CN110356546B - 电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，使用在尾梁内部安装横流风扇作为单旋翼无人直升机主旋翼反扭力的来源，充分利用了尾梁内部的空间，也缩短的尾梁的长度，降低了直升机的自重，此外没有外露桨叶的尾桨机构，很好的提高了低空飞行安全性；使用电控无刷电机操纵主旋翼桨叶的变距，将传统的桨叶变距结构进行了简化，降低了旋翼头操纵机构的复杂性，大大方便了后期的维修保养等工作，使得无人直升机的全电传控制得到了强化；双电机作为主动力的结构，提高了动力系统的冗余性，大大增加了无人直升机的飞行安全性。

Description

电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机

技术领域

本发明涉及直升机，涉及一种电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机。

背景技术

目前，单旋翼带尾桨无人直升机在国内外航模娱乐和工业应用等领域都有大量的使用，其主要优势为功重比高、载荷大、效率高、航时长；机动灵活、可特技飞行、响应快；无需机场跑道、可垂直起降、可熄火着落。

目前市场上所用的单旋翼带尾桨无人直升机绝大部分都为尾桨外露于外部的机型，尾桨外露对于直升机而言在低空飞行时的安全性很差，据统计，全世界目前50％以上的直升机事故都是因为外露的尾桨引起的。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，使用反扭系统来代替单旋翼直升机使用的尾桨，解决直升机低空飞行时的安全性问题。

技术方案：本发明所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，包括机体；机体的尾部设置有带有入流口和射流口的尾梁壳体，尾梁壳体内置有反扭系统，反扭系统包括左右对置的叶片端板、铰接在叶片端板之间的叶片、通过法兰盘设置在叶片端板之间圆心位置的尾传动轴、设置在叶片端板外侧壁处的变距盘式电机、设置在变距盘式电机的工作端处的变距拉盘，设置在变距拉盘上的变距滑块，与变距滑块滑动连接且铰接点设置在叶片端板上的L型变距摇臂、和L型变距摇臂铰接的摇动连接杆、和摇动连接杆铰接的叶片变距臂以及驱动尾传动轴转动的换向齿轮组；变距盘式电机驱动变距拉盘转动，变距拉盘带动L型变距摇臂沿着变距滑块滑动，L型变距摇臂带动摇动连接杆转动，摇动连接杆带动叶片变距臂转动，最后叶片变距臂带动叶片转动，实现了叶片的变距调节。

通过采用上述技术方案，由于直升机飞行时主旋翼系统的每片桨叶的桨距角都在变化，从而造成反扭系统需要不断的改变反扭力，变距盘式电机带动变距拉盘，变距拉盘带动L型变距摇臂沿着变距滑块滑动，L型变距摇臂带动摇动连接杆转动，摇动连接杆带动叶片变距臂转动，最后叶片变距臂带动叶片转动，进而同时改变片叶片的安装角，达到调节射流口气流流量的作用，动态改变反扭力，使得直升机的反扭力矩得到平衡。变距盘式电机安装于尾传动轴的尾部，随尾传动轴同步转动，未给驱动信号时相对尾传动轴静止，其控制变距拉盘的旋转角度为正负15度，尾梁的上部开有沿尾梁方向的入流口，为了抵消主旋翼桨叶顺时针旋转时的扭矩，在尾梁的右侧开有射流口，使得经由主旋翼桨叶加速的气流被尾梁内部的横流风扇吸入并从尾梁右侧射流口加速射出，以平衡主旋翼桨叶旋转时的扭矩。

有益效果：使用在尾梁内部安装横流风扇作为单旋翼无人直升机主旋翼反扭力的来源，不是通过控制横流风扇的转速来调整反扭力的大小，而是通过叶片变距的方式，使得反扭力控制精准，增强直升机的航向稳定性，还充分利用了尾梁内部的空间，也缩短的尾梁的长度，降低了直升机的自重，此外没有外露桨叶的尾桨机构，很好的提高了低空飞行安全性；使用电控无刷电机操纵主旋翼桨叶的变距，将传统的桨叶变距结构进行了简化，降低了旋翼头操纵机构的复杂性，大大方便了后期的维修保养等工作，使得无人直升机的全电传控制得到了强化；双电机作为主动力的结构，提高了动力系统的冗余性，大大增加了无人直升机的飞行安全性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明主旋翼系统爆炸图；

