CN208377059U - 一种球齿轮副传动的无人机旋翼倾转机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种球齿轮副传动的无人机旋翼倾转机构，包括：旋翼总成、球齿轮总成、球头连杆总成、支撑安装座和电机齿轮凸轮总成；该旋翼总成固定连接于该球齿轮总成，该球齿轮总成固定连接于该支撑安装座，该球齿轮总成与该球头连杆总成活动连接，该支撑安装座固定连接至无人机直杆一端，且该电机齿轮凸轮总成安装于该支撑安装座内部并与该球头连杆总成活动连接；其中该球齿轮总成包括球齿轮副，该球齿轮副包括静球齿轮和动球齿轮，该动球齿轮的球齿面啮合该静球齿轮的球齿面做球面转动。

Description

一种球齿轮副传动的无人机旋翼倾转机构

技术领域

本实用新型涉及无人机领域，特别是涉及一种用于垂直起降飞行器的旋翼倾转机构。

背景技术

倾转旋翼是一种垂直起降飞行器采用的动力构型，在起飞降落和悬停时，飞行器通过旋翼向上产生拉力做类似直升机的旋翼飞行，在平飞时将旋翼倾转至水平位置产生向前拉力作水平飞行。倾转旋翼机既有旋翼又有固定机翼，而且旋翼可以从垂直位置转向水平位或者从水平位置转到垂直位置，具有垂直/短距离起降和高速巡航的特点，是兼顾直升机和固定翼飞行器优势的一种新型飞行器。结合垂直/短距离起降和快速飞行能力的优点，使得倾转旋翼无人机成为当前行业研究的热点。

倾转旋翼飞行器的设计重点之一，在于其倾转机构。现有的倾转机构均有一些缺陷或不足，如曲柄连杆机构存在死点，丝杠机构、蜗轮蜗杆机构的传动比大，反应慢；舵机直驱在固定翼状态下会产生不平衡力矩，反向传动给驱动装置；等等，都一定程度上降低了倾转机构的可靠性。而且现有的倾转机构，均只能实现单向直倾驱动——旋翼从垂直到水平的正前方向90°角度的倾转，即在一个平面范围内的90°倾转，实际上，飞行状态切换时，即从垂直到水平的倾转过程中，旋翼同时可左/右偏转一定角度，就可以显著提高飞行的稳定性。显然，目前的旋翼倾转机，不能实现这样的倾转方式。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型公开了一种球齿轮副传动的无人机旋翼倾转机构，包括旋翼总成、球齿轮总成、球头连杆总成、支撑安装座和电机齿轮凸轮总成；其中该旋翼总成固定连接于该球齿轮总成，该球齿轮总成固定连接于该支撑安装座，该球齿轮总成与该球头连杆总成活动连接，该支撑安装座固定连接至无人机直杆一端，且该电机齿轮凸轮总成安装于该支撑安装座内部并与该球头连杆总成活动连接。其中，该球齿轮总成包括由相互啮合的静球齿轮和动球齿轮组成的球齿轮副，以及转环、转套和销轴，其中两个该转环分别活动连接于该静球齿轮和该动球齿轮，该转套包裹于该转环外部，通过该销轴与两个该转环活动连接；该动球齿轮的轴的一端具有用于固定连接该旋翼总成的第一固定座，该静球齿轮的轴的一端具有用于固定连接该支撑安装座的第二固定座。

本实用新型所述的无人机旋翼倾转机构，其中该支撑安装座包括盒状的支撑安装底座和支撑安装盖，该支撑安装底座还具有用于固定连接该无人机直杆的直杆连接座和用于固定连接该第二固定座的静球齿轮连接座，其中该直杆连接座与该静球齿轮连接座存在一个夹角，以使该静球齿轮的轴线与该无人机直杆的轴线均处于垂直平面内且具有夹角α，α＝45°。

本实用新型所述的无人机旋翼倾转机构，其中该旋翼总成包括旋翼和驱动该旋翼的旋翼电机，其中该旋翼电机固定连接于该第二固定座，且该旋翼电机的轴线平行或重合于该动球齿轮的轴线。

