专利名称：一种全向矢量推力摆线螺旋桨的制作方法
技术领域：
本发明属于推进器领域，具体是一种全向矢量推力摆线螺旋桨。
背景技术：
摆线桨，亦称直翼推进器，是一种能够提供瞬间可变全向矢量推力的推进装置，它 具有效率高、矢量推力变化快等特点。由李仁国申请的中国专利CN85103046A中公开了一种采用凸轮作为控制机构的 摆线桨。该发明的目的是避免使用常规的滑块连杆机构，设法降低系统复杂程度，提高机械 效率。该专利中的控制机构由一个凸轮盘组成，叶片安装在叶片盘上。叶片盘带动叶片绕 着凸轮盘公转。同时叶片盘上安装有两个导轮，导轮在凸轮盘的凸轮内部运动，从而使摆线 桨叶片的攻角可以根据凸轮事先设计好的运动规律变化。该专利中的摆线桨控制机构相对 简单，但是凸轮的导轮槽曲线是固定的，很难实现瞬间可变的矢量推力。同时凸轮盘结构庞 大、笨重，因此不适合于飞行器。由沙宪旗申请的中国专利CN85103603A中公开了一种安装有摆线桨的直升飞机。 该专利的意图是将摆线桨安装于飞机机身背部，由一台发动机驱动，同时机身上安装有两 台发动机提供飞机向前飞行的推力。该发明的目的是使摆线桨的轴线同飞机向前飞行的方 向一致，避免直升机旋翼上存在的临界马赫数问题，从而极大地提高飞机的飞行速度。该发 明的优点是有可能使垂直起降飞机的速度比现有直升机提高很多，但缺点是摆线桨的支撑 结构非常庞大、复杂，将会为此付出很大的重量和阻力代价。由于摆线桨的扭矩随时间是变 化的，因此很难实现飞机的稳定飞行，这个方案的实施难度非常高。由 Heinz A. Gerhardt, Redondo Beach, Calif 等人申请的美国专利 5，265，827 中 公开了一种采用摆线桨的飞行器。在该专利中，飞机将依靠至少两个摆线桨实现飞机的垂 直起降飞行，摆线桨的轴线同飞机左右对称平面垂直，在飞机尾部安装有尾桨，尾桨的轴线 位于飞机对称平面内，同飞机中轴线垂直，当摆线桨的升力矢量差动时，可以控制飞机的偏 航角和横滚角，而尾桨可以控制飞机的俯仰角。每个摆线桨叶片由两根支架支撑，叶片攻角 通过电磁或液压等形式的做动器控制，而做动器则由计算机控制。该专利中描述的摆线桨 需要很长的转轴，需要复杂的叶片支撑结构和控制机构，因此会带来重量和阻力的代价。摆 线桨的扭矩随时间是波动的，因此飞机俯仰角的配平和控制难度较大。由 Thomas G. Stephens,Grand Prairie 等人申请的美国专利 7，370，828B2 讲述的 是一种摆线桨旋转轴线与飞机机身轴线平行的飞行器。该发明中，飞机机身呈环状，摆线桨 叶片在机身圆环内运动，摆线桨叶片的攻角由直径与机身圆环直径相近的偏心园环控制。 为了抵消摆线桨的非定常扭矩，该发明采用两个旋转方向相反的摆线桨。该发明取消了摆 线桨叶片撑杆和摆线桨转轴，同时摆线桨轴线同飞机飞行方向大致相同，因此有可能提高 飞机的飞行速度。但是环状机身和偏心园环结构尺寸远大于常规的摆线桨，因此该发明依 然存在结构笨重和阻力大的缺陷。由Mikhail Tsepenyuk申请的美国专利6，007, 021讲述的是采用摆线桨的飞行
