CN114644122A - 一种混合动力系统、倾转旋翼飞行器和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种本发明的混合动力系统、倾转旋翼飞行器和控制方法，所述混合动力系统包括动力装置、主减速器、换向减速器、传动部件、传动轴和末端减速器，其中，所述动力装置通过所述传动部件连接所述主减速器；所述主减速器的输出轴连接所述换向减速器；所述传动轴的一端连接所述换向减速器，另一端连接所述末端减速器。本发明通过混合动力系统与传动系统的共同作用，解决了倾转旋翼飞行器垂直起降时的最大功率需求问题，以及最高速前飞时的最大功率需求，同时满足倾转旋翼飞行器长航时的巡航飞行要求。本发明整体结构紧凑，系统总体功重比高，具备拓展性与较高的可靠性。

Description

一种混合动力系统、倾转旋翼飞行器和控制方法

技术领域

本发明属于无人机控制领域，具体涉及一种混合动力系统、倾转旋翼飞行器和控制方法。

背景技术

现有技术中，使用纯电动驱动的倾转旋翼无人机，受限于电池的功率密度，在无人机长时间飞行时，电池所提供的航时较短，而使用发动机发电的无人机，需要将发动机提供的电能驱动电机旋转，继而由电机的旋转来带动旋翼进行旋转，从而使无人机能够飞行的，但是，这种提供电能的方式，由于在发动机在发电过程及无人机在使用电能进行运动的用电过程中均存在功率转换，功率转换过程中则存在能量损失，从而使无人机的动力系统总体的使用效率不高，尤其在高原地区使用无人机执行任务时，在无人机面对高原高寒等极限环境要求时，功率转换过程中的能量由于极限环境导致提供的驱动功率更加不足，不能满足所要求的最大前飞速度及最大起飞重量要求，而现有技术中采用大功率电池或发动机，但由于其它条件的限制，功率转换效果也不是太好，导致无人机在执行任务时，驱动功率一直无法满足飞行要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种混合动力系统、倾转旋翼飞行器和控制方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。

一种混合动力系统，所述混合动力系统包括动力装置、主减速器、换向减速器、传动部件、传动轴和末端减速器，

其中，所述动力装置通过所述传动部件连接所述主减速器；

所述主减速器的输出轴连接所述换向减速器；

所述传动轴的一端连接所述换向减速器，另一端连接所述末端减速器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述主减速器包括箱体、动力单元和转换单元，所述箱体罩设在所述动力单元和转换单元的外部。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述动力单元包括电机及其驱动控制模块，所述转换单元为锥齿轮，所述电机设置在所述锥齿轮上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述动力装置为发动机，所述传动部件为离合器，所述离合器的一端连接所述发动机，另一端连接所述主减速器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述末端减速器包括相互连接的锥齿轮组与行星齿轮组。

本发明还提供了一种倾转旋翼飞行器，包括传动系统和混合动力系统，所述混合动力系统与所述传动系统并联设置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述倾转旋翼飞行器还包括散热风扇，所述散热风扇连接主减速器，用于为发动机散热。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述倾转旋翼飞行器包括机载电池，所述机载电池连接主减速器的电机，用于向所述电机提供输入功率。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，末端减速器可围绕传动轴转动，在所述倾转旋翼飞行器垂直起飞时，所述末端减速器垂直向上；在所述倾转旋翼飞行器水平前飞时，所述末端减速器水平向前，与所述倾转旋翼飞行器前飞方向平行。

本发明还提供一种倾转旋翼飞行器的控制方法，所述方法用于对本发明所述的倾转旋翼飞行器进行控制，包括如下步骤：

在倾转旋翼飞行器垂直起飞阶段，当前工作状态的倾转旋翼飞行器起飞重量对应所需要的需用功率超过发动机额定最大输出功率时，电机工作模式设置为电动机模式；

当倾转旋翼飞行器完成垂直起降阶段之后，转入水平飞行，以固定翼模式飞行时，倾转旋翼飞行器所需要的功率大小于发动机的额定功率，电机工作模式设置为发电机模式；

当倾转旋翼飞行器以最高速、固定翼模式进行前飞时，倾转旋翼飞行器所需要的所需功率超过发动机额定最大输出功率，电机工作模式设置为电动机模式；

当倾转旋翼飞行器突破了最高速的飞行状态，或者机载电池功率已经消耗完，电机工作模式设置为发电机模式，为机载电池充电；

当倾转旋翼飞行器垂直降落时，如果当前工作的倾转旋翼飞行器的整机重量所需要的功率超过发动机额定最大输出功率，电机工作模式设置为电动机模式。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

