CN2392582Y - 运动竞赛型三维空间自由度航模直升机 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种竞技航模机,它由机架、引擎启动装置、引擎及油箱,旋翼传动装置,旋翼,尾翼传动装置,尾翼,操纵控制系统,起落架,机壳及遥控器构成,特征是:引擎启动装置及发动机安装在与主传动轴保持15度倾角的基座上,便于启动和高效率传递动力,设置离心式离合器保证启动安全;后装油箱稳定重心;在旋翼传动主轴上设置能实现360度方向倾动的平衡盘,拉杆及剪形臂调控旋翼,及配合设置的平衡翼能实现航线飞行和特技飞行表演,具有结构紧凑性能优良的特点。

Description

运动竞赛型三维空间自由度航模直升机

本实用新型涉及一种航模竞赛型直升机。

航模运动是一项集科技、竞技、娱乐为一体的高尚体育竞赛活动，迄今已有几十年的历史，它在国防、教育、科研、气象、测绘、新闻、广告、农林监测等行业都具有广泛而重要的应用价值。随着人们生活水平的日益提高，它将成为人们一项锻炼体魄、娱乐身心、普及科学技术知识的新型休闲方式，会越来越受到社会各界的欢迎与重视。

现有的航模直升机结构复杂，制作困难，操作不便且价格昂贵。中国专利94237688.9给出了一种“航模直升飞机”的技术设计，虽然其结构简单价格低廉，但是作为竞赛活动，其技术方案无法达到所设定的飞行效果。主要技术问题是：

一、旋翼设计的重大缺陷是不符合空气动力学原理，无法为模型直升机提供前进动力。

直升机空气动力学理论指出：采用旋翼方式为动力源的飞行器，一方面依靠旋翼产生的升力，使飞行器升力大于地球对它产生的引力，实现升空；另一方面通过旋翼在水平面360度任意方向上的倾角，使直升机产生任意前进方向上的拉力。要作航线飞行，二者缺一不可。从飞行控制原理上讲，控制旋翼升力和拉力，要靠机械液压传动原理或电传动原理调整旋翼螺距和倾角，从而实现可操控的航线飞行。该专利在设计上使用1个伺服器(舵机)，以电传动原理控制模型直升机螺距，可以为模型直升机提供升力，但未见有旋翼倾角控制系统，其结果是理论上讲只能升空，而不能作可操控的航线飞行。

二、动力传动系统设计存在的重大缺陷是无动力传输离合装置，模型直升机难以启动。

模型直升机机身低矮、小巧，而旋翼相对而言较长，旋转起来占用水平空间较大。现有航模在启动技术上还不能进行遥控启动，必须依靠手工操作。该专利未在动力传动系统上设计动力离合装置，那么在启动动力和旋翼联动的情况下，如何进行启动，如何保证操作安全，没有给出具体的技术解决办法。

本实用新型的发明目的在于：克服上述缺陷，为航模竞赛活动提供一种竞赛型三维空间自由度的航模直升机。

本实用新型的发明目的是通过实施下述技术设计来实现的：

本实用新型采用航模专用内燃机作动力，手遥控发射器通过遥控接收器进行操作，再由伺服器(舵机)将控制信号经陀螺仪具体实施为控制动作，改变旋翼螺距和倾角、尾翼螺距、发动机输出功率，从而实现升空、悬停、前进、后退、加速、减速，前进和后退中的左右侧飞和转弯、悬停状态下的水平转弯、特技飞行中的跟斗、倒悬停、倒飞、急跃升、俯冲、大倾角贴地飞行、发动机熄火靠旋翼的自旋着陆、悬停着陆等各种飞行姿态，具有三维空间自由度的飞行能力。

本实用新型直升机由主机架、副机架，引擎启动装置，引擎及油箱，引擎消音器，旋翼传动装置，旋翼，尾翼传动装置，尾梁与尾翼，操纵控制系统，起落架，机壳，及遥控器等部分构成。

主机架为本机主体结构件，在整机中用来支撑和连接其它部件、承载引擎与油箱，而副机架则承载遥控接收系统。因航模在飞行中难免因各种原因需紧急降落，因此对重量及强度要求极高，故在设计中应采用增强材料、成型抗压和镂空减重等技术措施，并应在机件受力特别大的部位进行增强加固设计。同时，为用户日常维修和调试方便的需要，机架应采用开放式、独立式及少拆装设计。

