CN100430297C - 一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构。为了克服现有技术中采用的圆柱齿轮减速机构重量大，结构复杂的不足，本发明采用涡轮蜗杆减速机构，并用两套曲柄(6)、连杆(7)和摇臂(8)，共同构成了对称于涡轮蜗杆的空间四连杆机构。将两个曲柄(6)的一端分别固连在涡轮轴上，连杆(7)的另一端与曲柄(6)通过球形铰链(10)相连接，另一端亦通过球形铰链与摇臂(8)相连接，机翼(11)固连在摇臂(8)上。本发明通过涡轮蜗杆机构将电机的高转速转化为低转速，并通过涡轮轴(5)带动曲柄(6)一起转动，曲柄(6)再通过连杆(7)带动摇臂(8)上下摆动，进而带动机翼(11)上下扑动，具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高的优点。

Description

一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构

技术领域

本发明涉及微型扑翼飞机机翼的驱动机构。

背景技术

微型扑翼飞机是微型飞机的一种，微型飞机是近年来新兴的一个技术领域，一般认为微型飞机的基本指标是：飞行器是各个方向的最大尺寸不超过15厘米的一类飞行器，其续航时间20～60分钟，航程达到10千米以上，飞行速度30～60千米/小时，可以携带20克的有效载荷并能完成规定的任务。

微型扑翼飞机模仿鸟类的飞行原理，通过机身两侧的一对翅膀的上下扑动产生飞行所需的支撑身体重量的升力以及克服前飞阻力的推力，具有气动效率高，机动灵活，应用范围广，执行任务时隐蔽性强的特点，因此有很高的军事和民用应用价值。目前，已实现成功飞行的微型扑翼飞机主要有美国AeroVironment公司的“Microbat”微型扑翼飞机、荷兰Delft大学研制的“DELFLY”微型扑翼飞机等，国内主要有西北工业大学研制的PY系列微型扑翼飞机以及南京航空航天大学研制的微型扑翼飞机等。微型扑翼飞机具有气动效率高，机动灵活，应用范围广，执行任务时隐蔽性强的特点，因此有很高的军事和民用应用价值。

目前已实现成功飞行的微型扑翼飞机机翼驱动机构的动力为微型直流电动机，该类电动机的额定工作转速通常在300～400转/秒左右，而扑翼飞机飞行时所需的机翼扑动频率在10次/秒左右，因此需要减速机构将电机的高转速转换为机翼扑动所需的低转速，减速比大约为30～40。目前，微型扑翼飞机机翼驱动机构常用减速圆柱齿轮减速机构，由于受到尺寸的限制，一级减速往往不能实现需要的减速比，通常需要两级或三级减速才能达到所需的减速比，这无疑增加了机构的重量和复杂度。

另一方面，以上驱动机构通常采用两套独立的平面四连杆机构以实现左、右机翼的上下扑动。受到减速机构的限制，左右两套平面四连杆机构的曲柄会以相同的转动方向转动，这样就造成了左右四连杆机构运动的不对称运动，因而使左右机翼扑动不对称。也就是说，在同一时刻，左右机翼由于扑动角度和扑动角速度不同和扑动角度而产生的升力和推力不同，因此就不能实现稳定的飞行。

另外，在某些情况下操纵人员需要机翼不扑动，使微型扑翼飞机在空中滑行。这时需要机翼尽可能保持水平状态，以获得尽量大的翼展，来提高飞机的滑行性能。由于圆柱齿轮减速机构没有自锁性，当操作人员切断电机动力时，由于飞机下落过程中受向上气流的作用而使机翼上扬，直至扑动最高点，这时机翼的翼展是最小的，展弦比也是最小的，飞机的滑行性能也最差。

发明内容

为了克服微型扑翼飞机现有机翼驱动机构中采用的圆柱齿轮减速机构减速级数多，重量大，结构复杂，不具备自锁性，以及左右不对称的平面四连杆机构不能实现左右机翼对称扑动的问题，本发明提出了一种微型扑翼飞机机翼驱动机构。

本发明包括轴架、微型电机、蜗杆、蜗轮、曲柄、连杆和摇臂，采用蜗轮蜗杆机构减速，并采用两套曲柄、连杆和摇臂，共同构成了对称于蜗轮蜗杆机构的空间四连杆机构，将蜗轮的转动转换为四连杆机构中摇臂的上下运动，进而带动固连在摇臂上的机翼上下扑动，实现对扑翼的驱动。

