CN110683049A - 一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置 - Google Patents

Abstract

本发明实例公开了一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，涉及旋翼飞行器技术领域，能够实现每片桨叶的桨距变化，提高操纵可靠性。本发明包括：桨毂装置由上下分离的两部分装配形成，上部分和下部分之间以圆环进行约束；桨毂装置的下部分通过螺栓与旋翼轴连接；Y型轴安装在桨毂的上下两部分之间，其中，Y型轴上从桨毂部分(中心位置)开始，向外顺次安装第一垫圈、深沟球轴承、套筒、深沟球轴承、止推轴承、第二垫圈和螺钉；桨叶夹的内侧为凸台结构，凸台结构位于第二个深沟球轴承与止推轴承之间。桨叶夹的根部的外侧安装变距摇臂，其中，变距摇臂的尺寸与操纵节点的相对位置相匹配。本发明适用于小型倾转旋翼机的操作。

Description

一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置

技术领域

本发明涉及旋翼飞行器技术领域，尤其涉及一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置。

背景技术

直升机具有垂直起降和空中悬停的优势，固定翼飞机具备飞行速度高的特点。倾转旋翼机是将固定翼飞机与直升机融合的一种新型飞行器，兼具垂直起降、空中悬停功能以及高速巡航飞行能力。倾转旋翼机在直升机模式下(垂直飞行及低速飞行)，飞行速度低，固定翼面难以提供飞行需要的升力，则应当依靠旋翼作为主要升力面，因此对飞行器的操纵需要借由直升机自动倾斜器与桨毂系统完成；在固定翼飞机模式下(高速飞行)，以螺旋桨飞机方式操纵，利用固定翼产生升力，效率更高，通过改变螺旋桨转速调整推力大小实现飞行速度的改变；倾转过渡状态下，通过调整总距与转速实现稳定飞行。

直升机模式下，为保证倾转旋翼机的操纵需求，若以变转速的方式进行操纵，则会导致两侧旋翼升力的不对称，从而对机身产生侧倾力矩，对于地面操纵的要求较高，且无法较快地实现偏航以及侧飞操纵。固定翼模式下，若以自动倾斜器进行操纵，一方面无法充分发挥桨叶尖部高速翼型的特性，另一方面，旋翼操纵带来的耦合振动问题较大。

因此，如何在满足操纵需求及强度条件的需求情况下，尤其是倾转旋翼机在直升机模式下的操纵可靠性问题，成为急需研究的课题。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，能够实现每片桨叶的桨距变化，提高操纵可靠性。

第一方面，本发明的实施例提供的用于小型倾转旋翼机的桨毂装置中，所述桨毂装置由上下分离的两部分装配形成，上部分和下部分之间以圆环进行约束；

所述桨毂装置的下部分通过螺栓(3)与旋翼轴(7)连接；

Y型轴安装在桨毂的上下两部分之间，其中，Y型轴的外侧且靠近桨毂的部分，按照由内至外的顺序依次安装第一垫圈、深沟球轴承(6)、套筒、深沟球轴承(6)、止推轴承(4)、第二垫圈和螺钉；

桨叶夹(1)的内侧为凸台结构，所述凸台结构位于第二个深沟球轴承(6)与止推轴承(4)之间，止推轴承(4)用于承担旋翼旋转时，每片桨叶所产生的离心力，所述凸台结构用于将离心力载荷传递至止推轴承(4)上；

桨叶夹(1)的根部的外侧安装变距摇臂(2)，其中，变距摇臂(2)的尺寸与操纵节点的相对位置相匹配。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，桨叶夹(1)的端部通过螺栓(3)连接桨叶，同时桨叶夹(1)的另一端通过中间连接轴连接至所述桨毂，螺栓(3)用于固定所述中间连接轴上的零件；变距摇臂(2)的一端通过螺栓(3)连接在桨叶夹(1)上，变距摇臂(2)的另一端与变距拉杆相连，并通过所述自动倾斜器的倾倒。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，深沟球轴承(6)被成对安装，深沟球轴承(6)的中间安装一段套筒，以力偶的形式在结构中承担桨叶产生升力传递至所述桨毂上的力矩；特殊设计的垫片(5)安装在轴端。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能的实现方式中，自动倾斜器的组成部分包括动环(8)和不动环(12)，不动环(12)分为上下两部分，并以螺钉连接，不动环(12)嵌套于球铰上，动环(8)与不动环(12)之间安装滚子。

具体的，旋翼轴(7)的下方连接电机，用于传输电机输出的扭矩；自动倾斜器的动环(8)、第一鱼叉形构件(9)和第二鱼叉形构件(10)组成扭力臂，所述扭力臂用于带动动环(8)跟随旋翼一同转动。

