CN103253362B - 波浪驱动螺旋桨推进装置及水下滑行机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪驱动螺旋桨推进装置，包括主轴和对称布置在其两侧的旋转轴，所述旋转轴与所述主轴垂直，所述旋转轴上固接有水翼，所述主轴的后端与螺旋桨连接；所述旋转轴通过机侧棘轮组件与驱动轴连接，所述驱动轴与所述主轴通过锥齿轮传动机构连接；位于主轴两侧的机侧棘轮组件安装方向相反。本发明还公开了包括上述波浪驱动螺旋桨推进装置的水下滑行机。本发明较为充分地利用了波浪能来驱动推进装置，驱动效率高，具有可控性，运行稳定。

Description

波浪驱动螺旋桨推进装置及水下滑行机

技术领域

本发明涉及一种螺旋桨推进装置，特别是涉及一种利用波浪能驱动的螺旋桨推进装置以及利用该装置驱动的水下滑行机。

背景技术

海洋监测的大尺度长时序特点以及恶劣的作业环境和昂贵的观测成本，迫使人类开发一套不受能源限制可长期大范围作业，而无需维护的低成本自主操作平台，以延伸人类了解世界海洋的触角。当前，国际上出现的波浪能滑翔器为海洋观测技术提供了创新思路。该平台巧妙地利用海洋环境能源实现了长时间大航程的观测作业，并通过卫星与监控基站之间进行指令和数据交换，已经成为海洋观测网络构建的基础平台和极端海洋环境下首选的监测工具。

上述波浪能滑翔器主要由水面浮体、水下滑行机和吊缆组成。波浪能滑翔器利用水下滑行机将波浪的起伏运动转变成水下滑行机的前向动力，并通过吊缆拖动水面浮体前进。水下滑行机主要由主框架、水翼、旋转轴、限位轴和尾舵等组成。波浪能滑翔器的运动机理：水面浮体随波浪上下起伏运动，水面浮体通过吊缆拉拽水下滑行机上下起伏运动；水翼在水下滑行机上升(下降)运动时由于水阻力的作用会朝运动相反的方向摆动，当与水翼连接的限位轴与主框架上的空槽下端(上端)接触时水翼停止摆动；水下滑行机继续上升(下降)，此时水下滑行机的水翼摆到一个姿态角，水流与水下滑行机的相对运动将使水翼产生一个前向动力。

波浪能滑翔器水下滑行机的运动过程和作用机理使得波浪能滑翔器在随波浪上下起伏运动时，水翼摆动到空槽上端(下端)过程中几乎没有利用波浪的起伏运动转变成前向动力，这就造成波浪能滑翔器在每个做功的周期内利用波浪驱动时都会出现做功盲区，尤其在0到1级海况下波高很小，波浪能滑翔器的水下滑行机对微弱波高波浪的能量转化效率将降得很低，平台在这种环境下的动力性能很差。水下滑行机的这种结构特点和运动机理将降低波浪能的利用效率，同时也降低波浪能滑翔器平台在恶劣海况下的动力性能指标。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够消除波浪能驱动做功盲区的螺旋桨推进装置及采用该装置推进的水下滑行机。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种波浪驱动螺旋桨推进装置，包括主轴和对称布置在其两侧的旋转轴，所述旋转轴与所述主轴垂直，所述旋转轴上固接有水翼，所述主轴的后端与螺旋桨连接；所述旋转轴通过机侧棘轮组件与驱动轴连接，所述驱动轴与所述主轴垂直并通过两锥齿轮传动机构连接；

所述机侧棘轮组件包括设有内齿的棘轮外毂、棘轮内毂、簧片、棘爪和棘轮端盖，所述棘轮外毂与所述棘轮端盖固接，所述棘轮内毂的端面上垂直固接有安装轴，所述棘爪安装在所述安装轴上，所述簧片压在所述棘爪上，并与所述棘轮内毂固接，所述棘爪与所述棘轮外毂的内齿啮合；