引擎启动装置包括有外置启动头，下连启动连杆，启动连杆的轴上装有旋翼驱动齿轮、离心式离合装置，以及由其带动的引擎曲轴。

本实用新型在启动轴上增设的一个离心式离合装置，包括有离合罩、离合器内衬及离心式离合器。当模型直升机启动时，由于启动器转速低，其动力被离心式离合器阻断，不会使旋翼产生联动，可以方便地进行启动。引擎启动后，在不加油门的情况下，其转速达不到离心式离合器锁合的要求(800-1200转/分)，动力仍未传输到旋翼，可以保证操作安全。

本启动装置由外接启动电机提供初始动力，进行油气混合；由1.2伏外接电源点火。整个装置及发动机安装在与主传动轴保持15度倾角的基座上。这种设计是为了便于启动和高效率传递动力。

引擎及后置油箱：本机采用航模专用内燃机(2-4冲程)为动力，引擎设计在主机架中心线略靠前的底部，油箱置于主机架后底部，不被机壳遮盖。这种设计是考虑到整机的平衡重心，应置于主轴前2度才能达到三维空间自由度要求，整机重心位置应较低才能保证飞行的稳定性；油箱的布置是考虑到加油方便，可视度高，能随时观察油箱存油量，便于掌握飞行时间，保证飞行安全。

引擎消音器：航模机引擎工作时噪声较大，有一定的噪音污染。本机采用大口径消音管与排气管接合，产生反压消音，能大幅度减小引擎噪声，使之达到环保标准。

旋翼传动装置：本机的旋翼传动装置安装在主机架上，包括有旋翼传动主轴及轴上的主齿轮，该主齿轮与引擎启动装置中启动连杆轴上的旋翼驱动齿轮相啮合，并且在主齿轮上方装置有单向轴承。在设计上，采用了当引擎转速达到800-1200转/分时，引擎启动装置中的离心式离合器与离合罩结合，带动旋翼驱动齿轮转动，后者又驱动主齿轮和旋翼传动主轴，带动旋翼高速转动产生升力。这种设计方案的优点是克服了皮带式传动所产生的功率损耗大、使用寿命短、维修养护不便的缺点。主齿轮上方特别设置的单向轴承，可以使旋翼沿惯性方向(产生升力的方向)自旋，产生一定的升力，保证模型直升机在熄火降落时的安全。

旋翼由旋翼夹头及一对旋翼浆叶构成。在旋翼头上独立地设置一对与其正交的由平衡杆与平衡浆叶构成的平衡翼，该平衡翼的设置是为了改变其翼面倾角及两翼平衡度而产生不同方向的拉力，实现对飞行姿态的有效控制。航模直升机旋翼浆叶要求重量轻、韧性好、有一定强度。本机旋翼浆叶采用经过工艺处理过的木质材料制作。

尾翼传动装置：包括有与旋翼传动装置中的主齿轮连动的伞形齿轮，由该伞齿轮驱动的、通过支架套装在尾梁腔体内的尾翼传动轴，安装在尾梁尾部的尾旋翼夹头，在夹头内装置一对伞形齿，其一为与尾翼传动轴连接的驱动伞形齿，二为与其啮合的能产生90度换向转动的换向驱动伞形齿，该换向驱动伞形齿，通过其转轴、连杆、螃蟹爪与尾翼连接。这一路机构是为尾翼浆叶提供动力，使航模直升机能产生抵消旋翼离心力的横向拉力。尾翼传动装置的另一路机构是由伺服器驱动拉杆，通过拉杆连接螃蟹爪，调整尾翼浆叶在垂直方向上的倾斜度，使之产生不同拉力，实现对航模直升机的航向控制。

尾梁与尾翼：

本机尾梁内部装有尾翼传动轴，作用极为重要。该机件较长，又无其它支撑件，处于易折损部位，除应采用有一定抗拉、抗弯折强度的材料制作外(如经阳极化处理的铝合金管)，在尾梁设计上可采用2根铝质斜向支撑杆，增加其结构强度。

本机有两种尾翼，一种为固定式，一种为旋转式。

固定尾翼有水平尾翼和垂直尾翼各一幅，前者固定在尾梁后部位置，后者装在尾梁的尾端。为防止在飞行中因各种原因发生强烈振动或坠落造成损坏，设计中可使用柔性较强、硬度较高的尼龙材料制作。冲击试验表明，在30米高的自旋着陆情况下，两翼保持完好。