本发明中，蜗轮蜗杆机构与机身在同一垂直面，通过轴架安装在机身前端。蜗轮通过蜗轮轴和位于轴架上的蜗轮轴安装孔安装在轴架内；将微型电机通过轴架上的电机安装孔安装在轴架上。通过位于机身前端面的连接销与位于轴架上的机身安装孔的紧密配合，使扑动机构与扑翼飞机机身连接在一起。摇臂轴安装在摇臂轴安装孔中，位于机身轴线上方，并与蜗杆机构空间平行。由曲柄、连杆、摇臂构成的对称于蜗轮蜗杆的空间四连杆机构位于机身的两侧，即两个曲柄位于蜗轮的两侧，并将曲柄的一端固连在蜗轮轴伸出轴架的左右两端上；连杆的两端通过球形铰链分别与曲柄和摇臂相连接；将两个摇臂的一端通过轴孔套装在摇臂轴上，使之连接在一起，摇臂的另一端与机翼固连。

为了方便各连接件的安装，本发明采用了一种有安装孔的轴架，该轴架为方形框体结构，框体两个相对应的侧壁板向上延伸形成一对对称的耳片，框体另两个相对应的侧壁板向下延伸形成另一对对称的耳片。在框体和耳片上开有电机安装孔、机身连接孔、摇臂轴安装孔和蜗轮轴安装孔：通过蜗轮轴和位于轴架上的蜗轮轴安装孔，将蜗轮安装在轴架内；通过轴架上的电机安装孔将微型电机固定在轴架上；通过位于机身前端面的连接销与位于轴架上的机身安装孔的紧密配合，使扑动机构与扑翼飞机机身连接在一起；摇臂轴安装在摇臂轴孔中。

本发明使用蜗轮蜗杆传动，一级减速即可达到30以上的减速比。同时由于四连杆机构对称于蜗轮蜗杆减速机构，故该机构的运动方式、摇臂摆动的角度、角速度、角加速度也是完全相同的，也就实现了左右机翼扑动的角度、角速度、角加速度完全相同，机翼产生的气动力也就完全相同。

当需要微型扑翼飞机机翼停止扑动而进行无动力滑行时，通过控制设备使电机转速降低，在机翼处于水平状态或接近水平状态时，切断电机动力。此时虽然在飞机无动力下滑过程中有向上气动力作用于机翼，使其有上扬的趋势，但是由于蜗轮/蜗杆减速机构的自锁性，机翼不会上扬，而是保持在电机动力切断时的状态。

本发明通过蜗轮、蜗杆构成一高减速比的减速机构，利用对称于蜗轮蜗杆的空间四连杆机构将蜗轮的转动转化为左右机翼对称的上下扑动，克服了普通圆柱齿轮为达到大减速比而采取多级减速造成的机构复杂性和切断动力后不具备自锁性的缺点，也克服了常规平面四连杆机构造成左右机翼不对称扑动的弊病，具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高等优点。

附图说明

附图1是微型扑翼飞机机翼驱动机构的结构示意图；

附图2是扑动机构轴架的结构示意图；

附图3是扑动机构装配示意图(前视图)；

附图4是扑动机构与机身的配合示意图(侧视图)。图中：

1.轴架     2.微型电机       3.蜗杆         4.蜗轮         5.蜗轮轴

6.曲柄     7.连杆           8.摇臂         9.摇臂轴       10.球形铰链

11机翼     12.摇臂轴安装孔  13.电机定位孔  14.电机安装孔  15.蜗轮轴安装孔

16.机身安装孔               17.机身

具体实施方式

本实施例是一套微型扑翼飞机机翼驱动机构，采用蜗轮蜗杆机构将电机的高转速转换成机翼驱动机构所需的低转速。本实施例包括轴架1、微型电机2、蜗杆3、蜗轮4、蜗轮轴5和曲柄6、球形铰链10、连杆7和摇臂8，并以蜗轮蜗杆减速机构和电机为对称轴，通过轴架1、曲柄6、连杆7、摇臂8在蜗轮蜗杆机构和微型电机2的两侧构成一套空间四连杆机构，当蜗轮4转动时，通过蜗轮轴5带动曲柄6一起转动，曲柄6再通过连杆7带动摇臂8上下摆动，进而带动机翼11上下扑动。具体实施过程是：

本实施例的机身17为板式，其前端面为平面，在该端面上有用以与轴架1连接的连接销，该连接销的外径同机身安装孔16的内径；机身的前部沿机身轴线方向开有用于安装微型电机的安装槽。

轴架1是整个扑动机构零部件安装和配合的基础(附图2)。该轴架为方形框体，在框体一侧壁板上开有两个电机安装孔14和一个电机定位孔13；在电机轴孔正下方开有一个用以与机身17连接的机身安装孔16；将该侧壁板和与之对称的另一侧壁板向上延伸成为一对对称的耳片，该耳片上分别各开有摇臂轴安装孔12，其中一侧耳片上还开有一个与机身连接的机身安装孔16。将框体另一对相对应的两侧壁板向下延伸成为一对对称的耳片，该耳片上分别各开有蜗轮轴安装孔15。

