CN101074050A - 水下航行体的模块化舵机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下航行体的模块化舵机。它包括转向舵模块、升沉舵模块和密封箱体三部分；转向步进电机与升沉步进电机设置于密封箱体内；转向舵模块设置于密封箱体的前端，两个转向舵通过转向舵连接轴安装在转向步进电机输出轴上；升沉舵模块位于密封箱体的后端，升沉步进电机输出的动力通过圆锥齿轮副转向后，经升沉舵连接轴等传递给两个升沉舵。本发明应用于水下航行体，可实现转向舵和升沉舵的同时控制；采用步进电机驱动，其传动精确。并且，本发明具有体积小、质量轻、密封安全、结构简单、功能灵活、制造成本低等优点。

Description

水下航行体的模块化舵机

(一)技术领域

本发明提供的是一种应用于水下航行体的舵机。

(二)背景技术

舵属于薄的流线型物体，非常适合于控制高速运动的流线式水下机器人等水下航行体的运动。当转动舵叶改变其位置时，水压力通过舵叶对航行体产生力矩，这种力矩使航行体回转达到操纵其航向的目的。但是，由于水下航行体外形、重量、密封条件以及舵机在水下航行体内部安装位置等因素的限制，使舵机系统的设计成为水下航行体结构设计中的一个难点问题。

随着水下航行体技术的高速发展，水下航行体及其内部组件的模块化设计已经成为水下航行体结构设计的一种趋势。所谓模块化是指：在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块，然后，从这些模块中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准化形式。模块可以是由一个零件组成的，也可能是一个组件或者部件。一个产品应分成几个模块。模块化结构的各模块之间应是可以互换的，这便于各模块之间的组合，以得到不同功能的要求。并且，各模块是一组有不同用途的，不同结构的基本单元，可以有选择地经不同的组合后达到不同的功能要求，以适应不同的需要。舵机系统的模块化设计能够提高舵机结构的可重组性和互换性，增加舵机功能的灵活性和多样性，并使得舵机系统可集成化制造、安装，进而降低其制造成本。

专利申请号为200520098347.0、名称为《集成式小型舵机》的专利，采用油泵推动液压油缸实现舵叶转动，主要应用于船舶等水面航行体上。其结构复杂、体积大、浪费能源，成本高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体小质轻，可模块化制造、安装，并直接应用于中性或偏酸性的液体环境中，能同时实现转向和升沉运动控制的水下航行体的模块化舵机。

本发明的目的是这样实现的：它包括转向舵模块、升沉舵模块和密封箱体三部分；密封箱体由箱体、箱体两端的O型密封圈组成；转向舵模块的组成包括箱体端盖、转向步进电机、转向舵，转向舵模块位于密封箱体的前端转向步进电机设置于密封箱体内，转向步进电机是两端同步输出电机，转向步进电机两端的输出轴伸出箱体端盖外、并且与箱体端盖之间设置有密封支承机构，两个转向舵通过转向舵连接轴安装在转向步进电机输出轴上，箱体端盖安装于箱体两端并由O型密封圈密封；升沉舵模块的组成包括升沉步进电机、升沉舵，升沉舵模块位于密封箱体的后端，升沉步进电机设置于密封箱体内，升沉步进电机的输出轴伸出密封箱体的一侧，并且与箱体之间设置有密封支承机构，升沉步进电机输出的动力通过圆锥齿轮副转向后，经升沉舵连接轴传递给两个升沉舵。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的转向步进电机的输出轴与端盖之间的密封支承机构包括安装在箱体端盖上的密封端盖、密封端盖与端盖之间的O型圈、设置于密封端盖与转向舵连接轴之间的骨架油封和不锈钢轴承。

2、转向舵通过联轴节安装在转向舵连接轴上，在联轴节与不锈钢轴承之间设置有缓冲元件。

3、所述的转向步进电机输出轴与箱体端盖之间的密封支承机构包括安装在箱体端盖上的骨架油封。

4、在一个箱体端盖内侧带有两个平行凸台。

5、所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的密封端盖、密封端盖与箱体侧壁之间有O型密封圈、密封端盖与电机连接轴之间有骨架油封和不锈钢轴承。

