втулка несущего винта

Формула изобретения

Втулка несущего винта, содержащая вращающийся наружный корпус с зубчатым колесом предварительной раскрутки, невращающийся внутренний вал, внутри которого расположен рычажный механизм управления для наклона оси и перемещения в вертикальном направлении соединенного с ним вращающегося устройства, установленного на механизм управления и связанного с рычагами поворота лопастей, соединенными с втулкой через элемент крепления с осевым шарниром, отличающаяся тем, что вращающееся устройство выполнено в виде коромысла, элемент крепления выполнен в виде скобы, втулка снабжена карданной рамкой и корпусом качалки, соединенным с каждой из двух лопастей через скобу, осевой шарнир выполнен в виде пальца, установленного в корпусе качалки под конструктивным углом конусности к плоскости вращения втулки, на консольные части которого установлена скоба с опорой упорного подшипника с возможностью поворота относительно оси пальца и соединенная с корпусом качалки через опору с упорным подшипником, при этом корпус качалки шарнирно соединен с вращающимся наружным корпусом втулки карданной рамкой, расположенной над корпусом качалки, оси карданной рамки взаимно перпендикулярны, а точка пересечения осей расположена на оси вращения втулки, причем ось рамки, параллельная оси лопастей, является осью общего осевого шарнира, а ось рамки, перпендикулярная оси лопастей, совмещена с осью, соединяющей коромысло с рычагами поворота лопастей на одном из углов установки лопастей, и является осью общего горизонтального шарнира, механизм управления выполнен с тремя раздельными тягами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к конструкции втулки винтокрылых летательных аппаратов, и может быть использовано в любом виде технике, где применяются управляемые аэродинамические поверхности.

Известна втулка двухлопастного несущего винта на качалке конструкции Юнга (Б. Спунда. Летающие модели вертолетов, “Мир”, 1988 г., с. 16-19), состоящая из корпуса, выполненного в виде карданного подвеса с лопастями, которые крепятся к втулке без горизонтальных и вертикальных шарниров, посредством лишь осевых шарниров и имеют поводки к автомату перекоса. Все детали управления, идущие от автомата перекоса к лопастям, вращаются. Управление общим шагом лопастей происходит путем перемещения автомата перекоса в вертикальном направлении. Циклическое управление осуществляется наклоном всей втулки вместе с лопастями на карданном подвесе во всех направлениях относительно продольной оси лопастей.

Однако управление такой втулкой с помощью автомата перекоса ведет к усложнению конструкции втулки, а расположение вращающихся деталей системы управления снаружи втулки ухудшает условия эксплуатации деталей системы управления.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является втулка Хафнера (Жабров. Автожир и геликоптер, 1939 г., с. 152-155), содержащая вращающийся наружный корпус с зубчатым колесом предварительной раскрутки, соединенный с невращающимся внутренним валом, внутри которого расположен рычажный механизм управления для наклона оси и перемещения в вертикальном направлении соединенного с ним вращающегося устройства, установленного на рычажный механизм управления и связанного с рычагами поворота лопастей, соединенных с втулкой через элемент крепления с осевым шарниром. Циклическое управление осуществляется путем принудительного увеличения угла установки каждой лопасти при их движении по окружности в одних азимутальных положениях и уменьшения в других посредством наклона оси вращающегося устройства. Таким образом, каждая лопасть в своем движении по окружности постоянно совершает периодическое движение в осевом шарнире, все время изменяя угол установки, что усложняет конструкцию осевого шарнира и ухудшает условия его работы. Изменение общего шага лопастей происходит путем перемещения вращающегося устройства в вертикальном направлении.

Недостатком такой втулки является сложность конструкции, увеличение числа степеней свободы лопасти за счет наличия вертикальных и горизонтальных шарниров, а также пониженный ресурс деталей втулки за счет движения в осевом шарнире при циклическом управлении и взмахе лопасти.

Технической задачей, решаемой предложенной втулкой, является увеличение ее ресурса за счет улучшения условий работы упорного подшипника осевого шарнира и разгрузке общих горизонтального и осевого шарниров от центробежной силы и снижение усилий, передающихся в систему управления, а также упрощение конструкции.

