CN109572997A - 采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼 - Google Patents

采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，包括固定翼段和偏转翼段，所述的固定翼段固定在机翼俯仰轴上，所述的偏转翼段通过转动关节与固定翼段连接，所述固定翼段和偏转翼段连接处的外部覆盖有蒙皮；所述转动关节的一侧设有多跟SMA丝，所述SMA丝的一端通过SMA丝接线端子固定于接线板上，另一端固定于偏转翼段顶端的翼肋内部的滑轮上；所述的接线板固定在机翼俯仰轴的末端；所述的机翼俯仰轴上连接有传动机构。本发明利用SMA的形状记忆效应，通过差动驱动方式实现尾翼的上下偏转；同时采用电机及涡轮蜗杆***实现整个尾翼迎角的变化；驱动结构体积小、重量轻、功效比大，传动效率高，同时降低了驱动机构的重量。

Description

采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼
技术领域
本发明涉及一种飞机机翼，尤其涉及一种采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼。
背景技术
形状记忆合金在1932年被发现，1941年“形状记忆”的概念由Vernon首次描述，然而直到1962年，美国海军军械实验室的William Buehler和Frederick Wang才揭示了镍钛(NiTi)合金中的形状记忆效应，形状记忆材料的重要性才逐渐为人所知。NiTi基形状记忆合金以其独有的形状记忆效应、超弹性效应以及自重小、热转换效率高、优良的理化性能和生物相容性，在工程、控制、机械、医疗以及能源领域有了越来越广泛的应用。
形状记忆合金作为一种智能材料被用作传感器和驱动器，主要利用了形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性效应，这两种特殊性能是材料中马氏体相变的结果。以形状记忆合金为驱动器的变体机翼研究在过去几十年取得了很大的发展，其中翼型扭转主要使用了形状记忆合金扭力管和撷抗式形状记忆合金驱动机构，例如Cassio T.Faria等人设计了一种翼肋分片的变体机翼结构，Dana M.Elzey等人研制出了一种轻质量变体机翼结构，它是一种基于SMA的仿动物脊椎变体结构，Icardi U等为无人机设计了SMA扭力管驱动的可变后缘机翼，Ramrkahyani D S等采用柔性胞壮梁方案获得大变形的机翼模型，Sofla A Y N等提出了一种基于撷抗原理的形状记忆合金驱动机构。国内方面，哈尔滨工业大学的学者详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状，提出了实现变体飞行器的三项关键技术问题，针对分布式多自由度主动变形机翼进行了设计与研究，在基于SMA驱动器的数学模型和性能参数的基础上，设计了带有锁紧释放机构的主动变形单元。南京航空航天大学的学者将后缘翼肋设计为有四段关节组成的柔性结构，利用多组形状记忆合金丝以级联式连结实现了后缘的自由转动，并实现了等比例模型的国内首飞。但采用SMA驱动器与其它类型驱动方式相结合的复合驱动模式，目前还未有公开文献发表。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，从而实现尾翼的上下偏转转动和尾翼攻角的俯仰转动。
技术方案：本发明包括固定翼段和偏转翼段，所述的固定翼段固定在机翼俯仰轴上，所述的偏转翼段通过转动关节与固定翼段连接，所述固定翼段和偏转翼段连接处的外部覆盖有蒙皮；所述转动关节的一侧设有多跟SMA丝，所述SMA丝的一端通过SMA丝接线端子固定于接线板上，另一端固定于偏转翼段顶端的翼肋内部的滑轮上；所述的接线板固定在机翼俯仰轴的末端；所述的机翼俯仰轴上连接有传动机构。
所述的蒙皮为波纹蒙皮，波纹蒙皮由可变形材料制成，当机翼绕偏转轴轴线上下偏转时，波纹蒙皮会被拉伸或压缩。
所述的转动关节至少有两个，转动关节的轴线在同一条偏转轴轴线上，该偏转轴轴线与机身轴线平行。
所述的SMA丝分别位于机翼俯仰轴的两侧。
所述的传动机构采用涡轮蜗杆机构，所述的涡轮套在机翼俯仰轴上，蜗杆与固定在机身上的电机连接，通过蜗轮蜗杆带动整个机翼结构，包括SMA驱动***转动，实现了机翼绕其俯仰轴的偏转，即实现了机翼的俯仰运动。
所述的偏转翼段外部覆盖有普通蒙皮，内部设有多根翼肋，为其提供支撑。
所述的机翼俯仰轴与机身轴线垂直。
工作原理：当电机顺(逆)时针旋转时，通过涡轮和蜗杆带动机翼俯仰轴顺(逆)时针旋转，从而带动整个机翼结构转动，实现机翼结构攻角的变化；SMA丝分别布置在转动关节的上下两侧，利用SMA丝的形状记忆效应，给一侧的SMA丝通电加热，温度升高后，SMA内部发生相变，产生很大的拉力，同时SMA丝长度变短，从而带动机翼的偏转翼段绕着转动关节旋转，另一侧的SMA丝长度变长，同样的，当另一侧的SMA通电加热后，产生反方向的转动，从而实现了偏转翼段的上下转动。
有益效果：本发明采用SMA与电机复合驱动的方式相结合，实现飞机机翼的全动功能，即机翼攻角偏转和上下偏转，利用SMA的形状记忆效应，通过差动驱动方式实现尾翼的上下偏转；同时采用电机及涡轮蜗杆***实现整个尾翼迎角的变化；本发明将两种驱动模式有效地结合，驱动结构体积小、重量轻、功效比大，从而提高传动机构的效率，同时显著降低了驱动机构的重量，且具有稳定可靠的特点，非常适用于对结构重量、体积和可靠性要求高的场合。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的机翼结构布局图；
图3为本发明的SMA驱动器结构设计示意图；
图4为本发明的电机和蜗轮蜗杆驱动***示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本发明包括固定翼段1、偏转翼段2、偏转轴轴线3、转动关节4、机翼俯仰轴5、波纹蒙皮6、SMA丝7、接线端子8、翼肋9、轴承座10、蜗轮11、步进电机12、普通蒙皮13、滑轮部件14、接线板15、蜗杆16、轴套17和联轴器18，其中，固定翼段1通过螺栓固定在机翼俯仰轴5上，偏转翼段2通过两个转动关节4与固定翼段1连接，两个转动关节4分别位于机翼俯仰轴5的两侧，且两个转动关节4的轴线在同一条偏转轴轴线3上，该偏转轴轴线3与机身轴线平行。固定翼段1和偏转翼段2连接处的外部覆盖有波纹蒙皮6，波纹蒙皮6由可变形材料组成，当机翼绕偏转轴轴线3上下偏转时，波纹蒙皮6会被拉伸或压缩。两个转动关节4的上方均设有多根SMA丝7，SMA丝7分别位于机翼俯仰轴5的两侧，SMA丝7的一端通过接线端子8固定于接线板15上，接线板15固定在机翼俯仰轴5的末端，机翼俯仰轴5与飞机机身轴线垂直；SMA丝7的另一端分别固定于偏转翼段2顶端的翼肋9内部的两个滑轮上。机翼俯仰轴5上还套有两个轴承座10，轴承座10内设置有轴承，机翼俯仰轴5可在轴承内转动。两个轴承座10之间安装有蜗轮11，蜗轮11与蜗杆16咬合，蜗杆16由步进电机12带动旋转，步进电机12和两个轴承座10均固定在飞机机身上。偏转翼段2外部覆盖有普通蒙皮13，内部由不同形状的多个翼肋9提供支撑。
当电机顺(逆)时针旋转时，通过涡轮蜗杆***带动机翼俯仰轴5顺(逆)时针旋转，从而带动整个机翼结构转动，实现机翼结构攻角的变化；SMA丝7分别布置在转动关节4的上下两侧，利用SMA丝7的形状记忆效应，给一侧的SMA丝7通电加热，温度升高后，SMA内部发生相变，产生很大的拉力，同时SMA丝7长度变短，从而带动机翼的偏转翼段2绕着转动关节4旋转，另一侧的SMA丝7长度变长；同样的原理，另一侧的SMA通电加热后，产生反方向的转动；从而实现了偏转翼段2的上下转动。两种驱动方式复合在一起既可以分别驱动也可以同时驱动，有很高的灵活性。
当偏转翼段2绕偏转轴轴线3上下偏转转动时，对偏转翼段2内一侧的SMA丝7进行通电加热一段时间，另一侧的SMA丝7不做任何处理，保持原有温度。被加热的SMA丝7温度升高到一定的温度后，材料产生相变从而引发其形状记忆效应，SMA丝7收缩并产生很大的拉力，同时未加热的SMA丝7被拉伸，产生的力矩使机翼向加热一侧偏转；反之，机翼偏向另外一侧，实现了机翼的偏转翼段2绕其偏转轴的上下偏转。
电机转轴转动时，其动力经蜗杆16和蜗轮11传递到机翼俯仰轴5上，蜗轮11与机翼俯仰轴5一起转动，带动整个机翼结构的，包括SMA驱动***转动，实现了机翼绕其俯仰轴的偏转，即实现了机翼的俯仰运动。

