CN109760808B - 长航程自主水下航行器低功耗转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长航程自主水下航行器低功耗转向装置，舱壳上密封连接有舱盖，连接杆的两端均连接有舵轴，舵轴的一端与连接杆相连，另一端与舱壳转动连接，舵轴的另一端与安装在舱壳外表面的外侧盖板密封连接，并由舱壳、外侧盖板穿出，连接有舵片固定件，舵片固定件上安装有舵片；任意一根舵轴上安装有驱动模块，支撑架安装在舱壳内部，动力源安装在支撑架的一侧，动力源的输出端通过传动机构与位于支撑架另一侧的舵轴连接，进而通过连接杆带动另一根舵轴同步转动，实现驱动模块同时驱动两根舵轴上连接的舵片。本发明采用水平、垂直两套驱动模块驱动四个舵片转动的方式，降低了能耗单元数量，可以有效降低能耗。

Description

长航程自主水下航行器低功耗转向装置

技术领域

本发明涉及自主水下航行器转向装置，具体地说是一种长航程自主水下航行器低功耗转向装置。

背景技术

随着人类对海洋的不断探索和海洋资源的开发，对水下观测装备的需求也越来越多。长航程自主水下航行器是一种新型的可以长时间在水下进行观测作业的水下观测装备。由于长航程自主水下航行器依靠自身携带的电池提供能源，因此在携带有限能源的条件下要想实现长期作业，必须降低各个能耗单元的工作耗能。转向装置是用于控制水下航行器航行方向和运动姿态的装置，也是长航程自主水下航行器各个子***中的能耗大户。因此，设计一款低功耗的转向装置十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长航程自主水下航行器低功耗转向装置，降低转向装置的能耗，使转向装置结构更加紧凑。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括驱动模块、连接杆、舱盖、舵片固定件、外侧盖板、舵轴、舱壳及舵片，其中舱壳的一侧密封连接于水下航行器上，另一侧密封连接有舱盖，所述驱动模块及连接杆均容置于舱壳内，该连接杆的两端均连接有舵轴，所述舵轴的一端与连接杆相连，另一端与所述舱壳转动连接，该舵轴的另一端与安装在舱壳外表面的外侧盖板密封连接，并由所述舱壳、外侧盖板穿出，连接有舵片固定件，该舵片固定件上安装有舵片；任意一根所述舵轴上安装有驱动模块，该驱动模块包括支撑架、传动机构及动力源，该支撑架安装在所述舱壳内部，所述动力源安装在支撑架的一侧，该动力源的输出端通过传动机构与位于支撑架另一侧的舵轴连接，进而通过连接杆带动另一根舵轴同步转动，实现所述驱动模块同时驱动两根舵轴上连接的舵片；

其中：所述传动机构为齿轮传动机构，包括正齿轮A及正齿轮B，该正齿轮A连接于所述动力源的输出端，所述正齿轮B连接于舵轴上，并与该正齿轮A啮合传动；

所述驱动模块还包括旋转电位计，该旋转电位计的底座固定在所述支撑架上，所述旋转电位计的电刷与动力源的输出端连接，该电刷随动力源输出端转动，在所述旋转电位计的底座上产生相对转动；

所述支撑架包括压紧板、电机固定板及连接柱，该压紧板固定在所述舱壳的内部，所述电机固定板通过连接柱与压紧板相连；

所述舵轴通过轴承与舱壳转动连接，该舵轴的另一端设有凸环，凸环的上下两侧均设有实现舵轴径向限位的轴承，连接杆一端安装所述驱动模块的舵轴上位于上侧的轴承通过所述凸环和外侧盖板实现轴向限位，位于下侧的轴承通过所述凸环与支撑架实现轴向限位；所述连接杆另一端的舵轴上位于上侧的轴承通过所述凸环和外侧盖板实现轴向限位，位于下侧的轴承通过所述凸环与固接在舱壳内部的轴承压紧板实现轴向限位；

所述舵轴的另一端设有双径向密封槽，所述外侧盖板的中间沿轴向向外设有中空凸台，该舵轴上双径向密封槽的部位容置于所述中空凸台，双径向密封槽内的密封圈与该中空凸台实现水下动密封；所述外侧盖板下表面开有轴向密封槽；

