专利名称：改进的旋翼桨叶控制系统和方法
技术领域：
技术领域为用于旋翼的控制系统。
背景技术：
旋转翼航空器，例如直升机和倾斜旋翼机，具有至少一个用于提供上升力和推进力的旋翼。这些旋翼具有至少两片连接至桨毂的翼型桨叶，该桨毂安装在可旋转的主轴上， 该主轴由引擎驱动而旋转。这些桨叶的俯仰角是可调整的，该俯仰角典型地是通过斜盘组件和将该斜盘组件的旋转部分连接至每片桨叶的连杆机构来控制的。一个现有技术的系统的实例包括斜盘，该斜盘可在与主轴轴线平行的方向上，朝向和远离旋翼运动以用于总距控制(collective control)，以及绕垂直于该主轴轴线的轴线偏斜以用于周期距控制(cyclic control) 0当斜盘朝向或远离旋翼运动时，各桨叶的俯仰角在与其它各桨叶相同的方向上改变了与其它各桨叶相同的量。这种经常被作为“上升和下降”系统提及的总距控制系统提供了对旋翼的推力的控制，且测得该推力与主轴大致是同轴的。另一方面，斜盘的偏斜导致当旋翼旋转时，各桨叶的桨距正弦地或周期地改变， 使得旋翼形成横跨旋翼的平面发生变化的上升力。
图1是安装在航空器上的旋翼桨毂组件的侧视图，该桨毂组件包括旋翼桨毂、主轴以及桨叶桨距控制系统的实施例。图2是图1中旋翼桨毂组件的斜视图，其中桨叶桨距控制系统的一部分已被移除。图3是图1中旋翼桨毂组件的斜视图，其中组件的部分已被移除，且图中示出的桨叶桨距控制系统处于最小桨距总体位置。图4是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于最小桨距总体位置。图5是图3中旋翼桨毂组件的斜视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于最大桨距总体位置。图6是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于最大桨距总体位置。图7是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于中间桨距总体位置。图8是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于中间桨距总体位置，图中示出的桨毂相对主轴做了万向节运动。图9是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于周期性桨距位置。图10是图3中旋翼桨毂组件的侧视图，图中示出的桨叶桨距控制系统处于替代的周期性桨距位置。
图11是旋翼桨毂组件的斜视图，包括桨叶桨距控制系统的替代实施例。图12是图12中旋翼桨毂组件的斜视图。
具体实施例方式提供了一种用于旋翼的桨叶桨距控制系统，该旋翼具有多片桨叶，每片桨叶的俯仰角(pitch angle)都是可调的。各桨叶均连接至斜盘组件的旋转斜盘，且该旋转斜盘被配置为当其与主轴一起旋转时可相对主轴进行回转性转位(rotational indexing)以用于桨叶的总桨距控制。图1是安装在旋转翼航空器13上的旋翼桨毂组件11的侧视图，旋转翼航空器13 例如是直升机或倾斜旋翼机，桨毂组件11包括旋翼桨毂15、主轴17，以及用于控制桨叶夹持器21的俯仰的桨叶桨距控制系统19的实施例。旋翼桨叶(未示出)连接至夹持器21 (只示出了内侧部分)，且各桨叶和夹持器21均可旋转地连接至轭架23，以使绕相应的俯仰轴线25的俯仰角是可调整的。