一种倾转共轴四旋翼无人飞行器的制作方法

1.本实用新型属于无人飞行器技术领域，尤其涉及一种倾转共轴四旋翼无人飞行器。


背景技术：

2.目前，现有的两轴复合直升机主要包括交叉双旋翼直升机、倾转旋翼双轴直升机、横列式和纵列式双轴直升机。交叉双旋翼直升机代表机型有卡曼“k-max”型直升机，倾转旋翼双轴直升机的代表机型有v-22“鱼鹰”和贝尔－609倾转旋翼机，横列式双轴直升机代表机型有米－12直升机，纵列式双轴直升机代表机型有ch-47“支奴干”直升机。横列式和交叉双旋翼直升机由于其气动设计复杂、缺陷较多等原因发展较慢，目前仍应用较广泛的主要是倾转旋翼双轴直升机和纵列式双轴直升机。
3.随着无人机技术的发展应用，近年来纵列式双旋翼无人直升机技术发展应用迅速，比较典型的机型包括mk400、s100、zc300等纵列式双旋翼无人飞行器。目前已经较广泛应用在农业植保作业、地质勘察、大型平台巡检、物资运输、消防救援等领域。双轴油动无人飞行器主要采用汽油机作为动力，皮带传动、旋翼头调距、飞控自动导航等技术。应用中这些飞行器具有航时长、飞行稳定、载重量大、省油等优势，但从发展的角度看还存在一些不足的地方。一是不论是纵列式还是横列式双轴无人飞行器，为了减少其横向或纵向尺寸，通常采取两旋翼交叉重叠布置，而由于旋翼之间的空间重叠，飞行器运行中旋翼气流相互影响，不利于飞行器的稳定控制和旋翼效率。二是采用旋翼头倾斜盘控制旋翼周期调距，对于旋翼头的材料强度和控制系统组件的受力要求较高，相关部件的工作寿命受到限制。三是纵列式无人直升机前后旋翼轴距较大，左右转向不够灵敏可靠，机身气动力矩不稳定，偏航操纵效率较低。
4.为解决上述双旋翼无人直升机存在的问题，本新型提出一种倾转共轴四旋翼方案，在发动机选择、机架结构设计、正反转旋翼头总距调节设计以及旋翼倾转控制上进行改进。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)不论是纵列和横列式双轴无人飞行器，为了减少其横向或纵向尺寸，通常采取两旋翼交叉重叠布置，而由于旋翼之间的空间重叠，飞行器运行中旋翼气流相互影响，不利于飞行器的稳定控制和旋翼效率。
7.(2)采用旋翼头倾斜盘控制旋翼周期调距，对于旋翼头的材料强度和控制系统组件的受力要求较高，相关部件的工作寿命受到限制。
8.(3)纵列式无人直升机前后旋翼轴距较大，左右转向不够灵敏可靠，机身气动力矩不稳定，偏航操纵效率较低。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种倾转共轴四旋翼无人飞行器。
10.本实用新型是这样实现的，一种倾转共轴四旋翼无人飞行器，采用正反转旋翼双轴并列布置，同一轴线上安装共轴反转两对旋翼，正反转旋翼头只调节旋翼总距不进行周期变距调节，通过旋翼倾转组件实现飞行器姿态调整；采用轴向柱塞式六缸四冲程汽油机作为发动机，机架根据发动机三角体外形设计，飞行器整体结构呈等腰三角体形状。
11.本实用新型具体由正反转旋翼头、正反转旋翼、桨距调节舵机、桨距控制组件、直角传动箱、正反转传动齿轮、可转轴套、旋翼倾转组件、传动轴、中间传动轴、皮带轮、皮带张紧组件、传动皮带、机架、发动机、固定吊码、燃油箱、油箱固定座、冷却水箱、滑油箱、启动控制箱、飞行控制箱组成。
12.进一步，所述机架，包括：轴承盖、承力横梁、端面支架、中间支架、斜支撑杆、脚架和连接件；
13.其中，所述机架上部为所述承力横梁，所述轴承盖安装在所述承力横梁上，用于固定轴承及转动部件；所述机架中部为所述端面支架和所述中间支架，所述端面支架上端通过螺栓固定在所述承力横梁上，下端通过所述连接件与所述中间支架固定安装，所述端面支架底端与所述承力横梁两端通过所述斜支撑杆加固；所述机架下部为脚架，所述脚架通过所述连接件固定于所述端面支架底部；所述燃油箱、所述冷却水箱、所述滑油箱、所述启动控制箱、所述飞行控制箱、所述发动机安装在所述机架的中间支架上。
