CN112478154A - 一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，包括：电驱动组件，用于带动桨叶高速旋转；旋翼桨操纵组件，用于实现旋翼桨的总距调节及周期变距；倾转组件，用于带动电驱动组件和旋翼桨操纵组件转动；所述电驱动组件与所述旋翼桨操纵组件连接，所述电驱动组件中的旋翼桨轴设置于旋翼桨操纵组件的中心，两个所述旋翼桨操纵组件分别设置于所述倾转组件的左右两端，所述桨叶的弦长、扭角和翼型沿半径方向不断变化。

Description

一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨。

背景技术

倾转旋翼机是在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处，各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转组件组件，当飞机垂直起飞和着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈横列式直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞，在倾转旋翼机起飞达到一定速度后，旋翼轴可向前或者向后倾转90°角，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨或者推力螺旋桨使用，此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行，即倾转旋翼机的动力系统同时具备螺旋桨和旋翼的双重功能。

固定翼飞机一般采用螺旋桨作为其动力装置，直升机一般采用旋翼作为动力装置，螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器；旋翼是直升机的重要部件，在直升机飞行过程中，旋翼起产生升力和拉力双重作用；旋翼由桨毂和数片桨叶构成，桨毂安装在旋翼轴上，形如细长机翼的桨叶则连在桨毂上，但普通的旋翼的旋翼轴一般都是沿竖直方向设置，不能旋转到水平方向。

与之对应，倾转旋翼机则采用旋翼桨或者桨旋翼作为动力装置。本专利将应用于倾转旋翼机上，既能够为倾转旋翼机提供水平拉力以克服全机气动阻力实现其高速平飞，又能够提供垂直拉力以克服地球引力以实现倾转旋翼机垂直起降和稳定悬停的动力装置定义为旋翼桨或者桨旋翼，其旋翼的旋翼轴可沿竖直方向，也可旋转到水平方向，从而与普通的旋翼区分开来。

然而，对旋翼倾转机而言，由于其既能够垂直起降和空中悬停，又能够高速平飞，两种状态对应的飞行速度差别较大，另外一方面两种状态所需的拉力也相差较大，悬停状态动力系统的拉力等于飞机的总重，前飞状态动力系统的拉力约为飞机总重的十分之一，因此需要对旋翼桨(桨旋翼)的结构以及用于旋翼桨(桨旋翼)的桨叶进行针对性的气动设计，从而满足倾转旋翼机对动力系统要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨(也可称为桨旋翼)，以解决传统倾转旋翼桨机动力源布置困难、操纵机构复杂等问题；采用电机直驱，且设计新型总距、纵向周期变距机构及电动倾转机构，更适合中小型无人倾转旋翼机，结构简单，可靠性高，重量轻；与常规直升机旋翼系统相比，本发明可实现桨叶变距范围更大，满足倾转旋翼机在前飞轴流状态下大桨距的需求。

本发明提供一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，包括：电驱动组件，用于带动桨叶高速旋转；旋翼桨操纵组件，用于实现旋翼桨的总距调节及周期变距；倾转组件，用于带动电驱动组件和旋翼桨操纵组件转动；所述电驱动组件与所述旋翼桨操纵组件连接，所述电驱动组件中的旋翼桨轴设置于旋翼桨操纵组件的中心，两个所述旋翼桨操纵组件分别设置于所述倾转组件的左右两端，所述桨叶的弦长、扭角和翼型沿半径方向不断变化。

进一步地，所述旋翼桨的桨叶的扭角小于相同条件下螺旋桨的桨叶的扭角，同时大于旋翼的桨叶的扭角。

进一步地，所述旋翼桨的直径小于相同要求条件下螺旋桨的直径，同时大于相同条件下旋翼的直径。

进一步地，所述桨叶的周期变距的角度范围为-20°-20°。

进一步地，所述电驱动组件包括电机和旋翼桨轴，旋翼桨轴与电机的输出轴连接。

进一步地，所述电驱动组件还包括电机调速器，所述电机调速器和所述电机固定连接，所述电机调速器用于控制所述电机的转速调节。

进一步地，所述旋翼桨操纵组件为单向变距机构。

进一步地，所述旋翼桨操纵组件包括机架、舵机、舵机摇臂、第二连杆、下扭力臂杠杆、下扭力臂支座、下扭力臂连杆、倾斜器外环、倾斜器内环组件、第一上扭力臂、第二上扭力臂、上扭力臂卡箍、第一连杆、桨夹、桨毂；所述舵机和下扭力臂支座与所述机架固定连接；所述舵机、舵机摇臂、第二连杆和下扭力臂杠杆依次连接；所述下扭力臂杠杆同时与下扭力臂支座、下扭力臂连杆铰接，下扭力臂连杆与倾斜器外环铰接；所述倾斜器内环组件的外侧与倾斜器外环铰接，内侧与所述旋翼桨轴通过球铰连接；所述倾斜器内环组件通过第一连杆与所述桨夹的摇臂的连接；所述倾斜器内环组件、第一上扭力臂、第二上扭力臂、上扭力臂卡箍依次连接；所述上扭力臂卡箍与所述旋翼桨轴固定连接；所述桨夹与桨毂铰接，桨毂与所述旋翼桨轴铰接。

