基于指节式连杆驱动的后缘变弯度机构的制作方法

本发明涉及柔性可变形机翼技术领域，具体地说,涉及一种可变弯度机翼后缘装置。

背景技术：

随着智能材料、结构优化理论的发展，目前变形翼的研究对机翼设计要求更为轻量化、能够产生大变形，具有一定承载性，利用柔性机构和刚性机构理论代替传统的襟翼和副翼，设计一种能够跟随外界环境，自适应变弯角度的柔性翼是目前变形翼研究的重点。

2015年美国多伦多大学yuewang设计了一款基于全刚性机构的柔性翼，并制作飞机模型进行了试飞，其通过三个滑动对实现四段机翼的运动耦合，通过在末端加力进行驱动，变形连续光滑，但变形角度较小。在刚性机构变弯度机翼的研究中，通过液压或者电机驱动机构，使得刚性机构产生变形，从而驱动柔性蒙皮产生变形。由于刚性机构无法针对多目标点进行同时优化，变形较大的话，会使得蒙皮发生屈曲，且重量较大，不利于飞机节省燃油，但其承载性能和稳定性能较好，在小变形中具有较大优势。

2003年，kerr-jia以自适应机翼后缘为例提出了形变柔顺机构的设计方法，其设计的形变柔顺机构可实现顶点6.121英寸的变化。在柔性变弯度机翼的研究中，利用柔顺机构设计可以实现机翼的连续光滑大变形，从而获得最佳的空气动力学性能，提高飞行器的升力系数，但飞行器飞行的过程中，除了要能够改变飞机前后缘的形状，同时要具有一定的承载性，即要能承受空气流速所产生的压强。目前基于柔性机构的设计，虽能够实现理想的变形，但无法兼顾承载能力。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为了避免现有技术存在的不足,本发明借鉴刚性机构驱动柔性翼设计与柔顺机构驱动的柔性翼设计各自的优点，使变形翼既满足大变形要求，又具有一定的承载性。

本发明进一步的技术方案是：基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构，其特征在于，包括立板、蒙皮、主驱动轴、驱动变形机构、蒙皮回收机构和传动机构；所述蒙皮上缘根部与立板固连，且立板所在平面与蒙皮下缘所在平面相互垂直；主驱动轴、驱动变形机构、蒙皮回收机构和传动机构均位于上下蒙皮之间形成的腔室内；传动机构位于主驱动轴中部，两端分别设有驱动变形机构，驱动变形机构两侧对称设有蒙皮回收机构；

所述驱动变形机构包括第一主轴、第一支撑杆、支撑蒙皮肋条、第一封闭杆、第二支撑杆、第二封闭杆、第三支撑杆、偏心轮、偏心轮连杆、偏心轮轴承、第一驱动轴承和第二轴；第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆依次同轴铰接，第一支撑杆未与第二支撑杆连接的一端通过钢轴与支撑板铰接；三根支撑杆上下设有柔性铰链；支撑蒙皮肋条一端与第一支撑杆上的柔性铰链连接，两根第一封闭杆对称分布在第一支撑杆两侧，一端通过第二轴与支撑板铰接，另一端与第二支撑杆上的凸起处铰接；两根第二封闭杆对称分布在第二支撑杆两侧，一端与第三支撑杆铰接，另一端与第一支撑杆铰接；支座通过对称固定于第一支撑杆两侧，使偏心轮处支撑蒙皮肋条避开偏心轮连杆。偏心轮通过固定在驱动轴上，驱动轴与支撑板上的轴承端盖和轴承同心安装，偏心轮外侧装有配套轴承，偏心轮连杆一端与第二支撑杆相铰接，一端装在轴承上；

所述蒙皮回收机构包括轨道、滑块处轴承、滑块、连杆和曲柄，且轨道和曲柄通过连杆连接，曲柄通过平键与驱动轴相固连，连杆一端与曲柄铰接，一端与滑块铰接。滑块连有滑块处轴承，轴承放置在轨道的槽中，轨道固定在立板上，并通过立板上的方孔伸入机翼中段。

