CN115571331A - 一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于直升机技术领域，提供一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统。包括电机、减速器、丝杠螺母机构、桨叶；所述丝杠螺母机构包括丝杠和套设在所述丝杠上的螺母；所述电机的输出轴连接所述减速器，所述减速器的输出轴连接所述丝杠；所述螺母为多边形结构，并且在至少一条边上设置了滑槽；所述桨叶的根部设置有偏心销，所述偏心销设置在桨叶旋转轴的周向边沿；所述偏心销与所述滑槽滑动配合。本申请的变距装置利用丝杠螺母驱动偏心销，将螺母在有限范围的直线运动转化为桨叶在较大范围的变距运动，可实现一套驱动机构同对多片桨叶的桨距同步调节，从而满足复合式高速直升机螺旋桨的大行程变距需求。

Description

一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统

技术领域

本发明涉及直升机技术领域，尤其是涉及一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统。

背景技术

直升机的主要特点是可以垂直起降、悬停，具有较好的低空低速性能，但是在高速前飞时，受限于旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离，常规直升机最大飞行速度远远小于固定翼飞机。高速飞行性能是下一代直升机的重要发展方向之一，在提升航程、航时等性能指标，拓宽任务剖面等方面具有较大潜力，在军事、民用领域都有广阔的市场需求。

目前，主流的三种高速直升机构型分别为欧直公司的两侧螺旋桨复合式高速直升机X3，西科斯基公司的共轴刚性高速直升机X2和美国贝尔公司的倾转旋翼机V-22。其中，X3构型复合式高速直升机高速前飞时，由机翼两侧的螺旋桨提供大部分推力，机翼提供大部分升力，并且采用了旋翼变转速设计，高速前飞时使旋翼卸载，延缓激波失速的出现，从而实现更快的前飞速度。

与常规布局直升机相比，复合式高速直升机最显著的特点在于：取消了尾桨，增加了机翼，并在机翼两侧安装可变距的螺旋桨。通过左/右螺旋桨平均桨距提供前行推力，克服气动阻力、提高前飞速度；通过左/右螺旋桨差动桨距提供偏航操纵力矩，克服旋翼反扭力矩、实现航向控制增稳。因此，螺旋桨应具有较大的变距范围，以满足飞行速度包线范围内的前行推力需求；螺旋桨应具有较高的桨距定位精度，以满足反扭力矩配平需求；螺旋桨应具有较高的变距速度，以满足航向闭环控制增稳需求。可见，复合式高速直升机对螺旋桨变距的角度范围、定位精度和运动速度均提出了较高要求。

通常情况下，直升机的旋翼和尾桨采用自动倾斜器（又称斜盘）来改变桨叶的桨距。自动倾斜器主要由旋转环、不旋转环和拉杆组成，旋转环跟桨叶同步旋转，通过变距拉杆分别与每片桨叶连接。不旋转环与驾驶杆及总距杆相连，并带动旋转环一同倾转或沿旋翼轴上下滑动。驾驶员操纵总距杆使自动倾斜器整体上下移动，即同时同等地改变各片桨叶的桨距，以控制旋翼拉力的大小；驾驶员向任何方向偏转驾驶杆，则带动不旋转环倾斜，实现桨叶的周期变距，从而控制旋翼拉力的倾斜方向。可见，自动倾斜器本质上一种并联运动机构，通常由沿周向平均分布的三个直线驱动拉杆进行操控，定位精度高、响应速度快等性能优点具有能同时操控总距和周期变距的功能优点，具有驱动力大、分辨率高。但是，自动倾斜器采用并联平台结构，限制其运动范围通常在±15°以内；需要配备与直线驱动拉杆数量相同的作动器，使得其整体结构尺寸、重量较大。由于复合式高速直升机的螺旋桨位于机翼两侧翼尖，振动较大，且对螺旋桨变距装置的尺寸和重量有严格限制，无法采用直升机常用的自动倾斜器进行螺旋桨变距要求。