6、所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的骨架油封。

本发明的优点在于：

1、同时实现升沉舵和转向舵转动。

很多舵机的设计只针对单独的升沉舵或转向舵，本舵机系统能够同时驱动升沉舵和转向舵运转，既可耦合协作又可单独工作，提高了舵机工作性能。

2、模块化结构设计

本舵机系统由三个模块组成，可集成制造、集成安装，成本便宜，并且易于更换功能模块，实现舵机结构的重组，这也使舵机系统能够适应多种工作要求，丰富了舵机的功能。

3、双舵叶的大转向力矩

由舵力计算公式可知，舵叶产生的转向力矩与它的迎流面积成正比，本发明在不增加整个舵机体积的情况下，每个方向均对称安装双转向舵叶，既使舵机受力更加平衡稳定，又增大力矩数值，提高了舵机效率。

4、升沉舵和转向舵可实现功能互换。

本舵机系统采用的是转向舵在前升沉舵在后的设计方案，但当工作环境需要时，也可以将转向舵和升沉舵互换，使升沉舵在前，转向舵在后，提高了舵机系统的适应性。并且，由于本系统的升沉舵叶和转向舵叶是相互垂直、对称分布的，如果航行体运行时出现横滚或倾覆，升沉舵叶和转向舵叶可立即进行角色互换，保证航行体继续前进，完成回航任务，防止事故的发生。

5、既适用于低速、小型的水下航行体，又适用于高速、大型的水下航行体。

根据水动力学知识，当水下航行体的转动惯量大(与质量及惯性半径的平方成正比)时，其所需的偏转力矩就大；而且，由舵力计算公式可知，舵叶产生的转向力矩与水下航行体的航行速度的平方成正比。因此，低速、小型的水下航行体的舵叶所受力矩小；高速、大型的水下航行体的舵叶所受力矩大。本发明提供了适用于上述两种情况的不同实施方案：附图3所示的舵机结构中可见，每个不锈钢轴承与联轴节(或锥齿轮轴)之间均装有缓冲元件，以抵消舵叶所受轴向力，而不锈钢轴承和骨架油封又可吸收、抵消舵叶所受径向力，使得整个舵机系统承受外部载荷变动能力的范围较大，此实施方式适用于舵叶受力大的工况环境；附图6、7所示的舵机结构中可见，步进电机输出轴直接与连接轴相连，简化掉了不锈钢轴承及缓冲元件，此实施方式适用于舵叶受力小的工况环境。

6、结构紧凑、体小质轻。

本发明充分考虑结构的小型化问题，结构设计紧凑，其密封箱体尺寸仅略微大于两个驱动电机的外形尺寸，舵叶具体的位置也可以通过改变舵轴的长度来保证。

7、步进电机的精确转角控制和自锁。

很多舵机采用复杂的机构来实现舵叶的精确角度控制，本舵机采用步进电机作为核心驱动部件，能够实现精确的角度控制和必要的自锁功能，在提高舵机控制效率的同时，也省去了复杂的控制系统。

8、为其它需要实现垂直输出轴同时运转的机构提供了新的解决方案。

在潮湿、粉尘等恶劣且狭小的工矿环境下，也经常需要能够实现互相垂直的输出轴同时运转的其它机构，本发明为其提供了一种新的解决方案。

鉴于目前大多数水下航行体转向、升沉舵分离，舵机结构复杂、质量较大且产生力矩较小的缺点，我们采用模块化技术，研发了本模块化舵机系统，使其集转向、升沉舵控制于一身，简化了航行体内部结构，使舵机功能更加灵活、多样，并且每个方向的双舵叶控制使得航行体获得更加强劲的偏转力矩，模块化的设计大大提高了舵机系统的可靠性和互换性，并使得舵机系统的集成化制造、安装成为可能，降低了舵机系统的制造成本。本舵机系统的研制，开拓了水下航行体舵机的设计思路，在水下航行体的小型化、模块化方面做出了进一步尝试，这在降低能耗、提高推进效率等方面有着重要的探索价值。

本发明应用于水下航行体，可实现转向舵和升沉舵的同时控制；采用步进电机驱动，其传动精确。并且，本发明具有体积小、质量轻、密封安全、结构简单、功能灵活、制造成本低等优点。

(四)附图说明

图1是本发明的外形的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的转向舵模块结构图；

图4是本发明的实施方式1结构示意图；

图5是升沉舵模块结构图；

图6是本发明的实施方式2结构示意图；

图7是本发明的实施方式3结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明的水下航行体的模块化舵机由转向舵模块、升沉舵模块和密封箱体三部分组成。三个部分在功能上相互独立，互不干涉，既保证了舵机系统的工作稳定可靠，调节自如；必要时又可进行拆分工作，进一步简化航行体结构。

