多传动比旋翼飞行器驱动系统以及改变其齿轮传动比的方
法
技术领域
[0001] 本公开涉及旋翼飞行器系统的领域，并且更具体地涉及多传动比(multi-ratio)旋翼飞行器驱动系统以及改变其
齿轮传动比的方法。
背景技术
[0002] 诸如直升飞机和倾转
旋翼机之类的被提供动
力的升力旋翼飞行器使用由绕桅杆转动的旋翼
叶片或者机翼所产生的升力。在常规的旋翼飞行器中，旋翼叶片由一个或多个
发动机通过传动装置来提供动力，并且使用一个或多个固定传动比减速级来降低传动装置输入的转速，使得为旋翼提供动力的输出转速比输入转速小一个固定比率。能够通过改变旋翼转速来实现对旋翼飞行器的性能——包括噪音、航程和效率——的优化。
[0003] 降低旋翼飞行器中的旋翼转速的常用方法为降低由发动机所提供的传动装置的输入转速，这直接使得旋翼转速以成比例的量降低。实施该项技术的常见问题在于降低发动机的运行转速会导致发动机的效率或者性能降低，从而降低了能够通过降低旋翼的RPM而实现的单纯的性能的改善。这主要是由于产生最佳动力的
发动机转速范围比旋翼系统的转速范围更窄并且更有限。为了克服这些
缺陷，能够采用多传动比传动装置以通过接合不同传动比的齿轮为旋翼轴提供适当的
扭矩和转速。
[0004] 摩擦
离合器脱开传动装置内的扭矩传递路径并使得具有不同减速比的备用齿轮系统能够接合。在这种情况下，扭矩通过离合器盘之间的摩擦联接从发动机传递至
输出轴。
[0005] 虽然对于机动车来说比较常见，但在整个转速转变期间依赖摩擦提供扭矩的劣势在于：缺乏超越能力，产生的碎屑较多，在接合期间产生热，安装后的重量(还被称为功率
密度)，接合和脱开期间出现传动系冲击负载增大的可能性，以及负载下出现意外脱开的可能性。特别地，对用于飞行器自动旋转所需的超越能力的额外部件的需要使整个传动装置组件更加复杂并且更重。
[0006] 由以上内容可知，需要一种重量轻的传动装置切换方法及机构克服上文所述的现有基于固定传动比和摩擦离合器的多传动比旋翼飞行器传动装置的缺陷。
发明内容
[0007] 公开了一种多传动比旋翼飞行器驱动系统以及一种改变其齿轮传动比的方法。根据一个实施方式，多传动比旋翼飞行器驱动系统包括旋翼系统以及一个或多个发动机，该旋翼系统包括一个或多个旋翼。一个发动机或多个发动机中的每一个通过多传动比传动装置联接于旋翼系统。多传动比传动装置包括：输出轴，该输出轴联接于旋翼系统；
输入轴，该输入轴联接于该一个或多个发动机中的各个发动机；高转速离合器，该高转速离合器集成到高转速齿轮系中；以及低转速离合器，该低转速离合器集成到低转速齿轮系中。高转速离合器和低转速离合器是不具有
摩擦片的
超越离合器(freewheeling clutches)并能够在输出轴比输入轴转动得更快的超越状态下断开输出轴与输入轴。多传动比传动装置通过接合或者脱开高转速离合器以及调节所联接的发动机的转速而在高转速齿轮系和低转速齿轮系之间切换。
[0008] 在一个实施方式中，旋翼系统的转速从高转速降低至低转速。旋翼系统的转速从高转速降低至过渡转速。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第一发动机的第一多传动比传动装置从高转速档位切换到低转速档位。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第二发动机的第二多传动比传动装置从高转速档位切换到低转速档位。第一发动机和第二发动机的转速恢复到最佳发动机转速，使旋翼系统的转速降低至低转速。
[0009] 在另一实施方式中，旋翼系统的转速从低转速提高至高转速。首先，旋翼系统的转速从低转速提高至过渡转速。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第一发动机的第一多传动比传动装置从低转速档位切换到高转速档位。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第二发动机的第二多传动比传动装置从低转速档位切换到高转速档位。第一发动机和第二发动机的转速恢复到最佳发动机转速，使旋翼系统的转速提高至高转速。