所述舱壳为回转体，外表面均布有与所述舵片数量相同的凸台，该凸台的中间开有与所述舱壳内部连通的通孔A，所述外侧盖板固定在凸台上；与所述凸台相对应的舱壳内部的位置处设有平面；

所述舵片固定件与舵片连接的一端开有U形槽，并在槽底部中间开有供所述舵轴插接的阶梯孔，所述舵片的下部***该U形槽内，通过螺栓固定；

所述舵片分为水平舵片及垂直舵片，该水平舵片与垂直舵片均为两片，分别与四根舵轴连接，四根舵轴在空间上呈十字交叉的共面结构，即连接水平舵片的两根舵轴的轴向中心线共线，连接垂直舵片的两根舵轴的轴向中心线共线、且垂直于连接水平舵片的两根舵轴的轴向中心线；

连接水平舵片的两根舵轴之间的连接杆为直轴连接杆，连接垂直舵片的两根舵轴之间的连接杆为曲轴连接杆，该直轴连接杆两端的直径与所述曲轴连接杆两端的直径相同，所述直轴连接杆的长度与曲轴连接杆的长度相等，该曲轴连接杆的中间部分弯曲、呈“凹”字形，“凹”字开口的间距大于所述直轴连接杆的直径。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明采用水平、垂直两套驱动模块驱动四个舵片转动的方式，降低了能耗单元数量，可以有效降低能耗。

2．本发明采用模块化设计，结构紧凑，体积小，便于安装与维护。

附图说明

图1为本发明去掉舱壳后的立体结构示意图；

图2为本发明局部剖切立体结构示意图；

图3为本发明舱壳的立体结构示意图；

图4为本发明驱动模块的立体结构示意图；

图5为本发明驱动模块的主视剖视图；

图6为本发明安装舵片后的外部立体结构示意图；

其中：1为驱动模块，2为直轴连接杆，3为曲轴连接杆，4为水密接插件，5为压力补偿油囊，6为舱盖，7为舵片固定件，8为外侧盖板，9为轴承，10为轴承压紧板，11为舵轴，12为联轴器，13为舱壳，14为压紧板，15为旋转电位计，16为正齿轮A，17为减速器，18为电机，19为连接柱，20为电机固定板，21为正齿轮B，22为销钉，23为轴套，24为舵片，25为凸台，26为通孔A，27为平面，28为螺纹孔A，29为螺纹孔B，30为径向密封圈槽，31为中空凸台，32为双径向密封槽，33为轴向密封槽，34为凸环，35为螺孔，36为U形槽，37为凹槽，38为通孔C。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括驱动模块1、连接杆、舱盖6、舵片固定件7、外侧盖板8、舵轴11、舱壳13及舵片24，其中舱壳13的一侧密封连接于水下航行器上，另一侧密封连接有舱盖6，驱动模块1及连接杆均容置于舱壳13内，该连接杆的两端均连接有舵轴11，舵轴11的一端与连接杆相连，另一端与舱壳13转动连接，该舵轴11的另一端与安装在舱壳13外表面的外侧盖板8密封连接，并由舱壳13、外侧盖板8穿出，连接有舵片固定件7，该舵片固定件7上安装有舵片24。任意一根舵轴11上安装有驱动模块1，该驱动模块1包括支撑架、传动机构及动力源，该支撑架安装在舱壳13内部，动力源安装在支撑架的一侧，该动力源的输出端通过传动机构与位于支撑架另一侧的舵轴11连接，进而通过连接杆带动另一根舵轴11同步转动，实现驱动模块1同时驱动两根舵轴11上连接的舵片24。

本发明的舵片24分为水平舵片及垂直舵片，该水平舵片与垂直舵片均为两片，分别与四根舵轴11连接，四根舵轴11在空间上呈十字交叉的共面结构，即连接水平舵片的两根舵轴11的轴向中心线共线，连接垂直舵片的两根舵轴11的轴向中心线共线、且垂直于连接水平舵片的两根舵轴11的轴向中心线；其中任意两根不共线的舵轴11上分别安装了驱动模块1。连接水平舵片的两根舵轴11之间的连接杆为直轴连接杆2，连接垂直舵片的两根舵轴11之间的连接杆为曲轴连接杆3，该直轴连接杆2两端的直径与曲轴连接杆3两端的直径相同，直轴连接杆2的长度与曲轴连接杆3的长度相等，该曲轴连接杆3的中间部分弯曲、呈“凹”字形，“凹”字开口的间距大于直轴连接杆2的直径。

