CN111252238A - 一种电调控制的变距旋翼系统模块及直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电调控制的变距旋翼系统模块，包括中心轴，动力模块，角度测量单元，电子调速器，桨毂，挥舞连接件，超前滞后变距桨夹，桨叶。本方案采用无伺服器周期变距的方案，通过电子调速器控制动力模块周期性变化扭矩，动态扭矩输出可以使旋翼造成滞后或者超前的动作，通过本发明的特殊结构可以在桨叶超前或者滞后运动的同时改变桨距。通过被动耦合垂直和水平运动的水平铰链，响应脉冲扭矩获取传统斜盘的变距效果；现有技术中的变距旋翼系统为达到变距目的，通常设有复杂的操纵连杆机构，其制造难度大，成本高，且寿命短。本发明极大地简化了结构，摒弃了传统的复杂操纵机构，减少了旋翼系统的重量，降低了材料成本与制造难度。

Description

一种电调控制的变距旋翼系统模块及直升机

技术领域

本发明涉及直升机领域，特别涉及一种电调控制的变距旋翼系统模块及直升机。

背景技术

现有的直升机旋翼系统通常包括旋翼动力系统、变距操纵系统。旋翼动力系统包括动力模块、连接轴、旋翼机构等。现有方案中的旋翼机构与动力模块之间距离通常较远，需要通过细长的连接轴连接，在周期旋转过程中会出现失稳、振动、摩擦等问题。变距操纵系统包括有变距机构、同步机构等复杂的操纵机构。复杂的操纵机构不仅会使加工制造成本较高，而且会给整个系统装配的装配带来不便。因此，现有的直升机旋翼系统中的旋翼动力系统和变距操纵机构不仅会在设计、制造与装配过程中存在非常大的复杂性，而且会在实际飞行时存在较大的可靠性与安全性隐患。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种电调控制的变距旋翼系统模块及直升机。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：提供一种电调控制的变距旋翼系统模块，包括中心轴，动力模块，角度测量单元，电子调速器，桨毂，挥舞连接件，超前滞后变距桨夹，桨叶。

所述的超前滞后变距桨夹一端与所述的桨叶一端固连，所述的超前滞后变距桨夹另一端与挥舞连接件的一端铰接，所述的挥舞连接件与所述的桨毂的一端铰接形成水平铰；所述的桨毂与所述的动力模块的动力输出轴固连；所述的电调控制的变距旋翼系统模块中围绕所述的中心轴，均布两个所述的桨叶，两个所述的超前滞后变距桨夹；所述的电调控制的变距旋翼系统模块中围绕所述的中心轴，均布两个所述的桨叶，两个所述的超前滞后变距桨夹；所述的桨叶做超前滞后运动时，所述的挥舞连接件也同时在围绕水平铰上下挥舞运动；其中一个所述的超前滞后变距桨夹与所述的挥舞连接件的铰链为正据铰，上述正距铰的旋转中心线与所述的动力模块的旋转中心线形成锐角的角度；另一个所述的超前滞后变距桨夹与所述的挥舞连接件的铰链为反距铰，上述反距铰的旋转中心线与所述的动力模块的旋转中心线形成钝角的角度。

所述的角度测量单元为测量所述的动力模块旋转位置角度，与所述的动力模块同轴安装；所述的电子调速器可以控制所述的动力模块在旋转中的各个位置上，输出不同大小的扭矩；所述的角度测量单元检测得到所述的动力模块的旋转位置的角度信息，得到角度信息后所述的电子调速器控制所述的动力模块在各角度上的输出周期性变化的扭矩；所述的桨毂与所述的动力模块的动力输出轴固连；

减小输出扭矩，所述的桨叶做超前运动；增大输出扭矩，所述的桨叶做滞后运动；

所述的动力模块输出周期性变化的扭矩，驱动所述的桨叶；所述的桨叶被动做周期性的超前滞后运动；所述的超前滞后变距桨夹与所述的挥舞连接件的铰链是耦合围绕中心轴超前-滞后运动和围绕叶片长轴俯仰运动的特殊铰链；两个对称均布的超前滞后变距桨夹，其中一组超前时桨距减小、滞后时桨距增加，另一组超前时桨距增加、滞后时桨距减小；

