CN117818930B - 一种结构可调异质复材的螺旋桨及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构可调异质复材的螺旋桨及无人机，该螺旋桨包括桨毂以及若干异质复材叶片；桨毂的侧部沿周向间隔设有若干与异质复材叶片一一对应的连接榫槽，且连接榫槽的槽口在桨毂上的高度高于连接榫槽的槽底；异质复材叶片的端部设有连接榫头，连接榫头活动连接在对应连接榫槽内，且连接榫头与连接榫槽之间的配合面为弧形结构，以使得异质复材叶片在桨毂上的安装角可在离心力的作用下发生变化。本发明应用于无人机技术领域，通过对螺旋桨进行结构设计，使其能够吸收部分振动，在不同的转速下能够自适应的调整叶片安装角，改善叶片上的受力情况，从而更大程度的发挥复材的优势。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体是一种结构可调异质复材的螺旋桨及无人机。
背景技术
随着小型无人机的普及，小型无人机螺旋桨作为其中重要的动力设备越来越重要。在小型无人机这个应用平台上对螺旋桨具有特殊的要求。首先要求轻量化：小型无人机的整体重量较轻，因此其螺旋桨也需要具备轻量化的特点，以适应无人机的整体重量限制；其次耐用性：由于小型无人机可能需要面对一些较为复杂的环境，因此螺旋桨需要具备耐用性，能够在各种环境下保持稳定的性能；第三安全性：由于无人机需要飞行在空中，因此螺旋桨需要具备安全性，避免对人员或财产造成损害。相比于大型螺旋桨飞机而言，小型无人机螺旋桨结构相对简单，不需要考虑电加热除冰、变桨距等复杂的内部结构。
在新型无人机设计要求及轻量化需求下，复合材料已成为桨叶首选材料，其具有质量轻、强度高、韧性好、耐磨防腐等特点，对水和湿气的抵抗能力较传统木质桨叶有明显优势，可延长螺旋桨的使用寿命。复材桨叶可以承受更高的离心力而不易变形或损坏，从而为无人机提供更高的机动性。但是常规复合材料存在抗冲击性能较差、吸振性不足等问题；又因基体材料均一，未能考虑螺旋桨不同部位受力情况，导致整体抗变形能力较差，尤其在螺旋桨高载荷且复杂的气动环境下，极易产生裂纹、扭曲变形甚至断裂失效。
螺旋桨的结构通常是根部较厚、翼尖处较薄。螺旋桨翼尖在整个叶片中受力情况是最为复杂的。在翼尖处存在翼尖涡流，这种涡流是由于桨叶上下表面的压力差所引起的，当桨叶上表面的压力低于下表面的压力时，就会产生一个向上的升力，而这个升力同时也产生了一个涡流。螺旋桨速度越快，翼尖涡流强度就越大。翼尖涡流对螺旋桨的推进效率和升力均会带来较大影响。目前民航飞机通常会采用翼梢小翼来减少翼尖涡流的影响，但是对于螺旋桨叶片而言，这个技术方案难度较大。增加翼梢小翼会增加螺旋桨的重量和复杂性，从而增加其成本和维护难度。另外翼梢小翼在一些情况下会产生副作用，例如增加桨叶的振动和噪音等。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明供一种结构可调异质复材的螺旋桨及无人机，通过对螺旋桨进行结构设计，使其能够吸收部分振动，在不同的转速下能够自适应的调整叶片安装角，改善叶片上的受力情况，从而更大程度的发挥复材的优势。
为实现上述目的，本发明提供一种结构可调异质复材的螺旋桨，包括桨毂以及若干异质复材叶片；
所述桨毂的侧部沿周向间隔设有若干与所述异质复材叶片一一对应的连接榫槽，且所述连接榫槽的槽口在所述桨毂上的高度高于所述连接榫槽的槽底；
所述异质复材叶片的端部设有连接榫头，所述连接榫头活动连接在对应所述连接榫槽内，且所述连接榫头与所述连接榫槽之间的配合面为弧形结构，以使得所述异质复材叶片在所述桨毂上的安装角可在离心力的作用下发生变化。