3器。该发明中，摆线桨由电机驱动，摆线桨轴线同飞机对称平面平行，摆线桨转轴可以沿着 垂直于飞机对称平面的轴线旋转，于是摆线桨的升力矢量可以前后倾斜，实现飞机前后飞 行。同时，摆线桨叶片安装在圆环上，叶片攻角由直径与圆环直径相近的凸轮环控制。摆线 桨叶片可以安装在同心，但是半径不同的圆环上，从而分为好几层。在摆线桨的外围安装有 整流罩，使摆线桨外形更加流线。该发明的结构十分复杂，没有充分考虑到应用于飞机的摆 线桨需要巨大的桨盘面积，因此难以实现。多层摆线桨叶片之间可能存在气动干扰，对摆线 桨气动效率存在不利影响。韩国汉城大学Yun, C. Y.，Park, I. K.，Hwang, I. S.和 Kim, S. J.于 2005 年发表了 关于摆线桨控制机构的文章，在该文章中，提出了一种采用双舵机的摆线桨偏心园环定位 机构。该机构采用舵机和皮带轮直接定位偏心园环，简单可靠，是比较成功的摆线桨偏心 园环定位机构之一。详情见 Yun, C. Y.，Park, I. K.，Hwang, I. S. and Kim, S. J. “ Thrust Control Mechanism of VTOL UAV Cyclocopter with CycloidalBlades System" ,Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol.16, No. 11-12, pp. 937-943, December 2005。总之，目前围绕摆线桨提出的技术方案仅停留于常规的摆线桨设计思路，技术方 案中阐述的摆线桨需要专门的支架支撑各个叶片，或者需要巨大的叶片支撑圆环和偏心园 环。这些叶片支撑结构并不能产生推力或者升力，却为摆线桨带来了很大的结构重量和气 动阻力；同时摆线桨的扭矩是随时间变化的非定常扭矩，很难配平。这些因素为摆线桨在垂 直起降飞机上应用带来了很大的困难。因此常规的摆线桨更适合用于飞艇、舰船或者飞机 姿态控制器，而不适用于垂直起降飞机的主要升力来源。摆线桨的另外一个缺点是只能提供垂直于转轴平面内的全向矢量推力，不能提供 轴线方向的矢量推力。传统的螺旋桨虽然具备相对更轻的结构重量和很高的气动效率，但是螺旋桨的缺 点是推力方向单一，不具备瞬间可变的全向矢量推力。
发明内容
为克服现有技术中存在的或者结构重、气动阻力大，或者推力方向单一的不足，本 发明提出了一种全向矢量推力摆线螺旋桨。本发明将摆线桨和螺旋桨组合成摆线螺旋桨，使摆线桨和常规螺旋桨的优点加以 结合，使常规螺旋桨气动效率有所提高的同时具备三维空间内的全向矢量推力。本发明包括螺旋桨、摆线桨和摆线桨偏心圆定位机构，螺旋桨包括螺旋桨叶片、螺 旋桨轴和桨毂，并且螺旋桨叶片的桨尖处后掠45度。摆线桨包括与螺旋桨叶片同数量的摆 线桨叶片、控制拉杆、操纵摇臂和摆线桨叶片球形铰。摆线桨叶片的弦长一般为螺旋桨叶片 的1. 5 2. 5倍，摆线桨叶片的展弦比为2 3，摆线桨叶片的展向对称面上，自摆线桨叶片 后缘处向摆线桨叶片的前缘方向开有螺旋桨叶片的过槽。各摆线桨叶片分别在各螺旋桨叶 片的前缘后掠起点处与各螺旋桨叶片铰接，并且各摆线桨叶片的翼面与螺旋桨叶片的翼面 相互垂直。在桨毂内有一偏心圆环，该偏心圆环套装在螺旋桨轴上，并且两者之间能够产生 相对运动。摆线桨偏心圆定位机构偏心圆环的圆心与螺旋桨轴圆心之间的偏心距为操纵摇 臂长度的0 0. 707倍。各球形铰球头的连接杆分别与偏心圆环的圆环端面外缘处的球形绞安装孔配合连接，并且球形绞球头的球头套装在控制拉杆的拉杆球形铰内。各控制拉杆 的另一端分别与位于螺旋桨叶片叶尖处的摆线桨叶片连接；操纵摇臂位于摆线桨叶片展向 对称面内，操纵摇臂一端的摆线桨叶片球形铰与控制拉杆的一端相连接；操纵摇臂另一端 固接在摆线桨叶片管梁上。所述的摆线桨叶片内有与摆线桨叶片的内部结构固连的管梁；在摆线桨叶片的中 部过槽处，摆线桨叶片管梁与轴承相配合，并且轴承的外环嵌入到摆线桨叶片铰接点的孔 内。