CN110834726A - 一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型共轴式直升机的传动‑机身系统，包括机身以及与所述机身相连的传动系统，所述传动系统包括传动齿轮和四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴、中间轴、内轴和芯轴；所述传动齿轮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；所述上锥齿轮与所述外轴固连，所述下锥齿轮与所述内轴固连；所述减速齿轮位于电机齿轮与所述下锥齿轮之间；所述机身包括上部分的传动部件容纳空间和下部分的其他部件容纳空间。该基于小型共轴式直升机的传动‑机身系统可显著减轻机构结构重量，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。

Description

一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统

技术领域

本发明涉及航空器设计技术领域，更具体的说，涉及一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统。

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。

对于电动共轴无人直升机来讲，空载重量是重要参数之一。它决定了电动共轴无人直升机的航时、载荷等各项性能指标。所以降低结构重量是电动共轴无人直升机的重要设计任务。

近年来随着消费者对于航拍、测绘等任务的需求逐渐增加，现代小型电动无人直升机迅速兴起。这种飞行器需要满足便携性、长航时等任务需求。共轴直升机作为一种气动效率高、机身尺寸小的飞行器，它可以很好的满足这些需求，为消费者服务。但是传统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，不能满足现代无人直升机小型、轻质、便携的要求。

共轴无人直升机的重量主要包括以下几部分：传动系统、机身、旋翼系统、操纵系统、动力系统等，其中传动系统和机身的重量在总重量中占比很大。因此，改进传动-机身系统，降低共轴无人机传动-机身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。

对于共轴无人直升机来讲，旋翼对GPS的遮挡问题也是近年来需要解决的较为重要的技术难题。最为简单的办法就是把GPS设备布置在旋翼半径之外，但是这样的解决办法会增加机身尺寸，使飞机的便携性大打折扣。有些学者通过改变GPS的信号接收与发射的频率，避开旋翼转速频率，来解决这个问题。但是这种方法需要对每架飞机的GPS信号频率进行调整，不能拥有普适性，会增加飞控调试难度。因此，如何在不增加机身尺寸，满足飞控普适性的前提下解决这个问题，也是直升机设计师需要重点考虑的问题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，以减小传动系统的尺寸及重量，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，其具体技术方案如下：

一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，包括机身以及与所述机身相连的传动系统，其中，

所述传动系统包括传动齿轮和四根同心轴，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；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直升机操纵系统；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；所述减速齿轮位于电机齿轮与所述下锥齿轮之间，用于减小电机传递过来的转速，并把扭矩传递给所述下锥齿轮；

所述机身包括上部分的传动部件容纳空间和下部分的其他部件容纳空间，所述传动部件容纳空间成盒状结构且该盒状结构分为三层，最上层固定有与所述外轴相配合的第一角接触轴承，中间层固定侧锥齿轮轴承座并作为盒状结构的中间支撑，最下层固定有与所述内轴配合的第二角接触轴承以及所述电机；所述其他部件容纳空间用于放置电池、各种设备以及各种控制元件。

该基于小型共轴式直升机的传动-机身系统可显著减轻机构结构重量，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。

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，所述中间轴用于固定倾斜器球铰且该球铰不可上下移动。

优选的，所述中间轴与所述外轴之间留有一定距离，用于放置、支撑直升机操纵系统的拉杆。

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。

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，所述机身由若干板材组成，通过必要的连接共同组成机身结构。

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，该基于小型共轴式直升机的传动-机身系统中的所有部件均遵循最小尺寸原则，并配合相应新的操纵系统使用，最大程度上的减少了零件数量，降低了整机重量与尺寸。

与现有技术相比，本发明一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统的优点为：

(1)将传统共轴无人机传动-机身系统中的各轴长度缩短。

(2)在各轴间设置有轴端轴承。

(3)对轻量化减速齿轮及换向齿轮的结构进一步简化。

(4)核心受力部件处机身(即传动部件容纳空间)成盒状结构，无需其他支撑部件。

(5)显著减少了零部件数量、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。

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小型共轴式直升机的传动-机身系统的剖面图(不带旋翼)。

图2附图为本发明提供的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统的轴侧图(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-传动部件容纳空间，13-其他部件容纳空间，14-第一角接触轴承，15-侧锥齿轮轴承座，16-第二角接触轴承，17-GPS，18-第一轴承，19-第二轴承，20-第三轴承，21-第四轴承，22-第五轴承，23-第六轴承。

