一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统及倾转方法

技术领域

本发明属于飞行器动力传动技术领域，特别涉及一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统及倾转方法。

背景技术

随着科技的进步，世界范围内无人机方兴未艾，且新的时代对于飞行器提出了新的需求，即垂直起降、高速飞行和大航程。旋翼飞行器可实现垂直起降，但飞行速度和航程受到限制；固定翼飞行器可实现高速飞行和大航程但无法完成垂直起降。为了使飞行器兼具直升机垂直起降和固定翼高速、大航程的优点，设计人员提出了倾转旋翼机，即旋翼可以在水平和垂直方向作动，使其兼具固定翼和直升机的优点。

倾转旋翼机共分为三个模态：直升机模态、固定翼模态以及过渡模态。其中过渡模态的动力学控制是倾转旋翼领域最复杂的部分，因而倾转系统也成为倾转旋翼中最复杂的机械传动结构。目前倾转旋翼用倾转机构大多采用齿轮传动，传递效率低、传动系统重量大，因而有必要提供一种传递效率高且重量轻的无人机旋翼倾转系统。

发明内容

为了克服现有技术中的无人倾转旋翼机的旋翼倾转问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统及倾转方法，采用万向节方案可以实现旋翼的大方位角螺旋桨倾转，相比齿轮传动方案，其倾转方案更加灵活，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

第一方面，一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统，包括：该倾转系统包括：发动机、超越离合器、第一根部传动轴、至少三组依次连接的倾转单元和旋翼，其中，

所述发动机通过超越离合器、第一根部传动轴和依次连接的倾转单元将扭矩传递给旋翼；

所述倾转单元自发动机侧至旋翼侧依次为第一倾转单元、第二倾转单元至第N倾转单元，其中N为倾转单元的个数，各倾转单元均包括等速万向节、传动轴、倾转做动驱动齿轮、定齿轮、步进电机和倾转滑块，第一倾转单元的等速万向节与第一根部传动轴连接，相邻倾转单元的等速万向节之间通过传动轴连接，传动轴上固定有倾转滑块，倾转滑块与倾转做动驱动齿轮固定连接，倾转做动驱动齿轮与定齿轮啮合，在步进电机的驱动下倾转做动驱动齿轮在定齿轮上运动，带动传动轴旋转，传动轴带动其末端连接的旋翼倾转。

第二方面，一种无人倾转旋翼机的倾转方法，通过上述第一方面所述的旋翼倾转系统实施，包括如下步骤：

步骤1，设定旋翼的零位，采集不同旋翼倾转角度下，各倾转单元中传动轴的位置和角度，输入机载计算机中，拟合旋翼倾转角度与各倾转单元中传动轴的位置和角度的对应关系；

步骤2，采集各倾转单元中传动轴在不同位置和角度下步进电机的旋转圈数，标定各倾转单元中传动轴的位置和角度与步进电机旋转圈数的对应关系；

步骤3，在调整旋翼倾转角度时，机载计算机收到旋翼倾转角度配平命令后，采集各倾转单元中传动轴的当前位置和角度，插值拟合得到目标倾转角度下各倾转单元中传动轴的位置和角度，再通过插值拟合得到当前倾转角度和目标倾转角度下各倾转单元中步进电机的旋转圈数，通过求差得到各倾转单元中步进电机的旋转圈数；

步骤4，根据旋翼当前倾转角度和目标倾转角度的关系判断各倾转单元中传动轴的做动顺序，实施倾转。

根据本发明提供的一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统及倾转方法，具有以下有益效果：

(1)本发明倾转系统中发动机、超越离合器、根部传动轴、旋翼同步齿轮箱、至少三组倾转单元和旋翼依次连接，减少了齿轮传动方案的磨损；

(2)本发明倾转系统和倾转方法，由于接触摩擦副较少，因此整个传动系统的动力传输效率较高；

(3)本发明倾转系统和倾转方法，采用万向节方案，可以实现360°范围内任意角度的倾转，且振动噪声较小；

(4)本发明倾转系统，可拓展至任意旋转式负载的倾转过渡动力传输，拓展性强。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中无人倾转旋翼机旋翼倾转系统结构示意图；

