CN101204992A - 直升机共轴双旋翼转速差动装置 - Google Patents

Abstract

一种能够实现共轴双旋翼直升机旋翼转速差动的装置，可用于实现共轴双旋翼直升机偏航控制。它是一套三级齿轮传动机构：第一级传动是将单一动力输入按相同传动比分为两股；第二级传动是两个结构完全相同的行星齿轮减速器，经过第一级传动后的两股动力分别驱动两个行星减速器的太阳轮；第三级传动是将两个行星减速器的输出按相同的传动比分别驱动旋翼内轴和外轴，并实现内轴和外轴旋转方向相反。实现转速差动的关键在第二级行星减速器传动结构，其有两种构型：第一种是行星轮盘作为输出，两个行星减速器的内齿轮可转动并且是联动的；第二种是内齿轮作为输出，两个行星减速器的行星轮盘可转动并且是联动的。当两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)静止时，旋翼内、外轴转速相同、转向相反；当两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)在偏航控制执行机构的驱动下同步、同速旋转时，旋翼内、外轴转速一个增大、一个减小，并且增加量和减小量相同。

Description

直升机共轴双旋翼转速差动装置

所属技术领域

本项发明是一种实现共轴双旋翼直升机偏航控制的齿轮传动装置，其原理是能够产生上下两旋翼的转速差，进而实现直升机偏航控制。适合应用于小型无人共轴双旋翼直升机或双旋翼遥控直升机模型。

背景技术

现有的共轴双旋翼直升机偏航控制方式有两种，一种是通过桨距差动实现，即通过变距拉杆机构使上下两副旋翼的桨距产生差异(上下旋翼的桨距一个增大一个减小)，从而产生扭矩差，驱动机身旋转达到偏航的目的；另一种是双电机转速差动方式，常用于小型共轴模型直升机，该方式使用两台电动机各驱动一副旋翼，采用电子调速电路控制两台电动机的转速，实现两副旋翼的转速差动，从而产生扭矩差，实现偏航。桨距差动方式多用于大型有人驾驶的共轴直升机，由于其变距拉杆机构的结构复杂，不便于在微小型共轴双旋翼无人直升机上采用。双电机转速差动方式不能用于非电动直升机或单发动机直升机。

发明内容

为了避免在微小型共轴直升机旋翼轴上增加差动变距拉杆机构导致结构过于复杂，并且克服现有双电机转速差动方式不能用于非电动直升机或单发动机直升机的不足，本发明提供了一种齿轮传动装置，将单一动力输入分配给上下两副旋翼，并能根据需要实现两副旋翼的转速差，从而实现直升机偏航控制。

本发明实现上下旋翼转速差所采用的技术方案是：采用单一动力输入轴，通过三级齿轮传动关系将动力传递给旋翼内轴和外轴，旋翼内轴和外轴分别驱动上下两副旋翼(本说明书将旋翼转速差动与旋翼内、外轴转速差动视为等同)。第一级齿轮传动是在动力输入轴两侧同时啮合两个传动比相同的一级减速齿轮，将动力分为两股；第二级传动是两个结构完全相同的行星齿轮减速器，经过第一级传动后的两股动力分别驱动两个行星减速器的太阳轮；第三级传动是将两个行星减速器的输出按相同的传动比分别驱动旋翼内轴和外轴，并实现内轴和外轴旋转方向相反。实现转速差动的关键在第二级行星减速器传动结构，其有两种构型：第一种是行星轮盘作为输出，两个行星减速器的内齿轮可转动并且是联动的；第二种是内齿轮作为输出，两个行星减速器的行星轮盘可转动并且是联动的。两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)可以同步、同速旋转，例如将两个内齿轮(第一种构型)或两个行星轮盘(第二种构型)外缘均加工成蜗轮，并同时与安置在两个行星齿轮减速器中间位置的蜗杆相啮合，蜗杆由执行偏航指令的伺服电机驱动。当不需要做偏航控制时，蜗杆不转动，行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)也不转动，两个行星齿轮减速器的输出转速和转向均完全相同，再经过第三级齿轮传动后，旋翼内、外轴转速完全相同、转向相反；当需要偏航控制时，蜗杆转动，驱动蜗轮并带动行星减速器的内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)转动，由于蜗杆位于两个蜗轮中间位置，因此两个蜗轮的转向相反、转速相同，此时两个行星齿轮减速器的输出转速一个增大、一个减小，并且增加量和减小量相同，经过第三级齿轮传动后，旋翼内、外轴转速一个增大、一个减小，从而产生偏航力矩。

