CN112407241B - 一种旋转折叠机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转折叠机构，包括翼轴、扭簧和拉簧，所述的翼轴一端为铰链座，另一端为空心圆管结构；飞行器翼的翼根与所述翼轴的铰链座铰接，翼轴上安装有扭簧，提供翼绕铰接轴转动向飞行器主体外展开的动力；所述圆管远离铰链座的一端设有至少一个沿周向的斜面，与飞行器主体上的销配合，使得翼轴绕圆管轴线旋转时，翼轴伸出或缩入飞行器主体；所述的翼轴与飞行器主体之间连接有拉簧，提供翼轴缩入飞行器主体的动力。本发明能够沉入飞行器主体，减少飞行时的气动阻力。

Description

一种旋转折叠机构

技术领域

本发明属于航空航天系统技术领域，涉及一种用于无人飞行器的翼或舵的旋转折叠机构。

背景技术

无人飞行器的翼或舵(文中统称为翼)的折叠方式主要为三种：横向折叠、纵向折叠(嵌入式)和旋转折叠。前两种应用较普遍，而旋转折叠应用较少，只见应用于一些翼展相对较大的小型无人飞行器的折叠翼。对于展弦比较大的翼或舵，使用横向折叠会导致翼面多次折叠且相互干涉，使用纵向折叠会因为过多占用飞行器内的空间从而破坏无人飞行器的设计布局。因此，横向折叠和纵向折叠两种方式均不适合，展弦比较大的翼适宜使用旋转折叠方式。

典型的旋转折叠机构有两个运动自由度。

一个是翼面本身在根部沿过翼面垂直于飞行器主体轴线方向的纵轴进行的90°旋转运动，即翼面本身的折叠或展开运动。该轴线为铰链所在位置。展开运动利用杠杆原理，通过由压缩弹簧或作动筒驱动的活塞，在根部推动已折叠的翼面实现绕铰链轴线旋转。又通过限位块或某种类型的锁定装置实现90°旋转之后的到位锁定，最终实现翼面本身的展开。反方向的运动是翼面本身的折叠运动，当松开锁定装置时由手动反向转动实现。

另一个是以翼安装处的垂直于飞行器主体轴线方向的纵轴为轴线的旋转运动。当翼面仅本身折叠时，翼与飞行器主体轴线呈垂直状态，此时需要翼整体绕翼安装处纵轴再旋转90°，才能使翼与飞行器主体重合，达到折叠的最终效果。展开动力为平面涡卷弹簧，又名发条弹簧，拧紧后释放时会带动穿在中心的轴自动旋转。

目前典型的旋转折叠机构的问题是折叠机构外露部分不能沉入飞行器主体。折叠运动需要通过机构实现，相关机构外形复杂，即使经过优化也不可能达到翼的截面的气动特性。相关机构中，涡卷弹簧等部分可设计在飞行器主体之内，但翼面本身折叠的铰链结构等部分无可避免地会露在飞行器主体之外，破坏了无人飞行器的气动外形，增加了气动阻力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种旋转折叠机构，能够沉入飞行器主体，减少飞行时的气动阻力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋转折叠机构，包括翼轴、扭簧和拉簧。

所述的翼轴一端为铰链座，另一端为空心圆管结构；飞行器翼的翼根与所述翼轴的铰链座铰接，翼轴上安装有扭簧，提供翼绕铰接轴转动向飞行器主体外展开的动力；所述圆管远离铰链座的一端设有至少一个沿周向的斜面，与飞行器主体上的销配合，使得翼轴绕圆管轴线旋转时，翼轴伸出或缩入飞行器主体；所述的翼轴与飞行器主体之间连接有拉簧，提供翼轴缩入飞行器主体的动力。

所述的翼轴上设置有限位结构，与翼根上的凸榫结构配合，将翼向飞行器主体外展开的最大转动角度限制在90°。

所述的翼轴中部为圆盘结构，圆盘外径比另一端的圆管外径大，且与圆管同轴；所述飞行器主体外壁开孔，所述圆盘外径与开孔内径相同，引导翼轴沿开孔伸出或缩入飞行器主体。

所述的翼轴上设置有锁位板簧，锁位板簧前端为弯曲的弹片结构，自由状态时与后端的主体不在同一平面，后端与翼轴铰链座固连；在翼的折叠状态，锁位板簧前部弹片被翼根压在其主体平面内，不限制翼的转动；当翼展开到位时，弹片脱离翼根压制，自由释放从而挡住翼实现锁定。

