一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵‑传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统；传动系统包括传动齿轮组、电机、四根同心轴，能够实现对直升机的升降操控；周期变距操纵系统包括两自由度单一倾斜器、纵向舵机、横向舵机，能够实现对直升机滚转和俯仰的操控；航向操纵系统包括下旋翼航向操纵滑环、航向舵机，能够实现对直升机航向的操控。本发明专利技术采用了单一自动倾斜器、旋翼转速可控、航向操纵滑环相互配合的模式，在完成对直升机俯仰、滚转、升降、航向操控的情况下，减少了零部件数量、尺寸及重量，降低了机构的复杂性，减少了操纵系统总体尺寸，从而获得更大的载荷能力和更长的续航时间。

A control transmission system of coaxial helicopter based on single automatic tilter

【技术实现步骤摘要】
一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统
本专利技术涉及航空器设计
，更具体的说，涉及一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统。
技术介绍
共轴式直升机采用共轴反转的上下两副旋翼提供升力，通过改变上下两副旋翼平衡的反扭矩实现航向操纵，不需尾桨。具有体积小、结构紧凑、悬停效率高的优点。俄罗斯卡莫夫设计局研制并生产了一系列有人驾驶共轴式直升机，在国民经济和军事领域广泛应用。在国内，北航于上世纪80年代自主研发了共轴式无人直升机，成功实现了自主导航飞行，并开始在不同领域应用。随着无人机的能源动力大量采用了锂电池电机驱动，北航直升机研究所也研制成功了50公斤级电动共轴式无人直升机。根据旋翼空气动力学的动量理论，旋翼的气动效率除了与翼型，桨叶几何特征有关外，主要取决于桨盘载荷，即拉力除以桨盘面积。桨盘载荷越小，功率载荷越高，即单位功率产生的拉力越大。在给定功率和总重下，其续航时间也越长。对于多旋翼无人机来讲，降低桨盘载荷会受到结构限制，旋翼直径加大，其桨毂、旋翼桨叶、旋翼支臂、机身连接杆等结构尺寸及重量也随之增加，每个电机的功率和重量也会增加。因此，降低桨盘载荷，对于多旋翼无人机来说，其气动效率增加的同时，会使结构尺寸及重量迅速增加，其气动效率提高所带来的拉力增加，很可能会被结构重量的增加所抵消，不一定会增加有效载荷及续航时间，反而会使尺寸增加，携带不便。对于单旋翼带尾桨直升机，旋翼直径增加会使尾桨后移、尾梁加长，也会增加尾梁的尺寸及重量。与上述两种直升机不同，对于共轴式直升机，由于没有尾桨，其桨叶直径不受机身限制，在传动系统的强度允许范围内，增加桨叶直径只需考虑桨毂的强度和重量。因此，通过降低桨盘载荷可提高功率载荷，而付出的结构重量代价远小于单旋翼带尾桨直升机及多旋翼无人机，从而可显著增加有效载荷及续航时间。另外，对于电动共轴式无人机，电机带动旋翼是通过减速器实现的，一般只需一到两个电机驱动旋翼，在同样的总需用功率下，一到两个电机的质量要比多个电机的重量轻，因此，相对于多旋翼无人机，在给定功率下，共轴式无人机的电机数量及质量要小于多旋翼无人机。尽管共轴直升机在气动特性方面具有一定优势，但传统共轴式无人直升机的操纵系统结构复杂、零件较多，一般需要上下旋翼两个倾斜器及四到六个舵机进行控制，对于半差动共轴无人直升机需要纵向、横向、总距、航向四个舵机操纵；对于桨距分控共轴无人机则每副旋翼各自需要3个舵机共6个舵机进行控制，同时要消耗电能。倾斜器的重量包括了球铰、外环、内环、轴承等部件，每个舵机都有相应的支撑及操纵机构，所有这些重量都是传统共轴无人直升机操纵系统中的重要组成部分，占有较大比重。上述问题与现代电动无人直升机机在结构重量以及尺寸的要求上存在矛盾，造成了电动共轴无人直升机的结构重量相对较大，抵消了其在气动方面的优势。传统布局的共轴无人机不能满足现代无人直升机小型、轻质、便携的要求；在载荷、续航能力方面还不能大幅超越多旋翼无人机。因此，改进操纵系统，降低共轴无人机操纵系统的结构重量及复杂度是提高电动共轴无人直升机飞行性能的关键技术。
技术实现思路
