CN105173044A - 一种两自由度仿生尾鳍 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两自由度仿生尾鳍，包括桨框槽、桨框、叶片和传动齿轮四部分。叶片上的叶片轴插入桨框上的叶片轴孔内，叶片以百叶窗式结构与桨框连接，叶片可以在桨框内做绕轴转动。桨框在桨框槽内做往复运动。桨框槽的深度略低于桨框上边框的宽度。桨框的上边框“隐藏”桨框槽内，避免桨框受到正面水流的冲击，从而直接减小了推进过程中桨框结构所受的水阻力。本发明具体实现时可以采用单桨、双桨、多桨桨组等方式实现，具有高效率推进，船体控制，减小水动力噪声，减轻空泡效应，船体隐蔽等优点。

Description

一种两自由度仿生尾鳍

技术领域

本发明涉及一种船体推进装置，尤其涉及一种两自由度仿生尾鳍，属于船桨结构技术领域。

背景技术

现阶段，各类大小船只所采用的推进方式中，无论哪种推进方式，都具有一定的缺点。以螺旋桨推进方式为例：螺旋桨具有不可忽视的轴向面积，当螺旋桨的转速极大的时候，其推进效率反而会下降。螺旋桨是采用轴系连接的。螺旋桨在进行快速推进过程中，所产生的水动力噪声也是很大的。螺旋桨还具有空泡效应，即螺旋桨转速达到一定值时，桨叶的吸水面上出现汽泡溢出的现象。螺旋桨转速越大，空泡效应越严重。螺旋桨的空泡效应不仅会使水流发生畸变，使桨叶空转，降低桨叶的推进效能，还可能导致强冲击波的出现，并引起桨叶表层的腐蚀。而对于潜艇而言，更为严重的是大量空泡的产生，使航行中的潜艇拖着一条尾迹，并产生非常大的空泡噪声，很容易暴露潜艇的位置。传统木划桨做往复运动，在到达极限位置向反方向回复的时候，水会有和推进力同样大的阻力，克服回复力做的功也非常多，所以木划桨只能用于小型的个人用船艇上。

本发明吸收了仿生推进方式，船桨的运动模仿鱼类尾部推进时的往复运动方式，机械结构简单易实现。这种运动方式减小了水流与桨在船运动方向上的相对面积，从而减小阻力。并且本发明装置对桨的形状结构进行了突破性改进，采用了与船体相依附的桨框结构，桨框中有叶片，叶片采用百叶窗式结构。该结构能够有效减少船桨回复阻力。本翼桨能够实现船桨高效率的水下推进，有效的减轻空泡效应，降低水动力噪声。采用多组船桨方案，可以使船桨具有舵的导航作用和减摇鳍的减摇作用。在网上检索与本发明较为相近的是《一种变结构船用翼桨》的专利。我们突出性的对这篇专利的船桨结构和运动方式做了改进。首先突破性的使用了桨槽结构，将叶片变的上半部分隐藏在桨槽内。这样能减小船桨正面的冲击面积，从而减小船运动是水的阻力。将桨框合二为一后，桨框的结构更为简单，也更为坚固，同时桨框的回复阻力也有了大幅度减小。本发明的相较前人的发明更具突破创新性。

