АВТОМАТ ПЕРЕКОСА НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к авиации, а именно к конструкции автомата перекоса несущего винта вертолета.
Известна конструкция автомата перекоса кольцевого типа с нижним (невращающимся) кольцом на двойном кардане (карданном шарнире) (Решетов Л.Н. «Самоустанавливающиеся механизмы», Справочник, 2-е изд. г.Москва, «Машиностроение» 1985 г. стр.116, рис.3.18).
Автомат перекоса состоит из вращающегося кольца, шарнирно соединенного с тягами поворота лопастей, соединенного шлиц-шарниром с приводным от редуктора валом несущего винта и связанного подшипником с невращающимся (нижним) кольцом, шарнирно соединенным с тягами и качалками продольного и поперечного управления, установленными на кронштейнах, закрепленных на корпусе редуктора, и связанным через карданный шарнир с ползуном, установленным подвижно на направляющей, выполненной на корпусе редуктора, и тяги управления общим шагом, шарнирно соединенной с ползуном и с качалкой, установленной на кронштейне, закрепленном на корпусе редуктора. Указанный механизм 3-х лопастного несущего винта вертолета содержит 15 подвижных звеньев (без учета качалок, соединенных с тягами управления циклическим и общим шагом).
Особенностью такой схемы автомата перекоса является наличие шлиц-шарнира и установленных на корпусе редуктора рычажных механизмов (кронштейнов с качалками и тягами) для управления циклическим и общим шагом несущего винта, усложняющих конструкцию, технологию сборки и регулировки механизмов. Кроме того, вращающиеся в потоке воздуха конструктивные элементы автомата перекоса создают дополнительное аэродинамическое сопротивление вертолета в полете и подвержены неблагоприятному воздействию окружающей среды.
Учитывая подвижные звенья установленных на корпусе редуктора рычажных механизмов (качалок) управления циклическим и общим шагом, и неподвижные звенья (кронштейны качалок, закрепленных на корпусе редуктора, также являющихся частью конструкции автомата перекоса), количество подвижных звеньев (в расчете на 4-х лопастной несущий винт) будет равно 20, а общее количество звеньев - 23.
Наиболее близким техническим решением является принятая в качестве прототипа конструкция автомата перекоса кривошипного типа (Братухин И.П. «Проектирование и конструкции вертолетов». Государственное издательство оборонной промышленности, г.Москва, 1955 г. стр.303-305, фиг.267, 268).
Автомат перекоса состоит из вращающегося кольца с тягами поворота лопастей, невращающегося кольца, связанного подшипником с вращающимся кольцом, стакана управления общим шагом с вилкой на верхнем конце и резьбой на нижнем конце, установленного внутри стакана вала продольного управления с кривошипом на верхнем конце, кардана, связанного подшипником с кривошипом вала и соединенного двумя подшипниками с невращающимся кольцом, гайки, соединенной с нижним резьбовым концом стакана и связанной с тягами управления общим шагом с возможностью осевого перемещения стакана при вращении гайки, и двухзвенного шлиц-шарнира, связывающего вращающееся кольцо с втулкой несущего винта, закрепленной на валу несущего винта.
Такая схема автомата перекоса обеспечивает возможность только продольного управления циклическим шагом лопастей несущего винта, достаточную для управления двухвинтовыми и многовинтовыми вертолетами.
Возможность поперечного управления циклическим шагом лопастей несущего винта, необходимая для вертолетов с одним несущим винтом, конструкцией этого автомата перекоса не реализуется. Такой тип автомата перекоса удобно применять, также, когда вал несущего винта является выходным валом главного редуктора и к выступающей из редуктора его части крепится втулка несущего винта, вплотную подходящая к корпусу редуктора.