安装在管梁上的铰链位于摆线桨叶片上的过槽内；过槽宽度与螺旋桨叶片桨尖处 翼型厚度相同；摆线桨叶片通过摆线桨叶片铰链与螺旋桨叶片铰接；所述的摆线桨叶片铰链包括径向轴承和连接耳片，并且径向轴承套装在摆线桨叶 片管梁上，通过连接耳片与螺旋桨叶片固连。从空气动力学角度看，摆线螺旋桨具有更高的气动效率和三维矢量推力。在不需 要矢量推力时，摆线桨叶片的弦线与其绕着转轴公转的线速度方向平行，可用作螺旋桨叶 片的桨尖端板，降低螺旋桨叶片的诱导损失，提高气动效率；在需要垂直于螺旋桨转轴的平 面内的矢量推力时，摆线桨叶片将在偏心园环的控制下，绕摆线桨叶片铰接点做周期性俯 仰自转，提供方向和大小瞬间可变的矢量推力，解决常规螺旋桨推力方向单一的问题；摆线 螺旋桨的螺旋桨部分可以产生沿着螺旋桨转轴轴线方向的推力，从而具备了三维空间内的 矢量推力。从结构效率的角度看，摆线螺旋桨的结构效率比常规摆线桨更高。本发明采用结 构重用的思想，使螺旋桨叶片作为摆线桨叶片支撑结构的同时，还能产生拉力，避免采用专 门的摆线桨叶片支撑结构。此外，摆线桨叶片只用作桨尖端板和控制面，面积和展弦比都 小，有利于承受因旋转带来的离心力，提高结构效率。
附图1是摆线螺旋桨的结构示意附图2是偏心园环5同控制拉杆3的装配关系示意附图3是偏心园环5同控制拉杆3的装配关系示意附图4是摆线桨叶片内部结构示意附图5是摆线桨叶片主视图
附图6是摆线桨叶片侧视图
附图7是摆线桨叶片A向视图
附图8是摆线螺旋桨的螺旋桨部分构造
附图9是摆线螺旋桨的螺旋桨部分的桨毂剖视图
附图10是摆线桨桨尖部分构造示意图
附图11是摆线螺旋桨桨尖部分剖视图
附图12是摆线螺旋桨的螺旋桨部分侧视图
附图13是摆线螺旋桨的螺旋桨叶片剖视图
附图14是控制拉杆示意图
附图15是偏心园环和球铰装配体
附图16是偏心园环侧视剖视图附图17是偏心园环球铰安装示意图附图18是偏心园环同偏心园控制机构的链接示意图附图19.是偏心园环没有偏转的状态的示意图附图20.是偏心园环偏转后叶片处于90度方位的示意图附图21.是偏心园环偏转后叶片处于左上方的示意图附图22.是偏心园环偏转后叶片在180度方位的示意图 附图23是偏心园环偏转后叶片处 于左下方的示意图；附图24是偏心园环偏转后叶片在270度方位的示意图； 附图25.是偏心园环偏转后叶片在右下方的示意图附图26.是偏心园环偏转后叶片在0度方位的示意图附图27.是偏心园环偏转后叶片在右上方的示意图附图28.是实施例2的示意图附图29.是实施例2摆线桨叶片的示意图附图30.是实施例3的示意图附图31.是实施例3摆线桨叶片的示意图1.摆线桨叶片 2.螺旋桨叶片 3.控制拉杆 4.桨毂 5.偏心园环6.螺旋桨转轴 7.摆线桨叶片铰链8.摆线桨叶片球形绞 9.摆线桨叶 片翼肋10.管梁11.摆线桨叶片蒙皮2.操纵摇臂 13.控制拉杆杆件14.拉杆球形铰 15.球形铰球头 16.尼龙轴承 17.偏心园环定位机构18.球形铰安装孔19.控制拉杆限位槽20.挡圈 21.挡圈固定螺母22.泡 沫夹芯
具体实施例方式实施例一本实施例是一种用于飞行器的摆线螺旋桨，包括螺旋桨和摆线桨。螺旋桨包括螺 旋桨叶片2、螺旋桨转轴6和桨毂4 ；摆线桨包括摆线桨叶片1、控制拉杆3、操纵摇臂12、球 形铰8和偏心园环定位机构17。螺旋桨叶片2采用碳纤维复合材料制造的单梁式结构，采用的翼型是相对厚度较 大，升阻特性较好的Clark-Y翼型。螺旋桨叶片2的展弦比为8，弦长为10cm。桨毂4中空， 直径为32cm。螺旋桨转轴6的直径是8cm。螺旋桨叶片2内部安装有控制拉杆3 (如图6 剖面A-A所示)。螺旋桨叶片2的前缘在桨尖处后掠45度，摆线桨叶片铰链7位于螺旋桨 叶片2的前缘后掠起点处。螺旋桨转轴6与发动机功率输出轴连接。