旋翼浆毂振动衰减器.pdf

一种用于飞行器的振动衰减器，具有至少一个安装在飞行器旋翼浆毂的旋转系统中的配重，每个配重围绕所述浆毂的旋转轴线相对于所述浆毂和每个其他配重旋转。设置驱动装置，用于围绕所述旋转轴线以选定速度旋转每个配重，产生振荡剪切力，用来衰减旋翼引起的具有选定频率的振动。

1.  一种用于飞行器旋翼浆毂的振动衰减器，所述旋翼浆毂配置成被主轴围绕旋转轴线驱动旋转，所述振动衰减器包括：
至少一个配重，适配成安装在飞行器旋翼浆毂的旋转系统中，每个配重还适配成围绕所述浆毂的旋转轴线相对于所述浆毂和每个其他配重旋转；和
驱动装置，用于在操作过程中围绕所述旋转轴线以选定速度旋转每个配重；
其中在操作过程中，每个配重被驱动旋转，产生振荡剪切力，用来衰减旋翼引起的具有选定频率的振动。

2.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重一般为盘形，并具有质心，所述质心距离所述旋转轴线选定的距离。

3.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重包括至少一条从所述旋转轴线延伸离开的臂。

4.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重有选择地移动，用来改变所述配重的质心与所述旋转轴线之间的距离。

5.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述至少一个配重包括至少一组的至少两个配重，并且每一组中的所述配重在操作过程中围绕所述旋转轴线沿着相同方向旋转。

6.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述至少一个配重包括至少一组的至少两个配重，并且在操作过程中，每一组中的所述配重围绕所述旋转轴线以不同于另一组中的所述配重的速度旋转，允许衰减多个频率的振动。

7.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述至少一个配重包括至少一组的至少两个配重；和
在操作过程中，一组配重围绕所述旋转轴线沿着不同于另一组配重旋转方向的方向旋转。

8.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述至少一个配重包括至少一组的至少两个配重；和
在操作过程中，每一组配重可以围绕所述旋转轴线相对于彼此成角度定位，从而不产生净剪切力。

9.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述驱动装置是至少一个电动马达。

10.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述驱动装置适配成从主轴向每个配重传递扭矩，用来在操作过程中旋转每个配重。

11.  如权利要求1所述的振动衰减器，其特征在于，所述至少一个配重包括至少一组的至少两个配重；和
其中每一组配重可以围绕所述旋转轴线旋转，从而让所述振荡剪切力产生选定的相差。

12.  一种用于飞行器旋翼浆毂的振动衰减器，所述旋翼浆毂配置成由主轴驱动围绕旋转轴线旋转，所述振动衰减器包括：
至少一组配重，每一组包括至少两个配重，每一个配重适配成安装在飞行器旋翼浆毂的旋转系统上，每个配重还适配成围绕浆毂旋转轴线相对于浆毂以及每一个其他配重旋转，每个配重具有质心，所述质心距离所述旋转轴线一定距离；和
驱动装置，用于在操作过程中围绕所述旋转轴线以选定速度旋转每个配重；
其中在操作过程中，每一组配重可以围绕所述旋转轴线相对于彼此成角度定位，从而产生振荡剪切力，用来衰减旋翼引起的具有选定频率的振动。

13.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重一般为盘形。

14.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重包括至少一条从所述旋转轴线延伸离开的臂。

15.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，每个配重有选择地移动，用来改变所述配重的质心与所述旋转轴线之间的距离。

16.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，每一组中的所述配重在操作过程中围绕所述旋转轴线沿着相同方向旋转。

17.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，在操作过程中，每一组中的所述配重围绕所述旋转轴线以不同于另一组中的所述配重的速度旋转，允许衰减多个频率的振动。

18.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，在操作过程中，一组配重围绕所述旋转轴线沿着不同于另一组配重旋转方向的方向旋转。

19.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，在操作过程中，每一组配重可以围绕所述旋转轴线相对于彼此成角度定位，从而不产生净剪切力。