本实用新型所述的无人机旋翼倾转机构，其中该球头连杆总成包括球头关节、第一连杆、凸轮框和第二连杆，其中该第一连杆和该第二连杆分别固定连接于该凸轮框的两侧，该球头关节安装于该第一连杆的一端并活动连接于该转套；该电机齿轮凸轮总成包括电机和齿轮凸轮组，该齿轮凸轮组的凸轮设置于该凸轮框内，该电机齿轮凸轮组的凸轮转动输出转换为该球头连杆总成沿该第一连杆的轴线方向的平移；该球头连杆总成驱动该球齿轮总成，使该动球齿轮带动该旋翼电机沿该静球齿轮的球齿面做球面转动。

进一步的，于该无人机旋翼倾转机构的垂直状态，该旋翼电机的轴线垂直于水平面，以使该旋翼产生垂直向上的拉力；于该无人机旋翼倾转机构的水平状态，该旋翼电机的轴线平行于水平面，使该旋翼产生平行于水平面的拉力；于该无人机旋翼倾转机构的过渡状态，该旋翼电机的轴线倾斜于水平面，使该旋翼产生方向与水平面具有夹角β的过渡拉力，且该过渡拉力的方向在水平面内的投影与该水平拉力的方向具有夹角δ，其中0°＜β＜90°，0°≤δ＜20°。

本实用新型所公开的无人机旋翼倾转机构，基于优化小型倾转旋翼无人机的倾转机构设计，以改善飞行的平稳性，采用球齿面啮合构成的球面转动副机构，旋翼从垂直状态到水平状态的倾转过渡过程中，同时还可以左/右偏转，即旋翼的倾转运动轨迹，呈一个空间曲线状态，而不是仅在一个平面内的曲线运动轨迹，这种倾转方式可以显著提高发动机换向过程中无人机的稳定性。

附图说明

图1A是本实用新型实施例的无人机垂直状态示意图。

图1B是本实用新型实施例的无人机水平状态示意图。

图1C是本实用新型实施例的无人机过渡状态示意图。

图2是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构结构图。

图3是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的旋翼总成结构图。

图4是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球齿轮总成结构图。

图5是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球齿轮总成安装步骤示意图。

图6是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球头连杆总成结构图。

图7是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的支撑安装座结构图。

图8是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的电机齿轮凸轮总成结构图。

图9是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的电机齿轮凸轮总成安装示意图。

图10是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的传动构件连接和驱动原理图。

图11是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的安装示意图。

图12A是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的垂直状态侧视图。

图12B是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的水平状态侧视图。

图12C是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的过渡状态侧视图。

图12D是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的过渡状态前视图。

其中附图标记为：

10：旋翼总成 11：旋翼 12：旋翼电机

20：球齿轮总成 21：动球齿轮 22：静球齿轮

23：转环 24：转套 25：销轴

211：电机安装固定孔 212：第一固定座 221：静球齿轮安装孔

222：第二固定座 241：球头关节安装螺纹孔

30：球头连杆总成 31：球头关节 32：第一连杆

33：凸轮框 34：第二连杆 311：球头关节安装头

40：支撑安装座 41：支撑安装底座 42：支撑安装盖

411：静球齿轮螺纹孔 412：直杆安装孔 413：第二定位孔

414：第一定位孔 415：静球齿轮连接座 416：直杆连接座

50：电机齿轮凸轮总成 51：电机 52：齿轮凸轮组

511：电机输出轴 521：凸轮 60：无人机直杆

G：无人机重心 F：拉力 L：拉力力臂

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做出进一步的详细说明，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例的旋翼倾转机构，用于一种可以垂直起降和空中悬停的倾转旋翼无人机，倾转旋翼无人机既有旋翼又有固定机翼，而且旋翼可以从垂直位置转向水平位或者从水平位置转到垂直位置，具有垂直/短距离起降和高速巡航的特点，是兼顾直升机和固定翼飞行器优势的一种新型飞行器。倾转旋翼无人机的设计重点之一，在于其倾转机构。目前的倾转机构，均只能实现单向直倾驱动——旋翼从垂直到水平的正前方向90°角度的倾转，即在一个平面范围内的90°倾转。实际上，飞行状态切换时，即从垂直到水平的倾转过程中，旋翼同时可左/右偏转一定角度，就可以显著提高飞行的稳定性。