在所述主轴的左侧，所述机侧棘轮组件的所述棘轮端盖与所述旋转轴连接，该机侧棘轮组件的所述棘轮内毂与所述驱动轴连接；在所述主轴的右侧，所述机侧棘轮组件的所述棘轮端盖与所述驱动轴连接，该机侧棘轮组件的所述棘轮内毂与所述旋转轴连接。

所述主轴前端通过机首棘轮组件与电机连接，所述机首棘轮组件与所述机侧棘轮组件结构相同，所述机首棘轮组件的棘轮端盖与所述电机的输出轴固接，该机首棘轮组件的棘轮内毂与所述主轴前端连接。

所述螺旋桨与螺旋桨输出轴固接，所述螺旋桨输出轴通过传动轴与所述主轴的后端连接，所述主轴的后端与所述传动轴通过机尾棘轮组件连接，所述机尾棘轮组件与所述机侧棘轮组件结构相同，所述机尾棘轮组件的棘轮端盖与所述主轴的后端连接，该机尾棘轮组件的棘轮内毂与所述传动轴的前端连接，所述传动轴的后端与所述螺旋桨输出轴通过发条弹簧连接。

所述锥齿轮传动机构包括从动斜齿锥齿轮和与其相互垂直啮合的驱动斜齿锥齿轮，所述从动斜齿锥齿轮连接在所述主轴上，所述驱动斜齿锥齿轮连接在所述驱动轴上。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：一种水下滑行机，包括上述的波浪驱动螺旋桨推进装置和外壳体，所述波浪驱动螺旋桨推进装置安装在所述外壳体内，所述水翼和所述螺旋桨位于所述外壳体之外，所述水翼与限位轴固定连接，所述外壳体上设有与所述限位轴适配的弧形槽，所述限位轴横穿在所述弧形槽内；所述外壳体上设有尾舵。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)主轴左侧的水翼采用反向安装机侧棘轮组件，棘轮端盖与旋转轴连接，棘轮内毂与驱动轴连接，主轴右侧的水翼采用正向安装机侧棘轮组件，棘轮端盖与驱动轴连接，棘轮内毂与旋转轴连接。主轴两侧水翼的运动方向相同，在水翼上摆过程中，主轴左侧的水翼通过反向安装的机侧棘轮组件带动同侧的驱动轴逆时针旋转，驱动轴通过锥齿轮传动机构带动主轴顺时针旋转，主轴左侧的水翼做功；同时右侧水翼上摆过程中，带动同侧旋转轴顺时针旋转，驱动正向安装的机侧棘轮组件，而正向安装的机侧棘轮组件只能传递逆时针扭矩，因此该侧旋转轴不能驱动同侧驱动轴旋转，主轴右侧的水翼不做功。在水翼下摆过程中，传动形式跟上摆过程正好相反，主轴左侧的水翼不做功，主轴右侧的水翼做功。因此在水翼摆动的整个过程中，主轴两侧水翼交替做功，驱动螺旋桨顺时针旋转，消除波浪能驱动的做功盲区，提高水下滑行机波浪能的利用率，提高平台的动力性能。

2)在主轴上加装电机，采用波浪和电力混驱的方式驱动推进装置，使推进装置具有可控性。

3)在水翼的运动方向发生突变时，主轴运动状态会突变，本发明采用在传动轴与螺旋桨输出轴之间加装发条弹簧的结构，利用发条弹簧作为缓冲，保护螺旋桨等构件，同时也能稳定螺旋桨的输出转速，提高螺旋桨的推进效率，进而提高推进装置的驱动效率。