如图4 图5所示。摆线桨叶片1采用NACA0012对称翼型的矩形翼面；在摆线桨 叶片表面覆盖有碳纤维复合材料蒙皮11 ；摆线桨叶片1的弦长为16cm，弦长为螺旋桨叶片 2的弦长的1. 6倍，翼展为32cm，展弦比为2。在摆线桨叶片1的展向对称面上，自摆线桨叶 片1后缘处向摆线桨叶片1的前缘方向开有螺旋桨叶片2的过槽，使该处的管梁10及安装 在管梁10上的铰链位于该过槽内，如图6剖面A-A所示；该过槽的宽度同螺旋桨叶片2翼型的最大厚度。摆线桨叶片1内有均勻排布8片相互平行的摆线桨叶片翼肋9，并且排在第二至第七的翼肋中部有贯通的管梁孔；圆形的摆线桨叶片管梁10穿过各摆线桨叶片翼肋9 的管梁孔，两端分别固定在第一片翼肋与第八片翼肋的内表面。操纵摇臂12位于摆线桨叶 片1展向对称面内，操纵摇臂12 —端的摆线桨叶片球形铰8与控制拉杆3的一端相连接； 操纵摇臂12另一端固接在摆线桨叶片管梁10上。如图11所示。摆线桨叶片铰链7由径向轴承和连接耳片组成。径向轴承套装在 摆线桨叶片管梁10上，并通过连接耳片与螺旋桨叶片2固连，使摆线桨叶片1能够绕摆线 桨叶片管梁10的轴线做相对俯仰运动，如图10局部视图D所示。如图14所示，控制拉杆3为铝合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形铰14组 成。控制拉杆杆件13的两端端面有内螺纹孔。球形铰链14采用尼龙塑料制造，为圆环状， 并且在球形铰链14的外圆环上有外螺纹的连接杆。球形铰链14上的连接杆与控制拉杆杆 件13两端的内螺纹孔配合连接。拉杆球形铰14内孔与摆线桨叶片球形绞8和球形铰球头 15的同径。如图15所示，偏心园环5用铝合金制成。偏心园环5的端面内缘处沿圆周均布四 个内螺纹的球形绞安装孔18。球形铰球头15的圆形球头上有一外螺纹的连接杆，连接杆的 外径同偏心园环5端面球形绞安装孔18的内径。在其中一个球形绞安装孔18的外缘处有 凸出的控制拉杆限位槽19，用于卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心园环5随摆线螺旋
桨一起转动。如图18所示，偏心园环定位机构17为薄壁圆筒形，其结构采用韩国汉城大学Yim， C. Y等提出的双舵机的摆线桨偏心园环定位机构。在偏心园环定位机构17 —端端头圆周上 有径向凸出的安装定位凸缘；在偏心园环定位机构17另一端圆周上有凹台阶面，用于安放 尼龙轴承16，偏心园环5套装在尼龙轴承16上，能够相对于偏心园环定位机构自由转动； 并且在偏心园环定位机构17该端端面上有环形轴承挡圈。偏心园环5的圆心与螺旋桨轴6 圆心之间的偏心距为操纵摇臂12长度的0 0. 707倍。当偏心园环5的偏心距和相位改 变时，摆线桨的推力大小和方向也发生改变，从而实现360度范围内任意方向的矢量推力。如图1、图2、图3和图9所示。四片螺旋桨叶片2安装在桨毂4上。在螺旋桨叶 片2的桨尖处前缘后掠起点处分别铰接有摆线桨叶片1，并且摆线桨叶片1与螺旋桨叶片2 桨尖处的翼面相互垂直。在桨毂4内有一偏心园环5，在该偏心园环5的圆环端面上均勻分 布有四个球形铰安装孔18，球形铰球头15的连接杆与球形绞安装孔18配合连接。球形绞 球头15同拉杆球形铰14配合。偏心园环5套在螺旋桨转轴6上，在偏心园环定位机构17 的控制下，可以相对螺旋桨轴6运动。四个控制拉杆3的一端分别与位于偏心园环5端面 的球形铰球头15连接，另一端分别与摆线桨叶片1对称面上的摆线桨叶片球形绞8连接。在伺服舵机或者飞行员操纵杆的作用下，偏心园环控制机构17将改变位置，从而 使偏心园环5的圆心位置相对于螺旋桨轴6的圆心出现偏移，如图20所示。