本实用新型发明，立足于优化小型倾转旋翼无人机的倾转机构设计，以改善飞行的平稳性。本发明巧用球齿轮副机构，可以使旋翼从垂直状态到水平状态的倾转过渡过程中，同时还可以左/右偏转，即旋翼的倾转运动轨迹，呈一个空间曲线状态，而不是仅在一个平面内的曲线运动轨迹。图1A是本实用新型实施例的无人机垂直状态示意图，图1B是本实用新型实施例的无人机水平状态示意图，图1C是本实用新型实施例的无人机过渡状态示意图。如图1A所示，无人机可以如直升机一般完成垂直起降和空中悬停；如图1B所示，无人机可以如固定翼飞行器一般进行平飞；如图1C所示，无人机在从垂直状态与水平状态之间的过渡过程中，旋翼可以左/右偏转，从而显著提高发动机换向过程中无人机的稳定性。

图2是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构结构图。如图2所示，于本实用新型的实施例中，无人机旋翼倾转机构包括旋翼总成10、球齿轮总成20、球头连杆总成30、支撑安装座40和电机齿轮凸轮总成50，其中旋翼总成10固定连接于球齿轮总成20，球齿轮总成固定20连接于支撑安装座40，球齿轮总成20与球头连杆总成30活动连接，支撑安装座40固定连接至无人机直杆60一端，且电机齿轮凸轮总成50安装于支撑安装座40内部并与球头连杆总成30活动连接。

图3是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的旋翼总成结构图。如图3所示，于本实用新型的实施例中，旋翼总成10包括旋翼11和旋翼电机12，其中旋翼11安装于旋翼电机12的输出轴上，由旋翼电机12驱动旋转，使气流加速流过旋翼11以产生拉力，旋翼电机12的下部还设置有旋翼电机安装螺纹孔121，以通过螺纹连接将旋翼电机12固定连接至球齿轮总成20。

图4是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球齿轮总成结构图。如图4所示，于本实用新型的实施例中，球齿轮总成20包括动球齿轮21、静球齿轮22、转环23、转套24、销轴25；动球齿轮21与静球齿轮22构成球齿轮副，是球齿轮总成20的主要功能部件，用于旋翼总成10的倾转，转环23为2个，分别通过销轴活动连接于动球齿轮21与静球齿轮22，转套24包裹于转环23外部，转套24与转环23通过销轴25活动连接；动球齿轮21的轴的一端具有第一固定座212，第一固定座212上设置有电机安装固定孔211，以通过螺纹连接将旋翼总成10固定连接至动球齿轮21；静球齿轮22的轴的一端具有第二固定座222，第二固定座222上设置有静球齿轮安装孔221，以通过螺纹连接将静球齿轮22固定连接至支撑安装座40；转套24还设置有球头关节安装螺纹孔241，用于通过螺纹将球齿轮总成20的转套24与球头连杆总成30固定连接。图5是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球齿轮总成安装步骤示意图。如图5所示，动球齿轮21与静球齿轮22啮合组成一对球齿轮副，通过销轴25将2个转环23分别活动连接至动球齿轮21与静球齿轮22，再用销轴25将转套24与转环23活动连接，由此安装组成球齿轮总成20部件。球齿轮副的传动原理为，当静球齿轮22不动时，向转套24传输动力，转套24转动连带两个转环23转动，从而使动球齿轮21的球齿面绕着静球齿轮22的球齿面做球齿面啮合的球面转动。

图6是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的球头连杆总成结构图。如图6所示，于本实用新型的实施例中，球头连杆总成30有2对，每对球头连杆总成30分别由球头关节31、第一连杆32、凸轮框33和第二连杆34组成；其中球头关节31和第一连杆32之间、第一连杆32和和凸轮框33之间、第二连杆34和凸轮框33之间均由螺纹固定连接；球头关节31还设置有球头关节安装头311，球头关节安装头311通过螺纹固定连接于球头关节安装螺纹孔241，从而实现球头连杆总成30和球齿轮总成20的传动连接。

