CN117416504B - 一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，包括液压集成***、双螺旋摆动缸、可倾转旋翼和直连旋翼轴。所述液压集成***驱动双螺旋摆动缸，双螺旋摆动缸输出螺杆与直连旋翼轴固连，控制转动连接的可倾转旋翼倾转角度改变；当双螺旋摆动缸为封锁状态时，在液压集成***作用下，液压油无法返回油箱，直连旋翼轴以保持角度锁定状态。所述直连旋翼轴两侧分别安装有固定件，直连旋翼轴中部对称设计有一组孔洞，内部放置压缩弹簧与推块，通过夹持卡爪夹持锁定直连旋翼轴，实现机械自锁；本发明提出的高扭矩双自锁液压倾转机构可用于eVTOL载人飞行器或其他需要控制机构旋转并自锁的使用场景。
Description
技术领域
本发明属于工业生产技术领域，涉及到一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构。
背景技术
电动垂直起降飞行器eVTOL主要实现形式包括多旋翼控制、复合翼控制、倾转构型控制等，而倾转构型控制为目前主流方式，其飞行主要原理为通过调节一组可倾转旋翼的角度，选择性提供垂直升力与水平前进动力保证飞行器垂直起飞爬升和水平巡航。因此飞行过程中旋翼角度的切换和锁定是该领域重点问题，希望旋翼倾转机构能够提供角度调节高扭矩的同时具有自锁的能力，这样可以保证飞行过程中模式切换的响应速度以及对于安全性的保证。
目前旋翼倾转装置主要为电驱动，突出的一个问题即其扭矩密度过低，电机旋转过程中不能满足旋翼倾转的扭矩需求，而液压驱动具有高扭矩密度等特点，同时液压***设计具有自锁能力。针对上述问题有必要提出一种基于液压驱动的旋翼倾转机构，以解决传统电驱动旋翼倾转机构重量偏大以及扭矩密度不足的问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，在液压***自锁的基础上增设一种机械自锁的结构设计，解决目前传统电驱动旋翼倾转机构重量偏大以及扭矩密度不足的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，包括液压集成***、双螺旋摆动缸、可倾转旋翼、直连旋翼轴和机械自锁部分；
所述液压集成***驱动双螺旋摆动缸，双螺旋摆动缸输出螺杆与直连旋翼轴固连，控制转动连接的可倾转旋翼倾转角度改变；当双螺旋摆动缸为封锁状态时，在液压集成***作用下，液压油无法返回油箱，直连旋翼轴以保持角度锁定状态；
所述机械自锁部分具体为：直连旋翼轴两侧分别安装有固定件，直连旋翼轴中部对称设计有一组孔洞，内部放置压缩弹簧与推块，两个固定件上具有和孔洞对应的凹孔，每个凹孔后具有与固定件转动连接的夹持卡爪，当楔形推块推动夹持卡爪上端，使得下端旋出，以夹持锁定直连旋翼轴，实现机械自锁；固定件中安装有直线缸，其活塞杆末端与夹持卡爪上端连接，推动夹持卡爪解除锁定。
进一步地，所述液压集成***包括电机、柱塞泵、电磁换向阀、平衡阀、单向阀、溢流阀、双向液压锁和液压油路；所述的柱塞泵通过电磁换向阀、平衡阀、单向阀、溢流阀、双向液压锁构成的液压***控制双螺旋摆动缸；外部液压油通过双螺旋摆动缸的两个油口与内部两个液压油腔室连通，当其中一个油腔输入液压油时，空心螺杆在液压力作用下，直线运动同时转动，带动输出螺杆同时随之转动，直连旋翼轴在其驱动下沿固定件间预留滑道转动，调整旋翼倾转角度。
进一步地，所述夹持卡爪上端为四棱柱旋杆，顶端凸块呈三角形，中间有一圆形通孔；下端为圆弧状卡爪；上下端通过紧定螺钉连接。
进一步地，所述的双螺旋摆动缸的铝合金缸体外面包裹有镀硬铬涂层。
进一步地，所述的双螺旋摆动缸AB侧油口处均布置有压力传感器，控制输出扭矩与转速，实时根据压力传感器所测得相关数值进行反馈调节。
进一步地，所述的双螺旋摆动缸输出螺杆处布置有旋转编码器，用以测得旋翼倾转角度进行后续反馈调节。