为使主轴17可绕主轴轴线27旋转轭架23，轭架23通过等速接头组件四连接至主轴17，使得轭架23可在主轴17驱动轭架23旋转时相对于主轴17做万向节运动。尽管示出的是用于四个桨叶的配置，旋翼桨毂组件11的其它实施例可以被配置为用于任意片数的桨叶。各夹持器21均具有自夹持器21大致上径向延伸的变距摇臂(pitch horn) 31，变距连杆33将各变距摇臂31连接至斜盘组件35的旋转部分。如同这里所描述的，变距摇臂 31位于桨叶夹持器21的后侧，这样变距摇臂31的向上运动会减小所连接的桨叶的俯仰角， 而向下运动则会增大所连接的桨叶的俯仰角。斜盘组件35包括旋转斜盘37和非旋转斜盘 39，旋转斜盘37通过轴承41可旋转地连接至非旋转斜盘39。轴承41使得斜盘37和斜盘 39之间具有一个自由度，即，斜盘37可以相对斜盘39绕斜盘轴线42旋转。如图所示，当斜盘组件35处于标称方位时，斜盘轴线42与主轴轴线27是同轴的。当桨毂组件11由主轴 17驱动旋转时，旋转斜盘37相对于航空器13，绕斜盘轴线42，与主轴17和旋翼桨毂15 — 起连续旋转。非旋转斜盘39则并不相对于航空器13绕斜盘轴42连续旋转。连杆33将各变距摇臂连接至多个自旋转斜盘37大致上径向延伸的臂43中的一个。为使连杆33和变距摇臂31之间以及连杆33和臂43之间可以相对运动，连杆33于接头45、47处分别枢转地连接至变距摇臂和臂43上。尽管示出的是大致上径向向外延伸，臂43和变距摇臂31可被形成为具有替代的配置以实现所想要的包装和运动学要求。图2是从下观察旋翼桨毂组件11的斜视图，其中非旋转斜盘39为观察方便已被移除。主轴17延伸穿过旋转斜盘37上的孔49，孔49相对较大的尺寸使得斜盘37可相对主轴17平移和/或偏斜。组件11的优选的旋转方向如箭头50所示。图3至6为旋翼桨毂组件11的视图，其中非旋转斜盘39以及除一个桨叶夹持器 21以外的所有桨叶夹持器21以及相关联的连杆33都已被移除。图3和4显示了处于最小桨距配置的控制系统19，而图5和6则显示了处于最大桨距配置的控制系统19。在这些配置的每一个中，斜盘轴线42大致上与主轴轴线27同轴，且轭架23相对于主轴17处于标称位置，其中轭架23的平面与主轴轴线27大致上是垂直的。在这些图中提供了用于指示变距摇臂31和臂43的不同位置的线条以用于参照。例如，线条51为当变距摇臂31处于位于其动作范围的中点处的位置时，自变距摇臂31径向延伸的假想线。同样地，线条53为当臂43处于位于其动作范围的中点处的位置上时，自臂43径向延伸的假想线。控制系统19 可被配置为具有标称位置，在该标称位置，变距摇臂31和臂43位于线条51和53各自所示的位置，然而该标称位置也可被替代地选择为使得所选择的标称位置的一侧或另一侧具有更多可用的行程。在工作期间，旋转斜盘37由连杆机构驱动，从而绕斜盘轴线42旋转，该连杆机构将旋转斜盘37连接至主轴17或轭架23，该连杆机构例如为在图11和12中所示且描述于下。为了提供对夹持器21 (以及连接的桨叶)的总俯仰角的控制，在斜盘37与旋翼桨毂组件11 一起旋转时，斜盘37可绕斜盘轴线42，相对于主轴17和旋翼桨毂15被选择性地转位。斜盘37的相对旋转导致了各连杆33的相应的运动，使得变距摇臂31绕相关联的俯仰轴线25旋转并且改变了连接的桨叶的俯仰角。旋转斜盘37的转位可通过任何适合的方式完成，例如通过电动机和/或机械连杆机构。