20.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，所述驱动装置是至少一个电动马达。

21.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，所述驱动装置适配成将从主轴传递扭矩。

22.  如权利要求12所述的振动衰减器，其特征在于，其中每一组配重可以围绕所述旋转轴线旋转，从而让所述振荡剪切力产生选定的相差。

23.  一种在具有至少一个带有叶片的旋翼的飞行器中衰减振动的方法，所述旋翼具有旋翼浆毂，该旋翼浆毂配置成被主轴驱动围绕旋转轴线旋转，所述方法包括：
(a)将至少一个可旋转配重定位在旋翼浆毂旋转系统中；
(b)围绕所述浆毂旋转轴线以选定速度旋转每个配重，每个配重相对于所述浆毂以及每一个其他配重旋转；和
(c)控制每个配重的旋转，以产生抵消旋翼引起的具有选定频率的振动的振荡剪切力。

24.  如权利要求23所述的方法，进一步包括：
(d)控制每一个配重的旋转，有选择地调整所述振荡剪切力相对于所述旋翼浆毂的相位。

25.  如权利要求23所述的方法，其特征在于，
步骤(a)包括将至少一组的至少两个可旋转配重定位在所述旋翼浆毂的旋转系统中；
步骤(b)包括以相同的旋转方向和相同的旋转速度旋转每一组配重；和
步骤(c)包括旋转分度每一组配重，以产生振荡剪切力。