偏心园环5的 圆心同螺旋桨轴6的圆心之间的距离叫偏心距，当偏心距为0时，控制拉杆3的长度使得摆 线桨叶片1的弦线与摆线桨叶片1的运动速度方向始终重合，摆线桨叶片1攻角为0，不产 生升力，此时摆线桨叶片1的作用是减小螺旋桨叶片2的诱导损失，提高推进效率，如图19 所示。当偏心距不为0时，摆线桨叶片1在控制拉杆13的控制下将做周期性俯仰运动，从而产生矢量推力，并控制飞机姿态。假设偏心园环5在伺服舵机或者飞行员的操纵下，偏 移到螺旋桨轴圆心的右下方，且摆线螺旋桨按逆时针方向转动。如图20所示，当摆线桨叶 片1运动到90度方位时，在控制拉杆3的拉动下，摆线桨叶片1将抬头，与线速度方向(图 中虚线方向)产生正攻角，升力为正上方；如图21所示，当摆线桨叶片1运动到左上方时， 在控制拉杆3的拉动下，摆线桨叶片1仍然相对其线速度方向有正攻角，升力方向为左上 方；如图22所示，当摆线桨叶片1运动到180度方位时，摆线桨叶片1的弦线与线速度方向 平行，不产生升力。如图23所示，当摆线桨叶片1运动到左下方时，摆线桨叶片1在控制拉 杆3的推动下，相对其线速度方向产生正攻角，升力方向为右上方；如图24所示，当摆线桨 叶片1运动到270度方位时，控制拉杆3推动摆线桨叶片1，使其相对线速度方向产生正攻 角，升力方向为正上方；如图25所示，当摆线桨叶片1运动到右下方时，控制拉杆3推动摆 线桨叶片1，使其产生正攻角，升力方向为左上方；如图26所示，当摆线桨叶片1运动到0 度方位时，控制拉杆3使摆线桨叶片1的弦线与其线速度方向平行，摆线桨叶片1不产生升 力；如图27所示，当摆线桨叶片1运动到右上方时，控制拉杆3拉动摆线桨叶片1，使其抬 头，升力方向为右上方。通过一个叶片绕圆周一周产生的升力的分析可以看出，摆线桨叶片 1在0度和180度方位时，升力为0，在其他方位时，总是能产生正上方的升力分量。因此当 偏心园环5向下位移时，随着摆线螺旋桨的转动，摆线桨叶片1的合力方向将是正上方。由 于偏心园环5的偏心距方向可以在360度的任意方向，因此摆线桨叶片1的合力方向也可 以是360度范围的任意方向，从而提供360度范围内任意方向的矢量推力。如果调节偏心 园环5的偏心距，还可以调节合力的大小。摆线桨叶片最大攻角不宜超过45度，偏心园偏心距的最大值为操纵摇臂12长度 的0. 707倍，以避免摆线桨叶片1失速和机构振动、卡滞。实施例二本实施例是一种用于飞行器的摆线螺旋桨，包括螺旋桨和摆线桨。螺旋桨包括螺 旋桨叶片2、螺旋桨转轴6和桨毂4 ；摆线桨包括摆线桨叶片1、控制拉杆3、操纵摇臂12、球 形铰8和偏心园环定位机构17。本实施例共有3片螺旋桨叶片和摆线桨叶片。螺旋桨叶片2采用碳纤维复合材料制造的单梁式结构，采用的翼型是螺旋桨常用 的HS1-404翼型。螺旋桨叶片2的展弦比为7，弦长为5cm。桨毂4中空，直径为16cm。螺 旋桨转轴6的直径是4cm。螺旋桨叶片2内部安装有控制拉杆3 (如图6剖面A-A所示)。 螺旋桨叶片2的前缘在桨尖处后掠45度，摆线桨叶片铰链7位于螺旋桨叶片2的前缘后掠 起点处。螺旋桨转轴6与发动机功率输出轴连接。如图29所示。摆线桨叶片1采用NACA0016对称翼型的梯形翼面；在摆线桨叶片 表面覆盖有碳纤维复合材料蒙皮11 ；摆线桨叶片1的根梢比为1. 25，根弦长为螺旋桨叶片 2的弦长的2倍，翼展为22. 5cm，展弦比为2. 5。在摆线桨叶片1的展向对称面上，自摆线 桨叶片1后缘处向摆线桨叶片1的前缘方向开有螺旋桨叶片2的过槽，使该处的管梁10及 安装在管梁10上的铰链位于该过槽内，如图6剖面A-A所示；该过槽的宽度同螺旋桨叶片 2翼型的最大厚度。