CN114560081B - 用于旋翼的弹性摆动轴承及具有其的驱动装置和飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种用于旋翼的弹性摆动轴承及具有其的驱动装置和飞行器，轴承特别用于飞行器中的旋翼，可旋转地布置在旋翼的旋转轴线上，包括：摆动梁，配置用于将旋翼连接到其上，且设计用于执行关于旋转轴线的摆动运动并具有关于旋转轴线以一定距离布置在摆动梁的相对端的至少两对第一凸耳；桨毂件，位于摆动梁下方，具有关于旋转轴线沿径向向外延伸的至少两个臂，每一个臂都有第二凸耳；其中，每一个第二凸耳都位于各自的第一凸耳对的两个凸耳之间，并且各自的连接销穿过位于旋转轴线两侧的第一凸耳和第二凸耳；以及其中，一对弹性衬套布置在每一个连接销上，分别位于第一个第一凸耳与第二凸耳之间以及第二个第一凸耳和第二凸耳之间。

Description

用于旋翼的弹性摆动轴承及具有其的驱动装置和飞行器

技术领域

本公开涉及一种用于旋翼的轻型弹性摆动轴承，特别是用于飞行器中的旋翼的弹性摆动轴承。本公开还涉及一种用于驱动飞行器中的旋翼的驱动装置。本公开还涉及一种飞行器，该飞行器具有至少一个包括旋翼的推进单元，特别是涉及一种具有分布式电力推进单元的多旋翼垂直起降(VTOL)飞行器，所述分布式电力推进单元中的至少一些包括旋翼。

背景技术

许多现有的旋翼飞机，即通过螺旋桨或旋翼提升或推进的飞行器，使用带有弹性体轴承的摆动旋翼桨毂。现有的这种桨毂使用层压弹性体扭转轴承，该轴承受到强烈磨损影响，这显著限制了这种轴承的使用寿命。现有的摆动旋翼桨毂使用弹性体摆动轴承，该轴承在旋翼桨叶的摆动振荡引起的变形下主要将弹性构件置于剪切状态。

此外，已知的摆动旋翼桨毂容易受到来自单一结构或机械故障的灾难性后果的影响。尽管这些装置在使用中得到了很好的证明，但主要载荷路径的单一结构故障可能导致旋翼失去控制或释放。

需要一种重量轻、维护成本低且简单的故障安全摆动式旋翼桨毂，适用于有动力和无动力旋翼，例如用于飞行器或旋翼机。目前，这些都使用两个桨叶摆动式旋翼，通过直接控制旋翼旋转轴线来实现周期性桨距调节。如本文所用，无动力旋翼是没有施加扭矩到轴的旋翼(不像风力涡轮机，其中的发电机将反作用扭矩施加到轴)。

还需要配备有这种轻型、低维护和简单的故障安全摆动式旋翼桨毂的飞行器。

发明内容

本公开的目的是满足这些需要。

根据本公开，该目的通过本公开提供的轴承、驱动装置以及飞行器来实现。

根据本公开的第一方面，一种弹性摆动轴承，用于旋翼，特别是用于飞行器中旋翼，所述弹性摆动轴承可旋转地布置在所述旋翼的旋转轴线上，所述弹性摆动轴承包括：

摆动梁，配置用于将具有至少两个旋翼桨叶的旋翼连接到其上，所述两个旋翼桨叶为单独的桨叶部件或一体件(即整体的)，所述摆动梁被设计用于执行关于所述旋转轴线的摆动运动并且具有至少两个第一凸耳或两对第一凸耳，至少两个第一凸耳或两对第一凸耳关于所述旋转轴线以一定距离布置在所述摆动梁的相对端；

桨毂件，位于所述摆动梁下方，所述桨毂件具有至少两个臂，所述至少两个臂关于所述旋转轴线沿径向向外延伸，在所述摆动梁具有所述两对第一凸耳的情况下，所述臂中的每一个都具有第二凸耳，或者在所述摆动梁具有关于所述旋转轴以所述距离布置的所述两个第一凸耳的情况下，所述臂中的每一个都具有一对第二凸耳；

其中，所述第二凸耳中的每一个都位于各自的第一凸耳对的两个凸耳之间，或者其中，所述第一凸耳中的每一个都位于各自的第二凸耳对的两个凸耳之间，并且各自的连接销穿过位于所述旋转轴线两侧的所述第一凸耳和第二凸耳；以及

其中，一对弹性衬套，即由弹性材料制成的衬套，例如聚氨酯、天然橡胶、丁基橡胶等弹性体或金属制成的衬垫，布置在所述连接销的每一个上，分别位于所述第一凸耳中的第一个与所述第二凸耳之间以及所述第一凸耳的第二个和所述第二凸耳之间，反之亦然(即，如果存在成对的第二凸耳，那么仅单个第一凸耳布置在它们之间)。

摆动轴承是已知的，尤其是从直升机中已知的。这种摆动轴承通常包括对旋翼桨叶桨距角的主动控制。另一方面，本公开可以有利地涉及所谓的“固定桨距”配置，其中摆动轴承允许旋翼桨叶的一些旋转，该旋转是被动的，即不受控制的(或未被主动控制的)，这可以将本公开的实施例与已知的(直升机)摆动轴承区分开来。

根据本公开的第二方面，一种驱动装置，用于驱动飞行器中的旋翼，该驱动装置包括根据本公开的实施例的轴承，所述轴承具有沿着所述旋转轴线延伸、穿过所述桨毂件和所述摆动梁的中心销，该中心销设计用于固定所述桨毂件和所述摆动梁在所述旋转轴线上的相对位置，并且所述驱动装置还包括马达，优选地是电动马达，所述马达包括中空的驱动轴，所述驱动轴连接于所述桨毂件用于可旋转地驱动所述桨毂件，其中所述中心销同轴地延伸穿过所述驱动轴，其中优选地，根据本公开轴承的实施例的所述螺钉头邻接在所述驱动轴的端帽(故障安全帽)上。