进一步地，所述的直线缸的活塞杆处安装有位移传感器，用以测得活塞杆位移。
进一步地，所述圆弧状卡爪内嵌橡胶条，增加与旋翼轴接触的摩擦力。
进一步地，所述的高扭矩密度的液压倾转机构呈对称布置，在eVTOL载人飞行器的前端机翼布置四处，后端机翼布置两处；每处均能够独立调节旋翼角度，分别提供垂直升力与水平推力。
本发明的有益效果：
本发明提出的高扭矩双自锁液压倾转机构可用于eVTOL载人飞行器或其他需要控制机构旋转并自锁的使用场景。
本发明通过采用双螺旋摆动缸，可以实现0°-95°的大范围角度调整，旋转速度为1.5rpm，调整速度相对较快。
本发明通过液压驱动设计，使得机构能够满足传统电驱动旋翼扭矩密度不足的问题，最大保持扭矩可达到1000 NM。能够平稳无震地实现扭矩输出。
本发明通过采用***集成液压泵与阀，可以使整体结构简单紧凑，减少结构体积同时整体倾转机构重量显著降低。
本发明通过液压***与机械机构双自锁设计，能够在单一机构失效情况下正常运行，实现倾转机构安全裕度的增加，保障乘机人员的生命安全。
本发明通过六处对称布置与机身上的倾转机构，根据控制信号独立调节可倾转旋翼角度。通过每处旋翼垂直与水平角度的组合，可以满足不同情况下对于旋翼输出力的需求。
本发明通过液压驱动降噪设计，飞行过程中不对周边环境造成噪音污染，满足城市飞行交通的相关需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构的总装立体图。
图2为高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构的细节剖视图。
图3为高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构的局部视图。
图4为高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构螺旋摆动缸液压图。
图5为双螺旋摆动缸总装立体图。
图6为双螺旋摆动缸剖视结构图。
图7为机械自锁部分夹持卡爪立体图。
图8为eVTOL载人飞行器垂直上升时旋翼状态图。
图9为eVTOL载人飞行器水平巡航时旋翼状态图。
图10为eVTOL载人飞行器旋翼组合模式时旋翼状态图。
其中，1-可倾转旋翼，2-直连旋翼轴，3-液压集成***，4-直线缸油路，5-摆动缸油路，6-双螺旋摆动缸，7-直线缸，8-固定件，9-无缸固定件，10-直线位移传感器，11-活塞杆，12-夹持卡爪，13-转轴，14-楔形推块，15-压缩弹簧，16-旋转编码器，17-平衡阀，18-双向液压锁，19-电磁换向阀，20-单向阀，21-溢流阀，22-电机，23-柱塞泵，61-输出螺杆，62-摆动缸B油口，63-摆动缸A油口，64-摆动缸缸体，65-固定底座，66-空心螺杆，67-隔圈，68-端盖密封圈，69-端盖，610-螺钉，611-防尘圈，612-输出螺杆密封圈，613-推力轴承，614-弹性卡键，615-空心螺杆密封圈，121-卡爪旋杆，122-连接螺钉，123-圆弧状卡爪，124-橡胶条。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1-6所示，本发明提供了一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，包括液压集成***3、双螺旋摆动缸6、可倾转旋翼1、直连旋翼轴2和机械自锁部分。液压集成***包括电机22、柱塞泵23、电磁换向阀19、平衡阀17、单向阀20、溢流阀21、双向液压锁18和液压油路（直线缸油路4、摆动缸油路5）。双螺旋摆动缸6固定在固定件8下方预留凹槽处，输出螺杆61与旋翼的直连旋翼轴2固定连接，摆动缸尾部安装有旋转编码器16收集摆动缸输出螺杆旋转角度相关数据。在双螺旋摆动缸6两侧油口处分别安装有压力传感器，用以检测压力传感器反馈的数值。所述液压集成***3中柱塞泵23受电机22控制。外部液压油被单向阀20、电磁换向阀19、平衡阀17、溢流阀21、双向液压锁18构成的液压集成***3所控制，通过摆动缸油路5进入螺旋摆动缸油口，外部液压油通过螺旋摆动缸油口与内部两个液压油腔室连通。