在其中一个实施例，所述连接榫头与所述连接榫槽之间的配合面沿所述桨毂的周向具有螺旋角度，以使得所述异质复材叶片的桨叶角可在离心力的作用下发生变化。
在其中一个实施例，螺旋桨还包括与所述连接榫槽一一对应的弹性连接器；
所述弹性连接器设在对应所述连接榫槽内，且所述弹性连接器的一端与所述连接榫槽的槽底相连，另一端与所述连接榫头的端部相连。
在其中一个实施例，所述弹性连接器为拉紧弹簧；或所述弹性连接器为聚氨酯类弹性体、聚苯乙烯类弹性体或聚丙乙烯类弹性体。
在其中一个实施例，所述连接榫槽的槽壁和/或所述连接榫头的壁面上涂覆有石墨涂层，以增加润滑性。
在其中一个实施例，所述石墨涂层的厚度为10μm-100μm。
在其中一个实施例，所述异质复材叶片、所述桨毂由碳纤维增强聚合物基的复合材料制成；
所述连接榫头由未添加碳纤的纯聚合物材料制成。
为实现上述目的，本发明还提供一种无人机，所述无人机上设有上述的结构可调异质复材的螺旋桨。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1.本发明中的螺旋桨通过将连接榫头活动连接在连接榫槽内，并将连接榫头与连接榫槽之间的配合面设置为弧形结构，使得异质复材叶片在桨毂上的安装角可在离心力的作用下发生变化，进而在螺旋桨高转速时降低异质复材叶片的直接受力效果，避免异质复材叶片在高转速、高负荷情况下的变形，提高了异质复材叶片的工作寿命和拓展了该型螺旋桨的应用场景；
2.本发明中的螺旋桨通过设置圆弧形的连接榫槽和连接榫头，使得桨毂和异质复材叶片可以分体加工，从而降低加工成本和难度；
3.本发明在优选方案中在连接榫槽内增设了弹性连接器，从而能够吸收异质复材叶片工作过程中的振动，提高了抗振调节空间；
4.本发明在优选方案中的异质复材叶片针对螺旋桨受力情况差别较大部位采用不同材料，增减材相结合一体化成形异质复材叶片；
5.本发明中的螺旋桨上的异质复材叶片安装角可在离心力的作用下发生变化，为螺旋桨工作状态提供了更多的设计空间，使得螺旋桨具有更广阔的应用场景，甚至可以实现跨介质使用；
6.本发明中的螺旋桨结构简单、制造难度低，非常适合生成和快速替代目前的常规螺旋桨。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中螺旋桨的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1中桨毂的结构示意图；
图3为本发明实施例1中异质复材叶片的结构示意图；
图4为本发明实施例1中低速状态下螺旋桨的结构示意图；
图5为本发明实施例1中高速状态下螺旋桨的结构示意图。
附图标号：桨毂1、连接榫槽1.1、桨毂本体1.2、异质复材叶片2、连接榫头2.1、叶片本体2.2、弹性连接器3。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至图3所述为本实施例公开的一种结构可调异质复材的螺旋桨，其主要由桨毂1以及若干异质复材叶片2组成。其中，桨毂1在结构上主要由桨毂本体1.2和连接榫槽1.1组成，桨毂本体1.2为类圆柱旋转体，连接榫槽1.1的数量为多个且与异质复材叶片2一一对应，各连接榫槽1.1沿周向等间隔设在桨毂本体1.2的侧部，且连接榫槽1.1的槽口在桨毂1上的高度高于连接榫槽1.1的槽底，即连接榫槽1.1在桨毂本体1.2的径向平面内为弧形结构。异质复材叶片2在结构上主要由叶片本体2.2和连接榫头2.1组成，连接榫头2.1固定设在叶片本体2.2的根部。
