CN112455651B - 基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构 - Google Patents

Abstract

基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，本发明涉及一种仿生翼折展机构，本发明为解决机翼的可靠变形问题，从而改善飞行器性能的问题，本发明包括小齿轮、大齿轮、电机和弹体，弹体设有内腔，电机通过安装座安装在弹体的内腔上部，电机的输出轴与小齿轮连接，小齿轮与大齿轮啮合，所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括丝杠传动组件、两个外翼组件和两个直线滑动组件，大齿轮与丝杠传动组件连接，丝杠传动组件的两端分别通过直线滑动组件与所述外翼组件连接，所述外翼组件通过丝杠传动组件实现展开和收拢。本发明丝杠自锁方案具备传动环节少、占用空间小、整体质量可控、比较容易密封等优点。

Description

基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构

技术领域

本发明涉及一种仿生翼折展机构，具体涉及一种基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，本发明属于航天器材与设备技术领域。

背景技术

传统的飞行器由于几何形状基本确定不变，其系统模型是基本固定的，在相同的大气环境中，只能做一些特定的飞行和完成一些专门的任务。随着军事和民用领域对飞行器的应用日趋复杂化，迫切需要一种能够有更大的飞行空域和速域，能够高低空、高低速兼顾，甚至从地面起飞、穿越大气层飞行，以执行各种侦察和打击等复杂任务的飞行器。传统的飞行器很难适应如此广泛的飞行环境参数变化，并始终保持优良的性能。可变形飞行器是一种全新概念的多用途、多形态飞行器，能够根据飞行环境、飞行剖面和作战任务等的需要进行自适应变形，使飞行航迹、飞行高度和飞行速度等机动多变、灵活自如，以发挥飞行器最优的飞行性能。可变形飞行器不仅可以应用到传统的民用飞机、小型无人机上，使其经济效益更加突出。战争中将其运用到导弹上，在激烈的敌我对抗和复杂的战争环境中可极大提高导弹的飞行性能，实现精确打击作战能力。

正是因为变形飞行器诱人的前景,美国国家航空航天局(NASA)、国防部高级研究计划局(DARPA)、欧空局等研究机构都成立了专项小组,对其进行预研,并取得了许多研究成果。目前，已经设计研发出各类原理样机，并且变形飞行器主要体现在各类变形战斗机和巡航导弹的应用。美国生产的F-111，F-14战斗机以及B-1轰炸机等均具有变后掠能力，XB-70超声速轰炸机翼尖可向下弯曲，制造压缩升力。除美国外，俄罗斯也拥有一些变后掠飞机，包括米格-23战斗机、苏-24战斗轰炸机等。除此之外，英、德等国也投入了巨资开展了变形飞行器领域的研究。

目前，变形飞行器的变形主要体现在机翼的变形，例如翼的平面形状发生变化，包括改变机翼面积、改变机翼展长、改变后掠角等；还有改变机翼的弦长，改变翼型弯度、厚度、扭转角等。这种机翼的变形可以很好的改善飞行器的性能，大型无人机或导弹在跨声速飞行时，通过后掠角变化可以减小飞行阻力；无人机在侦察盘旋时以小后掠角、在发现潜在目标时增大后掠角实现快速打击。战斧巡航导弹采用变展长弹翼，可以较大的增加巡航航程。通过翼形的变化能够较好的改善中低速战斗机、导弹的气动性能以及机动性。目前的变形飞行器主要以低速飞行为主，不涉及到热防护的问题，如何能够在满足热防护、热结构设计条件下实现超高声速飞行器的变形将面临更大的技术挑战。

发明内容

本发明为解决机翼的可靠变形问题，从而改善飞行器性能的问题，提供一种基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明包括小齿轮、大齿轮、电机和弹体，弹体设有内腔，电机通过安装座安装在弹体的内腔上部，电机的输出轴与小齿轮连接，小齿轮与大齿轮啮合，所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括丝杠传动组件、两个外翼组件和两个直线滑动组件，大齿轮与丝杠传动组件连接，丝杠传动组件的两端分别通过直线滑动组件与所述外翼组件连接，所述外翼组件通过丝杠传动组件实现展开和收拢。

进一步地，所述丝杠传动组件包括丝母、第一丝杠、第二丝杠和两个滚动轴承，大齿轮套装在丝母上，丝母的两端分别套装有滚珠轴承，每个滚珠轴承设有轴承端盖，丝母的一端与第一丝杠连接，丝母的另一端与第二丝杠连接，丝母、第一丝杠和第二丝杠均为中空圆杆，第一丝杠的直径小于第二丝杠的直径，第二丝杠的直径小于丝母的直径。