为此，本专利技术的目的在于提出一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，以减小操纵系统部件的尺寸及重量，提高小型电动共轴直升机的航时，增加小型共轴直升机的便携性，以替代传统共轴直升机的操纵系统结构，其具体技术方案如下：一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，所述周期变距操纵系统和所述航向操纵系统依附于所述传动系统作为支撑；所述传动系统包括传动齿轮组、电机以及四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴、中间轴、内轴和芯轴；所述外轴和所述内轴为旋转轴，所述中间轴和所述芯轴为不旋转轴；所述外轴用于连接和驱动下旋翼；所述中间轴用于固定所述周期变距操纵系统；所述内轴用于连接和驱动上旋翼；所述芯轴用于支撑全机顶部的设备；所述传动齿轮组与所述外轴、所述内轴相固连，并由所述电机驱动，以使所述下旋翼、所述上旋翼沿相反方向旋转；通过电调改变所述电机转速，能够改变上下旋翼转速，完成对直升机的升降操控；所述周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机以及一横向舵机；所述两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的所述中间轴上，包括固定于所述中间轴上的球铰构型倾斜器不动环以及位于所述倾斜器不动环上方并与其转动连接的倾斜器上动环、倾斜器下动环，所述倾斜器上动环连接所述上旋翼，所述倾斜器下动环连接所述下旋翼，以进行周期桨距操控；所述倾斜器不动环和两个相位相差90°的不动环上拉杆的一端连接，两个所述不动环上拉杆的另一端分别连接位于所述中间轴和所述外轴中间的两个滑块，所述纵向舵机和所述横向舵机的舵机摇臂各连接有一下连杆，所述滑块远离所述不动环上拉杆的一端与所述下连杆相连，所述滑块沿设于所述中间轴上的滑槽滑动；所述两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控；所述航向操纵系统包括由航向操纵不动环、航向操纵不动环叉型杠杆、航向操纵动环、航向操纵动环叉型杠杆组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机；航向舵机摇臂通过航向连杆连接所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第一连接点，所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第二连接点连接一活动支点，所述航向操纵不动环叉型杠杆上的第三连接点连接所述航向操纵不动环，所述活动支点能够使仅有直线自由度的所述航向操纵不动环上下运动；所述航向操纵不动环与所述航向操纵动环之间设置有轴承，该轴承的内圈为随所述外轴旋转的所述航向操纵动环，该轴承的外圈为不随所述外轴旋转的所述航向操纵不动环；所述航向操纵动环连接所述航向操纵动环叉型杠杆上的第一连接点，所述航向操纵动环叉型杠杆上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆，所述航向操纵动环叉型杠杆上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂，所述倾斜器航向拉杆远离所述航向操纵动环叉型杠杆的一端连接所述倾斜器下动环，所述下旋翼变距摇臂远离所述航向操纵动环叉型杠杆的一端连接所述下旋翼；所述航向操纵系统的控制过程为：通过所述航向舵机对所述航向操纵不动环的操控，完成整个所述下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由所述航向操纵动环带动所述航向操纵动环叉型杠杆，完成对所述下旋翼的桨距操纵，使之与所述上旋翼桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。与现有技术相比，本专利技术的优点为：将传统共轴无人机操纵系统中的上下两个自动倾斜器，改成一个倾斜器，并将传统共轴式无人机的至少4个舵机操纵改成3个舵机控制，其中的拉力和升降采用电机变转速控制，从而显著减少了操纵系统中舵机、部件的数量、尺寸及重量。本专利技术采用了单一自动倾斜器、旋翼转速可控、航向操纵滑环相互配合的模式，在完成对直升机俯仰、滚转、升降、航向操控的情况下，减少了零部件数量、尺寸及重量，降低了机构的复杂性，减少了操纵系统总体尺寸，从而获得了更大的载荷能力和更长的续航时间。