发明内容

本发明的目的是为了改进桨的结构而提供一种两自由度仿生尾鳍。

本发明的目的是这样实现的：包括设置在船体上的扇形桨框槽、安装在扇形桨框槽中的桨框、叶片和传动齿轮，所述桨框内部是中空式结构，所述桨框的相对的两个边上分别对称设置有一列叶片轴孔，一对叶片轴孔对应一个叶片和一个叶片轴，所述叶片安装在叶片轴上，叶片轴的两端安装在一对叶片轴孔中且叶片轴的两端设置有链轮，所述桨框内设置有与两根链条，两根链条分别于叶片轴两端的两轮配合，所述桨框的端部与转轴固连，转轴上安装有传动齿轮，且所述传动齿轮位于船体内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置采用可开合叶片结构，使桨在往复运动过程中既能够实现正常的推进，又能大大减小桨在回复过程中的反向阻力。往复式的推进方式，在提高工作效率的同时，减小水动力噪声。本发明装置采用模仿鱼类鳍部推进的仿生原理，使桨的推进方式只需要做简单地往复运动，方便操作，易于实现，结构简单合理，设计可行性非常高。本发明装置最重要的设计是采用可变结构船桨来减小浆的回复力。在船桨结构上吸收了仿生推进方式，采用模仿鱼鳍的往复运动方式，机械结构简单，方便操作，易于实现，设计可行性非常高。桨框2内的叶片3连接采用了百叶窗的结构，船桨做推进运动时，船桨控制叶片3关闭，此时桨面不透水；船桨做回复运动时，船桨控制叶片3打开，此时桨面透水，从而减小了船桨复位时的回复力。这样在不影响船桨总体的推进作用下，能够实现船桨推进效率的提高。船体采用扇形桨框槽1的结构，通过减小船桨在回复过程中的反向阻力，减少了船桨做回复运动时克服水阻力所做的无用功，从而提高了船桨的整体推进效率。具体实施时，可以在船体安装多组船桨，通过控制船桨来控制船体的运动状态，起到舵和减摇鳍的作用。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是船桨总体结构图；对应桨工作的三个工作上方临界位置(以单桨工作为例)。

图3是船桨总体结构图；对应桨工作的三个工作中间临界位置(以单桨工作为例)

图4是船桨总体结构图；对应桨工作的三个工作下方临界位置(以单桨工作为例)

图5是本发明的桨面结构示意图；

图6是本发明的桨面及叶片的结构示意图；

图7是本发明的桨框的结构示意图；

图8是本发明的叶片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，本发明由桨框槽1、桨框2、叶片3、传动齿轮4四部分组成。

桨框槽1的形状为扇形。其形状是根据桨框2做往复运动的扇形轨迹而设计的。桨框槽1的深度略低于桨框2上边框的宽度。这样的设计，一方面可以将桨框2上边框隐藏在桨框槽1内，减少了桨框2上边框在水中的阻力；另一方面可以减轻桨框2轴根部所受到的水冲击力，对桨轴的机械结构起到一定的保护作用。

桨框2与船体相依附，其工作模式直观上类似于鱼鳍。桨框2依靠一条轴带动，做往复运动。桨框2内部为中空式结构，内部为叶片3轴上齿轮与框内链条啮合的空间。在桨框2上有叶片轴孔6。桨框2位于桨框槽1中。

叶片3上的叶片轴插入桨框2上的叶片轴孔6，以百叶窗式结构与桨框2连接，叶片3可以在桨框2内做绕轴转动。船桨通过链条链齿5结构主动控制实现叶片3的开与合与绕轴转动。在船桨的往复运动过程中，在船桨的推进状态中，船桨控制叶片3关闭，使桨面不透水，并通过两条链齿5结构驱动圆弧挡板，增加桨前端的兜水能力，产生强劲的推动力，实现船桨的推进作用；在船桨的回复状态中船桨控制叶片3打开，此时桨面透水，从而极大的减小了桨在回复过程中的反向阻力，叶片3形状为长方形，截面为流线型，当船桨在回复状态更有利于减小阻力。桨框2为内空结构，叶片3的轴两侧插入桨框2内，叶片3轴上的链齿5与桨框2内部的链条链齿结构相连。船桨通过控制桨框2内部的链条链齿结构，主动地控制叶片3在桨框2内做绕轴转动，并可以控制叶片3的翻转的周期，幅度等。由于船桨是主动的控制叶片3翻转运动，所以桨的工作更稳定。应用时，人们可以通过精确地建模和计算得出叶片3的翻转程度，从而使桨适应不同环境下的推进。本发明装置与传统船用推进装置相比提高了工作效率，同时降低水动力噪声，有助于船舶的隐蔽。

叶片3根据实际应用中桨的大小，来调整其数量，一般不需要过多片。叶片3较多时有利于缩短回复时间，减小叶片3的旋转力矩；但是叶片3过多则会增加桨面整体回复阻力，且不利于桨框2的力学特性。桨面各部分的整体压强基本相同，面积较小的叶片3上分得的压力较小，几乎不可能对叶片3造成机械结构上的损坏。

