RU2810824C1

RU2810824C1 - Ornithopter

Info

Publication number: RU2810824C1
Application number: RU2023121632A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Приходько; Анатолий Игоревич Смелягин
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2023-12-28

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to devices whose flight is carried out using flapping movements of the wings. An ornithopter includes a body with articulated wings and an electric motor fixedly mounted on the body. The housing has coaxial input and output shafts. The input shaft is rigidly connected to the motor shaft. A fixed elliptical gear wheel is rigidly fixed on the housing coaxially with the input shaft, and another elliptical gear wheel is installed on the output shaft. A carrier is installed on the input shaft and connected through a rotational kinematic pair to the satellite shaft, consisting of a toothed gear and an elliptical gear. Pulleys are installed on the output shaft and on one of the wings. A belt drive connects the pulleys on the output shaft and on the wing, whereas one of the ends of each wing is made in the form of a gear sector that transmits movement from the driving wing to the driven one.

EFFECT: high balance of the ornithopter actuator and a reduction in its overall dimensions.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, а именно к устройствам, полет которых осуществляется с помощью машущих движений крыльев, и может быть использовано в спортивных и развлекательных целях.The invention relates to the field of aviation, namely to devices whose flight is carried out using flapping movements of the wings, and can be used for sports and entertainment purposes.

Известен летательный аппарат (Патент № RU 2138424 C1, кл. B64C 33/02), содержащий остов с шарнирно установленными крыльями, включающими нежесткую обшивку и латы, консольно закрепленные на лонжероне, соединенном с гибкой тягой, установленной на натяжных роликах с обеспечением возможности поворота лонжерона в вертикальной плоскости. Летательный аппарат снабжен пневмосистемой, состоящей из пневмоцилиндра с поршнем, баллона со сжатым газом, соединенного магистралями с обеими камерами пневмоцилиндра, и закрепленным на гибкой тяге блоком управления давлением в камерах пневмоцилиндра, соединенным с рычагом ручного управления крыльями, шток поршня связан с гибкой тягой, соединенной в кольцо, натяжные ролики установлены на остове по обе стороны от места соединения штока с гибкой тягой, крыло выполнено по форме треугольника, а латы выполнены из гибкого материала, причем жесткость каждой латы, расположенной дальше от остова, меньше жесткости предыдущей.An aircraft is known (Patent No. RU 2138424 C1, class B64C 33/02), containing a frame with articulated wings, including non-rigid skin and battens cantilevered to a spar connected to a flexible rod mounted on tension rollers allowing the spar to rotate in a vertical plane. The aircraft is equipped with a pneumatic system consisting of a pneumatic cylinder with a piston, a compressed gas cylinder connected by lines to both chambers of the pneumatic cylinder, and a pressure control unit in the chambers of the pneumatic cylinder mounted on a flexible rod, connected to a manual control lever for the wings; the piston rod is connected to a flexible rod connected in a ring, tension rollers are installed on the frame on both sides of the junction of the rod with a flexible rod, the wing is made in the shape of a triangle, and the battens are made of flexible material, and the rigidity of each batten located further from the frame is less than the rigidity of the previous one.

Недостатком известного устройства является низкая энергоэффективность вследствие применения пневматической силовой установки.The disadvantage of the known device is low energy efficiency due to the use of a pneumatic power plant.

Известен орнитоптер (Патент № RU 2270136 C2, кл. B64C 33/00), содержащий корпус с шарнирно установленными крыльями, силовую установку, состоящую из энергоблока и привода машущих движений крыла, а также блок управления приводом машущих движений крыла, отличающийся тем, что привод машущих движений крыла состоит из жестко прикрепленного к корпусу гидроцилиндра с поршнем и штоком и двух штанг, одни концы которых шарнирно соединены со штоком гидроцилиндра, а другие концы шарнирно соединены каждая с основанием соответствующего крыла, при этом энергоблок силовой установки состоит из гидронасоса и двигателя, подключенного так, чтобы обеспечивать вращательное движение гидронасоса, причем гидронасос соединен подающим и обратным трубопроводами с блоком управления, который реверсивными трубопроводами соединен с двумя полостями гидроцилиндра.An ornithopter is known (Patent No. RU 2270136 C2, class B64C 33/00), containing a body with articulated wings, a power unit consisting of a power unit and a drive for flapping movements of the wing, as well as a control unit for the drive for flapping movements of the wing, characterized in that the drive flapping movements of the wing consists of a hydraulic cylinder with a piston and rod rigidly attached to the body and two rods, one ends of which are pivotally connected to the hydraulic cylinder rod, and the other ends are pivotally connected, each to the base of the corresponding wing, while the power unit of the power plant consists of a hydraulic pump and an engine connected so as to ensure rotational movement of the hydraulic pump, and the hydraulic pump is connected by supply and return pipelines to the control unit, which is connected to two cavities of the hydraulic cylinder by reversible pipelines.