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可做出如下改进：优选的，所述传动齿轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，其特征在于，所述周期变距操纵系统和所述航向操纵系统依附于所述传动系统作为支撑；/n所述传动系统包括传动齿轮组、电机(11)以及四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴(1)、中间轴(2)、内轴(3)和芯轴(4)；所述外轴(1)和所述内轴(3)为旋转轴，所述中间轴(2)和所述芯轴(4)为不旋转轴；所述外轴(1)用于连接和驱动下旋翼(5)；所述中间轴(2)用于固定所述周期变距操纵系统；所述内轴(3)用于连接和驱动上旋翼(6)；所述芯轴(4)用于支撑全机顶部的设备；所述传动齿轮组与所述外轴(1)、所述内轴(3)相固连，并由所述电机(11)驱动，以使所述下旋翼(5)、所述上旋翼(6)沿相反方向旋转；通过电调改变所述电机(11)转速，能够改变上下旋翼转速，完成对直升机的升降操控；/n所述周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机(19)以及一横向舵机(20)；所述两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的所述中间轴(2)上，包括固定于所述中间轴(2)上的球铰构型倾斜器不动环(21)以及位于所述倾斜器不动环(21)上方并与其转动连接的倾斜器上动环(22)、倾斜器下动环(23)，所述倾斜器上动环(22)连接所述上旋翼(6)，所述倾斜器下动环(23)连接所述下旋翼(5)，以进行周期桨距操控；所述倾斜器不动环(21)和两个相位相差90°的不动环上拉杆(30)的一端连接，两个所述不动环上拉杆(30)的另一端分别连接位于所述中间轴(2)和所述外轴(1)中间的两个滑块(31)，所述纵向舵机(19)和所述横向舵机(20)的舵机摇臂(33)各连接有一下连杆(32)，所述滑块(31)远离所述不动环上拉杆(30)的一端与所述下连杆(32)相连，所述滑块(31)沿设于所述中间轴(2)上的滑槽滑动；所述两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控；/n所述航向操纵系统包括由航向操纵不动环(34)、航向操纵不动环叉型杠杆(35)、航向操纵动环(36)、航向操纵动环叉型杠杆(37)组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机(38)；航向舵机摇臂(39)通过航向连杆(40)连接所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第一连接点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第二连接点连接一活动支点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第三连接点连接所述航向操纵不动环(34)，所述活动支点能够使仅有直线自由度的所述航向操纵不动环(34)上下运动；所述航向操纵不动环(34)与所述航向操纵动环(36)之间设置有轴承，该轴承的内圈为随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵动环(36)，该轴承的外圈为不随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵不动环(34)；所述航向操纵动环(36)连接所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第一连接点，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆(28)，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂(29)，所述倾斜器航向拉杆(28)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述倾斜器下动环(23)，所述下旋翼变距摇臂(29)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述下旋翼(5)；/n所述航向操纵系统的控制过程为：通过所述航向舵机(38)对所述航向操纵不动环(34)的操控，完成整个所述下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由所述航向操纵动环(36)带动所述航向操纵动环叉型杠杆(37)，完成对所述下旋翼(5)的桨距操纵，使之与所述上旋翼(6)桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于单自动倾斜器的共轴式直升机操纵-传动系统，包括传动系统、周期变距操纵系统、航向操纵系统，其特征在于，所述周期变距操纵系统和所述航向操纵系统依附于所述传动系统作为支撑；