结合图1、2、3和4，转向舵模块基本上是上下对称结构，现取其下边结构进行说明，下边结构由O型圈1，密封端盖2、转向舵连接轴3、转向舵叶4、联轴节5、缓冲元件6、不锈钢轴承7、骨架油封8、箱体端盖I 9和步进电机10等组成。密封端盖2固连在箱体端盖I 9上，并通过O型圈1实现舵机内外的静密封。联轴节5连接转向舵连接轴3和转向舵叶4，而转向舵连接轴3则安装在步进电机10的输出轴上，这样步进电机10的动力便通过转向舵连接轴3和联轴节5最终传递给了转向舵叶4，从而实现了舵机系统转向舵的自由转动。转向舵连接轴3通过安装在密封端盖2上的不锈钢轴承7实现定位，并通过骨架油封8实现舵机内外的动密封，不锈钢轴承7和骨架油封8均嵌套在密封端盖2内。缓冲元件6夹在联轴节5与不锈钢轴承7之间，并套在转向舵连接轴3上，以传递转向舵叶4所受径向力。转向舵模块的上边结构与上基本相同，只是其中的箱体端盖II 13与箱体端盖I 9有所区别，参见附图3、4。为了给步进电机10提供安装界面，箱体端盖I 9内侧设计了两个平行凸台，使步进电机10与之能够精确固定，安装在舵机内部。另外，步进电机10是两端同步输出电机，上端输出轴驱动转向舵模块上边机构，下端输出轴驱动转向舵下边机构，因此上下两片转向舵叶将同步运转工作，提高航行体转向效率，稳定航行体运行。

结合图4和图5，升沉舵模块由步进电机14、密封端盖15、O型密封圈16、骨架油封17、不锈钢轴承18、锥齿轮轴19、电机连接轴20、升沉舵连接轴I 21、圆锥齿轮副22、23、缓冲件24、升沉舵叶25、联轴节26、缓冲元件27、升沉舵轴承28、轴承支架29、联轴器30、升沉舵连接轴II 31等组成。步进电机14固定在舵机内部，其输出轴通过与之相连的电机连接轴20和锥齿轮轴19，将旋转运动传递给了圆锥齿轮副22、23。电机连接轴20通过骨架油封17实现舵机内外的动密封，通过不锈钢轴承18实现与密封端盖15的定位安装，而不锈钢轴承18和骨架油封17均嵌套在密封端盖15内。密封端盖15固定在舵机的密封箱体11上，并通过O形密封圈16实现舵机内外的静密封。缓冲件24套在电机连接轴20上，夹在不锈钢轴承18和锥齿轮轴19之间。因为圆锥齿轮副22、23中的齿轮一个安装在锥齿轮轴19的末端，一个安装在升沉舵连接轴I 21的中部，则旋转运动经过圆锥齿轮副22、23换向后，带动升沉舵连接轴I 21运动。升沉舵连接轴I 21、升沉舵连接轴II 31，通过连轴器30实现同轴连接，二者分别套在两个升沉舵轴承28内，实现其定位安装，而两端则外套两个联轴节26实现与两片升沉舵叶25相连，另外，每个联轴节26和升沉舵轴承28之间均装有缓冲元件27，传递升沉舵叶25所受的轴向力。两个升沉舵轴承嵌套在安装在箱体11上的轴承支架29内，实现与整个舵机的完整连接。这样步进电机14的旋转运动便最终传递到了升沉舵叶25上，驱动舵机系统升沉舵的运转。同样，双片升沉舵叶的设计既兼顾了受力平衡原则又提高了航行体转向效率。

密封箱体由箱体11和特制的O型密封圈12等组成。箱体11为一两端开口的矩形箱体，它为步进电机14、密封端盖15和升沉舵轴承28提供安装载体，并通过两个O形密封圈12分别与箱体端盖I 9和箱体端盖II 13实现静密封闭合，使得升沉舵模块和转向舵模块完成了有机连接，组成完整的舵机系统。整个密封箱体为升沉舵模块和转向舵模块提供安装平台，密封保护两个模块的核心驱动单元，节省了舵机空间，同时，它们之间又互不干涉、工作独立、重组容易，使得舵机功能灵活多样。