图2示出旋翼倾转角度与传动轴位置和角度之间的逻辑关系图；

图3示出倾转系统与同步轴组件之间的机械原理图；

图4示出传动轴位置和角度与旋翼倾转角度配平的控制逻辑。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种无人倾转旋翼机用旋翼倾转系统，倾转旋翼机的每个旋翼对应一套旋翼倾转系统，实现发动机输出轴与旋翼轴在不同角度下的动力传输，以帮助飞行器实现垂直起降和高速飞行，如图1所示，该旋翼倾转系统包括：发动机1、超越离合器2、第一根部传动轴30、至少三组依次连接的倾转单元和旋翼17，其中，

所述发动机1通过超越离合器2、第一根部传动轴30和依次连接的倾转单元将扭矩传递给旋翼17；

所述倾转单元自发动机侧至旋翼侧依次为第一倾转单元、第二倾转单元至第N倾转单元，其中N为倾转单元的个数，各倾转单元均包括等速万向节、传动轴、倾转做动驱动齿轮、定齿轮、步进电机和倾转滑块，第一倾转单元的等速万向节与第一根部传动轴连接，相邻倾转单元的等速万向节之间通过传动轴连接，传动轴上固定有倾转滑块，倾转滑块与倾转做动驱动齿轮固定连接，倾转做动驱动齿轮与定齿轮啮合，在步进电机的驱动下倾转做动驱动齿轮在定齿轮上运动，带动传动轴旋转，传动轴带动其末端连接的旋翼倾转。

在本发明一种优选的实施方式中，各倾转单元的定齿轮可以同轴或不同轴，各倾转单元的定齿轮不同轴时，第一倾转单元、第二倾转单元至第N倾转单元的定齿轮的轮缘与旋翼的距离依次减小；各倾转单元的定齿轮同轴时，第一倾转单元、第二倾转单元至第N倾转单元中的定齿轮的半径依次增大；优选各倾转单元的定齿轮同轴，且第一倾转单元的等速万向节在定齿轮的轴心上。

在本发明一种优选的实施方式中，所述旋翼倾转系统还包括倾转位置可伸缩固定杆11，其一端固定在第一根部传动轴30上，另一端固定在靠近旋翼的第N倾转单元的倾转滑块上，用于旋翼倾转角度的锁定。该倾转位置可伸缩固定杆11通过采用双向锁死棘轮组，具备双向可锁死功能，机载计算机通过控制继电器和电磁阀控制棘轮的锁死方向，包括单向锁死和双向锁死，即在进行角度倾转时单向锁死，在角度倾转结束时双向锁死。

在本发明一种优选的实施方式中，所述旋翼倾转系统还包括旋翼同步齿轮箱3，所述旋翼同步齿轮箱3包括垂直齿轮组、外壳、轴承和弹性联轴器等组件，一端通过第二根部传动轴31与超越离合器2连接，另一端与第一根部传动轴30连接；所述旋翼同步齿轮箱3通过机身同步轴组件与相对侧的旋翼倾转系统连接，当单侧发动机失效时使用相对侧的发动机同时驱动相对的两个旋翼旋转。

如图3所示，同步轴组件沿机身轴线对称，包括：弹性联轴器33、轴承34和同步传动轴35等，相对的旋翼倾转系统位于同步轴组件的两侧，旋翼同步齿轮箱3与同步传动轴35连接用于对侧发动机失效时传动本侧发动机提供的扭矩。

本发明中提供的上述倾转系统可实现旋翼17和发动机1之间高效的扭矩传输和等速旋转，旋翼17可在水平面和垂直面之间任意角度完成倾转。

根据本发明的第二方面，提供了一种无人倾转旋翼机的倾转方法，通过上述第一方面所述的旋翼倾转系统实施，如图4所示，包括如下步骤：

步骤1，设定旋翼的零位，采集不同旋翼倾转角度下，各倾转单元中传动轴的位置和角度，输入机载计算机中，拟合旋翼倾转角度与各倾转单元中传动轴的位置和角度的对应关系；

如图2所示，针对旋翼在0°至90°之间设定7个角度值，且每个倾转角度值对应各倾转单元中传动轴的一个角度和位置，形成一个二维离散数据阵，将这些离散数据阵输入至机载计算机，插值拟合得到旋翼的任意倾转角度与传动轴位置和角度的对应关系。