所述的电子调速器可以提供一个正弦分量信号调制所述的动力模块的扭矩，扭矩输出最大值为波形峰值点，扭矩输出最小值为波形谷值点；输出信号的一个周期为360度，其峰值与谷值的角度相差180度。

通过改变上述正弦分量的振幅和相位偏移角可以近似的模拟周期性的桨距控制，即：所述的电子调速器控制所述的动力模块周期变化扭矩的峰值谷值输出在不同角度，以控制旋翼系统周期变距进行俯仰横滚运动；所述的桨叶旋转一圈为扭矩输出的一个变化周期，并设置旋翼系统0度点的位置；只需要控制调整正弦波输出信号的相位角度起始位置和峰值谷值的大小就可以控制旋翼系统的周期变距，从而进行横滚、俯仰动作，并调整动作的力矩大小；

作为本发明的一种优选，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

为达到上述目的，本发明采用的另一种方法是：提供一种单桨直升机。所述的直升机包括旋翼系统，机身，尾桨；所述的旋翼系统与机身固连；所述的尾桨与机身固连；所述的系统配置如前文所述的电调控制的变距旋翼系统模块。

作为本发明的一种优选，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

为达到上述目的，本发明采用的又一种方法是：提供一种共轴双层变距直升机，所述的共轴双层变距直升机配置有2套如前文所述的电调控制的变距旋翼系统模块；所述的2套电调控制的变距旋翼系统模块以共轴方式装配。

作为本发明的一种优选，所述的一种共轴双层变距直升机，其共轴装配方式为以下三种组合共4种形态中的任意一种：

1、两套动力模块均外置；

2、两套动力模块均中置；

3、一套动力模块中置，另一套动力模块上置；

4、一套动力模块中置，另一套动力模块下置。

作为本发明的一种优选，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

作为本发明的一种优选，所述的一种共轴双层变距直升机，在一套共轴机型中，所述的中心轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

为达到上述目的，本发明采用的又一种方法是：提供一种共轴单层变距直升机，所述的共轴单层变距直升机包括2套旋翼模块；所述的2套旋翼模块以共轴方式装配；其中1套配置为前文所述的电调控制的变距旋翼系统模块，另一套旋翼系统为定轴无变距旋翼系统；所述的定轴无变距旋翼系统包括中心轴，动力模块，桨毂装配一体件，桨夹，桨叶；其中，所述的中心轴与动力模块底座固连；所述的动力模块扭矩输出端与桨夹装配一体件连接，所述桨夹一端与桨夹装配一体件一端铰接，另一端与旋翼根部铰接。

作为本发明的一种优选，一种共轴单层变距直升机，其共轴装配方式为以下四种组合共8中形态中的任意一种：

1、两套的动力模块均外置，定轴变距旋翼模块上置；

2、两套的动力模块均外置，定轴变距旋翼模块下置；

3、两套的动力模块均中置，定轴变距旋翼模块上置；

4、两套的动力模块均中置，定轴变距旋翼模块下置；

5、定轴无变距旋翼系统的动力模块中置，定轴变距旋翼模块的动力模块上置；

6、定轴无变距旋翼系统的动力模块中置，定轴变距旋翼模块的动力模块下置；

7、定轴变距旋翼模块的动力模块中置，定轴无变距旋翼系统的动力模块上置；

8、定轴变距旋翼模块的动力模块中置，定轴无变距旋翼系统的动力模块下置。

作为本发明的一种优选，一种共轴单层变距直升机，所述的动力模块可以是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

作为本发明的一种优选，一种共轴单层变距直升机，在一套共轴机型中，所述的中心轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

有益效果：

本方案采用无舵机周期变距的方案，差速调节控制航向，加减速调节升降，间接控制飞行器周期变距。去掉了所有舵机，直接使用电调进行控制，极大的减少了成本，减少了加工组装时间；并且本发明减轻了飞行器整体的结构重量，间接的提升了其续航能力。本发明大幅简化了直升机操纵机构和同步结构。同时，采用定轴方案，缩小了整个旋翼系统的体积，并且避免了细长旋转轴和复杂的变距机构运动时所产生的稳定性、振动、摩擦等问题。本发明技术方案结构简单紧凑，可作为标准化模块进行组合设计，获得多种不同的直升机构型。本发明非常简化的结构相比于其他滑块式的复合变距的旋翼系统，极高的增加了使用寿命，降低了磨损影响；本发明的零件没有曲面滑块的加工，降低了加工难度，零件精度间接提高了控制精度，提高了旋翼的可靠性。