Claims (7)

1.一种采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，包括固定翼段和偏转翼段，所述的固定翼段固定在机翼俯仰轴上，所述的偏转翼段通过转动关节与固定翼段连接，其特征在于，所述固定翼段和偏转翼段连接处的外部覆盖有蒙皮；所述转动关节的一侧设有多跟SMA丝，所述SMA丝的一端通过SMA丝接线端子固定于接线板上，另一端固定于偏转翼段顶端的翼肋内部的滑轮上；所述的接线板固定在机翼俯仰轴的末端；所述的机翼俯仰轴上连接有传动机构。
2.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的蒙皮为波纹蒙皮，波纹蒙皮由可变形材料制成。
3.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的转动关节至少有两个，转动关节的轴线在同一条偏转轴轴线上，该偏转轴轴线与机身轴线平行。
4.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的SMA丝分别位于机翼俯仰轴的两侧。
5.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的传动机构采用涡轮蜗杆机构，所述的涡轮套在机翼俯仰轴上，蜗杆与固定在机身上的电机连接。
6.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的偏转翼段外部覆盖有普通蒙皮，内部设有多根翼肋。
7.根据权利要求1所述的采用形状记忆合金和电机复合驱动的飞机机翼，其特征在于，所述的机翼俯仰轴与机身轴线垂直。
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