14.进一步，所述发动机纵向安装，所述发动机的上部中段通过所述固定吊码安装于所述承力横梁下，底部前后两端通过螺栓固定于所述中间支架上；所述燃油箱安装于所述发动机两侧，并通过所述油箱固定座固定于中间支架上，所述冷却水箱及所述滑油箱安装在所述发动机输出端附近，底部通过螺栓固定于所述中间支架上，所述启动控制箱、所述飞行控制箱安装在发动机自由端的端面支架内侧。
15.进一步，所述发动机通过所述皮带轮、所述传动皮带与安装在所述机架上端的所述中间传动轴，与所述传动轴连接；所述中间传动轴两侧为所述传动轴，两者之间通过联轴节连接；所述传动轴外部套有所述可转轴套，所述可转轴套内侧一端安装蜗轮，并与其下部蜗杆及伺服电机相连，所述可转轴套外侧一端安装所述直角传动箱。
16.进一步，所述直角传动箱内部上下端为所述正反转传动齿轮，分别与所述传动轴末端的齿轮啮合，所述正反转传动齿轮分别安装在所述正反转旋翼头的轴上，所述正反转旋翼头顶端两侧安装所述正反转旋翼，所述正反转旋翼头的轴上套装了所述桨距控制组件。
17.进一步，所述桨距控制组件包括上部调节滑块、拉杆、下部调节滑块；其中，所述上部调节滑块上端通过所述拉杆与上层的所述正反转旋翼头铰接，下端通过所述拉杆与所述下部调节滑块铰接，所述下部调节滑块上端还通过所述拉杆与下层的所述正反转旋翼头铰接，下端通过所述拉杆与所述桨距调节舵机铰接。
18.进一步，所述桨距调节舵机安装在所述直角传动箱两侧，用于调节旋翼桨距，在所述拉杆和所述桨距控制组件连接作用下，旋翼角度发生偏转，桨距相应发生改变。
19.进一步，所述旋翼倾转组件包括蜗轮、蜗杆、伺服电机；
20.其中，所述蜗杆、所述伺服电机安装在所述机架的承力横梁上，所述蜗轮安装在所述可转轴套一端；所述蜗杆与所述蜗轮通过齿面配合安装，所述蜗杆又通过所述齿轮与伺服电机啮合传动。
21.进一步，所述伺服电机转动时，伺服电机通过齿轮带动所述蜗杆、所述蜗轮转动，进而使得所述可转轴套相应转动，最终使得所述直角传动箱、所述正反转旋翼头发生倾转，从而改变所述正反转旋翼的升力方向。
22.进一步，所述皮带张紧组件由驱动电机、丝杆、滑块、张紧轮、张紧支架组成，其中，所述驱动电机侧面通过螺栓固定在所述张紧支架内部，所述驱动电机轴与所述丝杆固定连接，所述丝杆与所述滑块通过内外螺纹配合连接，所述滑块底部及侧面通过间隙配合安装在所述张紧支架内，可左右滑动，其外侧一端与所述张紧轮通过轴承连接。
23.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
24.本实用新型采用四旋翼设计，两轴并列布置，且同一轴线上布置共轴反转双旋翼，旋翼空间不交叉。
25.本实用新型采用刚性调距旋翼头，通过旋翼头上下移动调距以减少周期交变载荷的产生，提高稳定性。
26.本实用新型旋翼可倾转设计，通过控制旋翼轴倾转实现飞行器姿态调整，可以提高双旋翼直升机的偏航操纵效率。
27.本实用新型发动机采用轴向对置六缸四冲程汽油机，其结构紧凑，径向尺寸及振动较小，有利于直升机气动布局。
28.本实用新型的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本实用新型的技术方案转化后，产品可广泛应用于农业植保、物资投送、消防救援、地质水文勘探等领域。由于采用了两轴并列布置的共轴反转四旋翼设计，飞行器在不降低承载能力的情况最大尺寸缩小，有利于狭窄地域的起降和飞行；此外采用刚性调距旋翼头，其可靠性和使用寿命提高，产品在频繁机动和长时间工作条件下故障率降低，市场竞争力提高。
附图说明
29.图1是本实用新型实施例提供的飞行器总体结构图；
30.图2是本实用新型实施例提供的飞行器分解图；
31.图3是本实用新型实施例提供的飞行器发动机结构图；
32.图4是本实用新型实施例提供的飞行器机架结构图；
33.图5是本实用新型实施例提供的飞行器旋翼相关部件结构组成及剖视图；
34.图6是本实用新型实施例提供的飞行器旋翼倾转组件结构图；
35.图7是本实用新型实施例提供的飞行器皮带张紧组件的正反转传动齿轮及下部调节滑块结构图；