需要指出的是在一实施例中，旋转斜盘37可连接至主轴17。图3和4分别为旋翼桨毂组件11的斜视图和侧视图，且这些视图示出了处于最小桨叶桨距配置的桨叶桨距控制系统19。在此配置中，变距摇臂31位于其最高位置，该位置由线条阳指示出，而臂43位于其行程范围的后端(相对于组件11的旋转方向)，该位置由线条57指示出。该配置通过将斜盘37朝箭头59所示的方向旋转从而将斜盘37相对于轭架23进行转位而实现，箭头59所示的方向与箭头50所示的组件11的旋转方向相反。图5和6分别为旋翼桨毂组件11的斜视图和侧视图，且这些视图示出了处于最大桨叶桨距配置的桨叶桨距控制系统19。在此配置中，变距摇臂31位于其最低位置，该位置由线条61指示出，而臂43位于其行程范围的前端(相对于组件11的旋转方向)，该位置由线条63指示出。该配置通过将斜盘37朝箭头65所示的方向旋转从而将斜盘37相对轭架 23进行转位而实现，箭头65所示的方向与组件11的旋转方向相同。将控制系统19应用于轭架相对于主轴可做万向节运动的万向节式倾斜旋翼机桨毂的优势之一在于，在大总距(大桨叶桨距)的配置下，例如当倾斜旋翼机在飞机模式下飞行时，可减小变距挥舞耦合参数(delta-3)。此外，在小总距(小桨距)配置下，例如在直升机模式下所使用的那些，则提供更可取的、增大了的delta-3参数。换句话说，当桨叶处于大桨距位置时，较之典型的桨距控制系统，由于挥舞而产生的轭架23的万向节运动对于旋翼桨叶的桨距的影响更小。此改进效果可见于图7和8，图7和8为旋翼桨毂组件11的侧视图。在图中，示出的桨叶桨距控制系统19处于中间桨距位置，其中变距摇臂31与线条 51对齐(只在图7中)，而臂43(在图中看不到)与线条53对齐。图7中示出的轭架23 处于标称位置，其中轭架23的平面大致上与主轴17垂直，而图8中示出的轭架23则绕挥舞轴线相对于主轴17做了万向节运动。当轭架23相对于主轴17做万向节运动时，至少有一个桨叶夹持器21朝向斜盘 37运动而至少有一个位于轭架23的相反一侧的桨叶夹持器21远离斜盘37运动。在典型的、现有技术中的桨距控制系统中，变距摇臂由大致上竖直的变距连杆驱动，这样轭架的万向节运动会导致桨叶的俯仰角有大的变化。然而，控制系统19由于变距连杆33的倾斜的方位而提供了最小的桨叶桨距的变化。如从图8中可见，当轭架23做万向节运动时，由于动作的很大部分被连杆33相对于斜盘37和变距摇臂31绕接头45、47的旋转吸收掉了，变距摇臂31具有最小的位置变化，尽管夹持器21的俯仰角因为该万向节运动也略微减小了。当控制系统19处于小总距配置时，改善效果则较不显著。除了总距控制之外，控制系统19还能被用来以至少三种途径提供夹持器21的周期性桨距控制。一种方式是在大致与主轴17垂直的平面内，相对于主轴17横向平移或往复移动斜盘组件35，这样主轴轴线27与斜盘轴线42保持大致平行但不同轴。另一种提供周期距控制的方式是绕大致与轴线42垂直的轴线，相对于主轴17偏斜斜盘组件35，使得斜盘轴线42相对于主轴轴线27呈一定角度，不过这种方式用于竖直的变距摇臂31时，可提供的输入运动较小。尽管刚刚描述的方式只涉及平移或偏斜动作，用于周期距控制的第三种方式是使斜盘组件35做平移和偏斜动作的组合移动。图9是旋翼桨毂组件11的侧视图，且示出的桨叶桨距控制系统19为通过平移斜盘37来提供周期性桨叶桨距控制的配置。