进一步地，所述倾转组件包括依次连接的倾转舵机座、倾转舵机、操纵杆、倾转轴承、倾转杆；倾转杆的左右两端分别固定连接一个管接头，所述管接头与所述旋翼桨操纵组件的机架固定连接。

进一步地，所述倾转舵机为直线舵机，其作动行程可使所述电驱动组件和旋翼桨操纵组件的转动范围达到0°-95°。

本发明有益效果：本发明的旋翼桨采用电机直驱，且设计新型总距、纵向周期变距机构及电动倾转机构，更适合中小型无人倾转旋翼机，结构简单，可靠性高，重量轻；与常规直升机旋翼系统相比，本发明的旋翼桨可实现桨叶变距范围更大，满足倾转旋翼机在两个状态飞行的动力需求；在几何和运动特征上，螺旋桨的直径较小、扭转角较大、转速较高，旋翼的直径较大、扭转角较小、转速较低，而本发明所提出的旋翼桨直径、扭转角和转速介于螺旋桨和旋翼之间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨组成示意图；

图2为桨叶的结构示意图；

图3为电驱动组件组成示意图；

图4为旋翼桨操纵组件组成示意图；

图5为倾转组件组成示意图。

附图标记说明：

100-电驱动组件；101-电机调速器；102-电机；103-联轴器；104-旋翼桨轴；200-旋翼桨操纵组件；201-机架；202-下扭力臂支座；203-下扭力臂杠杆；204-下扭力臂连杆；205-倾斜器内环组件；206-第一上扭力臂；207-第二上扭力臂；208-桨夹；209-桨毂；210-上扭力臂卡箍；211-第一连杆；212-倾斜器外环；213-舵机；214-第二连杆；215-舵机摇臂；300-倾转组件；301-倾转舵机座；302-倾转舵机；303-操纵杆；304-倾转轴承；305-倾转杆；306-管接头；400-桨叶。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨(也可称为桨旋翼)，包括电驱动组件100、旋翼桨操纵组件200、倾转组件300和桨叶400，电驱动组件100用于带动桨叶400高速旋转；旋翼桨操纵组件200可调节桨叶400的安装角，用于旋翼桨的总距调节及纵向周期变距；倾转组件300用于带动电驱动组件100和旋翼桨操纵组件200转动。电驱动组件100与旋翼桨操纵组件200连接，旋翼桨操纵组件200设置于倾转组件300的左右两端。

参见图2，桨叶400的弦长、扭角和翼型沿半径方向不断变化。

桨叶的扭角，是指翼型弦线和桨叶旋转平面之间的夹角，它随半径变化而变化，其变化规律是影响旋翼桨、螺旋桨和旋翼的工作性能最主要的因素。

旋翼桨的桨叶扭角小于相同条件下螺旋桨的桨叶扭角，同时大于旋翼的桨叶扭角，从而满足倾转旋翼机悬停、过渡和高速前飞时的拉力要求，提高旋翼桨的气动效率。

旋翼桨的直径、螺旋桨的直径、旋翼的直径皆为桨叶的叶梢轨迹圆的直径。旋翼桨的直径小于相同要求条件下螺旋桨的直径，同时大于相同条件下旋翼的直径，保证倾转旋翼机可在固定翼状态降落，同时尽可能提高直升机状态的气动效率。

参见图3，所述电驱动组件100包括电机调速器101、电机102、联轴器103和旋翼桨轴104；电机调速器101和电机102固定连接，电机调速器101用于控制电机102的转速调节，旋翼桨轴104和电机102通过联轴器103连接在一起，用于向旋翼桨轴104传递电机102产生的扭矩。

参见图4，旋翼桨操纵组件200包括机架201、下扭力臂支座202、下扭力臂杠杆203、下扭力臂连杆204、倾斜器内环组件205、第一上扭力臂206、第二上扭力臂207、桨夹208、桨毂209、上扭力臂卡箍210、第一连杆211、倾斜器外环212、舵机213、第二连杆214和舵机摇臂215。