本发明进一步的技术方案是：所述轨道下表面与立板下固定面平齐，轨道槽曲线与下侧翼型曲线一致，且其与中段刚性蒙皮的距离与后缘蒙皮厚度相等，下缘蒙皮夹在立板与机翼中段刚性蒙皮之间的空腔中，以保证变形过程中下缘蒙皮的翼型。

本发明进一步的技术方案是：所述滑块采用l形设计，短边处与蒙皮通过螺栓相连，长边末端通过钢轴与两侧的轴承固连，避免了滑块运动过程中与立板下固定面干涉。

本发明进一步的技术方案是：所述传动机构包括、驱动电机、联轴器、不完整蜗轮、蜗杆、轴承端盖、轴承和轴承，驱动轴通过花键与蜗轮固连，蜗杆与蜗轮啮合安装，蜗杆两端同心安装轴承及轴承端盖，轴承端盖通过螺栓与支撑板固连，轴承由蜗杆轴上的轴肩固定。电机固定在立板前侧，电机输出轴通过联轴器与蜗杆相固连。

发明效果

本发明的技术效果在于：本结构基于刚柔耦合设计思想，克服了刚性变形翼重量大变形小、柔性变形翼承载能力不足的缺点。蒙皮内部设计柔顺机构，通过刚性机构驱动柔性机构，即刚柔耦合的设计思想，在刚性机构发生大变形时，蒙皮不会产生屈曲，可在实现17度大变形的同时满足承载能力，能够大幅度提高飞行器的升阻比，节省燃油消耗，增加续航能力，保证飞机的稳定可靠飞行。

附图说明

本专利附图示意以传动机构为中心对称布置的两翼段。

图1是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构外部机构整体示意图

图2是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构内部机构整体示意图

图3是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构驱动变形机构示意图

图4是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构蒙皮回收机构示意图

图5是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构的传动机构示意图

图6是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构的主驱动轴示意图

图7是本发明基于“指节式”连杆驱动的后缘变弯度机构的内部机构分布示意图

图中：1：立板；2：蒙皮；3：六杆机构支撑板；4：轴承端盖；5：主驱动轴；6：蜗轮蜗杆机构支撑板；7：轴承端盖；8：轴一；9：支撑杆一；10：支撑蒙皮肋条；11：封闭杆一；12：支座；13：支撑杆二；14：封闭杆二；15：支撑杆三；16：柔性铰链；17：轴二；18：驱动轴轴承一；19：偏心轮；20：偏心轮轴承；21：偏心轮连杆；22：轨道；23：滑块处轴承；24：滑块；25：连杆；26：曲柄；27：电机；28：联轴器；29：蜗杆轴承端盖；30：蜗杆轴承；31：蜗杆；32：蜗轮；33：驱动轴轴承二；34：左侧驱动轴；35：右侧驱动轴。

具体实施方式

参阅图1～图7，本机构由支撑结构、瓦特型六杆机构、蒙皮、柔性铰链支撑机构、驱动机构、下蒙皮回收机构、传动机构及加载装置组成。

机构整体如图1、图2所示，蒙皮2材料为玻璃纤维增强复合材料，展长1米，弦长1.3米，蒙皮上缘根部与立板1通过螺栓相固连，且立板1所在平面与蒙皮2下缘所在平面相互垂直。上下蒙皮之间形成的腔室内部包含阵列的两套驱动蒙皮变形机构，其中每套机构包含一组瓦特型六杆机构以及两组下蒙皮回收机构，两组下蒙皮回收机构沿六杆机构对称分布，蒙皮内部机构分布情况如图7所示。支撑结构包括立板1，以及通过螺栓固定在立板上的六杆机构支撑板3、蜗轮蜗杆机构支撑板6。支撑板3沿六杆机构对称分布，整个后缘共有4个；支撑板6沿蜗轮32对称分布，整个后缘共有两个；支撑板3、6通过板上的连接孔分别与配套轴承端盖4、7以及配套轴承18、33同心安装，对驱动轴5起到支撑作用。