Недостатком данного устройства является то, что конструкция такого орнитоптера довольно громоздка, частота взмахов крыльев невысока, что снижает аэродинамические характеристики данного орнитоптера и существенно снижает функциональные возможности устройства.The disadvantage of this device is that the design of such an ornithopter is quite cumbersome, the flapping frequency of the wings is low, which reduces the aerodynamic characteristics of this ornithopter and significantly reduces the functionality of the device.

Известен махолет (Патент № RU 2412084 C2, кл. B64C 39/02), содержащий корпус и машущие крылья, имеющий два вала, встречно вращающихся в корпусе, с установленными под углом кривошипами, описывающими при вращении коническую траекторию и соединенными с машущими крыльями с возможностью вращения относительно них, при этом выполняющие основной продольный мах во фронтальной плоскости, поперечный поворот относительно передней кромки и сдвиг по горизонтальной окружности, машущие крылья содержат устройство, ограничивающее сдвиг по горизонтальной окружности.A flywheel is known (Patent No. RU 2412084 C2, class B64C 39/02), containing a body and flapping wings, having two shafts counter-rotating in the body, with cranks installed at an angle, describing a conical trajectory during rotation and connected to the flapping wings with the ability rotation relative to them, while performing the main longitudinal swing in the frontal plane, transverse rotation relative to the leading edge and shift along the horizontal circle, the flapping wings contain a device that limits the shift along the horizontal circle.

Недостатком указанного устройства является исполнение привода в виде рычажного механизма, который имеет большие габариты.The disadvantage of this device is that the drive is designed in the form of a lever mechanism, which has large dimensions.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является орнитоптер (патент на полезную модель № RU 180516 U1, кл. B64C 33/02), содержащий корпус с шарнирно установленными крыльями, привод машущих движений крыла, а также блок управления приводом машущих движений крыла, отличающийся тем, что в привод машущих движений крыла входит кулисный механизм с поступательно движущейся кулисой, причем кулиса шарнирно соединена со штангами, шарнирно соединенными с основанием соответствующего крыла, а кривошип кинематически связан с электродвигателем, установленным неподвижно на корпусе.The closest to the claimed technical solution in terms of technical essence and achieved technical result is an ornithopter (utility model patent No. RU 180516 U1, class B64C 33/02), containing a housing with articulated wings, a drive for flapping movements of the wing, as well as a drive control unit flapping movements of the wing, characterized in that the drive of the flapping movements of the wing includes a rocker mechanism with a translationally moving rocker, and the rocker is pivotally connected to rods pivotally connected to the base of the corresponding wing, and the crank is kinematically connected to an electric motor mounted motionless on the body.

Недостатками прототипа являются большие габариты вследствие использования рычажного механизма, а также его неуравновешенность.The disadvantages of the prototype are its large dimensions due to the use of a lever mechanism, as well as its unbalance.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание орнитоптера, характеризующегося более высокими эксплуатационными характеристиками.The technical objective of the claimed invention is to create an ornithopter characterized by higher performance characteristics.

Техническим результатом является высокая уравновешенность исполнительного механизма орнитоптера, а также уменьшение его габаритных размеров.The technical result is a high balance of the ornithopter actuator, as well as a reduction in its overall dimensions.

