用于降低旋翼振动的装置的制作方法

本发明涉及用于降低旋翼振动的装置。属于航空领域。

背景技术：

直升机自问世以来，无论是在军用还是民用方面都有着非常重要的地位。直升机具有垂直起飞/着陆能力、悬停以及低速状态下的高机动性等优点，使得直升机可以完成许多独特的任务，如海上救援，侦查等。但在直升机发展过程中也一直有很多问题限制着直升机技术的发展，例如由于振动和噪声引起的乘坐品质差，结构的疲劳寿命低以及非常高的维修费用等。

与固定翼飞机不同，由于直升机旋翼的周期变矩导致桨叶承受1/rev频率的交变气动载荷和方位角方向的惯性载荷，同时在桨盘处也承受比较大的谐波载荷。这些不稳定的因素会导致旋翼桨毂承受较大的交变载荷，从而激起机体的振动。这些振动一方面是造成直升机机身振动从而影响直升机性能、疲劳寿命和乘坐品质的主要原因，另一方面是产生桨叶弯矩，促使桨叶疲劳的原因之一。因此，降低直升机的振动对直升机的发展具有重要的意义。

振动和噪声问题是影响直升机工作效率的基本障碍。目前，许多关于直升机旋翼的研究都关注于通过降低旋翼的振动来提高直升机的整体工作性能。主动后缘小翼方法是被认为最有希望实现旋翼振动主动控制的方法之一。在技术发展的早期，主要采用吸振器、隔振装置等被动抑制的方法来降低振动。传统的隔振器和消振器由于不需要外界能量提供，结构较简单，易于实现且具有较好的经济性和可靠性，在直升机减振技术上得到了一定的应用。但是它们的重量代价大，不适应直升机飞行状态中旋翼工作转速和结构动力的变化，具有很大的局限性。随着智能材料如形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料等的出现与快速发展，使得主动后缘小翼技术水平得到了很大的提高。其中压电材料因其响应频率高、控制简单、体积小、重量轻等优点，在主动后缘小翼技术上应用具有明显的优势。

一般而言，直升机旋翼振动载荷传递到直升机机身的振动载荷是由N阶谐波组成的，其中，N是旋翼桨叶的个数。若旋翼的转速为Ω，则振动载荷的响应频率为NΩ，这就意味着在施加控制时，要求后缘小翼产生的附加气动载荷的频率也要达到NΩ以上，且旋翼桨叶的安装空间有限，对驱动器的尺寸限制非常大，因此主动后缘小翼方法对驱动器的要求比较高，驱动器要具有大推力、大位移、小尺寸和高响应频率的特性。采用压电材料的驱动器具有驱动力较大而驱动位移小的特点，驱动位移必须放大才能获得足够的驱动位移。目前的驱动器结构主要有：压电诱导弯曲板驱动结构、L-L型、压电管致动器等，这些结构可以在一定程度上为后缘小翼的偏转提供输出力和输出位移，但是也存在一些缺点，例如L-L型驱动器在高频激励时需要弹簧来提供恢复力，而弹簧的使用频率较窄，使得机构性能大为下降。因此，设计一种小尺寸、轻质、高输出响应的驱动器是主动控制小翼方法实现高效振动控制的关键。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的用来驱动旋翼后缘小翼的驱动器具有驱动位移小、需要弹簧来提供恢复力，导致机构的性能大为下降的问题。现提供用于降低旋翼振动的装置。

用于降低旋翼振动的装置，所述旋翼包括基本桨叶、后缘小翼和后缘小翼连接片，

后缘小翼与基本桨叶通过小翼连接片连接，小翼连接片能够发生弯曲变形，

用于降低旋翼振动的装置包括金属框架、压电驱动器和小翼连接轴，

金属框架在桨叶成型过程中固化到基本桨叶的内部，压电驱动器固定在金属框架内，

压电驱动器包括弹簧钢椭圆形放大机构、压电叠堆陶瓷和楔形预紧块，

弹簧钢椭圆形放大机构为轴对称结构，且具有刚度及变形恢复功能，弹簧钢椭圆形放大机构的一个弧边与金属框架的一个内侧壁固定连接，弹簧钢椭圆形放大机构的另一个弧边通过小翼连接轴与后缘小翼连接，

弹簧钢椭圆形放大机构两个直边的内壁之间安装5个压电叠堆陶瓷，5个压电叠堆陶瓷之间采用两个楔形预紧块进行连接，楔形预紧块，用于对安装的5个压电叠堆陶瓷施加一定的预紧力，

弹簧钢椭圆形放大机构，用于将压电叠堆陶瓷产生的驱动位移进行放大，弹簧钢椭圆形放大机构的放大倍数a与弹簧钢椭圆形放大机构的壁厚l及弧边所成的角度θ有关，

对压电驱动器施加电压后，压电驱动器会向左侧收缩产生驱动位移，带动后缘小翼连接杆运动，进而驱动后缘小翼绕着小翼连接片进行偏转。

本发明的有益效果为：

本发明的压电驱动器具有尺寸小、重量轻，适用于直升机桨叶狭长且厚度小的空间；

此压电驱动器的输出位移与弹簧钢椭圆形放大机构的壁厚有关，弹簧钢椭圆形放大机构的壁厚越小，压电驱动器产生的位移越大；同时弹簧钢椭圆形放大机构的壁厚对压电驱动器的驱动力和响应频率影响很大；