根据本公开的第三方面，一种具有至少一个推进单元的飞行器，该至少一个推进单元包括旋翼，所述飞行器特别是具有分布式电力推进单元的多旋翼VTOL飞行器，所述分布式电力推进单元中的至少一些包括旋翼，其中所述至少一个旋翼包括根据本公开的轴承或驱动装置，其中所述至少一个旋翼的至少两个旋翼桨叶在所述轴承的摆动梁的相对侧连接于所述摆动梁，其中优选地，所述桨毂件连接于包括在所述至少一个推进单元中的马达的驱动轴。

本公开的摆动枢轴使用安装在销，即所述连接销(也称为摆动销)上的简单弹性衬套。摆动轴线垂直于销的轴线，并且弹性衬套主要承受压缩负载，因此使用非常简单且低成本的弹性部件，因此具有本质上长的疲劳寿命。

摆动销可有利地相对于旋翼的旋转轴线成角度，同时保持垂直于摆动轴线以与由于施加到旋翼的驱动扭矩和旋翼在选定操作条件下产生的升力而产生的合力矢量对齐。这些特征确保衬套所经受的大部分载荷沿着衬套的对称轴，只有摆动才会在衬套表面产生力矩载荷。这进一步确保了由于摆动引起的衬套内的应力振荡产生最小可能的应力幅度，从而延长疲劳寿命。

本公开还在其优选的进一步实施例中结合了中心保持销(或故障安全销)，在其优选的进一步实施例中，该实施例可能独立于本公开的所述第一方面，中心保持销在正常使用中被微不足道加载，但是在桨毂的任何其他元件的大多数单一故障的情况下，中心保持销将保持旋翼并将旋翼限制在相对于桨毂件的位置限制内，从而保持其作为旋翼的功能。除了主旋翼轴故障之外，桨毂的扭矩反作用构件的完全故障将导致旋翼的保持和约束，但不会继续向旋翼输送功率。

就申请人所知，在这方面的现有技术不包括故障保护特征，由此导致由单个桨毂构件的故障引起的潜在灾难性结果。这种损坏可能是由于循环载荷引起的疲劳或单次撞击事件(例如鸟击)造成的。

在另一个优选实施例中，异形套筒装配在中心故障安全销上，并且与它在摆动梁内穿过的孔相结合，为摆动运动提供限制止动。所述套筒可由特别适合抵抗冲击载荷的材料，例如尼龙、织物增强酚醛树脂，或弹性体，例如橡胶或聚氨酯等，制成。

本公开使用简单的弹性衬套并且优选地将它们置于某种预压缩之下。在根据本公开的轴承的相应实施例中，衬套通过连接销或摆动销被预压缩。

然后，摆动偏转会增大或减小衬套的压缩程度，但不会使衬套的任何部分处于拉伸状态。由于裂纹扩展主要是由于拉伸载荷造成的，因此这种压缩载荷抑制了衬套内疲劳裂纹的增长，并可能延长使用寿命，从而降低维护成本。

为了实现这一点，在另一个优选实施例中，连接销包括用于压缩所述衬套的装置，特别是拧紧装置，所述拧紧装置包括螺钉头、与所述螺钉头相对的螺纹端部已经与所述螺纹端部接合的螺母。

此外，优选地，每个连接销在与螺母螺纹接合的第二端处具有外螺纹。这提供了一种简单的方式来确保几乎任何所需的(预)压缩量。

虽然根据本公开的实施例的轴承可以设计成通过连接销预压缩弹性衬套，但是也可以通过将它们压在两个固定的凸耳之间来预压缩衬套，即，放置在固定的相对距离处的两个固定的凸耳，该距离小于各自衬套的相应尺寸。

在根据本公开的轴承的另一个优选实施例中，弹性衬套设计成截锥体的形式，优选地，所述锥体的各自的基部与所述桨毂件接触。申请人已经发现，就轴承的摆动行为及其耐磨性而言，这种配置提供了最好的效果。然而，在某些情况下，优选以不同的方式布置衬套，例如，从相反的方向。如果所述锥体的窄端或尖端(顶点)抵靠中心(或第二)凸耳(即桨毂件)，则刚度将低于抵靠所述凸耳的基部的刚度。

然而，也可以为衬套考虑其他形式：配置衬套以产生具有挠度的定义的非线性特性是有利的。如果放置在固体表面上的一块弹性材料被压靠在该表面上，那么随着压缩力的增加，最终刚度将是弹性材料被压靠的表面的刚度。如果这块弹性材料的形状正确，则可以实现任何选定的负载/挠度特性。本应用中的衬套也是如此。

振荡共振问题在旋翼飞机中非常普遍。对于任何弹簧质量***，自然(本征)频率是弹簧构件的力-挠度梯度的直接函数。如果使用非线性弹簧，则在每个挠度幅度处，谐振频率具有唯一值。如果由外部振动力激发，则振荡无法建立，因为振幅的任何增加都会导致固有频率发生变化，除非激发频率发生变化以跟踪固有频率的这种变化，否则激发将变得无效。这构成了在本公开中使用弹性衬套的概念的重要特征。

因此，可以在本公开的实施例中使用衬套的异形来实现选定的非线性以及在压缩加载时这种衬套的固有非线性弹性行为。使用例如有限元方法，人们可以为特定用途的衬套定义定制形式。

