CN110816814A - 一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵‑传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统；传动系统包括传动齿轮组、电机、四根同心轴，能够实现对直升机的升降操控；周期变距操纵系统包括两自由度单一倾斜器、纵向舵机、横向舵机，能够实现对直升机滚转和俯仰的操控；航向操纵系统包括下旋翼航向操纵滑环、航向舵机，能够实现对直升机航向的操控。本发明采用了单一自动倾斜器、旋翼转速可控、航向操纵滑环相互配合的模式，在完成对直升机俯仰、滚转、升降、航向操控的情况下，减少了零部件数量、尺寸及重量，降低了机构的复杂性，减少了操纵系统总体尺寸，从而获得更大的载荷能力和更长的续航时间。

Description

一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统

技术领域

本发明涉及航空器设计技术领域，更具体的说，涉及一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统。

背景技术

共轴式直升机采用共轴反转的上下两副旋翼提供升力，通过改变上下两副旋翼平衡的反扭矩实现航向操纵，不需尾桨。具有体积小、结构紧凑、悬停效率高的优点。俄罗斯卡莫夫设计局研制并生产了一系列有人驾驶共轴式直升机，在国民经济和军事领域广泛应用。在国内，北航于上世纪80年代自主研发了共轴式无人直升机，成功实现了自主导航飞行，并开始在不同领域应用。随着无人机的能源动力大量采用了锂电池电机驱动，北航直升机研究所也研制成功了50公斤级电动共轴式无人直升机。

根据旋翼空气动力学的动量理论，旋翼的气动效率除了与翼型，桨叶几何特征有关外，主要取决于桨盘载荷，即拉力除以桨盘面积。桨盘载荷越小，功率载荷越高，即单位功率产生的拉力越大。在给定功率和总重下，其续航时间也越长。

对于多旋翼无人机来讲，降低桨盘载荷会受到结构限制，旋翼直径加大，其桨毂、旋翼桨叶、旋翼支臂、机身连接杆等结构尺寸及重量也随之增加，每个电机的功率和重量也会增加。因此，降低桨盘载荷，对于多旋翼无人机来说，其气动效率增加的同时，会使结构尺寸及重量迅速增加，其气动效率提高所带来的拉力增加，很可能会被结构重量的增加所抵消，不一定会增加有效载荷及续航时间，反而会使尺寸增加，携带不便。对于单旋翼带尾桨直升机，旋翼直径增加会使尾桨后移、尾梁加长，也会增加尾梁的尺寸及重量。

与上述两种直升机不同，对于共轴式直升机，由于没有尾桨，其桨叶直径不受机身限制，在传动系统的强度允许范围内，增加桨叶直径只需考虑桨毂的强度和重量。因此，通过降低桨盘载荷可提高功率载荷，而付出的结构重量代价远小于单旋翼带尾桨直升机及多旋翼无人机，从而可显著增加有效载荷及续航时间。另外，对于电动共轴式无人机，电机带动旋翼是通过减速器实现的，一般只需一到两个电机驱动旋翼，在同样的总需用功率下，一到两个电机的质量要比多个电机的重量轻，因此，相对于多旋翼无人机，在给定功率下，共轴式无人机的电机数量及质量要小于多旋翼无人机。

尽管共轴直升机在气动特性方面具有一定优势，但传统共轴式无人直升机的操纵系统结构复杂、零件较多，一般需要上下旋翼两个倾斜器及四到六个舵机进行控制，对于半差动共轴无人直升机需要纵向、横向、总距、航向四个舵机操纵；对于桨距分控共轴无人机则每副旋翼各自需要3个舵机共6个舵机进行控制，同时要消耗电能。倾斜器的重量包括了球铰、外环、内环、轴承等部件，每个舵机都有相应的支撑及操纵机构，所有这些重量都是传统共轴无人直升机操纵系统中的重要组成部分，占有较大比重。

上述问题与现代电动无人直升机机在结构重量以及尺寸的要求上存在矛盾，造成了电动共轴无人直升机的结构重量相对较大，抵消了其在气动方面的优势。传统布局的共轴无人机不能满足现代无人直升机小型、轻质、便携的要求；在载荷、续航能力方面还不能大幅超越多旋翼无人机。因此，改进操纵系统，降低共轴无人机操纵系统的结构重量及复杂度是提高电动共轴无人直升机飞行性能的关键技术。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，以减小操纵系统部件的尺寸及重量，提高小型电动共轴直升机的航时，增加小型共轴直升机的便携性，以替代传统共轴直升机的操纵系统结构，其具体技术方案如下：