图中示出的斜盘37在大致与主轴17垂直的平面内，相对于主轴17发生了位移，使得主轴轴线27和斜盘轴线42保持大致平行但不同轴。 随着轭架23和斜盘37分别绕主轴轴线27和斜盘轴线42 —起旋转，变距摇臂31和臂43 之间的距离以正弦的方式变化，导致各夹持器21和连接在各夹持器21之上的桨叶的俯仰角发生变化。这种周期性输入的量由轴线42自与主轴轴线27处于同轴方位的位置的位移量决定，可得的周期性输入的限度则由斜盘37的孔49的尺寸决定。孔49的尺寸限定了斜盘37与主轴17接触前的平移限度，且图9示出了处于最大周期性桨距位置的斜盘37。图10是旋翼桨毂组件11的侧视图，且示出的桨叶桨距控制系统19为通过偏斜斜盘37来提供周期性桨叶桨距控制的替代配置。图中示出的斜盘37绕与斜盘轴线42大致垂直的轴线，相对于主轴17偏斜，使得斜盘轴线42相对于主轴轴线27以一定的角度定向。 随着轭架23和斜盘37分别绕主轴轴线27和斜盘轴线42 —起旋转，变距摇臂31和臂43 之间的距离以正弦地方式变化，导致各夹持器21和连接至各夹持器21的桨叶的俯仰角发生周期性变化。这种周期性输入的量由轴线42自与主轴轴线27处于同轴方位的位置的偏斜量决定，可得的周期性输入的限度则由斜盘37的孔49的尺寸决定。孔49的尺寸限定了斜盘37与主轴17接触前的偏斜限度。图11和12图示出了例如用于直升机或倾斜旋翼机的旋翼桨毂组件67的实施例， 与前面描述及示出的桨毂组件11的构造和使用相似。图11是从上观察组件67的斜视图， 而图12是从下观察组件67的斜视图。旋翼桨毂69通过主轴71旋转，还提供了桨叶桨距控制系统73的实施例，通过同时平移和偏斜斜盘组件的方式来控制桨叶夹持器75的俯仰。 旋翼桨叶(未示出)连接至夹持器75(只示出了组装在组件67上的一个夹持器75的内侧部分)，且各桨叶和夹持器75均可旋转地连接至轭架77，以使绕相应的俯仰轴线79的俯仰角是可调整的。轭架77通过等速接头组件79连接至主轴71，使得轭架77在主轴71驱动轭架77旋转时，可相对于主轴77做万向节运动。尽管示出的是用于四个桨叶的配置，旋翼桨毂组件67的其它实施例可以被配置为用于任意片数的桨叶。每个夹持器75均具有自夹持器75大致径向延伸的变距摇臂81，变距连杆83枢转地将各变距摇臂81连接至斜盘组件的旋转斜盘87部分的臂85。如前所述，斜盘组件具有控制旋转斜盘87的动作的非旋转斜盘，而旋转斜盘87则与主轴71和桨毂组件67的其余部分一起连续旋转。主轴71延伸穿过旋转斜盘87上的孔89，孔89相对大的尺寸使得斜盘 87可相对于主轴71平移和偏斜。在工作期间，旋转斜盘87由连杆机构93驱动绕斜盘轴线91 (在图示方位中与主轴71同轴)旋转，该连杆机构93将旋转斜盘87连接至主轴71。为了提供对夹持器75 (以及连接的桨叶)的总俯仰角的控制，在斜盘87与旋翼桨毂组件67 —起旋转时，斜盘87绕斜盘轴线91，相对于主轴71可被选择性地转位。斜盘87的相对旋转导致了各个连杆83的相应的运动，使得变距摇臂81绕相关联的俯仰轴线79旋转并且改变连接的桨叶的俯仰角。 为了提供对夹持器75的周期性俯仰角的控制，在斜盘87与旋翼桨毂组件67 —起旋转时， 斜盘87相对于主轴71可(随斜盘轴线91)做选择性地偏斜和往复运动。连杆机构93包括可旋转地安装在主轴71上的传动器95，使得当主轴71连续地驱动传动器95随主轴71旋转时，允许绕主轴71的同轴的、转位的旋转。