附图说明

图1为电调控制的变距旋翼系统模块结构示意图；

图2为桨叶超前滞后转化变距结构示意图；

图3为桨叶超前运动时变距情况示意图；

图4为桨叶滞后运动时变距情况示意图；

图5为定轴无变距旋翼系统结构示意图；

图6为共轴单层变距直升机第一种组合构型结构示意图；

图7为共轴单层变距直升机第二种组合构型结构示意图；

图8为共轴单层变距直升机第三种组合构型结构示意图；

图9为共轴双层变距直升机第一种组合构型结构示意图；

图10为共轴双层变距直升机第二种组合构型结构示意图；

图11为共轴双层变距直升机第三种组合构型结构示意图；

图12为共轴双层变距直升机第四种组合构型结构示意图。

图1，图5中所示，1、中心轴，2、动力模块，3、角度测量单元，4、电子调速器，5、桨毂，6、挥舞连接件，7、超前滞后变距桨夹，8、桨叶，9、桨毂装配一体件，10、桨夹 。

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所示为本实施例公开的一种电调控制的变距旋翼系统模块，超前滞后变距桨夹7一端与桨叶8一端固连，超前滞后变距桨夹7另一端与挥舞连接件6的铰接，挥舞连接件6的一端与桨毂5铰接；桨毂5与动力模块2的动力输出轴固连；在旋翼系统中围绕动力模块2的旋转轴，均布两个桨叶8、两个超前滞后变距桨夹7；角度测量单元3为测量动力模块2旋转位置角度，与动力模块2同轴安装；电子调速器4可以控制动力模块2在旋转中的各个位置上，改变输出扭矩；角度测量单元3检测得到动力模块2的旋转位置的角度信息，得到角度信息后电子调速器4控制动力模块2在各角度上的输出周期性变化的扭矩；

减小输出扭矩时，桨叶8做超前运动；增大输出扭矩时，桨叶8做滞后运动；

动力模块2输出周期性变化的扭矩，驱动桨叶8；桨叶8被动做周期性的超前或者滞后运动；桨叶8做超前运动时，两个超前滞后变距桨夹7的一个的连接铰是增加所述桨叶8的桨距的连接铰，另一个超前滞后变距桨夹7的连接铰是减小所述桨叶8的桨距的连接铰；此连接绞的旋转中心线与中心轴1有锐角的空间位置关系，为正倾斜角；相反的桨叶8做滞后运动时，两组旋翼结构中其中一个超前滞后变距桨夹7的连接铰是减小所述桨叶8的桨距的连接铰，另一个超前滞后变距桨夹7的连接铰是增加所述桨叶8的桨距的连接铰；此连接绞的旋转中心线与中心轴1有钝角的位置关系，为反倾斜角；正倾斜角与反倾斜角的旋转中心线相互平行；

电子调速器4为动力模块2扭矩输出信号提供一个正弦分量，扭矩分量输出最大值为波形峰值点，扭矩分量输出最小值为波形谷值点；输出信号的一个周期为360度，其峰值与谷值的角度相差180度；

电子调速器4控制动力模块2周期变化扭矩的峰值谷值输出在不同角度，以控制旋翼系统周期变距进行俯仰横滚运动；桨叶8旋转一圈为扭矩输出的一个变化周期，并设置旋翼系统0度点的位置；只需要控制调整正弦波输出信号的相位角度起始位置和峰值谷值的大小就可以对旋翼系统的周期变距进行横滚、俯仰，并它们的力矩大小的操控；

如图2所示，超前滞后变距桨夹7的一端与挥舞连接件6铰连接；此铰链的旋转中心线与中心轴1形成锐角的角度，类似于垂直的铰链发生了倾斜；当超前滞后变距桨夹7超前运动时，其倾斜的铰链使超前运动的同时桨叶8也做抬头增加桨距的运动。

