CN109835455A - 一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，包括侧护板、支架、消声瓦、柔性仿尾鳍叶片、推杆、连杆座、连杆。推杆的变加速直线往复运动通过关于第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片的对称面对称分布的连杆最终演变为柔性仿尾鳍叶片的摆动。调节连杆末端球铰链与柔性仿尾鳍叶片铰接的位置可以改变柔性仿尾鳍叶片的柔性变形规律，实现多种仿生游动模式。本发明具体实施时，可模仿鱼群游动模式进行串列或并排布置，具有噪声低、推进效率高、推进平稳等优点。

Description

一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器

技术领域

本发明属于仿生推进器的技术领域，具体涉及一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器。

背景技术

现有推进器主要采用的螺旋桨推进装置，其存在噪声大和尾涡大、综合效率低(通常小于45％)、机动性能差等缺点。巨大的噪声与尾涡使得水下潜航器无法更好的隐藏；机动性能不足，使得水下潜航器在复杂海底环境中行驶不便；综合效率低使得水下潜航器的增速成为难题。该推进器可有效代替传统的螺旋桨推进模式，在海洋探索和国防领域，特别是水下潜航器的隐蔽航行与续航能力的提高方面有着深远的意义。

中国发明专利CN201510665821.1公布了一种两自由度仿生尾鳍，包括浆框槽、浆框、叶片和传动齿轮四部分，其采用的多种叶片组合推进方式可有效提高推进力，但该叶片两侧无任何保护和消噪装置，在水下很难隐蔽潜行。

中国实用新型专利CN201420564908.0公布了一种仿尾鳍推进器，包括左齿轮传动部分、右齿轮传动部分、中部行星轮系部分、总输入轴、轴承、连杆、尾鳍连杆和尾鳍，其结构紧凑，但该结构采用的齿轮形式存在着噪音大、工作环境要求严格的问题，不合适水下隐身潜航。

发明内容

本发明的目的是以实现水下高效率、低噪声推进而设计一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，包括支架和设置在支架上的推进器单元，推进器单元包括驱动装置、第一连杆、第二连杆、第一柔性仿尾鳍叶片、第二柔性仿尾鳍叶片、第一侧护板和第二侧护板；

第一侧护板和第二侧护板对称安装于支架上，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片对称设置于第一侧护板和第二侧护板之间，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片均通过转轴与支架连接；

驱动装置安装于支架上，且位于第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶之间的一侧，驱动装置具有能够往复运动的推杆，推杆的端部设有连杆座；

连杆座与第一柔性仿尾鳍叶片以及第二柔性仿尾鳍叶片之间分别通过第一连杆以及第二连杆连接，第一连杆的两端分别与连杆座和第一柔性仿尾鳍叶片通过球铰链连接，第二连杆的两端分别与连杆座和第二柔性仿尾鳍叶片通过球铰链连接；

第一连杆和第二连杆关于第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片的对称面对称。

第一连杆与第一柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调，第二连杆与第二柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调。

第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片上均设有鳍条状的多线条结构。

第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片从叶片末端至尖端厚度逐渐递减。

第一侧护板和第二侧护板上均设有消声瓦。

支架上设有多个所述推进器单元，多个所述推进器单元呈并排或呈串列的组合形式排布。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器利用驱动装置的推杆推动连杆座，使连杆座随推杆做同步的往复运动，连杆座的往复运动能够通过第一连杆和第二连杆使第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片以转轴为回转中心做柔性摆动运动，实现推进功能。本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器通过第一、第二连杆将推杆的变加速直线往复运动转化为两侧的第一、第二柔性仿尾鳍叶片的柔性摆动，实现模仿鱼类尾鳍的高效摆动推进。本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器利用第一、第二侧护板能够减缓推进器两侧洋流对推进器的干扰和冲击，引导受柔性仿尾鳍叶片扰动的水流向推进器末端排出。

