油液，主液压缸油液传递到分流液压缸，各个分流液压缸流入的油液体积之和等于主液压缸流出的油液体积；油液流入分流液压缸，使分流液压缸活塞向下运动，压缩弹簧，将主液压缸的重力势能转化为弹簧的弹性势能储存。
进一步，所述的驱动装置置于外翼以及内翼之间，且所述的主液压缸安装于折叠翼转轴轴线的翼型高度的中间。
进一步，所述的传动装置置于主液压缸外筒的内部，传动装置下端设置有主液压缸活塞，传动装置用于实现旋转运动与直线运动的相互转换；所述的传动装置至上而下包括螺套、螺杆，螺套内壁刻有内螺纹，与螺杆进行螺纹配合；所述的主液压缸外筒底端还设置有主液压缸进油嘴。螺杆的直线力和位移传给主液压缸的主液压缸活塞杆。
进一步，所述的螺杆为T型圆柱状结构，螺杆下端直径小的部分设置导向板导向槽机构，所述的导向板导向槽机构包括沿螺杆周向均匀设置四个导向板，在主液压缸外筒内壁的对应位置设置四个凸台，凸台的外侧面有沿轴向的导向槽，导向槽和导向板滑动配合，使螺杆产生轴向位移，实现旋转运动与直线运动的转换。
进一步，所述的螺套和主液压缸外筒环面中间放置推力轴承；所述的主液压缸外筒下端面设置有主液压缸进油嘴。
进一步，所述的螺杆的底端伸出一个定位销，与之对应的主液压缸活塞杆的顶端设置有深孔，销和孔相互配合，保证主液压缸活塞杆和螺杆的轴线始终重合，使螺杆和主液压缸活塞杆不发生轴向错位。
进一步，所述的主液压缸外筒内部设置有主液压缸隔板，主液压缸隔板的中心孔与主液压缸活塞杆形成配合，对主液压缸活塞杆的运动起支撑和导向作用。
进一步，所述的主液压缸外筒通过内翼连接件与内翼连接。
进一步，所述的分流液压缸的上端面设置有分流液压缸进油嘴，用于加油和加压，下端面设置有连接螺栓；为了分流液压缸和弹簧连接方便，所述的分流液压缸和弹簧为一体式结构，弹簧套在分流液压缸活塞杆上，一端与分流液压缸活塞底部相连，另一端连接在分流液压缸隔板上。
本发明还公开了一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置的工作方法，具体步骤如下：
机翼展开时，分配给辅助驱动装置的外力大于弹簧弹力；于是折叠转轴处的旋转运动传给螺套，带动螺套旋转，在导向板导向槽机构的限制下，螺杆产生沿轴向向下的位移，从而推动螺杆，使油液通过输油管流向若干分流液压缸，分流液压缸活塞杆向下运动，压缩弹簧，使弹簧储能；当机翼展平时，分配给辅助驱动装置的外力和弹簧弹力处于平衡状态，此时把机翼锁住；
机翼折叠时，打开锁销开关，并使主驱动器工作，此时分配给辅助驱动装置的外力小于弹簧的弹力，因此弹簧伸长释放能量，推动分流液压缸中的活塞杆向上运动，液压油流回主液压缸中，使主液压缸的分流液压缸活塞杆产生向上的位移，推动螺杆向上运动，使螺套反向旋转，由机械装置将扭转驱动力矩传给折叠翼转轴轴线，辅助主驱动器，为机翼折叠提供驱动力；直到弹簧恢复原长，辅助驱动装置停止提供驱动力。
通过上述方法，本发明的折叠机翼辅助驱动装置在机翼展开时能够将外力做的功储存起来，在机翼折叠时回放出来，提供一部分驱动力，辅助主驱动器，可以减少对主驱动器驱动能力的需求；本发明的折叠机翼驱动装置采用固液混杂弹簧储能，通过液压缸传递力和位移行程，把弹簧放置在机翼内部任何对重量和空间尺寸不敏感的位置，解决了翼型对空间尺寸和重量的限制问题。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1)本发明的折叠机翼辅助驱动装置在机翼展开时能够将外力做的功储存起来，在机翼折叠时回放出来，提供一部分驱动力，辅助主驱动器，可以减少对主驱动器驱动能力的需求；
2)本发明的折叠机翼驱动装置采用固液混杂弹簧储能，通过液压缸传递力和位移行程，把弹簧放置在机翼内部任何对重量和空间尺寸不敏感的位置，解决了翼型对空间尺寸和重量的限制问题。
附图说明
图1为本发明折叠翼辅助驱动装置结构示意图；
图2为本发明分流液压缸结构示意图；
图3为本发明导向板和导向槽配合示意图；
图4为本发明内翼连接件结构的俯视图；
图5为本发明内翼连接件结构的主视图；