摆线桨叶片1内有泡沫夹芯22，叶片根部和梢部布置有摆线桨叶片翼 肋9，圆形的摆线桨叶片管梁10穿过泡沫夹芯22，通过粘合剂与泡沫夹芯22粘结，两端分 别固定在摆线桨叶片1两端梢部翼肋9的内表面。操纵摇臂12位于摆线桨叶片1展向对 称面内，操纵摇臂12 —端的摆线桨叶片球形铰8与控制拉杆3的一端相连接；操纵摇臂12另一端固接在摆线桨叶片管梁10上。如图11所示。摆线桨叶片铰链7由径向轴承和连接耳片组成。径向轴承套装在 摆线桨叶片管梁10上，并通过连接耳片与螺旋桨叶片2固连，使摆线桨叶片1能够绕摆线 桨叶片管梁10的轴线做相对俯仰运动，如图10局部视图D所示。如图14所示，控制拉杆3为铝合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形铰14组 成。控制拉杆杆件13的两端端面有内螺纹孔。球形铰链14采用尼龙塑料制造，为圆环状， 并且在球形铰链14的外圆环上有外螺纹的连接杆。球形铰链14上的连接 杆与控制拉杆杆 件13两端的内螺纹孔配合连接。拉杆球形铰14内孔与摆线桨叶片球形绞8和球形铰球头 15的同径。如图15所示，偏心园环5用铝合金制成。偏心园环5的端面内缘处沿圆周均布四 个内螺纹的球形绞安装孔18。球形铰球头15的圆形球头上有一外螺纹的连接杆，连接杆的 外径同偏心园环5端面球形绞安装孔18的内径。在其中一个球形绞安装孔18的外缘处有 凸出的控制拉杆限位槽19，用于卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心园环5随摆线螺旋
桨一起转动。如图18所示，偏心园环定位机构17为薄壁圆筒形，其结构采用韩国汉城大学Yim， C. Y等提出的双舵机的摆线桨偏心园环定位机构。在偏心园环定位机构17 —端端头圆周上 有径向凸出的安装定位凸缘；在偏心园环定位机构17另一端圆周上有凹台阶面，用于安放 尼龙轴承16，偏心园环5套装在尼龙轴承16上，能够相对于偏心园环定位机构自由转动； 并且在偏心园环定位机构17该端端面上有环形轴承挡圈。偏心园环5的圆心与螺旋桨轴6 圆心之间的偏心距为操纵摇臂12长度的0 0. 707倍。当偏心园环5的偏心距和相位改 变时，摆线桨的推力大小和方向也发生改变，从而实现360度范围内任意方向的矢量推力。如图28、图2、图3和图9所示。四片螺旋桨叶片2安装在桨毂4上。在螺旋桨叶 片2的桨尖处前缘后掠起点处分别铰接有摆线桨叶片1，并且摆线桨叶片1与螺旋桨叶片2 桨尖处的翼面相互垂直。在桨毂4内有一偏心园环5，在该偏心园环5的圆环端面上均勻分 布有四个球形铰安装孔18，球形铰球头15的连接杆与球形绞安装孔18配合连接。球形绞 球头15同拉杆球形铰14配合。偏心园环5套在螺旋桨转轴6上，在偏心园环定位机构17 的控制下，可以相对螺旋桨轴6运动。四个控制拉杆3的一端分别与位于偏心园环5端面 的球形铰球头15连接，另一端分别与摆线桨叶片1对称面上的摆线桨叶片球形绞8连接。 本实施例中偏心园偏心距的最大值为操纵摇臂12长度的0. 5倍。实施例三本实施例是一种用于飞行器的摆线螺旋桨，包括螺旋桨和摆线桨。螺旋桨包括螺 旋桨叶片2、螺旋桨转轴6和桨毂4 ；摆线桨包括摆线桨叶片1、控制拉杆3、操纵摇臂12、球 形铰8和偏心园环定位机构17。本实施例共有6片螺旋桨叶片和摆线桨叶片。螺旋桨叶片2采用碳纤维复合材料制造的单梁式结构，采用的翼型是的E197翼 型。螺旋桨叶片2的展弦比为7. 5，弦长为20cm。