Технический результат достигается орнитоптером, включающим корпус с шарнирно установленными крыльями и электродвигатель, неподвижно закрепленный на корпусе. При этом в корпусе установлены соосные входной и выходной валы, входной вал жестко соединен с валом электродвигателя. На корпусе соосно входному валу жестко закреплено неподвижное эллиптическое зубчатое колесо, на выходном валу установлено другое эллиптическое зубчатое колесо. На входном валу установлено водило и соединено через вращательную кинематическую пару с валом сателлита, состоящего из эллиптического зубчатого колеса и эллиптической шестерни, повернутых на 180° относительно друг друга и соединенных валом, причем эллиптическое зубчатое колесо сателлита соединено с неподвижным эллиптическим зубчатым колесом одного с ним размера, а эллиптическая шестерня сателлита состоит в зубчатом зацеплении с эллиптическим зубчатым колесом одного с ним размера, при этом малая полуось b ₁ одной пары эллиптических колес может отличаться от малой полуоси b ₂ другой пары, а большие полуоси a всех эллиптических колес одинаковы. Все эллиптические колеса установлены на своих валах таким образом, что ось вращения вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии с ₁, равном , от центра делительного эллипса для одной пары колес и расстоянии с ₂, равном , для другой пары, и таким образом достигается непрерывность их зацепления. На водиле противоположно валу сателлита на расстоянии H, равном расстоянию между осями вращения входного вала и вала сателлита, установлен противовес, масса которого равна массе сателлита. На выходном валу и на одном из крыльев установлены шкивы, при этом шкив крыла установлен соосно шарниру, через который крыло соединено с корпусом. Ременная передача соединяет шкивы на выходном валу и на крыле, при этом один из концов каждого крыла выполнен в виде зубчатого сектора, передающего движение от ведущего крыла к ведомому.The technical result is achieved by an ornithopter that includes a body with articulated wings and an electric motor fixedly mounted on the body. In this case, coaxial input and output shafts are installed in the housing, the input shaft is rigidly connected to the electric motor shaft. A fixed elliptical gear wheel is rigidly fixed on the housing coaxially with the input shaft, and another elliptical gear wheel is installed on the output shaft. A carrier is mounted on the input shaft and connected through a rotational kinematic pair to the satellite shaft, consisting of an elliptical gear and an elliptical gear, rotated 180° relative to each other and connected by a shaft, and the elliptical gear of the satellite is connected to a stationary elliptical gear of the same size. , and the elliptical pinion gear is in gearing with an elliptical gear of the same size, while the minor axle b ₁ of one pair of elliptical wheels may differ from the minor axle b ₂ of another pair, and the major axle axes of all elliptical wheels are the same. All elliptical wheels are mounted on their shafts in such a way that the axis of rotation of the shaft passes through a point called the focus of the pitch ellipse, which is located on the semi-major axis of the pitch ellipse at a distance c ₁ equal to , from the center of the dividing ellipse for one pair of wheels and a distance from ₂ equal to , for another pair, and thus the continuity of their engagement is achieved. On the carrier opposite to the satellite shaft at a distance H equal to the distance between the axes of rotation of the input shaft and the satellite shaft, a counterweight is installed, the mass of which is equal to the mass of the satellite. Pulleys are installed on the output shaft and on one of the wings, while the wing pulley is installed coaxially to the hinge through which the wing is connected to the body. A belt drive connects the pulleys on the output shaft and on the wing, while one of the ends of each wing is made in the form of a gear sector that transmits movement from the driving wing to the driven one.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 приведена схема орнитоптера, на фиг. 2, 3 изображены виды слева и справа, на фиг. 4 представлен разрез А-А (корпус не показан), на фиг. 5 представлен разрез Б-Б (корпус не показан).In fig. 1 shows a diagram of the ornithopter; Fig. 2, 3 show views on the left and right, in Fig. 4 shows a section A-A (body not shown), FIG. Figure 5 shows a section B-B (the body is not shown).