连接榫头2.1活动连接在对应连接榫槽1.1内，且连接榫头2.1与连接榫槽1.1之间的配合面为弧形结构，以使得异质复材叶片2在桨毂1上的安装角可在离心力的作用下发生变化。当连接榫头2.1完全插入连接榫槽1.1时，异质复材叶片2处于初始位置，此时螺旋桨为低转速工作状态，即图4所示。随着螺旋桨速度的增加，在离心力的作用下，异质复材叶片2会受到向外的离心力，此时连接榫头2.1就会沿着连接榫槽1.1向外移动，即部分连接榫头2.1位于连接榫槽1.1外，由于连接榫槽1.1为槽口更高的弧形结构，随着连接榫头2.1的部分滑出，异质复材叶片2在桨毂1上的安装角也会随之发生变化，具体为异质复材叶片2的翼尖端向下偏移，即图5所示。
本实施例中的螺旋桨通过将连接榫头2.1活动连接在连接榫槽1.1内，并将连接榫头2.1与连接榫槽1.1之间的配合面设置为弧形结构，使得异质复材叶片2在桨毂1上的安装角可在离心力的作用下发生变化，进而在螺旋桨高转速时降低异质复材叶片2的直接受力，避免异质复材叶片2在高转速、高负荷情况下的变形，提高了异质复材叶片2的工作寿命和拓展了螺旋桨的应用场景。
在螺旋桨高速转动时，异质复材叶片2受力增加，会诱导复合材料变形、振动，本实施例中的结构设计可以使异质复材叶片2自适应的向内侧旋转，增加了异质复材叶片2在承受螺旋桨拉力时的受力效果。从直接效果上来看，在高转速下：在异质复材叶片2受力时，桨叶的材料面积增加；异质复材叶片2将部分拉力直接传导给了桨毂1，直接卸载了桨叶的受力。因此该设计减轻了异质复材叶片2在高转速下的受力情况。
作为优选地实施方式，连接榫头2.1与连接榫槽1.1之间的配合面沿桨毂1的周向具有螺旋角度，这样当连接榫头2.1在离心力的作用下部分滑出连接榫槽1.1时，异质复材叶片2的桨叶角也会发生变化，即异质复材叶片2实际工作的迎角也发生了改变，从而为不同转速情况下螺旋桨叶片工作状态和拉力调整提供了更大的设计空间。
作为优选地实施方式，螺旋桨还包括与连接榫槽1.1一一对应的弹性连接器3，弹性连接器3设在对应连接榫槽1.1内，且弹性连接器3的一端与连接榫槽1.1的槽底相连，另一端与连接榫头2.1的端部相连。通过设置弹性连接器3，能够为连接榫槽1.1与连接榫头2.1之间提供一定的拉紧力，从而能够吸收异质复材叶片2工作过程中的振动，提高了系统抗振调节空间，避免材料共振的发生。
本实施例中，弹性连接器3可采用拉紧弹簧或其它具有拉紧作用的弹性材料，例如聚氨酯类弹性体、聚苯乙烯类弹性体或聚丙乙烯类弹性体等。在具体应用过程中，可根据螺旋桨材料、额定转速的不同，选择不同预拉紧力的弹性连接器3。
作为优选地实施方式，为了保证连接榫槽1.1与连接榫头2.1在滑动过程无卡顿，连接榫槽1.1与连接榫头2.1的加工精度较高，同时在连接榫槽1.1的槽壁和连接榫头2.1的壁面上涂覆一层厚度为10μm-100μm的石墨涂层，以增加润滑性。同时，连接榫槽1.1与连接榫头2.1的硬度不小于70shore D。
本实施例中，桨毂1采用比强度高、机械性能较好的碳纤维增强聚合物基的复合材料制成，例如碳纤维尼龙复合材料、碳纤维聚碳酸酯复合材料、碳纤维聚醚醚酮复合材料等。异质复材叶片2中的叶片本体2.2需要有一定的刚度，优选采用碳纤维增强聚合物基的复合材料制成，而连接榫头2.1在工作时受到的弯矩较大，需有一定韧性抵抗弯折和高频震动，因此连接榫头2.1优选采用未添加碳纤的纯聚合物材料制成。其中，异质复材叶片2采用增减材相结合的多工艺成形，既满足异质复材一体化成形的需求，又符合了加工精度。