本发明的混合动力系统，包括动力装置、主减速器、换向减速器、传动部件、传动轴和末端减速器，其中，所述动力装置通过所述传动部件连接所述主减速器；所述主减速器的输出轴连接所述换向减速器；所述传动轴的一端连接所述换向减速器，另一端连接所述末端减速器。本发明通过混合动力系统与飞行器自身的传动系统共同作用，解决了倾转旋翼飞行器垂直起降时的最大功率需求问题，以及最高速前飞时的最大功率需求，同时满足倾转旋翼飞行器长航时的巡航飞行要求。本发明整体结构紧凑，系统总体功重比高，具备拓展性与较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明的实施例中倾转旋翼飞行器整体外观示意图；

图2为本发明的实施例中离合器结构剖视图；

图3为本发明的实施例中机翼与第二传动轴的连接示意图；

图4为本发明的实施例中主减速器的结构示意图；

图5为本发明的实施例中换向减速器的示意图；

图6为本发明的实施例中第二传动轴的示意图；

图7为本发明的实施例中末端减速器的示意图；

图8为本发明的实施例中混合动力系统结构示意图；

图9为主减速器内部的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

如图8所示为本发明的整体框架,本发明为一种混合动力系统，面向本发明的系统不限制具体运行的硬件和编程语言，用任何语言编写都可以完成，为此其他工作模式不再赘述。

本发明的混合动力系统，所述混合动力系统包括动力装置、主减速器、换向减速器、传动部件、传动轴和末端减速器，其中，所述动力装置通过所述传动部件连接所述主减速器；所述主减速器的输出轴连接所述换向减速器；所述传动轴的一端连接所述换向减速器，另一端连接所述末端减速器。

优选地，本发明的实施例中所述动力装置为发动机，所述传动部件为离合器，所述离合器的一端连接所述发动机，另一端连接所述主减速器，离合器采用摩擦盘式离合器3，倾转旋翼飞行器的发动机内部设置有飞轮1，摩擦盘式离合器3经飞轮1与发动机输出轴7相连，摩擦盘式离合器3可实现对飞轮1向发动机输出轴传递运动的输出与中断；

发动机与主减速器通过离合器连接，在离合器结合时，发动机的动力可以通过离合器传递至主减速器；在离合器断开时，发动机只是自身运转，但是其动力不再传递至主减速器。

优选地，如图2所示，本发明的离合器为摩擦盘式离合器，用于控制发动机至主减速器的动力通断。离合器包括飞轮1、支撑轴承2、膜片支撑结构3、端盖4、操纵杆5、分离轴承6。其中，离合器作用时，操纵杆5操纵分离轴承6，压紧膜片支撑结构3中的膜片，从而将离合器脱开，即将发动机与主减速器的连接断开，此时发动机不能输出功率；当操纵杆5操纵6分离轴承不压紧膜片支撑结构3中的膜片时，离合器接合，从而接通发动机与主减速器，此时发动机的输出功率输出至发动机输出轴7，本发明选用的摩擦盘式离合器的传递扭矩大，结构可靠性高，且相对重量轻。

优选地，如图4所示，本发明的实施例中所述主减速器包括箱体10、动力单元和转换单元，所述箱体罩10设在所述动力单元和转换单元的外部，

优选地，本发明的实施例中所述动力单元包括电机11及其驱动控制模块，所述转换单元为锥齿轮，所述电机11设置在所述锥齿轮上。该电机11具备发电及用电功能，在输出功率时，电机11处于用电工作模式，即作为电动机工作；在发电时，电机11处于发电工作模式，即作为发电机工作，本发明中的倾转旋翼飞行器还设置有供电装置，供电装置包括机载电池，机载电池用于连接所述主减速器的电机11，用于向所述电机11提供输入功率和接受电机的充电。

