CN111252243B - 一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构 - Google Patents

Abstract

一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构。属于直升机旋翼振动、噪声控制领域的智能旋翼技术。提出了一种可在较大的离心力场和复杂的气动环境下，对直升机的桨尖进行稳定驱动，从而针对直升机的不同飞行状态，改变桨尖下反角度的大小的驱动机构。本发明的技术方案为：所述下反驱动机构包括驱动器单元和桨尖作动器单元，所述驱动器单元连接所述桨叶基体，所述桨尖作动器单元分别与桨叶基体、桨尖相连接，且桨尖作动器单元在驱动器单元的驱动下往复翻转，实现下反角度的改变。在特定的飞行状态下，桨尖的下反会通过削弱桨尖涡，增加桨尖涡与后续桨叶的垂向距离来抑制BVI，从而达到对旋翼降噪、减振的目的。

Description

一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构

技术领域

本发明属于直升机旋翼振动、噪声控制领域的智能旋翼技术，具体涉及适用于直升机桨尖的主动控制。

背景技术

与固定翼飞机相比，直升机具有垂直起降、空中悬停等特殊的飞行能力，这些特有的飞行能力使其在军用和民用领域得到了广泛的应用。随着直升机技术的不断发展，直升机旋翼的桨涡干扰（Blade Vortex Interaction，BVI）问题受到了广泛的关注。当出现桨涡干扰时，不仅会使桨叶振动水平增加，还会形成强烈的具有显著声学特征的BVI噪声。为了降低BVI强度，很多先进桨尖均采用了下反桨尖的结构，其主要目的在于减小桨尖涡与其他桨叶的垂向距离以及削弱桨尖涡的强度。但在不同飞行状态下，旋翼会产生不同程度的BVI，目前大部分下反桨尖均为固定下反角度，无法实现对BVI的自适应控制。这样的桨尖在高速前飞状态下，会增加旋翼的阻力。故而，设计一种主动下反桨尖驱动机构对我国直升机智能旋翼的发展是有必要的。

目前直升机旋翼系统的主动控制主要有：(1)高阶谐波主动控制；(2)主动拉杆控制；(3)主动控制后缘小翼；(4)主动扭转旋翼；(5)主动控制桨尖。高阶谐波主动控制的原理是以高阶谐波的形式通过自动倾斜器对各个桨叶实现相同的变距控制；主动拉杆控制基于高阶谐波主动控制基础上通过小拉杆来实现对各个桨叶的不同变距控制；主动控制后缘小翼是通过在桨叶外端后缘处安装可偏转的小翼，通过合理的偏转，产生附加的气动力或气动力矩来降低直升机振动和噪声；主动扭转旋翼通过控制旋翼桨叶的迎角来改变作用在旋翼上的气动力，从而减小直升机振动。主动控制下反桨尖是一种准定常控制方法，进入某一飞行状态之前，由飞行员控制桨尖下反的大小，实现对BVI控制，相比于前四种主动控制，国内外对主动控制桨尖的结构研究相对较少。其主要原因在于桨尖工作在非常大的离心力场和复杂的气动环境下，并且桨叶的空间狭小，桨尖下反后产生的恢复力矩较大，致使一般的驱动机构很难提供足够的驱动功率来实现对桨尖的主动控制。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种可在较大的离心力场和复杂的气动环境下，对直升机的桨尖进行稳定驱动，从而针对直升机的不同飞行状态，改变桨尖下反角度的大小，进而有效削弱桨涡干扰，实现对直升机旋翼的振动、噪声控制的种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构。

本发明的技术方案为：所述下反驱动机构包括驱动器单元和桨尖作动器单元，所述驱动器单元连接所述桨叶基体，所述桨尖作动器单元分别与桨叶基体、桨尖相连接，且桨尖作动器单元在驱动器单元的驱动下往复翻转，实现下反角度的改变。