如图3桨叶8做超前运动，带动超前滞后变距桨夹7围绕挥舞连接件6的倾斜的垂直铰超前转动；超前滞后变距桨夹7在超前运动时，倾斜铰为桨叶8提供增大桨距的抬头运动；而对应的另一个方向的超前滞后变距桨夹7在超前运动时，与上述正倾斜角平行的反，从而减小桨叶8的桨距；

如图4桨叶8做滞后运动，带动超前滞后变距桨夹7在挥舞连接件6上进行滞后的滑动；超前滞后变距桨夹7在滞后运动时，其弧形滑块在挥舞连接件6的开口向上的弧形槽上向后滑动，从而减小桨叶8的桨距；而对应的另一个方向的超前滞后变距桨夹7在滞后运动时，其弧形滑块在挥舞连接件6的开口向下的弧形槽上向后滑动，从而增大桨叶8的桨距。

实施例2：

本实施例公开了一种共轴双层变距直升机，如图6至图8所示分别为其一种构型。共轴双层变距直升机配置有两套如实施例1电调控制的变距旋翼系统模块；两套电调控制的变距旋翼系统模块共轴装配。

本实施例公开的一种共轴双层变距直升机，其共轴装配方式为以下四种中任意一种：

1、如图6所示，两套动力模块2均外置；

2、如图7所示，两套动力模块2均中置；

3-4、如图8所示，一套动力模块2中置，另一套动力模块2上置或下置。

本实施例公开的共轴双层变距直升机，其中动力模块2可以是直驱或减速作动器、电动或油动作动器、双电机或单电机中的任意一种作动器。

实施例3：

本实施例公开了一种共轴单层变距直升机，如图9至图12所示分别为其一种构型。共轴单层变距直升机包括两套旋翼系统；两套旋翼系统共轴装配；其中一套配置为实施例1电调控制的变距旋翼系统模块，另一套旋翼系统为定轴无变距旋翼系统；如图5定轴无变距旋翼系统包括中心轴1，动力模块2，桨毂装配一体件9，桨夹10，桨叶8。其中，中心轴1与动力模块2固连；动力模块2扭矩输出轴与桨毂装配一体件9固连，所述桨夹10一端与桨毂装配一体件9一端铰接，另一端与桨叶8根部铰接。

本实施例公开的一种共轴单层变距直升机，其共轴装配方式为以下八种中任意一种：

1-2、如图9所示，两套的动力模块2均外置，旋翼系统上置或下置；

3-4、如图10所示，两套的动力模块2均中置，旋翼系统上置或下置；

5-6、如图11所示，定轴无变距旋翼系统的动力模块2中置，电调控制的变距旋翼系统模块的动力模块2上置或下置；

7-8、如图12所示，电调控制的变距旋翼系统模块的动力模块2中置，定轴无变距旋翼系统的动力模块2上置或下置。

本实施例公开的共轴单层变距直升机，其中动力模块2可以是直驱或减速作动器、电动或油动作动器、双电机或单电机中的任意一种作动器。

实施例4：

本实施例公开了一种单桨直升机，直升机包括旋翼模块，机身，尾桨；旋翼模块与机身固连；尾桨与机身固连；旋翼模块配置为实施例1中电调控制的变距旋翼系统模块。

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 (13)

1.一种电调控制的变距旋翼系统模块，其特征在于：包括中心轴，动力模块，角度测量单元，电子调速器，桨毂，挥舞连接件，超前滞后变距桨夹，桨叶;所述的超前滞后变距桨夹一端与所述的桨叶一端固连，另一端与挥舞连接件的一端铰接，所述的挥舞连接件与所述的桨毂的一端铰接形成水平铰；所述的桨毂与所述的动力模块的动力输出轴固连；所述的电调控制的变距旋翼系统模块中围绕所述的中心轴，均布两个所述的桨叶，两个所述的超前滞后变距桨夹；所述的桨叶做超前滞后运动时，所述的挥舞连接件也同时在围绕水平铰上下挥舞运动；其中一个所述的超前滞后变距桨夹与所述的挥舞连接件的铰链为正据铰，上述正距铰的旋转中心线与所述的动力模块的旋转中心线形成锐角的角度；另一个所述的超前滞后变距桨夹与所述的挥舞连接件的铰链为反距铰，上述反距铰的旋转中心线与所述的动力模块的旋转中心线形成钝角的角度；两组对称均布的所述的超前滞后变距桨夹，正距铰连接的所述的超前滞后变距桨夹超前运动时桨距减小、滞后运动时桨距增加，反距铰连接的所述的超前滞后变距桨夹超前运动时桨距增加、滞后运动时桨距减小。