桨毂4中空，直径为60cm。螺旋桨转轴6 的直径是20cm。螺旋桨叶片2内部安装有控制拉杆3 (如图6剖面A-A所示)。螺旋桨叶 片2的前缘在桨尖处后掠45度，摆线桨叶片铰链7位于螺旋桨叶片2的前缘后掠起点处。 螺旋桨转轴6与发动机功率输出轴连接。如图31所示。摆线桨叶片1采用NACA0012对称翼型的梯形翼面；在摆线桨叶片表面覆盖有碳纤维复合材料蒙皮11 ；摆线桨叶片1的根梢比为1. 5，根弦长为螺旋桨叶片2 的弦长的2. 4倍，翼展为80cm，展弦比为2. 2。在摆线桨叶片1的展向对称面上，自摆线桨 叶片1后缘处向摆线桨叶片1的前缘方向开有螺旋桨叶片2的过槽，使该处的管梁10及安 装在管梁10上的铰链位于该过槽内，如图6剖面A-A所示；该过槽的宽度同螺旋桨叶片2 翼型的最大厚度。摆线桨叶片1内有蜂窝夹芯22，叶片根部和梢部布置有摆线桨叶片翼肋 9，圆形的摆线桨叶片管梁10穿过蜂窝夹芯23，通过粘合剂与蜂窝夹芯23粘结，两端分别固 定在摆线桨叶片1两端梢部翼肋9的内表面。操纵摇臂12位于摆线桨叶片1展向对称面 内，操纵摇臂12 —端的摆线桨叶片球形铰8与控制拉杆3的一端相连接；操纵摇臂12另一 端固接在摆线桨叶片管梁10上。如图11所示。摆线桨叶片铰链7由径向轴承和连接耳片组成。径向轴承套装在 摆线桨叶片管梁10上，并通过连接耳片与螺旋桨叶片2固连，使摆线桨叶片1能够绕摆线 桨叶片管梁10的轴线做相对俯仰运动，如图10局部视图D所示。如图14所示，控制拉杆3为铝合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形铰14组 成。控制拉杆杆件13的两端端面有内螺纹孔。球形铰链14采用尼龙塑料制造，为圆环状， 并且在球形铰链14的外圆环上有外螺纹的连接杆。球形铰链14上的连接杆与控制拉杆杆 件13两端的内螺纹孔配合连接。拉杆球形铰14内孔与摆线桨叶片球形绞8和球形铰球头 15的同径。如图15所示，偏心园环5用铝合金制成。偏心园环5的端面内缘处沿圆周均布四 个内螺纹的球形绞安装孔18。球形铰球头15的圆形球头上有一外螺纹的连接杆，连接杆的 外径同偏心园环5端面球形绞安装孔18的内径。在其中一个球形绞安装孔18的外缘处有 凸出的控制拉杆限位槽19，用于卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心园环5随摆线螺旋
桨一起转动。如图18所示，偏心园环定位机构17为薄壁圆筒形，其结构采用韩国汉城大学Yim， C. Y等提出的双舵机的摆线桨偏心园环定位机构。在偏心园环定位机构17 —端端头圆周上 有径向凸出的安装定位凸缘；在偏心园环定位机构17另一端圆周上有凹台阶面，用于安放 尼龙轴承16，偏心园环5套装在尼龙轴承16上，能够相对于偏心园环定位机构自由转动； 并且在偏心园环定位机构17该端端面上有环形轴承挡圈。偏心园环5的圆心与螺旋桨轴6 圆心之间的偏心距为操纵摇臂12长度的0 0. 707倍。当偏心园环5的偏心距和相位改 变时，摆线桨的推力大小和方向也发生改变，从而实现360度范围内任意方向的矢量推力。如图30、图2、图3和图9所示。四片螺旋桨叶片2安装在桨毂4上。在螺旋桨叶 片2的桨尖处前缘后掠起点处分别铰接有摆线桨叶片1，并且摆线桨叶片1与螺旋桨叶片2 桨尖处的翼面相互垂直。在桨毂4内有一偏心园环5，在该偏心园环5的圆环端面上均勻分 布有四个球形铰安装孔18，球形铰球头15的连接杆与球形绞安装孔18配合连接。球形绞 球头15同拉杆球形铰14配合。偏心园环5套在螺旋桨转轴6上，在偏心园环定位机构17 的控制下，可以相对螺旋桨轴6运动。四个控制拉杆3的一端分别与位于偏心园环5端面 的球形铰球头15连接，另一端分别与摆线桨叶片1对称面上的摆线桨叶片球形绞8连接。 本实施例中偏心园偏心距的最大值为操纵摇臂12长度的0. 6倍。
