用于消除旋翼飞行器推挽系统中的反向驱动的装置及其相关方法

摘要

本发明提供了用于消除推挽型控制系统中的反向驱动的装置和方法。示例性装置包括控制杆（31），其包括一对隔开的活塞位移构件（67，69），每个活塞位移构件经配置承载止回阀（83，87）。该装置还包括一对相对面对的止回阀（83，87），每个止回阀经配置密封抵靠活塞头部（45）的相应的相对的面以形成液压锁止，从而防止控制系统中的反向驱动。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请是于2011年6月24日提交的题为“Hydraulic Cylinder to  Eliminate Back Drive in Push Pull System of Rotor Aircraft”的美国专利 申请No.61/501045的非临时专利申请，并且要求该专利申请的优先权 和权益，该专利申请的全部内容包含在此以供参考。

技术领域

本发明一般涉及诸如旋翼机的旋翼飞行器，尤其是涉及手动控制 系统，并且更具体地涉及用于消除交通工具的推挽式系统/配件中的反 向驱动的装置和方法。

背景技术

诸如旋翼机的某些类型的旋翼飞行器利用例如倾转旋翼（tiltrotor） 概念，其通常并不采用旋转斜盘将控制输入转换为旋翼轮盘和/或液压 增压系统。相反，此飞行控制设计沿俯仰轴和侧滚轴直接操纵支撑旋 翼控制头本身。

在预旋转期间，这种旋翼机的旋翼由在每一端处具有万向节的驱 动轴驱动。因为旋翼必须具有移动自由以控制飞行器，所以通常认为 万向节是必要的。然而，当万向节未精确对准时，该未对准状态产生 “反冲”负载，该负载被供送至飞行控制系统且通常控制装置必须对 此作出反应。最后，该“反向驱动”被使用操纵杆的飞行员所感知， 并且飞行员必需对其作出反应。进一步，随着万向节变得更加不对准， 反冲负载振幅可以变大到使得飞行控制系统变得不稳定。在新近的原 型旋翼机的测试期间，飞行员能够将操纵杆维持在合适的位置达到大 约每分钟200转，或达到每分钟飞行转数的80%。超过该每分钟转数， 反冲负载振幅变得过大使得飞行员无法将操纵杆维持在稳定的位置。 因此，本发明人认识到需要用于消除飞行控制装置或其它类型的类似 配置的机器/交通工具控制系统中不可控的反向驱动的装置和方法。

类似地，在巡航飞行期间，在一些进速比（飞行器速度/旋翼尖端 速度）下，旋翼将变得不稳定。因此，还认识到需要这样的装置和方 法，即使当旋翼系统在巡航飞行期间不稳定时，该装置和方法也允许 飞行员维持对旋翼的控制。

发明内容

鉴于上文所述，本发明的不同实施例有利地提供了用于消除飞行 控制装置或其它类型的类似配置的机器或控制系统中的反向驱动的装 置和方法。本发明的不同实施例在预旋转和飞行期间的不稳定的旋翼 状态期间，在飞行控制系统中控制否则为不可控的反向驱动。

虽然认识到，可通过如在直升机中使用的旋转斜盘设计至少部分 解决预旋转期间的扭矩/反冲问题，但本发明的不同实施例可有利地允 许使用更简单的倾转轴旋翼控制，其也可以为了提高空气动力学效率 而被设计得更为紧凑。此外，液压增压系统还可用于自动克服高操纵 杆负载。然而，液压系统需要液压泵，并且是有源系统，从而给飞行 控制系统增加了额外重量和额外的复杂等级。本发明的不同实施例有 利地提供了用于克服扭矩/反冲问题的更简单并且无源的结构。

