第二十八届（2012）全国直升机年会论文小型无人倾转旋翼机动力传输系统设计与需用功率校核张 梁 徐锦法 夏青元 崔德龙（南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘 要：本文根据无人倾转旋翼飞行器特点，设计了一套动力传输系统，用以达到减轻机身重量、降低成本支出、提高工作效率的目的本动力传输系统使用一台双缸两冲程汽油发动机作为动力输出，包括动力总成以及倾转机构，动力总成包括发动机、动力输出组件、动力传输齿轮箱、短舱齿轮箱等，倾转机构包括倾转连接机构与倾转驱动机构文章最后进行了发动机选型与需用功率校核计算，得出结论为所选发动机符合设计功率要求，本动力传输系统设计满足小型无人倾转旋翼机两种飞行模式要求关键字：无人机; 倾转旋翼机; 动力传输; 倾转机构1 引言倾转旋翼机是一种特殊的飞行器，其可以通过倾转短舱实现各种飞行模式，短舱倾转角度范围一般为-5° ~ 95°倾转旋翼机不仅具有直升机悬停和垂直起降的功能，还具有固定翼飞机高速巡航的能力并且与传统直升机相比，倾转旋翼机具有高速巡航和空中运输等优点，与传统固定翼飞机相比，其具有短距/垂直起降的优点因此倾转旋翼机适合各种复杂环境使用。
图1 小型无人倾转旋翼机总体结构示意图XV-15、V-22、BA609等[1-3]倾转旋翼机都设计使用双发动机，每台发动机直接位于短舱之中，这样的优势是动力传输轴可大幅缩短，并且发动机可以通过旋翼下洗流进行冷却但是对于小型无人倾转旋翼机而言，使用双发动机无疑会增加飞行器总重，并且为了保持两旋翼的同步旋转，中间同样需要一根动力传递轴因此本文采用了一种新型的单发动机动力机构采用单发动机不仅可以减轻飞行器重量，降低成本，还可降低发动机控制律复杂程度短舱通过步进电机和涡轮蜗杆机构驱动，结构符合小型无人飞行器设计特点倾转旋翼机总体结构如图1所示，包括汽油发动机、动力传输齿轮箱、倾转机构、蜗轮、步进电机驱动组件等2 倾转旋翼机各组件构成及特征本节将具体介绍倾转旋翼机各组件特征，包括发动机动力输出、动力传输齿轮箱、短舱齿轮箱、倾转连接机构和倾转驱动机构等这些组件是构成倾转旋翼机的重要组成部分，可完成倾转旋翼机直升机模式和固定翼模式飞行任务表1 飞行器各部件重量部件重量 (kg)机身(包括机架)6.06发动机2.87发动机动力传输齿轮箱1.98倾转连接组件2.33倾转驱动组件0.52驱动轴1.04短舱2.61旋翼（6片）1.23机翼+垂尾+平尾1.52航电设备3.45油箱+汽油5.00总重28.61整架飞机采用Y12角铝作为机身骨架。
机架结构如图2所示，使用角铝在降低飞机重量同时还保证了飞机机身强度整机机身分为三段，机头与机尾同样采用角铝作为骨架，并通过螺栓与机架相连如图2所示，发动机采用DLE-111双缸两冲程汽油发动机，动力输出组件主要包含发动机与离合器发动机输出轴与离合器摩擦片相连，动力传输轴与离合器外壳相连发动机输出轴通过离合器与动力传输轴将动力送入动力传输齿轮箱发动机启动时，低转速下发动机轴与动力传输轴脱开，发动机轴可自由旋转；当具有一定转速之后，离合器结合，发动机传递动力给短舱旋翼离合器优势在于发动机启动阶段可保护操作人员免于被旋翼所伤图2 倾转旋翼机各组件结构示意图发动机动力传输齿轮箱是一重要部件，其可以将单发动机动力均匀分配给两侧旋翼如图2所示，发动机动力通过动力传输轴传至动力传输齿轮箱，齿轮箱两端输出轴与短舱旋翼轴相连，从而传递动力齿轮箱中动力传输轴与斜齿圆锥小齿轮相连，斜齿圆锥小齿轮与两个斜齿圆锥大齿轮配合工作，斜齿圆锥大齿轮对称分布于齿轮箱内部两侧，传动比接近3.4:1使用斜齿圆锥齿轮不仅可改变动力传递方向，相比于直齿圆锥齿轮，还可增加传动效率斜齿圆锥大齿轮与齿轮箱输出轴相连，齿轮箱输出轴通过联轴器与短舱动力输入轴相连，联轴器可解决两轴同轴度问题，保证传递效率，避免传递轴不同轴引起断裂。
短舱齿轮箱将动力传输齿轮箱传输的动力传递至旋翼短舱齿轮箱装有20齿直齿圆锥齿轮，且两齿轮比为1:1，利用圆锥齿轮特性将发动机动力传递至旋翼为保持两短舱旋翼转动反向，两短舱内安装于短舱动力输入轴之上的直齿圆锥齿轮安装位置不同倾转连接组件将两侧短舱倾转机构相连接，使其统一运转由于本文使用单发动机结构，动力传输齿轮箱必须位于飞行器中部安装，因此倾转连接组件安装于动力传输齿轮箱外侧且对称分布两倾转轴套与蜗轮相连并以动力传输齿轮箱为支点，内部通过滑动轴承套作为润滑，倾转轴套通过倾转连接杆与短舱相连，控制其倾转运动倾转驱动组件相对简单倾转驱动外壳内部装有一蜗杆，两端通过滚动轴承实现定位与润滑蜗杆底部连接有步进电机，步进电机固定于倾转驱动外壳之上，可用于控制倾转角度倾转驱动机构安装于倾转连接机构之前，蜗轮与蜗杆配合运动，实现飞行器倾转操纵步进电机具有机械误差小，误差不累积等优点，故可实现开环控制蜗轮蜗杆机构具有较强自锁功能，因此整套机构运行稳定3 飞行器动力性能校验3.1 特征参数本文所述飞行器使用DLE-111双缸两冲程汽油发动机，此发动机具有较高性价比，功率为：11.2HP/7500rpm，排量：111.2cc，重量：2.87kg。