26.  如权利要求23所述的方法，进一步包括：
(d)定位每一个配重，用来控制每个配重的质心与所述旋转轴线之间的距离。

27.  如权利要求23所述的方法，其特征在于，步骤(b)包括以旋翼叶片数目与旋翼旋转速度乘积为倍数的速度旋转每个配重。

旋翼浆毂振动衰减器
技术领域
技术领域是用于旋翼浆毂的振动衰减器。
背景技术
旋翼飞行器，诸如直升机和斜旋翼飞机，具有至少一个旋翼来提供升力和推进力，并且所述旋翼具有至少两个连接到可旋转浆毂的翼型叶片。所述叶片导致振动，这种振动是旋翼旋转速度的函数，并且飞行器设计者难以精确预测特定旋翼结构将会遭遇的精确振动模式。这种振动可以通过旋翼主轴、相连的传动链部件进入飞行器的机架。这种振动可能降低受影响的部件的寿命并且给乘客带来不希望的振动。已经研制了各种类型的振动衰减系统来减少或消除这些振动。现有技术包括安装在机架上的振动衰减器和至少一个安装在主轴上的系统。
现有技术中的主动系统作用在机架的特定点上，以减少振动，并且可能导致机架其他位置上的振动放大。但是，一种安装在主轴上用来减少振动的被动旋转平衡器在美国专利3,219,120中以及在American Helicopter Society论文“UREKA-A Vibration Balancing Device for Helicopter”(Jan.1966，Vol.11，No.1)中公开。UREKA(通用旋翼激发的运动吸收器)设备使用在环形钢轨上旋转的沉重辊子来产生振荡力以使振动最小。这种辊子自由旋转并且相对于旋翼位置定位其自身位置，并且如果主轴连接件具有特定的动态特性的话，这种辊子将自动实现校正位置来使振动最小。但是，UREAKA系统仅防止旋翼失衡，不能抵消其他由旋翼引起的振动。正常操作所需的动态特性主要是超临界轴的特性。如果主轴连接件不具备这些特性，则UREKA设备将使振动放大而非衰减。此外，由于辊子的位置由主轴连接点控制，所以该设备对阵风以及其他干扰辊子位置以产生振动瞬态的瞬态行为敏感。
为了应用斜旋翼，其中总重量和旋翼旋转速度存在较大变化，UREKA设备可能不能正确发挥作用，因为主轴连接件的动态特性将显著变化。V-22斜旋翼，例如具有阻止使用UREKA设计的动态特性。一种为三叶片V-22飞行器研制的方法包括用来控制振动的被动摆体。
虽然在旋翼浆毂振动衰减领域已经取得了长足的进步，但是仍然存在巨大的缺陷。
附图说明
图1是具备振动衰减系统的飞行器的斜视图；
图2是图1所示飞行器的推进旋翼的斜视局部截面图；
图3A是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图3B是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图4A是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图4B是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图5A是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图5B是图1所示飞行器的振动衰减系统的一部分的示意图；
图6是具备振动衰减系统的替代实施方式的推进旋翼的斜视局部截面图；
图7是具备振动衰减系统的替代实施方式的推进旋翼的斜视局部截面图；
图8是图7所示推进旋翼的斜视局部截面图；
图9是具备振动衰减系统的替代实施方式的推进旋翼的斜视局部截面图；
图10是图9所示旋翼的斜视局部截面图。
具体实施方式
通过降低作用在机架上的由旋翼引起的振动力，用于旋翼浆毂的振动衰减系统在旋翼飞行器中衰减振动。振动衰减系统包括连接到旋翼浆毂旋转系统中的旋翼主轴的振动衰减器，该振动衰减器围绕所述主轴轴线与该主轴同方向或反方向旋转。高速旋转一对不平衡的配重产生旋转剪切力，从而形成巨大的离心力，并且配重可以被电子马达或主轴提供的扭矩所驱动。配重的旋转速度通常是主轴转速的数倍，以产生剪切力来抵消旋翼引起的振动，这种振动可能与推进旋翼同方向旋转或者反方向旋转。在每一对配重围绕主轴轴线旋转时，将所述一对配重相对于彼此的位置进行分度，从而控制剪切力的幅度，同时将每一对配重相对于旋翼均等调相，从而调节剪切力的相位。基于微处理器的控制系统使用来自振动传感器的反馈来指令振动衰减器操作，从而使传递到机架的振动最小。