图3为本发明主旋翼系统结构分解图；

图4为本发明尾梁及反扭系统结构示意图；

图5为本发明尾梁剖面示意图；

图6为本发明电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升反扭系统结构示意图；

图7为本发明反扭系统左视图；

图8为本发明反扭系统半剖图；

图9为本发明动力系统和主旋翼系统以及反扭系统的结构示意图；

图10为本发明动力系统详解图；

图11为本发明动力传动原理图。

具体实施方式

如图1和图2以及4所示，一种电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，包括机体1，机体1顶部设置有主旋翼系统6，机体1的尾部设置有内置反扭系统5的尾梁壳体2。

如图2和图3所示，主旋翼系统6包括自下而上依次设置的旋翼主轴连接法兰61、桨毂下盖62、限位块63以及桨毂上盖64；主旋翼系统6还包括设置在限位块63内的桨毂滑套65和与桨毂滑套65的桨毂组合轴承66、通过桨毂组合轴承66实现与桨毂滑套65固定连接的桨叶67，设置在桨毂滑套65外周侧壁上的带编码器的伺服无刷电机68以及位于桨叶67靠近桨毂滑套65的根部且与桨叶67固定连接的减速齿盘69；带编码器的伺服无刷电机68通过齿轮和减速齿盘69转动连接。

其组装顺序为桨叶67的根部套上桨毂组合轴承66，穿入桨毂滑套65内，将减速齿盘69通过螺钉固定在桨叶67根部的端面上，再将带编码器的伺服无刷电机68安装于桨毂滑套65上，并将电机齿与减速齿盘69相啮合，完成一片电控驱动桨叶67的安装。依照上述方法完成另外片桨叶67的安装。将安装好的三片电控驱动桨叶67连同限位块63一同放置于桨毂下盖62中，盖上桨毂上盖64，并用螺栓紧固，旋翼主轴连接法兰61和限位块63底部固定连接，完成主旋翼系统6的安装。要说明的是桨毂组合轴承66既能承受桨叶67旋转时的离心力也能够承受桨叶67升力对桨毂的弯距力。主旋翼系统6中桨叶67的顺时针旋转运动是由旋翼主轴连接法兰61驱动的。

旋翼主轴上设置有为带编码器的伺服无刷电机68提供电驱动控制信号和能源的运动检测与导电模块(图中未示出)；每个桨叶67上的伺服无刷电机68电驱动信号均为独立控制，运动检测与导电模块可分别控制对应的桨叶67的桨距角，桨距角的调节范围为负5°到正15°。

如图1和图4以及图5所示，机体1的尾部设置有带有入流口3和射流口4的尾梁壳体2，尾梁壳体2内置有反扭系统5。

如图6和图7以及图8所示，反扭系统5包括左右对置的叶片端板51、铰接在叶片端板51之间的叶片52、通过法兰盘设置在叶片52端板51之间圆心位置的尾传动轴53、设置在叶片52端板51外侧壁处的变距盘式电机54、设置在变距盘式电机54的工作端处的变距拉盘55、设置在变距拉盘55上的变距滑块56、与变距滑块56滑动连接且铰接点设置在叶片52端板51上的L型变距摇臂57、和L型变距摇臂57铰接的摇动连接杆58和摇动连接杆58铰接的叶片变距臂59以及驱动尾传动轴53转动的换向齿轮组510(图中未示出)；换向齿轮组510驱动尾传动轴53转动，尾传动轴53驱动反扭系统5中叶片端板51转动；变距盘式电机54驱动变距拉盘55转动，变距拉盘55带动L型变距摇臂57沿着变距滑块56滑动，L型变距摇臂57带动摇动连接杆58转动，摇动连接杆58带动叶片变距臂59转动，最后叶片变距臂59带动叶片52转动，实现了叶片52的变距调节，因此综上所述，叶片在绕着尾梁壳体2转动时，其自身在不断的变距调节。