此压电驱动器的输出位移较大、输出力大、响应频率高，结构紧凑，可以满足直升机旋翼高速旋转过程中产生的高频振动载荷的有效控制；与传统共振型的驱动器不同，由于压电驱动器的壁厚刚性较大，其输出频率与压电驱动器的电压频率相同。压电驱动器是通过施加不同相位的交流电压来控制，驱动器的驱动后缘小翼偏转的频率与施加的电压的频率可以保持一致。不同的电压幅值可以驱动后缘小翼偏转不同的角度，此驱动器可以实现后缘小翼偏转6度，由后缘小翼偏转产生的附加惯性载荷和气动载荷将与旋翼振动载荷进行部分抵消，从而实现旋翼振动载荷的降低。本发明的驱动器椭圆形放大机构具有很好的刚度及变形恢复功能，不需要额外附加弹簧来提供回复力，大大提高了后缘小翼偏转的响应频率及实现宽频内的旋翼振动载荷控制的效果。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置的桨叶内部剖面图；

图2为固定压电驱动器的金属框架示意图；

图3为压电驱动器的结构示意图；

图4为小翼连接轴的结构示意图；

图5为压电驱动器系统安装示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于降低旋翼振动的装置，所述旋翼包括基本桨叶1、后缘小翼5和后缘小翼连接片6，

后缘小翼5与基本桨叶1通过小翼连接片6连接，小翼连接片6能够发生弯曲变形，

用于降低旋翼振动的装置包括金属框架2、压电驱动器3和小翼连接轴4，

金属框架2在桨叶成型过程中固化到基本桨叶1的内部，压电驱动器3固定在金属框架2内，

压电驱动器3包括弹簧钢椭圆形放大机构7、压电叠堆陶瓷8和楔形预紧块9，

弹簧钢椭圆形放大机构7为轴对称结构，且具有刚度及变形恢复功能，弹簧钢椭圆形放大机构7的一个弧边与金属框架2的一个内侧壁固定连接，弹簧钢椭圆形放大机构7的另一个弧边通过小翼连接轴4与后缘小翼5连接，

弹簧钢椭圆形放大机构7两个直边的内壁之间安装5个压电叠堆陶瓷8，5个压电叠堆陶瓷8之间采用两个楔形预紧块9进行连接，楔形预紧块9，用于对安装的5个压电叠堆陶瓷8施加一定的预紧力，

弹簧钢椭圆形放大机构7，用于将压电叠堆陶瓷8产生的驱动位移进行放大，弹簧钢椭圆形放大机构7的放大倍数a与弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚l及弧边所成的角度θ有关，

对压电驱动器3施加电压后，压电驱动器3会向左侧收缩产生驱动位移，带动后缘小翼连接杆4运动，进而驱动后缘小翼5绕着小翼连接片6进行偏转。

本实施方式中，金属框架2起主要的固定作用，可在基本桨叶1成型过程中将金属框架2固定在基本桨叶1内部；在基本桨叶1径距0.62R处安装金属框架2与压电驱动器3。

小翼连接片6可以发生弯曲变形，使后缘小翼5可以绕着小翼连接片6进行偏转。对压电驱动器3施加电压后，压电驱动器3会向左侧收缩，带动后缘小翼连接杆4运动，进而驱动后缘小翼5偏转。若施加的电压为交流电压，则压电驱动器3会驱动后缘小翼5上下偏转。

弹簧钢椭圆形放大机构7的上下宽边均有一定得弧度，目的是为了在驱动回复过程中提供回复力，进而提高压电驱动器的响应频率。楔形预紧块9的作用是在安装5个压电叠堆陶瓷8时施加一定的预紧力，以保证内部结构的紧凑性，防止由于装配误差导致的驱动位移失效。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，后缘小翼5的弦长为基本桨叶1长度的20％。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，两个楔形预紧块9的一端设置有3个压电叠堆陶瓷8，两个楔形预紧块9的另一端设置有2个压电叠堆陶瓷8。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚大于1.5mm。

本实施方式中，弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚大于1.5mm，使得压电驱动器3具有较大的驱动力和响应频率。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，压电叠堆陶瓷8的厚度为7mm。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，弹簧钢椭圆形放大机构7的放大倍数a与弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚l及弧边所成的角度θ的关系式为：

式中，u表示位移。

本实施方式中，弹簧钢椭圆形放大机构7的放大倍数与弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚l及角度θ有关，角度θ越小，弹簧钢椭圆形放大机构7的放大倍数越大，弹簧钢椭圆形放大机构7的壁厚l越小，压电驱动器3产生的位移越大。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，弧边所成的角度θ的取值范围为4°至30°。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，对压电驱动器3施加电压的范围为0-150V。

本实施方式中，对压电驱动器3施加电压后，压电驱动器3会向左侧收缩，带动后缘小翼连接杆4运动，进而驱动后缘小翼5偏转。若施加的电压为交流电压，则压电驱动器3会驱动后缘小翼5上下偏转。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，后缘小翼连接杆4的左端通过螺纹与压电驱动器3的右侧固定，后缘小翼连接杆4的右端与后缘小翼通过光滑的轴连接。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的用于降低旋翼振动的装置作进一步说明，本实施方式中，后缘小翼5绕着小翼连接片6进行偏转，会产生惯性力△L和气动载荷力矩△M能够和基本桨叶1产生的惯性力和气动载荷进行抵消，从而达到减振的效果。

本实施方式中，由后缘小翼偏转产生的附加惯性载荷和气动载荷将与旋翼振动载荷进行部分抵消，从而实现旋翼振动载荷的降低。