CN109795685B - 基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构，包括机架、电机、平行齿轮减速器、外啮合行星齿轮减速器、盖板和齿轮齿条副连杆摇臂机构，其中，电机安装在机架上，驱动平行齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄轴孔和传动轴孔安装在由机架下半部分和盖板构成的内部空间，平行齿轮减速器通过传动轴驱动外啮合行星齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄连接齿轮齿条副连杆摇臂机构驱动扑翼。本发明中，利用外啮合行星齿轮减速器实现结构紧凑和大减速比，提高机构的输出扭矩，传动效率高且相对平稳，利用齿轮齿条副连杆摇臂机构保证了该机构扑翼运动绝对对称，大大提高了飞行器飞行可靠性。

Description

基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构

技术领域

本发明涉及一种扑翼驱动机构，可应用于微型扑翼飞行器。

背景技术

比起固定翼飞行器，微型扑翼飞行器通过模仿鸟类运动使飞行变得更加灵活高效，再加上其体积小、重量轻，可广泛应用于多种军事和民用领域。由于扑翼飞行器主要通过机翼主动运动产生升力和前行力，如何合理设计扑翼驱动机构使得飞行气动效率和可靠性更高就成为了研究重点。

目前的扑翼驱动机构主要有以下几种：

中国专利授权公告号CN102267566A，名称为一种无级变速扑翼驱动机构的实用新型专利，公开了一种由摩擦轮组和齿轮组完成减速,并通过改变摩擦轮的接触位置改变减速比的无级变速扑动装置。该装置理论上扑动严格对称，可以实现扑翼-滑翔飞行模式。其不足之处是采用空间四连杆机构，机构尺寸过大，同时连杆受力也较为复杂，可靠性较低。

中国专利授权公告号CN102285453A，名称为一种无级调幅扑翼驱动机构的实用新型专利。该装置由两级行星齿轮机构和连杆摇臂机构等部件组成，通过改变两级行星齿轮机构的可动内齿圈与偏心立柱的位置关系改变偏心立柱的运动轨迹，从而改变摇臂的扑动幅度。其不足之处在于相对于外啮合齿轮来说，所使用的内齿圈不易加工，互相啮合的变位齿轮的负变位过大，会降低轮齿弯曲强度；变位齿轮正变位过大，容易齿顶变尖、齿顶强度降低，同时会降低齿轮重合度。同时结构尺寸也不够紧凑。

综合来看，现有的扑翼机构的主要问题在于尚未从设计层面完全兼顾传动高效和结构的紧凑性，难以保证飞行的稳定性和可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是：为了提高飞行器扑翼驱动装置的传动效率，同时尽可能减小结构体积，并确保扑翼运动的对称性和飞行稳定性，提出一种基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构。利用外啮合行星齿轮减速器实现结构紧凑和大减速比，提高机构的输出扭矩，传动效率高且相对平稳。利用齿轮齿条副连杆摇臂机构保证了该机构扑翼运动绝对对称，大大提高了飞行器飞行可靠性。

为了克服现有技术飞行稳定性和可靠性不足的问题，本文提供了一种基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构，能够满足飞行可靠性，适于微型扑翼飞行器的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机架、电机、平行齿轮减速器、外啮合行星齿轮减速器、盖板和齿轮齿条副连杆摇臂机构，其特征在于：机架由上到下依次设有固定孔、摇臂轴孔、电机安装孔、限位块安装孔、盖板安装孔和传动轴孔，盖板中心设有曲柄轴孔，固定孔轴线垂直于其所在表面，除盖板安装孔外所有孔前后贯通，各孔轴线均平行，电机安装在机架上，驱动平行齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄轴孔和传动轴孔安装在由机架下半部分和盖板构成的内部空间，平行齿轮减速器通过传动轴驱动外啮合行星齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄连接齿轮齿条副连杆摇臂机构驱动扑翼。

所述机架整体左右对称，将面向机头方向视为前端，其中两个固定孔在机架最上方，两个摇臂轴孔左右对称，摇臂轴孔下方有三个电机安装孔呈三角布局排列，电机安装孔下方为两个左右对称的限位块安装孔，各孔对称排列，机架下半部分呈圆筒状，在圆筒状后端的面上设有同心的一个传动轴孔，以传动轴为中心，有六个盖板安装孔呈圆周分布状均匀排列在圆筒状的圆柱侧壁前端。

