CN104071320B - 转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，该机构桨叶偏角运动规律满足“法线相交定律”，即每个桨叶的弦线在任意时刻总垂直于回转平面的某一固定点，该点称为偏心点，偏心点与回转中心的距离称为偏心距，推进器推力的大小正比于偏心距，推进器推力的方向垂直于偏心点与回转中心的连线。本发明可以通过转动丝杠调节推进器推力的大小，通过转动蜗杆调节推进器推力的方向，偏心圆盘的放大作用使控制点移动较小的距离即可达到较大的偏心率。

Description

转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构

技术领域

本发明涉及的是一种推进器装置，具体地说是船用推进器装置。

背景技术

为了改善水面船舶和潜艇的操纵性能，提高推进器的推进效率，各种特殊结构的推进器应运而生。摆线推进器作为一种船用推进器，由于具有很高的机动性、优良的声学特性和较高的推进效率以及可以在浅水中航行等诸多优点，受到国内外相关科研机构的关注。

摆线推进器由一组垂直于回转平面的直翼叶片和控制叶片偏转角度的控制机构组成，由于叶片的实际运动轨迹是一条摆线，故称之为摆线推进器。摆线推进器设计的关键在于桨叶的控制机构，为了实现桨叶的摆线运动规律，需要特殊的机构来控制桨叶在圆周不同位置时的叶偏角。目前的桨叶偏角控制机构大多不能实现最优的桨叶运动规律和推进力大小和方向的任意调节。

发明内容

本发明的目的在于提供能够实现推力大小和方向的任意调节的转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，其特征是：包括杠杆、丝杠、移动螺母块、蜗轮、蜗杆、转动台、上壳体、齿轮、壳体中间板、上转动盘、固定圆筒、下转动盘、偏心圆盘、桨叶装置，上壳体包括平面部分和圆柱部分，中空的圆柱部分固定在平面部分里，转动台内壁安装在上壳体圆柱部分的外壁外，移动螺母块设置在转动台里并位于上壳体圆柱部分的上方，丝杠安装在转动台里并穿过移动螺母块，丝杠和移动螺母块之间螺纹配合，移动螺母块下方设置凹槽，杠杆的顶端通过第一关节轴承安装在移动螺母块的凹槽里，杠杆的中部通过第二关节轴承安装在上壳体的圆柱部分里并位于上壳体的平面部分所在平面，蜗轮与蜗杆相配合，蜗轮与转动台相连，齿轮固定在上转动轴外并连有电机，上转动轴为中空结构，且中空结构为锥形，上转动轴位于上壳体平面部分的下方，壳体中间板安装在上转动轴外，固定圆筒固定在壳体中间板下方，上转动盘安装在固定圆筒里并与上转动轴相连，偏心圆盘设置在固定圆筒里并位于上转动盘上壁的下方，杠杆的下部穿过上转动轴的中空结构，杠杆的下端部通过第三关节轴承安装在偏心圆盘里，下转动盘与上转动盘相连并位于上转动盘下方，壳体中间板与上壳体的平面部分相连，偏心圆盘上设置孔，桨叶装置包括滑块、导杆、曲拐、桨叶轴、桨叶，滑块的下端部通过滑块轴承安装在偏心圆盘的孔里，导杆、曲拐、桨叶轴、桨叶依次相连，滑块与导杆相配合，桨叶轴与下转动盘之间通过桨叶轴轴承相配合。

本发明还可以包括：

1、还包括同步转动机构，同步转动机构包括上导轨、下导轨、上滑块、下滑块，上导轨与偏心圆盘相固定，下导轨与下转动盘相固定，上导轨与下导轨相对布置，上滑块安装在上导轨上，下滑块安装在下导轨上，上滑块与下滑块相固定。

2、还包括同步转动机构，同步转动机构包括第一同步带轮、第二同步带轮、上同步带轮、下同步带轮、上连板、下连板、惰轮轴，第一同步带轮固定在偏心圆盘下方，第二同步带轮固定在下转动盘上，上连板上固定有第一销轴，第一同步带轮位于第一销轴外并通过轴承与第一销轴配合，下连板上固定有第二销轴，第二同步带轮位于第二销轴外通过轴承第二销轴配合，上连板与下连板两者贴合滑动，惰轮轴通过轴承分别与上连板和下连板连接，上同步带轮安装在惰轮轴的上端，下同步带轮安装在惰轮轴的下端，第一同步带轮和上同步带轮上缠绕第一同步带，第二同步带轮和下同步带轮上缠绕第二同步带。