Невращающееся кольцо наклоняется только в одной плоскости относительно оси, образованной вилкой стакана, перемещением которого вверх и вниз изменяют общий шаг несущего винта. Внутри этого стакана проходит вал с отогнутым концом (кривошипом), поворачивая который можно менять наклон невращающегося кольца, соединенного через подшипники с карданом. При повороте вала продольного управления с кривошипом на 90° наклон невращающегося кольца будет равен углу наклона (установки) кривошипа.
Полезная модель позволит расширить область применения за счет дополнительной возможности поперечного управления циклическим шагом несущего винта, необходимую для вертолетов с одним несущим винтом, получить компактную компоновку автомата перекоса в сочетании с элементами системы управления и редуктором, упростить кинематику механизма за счет меньшего количества подвижных звеньев (17 вместо 20), уменьшить аэродинамическое сопротивление и вес, изолировать механизм от неблагоприятного воздействия окружающей среды, а также повысить надежность вертолета в целом.
Поставленная задача решена благодаря тому, что автомат перекоса несущего винта вертолета, содержащий вращающееся кольцо с тягами поворота лопастей, невращающееся кольцо, связанное подшипником с вращающимся кольцом, стакан управления общим шагом с вилкой на верхнем конце и резьбой на нижнем конце, установленный внутри стакана вал продольного управления с кривошипом на верхнем конце, кардан, связанный подшипником с кривошипом вала и соединенный двумя подшипниками с невращающимся кольцом, гайку, соединенную с нижним резьбовым концом стакана и связанную с тягами управления общим шагом с возможностью осевого перемещения стакана при вращении гайки, и двухзвенный шлиц-шарнир, связывающий вращающееся кольцо с втулкой несущего винта, снабжен валом поперечного управления с кривошипом на верхнем конце, установленным между стаканом управления общим шагом и валом продольного управления, карданной рамкой, связанной с кривошипом вала
поперечного управления и невращающимся кольцом, и карданным кольцом, связанным с карданной рамкой и вилкой стакана управления общим шагом, причем кривошипы валов продольного и поперечного управления выполнены в виде наклонных шайб, наклонная шайба, закрепленная на валу продольного управления, связана радиально-упорным подшипником с карданом, установленным с внутренней стороны невращающегося кольца и соединенным с ним двумя подшипниками, наклонная шайба, закрепленная на валу поперечного управления, связана радиально-упорным подшипником с карданной рамкой, установленной с внешней стороны невращающегося кольца и соединенной с ним двумя подшипниками, расположенными на одной оси с цапфами, соединяющими карданную рамку с карданным кольцом, карданное кольцо связано с вилкой стакана управления общим шагом цапфами, расположенными на ортогональной оси карданного кольца, наклонные шайбы валов продольного и поперечного управления отклонены относительно установленного в горизонтальное положение невращающегося кольца на равные углы в поперечной и продольной плоскостях соответственно, а радиально-упорные подшипники, валы продольного и поперечного управления, вал несущего винта, подшипники, связывающие невращающееся кольцо с карданом и карданной рамкой и цапфы, соединяющие карданную рамку с карданным кольцом и вилкой стакана управления общим шагом, установлены по осям вращения, пересекающимися в одном центре.
Нижние концы тяг поворота лопастей соединены сферическими шарнирами с рычагами поворота лопастей, жестко закрепленными на втулках лопастей, связанных осевыми шарнирами с втулкой несущего винта, а верхние концы соединены с вращающимся кольцом сферическими шарнирами, центры которых расположены в плоскости вращения кольца, проходящей через общий центр кардана, карданной рамки и карданного кольца, один из рычагов поворота лопасти одним концом связан с втулкой лопасти цилиндрическим шарниром, ось которого ортогональна оси втулки лопасти, а другим концом связан цилиндрическим шарниром с нижним звеном двухзвенного шлиц-шарнира,
причем оси цилиндрических шарниров рычага поворота лопасти ортогональны и пересекают ось втулки лопасти в одной точке.