本实施例中，将三根分离轴合成一个Y型轴，离心力可以在结构中平衡，而旋翼轴(7)传来的扭矩主要由桨毂处的两根螺栓(3)传递，对旋翼轴(7)上方的外形要求较低。桨毂各部件及装配图如图6所示，为安装Y型轴，则需要将旋翼轴(7)的头部形状设计为与其相贴合的形式，同时将桨毂分为上下两部分，以一个圆形连接环连接桨毂的上下两部分。圆形连接环设计为带锥度的形式，利用结构几何外形对桨毂处的位移及变形起到限制作用。从而实现每片桨叶的桨距变化，使得转速由电机驱动输入。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的桨毂系统的结构分解图；

图2为本发明实施例提供的桨毂系统三视图及三维轴测图；

图3为本发明实施例提供的桨叶夹与桨毂连接关系示意图；

图4为本发明实施例提供的扭力臂与随动装置示意图；

图5为本发明实施例提供的自动倾斜器示意图；

图6为本发明实施例提供的桨毂各部件及装配图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，如图1和2所示的倾转旋翼桨毂及操纵机构示意图，所述桨毂装置由上下分离的两部分装配形成，上部分和下部分之间以圆环进行约束。

所述桨毂装置的下部分通过螺栓(3)与旋翼轴(7)连接。

圆环(15)用于连接上部分(13)和下部分(14)，其具体外形参数取决于桨毂的具体参数与载荷情况。当桨毂上载荷较大时，圆环应有较大的截面积以及较小的内壁面斜度；另外内壁面足够大的粗糙度对于限制桨毂变形有较好作用。粗糙度与限制变形的能力正相关。由于圆环的存在，Y型轴上无需开孔用于连接，无强度削弱，所以结构重量可以得到极大降低。

Y型轴安装在桨毂的上下两部分之间，其中，所述Y型轴上从所述桨毂的中心位置向外顺次安装第一垫圈、深沟球轴承(6)、套筒、深沟球轴承(6)、止推轴承(4)、第二垫圈和螺钉。

Y型轴安装在桨毂的上下两部分之间，其中，Y型轴的外侧且靠近桨毂的部分，按照由内至外的顺序依次安装第一垫圈、深沟球轴承(6)、套筒、深沟球轴承(6)、止推轴承(4)、第二垫圈和螺钉。

桨叶夹(1)的内侧为凸台结构，所述凸台结构位于第二个深沟球轴承(6)与止推轴承(4)之间，止推轴承(4)用于承担旋翼旋转时，每片桨叶所产生的离心力，所述凸台结构用于将离心力载荷传递至止推轴承(4)上。

桨叶夹(1)的根部的外侧安装变距摇臂(2)，其中，变距摇臂(2)的尺寸与操纵节点的相对位置相匹配。

目前，国内外的桨毂发展也较为迅速，目前以弹性轴承提供桨叶的挥舞摆振变形自由度的构型较为先进，但在应用上仍以设置挥舞铰、摆振铰、变距铰为主。董凌华等人设计了一款倾转旋翼用等速万向铰桨毂，主要解决了转速波动问题。倾转旋翼机在不同模式下有特定更优的操纵方式，若以单一模式操纵，会使操纵性能存在一定的局限性。针对这一特点，以轻型倾转旋翼机为基础，提出了一款可以在不同飞行状态下，实现不同操纵方式的桨毂及操纵系统的设计方案，实现倾转旋翼机对不同飞行状态的操纵需求。而本实施例中，基于常规直升机的桨毂结构，针对倾转旋翼机的操纵需求，设计了一款适用于小型倾转旋翼机的桨毂系统，用于实现倾转旋翼机在飞行过程中的操纵，本案中设计的倾转旋翼桨毂结构简单，响应较快，可以满足变距及变转速操纵，适用于刚性桨叶的小型倾转旋翼机。以某型倾转旋翼机缩比模型为例，进行强度校核，计算结果表明：该桨毂构型在各飞行状态下，可满足操纵需求及强度条件，且可靠性较高。同时，在桨毂外侧可设计安装流罩，从而减少飞行过程中桨毂部分气流分离所造成的阻力。

为解决倾转旋翼机在直升机模式下的操纵问题，通常每一个桨毂及操纵机构需提供的操纵量有：总距、横向周期变距、纵向周期变距、转速。而本实施例所设计的桨毂装置，目的在于实现每片桨叶的桨距变化。