4)采用斜齿传动，传动平稳，噪声小，承载能力强。

综上所述，本发明较为充分地利用了波浪能来驱动推进装置，驱动效率高，具有可控性，运行稳定。

附图说明

图1为本发明波浪驱动螺旋桨推进装置的结构示意图；

图2为本发明波浪驱动螺旋桨推进装置水翼与主轴连接的示意图；

图3为本发明波浪驱动螺旋桨推进装置机侧棘轮组件的示意图；

图4为本发明波浪驱动螺旋桨推进装置螺旋桨与主轴连接的示意图；

图5为本发明水下滑行机的示意图。

图中：1、主轴，2、机首棘轮组件，3、电机，4、水翼，5、旋转轴，6、螺旋桨，7、驱动轴，8、驱动斜齿锥齿轮，9、从动斜齿锥齿轮，10、机侧棘轮组件，11、棘轮端盖，12、棘爪，13、簧片，14、棘轮内毂，15、棘轮外毂，16、机尾棘轮组件，17、传动轴，18、发条弹簧，19、螺旋桨输出轴，20、限位轴，21、外壳体，22、尾舵。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图4，一种波浪驱动螺旋桨推进装置，包括主轴1和对称布置在其两侧的旋转轴5，所述旋转轴5与所述主轴1垂直，所述旋转轴5上固接有水翼4，所述主轴1的后端与螺旋桨6连接；所述旋转轴5通过机侧棘轮组件10与驱动轴7连接，所述驱动轴7与所述主轴1垂直并通过两锥齿轮传动机构连接；所述机侧棘轮组件10包括设有内齿的棘轮外毂15、棘轮内毂14、簧片13、棘爪12和棘轮端盖11，所述棘轮外毂15与所述棘轮端盖11固接，所述棘轮内毂14的端面上垂直固接有安装轴，所述棘爪12安装在所述安装轴上，所述簧片13压在所述棘爪12上，为棘爪提供回复力矩，所述簧片13与所述棘轮内毂14固接，所述棘爪12与所述棘轮外毂15的内齿啮合；在所述主轴1的一侧，在本实施例中，该侧是左侧，所述机侧棘轮组件10的所述棘轮端盖11与所述旋转轴5连接，该机侧棘轮组件10的所述棘轮内毂14与所述驱动轴7连接；在所述主轴1的另一侧，在本实施例中，该侧是右侧，机侧棘轮组件的棘轮端盖与驱动轴连接，该机侧棘轮组件的棘轮内毂与旋转轴连接。本文中所述的方向，均以图1所示为准。

在本实施例中，为了使推进装置具有可控性，所述主轴1前端通过机首棘轮组件2与电机3连接，所述机首棘轮组件2与所述机侧棘轮组件10结构相同，所述机首棘轮组件2的棘轮端盖与所述电机3的输出轴固接，该机首棘轮组件2的棘轮内毂与所述主轴1前端连接。

在本实施例中，为了使推进装置运行平稳，所述螺旋桨6与螺旋桨输出轴19固接，所述螺旋桨输出轴19通过传动轴17与所述主轴1的后端连接，所述主轴1的后端与所述传动轴17通过机尾棘轮组件16连接，所述机尾棘轮组件16与所述机侧棘轮组件10结构相同，所述机尾棘轮组件16的棘轮端盖与所述主轴1的后端连接，该机尾棘轮组件16的棘轮内毂与所述传动轴17的前端连接，所述传动轴17的后端与所述螺旋桨输出轴19通过发条弹簧18连接。

在本实施例中，为了使推进装置传动平稳，所述锥齿轮传动机构包括从动斜齿锥齿轮9和与其相互垂直啮合的驱动斜齿锥齿轮8，所述从动斜齿锥齿轮9连接在所述主轴1上，所述驱动斜齿锥齿轮8连接在所述驱动轴1上。

请参见图5，图5示出的是包括上述波浪驱动螺旋桨推进装置的水下滑行机，波浪驱动螺旋桨推进装置安装在所述外壳体21内，通过轴瓦和轴瓦支撑座支撑。所述水翼4和所述螺旋桨6位于所述外壳体21之外，所述水翼4与限位轴20固定连接，所述外壳体21上设有与所述限位轴20适配的弧形槽，所述限位轴20横穿在所述弧形槽内；所述外壳体21上设有尾舵22。