所述的翼轴在圆管末端设置有轴对称的两个螺旋斜面。

所述的翼轴中部开有径向的贯穿孔，穿过贯穿孔的圆柱销与固定在飞行器主体上的圆柱销之间连接拉簧。

所述的翼轴与翼根的铰接轴采用螺钉销和螺母销组合形成的中间细两端粗的阶梯轴，阶梯轴两端面有耳片，阶梯轴两端安装扭簧，耳片用于防止扭簧脱落。

所述的扭簧采用平列双扭弹簧，所述的拉簧采用圆钩环扭中心拉伸弹簧。

本发明的有益效果是：

1）利用螺旋运动，使折叠机构能伸出和沉入飞行器主体，解决了旋转折叠机构展开后部分机构外露的问题，展开后机构完全沉入飞行器主体，减小了无人飞行器飞行时的气动阻力。

2）在翼本身的折叠方面，通过螺钉销、螺母销及翼轴和翼根上的孔构成铰链结构，实现翼的绕轴旋转。通过翼根上的凸榫和翼轴上的限位螺钉，实现了翼旋转角度的限幅，将最大旋转角度限制90°。通过锁位板簧前端的弹片结构实现了旋转到位锁定，通过扭簧提供了翼本身展开运动的动力。

3）在折叠翼整体旋转方面，通过翼轴下部两个螺旋斜面及固定在飞行器主体的圆柱销实现了螺旋运动，通过两个螺旋斜面的过度面及固定在飞行器主体的圆柱销实现了逆时针旋转限幅，通过翼轴中部的圆盘及圆盘底部的圆柱销与飞行器主体配合可实现顺时针旋转限幅及到位锁定，通过拉簧提供了折叠翼整体旋转复位运动时的动力。

4）最终使折叠翼的展开或折叠具有三个运动自由度，实现展开后机构完全沉入飞行器主体，只留翼面露在飞行器主体之外，解决了通常旋转折叠机构展开后部分机构外露的问题。

附图说明

图1是本发明的零部件示意图；

图2是本发明的折叠状态效果图；

图3是翼轴结构示意图；

图4是扭簧结构示意见图；

图5是拉簧结构示意见图；

图6是板簧结构示意见图；

图7是螺母销结构示意见图；

图8是螺钉销结构示意见图；

图9是翼根结构示意见图；

图10是翼面结构示意见图；

图中，1-翼；2-翼轴；3-扭簧；4-螺钉M3×20-锌片涂层；5-销4×16-B-磷化；6-销4×26-B-磷化；7-拉簧；8-垫片；9-板簧；10-螺母销；11-螺钉销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种飞行器翼面的旋转折叠机构，将旋转折叠翼沿安装处垂直于飞行器主体轴线方向的纵轴的旋转运动，改为螺旋运动。由一个旋转自由度变为一个旋转加一个平动共两个自由度，将机构原不得不外露的部分沉入飞行器主体，消除机构外露部分的不利影响。

之所以目前无人飞行器典型的旋转折叠机构只有两个运动自由度，是因为对气动特性要求高的高速无人飞行器一般本身翼或舵的面积较小没必要使用旋转折叠，而通常使用了旋转折叠的小型无人飞行器，因内部空间有限而增加一个下沉的平动自由度牺牲过大，而且该类飞行器一般速度较低对机构外露部分增加的气动阻力不敏感。

但随着无人飞行器技术的发展，会有多样的需求。本旋转折叠机构的设计就是为了解决实际研发过程中一个既要求折叠效率高又要求折叠机构不能外露的飞行器翼的实际问题。

构成本发明所必需的零部件包括：翼、翼轴、螺钉销、螺母销、扭簧（平列双扭弹簧）、2个圆柱销、拉簧（圆钩环扭中心拉伸弹簧）、锁位板簧等，见图1。

翼由翼面和翼根两部分焊接而成。翼面为六边形截面带后略角的飞行器翼结构，是翼的主体。翼根用于与翼轴、螺钉销、螺母销等零件连接。在翼根中心开有销孔，该孔轴线是翼本身折叠的轴线。翼根上有起限位作用的凸榫结构，当卡在翼轴的限位螺钉上时，将翼本身折叠的最大转动角度限制在90°。

翼轴整体加工而成，从结构上可分为三段，上部为双耳铰链座，中部为圆盘，下部为空心圆管结构。中部圆盘比下部空心圆管直径大，且与下部圆管同轴，形成阶梯轴，插入飞行器主体，相对飞行器主体可旋转和向上拉起。

在翼轴上部双耳铰链座的两耳之间插入翼根和锁位板簧，在对应的孔位穿过由螺钉销、螺母销构成的销子组件后，翼轴可以相对其它零件旋转，形成铰链结构。该铰链是翼本身折叠的转轴。