具体的，对于常规两桨旋翼，以一根光轴贯穿旋翼轴(7)，旋翼离心力在轴上平衡。对于三桨旋翼而言，一般采用三个分离轴的方式连接桨叶。但这一构型在连接轴与桨毂时依赖螺栓(3)连接，而在轴上开孔对轴的力学性能影响很大，因此，本实施例将三根分离轴合成一个Y型轴，离心力可以在结构中平衡，而旋翼轴(7)传来的扭矩主要由桨毂处的两根螺栓(3)传递，对旋翼轴(7)上方的外形要求较低。桨毂各部件及装配图如图6所示，为安装Y型轴，则需要将旋翼轴(7)的头部形状设计为与其相贴合的形式，同时将桨毂分为上下两部分，以一个圆形连接环连接桨毂的上下两部分。圆形连接环设计为带锥度的形式，利用结构几何外形对桨毂处的位移及变形起到限制作用。旋翼轴(7)上方突出桨毂的部分用于连接安装整流罩。

桨叶夹(1)部分与桨毂之间的连接关系具体如图3所示的，桨叶夹(1)的端部通过螺栓(3)连接桨叶，同时桨叶夹(1)的另一端通过中间连接轴连接至所述桨毂，螺栓(3)用于固定所述中间连接轴上的零件。

变距摇臂(2)的一端通过螺栓(3)连接在桨叶夹(1)上，变距摇臂(2)的另一端与变距拉杆相连，并通过所述自动倾斜器的倾倒。，以便于将操纵传递至桨叶上，实现对每片桨叶的桨距控制。

深沟球轴承(6)被成对安装，深沟球轴承(6)的中间安装一段套筒，以力偶的形式在结构中承担桨叶产生升力传递至所述桨毂上的力矩。特殊设计的垫片(5)安装在轴端。

该部分的主要参数为Y型轴的直径D_z及两深沟球轴承(6)的间距l_qz。D_z的大小影响了中间连接轴所能承受的离心力极限以及深沟球轴承(6)、止推轴承(4)的选型，l_qz的大小影响了深沟球轴承(6)所能承受的桨毂力矩大小。

在本实施例中，如图5所示的，自动倾斜器的组成部分包括动环(8)和不动环(12)，不动环(12)分为上下两部分，并以螺钉连接，不动环(12)嵌套于球铰上，以保证运动的连续性。动环(8)与不动环(12)之间安装滚子，以实现相对转动。其中，自动倾斜器部分由动环与不动环两部分构成。两者之间用圆柱滚子连接，实现相对转动。不动环分为上下两部分，两者之间以小螺钉项链，并嵌套在球铰上，实现与球铰之间的转动。

自动倾斜器的主要参数有中心球铰的半径R，以及半高度h。两者之间的相互关系需满足

以保证自动倾斜器有±15°的操纵空间。

进一步如图4所示的，旋翼轴(7)的下方连接电机，用于传输电机输出的扭矩。自动倾斜器的动环(8)、第一鱼叉形构件(9)和第二鱼叉形构件(10)组成扭力臂，所述扭力臂用于带动动环(8)跟随旋翼一同转动。由于变距拉杆为二力杆，无法承担扭矩，可见这一机构的必要性。扭力臂的本质为曲柄摇杆机构，从图4中(b)可见，旋翼轴(7)旋转的同时，扭力臂除传递扭矩外，保留了动环的绕球铰旋转自由度。在该机构的设计中，主要参数即为四段杆长：l₁、l₂、l₃、l₄。在设计选取四个杆长时，应当确定操纵的需求：自动倾斜器的操纵量一般为±15°，因此l₃与l₄的夹角范围为(75°，105°)；为保证机构的传递效率，l₁与l₂之间的夹角(锐角)为传动角，至少应取40°；l₄的长度决定了操纵节点的外伸量，应根据桨毂部分尺寸合理选取；l₁、l₂、l₄三根杆的长度间接反映了该机构的质量，长度越小则质量越低。因此，四段杆长应当根据桨毂设计参数以及操纵需求综合选取。

如图6所示的，桨毂在设计过程中，主要依据为旋翼工作时的载荷、工作环境、安全系数等。由于旋翼气动环境复杂、交变载荷严重，因此安全系数的取值在1.5到2.0之间。旋翼轴(7)结构简单，但受载复杂，倾转旋翼机在直升机模式及固定翼模式下，旋翼轴(7)上的主要载荷为拉力、扭矩，在倾转过渡过程中弯矩对旋翼轴(7)的影响也很大。同时考虑到桨毂与旋翼轴(7)的连接方式为螺栓(3)连接，因此，孔对轴性能的削弱必须考虑进去。桨毂部分的主要载荷为旋翼旋转并转递过来的的桨毂力、桨毂力矩以及离心力，同时还有旋翼轴(7)传递过来的扭矩。依据旋翼滑流理论对气动载荷进行预估，求解桨毂力、桨毂力矩以及离心力。桨毂部分的尺寸依据受扭与受弯同时进行设计，选取尺寸较大的结果作为设计结果。中间连接轴的载荷情况较为简单，但设计过程中的影响因素较多。中间连接轴的主要载荷即为拉力(旋翼离心力)，以及与桨毂连接处的剪切作用。影响的因素有连接轴的重量、轴承的内径以及材料等。桨叶夹(1)部分主要为功能设计，内部需留足空间安装球轴承以及止推轴承(4)，外部连接变距摇臂(2)与变距拉杆，实现变距功能。