可选地或附加地，人们还可以修改所述表面的形状或结构，以便为衬套实现期望的负载/挠度特性。

在根据本公开的轴承的另一实施例中，所述桨毂件围绕所述旋转轴线相对于所述摆动梁旋转。这种布置特别适用于例如飞行器中的动力旋翼。

在根据本公开的轴承的一个非常有利的实施例中，所述第一凸耳和第二凸耳，即包含在其中的相应的孔或通孔以及相应的所述连接销关于所述旋转轴线成角度，为15°至50°，优选为20°至40°，最优选地为30°到35°。这有助于在衬套上实现上述压缩载荷，因为这种配置确保了旋翼上的法向驱动扭矩所引起的合力以及所引起的升力沿每个连接销的轴线传递。这降低了弹性衬套上的剪切载荷，从而降低了由于衬套内的压缩以外的变形导致的渐进损坏的可能性。

因此，根据另一实施例，所述连接销关于所述旋转轴线倾斜地定向，其中优选地，所述连接销关于所述旋转轴线以对称的方式倾斜地定向。

这样的实施例用于将衬套轴线与由驱动扭矩和旋翼升力产生的合力对齐，并且完全由这两个力在离旋翼轴线的衬套轴线半径处的相对大小以及选定的操作设计工况来决定。因此，该范围原则上可以包括0°和90°之间的任何角度。对于无动力旋翼(例如旋翼机)，该角度有利地为0°。

因此，在本公开的相应的进一步实施例中，所述桨毂件关于摆动梁对齐，特别是在无动力旋翼的情况下。

在根据本公开的轴承的相应的另一实施例中，所述摆动梁包括布置在所述旋转轴线上的中心部分，所述中心部分具有至少一个用于连接所述旋翼的固定结构，所述摆动梁还包括从所述中心部分触发的两个臂，该两个臂关于所述旋转轴线沿相反的径向方向向外延伸，每个所述臂都包括关于所述旋转轴线以所述距离布置的所述成对的第一凸耳中的一个。这导致轴承的设计特别简单和轻便，与替代设计相比，这种设计需要的单个元件数量更少。

在根据本公开的轴承的又一实施例中，适配的管状间隔件穿过用于每对所述第一凸耳的两个弹性衬套并且支承在所述两个第一凸耳中的每一个上。所述间隔件反作用于来自相应连接销的压缩并且可以是限制弹性衬套负载的简单方式，如果与衬套的相应尺寸相比，其长度较差。

在根据本公开的轴承的又一实施例中，所述第一凸耳和/或所述第二凸耳包括围绕凸耳通孔的凹如部分或突出部分。该凹入部分或凸出部分可用于围绕衬套的一部分以限定其位置。

为了提供故障保护行为，在进一步的实施例中，根据本公开的轴承还包括中心销(或故障安全销)，该中心销(或故障安全销)沿所述旋转轴线延伸、穿过所述桨毂件和所述摆动梁，所述中心销被设计用于固定所述桨毂件和所述摆动梁在所述旋转轴线上的相对位置。如果升力载荷路径的完整性因结构故障而受损，则摆动梁可能会相对于中心故障安全销在升力的方向上***。在这种情况下，该运动通过所述中心销被阻止，然后升力被故障安全销直接传递到桨毂的从动部分。以这种方式，在故障安全约束防止旋翼在包括轴承故障在内的故障之后产生不利行为的意义上，防止了轴承的灾难性故障。

应当注意的是，如上述介绍的，提供所述中心销(或故障安全销)也可以与本公开其他附加特征，特别是所述弹性衬套，分开进行。所述特征(即，故障安全销)和任何其他依赖于该特征的特征不限于如在前述中所限定的特定实施例。

为了允许和限制摆动梁的摆动运动，在根据本公开的轴承的进一步实施例中，所述轴承还包括成角度的套筒(异形套筒或摆动止动套筒)，其围绕所述中心销、延伸穿过所述摆动梁中的开口，所述成角度的套筒优选地具有(双)截头锥体的形式，其最大直径与所述开口的内径成紧密间隙。最优选地，所述桨毂件邻接在所述成角度的套筒的端部上，最优选地邻接在所述成角度的套筒的顶点上。以此方式，外倾斜锥面允许和限制所述摇晃运动。出于磨损的考虑，不希望持续接触。当达到最大摆动幅度时，锥形部件的侧面最好均匀地接触孔。紧密间隙对于故障安全来说是可取的，因为它在故障安全情况下为旋翼提供径向约束。在主载荷路径失效的情况下，该成角度的套筒与孔或开口的内侧之间的间隙限定了径向约束。可选地或附加地，还可以在旋翼桨叶下方设置摆动止动件作为邻接构件，以限制摇晃运动。

提供双锥体(或两个锥体)可能有助于将负载分散到更大的表面积上，从而减少磨损并延长使用寿命。

在另外的实施例中，根据本公开的轴承还包括间隔套筒，该间隔套筒围绕所述中心销、延伸穿过所述摆动梁中的所述开口中并穿过所述成角度的套筒。故障安全销的上端有利地将摆动梁夹紧在所述间隔套筒上，因此通过故障安全销直接反作用于来自旋翼的任何升力载荷，从而提供增强的安全性。

在针对相同方向的另一实施例中，根据本公开的轴承包括保持件，该保持件在中心销的第一端处布置在所述中心销上，所述第一端位于所述摆动梁的与所述桨毂件相对的一侧。以这种方式，故障安全销的所述上端有利地将所述保持件夹紧在所述间隔套筒上，并且因此经由故障安全销反作用于来自旋翼的任何升力载荷，从而提供进一步增强的安全性。

为了确保这种功能，在根据本公开的轴承的另一实施例中，所述保持件可以被夹紧在所述间隔套筒和/或所述成角度的套筒上，优选地通过设计所述中心销在其一端具有螺钉头并且在其另一端具有与螺母结合的螺纹部分，所述螺母最优选地与所述保持件接触。