该系统的相对于目前采用的方法有所改进，因为其重量轻、更紧凑，并且能更好地减少振动。该设备的主要优势在于，消除了振动载荷的源，从而降低了整个飞行器的振动。如上所述，相竞争的主动系统用来在机架的特定点减少振动，这样会在机架的其他位置导致振动放大。通过降低旋翼引起的振动载荷幅度，振动衰减系统可以改善关键结构部件的疲劳寿命，减少航空电子件的振动，减少引擎振动，并且改善乘客舒适度。
图1是具备振动衰减系统的旋翼飞行器的斜视图，以下将说明这种飞行器。飞行器11是旋翼飞行器，特别是斜旋翼飞行器，具有机身13和从机身13延伸的机翼15。机身13和机翼15包括飞行器11机架。可旋转的吊舱17位于每个机翼15外端，用来收容引擎(未示出)，每个引擎配置成提供扭矩，使得相连的推进旋翼19旋转。每个推进旋翼19具有多个叶片21，这些叶片连接到空气动力学整流装置即称为整流罩23之下的浆毂(见图2)。
图2是推进旋翼19的斜视图，从浆毂的轭架25去掉了叶片21。孔27形成在整流罩23(为了便于观察，切掉一部分)，允许轭架25的一部分伸出，连接叶片21。主轴29连接到引擎的输出端，从引擎向主轴29传递扭矩。在所示配置中，恒速驱动组件31花键连接到主轴29，与主轴29一起旋转，并且轭架25连接到驱动组件31。在主轴29驱动轭架25围绕主轴轴线33旋转时，驱动组件31允许轭架25相对于主轴29呈万向节式运动。
在所示配置中，两个振动衰减器35、57承载到主轴29的端部部分。衰减器35、37以基本上相同的方式操作，而且具有类似的结构，每一个具有可旋转的配重，诸如配重盘39；以及电子马达41。马达41花键连接或以其他方式固定到主轴29，与主轴29一起旋转，每个马达41优选为无刷步进式马达，配置成驱动相关盘片39围绕主轴轴线33向着选定的方向以选定的旋转速度相对于主轴29旋转。每个盘片39的质心与主轴轴线33隔开一定的径向距离，以使每个盘片39的旋转都在主轴29的旋转平面上产生振荡的、径向向外的剪切力。虽然示出具有盘形构造，但是衰减器35、37的配重可以是其他类型，诸如细长臂。利用步进式马达41，每个盘片39可以在它们以相同速度和方向围绕主轴轴线33旋转时，旋转到选定的角度，或者相对于另一个盘片39分度。此外，盘片39可以接受指令以相同的速度和方向以及相对于推进旋翼19的以选定相差一起旋转，同时保持同样的分度设置。
仍参照图1，基于微处理器的控制系统43示出位于机身13内，并且配置成自动控制振动衰减器35、37的操作。控制系统43优选包括反馈传感器，诸如位于机身13和机翼15上的传感器45，以提供振动反馈数据。虽然示出位于特定位置，但是传感器45可以安装在其他位置，诸如安装在吊舱17内。使用传感器47，允许控制系统43根据传递到机架内或者经过机架的振动的测量值，控制振动衰减器35、37的操作。控制系统43可以根据其他数据诸如空速、旋翼速度、叶片俯仰角、吊舱倾角、旋翼推力值和/或类似参数而替代地控制振动衰减系统35、37的操作。
操作控制优选包括至少指令旋转速度、旋转方向、一对盘片39的分度量以及一对盘片39的相差。控制系统43和/或振动衰减器35、37可以设置有“失效后(fail-off)”特征件，以防止振动衰减系统的一个或多个部件失效时，振动衰减器35、37引起非故意且不希望的振动。控制系统的输入可以包括飞行器总重量、载荷因子、高度、空速和rpm。此外，同样根据吊舱17的倾角以及其他斜旋翼专用参数发出指令，控制系统43可以优化后用在斜旋翼飞行器11上。使用控制系统43来控制振动衰减器35、37，意味着衰减器35、37较之现有的UREKA系统来说，对瞬态反应诸如阵风更不敏感，并且不依赖于主轴的动态特性。
操作中，控制系统43独立指令每个马达41，以选定的旋转方向和选定的旋转速度驱动相关的盘片39。例如，盘片39可以被驱动而与主轴29旋转方向相同，并且是主轴29旋转速度的数倍。盘片39不平衡，并且它们以推进旋翼19每转一圈多少个循环(n/rev)表示的频率在旋转平面上产生振荡的剪切力。当该剪切力的幅度等于推进旋翼19的空气动力学n/rev力且相位相反的时候，则不会有振动力传递到机架。例如，如果四叶片推进旋翼19以400转每分钟的速度旋转，而振动衰减器将要沿着推进旋翼19的方向旋转来抵消4/rev振动，则马达41将使得盘片39以及4倍于推进旋翼19速度的速度相对于机架旋转。由于主轴29与盘片39以相同方向相对于机架以1倍于推进旋翼19速度的速度旋转，所以盘片39将以3倍于推进旋翼19速度的速度相对于主轴29和推进旋翼19旋转。同样，如果盘片39要通过与推进旋翼19反方向旋转来抵消8/rev的振动，则马达41使得盘片39以8倍于推进旋翼19速度的速度相对于机架旋转。由于主轴29以1倍于推进旋翼19速度的速度反向旋转，所以盘片将以9倍于推进旋翼19速度的速度相对于主轴29和推进旋翼19回转。
