CN104044717A - 一种用于小型水下航行器的沉浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小型水下航行器的沉浮装置，由活塞机构和传动机构组成，活塞机构的吸排水圆筒密封端与水管固连，吸排水口位于航行器壳体前底部，吸排水圆筒敞开端与U形支架固连，U形支架内两侧有支架中间横板，左右支架与U形支架固连，齿条与十字板固连，两配重铅块固定在十字板两侧下部，且与十字板的横板形成凹槽，十字板与两配重铅块分别穿过支架中间横板自由滑动，十字板与橡胶活塞固连，位于吸排水圆筒内。传动机构的电机带动主动齿轮与四级从动双联齿轮转动，并与齿条啮合，齿条带动十字板与橡胶活塞运动，十字板和橡胶活塞运动时调节航行器重心。排水吸水时产生作用力促进航行器的姿态调节，实现航行器的沉浮。

Description

一种用于小型水下航行器的沉浮装置

技术领域

本发明属于小型水下航行器技术领域，具体地说,涉及一种用于低速小型水下航行器的沉浮装置。

背景技术

水下航行器沉浮的实现方式中包括增加航行器重力和航行器姿态倾斜，沉浮调节装置包括重力调节装置和重心调节装置，是水下航行器浮沉系统的重要组成部分。沉浮调节装置安装在航行器内部，通过改变航行器的质量以及航行器重心的前后或鳍舵的姿态，来调节重力和姿态实现航行器的下潜或上浮。现有的沉浮调节装置多为单一的重心或重力调节装置，或者重心、重力调节两个装置同时工作，重心调节多采用电机带动，通过改变丝杠上配重块的前后位置实现，重力调节多采用高压水泵向水仓中吸排水或活塞推动缸体吸排水改变航行器质量的方式，从而改变航行器重力。

专利CN203581367U中涉及一种皮囊仓和控制阀组成的单向浮力调节装置，装置仅适用于单向浮力调节，不适用小型航行器沉浮调节。专利CN103085952A中公开了一种由活塞和排水腔组成可调节重力和姿态的装置，但是姿态调节效果较差。专利CN2868840Y中描述了一种由电机和活塞筒组成的沉浮调节装置，仅通过调节航行器重力改变航行器沉浮状态，效果较差，而且航行器游动不灵活。专利CN102442417A中介绍了一种由空气泵和气囊组成的沉浮调节装置，可调节浮力和姿态，但是占用体积较大，功耗大。专利CN203581366U中公开了一种由液压泵驱动活塞在缸体中运动的浮力调节装置，体积和功耗大,仅适用于较大的航行器。使用单一的调节重力或质心的装置时,航行器下沉上浮缓慢，效果差，影响航行器的灵活性；两个装置同时工作占用空间较大，而且两个装置需要两套动力系统，增大了功耗，两套系统的协同配合也增加了控制难度，不适用于小功率的小型水下航行器。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,克服航行器沉浮装置的体积和功耗大，沉浮效果差的问题，本发明提出一种用于小型水下航行器的沉浮装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括活塞机构、传动机构，航行器壳体，其特点是，所述活塞机构包括水管、配重铅块、支架中间横板、吸排水口、吸排水圆筒、橡胶活塞、十字板、齿条、左支架、U形支架、右支架，吸排水圆筒密封端有通孔与水管固连，吸排水口位于航行器壳体前底部，吸排水圆筒敞开端与U形支架固连，U形支架内两侧固定有支架中间横板，左支架与右支架位于U形支架的上部，左右支架分别与U形支架固定连接，齿条位于十字板上一侧，齿条与十字板通过螺栓固连，两个配重铅块固连在十字板两侧下部，且与十字板的横板形成凹槽，十字板与两个配重铅块穿过支架中间横板自由滑动，十字板与橡胶活塞固连，位于吸排水圆筒内；

所述传动机构包括第四从动双联齿轮、第三从动双联齿轮、第二从动双联齿轮、第一从动双联齿轮、主动齿轮、电机、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴,电机位于左支架与右支架之间，固定在右支架上，主动齿轮与电机输出轴固连，第一齿轮轴位于电机的下方,第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴分别通过轴承固定在左支架和右支架上，且四根齿轮轴位于同一平面等间距安装,第一从动双联齿轮与第一齿轮轴固连，第二从动双联齿轮与第二齿轮轴固连，第三从动双联齿轮与第三齿轮轴固连，第四从动双联齿轮与第四齿轮轴固连，四级从动双联齿轮分别包括大齿轮和小齿轮,小齿轮位于大齿轮同一侧,且大齿轮与小齿轮同轴固连；主动齿轮与第一从动双联齿轮的大齿轮啮合，第一从动双联齿轮的小齿轮与第二从动双联齿轮的大齿轮啮合，第二从动双联齿轮的小齿轮与第三从动双联齿轮的大齿轮啮合，第三从动双联齿轮的小齿轮与第四从动双联齿轮的大齿轮啮合，第四从动双联齿轮的小齿轮与齿条啮合，齿条带动十字板与橡胶活塞运动。