其中，1-主液压缸外筒，2-螺套，3-螺杆，4-导向板导向槽机构，5-推力轴承，6-定位销，7-主液压缸活塞杆，8-主液压缸活塞，9-主液压缸隔板，10-油液，11-主液压缸进油嘴，12-输油管，13-分流液压缸，14-内翼连接件，15-弹簧，16-分流液压缸外筒，17-分流液压缸隔板，18-分流液压缸活塞，19-分流液压缸活塞杆，20-分流液压缸进油嘴，21-连接螺栓，22-导向板，23-导向槽，24-定位销，25-外翼，26-内翼，27-内翼工字梁，28-折叠翼转轴轴线，29-内翼连接件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出的折叠机翼的辅助驱动装置主要包括将旋转运动与直线运动相互转换的传动装置和用于储能的固液混杂弹簧，还包括与内翼的连接部件和与转轴配合的机械装置。
本发明的折叠机翼辅助驱动装置的工作方法：
机翼展开时，重力做功，主驱动器工作，给机翼提供克服重力的力矩，分配给辅助驱动装置的外力大于弹簧15弹力；于是折叠转轴处的旋转运动由机械装置传给螺套2，带动螺套2旋转，在导向板导向槽机构4的限制下，螺杆3产生沿轴向向下的位移，从而推动螺杆3，使油液10通过输油管12流向若干分流液压缸13，分流液压缸活塞杆19向下运动，压缩弹簧15，使弹簧15储能；当机翼展平时，分配给辅助驱动装置的外力和弹簧15弹力处于平衡状态，此时把机翼锁住。
机翼折叠时，打开锁销开关，并使主驱动器工作，此时分配给辅助驱动装置的外力小于弹簧15的弹力，因此弹簧15伸长释放能量，推动分流液压缸13中的活塞杆向上运动，液压油流回主液压缸中，使主液压缸的分流液压缸活塞杆19产生向上的位移，推动螺杆3向上运动，使螺套2反向旋转，由机械装置将扭转驱动力矩传给折叠翼转轴轴线，辅助主驱动器，为机翼折叠提供驱动力；直到弹簧15恢复原长，辅助驱动装置停止提供驱动力。
本发明的机构具体如下：
如图1所示，本发明的传动装置用于实现旋转运动与直线运动的相互转换，包括螺套2，螺杆3。折叠翼转轴处的旋转通过机械装置传到传动装置的螺套2上，带动螺套2旋转，螺套2顶部有一个圆柱桩，和机械装置配合；螺套2，螺杆3机构放置在主液压缸外筒1中。
如图4所示，主液压缸外筒1的上端面有一个环面，且在环面和螺套2之间放置推力轴承5，以限制螺套产生轴向位移，使它只能旋转。如图5所示，主液压缸外筒1通过内翼连接件29与内翼26连接，实现旋转运动与直线运动相互转换。螺套2位于主液压缸外筒1内部的部分在内壁刻有内螺纹，与螺杆3形成螺纹配合，机翼展开时，螺套2顺时针旋转，推动螺杆3向远离上端面的方向运动。
螺套2，螺杆3配合的部分刻有外螺纹，且直径尽可能大一些；螺套2，螺杆3的螺纹均选取矩形螺纹；根据机翼折叠的角度，螺杆3与螺套的螺纹长度要满足螺杆所需运动行程，同时，螺纹的长度和宽度还应满足抗剪要求。
如图3所示，螺杆3直径较小的部分沿周向均匀设置四个导向板22，在主液压缸外筒1内壁对应每个导向板22的位置设置凸台，凸台的外侧面挖一个沿轴向的导向槽23，导向槽23的长度大于导向板的高度，导向板22和导向槽23滑动配合，使螺杆3产生轴向位移，将旋转运动转为直线运动；由于辅助驱动装置只在重力做功时储能，因此要留出一段空行程，直到重力开始做功，螺杆3的底面才和主液压缸活塞杆7的顶面接触，产生推力，为使空行程时螺杆3和主液压缸活塞杆7不发生轴向错位，在螺杆3的底端伸出一个定位销6，主液压缸活塞杆7的顶端挖一个深孔，使二者配合，定位销6在深孔中运动，保证螺杆3和主液压缸活塞杆7的轴线始终重合。辅助驱动装置的储能功能由固液混杂弹簧实现，固液混杂弹簧由主液压缸、输油管12、分流液压缸13和弹簧15组成，液压缸负责传递力和位移行程，弹簧15负责储存能量。
主液压缸由主液压缸活塞8、主液压缸活塞杆7、主液压缸外筒1、主液压缸隔板9和主液压缸进油嘴11组成；主液压缸外筒1通过连接件安装内翼26上；主液压缸隔板9的中心孔与主液压缸活塞杆7配合，对主液压缸活塞杆7的运动起到支撑和导向作用，主液压缸隔板9对于密封性的要求不高；主液压缸活塞杆7的顶端如前所述有一个深孔，和螺杆3底端的定位销6配合；主液压缸活塞8密封性要求高；主液压缸外筒的底部有一个主液压缸进油嘴11，用于加油和加压。