一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，所述周期变距操纵系统和所述航向操纵系统依附于所述传动系统作为支撑；

所述传动系统包括传动齿轮组、电机以及四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴、中间轴、内轴和芯轴；所述外轴和所述内轴为旋转轴，所述中间轴和所述芯轴为不旋转轴；所述外轴用于连接和驱动下旋翼；所述中间轴用于固定所述周期变距操纵系统；所述内轴用于连接和驱动上旋翼；所述芯轴用于支撑全机顶部的设备；所述传动齿轮组与所述外轴、所述内轴相固连，并由所述电机驱动，以使所述下旋翼、所述上旋翼沿相反方向旋转；通过电调改变所述电机转速，能够改变上下旋翼转速，完成对直升机的升降操控；

所述周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机以及一横向舵机；所述两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的所述中间轴上，包括固定于所述中间轴上的球铰构型倾斜器不动环以及位于所述倾斜器不动环上方并与其转动连接的倾斜器上动环、倾斜器下动环，所述倾斜器上动环连接所述上旋翼，所述倾斜器下动环连接所述下旋翼，以进行周期桨距操控；所述倾斜器不动环和两个相位相差90°的不动环上拉杆的一端连接，两个所述不动环上拉杆的另一端分别连接位于所述中间轴和所述外轴中间的两个滑块，所述纵向舵机和所述横向舵机的舵机摇臂各连接有一下连杆，所述滑块远离所述不动环上拉杆的一端与所述下连杆相连，所述滑块沿设于所述中间轴上的滑槽滑动；所述两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控；

所述航向操纵系统包括由航向操纵不动环、航向操纵不动环叉型杠杆、航向操纵动环、航向操纵动环叉型杠杆组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机；航向舵机摇臂通过航向连杆连接所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第一连接点，所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第二连接点连接一活动支点，所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第三连接点连接所述航向操纵不动环，所述活动支点能够使仅有直线自由度的所述航向操纵不动环上下运动；所述航向操纵不动环与所述航向操纵动环之间设置有轴承，该轴承的内圈为随所述外轴旋转的所述航向操纵动环，该轴承的外圈为不随所述外轴旋转的所述航向操纵不动环；所述航向操纵动环连接所述航向操纵动环叉型杠杆上的第一连接点，所述航向操纵动环叉型杠杆上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆，所述航向操纵动环叉型杠杆上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂，所述倾斜器航向拉杆远离所述航向操纵动环叉型杠杆的一端连接所述倾斜器下动环，所述下旋翼变距摇臂远离所述航向操纵动环叉型杠杆的一端连接所述下旋翼；

所述航向操纵系统的控制过程为：通过所述航向舵机对所述航向操纵不动环的操控，完成整个所述下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由所述航向操纵动环带动所述航向操纵动环叉型杠杆，完成对所述下旋翼的桨距操纵，使之与所述上旋翼桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。

与现有技术相比，本发明的优点为：将传统共轴无人机操纵系统中的上下两个自动倾斜器，改成一个倾斜器，并将传统共轴式无人机的至少4个舵机操纵改成3个舵机控制，其中的拉力和升降采用电机变转速控制，从而显著减少了操纵系统中舵机、部件的数量、尺寸及重量。

本发明采用了单一自动倾斜器、旋翼转速可控、航向操纵滑环相互配合的模式，在完成对直升机俯仰、滚转、升降、航向操控的情况下，减少了零部件数量、尺寸及重量，降低了机构的复杂性，减少了操纵系统总体尺寸，从而获得了更大的载荷能力和更长的续航时间。

