CN115783243A - 一种倾转旋翼无人机桨毂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及倾转旋翼无人机技术领域，特别涉及一种倾转旋翼无人机桨毂系统。包括桨毂中心件、变距筒、自动倾斜器及舵机，其中桨毂中心件与舵机的主轴固定连接，桨毂中心件上沿周向设有多个可转动的变距筒，变距筒用于安装桨叶；自动倾斜器设置于主轴上，具有沿轴向移动和周向转动自由度；自动倾斜器通过多组下连杆组件与舵机铰接，通过多个扭臂与各变距筒铰接。本发明结构紧凑，同时减少了零件数量，达到了轻量化，提高整体刚强度，从而提高浆叶固有频率的效果，实现了降低螺旋桨半径，实现整机尺寸优化。

Description

一种倾转旋翼无人机桨毂系统

技术领域

本发明涉及倾转旋翼无人机技术领域，特别涉及一种倾转旋翼无人机桨毂系统。

背景技术

倾转旋翼无人机是具有垂直起降能力，且能以固定翼模式巡航的无人飞行器。倾转旋翼无人机融合了旋翼无人机垂直起降和固定翼无人机航程大、载重多、巡航速度快等优点。其机翼两端短舱上安装可以倾转的旋翼，旋翼处于垂直位置时以旋翼模式(直升机模式)实现垂直起落及空中悬停；旋翼处于水平位置时以固定翼模式高速前飞；通过旋翼的倾转，实现两种模式的转换,其中直升机模式旋翼提供升力，固定翼模式旋翼提供拉力。

一般飞机的旋翼系统中包括桨叶、桨毂、主轴、自动倾斜器等部件。旋翼形式是由桨毂形式决定的，随着材料、工艺和旋翼理论的发展而发展，到目前为止，已在实践中应用的旋翼形式有铰接式、跷跷板式、万向铰和无铰式等，这些形式的目的无非是承担飞行时桨叶的挥舞运动和摆振运动，实现变距运动。

铰接式桨毂包含水平铰、垂直铰、轴向铰；跷跷板式在铰接式基础上取消了垂直铰，并把桨叶数量限定为两片；万向铰式与跷跷板式类似，两片桨叶在结构上连成一体共用一个水平铰，桨毂壳体通过万向铰接头与旋翼轴相连；无铰式一般只保留周向铰用以变距，其它方向的力依靠桨毂结构本身承担。自动倾斜器一般只与飞机变距自由度有关，按以往来看不论是桨毂或是自动倾斜器都是单独设计，没有直接联系，这在直升飞机类型的旋翼系统中是可行的，但在倾转旋翼无人机中二者关系紧密，涉及震动和模态相关的问题，不能单独设计。现有的倾转旋翼无人机，桨毂的重量较大，存在直升机模式起降时旋翼引发的共振耦合问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种倾转旋翼无人机桨毂系统，以解决现有倾转旋翼无人机在直升机模式起降时旋翼引发的共振和耦合问题，同时降低桨毂的重量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种倾转旋翼无人机桨毂系统，包括桨毂中心件、变距筒、自动倾斜器及模拟机身，其中桨毂中心件与主轴固定连接，所述桨毂中心件上沿周向设有多个可转动的变距筒，所述变距筒用于安装桨叶；所述自动倾斜器设置于所述主轴上，具有沿轴向移动和周向转动自由度；

所述自动倾斜器通过多组下连杆组件与所述模拟机身连接，各变距筒分别通过一扭臂与所述自动倾斜器连接。

所述自动倾斜器包括定盘、动盘及滑筒，其中滑筒套设于所述主轴上且可相对转动，所述定盘通过滑动轴承与滑筒连接，所述动盘通过深沟球轴承Ⅱ与定盘连接；

所述定盘与所述下连杆组件通过关节轴承连接，所述动盘与所述扭臂通过关节轴承连接。

所述定盘包括环形盘体及连接在所述环形盘体外圆周上的多个支臂，支臂与下连杆组件一一对应。

所述下连杆组件包括定盘支臂和模拟舵机，其中模拟舵机设置于所述模拟机身上，且输出端通过关节轴承与定盘支臂的一端连接，定盘支臂的另一端通过关节轴承与所述支臂连接。

所述定盘与所述模拟机身之间设有用于限制所述定盘转动的限位拉杆，所述限位拉杆包括固定杆、限位杆及拉杆，其中固定杆的一端与所述模拟机身固定连接，拉杆的一端与所述定盘转动连接，拉杆的另一端通过两根限位杆与固定杆的另一端铰接。