进一步地，第一丝杠和第二丝杠的外圆面上各设有三条导向槽，导向槽沿长度方向的中心线与第一丝杠沿长度方向的中心线平行。

进一步地，所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构密封环，密封环套装在轴承端盖上。

进一步地，所述每个直线滑动组件包括锡青铜滑套、直线滑轨和丝杠端头，第一丝杠和第二丝杠的外侧端分别通过丝杠端头与锡青铜滑套铰接，锡青铜滑套与直线滑轨滑动连接。

进一步地，所述每个外翼组件包括固定翼、转动翼和回转轴，两个转动翼相对设置在弹体的两侧，直线滑轨安装在转动翼的内侧壁上部，固定翼的内侧壁与弹体外侧壁的下部固定连接，转动翼的下表面与固定翼的上表面搭接，回转轴通过安装座与弹体的侧壁进行固定连接，转动翼的下部通过回转轴与弹体的下部转动连接。

进一步地，所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括柔性蒙皮和蒙皮压条，柔性蒙皮的一侧与弹体的外侧壁连接，柔性蒙皮的另一侧通过蒙皮压紧条与转动翼的内侧壁连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明丝杠自锁方案具备传动环节少、占用空间小、整体质量可控、比较容易密封等优点；

2、外翼的展开和收拢均可通过丝杠自锁特性实现自锁无需增加单独锁紧机构；

3、本发明所采用的驱动装置为齿轮连续传动，可在展开的任意位置实现锁定，因此变形翼展开后不需要锁定位置，实施方式简单，工作稳定可靠；

4、本发明具有结构紧凑，制造及维护方便的特点。

附图说明

图1是本发明的内部传动的总体结构示意图；

图2是本发明的外部结构工作状态示意图；

图3是本发明的完全展开的状态示意图；

图4是本发明的完全收拢状态示意图；

图5是本发明的蒙皮结构示意图；

图6是回转轴的位置示意图；

图7是直线滑动组件的结构示意图；

图8是丝杠的结构示意图。

小齿轮-1；大齿轮-2；电机-3；弹体-4；丝母-5；第一丝杠-6；第二丝杠-7；滚动轴承-8；密封环-9；锡青铜滑套-10；直线滑轨-11；丝杠端头-12；固定翼-13；转动翼-14；回转轴-15；柔性蒙皮-16；蒙皮压条-17。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，它包括小齿轮1、大齿轮2、电机3和弹体4，弹体4设有内腔，电机3通过安装座安装在弹体4的内腔上部，电机3的输出轴与小齿轮1连接，小齿轮1与大齿轮2啮合，所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括丝杠传动组件、两个外翼组件和两个直线滑动组件，大齿轮2套装在丝杠传动组件上，丝杠传动组件的两端分别通过直线滑动组件与所述外翼组件连接，所述外翼组件通过丝杠传动组件展开或收拢。

大小齿轮模数为1.5，大齿轮齿数为41齿，小齿轮齿数为22齿，大齿轮通过花键与丝母连接，小齿轮通过平键与电机输出轴固定连接。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述丝杠传动组件包括丝母5、第一丝杠6、第二丝杠7和两个滚动轴承8，大齿轮2套装在丝母5上，丝母5的两端分别套装有滚珠轴承8，每个滚珠轴承8设有轴承端盖，丝母5的一端与第一丝杠6连接，丝母5的另一端与第二丝杠7连接，丝母5、第一丝杠6和第二丝杠7均为中空圆杆，第一丝杠6的直径小于第二丝杠7的直径，第二丝杠7的直径小于丝母5的直径。

第一丝杠6和第二丝杠7为普通T型丝杠，T型牙型角为30度，导程24mm，3线程螺旋，螺距为8mm，电机3通过齿轮传动将扭矩传递给丝母5，私服电机安装座安装在弹体4内腔，丝杠丝母传动可将转动动力转化为直线推力，丝母5为定向转动，丝杠为直线运动，丝杠外端与转动翼14连接，推动转动翼展开。轴承端盖具备三个功能，1.定位轴承及丝母，轴向限位功能，2.安装密封环，3.为丝杠直线运动进行导向。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式第一丝杠6和第二丝杠7的外圆面上各设有三条导向槽，导向槽沿长度方向的中心线与第一丝杠6沿长度方向的中心线平行。

导向槽和的宽度为4mm，轴承端盖设有与三条导向槽配合的凸起，导向槽与轴承端盖进行配合，限制第一丝杠6和第二丝杠7转动，只能按照导向槽进行直线运动。为了保证两侧外翼同步展开，第一丝杠6和第二丝杠7需要同轴布局，第一丝杠6和第二丝杠7的运动长度为350mm，整个弹体4最大直径为420mm,考虑同轴布局及收拢空间限制，收拢状态时两根丝杠需要套装在一起，因此左右两侧丝杠直径不同，壁厚也不相同(为了满足相同的刚度及外翼载荷的变形)，左侧丝杠直径为34mm，右侧丝杠直径为26mm。丝母与丝杠设计思想相同，丝母两侧螺旋位置直径不同，中间为中空圆杆，外圆面有台阶，与轴承及大齿轮进行连接。

其它组成以连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构密封环9，密封环9套装在轴承端盖上。

密封环9可有效实现密封，限制外侧高压气体进入舱体。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述每个直线滑动组件包括锡青铜滑套10、直线滑轨11和丝杠端头12，第一丝杠6和第二丝杠7的外侧端分别通过丝杠端头12与锡青铜滑套10铰接，锡青铜滑套10与直线滑轨11滑动连接。