[0010] 如本文中所大致描述，根据本文中所描述的各种实施方式的目的，本
专利的主题涉及具有多传动比传动装置的被提供动力的升力旋翼飞行器系统。
[0011] 现在将参照
附图更加详细地描述、并将在
权利要求中指出以上和其他优选特征，其包括元素的组合以及实施方式的各种新颖的细节。应当理解，具体的方法和设备仅仅作为示例给出而并不是加以限制。本领域技术人员将理解，在此说明的原理和特征可用于不同多种实施方式中。
附图说明
[0012] 被包括作为本
说明书的一部分的附图示出本发明的优选实施方式，并连同以上给出的总体性描述和以下给出的优选实施方式的详细描述一起用来说明和教导本发明的原理。
[0013] 图1示出根据一个实施方式的具有多传动比传动装置的多旋翼、多发动机旋翼飞行器系统的示例性高转速运行；
[0014] 图2示出根据一个实施方式的具有多传动比传动装置的多旋翼、多发动机旋翼飞行器系统的示例性低转速运行；
[0015] 图3示出根据一个实施方式的、用于高转速到低转速变化的示例性
框图；
[0016] 图4示出根据一个实施方式的、用于低转速到高转速变化的示例性框图；
[0017] 图5示出根据一个实施方式的、在切换到低转速并返回到高转速期间的示例性发动机和旋翼转速曲线；
[0018] 图6示出根据一个实施方式的、多传动比旋翼飞行器驱动系统的示例性高转速构型；
[0019] 图7示出根据一个实施方式的、多传动比旋翼飞行器驱动系统的示例性低转速构型。
[0020] 应当指出的是，附图不一定是按比例绘制的，并且应当指出的是，在所有附图中，具有类似结构或者功能的元件通常用相同的附图标记表示以起到说明作用。还应当指出的是，附图仅意在使得对本文所述的各种实施方式描述方便。附图并没有描述本文所述的教导的每个方面并且不限制权利要求的范围。
具体实施方式
[0021] 公开了一种多传动比旋翼飞行器驱动系统以及一种改变其齿轮传动比的方法。根据一个实施方式，多传动比旋翼飞行器驱动系统包括旋翼系统以及一个或多个发动机，该旋翼系统包括一个或多个旋翼。一个或多个发动机中的每一个发动机通过多传动比传动装置联接于旋翼系统。多传动比传动装置包括：输出轴，该输出轴联接于旋翼系统；输入轴，该输入轴联接于一个或多个发动机中的各个发动机；高转速离合器，该高转速离合器集成到高转速齿轮系中；以及低转速离合器，该低转速离合器集成到低转速齿轮系中。高转速离合器和低转速离合器是没有摩擦片的超越离合器并能够在输出轴比输入轴转动得更快的超越状态下断开输出轴和输入轴。多传动比传动装置通过接合或者脱开高转速离合器以及调节所联接的发动机的转速在高转速齿轮系和低转速齿轮系之间切换。
[0022] 在一个实施方式中，旋翼系统的转速从高转速降低至低转速。旋翼系统的转速从高转速降低至过渡转速。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第一发动机的第一多传动比传动装置从高转速档位切换到低转速档位。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第二发动机的第二多传动比传动装置从高转速档位切换到低转速档位。第一发动机和第二发动机的转速恢复到最佳发动机转速，使旋翼系统的转速降低至低转速。
[0023] 在另一实施方式中，旋翼系统的转速从低转速提高至高转速。首先，旋翼系统的转速从低转速提高至过渡转速。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第一发动机的第一多传动比传动装置从低转速档位切换到高转速档位。在旋翼系统的转速保持在过渡转速或者保持成接近过渡转速的情况下，联接于第二发动机的第二多传动比传动装置从低转速档位切换到高转速档位。第一发动机和第二发动机的转速恢复到最佳发动机转速，使旋翼系统的转速提高至高转速。