上述只是本发明的一种具体实施方式，根据需要本发明还可以采用其他的具体实施方式。本发明的第二种具体实施方式是在第一种实施方式的基础上加以简化。当转向舵叶受力较小时，在上述具体实施方式的基础上，结合模块化的特点，将转向舵模块加以更换，便产生了第二种实施方式，详见附图6。转向舵模块由转向舵叶4，联轴节5，骨架油封8，箱体端盖I 9，长输出轴步进电机10，箱体端盖II 13等组成。两端同步输出步进电机10的两侧输出轴分别伸出装有骨架油封8的箱体端盖I 9和箱体端盖II 13之外，联轴节5直接安装在步进电机10的两侧输出轴上，并与转向舵叶4连接。这样，步进电机10的动力通过联轴节5直接传递给了转向舵叶4，实现了舵机系统转向舵的自由转动。由此可见，从转向舵叶4经联轴节5传递来的力直接施加在电机输出轴上，但由于转向舵受力较小，不会对电机性能造成影响。从图3、4、6可以看出，转向舵模块的组成零件数由原来的11个减少到6个，去掉了原有的支承及静密封部分，使结构进一步简化，更方便了制造和装配。从图4、6中可以看出，除转向舵模块加以更换外，其余未做更改。

当转向舵、升沉舵受力都很小时，可以采用第三种实施方式，详见附图7。在第二种实施方式的基础上，密封箱体与升沉舵模块连接的一侧改为直接与骨架油封17配合；升沉舵模块中，将步进电机14的输出轴加长，简化掉密封端盖15、O型密封圈16、不锈钢轴承18、电机连接轴20，保留骨架油封17、锥齿轮轴19、升沉舵连接轴I 21、圆锥齿轮副22、23、缓冲件24、升沉舵叶25、联轴节26、缓冲元件27、升沉舵轴承28、轴承支架29、联轴器30、升沉舵连接轴II 31。由于升沉舵受力很小，因此圆锥齿轮副22、23的啮合力不必很大，经锥齿轮轴19传递到步进电机14的输出轴上的力也不会影响电机性能。

由上面的描述可知，在具体实施时，根据工作环境的不同，只需更换本发明中部分模块就可以实现方式转换的目的了。

Claims (9)

1、一种水下航行体的模块化舵机，它包括转向舵模块、升沉舵模块和密封箱体三部分；其特征是：密封箱体由箱体、箱体两端的O型密封圈组成；转向舵模块的组成包括箱体端盖、转向步进电机、转向舵，转向舵模块位于密封箱体的前端转向步进电机设置于密封箱体内，转向步进电机是两端同步输出电机，转向步进电机两端的输出轴伸出箱体端盖外、并且与箱体端盖之间设置有密封支承机构，两个转向舵通过转向舵连接轴安装在转向步进电机输出轴上，箱体端盖安装于箱体两端并由O型密封圈密封；升沉舵模块的组成包括升沉步进电机、升沉舵，升沉舵模块位于密封箱体的后端，升沉步进电机设置于密封箱体内，升沉步进电机的输出轴伸出密封箱体的一侧，并且与箱体之间设置有密封支承机构，升沉步进电机输出的动力通过圆锥齿轮副转向后，经升沉舵连接轴传递给两个升沉舵。

2、根据权利要求1所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的转向步进电机的输出轴与端盖之间的密封支承机构包括安装在箱体端盖上的密封端盖、密封端盖与端盖之间的O型圈、设置于密封端盖与转向舵连接轴之间的骨架油封和不锈钢轴承。

3、根据权利要求2所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：转向舵通过联轴节安装在转向舵连接轴上，在联轴节与不锈钢轴承之间设置有缓冲元件。

4、根据权利要求1所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的转向步进电机输出轴与箱体端盖之间的密封支承机构包括安装在箱体端盖上的骨架油封。

5、根据权利要求1-4任何一项所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：在一个箱体端盖内侧带有两个平行凸台。

6、根据权利要求1-4任何一项所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的密封端盖、密封端盖与箱体侧壁之间有O型密封圈、密封端盖与电机连接轴之间有骨架油封和不锈钢轴承。

7、根据权利要求5所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的密封端盖、密封端盖与箱体侧壁之间有O型密封圈、密封端盖与电机连接轴之间有骨架油封和不锈钢轴承。

8、根据权利要求1-4任何一项所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的骨架油封。

9、根据权利要求5所述的水下航行体的模块化舵机，其特征是：所述的升沉步进电机输出轴与箱体侧壁之间的密封支承机构包括安装在箱体侧壁上的骨架油封。

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