由于丝杠是直线运动，转动翼14展开时转动展开，因此在丝杠与转动翼14的连接处需要直线滑动组件来防止运动干涉。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述每个外翼组件包括固定翼13、转动翼14和回转轴15，

两个转动翼14相对设置在弹体4的两侧，直线滑轨12安装在转动翼14的内侧壁上部，固定翼13的内侧壁与弹体4外侧壁的下部固定连接，转动翼14的下表面与固定翼13的上表面搭接，回转轴15通过安装座与弹体4的侧壁进行固定连接，转动翼14的下部通过回转轴15与弹体4的下部转动连接。

转动翼14总长度为1935mm，整体采用钛合金TC4材料设计，转动翼14主要与主回转轴及直线滑动组件存在机械接口，转动翼14的下端设计φ10mm的回转轴15安装孔，转动翼14的内侧壁设计一排M3螺纹孔，等距离布置，作用是安装压紧柔性蒙皮。外翼前缘内部进行减重处理。回转轴15为主要承载组件，承载展开后的气动载荷，选用的是直径10mm的GH4169高温合金材料进行加工。

回转轴处采用分层布局实现气密封，转动翼14收拢时，固定翼13可挡住折叠产生的缝隙，转动翼14展开锁定时，固定翼13与转动翼14紧密配合。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括柔性蒙皮16和蒙皮压条17，柔性蒙皮16的一侧与弹体4的外侧壁连接，柔性蒙皮14的另一侧通过蒙皮压紧条17与转动翼14的内侧壁连接。

柔性蒙皮组件包括碳纤维复合材料蒙皮。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

工作原理：

采用电机3驱动，通过大齿轮2传动带动丝母5进行转动，丝母5两端为正反螺旋，丝母5转动带动两端的第一丝杠6和第二丝杠7进行直线运动，推动两个转动翼14进行展开。所选的丝杠螺旋升角满足自锁条件，展开和收拢状态直接依靠丝杠自锁进行锁定。转动翼14展开角度为10度，丝杠传动伸出距离为350mm，其中电机、齿轮传动及丝杠传动组件占弹体腔内尺寸为100×80×400mm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，它包括小齿轮（1）、大齿轮（2）、电机（3）和弹体（4），弹体（4）设有内腔，电机（3）通过安装座安装在弹体（4）的内腔上部，电机（3）的输出轴与小齿轮（1）连接，小齿轮（1）与大齿轮（2）啮合，其特征在于：所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括丝杠传动组件、两个外翼组件和两个直线滑动组件， 大齿轮（2）与丝杠传动组件连接，丝杠传动组件的两端分别通过直线滑动组件与所述外翼组件连接，所述外翼组件通过丝杠传动组件实现展开和收拢；

所述丝杠传动组件包括丝母（5）、第一丝杠（6）、第二丝杠（7）和两个滚动轴承（8），大齿轮（2）套装在丝母（5）上，丝母（5）的两端分别套装有滚珠轴承（8），每个滚珠轴承（8）设有轴承端盖，丝母（5）的一端与第一丝杠（6）连接，丝母（5）的另一端与第二丝杠（7）连接，丝母（5）、第一丝杠（6）和第二丝杠（7）均为中空圆杆，第一丝杠（6）的直径小于第二丝杠（7）的直径，第二丝杠（7）的直径小于丝母（5）的直径；

所述每个直线滑动组件包括锡青铜滑套（10）、直线滑轨（11）和丝杠端头（12），第一丝杠（6）和第二丝杠（7）的外侧端分别通过丝杠端头（12）与锡青铜滑套（10）铰接，锡青铜滑套（10）与直线滑轨（11）滑动连接；

所述每个外翼组件包括固定翼（13）、转动翼（14）和回转轴（15）， 两个转动翼（14）相对设置在弹体（4）的两侧，直线滑轨（11）安装在转动翼（14）的内侧壁上部，固定翼（13）的内侧壁与弹体（4）外侧壁的下部固定连接，转动翼（14）的下表面与固定翼（13）的上表面搭接，回转轴（15）通过安装座与弹体（4）的侧壁进行固定连接，转动翼（14）的下部通过回转轴（15）与弹体（4）的下部转动连接。

2.根据权利要求1所述的基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，其特征在于：第一丝杠（6）和第二丝杠（7）的外圆面上各设有三条导向槽，导向槽沿长度方向的中心线与第一丝杠（6）沿长度方向的中心线平行。

3.根据权利要求1所述的基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，其特征在于：所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构密封环（9），密封环（9）套装在轴承端盖上。

4.根据权利要求1所述的基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构，其特征在于：所述基于丝杠传动自锁方案的柔性仿生翼折展机构还包括柔性蒙皮（16）和蒙皮压条（17），柔性蒙皮（16）的一侧与弹体（4）的外侧壁连接，柔性蒙皮（16）的另一侧通过蒙皮压条（17）与转动翼（14）的内侧壁连接。

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