36.图中：1、正反转旋翼头；2、正反转旋翼；3、桨距调节舵机；4、桨距控制组件；5、直角传动箱；6、正反转传动齿轮；7、可转轴套；8、旋翼倾转组件；9、传动轴；10、中间传动轴；11、皮带轮；12、皮带张紧组件；13、传动皮带；14、机架；15、发动机；16、固定吊码；17、燃油箱；18、油箱固定座；19、冷却水箱；20、滑油箱；21、启动控制箱；22、飞行控制箱；23、轴承盖；24、承力横梁；25、端面支架；26、中间支架；27、斜支撑杆；28、脚架；29、连接件；30、上部调节滑块；31、拉杆；32、下部调节滑块；33、蜗轮；34、蜗杆；35、伺服电机；36、驱动电机；37、丝杆；38、滑块；39、张紧轮；40、张紧支架。
具体实施方式
37.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
38.本实用新型实施例提供的倾转共轴四旋翼无人飞行器的旋翼倾转组件工作原理：当操纵机架上安装的伺服电机转动时，伺服电机通过齿轮带动蜗杆、蜗轮转动，进而使得可转轴套相应转动，最终使得直角传动箱、正反转旋翼头发生倾转，从而改变正反转旋翼的升力方向。
39.本实用新型实施例提供的倾转共轴四旋翼无人飞行器的皮带张紧组件工作原理：操纵飞行控制箱使驱动电机带动丝杆转动，继而驱动张紧轮与皮带接触并压紧，此时发动机输出端皮带轮通过皮带的作用带动中间传动轴及其皮带轮转动，继而带动两侧传动轴转动。
40.本实用新型实施例提供的倾转共轴四旋翼无人飞行器的旋翼控制组件工作原理：桨距调节舵机安装在直角传动箱两侧，当操纵飞行控制箱使桨距调节舵机运转时，在拉杆的作用下，下部调节滑块向下滑动，继而带动下层的正反转旋翼头转动。同时由于下部调节滑块通过拉杆与上部调节滑块铰接，因此当下部调节滑块动作时，上部调节滑块也跟随一起向下滑动，继而在拉杆的作用下，带动上层的正反转旋翼头转动。正反转旋翼头上安装固定有正反转旋翼，因此当正反转旋翼头转动时，正反转旋翼跟随发生角度偏转，即桨距发生改变。
41.为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
42.如图1至图4所示，一种倾转共轴四旋翼无人飞行器，包括正反转旋翼头1、正反转旋翼2、桨距调节舵机3、桨距控制组件4、直角传动箱5、正反转传动齿轮6、可转轴套7、旋翼倾转组件8、传动轴9、中间传动轴10、皮带轮11、皮带张紧组件12、传动皮带13、机架14、发动机15、固定吊码16、燃油箱17、油箱固定座18、冷却水箱19、滑油箱20、启动控制箱21、飞行控制箱22组成。其中机架14由轴承盖23、承力横梁24、端面支架25、中间支架26、斜支撑杆27、脚架28和连接件29组成。其结构根据发动机15外形设计，整体呈等腰三角体形状，有利于飞行器的整体气动布局。机架14上部为承力横梁24，轴承盖23安装在承力横梁24上用于固定轴承及转动部件。机架14中部为端面支架25和中间支架26，端面支架25上端通过螺栓固定在承力横梁24上，下端通过连接件29与中间支架26固定安装，端面支架25底端与承力横梁24两端还通过斜支撑杆27加固。机架14下部为脚架28，脚架28通过连接件29固定在端面支架25底部。
43.燃油箱17、冷却水箱19、滑油箱20、启动控制箱21、飞行控制箱22、发动机15安装在机架14的中间支架26上，其中发动机15纵向安装，发动机15的上部中段通过固定吊码16安装在承力横梁24下，底部前后两端通过螺栓固定于中间支架26上。燃油箱17位于发动机15两侧，并通过油箱固定座18固定于中间支架26上，冷却水箱19及滑油箱20安装在发动机15输出端附近，底部通过螺栓固定于中间支架26上，启动控制箱21、飞行控制箱22安装在发动机15自由端的端面支架25内侧。发动机15通过皮带轮11、传动皮带13与安装在机架14上端的中间传动轴10、传动轴9连接。中间传动轴10两侧为传动轴9，两者之间通过联轴节连接。
传动轴9外部套有可转轴套7，可转轴套7内侧一端安装蜗轮33，并与其下部蜗杆34及伺服电机35相连，可转轴套7外侧一端安装直角传动箱5。
