CN111003170A - 一种自适应展开共轴旋翼系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自适应展开共轴旋翼系统，包括上旋翼系统和下旋翼系统，上旋翼系统包括桨毂、上桨夹、外桨夹，弹性模块、旋翼；下旋翼系统包括桨毂、下桨夹、外桨夹，弹性模块、旋翼。采用了简洁的被动自适应旋翼展开机构，实现飞行器在非工作状态和工作状态之间切换时旋翼的自适应展开和折叠功能。在传统桨夹设计中引入外桨夹结构，并对桨夹间的限位和接触方式进行了设计，减小了机构转动中的摩擦并降低生产加工成本。通过弹性模块轴线与桨夹铰链间的位置关系设置，可以获得多种不同的自适应旋翼展开机构构型，在具体实施过程中可根据需求选用合适的构型。本发明应用于抛投型、发射型或集群任务的折叠式共轴直升机，有效扩展了共轴直升机的应用场景。

Description

一种自适应展开共轴旋翼系统

技术领域

本发明涉及直升机领域，特别涉及一种自适应展开共轴旋翼系统。

背景技术

共轴反桨直升机相比单桨直升机而言，通过双桨的转动偏转力矩相互平衡，可省去尾桨装置，直升机的整体体积得到大幅缩小，非常有利于装配制造和运输储存。对某些特殊应用场景而言，例如需要进一步降低直升机的体积，或者采用特殊的抛投或弹射起飞方式等，则需要采用折叠旋翼、自动展开构型，以降低直升机的占地面积，或避免在抛投或弹射起飞过程中损坏旋翼。

现有技术中的共轴直升机通常采用横向折叠旋翼构型，在实际操作中旋翼在水平方向折叠，其体积降低的比例较小。在现有长轴型折叠旋翼共轴直升机技术中，通常采用旋翼在竖直方向弯折的方案，其体积可在较大程度上得到降低。但现有的竖直方向折叠旋翼方案通常采用的是简单的铰接方式进行实施，在进入工作状态时需要人工提前展开，在非工作状态下其旋翼会随着机身运动绕铰链晃动，在运输、存储过程中上下旋翼容易产生碰撞，在起降过程中上下旋翼也容易发生打桨事故，导致旋翼损坏，造成不必要的经济损失，甚至威胁操作人员生命安全。

因此，如何获得在非工作状态下体积尽可能小，结构安全可靠，并且能够满足特殊起降工作自动展开需求的共轴旋翼机构，成为共轴反桨技术领域的重要问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种自适应展开共轴旋翼系统。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种自适应展开共轴旋翼系统，包括上旋翼系统和下旋翼系统，其中上旋翼系统包括桨毂、上桨夹、外桨夹、旋翼，弹性模块，下旋翼系统包括桨毂、下桨夹、外桨夹、旋翼、弹性模块。其特征在于：所述的上旋翼系统中，桨毂与上桨夹铰接，上桨夹与外桨夹铰接，外桨夹与旋翼铰接；所述的上桨夹与外桨夹上分别设置有折叠止推面，限制旋翼折叠的最大幅度；所述的弹性模块一端与上桨夹连接，另一端与外桨夹连接；所述的弹性模块提供上旋翼系统折叠约束力。所述的下旋翼系统中，桨毂与下桨夹铰接，下桨夹与外桨夹铰接，外桨夹与旋翼铰接；所述的下桨夹与外桨夹上分别设置有折叠止推面，限制旋翼折叠的最大幅度；所述的弹性模块一端与上桨夹连接，另一端与外桨夹连接；所述的弹性模块提供下旋翼系统折叠约束力。

所述的上桨夹长度与下桨夹长度应保证上旋翼系统与下旋翼系统在非工作折叠状态下互不干涉；下旋翼系统在非工作折叠状态下与中心结构互不干涉；所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态下、处于任何空间姿态时，弹性模块所提供的折叠约束力大于上、下旋翼系统在受重力和自然风力影响下始终保持折叠状态所需的约束力，保证上、下旋翼系统稳定的折叠状态；所述的上、下旋翼系统进入工作状态时，所述上旋翼系统首先启动旋转运动，所述的下旋翼系统随后启动旋转运动，所述的上、下旋翼系统在离心力作用下依次自动展开并保持彼此相反方向的旋转转动，上、下旋翼系统在自动展开过程保持互不干涉。