所述桨尖作动器单元包括离心质量块、联动组件和桨尖作动头；

所述离心质量块可滑动的连接在桨叶基体内、且与驱动器单元相连接，通过驱动器单元驱动离心质量块做直线往复运动；

所述桨尖作动头的一端可旋转的连接在桨叶基体内、且另一端与桨尖固定相连，所述联动组件连接在离心质量块和桨尖作动头之间、且用于实现离心质量块和桨尖作动头的联动。

所述桨尖作动器单元还包括基架和呈C字形的马蹄形块，所述基架固定连接在桨叶基体中，所述马蹄形块固定连接在基架中，所述马蹄形块的两侧内壁上开设有沿桨叶基体长度方向的滑槽，所述离心质量块的两侧与滑槽滑动连接，所述桨尖作动头的一端铰接在马蹄形块的C字形开口处。

所述联动组件为连杆，所述连杆的一端与离心质量块铰接、且连杆的另一端与桨尖作动头铰接。

所述连杆的一端通过铰接轴与桨尖作动头铰接，所述桨尖作动头通过转轴与马蹄形块铰接，所述铰接轴处于转轴的上方。

所述驱动器单元包括电机架、电机、减速器和螺纹传动轴，所述电机架固定连接在桨叶基体中，所述电机、减速器均固定连接在电机架上，所述减速器的输入轴与电机的输出轴固定连接、且减速器3的输出轴与螺纹传动轴固定相连，所述螺纹传动轴远离减速器的一端穿入所述离心质量块中、且与离心质量块螺纹连接。

所述马蹄铁上开设有用于容置所述螺纹传动轴的通孔，所述通孔中设有孔用卡簧和轴承一，所述轴承一套接所述螺纹传动轴，所述孔用卡簧抵在轴承一的外壁和通孔的内壁之间。

所述下反驱动机构还包括轴承装配单元，所述轴承装配单元包括套筒、键一、键二、轴承座、轴承挡板、轴承套和一对轴承二；

所述螺纹传动轴通过套筒与减速器的输出轴固定相连，所述键一设于套筒和减速器的输出轴之间，所述键二设于套筒和螺纹传动轴之间，使得螺纹传动轴与减速器的输出轴同步旋转；

所述轴承座固定连接在电机架朝向桨尖作动器单元的一侧，所述轴承挡板垂直于螺纹传动轴设置、且固定相连在轴承座朝向桨尖作动器单元的一侧，一对所述轴承二均连接在轴承座和螺纹传动轴之间、且其中一个轴承二抵在轴承挡板上，所述轴承套套接所述螺纹传动轴、且位于一对轴承二之间。

本发明的工作原理在于：

通过螺纹传动机构将电机与减速器旋转运动转化为直线位移，通过连杆、铰接轴、转轴以及马蹄形块将离心质量块的直线位移转化为下反偏转，电机架、轴承座与基架固连于桨叶中。其中桨尖作动器单元包括马蹄形块、螺纹传动轴以及离心质量块，螺纹传动轴与离心质量块配有梯形螺纹用于传动，螺纹升角小于螺纹摩擦角从而实现对机构的自锁。在离心力场下，离心质量块会产生一个相对下反桨尖恢复力矩相反的力矩，进而减小对驱动设备的功率要求。在特定的飞行状态下，桨尖的下反会通过削弱桨尖涡，增加桨尖涡与后续桨叶的垂向距离来抑制BVI，从而达到对旋翼降噪、减振的目的。

本发明有益效果在于：

桨尖工作在非常大的离心力场和复杂的气动环境下，并且桨叶的空间狭小，桨尖下反后产生的恢复力矩较大。本发明通过合理利用离心质量块，产生与下反桨尖恢复力矩方向相反的力矩，进而减小对驱动器驱动扭矩的需求；通过螺纹传动轴与离心质量块的螺旋传动，从而实现对驱动结构的自锁；部分轴承采用自润滑轴承，减小了驱动结构的整体尺寸；马蹄形块与离心质量块之间通过增加滑块与滑槽，确保离心质量块的展向平稳滑动；电机架在保证起到对电机与减速器位置限制作用的情况下，采用轻质材料，进而减小离心载荷对桨叶的影响，并在结构中预埋螺纹连接件，保证结构连接的安全性。