44.如图2、5所示，直角传动箱5内部上下端为正反转传动齿轮6，分别与传动轴9末端的齿轮啮合，正反转传动齿轮6分别安装在相应的正反转旋翼头1的轴上、正反转旋翼头1顶端两侧安装相应的正反转旋翼2。正反转旋翼头1的轴上套装了桨距控制组件4，桨距控制组件4由上部调节滑块30、拉杆31、下部调节滑块32组成。上部调节滑块30上端通过拉杆31与上层的正反转旋翼头1铰接，下端通过拉杆31与下部调节滑块32铰接，下部调节滑块32上端还通过拉杆31与下层的正反转旋翼头1铰接，下端通过拉杆31与桨距调节舵机3铰接。桨距调节舵机3安装在直角传动箱5两侧，用于调节旋翼桨距，在拉杆31和桨距控制组件4连接作用下，旋翼角度发生偏转，桨距相应发生改变。
45.如图6所示，旋翼倾转组件8由蜗轮33、蜗杆34、伺服电机35组成。其中蜗杆34、伺服电机35安装在机架14的承力横梁24上，蜗轮33安装在可转轴套7一端。蜗杆34与蜗轮33通过齿面配合安装，蜗杆34又通过齿轮与伺服电机啮合传动。当操纵机架14上安装的伺服电机35转动时，伺服电机35通过齿轮带动蜗杆34、蜗轮33转动，进而使得可转轴套7相应转动，最终使得直角传动箱5、正反转旋翼头1发生倾转，从而改变正反转旋翼2的升力方向。
46.如图7所示，皮带张紧组件12由驱动电机36、丝杆37、滑块38、张紧轮39、张紧支架40组成。其中驱动电机36侧面通过螺栓固定在张紧支架40内部，驱动电机36轴与丝杆37固定连接，丝杆37与滑块38通过内外螺纹配合连接，滑块38底部及侧面通过间隙配合安装在张紧支架40内，可左右滑动，其外侧一端与张紧轮39通过轴承连接。
47.飞行器不工作时，皮带张紧组件的张紧轮与皮带脱开，此时启动发动机，其输出端的皮带轮转动，但由于皮带处于松弛状态，上部中间传动轴上的皮带轮不会转动。当需要使用飞行器时，可操纵飞行控制箱使驱动电机带动丝杆转动，继而驱动张紧轮与皮带接触并压紧，此时发动机输出端皮带轮通过皮带的作用带动中间传动轴及其皮带轮转动，继而带动两侧传动轴转动，再通过直角传动箱内正反转传动齿轮驱动正反转旋翼轴、正反转旋翼头及正反转旋翼转动。桨叶转动后，在一定桨距和转速下，飞行器获得足够升力开始起飞。
48.飞行器作为横列式双轴直升机使用时，飞行器横向放置，正反转旋翼头及正反转旋翼分别位于飞行左右侧。调节左右侧桨距可以实现飞行器左右平衡和移动；操纵伺服电机运行使轴套倾转不同角度，从而改变正反转旋翼头轴线的倾转角度和方向，可以实现飞行器的转动和前后飞行；
49.飞行器作为纵列式双轴直升机使用时，飞行器作为纵向放置，调节后端正反转旋翼桨距，使飞行器后端抬起，实现飞行器向前飞行。调节可转轴套倾转角度和方向，可以实现飞行器转向和左右移动平衡。
50.现有的并列式双旋翼飞行器基本采用了两轴并列布置的形式，且两旋翼之间交叉重叠布置，运行中旋翼气流相互影响，不利于飞行器的稳定控制和旋翼效率。本实用新型采用共轴反转四旋翼设计，相比现有的油动四旋翼飞行器，在整机的纵向尺寸上缩小一半；相比现有的并列双旋翼飞行器，在横向尺寸不增加的情况下，承载能力进一步提高。
51.此外飞行器采用刚性调距旋翼头设计，旋翼头不需要进行周期变距，改用伺服电机通过蜗轮蜗杆传动控制旋翼倾转。该设计避免了采用大扭力舵机进行周期调距的难题，还提高了飞行器姿态调整的可靠性，转向和偏航操纵效率比现有产品理论上更有效。
52.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