在上述技术方案的基础上，本发明还可做出如下改进：

优选的，所述传动齿轮组包括减速齿轮和换向齿轮，所述换向齿轮包括上锥齿轮、侧锥齿轮、下锥齿轮，所述侧锥齿轮的上下两端分别与所述上锥齿轮、所述下锥齿轮相啮合，以使所述上锥齿轮、所述下锥齿轮沿相反方向旋转；所述上锥齿轮与所述外轴固连，所述下锥齿轮与所述内轴固连，以使所述下旋翼、所述上旋翼沿相反方向旋转；所述减速齿轮位于电机齿轮与所述下锥齿轮之间，用于减小所述电机传递过来的转速，并把扭矩传递给所述下锥齿轮。

本发明通过对轻量化减速齿轮及换向齿轮的结构进一步简化，显著减轻了机构结构重量，减少了零部件数量、尺寸及重量，从而获得更大的载荷能力、更长的续航时间和更好的可靠性。

优选的，所述上锥齿轮和所述下锥齿轮在安装时，要求上下旋翼在方位角为90°、270°的位置上下不重合。

本发明锥齿轮传动(换向)部分，可以保证上下旋翼不同时出现在距离最近的相位角处，这就允许了上下旋翼距离进一步缩小，减小了整机尺寸，降低了轴系重量。

优选的，所述电机齿轮为小直齿轮，所述减速齿轮为大直齿轮，所述小直齿轮带动所述大直齿轮转动，形成一级减速。

优选的，所述倾斜器上动环通过上四杆机构连接所述上旋翼；所述上四杆机构包括与所述倾斜器上动环连接的上动环摇臂、与所述上动环摇臂连接的上旋翼变距拉杆、与所述上旋翼变距拉杆连接的上旋翼变距摇臂，所述上旋翼变距摇臂与所述上旋翼相连接。

优选的，所述倾斜器下动环通过下四杆机构连接所述下旋翼；所述下四杆机构包括与所述倾斜器下动环连接的下动环摇臂、与所述下动环摇臂连接的所述倾斜器航向拉杆、所述下旋翼变距摇臂。

优选的，所述活动支点由转动杆和固定杆组成，所述固定杆固定于所述外轴外圈的一支撑板上，所述转动杆固定于所述固定杆顶端，用以连接所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第二连接点。

优选的，所述外轴与所述中间轴、所述中间轴与所述内轴、所述内轴与所述芯轴的轴端之间均由设置的相应轴承进行隔离。

优选的，所述外轴与所述中间轴之间的轴承为第一轴承和第二轴承，所述中间轴与所述内轴之间的轴承为第三轴承和第四轴承，所述内轴与所述芯轴之间的轴承为第五轴承和第六轴承，所述第一轴承、所述第二轴承、所述第三轴承、所述第四轴承、所述第五轴承以及所述第六轴承的轴承座能够实现对所述四根同心轴的径向和轴向精确定位，保证轴间不会相互碰撞和窜动。

优选的，所述芯轴用于支撑全机顶部的GPS和/或相关探测设备，所述芯轴内部中空，用以排布线缆，所述GPS和/或相关探测设备的线缆从所述芯轴内孔穿过，连接到直升机机体下部的飞控计算机及转发器上。

本发明采用GPS顶置的方案，充分利用了共轴直升机空心芯轴的内部空间，在不增加机身尺寸、不过多增加零件、满足飞控普适性的前提下，解决了共轴直升机GPS及其他对上探测信号(包括图像)受旋翼遮挡问题。

本发明在放置GPS的平台上，即芯轴的顶部还增设有光电或其他相关探测设备，上方设备与下方设备同时工作，使此共轴无人机具备了360°视角，以扩展共轴无人机的使用，大大增强了此共轴无人机的优势，使其在民用、军用的各个方面均有很大的发展空间。

本发明一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统可显著减轻机构结构重量，减少零件数目，降低机构复杂程度，减小机构尺寸，提高小型电动共轴直升机的续航时间及可靠性、便携性。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统的整体结构图。

图2附图为本发明提供的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统中周期变距操纵系统和航向操纵系统连接部分的结构示意图。