在随主轴71的旋转中，传动器95可以任何适合的方式(未示出)，例如电动机、齿轮机构或类似的驱动手段，绕主轴71被转位。第一常平衡环(gimbal ring)97在相对的销99上可旋转地连接至传动器 95，形成了轴线101，使得第一常平衡环97可绕轴线101相对传动器95旋转。转矩管103 围绕主轴71，且在销105处可旋转地连接至第一平衡环97，销105形成了轴线107，使得转矩管103可绕轴线107相对于第一常平衡环105旋转。主轴71延伸穿过转矩管103，两者间具有足够的空间以允许转矩管103相对于主轴71有限度地偏斜。第二常平衡环109用于将转矩管103连接至旋转斜盘87。第二常平衡环109在销 111处可旋转地连接至转矩管103，形成了轴线113，使得第二常平衡环109可绕轴线113， 相对于转矩管103旋转。旋转斜盘87在销115处可旋转地连接至第二常平衡环109，销115 形成了轴线117，使得旋转斜盘87可绕轴线117，相对于第二常平衡环109旋转。在工作期间，连杆机构93将转矩从主轴71传递至第一常平衡环105，随后至转矩管103，继而至第二常平衡环109，然后至旋转斜盘87以驱动带有桨毂组件67的斜盘87。 传动器95可绕主轴71被有选择性地转位，从而改变旋转斜盘绕斜盘轴线91，相对于轭架 77的相对角度位置，使得可对夹持器75和连接的桨叶的总桨距进行控制。此外，连杆机构 93使得斜盘组件的非旋转斜盘(未示出)可通过旋转斜盘87的旋转平面的平移和偏斜而周期性地控制桨距。本旋翼桨叶控制系统具有几个优点，包括(1)改进的运动学，用于装有万向节的桨毂上的应用，尤其是用于倾斜旋翼机航空器；以及( 通过消除上升和下降的斜盘，而改进的包装上的考量。本描述包括对说明性的实施例的涉及，但这种描述并非意欲以限制意义地进行解释。各种变型以及该说明性的实施例的组合，以及其它的实施例，对于参见了本描述的本领域的专业人员将是显而易见的。
权利要求
1.一种用于控制旋翼的各桨叶的俯仰角的桨叶桨距控制系统，所述控制系统包括旋转斜盘，所述旋转斜盘适于在旋翼和主轴绕旋转的第一轴线旋转期间，与相关联的所述旋翼和主轴一起连续旋转，所述旋转斜盘被配置为绕旋转的第二轴线旋转；以及至少一根适于将所述旋转斜盘连接至所述旋翼的各桨叶的连杆； 其中所述旋转斜盘被配置为当所述旋转斜盘与所述旋翼和主轴一起旋转时，通过所述旋转斜盘绕所述旋转的第二轴线且相对于所述旋翼和主轴的选择性转位，提供对所述桨叶的所述俯仰角的总距控制。
2.根据权利要求1所述的桨叶桨距控制系统，其中所述旋转斜盘位于与所述旋转的第一轴线大致垂直的平面内。
3.根据权利要求1所述的桨叶桨距控制系统，其中所述旋转斜盘位于与所述旋转的第一轴线大致垂直的平面内，且其中所述斜盘在工作期间，相对于所述旋转的第一轴线，保持在大致固定的平面方位上。
4.根据权利要求1所述的桨叶桨距控制系统，其中所述旋转斜盘位于与所述旋转的第一轴线大致垂直的平面内，且其中所述旋转斜盘被配置为在所述平面内大致地平移，以提供对各桨叶的所述俯仰角的周期距控制。
5.根据权利要求1所述的桨叶桨距控制系统，其中所述旋转斜盘被配置为绕大致垂直于所述第二轴线的轴线偏斜，以提供对各桨叶的所述俯仰角的周期距控制。
6.根据权利要求1所述的桨叶桨距控制系统，其中所述旋转斜盘被配置为进行平移和偏斜动作，以提供对各桨叶的所述俯仰角的周期距控制。
