CN110065614A - 一种两自由度并联式水下矢量推进器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两自由度并联式水下矢量推进器，采用两套丝杠‑螺母分别控制机构末端的两个自由度，从而实现动平台水平和竖直的转动，包括机架、传动机构和动平台两条运动支链。每条运动支链均由推进电机、换向齿轮和作动筒组成，丝杠‑螺母副通过滑轨安装在作动筒内部，推进电机与换向齿轮固定连接，换向齿轮一端与机架通过转动副连接，另一端与丝杠‑螺母副中的输入轴固定连接，作动筒一端与丝杠‑螺母副中的螺母固定连接，另一端与动平台通过铰链连接，步进电机通过换向齿轮驱动丝杆‑螺母副，丝杆‑螺母副带动作动筒推动动平台的转动。本发明采用并联机构具有机构末端刚度大、承载能力大、结构紧凑、可控性好、整体构型符合尾部流线型。

Description

一种两自由度并联式水下矢量推进器

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种两自由度并联式水下矢量推进器。

背景技术

为了保证水下航行器以一定速度前进，需要外加推力以克服来自水的阻力，该推力是通常由推进装置提供。推进装置提供推力的方式有很多种，目前市面上常见的水下航行器推进方式有：传统螺旋桨推进、喷水推进、仿生推进和混合推进。以上几类推进机构有需要多个螺旋桨配合，有的体积较大，有的结构复杂，对于部分水下航行器尤其是中小型水下航行器并不适合，所以催生了一种新型推进机构—矢量推进机构。

目前水下航行器采用的矢量推进技术主要有两种方案：1.结合推力矢量技术的泵射喷水式推进器，该推进器因低噪声已被越来越多的应用到潜艇上，与螺旋桨推进方式相比，喷水式推进器具有推进效率高，辐射噪声低，高速工作时推进器不产生气泡等优点。但是此推进器是一种组合式推进器，构型和结构比螺旋桨推进器要复杂的多，使得推进器的设计和安装有一定的困难，同时喷水推进器的重量是普通螺旋桨推进器的2-3倍，对于携带负载和电源受限的中小型水下航行器来说，这种结构复杂，重量较大的推进器是不适用的。2. 结合推力矢量技术的螺旋桨推进器，螺旋桨矢量推进技术通过改变螺旋桨主轴的方向来改变推力，除了能提供向前的推力外，该推进***还能够提供偏转力使运动物体实现偏转、俯仰和横滚，部分或者全部取代能的功能，实现推力矢量化，由于取代了舵的作用，可以有效地减少舵所引起的空泡效应和尾流，按照驱动螺旋桨旋转的电机位置，螺旋桨的矢量推进方式可以分为两种：一种是通过偏转螺旋桨的方向来直接实现水下机器人的矢量运动，该方式下，有专门的驱动装置用来控制螺旋桨主轴的偏转，而驱动螺旋桨的电机不随之偏转。另一种通过偏转螺旋桨和电机来控制推力的方向，该方式下，驱动机构直接控制电机和螺旋桨主轴的偏转。前者需要三条机械传动链，实现螺旋桨的驱动和推力的改变，同时还需要密封，所以结构十分复杂，能源消耗较大，适用于中大型的水下航行器。后者是要求整个推进部分可动，与前者相比减少了一条用来驱动螺旋桨的传动链，机械传动机构被大大简化，体积较小。

发明内容

为了提高螺旋桨推进性能，提供满足水下航行器的矢量推力。本发明提供一种两自由度并联式矢量推进器，该矢量推进器具有机构末端刚度大、承载能力大、结构紧凑、可控性好、整体外部结构适合渐收的流线形尾部空间，能够满足水下航行器矢量推进的需求。

本发明的技术方案具体如下：

本发明主要包括机架、传动机构、动平台的两条运动支链。每条运动支链均由推进电机、换向齿轮和作动筒组成，丝杠-螺母副通过滑轨安装在作动筒内部，推进电机与换向齿轮通过固定副连接，换向齿轮一端与机架通过转动副连接，另一端与丝杠-螺母副中的输入轴固定连接，作动筒一端与丝杠-螺母副中的螺母固定连接，另一端与动平台通过铰链连接，推进电机通过换向齿轮驱动丝杆-螺母副，丝杆-螺母副带动作动筒推动动平台的转动。