图7是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的支撑安装座结构图。如图7所示，于本实用新型的实施例中，支撑安装座40包括盒状的支撑安装底座41和支撑安装盖42，支撑安装底座41还设置有用于固定连接第二固定座222的静球齿轮连接座415和用于固定连接无人机直杆60的直杆连接座416，静球齿轮连接座415上设置有静球齿轮螺纹孔411，以通过螺纹连接将球齿轮总成20固定连接至支撑安装座40；直杆连接座416设置有直杆安装孔412，以通过螺纹连接将支撑安装座40固定连接至无人机直杆60。直杆连接座416与静球齿轮连接座415为倾斜设置，以使球齿轮总成20与无人机直杆60的轴线均处于垂直平面内且具有夹角α，在通常情况下，设置球齿轮总成20与无人机直杆60的夹角α处于水平状态时的0°和垂直状态时的90°的正中间，即α＝45°。

图8是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的电机齿轮凸轮总成结构图。如图8所示，于本实用新型的实施例中，电机齿轮凸轮总成50包括电机51、齿轮凸轮组52，电机51的电机输出轴511通过齿轮凸轮组52，获得两个凸轮521的转动输出。图9是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的电机齿轮凸轮总成安装示意图。如图9所示，电机齿轮凸轮总成50安装于支撑安装底座41内，并通过螺栓连接方式将支撑安装盖42与支撑安装底座41紧固，以实现电机齿轮凸轮总成50的安装固定。

图10是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的传动构件连接和驱动原理图。如图10所示，球头关节安装头311和球头关节安装螺纹孔241安装连接，实现球头连杆总成30和球齿轮总成20的传动连接，凸轮框33套在凸轮521外侧，第一连杆32穿过支撑安装座40的第一定位孔414，第二连杆34穿过支撑安装座40的第二定位孔413。这样，电机51的转动带动齿轮凸轮组52的转动，凸轮521的转动带动凸轮框33的往复运动，从而带动两个球头连杆总成30的反复运动，球头连杆总成30的往复运动拉着转套24转动，从而使动球齿轮21获得转动，实现电机-齿轮凸轮组-传动连杆-球齿轮副的传动输出。图11是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的安装示意图。如图11所示，旋翼总成10安装在动球齿轮21上，动球齿轮21转动，带动旋翼总成10倾转。由于动球齿轮21可以做空间球面转动，因此旋翼11由垂直倒向水平的倾转过程中，同时可以左/右偏转相应角度，从而改善飞行状态切换时的飞行稳定性。并且这种左右偏转的角度，根据算法计算可以进行控制，使旋翼11倾转时获取一个最优的偏转角度，从而最大程度的优化提高飞行切换状态中的无人机平稳性。

本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构具有三种工作状态，包括垂直状态、水平状态和过渡状态，分别用于无人机垂直起降及悬停、水平飞行和垂直—水平过渡。图12A是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的垂直状态侧视图，如图12A所示，在无人机旋翼倾转机构的垂直状态，球头连杆总成30驱动球齿轮总成20使旋翼总成10垂直于水平面，以使旋翼11产生垂直向上的拉力；图12B是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的水平状态侧视图，如图12B所示，在无人机旋翼倾转机构的水平状态，球头连杆总成30驱动球齿轮总成20使旋翼总成10平行于水平面，以使旋翼11产生平行于水平面的拉力；图12C是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的过渡状态侧视图，图12D是本实用新型实施例的无人机旋翼倾转机构的过渡状态前视图，如图12C、12D所示，在无人机旋翼倾转机构由垂直状态向水平状态转换或水平状态向垂直状态转换的过渡状态，球头连杆总成30驱动球齿轮总成20使旋翼总成10与水平面具有夹角β，其中0°＜β＜90°，此时旋翼11产生的拉力F方向在水平面内的投影可以重合于水平状态拉力方向，也可以与水平状态拉力方向存在夹角δ，0°≤δ＜20°，即旋翼11可以向左或向右倾斜一定角度，改变拉力方向以使处于过渡飞行状态的无人机保持稳定；即，当旋翼轴线方向与过渡拉力F作用点和重心G点的连线垂直时，这时具有最大力臂L和最大力矩FL，此时飞行的稳定性最好，这个最优偏转角δ，可以通过飞机的重心位置和旋翼拉力作用点位置计算获得，这种从垂直到水平倾转过程中同时还可以左/右偏转的旋翼倾转，可以显著提高发动机换向过程中飞机的稳定性。