主液压缸活塞杆受到螺杆3的推力后，将油液10压到若干个分流液压缸13中；主液压缸和分流液压缸通过输油管12相连，在主液压缸的底面开若干个圆孔，每个分流液压缸的顶面也开一个圆孔，输油管的两端分别连接两个圆孔，实现主液压缸和分流液压缸间的油液传输；各个分流液压缸流入的油液体积之和等于主液压缸流出的油液体积，且油液的压强处处相等，因此通过设计主液压缸和分流液压缸活塞的面积，就可以实现主液压缸到分流液压缸力和位移的传递。
如图2所示，分流液压缸13由分流液压缸活塞18、分流液压缸活塞杆19、分流液压缸外筒16、分流液压缸隔板17、分流液压缸进油嘴20和弹簧15组成，分流液压缸13可以放置在机翼内部任何对重量和空间尺寸不敏感的位置；固液混杂弹簧装置用于储能的弹簧放置在分流液压缸中，根据所需承载能力和尺寸要求选取合适的弹簧，弹簧套在分流液压缸活塞杆19上，一端与分流液压缸活塞18相连，分流液压缸活塞18对密封性要求高，另一端连接到分流液压缸隔板17上，分流液压缸隔板17的中心孔与分流液压缸活塞杆19配合；分流液压缸13上端面通过输油管和主液压缸相连，为了分流液压缸和弹簧连接方便，将分流液压缸和弹簧做成一体，液压缸的下端面利用连接螺栓21和机翼内部结构连接；在分流液压缸活塞杆19伸出段与分流液压缸外筒16底部之间再放置分流液压缸隔板17，对分流液压缸活塞杆19进行支撑和导向，分流液压缸中的两块分流液压缸隔板17对于密封性要求都不高；分流液压缸顶部有一个分流液压缸进油嘴20，用于加油和加压。
在本实施例中，设计机翼的最大折叠角度为130°,首先对机翼的展开过程进行详细描述。在折叠角度为130°至90°段，由主驱动器驱动机翼展开；90°至0°段，机翼的重力做功产生重力势能，此过程中弹簧储能，将重力势能转化为弹簧的弹性势能。
设主液压缸的内径为D；螺杆中径为d2,螺纹升角为φ，摩擦角为
Figure BDA0002065095630000075
分流液压缸个数为4，内径为d；弹簧刚度为k，预压缩量为x0；其余部件的具体参数可计算得出。
在130°至90°段，螺杆3的定位销6在主液压缸活塞杆7的深孔中移动，直到90°时，螺杆3的底面和主液压缸活塞杆7接触，弹簧开始储能；90°至0°段为弹簧的储能过程，当机翼完全展开即折叠角为0°时，弹簧储存能量达到最大，螺杆3向下的位移也达到最大，主液压缸活塞杆7向下的位移同样达到最大，设为U；此过程中，机翼旋转90°，因此U为螺套旋转90°推动螺杆3产生的向下的位移，螺杆3的位移与机翼旋转的角度和螺纹升角φ相关，得出
Figure BDA0002065095630000071
因此主液压缸向分流液压缸传输的总油液体积为
Figure BDA0002065095630000072
分流液压缸的数量为4，则每个分流液压缸活塞向下的位移为
Figure BDA0002065095630000073
此时弹簧的变形量为x0+u，则4个弹簧储存的总弹性势能为
Figure BDA0002065095630000074
在机翼折叠过程中，弹簧释放储存的弹性势能，提供一部分驱动力，辅助主驱动器驱动机翼折叠。由上文已知弹簧的最大变形量为x0+u，弹簧的变形值为
Figure BDA0002065095630000081
此时弹簧弹力为Fk＝k·u；弹簧弹力与分流液压缸中的压力平衡，因此油液压强
Figure BDA0002065095630000082
主液压缸中油液压强与分流液压缸中的相等，则主液压缸活塞所受推力为
Figure BDA0002065095630000083
因此螺杆得到向上的推力FP；由于推力轴承5限制了螺套2的轴向运动，通过螺套2，螺杆3的螺纹配合，使螺套2旋转，由此将推力FP转换为扭转驱动力矩T，
Figure BDA0002065095630000084
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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的辅助驱动装置包括传动装置以及固液混杂弹簧机构，所述的固液混杂弹簧机构包括主液压缸以及通过输油管（12）与之连接的若干分流液压缸（13）；
