平动扑翼机构和具有平动扑翼机构的扑翼机和滑翔的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种平动扑翼机构和具有平动扑翼机构的扑翼机和滑翔机，包括用于驱动机翼前沿作上下简谐运动的第一直线简谐运动机构和用于驱动机翼后沿作上下简谐运动的第二直线简谐运动机构，机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间具有相位差，以在机翼上下平动的同时改变机翼的攻角。根据本发明的平动扑翼机构，机翼前沿和机翼后沿分别作上下简谐运动，机翼相对机身位移随时间的变化更接近于正弦曲线，运动比较柔和，并且二者之间具有相位差，因此机翼能够在上下平动的同时改变机翼的攻角，适合在大型扑翼机上使用。
【专利说明】平动扑翼机构和具有平动扑翼机构的扑翼机和滑翔机
【技术领域】
[0001]本发明涉及平动扑翼机构和具有平动扑翼机构的扑翼机和滑翔机。
【背景技术】
[0002]在国际航空领域，近年扑翼机研究很活跃，扑翼机研究出了很多成果，绝大部分都是摆动翅膀的扑翼机，业界普遍认为，扑翼机向大型扑翼机发展才大有应用价值。由于电子计算机、新型复合材料、控制技术等高科技领域的迅速发展，研制扑翼机也有了新的基础，今后会有许多技术突破，使人类乘上可控制的“机器鸟”更安全、更敏捷、更节能地飞翔，不必依赖能耗高的螺旋桨和喷气动力。
[0003]国内一般采用四连杆扑翼机构，尾翼控制，已经有一些鸽子般大小的扑翼机飞行。加拿大多伦多大学航空研究院的“大鸭掌”单人驾驶的扑翼机完成了短距离飞行。德国的“聪明鸟”采用四连杆扑翼机构，美国Aero Vironment “蜂鸟”微型无尾扑翼机最终采用线控扑翼机构。中国古时木工的拉绳钻(别名“扯钻”)是一种原始的线控机构。
[0004]现有技术的四连杆扑翼机构和线控扑翼机构都是摆动扑翼，只适宜做微、小型扑翼机，不适合大型扑翼机上使用，另外摆动扑翼的滑翔姿态很难获得。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种适合大型扑翼机的平动扑翼机构和具有平动扑翼机构的扑翼机，本发明的目的还在于提供一种使用平动扑翼机构的翱翔机。
[0006]为此，本发明提供了一种平动扑翼机构，包括用于驱动机翼前沿作上下简谐运动的第一直线简谐运动机构和用于驱动机翼后沿作上下简谐运动的第二直线简谐运动机构，机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间具有相位差，以在机翼上下平动的同时改变机翼的攻角。
[0007]进一步地，上述第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构均包括:曲柄，与外界的发动机连接，偏心轮，能够自由旋转地套设在曲柄上；行星齿轮机构，包括内齿圈及与内齿圈啮合的行星齿轮，其中，内齿圈与外界的机身固定连接，行星齿轮与偏心轮同步转动地连接；以及一组连杆，各连杆的一端与偏心轮枢接，另一端与机翼铰接。
[0008]进一步地,上述偏心轮的数量为两个,对称设置在内齿圈的两侧,其中，行星齿轮机构包括并列设置在内齿圈中的两个行星齿轮，各偏心轮与一个行星齿轮同步转动地连接。
[0009]进一步地，上述两个行星齿轮之间设有辅助偏心支撑件，以与内齿圈的内壁滚动配合。
[0010]进一步地,上述内齿圈和行星齿轮的齿数比为2:1。
[0011]进一步地，上述机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间的相位差在O?90°范围内调整。
[0012]进一步地，上述机翼后沿的上下简谐运动比机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后45。?90°。
[0013]进一步地，上述机翼后沿的上下简谐运动比机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后90。。
[0014]进一步地，上述机翼前沿和机翼后沿的运动行程相同。
[0015]根据本发明的另一方面，提供了一种扑翼机，包括整体机翼、机身、以及发动机，其中，整体机翼和机身之间通过根据上面所描述的平动扑翼机构连接，并且平动扑翼机构的第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构与发动机驱动连接。
[0016]本发明还提供了一种滑翔机，包括整体机翼、机身、以及发动机，其中，整体机翼和机身之间通过根据上面所描述的平动扑翼机构连接，并且平动扑翼机构的第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构与发动机驱动连接。
[0017]根据本发明的平动扑翼机构，机翼前沿和机翼后沿分别作上下简谐运动，机翼相对机身位移随时间的变化更接近于正弦曲线，运动比较柔和，并且二者之间具有相位差，因此机翼能够在上下平动的同时改变机翼的攻角，适合在大型扑翼机上。