固定翼飞机采用螺旋桨提供前进推力，并通过总距调节推力大小，不需要进行周期变距。通常情况下，固定翼飞机采用弹簧和液压作动器来改变螺旋桨桨叶的桨距。弹簧和液压作动器安装于螺旋桨桨帽之内，与桨叶一起旋转，同时同等地改变各片桨叶的桨距。可见，固定翼飞机螺旋桨变距机构采用了直接驱动结构设计，只需要一套作动器即可实现变距功能，具有传动机构简洁、行程范围大等优点。但是，液压作动器的响应速度较慢，只能应用于通过螺旋桨变距调节推力大小的应用需求，无法满足复合式高速直升机通过螺旋桨变距进行航向增稳的应用需求。

综上，现有的直升机自动倾斜器和固定翼飞机螺旋桨变距系统均无法满足复合式高速直升机通过螺旋桨变距同时调节推力大小和进行航向增稳的应用要求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统，利用随桨叶一同旋转的无刷电机和丝杠螺母直接驱动螺旋桨变距，可获得较大的变距行程、较高的变距速度和良好的控制精度，从而满足复合式高速直升机通过螺旋桨变距同时实现推力调节和航向增稳的需求。

本申请一方面提供一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置，包括电机、减速器、丝杠螺母机构、桨叶；所述丝杠螺母机构包括丝杠和套设在所述丝杠上的螺母；所述电机的输出轴连接所述减速器，所述减速器的输出轴连接所述丝杠；所述螺母为多边形结构，并且在至少一条边上设置了滑槽；所述桨叶的根部设置有偏心销，所述偏心销设置在桨叶旋转轴的周向边沿；所述偏心销与所述滑槽滑动配合。

本申请另一方面提供一种用于控制如前所述的复合式高速直升机螺旋桨变距装置的控制系统，包括上位机和驱动器；所述上位机制定控制策略，并将控制策略输出给驱动器驱动电机转动。

采用本申请的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置及控制系统，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

a.利用随桨叶一同旋转的无刷电机和丝杠螺母直接驱动螺旋桨变距，可获得较大的变距行程、较高的变距速度和良好的控制精度，从而满足复合式高速直升机通过螺旋桨变距同时实现推力调节和航向增稳的需求。

b.利用丝杠螺母驱动偏心销，将螺母在有限范围的直线运动转化为桨叶在较大范围的变距运动，可实现一套驱动机构同对多片桨叶的桨距同步调节，并且变距速度快，能够满足复合式高速直升机螺旋桨的大行程变距需求。

c.利用减速箱、丝杠螺母和偏心销组成的驱动链路具有单通道、近似线性的传动关系，使得无刷电机和桨叶角之间的运动解算和标定简单易行，从而满足复合式高速直升机螺旋桨的高精度变距需求。

d.将驱动链路减少至单通道，将无刷电机和驱动器分开布置，大幅减小了螺旋桨变距驱动系统的尺寸和重量，从而满足复合式高速直升机螺旋桨在机翼两端翼尖布置可变距螺旋桨的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例1的一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置的部分剖示图；

图2是本申请实施例1的螺母的结构示意图；

图3是本申请实施例1的螺母与偏心销传动结构的放大图；

图4本申请实施例1的一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置与螺旋桨驱动结构连接结构示意图；

图5是本申请实施例2的复合式高速直升机螺旋桨变距控制系统结构示意图。

图中，00-变距装置，10-电机，20-减速器，30-丝杠螺母机构，31-丝杠，32-螺母，321-滑槽，322-贯穿孔，33-限位导向杆，40-桨叶，41-偏心销，50-桨壳，60-桨帽，80-安装盘，90-编码器，01-主电机，02-高速滑环。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例1

本实施例提供一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置，如图1-3所示，包括电机10、减速器20、丝杠螺母机构30、桨叶40；所述丝杠螺母机构30包括丝杠31和套设在所述丝杠31上的螺母32；所述电机10的输出轴连接所述减速器20，所述减速器20的输出轴连接所述丝杠31；所述螺母32为多边形结构，并且在至少一条边上设置了滑槽321，如图2所示；所述桨叶40的根部设置有偏心销41，所述偏心销41设置在桨叶40旋转轴的周向边沿；所述偏心销41与所述滑槽321滑动配合。

其中，多边形结构为至少三变形（即三角形），如本实施例中，螺旋桨有3片桨叶，因而将螺母设置为三角形结构，并且在三条边上均设置了滑槽，如图2所示；若为两片和四片桨叶，都可以设置为四边形，在具有两片桨叶时，在相对的两条边设置滑槽，在具有四片桨叶时，在四个边均设置滑槽；本领域技术人员可以理解，作为优选，若为五片或六片桨叶，则将螺母设置为五边或六边形结构，因此，多边形的具体结构根据桨叶数量而定，具体设置几个滑槽也根据桨叶数量而定，在此不作具体限定。