振荡剪切力的幅度由盘片39质心的相对位置来确定。图3A和3B、4A和4B以及5A和5B示出了振动衰减器35、37的盘片39在3种操作模式下的相对旋转位置，每个A和B图都沿着主轴轴线33观察，示出了其中一个盘片39。在每一幅图中，主轴29的旋转方向以箭头47表示，而盘片39的旋转方向以箭头49表示。
每个盘片39的质心从主轴轴线33隔开一定的径向距离，例如可以通过将质块51沿着每个盘片39的圆周部分定位来实现这种效果。质块51可以形成盘片39整体的一部分，或者可以形成单独的部件并连接到盘片39。为了能额外地调节衰减器35、37，每个质块51可以配置成可以更换，例如用质量或大或小且结构类似的质块51来更换。质块51还可以构造为多件式，允许通过去掉或增加件数来调节质块51。虽然仅示出了一个质块51，但是应该理解，盘片39可以配置成具有多个质块51。
如果振动衰减器35、37的质块51径向对置，如图3A和3B所示，同时驱动盘片39以及相同的速度旋转，则振动力的幅值将为零。这是因为每个盘片39产生相等且相反的剪切力，抵消了另一个盘片39产生的力。如果盘片39在旋转过程中进行分度，以便质块51如图4A和4B所示一样对准，则剪切力是振动衰减器35、37对于任何给定的旋转速度所能产生的最大幅值。通过改变盘片39的相对角度，可以实现零与最大值之间的任何幅值，并且图5A和5B示出了盘片39相对于彼此以大约45度的角进行分度。
这里所述推进旋翼19仅有一对振动衰减器35、37，但是可以增加额外的数对衰减器以抵消额外的振动模式(8/rev，12/rev等)。额外的衰减器沿着主轴轴线33成同轴布置的方式增加，并且每一对可以包括不同于盘片39的配重且以不同于盘片39选定旋转速度旋转的配重。应该注意，衰减器对于不同类型的旋翼来说是不同的，因为将会对特定的应用场合优化配重。
图6示出了推进旋翼53的替代实施方式，该推进旋翼的构造类似于图1和2所示的推进旋翼19。推进旋翼53具有连接到驱动组件31的轭架25，并且驱动组件31将扭矩从主轴29向轭架25传递。安装整流罩23(为了便于观察，切掉一部分)作为推进旋翼53的空气动力学整流装置。推进旋翼53不同于推进旋翼19之处在于，推进旋翼53具有两个振动衰减器55、57，它们同轴布置在主轴轴线33上。每个衰减器55、57具有一对带配重的盘片59、61和一对步进式马达63(在图6的视图中，每个衰减器55、57只有一个马达可见)。每个衰减器55、57沿着相同方向以相同的旋转速度旋转相关的盘片59、61，当然另一个衰减器55、57的盘片59、61优选以不同的速度旋转并且可以沿着不同方向旋转。控制系统，诸如图1所示的控制系统43，优选用来控制两对盘片59、61的操作，包括每一对盘片的分度和相差，正如以上针对盘片39、41所述。在操作中，具有两个衰减器55、57允许两个衰减器55、57同时抑制振动。而且，具有两个衰减器55、57允许只让一个衰减器55、57来抑制选定的振动，而另一个衰减器55、57分度为不产生净剪切力。
图7和8示出了推进旋翼65替代实施方式的一部分，该推进旋翼的构造类似于图1和2所示的推进旋翼19。推进旋翼65具有连接到驱动组件31的轭架25，并且驱动组件31将扭矩从主轴29向轭架25传递，围绕主轴轴线33旋转推进旋翼65。安装整流罩23(为了便于观察，切掉一部分)作为推进旋翼65浆毂的空气动力学整流装置。推进旋翼62具有振动衰减器67，该振动衰减器包括配重可调的组件69，该组件配置成由步进式马达71相对于主轴29并围绕主轴轴线33驱动。配重组件69具有至少一个移动连接到配重支撑件75的配重73，用于在推进旋翼65操作过程中沿着导轨77定位。这种结构允许配重73有选择地移动到径向内部位置和外部位置之间的任何位置，其中在所述径向内部位置，配重组件69旋转时产生最小的剪切力或者不产生剪切力，而在所述外部位置时，产生最大的剪切力。图7示出了的推进旋翼65的配重73已经移动到内部位置，而图8示出的推进旋翼65的配重73已经移动到中间位置。控制系统诸如图1所示的控制系统43，优选用来控制振动衰减器67的操作参数，包括配重73的位置、旋转速度、旋转方向和剪切力相对于旋翼位置的相差。