所述传动系统包括传动齿轮组、电机(11)以及四根同心轴，所述四根同心轴从外向里依次为外轴(1)、中间轴(2)、内轴(3)和芯轴(4)；所述外轴(1)和所述内轴(3)为旋转轴，所述中间轴(2)和所述芯轴(4)为不旋转轴；所述外轴(1)用于连接和驱动下旋翼(5)；所述中间轴(2)用于固定所述周期变距操纵系统；所述内轴(3)用于连接和驱动上旋翼(6)；所述芯轴(4)用于支撑全机顶部的设备；所述传动齿轮组与所述外轴(1)、所述内轴(3)相固连，并由所述电机(11)驱动，以使所述下旋翼(5)、所述上旋翼(6)沿相反方向旋转；通过电调改变所述电机(11)转速，能够改变上下旋翼转速，完成对直升机的升降操控；
所述周期变距操纵系统包括一两自由度单一倾斜器、一纵向舵机(19)以及一横向舵机(20)；所述两自由度单一倾斜器位于上下旋翼之间的所述中间轴(2)上，包括固定于所述中间轴(2)上的球铰构型倾斜器不动环(21)以及位于所述倾斜器不动环(21)上方并与其转动连接的倾斜器上动环(22)、倾斜器下动环(23)，所述倾斜器上动环(22)连接所述上旋翼(6)，所述倾斜器下动环(23)连接所述下旋翼(5)，以进行周期桨距操控；所述倾斜器不动环(21)和两个相位相差90°的不动环上拉杆(30)的一端连接，两个所述不动环上拉杆(30)的另一端分别连接位于所述中间轴(2)和所述外轴(1)中间的两个滑块(31)，所述纵向舵机(19)和所述横向舵机(20)的舵机摇臂(33)各连接有一下连杆(32)，所述滑块(31)远离所述不动环上拉杆(30)的一端与所述下连杆(32)相连，所述滑块(31)沿设于所述中间轴(2)上的滑槽滑动；所述两自由度单一倾斜器能够同时操纵上下旋翼的周期变距，完成对直升机滚转和俯仰的操控；
所述航向操纵系统包括由航向操纵不动环(34)、航向操纵不动环叉型杠杆(35)、航向操纵动环(36)、航向操纵动环叉型杠杆(37)组成的下旋翼航向操纵滑环以及一航向舵机(38)；航向舵机摇臂(39)通过航向连杆(40)连接所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第一连接点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第二连接点连接一活动支点，所述航向操纵不动环叉型杠杆(35)上的第三连接点连接所述航向操纵不动环(34)，所述活动支点能够使仅有直线自由度的所述航向操纵不动环(34)上下运动；所述航向操纵不动环(34)与所述航向操纵动环(36)之间设置有轴承，该轴承的内圈为随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵动环(36)，该轴承的外圈为不随所述外轴(1)旋转的所述航向操纵不动环(34)；所述航向操纵动环(36)连接所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第一连接点，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第二连接点连接倾斜器航向拉杆(28)，所述航向操纵动环叉型杠杆(37)上的第三连接点连接下旋翼变距摇臂(29)，所述倾斜器航向拉杆(28)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述倾斜器下动环(23)，所述下旋翼变距摇臂(29)远离所述航向操纵动环叉型杠杆(37)的一端连接所述下旋翼(5)；
所述航向操纵系统的控制过程为：通过所述航向舵机(38)对所述航向操纵不动环(34)的操控，完成整个所述下旋翼航向操纵滑环的上下平移，再由所述航向操纵动环(36)带动所述航向操纵动环叉型杠杆(37)，完成对所述下旋翼(5)的桨距操纵，使之与所述上旋翼(6)桨距产生差值，达到上下旋翼扭矩的平衡和差动，完成对直升机航向的操控。


2.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈铭，王子琪，
申请(专利权)人：北京海空行科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11