本实施例提供的一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置，通过电机的转动和减速器的作用带动丝杠转动，从而使得套设在丝杠上的螺母能够沿丝杠上下运动（如图1视图的方向）。由于桨叶的根部设置有偏心销，偏心销在滑槽内滑动，本领域技术人员也可以理解，偏心销在滑槽内还会有一定程度的转动，从而使得螺母在丝杠上上下运动的同时，带动桨叶在一定范围内转动，从而改变桨叶角。因此，偏心销嵌入螺母的滑槽中，沿丝杠的轴向沿滑槽紧配合，沿丝杠的径向与滑槽底部留有足够的滑动空间。

为了尽量提高大、小距反向切换精度，丝杆与丝母的配合采用了高精度、高载荷、可自锁的梯形丝杠结构型式。由于梯形丝杠的摩擦角大于丝杠旋转角，因而能自锁，所以在失去控制信号时，螺旋桨桨距能够锁定。

本实施例中，电机10选为无刷电机，由于电机会随螺旋桨一同高速高速旋转（参见图4和本实施例最后一段），当螺旋桨转速超过2000rpm时，有刷电机的碳刷将在离心力的作用下出现接触不良现象，导致电机不能正常工作。所以，本申请实施例的电机选用无刷电机。另外，考虑到直升机高速飞行状态下的绕流，该变距装置的外部壳体将设计为流线型整体构型，从而使得内部空间有限，所以本实施例中选用外径小的电机，以节省电机占用的内部空间。但是电机的外径与其输出力矩成正比，外径小的电机力矩小，不适用于带动桨叶变距，尤其是同时带动多片桨叶变距，因而需要增设变速器获得大力矩，从而通过后续的传动结构带动桨叶实现变距，也更利于带动多片桨叶实现变距。

其中，所述桨叶40的根部设置有偏心销41，所述偏心销41设置在桨叶40旋转轴的周向边沿。本领域技术人员可以理解，偏心销的设置位置应尽量靠近周向边沿，即离桨叶轴心距离尽量远的位置，以提供更大的转矩，使得带动叶片旋转更加容易。

本领域技术人员可以理解，在变速器和丝杠之间通过联轴器等结构进行连接以增加转动连接的稳定性等是现有技术，不涉及本申请的核心发明点，在此不作详细描述。同理，桨叶与桨叶根部的偏心销之间的连接结构也不作详细描述。

作为优选，本实施例的复合式高速直升机的螺旋桨变距装置还包括桨壳50，所述丝杠螺母机构30和桨叶根部设置于所述桨壳50内。

作为优选，本实施例的复合式高速直升机的螺旋桨变距装置还包括限位导向杆33，所述螺母32上还设置有贯穿孔322，所述限位导向杆33穿过所述贯穿孔322并固定在所述桨壳50上；所述限位导向杆33与所述丝杠31平行设置。该限位导向杆具有两方面的作用，一方面是导向作用，螺母在丝杠上上下滑动的同时，也在限位导向杆上上下滑动，且只能上下滑动；另一方面起到限位的作用，即防止螺母跟随丝杠转动，防止出现卡死的情况出现。本实施例中，本领域技术人员可以理解，限位导向杆设置的具体位置不作限定，只要能够固定在桨壳上，并且使得限位导向杆不与所述偏心销发生干涉即可。所述限位导向杆可以设置一个也可以设置更多个，当设置多个时其稳定性更好。

作为优选，本实施例的复合式高速直升机的螺旋桨变距装置还包括电机固定架（图中未示出），所述电机固定架套设在所述电机外并固定在所述桨壳上，从而为电机的稳定运行提供支撑。

进一步地，本实施例的复合式高速直升机的螺旋桨变距装置还包括编码器，所述编码器设置在所述电机轴上，作为优选，在电机轴端装配有磁性编码器，可以测量电机的转速，提供反馈信号给上位机，从而形成桨叶角的闭环控制。