所述的推进电机，其通过螺栓固定在电机箱内，电机输出轴伸出箱体与换向齿轮通过紧定螺丝固连，电机箱与齿轮箱内部端盖通过方型密封圈密封。

所述的换向齿轮，其包括直齿轮1、直齿轮2和直齿轮3，相互传动比均为1:1，直齿轮1与步进电机输出轴通过螺栓固连，直齿轮2通过螺栓固定在齿轮箱端盖上，直齿轮3一端与滑动变阻器固连，以便实时监测球铰链连接杆运动状态，另一端与丝杆-螺母副中的输入轴固连，换向齿轮均安装在齿轮箱内部，齿轮箱与齿轮箱端盖采用方型密封圈密封。

所述的作动筒，其包括密封舱、丝杆-螺母副和球铰链连接杆，丝杆-螺母副中的输入轴与直齿轮3固连，球铰链连接杆与丝杆-螺母副中的螺母固连，丝杆-螺母通过移动副与密封舱内部的滑轨相连，球铰链连接杆与密封舱之间采用旋转密封圈进行动密封。

所述的运动支链，其包括推进电机、直齿轮1、直齿轮2、直齿轮3、丝杆-螺母副、密封舱、球铰链连接杆和动平台，推进电机驱动直齿轮1转动，通过直齿轮1、直齿轮2和直齿轮3传动，传动比为1:1，将其动力通过换向传递到丝杆-螺母副中的输入轴上，通过丝杆-螺母副在密封舱内滑轨上的平移将运动传递到动球铰链连接杆，从而实现动平台的转动，通过两条运动支链的协调作用，可以驱使推进器绕水平轴转动，为推进器提供俯仰力矩，绕竖直轴转动，为推进器提供偏航力矩。

所述的推进电机机采用伺服步进电机，其具有扭矩大、体积小的优点，步进电机的输出轴与直齿轮1固连，通过螺栓安装在电机箱端盖上，电机端盖与电机箱通过方型密封圈进行静密封。

所述的球铰链连接杆，一端与丝杠-螺母副中的螺母固连，另一端与动平台通过球铰链相连，通过移动副在密封舱内部的滑轨上移动，并通过旋转密封圈与密封舱进行动密封。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1）本发明的一种两自由度并联式水下矢量推进器采用两套丝杠-螺母分别控制机构末端的两个自由度，从而实现动平台水平和竖直的转动，机构末端刚度大、承载能力大、运动负荷小、结构紧凑、可控性好、整体外部结构适合渐收的流线形尾部空间，能够满足水下航行器矢量推进的需求。

2）采用并联机构来实现水下航行器的矢量推进控制，相比于串联机构中单个作动电机单独控制单个自由度，并联机构通过多个作动电机同时控制机构的多个自由度，从而提高了机构的刚度、运动精度、机构的运动速度等，减小了相同负载下电机的负荷，同时也避免了大型箱体类零件的出现从而减小了机构的体积，并且更容易模块化。

3）采用换向齿轮，通过三个直齿轮啮合将动力1:1的从推进电机传递到丝杆-螺母副上，有效的减小了矢量推进器的纵向长度，合理利用尾部空间，使得尾部结构合理紧凑。

4）主推电机固定在尾部内与导流罩一起水平和竖直方向转动，导流罩内侧一周具有叶片，航行过程中通过流体作用其表面产生反转力矩可以抵消螺旋桨旋转所产生旋转力矩，从而防止水下航行器横滚，电同时机放在了动平台上，中间没有功耗损失，效率较高。

附图说明

图1是本发明的整体外形示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的运动支链的立体结构示意图；

图4是本发明的运动支链的剖面示意图；

图5是本发明的齿轮箱的剖面示意图；

图6是本发明的作动筒的结构示意图。

图中1、机架-1；2、连接件-1；3、齿轮箱；4、电机箱；5、密封舱；6、球铰链连接杆；7、连接环；8、机架-2；9、滑动变阻器；10、直齿轮-3；11、齿轮箱端盖；12、丝杆；13、螺母；14、球铰链连接杆；15、O型圈；16、直齿轮-1；17、直齿轮-2；18、推进电机；19、螺栓；20、螺母；21、推力球轴承；22、螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围更为清楚明确的界定。

如图1、图2所示，推进电机箱Ⅰ与作动筒Ⅲ通过换向齿轮箱Ⅱ平行放置，作动筒Ⅲ通过球铰链与动平台Ⅳ相连，机架Ⅴ与动平台Ⅳ通过球铰链相连，推进电机箱Ⅰ与机架Ⅴ通过活动件相连。如图3、4所示，推进电机18通过螺栓固定在推进电机箱Ⅰ内，推进电机输出轴伸出箱体与换向齿轮箱Ⅱ通过紧定螺丝固连，作动筒Ⅲ一端通过丝杠12、螺母13与换向齿轮箱Ⅱ相连，另一端通过球铰链连接杆6与动平台Ⅳ相连。