进一步的，本发明的第一连杆与第一柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调，第二连杆与第二柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调，因此通过改变连杆末端球铰链与柔性仿尾鳍叶片铰接的位置，能够调节柔性仿尾鳍叶片的受力点进而改变柔性仿尾鳍的柔性变形规律，实现多种仿生游动模式，如：鲸鱼式尾鳍摆动、鲹科鱼类尾鳍摆动。

进一步的，本发明的第一侧护板和第二侧护板上均设有消声瓦，消声瓦不仅能吸收推进器产生的水声噪音而且降低推进器自身的声反射强度，实现回声隐身的目的。

进一步的，本发明中，多个推进器单元呈并排或呈串列的组合形式排布，因此能够模仿鱼群游动中的节能机制，进行串列排布时，下游推进装置受上游推进装置射流区影响，使之能耗降低。进行并列排布时，受多个叶片之间压力耦合作用，在翼型尾缘脱落的同向旋涡相互融合并得到加强，形成强射流作用，使推进器获得附加推力，进而提高推进效率。

附图说明

图1为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器在潜航器应用的示意图；

图2为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器模仿鱼群游动示意图；其中图2(a)为多个推进器单元呈串列的组合形式排布；图2(b)为多个推进器单元呈并排的组合形式排布；

图3为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器整体示意图；

图4为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器后视图；

图5为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器叶片外推示意图；

图6为本发明所述连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器叶片内收示意图。

图中：1为侧护板，2为支架，3为消声瓦，4为柔性仿尾鳍叶片，5为推杆，6为连杆座，7为连杆，8为潜航器，9为连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。

参见图1，本发明提供的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器可以广泛应用于各类水下潜航器，可根据实际需求，将该推进装置安装在潜航器合适位置。

参见图2(a)，本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器模仿鱼群游动特点，进行串列排布。鱼类自主游动时尾迹中产生的反卡门涡街可以诱导出向后的射流，从而产生抵消阻力的推力；但在射流区存在的同时，也存在着一些低速区，低速区与鱼群的节能机制密切相关。本发明的推进器利用低速区性质进而节能，增强水下潜航器的续航能力。

参见图2(b)，本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器模仿鱼群游动特点，进行并排分布。并排布置的多个叶片之所以会产生附加推力，是在多个叶片之间压力耦合作用的下，两翼型尾缘脱落的同向旋涡相互融合并得到加强，形成强射流作用，双翼间距越小压力耦合作用越强，附加推力也越大。推进器获得附加推力，提高了推进效率。

参见图3，本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器的动力来源于驱动装置的推杆5，推杆5推动连杆座6上下往复移动。第一连杆和第二连杆呈“人字形”对称分布，连杆座6带动呈“人字形”分布的第一、第二连杆运动，并将运动传递到第一、第二柔性仿尾鳍叶片，实现叶片柔性摆动的运动形式。

参见图4，本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器的力传递形式是由上而下的，由推杆5带动连杆座6。连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器的连杆座6左右对称分布着连杆座球铰链，保证连杆7与连杆座6之间有3个转动自由度。通过改变连杆7末端球铰链与柔性仿尾鳍叶片4铰接的位置能够改变柔性仿尾鳍叶片4的柔性变形规律，实现多种仿生游动模式。柔性仿尾鳍叶片4末端开设有一个转轴安装孔，将支架2上的转轴安装在该安装孔内，支架2支撑整个柔性仿尾鳍叶片4。

参见图5，柔性仿尾鳍叶片4外形轮廓模仿鱼类尾鳍，柔性仿尾鳍叶片4的末端(即柔性仿尾鳍叶片4与支架2的连接端)至尖端厚度逐渐递减，且柔性仿尾鳍叶片4上具有类似鱼类鳍条的并行多条线状结构。在仿尾鳍叶片4摆动过程中，高压区和低压区在叶片上下表面交替出现，且高压区出现在叶片上的凸面处，低压区出现在叶片的凹面处，这种高低压区域的分布将在叶片上形成压力差，进而产生推进力。推杆5向下运动，柔性仿尾鳍叶片4向两侧运动，受水压作用，叶片产生“内八字”式形变，进而提供向前推力。柔性仿尾鳍叶片4两侧增加附着有消声瓦3的侧护板1，侧护板1能够减缓推进器两侧洋流对推进器的冲击，引导受柔性仿尾鳍叶片4扰动的水流向推进器末端排出，并利用附着的消声瓦3降低推进器自身噪声和声目标强度，达到回声隐身的目的。