更具体地，用于消除推挽型控制系统中的反向驱动的装置的实施 例的示例包括输入控制杆，该输入控制杆包括带有一对隔开的活塞位 移板或其它构件的杆端配件。一对活塞位移构件的第一构件位于活塞 腔内，而一对活塞位移构件的第二构件位于活塞腔外部。每个活塞位 移构件包括至少一个但更典型地为多个的止回阀孔径，每个止回阀孔 径经配置接收止回阀。该装置还可包括活塞，该活塞容纳在例如含有 液压流体的圆柱形壳体内。活塞包括活塞头部和活塞主体，该活塞主 体具有限定活塞腔的内表面部分，所述活塞腔经配置接收含在壳体内 的一些液压流体。活塞头部可包括第一孔径和第二孔径，其中第一孔 径用于可滑动地延伸通过部分控制杆，第二孔径用于将部分液压流体 传递至活塞腔中并且用于将所述部分液压流体传递至活塞腔外。

一对相对面对的止回阀的第一止回阀被连接至一对活塞位移构件 中的第一构件，而一对相对面对的止回阀的第二止回阀被连接至一对 活塞位移构件中的第二构件。每个止回阀均具有这样的孔径，其延伸 通过相应的止回阀的面向活塞的表面以接收液压流体。第一止回阀的 主体被取向为使得在一对活塞位移构件中的第一构件缩回到活塞头部 的方向，并且第一止回阀的面向活塞的表面处于活塞头部的相对表面 上时，第一止回阀的孔径形成通过活塞头部中的第二孔径的至少大体 上但优选为完全密封的路径。类似地，第二止回阀的主体被取向为使 得在一对活塞位移构件的第二构件延伸至活塞头部的方向，并且第二 止回阀的面向活塞的表面处于活塞头部的相对表面上时，第二止回阀 中的孔径形成通过活塞头部中的第二孔径的至少大体上但优选为完全 密封的路径。根据一个实施例，第一止回阀和第二止回阀被分开足够 的距离，以便当一对相对面对的止回阀中的一个止回阀的相应的面向 活塞的表面密封接触活塞头部时，一对相对面对的止回阀中的另一个 止回阀的面向活塞的表面与活塞头部分离。

根据一个实施例，活塞头部与第一止回阀和第二止回阀是互补配 置的。例如，根据该实施例，当活塞遇到从受控物体（例如，旋翼控 制头）发出的力，导致活塞在第一止回阀的面向活塞的表面的方向上 缩回，并且活塞头部的相应的相对表面密封接合第一止回阀的面向活 塞的表面时，活塞头部的相对表面与第一止回阀的密封接合引起液压 锁止，该液压锁止防止活塞头部进一步缩回，从而防止受控物体的反 向驱动。类似地，当活塞遇到自受控物体发出的力，导致活塞在第二 止回阀的面向活塞的表面的方向上延伸，并且活塞头部的相应的相对 表面密封接合第二止回阀的面向活塞的表面时，活塞头部的相对表面 与第二止回阀的密封接合引起液压锁止，该液压锁止防止活塞头部进 一步延伸，从而防止受控物体的反向驱动。

根据一个实施例，为了向使用者提供控制系统反馈，一对中心弹 簧可以被定位为将活塞维持在一对相对面对的止回阀之间，使得在无 大量（或过度的）外力被施加至活塞或控制杆时，液压流体可通过活 塞头部的第二孔径流进和流出活塞腔，从而有效地绕过止回阀。一对 中心弹簧中的第一弹簧在第一活塞位移构件的面向活塞的外表面部分 和活塞头部的相对的面向远端的外表面部分之间延伸。一对中心弹簧 的第二弹簧在第二活塞位移构件的面向活塞的外表面部分和活塞头部 的面向近端的外表面部分之间延伸。

根据一个实施例，活塞头部至少包括用于接收一对或多对减压阀 的第三孔径和第四孔径。一对减压阀中的第一减压阀包括主体，该主 体可滑动地延伸通过第三孔径并被连接至一对活塞位移构件中的第二 构件。一对减压阀中的第二减压阀包括主体，该主体可滑动地延伸通 过第四孔径并被连接至一对活塞位移构件中的第一构件。第二减压阀 被取向为在与第一减压阀相反的方向上发挥作用。这样，第一减压阀 和第二减压阀共同配置为防止在活塞头部的第一（远端）面对侧和第 二（近端）面对侧上建立可导致装置严重故障的过大压力。此外，减 压装配可被设定为将压力减小到足够小的值，从而向飞行员或其它使 用者提供操作状况过度的反馈，以便给使用者足够的引导来调节操作 状况。