3、还包括同步转动机构，同步转动机构包括上盘、中间盘、下盘、第一连杆、第二连杆，上盘固定在偏心圆盘下方，下盘固定在下转动盘上，上盘通过轴承安装在第三销轴外，中间盘分别通过轴承安装在第四销轴和第六销轴外，下盘通过轴承安装在第五销轴外，第一连杆分别与第三销轴和第四销轴相固定，第二连杆分别与第五销轴和第六销轴固定。

本发明的优势在于：本发明可以通过转动丝杠调节推进器推力的大小，通过转动蜗杆调节推进器推力的方向，偏心圆盘的放大作用使控制点移动较小的距离即可达到较大的偏心率。

附图说明

图1为本发明的运动简图；

图2为偏心圆盘的偏心率放大原理图；

图3为偏心点控制机构的剖面图；

图4为偏心圆盘机构剖面图；

图5为偏心圆盘机构的同步带轮实现方式剖面图；

图6为平行四边形联轴器机构的机构运动示意图；

图7为偏心圆盘机构的平行四边形联轴器机构实现方式剖面图。

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：

实施方式1：

结合图1～4，图1中的机构运动简图表示了各部分机构的连接关系和运动副类型。图中桨叶组件101与桨轴组件102固连，桨轴组件102与底盘组件103之间通过回转副连接，动力源带动底盘组件103作匀速转动。桨轴组件102与滑杆组件104固定连接，滑杆组件104和滑块组件105之间构成移动副，滑块组件105的回转轴组件107与偏心圆盘组件108构成回转副，偏心圆盘组件108与底盘组件103之间通过十字滑块联轴器组件或平行四边形联轴器组件109连接，保证偏心圆盘组件108和底盘组件103的角度和角速度在任意时刻相等。偏心圆盘组件108的中心与杠杆下端110构成球面副，杠杆下端110控制偏心圆盘组件108在其运动平面内相对于底盘组件103的偏心大小和方向。杠杆中部111与机架组件112构成球销副，杠杆上端113与偏心点控制机构直线移动组件114构成球销副。直线移动组件114可以相对于偏心点控制机构回转组件115作往复运动，两者构成移动副。偏心点控制机构回转组件115可以相对于机架组件116作回转运动，两者构成回转副。

图2所示为偏心圆盘机构的放大原理图，根据“法线相交定律”，桨叶组件101在随底盘组件103转动的同时绕桨叶组件101自身的轴线摆动，桨叶组件101的弦线始终垂直于运动平面上的C点与桨叶组件101轴心点的连线。控制桨叶组件101偏角的导杆组件104与在偏心圆盘组件108的圆周对应位置上的滑块组件105相对滑动，同时保证偏心圆盘组件108与底盘组件103的角位移与角速度相等。这样，通过使偏心圆盘组件108移动较小的距离即可实现桨叶组件101的弦线垂直于C点与桨叶组件101轴的连线，相当于偏心距为此机构的放大比例与偏心圆盘组件108上滑块组件105分布的分度圆和底盘组件103上桨叶组件101轴分布的分度圆大小有关，具体放大关系为： $\stackrel{\‾}{\mathrm{oc}}=\stackrel{\‾}{{\mathrm{oo}}_1}\×R/(R-R_1).$

如图3和图4所示，摆线推进器工作时，下转动盘22、上转动盘31、上转动轴1、齿轮2等固连在一起，电机的转动通过传动装置带动齿轮2转动，从而带动上转动轴1、上转动盘31、下转动盘22及其转动盘内的零件一同转动。回转部分通过轴承33支撑于壳体中间板32上，壳体中间板32与固定圆筒26通过螺栓连接，壳体固定于船体23上。壳体中间板32与上壳体3通过螺栓连接。

如图3所示，杠杆11通过关节轴承20支撑在上壳体3上，杠杆11的上端插入关节轴承10的内圈，两者可以相对滑动。关节轴承10嵌入移动螺母块13中，移动螺母块13和丝杠7旋合，丝杠7通过轴承8支撑于转动台4上，移动螺母块13由于导向装置的限制不能转动只能做轴向移动。当需要改变推进器的推力大小时，只需要旋转丝杠，使移动螺母块移动相应的距离，杠杆11的上端也作相应的动作，由于杠杆作用，杠杆下端也作相应的动作，即实现了偏心点的调节，改变了偏心距，从而改变推进器推力的大小。偏心距的大小通过标尺9和指针12显示。由于丝杠螺母机构具有自锁特性，摆线推进器在不需要改变推进力大小时，该装置能保证偏心距大小不变。