本项发明的一个有益效果是，进行偏航控制时旋翼内、外轴的转速增量总是大小相同、符号相反，也就是说，旋翼内、外轴的平均转速不因偏航控制而改变，其现实意义是最大限度降低了直升机偏航控制对其他方向运动的干扰。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的第一种构型的三维立体图。

图2是本发明第一种构型的纵剖面构造原理图。

图3是本发明第一种构型的行星减速器及其与蜗杆啮合图。

图4是本发明第一种构型实施偏航控制时行星减速器旋转方向示意图。

图5是本发明的第二种构型的三维立体图。

图6是本发明第二种构型的纵剖面构造原理图。

图7是本发明第二种构型的行星减速器及其与蜗杆啮合图。

图中带标号的零部件名称如下：

1.动力输入齿轮

2.右侧一级减速齿轮

3.下支撑架

4.右侧蜗轮

5.右侧太阳轮

6.右侧行星轮

7.右侧内齿轮

8.上支撑架

9.内轴驱动齿轮

10.内轴齿轮

11.外轴齿轮

12.外轴换向齿轮

13.外轴驱动齿轮

14.左侧内齿轮

15.左侧行星轮

16.左侧太阳轮

17.左侧蜗轮

18.左侧一级减速齿轮

19.蜗杆

20.右侧行星轮盘

21.左侧行星轮盘

附图中轴与齿轮的连接方式有两种：有轴承表示轴与齿轮可相对转动；没有轴承表示轴与齿轮刚性同步连接。

具体实施方式

在图2纵剖面构造原理图中，上支撑架(8)以下的零部件是左右对称的，将动力分为两股，分别驱动旋翼内轴和外轴。

右侧的动力传动路线如下：动力输入齿轮(1)与右侧一级减速齿轮(2)啮合，将动力传递给右侧一级减速齿轮(2)，这是第一级传动；右侧一级减速齿轮(2)与右侧太阳轮(5)同轴刚性连接，右侧太阳轮(5)与右侧行星轮(6)啮合，右侧行星轮(6)同时也与右侧内齿轮(7)啮合，不做偏航控制时右侧内齿轮(7)静止，动力由右侧一级减速齿轮(2)传递到右侧太阳轮(5)，再驱动右侧行星轮(6)自转并公转，右侧行星轮(6)的公转带动右侧行星轮盘(20)转动，这是第二级传动；右侧行星轮盘(20)与内轴驱动齿轮(9)同轴刚性连接，将动力传递给内轴驱动齿轮(9)，内轴驱动齿轮(9)与内轴齿轮(10)啮合，动力传递给内轴，这是第三级传动。

左侧的动力传动路线如下：动力输入齿轮(1)与左侧一级减速齿轮(18)啮合，将动力传递给左侧一级减速齿轮(18)，这是第一级传动；左侧一级减速齿轮(18)与左侧太阳轮(16)同轴刚性连接，左侧太阳轮(16)与左侧行星轮(15)啮合，左侧行星轮(15)同时也与左侧内齿轮(14)啮合，不做偏航控制时左侧内齿轮(14)静止，动力由左侧一级减速齿轮(18)传递到左侧太阳轮(16)，再驱动左侧行星轮(15)自转并公转，左侧行星轮(15)的公转带动左侧行星轮盘(21)转动，这是第二级传动；左侧行星轮盘(21)与外轴驱动齿轮(13)同轴刚性连接，将动力传递给外轴驱动齿轮(13)，外轴驱动齿轮(13)与外轴齿轮(11)之间通过外轴换向齿轮(12)啮合，动力传递给外轴的同时改变了旋转方向，这是第三级传动。

左侧内齿轮(14)与左侧蜗轮(17)固连在一起，右侧内齿轮(7)与右侧蜗轮(4)固连在一起，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)均与安装在中间位置的蜗杆(19)啮合。当不做偏航控制时蜗杆(19)静止，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都静止，由于左右两侧每一级传动的传动比均分别相同，因此内轴和外轴转速相同，转向相反。

当需要进行偏航控制时蜗杆(19)转动，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都转动，并且左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)始终转速相同、转向相反，此时左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)的转速一个增大、一个减小，从而实现内外轴转速差。图4给出了第二级传动(即行星减速器)的一种旋转方向示例，左侧太阳轮(16)与右侧太阳轮(5)的转速、转向始终相同，假设为图中标明的逆时针方向，则此时左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)均为顺时针自转，逆时针公转，因此左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)也都是逆时针转动。如果蜗杆(19)转动使左侧蜗轮(17)逆时针旋转、右侧蜗轮(4)顺时针旋转，就会导致左侧行星轮(15)的公转速度加快、右侧行星轮(6)的公转速度减慢，进而导致左侧行星轮盘(21)转速加快，右侧行星轮盘(20)转速减慢，从而实现旋翼内、外轴的转速差动。如果蜗杆(19)改变转动方向，则左右两侧行星轮盘的转速改变量的符号也都会随之改变。可以证明，左侧行星轮盘(21)与右侧行星轮盘(20)的转速改变量总是大小相等、符号相反。