Для достижения технической задачи втулка несущего винта содержит вращающийся наружный корпус с зубчатым колесом предварительной раскрутки, установленный на невращающийся внутренний вал, внутри которого расположен рычажный механизм управления для наклона оси и перемещения в вертикальном направлении соединенного с ним вращающегося устройства, установленного на рычажный механизм и шарнирно связанного с рычагами поворота лопастей, соединенных с втулкой через элемент крепления с осевым шарниром; вращающееся устройство выполнено в виде коромысла, элемент крепления выполнен в виде скобы, втулка снабжена карданной рамкой и корпусом качалки, соединенным с каждой из двух лопастей через скобу, осевой шарнир выполнен в виде пальца и установлен в корпусе качалки под конструктивным углом конусности к плоскости вращения втулки, на консольные части которого установлена скоба с опорой упорного подшипника с возможностью поворота относительно оси пальца и соединенная с корпусом качалки через опору с упорным подшипником, при этом корпус качалки шарнирно соединен с вращающимся наружным корпусом втулки через карданную рамку, расположенную над корпусом качалки, оси карданной рамки взаимно перпендикулярны, точка пересечения осей расположена на оси вращения втулки, ось рамки, параллельная оси лопастей, является осью общего осевого шарнира, а ось рамки, перпендикулярная оси лопастей, совмещена с осью, соединяющей коромысло с рычагами поворота лопастей на полетном угле установки лопастей и является осью общего горизонтального шарнира; рычажный механизм управления выполнен с тремя раздельными тягами (управление в каналах крена, тангажа и шага).

Отличительными признаками предлагаемой втулки несущего винта от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие признаки: вращающееся устройство выполнено в виде коромысла, элемент крепления выполнен в виде скобы, устройство снабжено карданной рамкой, выполненной одной деталью, корпус качалки соединен со скобой, осевой шарнир выполнен в виде пальца, установленного в корпусе качалки под конструктивным углом конусности к плоскости вращения втулки, на обе консольные части пальца, выступающие из корпуса качалки, установлена скоба с опорой упорного подшипника с возможностью поворота относительно оси пальца и соединенная с корпусом качалки через опору с упорным подшипником. Корпус качалки шарнирно соединен с вращающимся наружным корпусом через карданную рамку, расположенную над корпусом качалки. Оси карданной рамки взаимно перпендикулярны, точка пересечения осей расположена на оси вращения втулки, причем ось рамки, параллельная оси лопастей, является осью общего осевого шарнира, а ось, перпендикулярная оси лопастей, совмещена с осью, соединяющей коромысло с рычагами поворота лопасти на полетном угле установки лопастей и является осью общего горизонтального шарнира. Рычажный механизм выполнен с тремя раздельными тягами.

Благодаря наличию этих признаков в совокупности с известными, предлагаемая конструкция втулки позволяет упростить конструкцию втулки за счет исключения индивидуальных вертикальных и горизонтальных шарниров и автомата перекоса, увеличить ресурс втулки за счет разгрузки общих горизонтального и осевого шарниров, представляющих собой оси карданной рамки, от центробежной силы, и улучшить условия работы упорного подшипника за счет отсутствия циклического изменения угла установки лопасти в индивидуальном осевом шарнире.

На чертеже изображен общий вид втулки несущего винта с вертикальным разрезом (устройство рычажного механизма управления не показано).

Втулка несущего винта содержит вращающийся наружный корпус 1, соединенный с зубчатым колесом 2 предварительной раскрутки в нижней части корпуса и установленный через подшипники 3 на невращающийся внутренний вал 4. В своей нижней части вал 4 выполнен в виде фланца для установки втулки на летательный аппарат. Верхняя часть вала имеет резьбовую часть, на которую устанавливается гайка 5, фиксирующая наружный вращающийся корпус 1 в вертикальном направлении. Верхняя часть наружного корпуса 1 выполнена в виде вилки с разъемными проушинами, в которые через подшипники 6 установлены консольные части карданной рамки 7. На перпендикулярные им консольные части рамки 7 установлен корпус качалки 8 с разъемными узлами крепления в своей верхней части. Оси карданной рамки 7 взаимно перпендикулярны и пересекаются с осью вращения втулки y₁. Ось x₁ перпендикулярна оси лопастей и является осью общего горизонтального шарнира, а ось z₁ - параллельна и является осью общего осевого шарнира. Корпус качалки 8 соединен с каждой из двух лопастей (не показаны) через скобу 9, имеющую возможность поворота относительно оси пальца 10, образующего осевой шарнир лопасти. Палец 10 установлен в корпусе качалки 8 под конструктивным углом конусности а₀ и имеет две консольные части, выступающие из корпуса качалки 8, на которые через подшипники 11 установлены опора 12 и скоба 9. Корпус качалки 8 соединен через опору 12, содержащую опорный подшипник 13, с каждой из лопастей. Скоба 9 соединена изогнутым рычагом 14 с вращающимся коромыслом 15, установленным через подшипник 16 на невращающийся рычажный механизм 17. Рычаг 14 шарнирно соединен с вращающимся коромыслом 15, при этом ось, соединяющая рычаги поворота лопасти 14 с коромыслом 15, совмещена с осью x₁ карданной рамки 7 на полетном угле установки лопасти. Внутри неподвижного вала 4 установлен рычажный механизм 17, из нижней части которого выходят раздельные тяги управления в каналах тангажа 18, крена 19 и общего шага лопастей 20.