如图3所示，转动台4与蜗轮5通过键15连接，转动台4通过轴承14支撑在上壳体3上，转动台4与蜗杆17啮合，蜗杆17通过轴承支撑在蜗杆支架16上，紧定螺钉18和小支架19用于调整蜗轮5与蜗杆17的中心距，蜗杆支架16和小支架19固定于壳体3上。当需要改变推进器的方向时，通过转动蜗杆17使蜗轮5转动，蜗轮5连同转动台4、丝杠7、移动螺母块13等一起转动一定的角度，杠杆上端也绕推进器中心轴转动相应的角度，实现偏心点方向的改变，从而改变推进器的推力方向。推进方向通过刻度盘6和指针显示。由于蜗轮蜗杆机构具有自锁特性，摆线推进器在不需要改变推进力方向时，该装置能保证偏心点方向不变。

如图4所示，杠杆11下端通过关节轴承35与偏心圆盘34连接，偏心圆盘34沿圆周方向开有与桨叶数目相同的均布的孔，孔与轴承28配合，轴承28与滑块29配合，滑块29分别与对应的导杆30连接，滑块29和导杆30可以相对滑动。导杆30的一端与曲拐27、桨叶轴24、桨叶21固连，并通过轴承25支撑到下转动盘22上。偏心圆盘34通过上导轨36、上滑块37、下滑块38、下导轨39组成的十字沟槽联轴节机构实现偏心圆盘与下转动盘22的同步转动。曲拐27、桨叶轴24和桨叶21在随下转动盘22公转的同时，受导杆30和滑块29的作用绕桨轴自身的轴线转动。偏心圆盘的桨叶偏角控制规律及偏心距放大规律如图2所示。

实施方式2：

如图6和图7所示，实现偏心圆盘与主轴的角度对应、角速度相等的机构可以采用平行四边形联轴器机构实现。图6是平行四边形联轴器机构的机构运动示意图，平行四边形联轴器机构的上盘、中间盘和下盘分别为O₁、O₂和O₃，A₁、A₂、A₃在上盘O₁上，B₁、B₂、B₃在中间盘O₂上，C₁、C₂、C₃在下盘O₃上，平行四边形联轴器上盘和中间盘的连杆为A₁B₁、A₂B₂和A₃B₃，中间盘和下盘的连杆为B₁C₁、B₂C₂和B₃C₃。A₁B₁O₂O₁组成平行四边形，O₁A₁在任一时刻均与O₂B₁平行；同理，B₁C₁O₃O₂组成平行四边形，O₂B₁在任一时刻均与O₃C₁平行。所以，上盘O₁，中间盘O₂和下盘O₃在任一时刻相位相同，角速度相等。上盘、中间盘和下盘绕各自的圆心O₁、O₂和O₃作定轴转动，连杆A₁B₁和B₁C₁作平动。通过改变∠O₁O₂O₃的大小可以偏心圆盘和主回转件的轴间距，实现偏心大小的调节。通过改变上述机构的方位可以改变偏心点的方向。

图7是平行四边形联轴器机构的剖面图，如图所示，上盘61通过螺钉60固连到偏心圆盘34上，上盘61通过轴承73连接于销轴72上，销轴72与连杆71过盈配合固定连接，连杆71的另一端同样与销轴70过盈配合固定连接，销轴70通过轴承69与中间盘62连接。下盘68与下转动盘22固定连接，下盘68通过轴承67连接于销轴66上，销轴66与连杆65过盈配合固定连接，连杆65的另一端同样与销轴64过盈配合固定连接，销轴64通过轴承63与中间盘62连接。

结合图6和图7，上盘61与中间盘62之间通过三组长度相等的连杆71连接，中间盘62和下盘68之间也通过三组长度相等的连杆65连接。该机构存在多组平行四边形，可保证下转动盘22和偏心圆盘34之间同步转动，可在任意范围内改变偏心圆盘34和下转动盘22的轴间距。同时，由于存在多组长度相等的连杆，该机构存在虚约束，对各连杆长度和各圆盘孔距要求较高。为了实现机构的整周回转，连杆的长度不应大于圆盘上两孔之间的孔距。

实施方式3：

如图5所示，实现偏心圆盘与主轴的角度对应、角速度相等的机构可以采用同步带轮机构实现，偏心圆盘34与同步带轮40通过销41固连，下转动盘22与同步带轮49固连。同步带轮40与销轴42通过轴承43连接，销轴42与上连板44固连。同步带轮49与销轴46通过轴承47连接，销轴46与下连板45固连。上连板44与下连板45两板贴合滑动，并绕惰轮轴55旋转，惰轮轴55悬空布置并通过轴承56与上连板44和下连板45分别连接。惰轮轴55的上端连接上同步带轮57，两者之间通过键58限制相对旋转。惰轮轴55的下端连接下同步带轮54，两者之间通过键53限制相对旋转。上端盖51和下端盖52用于限制上同步带轮57和下同步带轮54的轴向位置。同步带48连接上同步带轮57和同步带轮40，同步带50连接下同步带轮54和同步带轮49。各同步带轮的模数和齿数均相等。这样即实现了偏心圆盘和主轴的同步转动，同时保证两者轴线之间的偏距在一定范围内任意调整，偏距的大小由杠杆控制。