[0024] 本文所公开的额外的特征和教导的每一项能够分别地或者与其他特征和教导相结合地利用以便为多传动比旋翼飞行器驱动系统提供改进的设计。参照附图，更详细地描述分别地或者与其他特征和教导相结合地利用这些额外的特征和教导中许多特征和教导的典型示例。该详细的描述仅意在教导本领域的技术人员用于实施本教导的优选方面的进一步细节且非意在限制权利要求的范围。因此，以下详细描述中所公开的特征的组合可能不是在最广泛的意义上实施教导所必需的，而仅为了详细地描述本教导的典型示例而进行教导。
[0025] 此外，可以以未明确且具体地列举的方式对典型示例和
从属权利要求的各种特征进行组合以提供本教导的其它有用的实施方式。此外，应当特别指出的是，为了原始公开的目的，以及为了对与实施方式和/或者权利要求中的特征的组合相独立地限制所要求保护的主题的目的，说明书和/或者权利要求中所公开的所有特征意在被分别地并且彼此独立地公开。还应当特别指出的是，为了原始公开的目的，以及为了对所要求保护的主题进行限制的目的，所有的数值范围或者实体组的表示公开了每一个可能的中间值或者中间实体。还应当特别指出的是，在附图中所示出的部件的尺寸和形状设计成以助于理解本文教导是如何实施的，并非意在限制示例中所示出的尺寸和形状。
[0026] 本系统和方法使旋翼系统能够利用多传动比驱动系统对于单个发动机转速以多种转速运行。在改变旋翼转速的同时发动机转速保持在其最有效的范围中，以获得最佳飞行器性能。本系统和方法提供未使用摩擦离合器的重量轻且高功效的构型。在飞行器具有两个发动机的情况下，本系统和方法允许飞行器在正常的切换以便改变旋翼的转速期间具有来自至少一个发动机的动力。当一直为旋翼系统提供来自至少一个发动机的动力时，传动装置传动比能够在飞行时被改变。
[0027] 图1示出根据一个实施方式的、具有多传动比传动装置的旋翼飞行器系统的示例性高转速运行。旋翼飞行器系统100具有两个发动机101a和101b以及各自的传动装置105a和105b，其驱动旋翼系统110。旋翼系统110具有两个旋翼，所述两个旋翼通过互连的
驱动轴系统120连接在一起。在替代实施方式中，旋翼系统110可以通过齿轮联接于传动装置105a和105b。
[0028] 根据一个实施方式，高转速离合器102和低转速离合器103为斜撑(spay)离合器。斜撑离合器为“单向”超越离合器，其设计成将扭矩从输入装置(例如，发动机101)单向地传递到输出装置(例如，旋翼系统110)。由于其“单向”设计，斜撑离合器在输出轴比输入轴转动得更快的超越状态期间传递小的扭矩或者不传递扭矩。斜撑离合器防止旋翼在发动机失去动力的情况下驱动发动机。高转速离合器102的档位切换是通过调节发动机101的转速以及接合或者脱开高转速离合器102来实现的。
[0029] 根据一个实施方式，高转速离合器102和低转速离合器103为不具有摩擦片的自激励离合器。自激励离合器允许在输入轴和输出轴配合较紧密时更加有效的扭矩传递。当输入轴和输出轴的转速在转速方面不同时，自激励离合器不允许传递扭矩。由于其内部驱动机构，自激励离合器在超越状态消失时自动地提供
能量并有效地传递扭矩。
[0030] 常规的自激励离合器在没有适合的离合器机构的情况下，不具备相对于输入轴的转速控制和调节输出轴的转速的能力。为此，摩擦离合器可以与自激励超越离合器
串联地使用以提供这种能力。然而，摩擦离合器需要大的摩擦表面以将扭矩从输入轴传递到输出轴，这就增加了机构的重量并增加了由于接合部件的磨损和拉扯所需的维护。本系统和方法不需要使用摩擦离合器，并且比起
现有技术的旋翼飞行器驱动离合器设计，在效率、尺寸和重量方面具有显著的优势。
[0031] 在高转速运行期间，高转速离合器102和低转速离合器103均被接合。然而，扭矩仅通过高转速离合器102从发动机101传递至旋翼110，这是因为低转速离合器103在超越状态下为
单向离合器，在超越状态下，低转速离合器103的输出装置比其输入装置转动得更快。
[0032] 根据一个实施方式，发动机101以巡航转速运行，所述巡航转速比获得发动机101的最大运行效率的最大转速慢。例如，在巡航转速运行期间，发动机101和旋翼110以其最大转速的84％运行。选取的最佳转速的百分比仅仅是为了说明，并且应当理解，在不脱离本主题的范围的情况下可以使用任何百分比。