优选地，在根据本公开的轴承的另一实施例中，所述保持件具有至少一个、优选为两个的缓冲突出部，缓冲突出部与所述摆动梁成紧密间隙，在两个这样的突出部的情况下，所述缓冲突出部在方位角上与摆动轴线对齐。保持件(或故障安全保持器)优选地被夹紧在前面提到的间隔套筒上。它在故障安全情况下执行保持功能。类似地，它可以带有一对与摆动梁的顶部成紧密间隙的缓冲突起。这些在桨毂或相关联的驱动轴(参见下文)的任何主要载荷路径故障的情况下提供垂直约束。它们优选地在方位角上与摆动轴线对齐，以在主要载荷路径故障后保持正确的摆动轴线，从而确保一致的旋翼行为。

以这种方式，所述故障安全约束可以由故障安全销(约束摆动止动套筒)、保持件(以及保持件下方的缓冲特征，垂直约束)和摆动止动套筒(在操作限制范围内的径向约束)(共同地)提供。

摆动梁和所述缓冲突起的配合面上的表面涂层或处理可以构成有利的进一步实施例，因为它们经历一些相对滑动。它们需要在故障安全情况下持续足够长的时间才能让飞行器安全着陆。在这种情况下，非晶金刚石非常坚硬，非常坚韧，摩擦力非常低，可以作为铝合金的合适处理方法。然而，本公开在这方面不受限制。

在根据本公开的轴承的又一非常优选的实施例中，摆动轴线关于所述旋翼的法向轴线以角度φ旋转，φ>0°或φ<0°，优选地在-60°<φ<-30°范围内，所述法向轴线关于旋翼轴线成直角定向。

通常，旋翼，即各个旋翼桨叶，相对于旋翼的旋转方向，具有前缘和后缘。旋翼还有一个旋翼轴线，它不能与(马达的)旋转轴线混淆。与所述旋翼轴线成直角的是所谓的法向轴线。已知(主动)摆动轴承的摆动轴线关于所述法向轴线沿正方向以角度φ旋转，φ>0°。

申请人对一系列倾斜角进行了分析探索，负倾斜角(φ<0°)的结果令人惊讶且非常有趣。因此，此配置被设计为物理样本并进行测试。风洞实验证实，在没有循环控制的旋翼的情况下，摆动轴线的负旋转，即φ<0°，优选-60°<φ<-30°，会产生优选的升力矢量，这是本公开的优选用例。因此，本公开的替代实施例包括关于旋翼的所述法向轴线沿正方向或(优选地)沿负方向旋转的摆动轴线。

这可以产生在与飞行方向相反的方向上具有减小的向后倾斜的升力矢量，同时保持旋翼在空气动力学上稳定，这可以导致向前飞行的功率减小。

因此，本说明书进一步包括具有摆动轴线负旋转的空气动力学稳定旋翼的新颖设计，其潜在地独立于所描述的弹性衬套和/或故障安全设计。

本公开的使用绝不限于飞行器，而是可以扩展到所有类型的受到摇晃运动的旋翼(有动力或无动力)，例如，在风能涡轮机、旋翼机等中。

附图说明

通过参考附图对示例性实施例的以下描述，本公开的附加特征和优点将变得显而易见。

图1示出了能够使用本公开的飞行器；

图2示出了包括根据本公开原理设计的弹性轴承或桨毂的驱动装置的总体立体图；

图3示出了穿过图2的轴承或桨毂中心的截面图；

图4示出了图2的轴承或桨毂的另一立体图；

图5示出了图2的轴承的细节；

图6示出了穿过在图2的轴承或桨毂中所包括的连接销组件的截面图；

图7示出了图2的轴承的细节；以及

图8A至图8D示出了本公开中所使用的弹性衬套的特性。

具体实施方式

图1示出了呈由申请人生产的多旋翼VTOL飞行器形式的飞行器1。飞行器1包括机载飞行控制器2，用于控制多个、例如十八个、电力推进单元，每个推进单元至少包括电动马达3a和(优选整体式)旋翼3b，所述旋翼3b具有两个连接于弹性摆动轴承3c的旋翼桨叶3b1、3b2，如将参考图2至图8所描述的。在下文中，弹性摆动轴承3c也将被称为“桨毂”。为清楚起见，图1中仅明确地用标记表示了一个推进单元3及其部件。附图标记4表示用于测量飞行器1和/或推进单元3的当前状态的示例性传感器单元。附图标记5表示用于飞行员输入飞行控制器2以操纵飞行器1的装置。如图所示，传感器单元4和推进单元3可操作地与飞行控制器2通信连接。附图标记x、y和z表示飞行器的主要控制轴线，即摆动、俯仰和偏航。

图2示出了根据本公开的原理设计的弹性摆动轴承3c和驱动装置的总体视图。旋翼桨叶3b1、3b2(它们不必是单独的构件但可以形成一体式整体旋翼的组成部分)通过双头螺栓3e连接于摆动梁3d，双头螺栓3e仅在这种布置的一侧用附图标记表示出。附图标记RA表示组件的旋转轴线。摆动梁3d包括布置在所述旋转轴线上的中心部分或主体3da，所述中心部分3da具有至少一个固定结构，该固定结构用于连接所述旋翼3b，即，通过所述螺栓3e。摆动梁3d还包括从所述中心部分3da离开的两个臂3db，该两个臂3db关于所述旋转轴线RA沿相反的径向方向向外延伸。在摆动梁3d的下方设置有桨毂件3f，该桨毂件3f设计用于到(通用)马达3a的驱动轴的连接。桨毂件3f具有两个臂3g1、3g2(驱动臂)，两个臂3g1、3g2关于旋转轴线RA延伸超过摆动梁3d的所述主体3da。在摆动梁3d的上方设置有保持件3h。桨毂件3f和保持件3h通过中心销3i或故障安全销沿着旋转轴线RA连接，这将从图3中变得更明显。摆动梁3d通过相应的(第一)凸耳对3j1、3j2支撑在其两端，即支撑在所述臂3db上，在其两端之间布置有位于桨毂件3f的所述臂3g1、3g2的端部处的相应的(第二)凸耳3k。夹在凸耳3j1和凸耳3k之间、夹在凸耳3k和凸耳3j2之间的是弹性体衬套，使得穿过两个凸耳3k中的每一个的中心的轴线形成用于旋翼桨叶3b1、3b2的摆动枢轴或摆动轴线TA，并且关于该摆动轴线TA的任何角度偏转都压缩位于摆动轴线一侧的衬套，例如弹性衬套3l1，并且关于该摆动轴线TA的任何角度偏转都减少位于摆动轴线TA另一侧的衬套上的压缩，例如弹性衬套3l2，反之亦然。