步骤2，采集各倾转单元中传动轴在不同位置和角度下步进电机的旋转圈数，标定各倾转单元中传动轴的位置和角度与步进电机旋转圈数的对应关系；

步骤3，在调整旋翼倾转角度时，机载计算机收到旋翼倾转角度配平命令后，采集各倾转单元中传动轴的当前位置和角度，插值拟合得到目标倾转角度下各倾转单元中传动轴的位置和角度，再通过插值拟合得到当前倾转角度和目标倾转角度下各倾转单元中步进电机的旋转圈数，通过求差得到各倾转单元中步进电机的旋转圈数；

步骤4，根据旋翼当前倾转角度和目标倾转角度的关系判断各倾转单元中传动轴的做动顺序，实施倾转。

在本发明一种优选的实施方式中，步骤4中，基于旋翼的零位，倾转角度从小角度向大角度做动时，做动顺序为从靠近发动机的第一倾转单元中的传动轴至远离发动机的第N倾转单元中的传动轴依次做动；倾转角度从大角度向小角度做动时，做动顺序为从远离发动机的第N倾转单元中的传动轴至靠近发动机的第一倾转单元中的传动轴依次做动。

在本发明一种优选的实施方式中，该倾转方法还包括：针对各倾转单元中步进电机的旋转圈数与倾转做动驱动齿轮在定齿轮上的位置关系进行离散位置标定记录，并输入机载计算机，插值拟合得到各倾转单元中步进电机旋转圈数与倾转做动驱动齿轮位置的对应关系。

在旋翼倾转做动完成后，确定实际倾转做动驱动齿轮位置，并与拟合得到的倾转做动驱动齿轮位置进行比较，实际倾转做动驱动齿轮位置与拟合得到的倾转做动驱动齿轮位置一致时，做动成功，如果两者不一致则做动存在失误。

在本发明中，该倾转方法还包括倾转系统的装配，装配包括如下步骤：

(1)将发动机1、超越离合器2、(或者还包括第二根部传动轴31、旋翼同步齿轮箱3)第一根部传动轴30、各倾转单元和旋翼17依次组装连接；

(2)将各倾转单元中的动齿轮与机体固定组装；

(3)将各倾转单元中的步进电机分别与对应的倾转做动驱动齿轮连接，并将形成的组件分别与对应的倾转滑块组装连接，通过固定装置将组成的组合件分别与对应的定齿轮组装连接；

(4)将可伸缩倾转位置固定杆11与第一根部传动轴30和第N倾转单元中的倾转滑块的外壁连接接口组装连接。

在本发明中，该倾转方法还包括倾转系统的拆卸，拆卸包括如下步骤：

(1)将可伸缩倾转位置固定杆11与第一根部传动轴30和第N倾转单元中的倾转滑块的外壁连接接口断开；

(2)断开倾转滑块、步进电机和倾转做动驱动齿轮组成的组合件之间的连接，断开步进电机和倾转做动驱动齿轮之间的连接；

(3)断开定齿轮与机体之间的连接；

(4)将发动机1、超越离合器2、(或者还包括第二根部传动轴31、旋翼同步齿轮箱3、)第一根部传动轴30、各倾转单元和旋翼17依次断开连接。

以包括三个倾转单元的旋翼倾转系统为例，对旋翼倾转系统进行说明。

如图1、2、3所示，旋翼倾转系统包括：发动机1、超越离合器2、第二根部传动轴31、旋翼同步齿轮箱3、第一根部传动轴30、三组依次连接的倾转单元和旋翼17，发动机1通过超越离合器2、旋翼同步齿轮箱3、等速万向节(图中标号4、8、13)和传动轴(图中标号21、24、25)将扭矩传递给旋翼17。

上述倾转系统所涉及的主要装配流程为：

1)将发动机1、超越离合器2、第二根部传动轴31、旋翼同步齿轮箱3、第一根部传动轴30、等速万向节4、传动轴25依次组装连接，将轴承(图中标号5、7)与倾转滑块6组装完成后插入传动轴25，将传动轴25与等速万向节8和传动轴24组装连接，将轴承(图中标号9、12)与倾转滑块10组装完成后插入传动轴24，将传动轴24与等速万向节13和传动轴21组装连接，将轴承(图中标号14、16)与倾转滑块15组装完成后插入传动轴21，将传动轴21与旋翼17组装连接；