摆动缸部分：双螺旋摆动缸包括摆动缸铝合金缸体64、输出螺杆61、摆动缸B油口62、摆动缸A油口63、固定底座65、空心螺杆66、隔圈67、端盖密封圈68、铝合金端盖69、螺钉610、防尘圈611、输出螺杆密封圈612、输出螺杆密封圈推力轴承613、弹性卡键614、空心螺杆密封圈615。双螺旋摆动缸的缸体64、隔圈67一起紧密连接形成封闭的液压油腔室，空心螺杆66、空心螺杆密封圈615将其分为两独立油腔，输出螺杆61穿过隔圈67、推力轴承613、铝合金端盖69轴心，铝合金端盖69通过防尘圈611，输出螺杆密封圈612放置液压油泄露与污染。空心螺杆66的内孔与输出螺杆61的外圆制有左旋梯形螺纹，形成第一级螺旋副；空心螺杆66外圆与摆动缸缸体64内孔制有右旋梯形螺纹，形成二次螺纹副。外部液压油进入所述螺旋缸油口A侧油口63，由于两油腔间的压力差推动空心螺杆66向B侧进行移动，B侧油腔的液压油通过摆动缸B油口62排出，受二级螺旋副的约束，空心螺杆66右移的同时做逆时针旋转，其内孔一级螺旋副同时推动输出螺杆61做逆时针旋转。反之，当摆动缸A油口63接通液压***的进油时，输出螺杆61进行逆时针旋转，通过控制液压油的压力和流量，就可以控制输出螺杆转动的扭矩及转速。直连旋翼轴2与摆动缸输出螺杆61连接，沿无缸固定件9与固定件8连接处预留滑道转动，调整直连旋翼轴2倾转角度。
机械自锁部分包括：固定件8、无缸固定件9、夹持卡爪12、转轴13、楔形推块14、压缩弹簧15、直线缸7、直线缸油路4。直连旋翼轴2中部对称有一组圆柱形孔洞，压缩弹簧15以压缩形态一端与孔洞底端相连，另外一端与楔形推块14连接。固定件8与无缸固定件9在直连轴2垂直位置与水平位置处对应布置有相应凹孔，凹孔后方布置有夹持卡爪12，夹持卡爪上端为四棱柱旋杆，顶端凸块呈三角形。卡爪旋杆121与固定件上转轴13旋转连接，旋杆121上端紧贴于凹孔处，下端通过连接螺钉122与圆弧状卡爪123相连接，圆弧状卡爪123位于固定件与直连旋翼轴之间预留凹槽。旋杆121在楔形推块14推动下绕旋轴13转动，带动圆弧状卡爪123从预留凹槽中旋出对旋翼轴进行锁定，橡胶条124可以增加与旋翼轴间摩擦。直线缸7放置于固定件每处夹持卡爪12后的凹槽中，其外壳上安装有直线位移传感器10，可检测活塞杆11的位移以此作为控制器的反馈信号。活塞杆11末端与卡爪旋杆121相连接，当直线缸7受外部液压油作用时活塞杆11推出，能够实现卡爪旋杆121旋转，带动圆弧状卡爪123从选入凹槽解除对直连旋翼轴2的锁定。
本倾转机构的具体工作过程为：
本发明提供的倾转机构可以实现可倾转旋翼的角度变换及位置锁定，其中直连旋翼轴2的角度变换依靠双螺旋摆动缸6的输出螺杆61转动进行实现，位置锁定及解除依靠液压集成***3及机械自锁部分和直线缸活塞杆11伸缩实现。
eVTOL飞行器由需要可倾转旋翼1由垂直爬升模式切换为水平巡航模式时，通过控制信号调节电机22带动柱塞泵23运作，电磁换向阀19在控制信号的作用下调整为右位，液压油进入螺旋摆动缸B油口62。输出螺杆61一侧为高压油另一侧为低压油，则在压力差的作用下向低压油侧运动，双螺旋摆动缸输出螺杆61转动从而带动直连旋翼轴2逆时针转动。当直连旋翼轴2转动90°到水平位置时，电磁换向阀19在控制信号作用下切换为两侧均不供油状态，双螺旋摆动缸6在双向液压锁18的作用下为封锁状态液压油无法返回油箱，以保持角度锁定状态。同时楔形推块14在压缩弹簧15弹力作用下推动圆弧状卡爪123从凹槽中旋出，将直连旋翼轴2进行机械角度锁定，以完成整个角度变换和位置锁定的过程。