所述电机为直流无刷电机，通过电机安装孔安装于机架后端，电机枢轴与平行齿轮减速器主动轮固接，平行齿轮减速器主动轮与从动轮啮合，平行齿轮减速器从动轮与传动轴一端固接，传动轴与机架铰接，在轴孔中安装轴承与相应轴配合，盖板与机架通过盖板安装孔进行螺钉连接。

所述外啮合行星齿轮减速器由两个太阳轮、行星轮以及行星轮架组成，传动轴另一端穿过与机架固接的一级太阳轮中心和机架上的传动轴孔，与行星轮架固接，二级太阳轮与曲柄轴一端固接，曲柄轴另一端穿过盖板上的曲柄轴孔与曲柄固接，二级太阳轮与三个二级行星轮啮合，三个二级行星轮转动带动二级太阳轮转动，继而将运动传递给曲柄。

所述外啮合行星齿轮减速器的一级太阳轮外圈沿圆周方向均匀分布有三个一级行星轮与一级太阳轮外啮合，三个行星轮轴一端分别与三个一级行星轮固接，三个行星轮轴穿过行星轮架上的行星轮轴孔，另一端分别与三个二级行星轮固接，在传动轴带动下，行星轮架与六个行星轮一起转动，同时由于一级太阳轮静止，三个一级行星轮发生自转并带动三个二级行星轮转动。

所述齿轮齿条副连杆摇臂机构由连杆和左右对称的摇臂组成，连杆为倒“T”形，横边有滑槽，曲柄端头的短轴可在滑槽中滑动，连杆竖边端头设计为齿条状，两个摇臂内侧端头均为不完全齿轮状，与连杆竖边端头的齿条相啮合，两个摇臂中间部分分别与摇臂轴铰接，摇臂轴穿过摇臂轴孔与机架固接，摇臂外侧开有盲孔，用于插接扑翼翼梁。

所述连杆不能前后左右运动，只能沿着限位块的限位槽上下滑动，带动扑翼上下扑动，衬套在连杆背后，通过两个螺钉与连杆固接，限位块与机架固接，衬套与限位块相匹配，衬套内设有卡槽限制其前后左右运动。

所述齿轮齿条副连杆摇臂机构的齿条长度和不完全齿轮的弧度大小与扑翼扑动角度和机构尺寸匹配，齿轮齿条副连杆摇臂机构通过摇臂轴孔安装在机架上，扑翼驱动机构通过机架的固定孔采用螺纹或销接的方式与飞行器机身连接。

本发的有益效果是：

本发明通过平行齿轮减速器和外啮合行星齿轮减速器使电机输出的高速旋转运动减速，该部分结构紧凑安装精度高，可以实现大减速比。可以装配较大转速的电机，提高机构的输出扭矩。同时三个圆周分布的行星轮运行时惯性力相互平衡，传动过程高效平缓，而且相对普通齿轮传动噪声小。

本发明采用齿轮齿条副连杆摇臂机构，将由电机带动的曲柄旋转运动变为摇臂一定频率和幅度的上下扑动，并且可达到左右翼绝对对称扑动。齿轮齿条传动的可承载力大且传动精度较高，可达0.1mm；原则上可以无限长度对接延续，也即可以通过改变齿条长度适应不同的扑动幅度。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

附图1是本发明前方示意图；

附图2是本发明前方示意图；

附图3是机架前方示意图；

附图4是机架后方示意图；

附图5是行星齿轮减速器后方示意图；

附图6是行星轮架后方示意图；

附图7是齿轮齿条副连杆摇臂机构后方示意图；

附图8是齿轮齿条副正视图；

图中：1-机架，1A、1A’-摇臂轴孔，1B-电机安装孔，1C、1C’-限位块安装孔，1D- 盖板安装孔，1E-传动轴孔，2-电机，3A-主动轮，3B-从动轮，4-外啮合行星齿轮减速器，4A- 传动轴，4B-一级太阳轮，4C-一级行星轮(3个)，4D-行星轮架，4E-二级行星轮(3个)，4F- 二级太阳轮，5-盖板，6-曲柄，7-连杆，8-衬套，9-限位块，10、10’-摇臂