通过测试实验对桨毂强度校核：

假设某型倾转旋翼机起飞重量90kg，桨叶半径为0.7m，根据动量理论的气动力模型预估桨叶集中载荷：

表1桨叶基本参数及载荷预估结果

桨毂选材如下表所示：

表2桨毂选材参数表

在表1所述载荷情况下，对桨毂最复杂部分进行静强度校核，根据校核结果，载荷最严重位置在Y型轴上，最大应力为143.28Mpa，考虑安全系数为2，10材料选用45钢安全。桨叶夹(1)外侧发生最大位移，为0.35mm。

由次可见在本实施例中：首先，由于倾转旋翼机结合了旋翼与固定翼两套升力体系，故而在飞行过程中气动环境复杂，尤其是过渡状态下，全机可提供的操纵量超过十个，超过普通配平的6个操纵量，确保了飞行过程中的姿态可控性。

其次，受设计空间的限制，常规桨毂很难在大载荷情况下保证强度的同时限制重量。由于利用Y型轴，取消了螺栓(3)连接的方式，对轴的性能削弱减小，可以有效减小连接轴的直径，相应的诸如深沟球轴承(6)、止推轴承(4)等标准件的型号都相应减小，对桨毂整体的减重很有帮助。

之后，桨毂处的锥形圆环对结构位移的约束效果明显，当桨叶挥舞，Y型轴的每个孤立轴向上弯曲时，桨毂的上下两部分趋于分离，由于锥度的存在会使圆环向外侧运动，推动桨叶夹(1)回到原始位置。或者理解为当轴向上弯曲时锥度的存在使得圆环无法向内侧滑动，限制了上下桨毂的分离。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，其特征在于，所述桨毂装置由上下分离的两部分装配形成，上部分(13)和下部分(14)之间以圆环(15)进行约束，可辅以胶接；

圆环(15)用于连接上部分(13)和下部分(14)；

所述桨毂装置的下部分(14)通过螺栓(3)与旋翼轴(7)连接；

Y型轴安装在桨毂的上下两部分之间，其中，所述Y型轴上从所述桨毂的中心位置向外顺次安装第一垫圈、深沟球轴承(6)、套筒、深沟球轴承(6)、止推轴承(4)、第二垫圈和螺钉；

桨叶夹(1)的内侧为凸台结构，所述凸台结构位于第二个深沟球轴承(6)与止推轴承(4)之间，止推轴承(4)用于承担旋翼旋转时，每片桨叶所产生的离心力，所述凸台结构用于将离心力载荷传递至止推轴承(4)上；

桨叶夹(1)的根部的外侧安装变距摇臂(2)，其中，变距摇臂(2)的尺寸与操纵节点的相对位置相匹配。

2.根据权利要求1所述的用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，其特征在于，桨叶夹(1)的端部通过螺栓(3)连接桨叶，同时桨叶夹(1)的另一端通过中间连接轴连接至所述桨毂，螺栓(3)用于固定所述中间连接轴上的零件；

变距摇臂(2)的一端通过螺栓(3)连接在桨叶夹(1)上，变距摇臂(2)的另一端与变距拉杆相连，并通过所述自动倾斜器的倾倒。

3.根据权利要求2所述的用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，其特征在于，深沟球轴承(6)被成对安装，深沟球轴承(6)的中间安装一段套筒，以力偶的形式在结构中承担桨叶产生升力传递至所述桨毂上的力矩；

特殊设计的垫片(5)安装在Y型轴外侧端部。

4.根据权利要求1所述的用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，其特征在于，自动倾斜器的组成部分包括动环(8)和不动环(12)，不动环(12)分为上下两部分，并以螺钉连接，不动环(12)嵌套于球铰上，动环(8)与不动环(12)之间安装滚子。

5.根据权利要求4所述的用于小型倾转旋翼机的桨毂装置，其特征在于，旋翼轴(7)的下方连接电机，用于传输电机输出的扭矩；

自动倾斜器的动环(8)、第一鱼叉形构件(9)和第二鱼叉形构件(10)组成扭力臂，所述扭力臂用于带动动环(8)跟随旋翼一同转动。

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