结合图1所示，本发明转向装置的具体结构为：以水平舵片的布置为例，驱动模块1通过其自身的支撑架和舱壳13右侧内壁面固定连接，驱动模块1上的舵轴11一侧穿出舱壳13外、与舵片固定件7连接，另一端通过联轴器12与直轴连接杆2的一端相连接，直轴连接杆2的另一端通过联轴器12与另一根舵轴11相连接，另一根舵轴11再与位于舱壳13外侧的舵片固定件7固定连接。这样，驱动模块1上的舵轴11就可以通过联轴器12和直轴连接杆2把动力传递到在同一轴线上对侧的舵轴11，进而同时带动两个舵轴11转动，这样就实现了一个驱动模块1同时驱动两个对称布置的水平舵片。

对于垂直舵片而言，与水平舵片的布置方式类似，驱动模块1通过其自身的支撑架和舱壳13下侧内壁面固定连接，驱动模块1上的舵轴11一侧穿出舱壳13外、与舵片固定件7连接，另一端通过联轴器12与曲轴连接杆3的一端相连接，曲轴连接杆3的另一端通过联轴器12与另一根舵轴11相连接，另一根舵轴11再与位于舱壳13外侧的舵片固定件7固定连接。

因为采用了曲轴连接杆3和直轴连接杆2的空间交叉结构，四个舵轴11在空间上才能呈十字交叉的共面结构，减少了因为连接轴的交叉带来的舱壳轴向空间需求，实现了结构上的紧凑。

在驱动模块1的对侧，舵轴11上安装的轴承9通过轴承压紧板10进行限位，轴承压紧板10通过螺钉固定在舱壳13的内壁面。

为了更详细地对上述部件的安装方式和相对位置关系进行说明，结合图2和图3，如图3所示，舱壳13的整体结构呈回转体样式，在外表面沿圆周方向均布有四个圆形的凸台25，凸台25的中间开有通孔A26，与舱壳13的内部相连通，凸台25的边缘沿圆周方向开设有用于固定的螺纹孔A28。与外表面均布的凸台25位置相对应，舱壳13的内侧壁面上沿圆周方向均布有四个平面27，平面27为轴承压紧板10和驱动模块1中的支撑架的安装提供安装平面。舱壳13左侧端面上沿圆周方向均布有多个螺纹孔B29，舱盖6通过螺钉与舱壳13固定连接，其中在舱盖6上设置有径向密封圈槽30。

以图2为参考，舵轴11的一端与直轴连接杆2或曲轴连接杆3通过联轴器12相连，另一端穿过外侧盖板8后伸出舱壳13的外部，外侧盖板8在结构上呈圆形，直径与舱壳13外表面上的凸台25的直径相同，且沿圆周方向均匀开有沉孔，通过螺钉实现与舱壳13外表面上的凸台25的固定。外侧盖板8的中间沿轴向向外设有一中空凸台31，舵轴11的另一端上设有双径向密封槽32，该舵轴11上双径向密封槽32的部位容置于中空凸台31，双径向密封槽32内的密封圈与该中空凸台31实现水下动密封，外侧盖板8的下表面开有轴向密封槽33，以实现对舱壳13外表面上凸台25的通孔A26的密封。在舵轴11另一端设有凸环34、并且安装有两个轴承9，以实现舵轴11的径向限位；位于上侧的轴承9通过舵轴11上的凸环34和外侧盖板8实现轴向限位，位于下侧的轴承9通过舵轴11上的凸环34和轴承压紧板10实现轴向限位，轴承压紧板10通过螺钉固定在舱壳13内壁的平面27上。与之类似，在安装有驱动模块1的一侧，从舵轴11到舵片固定件7的组成与相对安装位置等是相同的，唯一不同的地方是在安装有驱动模块1的一侧，位于下侧的轴承9是通过驱动模块1上的支撑架进行轴向限位，而不是通过轴承压紧板10进行轴向限位。

舱盖6上开有通孔B，用于安装水密接插件4和压力补偿油囊5，该水密接插件4和压力补偿油囊5均通过螺母实现拉紧固定。压力补偿油囊5用于长航程自主水下航行器在水下航行时平衡舱内外压力。