53.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，包括：双轴并列布置的正反转旋翼；同一轴线上安装共轴反转两对旋翼；只调节总距不进行周期变距调节的正反转旋翼头；采用旋翼倾转组件实现飞行器姿态调整；采用轴向柱塞式六缸四冲程汽油机的发动机；根据发动机三角体外形设计的机架；飞行器整体结构采用等腰三角体形状。2.如权利要求1所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述机架包括：轴承盖、承力横梁、端面支架、中间支架、斜支撑杆、脚架和连接件；机架上部为承力横梁，轴承盖安装在承力横梁上，用于固定轴承及转动部件；机架中部为端面支架和中间支架，端面支架上端通过螺栓固定在承力横梁上，下端通过连接件与中间支架固定安装，端面支架底端与承力横梁两端通过斜支撑杆加固；机架下部为脚架，脚架通过连接件固定于端面支架底部；燃油箱、冷却水箱、滑油箱、启动控制箱、飞行控制箱、发动机安装在机架的中间支架上。3.如权利要求1所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述发动机纵向安装，发动机的上部中段通过固定吊码安装于承力横梁下，底部前后两端通过螺栓固定于中间支架上；燃油箱安装于发动机两侧，并通过油箱固定座固定于中间支架上，冷却水箱及滑油箱安装在发动机输出端附近，底部通过螺栓固定于中间支架上，启动控制箱、飞行控制箱安装在发动机自由端的端面支架内侧。4.如权利要求1所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述发动机通过皮带轮、传动皮带与安装在机架上端的中间传动轴，与传动轴连接；中间传动轴两侧为传动轴，两者之间通过联轴节连接；传动轴外部套有可转轴套，可转轴套内侧一端安装蜗轮，并与其下部蜗杆及伺服电机相连，可转轴套外侧一端安装直角传动箱。5.如权利要求4所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述直角传动箱内部上下端为正反转传动齿轮，分别与传动轴末端的齿轮啮合，正反转传动齿轮分别安装在正反转旋翼头的轴上，正反转旋翼头顶端两侧安装正反转旋翼，正反转旋翼头的轴上套装了桨距控制组件。6.如权利要求5所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述桨距控制组件包括上部调节滑块、拉杆、下部调节滑块；其中，上部调节滑块上端通过拉杆与上层的正反转旋翼头铰接，下端通过拉杆与下部调节滑块铰接，下部调节滑块上端还通过拉杆与下层的正反转旋翼头铰接，下端通过拉杆与桨距调节舵机铰接；桨距调节舵机安装在直角传动箱两侧。7.如权利要求1所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述旋翼倾转组件包括蜗轮、蜗杆、伺服电机；其中，蜗杆、伺服电机安装在机架的承力横梁上，蜗轮安装在可转轴套一端；蜗杆与蜗轮通过齿面配合安装，蜗杆又通过齿轮与伺服电机啮合传动。8.如权利要求2所述的倾转共轴四旋翼无人飞行器，其特征在于，所述无人飞行器还设置有皮带张紧组件，该组件包括驱动电机、丝杆、滑块、张紧轮、张紧支架；所述驱动电机侧
面通过螺栓固定在所述张紧支架内部，所述驱动电机轴与所述丝杆固定连接，所述丝杆与所述滑块通过内外螺纹配合连接，所述滑块底部及侧面通过间隙配合安装在所述张紧支架内，可左右滑动，其外侧一端与所述张紧轮通过轴承连接。

技术总结
本实用新型属于无人飞行器技术领域，公开了一种倾转共轴四旋翼无人飞行器，包括正反转旋翼头、正反转旋翼、桨距调节舵机、桨距控制组件、直角传动箱、正反转传动齿轮、可转轴套、旋翼倾转组件、传动轴、中间传动轴、皮带轮、皮带张紧组件、传动皮带、机架、发动机、固定吊码、燃油箱、油箱固定座、冷却水箱、滑油箱、启动控制箱、飞行控制箱。本实用新型采用四旋翼设计，两轴并列布置，且同一轴线上布置共轴反转双旋翼，轴距扩大使得旋翼空间不交叉，通过旋翼头上下移动调距提高稳定性，控制旋翼轴倾转实现飞行器姿态调整，提高偏航操纵效率，发动机采用轴向对置六缸四冲程汽油机，结构紧凑，径向尺寸及振动较小，有利于直升机气动布局。有利于直升机气动布局。有利于直升机气动布局。


技术研发人员：申文才
受保护的技术使用者：尹喜连
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2023/4/18