[0018]除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中:
[0020]图1是根据本发明的平动扑翼机构的结构示意图；
[0021]图2是根据本发明的平动扑翼结构的直线简谐运动机构的曲柄组件的结构示意图；以及
[0022]图3是根据本发明的平动扑翼结构的直线简谐运动机构的曲柄组件的结构示意图，其中，曲柄上安装有偏心块和行星齿轮。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0024]本发明的平动扑翼机的左右机翼是连在一起的，为一个整体的大展弦比机翼，它的主要运动方式是上下往返平动，另外，还具有攻角变化，使上升和下扑的升力不相等而在一个姿态循环中做功。
[0025]具体地，机翼前沿和机翼后沿均由直线简谐运动机构驱动，以作上下简谐运动，机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间具有相位差，以在机翼上下平动的同时改变机翼的攻角。
[0026]两套直线简谐运动机构装在机身内，分别连接刚性机翼的前沿和后沿。这样的平动扑翼机布局相当于一架大展弦比的滑翔机，机翼固定时拥有很好的滑翔性能和平稳飞行性能，可以在4?5米每秒的上升气流中翱翔。因为机翼平动的幅度受结构限制，做功能力比较弱，良好的滑翔性能是必需的，例如滑翔比在40以上。
[0027]由于机翼的刚度有限，翼展方向有颤振。平动扑翼的强迫的一阶颤振有助于扑翼做功，一阶颤振有摆动扑翼的效果，但要求机翼交变应力在材料可用范围内，在颤振下扑过程中增加攻角和升力，在颤振上扑过程中减小攻角和升力。不难理解，普通的滑翔机以机翼作支撑而悬空飞行，而平动扑翼机还要在这个支撑上“荡秋千”而越飞越高。
[0028]本发明的平动扑翼机构包括用于驱动机翼前沿作上下简谐运动的第一直线简谐运动机构和用于驱动机翼后沿作上下简谐运动的第二直线简谐运动机构，机翼前沿和机翼后沿的运动行程相同并且机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间具有相位差，以在机翼上下平动的同时改变机翼的攻角。平动扑翼机构的机翼相对机身位移随时间的变化更接近于正弦曲线，这意味着运动比较柔和。
[0029]下面结合图1至图3对根据本发明的平动扑翼机构的直线简谐运动机构进行详细说明。
[0030]在本发明中，利用了将曲柄的匀速旋转运动转化出行星齿轮上的偏心轮的简谐直线运动的特性。
[0031]图1至图3是根据本发明的平动扑翼机构的结构示意图，如图1至图3所示，第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构均包括:曲柄10，与外界的发动机连接，偏心轮20，能够自由旋转地套设在曲柄上；行星齿轮机构30，包括内齿圈31及与内齿圈31啮合的行星齿轮32，其中，内齿圈31与外界的机身固定连接，行星齿轮32与偏心轮20同步转动地连接；以及一组连杆40，各连杆的一端具有与偏心轮20枢接的套孔，另一端与机翼60铰接。
[0032]其中，内齿圈和行星齿轮的齿数比为2:1。机翼前沿的上下简谐运动和机翼后沿的上下简谐运动二者之间的相位差在O?90°范围内调整。优选地，机翼后沿的上下简谐运动比机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后45?90°。进一步优选地，在正常飞行过程中，机翼后沿的上下简谐运动比机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后90°。
[0033]在本实施例中,利用齿数比为1:2的行星齿轮传动将曲柄旋转运动转化为直线简谐振动，再用连杆将直线简谐振动传到机翼上，使左右机翼整体平行扑动(简称扑扇)。用前后两套相位差90°的直线简谐运动机构，可使机翼做扑扇动作同时作攻角变化。
[0034]在本实施例中，本发明人将上述特定结构的直线简谐运动机构称为行星曲柄传动机构。
[0035]优选地，偏心轮20的数量为两个，对称设置在内齿圈31的两侧，其中，行星齿轮机构包括并列设置在内齿圈中的两个行星齿轮32，各偏心轮与一个行星齿轮同步转动地连接。如此形成了结构对称，使得曲柄两端的支撑轴承50受力均匀。进一步地，两个行星齿轮32之间设有辅助偏心支撑件33，以与内齿圈31的内壁全接触地滚动配合，可抑制内齿圈的抖动。
[0036]根据本发明的平动扑翼机构很方便对扑翼的攻角幅度和相位进行控制，例如相位差可用带有上下两个张紧轮的带齿皮带或链传动，改变张紧轮的位置，相位差就改变。另外，本发明的平动扑翼机构很方便对扑翼迎角幅度进行控制，适合在大型扑翼机上使用。
[0037]在根据本发明的滑翔机中，滑翔机的整体机翼与机身用平动扑翼机构连接，滑翔机滑翔时，驱动整体机翼作平行上下扑动并配合改变攻角，动力通过机翼作功，使滑翔机在没有上升气流的情况下也能持续飞行或飞高。要求平动扑翼机构运动柔和，效率高。