四级从动双联齿轮的大齿轮与小齿轮的齿数比为3:1。

有益效果

本发明提出的用于小型水下航行器的沉浮装置。沉浮装置体积小,可实现航行器的高效沉浮。沉浮装置后部的吸排水圆筒在传动机构推动活塞机构运动时吸水或者排水，吸排水圆筒中的水量改变，从而改变航行器重力。改变航行器的重力使航行器产生向下或向上的加速度来实现航行器沉浮；同时在十字板和橡胶活塞运动时，与十字板固定在一起的两个配重铅块随之运动，调节航行器重心。由于航行器的浮心不变，改变航行器的重心，从而改变航行器的姿态；在航行器运行过程中，姿态的改变会使航行器产生向下或者向上的速度分量，从而实现航行器的沉浮。

本发明水下航行器的沉浮装置的吸排水口口径小，水流经橡胶活塞作用从吸排水圆筒中高速吸入或排出，且吸排水口位置在航行器壳体前底部，吸水排水时产生作用力促进航行器的姿态调节。

本发明水下航行器的沉浮装置的初始状态为橡胶活塞位于吸排水圆筒中间部位，吸排水圆筒中储存有一半水液体；电机顺时针转动时，传动机构带动十字板和橡胶活塞向前运动，吸排水圆筒吸水，航行器重力增加，使航行器具有下沉加速度；同时位于十字板上的配种铅块随十字板向航行器前部运动，使航行器具有头部向下的航行姿态，运行过程中产生下沉速度，且吸排水圆筒吸水时，由于快速吸水产生作用力使航行器头部向下，促进姿态改变进程，三重因素作用使航行器高效下沉。电机逆时针转动时情况相反，三重因素作用使航行器快速上浮。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于小型水下航行器的沉浮装置作进一步详细说明。

图1为本发明水下航行器的沉浮装置示意图。

图2为本发明水下航行器的沉浮装置左视图。

图3为本发明水下航行器的沉浮装置轴测图。

图4为本发明水下航行器的沉浮装置的活塞机构示意图。

图5为本发明水下航行器的沉浮装置的传动机构示意图。

图6为本发明水下航行器的沉浮装置安装部位示意图。

图中:

1.水管  2.配重铅块  3.支架中间横板  4.吸排水口  5.吸排水圆筒6.橡胶活塞  7.十字板  8.齿条  9.第四从动双联齿轮  10.第三从动双联齿轮11.第二从动双联齿轮  12.第一从动双联齿轮  13.主动齿轮  14.左支架15.U形支架  16.电机  17.右支架  18.第一齿轮轴  19.第二齿轮轴20.第三齿轮轴  21.第四齿轮轴  22.航行器壳体

具体实施方式

本实施例是一种用于小型水下航行器的沉浮装。

参阅图1～图6,本实施例水下航行器的沉浮装置，由活塞机构、传动机构和航行器壳体22组成。其中，活塞机构包括水管1、配重铅块2、支架中间横板3、吸排水口4、吸排水圆筒5、橡胶活塞6、十字板7、齿条8、左支架14、U形支架15、右支架17；吸排水圆筒5密封端有通孔与水管1固定连接，水管1的吸排水口4安装在航行器壳体22前底部，吸排水圆筒5敞开端与U形支架15固连，U形支架15内两侧壁上固定有支架中间横板3，左支架14与右支架17位于U形支架15的上部，左支架14与右支架17分别与U形支架15固定连接，齿条8安装在十字板7上一侧，齿条8与十字板7通过螺栓固连，两个配重铅块2固连在十字板7两侧下部，且与十字板7的横板形成凹槽，十字板7与两个配重铅块2分别穿过支架中间横板3前后自由滑动；十字板7与橡胶活塞6固定连接，固定后插入吸排水圆筒5内。

传动机构由第四从动双联齿轮9、第三从动双联齿轮10、第二从动双联齿轮11、第一从动双联齿轮12、主动齿轮13、电机16、第一齿轮轴18、第二齿轮轴19、第三齿轮轴20、第四齿轮轴21组成；电机16位于左支架14和右支架17之间，电机16通过电机安装座和螺栓固定在右支架17上，主动齿轮13与电机16输出轴固定连接；第一齿轮轴18安装在电机16的下方,第一齿轮轴18、第二齿轮轴19、第三齿轮轴20、第四齿轮轴21分别通过轴承固定安装在左支架14和右支架17上，而且，第一齿轮轴18、第二齿轮轴19、第三齿轮轴20、第四齿轮轴21位于同一水平面等间距固定安装。第一从动双联齿轮12与第一齿轮轴18通过平键固连，第二从动双联齿轮11与第二齿轮轴19通过平键固连，第三从动双联齿轮10与第三齿轮轴20通过平键固连，第四从动双联齿轮9与第四齿轮轴21通过平键固连。