参见图6，驱动装置可采用液压缸，该液压缸的推杆5向上运动，柔性仿尾鳍叶片4向中心运动，受水压作用，叶片产生“外八字”式形变，进而提供向前推力。图5及图6说明柔性仿尾鳍叶片4整个运动周期都能提供向前推力。

本发明低噪声推进方式的实现：图4可见，推杆5向下运动带动对称布置的连杆7向下运动，进而推动仿尾鳍叶片4绕转轴柔性摆动。该连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器上部和两侧分别有支架2和附着有消声瓦3的侧护板1。该推进器结构简单、无明显冲击机械机构且柔性仿尾鳍叶片4卷起的水流经上述结构约束及消噪，水声噪音大幅下降。

本发明高效率推进方式的实现：连杆座6带动连杆7向下运动，受转轴及球铰链的约束，柔性仿尾鳍叶片4向两侧展开，叶片受到水压作用产生“内八字”形变，产生向前推力。连杆座6带动连杆7向上运动，受转轴球铰链的约束，柔性仿尾鳍叶片4向中心靠拢，叶片受到水压作用产生“外八字”形变，产生向前推力。调节连杆7末端球铰链与柔性仿尾鳍叶片4铰接的位置可以改变柔性仿尾鳍叶片4的柔性变形规律，实现多种仿生游动模式。调节该连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器在水下潜航器中的排列方式，模仿鱼群游动节能模式，实现高效推进。

综上所述，本发明的优点体现在：

本发明提供的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器能够模仿鱼类尾鳍摆动，具有推进效率高、机动性强、噪声低的特点而且结构简单、易于实现、可靠性高。

采用本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器的潜航器，可以大大减小自身噪音水平并降低声反射强度，增强水下潜航器的隐蔽性。

本发明的连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器从鱼类卓越的推进性能得到启发而设计，继承了鱼类高效率推进的性能，可有效提高潜航器在水下的续航能力。因为驱动支点位置可变，驱动方式采用力位混合控制，因此可实现柔性叶片的不同摆动规律，实现不同鱼类的仿生运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，包括支架(2)和设置在支架(2)上的推进器单元，推进器单元包括驱动装置、第一连杆、第二连杆、第一柔性仿尾鳍叶片、第二柔性仿尾鳍叶片、第一侧护板和第二侧护板；

第一侧护板和第二侧护板对称安装于支架(2)上，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片对称设置于第一侧护板和第二侧护板之间，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片均通过转轴与支架(2)连接；

驱动装置安装于支架(2)上，且位于第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶之间的一侧，驱动装置具有能够往复运动的推杆(5)，推杆(5)的端部设有连杆座(6)；

连杆座(6)与第一柔性仿尾鳍叶片以及第二柔性仿尾鳍叶片之间分别通过第一连杆以及第二连杆连接，第一连杆的两端分别与连杆座(6)和第一柔性仿尾鳍叶片通过球铰链连接，第二连杆的两端分别与连杆座(6)和第二柔性仿尾鳍叶片通过球铰链连接；

第一连杆和第二连杆关于第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片的对称面对称。

2.根据权利要求1所述的一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，第一连杆与第一柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调，第二连杆与第二柔性仿尾鳍叶片之间的连接部的位置可调。

3.根据权利要求1所述的一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片上均设有鳍条状的多线条结构。

4.根据权利要求1所述的一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，第一柔性仿尾鳍叶片和第二柔性仿尾鳍叶片从叶片末端至尖端厚度逐渐递减。

5.根据权利要求1所述的一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，第一侧护板和第二侧护板上均设有消声瓦(3)。

6.根据权利要求1所述的一种连杆机构驱动柔性仿尾鳍推进器，其特征在于，支架(2)上设有多个所述推进器单元，多个所述推进器单元呈并排或呈串列的组合形式排布。