在操作中，控制系统43指令振动衰减器67的马达71以选定的旋转速度和方向相对于主轴29旋转配重组件69，并且控制系统43还指令配重73沿着导轨77移动到选定的位置，用来产生选定量的剪切力。此外，控制系统43将指令马达71旋转配重组件69，以便剪切力相对于推进旋翼65产生选定的相差。
图9和10示出了推进旋翼79替代实施方式的一部分，该推进旋翼的构造类似于图7和8所示的推进旋翼65。推进旋翼79具有连接到驱动组件31的轭架25，并且驱动组件31将扭矩从主轴29向轭架25传递。安装整流罩23(为了便于观察，切掉一部分)作为推进旋翼79浆毂的空气动力学整流装置。推进旋翼79不同于推进旋翼65之处在于，推进旋翼79具有两个振动衰减器81、83，它们同轴布置在主轴轴线33上。每个衰减器81、83具有可旋转的配重组件85和步进式马达87，并且每个配重组件85包括至少一个移动连接到配重支撑件91的配重89，用于在推进旋翼79操作过程中沿着导轨93有选择地定位。每个衰减器81、83的马达87以选定的速度和方向旋转相关的配重组件85，并且配重组件85可以以相同或相反的方向并以类似或变化的速度旋转。控制系统，诸如图1所示的控制系统43优选用于控制两个振动衰减器81、83的操作，包括配重组件85相对于推进旋翼79的相差。图9示出的推进旋翼79中，衰减器组件81的配重89已经移动到外部位置，而示出了衰减器83的配重89已经移动到内部位置。图10示出了两个配重89已经移动到外部位置。
图中示出振动衰减器81、83的配重可以调节距离轴线33的距离，允许每个减震器81、83用来衰减特定的振动。但是，推进旋翼另一实施方式包括使用类似的衰减器，其中每个配重定位或形成在细长配重支撑件的选定固定位置。这种结构要求使用两个衰减器来衰减特定的振动，并且以类似于控制振动衰减器35、37的方式对其进行控制。
上述振动衰减器的其他实施方式可以包括齿轮驱动系统来驱动配重旋转而非使用电动马达。这种衰减器的操作不需要大型的外部电源，因为操作所需电力优选从主轴获取。较小的电流可以用于电动马达来围着主轴轴线定位分度配重以产生相差，但是一旦产生相差，则寄生电力需求变得可以忽略并且从主轴扭矩获取。
可以包含在上述振动衰减器中的另一种特征是用来安装衰减器的“立管”结构。图11示出了一种示例实施方式，其中主轴95包含在同轴立管97中。在图11中，为了便于观察立管95，示出了主轴95的一部分被切掉。主轴相对于机架(未示出)围绕轴线99旋转，用来旋转相连的立管(未示出)。立管97相对于机架静止，并且轴承101位于立管97外表面和主轴95内表面之间，以允许主轴95相对于立管97相对运动。在所示实施方式中，两个衰减器103、105各自包括马达107和配重盘片109。衰减器103、105安装到立管97外端部处的狭窄区段111。任选的平台113可以设置在立管97上，用来安装衰减器103、105或者上述衰减器的其他实施方式。在操作中，马达107以类似于上述的方式旋转盘片109和衰减器103、105，允许衰减器103、105在立管97上产生振荡剪切力。这些剪切力则通过轴承101传入主轴95。应该注意，多于或少于图中所示数目的衰减器可以安装在立管97上。还应该注意，立管配置对于上述齿轮型驱动系统尤其有用。
振动衰减器提供若干优势，包括：(1)改善了振动衰减器的能力；(2)衰减主轴的振动，而非机架的振动；(3)改善了振动衰减器的控制；(4)减轻了重量；和(5)改善了可靠性。
说明书包括对实施例的讨论，但是并不应该理解为限制的意思。在参考本说明书之后，本领域技术人员可以明白实施例的各种改动和组合以及其他实施方式。例如，图中示出的振动衰减器实施方式安装在四叶片斜旋翼推进器上，但是振动衰减器的实施方式可以用在任何叶片数量的斜旋翼飞行器以及任何类型的旋翼上，诸如直升机旋翼和飞机推进器。此外，文中所述的实施方式具有步进式马达，但是也可以使用其他类型的马达。