翼轴下部空心圆管的轴线是翼整体结构旋转的轴线。圆管底部形状为轴对称的两个螺旋斜面，两个螺旋斜面由共轴同半径的两个半圆柱面过渡和连接。该两处半圆柱面与固定在飞行器主体上的一个圆柱销配合。不考虑旋转角度限制，在翼轴顺时针连续旋转时，会因为斜面与圆柱销的接触，使被翼轴被固定在飞行器主体上的圆柱销顶起，周期性地沿轴线方向作往复运动。当翼轴逆时针旋转时，翼轴会沿着螺旋面螺旋下沉，直至翼轴两个螺旋斜面之间的半圆柱过渡面与圆柱销表面重合被限制运动为止。

翼轴中部圆盘结构的底部开有用于装圆柱销的贯穿孔。该处安装的圆柱销与固定在飞行器主体上的圆柱销之间连接拉簧（圆钩环扭中心拉伸弹簧）。拉簧是折叠翼整体展开及旋转过程中翼轴逆时针旋转运动的动力源。翼轴中部圆盘状结构底部的圆柱销和下部空心圆管同宽，圆盘结构上对应的孔在两端各空出一段槽。如上文所述，翼轴两个螺旋斜面之间的半圆柱过渡面只能在到位时限制逆时针旋转运动的幅度。而圆盘状结构底部的槽，也用于落入飞行器主体上相应的限位块时实现顺时针转动幅度的限制。除非人工克服弹簧的拉力将翼轴拉起进行折叠，否则螺旋面和旋转限幅会将翼轴锁定。

螺钉销、螺母销组合起来是翼本身折叠的转轴，为中间细两侧略粗的阶梯轴，两端有耳片。中部轴穿翼轴，两侧略粗处安装扭簧（平列双扭弹簧），两端耳片用于防止扭簧脱落。之所以拆分成两个零件，是因为两端大而中间细，拆分后便于装配。

扭簧在结构形式上属于典型的平列双扭弹簧。两侧各一组弹簧圈，中间长臂连在一起，两端有挂钩。弹簧圈穿在螺钉销、螺母销组合的轴上，挂钩由细长的限位螺钉固定在翼轴上，中间的长臂顶在翼上。当需要折叠的为翼本身时，人工压下翼，扭簧变形，扭簧不限位翼沿铰链的旋转但产生了抗力。当翼本身展开时，扭簧驱动翼弹起展开。

拉簧在结构形式上属于典型的圆钩环扭中心拉伸弹簧。两端有挂钩，分别与安装在飞行器主体的圆柱销和安装在翼轴上的圆柱销连接。是折叠翼展开时整体旋转的驱动动力源。

锁位板簧结构上分为前后两部分，在底部连通。前端为弯曲的弹片结构，自由状态时与后端的主体不在同一平面。后端主体部分的平面结构与翼轴铰链座的耳片基本相同，作为垫片与翼根一起安装在翼轴铰链座的两个耳片之间。锁位板簧用于翼本身展开时的到位锁定。因为翼根上的凸榫卡在限位螺钉上时，将翼本身折叠的最大转动角度限制在90°，但并不限制翼根的反向运动。该反向运动由锁位板簧限位锁定。在翼的折叠状态，锁位板簧前部弹片始终被翼根压在其主体的平面内，不限制翼的转动。当翼展开到位时，弹片脱离翼根压制，自由释放从而挡住翼实现锁定。折叠时，人工按压前端弹片结构解锁。

下面以一个小型无人飞行器中部的折叠翼为例，该折叠翼后略角为20°，要求气动外形平滑，尽量减少外部凸起。折叠状态下要完全折叠，以放入圆形的发射筒。

因翼较长，不能采用嵌入式纵向折叠。因为要求完全折叠以放入圆形的发射筒，也不能采用横向折叠。普通的旋转折叠不能满足气动外形要求。于是将普通旋转折叠中的整体旋转运动改为螺旋运动，使折叠机构沉入飞行器主体，只留翼面露在飞行器主体之外。

翼面为扁六边形截面结构，宽度约42mm，翼展为150mm，后略角为20°，材质为防锈铝5A06。翼根材料同为防锈铝5A06，中间开有直径约4mm的通孔，凸榫部位半径1.5mm的圆弧在翼展开到位时与翼轴上的M3×20螺钉配合从而实现最大旋转角度限制在90°。翼面与翼根由氩弧焊焊接在一起。

翼轴材料也为防锈铝5A06。顶部耳片结构铰链孔直径为4.5mm。中部圆盘段直径为27mm，高度为6mm。底部空心圆管外径为18mm，内径为12mm，底部螺旋面螺距为30mm。斜面最大支持旋转角度约116°（最大旋转角度限制为110°）。两个螺旋面之间的过度圆柱面直径为4mm。螺旋面表面涂有二硫化钼以提高摩擦性能。