Верхнее звено шлиц-шарнира одним концом соединено сферическим шарниром с вращающимся кольцом, другим концом связано цилиндрическим шарниром с нижним звеном шлиц-шарнира, связанным с втулкой несущего винта цилиндрическим шарниром, расположенным параллельно цилиндрическому шарниру верхнего звена шлиц-шарнира в плоскости осевых шарниров лопастей, причем ось цилиндрического шарнира, связывающего верхнее звено шлиц-шарнира с втулкой несущего винта ортогональна оси втулки лопасти и проходит через точку пересечения ортогональных осей цилиндрических шарниров рычага поворота лопасти.
На верхнем конце вала продольного управления закреплен обтекатель, а на втулке несущего винта установлен кожух с патрубками, связанными через подвижные уплотнения с втулками лопастей с возможностью их поворота относительно патрубков, причем нижняя кромка кожуха охватывает верхнюю часть корпуса редуктора и связана с ним подвижным уплотнением с возможностью вращения кожуха относительно корпуса редуктора, а нижняя кромка обтекателя охватывает верхнюю часть кожуха и связана с ним подвижным уплотнением с возможностью вращения кожуха относительно обтекателя и перемещения обтекателя относительно кожуха вдоль вертикальной оси.
Гайка, соединяющая нижний резьбовой конец стакана с тягами управления общим шагом, выполнена в виде шариковой гайки, установленной на подшипниках в обойме, закрепленной к нижней части корпуса редуктора соосно с валом несущего винта, резьбовой конец стакана выполнен в виде закрепленной на нем втулки с винтовой канавкой, сопряженной с шариками, а на нижних концах валов продольного и поперечного управления и на нижнем торце шариковой гайки закреплены приводные ролики, связанные с тросами системы управления несущим винтом вертолета, причем нижняя часть стакана выполнена со шлицами и связана с шлицевой шайбой, закрепленной на обойме,
с возможностью перемещения стакана вдоль вертикальной оси без вращения при поворотах шариковой гайки от приводного ролика, а вал поперечного управления связан подшипниками с валом продольного управления и стаканом управления общим шагом.
На фиг.1 показан автомат перекоса в сечении А-А; на фиг.2 - узел I фиг.1; на фиг.3 - узел II фиг.1; на фиг.4 - сечение Б-Б фиг.1 и указано сечение А-А; на фиг.5 - кинематическая схема автомата перекоса.
Автомат перекоса несущего винта вертолета содержит вал поперечного управления 1 с кривошипом на верхнем конце, установленным между стаканом управления общим шагом 2 и валом продольного управления 3, карданной рамкой 4, связанной с кривошипом вала поперечного управления 1 и невращающимся кольцом 5, и карданным кольцом 6, связанным с карданной рамкой 4 и вилкой 7 стакана управления общим шагом 2. Кривошипы вала продольного управления 3 и вала поперечного управления 1 выполнены в виде закрепленных на валах наклонных шайб. Наклонная шайба 8, закрепленная на валу продольного управления 3, связана радиально-упорным подшипником 9 с карданом 10, установленным с внутренней стороны невращающегося кольца 5 и соединенным с ним двумя подшипниками 11. Наклонная шайба 12, закрепленная на валу поперечного управления 1, связана радиально-упорным подшипником 13 с карданной рамкой 4, установленной с внешней стороны невращающегося кольца 5 и соединенной с ним двумя подшипниками 14, расположенными на одной оси с цапфами 15, соединяющими карданную рамку 4 с карданным кольцом 6, карданное кольцо 6 связано с вилкой 7 стакана управления общим шагом 2 цапфами 16, расположенными на ортогональной оси карданного кольца 6, наклонные шайбы 8 и 12 вала продольного управления 3 и вала поперечного управления 1 отклонены относительно установленного в горизонтальное положение невращающегося кольца 5 на равные углы α в поперечной ZY и продольной ZY плоскостях соответственно, a радиально-упорные подшипники 9 и 13, валы продольного и поперечного управления 3 и 1, вал несущего винта 17, подшипники 11 и 14, связывающие
невращающееся кольцо 5 с карданом 10 и карданной рамкой 4, и цапфы 15, 16, соединяющие карданную рамку 4 с карданным кольцом 6 и вилкой 7 стакана управления общим шагом 2, установлены по осям вращения, пересекающимися в одном центре «О» (фиг.2, 3, 5).