作为本发明的一种优选，所述的弹性模块可以是一种安装于所述的上、下桨夹和相应外桨夹上的弹簧；也可以是一种安装于上、下桨夹和相应外桨夹上的单向或双向弹性铰链。

作为本发明的一种优选，所述的弹性模块采用一种弹簧并安装于所述的上、下桨夹和相应外桨夹的外侧，上桨夹上固定设置有上桨夹伸出轴，外桨夹上固定设置有外桨夹伸出轴，弹性模块两端分别套装在上桨夹伸出轴和外桨夹伸出轴上。下桨夹上固定设置有下桨夹伸出轴，弹性模块两端分别套装在下桨夹伸出轴和外桨夹伸出轴上。所述的上桨夹设置有上桨夹上平面，上桨夹下平面和上桨夹半圆侧面。所述的下桨夹设置有下桨夹上平面，下桨夹下平面和下桨夹半圆侧面。所述的外桨夹上设置有下限位平面和上限位平面，下限位平面边线和上限位平面边线的夹角大于90度加旋翼周期变距所需的挥舞角度。所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态时，外桨夹通过下限位平面与上桨夹下平面、下桨夹下平面接触限位。所述的上、下旋翼系统在任何状态下，外桨夹都可通过上限位平面与上桨夹上平面、下桨夹上平面接触限位。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，旋翼停转后的位置设计，可采取两种方式：

方式1，所述的旋翼处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于上桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线下方，所述的下桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于下桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线下方。所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，下旋翼系统首先旋转减速，上旋翼系统随后旋转减速，下、上旋翼系统在弹性模块拉力作用下依次逐渐自动折叠至最大限幅，下、上旋翼系统在自动折叠过程保持互不干涉。

方式2，所述的旋翼处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于上桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线上方，所述的下桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于下桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线上方。所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，上、下旋翼系统可以同时旋转减速，下、上旋翼系统在弹性模块拉力作用下继续保持展开状态并最终停留在最大限幅位置，下、上旋翼系统在停转过程保持互不干涉。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼系统，可以是全部往下折叠的形式。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼系统整体采用倒置设计，实现上、下旋翼系统全部往上折叠的形式。

作为本发明的一种优选，所述的上、下旋翼系统的间距增加，并将下旋翼系统采用倒置设计，或基于该改动方式进行整体倒置设计，实现上、下旋翼系统全部往中间折叠的形式。

作为本发明的一种优选，所述的上旋翼系统采用倒置设计，并将飞行器中心结构拓展至上旋翼上方，实现上、下旋翼系统均往机身上、下端部方向折叠的形式；或基于该改动方式，沿中间将上、下两部分分离并采用平移互换位置设计，实现上、下旋翼系统均往机身中部方向折叠的形式。这2种形式下可以取消自适应展开共轴旋翼系统对上、下桨夹长度关系的约束条件以及对上、下旋翼系统启动旋转运动先后顺序的约束条件。

有益效果：

本发明技术方案相比现有方案，采用了简洁的被动自适应旋翼展开机构，实现飞行器在非工作状态和工作状态之间切换时旋翼的自适应展开和折叠功能。在传统桨夹设计中引入外桨夹结构，并对桨夹间的弹性约束力、限位、接触和避免干涉问题均进行了精心设计，减小了机构转动中的摩擦并降低生产加工成本。通过弹性模块安装轴线与桨夹铰链间的位置关系设置，可以获得多种不同的自适应旋翼展开机构构型，在具体实施过程中可根据需求灵活选用合适的构型。本发明技术方案可应用于抛投型或发射型直升机，有效扩展了直升机的应用场景。