2)将倾转做动驱动齿轮(图中标号20、28、29)与机体固定组装；

3)将步进电机(图中标号19、22、27)分别与倾转做动驱动齿轮(图中标号18、23、26)连接，并将形成的组件分别与倾转滑块(图中标号15、10、6)组装连接，通过固定装置将组成的组合件分别与定齿轮(图中标号20、28、29)组装连接；

4)将可伸缩倾转位置固定杆11与倾转滑块15和传动轴30外壁连接接口组装连接。

上述倾转系统所涉及的拆卸流程为：

1)将可伸缩倾转位置固定杆11与倾转滑块15和传动轴30外壁连接接口断开；

2)断开倾转滑块(图中标号15、10、6)与步进电机(图中标号19、22、27)和倾转做动驱动齿轮(图中标号18、23、26)组成的组合件之间的连接，断开步进电机(图中标号19、22、27)和倾转做动驱动齿轮(图中标号18、23、26)之间的连接；

3)断开定齿轮(图中标号20、28、29)与机体之间的连接；

4)将传动轴21与旋翼17组装断开，将轴承(图中标号14、16)与倾转滑块15组成的组合件拔出传动轴21，断开传动轴24与等速万向节13和传动轴21之间的连接，将轴承(图中标号9、12)与倾转滑块10组成的组合件拔出传动轴24，断开传动轴25与等速万向节8和传动轴24之间的连接，将轴承(图中标号5、7)与倾转滑块6组成的组合件拔出传动轴25，依次将发动机1、超越离合器2、第二根部传动轴31、旋翼同步齿轮箱3、第一根部传动轴30、等速万向节4、传动轴25依次断开连接。

采用上述旋翼倾转系统实施旋翼倾转方法，包括如下步骤：

步骤1，设定旋翼的零位，采集7个旋翼倾转角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)下，各倾转单元中传动轴的位置和角度，输入机载计算机中，并拟合得到旋翼倾转角度与各倾转单元中传动轴位置和角度的对应关系；

步骤2，采集各倾转单元中传动轴在不同位置和角度下步进电机的旋转圈数，标定各倾转单元中传动轴位置和角度与步进电机旋转圈数的对应关系，用以驱动传动轴；

驱动传动轴21的方法：首先设定零位，然后针对步进电机19的旋转圈数与传动轴21的位置和角度完成标定。机载计算机会根据传动轴21的空间位置信号得到步进电机19的旋转圈数，控制步进电机19带动驱动齿轮18旋转给定的圈数即可。

驱动传动轴24的方法：首先设定零位，然后针对步进电机22的旋转圈数与传动轴24的位置和角度完成标定。机载计算机会根据传动轴24的空间位置信号得到步进电机22的旋转圈数，控制步进电机22带动驱动齿轮23旋转给定的圈数即可。

驱动传动轴25的方法：首先设定零位，然后针对步进电机27的旋转圈数与传动轴25的位置和角度完成标定。机载计算机会根据传动轴25的空间位置信号得到步进电机27的旋转圈数，控制步进电机27带动驱动齿轮26旋转给定的圈数即可。

针对步进电机(图中标号19、22、27)的旋转圈数与倾转做动驱动齿轮(图中标号18、23、26)在定齿轮(图中标号20、29、28)上的位置关系进行离散位置标定记录，并输入机载计算机，可插值拟合得到各倾转单元中步进电机旋转圈数与倾转做动驱动齿轮(图中标号18、23、26)任意位置的对应关系，用于监控倾转过程。

步骤3，当机载计算机收到配平命令后，通过插值拟合得到传动轴(图中标号21、24、25)对应的角度和位置关系，再通过插值拟合得到步进电机(图中标号19、22、27)的旋转圈数。

步骤4，机载计算机根据旋翼当前角度和目标角度的关系判断传动轴(图中标号21、24、25)的做动顺序，控制步进电机(图中标号19、22、27)旋转给定的圈数完成做动。倾转角度从小角度向大角度做动时，传动轴做动顺序为(图中标号25、24、21)；倾转角度从大角度向小角度做动时，传动轴做动顺序为(图中标号21、24、25)。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。