Нижние концы тяг 18 поворота лопастей 19 соединены сферическими шарнирами 20 с рычагами 21 поворота лопастей 19, жестко закрепленными на втулках 22 лопастей 19, связанных осевыми шарнирами 23 с втулкой несущего винта 24, а верхние концы тяг 18 соединены с вращающимся кольцом 25 сферическими шарнирами 26, центры которых расположены в плоскости вращения кольца 25, проходящей через общий центр кардана 10, карданной рамки 4 и карданного кольца 6, один из рычагов 27 поворота лопасти 19 одним концом связан с втулкой 28 лопасти 19 цилиндрическим шарниром 29, ось которого ортогональна оси втулки 28 лопасти 19, а другим концом связан цилиндрическим шарниром 30 с нижним звеном двухзвенного шлиц-шарнира 31, причем оси цилиндрических шарниров 29, 30 рычага 27 поворота лопасти 19 ортогональны и пересекают ось втулки 28 лопасти 19 в одной точке «А» (фиг.4, 5).
Верхнее звено шлиц-шарнира 32 одним концом соединено сферическим шарниром 26 с вращающимся кольцом 25, другим концом связано цилиндрическим шарниром 33 с нижним звеном шлиц-шарнира 31, связанным с втулкой несущего винта 24 цилиндрическим шарниром 34, расположенным параллельно цилиндрическому шарниру 33 верхнего звена шлиц-шарнира 32 в плоскости осевых шарниров 23 лопастей 19, причем ось А-е цилиндрического шарнира 34, связывающего нижнее звено шлиц-шарнира 31 с втулкой несущего винта 24, ортогональна оси втулки лопасти 28 и проходит через точку «А» пересечения ортогональных осей цилиндрических шарниров 29, 30 рычага 27 поворота лопасти 19 (фиг.4, 5).
На верхнем конце вала продольного управления 3 закреплен обтекатель 35, а на втулке несущего винта 24 установлен кожух 36 с патрубками 37, связанными через подвижные уплотнения 38 с втулками
лопастей 19 с возможностью их поворота относительно патрубков 37, причем нижняя кромка кожуха 36 охватывает верхнюю часть корпуса редуктора 39 и связана с ним подвижным уплотнением 40 с возможностью вращения кожуха 36 относительно корпуса редуктора 39, а нижняя кромка обтекателя 35 охватывает верхнюю часть кожуха 36 и связана с ним подвижным уплотнением 41 возможностью вращения кожуха 36 относительно обтекателя 35 и перемещения обтекателя относительно кожуха вдоль вертикальной оси (фиг.4).
Гайка, соединяющая нижний резьбовой конец стакана управления общим шагом 2 с системой управления несущим винтом вертолета (не показана), выполнена в виде шариковой гайки 42, установленной на подшипниках 43 в обойме 44, закрепленной к нижней части корпуса редуктора 39 соосно с валом несущего винта 17, резьбовой конец стакана управления общим шагом 2 выполнен в виде закрепленной на нем втулки с винтовой канавкой 45, сопряженной с шариками 46, а на нижних концах вала продольного управления 3, вала поперечного управления 2 и на нижнем торце шариковой гайки 42 закреплены приводные ролики 47, 48, 49, связанные с тросами 50 системы управления несущим винтом вертолета (не показана), причем нижняя часть стакана управления общим шагом 2 выполнена со шлицами 51 и связана с шлицевой шайбой 52, закрепленной на обойме 44 с возможностью перемещения втулки с винтовой канавкой 45 вдоль вертикальной оси без вращения при поворотах шариковой гайки 42 от приводного ролика 49 (фиг.5).