7.一种用于控制旋翼的桨叶的俯仰角的桨叶桨距控制系统，所述控制系统包括旋转斜盘，所述旋转斜盘适于在旋翼和主轴绕旋转的第一轴线旋转期间，与相关联的所述旋翼和主轴一起连续旋转，所述旋转斜盘被配置为绕旋转的第二轴线旋转，由所述旋转斜盘所限定的平面大致上与所述第一轴线垂直；以及至少一根适于将所述旋转斜盘连接至所述旋翼的各桨叶的连杆； 其中所述旋转斜盘被配置为当所述旋转斜盘与所述旋翼和主轴一起旋转时，通过所述旋转斜盘绕所述第二轴线且相对于所述旋翼和主轴的选择性转位，提供对所述桨叶的所述俯仰角的总距控制；而且其中所述旋转斜盘被配置为通过所述旋转斜盘在所述平面内且相对于所述旋翼和主轴的选择性平移，提供对所述桨叶的所述俯仰角的周期距控制，所述旋转斜盘相对于所述第一轴线保持在大致固定的平面方位上，而所述第一和第二轴线保持大致上平行。
8.一种用于控制旋翼的桨叶的俯仰角的桨叶桨距控制系统，所述控制系统包括旋转斜盘，所述旋转斜盘适于在旋翼绕旋转的第一轴线旋转期间，与相关联的所述旋翼和主轴一起连续旋转，所述旋转斜盘被配置为绕旋转的第二轴线旋转；以及至少一根适于将所述斜盘连接至所述旋翼的各桨叶的连杆；其中所述旋转斜盘被配置为当所述旋转斜盘与所述旋翼和主轴一起旋转时，通过所述旋转斜盘绕所述第二轴线且相对于所述旋翼和主轴的选择性转位，提供对所述桨叶的所述俯仰角的总距控制；而且其中所述旋转斜盘被配置为通过所述旋转斜盘的选择性平移和偏斜，对所述桨叶的所述俯仰角提供周期距控制。
9.一种控制旋翼的桨叶的俯仰角的方法，包括(a)提供一种旋转斜盘，所述旋转斜盘被配置为在旋翼绕旋转的第一轴线旋转期间，与所述旋翼一起连续旋转，所述斜盘被配置为绕旋转的第二轴线旋转且被连接至各桨叶以控制各桨叶的所述俯仰角；(b)在与所述旋翼一起旋转期间，使所述旋转斜盘绕所述第二轴线且相对所述旋翼选择性地转位，以使所述桨叶的俯仰角发生总体变化。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括(c)在与所述旋翼一起旋转期间，相对于所述旋翼选择性地平移所述旋转斜盘，以使所述桨叶的俯仰角发生周期性变化，而所述第一和第二轴线保持大致平行。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括(d)在与所述旋翼一起旋转期间，绕大致上垂直于所述第二轴线的轴线选择性地偏斜所述旋转斜盘，以使所述桨叶的俯仰角发生周期性变化。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括(e)在与所述旋翼一起旋转期间，选择性地使所述旋转斜盘转位和偏斜，以使所述桨叶的俯仰角发生周期性变化。
全文摘要
一种桨叶桨距控制系统具有被配置为与相关联的旋翼和主轴一起连续旋转的斜盘，以及至少一根将斜盘连接到旋翼的各桨叶的连杆。当斜盘随旋翼和主轴旋转时，斜盘通过斜盘绕斜盘轴线的选择性旋转，提供对桨叶的俯仰角的总距控制。本系统可被配置为通过斜盘的平移，或绕大致上与斜盘轴线垂直的轴线的斜盘的偏斜，提供对桨叶的俯仰角的周期距控制。
文档编号B64C27/605GK102282071SQ200980154846
公开日2011年12月14日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者弗兰克·B·斯坦普斯, 理查德·E·劳贝尔 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司