附图说明

因此将更详细地理解使本发明的特征和优势、以及其他方面变得 显然的方式，通过参考构成本说明书的一部分的附图中所示的实施例， 可获得以上简要概述的本发明的更具体的描述。然而，应注意的是， 附图仅示出了本发明的不同实施例，因此不应被认为是限制本发明的 范围，因为所述范围可包括其它同样有效的实施例。

图1是根据本发明的实施例的装置的局部透视环境视图，所述装 置用于消除飞机的推挽型飞行控制系统中的反向驱动；

图2是图1中的装置和周围环境的放大图；

图3是根据本发明的实施例的装置的特定组件的剖视图；以及

图4是图3中的装置的一部分的放大视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出本发明实施例的附图更充分地描述本发 明。然而，本发明可以用不同形式实现，且不应解释为限制于本文所 阐述的说明的实施例。相反，这些实施例被提供以使本公开彻底且完 整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。通篇的相同标记 指代相同元件。如果使用撇号，则指示在可替换的实施例中的类似元 件。

本发明的不同实施例提供了可消除推挽式系统中的反向驱动的装 置和方法。也就是，一个或多个实施例可允许推挽系统在使用者期望 的方向上移动，但将会防止被控制的物体在不是使用者发起的方向上 移动推挽系统。

参考图1和图2，此实施例的特定应用是在旋翼机23的飞行控制 系统21里。在该应用中，所示经由安装架26被刚性连接至部分机身 25的装置30具有两个主要功能。第一功能是在旋翼（未示出）预旋转 期间。在预旋转期间，旋翼由驱动轴27驱动，该驱动轴在两端上具有 万向节28。当一个或多个万向节28未精确对准时，相应的一个或多个 万向节28产生只可由飞行控制装置作出反应的‘反冲’负载，该飞行 控制装置最终意味着在操纵杆29处。此外，因为万向节变得越不对准， 则反冲负载变得越大，所以飞行控制系统会变得不稳定。装置30可承 载由在旋翼预旋转期间驱动轴万向节的不对准所引起的反冲负载，使 得飞行员不必承受反冲负载，从而允许旋翼将飞行器旋翼预旋转至期 望的每分钟转数。

第二主要应用是当旋翼减慢时用于高速飞行。在某些进速比（飞 行器速度/旋翼尖端速度）下，旋翼将变得不稳定。即使当旋翼不稳定 时，装置30也可允许飞行员维持对旋翼的控制。

参考图3，使用者对装置30的输入是在圆柱形壳体33的下方凸出 的输入控制杆31。凸出至壳体33上方的输出控制杆35延伸至将被控 制的物体。在示例性实施例中，将被控制的物体是支撑一个或多个旋 翼桨叶（未示出）的集合的旋翼控制头37（图1）。壳体33的螺纹状 下部39被锚定至固体限制器25，26（图1）以与反馈力起反应。

同样参照图4，输出控制杆35的头41直接附连到活塞43或与活 塞43一体形成，该活塞43具有位于圆柱形壳体33的圆柱形壳体腔47 内的活塞头部/面45。活塞43的主体和/或头部包括环状密封物49，其 功能为划分腔47从而功能地隔开腔51、52（即，输入腔和输出腔）。 类似地，圆柱形壳体33的下端部53和上端部55中的每个也包括至少 一个环状密封物57、59，以便将液压流体包含在壳体腔47内。

活塞头部45包含至少一个但通常为多个的端口（孔径）61，液压 流体可流过该端口61。还具有延伸通过活塞43的输出侧64（即，活 塞尾部64）的端口（孔径）63。部分杆端配件65凸出通过活塞43的 活塞头部45。杆端配件65包括位于活塞头部45的两侧上的一对隔开 的活塞位移板或其它构件67，69。延伸通过壳体33的输入侧53的输 入控制杆31附连到杆端配件65或与杆端配件65一体形成。活塞位移 板67，69相应地附连到输入控制杆31或与输入控制杆31一体形成。 在示例性实施例中，紧固件71连接活塞腔72内的活塞位移板67，该 活塞腔72由活塞头部45、活塞尾部64和主体部分73限定，并且活塞 位移板69与输入控制杆31一体形成。