优选地，本发明的实施例中主减速器还连接倾转旋翼飞行器的散热系统，所述散热系统包括风扇，散热系统位于倾转旋翼飞行器机体内部，主要承担为包括发动机的传动系统进行散热的作用。传动系统包括发动机，机油冷却附件，冷却液散热附件和增压器散热附件等，摩擦盘式离合器3结合之后，散热系统的风扇开始旋转，对传动系统进行散热，防止发动机过热而停止工作。电机11及其驱动控制模块位于主减速器内，如图9所示，锥齿轮包括主动齿轮和从动齿轮，在经历主减速器内部锥齿轮换向之后，电机11设置在锥齿轮的从动齿轮上，电机11承担动力输出及发电功能，在倾转旋翼飞行器的旋翼需要大功率输出时，电机11的工作模式为电动机模式，用于输出扭矩，传递给与该电机11的电机轴相连接的如图5所示的换向减速器；在倾转旋翼飞行器的旋翼为巡航工况时，电机11为发电机模式，用于将通过摩擦盘式离合器3结合时接收的发动机的功率转换为电能进行储存，储存在机载电池内。如图1所示，带有倾转旋翼飞行器，其在垂直起飞及最高速前飞情况下使用本发明的混合动力系统中电机11的功率来补充传动系统提供的功率，在这种工况下，供电装置的电池为电机11输入功率，电机11将电能转换为机械能作用在倾转旋翼飞行器的传动系统上，即倾转旋翼飞行器包括传动系统和本发明的混合动力系统，混合动力系统与传动系统在结构上并联，在功能上，混合动力系统为传动系统补充功率，或者从传动系统中分出一部分功率，在补充功率时，电机11的作用是作为电动机，将电动机的功率与传动系统中发动机的功率一起提供给飞行器；在分出功率时，电机11的作用是作为发电机，将传动系统的机械能转换为电能，储存在机载电池内。主减速器的一端连接发动机曲轴输出轴的一端，主减速器输出轴的另一端连接换向减速器，电机11与主减速器内部传动轴并联，在结构上采用平行齿或者同轴花键副连接，在功能上为并联，主减速器位于机翼中央，换向减速器12与主减速器的输出轴连接，用于将主减速器的动力进行分配，传递至通过机翼传动轴与换向减速12连接的末端减速器。如图3所示机翼的作用是倾转旋翼飞行器前飞时，提供气动升力，在垂直起飞时，承受左右旋翼的升力。倾转旋翼飞行器的旋翼位于机体两侧，左右各设置三片，如图1所示，旋翼提供倾转旋翼飞行器垂直起飞时的升力和前飞时的前向拉力。如图7及图8所示，末端减速器位于带有倾转旋翼飞行器的机翼端部，且设置在机体左右两侧，具有供动力换向及减速的作用，并将旋翼的载荷拉力传递至机翼，末端减速器的内部包括相互连接的锥齿轮组与行星齿轮组，锥齿轮组实现换向功能，行星齿轮组实现减速功能，也就是说，锥齿轮组的作用是改变机翼传动轴的方向，锥齿轮组使得图6中的机翼传动轴的轴向与末端减速器的输出轴即旋翼轴是垂直关系。行星齿轮组可以实现减速功能，可以降低末端减速器的输出轴的转动转速，并设置有单独的润滑油冷却油道，末端减速器通过机翼传动轴连接换向减速器，用于动力换向及减速，其中动力换向通过锥齿轮组实现，它用于将机翼传动轴的轴向进行改变。末端减速器可围绕图7中的机翼传动轴进行转动，在倾转旋翼飞行器垂直起飞时，末端减速器垂直向上，将机翼传动轴的动力传递至旋翼上，由旋翼产生升力，同时将旋翼的升力传递至机翼上，从而将倾转旋翼飞行器拉起。在倾转旋翼飞行器水平前飞时，末端减速器水平向前，与倾转旋翼飞行器前飞方向平行，仍然将机翼传动轴的动力传递至旋翼上，只是此时旋翼的拉力与机身前飞方向平行，机体由机翼产生的气动升力保持前飞状态。

优选地，本发明的实施例还提供了一种倾转旋翼飞行器，所述倾转旋翼飞行器包括传动系统、供电装置和混合动力系统；所述供电装置包括机载电池，所述机载电池连接所述主减速器的电机，用于向所述电机提供输入功率，混合动力系统与传动系统在结构上并联，在功能上，混合动力系统为传动系统补充功率，或者从传动系统分出一部分功率。

优选地，本发明的实施例还提供了一种倾转旋翼飞行器的控制方法，用于对本发明所述的倾转旋翼飞行器进行控制，包括如下步骤：

在倾转旋翼飞行器垂直起飞阶段，当前工作状态的倾转旋翼飞行器起飞重量对应所需要的需用功率超过发动机额定最大输出功率时，电机工作模式设置为电动机工作模式，为传动系统补充额外的功率，从而使得倾转旋翼飞行器可以以更大的起飞重量起飞；

当倾转旋翼飞行器完成垂直起降阶段之后，转入水平飞行，以固定翼模式飞行时，由于倾转旋翼飞行器所需要的功率小于发动机的额定功率，因此，在此阶段，将电机设置为发电机模式，将发动机的功率分出一部分，为机载电池进行充电，将垂直起飞时使用的机载电池电能进行补充；

当倾转旋翼飞行器以最高速、固定翼模式进行前飞时，所需功率将超过发动机额定功率，因此需要再次将电机的工作模式转换为电动机工作模式，为倾转旋翼飞行器提供相应的补充功率；

当倾转旋翼飞行器突破了最高速的飞行状态，或者电池功率已经消耗完，此时将电机的工作模式设置为发电机模式，分出一部分发动机的功率，为机载电池充电，补充在电动机模式下的电池功率损耗；

当倾转旋翼飞行器垂直降落时，如果当前工作的倾转旋翼飞行器的整机重量所需要的功率超过发动机额定最大输出功率，电机将再次设置为电动机模式，即混合动力系统用于补充发动机的功率，保障倾转旋翼飞行器正常降落。