[0038]本发明的平动扑翼机构是在分析各种扑翼方式(例如四连杆扑翼机构和线控扑翼机构)的功能和效率时突发灵感而创造的。平动扑翼机构用行星齿轮的往复直线运动驱动整体机翼上下平行运动。与摆动扑翼相比，平动扑翼的上下平行运动位移小、频率高，效率也闻。
[0039]下面对使用平动扑翼机构的平动扑翼机的工作过程进行说明。
[0040]首先使用相位滞后45?90°的直线简谐运动机构驱动机翼后沿，由于机翼前沿和后沿的上下运动有相位差，机翼就会俯仰运动并上下运动。当攻角大时，升力大，整机有超重感，机翼大面积往下扑，机体重心势能增加，发动机作功把偏心轮转到最上端；当攻角小时，升力小，整机有失重感，机翼大面积往上抬，机体重心势能减少，机翼升力作功把偏心轮拉到最下端，发动机飞轮加速，回收储备能量供下一个扑翼周期。由于在机体坐标系上偏心轮往上走的力大，往下走的力小，所以发动机(或电动机)在一个扑翼周期作出净功，使扑翼机的势能和动能增加。但是另一方面扑翼机作为一架滑翔机，它的势能(高度)在连续流失(按滑翔比)。发动机(或电动机)在一个扑翼周期作出净功，弥补扑翼机的势能损失，或飞得更高。
[0041]值得注意的是机翼的扑动速度造成的相对气流对机翼的攻角变化相位正好超前位移90°。现在很多简单扑翼机没有机械地驱动机翼后沿，而是把机翼后沿系在机身上，足以产生下扑的大升力和上扬的小升力。但要提高扑翼性能就要机械地驱动机翼后沿，将前后沿振动相位差在O?90°之间调整，象鸟儿一样，可以大幅度转翅，灵活机动。
[0042]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种平动扑翼机构，包括用于驱动机翼前沿作上下简谐运动的第一直线简谐运动机构和用于驱动机翼后沿作上下简谐运动的第二直线简谐运动机构，所述机翼前沿和所述机翼后沿的运动行程相同并且所述机翼前沿的上下简谐运动和所述机翼后沿的上下简谐运动二者之间具有相位差，以在机翼上下平动的同时改变机翼的攻角。
2.根据权利要求1所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述第一直线简谐运动机构和所述第二直线简谐运动机构均包括: 曲柄，与外界的发动机连接， 偏心轮，能够自由旋转地套设在所述曲柄上； 行星齿轮机构，包括内齿圈及与内齿圈啮合的行星齿轮，其中，所述内齿圈与外界的机身固定连接，所述行星齿轮与所述偏心轮同步转动地连接；以及 一组连杆，各所述连杆的一端与所述偏心轮枢接，另一端与所述机翼铰接。
3.根据权利要求2所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述偏心轮的数量为两个，对称设置在所述内齿圈的两侧，其中，所述行星齿轮机构包括并列设置在所述内齿圈中的两个行星齿轮，各所述偏心轮与一个所述行星齿轮同步转动地连接。
4.根据权利要求3所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述两个行星齿轮之间设有辅助偏心支撑件，以与所述内齿圈的内壁滚动配合。
5.根据权利要求2所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述内齿圈和行星齿轮的齿数比为2:1。
6.根据权利要求1所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述机翼前沿的上下简谐运动和所述机翼后沿的上下简谐运动二者之间的相位差在O?90°范围内调整。
7.根据权利要求6所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述机翼后沿的上下简谐运动比所述机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后45°?90°。
8.根据权利要求1所述的平动扑翼机构，其特征在于，所述机翼后沿的上下简谐运动比所述机翼前沿的上下简谐运动的相位滞后90°。
9.一种扑翼机，包括整体机翼、机身、以及发动机，其特征在于，所述整体机翼和机身之间通过根据权利要求1-8中任一项所述的平动扑翼机构连接，并且所述平动扑翼机构的第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构与发动机驱动连接。
10.一种滑翔机，包括整体机翼、机身、以及发动机，其特征在于，所述整体机翼和机身之间通过根据权利要求1-8中任一项所述的平动扑翼机构连接，并且所述平动扑翼机构的第一直线简谐运动机构和第二直线简谐运动机构与发动机驱动连接。
【文档编号】B64C33/02GK103569360SQ201310603072
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】刘飞亭 申请人:中国南方航空工业(集团)有限公司