如图3、图4、图5、图6所示的运动支链结构图，其包括：机架-1 1、连接件-1 2、齿轮箱3、电机箱4、密封舱5、球铰链连接杆6、连接环7、机架-2 8、滑动变阻器9、直齿轮-3 10、齿轮箱端盖11、丝杆12、螺母13、球铰链连接杆14、O型圈15、直齿轮-1 16、直齿轮-2 17、推进电机18、螺栓19、螺母20、推力球轴承21、螺钉22。实例中它们的连接关系为：推进电机18通过螺栓固定在电机箱4内，电机输出轴伸出箱体与换向齿轮箱Ⅱ通过紧定螺丝固连，电机箱4与齿轮箱端盖11通过方型密封圈密封，齿轮箱4与机架-1 1通过活动件相连，直齿轮-1 16与推进电机18通过螺栓固连，直齿轮-2 17通过螺栓固定在齿轮箱端盖11上，直齿轮-3 10一端与滑动变阻器9固连，另一端与丝杆12固连，齿轮箱3与齿轮箱端盖11采用方型密封圈密封，丝杆12通过紧定螺丝与直齿轮-3 10固连，螺母13通过螺钉22与球铰链连接杆14固连，球铰链连接杆14与连接环7相连，球铰链连接杆14与密封舱5之间采用O型圈15圈进行动密封，机架-2与连接环7通过螺栓19、螺母20、推力球轴承21完成铰链连接。

本实例有两条运动支链，一是竖直轴系运动链，实现推进器上下运动；二是水平轴系运动链，实现推进器整体左右水平运动，以便调整推进器的姿态，从而使推进器相对水下航行器产生矢量推力。竖直轴系运动链：推进电机18输出的运动链传递到直齿轮-1 16上，直齿轮-1 16、直齿轮-2 17、直齿轮-3 10相互啮合，传动比为1:1，丝杆12与直齿轮-3 10相连，故将运动传递到丝杠12上，螺母13通过螺钉22与球铰链连接杆14相连，球铰链连接杆14与连接环7相连，运动传递到球铰链连接杆14上，从而带动推进器绕竖直轴运动，水平轴系运动链如上述一致，在此不再赘述。

Claims (5)

1.一种两自由度并联式水下矢量推进器，其特征在于，包括机架、传动机构和动平台两条运动支链，每条运动支链均由推进电机、换向齿轮和作动筒组成，推进电机与换向齿轮通过固定副连接，换向齿轮一端与机架通过转动副连接，另一端与丝杠-螺母副中的输入轴固定连接，作动筒与丝杠-螺母副中的螺母固定连接，作动筒与动平台通过铰链连接。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度并联式水下矢量推进器，其特征在于所述推进电机，其通过螺栓固定在电机箱内，电机输出轴伸出箱体与换向齿轮通过紧定螺丝固连，电机箱与齿轮箱端盖通过方型密封圈密封。

3.根据权利要求1所述的一种两自由度并联式水下矢量推进器，其特征在于所述换向齿轮，其包括直齿轮1、直齿轮2和直齿轮3，相互传动比均为1:1，直齿轮1与步进电机输出轴通过螺钉固连，直齿轮2通过螺栓固定在齿轮箱端盖上，直齿轮3一端与滑动变阻器固连，另一端与丝杆-螺母副中的输入轴固连，换向齿轮均安装在齿轮箱内部，齿轮箱与齿轮箱端盖采用方型密封圈密封。

4.根据权利要求1所述的一种两自由度并联式水下矢量推进器，其特征在于所述作动筒，其包括密封舱、丝杆-螺母副和球铰链连接杆，丝杆-螺母副中的输入轴与直齿轮3固连，球铰链连接杆与丝杆-螺母副中的螺母固连，丝杆-螺母通过移动副与密封舱内部的滑轨相连，球铰链连接杆与密封舱之间采用旋转密封圈进行动密封。

5.根据权利要求1所述的一种两自由度并联式水下矢量推进器，其特征在于所述每条运动支链，其包括步进电机、直齿轮1、直齿轮2、直齿轮3、丝杆-螺母副、密封舱、球铰链连接杆和动平台，步进电机驱动直齿轮1转动，通过直齿轮1、直齿轮2和直齿轮3传动，传动比为1:1，将其动力通过换向传递到丝杆-螺母副中的输入轴上，通过丝杆-螺母副在密封舱内滑轨上的平移将运动传递到动球铰链连接杆，从而实现动平台的转动，通过两条运动支链的协调作用，可以驱使推进器绕水平轴转动，为推进器提供俯仰力矩，绕竖直轴转动，为推进器提供偏航力矩。