活塞位移板67包括至少一个但通常为多个的止回阀孔径81（仅示 出一个），每个止回阀孔径81配置为支撑相应的止回阀83。类似地， 活塞位移板69包括至少一个但通常为多个的止回阀孔径85（只示出一 个），每个止回阀孔径85配置为支撑相应的止回阀87。每对互补的止 回阀83，87与活塞中的一个端口61对准。第一止回阀83包括孔径91， 该孔径91延伸通过止回阀83的面向活塞的表面93以接收液压流体。 第二（相对的）止回阀87包括孔径95，该孔径95延伸通过第二止回 阀87的面向活塞的表面97。

第一止回阀83的主体被取向为使得当活塞位移板67缩回到活塞 头部45的方向中并且第一止回阀83的面向活塞的表面93处于活塞头 部45的相对表面103上时，第一止回阀83的孔径91形成通过活塞头 部45中的孔径61的密封路径。类似地，第二止回阀87的主体被取向 为使得当活塞位移板69延伸到活塞头部45的方向中并且第二止回阀 87的面向活塞的表面97处于活塞头部45的相对表面107上时，第二 止回阀87的孔径95形成通过活塞头部45中的孔径61的密封路径。

根据示例性配置，在活塞头部45的输入侧和输出侧之间可发生少 量的相对运动，如由活塞头部45与止回阀83和止回阀87之间的缝隙 111的相对厚度所限定的。在操作中，当输出控制杆35/头部41相对于 输入控制杆31移动时，止回阀83和止回阀87中的一个可接触活塞头 部45，并且抵靠各自的相对表面103、107密封。注意，根据示例性实 施例，在图4中示出的有用但可选的特征是一对弹簧113，其定位为将 活塞头部45维持在止回阀83和止回阀87之间的中心。

为了理解装置30如何消除反向驱动，考虑输出控制杆35试图向 上驱动活塞43同时使用者保持输入控制杆31静止的具体示例。活塞 头部45将向上移动，直到其处于抵靠止回阀83。由于止回阀83的取 向，液压流体将无法在允许活塞43继续向上移动的方向上流经止回阀 83。活塞43将被液压锁止，并且活塞43、输出控制杆35和旋翼控制 头37将不能够进一步移动。类似地，如果输出控制杆35试图向下驱 动活塞43同时使用者保持输入控制杆31静止，则活塞头部45将向下 移动，直到其处于抵靠止回阀87。由于止回阀87的取向，液压流体将 无法在允许活塞43继续向下移动的方向上流经止回阀87。活塞43将 被液压锁止，并且活塞43、输出控制杆35和旋翼控制头37将不能够 进一步移动。

如果使用者希望移动旋翼控制头37，则有两种可能性。第一种可 能性是使用者尝试在与输出控制杆35试图驱动活塞43的方向相同的 方向上移动输入控制杆31。即使活塞头部45最初抵靠止回阀83和止 回阀87中的一个被密封，在使用者尝试移动输入控制杆31之前，飞 行控制系统23的惯性也将允许使用者将输入侧推动至足够远以打开活 塞头部45与止回阀83或止回阀87（这取决于所期望的方向）之间的 缝隙，从而允许飞行控制装置和旋翼控制头37在期望的方向上移动。

另一种可能性是使用者尝试在与输出控制杆35试图驱动活塞43 的方向相反的方向上移动输入控制杆31。举例来说，考虑到如上所述 的输出控制杆35试图向上驱动活塞43，但这次使用者试图向下移动输 入控制杆31。活塞头部45将仍处于抵靠止回阀83。如果使用者可施 加的力大于施加在输出控制杆35上的力，则止回阀83因其取向将允 许液压流体从圆柱形壳体33的下部腔51流动到上部腔52（见图3）， 从而允许活塞43向下移动。如果使用者不能施加大于施加在输出控制 杆35上的力，则活塞43将保持静止。