本飞行器个部件重量分布情况如表1所示3.2需用功率校核倾转旋翼机需用功率校核计算包括两个状态：直升机模式的悬停状态和固定翼飞机模式的飞行状态悬停模式下，需用功率可依照文献[7]所示进行校核： (1) (2)此处表示旋翼拉力，由于两旋翼分别计算，因此总重力也需分开表示， 设定本倾转旋翼机起飞重量40kg，是动力传输效率，； 是海平面需用功率；是实际需用功率已知： (3) (4)此处是单位桨盘载荷；是单位马力载荷；是拉力系数； 是相对气压；是旋翼转速；是旋翼半径将和合并，同时消除，可得： (5)此处动力传输效率；高度特征系数；悬停效率约为0.6；旋翼直径；相对压力系数可通过近似方程得到则，总需用功率为： (6)发动机输出端功率：11.2HP>9.12HP。
因此所选发动机符合飞行器直升机模式下悬停所需功率在前飞模式尤其是刚由直升机模式转入前飞模式时，需用功率计算可由如下方法得到：最小前飞速度设定为：；机翼翼型选择NACA64A215机翼弦长0.45m，翼展大致为1.9m，初始迎角6°情况下，升力系数升力计算参考文献[8]得到: (7)此处是空气密度，是机翼面积相比于升力，飞机阻力可由下式计算得到： (8)此处是整架飞机阻力系数整机阻力系数可通过摩擦系数估算得到： (9) (10)此处，是整机浸润面积，接近4.202 m2；是摩擦系数；雷诺数大约为因此可估算大约为0.0045 ，可估算为0.032前飞模式下，旋翼垂直向前，与直升机模式下垂直爬升十分相似，因此根据文献[7]得到： (11)此处，是旋翼拉力；是单位时间内流过任意滑流截面的气流量；是与下洗流距离桨盘很远处空气诱导速度；是桨盘处诱导速度；是桨盘平面气流速度；是桨盘面积。
解此方程可得：因此： (12) (13)此处，是旋翼需用功率，是海平面额定功率，是动力传输效率，是旋翼效率发动机输出端功率：11.2HP>>3.64HP，升力：因此所选发动机符合固定翼模式需用功率要求，特别是刚从直升机模式转换为固定翼模式时同样满足要求此处可知，前飞模式下最小需用功率相对较小，因此发动机剩余功率可用于提高飞行速度从上可知，直升机状态下需用功率相对较大，在选取所需发动机时只需考虑直升机模态下需用功率即可因此，DLE-111完全满足本小型无人倾转旋翼机需用功率设计要求4 总结本文提出一种新型无人倾转旋翼机动力输出系统和倾转机构本飞行器使用单发动机驱动两套旋翼机构，使用步进电机驱动倾转机构本文同时给出了本飞行器外型结构，动力传输系统，包括：动力输出组件、动力传输齿轮箱、短舱齿轮箱、短舱倾转连接和驱动组件本文最后进行了飞行器需用功率校核计算，所选发动机以及翼型完全符合设计要求通过此新型设计方案，可降低飞行器重量，提高其工作效率参 考 文 献[1] White. G. V-22 nacelle conversion actuator[J]. Proc. IMechE, Part G: J. Aerospace Engineering, 1993, 207, 61–72[2] White. G. A tilt-rotor actuator[J]. Proc. IMechE, Part G: J. Aerospace Engineering, 2009, 224, 657-672[3] Martin D. Maisel, Demo J. Giulianetti, Daniel C. Dugan. The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft: From Concept to Flight[M]. National Aeronautics and Space Administration, Office of Policy and Plans, NASA History Division, Washington, D.C. 2000[4] Jimmy C, Bedford. Flaperon System for Tilt Rotor Wings[P]. United States Patent, Utility. 5,094,412. Mar, 10, 1992[5] Norman Weir. Non-Jamming Ball Screw Linear Actuator[P]. United States Patent, Utility. 3,766,790. Oct, 23, 1973[6] Carlos A. Fenny, David P. Schultz. Design & Development of the BA609 Civil Tiltrotor Hydraulic System Architecture[C]. American Helicopter Society 61st Annual Forum, Grapevine, TX, June 1–3, 2005.[7] 王适存.直升机空气动力学[M].西安：西北工业大学，1964：6~43[8] 朱宝鎏.无人机空气动力学[M].北京：航空工业出版社，2006：29~69[9] 杨军.倾转旋翼机飞行控制[M].北。