图3附图为本发明中传动系统的剖面图(不带旋翼)。

图4附图为本发明中传动系统的轴侧图(带旋翼)。

其中，图中，

1-外轴，2-中间轴，3-内轴，4-芯轴，5-下旋翼，6-上旋翼，7-上锥齿轮，8-侧锥齿轮，9-下锥齿轮，10-减速齿轮，11-电机，12-GPS，13-第一轴承，14-第二轴承，15-第三轴承，16-第四轴承，17-第五轴承，18-第六轴承，19-纵向舵机，20-横向舵机，21-倾斜器不动环，22-倾斜器上动环，23-倾斜器下动环，24-上动环摇臂，25-上旋翼变距拉杆，26-上旋翼变距摇臂，27-下动环摇臂，28-倾斜器航向拉杆，29-下旋翼变距摇臂，30-不动环上拉杆，31-滑块，32-下连杆，33-舵机摇臂，34-航向操纵不动环，35-航向操纵不动环叉型杠杆，36-航向操纵动环，37-航向操纵动环叉型杠杆，38-航向舵机，39-航向舵机摇臂，40-航向连杆，41-固定杆，42-转动杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

下面根据图1-4详细描述本发明实施例的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，其中，周期变距操纵系统和航向操纵系统依附于传动系统作为支撑。

如图3-4所示，传动系统包括传动齿轮组、电机11以及四根同心轴，四根同心轴上还设有相关的支撑部件。四根同心轴从外向里依次为外轴1、中间轴2、内轴3和芯轴4，外轴1与中间轴2、中间轴2与内轴3、内轴3与芯轴4的轴端之间均由设置的相应轴承进行隔离。具体的，外轴1与中间轴2之间的轴承为第一轴承13和第二轴承14，中间轴2与内轴3之间的轴承为第三轴承15和第四轴承16，内轴3与芯轴4之间的轴承为第五轴承17和第六轴承18，第一轴承13至第六轴承18可将各轴轴端相互隔开，且各轴通过轴承对应的轴承座能够完全实现对四根同心轴的径向和轴向精确定位，保证轴间不会相互碰撞和窜动。

外轴1和内轴3为旋转轴，中间轴2和芯轴4为不旋转轴。外轴1用于连接和驱动下旋翼5；内轴3用于连接和驱动上旋翼6。

中间轴2用于固定周期变距操纵系统，具体的，中间轴2用于固定球铰构型倾斜器不动环21，使该倾斜器不动环21不可上下移动。此外，中间轴2与外轴1之间还留有一定距离，用于放置周期变距操纵系统中的滑块31。

芯轴4用于支撑全机顶部的设备，具体的，芯轴4用于支撑全机顶部的GPS12和/或相关探测设备，此结构设计解决了共轴直升机GPS12及其他对上探测信号(包括图像)受旋翼遮挡问题。

芯轴4内部中空，用以排布电缆或其他线缆，GPS12和/或相关探测设备的线缆从芯轴4内孔穿过，连接到直升机机体下部的飞控计算机及转发器上，以此设计来保证飞机自主起降和自主导航飞行。

在放置GPS12的平台上进一步的增设光电或其他相关探测设备，上方设备与下方设备同时工作，使此共轴无人机具备了360°视角，扩展了共轴无人机的使用。

传动齿轮组与外轴1、内轴3相固连，并由电机11驱动，以使下旋翼5、上旋翼6沿相反方向旋转。通过电调改变电机11转速，能够改变上下旋翼转速，实现对直升机的升降、拉力操控。

具体的，传动齿轮包括减速齿轮10和换向齿轮，换向齿轮包括上锥齿轮7、侧锥齿轮8、下锥齿轮9，侧锥齿轮8的上下两端分别与上锥齿轮7、下锥齿轮9相啮合，以使上锥齿轮7、下锥齿轮9沿相反方向旋转，上锥齿轮7与外轴1固连，下锥齿轮9与内轴3固连。

减速齿轮10位于电机11齿轮与下锥齿轮9之间，用于减小电机11传递过来的转速，并把扭矩传递给下锥齿轮9。

具体的，与电机输出轴相连接的电机齿轮为小直齿轮，减速齿轮10为大直齿轮，小直齿轮按照一定的传动比要求带动大直齿轮转动，形成一级减速，大直齿轮与下锥齿轮9啮合，下锥齿轮9与内轴3固连以驱动上旋翼6，下锥齿轮9带动侧锥齿轮8最终带动与上锥齿轮7固连的外轴1，以驱动上旋翼6，最终达到上下旋翼换向的目的。