各所述变距筒的一侧均设有变距臂，所述动盘上沿周向设有多个铰头，各所述扭臂的两端通过关节轴承分别与相对应的所述变距臂和所述铰头连接。

所述动盘通过防扭臂与所述主轴连接；

所述防扭臂包括相互铰接的两段防扭杆，两段防扭杆的末端分别与所述动盘和所述主轴铰接。

所述桨毂中心件与所述主轴通过花键连接；所述桨毂中心件的外圆周上布设有多个连接轴，所述变距筒通过深沟球轴承Ⅰ与连接轴连接。

所述连接轴为中空结构，且腔体内插设有拉扭条，拉扭条的内侧端与所述连接轴固定连接，外侧端与所述变距筒连接，拉扭条用于卸载桨叶的离心力。

所述拉扭条由多个拉扭片叠置而成，拉扭片的两端分别设有连接孔；

所述拉扭条的内侧端连接孔通过圆柱销与所述连接轴连接，外侧端连接孔通过开口销与所述变距筒连接。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明连接桨叶和机身，解决桨叶在飞行时传递挥舞力和变距力到机身，解决舵机传递变距力到桨叶。

2.本发明与单独桨毂设计或单独倾斜器设计相比具有整体性，更适合解决倾转旋翼无人机复杂任务剖面引起的地面共振和空中共振问题。

3.本发明提供的刚性桨毂无需单独的外链结构，结构紧凑，同时减少了零件数量，达到了轻量化的效果。由于零件较少，转折点最小，即可达到提高整体刚强度，从而提高浆叶固有频率的效果，实现了降低螺旋桨半径，实现整机尺寸优化。

4.本发明使用拉扭条卸载桨叶离心力，其拉伸方向模量刚度较高，扭转方向其扭转刚度很小，扭转刚度值非常稳定，不会随着环境温度的改变而变化。与类似功能推力轴承相比，结构简单，易于更换。

附图说明

图1是本发明一种倾转旋翼无人机桨毂系统的轴测图；

图2是本发明一种倾转旋翼无人机桨毂系统的主视图；

图3是本发明中桨毂支臂的剖面图；

图4是本发明中自动倾斜器部分的剖面图；

图5是本发明中桨毂中心件的剖面图；

图6是本发明中动盘连接桨毂自由度示意图；

图7是本发明中定盘连接舵机自由度示意图；

图中：1.桨毂中心件，2.变距筒，3.定盘，4.螺母，5.主轴，6.动盘，7.限位拉杆，8.开口销，9.关节轴承，10.防扭臂，11.定盘支臂，12.扭臂，13.铰头，14.滑筒，15.深沟球轴承Ⅰ，16.圆柱销，17.连接轴，18.变距臂，19.螺栓孔，20.拉扭条，21.深沟球轴承Ⅱ，22.滑动轴承，23.花键，24.模拟舵机，25.模拟机身，71.固定杆，72.限位杆，73.拉杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种倾转旋翼无人机桨毂系统，包括桨毂中心件1、变距筒2、自动倾斜器及模拟机身25，其中桨毂中心件1与主轴5固定连接，桨毂中心件1上沿周向设有多个可转动的变距筒2，变距筒2用于安装桨叶；自动倾斜器设置于主轴5上，具有沿轴向移动和周向转动自由度；自动倾斜器通过多组下连杆组件与模拟机身25连接，各变距筒2分别通过一扭臂12与自动倾斜器连接。

如图3、图5所示，本发明的实施例中，桨毂中心件1与主轴5通过花键23连接，并且通过螺母4锁紧；桨毂中心件1的外圆周上布设有多个连接轴17，变距筒2通过两个深沟球轴承Ⅰ15与连接轴17连接，变距筒2可绕连接轴17转动，深沟球轴承Ⅰ15用以承载旋翼弯矩。

进一步地，连接轴17为中空结构，且腔体内插设有拉扭条20，拉扭条20的内侧端与连接轴17固定连接，外侧端与变距筒2连接，拉扭条20用于卸载桨叶的离心力。

具体地，拉扭条20由多个拉扭片叠置而成，拉扭片的两端分别设有连接孔；拉扭条20插设于连接轴17内的内侧端连接孔通过圆柱销16与连接轴17连接，拉扭条20的外侧端容置于变距筒2内，外侧端的连接孔通过开口销8与变距筒2连接。使用拉扭条20卸载桨叶离心力，拉扭条20在拉伸方向模量刚度较高，扭转方向的扭转刚度很小，扭转刚度值非常稳定，不会随着环境温度的改变而变化。优选地，拉扭片选用材料为30CrMnSi。

如图4所示，本发明的实施例中，自动倾斜器包括定盘3、动盘6及滑筒14，其中滑筒14套设于主轴5上且可相对转动，定盘3通过滑动轴承22与滑筒14连接，定盘3可在滑筒14上沿轴向移动，定盘3与下连杆组件通过关节轴承连接；动盘6通过深沟球轴承Ⅱ21与定盘3连接，动盘6相对定盘3可转动，动盘6与扭臂12通过关节轴承连接。