附图说明

图1为本案的结构示意图，

图2为驱动器单元的结构示意图，

图3为轴承装配单元的结构示意图，

图4为桨尖作动器单元的结构示意图，

图5为桨尖作动器单元的局部结构示意图，

图6为马蹄形块的结构示意图，

图7为螺纹传动轴的结构示意图，

图8为离心质量块的结构示意图，

图9为本案的实施方式示意图。

图中1-电机架，2-电机，3-减速器，4-轴承座，5-顶丝一，6-套筒，7-轴承挡板，8-螺钉一，9-马蹄形块，10-基架，11-连接件一，12-连接板，13-平垫片一，14-螺纹传动轴，15-离心质量块，16-连杆，17-铰接轴，18-桨尖作动头，19-定位销，20-连接件二，21-沉头螺钉，22-螺钉二，23-轴承二，24-键一，25-轴承套，26-孔用卡簧，27-轴承一，28是顶丝二，29是顶丝三，30-轴承三，31-转轴，32-螺钉三，33-桨叶，34-螺钉四，35-螺钉五，36-桨尖。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-9所示，所述直升机的旋翼桨叶包括桨叶基体33和设于桨叶基体一端的桨尖36，所述下反驱动机构包括驱动器单元和桨尖作动器单元，所述驱动器单元连接所述桨叶基体，所述桨尖作动器单元分别与桨叶基体、桨尖相连接，且桨尖作动器单元在驱动器单元的驱动下往复翻转，实现下反角度的改变。

所述桨尖作动器单元包括离心质量块15、联动组件和桨尖作动头18；

所述离心质量块15可滑动的连接在桨叶基体33内、且与驱动器单元相连接，通过驱动器单元驱动离心质量块15做直线往复运动；

所述桨尖作动头18的一端可旋转的连接在桨叶基体33内、且另一端与桨尖36固定相连，所述桨尖作动头18中还穿设有若干与桨尖相连接的定位销19，所述联动组件连接在离心质量块15和桨尖作动头18之间、且用于实现离心质量块15和桨尖作动头18的联动。当离心质量块在驱动器单元的作用下做直线运动的过程中，将通过联动组件驱使桨尖作动头做向下的翻转运动，从而使得桨尖相对于桨叶基体做出下反偏转运动，以实现针对直升机的不同飞行状态，改变桨尖下反角度的大小的目的。这样，借助离心质量块，即可以合理利用离心力场，使得离心质量块相对桨尖偏转中心处产生与桨尖恢复力矩方向相反的力矩，从而减小对驱动器驱动功率的要求，保证机构的稳定运动。

所述桨尖作动器单元还包括基架10和呈C字形的马蹄形块9，所述基架10通过螺钉五35固定连接在桨叶基体中，所述马蹄形块9固定连接在基架10中，所述马蹄形块9的两侧内壁上开设有沿桨叶基体长度方向的滑槽，所述离心质量块15的两侧通过滑块与滑槽滑动连接，所述桨尖作动头18的一端铰接在马蹄形块9的C字形开口处。这样，即可通过马蹄形块限制离心质量块以及桨尖作动头的自由度，从而保证离心质量块可且仅可做直线运动，并保证桨尖作动头可且仅可做翻转运动。

所述基架10中还穿设有至少一个顶丝二28，所述顶丝二28抵在马蹄形块9上，从而消除基架10与马蹄形块9之间的装配间隙，以进一步提升二者之间的连接稳定性。

所述联动组件为连杆16，所述连杆16的一端与离心质量块15铰接、且连杆16的另一端与桨尖作动头18铰接。从而将离心质量块的直线运动转化为桨尖作动头的旋转运动。所述铰接轴17与桨尖作动头18之间、以及转轴31和离心质量块15之间都设有轴承三30。