后续在接收到模式切换信号时，直线缸活塞杆11在外部液压油差作用下推动卡爪旋杆121旋转，带动圆弧状卡爪123旋入凹槽以解除对直连旋翼轴2的锁定，后续过程如上所示。
所述倾转机构呈六处对称布置于机身之上，根据控制信号独立调节可倾转旋翼角度。如图10所述，若eVTOL需保持垂直上升状态时同时需要向前移动，则可控制前翼最外侧可倾转旋翼维持垂直状态，仅改变前翼内测与尾翼可倾转旋翼为水平角度，满足不同情况下对于旋翼输出力的需求。
高扭矩密度液压倾转机构采用液压进行驱动，同时双螺旋摆动缸外层采用高强度的镀硬铬涂层材料，降低液压缸本身重量，同时集成必要的直线位移传感器、旋转编码器和压力传感器进行相关信号控制反馈。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于，包括液压集成***、双螺旋摆动缸、可倾转旋翼、直连旋翼轴和机械自锁部分；
所述液压集成***驱动双螺旋摆动缸，双螺旋摆动缸输出螺杆与直连旋翼轴固连，控制转动连接的可倾转旋翼倾转角度改变；当双螺旋摆动缸为封锁状态时，在液压集成***作用下，液压油无法返回油箱，直连旋翼轴以保持角度锁定状态；所述液压集成***包括电机、柱塞泵、电磁换向阀、平衡阀、单向阀、溢流阀、双向液压锁和液压油路；所述的柱塞泵通过电磁换向阀、平衡阀、单向阀、溢流阀、双向液压锁构成的液压***控制双螺旋摆动缸；外部液压油通过双螺旋摆动缸的两个油口与内部两个液压油腔室连通，当其中一个油腔输入液压油时，空心螺杆在液压力作用下，直线运动同时转动，带动输出螺杆同时随之转动，直连旋翼轴在其驱动下沿固定件间预留滑道转动，调整旋翼倾转角度；
所述机械自锁部分具体为：直连旋翼轴中部对称有一组圆柱形孔洞，压缩弹簧以压缩形态一端与孔洞底端相连，另外一端与楔形推块连接；直连旋翼轴两侧分别安装有固定件，固定件在直连旋翼轴垂直位置与水平位置处对应布置有相应凹孔，凹孔后方布置有夹持卡爪，夹持卡爪上端为四棱柱旋杆，顶端凸块呈三角形；四棱柱旋杆与固定件上转轴旋转连接，四棱柱旋杆上端紧贴于凹孔处，下端通过与圆弧状卡爪相连接，圆弧状卡爪位于固定件与直连旋翼轴之间预留凹槽；四棱柱旋杆在楔形推块推动下绕转轴转动，带动圆弧状卡爪从预留凹槽中旋出对旋翼轴进行锁定，实现机械自锁；固定件中安装有直线缸，活塞杆末端与四棱柱旋杆相连接，当直线缸受外部液压油作用时活塞杆推出，圆弧状卡爪从旋入凹槽解除对直连旋翼轴的锁定。
2.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述的双螺旋摆动缸的铝合金缸体外面包裹有镀硬铬涂层。
3.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述的双螺旋摆动缸AB侧油口处均布置有压力传感器，控制输出扭矩与转速，实时根据压力传感器所测得相关数值进行反馈调节。
4.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述的双螺旋摆动缸输出螺杆处布置有旋转编码器，用以测得旋翼倾转角度进行后续反馈调节。
5.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述的直线缸的活塞杆处安装有位移传感器，用以测得活塞杆位移。
6.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述圆弧状卡爪内嵌橡胶条，增加与旋翼轴接触的摩擦力。
7.根据权利要求1所述的一种高扭矩密度的双自锁旋翼倾转机构，其特征在于：所述的高扭矩密度的液压倾转机构呈对称布置，在eVTOL载人飞行器的前端机翼布置四处，后端机翼布置两处；每处均能够独立调节旋翼角度，分别提供垂直升力与水平推力。
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