机架201用于支撑上述电驱动组件100和旋翼桨操纵组件200的其它零件。下扭力臂支座202与机架201固定连接，用于支撑旋翼桨轴104。

舵机213、舵机摇臂215、第二连杆214和下扭力臂杠杆203分别为两个，且每个舵机213、舵机摇臂215、第二连杆214和下扭力臂杠杆203依次连接；两个下扭力臂杠杆203分别与下扭力臂支座202的两端铰接；舵机213与机架201固定连接，可驱动舵机摇臂215转动，舵机摇臂215与第二连杆214的一端通过关节轴承连接，第二连杆214的另一端与下扭力臂杠杆203通过关节轴承连接；下扭力臂连杆204的一端与下扭力臂杠杆203铰接，另一端与倾斜器外环212铰接；倾斜器内环组件205外侧与倾斜器外环212铰接，内侧与旋翼桨轴104通过球铰连接；第一上扭力臂206通过关节轴承与倾斜器内环组件205连接；第二上扭力臂207的一端与第一上扭力臂206铰接，另一端与上扭力臂卡箍210铰接，上扭力臂卡箍210与旋翼桨轴104固定连接；桨夹208与桨毂209铰接，用于安装旋翼桨的桨叶；桨毂209与旋翼桨轴104铰接，桨毂209与旋翼桨轴104两者之间有一个转动自由度，用以满足桨叶的挥舞运动；第一连杆211的一端与桨夹208的摇臂通过关节轴承连接，另一端与倾斜器内环组件205通过关节轴承连接。

下扭力臂支座202、下扭力臂杠杆203、下扭力臂连杆204、倾斜器外环212之间的连接关系均为铰接，从而限制了旋翼桨操纵组件200周期变距的方向仅为纵向。

旋翼桨操纵组件200中各组件协调设计，满足桨叶的周期变距的角度范围为-20°-20°。

电驱动组件100中的电机调速器101、电机102与旋翼桨操纵组件200的机架201固定连接，旋翼桨操纵组件200的机架201还与所述倾转组件300的管接头306固定连接。

参见图5，倾转组件300包括倾转舵机座301、倾转舵机302、操纵杆303、倾转轴承304、倾转杆305和管接头306。倾转舵机座301与飞行器机体固定连接作为倾转组件作动的支撑；倾转舵机302一端与倾转舵机座301铰接，另一端与操纵杆303铰接，操纵杆303与倾转杆305固定连接；倾转轴承304的内环与倾转杆305固定连接，倾转轴承304的外环与飞行器机体固定连接；倾转杆305两端与管接头306固定连接，管接头306与旋翼桨操纵组件200的机架201固定连接。

倾转舵机302为直线舵机，其作动行程可使电驱动组件100和旋翼桨操纵组件200的转动范围达到0°-95°。

参见图3-图5，本实施例具体操作过程如下：

参见图3、图4，电机调速器101通电后驱动电机102转动，通过联轴器103带动旋翼桨轴104旋转，旋翼桨轴104带动与之铰接的桨毂209及桨夹208转动，从而带动桨叶转动产生升力。旋翼桨轴104带动上扭力臂卡箍210旋转，与之铰接的第一上扭力臂206、第二上扭力臂207带动倾斜器内环组件205与旋翼桨轴104等速转动，倾斜器内环组件205与旋翼桨轴104的连接方式为球铰，可使倾斜器内环组件205在与旋翼桨轴104转动的同时实现一定角度的倾斜以满足周期变距的需求。

参见图3，两个舵机213使两个舵机摇臂215转动相同或不同的角度，且舵机摇臂215通过带动第二连杆214、下扭力臂杠杆203、下扭力臂连杆204、倾斜器内环组件205、第一上扭力臂206、第二上扭力臂207、桨夹208、第一连杆211、倾斜器外环212、第一连杆211运动，最终使桨夹208绕桨毂209转动，实现旋翼桨的总距调节及纵向周期变距。

参见图5，倾转舵机302作动并推动或拉动操纵杆303，使倾转杆305绕倾转轴承304转动，与倾转杆305固定连接的管接头306带动机架201转动，从而带动电驱动组件100和旋翼桨操纵组件200绕倾转轴承304旋转。

电驱动组件100、旋翼桨操纵组件200和倾转组件300配合，使飞行器在悬停、平飞、倾转过渡过程中满足需要达到的转速、总距、周期变距、倾转角等参数。

当倾转旋翼机高速水平飞行时，电驱动组件100、旋翼桨操纵组件200和桨叶400组成的整体结构在倾转组件300的带动下，绕倾转杆305的轴心转动使得旋翼桨轴104平行于飞行方向，旋翼桨在此状态提供的拉力等于全机气动阻力；