旋转式尾翼即为本文中所述尾翼，由双翼浆叶构成。其要求与旋翼浆叶大致相同，对重量无特殊要求，可采用ABC尼龙材料制作。

操纵控制系统：本机的操纵控制系统主要包括有三路：

1、旋翼螺距和倾角控制

2、尾翼螺距控制

3、引擎输出功率控制

旋翼螺距和倾角控制：航模直升机在引擎输出功率既定情况下，依靠旋翼螺距和倾角的改变来实现飞行高度、速度、姿态的控制。它需要遥控信号接收器、伺服器、动作机构形成系统联动，作用于旋翼才能达到控制目的，构成通常所说的飞行控制系统。本机在该系统的设计上，一是专门设计了一个装有球心轴承的平衡盘装置，可实现360度方向倾动，该盘通过其上装置的拉杆驱动剪形臂，推动改变旋翼头上的浆叶螺距，产生大小不同的升力和拉力；二是在旋翼头上独立设置一对平衡翼，由平衡盘驱动拉杆和剪形臂，同时改变旋翼螺距和平衡翼的翼面倾角及两翼平衡度，使旋翼的倾角发生改变，产生不同方向的拉力，这种设计不仅可以使航模直升机进行航线飞行，而且增加了敏捷性，使其可作特技飞行。

尾翼螺距控制：航模直升机尾翼的作用是产生与旋翼旋转方向相反的拉力，以抵消旋翼旋转所产生的离心力，防止机身受离心力的作用发生旋转。因此，尾翼拉力的大小变化，可以改变航模直升机飞行方向性。而尾翼拉力的大小，取决于引擎的输出功率和浆叶的螺距。在引擎输出功率既定情况下，改变尾翼拉力依靠改变螺距的变化。本机在设计上采用与改变旋翼螺距的相似方法，通过伺服器直接带动拉杆，拉杆驱动螃蟹爪改变尾翼螺距，实现飞行方向控制。

引擎输出功率控制：遥控接收器在受到遥控发射器的油门控制量信号后，由一台伺服器(航机)驱动拉杆控制油门，调整引擎的进油量和风门，实现对航模机引擎输出功率的控制。

起落架与机壳：本机起落架采用韧性较强，硬度较高的尼龙材料制作，以防止在发生强烈振动或坠落时，造成损坏。

按空气动力学原理，机壳采用流线型和二次扰流设计。二次扰流所产生的涡流，能增强旋翼下冲气流的作用力，能有效提高升力系数。机壳可用表面光洁度好空气阻力小的玻璃钢制作。

本实用新型的主要特征在于：

a、引擎装设在主机架中心线略靠前的底部，并与主传动轴保持15度倾角的基座上；

b、油箱装设在主机架后底部，且不被机壳遮盖；

c、在引擎启动装置中的启动轴上设置有确保启动安全的由离合罩、离合器内衬及离心式离合器构成的离心式离合装置；

d、具有安装在主机架上的主齿轮及装在主齿轮上的旋翼传动主轴、装置在该主轴上的具有内装球心轴承能实现360度方向倾动的平衡盘，以及该盘通过其上的拉杆及剪形臂驱动连接旋翼夹头及其上的旋翼；

e、在旋翼头上独立的设置一对与其正交的实现对飞行姿态控制的平衡翼。

本实用新型的优点在于：

由于在设计中采用了多项先进技术，至使航模直升机的结构紧凑，性能优异，能实现在三维空间自由度的航线飞行和作各种高难度的特技飞行表演，操作简便，价格也较低廉，适于在航模界推广。

本实用新型有如下附图：

图1、图2、图3均为航模直升机结构工作原理图；

图4为主、副机架及引擎启动装置及油箱立体视图；

图5为引擎启动装置、旋翼传动装置及尾翼传动装置正视图；

图6为起落架结构立体视图；

图7为旋翼螺距和倾角的控制机构图；

图8为平衡翼结构立体视图；

图9为尾翼螺距控制机构及水平尾翼和垂直尾翼立体图。

图中标记：1为机架部分，2为动力部分，3为传动部分，4为尾翼部分，5为旋翼部分，6为操纵控制部分，7为遥控装置，8为启动轴，9为离心式离合器，10为旋翼驱动齿轮，11为主齿轮，12为主轴，13为单向轴承，14为旋翼浆叶，15为伞形齿轮，16为尾翼传动轴，17为尾翼浆叶，18为遥控接收器，19、20、21、22、23均为伺服器，24为拉杆，25为拉杆，26为引擎，27为平衡盘，28为副机架，29为主机架，30为油箱，31为消音器，32为外置启动头，33为旋翼夹头，34为平衡翼杆，35为球心轴承，36为拉杆，37为剪形臂，38为平衡翼，39为水平尾翼，40为垂直尾翼，41为螃蟹爪，42为尾梁，43为拉杆球头。