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1-2详细描述本发明实施例的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统。

如图1、2所示，本发明实施例公开了一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，包括机身以及与机身通过角接触轴承相连的传动系统，具体的，

传动系统包括传动齿轮和四根同心轴，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。如图1所示，外轴1与中间轴2之间的轴承为第一轴承18和第二轴承19，中间轴2与内轴3之间的轴承为第三轴承20和第四轴承21，内轴3与芯轴4之间的轴承为第五轴承22和第六轴承23，第一轴承18、第二轴承19、第三轴承20、第四轴承21、第五轴承22以及第六轴承23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用于固定直升机操纵系统，更具体为，用于固定倾斜器球铰且该球铰不可上下移动。中间轴2与外轴1之间还留有一定距离，用于放置支撑直升机操纵系统的拉杆。

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GPS 17和/或相关探测设备，此结构设计解决了共轴直升机GPS 17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，GPS 17和/或相关探测设备的线缆从芯轴4内孔穿过，连接到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GPS 17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11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，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，达到上下旋翼换向的目的。

机身由若干碳板组成，通过必要的连接共同组成机身结构。机身包括上部分的传动部件容纳空间12和下部分的其他部件容纳空间13，传动部件容纳空间12(即核心传动部件位置处)成盒状结构，盒状结构可以很好地消除振动，提供抗剪、抗拉、抗弯刚度，无需其他支撑便可满足强度要求。具体的，该盒状结构分为三层，最上层固定有与外轴1相配合的第一角接触轴承14，中间层固定侧锥齿轮轴承座15并作为盒状结构的中间支撑，侧锥齿轮固定于侧锥齿轮轴承座上，最下层固定有与内轴3配合的第二角接触轴承16以及电机11，第一角接触轴承14和第二角接触轴承16用于抵抗上下旋翼所产生的拉力。其他部件容纳空间13用于放置电池、各种设备(如吊舱等设备)以及各种控制元件。

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。

为了进一步优化上述实施例的技术方案，该基于小型共轴式直升机的传动-机身系统中的所有部件均遵循最小尺寸原则，并配合相应新的操纵系统使用，最大程度上的减少了零件数量，降低了整机重量与尺寸。

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 (9)

1.一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，包括机身以及与所述机身相连的传动系统，其特征在于，

所述传动系统包括传动齿轮和四根同心轴，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)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；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)用于固定直升机操纵系统；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；所述减速齿轮(10)位于电机齿轮与所述下锥齿轮(9)之间，用于减小电机(11)传递过来的转速，并把扭矩传递给所述下锥齿轮(9)；

所述机身包括上部分的传动部件容纳空间(12)和下部分的其他部件容纳空间(13)，所述传动部件容纳空间(12)成盒状结构且该盒状结构分为三层，最上层固定有与所述外轴(1)相配合的第一角接触轴承(14)，中间层固定侧锥齿轮轴承座(15)并作为盒状结构的中间支撑，最下层固定有与所述内轴(3)配合的第二角接触轴承(16)以及所述电机(11)；所述其他部件容纳空间(13)用于放置电池、各种设备以及各种控制元件。

2.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，其特征在于，所述中间轴(2)用于固定倾斜器球铰且该球铰不可上下移动。

3.根据权利要求2所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，其特征在于，所述中间轴(2)与所述外轴(1)之间留有一定距离，用于放置、支撑直升机操纵系统的拉杆。

4.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，其特征在于，所述芯轴(4)用于支撑全机顶部的GPS(17)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(17)和/或相关探测设备的线缆从所述芯轴(4)内孔穿过，连接到机体下部的飞控计算机及转发器上。

5.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，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(18)和第二轴承(19)，所述中间轴(2)与所述内轴(3)之间的轴承为第三轴承(20)和第四轴承(21)，所述内轴(3)与所述芯轴(4)之间的轴承为第五轴承(22)和第六轴承(23)，所述第一轴承(18)、所述第二轴承(19)、所述第三轴承(20)、所述第四轴承(21)、所述第五轴承(22)以及所述第六轴承(23)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。

6.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，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。

7.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，其特征在于，所述机身由若干板材组成，通过必要的连接共同组成机身结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，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。

9.根据权利要求1所述的一种基于小型共轴式直升机的传动-机身系统，其特征在于，该基于小型共轴式直升机的传动-机身系统中的所有部件均遵循最小尺寸原则。

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