本发明第二种构型的三维立体图见图5，图6是第二种构型的纵剖面构造原理图。第二种构型与第一种构型在第一级传动和第三级传动结构上完全相同，不同之处在于第二级传动。如图6，第二种构型的第二级传动结构(即行星减速器)相当于第一种构型(图2)中的行星减速器上下倒置安装：左侧蜗轮(17)兼作左侧行星轮盘，右侧蜗轮(4)兼作右侧行星轮盘，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)均与安装在中间位置的蜗杆(19)啮合；左侧内齿轮(14)与外轴驱动齿轮(13)同轴刚性连接，将动力传递给外轴驱动齿轮(13)；右侧内齿轮(7)与内轴驱动齿轮(9)同轴刚性连接，将动力传递给内轴驱动齿轮(9)。当不做偏航控制时蜗杆(19)静止，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都静止，左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)只有自转没有公转，分别将左侧太阳轮(16)、右侧太阳轮(5)的动力传递给左侧内齿轮(14)和右侧内齿轮(7)，由于左右两侧每一级传动的传动比均分别相同，因此内轴和外轴转速相同，转向相反。当需要进行偏航控制时蜗杆(19)转动，左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)也都转动，从而带动左侧行星轮(15)和右侧行星轮(6)公转，并且左侧蜗轮(17)、右侧蜗轮(4)始终转速相同、转向相反，此时左侧内齿轮(14)与右侧内齿轮(7)的转速一个增大、一个减小，从而实现内外轴转速差。可以证明，左侧内齿轮(14)与右侧内齿轮(7)的转速改变量总是大小相等、符号相反。

本发明的第一种构型和第二种构型都具有如下特性，即当克服旋翼内轴和外轴上的阻力矩而驱动其转动时，由于蜗轮与内齿轮(第一种构型)或行星轮盘(第二种构型)固连，蜗轮必然受到反作用力矩，左右两侧蜗轮的反作用力矩作用于蜗杆(19)时是方向相反的，因此，如果旋翼内、外轴上的载荷相等，则两侧蜗轮的反作用力矩在蜗杆(19)处抵消，这种情况理论上不需要蜗杆(19)具有自锁特性。实际应用中气动干扰往往使旋翼内、外轴上的载荷出现差异，为了保持机身航向稳定以及完成机身偏航动作，必须使蜗杆(19)转动以调整旋翼内、外轴的转速差，在调整过程中希望扭矩能够在两侧蜗轮之间传递，因此蜗杆(19)转动时应该是不自锁的。由于蜗杆的当量摩擦角随着转速降低而增大，蜗杆(19)在较低转速或静止时是否应设计成自锁与偏航控制***有关，不是本发明的代表特征。是否采用蜗轮蜗杆机构作为偏航控制的输入也不是本发明的代表特征，蜗轮蜗杆机构可由其它具有相同功能的传动机构代替。

Claims (2)

1.一种直升机共轴双旋翼转速差动装置，其特征是：将单一动力输入分为两股，分别按相同的传动比驱动两个并列安装的结构相同的行星齿轮减速器的太阳轮，两个行星减速器的行星轮盘作为输出分别驱动旋翼内轴和外轴，传动路线包含换向环节，使旋翼内轴和外轴旋转方向相反，两个行星减速器的内齿轮可转动并且联动，并由转速差动指令的执行机构驱动，当不需要旋翼转速差动时，两个内齿轮静止，当需要旋翼转速差动时，两个内齿轮同步、同转速转动。

2.一种直升机共轴双旋翼转速差动装置，其特征是：将单一动力输入分为两股，分别按相同的传动比驱动两个并列安装的结构相同的行星齿轮减速器的太阳轮，两个行星减速器的内齿轮可转动并作为输出分别驱动旋翼内轴和外轴，传动路线包含换向环节，使旋翼内轴和外轴旋转方向相反，两个行星减速器的行星轮盘可转动并且联动，并由转速差动指令的执行机构驱动，当不需要旋翼转速差动时，两个行星轮盘静止，当需要旋翼转速差动时，两个行星轮盘同步、同转速转动。

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