实施方式4：

实现偏心圆盘与主轴的角度对应、角速度相等的机构也可以采用多齿轮传动机构实现，偏心圆盘和主轴底盘分别与一个齿轮同轴固连，这两个齿轮分别与一个过渡齿轮啮合，过渡齿轮再与中间轴上的两个齿轮分别啮合，中间轴上的两个齿轮通过键和中间轴连接，偏心圆盘固连齿轮与中间轴上对应的齿轮齿数相等，主轴底盘固连齿轮和中间轴上对应的齿轮齿数相等，这样即实现了偏心圆盘和主轴的同步转动，同时保证两者轴线之间的偏距在一定范围内任意调整，偏距的大小由杠杆控制。

Claims (4)

1.转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，其特征是：包括杠杆、丝杠、移动螺母块、蜗轮、蜗杆、转动台、上壳体、齿轮、壳体中间板、上转动盘、固定圆筒、下转动盘、偏心圆盘、桨叶装置，上壳体包括平面部分和圆柱部分，中空的圆柱部分固定在平面部分里，转动台内壁安装在上壳体圆柱部分的外壁外，移动螺母块设置在转动台里并位于上壳体圆柱部分的上方，丝杠安装在转动台里并穿过移动螺母块，丝杠和移动螺母块之间螺纹配合，移动螺母块下方设置凹槽，杠杆的顶端通过第一关节轴承安装在移动螺母块的凹槽里，杠杆的中部通过第二关节轴承安装在上壳体的圆柱部分里并位于上壳体的平面部分所在平面，蜗轮与蜗杆相配合，蜗轮与转动台相连，齿轮固定在上转动轴外并连有电机，上转动轴为中空结构，且中空结构为锥形，上转动轴位于上壳体平面部分的下方，壳体中间板安装在上转动轴外，固定圆筒固定在壳体中间板下方，上转动盘安装在固定圆筒里并与上转动轴相连，偏心圆盘设置在固定圆筒里并位于上转动盘上壁的下方，杠杆的下部穿过上转动轴的中空结构，杠杆的下端部通过第三关节轴承安装在偏心圆盘里，下转动盘与上转动盘相连并位于上转动盘下方，壳体中间板与上壳体的平面部分相连，偏心圆盘上设置孔，桨叶装置包括滑块、导杆、曲拐、桨叶轴、桨叶，滑块的下端部通过滑块轴承安装在偏心圆盘的孔里，导杆、曲拐、桨叶轴、桨叶依次相连，滑块与导杆相配合，桨叶轴与下转动盘之间通过桨叶轴轴承相配合。

2.根据权利要求1所述的转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，其特征是：还包括同步转动机构，同步转动机构包括上导轨、下导轨、上滑块、下滑块，上导轨与偏心圆盘相固定，下导轨与下转动盘相固定，上导轨与下导轨相对布置，上滑块安装在上导轨上，下滑块安装在下导轨上，上滑块与下滑块相固定。

3.根据权利要求1所述的转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，其特征是：还包括同步转动机构，同步转动机构包括第一同步带轮、第二同步带轮、上同步带轮、下同步带轮、上连板、下连板、惰轮轴，第一同步带轮固定在偏心圆盘下方，第二同步带轮固定在下转动盘上，上连板上固定有第一销轴，第一同步带轮位于第一销轴外并通过轴承与第一销轴配合，下连板上固定有第二销轴，第二同步带轮位于第二销轴外通过轴承第二销轴配合，上连板与下连板两者贴合滑动，惰轮轴通过轴承分别与上连板和下连板连接，上同步带轮安装在惰轮轴的上端，下同步带轮安装在惰轮轴的下端，第一同步带轮和上同步带轮上缠绕第一同步带，第二同步带轮和下同步带轮上缠绕第二同步带。

4.根据权利要求1所述的转动导杆偏心圆盘式摆线推进器机构，其特征是：还包括同步转动机构，同步转动机构包括上盘、中间盘、下盘、第一连杆、第二连杆，上盘固定在偏心圆盘下方，下盘固定在下转动盘上，上盘通过轴承安装在第三销轴外，中间盘分别通过轴承安装在第四销轴和第六销轴外，下盘通过轴承安装在第五销轴外，第一连杆分别与第三销轴和第四销轴相固定，第二连杆分别与第五销轴和第六销轴固定。