具体地，如图1所示，定盘3包括环形盘体及连接在环形盘体外圆周上的多个支臂，支臂与下连杆组件一一对应。

如图1所示，本发明的实施例中，下连杆组件包括定盘支臂11和模拟舵机24，其中模拟舵机24设置于模拟机身25上，且输出端通过关节轴承与定盘支臂11的一端连接，定盘支臂11的另一端通过关节轴承与定盘3的支臂连接。

进一步地，定盘3与模拟机身25之间设有限位拉杆7，限位拉杆7用于限制定盘3的转动自由度。本实施例中，限位拉杆7包括固定杆71、限位杆72及拉杆73，其中固定杆71的一端与模拟机身25固定连接，拉杆73的一端与定盘3转动连接，拉杆73的另一端通过两根限位杆72与固定杆71的另一端铰接。两根限位杆72使拉杆73只能在竖直平面内转动，从而限制定盘3转动。

如图1-3所示，本发明的实施例中，各变距筒2的一侧均设有变距臂18，动盘6上沿周向设有多个铰头13，各扭臂12的两端通过关节轴承9分别与相对应的变距臂18和铰头13连接。

进一步地，动盘6通过防扭臂10与主轴5连接，防扭臂10用于防止动盘6相对主轴5转动；具体地，防扭臂10包括转动连接的两段防扭杆，两段防扭杆的末端分别与动盘6和主轴5上的固定件铰接。

本发明的实施例中，桨毂中心件1上沿周向设有三个可转动的变距筒2，变距筒2上设有螺栓孔19，通过螺栓可以连接桨叶；三个变距筒2安装三片桨叶。动盘6上沿周向设有三个铰头13，三个变距筒2和三个铰头13通过三个扭臂12依次铰接。一个限位拉杆7和三组下连杆组件沿周向均布，实现定盘3与模拟机身25的连接。当飞机飞行时，桨毂系统经历俯仰横滚、周期变距等过程。扭臂12通过动盘6的转动和定盘3的上下滑动带动变距臂18转动，实现旋翼的周期变距。

如图6所示，本发明的实施例中，扭臂12的数量为三个，扭臂12对变距臂18等效自由度表示为：3-RSS(R：转动副，S：球面副)，转动副R实现变距臂18在旋翼轴向转动；球面副S实现扭臂12上下两端的连接处绕关节轴承9中的球面三维转动。防扭臂10对动盘6的作用关系等效自由度表示为：RRS。转动副R实现：防扭臂10与固定件之间、两段防扭杆之间发生相对转动；球面副S实现：防扭杆末端绕关节轴承的球面三维转动。动盘6和定盘3之间有相对转动，等效自由度R。转动副R实现：深沟球轴承Ⅱ21用于连接动盘6和定盘3，两盘之间发生相对转动。

如图7所示，本发明的实施例中，定盘支臂11的两端通过关节轴承9分别与定盘3和模拟机身25相连，定盘支臂11的数量为三个，定盘支臂11对定盘3和模拟机身25等效自由度表示为3-SPS(P:移动副)。球面副S实现：定盘支臂11上下两端的连接处绕关节轴承9中的球面三维转动；移动副P实现：舵机运动输出线性位移。限位拉杆7参照扭臂12的实现方式，限位拉杆7与定盘3和旋翼轴的运动传递可以用RRS支链等效。滑动轴承22被用于连接定盘3和主轴上的滑筒14，滑动轴承22与定盘3之间为三维球面转动，用球面副S等效；滑动轴承22与滑筒14通过圆柱侧面连接，上下往复运动，用圆柱副C等效；则滑动轴承22与定盘3和滑筒14的运动关系可以用CS支链等效，这里根据局部自由度关系，简化用PS支链等效。

如图6、图7所示，采用串并联机构理论提出倾转旋翼无人机桨毂系统的等效自由度表示为：3-(R)RSS+(R)RRS+PS并联机构,3-SPS+RRS+PS并联机构。桨毂在工作状态下，与旋翼轴之间传递的主要载荷是拉力、扭矩以及部分侧向弯矩，在本发明中，旋翼主轴5与桨毂中心件1传递两者之间扭矩的连接方式为花键23。

这里特别指出，本发明中的模拟机身25不作为本发明的重点，其旨在于为桨毂提供一个用以参照的连接依据，用于模拟主轴5与实际机身相连、定盘支臂11与实际舵机相连；相对的为了便于说明桨毂正常工作时的动力来源，包括模拟主轴5的旋转运动和定盘支臂11的往复运动。