Втулка работает следующим образом.

Лопасти, соединенные с корпусом качалки, вращаются под действием набегающего потока воздуха и создают аэродинамическую силу, направленную на поддержание автожира в воздухе. От каждой лопасти на скобу 9 действуют центробежная сила, изгибающий момент в плоскости тяги при полете с перегрузкой (когда угол равнодействующей подъемной и центробежной сил лопасти превышает конструктивный угол конусности а₀) и знакопеременный момент в плоскости вращения, обусловленный аэродинамической несимметрией при полете вперед. Изгибающие моменты передаются со скобы 9 на консольные части пальца 10, установленного в корпусе качалки 8, и замыкаются на корпус качалки. Центробежная сила со скобы 9 передается на опору 12 и через упорный подшипник 13 на корпус качалки 8. Таким образом, все изгибающие моменты и центробежная сила замыкаются на корпус качалки, а шарнирные соединения с карданной рамкой 7 и остальные детали втулки разгружены от центробежной силы и изгибающих моментов от лопастей. Компоненты аэродинамической силы ротора (тяга ротора, боковая и продольная сила) вызывают растяжение и знакопеременный изгиб вращающегося наружного корпуса 1. Реакции от изгибающего момента с наружного корпуса 1 через подшипники 3 передаются на неподвижный вал 4, вызывая его изгиб по длине вала. Тяга ротора передается с корпуса 1 через верхний подшипник 3, фиксируемый на валу 4 гайкой 5, на вал 4, вызывая его растяжение. Крутящий момент подводится на режиме предварительной раскрутки и передается через зубчатое колесо 2 на вращающийся корпус 1.

Корпус качалки 8 с лопастями может свободно поворачиваться относительно оси карданной рамки 7, перпендикулярной оси лопасти, и совершать маховое движение. Ось x₁ карданной рамки 7 является осью общего горизонтального шарнира, а карданная рамка 7 выполняет функции общего горизонтального шарнира. Качательное движение относительно оси x₁ не приводит к изменению углов установки лопастей. При вращении несущего винта происходит циклическое движение в карданной рамке 7, включающее в себя маховое движение и циклическое отклонение, вызываемое отклонением оси рычажного механизма 17 при управлении. Управление в каналах крена и тангажа осуществляется отклонением корпуса качалки 8 с лопастями относительно оси z₁, направленной вдоль лопастей, при этом лопасти не поворачиваются относительно осевого шарнира (пальца 10). Поворот корпуса качалки относительно оси карданной рамки 7 осуществляется наклоном с помощью рычажного механизма управления вращающегося коромысла 15. При отклонении коромысла 15 относительно оси z₁ карданной рамки 7 происходит перекладка несущего винта в новую плоскость вращения. Когда лопасти находятся поперек потока, происходит управление по тангажу, когда вдоль - по крену. При перемещении рычажного механизма 17 в вертикальном направлении коромысло 15 тянет за собой рычаги лопастей 14 и происходит синхронное изменение общего шага лопастей. Изменение общего шага применятся эпизодически на таких режимах полета автожира, как “прыжковый” взлет и посадка с “подрывом” общего шага.

Предлагаемая втулка несущего винта имеет простую конструкцию, повышенный ресурс несущей системы, низкий уровень нагрузок в системе управления и обеспечивает возможность “прыжкового” взлета автожира и вертикальной посадки и может быть рекомендована в первую очередь на автожирах.