具体实施方式

本发明是基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构，包含机架、电机、平行齿轮减速器、外啮合行星齿轮减速器和连杆摇臂机构。

机架1整体左右对称，将面向机头方向视为前端。机架1上由上到下依次设有两个固定孔、两个摇臂轴孔1A、1A’、三个电机安装孔1B、两个限位块安装孔1C、1C’、六个盖板安装孔1D和一个传动轴孔1E，除盖板安装孔外所有孔前后贯通，各孔对称排列且轴线均平行。

机架1最上方的两个固定孔，采用螺纹连接的方式用于将驱动机构安装到飞行器机身上。机架1上间距最大的两个摇臂轴孔1A、1A’左右对称。摇臂轴孔下方中间部分有三个电机安装孔1B，呈三角布局排列；紧接着下方有两个左右对称的限位块安装孔1C、1C’。

机架1下半部分呈圆筒状，在其后部端面上设有同心的传动轴孔1E；以传动轴4A为中心，有六个盖板安装孔1D在圆柱侧壁前端呈圆周分布状均匀排列，盖板5与机架1进行螺钉连接。机架1圆柱侧壁上开有减轻孔。

电机2为直流无刷电机，通过电机安装孔进行螺钉连接安装于机架后侧。

电机2的枢轴与平行齿轮减速器主动轮3A固接。主动轮3A与从动轮3B啮合。主动轮齿数是39，模数是0.6；从动轮齿数是55，模数是0.6。传动轴4A穿过传动轴孔与机架1铰接，与从动轮3B固接。在传动轴孔中安装轴承与相应轴配合。

外啮合行星齿轮减速器4，由一级太阳轮4B、二级太阳轮4F、三个相同的一级行星轮 4C、三个相同的二级行星轮4E以及行星轮架4D组成。传动轴4A穿过一级太阳轮4B中心与行星轮架4D固接。一级太阳轮4B与机架1固接，行星轮架4D将在传动轴的带动下相对一级太阳轮4B转动。一级太阳轮4B外圈沿圆周方向均匀分布有三个一级行星轮4C与之外啮合。三个行星轮轴穿过行星轮架上的行星轮轴孔，与三个二级行星轮4E固接。六个行星轮将随行星轮架4D一起转动，同时因为一级太阳轮4B静止而发生自转。二级太阳轮4F与三个二级行星轮4E啮合，并与曲柄轴一端固接。曲柄轴穿过盖板5中心的曲柄轴孔与曲柄6 固接。三个二级行星轮4E转动将带动二级太阳轮4F转，继而将运动传递给曲柄6。外啮合行星齿轮减速器4用于实现大减速比。

齿轮齿条副连杆摇臂机构，由连杆7和两个左右对称的摇臂10、10’组成。连杆7为倒“T”形，横边有滑槽。曲柄端头的短轴可在滑槽中滑动，滑槽长度应至少满足曲柄6完成整周圆周运动。

连杆7竖边端头设计为左右对称的齿条状。两个摇臂10、10’内侧端头都设计为不完全齿轮状，与连杆竖边端头的齿条相啮合。齿条长度和不完全齿轮的弧度大小与扑翼扑动角度和机构尺寸有关。本例中，单个不完全齿轮角度为67°，实际齿数7个，模数是0.5。齿条单侧的齿数是10，模数是0.5。

两个摇臂10、10’中间部分分别与摇臂轴铰接，摇臂轴穿过摇臂轴孔与机架固接。摇臂外侧开有盲孔，用于插接扑翼翼梁。

连杆7不能前后左右运动，只能沿着限位块9的限位槽上下滑动，带动扑翼上下扑动。衬套8在连杆7背后，通过两个螺钉与连杆7固接。限位块9与机架1固接，衬套8与限位块9相匹配，内设有卡槽限制衬套前后左右运动。