当倾转旋翼机稳定悬停或者垂直升降时，电驱动组件100、旋翼桨操纵组件200和桨叶400组成的整体结构在倾转组件300的带动下，绕倾转杆305的轴心转动使得旋翼桨轴104近似为竖直方向，旋翼桨在此状态提供的拉力等于全机重力。

本发明有益效果：本发明的旋翼桨采用电机直驱，且设计新型总距、纵向周期变距机构及电动倾转机构，更适合中小型无人倾转旋翼机，结构简单，可靠性高，重量轻；与常规直升机旋翼系统相比，本发明的旋翼桨可实现桨叶变距范围更大，满足倾转旋翼机在两个状态飞行的动力需求；在几何和运动特征上，螺旋桨的直径较小、扭转角较大、转速较高，旋翼的直径较大、扭转角较小、转速较低，而本发明所提出的旋翼桨直径、扭转角和转速介于螺旋桨和旋翼之间。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，包括：电驱动组件(100)，用于带动桨叶(400)高速旋转；旋翼桨操纵组件(200)，用于实现旋翼桨的总距调节及周期变距；倾转组件(300)，用于带动电驱动组件(100)和旋翼桨操纵组件(200)转动；所述电驱动组件(100)与所述旋翼桨操纵组件(200)连接，所述电驱动组件(100)中的旋翼桨轴(104)设置于旋翼桨操纵组件(200)的中心，两个所述旋翼桨操纵组件(200)分别设置于所述倾转组件(300)的左右两端，所述桨叶(400)的弦长、扭角和翼型沿半径方向不断变化。

2.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述旋翼桨的桨叶的扭角小于相同条件下螺旋桨的桨叶的扭角，同时大于旋翼的桨叶的扭角。

3.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述旋翼桨的直径小于相同要求条件下螺旋桨的直径，同时大于相同条件下旋翼的直径。

4.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述桨叶(400)的周期变距的角度范围为-20°-20°。

5.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述电驱动组件(100)包括电机(102)和旋翼桨轴(104)，旋翼桨轴(104)与电机(102)的输出轴连接。

6.根据权利要求5所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述电驱动组件(100)还包括电机调速器(101)，所述电机调速器(101)和所述电机(102)固定连接，所述电机调速器(101)用于控制所述电机(102)的转速调节。

7.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述旋翼桨操纵组件(200)为单向变距机构。

8.根据权利要求6所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述旋翼桨操纵组件(200)包括机架(201)、舵机(213)、舵机摇臂(215)、第二连杆(214)、下扭力臂杠杆(203)、下扭力臂支座(202)、下扭力臂连杆(204)、倾斜器外环(212)、倾斜器内环组件(205)、第一上扭力臂(206)、第二上扭力臂(207)、上扭力臂卡箍(210)、第一连杆(211)、桨夹(208)和桨毂(209)；所述舵机(213)和下扭力臂支座(202)与所述机架(201)固定连接；所述舵机(213)、舵机摇臂(215)、第二连杆(214)和下扭力臂杠杆(203)依次连接；所述下扭力臂杠杆(203)同时与下扭力臂支座(202)、下扭力臂连杆(204)铰接，下扭力臂连杆(204)与倾斜器外环(212)铰接；所述倾斜器内环组件(205)的外侧与倾斜器外环(212)铰接，内侧与所述旋翼桨轴(104)通过球铰连接；所述倾斜器内环组件(205)通过第一连杆(211)与所述桨夹(208)的摇臂的连接；所述倾斜器内环组件(205)、第一上扭力臂(206)、第二上扭力臂(207)、上扭力臂卡箍(210)依次连接；所述上扭力臂卡箍(210)与所述旋翼桨轴(104)固定连接；所述桨夹(208)与桨毂(209)铰接，桨毂(209)与所述旋翼桨轴(104)铰接。

9.根据权利要求1所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述倾转组件(300)包括依次连接的倾转舵机座(301)、倾转舵机(302)、操纵杆(303)、倾转轴承(304)、倾转杆(305)；倾转杆(305)的左右两端分别固定连接一个管接头(306)，所述管接头(306)与所述旋翼桨操纵组件(200)的机架(201)固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种适用于倾转旋翼机的旋翼桨，其特征在于，所述倾转舵机(302)为直线舵机，其作动行程可使所述电驱动组件(100)和旋翼桨操纵组件(200)的转动范围达到0°-95°。

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