此处和下文中，弹性体衬套被描述为弹性衬套的非限制性示例。

如果摆动梁在其各个端部具有单个凸耳，这是一种替代设计(未示出)，则桨毂件可以在所述臂的各个端部具有成对的凸耳，并且摆动梁的凸耳可以夹在桨毂件的各对凸耳之间。那么，如本领域技术人员容易理解的那样，适当的改变将适用于弹性(或弹性体)衬套的布置。

选择凸耳3j1、3j2、3k的内表面之间的间距，以向弹性衬套3l1、3l2提供所需的预压缩量，以确保在操作中以及当由于摆动振荡而偏转并加载扭矩和升力载荷时，弹性衬套3l1、3l2保持在压缩状态。弹性衬套3l1、3l2通过在装配时被压缩到可用的间隙或间距中而安装在凸耳3j1、3j2、3k之间。

在每个端部的两个弹性衬套3l1、3l2之间设置所述单个(第二)凸耳3k，所述单个(第二)凸耳3k直接安装在桨毂件3f上。该凸耳3k提供了进入桨毂的直接载荷路径，并且与在摆动梁的端部具有单个凸耳的替代配置相比，在结构上更有效，且使用更少的材料。

第二凸耳3k与摆动梁3d的第一凸耳3j1、3j2对齐，以接收连接销或摆动销3n，这将从图4和图5中变得更加明显。凸耳3j1、3j2和3k关于旋转轴线RA成角度，特别是成大约30°到35°的角度，这将从图3中变得特别明显。如前所述，该角度仅适用于有动力旋翼，而无动力旋翼，例如旋翼机上的旋翼，则不会从中受益。对于无动力旋翼，该角度优选为0°，并且摆动梁3d和桨毂件3f将对齐。连接销3n的一端上包括螺钉头3o并且在其另一端螺纹接合螺母3p。

穿过组件的主要载荷路径是从桨毂或桨毂件3f的从动部分通过该部件上的两个驱动臂3g1、3g2，到达穿过弹性体衬套的所述一对连接销3n，并且之后到达一对凸耳3j1、3j2，一对凸耳3j1、3j2直接对摆动梁3d以及之后所连接的旋翼桨叶3b1、3b2加载。所述故障安全销沿着旋翼的旋转的轴线(即，旋转轴线RA)穿过保持件3h和桨毂(桨毂件3f)的从动部分之间，这在桨毂(桨毂件3f)的从动部分和保持件3h之间提供直接载荷路径。主载荷路径内的任何部件故障都会导致摆动梁3d相对于故障安全销的合成相对运动，因此故障安全销直接反作用于任何径向载荷，而保持件3h则通过故障安全销反作用于升力载荷。因此，故障安全销在正常操作中很少负载，但被配置为在任何主要载荷路径部件发生故障的情况下承载全部飞行载荷。

旋翼3b，即单独的旋翼桨叶3b1、3b2，关于旋翼的旋转方向SR具有(每个都具有)前缘LE和后缘TE。参考标记RA’表示旋翼轴线，其不能与上述旋转轴线RA混淆。关于所述旋翼轴线RA’成直角的是所谓的法向轴线NA。关于所述法向轴线NA，摆动轴线TA沿负方向旋转角度φ，φ<0°，即朝向所述后缘TE(负倾斜角)旋转。这与已知的(活动)摆动轴承不同，其φ>0°。

对一系列倾斜角度进行了分析探索，负倾斜角度的结果令人惊讶且非常有趣。因此，这种配置被设计为物理样本并进行测试。风洞实验证实，在图1中所示类型的多旋翼飞行器的情况下，摆动轴线TA的负旋转，即φ<0°，优选-60°<φ<-30°，可以产生优选的升力矢量。本公开的替代实施例包括关于旋翼的所述法向轴线NA沿正方向旋转的摆动轴线TA，φ>0°，即朝向所述前缘LE旋转。

图2中所示的设计实现了升力矢量，在与飞行方向相反的方向上减少了向后倾斜，同时保持旋翼在空气动力学上的稳定，这可能导致向前飞行的功率降低。

考虑到在具有固定螺距旋翼的已知用例中，气流来自沿旋转轴线RA的正面方向(例如，对于螺旋桨飞机来说)或来自侧面(例如，对于直升机来说，如图2所示的直升机)，本说明书还包括具有摆动轴线的负旋转的空气动力学稳定旋翼的新颖设计。

图2中所示的设计包括如前所述的故障保护功能，其通过由故障安全销夹持就位并设置在摆动梁3d上方的所述保持件(或故障安全保持器)3h来实现。故障安全保持器3h载有两个缓冲部件(参见图7)，两个缓冲部件与摆动梁3d的顶部保持紧密间隙，其在主要载荷路径故障的情况下提供摆动枢轴。