2.根据权利要求1所述的一种电调控制的变距旋翼系统模块，其特征在于，所述的角度测量单元与所述的动力模块同轴安装；所述的电子调速器电路线束与所述的动力模块连接；所述的角度测量单元检测得到所述的动力模块的旋转位置的角度信息；所述的电子调速器通过角度信息，控制所述的动力模块在对应角度上改变扭矩，对所述的桨毂加速或者减速；所述的桨毂减速时，所述的桨叶做超前运动；所述的桨毂加速时，所述的桨叶做滞后运动；当所述的动力模块向前加速时，一个桨叶桨距增加，在对应为180度的位置，另一个所述的桨叶桨距减小；所述的电子调速器在电机旋转中增加一个正弦的分量的脉冲信号调制施加在电机上的扭矩，每一圈所述的超前滞后变距桨夹不断的做超前滞后的周期摆动；控制所述的电子调速器改变上述正弦分量的振幅和相位偏移角近似模拟周期性的桨距控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种电调控制的变距旋翼系统模块，其特征在于，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

4.一种单桨直升机，其特征在于：所述的直升机包括旋翼系统，机身，尾桨；所述的旋翼系统与机身固连；所述的尾桨与机身固连；所述的系统配置为如权利要求1或2所述的电调控制的变距旋翼系统模块。

5.根据权利要求4所述的一种单桨直升机，其特征在于，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

6.一种共轴双层变距直升机，其特征在于：所述的共轴双层变距直升机配置有2套如权利要求1或2所述的电调控制的变距旋翼系统模块；所述的2套电调控制的变距旋翼系统模块以共轴方式装配。

7.根据权利要求6所述的一种共轴双层变距直升机，其特征还在于，其共轴装配方式为以下三种组合共4种形态中的任意一种：

1、两套动力模块均外置；

2、两套动力模块均中置；

3、一套动力模块中置，另一套动力模块上置；

4、一套动力模块中置，另一套动力模块下置。

8.根据权利要求7所述的一种共轴双层变距直升机，其特征在于，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

9.根据权利要求7所述的一种共轴双层变距直升机，其特征在于，在一套共轴机型中，所述的中心轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

10.一种共轴单层变距直升机，其特征在于：所述的共轴单层变距直升机包括2套旋翼模块；所述的2套旋翼模块以共轴方式装配；其中1套配置为如权利要求1或2所述的电调控制的变距旋翼系统模块，另一套旋翼系统为定轴无变距旋翼系统；所述的定轴无变距旋翼系统包括中心轴，动力模块，桨毂装配一体件，桨夹，桨叶；其中，所述的中心轴与动力模块底座固连；所述的动力模块扭矩输出端与桨夹装配一体件连接，所述桨夹一端与桨夹装配一体件一端铰接，另一端与旋翼根部铰接。

11.根据权利要求10所述的一种共轴单层变距直升机，其特征还在于，其共轴装配方式为以下四种组合共8中形态中的任意一种：

1、两套的动力模块均外置，定轴变距旋翼模块上置；

2、两套的动力模块均外置，定轴变距旋翼模块下置；

3、两套的动力模块均中置，定轴变距旋翼模块上置；

4、两套的动力模块均中置，定轴变距旋翼模块下置；

5、定轴无变距旋翼系统的动力模块中置，定轴变距旋翼模块的动力模块上置；

6、定轴无变距旋翼系统的动力模块中置，定轴变距旋翼模块的动力模块下置；

7、定轴变距旋翼模块的动力模块中置，定轴无变距旋翼系统的动力模块上置；

8、定轴变距旋翼模块的动力模块中置，定轴无变距旋翼系统的动力模块下置。

12.根据权利要求11所述的一种共轴单层变距直升机，其特征还在于，所述的动力模块是直驱或减速驱动、电动或者油动、双动力或单动力动力模块中的任意一种。

13.根据权利要求11所述的一种共轴单层变距直升机，其特征在于，在一套共轴机型中，所述的中心轴是两根独立的轴，或者是一根一体化的轴。

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