[0033] 图2示出根据一个实施方式的、具有多传动比传动装置的旋翼飞行器系统的示例性低转速运行。对于低的旋翼转速运行，高转速离合器102被脱开，并且低转速离合器103将扭矩从发动机101传递至旋翼110。根据一个实施方式，对于高转速和低转速运行，低转速离合器103都被永久性地接合，使得通过仅脱开高转速离合器102就能实现从高齿轮传动比到低齿轮传动比的档位切换。相反，通过重新接合高转速离合器102就能实现从低齿轮传动比到高齿轮传动比的切换。在实现从高转速档位到低转速档位的切换后，发动机101仍以其最佳转速(例如，其最大转速的84％)运行，而旋翼110以低转速(例如，其最大转速的60％)旋转。旋翼转速的变换(例如，84％到60％)以若干个步骤实现，下文中将更详细地描述。
[0034] 为了说明，最大发动机转速和最大旋翼转速用符号E和R表示。在高转速档位中，最大发动机转速E产生最大旋翼转速R。通过以下等式来计算旋翼转速：
[0035] ωrotor＝r*ωengine
[0036] 其中，r为齿轮传动比。在高转速档位中，rhigh＝R/E，在低转速档位中，rlow＝f*rhigh，其中f为档位减速因子。对于本示例，最佳发动机转速为0.84E(最大发动机转速的84％)，其与在以高转速档位接合时的旋翼转速0.84R(最大旋翼转速的84％)相对应。
[0037] 图3示出根据一个实施方式的、用于高转速到低转速变化的示例性框图。在本示例中，使用了档位减速因子——f＝0.714，然而，应当理解，能够使用任何其他的档位减速因子而不脱离本主题的范围。发动机101a和101b的发动机转速在高转速档位从巡航转速(0.84R)降低至较慢的转速——例如，0.714R，使得旋翼系统以0.714R旋转。当发动机101b的发动机转速降低至刚好低于0.714R时，高转速离合器102b处于超越状态并且被容易地脱开。这时，传动装置105b处于低转速档位。扭矩路径从高转速离合器102b切换到低转速离合器103b，但当离合器103b的输出轴转速大于其输入轴转速时没有扭矩或者扭矩很小。在档位切换后，发动机101b的发动机转速增加至1.0E以与处于0.714R(rhigh*0.714E)的旋翼系统110的转速匹配。
[0038] 在发动机101b以全速(1.0E)运行并且旋翼系统110以0.714R运行的情况下，在发动机101a和传动装置105a上进行类似的切换以使扭矩路径从高转速离合器102a切换到低转速离合器103a。在使发动机101a的发动机转速降低至刚好低于0.714R后，高转速离合器102a被脱开，并且传动装置105a处于低转速档位。在档位切换后，发动机101a的发动机转速渐变(ramp)至1.0E，使得发动机101a和101b均以0.714R的转速驱动旋翼系统110。在发动机101a和101b均实现档位切换后，低转速离合器103a和103b将扭矩传递至旋翼系统110。发动机101a和101b的转速降低至其巡航转速——0.84E，使得旋翼系统的转速降低至低转速——0.60R(rlow*0.84E)。
[0039] 根据一个实施方式，传动装置105b和105a相继切换档位，使得任何时候都有至少一个发动机为旋翼系统110提供动力。如高转速到低转速转变的前一示例所示，档位切换可以相继发生，但用于改变发动机101a和101b与旋翼系统110之间的传动比的一些中间步骤可以不同。例如，在传动装置105b切换时发动机101a的发动机转速可以保持在1.0E，或者在发生档位切换时旋翼系统110可以为超越式的。应当理解，可以以不同的顺序执行转速调节和档位切换的步骤，而不脱离本主题的范围。
[0040] 根据一个实施方式，单个传动装置、发动机以及旋翼系统能够通过控制旋翼转速来改变传动比，其中使用了与另一发动机和互连系统相对的旋翼控制来控制旋翼转速。该方法允许在发动机减速和离合器超越且脱开以允许从高转速切换到低转速时旋翼系统转速保持接近过渡转速的转速。可替代地，为了从低转速切换至高转速，可以控制旋翼系统以利用旋翼飞行器高度和转速提高旋翼转速，并使传动装置能够以从高转速到低转速切换所描述的相同的方式从低转速转变到高转速。