倾转旋翼飞行器的飞行工况包含垂直起飞，转入巡航工况前飞，最高速前飞，巡航工况前飞，垂直降落这几项基本的飞行动作。为描述混动系统的必要作用，所有的飞行工况都默认为倾转旋翼飞行器最大飞行重量。以上飞行状态是倾转旋翼飞行器在生命周期内会经历的飞行状态。例如：在最大起飞重量飞行时，不一定会同时按照最大速度前飞。上述所列的基本飞行动作，可理解为各自独立。

本发明的混合动力系统的工作过程包括发电机模式和电动机模式。在最大起飞重量，最大前飞速度，最大降落重量等发动机额定功率输出不能满足倾转旋翼飞行器需用功率要求的情况下，混合动力系统按照电动机模式工作，在倾转旋翼飞行器非最大需用功率的情况下，混合动力系统按照发电机模式工作。

混合动力系统的电动机模式：发动机的输出轴通过离合器与主减速器的输入轴连接，将动力传递至主减速器。在主减速器内，电机以电动机模式工作，即此时电机作为电动机与主减速器并联，将电动机的功率附加至主减速器的内部传动轴上，主减速器将发动机功率与电动机的功率进行混合，最终从主减速器输出，输出后，主减速器内的传动轴进入中间减速器，中间减速器进行换向传动，将垂直方向的转动转换为水平方向的转动，最终将功率输出至末端减速器，驱动倾转旋翼飞行器的旋翼转动。

发电机模式：发动机的输出轴通过离合器与主减速器的输入轴连接，将动力传递至主减速器。在主减速器内，电机以发电机模式工作，即此时电机作为发电机与主减速器并联，从主减速器内部的传动轴上分出功率，驱动发电机转动发电，从而为机载电池进行充电，将机载电池的电能进行补充。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种混合动力系统，其特征在于，所述混合动力系统包括动力装置、主减速器、换向减速器、传动部件、传动轴和末端减速器，

其中，所述动力装置通过所述传动部件连接所述主减速器；

所述主减速器的输出轴连接所述换向减速器；

所述传动轴的一端连接所述换向减速器，另一端连接所述末端减速器。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述主减速器包括箱体、动力单元和转换单元，所述箱体罩设在所述动力单元和转换单元的外部。

3.根据权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，所述动力单元包括电机及其驱动控制模块，所述转换单元为锥齿轮，所述电机设置在所述锥齿轮上。

4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述动力装置为发动机，所述传动部件为离合器，所述离合器的一端连接所述发动机，另一端连接所述主减速器。

5.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述末端减速器包括相互连接的锥齿轮组与行星齿轮组。

6.一种倾转旋翼飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼飞行器包括传动系统和权利要求1-5任一项所述的混合动力系统，所述混合动力系统与所述传动系统并联设置。

7.根据权利要求6所述的倾转旋翼飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼飞行器还包括散热风扇，所述散热风扇连接主减速器，用于为发动机散热。

8.根据权利要求6所述的倾转旋翼飞行器，其特征在于，所述倾转旋翼飞行器包括机载电池，所述机载电池连接主减速器的电机，用于向所述电机提供输入功率。

9.根据权利要求6所述的倾转旋翼飞行器，其特征在于，末端减速器能够围绕传动轴转动，在所述倾转旋翼飞行器垂直起飞时，所述末端减速器垂直向上；在所述倾转旋翼飞行器水平前飞时，所述末端减速器水平向前，与所述倾转旋翼飞行器前飞方向平行。

10.一种倾转旋翼飞行器的控制方法，其特征在于，所述方法用于对权利要求6-9任一项所述的倾转旋翼飞行器进行控制，包括如下步骤：

在倾转旋翼飞行器垂直起飞阶段，当前工作状态的倾转旋翼飞行器起飞重量对应所需要的需用功率超过发动机额定最大输出功率时，电机工作模式设置为电动机模式；

当倾转旋翼飞行器完成垂直起降阶段之后，转入水平飞行，以固定翼模式飞行时，倾转旋翼飞行器所需要的功率大小于发动机的额定功率，电机工作模式设置为发电机模式；

当倾转旋翼飞行器以最高速、固定翼模式进行前飞时，倾转旋翼飞行器所需要的所需功率超过发动机额定最大输出功率，电机工作模式设置为电动机模式；

当倾转旋翼飞行器突破了最高速的飞行状态，或者机载电池功率已经消耗完，电机工作模式设置为发电机模式，为机载电池充电；

当倾转旋翼飞行器垂直降落时，如果当前工作的倾转旋翼飞行器的整机重量所需要的功率超过发动机额定最大输出功率，电机工作模式设置为电动机模式。

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