附图说明

图1为自适应展开旋翼系统在折叠状态下的总体结构示意图；

图2为自适应展开旋翼系统在半展开状态下的总体结构示意图；

图3为自适应展开旋翼系统在半展开状态下的局部结构示意图；

图4为自适应展开旋翼系统在折叠至极限位置的桨夹及外桨夹结构示意图；

图5为自适应展开旋翼系统在工作状态时的外桨夹结构示意图；

图6为自适应展开旋翼系统在展开至极限位置的桨夹及外桨夹结构示意图；

图7为自适应展开旋翼系统在展开至极限位置的总体结构示意图；

图8为自适应展开旋翼系统展开过程中的总体结构示意图；

图9为自适应展开旋翼系统的另一种上、下旋翼均往中间折叠形式的总体方案示意图；

图10为自适应展开旋翼系统的另一种上、下旋翼均往外折叠形式的总体方案示意图；

图11为自适应展开旋翼系统的另一种上、下旋翼均往中间折叠形式的总体方案示意图。

图1至图8中所示，1、桨毂，2、上桨夹，3、外桨夹，4、旋翼，5、弹性模块，6、下桨夹，2a、上桨夹伸出轴，2b、上桨夹下平面，2c、上桨夹上平面，2d、上桨夹半圆侧面，3a、外桨夹伸出轴，3b、下限位平面，3c、上限位平面，3d、下限位平面边线，3e、上限位平面边线，6a、下桨夹伸出轴，6b、下桨夹下平面，6c、下桨夹上平面，6d、下桨夹半圆侧面，7、上、下桨夹与外桨夹铰接端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1：

如图1、图2所示为本实施例公开的一种自适应展开共轴旋翼系统结构示意图，包括上旋翼系统和下旋翼系统，其中上旋翼系统包括桨毂1、上桨夹2、外桨夹3、旋翼4，弹性模块5，下旋翼系统包括桨毂1、下桨夹6、外桨夹3、旋翼4、弹性模块5。如图3至图6所示，所述的上旋翼系统中，桨毂1与上桨夹2铰接，上桨夹2与外桨夹3铰接，外桨夹3与旋翼4铰接；所述的上桨夹2与外桨夹3上分别设置有折叠止推面2b与3b，限制旋翼4折叠的最大幅度；所述的弹性模块5一端与上桨夹2连接，另一端与外桨夹3连接；所述的弹性模块5提供上旋翼系统折叠约束力。所述的下旋翼系统中，桨毂1与下桨夹6铰接，下桨夹6与外桨夹3铰接，外桨夹3与旋翼4铰接；所述的下桨夹6与外桨夹3上分别设置有折叠止推面6b、3b，限制旋翼4折叠的最大幅度；所述的弹性模块5一端与上桨夹2连接，另一端与外桨夹3连接；所述的弹性模块5提供下旋翼系统折叠约束力。

所述的上桨夹2长度与下桨夹6长度应保证上旋翼系统与下旋翼系统在非工作折叠状态下互不干涉；下旋翼系统在非工作折叠状态下与中心结构互不干涉；所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态下、处于任何空间姿态时，弹性模块5所提供的折叠约束力大于上、下旋翼系统在受重力和自然风力影响下始终保持折叠状态所需的约束力，保证上、下旋翼系统稳定的折叠状态；所述的上、下旋翼系统进入工作状态时，所述上旋翼系统首先启动旋转运动，所述的下旋翼系统随后启动旋转运动，所述的上、下旋翼系统在离心力作用下依次自动展开并保持彼此相反方向的旋转转动，上、下旋翼系统在自动展开过程保持互不干涉。

本实施例中，所述的弹性模块5可以是一种安装于所述的上、下桨夹2与6和相应外桨夹3上的弹簧；也可以是一种安装于上、下桨夹2与6和相应外桨夹3上的单向或双向弹性铰链。

本实施例中，所述的弹性模块5采用一种弹簧并安装于所述的上、下桨夹2与6和相应外桨夹3的外侧，上桨夹上2固定设置有上桨夹伸出轴2a，外桨夹3上固定设置有外桨夹伸出轴3a，弹性模块5两端分别套装在上桨夹伸出轴2a和外桨夹伸出轴3a上。下桨夹6上固定设置有下桨夹伸出轴6a，弹性模块5两端分别套装在下桨夹伸出轴6a和外桨夹伸出轴3a上。所述的上桨夹2设置有上桨夹上平面2c，上桨夹下平面2b和上桨夹半圆侧面2d。所述的下桨夹6设置有下桨夹上平面6c，下桨夹下平面6b和下桨夹半圆侧面6d。所述的外桨夹3上设置有下限位平面3b和上限位平面3c，下限位平面边线3d和上限位平面边线3e的夹角大于90度加旋翼周期变距所需的挥舞角度，本实施例中挥舞角度参考值为：小于15度。所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态时，外桨夹3通过下限位平面3b与上桨夹下平面2b、下桨夹下平面6b接触限位。所述的上、下旋翼系统在任何状态下，外桨夹3都可通过上限位平面3c与上桨夹上平面2c、下桨夹上平面6c接触限位。