本实用新型的无人机旋翼倾转机构，与目前市面现有技术方案相比，具有下述明显优点：球齿轮的球面转动，使旋翼垂直到水平的倾转过程，能比目前的旋翼机多一个左/右向的偏转，并且这种左/右偏转角度通过计算可控，使旋翼倾转时获取一个最优的偏转角度，这个左/右偏转，可以显著提高飞行切换状态中的平稳性，使旋翼机在改变往上/下、前/后、左/右方向的飞行中更加灵活、稳定；这种球齿轮机构的倾转反应灵敏，传动非常灵活、平稳、连贯，不存在目前各类倾转机构各自存在的一些缺陷不足如运动死点、力矩不平衡、笨拙、反应慢，显著提高了倾转机构的稳定性和可靠性。

本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种球齿轮副传动的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，包括：旋翼总成、球齿轮总成、球头连杆总成、支撑安装座和电机齿轮凸轮总成；该旋翼总成固定连接于该球齿轮总成，该球齿轮总成固定连接于该支撑安装座，该球齿轮总成与该球头连杆总成活动连接，该支撑安装座固定连接至无人机直杆一端，且该电机齿轮凸轮总成安装于该支撑安装座内部并与该球头连杆总成活动连接；其中该球齿轮总成包括球齿轮副，该球齿轮副包括静球齿轮和动球齿轮，该动球齿轮的球齿面啮合该静球齿轮的球齿面做球面转动。

2.如权利要求1所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，该球齿轮总成包括转环、转套和销轴，其中两个该转环分别通过该销轴活动连接于该静球齿轮和该动球齿轮，该转套包裹于该转环外部，通过该销轴与两个该转环活动连接。

3.如权利要求2所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，该动球齿轮的轴的一端具有用于固定连接该旋翼总成的第一固定座，该静球齿轮的轴的一端具有用于固定连接该支撑安装座的第二固定座。

4.如权利要求3所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，该支撑安装座包括盒状的支撑安装底座和支撑安装盖，该支撑安装底座还具有用于固定连接该无人机直杆的直杆连接座和用于固定连接该第二固定座的静球齿轮连接座，其中该直杆连接座与该静球齿轮连接座存在一个夹角，以使该静球齿轮的轴线与该无人机直杆的轴线均处于垂直平面内且具有夹角α。

5.如权利要求4所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，α＝45°。

6.如权利要求4或5所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，该旋翼总成包括旋翼和驱动该旋翼的旋翼电机，其中该旋翼电机固定连接于该第二固定座，且该旋翼电机的轴线平行或重合于该动球齿轮的轴线。

7.如权利要求6所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，该球头连杆总成包括球头关节、第一连杆、凸轮框和第二连杆，其中该第一连杆和该第二连杆分别固定连接于该凸轮框的两侧，该球头关节安装于该第一连杆的一端并活动连接于该转套；该电机齿轮凸轮总成包括电机和齿轮凸轮组，该齿轮凸轮组的凸轮设置于该凸轮框内，该电机齿轮凸轮组的凸轮转动输出转换为该球头连杆总成沿该第一连杆的轴线方向的平移；该球头连杆总成驱动该球齿轮总成，使该动球齿轮带动该旋翼电机沿该静球齿轮的球齿面做球面转动。

8.如权利要求7所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，于该无人机旋翼倾转机构的垂直状态，该旋翼电机的轴线垂直于水平面，以使该旋翼产生垂直向上的垂直拉力。

9.如权利要求7所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，于该无人机旋翼倾转机构的水平状态，该旋翼电机的轴线平行于水平面，使该旋翼产生平行于水平面的水平拉力。

10.如权利要求9所述的无人机旋翼倾转机构，其特征在于，于该无人机旋翼倾转机构的过渡状态，该旋翼电机的轴线倾斜于水平面，使该旋翼产生与水平面具有夹角β方向的过渡拉力，且该过渡拉力的方向在水平面内的投影与该水平拉力的方向具有夹角δ，其中0°＜β＜90°，0°≤δ＜20°。