结合图4，驱动模块1包括支撑架、电机18、减速器17、旋转电位计15、正齿轮A16及正齿轮B21，其中电机18与减速器17组成动力源，正齿轮A16和正齿轮B21组成了传动机构；正齿轮A16和正齿轮B21为等径直齿正齿轮，正齿轮A16连接于减速器17的输出端，正齿轮B21连接于舵轴11上，并与该正齿轮A16啮合传动。支撑架包括压紧板14、电机固定板20和连接柱19。压紧板14固定在舱壳13内部的平面27上，压紧板14和电机固定板20中间安装有三根连接柱19，通过连接柱19将压紧板14和电机固定板20固连在一起构成支撑架。

为了更详细的对驱动模块1进行说明，结合图5进行说明，电机18是驱动舵片转动的根本动力来源，电机18的输出轴和减速器17连接，减速器通过沉头螺钉固定在电机固定板20上，减速器17的输出轴上安装有轴套23，并通过销钉22进一步将减速器的输出轴和轴套23固连；减速器17的输出轴通过轴套23将扭矩传递到正齿轮A16上，正齿轮A16和正齿轮B21是等径直齿正齿轮，相互啮合传动；正齿轮B21和舵轴11连接、用于动力传递，这样就可以将电机18输出的转矩通过减速器17、正齿轮A16、正齿轮B21传递到舵轴11上。

结合图5，为了检测舵片24转动的角度，便于控制舵角，需要安装旋转电位计15，旋转电位计15的底座通过十字槽小盘头螺钉固定在压紧板14上，旋转电位计15的电刷与轴套23粘结在一起，电刷可以随着轴套的转动在旋转电位计的底座上产生相对转动。

对于舵片固定件7，如图1、图2及图6所示，舵片固定件7与舵片24连接的一端开有U形槽36，并在槽底部中间开有供舵轴11插接的阶梯孔，该阶梯孔与舵轴11一端的螺孔35对齐后，借助一内六角螺钉进行紧固，将舵片24固定件安装到舵轴11上。舵片固定件7的U形两侧均开有通孔C38，舵片24的下部也对应开有通孔D，安装时舵片24下部***舵片固定件7上，用螺栓固定，这种舵片的安装方式便于拆卸，尤其是在运输时便于拆掉舵片，防止舵片被损坏。舵片固定件7的另一端设有凹槽37，外侧盖板8上的中空凸台31容置于该凹槽37内。

使用本发明的转向装置，自主水下航行器的航程可以达到2000km，转向装置如果全程工作的话功率是1瓦，实际使用过程中一般不会全程用舵，主要是转向和俯仰姿态调整的时候用，所以实际使用低于1瓦。另一方面，本发明的低功耗是和现有四个电机驱动四个舵的方式相比；因为电机肯定会有功率损耗，用的电机越多累计损耗就越多。所以如果能用两个电机实现四个电机的功能，也就相当于节省能量。

本发明的工作原理为：

电机18和减速速器17相连，减速后通过传动正齿轮将驱动力传递到连接杆两端的舵轴11上，进而驱动水平舵片、垂直舵片转动；驱动模块1的支撑架上安装有旋转电位计15，对传动正齿轮的转角进行测量；两两对称布置的舵片24通过舱壳13内的连接杆连接，一个驱动模块1可以同时带动对称布置的两个舵片24同时转动；在舱盖6上安装有压力补偿油囊5，用以平衡舱体内外压强；同时在舱盖6上还安装有用以接线的水密接插件。

Claims (5)

1.一种长航程自主水下航行器低功耗转向装置，其特征在于：包括驱动模块（1）、连接杆、舱盖（6）、舵片固定件（7）、外侧盖板（8）、舵轴（11）、舱壳（13）及舵片（24），其中舱壳（13）的一侧密封连接于水下航行器上，另一侧密封连接有舱盖（6），所述驱动模块（1）及连接杆均容置于舱壳（13）内，该连接杆的两端均连接有舵轴（11），所述舵轴（11）的一端与连接杆相连，另一端与所述舱壳（13）转动连接，该舵轴（11）的另一端与安装在舱壳（13）外表面的外侧盖板（8）密封连接，并由所述舱壳（13）、外侧盖板（8）穿出，连接有舵片固定件（7），该舵片固定件（7）上安装有舵片（24）；任意一根所述舵轴（11）上安装有驱动模块（1），该驱动模块（1）包括支撑架、传动机构及动力源，该支撑架安装在所述舱壳（13）内部，所述动力源安装在支撑架的一侧，该动力源的输出端通过传动机构与位于支撑架另一侧的舵轴（11）连接，进而通过连接杆带动另一根舵轴（11）同步转动，实现所述驱动模块（1）同时驱动两根舵轴（11）上连接的舵片（24）；