[0041] 图4示出根据一个实施方式的、用于低转速转变到高转速的示例性框图。在本示例中使用相同的档位减速比——f＝0.714——以说明从低转速到高转速的转速转变。发动机101以巡航转速(0.84E)运行，旋翼系统110在低转速档位以低转速——0.60R(rlow*0.84E)——旋转。发动机101a和101b的转速从巡航转速(0.84E)提高至最大转速(1.0E)以使旋翼转速渐变至切换转速——例如，0.714R。发动机101a的发动机转速降低至刚好低于0.714E，使高转速离合器102a处于超越状态。高转速离合器102a在超越状态下被接合，这就使得在输出轴的转速与输入轴的转速匹配时扭矩路径从低转速离合器
103a改变到高转速离合器102a。发动机101a的发动机转速被改变成0.714E，使得来自发动机101a的扭矩被施加到旋翼系统110。
[0042] 在发动机101a以0.714E运行、传动装置105a处于高转速档位、并且旋翼系统110以0.714R运行的情况下，在传动装置105b和发动机101b上执行档位切换。发动机101b的发动机转速降低至刚好低于过渡转速(0.714E)，并且高转速离合器102b被接合。在档位切换后，发动机101b的运转转速达0.714E，并且与处于0.714R的旋翼系统相匹配。在传动装置105a和105b的切换均完成之后，发动机101a和101b的转速提高至其巡航转速0.84E，使得旋翼系统110的转速提高至巡航转速0.84R。
[0043] 图5示出根据一个实施方式的、在切换至低转速并且返回到高转速期间的示例性发动机和旋翼转速曲线。旋翼转速505从巡航转速——例如，0.84R——降低至低转速——例如，0.60R，并且渐变回巡航转速0.84R。在旋翼系统110的转速转变期间，发动机101a和101b的发动机转速501和502如图5所示。在发动机101a以刚好低于旋翼的转速运行时，传动装置105a将档位从其高转速档位切换到低转速档位。一旦传动装置105a的档位切换完成，传动装置105b就以与传动装置105a同样的方式使档位从其高转速档位切换到低转速档位。如图5中的曲线的第二半段所示，从低转速档位到高转速档位的档位切换以相反的顺序发生。
[0044] 图6示出根据一个实施方式的、多传动比旋翼飞行器驱动系统的示例性高转速构型。在高转速构型中，来自发动机101的扭矩通过高转速离合器102经由扭矩路径601传递至旋翼110。低转速离合器103始终被接合使得当高转速离合器102脱开时，从发动机101至旋翼101的扭矩路径通过低转速离合器103传递。
[0045] 图7示出根据一个实施方式的、多传动比旋翼飞行器驱动系统的示例性低转速构型。在低转速构型中，高转速离合器102被脱开使得扭矩通过发动机101的输出轴以及低转速离合器103经由扭矩路径701传递至旋翼110。
[0046] 根据一个实施方式，高转速离合器102和低转速离合器103为超越离合器。当输出轴比超越离合器的输入轴旋转得快时，无扭矩传递。另一方面，当输出轴旋转不比超越离合器的输入轴旋转得快时，输入轴和输出轴即刻联接，并且如同输入轴和输出轴无差别旋转地联接起来那样传递扭矩。超越离合器的该安全的特征在发动机故障时特别有用，使得旋翼能够通过自动断开发动机而自由地转动。
[0047] 根据一个实施方式，除了在转速转变期间外，发动机101的发动机转速保持在其最有效的范围中，同时改变旋翼转速以实现最佳性能。尽管在之前的示例中示出了两个传动比形式，但可以在具有多于两个传动比的驱动系统中使用不同数量的离合器系统。转速的数量可以由飞行器重量和性能要求来确定。
[0048] 已经根据特定示例和子系统描述了多传动比旋翼飞行器驱动系统和改变其齿轮传动比的方法。对本领域的技术人员来说显然的是，本发明并不局限于这些特定的示例或者子系统，而还能够延伸至其他实施方式。