Орнитоптер содержит электродвигатель 1, корпус исполнительного механизма 2, соосные входной вал 3 и выходной вал 4, при этом входной вал 3 жестко соединен с валом электродвигателя 1. Неподвижное эллиптическое зубчатое колесо 5 жестко закреплено на корпусе соосно входному валу 3. Эллиптическое зубчатое колесо 6 установлено на выходном валу 4. Водило 7 установлено на входном валу 3 и соединено через вращательную кинематическую пару с валом сателлита 8. Сателлит состоит из эллиптического зубчатого колеса 9 и эллиптической шестерни 10, повернутых на 180° относительно друг друга и соединенных валом 8 (фиг. 4, 5). Неподвижное эллиптическое зубчатое колесо 5 и эллиптическое зубчатое колесо 9 состоят в зацеплении и имеют одинаковые размеры, эллиптическая шестерня 10 и эллиптическое зубчатое колесо 6 также состоят в зацеплении и имеют одинаковые размеры, при этом малая полуось b ₁ пары колес 5 и 9 может отличаться от малой полуоси b ₂ пары колес 6 и 10, а большие полуоси a всех эллиптических колес одинаковы. Все эллиптические колеса установлены на своих валах таким образом, что ось вращения вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии с ₁, равном , от центра делительного эллипса для пары колес 5 и 9, и расстоянии с ₂, равном , для пары 6 и 10, и таким образом достигается непрерывность их зацепления. На водиле 7 противоположно валу сателлита 8 на расстоянии H, равном расстоянию между осями вращения входного вала 3 и вала сателлита 8, установлен противовес 11, масса которого равна массе сателлита. На выходном валу закреплен шкив 12, который соединен ременной передачей 13 со шкивом 14, установленным на крыле 15 соосно шарнирному креплению 16 крыла с корпусом. Один из концов каждого крыла выполнен в виде зубчатого сектора 17 (фиг. 3), передающего движение от ведущего крыла 15 к ведомому крылу 18.The ornithopter contains an electric motor 1, an actuator housing 2, a coaxial input shaft 3 and an output shaft 4, while the input shaft 3 is rigidly connected to the shaft of the electric motor 1. A fixed elliptical gear wheel 5 is rigidly mounted on the housing coaxially with the input shaft 3. An elliptical gear wheel 6 is installed on the output shaft 4. The carrier 7 is mounted on the input shaft 3 and connected through a rotational kinematic pair to the satellite shaft 8. The satellite consists of an elliptical gear 9 and an elliptical gear 10, rotated 180° relative to each other and connected by a shaft 8 (Fig. 4 , 5). The fixed elliptical gear 5 and the elliptical gear 9 are meshed and have the same dimensions, the elliptical gear 10 and the elliptical gear 6 are also meshed and have the same dimensions, while the minor axle axis b ₁ of the pairs of wheels 5 and 9 may differ from the minor one axle shafts b _{are 2} pairs of wheels 6 and 10, and the major axle shafts a of all elliptical wheels are the same. All elliptical wheels are mounted on their shafts in such a way that the axis of rotation of the shaft passes through a point called the focus of the pitch ellipse, which is located on the semi-major axis of the pitch ellipse at a distance c ₁ equal to , from the center of the dividing ellipse for a pair of wheels 5 and 9, and a distance from ₂ equal to , for the pair 6 and 10, and thus the continuity of their engagement is achieved. On the carrier 7 opposite the satellite shaft 8 at a distance H equal to the distance between the axes of rotation of the input shaft 3 and the satellite shaft 8, a counterweight 11 is installed, the mass of which is equal to the mass of the satellite. A pulley 12 is attached to the output shaft, which is connected by a belt drive 13 to a pulley 14 installed on the wing 15 coaxially with the hinged mount 16 of the wing with the body. One of the ends of each wing is made in the form of a gear sector 17 (Fig. 3), transmitting movement from the leading wing 15 to the driven wing 18.

Орнитоптер работает следующим образом.The ornithopter works as follows.

Электродвигатель 1 сообщает входному валу 3 и соответственно закрепленному на нем водилу 7 вращательное движение, благодаря чему эллиптическое зубчатое колесо 9 обкатывается по неподвижному эллиптическому зубчатому колесу 5, вращательное движение колеса 9 через вал 8 и эллиптическую шестерню 10 передается эллиптическому зубчатому колесу 6 и выходному валу 4, при указанном соотношении размеров эллиптических колес выходной вал 4 через полный оборот входного вала 3 и водила 7 оказывается в том же положении, однако благодаря переменным передаточным отношениям пар эллиптических колес 9 и 5, 10 и 6 совершает возвратно-вращательное движение. Данное движение передается с помощью закрепленного на выходном валу 4 шкива 12 через ременную передачу 13 на шкив 14, что приводит к возвратно-вращательному (качательному) движению ведущего крыла 15. Далее это движение с помощью зубчатой передачи 17 передается ведомому крылу 18. Таким образом, маховые движения крыльев 15, 18 приводят к полету орнитоптера. Частота махов регулируется угловой скоростью вала электродвигателя, а угол качания крыльев определяется размером малых полуосей b ₁ и b ₂ эллиптических зубчатых колес, а также соотношением радиусов шкивов 12 и 14. Во время работы орнитоптера центр масс системы звеньев, включающей водило 7, вал сателлита 8, эллиптическое зубчатое колесо 9, эллиптическую шестерню 10, а также противовес 11, находится на оси вращения входного вала, что обеспечивает высокую уравновешенность орнитоптера.The electric motor 1 imparts a rotational movement to the input shaft 3 and, accordingly, to the carrier 7 mounted on it, due to which the elliptical gear 9 rolls along the stationary elliptical gear 5, the rotational movement of the wheel 9 through the shaft 8 and the elliptical gear 10 is transmitted to the elliptical gear 6 and the output shaft 4 , with the specified ratio of the dimensions of the elliptical wheels, the output shaft 4, through a full revolution of the input shaft 3 and the carrier 7, is in the same position, however, thanks to the variable gear ratios of the pairs of elliptical wheels 9 and 5, 10 and 6, it performs a reciprocating rotational movement. This movement is transmitted using a pulley 12 attached to the output shaft 4 through a belt drive 13 to a pulley 14, which leads to a reciprocating rotational (swinging) movement of the driving wing 15. Next, this movement is transmitted to the driven wing 18 using a gear drive 17. Thus, flapping movements of the wings 15, 18 lead to the flight of the ornithopter. The flapping frequency is regulated by the angular velocity of the electric motor shaft, and the swing angle of the wings is determined by the size of the minor semi-axes b ₁ and b ₂ of the elliptical gears, as well as the ratio of the radii of the pulleys 12 and 14. During operation of the ornithopter, the center of mass of the link system, including the carrier 7, the satellite shaft 8 , elliptical gear 9, elliptical gear 10, as well as counterweight 11, are located on the axis of rotation of the input shaft, which ensures high balance of the ornithopter.