驱动变形机构如图3所示，其中瓦特型六杆机构通过钢轴8、17与支撑板3铰接，三根支撑杆9、13、15首尾铰接排成一条直线通过轴8铰接在支撑板3上。三根支撑杆上下共通过螺钉固定了12个柔性铰链底座，柔性铰链通过螺钉固定在各底座上，铰链另一端通过螺栓与数根支撑蒙皮肋条相连，肋条另一端也通过螺栓固定着柔性铰链，该柔性铰链通过螺栓与蒙皮2上的桁梁相固连。为了避免支撑蒙皮肋条与连杆21干涉，柔性铰链支架12通过螺钉对称固定于支撑杆9两侧，使偏心轮处支撑蒙皮肋条避开偏心轮连杆21。由于支撑杆15末端与蒙皮距离过近，直接通过螺钉在支撑杆末端侧面固定一个柔性铰链上下相连，末端上侧不设置肋条，直接通过螺栓将一个柔性铰链与桁条相固连，末端下侧蒙皮不设置桁梁，直接通过螺钉将柔性铰链座与蒙皮相固连。为保证蒙皮变化角度，封闭杆11一端通过轴17与支撑板3相铰接，一端与支撑杆13铰接；封闭杆2两端分别与支撑杆9、15相铰接。偏心轮19通过平键固定在驱动轴5上，驱动轴5与支撑板3上的轴承端盖和轴承同心安装，偏心轮外侧装有配套轴承20，连杆21一端与支撑杆13相铰接，一端装在轴承20上。

蒙皮回收机构如图4所示，其中曲柄26通过平键与驱动轴5相固连，连杆25一端与曲柄26铰接，一端与滑块24铰接。为避免滑块24运动过程中与立板下固定面干涉，滑块采用l形设计，短边处与蒙皮通过螺栓相连，长边末端通过钢轴与两侧的轴承23固连，轴承23放置在轨道22的槽中，以避免运动过程中摩擦力过大。轨道22通过螺栓固定在立板1上，并通过立板上的方孔伸入机翼中段，轨道下表面与立板1下固定面平齐，轨道槽曲线与下侧翼型曲线一致，且其与中段刚性蒙皮的距离与后缘蒙皮厚度相等，下缘蒙皮夹在立板1与机翼中段刚性蒙皮之间的空腔中，以保证变形过程中下缘蒙皮的翼型。

如图5所示，加载及传动机构由驱动轴5、驱动电机27、联轴器28、带有花键的不完整蜗轮32、蜗杆31、轴承端盖29以及轴承30、33组成。驱动轴5具体结构如图6所示，整轴沿花键中间分为两段，两侧共有6个键槽分别通过平键与4个蒙皮回收曲柄26、2个偏心轮19相连。驱动轴5通过花键与蜗轮32固连，蜗杆31与蜗轮32啮合安装，蜗杆31两端同心安装轴承30及轴承端盖29，轴承端盖29通过螺栓与支撑板6固连，轴承30由蜗杆轴上的轴肩固定。电机27通过4个螺钉固定在立板1前侧，电机输出轴通过联轴器28与蜗杆31相固连。

整套机构通过单电机驱动蒙皮变形，电机27通过联轴器28连接蜗杆31，然后带动蜗轮32转动，蜗轮32通过花键带动整个驱动轴5转动，驱动轴再通过平键驱动瓦特型六杆机构部分的偏心轮以及回收蒙皮机构部分的曲柄转动。偏心轮上连杆21拉动支撑杆13，从而带动整个六杆机构运动到目标位置，其中支撑杆9、13、15通过柔性铰链以及支撑蒙皮肋条驱动蒙皮达到目标翼型；回收蒙皮处连杆25驱动滑块24，滑块24两侧的轴承在轨道22的槽内运动，从而约束滑块带动下蒙皮沿指定翼型曲线回收一定长度，回收的蒙皮伸入立板下侧与机翼中段刚性蒙皮之间的空腔中，从而保证下缘蒙皮无曲率突变，变形精确。当驱动电机停止转动时，蜗轮蜗杆发生自锁，能够维持后缘变形后的翼型不变。