权利要求
一种全向矢量推力摆线螺旋桨，包括螺旋桨、摆线桨和摆线桨偏心圆定位机构，螺旋桨包括螺旋桨叶片(2)、螺旋桨轴(6)和桨毂(4)，并且螺旋桨叶片(2)的桨尖处后掠45度；其特征在于所述的摆线桨包括与螺旋桨叶片(2)同数量的摆线桨叶片(1)、控制拉杆(3)、操纵摇臂(12)和摆线桨叶片球形铰(8)；摆线桨叶片(1)的弦长一般为螺旋桨叶片(2)的1.5～2.5倍，摆线桨叶片(1)的展弦比为2～3，摆线桨叶片(1)的展向对称面上，自摆线桨叶片(1)后缘处向摆线桨叶片(1)的前缘方向开有螺旋桨叶片(2)的过槽；各摆线桨叶片(1)分别在各螺旋桨叶片(2)的前缘后掠起点处与各螺旋桨叶片(2)铰接，并且各摆线桨叶片(1)的翼面与螺旋桨叶片(2)的翼面相互垂直；在桨毂(4)内有一偏心圆环(5)，该偏心圆环(5)套装在螺旋桨轴(6)上，并且两者之间能够产生相对运动；摆线桨偏心圆定位机构偏心圆环(5)的圆心与螺旋桨轴(6)圆心之间的偏心距为操纵摇臂(12)长度的0～0.707倍；各球形铰球头(15)的连接杆分别与偏心圆环(5)的圆环端面外缘处的球形绞安装孔(18)配合连接，并且球形绞球头(15)的球头套装在控制拉杆(3)的拉杆球形铰(14)内；各控制拉杆(3)的另一端分别与位于螺旋桨叶片(2)叶尖处的摆线桨叶片(1)连接；操纵摇臂(12)位于摆线桨叶片(1)展向对称面内，操纵摇臂(12)一端的摆线桨叶片球形铰(8)与控制拉杆(3)的一端相连接；操纵摇臂(12)另一端固接在摆线桨叶片管梁(10)上。
2.如权利要求1所述一种摆线螺旋桨，其特征在于，所述的摆线桨叶片(1)内有与摆线 桨叶片(1)的内部结构固连的管梁(10)；在摆线桨叶片(1)的中部过槽处，摆线桨叶片管 梁(10)与轴承相配合，并且轴承的外环嵌入到摆线桨叶片铰接点(7)的孔内。
3.如权利要求2所述一种摆线螺旋桨，其特征在于，安装在管梁(10)上的铰链位于摆 线桨叶片(1)上的过槽内；过槽宽度与螺旋桨叶片(2)桨尖处翼型厚度相同；摆线桨叶片 ⑴通过摆线桨叶片铰链(7)与螺旋桨叶片⑵铰接；
4.如权利要求3所述一种摆线螺旋桨，其特征在于，所述的摆线桨叶片铰链(7)包括径 向轴承和连接耳片，并且径向轴承套装在摆线桨叶片管梁(10)上，通过连接耳片与螺旋桨 叶片(2)固连。
全文摘要
一种全向矢量推力摆线螺旋桨，包括螺旋桨、摆线桨和摆线桨偏心圆定位机构，摆线桨包括与螺旋桨叶片同数量的摆线桨叶片、控制拉杆、操纵摇臂和摆线桨叶片球形铰。各摆线桨叶片分别在各螺旋桨叶片的前缘后掠起点处与各螺旋桨叶片铰接，并且各摆线桨叶片的翼面与螺旋桨叶片的翼面相互垂直。摆线桨偏心圆定位机构的偏心圆环套装在螺旋桨轴上。各球形铰球头的连接杆分别与偏心圆环连接。各控制拉杆分别与摆线桨叶片连接。操纵摇臂位于摆线桨叶片展向对称面内，操纵摇臂一端的摆线桨叶片球形铰与控制拉杆的一端相连接。操纵摇臂另一端固接在摆线桨叶片管梁上。本发明使摆线桨和常规螺旋桨的优点结合，在提高常规螺旋桨气动效率的同时具备三维全向矢量推力。
文档编号B63H1/10GK101863306SQ20101012684
公开日2010年10月20日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者唐继伟, 宋笔锋, 李为吉, 王刚, 胡峪 申请人:西北工业大学