所述的分流液压缸（13）包括分流液压缸外筒（16），在分流液压缸外筒（16）内部设置分流液压缸隔板（17），所述的分流液压缸外筒（16）的上端面与分流液压缸隔板（17）之间设置有分流液压缸活塞（18），所述的分流液压缸活塞（18）上的分流液压缸活塞杆（19）穿过分流液压缸隔板（17）开设的中心孔，所述的分流液压缸活塞杆（19）上安装有弹簧（15），弹簧（15）两端分别顶住分流液压缸隔板（17）、分流液压缸活塞（18）；
所述的主液压缸、分流液压缸内部均设置有油液（10），主液压缸油液传递到分流液压缸（13），各个分流液压缸（13）流入的油液体积之和等于主液压缸流出的油液体积；油液流入分流液压缸（13），使分流液压缸活塞（18）向下运动，压缩弹簧（15），将主液压缸的重力势能转化为弹簧的弹性势能储存；
所述的驱动装置置于外翼（25）以及内翼（26）之间；所述的传动装置置于主液压缸外筒（1）的内部，传动装置下端设置有主液压缸活塞（8）；所述的传动装置至上而下包括螺套（2）、螺杆（3），螺套（2）内壁刻有内螺纹，与螺杆（3）进行螺纹配合；所述的螺杆（3）下端设置导向板导向槽机构（4）所述的主液压缸外筒（1）通过内翼连接件（29）与内翼（26）连接；
所述的辅助驱动装置还包括与折叠翼转轴配合的机械装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的主液压缸外筒（1）底端还设置有主液压缸进油嘴（11）。
3.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的螺杆（3）为T型圆柱状结构，所述的导向板导向槽机构（4）包括沿螺杆（3）周向均匀设置四个导向板（22），在主液压缸外筒（1）内壁的对应位置设置四个凸台，凸台的外侧面有沿轴向的导向槽（23），导向槽（23）和导向板（22）滑动配合，使螺杆（3）产生轴向位移，实现旋转运动与直线运动的转换。
4.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的螺套（2）和主液压缸外筒（1）环面中间放置推力轴承（5）。
5.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的螺杆（3）的底端伸出一个定位销（6），与之对应的主液压缸活塞杆（7）的顶端设置有深孔，销和孔相互配合，保证主液压缸活塞杆（7）和螺杆（3）的轴线始终重合。
6.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的主液压缸外筒（1）内部设置有主液压缸隔板（9），主液压缸隔板（9）的中心孔与主液压缸活塞杆（7）形成配合，对主液压缸活塞杆（7）的运动起支撑和导向作用。
7.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述的分流液压缸（13）的上端面设置有分流液压缸进油嘴（20），下端面设置有连接螺栓（21）；所述的分流液压缸（13）和弹簧（15）为一体式结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于固液混杂弹簧的折叠翼辅助驱动装置，其特征在于，所述辅助驱动装置的工作方法具体步骤如下：
机翼展开时，分配给辅助驱动装置的外力大于弹簧（15）弹力;于是折叠转轴处的旋转运动传给螺套（2），带动螺套（2）旋转，在导向板导向槽机构（4）的限制下，螺杆（3）产生沿轴向向下的位移，从而推动螺杆（3），使油液（10）通过输油管（12）流向若干分流液压缸（13），分流液压缸活塞杆（19）向下运动，压缩弹簧（15），使弹簧（15）储能;当机翼展平时，分配给辅助驱动装置的外力和弹簧（15）弹力处于平衡状态，此时把机翼锁住；
机翼折叠时，打开锁销开关，并使主驱动器工作，此时分配给辅助驱动装置的外力小于弹簧（15）的弹力，因此弹簧（15）伸长释放能量，推动分流液压缸（13）中的活塞杆向上运动，液压油流回主液压缸中，使主液压缸的分流液压缸活塞杆（19）产生向上的位移，推动螺杆（3）向上运动，使螺套（2）反向旋转，由机械装置将扭转驱动力矩传给折叠翼转轴轴线，辅助主驱动器，为机翼折叠提供驱动力；直到弹簧（15）恢复原长，辅助驱动装置停止提供驱动力。
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