所述舵轴（11）通过轴承（9）与舱壳（13）转动连接，该舵轴（11）的另一端设有凸环（34），凸环（34）的上下两侧均设有实现舵轴（11）径向限位的轴承（9），连接杆一端安装所述驱动模块（1）的舵轴（11）上位于上侧的轴承（9）通过所述凸环（34）和外侧盖板（8）实现轴向限位，位于下侧的轴承（9）通过所述凸环（34）与支撑架实现轴向限位；所述连接杆另一端的舵轴（11）上位于上侧的轴承（9）通过所述凸环（34）和外侧盖板（8）实现轴向限位，位于下侧的轴承（9）通过所述凸环（34）与固接在舱壳（13）内部的轴承压紧板（10）实现轴向限位；

所述舵轴（11）的另一端设有双径向密封槽（32），所述外侧盖板（8）的中间沿轴向向外设有中空凸台（31），该舵轴（11）上双径向密封槽（32）的部位容置于所述中空凸台（31），双径向密封槽（32）内的密封圈与该中空凸台（31）实现水下动密封；所述外侧盖板（8）下表面开有轴向密封槽（33）；

所述舱壳（13）为回转体，外表面均布有与所述舵片（24）数量相同的凸台（25），该凸台（25）的中间开有与所述舱壳（13）内部连通的通孔A（26），所述外侧盖板（8）固定在凸台（25）上；与所述凸台（25）相对应的舱壳（13）内部的位置处设有平面（27）；

所述舵片（24）分为水平舵片及垂直舵片，该水平舵片与垂直舵片均为两片，分别与四根舵轴（11）连接，四根舵轴（11）在空间上呈十字交叉的共面结构，即连接水平舵片的两根舵轴（11）的轴向中心线共线，连接垂直舵片的两根舵轴（11）的轴向中心线共线、且垂直于连接水平舵片的两根舵轴（11）的轴向中心线；

连接水平舵片的两根舵轴（11）之间的连接杆为直轴连接杆（2），连接垂直舵片的两根舵轴（11）之间的连接杆为曲轴连接杆（3），该直轴连接杆（2）两端的直径与所述曲轴连接杆（3）两端的直径相同，所述直轴连接杆（2）的长度与曲轴连接杆（3）的长度相等，该曲轴连接杆（3）的中间部分弯曲、呈“凹”字形，“凹”字开口的间距大于所述直轴连接杆（2）的直径。

2.根据权利要求1所述的长航程自主水下航行器低功耗转向装置，其特征在于：所述传动机构为齿轮传动机构，包括正齿轮A（16）及正齿轮B（21），该正齿轮A（16）连接于所述动力源的输出端，所述正齿轮B（21）连接于舵轴（11）上，并与该正齿轮A（16）啮合传动。

3.根据权利要求1所述的长航程自主水下航行器低功耗转向装置，其特征在于：所述驱动模块（1）还包括旋转电位计（15），该旋转电位计（15）的底座固定在所述支撑架上，所述旋转电位计（15）的电刷与动力源的输出端连接，该电刷随动力源输出端转动，在所述旋转电位计（15）的底座上产生相对转动。

4.根据权利要求1所述的长航程自主水下航行器低功耗转向装置，其特征在于：所述支撑架包括压紧板（14）、电机固定板（20）及连接柱（19），该压紧板（14）固定在所述舱壳（13）的内部，所述电机固定板（20）通过连接柱（19）与压紧板（14）相连。

5.根据权利要求1所述的长航程自主水下航行器低功耗转向装置，其特征在于：所述舵片固定件（7）与舵片（24）连接的一端开有U形槽（36），并在槽底部中间开有供所述舵轴（11）插接的阶梯孔，所述舵片（24）的下部***该U形槽（36）内，通过螺栓固定。