水下滑行机采用电能和波浪能混合驱动模式，电机利用水面浮体提供的电能驱动螺旋桨转动，水翼利用波浪能提供前行驱动力，能够充分捕获波浪能，无做功盲区，并且能够充分捕获微弱波高下的波浪能。电能驱动方式可以增加水下滑行机的抗流能力和机动性能，当电机的转速大于水翼驱动的驱动斜齿锥齿轮的转速时，主轴的转速与电机相同，当水翼驱动的驱动斜齿锥齿轮的转速大于电机的转速时，主轴的转速与驱动斜齿轮的转速相同。混合驱动方式提高了水下滑行机平台的动力性能。

水下滑行机在上下起伏运动过程中水翼的运动状态会发生突变，从而使主轴转速突变，利用发条弹簧作为缓冲结构，能够在水下滑行机上下起伏运动过程中，主轴转速突变时，起到缓冲作用，在保护螺旋桨等构件的同时，也能稳定螺旋桨的输出转速，提高螺旋桨的工作效率，进而提高水下滑行机的驱动效率。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波浪驱动螺旋桨推进装置，其特征在于，包括主轴和对称布置在其两侧的旋转轴，所述旋转轴与所述主轴垂直，所述旋转轴上固接有水翼，所述主轴的后端与螺旋桨连接；所述旋转轴通过机侧棘轮组件与驱动轴连接，所述驱动轴与所述主轴垂直并通过两锥齿轮传动机构连接；

所述机侧棘轮组件包括设有内齿的棘轮外毂、棘轮内毂、簧片、棘爪和棘轮端盖，所述棘轮外毂与所述棘轮端盖固接，所述棘轮内毂的端面上垂直固接有安装轴，所述棘爪安装在所述安装轴上，所述簧片压在所述棘爪上，并与所述棘轮内毂固接，所述棘爪与所述棘轮外毂的内齿啮合；

在所述主轴的左侧，所述机侧棘轮组件的所述棘轮端盖与所述旋转轴连接，该机侧棘轮组件的所述棘轮内毂与所述驱动轴连接；在所述主轴的右侧，所述机侧棘轮组件的所述棘轮端盖与所述驱动轴连接，该机侧棘轮组件的所述棘轮内毂与所述旋转轴连接。

2.根据权利要求1所述的波浪驱动螺旋桨推进装置，其特征在于，所述主轴前端通过机首棘轮组件与电机连接，所述机首棘轮组件与所述机侧棘轮组件结构相同，所述机首棘轮组件的棘轮端盖与所述电机的输出轴固接，该机首棘轮组件的棘轮内毂与所述主轴前端连接。

3.根据权利要求1或2所述的波浪驱动螺旋桨推进装置，其特征在于，所述螺旋桨与螺旋桨输出轴固接，所述螺旋桨输出轴通过传动轴与所述主轴的后端连接，所述主轴的后端与所述传动轴通过机尾棘轮组件连接，所述机尾棘轮组件与所述机侧棘轮组件结构相同，所述机尾棘轮组件的棘轮端盖与所述主轴的后端连接，该机尾棘轮组件的棘轮内毂与所述传动轴的前端连接，所述传动轴的后端与所述螺旋桨输出轴通过发条弹簧连接。

4.根据权利要求1所述的波浪驱动螺旋桨推进装置，其特征在于，所述锥齿轮传动机构包括从动斜齿锥齿轮和与其相互垂直啮合的驱动斜齿锥齿轮，所述从动斜齿锥齿轮连接在所述主轴上，所述驱动斜齿锥齿轮连接在所述驱动轴上。

5.一种水下滑行机，其特征在于，包括如权利要求1～4任意一项所述的波浪驱动螺旋桨推进装置和外壳体，所述波浪驱动螺旋桨推进装置安装在所述外壳体内，所述水翼和所述螺旋桨位于所述外壳体之外，所述水翼与限位轴固定连接，所述外壳体上设有与所述限位轴适配的弧形槽，所述限位轴横穿在所述弧形槽内；所述外壳体上设有尾舵。