Таким образом, использование преимущественно зубчатых передач в заявляемом изобретении по сравнению с рычажными механизмами определяет его компактность и уравновешенность, что обеспечивает достижение технического результата.Thus, the use of predominantly gears in the claimed invention in comparison with lever mechanisms determines its compactness and balance, which ensures the achievement of a technical result.

Claims

Орнитоптер, включающий корпус с шарнирно установленными крыльями, электродвигатель, неподвижно закрепленный на корпусе, отличающийся тем, что содержит установленные в корпусе соосные входной и выходной валы, при этом входной вал жестко соединен с валом электродвигателя, неподвижное эллиптическое зубчатое колесо, жестко закрепленное на корпусе соосно входному валу, эллиптическое зубчатое колесо, установленное на выходном валу, водило, установленное на входном валу и соединенное через вращательную кинематическую пару с валом сателлита, состоящего из эллиптического зубчатого колеса и эллиптической шестерни, повернутых на 180° относительно друг друга и соединенных валом, причем эллиптическое зубчатое колесо сателлита соединено с неподвижным эллиптическим зубчатым колесом одного с ним размера, а эллиптическая шестерня сателлита состоит в зубчатом зацеплении с эллиптическим зубчатым колесом одного с ним размера, при этом малая полуось b ₁ одной пары эллиптических колес может отличаться от малой полуоси b ₂ другой пары, а большие полуоси a всех эллиптических колес одинаковы, кроме того, все эллиптические колеса установлены на своих валах таким образом, что ось вращения вала проходит через точку, называемую фокусом делительного эллипса, которая расположена на большой полуоси делительного эллипса на расстоянии с ₁, равном , от центра делительного эллипса для одной пары колес и расстоянии с ₂, равном , для другой пары, и таким образом достигается непрерывность их зацепления, противовес, установленный на водиле противоположно валу сателлита на расстоянии H, равном расстоянию между осями вращения входного вала и вала сателлита, масса которого равна массе сателлита, шкив на выходном валу и шкив на одном из крыльев, установленный соосно шарниру, через который крыло соединено с корпусом, ременную передачу, соединяющую шкивы на выходном валу и на крыле, при этом один из концов каждого крыла выполнен в виде зубчатого сектора, передающего движение от ведущего крыла к ведомому.An ornithopter comprising a housing with articulated wings, an electric motor fixedly mounted on the housing, characterized in that it contains coaxial input and output shafts installed in the housing, wherein the input shaft is rigidly connected to the electric motor shaft, a fixed elliptical gear wheel rigidly mounted coaxially on the housing input shaft, an elliptical gear mounted on the output shaft, a carrier mounted on the input shaft and connected through a rotational kinematic pair to the satellite shaft, consisting of an elliptical gear and an elliptical gear, rotated 180° relative to each other and connected by a shaft, and an elliptical the satellite gear is connected to a stationary elliptical gear of the same size, and the elliptical gear of the satellite is in gearing with an elliptical gear of the same size, and the minor axle b ₁ of one pair of elliptical wheels may differ from the minor axle b ₂ of another pair , and the semi-major axes a of all elliptical wheels are the same, in addition, all elliptical wheels are installed on their shafts in such a way that the axis of rotation of the shaft passes through a point called the focus of the pitch ellipse, which is located on the semi-major axis of the pitch ellipse at a distance c ₁ equal , from the center of the dividing ellipse for one pair of wheels and a distance from ₂ equal to , for another pair, and thus continuity of their engagement is achieved, a counterweight mounted on the carrier opposite to the satellite shaft at a distance H equal to the distance between the axes of rotation of the input shaft and the satellite shaft, the mass of which is equal to the mass of the satellite, a pulley on the output shaft and a pulley on one of the wings, mounted coaxially to the hinge through which the wing is connected to the body, a belt drive connecting the pulleys on the output shaft and on the wing, while one of the ends of each wing is made in the form of a gear sector transmitting movement from the leading wing to the driven one.