由于直升机飞行时主旋翼系统6的每片桨叶67的桨距角都在变化，从而造成反扭系统5需要不断的改变反扭力，变距盘式电机54带动变距拉盘55，变距拉盘55带动L型变距摇臂57沿着变距滑块56滑动，L型变距摇臂57带动摇动连接杆58转动，摇动连接杆58带动叶片变距臂59转动，最后叶片变距臂59带动叶片52转动，进而同时改变片叶片52的安装角，达到调节射流口4气流流量的作用，动态改变反扭力，使得直升机的反扭力矩得到平衡。变距盘式电机54安装于尾传动轴53的尾部，其控制变距拉盘55的旋转角度为，尾梁的上部开有沿尾梁方向的入流口3，为了抵消主旋翼桨叶67顺时针旋转时的扭矩，在尾梁的右侧开有射流口4，使得经由主旋翼桨叶67加速的气流被尾梁内部的横流风扇吸入并从尾梁右侧射流口4加速射出，以平衡主旋翼桨叶67旋转时的扭矩。

如图9和图10以及图11所示，机体1内置有动力传动系统8，动力传动系统8包括无刷电机A81和无刷电机B82，无刷电机A81和无刷电机B82之间设置有用于将无刷电机A81和无刷电机B82动力统一输出的差速换向减速器9。

差速换向减速器9包括齿轮架91，设置在无刷电机8工作端的直齿齿轮92、通过转轴和齿轮架91转动连接的阶梯直齿齿轮93以及和齿轮架91转动连接的一级输出轴94；阶梯直齿齿轮93的转轴上设置有位于阶梯直齿齿轮93和阶梯直齿齿轮93之间的过渡齿轮10，阶梯直齿齿轮93与对应的无刷电机A81工作端的直齿齿轮92和无刷电机B82工作端的直齿齿轮92转动连接；过渡齿轮10和一级输出轴94上的齿轮啮合。

一级输出轴94通过锥齿轮和三级行星齿轮减速器驱动旋翼主轴连接法兰61转动；一级输出轴94通过同步带轮传动将动力传输给尾传动轴53。

动力传动路径一为无刷电机8-差速换向减速器9-锥齿轮-三级行星齿轮组-主旋翼系统6；三级行星齿轮组其构成主要由齿圈、行星齿轮架、行星齿轮，旋翼主轴连接法兰61与第三级行星齿轮架焊接在一起，通过将旋翼主轴连接法兰61与主旋翼系统的桨毂下盖62相连接，实现对主旋翼系统6的旋转驱动。

动力传动路径二为无刷电机8-差速换向减速器9-同步带传动-反扭系统5。实际上差速换向减速器9的一级输出轴94，直接将动力传递给同步带传动，实现两个平行轴，即一级输出轴94通过换向齿轮组510驱动尾传动轴53转动，尾传动轴53驱动反扭系统5中叶片端板51转动，叶片52在叶片端板51带动下绕着尾传动轴53中心线转动，并在转动过程中变距调节。

本发明中无刷电机A81的旋转方向与一级输出轴94的旋转方向相同，无刷电机B82的旋转方向与一级输出轴94的旋转方向相反，主旋翼系统桨叶67的旋转方向从上往下看是顺时针方向，反扭系统中可变距叶片52的旋转方向从机体后部往机体前部看为逆时针方向。

Claims (9)