本发明提供的一种倾转旋翼无人机桨毂系统的使用方法如下：倾转旋翼无人机设计要求在丘陵等无地面机场条件的地带垂直起飞，可转换为固定翼模态进行长距离飞行和长时间巡航，任务结束后可以直升机模态垂直降落，实现以直升机(旋翼)模式起降，以固定翼模式飞行，并随旋翼系统实现二者模式的过渡转换。在刚性旋翼直升机上直接使用，可以满足直升机的俯仰横滚、周期变距等操作，实现直升机模式下转速是1450转每分，固定翼状态下是1150转每分，巡航速度150千米每小时，载荷30公斤，不发生机体共振。上述桨毂本身不设有水平和垂直约束，旋翼正常运转时产生的挥舞和摆振由桨毂材料本身承担。本发明桨毂系统将桨叶和机身相连接，在特定量级倾转旋翼无人机所有任务剖面下，将桨叶作用力、力矩传递到机身上，以及将舵机变距作用传递到桨叶上，实现无人机的飞行操控。

本发明提供的刚性桨毂无需单独的外链结构，结构紧凑，同时减少了零件数量，达到了轻量化的效果。由于零件较少，转折点最小，即可达到提高整体刚强度，从而提高浆叶固有频率的效果，实现了降低螺旋桨半径，实现整机尺寸优化。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，包括桨毂中心件(1)、变距筒(2)、自动倾斜器及模拟机身(25)，其中桨毂中心件(1)与主轴(5)固定连接，所述桨毂中心件(1)上沿周向设有多个可转动的变距筒(2)，所述变距筒(2)用于安装桨叶；所述自动倾斜器设置于所述主轴(5)上，具有沿轴向移动和周向转动自由度；

所述自动倾斜器通过多组下连杆组件与所述模拟机身(25)连接，各变距筒(2)分别通过一扭臂(12)与所述自动倾斜器连接。

2.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述自动倾斜器包括定盘(3)、动盘(6)及滑筒(14)，其中滑筒(14)套设于所述主轴(5)上且可相对转动，所述定盘(3)通过滑动轴承(22)与滑筒(14)连接，所述动盘(6)通过深沟球轴承Ⅱ(21)与定盘(3)连接；

所述定盘(3)与所述下连杆组件通过关节轴承连接，所述动盘(6)与所述扭臂(12)通过关节轴承连接。

3.根据权利要求2所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述定盘(3)包括环形盘体及连接在所述环形盘体外圆周上的多个支臂，支臂与下连杆组件一一对应。

4.根据权利要求3所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述下连杆组件包括定盘支臂(11)和模拟舵机(24)，其中模拟舵机(24)设置于所述模拟机身(25)上，且输出端通过关节轴承与定盘支臂(11)的一端连接，定盘支臂(11)的另一端通过关节轴承与所述支臂连接。

5.根据权利要求2所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述定盘(3)与所述模拟机身(25)之间设有用于限制所述定盘(3)转动的限位拉杆(7)，所述限位拉杆(7)包括固定杆(71)、限位杆(72)及拉杆(73)，其中固定杆(71)的一端与所述模拟机身(25)固定连接，拉杆(73)的一端与所述定盘(3)转动连接，拉杆(73)的另一端通过两根限位杆(72)与固定杆(71)的另一端铰接。

6.根据权利要求2所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，各所述变距筒(2)的一侧均设有变距臂(18)，所述动盘(6)上沿周向设有多个铰头(13)，各所述扭臂(12)的两端通过关节轴承(9)分别与相对应的所述变距臂(18)和所述铰头(13)连接。

7.根据权利要求2所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述动盘(6)通过防扭臂(10)与所述主轴(5)连接；

所述防扭臂(10)包括相互铰接的两段防扭杆，两段防扭杆的末端分别与所述动盘(6)和所述主轴(5)铰接。

8.根据权利要求1所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述桨毂中心件(1)与所述主轴(5)通过花键(23)连接；所述桨毂中心件(1)的外圆周上布设有多个连接轴(17)，所述变距筒(2)通过深沟球轴承Ⅰ(15)与连接轴(17)连接。

9.根据权利要求8所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述连接轴(17)为中空结构，且腔体内插设有拉扭条(20)，拉扭条(20)的内侧端与所述连接轴(17)固定连接，外侧端与所述变距筒(2)连接，拉扭条(20)用于卸载桨叶的离心力。

10.根据权利要求9所述的倾转旋翼无人机桨毂系统，其特征在于，所述拉扭条(20)由多个拉扭片叠置而成，拉扭片的两端分别设有连接孔；

所述拉扭条(20)的内侧端连接孔通过圆柱销(16)与所述连接轴(17)连接，外侧端连接孔通过开口销(8)与所述变距筒(2)连接。

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