穿在翼轴中部圆盘段的圆柱销及与翼轴底部螺旋面接触的固定在舱体上的圆柱销直径均为4mm，表面磷化处理。

螺钉销、螺母销组合后，中段直径为4mm，与翼根4mm孔配合。两侧段直径为4.5mm，与翼轴耳片结构的铰链孔配合，同时也是扭簧的导杆。

扭簧为平列双扭弹簧，中径为8mm，钢丝直径为1mm，弹簧的两组弹簧总圈数各为4，导杆直径为4.5mm。两组簧圈间距为11mm，中间连臂长约14mm。钢丝材料为65Mn。

拉簧为圆钩环扭中心拉伸弹簧，中径为8mm，钢丝直径为1.6mm，有效圈数为4，自由长度为20.8mm，初拉力为23.6N。钢丝材料为65Mn。

锁位板簧的弹片部分宽2.4mm，长7.3mm，自由状态偏离后端主体平面0.6mm。弹片部分开有2处直径1mm的孔，填充高出弹片平面0.8mm的巴氏合金材料，以提高摩擦性能。锁位板簧的材料为1.2mm的65Mn钢带。

在锁位板簧与翼根之间还有1个外径7.5mm、内径4.1mm的垫片。理论厚度为0.8mm，用于调节因同批零件个体加工差异导致装配后间隙存在差异的问题。当间隙过小旋转阻力增大时修磨垫片，当间隙过大时适当弯曲垫片以减小间隙。弹片材料为45#钢，硬度为HRC30。

该实例在研制中通过模型产品对该折叠机构进行了验证，能可靠地展开和锁定，折叠机构工作正常。

该实例中该折叠机构在展开后将外露机构部分沉入了飞行器主体，经理论分析可减少气动阻力3％。

该实例中该翼后略角为20°，对应翼轴下部的螺旋斜面可旋转角度略大于110°。当改变螺旋斜面的螺距和螺旋长度时，理论上可实现（-90°，90°）区间内任意后掠角度翼的折叠。

该实例中翼折叠后的尺寸仅为展开时尺寸的2.67％。当翼展越长时，折叠后翼所占的尺寸与翼展相比就越小。翼折叠后紧贴飞行器主体，在翼不沉入飞行器主体的情况下已达到折叠的最高效率。

Claims (5)

1.一种旋转折叠机构，包括翼轴、扭簧和拉簧，其特征在于，所述的翼轴一端为铰链座，另一端为空心圆管结构；飞行器翼的翼根与所述翼轴的铰链座铰接，翼轴上安装有扭簧，提供翼绕铰接轴转动向飞行器主体外展开的动力；所述圆管远离铰链座的一端设有至少一个沿周向的斜面，与飞行器主体上的销配合，使得翼轴绕圆管轴线旋转时，翼轴伸出或缩入飞行器主体；所述的翼轴与飞行器主体之间连接有拉簧，提供翼轴缩入飞行器主体的动力；

所述的翼轴中部为圆盘结构，圆盘外径比另一端的圆管外径大，且与圆管同轴；所述飞行器主体外壁开孔，所述圆盘外径与开孔内径相同，引导翼轴沿开孔伸出或缩入飞行器主体；

所述的翼轴上设置有锁位板簧，锁位板簧前端为弯曲的弹片结构，自由状态时与后端的主体不在同一平面，后端与翼轴铰链座固连；在翼的折叠状态，锁位板簧前部弹片被翼根压在其主体平面内，不限制翼的转动；当翼展开到位时，弹片脱离翼根压制，自由释放从而挡住翼实现锁定；

所述的翼轴中部开有径向的贯穿孔，穿过贯穿孔的圆柱销与固定在飞行器主体上的圆柱销之间连接拉簧。

2.根据权利要求1所述的旋转折叠机构，其特征在于，所述的翼轴上设置有限位结构，与翼根上的凸榫结构配合，将翼向飞行器主体外展开的最大转动角度限制在90°。

3.根据权利要求1所述的旋转折叠机构，其特征在于，所述的翼轴在圆管末端设置有轴对称的两个螺旋斜面。

4.根据权利要求1所述的旋转折叠机构，其特征在于，所述的翼轴与翼根的铰接轴采用螺钉销和螺母销组合形成的中间细两端粗的阶梯轴，阶梯轴两端面有耳片，阶梯轴两端安装扭簧，耳片用于防止扭簧脱落。

5.根据权利要求1所述的旋转折叠机构，其特征在于，所述的扭簧采用平列双扭弹簧，所述的拉簧采用圆钩环扭中心拉伸弹簧。