为了进一步优化上述实施例的技术方案，上锥齿轮7和下锥齿轮9在安装时，要求上下旋翼在方位角为90°、270°的位置上下不重合，以保证上下旋翼不同时出现在距离最近的相位角处，避免上下旋翼干涉打桨，这就允许了上下旋翼距离进一步缩小，减小了整机尺寸，降低了轴系重量。

本发明通过控制电机11转速来控制旋翼转速，实现直升机的升降控制，替代传统的总距操纵，从而发挥了电动直升机的优势。

如图1-2所示，周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机19以及一横向舵机20。两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的中间轴2上，包括固定于中间轴2上的球铰构型倾斜器不动环21以及位于倾斜器不动环21上方并与其转动连接的倾斜器上动环22、倾斜器下动环23，倾斜器上动环22连接上旋翼6，倾斜器下动环23连接下旋翼5，以进行周期桨距操控。

具体的，倾斜器上动环22通过上四杆机构连接上旋翼6，该上四杆机构包括与倾斜器上动环22连接的上动环摇臂24、与上动环摇臂24连接的上旋翼变距拉杆25、与上旋翼变距拉杆25连接的上旋翼变距摇臂26，上旋翼变距摇臂26与上旋翼6相连接。

倾斜器不动环21和两个相位相差90°的不动环上拉杆30的一端连接，两个不动环上拉杆30的另一端分别连接位于中间轴2和外轴1中间的两个滑块31，纵向舵机19和横向舵机20的舵机摇臂33各连接有一下连杆32，滑块31远离不动环上拉杆30的一端与下连杆32相连，滑块31沿设于中间轴2上的滑槽滑动，通过滑块31实现对倾斜器不动环21的操纵。两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控。

本发明改变了传统共轴直升机的控制方式，只需一个倾斜器便可以控制直升机上下旋翼的周期变距，大大减少了操纵系统的零件数量及重量，提高了直升机的载荷续航能力及可靠性。

如图1-2所示，航向操纵系统包括由航向操纵不动环34、航向操纵不动环叉型杠杆35、航向操纵动环36、航向操纵动环叉型杠杆37组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机38。航向舵机摇臂39通过航向连杆40连接航向操纵不动环叉型杠杆35上的第一连接点，航向操纵不动环叉型杠杆35上的第二连接点连接一活动支点，航向操纵不动环叉型杠杆35上的第三连接点连接航向操纵不动环34。

活动支点由转动杆42和固定杆41组成，固定杆41固定于外轴1外圈的一支撑板上，转动杆42固定于固定杆41顶端，用以连接航向操纵不动环叉型杠杆35上的第二连接点。该活动支点能够使仅有直线自由度的航向操纵不动环34上下运动。

航向操纵不动环34与航向操纵动环36之间设置有轴承，该轴承的内圈为随外轴1旋转的航向操纵动环36，该轴承的外圈为不随外轴1旋转的航向操纵不动环34。

航向操纵动环36连接航向操纵动环叉型杠杆37上的第一连接点，航向操纵动环叉型杠杆37上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆28，航向操纵动环叉型杠杆37上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂29。

倾斜器航向拉杆28远离航向操纵动环叉型杠杆37的一端连接倾斜器下动环23，下旋翼变距摇臂29远离航向操纵动环叉型杠杆37的一端连接下旋翼5。

倾斜器下动环23通过下四杆机构连接下旋翼5，该下四杆机构包括与倾斜器下动环23连接的下动环摇臂27、与下动环摇臂27连接的上述倾斜器航向拉杆28以及上述下旋翼变距摇臂29。

航向操纵系统的控制过程为：通过航向舵机38对航向操纵不动环34的操控，完成整个下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由航向操纵动环36带动航向操纵动环叉型杠杆37，完成对下旋翼5的桨距操纵，使之与上旋翼6桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。

换句话说，本发明通过下旋翼航向操纵滑环改变下旋翼5桨距，从而使上下旋翼桨距产生差值实现航向的稳定操纵。航向操纵滑环为航向操纵不动环34、航向操纵不动环叉型杠杆35、航向操纵动环36以及航向操纵动环叉型杠杆37，航向舵机38控制航向操纵不动环叉型杠杆35的角度，从而控制航向操纵不动环34(外环)进行轴向(上下)移动，航向操纵不动环34带动航向操纵动环36(内环)，使得与航向操纵动环36铰接的航向操纵动环叉型杠杆37改变角度，从而控制下旋翼变距摇臂29，使下旋翼5与上旋翼6桨距产生差值，带来上下旋翼反扭矩产生差值，从而控制直升机的航向。