两个曲柄6的一端分别开有轴孔，并且通过该轴孔将曲柄分别与延伸到轴架1外的蜗轮轴5的两端固定连接，当蜗轮轴5转动时，带动两个曲柄6一起转动。曲柄6的另一端各固定有一个球形铰链10。

摇臂8亦为两个，分布在蜗轮蜗杆机构的两侧。摇臂8的一端开有轴孔，并且通过该轴孔将两个摇臂8套装在摇臂轴9上，使摇臂8对称的分列在摇臂轴9的两侧，均能够绕摇臂轴9上下摆动；摇臂的另一端分别与机翼11相连接。在摇臂8的中部分别固定有一个球形铰链。

摇臂轴9位于机身17的轴线上方，并与蜗杆机构空间平行，固定在位于轴架1上的摇臂轴安装孔12。

装配时：

轴架1、蜗轮蜗杆机构、微型电机2均与机身17在同一垂直面，轴架1、曲柄6、连杆7、摇臂8均在机身17正前方的两侧：

通过蜗轮轴5和位于轴架1上的蜗轮轴安装孔15，将蜗轮4安装在轴架1的框体内，蜗轮轴5的两端延伸出轴架框体外一定长度，使安装在该蜗轮轴两端的曲柄6与轴架1之间保持安全距离。蜗杆3与微型电机2的轴固定连接。

将微型电机2置于机身17上的电机安装槽内，并固定在位于轴架1上的电机定位孔13上。电机安装高度要保证蜗轮、蜗杆正确啮合，并通过此种方式构成一套蜗轮蜗杆减速机构，使电机转动时，驱动蜗杆3一同转动，并通过蜗杆3驱动蜗轮4转动。

与机翼11相连接的摇臂8位于机身17的上方两侧；两个连杆7分别位于机身两侧，其一端均与曲柄6一端的球形铰链相连接，另一端均与摇臂8中部的球形铰链相连接，使轴架1、曲柄6、连杆7、摇臂8共同构成左、右两套空间四连杆机构。当蜗轮4转动时，通过蜗轮轴5带动曲柄6一起转动，曲柄6再通过连杆7带动摇臂8上下摆动，进而带动机翼11上下扑动。

本发明被安装在机身前部(附图4)，通过位于机身前端面的连接销与位于轴架1上的机身安装孔16的紧密配合，使扑动机构与扑翼飞机机身17连接在一起。

Claims (5)

1.一种微型扑翼飞机机翼的驱动机构，包括轴架(1)、微型电机(2)、蜗杆(3)、蜗轮(4)、曲柄(6)、连杆(7)和摇臂(8)，其特征在于：

a.驱动机构采用蜗轮蜗杆机构减速，该蜗轮蜗杆机构与机身(17)在同一垂直面，通过轴架(1)安装在机身(17)前端；通过蜗轮轴(5)和位于轴架(1)上的蜗轮轴安装孔(15)，将蜗轮(4)安装在轴架内；将微型电机(2)通过轴架上的电机安装孔安装在轴架(1)上；通过位于机身(17)前端面的连接销与位于轴架(1)上的机身安装孔(16)的紧密配合，使扑动机构与扑翼飞机机身连接在一起；摇臂轴(9)安装在摇臂轴安装孔(12)中，位于机身(17)轴线上方，并与蜗杆机构空间平行；

b.由曲柄(6)、连杆(7)、摇臂(8)构成的对称于蜗轮蜗杆的空间四连杆机构位于机身(17)的两侧，即两个曲柄(6)位于蜗轮(4)的两侧，并将曲柄的一端固连在蜗轮轴(5)伸出轴架的左右两端上；连杆(7)的两端通过球形铰链(10)分别与曲柄(6)和摇臂(8)相连接；将两个摇臂的一端通过轴孔套装在摇臂轴(9)上，使之连接在一起，摇臂的另一端与机翼(11)固连。

2.如权利要求1所述微型扑翼飞机机翼的驱动机构，其特征在于轴架(1)为框体结构，框体的上下均有耳片，并在框体一侧壁板上开有两个电机安装孔(14)和一个电机定位孔(13)；在上耳片开有摇臂轴安装孔(12)和机身安装孔；在下耳片开有蜗轮轴安装孔(15)。

3.如权利要求1所述微型扑翼飞机机翼的驱动机构，其特征在于机身(17)的前端面上、下部位各有一个连接销，将该连接销与位于轴架(1)上的机身安装孔(16)相配合，实现轴架与机身的连接。

4.如权利要求1所述微型扑翼飞机机翼的驱动机构，其特征在于蜗轮轴(5)延伸出轴架框体外一定长度。

5.如权利要求2所述微型扑翼飞机机翼的驱动机构，其特征在于将轴架(1)框体上两个相对应的、用于安装摇臂的侧壁板向上延伸形成一对对称的耳片；框体另两个相对应的侧壁板向下延伸形成另一对对称的耳片。

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