四级从动双联齿轮分别包括大齿轮和小齿轮,小齿轮安装在大齿轮的同一侧,且大齿轮与小齿轮同轴固连。四级从动双联齿轮的大齿轮与小齿轮的齿数比为3:1。

主动齿轮13与第一从动双联齿轮12的大齿轮啮合，第一从动双联齿轮12的小齿轮与第二从动双联齿轮11的大齿轮啮合，第二从动双联齿轮11的小齿轮与第三从动双联齿轮10的大齿轮啮合，第三从动双联齿轮10的小齿轮与第四从动双联齿轮9的大齿轮啮合，第四从动双联齿轮9的小齿轮与齿条8啮合，齿条8带动十字板7与橡胶活塞6运动。

本实施例水下航行器的沉浮装置,应用于质量为2kg，体长为0.5m的仿生鱼航行器，运行速度为0.4m/s时沉浮装置的技术参数为:

1)根据航行器质量合理选取吸排水圆筒5的容积，确定排水圆筒5规格为Φ40mm*110mm，橡胶活塞6厚度为10mm，去除橡胶活塞6所占体积后，吸排水圆筒5剩余最大容水量为120～130ml；当吸排水圆筒中储存有60～65ml水量液体时为初始状态，排水或吸水单一过程中水的改变量为60～65ml，重力变量为0.6～0.65N；

2)根据航行器形状合理选取配重铅块2质量，本实施例用于长0.5m的仿生鱼航行器时，选取两块120g的配重铅块2放置在十字板7两侧，实验测试航行器产生的倾角为25～35度，航行器运行速度为0.4m/s时，速度垂直分量即下潜速度为0.15～0.25m/s；

3)根据航行器的参数选择吸排水口内径、电机转速、齿轮规格，本实施例用于仿生鱼航行器时，选取吸排水口4内径为4mm，电机16为强磁电机，转速15500转/分钟，第一从动双联齿轮12、第二从动双联齿轮11、第三从动双联齿轮10、第四从动双联齿轮9模数均为0.5，大齿轮为30齿,小齿轮为10齿，齿条8模数为0.5，齿条8长度为100mm，主动齿轮13模数为0.5，当吸排水圆筒容水量为120ml时，由上述各参数计算吸排水口4排水的速度为5m/s；静止状态开始作用时间为1s，产生的推力平均为0.3N，可在短时间内促进航行器姿态改变。

本实施例水下航行器的沉浮装置工作过程:

电机顺时针转动时，传动机构带动十字板和橡胶活塞向前运动，吸排水圆筒进行吸水，航行器重量增加，使航行器具有下沉加速度，同时,固定在十字板上的配重铅块随十字板向航行器前部运动，使航行器具有头部向下的航行姿态，运行过程中产生下沉速度，并且吸排水圆筒吸水时，航行器底部吸排水口快速吸水产生作用力使航行器头部向下，促进姿态改变，三重因素作用使航行器快速下沉；电机逆时针转动时情况相反，三重因素作用使航行器快速上浮。

本实施例水下航行器的沉浮装置用于质量为2kg，长度0.5m的仿生鱼航行器中时，在运行速度为0.4m/s的情况下，下潜1m即两个体长时用时为3.1s。

Claims (2)

1.一种用于小型水下航行器的沉浮装置，包括活塞机构、传动机构，航行器壳体，其特征在于:

所述活塞机构包括水管、配重铅块、支架中间横板、吸排水口、吸排水圆筒、橡胶活塞、十字板、齿条、左支架、U形支架、右支架，吸排水圆筒密封端有通孔与水管固连，吸排水口位于航行器壳体前底部，吸排水圆筒敞开端与U形支架固连，U形支架内两侧固定有支架中间横板，左支架与右支架位于U形支架的上部，左右支架分别与U形支架固定连接，齿条位于十字板上一侧，齿条与十字板通过螺栓固连，两个配重铅块固连在十字板两侧下部，且与十字板的横板形成凹槽，十字板与两个配重铅块穿过支架中间横板自由滑动，十字板与橡胶活塞固连，位于吸排水圆筒内；

所述传动机构包括第四从动双联齿轮、第三从动双联齿轮、第二从动双联齿轮、第一从动双联齿轮、主动齿轮、电机、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴,电机位于左支架与右支架之间，固定在右支架上，主动齿轮与电机输出轴固连，第一齿轮轴位于电机的下方,第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴分别通过轴承固定在左支架和右支架上，且四根齿轮轴位于同一平面等间距安装,第一从动双联齿轮与第一齿轮轴固连，第二从动双联齿轮与第二齿轮轴固连，第三从动双联齿轮与第三齿轮轴固连，第四从动双联齿轮与第四齿轮轴固连，四级从动双联齿轮分别包括大齿轮和小齿轮,小齿轮位于大齿轮同一侧,且大齿轮与小齿轮同轴固连；主动齿轮与第一从动双联齿轮的大齿轮啮合，第一从动双联齿轮的小齿轮与第二从动双联齿轮的大齿轮啮合，第二从动双联齿轮的小齿轮与第三从动双联齿轮的大齿轮啮合，第三从动双联齿轮的小齿轮与第四从动双联齿轮的大齿轮啮合，第四从动双联齿轮的小齿轮与齿条啮合，齿条带动十字板与橡胶活塞运动。

2.一种用于小型水下航行器的沉浮装置，其特征在于:四级从动双联齿轮的大齿轮与小齿轮的齿数比为3:1。