本发明中航向操纵动环叉型杠杆37的设计原理为：三个连接点互为支点，当航向操纵滑环上下运动时，假设倾斜器角度不变，即倾斜器控制的倾斜器航向拉杆28只可进行转动，此时为航向操纵状态；当倾斜器角度变化，航向操纵滑环不运动时，该航向操纵动环叉型杠杆37以第一连接点为支点，此时为俯仰或滚转操纵状态。

航向操纵系统的内环(航向操纵动环36)与下旋翼5之间无需扭力臂，内环(航向操纵动环36)与外轴1之间设置有滑键，可以进行传扭，进一步减小了结构的数量及重量。

本发明采用的技术方案是设置唯一一个位于上下旋翼中间、具有两自由度的倾斜器，通过此倾斜器同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控，这与传统的上下两个自动倾斜器实现对上下旋翼周期变距所实现的功能是完全一样的，但在本方案中只用到一个自动倾斜器就可实现。

本发明还通过控制旋翼转速完成对直升机升降及拉力的操控，代替了传统的总距操纵，省去了总距操纵的机构和重量。

本发明还通过特有的航向操纵滑环完成对直升机航向的操控。

本发明操纵系统仅使用一个自动倾斜器和纵向、横向、航向三个舵机操纵机构及电调，完成了对电动共轴无人直升机的纵向、横向、航向、升降的控制，从而最大限度的减小了电动共轴无人直升机操纵系统的重量。而且，本发明操纵系统只需一个自动倾斜器，该倾斜器位于上下旋翼之间，相对传统布局，缩短了下旋翼5距机身距离，减小了这部分重量。本发明操纵系统去掉了传统布局的总距操纵，自动倾斜器不需上下移动，从而减小了该部分的拉杆机构及垂向距离，最大限度的减小了整机的尺寸及重量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，其特征在于，所述周期变距操纵系统和所述航向操纵系统依附于所述传动系统作为支撑；

所述传动系统包括传动齿轮组、电机(11)以及四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴(1)、中间轴(2)、内轴(3)和芯轴(4)；所述外轴(1)和所述内轴(3)为旋转轴，所述中间轴(2)和所述芯轴(4)为不旋转轴；所述外轴(1)用于连接和驱动下旋翼(5)；所述中间轴(2)用于固定所述周期变距操纵系统；所述内轴(3)用于连接和驱动上旋翼(6)；所述芯轴(4)用于支撑全机顶部的设备；所述传动齿轮组与所述外轴(1)、所述内轴(3)相固连，并由所述电机(11)驱动，以使所述下旋翼(5)、所述上旋翼(6)沿相反方向旋转；通过电调改变所述电机(11)转速，能够改变上下旋翼转速，完成对直升机的升降操控；

所述周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机(19)以及一横向舵机(20)；所述两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的所述中间轴(2)上，包括固定于所述中间轴(2)上的球铰构型倾斜器不动环(21)以及位于所述倾斜器不动环(21)上方并与其转动连接的倾斜器上动环(22)、倾斜器下动环(23)，所述倾斜器上动环(22)连接所述上旋翼(6)，所述倾斜器下动环(23)连接所述下旋翼(5)，以进行周期桨距操控；所述倾斜器不动环(21)和两个相位相差90°的不动环上拉杆(30)的一端连接，两个所述不动环上拉杆(30)的另一端分别连接位于所述中间轴(2)和所述外轴(1)中间的两个滑块(31)，所述纵向舵机(19)和所述横向舵机(20)的舵机摇臂(33)各连接有一下连杆(32)，所述滑块(31)远离所述不动环上拉杆(30)的一端与所述下连杆(32)相连，所述滑块(31)沿设于所述中间轴(2)上的滑槽滑动；所述两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控；