注意，在图2中，桨毂显示为安装在通用电动马达3a上，尽管它可以安装在常规旋翼飞机齿轮箱或向马达轴输送动力的其他源上。

桨毂示出为具有整体式双桨叶旋翼3b。这种旋翼的使用消除了对承载桨叶根部弯矩的桨毂的需要，因此允许与摆动梁的更轻的连接结构。然而，使用具有单独桨叶3b1、3b2的旋翼同样是可能的。

图3图解示出了故障安全销布局，示出了在驱动轴或轴承故障的情况下桨毂或弹性摆动轴承3c的保持。故障安全销延伸穿过马达(未示出)的中空的驱动轴3aa，并通过螺钉头3ia抵靠着关闭驱动轴3aa下部开口的故障安全帽3ib的方式保持在驱动轴3aa的下端。在上端，设置有与故障安全销的螺纹部分接合的螺母3q。如果驱动轴完全失效或轴承(未示出)失效，或者将轴3aa连接到桨毂件3f的桨毂保持固定件3fa失效，则通过故障安全帽3ib作用以防止轴拉出而防止轴3aa偏离。故障安全销(带有螺母3q)的上端将故障安全保持器3h夹紧在圆柱形间隔套筒3ic上，该圆柱形间隔套筒3ic在桨毂件3f和故障安全保持器3h之间延伸，因此将来自旋翼3b的任何升力载荷通过故障安全销直接作用于故障安全帽3ib。

图3还示出了以摆动(止动)套筒3r(成角度的套筒或异形套筒)的形式布置的摆动止动件，摆动(止动)套筒3r为基本圆锥形状，其作用在穿过摆动梁3d中心的开口3dc的内表面上。摆动套筒3r以其锥形形式允许并限制旋翼3b的摆动运动。旋翼3b还具有中心孔3ba以允许摆动梁3d中的所得的中空套管3dd穿过。在所示的示例性实施例中，摆动套筒3r的顶点或尖端与桨毂件3f接触，而摆动套筒3r的基部与故障安全保持器3h接触。

图4示出了没有马达外壳的桨毂或弹性摆动轴承3c的整体视图。该整体视图示出了用于轴3aa的轴承3ab、3ab’。故障安全帽3ib的直径大于下轴承3ab’，并且如果需要在故障事件期间执行保持功能，那么故障安全帽3ib将通过与下轴承座3ab”接触而被保持。因此，为了有效，故障安全帽3ib需要具有比围绕轴3aa的最小固定孔更大的直径。

整体式旋翼3b显示为由两个螺栓3e保持。在螺栓失效的情况下，旋翼3b仍然通过环绕位于摆动梁3d上的套管3dd(图3)的孔3ba(图3)而被保持。该孔3ba围绕安装在故障安全销上的摆动止动套筒3r(图3)。

图5示出了衬套组件的细节。摆动销或连接销3n被设计为简单的螺栓，其穿过位于摆动梁3d的每个端部的一对第一凸耳3j1、3j2。桨毂件3f在每一侧都具有单个第二凸耳3k，该第二凸耳3k放置在所述第一凸耳3j1、3j2和弹性体衬套之间(参见图2)。所述弹性体衬套设计成截锥体的形式，优选地具有与所述桨毂件(第二凸耳3k)接触的各基部。在所述第一凸耳3j1、3j2周围，即其中对应的通孔周围，有围绕所述凸耳通孔的突出部分3ja，用于定位弹性衬套3l1、3l2。

弹性体衬套通过连接销3n被预压缩，或者衬套可以通过迫使它们到两个以固定的、限定的间距隔开的凸耳之间被预压缩，即其中一个凸耳是外(第一)凸耳3j1、3j2，其中另一个凸耳是内部(第二个)凸耳3k。

从图6可以看出，图6示出了穿过衬套组件的截面，适配的管状间隔件3m穿过用于每对所述第一凸耳3j1、3j2的两个弹性体衬套并支撑在所述两个第一凸耳3j1、3j2中的每一个上，以反作用于来自连接销3n的压缩。

从图6可以进一步看出，第二凸耳3k包括围绕凸耳通孔的凹入部分，用于定位弹性衬套3l1、3l2。

摆动销3n设计为穿过摆动梁凸耳(第一凸耳3j1、3j2)和桨毂凸耳(第二凸耳3k)的简单螺栓。

如前所述，通过形成具有正确间距或间隙的摆动梁凸耳(第一凸耳3j1、3j2)和桨毂凸耳(第二凸耳3k)来压缩弹性衬套3l1、3l2，以在安装时当弹性衬套3l1、3l2被压缩并在凸耳3j1、3j2、3k之间滑动时产生所需的预压缩。

为了确保摆动梁凸耳(第一凸耳3j1、3j2)不会以不可控的方式拉紧，所述适配的管状间隔件3m如先前描述的那样布置。

图7提供了故障安全保持器3h和相应缓冲区的细节。如图所示，故障安全保持器3h被夹在前面提到的间隔套筒3ic(参见图3)上。它在故障安全情况下执行保持功能，并在其下侧承载与摆动梁3d顶部保持紧密间隙的一对缓冲突起3ha。这些缓冲突起3ha在桨毂或轴的任何主要载荷路径故障的情况下提供垂直约束。它们在方位角上与摆动轴线TA对齐(参见图2)，以在主要载荷路径故障后保持正确的摆动轴线TA，从而确保一致的旋翼行为。

图8A至图8D示出了可用于本公开的非线性弹性体衬套。迄今为止所描述的弹性体衬套倾向于自然地表现出非线性弹性行为。在振动情况下，作为防止不受控制的共振的手段，这可能是非常有利的。振动的固有频率是由弹性构件所约束的质量和约束的弹性刚度的函数。具有一组特定频率的给定质量和刚度。引入非线性刚度，即非线性力或力矩偏转特性导致每个振幅具有不同的固有频率。其作用是限制固定频率下的振动幅度。这被称为“极限循环振荡”或LCO。