根据示例性实施例，当来自输出端41的反馈力相对较低时，可选 的弹簧113可被用于提供更平稳的运动和触觉反馈，该弹簧113被显 示为置于活塞头部45之上并且在每个板67、69之间。弹簧113运作 以使活塞头部45保持在止回阀83和止回阀87之间的中心处，从而允 许液压流体绕过止回阀83和止回阀87，流经活塞头部45中的端口61。 当流体可绕过止回阀83、87时，活塞43可在任一方向上自由移动， 并且由于活塞头部45与止回阀83和止回阀87密封然后分离而没有“急 动”。在此操作模式中，来自输出控制杆35的反馈力被传输至输入控 制杆31。因此，弹簧113必须被恰当地设计尺寸，以便在基于预定的 单位尺寸的阈值反馈力下，弹簧力将被克服，并且飞行控制系统将按 上述运转从而消除反向驱动。

图3中所示的另一个可选特征是与微米刻度过滤器123组合的贮 存器121。当反馈力以相对高的频率改变时，该配置是有用的。当微米 刻度过滤器123没有形成精确密封时，该过滤器123在腔47中引起高 压降，使得飞行控制系统将不能够非常快速的移动，同时仍允许气泡 从腔47溢出到贮存器121中。

再次参考图4，第三个可选特征是一组减压阀131（只示出一个）， 其延伸通过活塞头部45中的相应的一组孔径133，并且例如螺纹连接 至活塞接合板67，69中的一个。每对减压阀131在彼此相反的方向上 取向。减压阀131运作以防止在腔51、52（图3）任意一个中建立过 高的压力。当这样配置时，如果压力超过减压阀131的限制，则由于 由输出控制杆35施加的力，活塞43将被允许移动，以便防止严重故 障和/或向使用者提供警告。在示例性实施例中，减压阀131的尺寸可 设计为保护装置30本身的组件，或保护控制杆31，35和/或其它输入 或输出控制组件上的联接。可替换地，当超过一定的反馈力时，减压 阀131可以被设计尺寸为向使用者提供反馈。

如上所述，针对这种反向驱动停止的特定应用是在旋翼工艺型飞 行器的控制系统中。除了该装置30外，飞行器通常还具有某种类型的 伺服系统（如汽缸）以向控制联接提供稳定的力。

在操作中，当旋翼转动时，存在至操纵杆的振动反馈力（环状的）。 对于双桨叶旋翼，该力通常可近似为：

F=A+B sinθ+C sin2θ，

其中A代表平均反馈，B sinθ代表每转1次（每转一次）振动， 而C sin2θ代表每转2次（每转两次）振动。平均负载A可通过伺服 系统（汽缸）达到平衡，使得操纵杆上唯一的负载是每转一次或两次 振动的负载。因此，当飞行员（操作员）希望在旋翼旋转期间至少一 次或两次移动操纵杆（如，环状的）以控制旋翼的旋转平面时，通过 输出控制杆35的输出侧将试图在通过输入控制杆31的输入方向上移 动，并且环状杆可被移动期望量。如果飞行员（操作员）不能在期望 的方向上移动操纵杆足够远，则飞行员可操作伺服系统（如，汽缸） 以提供所需的力，从而克服操纵杆上的平均负载A。

在该应用中，减压阀131向飞行员提供反馈。因为负载是振动的， 所以当负载变得过高时，该反馈表现为‘撞击’。

本申请是于2011年6月24日提交的题为“Hydraulic Cylinder to  Eliminate Back Drive in Push Pull System of Rotor Aircraft”的美国专利 申请No.61/501045的非临时专利申请，并且要求该专利申请的优先权 和权益，该专利申请的全部内容包含在此以供参考。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型的优选实施例，并 且虽然采用特定的术语，但是术语仅用于描述性意义而不是为了限制 的目的。具体参考这些图示实施例，已相当详细地描述了本发明。然 而，很明显，在如上述说明书所描述的本发明的精神和范围内，可做 出不同的修正和变化。例如，虽然主要关于飞行器飞行控制系统进行 描述，但本装置可用于受控物体可试图反向驱动其位置的任何推挽型 系统。