1.一种电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，包括机体（1）；其特征在于机体（1）的尾部设置有带有入流口（3）和射流口（4）的尾梁壳体（2），尾梁壳体（2）内沿尾梁壳体（2）的长度方向设置有反扭系统（5），反扭系统（5）包括左右对置的叶片（52）端板（51）、铰接在叶片（52）端板（51）之间的叶片（52）、通过法兰盘设置在叶片（52）端板（51）之间圆心位置的尾传动轴（53）、设置在叶片（52）端板（51）外侧壁处的变距盘式电机（54）、设置在变距盘式电机（54）的工作端处的变距拉盘（55），设置在变距拉盘（55）上的变距滑块（56），与变距滑块（56）滑动连接且铰接点设置在叶片（52）端板（51）上的 L 型变距摇臂（57）、和 L 型变距摇臂（57）铰接的摇动连接杆（58）、和摇动连接杆（58）铰接的叶片变距臂（59）以及驱动尾传动轴 53 转动的换向齿轮组 510；变距盘式电机（54）驱动变距拉盘（55）转动，变距拉盘（55）带动 L 型变距摇臂（57）沿着变距滑块（56）滑动，L 型变距摇臂（57）带动摇动连接杆（58）转动，摇动连接杆（58）带动叶片变距臂（59）转动，最后叶片（52）变距臂带动叶片（52）转动，实现了叶片（52）的变距调节；

机体（1）顶部设置有主旋翼系统（6），主旋翼系统（6）包括自下而上依次设置的旋翼主轴连接法兰（61）、桨毂下盖（62）、限位块（63）以及桨毂上盖（64）；主旋翼系统（6）还包括设置在限位块（63）内的桨毂滑套（65）和与桨毂滑套（65）的桨毂组合轴承（66）、通过桨毂组合轴承（66）实现与桨毂滑套（65）固定连接的桨叶（67），设置在桨毂滑套（65）外周侧壁上的带编码器的伺服无刷电机（68）以及位于桨叶（67）靠近桨毂滑套（65）的根部且与桨叶（67）固定连接的减速齿盘（69）；带编码器的伺服无刷电机（68）通过齿轮和减速齿盘（69）转动连接。

2.根据权利要求 1 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于变距盘式电机（54）驱动变距拉盘（55）转动的角度为正负 15 度。

3.根据权利要求 1 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于入流口（3）沿尾梁壳体（2）的方向设置在尾梁壳体（2）的顶部处。

4.根据权利要求 1 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于主旋翼系统（6）上设置有为带编码器的伺服无刷电机（68）提供电驱动控制信号和能源的运动检测与导电模块。

5.根据权利要求1所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于每个桨叶（67）上的伺服无刷电机（68）电驱动信号均为独立控制，运动检测与导电模块可分别控制对应的桨叶（67）的桨距角，桨距角的调节范围为负 5°到正 15°。

6.根据权利要求5所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于运动检测与导电模块包括导电滑环和旋转编码器，运动检测与导电模块通过电滑环和旋转编码器实时采集桨叶（67）在不同时刻绕旋翼主轴旋转的相位角。

7.根据权利要求 1 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于机体（1）内置有动力传动系统（8），动力传动系统（8）包括无刷电机 A（81）和无刷电机B（82），无刷电机 A（81）和无刷电机 B（82）之间设置有用于将无刷电机 A（81）和无刷电机 B（82）动力统一输出的差速换向减速器（9）。

8.根据权利要求 7 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于差速换向减速器（9）包括齿轮架（91），设置在动力传动系统（8）工作端的直齿齿轮（92）、通过转轴和齿轮架（91）转动连接的阶梯直齿齿轮（93）以及和齿轮架（91）转动连接的一级输出轴（94）；阶梯直齿齿轮（93）的转轴上设置有位于阶梯直齿齿轮（93）和阶梯直齿齿轮（93）之间的过渡齿轮（10），阶梯直齿齿轮（93）与对应的无刷电机 A（81）工作端的直齿齿轮（92）和无刷电机 B（82）工作端的直齿齿轮（92）转动连接；过渡齿轮（10）和一级输出轴（94）上的齿轮啮合。

9.根据权利要求 8 所述的电控变距单旋翼无尾桨电动无人直升机，其特征在于一级输出轴（94）通过锥齿轮和三级行星齿轮减速器驱动旋翼主轴连接法兰（61）转动；一级输出轴（94）通过同步带轮传动将动力传输给反扭系统中的换向齿轮组（510），换向齿轮组（510）驱动尾传动轴（53）转动。

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