在某些情况下设计特定的非线性是有好处的。在所描述的摆动的旋翼桨毂的情况下，非常低的刚度对于正常操作是可取的。对于摆动的旋翼，还有一个最大的预期期望振动幅度，通常由旋翼摆动停止的位置来定义。这些通常是与摆动轴承分开布置的硬性限制。由于弹性体轴承内的非线性特性，非线性可用于通过引入导致轴承刚度向旋转偏转极限快速增加的特征来代替单独的旋翼摆动止动件。图8A至图8D示出了通用的弹性体组件，其配置为实现这一点。

参考图8A，弹性体衬套EB(例如前面所示的弹性衬套3l1、3l2)放置在两个支撑表面SS(例如前面示出的第一凸耳3j1、3j2)之间，两个支撑表面SS是相同部件(例如，所述摆动梁3d)的一部分或连接于该相同部件。另一个部件AC(例如前面示出的第二凸耳3k)被放置在两个衬套EB之间并且因此受到衬套EB的约束，并且可以围绕垂直于衬套的轴线的轴线旋转偏转。组件通过连接销CP(例如前面所示的销3n)保持在一起(预压缩)。

图8B示出了具有部件AC小旋转偏转的组件。“a”表示上衬套EB’的接触区域的边缘已移向位于衬套EB’一侧的、已通过偏转而进一步被压缩的部件AC的边缘。因此，衬套EB’的压力中心也移向了位于该侧的部件AC的边缘。同时，“b”表示位于经历由于偏转而压缩减少的一侧的衬套EB’的接触区域的边缘已经远离部件AC的边缘，并且那一侧上相应的压力中心的位置也已经远离部件AC的边缘。在下衬套EB上可以观察到类似的行为。结果是部件AC上的反作用力矩随着偏转以非线性方式增加。

图8C示出了具有更大程度偏转的相同组件。“c”表示上衬套EB’的末端边缘。有了这种偏转程度，部件AC现在在衬套EB’的末端边缘处接触，从而实现最大力矩臂。此外，在“c”处位于部件AC外边缘正上方的衬套部分在部件SS和AC之间具有非常短的垂直长度。这直接相当于非常短的弹簧构件。对于给定的刚度和横截面积，如果任何线弹性材料所包含的部件在施加载荷的方向上具有较小的尺寸，则它会产生更高的刚度，因此这种短的垂直长度会导致刚度随着衬套在部件SS和AC之间进一步压缩而快速增大。

图8D示出了结合图8A到图8C所描述的衬套的典型扭矩-偏转曲线。“偏转”(水平轴线)是指部件AC关于部件SS的旋转运动。在低偏转时，曲线近似线性，拐点为零偏转。随着正向或负向偏转增加，曲线变得更陡峭。当应用于旋翼桨毂时，在最大偏转，曲线变得非常陡峭，垂直曲线可以表示无限刚度，此时非常陡峭的曲线完全替代单独的摆动止动件(参见上文)。

必须注意的是，这只是一个例子，所示衬套的形式可以改变，以随着偏转而产生任何所需的刚度变化。部件AC被描绘有与衬套相互作用的平面。但这不是唯一可能的形式，非平面表面或部件AC的相互作用面上的形状特征可用于产生特定的非线性特性(参见上文描述)。

该组件还示出了固定的部件SS和移动的部件AC。另一种可能的途径是部件AC固定而部件SS移动。

Claims (29)

1.一种用于旋翼的弹性摆动轴承，所述弹性摆动轴承(3c)可旋转地布置在所述旋翼(3b)的旋转轴线(RA)上，所述弹性摆动轴承(3c)包括：

摆动梁(3d)，配置用于将具有至少两个旋翼桨叶(3b1、3b2)的旋翼(3b)连接到其上，所述两个旋翼桨叶(3b1、3b2)为单独的桨叶部件或一体件，所述摆动梁(3d)被设计用于执行关于所述旋转轴线(RA)的摆动运动，并且具有至少两个第一凸耳或两对第一凸耳(3j1、3j2)，至少两个第一凸耳或两对第一凸耳(3j1、3j2)关于所述旋转轴线(RA)以一定距离布置在所述摆动梁(3d)的相对端；

桨毂件(3f)，位于所述摆动梁(3d)下方，所述桨毂件(3f)具有至少两个臂(3g1、3g2)，所述至少两个臂(3g1、3g2)关于所述旋转轴线(RA)沿径向向外延伸，在所述摆动梁(3d)具有所述两对第一凸耳(3j1、3j2)的情况下，所述臂(3g1、3g2)中的每一个都具有第二凸耳(3k)，或者在所述摆动梁(3d)具有关于所述旋转轴(RA)以所述距离布置的所述两个第一凸耳的情况下，所述臂(3g1、3g2)中的每一个都具有一对第二凸耳；

其中，所述第二凸耳(3k)中的每一个都位于各自的第一凸耳(3j1、3j2)对的两个凸耳之间，或者其中，所述第一凸耳中的每一个都位于各自的第二凸耳对的两个凸耳之间，并且各自的连接销(3n)穿过位于所述旋转轴线(RA)两侧的所述第一凸耳(3j1、3j2)和第二凸耳(3k)；以及

其中，一对弹性衬套(3l1、3l2)布置在所述连接销(3n)的每一个上，分别位于所述第一凸耳(3j1)中的第一个与所述第二凸耳(3k)之间以及所述第一凸耳(3j2)的第二个和所述第二凸耳(3k)之间，反之亦然。

2.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述桨毂件(3f)围绕所述旋转轴线(RA)相对于所述摆动梁(3d)旋转。