所述航向操纵系统包括由航向操纵不动环(34)、航向操纵不动环叉型杠杆(35)、航向操纵动环(36)、航向操纵动环叉型杠杆(37)组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机(38)；航向舵机摇臂(39)通过航向连杆(40)连接所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第一连接点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第二连接点连接一活动支点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第三连接点连接所述航向操纵不动环(34)，所述活动支点能够使仅有直线自由度的所述航向操纵不动环(34)上下运动；所述航向操纵不动环(34)与所述航向操纵动环(36)之间设置有轴承，该轴承的内圈为随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵动环(36)，该轴承的外圈为不随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵不动环(34)；所述航向操纵动环(36)连接所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第一连接点，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆(28)，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂(29)，所述倾斜器航向拉杆(28)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述倾斜器下动环(23)，所述下旋翼变距摇臂(29)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述下旋翼(5)；

所述航向操纵系统的控制过程为：通过所述航向舵机(38)对所述航向操纵不动环(34)的操控，完成整个所述下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由所述航向操纵动环(36)带动所述航向操纵动环叉型杠杆(37)，完成对所述下旋翼(5)的桨距操纵，使之与所述上旋翼(6)桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。

2.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述传动齿轮组包括减速齿轮(10)和换向齿轮，所述换向齿轮包括上锥齿轮(7)、侧锥齿轮(8)、下锥齿轮(9)，所述侧锥齿轮(8)的上下两端分别与所述上锥齿轮(7)、所述下锥齿轮(9)相啮合，以使所述上锥齿轮(7)、所述下锥齿轮(9)沿相反方向旋转；所述上锥齿轮(7)与所述外轴(1)固连，所述下锥齿轮(9)与所述内轴(3)固连，以使所述下旋翼(5)、所述上旋翼(6)沿相反方向旋转；所述减速齿轮(10)位于电机齿轮与所述下锥齿轮(9)之间，用于减小所述电机(11)传递过来的转速，并把扭矩传递给所述下锥齿轮(9)。

3.根据权利要求2所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述上锥齿轮(7)和所述下锥齿轮(9)在安装时，要求上下旋翼在方位角为90°、270°的位置上下不重合。

4.根据权利要求2所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述电机齿轮为小直齿轮，所述减速齿轮(10)为大直齿轮，所述小直齿轮带动所述大直齿轮转动，形成一级减速。

5.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述倾斜器上动环(22)通过上四杆机构连接所述上旋翼(6)；所述上四杆机构包括与所述倾斜器上动环(22)连接的上动环摇臂(24)、与所述上动环摇臂(24)连接的上旋翼变距拉杆(25)、与所述上旋翼变距拉杆(25)连接的上旋翼变距摇臂(26)，所述上旋翼变距摇臂(26)与所述上旋翼(6)相连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述倾斜器下动环(23)通过下四杆机构连接所述下旋翼(5)；所述下四杆机构包括与所述倾斜器下动环(23)连接的下动环摇臂(27)、与所述下动环摇臂(27)连接的所述倾斜器航向拉杆(28)、所述下旋翼变距摇臂(29)。

7.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述活动支点由转动杆(42)和固定杆(41)组成，所述固定杆(41)固定于所述外轴(1)外圈的一支撑板上，所述转动杆(42)固定于所述固定杆(41)顶端，用以连接所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第二连接点。

8.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述外轴(1)与所述中间轴(2)、所述中间轴(2)与所述内轴(3)、所述内轴(3)与所述芯轴(4)的轴端之间均由设置的相应轴承进行隔离。

9.根据权利要求1所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述外轴(1)与所述中间轴(2)之间的轴承为第一轴承(13)和第二轴承(14)，所述中间轴(2)与所述内轴(3)之间的轴承为第三轴承(15)和第四轴承(16)，所述内轴(3)与所述芯轴(4)之间的轴承为第五轴承(17)和第六轴承(18)，所述第一轴承(13)、所述第二轴承(14)、所述第三轴承(15)、所述第四轴承(16)、所述第五轴承(17)以及所述第六轴承(18)的轴承座能够实现对所述四根同心轴的径向和轴向精确定位。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，其特征在于，所述芯轴(4)用于支撑全机顶部的GPS(12)和/或相关探测设备，所述芯轴(4)内部中空，用以排布线缆，所述GPS(12)和/或相关探测设备的线缆从所述芯轴(4)内孔穿过，连接到直升机机体下部的飞控计算机及转发器上。

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