所述连杆16的一端通过铰接轴17与桨尖作动头18铰接，所述桨尖作动头18通过转轴31与马蹄形块9铰接，所述铰接轴17处于转轴31的上方。从而确保向下翻转桨尖时，可借助到离心质量块的离心力，即确保离心质量块相对桨尖偏转中心处产生与桨尖恢复力矩方向相反的力矩，而不是与桨尖恢复力矩方向相同的力矩。

所述桨尖作动头18中还穿设有顶丝三29，所述顶丝三29抵在铰接轴17上，从而消除桨尖作动头18与铰接轴17之间的装配间隙，以进一步提升二者之间的连接稳定性。

所述驱动器单元包括电机架1、电机2、减速器3和螺纹传动轴14，所述电机架1通过若干螺钉三32固定连接在桨叶基体33中，所述电机2、减速器3均固定连接在电机架1上，所述减速器3的输入轴与电机2的输出轴固定连接、且减速器3的输出轴与螺纹传动轴14固定相连，所述螺纹传动轴14远离减速器3的一端穿入所述离心质量块15中、且与离心质量块15螺纹连接。从而在电机开启后可经过减速器将放大的力矩传递至螺纹传动轴上，以驱动离心质量块的直线往复运动。

所述马蹄铁9上开设有用于容置所述螺纹传动轴14的通孔，所述通孔中设有孔用卡簧26和轴承一27，所述轴承一27套接所述螺纹传动轴14，所述孔用卡簧26抵在轴承一27的外壁和通孔的内壁之间。从而显著提升了螺纹传动轴的动作稳定性，保证了机构的稳定运行。

所述下反驱动机构还包括轴承装配单元，所述轴承装配单元包括套筒6、键一24、键二、轴承座4、轴承挡板7、轴承套25和一对轴承二23；

所述螺纹传动轴14通过套筒6与减速器3的输出轴固定相连，所述键一24设于套筒6和减速器3的输出轴之间，所述键二设于套筒6和螺纹传动轴14之间，使得螺纹传动轴14与减速器3的输出轴同步旋转；所述套筒6中还穿设有一对沿其径向设置的顶丝一5，一对所述顶丝一5分别抵在螺纹传动轴14以及减速器3的输出轴上，从而消除套筒6与二者（螺纹传动轴14以及减速器3的输出轴）之间的装配间隙，以进一步提升套筒与二者之间的连接稳定性。

所述电机架1通过连接件一11、螺钉三32与桨叶33固定相连，所述电机架1通过一对连接板12、带螺纹孔的连接件二20、沉头螺钉21与轴承座4固定相连。所述轴承座4通过螺钉四34与桨叶33固定相连。

所述轴承座4固定连接在电机架1朝向桨尖作动器单元的一侧，所述轴承座还通过螺钉二22与减速器3固定相连，所述轴承挡板7垂直于螺纹传动轴14设置、且通过螺钉一8固定相连在轴承座4朝向桨尖作动器单元的一侧，螺钉一8和轴承挡板之间还设有平垫片一13，一对所述轴承二23均连接在轴承座4和螺纹传动轴14之间、且其中一个轴承二23通过平垫片二抵在轴承挡板上，所述轴承套25套接所述螺纹传动轴14、且位于一对轴承二23之间。这样，通过轴承装配单元可显著提升螺纹传动轴的动作稳定性，避免其在旋转运动过程中出现过多的振动以及径向跳动。最终，通过轴承装配单元、孔用卡簧26和轴承一27的配合，使得螺纹传动轴在随桨叶基体“公转”的同时，可在电机的带动下进行稳定的“自转”，对下反驱动机构的稳定运行带来了极大的保障。

结合上述技术方案，从整体上来说本发明解决了以下问题：

一、直升机在悬停、小速度前飞、机动飞行、斜下降等飞行状态均会产生不同程度的BVI。为减小BVI对直升机旋翼噪声、振动的影响，需要在不同飞行状态下，对直升机桨尖下反角度进行控制，从而改变桨尖涡强度以及桨尖涡与后续桨叶垂向距离，进而对直升机旋翼噪声、振动进行主动控制。