Вал поперечного управления 1 связан подшипником 53 с валом продольного управления 3 и подшипником 54 с стаканом управления общим шагом 2. (фиг.1).
Устройство работает следующим образом
Z
X
Циклическое управление осуществляется наклоном невращающегося кольца 5 в диапазоне углов ±φ относительно осей подшипников 14 при поворотах вала продольного управления 3 на угол ±β и наклоном невращающегося кольца 5 диапазоне углов ±φ относительно осей подшипников 11 при поворотах вала поперечного управления 1 на угол ±γ от закрепленных на валах продольного 3 и поперечного управления 1 приводных роликов 47 и 48, связанных с тросами 50 системы управления несущими винтами вертолета (не показана).
Z
X
Рабочий диапазон углов поворота ±β и ±γ вала продольного управления 3 и вала поперечного управления 1 не превышает конструктивно возможный (предельный) диапазон углов поворота ±90°, при которых наклоны невращающегося кольца 5 в каждом направлении могут достигать углов α установки наклонных шайб 8 и 12 на валах продольного 3 и поперечного управления 1 (фиг.2, 3). Указанные ограничения углов поворота (менее 90°) связаны с необходимостью сохранения линейной зависимости углов наклона ±φ невращающегося кольца 5 от углов поворота ±β вала продольного управления 3 и углов наклона ±φ невращающегося кольца 5 от углов поворота ±γ вала поперечного управления 1 (фиг.5).
Z
Например, при повороте вала продольного управления 3 от приводного ролика 47 на угол +β невращающееся кольцо 5 наклоняется на угол -φ относительно оси подшипников 14. При этом точка а, лежащая на оси вращающегося кольца 25, перемещается в точку b, а центр сферического шарнира 20 тяги 18 перемещается из точки c в точку d, поворачивая рычаг 21 и связанную с ним втулку лопасти 19 (фиг.5).
Верхнее звено шлиц-шарнира 32 является одновременно тягой рычага 27 поворота лопасти, связанного одним концом цилиндрическим шарниром 30 с нижним звеном шлиц-шарнира 31, а другим концом связанного с втулкой лопасти 28 цилиндрическим шарниром 29.
При наклонах вращающегося кольца 25 и перемещении связанного с ним сферического шарнира 26, верхнее звено шлиц-шарнира 32 поворачивает нижнее звено шлиц-шарнира 31 относительно оси Аe цилиндрического шарнира 34, при этом рычаг 27 вращается одновременно относительно двух осей - относительно оси Af цилиндрического шарнира 30, связывающего его с нижним звеном шлиц-шарнира 31, и относительно оси цилиндрического шарнира 29, связывающего его с втулкой 28, поворачивая на соответствующий угол лопасть 19 несущего винта вертолета (фиг.4, 5).
Управление общим шагом осуществляется вертикальным перемещением стакана управления общим шагом 2 с закрепленной на нем втулкой с винтовой канавкой 45 при вращении шариковой гайки 42 от приводного ролика 49.
ОШ
Угол поворота приводного ролика 49, связанного с шариковой гайкой 42, определяется шагом винтовых канавок шариковой гайки 42, втулки с винтовой канавкой 45 и заданной величиной h вертикального перемещения (ходом) стакана управления общим шагом 2 (фиг.5).
Совместное управление циклическим и общим шагом осуществляются одновременным наклоном и вертикальным перемещением невращающегося кольца 5 при поворотах приводных роликов 47, 48, 49.
Соосное вращение вала продольного управления 3 и вала поперечного управления 1 относительно стакана управления общим шагом 2 обеспечивается связывающими их подшипниками 53, 54 (фиг.1).
Кинематика автомата перекоса при имитации вращения несущих винтов и совместном управлении циклическим и общим шагом проверена на математической модели, построенной в программе CATIA Р3 V5R17.