进一步地，本实施例的复合式高速直升机的螺旋桨变距装置还包括桨帽，所述电机、减速器、丝杠螺母机构以及所述桨壳均设置在所述桨帽内，所述桨帽和桨壳均固定在安装盘上。桨帽在高速前飞状态下，起到气流整流和对内部结构的保护作用。

本实施例的一种复合式高速直升机的螺旋桨变距装置与螺旋桨驱动结构连接结构示意图如图4所示，主电机01依次连接高速滑环02的旋转环以及变距装置00，主电机01带动整个变距装置旋转。同时，变距装置00内部的电机根据控制策略带动丝杠旋转，从而调整桨叶角。利用高速滑环进行驱动器与无刷电机和编码器的连接，可实现二者在螺旋桨固定端和旋转端的分布式布置，大幅降低了对驱动器尺寸、重量的限制要求，从而可以选择较大功率的无刷电机和驱动器，从而满足复合式高速直升机螺旋桨的高速变距需求。

实施例2

本实施例涉及一种用于控制如实施例1提供的复合式高速直升机螺旋桨变距装置的控制系统，如图5所示，包括上位机和驱动器；所述上位机制定控制策略，并将控制策略输出给驱动器驱动电机转动。上位机可选为飞控计算机，主要完成运动控制指令生成和运动状态检测，驱动器用于根据控制指令驱动电机运行。

本实施例中，上位机制定控制策略后输出给驱动器，驱动器驱动电机按照设定的速度转动，通过减速器带动丝杠转动，从而使得螺母在丝杠上上下运动，从而带动桨叶轴向转动，改变桨叶角，实现变距。本领域技术人员可以理解，飞控计算机可以通过采集主电机的转速或主旋翼的转速以及飞行高度来制定控制策略生成控制指令，以控制变距装置变距的正反方向和速度。

作为优选，本实施例的控制系统还包括信号采集器，所述信号采集器采集编码器所记录的电机的输出转角，作为反馈信号传输给所述上位机，所述上位机根据所述反馈信号调整控制策略，并将调整后的控制策略输出给驱动器驱动电机按照调整后的控制策略执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，包括电机（10）、减速器（20）、丝杠螺母机构（30）、桨叶（40）；

所述丝杠螺母机构（30）包括丝杠（31）和套设在所述丝杠（31）上的螺母（32）；所述电机（10）的输出轴连接所述减速器（20），所述减速器（20）的输出轴连接所述丝杠（31）；

所述螺母（32）为多边形结构，并且在至少一条边上设置了滑槽（321）；

所述桨叶（40）的根部设置有偏心销（41），所述偏心销（41）设置在桨叶旋转轴的周向边沿；

所述偏心销（41）与所述滑槽（321）滑动配合。

2.根据权利要求1所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，还包括桨壳（50），所述丝杠螺母机构（30）和桨叶根部设置于所述桨壳（50）内。

3.根据权利要求2所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，还包括限位导向杆（33），所述螺母（32）上还设置有贯穿孔（322），所述限位导向杆（33）穿过所述贯穿孔（322）并固定在所述桨壳（50）上；所述限位导向杆（33）与所述丝杠（31）平行设置。

4.根据权利要求3所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，所述限位导向杆（33）设置多个。

5.根据权利要求3所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，还包括电机固定架，所述电机固定架套设在所述电机（10）外并固定在所述桨壳（50）上。

6.根据权利要求5所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，所述丝杠（31）为可自锁的梯形丝杠。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，还包括编码器（90），所述编码器（90）设置在电机轴上。

8.根据权利要求7所述的一种复合式高速直升机螺旋桨变距装置，其特征在于，还包括桨帽（60），所述电机（10）、减速器（20）、丝杠螺母机构（30）以及所述桨壳（50）均设置在所述桨帽（60）内，所述桨帽（60）和桨壳（50）均固定在安装盘（80）上。

9.一种用于控制如权利要求1-8任一所述的复合式高速直升机螺旋桨变距装置的控制系统，包括上位机和驱动器；所述上位机制定控制策略，并将控制策略输出给驱动器驱动电机转动。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，还包括信号采集器，所述信号采集器设置与电机轴上的采集编码器所记录的电机的输出转角，作为反馈信号传输给所述上位机，所述上位机根据所述反馈信号调整控制策略，并将调整后的控制策略输出给驱动器，所述驱动器驱动电机按照调整后的控制策略执行。

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