二、桨尖工作环境恶劣，较大的离心场使桨尖下反后产生的恢复力矩非常大，致使现有的驱动器无法提供足够的驱动功率。通过离心质量块，可以合理利用离心力场，使得离心质量块相对桨尖偏转中心处产生与桨尖恢复力矩相反的力矩，从而减小对驱动器驱动功率的要求。

三、具有结构自锁性，具体来说，螺纹传动轴与离心质量块之间采用螺旋传动，通过合理的选择材料以及螺纹升角，进而实现对结构的自锁。

因此本案提出的利用离心质量块形式的直升机桨尖的下反驱动机构，通过离心质量块的离心载荷，减小驱动器的需用功率，利用螺旋传动对驱动结构实现自锁，从而保证直升机变下反桨尖在强离心力场作用下稳定可靠工作。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构，其特征在于，所述下反桨尖驱动机构包括驱动器单元和桨尖作动器单元，所述桨叶包括桨叶基体，所述驱动器单元连接所述桨叶基体，所述桨尖作动器单元分别与桨叶基体、桨尖相连接，且桨尖作动器单元在驱动器单元的驱动下往复翻转，实现下反角度的改变；

所述桨尖作动器单元包括离心质量块、联动组件和桨尖作动头；

所述离心质量块可滑动的连接在桨叶基体内、且与驱动器单元相连接，通过驱动器单元驱动离心质量块做直线往复运动；

所述桨尖作动头的一端可旋转的连接在桨叶基体内、且另一端与桨尖固定相连，所述联动组件连接在离心质量块和桨尖作动头之间、且用于实现离心质量块和桨尖作动头的联动；

所述桨尖作动器单元还包括基架和呈C字形的马蹄形块，所述基架固定连接在桨叶基体中，所述马蹄形块固定连接在基架中，所述马蹄形块的两侧内壁上开设有沿桨叶基体长度方向的滑槽，所述离心质量块的两侧与滑槽滑动连接，所述桨尖作动头的一端铰接在马蹄形块的C字形开口处；

所述驱动器单元包括电机架、电机、减速器和螺纹传动轴，所述电机架固定连接在桨叶基体中，所述电机、减速器均固定连接在电机架上，所述减速器的输入轴与电机的输出轴固定连接、且减速器3的输出轴与螺纹传动轴固定相连，所述螺纹传动轴远离减速器的一端穿入所述离心质量块中、且与离心质量块螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构，其特征在于，所述联动组件为连杆，所述连杆的一端与离心质量块铰接、且连杆的另一端与桨尖作动头铰接。

3.根据权利要求2所述的一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构，其特征在于，所述连杆的一端通过铰接轴与桨尖作动头铰接，所述桨尖作动头通过转轴与马蹄形块铰接，所述铰接轴处于转轴的上方。

4.根据权利要求3所述的一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构，其特征在于，所述马蹄形块上开设有用于容置所述螺纹传动轴的通孔，所述通孔中设有孔用卡簧和轴承一，所述轴承一套接所述螺纹传动轴，所述孔用卡簧抵在轴承一的外壁和通孔的内壁之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于离心质量块的直升机旋翼桨叶变下反桨尖驱动机构，其特征在于，所述下反桨尖驱动机构还包括轴承装配单元，所述轴承装配单元包括套筒、键一、键二、轴承座、轴承挡板、轴承套和一对轴承二；

所述螺纹传动轴通过套筒与减速器的输出轴固定相连，所述键一设于套筒和减速器的输出轴之间，所述键二设于套筒和螺纹传动轴之间，使得螺纹传动轴与减速器的输出轴同步旋转；

所述轴承座固定连接在电机架朝向桨尖作动器单元的一侧，所述轴承挡板垂直于螺纹传动轴设置、且固定相连在轴承座朝向桨尖作动器单元的一侧，一对所述轴承二均连接在轴承座和螺纹传动轴之间、且其中一个轴承二抵在轴承挡板上，所述轴承套套接所述螺纹传动轴、且位于一对轴承二之间。

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