本实施例中，所述的上、下旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，旋翼停转后的位置设计，可采取两种方式：

方式1，所述的旋翼4处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴2a中心与外桨夹伸出轴3a中心连线位于上桨夹2与外桨夹3铰接端7的中心轴线下方，所述的下桨夹伸出轴6a中心与外桨夹伸出轴3a中心连线位于下桨夹6与外桨夹3铰接端7的中心轴线下方。所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，如图7所示，下旋翼系统首先旋转减速，上旋翼系统随后旋转减速，下、上旋翼系统在弹性模块5拉力作用下依次逐渐自动折叠至最大限幅，下、上旋翼系统在自动折叠过程保持互不干涉。

方式2，所述的旋翼4处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴2a中心与外桨夹伸出轴3a中心连线位于上桨夹2与外桨夹3铰接端7的中心轴线上方，所述的下桨夹伸出轴6a中心与外桨夹伸出轴3a中心连线位于下桨夹6与外桨夹3铰接端7的中心轴线上方。所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，如图8所示，上、下旋翼系统可以同时旋转减速，下、上旋翼系统在弹性模块5拉力作用下继续保持展开状态并最终停留在最大限幅位置，下、上旋翼系统在停转过程保持互不干涉。

本实施例中，所述的上、下旋翼系统均为往下折叠的形式。

实施例2：

本实施例中其余的技术方案与实施例1相同，不同的是，将本实施例中的上、下旋翼系统整体采用实施例1中方案的倒置设计，实现上、下旋翼系统全部往上折叠的形式；

实施例3：

本实施例中其余的技术方案与实施例1相同，不同的是，将本实施例中的上、下旋翼系统的间距增加，并将下旋翼系统采用倒置设计，如图9所示，实现上、下旋翼系统全部往中间折叠的形式。

实施例4：

本实施例中其余的技术方案与实施例3相同，不同的是，将实施例3（如图9所示）中的上、下旋翼系统整体倒置设计，实现上、下旋翼系统全部往中间折叠的形式。

实施例5：

本实施例中其余的技术方案与实施例1相同，不同的是，将本实施例中的上旋翼系统采用倒置设计，如图10所示，将上、下旋翼系统往机身上、下端部方向折叠，该实施例可以取消自适应展开共轴系统对上、下桨夹长度关系的约束条件以及对上、下旋翼系统启动旋转运动先后顺序的约束条件。

实施例6：

本实施例中其余的技术方案与实施例5相同，不同的是，将上、下旋翼系统两部分分离并采用平移互换位置设计，如图11所示，实现上、下旋翼系统均往机身中部方向折叠的形式，该实施例同样可以取消自适应展开共轴系统对上、下桨夹长度关系的约束条件以及对上、下旋翼系统启动旋转运动先后顺序的约束条件。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，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和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应展开共轴旋翼系统，包括上旋翼系统和下旋翼系统，其特征在于：所述的上旋翼系统包括桨毂、上桨夹、外桨夹、旋翼，弹性模块，下旋翼系统包括桨毂、下桨夹、外桨夹、旋翼、弹性模块；所述的上旋翼系统中，桨毂与上桨夹铰接，上桨夹与外桨夹铰接，外桨夹与旋翼铰接；所述的上桨夹与外桨夹上分别设置有折叠止推面，限制旋翼折叠的最大幅度；所述的弹性模块一端与上桨夹连接，另一端与外桨夹连接；所述的弹性模块提供上旋翼系统折叠约束力；所述的下旋翼系统中，桨毂与下桨夹铰接，下桨夹与外桨夹铰接，外桨夹与旋翼铰接；所述的下桨夹与外桨夹上分别设置有折叠止推面，限制旋翼折叠的最大幅度；所述的弹性模块一端与上桨夹连接，另一端与外桨夹连接；所述的弹性模块提供下旋翼系统折叠约束力；