3.根据权利要求1或2所述的轴承，其中，所述连接销(3n)关于所述旋转轴线(RA)倾斜地定向。

4.根据权利要求3所述的轴承，其中，所述连接销(3n)关于所述旋转轴线(RA)以对称的方式倾斜地定向。

5.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述第一凸耳(3j1、3j2)和第二凸耳(3k)关于所述旋转轴线(RA)的角度为15°至50°，或者其中，所述第一凸耳(3j1、3j2)和第二凸耳(3k)与所述旋转轴线(RA)对齐。

6.根据权利要求5所述的轴承，其中，所述第一凸耳(3j1、3j2)和第二凸耳(3k)关于所述旋转轴线(RA)的角度为25°至40°。

7.根据权利要求6所述的轴承，其中，所述第一凸耳(3j1、3j2)和第二凸耳(3k)关于所述旋转轴线(RA)的角度为30°至35°。

8.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述桨毂件(3f)与所述摆动梁(3d)对齐。

9.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述连接销(3n)包括用于压缩所述弹性衬套(3l1、3l2)的装置。

10.根据权利要求9所述的轴承，其中，所述用于压缩所述弹性衬套(3l1、3l2)的装置是拧紧装置，所述拧紧装置包括螺钉头(3o)、与所述螺钉头相对的螺纹端部以及与所述螺纹端部接合的螺母(3p)。

11.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述摆动梁(3d)包括布置在所述旋转轴线(RA)上的中心部分(3da)，所述中心部分(3da)具有至少一个用于连接所述旋翼(3b)的固定结构，所述摆动梁(3d)还包括从所述中心部分(3da)出发的两个臂(3db)，所述两个臂(3db)关于所述旋转轴线(RA)沿相反的径向方向向外延伸，每个所述臂(3db)都包括关于所述旋转轴线(RA)以所述距离布置的所述成对的第一凸耳(3j1、3j2)中的一个。

12.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述弹性衬套(3l1、3l2)设计成截锥体的形式。

13.根据权利要求12所述的轴承，其中，所述弹性衬套(3l1、3l2)具有与所述桨毂件(3f)接触的各个基部。

14.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述弹性衬套(3l1、3l2)通过所述连接销(3n)被预压缩。

15.根据权利要求1所述的轴承，其中，适配的管状间隔件(3m)穿过用于每对所述第一凸耳(3j1、3j2)的两个弹性衬套(3l1、3l2)并且支承在所述两个第一凸耳(3j1、3j2)中的每一个上。

16.根据权利要求1所述的轴承，其中，所述第一凸耳(3j1、3j2)和/或所述第二凸耳(3k)包括围绕凸耳通孔的凹入部分或突出部分(3ja)。

17.根据权利要求1所述的轴承，其中，还包括中心销(3i)，该中心销(3i)沿所述旋转轴线(RA)延伸、穿过所述桨毂件(3f)和所述摆动梁(3d)，所述中心销(3i)设计用于固定所述桨毂件(3f)和所述摆动梁(3d)在所述旋转轴线(RA)上的相对位置。

18.根据权利要求17所述的轴承，其中，还包括成角度的套筒(3r)，该成角度的套筒(3r)围绕所述中心销(3i)、延伸穿过所述摆动梁(3d)中的开口(3dc)。

19.根据权利要求18所述的轴承，其中，所述成角度的套筒(3r)为截锥体的形式，其最大直径与所述开口(3dc)的内径成紧密间隙。

20.根据权利要求19所述的轴承，其中，所述桨毂件(3f)邻接在所述成角度的套筒(3r)的端部上。

21.根据权利要求20所述的轴承，其中，所述桨毂件(3f)邻接在所述成角度的套筒(3r)的顶点上。

22.根据权利要求18所述的轴承，其中，还包括间隔套筒(3ic)，该间隔套筒(3ic)围绕所述中心销(3i)、延伸穿过所述摆动梁(3d)中的所述开口(3dc)中并穿过所述成角度的套筒(3r)。

23.根据权利要求17至22中任一项所述的轴承，其中，还包括保持件(3h)，该保持件(3h)在所述中心销(3i)的第一端处布置在所述中心销(3i)上，所述第一端位于所述摆动梁(3d)的与所述桨毂件(3f)相对的一侧。

24.根据权利要求1所述的轴承，其中，摆动轴线(TA)关于所述旋翼(3b)的法向轴线(NA)以角度

旋转，/>

或/>

25.根据权利要求24所述的轴承，其中，在

范围内，所述法向轴线(NA)关于旋翼轴线(RA')成直角定向。

26.一种驱动装置，用于驱动飞行器(1)中的旋翼(3b)，其中，所述驱动装置包括根据权利要求1-17中的任一项权利要求所述的弹性摆动轴承(3c)，并且还包括马达(3a)，所述马达包括中空的驱动轴(3aa)，该驱动轴(3aa)连接于所述桨毂件(3f)以用于旋转地驱动所述桨毂件(3f)，其中，中心销(3i)同轴地延伸穿过所述驱动轴(3aa)。

27.根据权利要求26所述的驱动装置，其中，该马达(3a)是电动马达。

28.一种飞行器，其中，所述飞行器(1)具有至少一个包括旋翼(3b)的推进单元(3)，所述飞行器(1)具有分布式电力推进单元的多旋翼垂直起降飞行器(1)，所述分布式电力推进单元中的至少一些包括旋翼(3b)，其中所述至少一个旋翼(3b)包括根据权利要求1至25中任一项所述的弹性摆动轴承(3c)或根据权利要求26至27中任一项所述的驱动装置，其中所述至少一个旋翼(3b)的至少两个旋翼桨叶(3b1、3b2)在所述弹性摆动轴承(3c)的摆动梁(3d)相对侧连接于所述摆动梁(3d)。

29.根据权利要求28所述的飞行器，其中，所述桨毂件(3f)连接于包括在所述至少一个推进单元(3)中的马达(3a)的驱动轴(3aa)。

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