下面结合附图对本实用新型的工作原理作进一步说明：

如图1所示，本实用新型包括：机架部分1，动力部分2，传动部分3，尾翼部分4，旋翼部分5，操作控制部分6，遥控装置7。

如图1和图2所示，动力部分2将引擎功率输出到启动轴8，在启动轴上装有离心式离合器9和旋翼驱动齿轮10，在启动轴转速达到800-1200转/分时，离心式离合器9自动锁合，驱动旋翼驱动齿轮10转动，旋翼驱动齿轮10驱动主齿轮11、主轴12、单向轴承13转动，为旋翼浆叶14提供动力，使航模直升机产生升力。同时，主齿轮11驱动伞形齿轮15，伞形齿轮15驱动尾翼传动轴16转动，尾翼传动轴16为尾翼浆叶17提供动力，使航模直升机产生抵消旋翼离心力的横向拉力。

如图2所示，在本机失去动力的情况下，空气动力作用于旋翼14，使之发生自旋。为了使自旋产生一定的升力，单向轴承13使旋翼始终保持产生升力方向的单向旋转，从而保证本机安全着陆。

如图3所示，遥控接收机18在受到遥控发射机的控制信号后，将舵角控制量信号和油门控制量信号分别传输给伺服器19、20、21、22、23，由伺服器19驱动平衡盘27，调整旋翼螺距，使旋翼浆叶14产生不同的升力系数；由伺服器20、21驱动平衡盘27，调整平衡翼仰角、两臂平衡度和旋翼螺距，运用翼面倾斜力矩原理，使旋翼翼面产生360度任意方向的倾角，实现对航模直升机360度任意方向前进、后退、侧飞的拉力和机身倾斜度控制；由伺服器22驱动拉杆24，调整尾翼浆叶17在垂直方向上的倾斜度，使之产生不同的拉力，实现对航模直升机的航向控制；由伺服器23驱动拉杆25，调整引擎26的进油量和风门，实现对航模直生机引擎输出功率的控制。

实施例：

全长(至旋翼尖)149cm

机身长(至机头尖)108cm

全高(至旋翼顶)40cm

机身宽(不含起落架)23cm

旋翼直径：128cm

尾翼直径：23cm

空机重：2800克

发动机汽缸容量：5.8mL

最大输出功率2.2马力

燃料及配比：甲醇∶蓖麻油＝8∶2

航机(伺服器)5个

遥控器5通道

遥控自由度：三维空间自由度

遥控距离(半径)1000米

全机性能：

实用升限：200米

最大外挂载重2kg

实用外挂载重1kg

Claims (5)

1、一种运动竞赛型三维空间自由度航模直升机，包括有机架、引擎启动装置、引擎及油箱、引擎消音器、旋翼传动装置、旋翼、尾翼传动装置、尾梁与尾翼、操纵控制系统、起落架、机壳及遥控器组成，其特征在于：

a、引擎(26)装设在主机架(29)中心线略靠前的底部，并与主传动轴保持15度倾角的基座上；

b、油箱(30)装设在主机架(29)后底部，且不被机壳遮盖；

c、在引擎启动装置中的启动(8)轴上，设置有确保启动安全的由离合罩，离合器内衬及离心式离合器组成的离心式离合装置(9)；

d、具有安装在主机架(29)上的主齿轮(11)及装在主齿轮(11)上的旋翼传动主轴(12)，装置在该主轴(12)上的具有内装球心轴承(35)能实现360度方向倾动的平衡盘(27)，以及该盘(27)通过其上的拉杆(36)及剪形臂(37)驱动连接旋翼夹头(33)及其上的旋翼浆叶(14)；

e、在旋翼头(33)上独立的设置一对与其正交的实现对飞行姿态控制的平衡翼(38)。

2、按照权利要求1所述的航模直升机，其特征在于：在尾翼传动装置中还有一路由伺服器(22)、拉杆(24)、螃蟹爪(41)及尾翼依序连成的用以改变尾翼的机构。

3、按照权利要求2所述的航模直升机，其特征在于：在引擎排气管处装置消音器(31)。

4、按照权利要求3所述的航模直升机，其特征在于：在主轴(12)上装置有使旋翼始终保持产生升力方向单向旋转的单向轴承(13)。

5、按照权利要求4所述的航模直升机，其特征在于：在副机架(28)上装置有5台伺服器，一台是驱动平衡盘(27)调整旋翼螺距，使旋翼浆叶(14)产生不同升力的伺服器(19)，有二台是驱动平衡盘(27)调整平衡翼仰角、两臂平衡度和旋翼螺距，实现对航模任意方向前进、后退、侧飞的拉力和机身倾度控制的伺服器(20)和(21)；再一台是驱动拉杆(24)调整尾翼浆叶(17)在垂直方向上倾斜度，使之产生不同拉力实现对航模航向控制的伺服器(22)，最后一台是驱动拉杆(25)调整引擎(26)进油量和风门，实现对航模引擎输出功率控制的伺服器(23)。

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