所述的上旋翼系统与下旋翼系统在非工作折叠状态下互不干涉；下旋翼系统在非工作折叠状态下与中心结构互不干涉；所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态下、处于任何空间姿态时，弹性模块所提供的折叠约束力大于上、下旋翼系统在受重力和自然风力影响下始终保持折叠状态所需的约束力，保证上、下旋翼系统稳定的折叠状态；所述的上、下旋翼系统进入工作状态时，所述上旋翼系统首先启动旋转运动，所述的下旋翼系统随后启动旋转运动，所述的上、下旋翼系统在离心力作用下依次自动展开并保持彼此相反方向的旋转转动，上、下旋翼系统在自动展开过程保持互不干涉。

2.根据权利要求1所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的弹性模块是一种安装于所述的上、下桨夹和相应外桨夹上的弹簧；或者是一种安装于上、下桨夹和相应外桨夹上的单向或双向弹性铰链。

3.根据权利要求2所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的弹性模块采用一种弹簧并安装于所述的上、下桨夹和相应外桨夹的外侧，上桨夹上固定设置有上桨夹伸出轴，外桨夹上固定设置有外桨夹伸出轴，弹性模块两端分别套装在上桨夹伸出轴和外桨夹伸出轴上；下桨夹上固定设置有下桨夹伸出轴，弹性模块两端分别套装在下桨夹伸出轴和外桨夹伸出轴上；所述的上桨夹设置有上桨夹上平面，上桨夹下平面和上桨夹半圆侧面；所述的下桨夹设置有下桨夹上平面，下桨夹下平面和下桨夹半圆侧面；所述的外桨夹上设置有下限位平面和上限位平面，下限位平面边线和上限位平面边线的夹角大于90度加旋翼周期变距所需的挥舞角度；所述的上、下旋翼系统在非工作折叠状态时，外桨夹通过下限位平面与上桨夹下平面、下桨夹下平面接触限位；所述的上、下旋翼系统在任何状态下，外桨夹都可通过上限位平面与上桨夹上平面、下桨夹上平面接触限位。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，旋翼停转后的位置通过以下两种方式中的一种实现：

方式1，所述的旋翼处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于上桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线下方，所述的下桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于下桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线下方；所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，下旋翼系统首先旋转减速，上旋翼系统随后旋转减速，下、上旋翼系统的旋翼在弹性模块拉力作用下依次逐渐自动折叠至最大限幅，下、上旋翼系统在自动折叠过程保持互不干涉；

方式2，所述的旋翼处于展开极限位置时，所述的上桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于上桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线上方，所述的下桨夹伸出轴中心与外桨夹伸出轴中心连线位于下桨夹与外桨夹铰接端的中心轴线上方；所述的自适应展开共轴旋翼系统从工作状态进入非工作状态时，上、下旋翼系统可以同时旋转减速，下、上旋翼系统在弹性模块拉力作用下继续保持展开状态并最终停留在最大限幅位置，下、上旋翼系统在停转过程保持互不干涉。

5.根据权利要求1或2所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼系统的折叠方式为：采用全部往下折叠的形式；或者将上、下旋翼系统整体采用倒置方式，实现上、下旋翼系统全部往上折叠的形式。

6.根据权利要求1或2所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼系统的折叠方式为：将下旋翼系统采用倒置方式；或是基于该方式的整体倒置方式，实现上、下旋翼系统全部往中间折叠的形式。

7.根据权利要求1或2所述的一种自适应展开共轴旋翼系统，其特征在于，所述的上、下旋翼系统的折叠方式为：将上旋翼系统采用倒置方式，并将飞行器中心结构拓展至上旋翼上方，实现上、下旋翼系统均往机身上、下端部方向折叠的形式；或是基于该方式，沿中间将上、下两部分分离并采用平移互换位置方式，实现上、下旋翼系统均往机身中部方向折叠的形式。

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