限位块安装孔处的螺纹安装方向与其余所有螺纹孔安装方向相反，即从机架1背后上紧螺钉，故应在电机2装配前完成限位块9与机架1的连接。

以上，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于外啮合行星齿轮减速器的齿轮齿条副扑翼驱动机构，包括机架、电机、平行齿轮减速器、外啮合行星齿轮减速器、盖板和齿轮齿条副连杆摇臂机构，其特征在于：

机架由上到下依次设有固定孔、摇臂轴孔、电机安装孔、限位块安装孔、盖板安装孔和传动轴孔，盖板中心设有曲柄轴孔，固定孔轴线垂直于其所在表面，除盖板安装孔外所有孔前后贯通，各孔轴线均平行，电机安装在机架上，驱动平行齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄轴孔和传动轴孔安装在由机架下半部分和盖板构成的内部空间，平行齿轮减速器通过传动轴驱动外啮合行星齿轮减速器，外啮合行星齿轮减速器通过曲柄连接齿轮齿条副连杆摇臂机构驱动扑翼，平行齿轮减速器从动轮与传动轴一端固接，传动轴另一端穿过与机架固接的一级太阳轮中心和机架上的传动轴孔，与行星轮架固接。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

所述机架整体左右对称，将面向机头方向视为前端，其中两个固定孔在机架最上方，两个摇臂轴孔左右对称，摇臂轴孔下方有三个电机安装孔呈三角布局排列，电机安装孔下方为两个左右对称的限位块安装孔，各孔对称排列，机架下半部分呈圆筒状，在圆筒状后端的面上设有同心的一个传动轴孔，以传动轴为中心，有六个盖板安装孔呈圆周分布状均匀排列在圆筒状的圆柱侧壁前端。

3.根据权利要求1所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

所述电机为直流无刷电机，通过电机安装孔安装于机架后端，电机枢轴与平行齿轮减速器主动轮固接，平行齿轮减速器主动轮与从动轮啮合，传动轴与机架铰接，在轴孔中安装轴承与相应轴配合，盖板与机架通过盖板安装孔进行螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

所述外啮合行星齿轮减速器由两个太阳轮、行星轮以及行星轮架组成，二级太阳轮与曲柄轴一端固接，曲柄轴另一端穿过盖板上的曲柄轴孔与曲柄固接，二级太阳轮与三个二级行星轮啮合，三个二级行星轮转动带动二级太阳轮转动，继而将运动传递给曲柄。

5.根据权利要求4所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

所述外啮合行星齿轮减速器的一级太阳轮外圈沿圆周方向均匀分布有三个一级行星轮与一级太阳轮外啮合，三个行星轮轴一端分别与三个一级行星轮固接，三个行星轮轴穿过行星轮架上的行星轮轴孔，另一端分别与三个二级行星轮固接，在传动轴带动下，行星轮架与六个行星轮一起转动，同时由于一级太阳轮静止，三个一级行星轮发生自转并带动三个二级行星轮转动。

6.根据权利要求1所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

所述齿轮齿条副连杆摇臂机构由连杆和左右对称的摇臂组成，连杆为倒“T”形，横边有滑槽，曲柄端头的短轴可在滑槽中滑动，连杆竖边端头设计为齿条状，两个摇臂内侧端头均为不完全齿轮状，与连杆竖边端头的齿条相啮合，两个摇臂中间部分分别与摇臂轴铰接，摇臂轴穿过摇臂轴孔与机架固接，摇臂外侧开有盲孔，用于插接扑翼翼梁。

7.根据权利要求6所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

连杆不能前后左右运动，只能沿着限位块的限位槽上下滑动，带动扑翼上下扑动，衬套在连杆背后，通过两个螺钉与连杆固接，限位块与机架固接，衬套与限位块相匹配，衬套内设有卡槽限制其前后左右运动。

8.根据权利要求7所述的齿轮齿条副扑翼驱动机构，其特征在于：

齿轮齿条副连杆摇臂机构的齿条长度和不完全齿轮的弧度大小与扑翼扑动角度和机构尺寸匹配，齿轮齿条副连杆摇臂机构通过摇臂轴孔安装在机架上，扑翼驱动机构通过机架的固定孔采用螺纹或销接的方式与飞行器机身连接。

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