实施例2
本实施例公开了一种无人机，该无人机上设有实施例1中的结构可调异质复材的螺旋桨。
对于10-20kg的小型无人机，由于其重量较轻，螺旋桨要求轻量化以适应无人机的整体重量限制。同时，由于小型无人机的飞行速度相对较低，因此对螺旋桨的推重比要求不高，螺旋桨受力不大。因此针对10-20kg的小型无人机，桨毂的材料采用比强度高、机械性能较好的碳纤维尼龙复合材料制成，叶片本体采用碳纤维增强聚合物基的复合材料制成，连接榫头采用尼龙材料制成。
对于50-80kg的无人机，由于其重量较大，螺旋桨受力增加，对于这种无人机，螺旋桨的推重比要求较高。此外，由于这种无人机的飞行速度较高，因此需要关注螺旋桨的空气动力学性能，以降低阻力和提高飞行效率。因此针对50-80kg的无人机，选用聚丙乙烯类弹性体作为弹性连接件，桨毂的材料采用比强度更高、机械性能更优异的碳纤维聚醚醚酮复合材料制成，叶片本体采用碳纤维增强聚合物基的复合材料制成，连接榫头采用聚醚醚酮材料制成。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，包括桨毂以及若干异质复材叶片；
所述桨毂的侧部沿周向间隔设有若干与所述异质复材叶片一一对应的连接榫槽，且所述连接榫槽的槽口在所述桨毂上的高度高于所述连接榫槽的槽底，连接榫槽在桨毂的径向平面内为弧形结构；
所述异质复材叶片的端部设有连接榫头，所述连接榫头活动连接在对应所述连接榫槽内，且所述连接榫头与所述连接榫槽之间的配合面为弧形结构，以使得所述异质复材叶片在所述桨毂上的安装角可在离心力的作用下发生变化；
所述连接榫头与所述连接榫槽之间的配合面沿所述桨毂的周向具有螺旋角度，以使得所述异质复材叶片的桨叶角可在离心力的作用下发生变化；
随着螺旋桨速度的增加，在离心力的作用下，异质复材叶片会受到向外的离心力，此时连接榫头就会沿着连接榫槽向外移动，部分连接榫头位于连接榫槽外。
2.根据权利要求1所述的结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，还包括与所述连接榫槽一一对应的弹性连接器；
所述弹性连接器设在对应所述连接榫槽内，且所述弹性连接器的一端与所述连接榫槽的槽底相连，另一端与所述连接榫头的端部相连。
3.根据权利要求2所述的结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，所述弹性连接器为拉紧弹簧；或所述弹性连接器为聚氨酯类弹性体、聚苯乙烯类弹性体或聚丙乙烯类弹性体。
4.根据权利要求1所述的结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，所述连接榫槽的槽壁和/或所述连接榫头的壁面上涂覆有石墨涂层，以增加润滑性。
5.根据权利要求4所述的结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，所述石墨涂层的厚度为10μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的结构可调异质复材的螺旋桨，其特征在于，所述异质复材叶片、所述桨毂由碳纤维增强聚合物基的复合材料制成；
所述连接榫头由未添加碳纤的纯聚合物材料制成。
7.一种无人机，其特征在于，所述无人机上设有权利要求1至6任一项所述的结构可调异质复材的螺旋桨。
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