传动齿轮4位于船体内部。传动齿轮4连接船内的动力装置，来提供桨摆动的动力。

链齿5提供叶片3翻转的主要驱动力，船桨通过链条带动链齿5来控制叶片3的翻转，所以链齿5结构是实现百叶窗式船桨的重要基础。

如图5、图6所示：叶片2通过叶片轴和叶片轴孔6连接在桨框2上。通过链齿5的带动，可以使叶片3处于“打开”和“闭合”两种状态。链齿结构由船内步进电机进行精确控制，以保证对叶片状态准确调整。如图2和图4所示，叶片处在“闭合”状态，这时候桨面处于全封闭结构。这种状态下，桨在摆动时桨面不透水，此时桨起到划水的作用。如图3所示，桨面处于“打开”状态。这种工作状态下，此时水流能够流过桨面。当桨回复时，桨的这种“打开”状态能够大大减小回复力。

在船体上具体实施时，本发明可以采用单桨、双桨、多桨等多种工作方式。如图2、图3、图4所示的三种情况，是在船只尾部安装单只桨作为主推进装置时的三个临界位置。桨从两端的临界位置向中间划的时候，叶片“闭合”，此时桨起到划水的作用。当桨由一端运动过中间位置时，链齿结构控制叶片“打开”，让水流通过桨面，如图3所示。桨从中间位置回复到两端位置后，桨面上的叶片由“打开”状态再回到“闭合”状态，准备进行下一次划水。这样，桨完成了一个从划水到回复的运动周期。

显然，如上所述的单桨工作方式在桨划水的过程中，船体除了受到向后的力，还受到向侧面的力。正如鱼在水中游的时候，与身体也有左右摆动一样。我们的解决方案有很多种，比如采取控制舵的方向的方式。但是如果采用运动方向相反的两只这样的桨作为一组桨组的方式，就可以完美解决该问题。两只桨横向的推力相互抵消，并且可以船体获得向后的两倍的推动力。通过控制桨组中两只桨的差速度，还可以实现船体行进方向的控制。采用多组这样的桨组不仅获得的推动力非常大，还能保证船体平稳。就算船只的一组桨受到破坏性攻击或者停用，另外一组桨的工作状态也丝毫不会收到影响。

在具体应用时，我们还可以把桨横置于船体两侧，利用桨的前后摆动来获得船体的推动力。这种工作方式类似于传统的手动木桨。但是这种桨可以有效减小船桨的回复力，完全不必像手划桨那样把桨抬出水面来避免回复力。所以这种桨更适用于机械实现和控制。

本发明最重大的突破，是对于桨框槽1的设计。水流从船体边流过。桨框2的上边框“隐藏”桨框槽1内，避免桨框2受到正面水流的冲击，从而直接减小了推进过程中桨框结构所受的水阻力。否则，桨框在水中克服往复阻力所耗费的能量累计起来相当巨大。桨面沿着扇形轨迹做往复运动，这种运动状态模仿了鱼类的鱼鳍的摆动方式。这种往复式结构，只需要进行简单的往复运动，就可以实现很快速的推进。这种推进方式在提高了效率的同时，还能够减小水动力噪声，减轻空泡效应。

本发明涉及一种船体推进装置，能够实现高效的推进效率。本发明装置对桨的形状结构进行了突破性设计，并发明了可隐藏桨框的桨框槽结构。本发明装置利用仿生学原理，采用模仿鱼类尾部推进的往复运动方式，机械结构简单易实现。船桨设计共包括桨框槽、桨框、叶片和传动齿轮四部分。叶片上的叶片轴插入桨框上的叶片轴孔内，叶片以百叶窗式结构与桨框连接，叶片可以在桨框内做绕轴转动。桨框在桨框槽内做往复运动。桨框槽的深度略低于桨框上边框的宽度。桨框的上边框“隐藏”桨框槽内，避免桨框受到正面水流的冲击，从而直接减小了推进过程中桨框结构所受的水阻力。本发明具体实现时可以采用单桨、双桨、多桨桨组等方式实现，具有高效率推进，船体控制，减小水动力噪声，减轻空泡效应，船体隐蔽等优点。

本发明由叶片3，传动齿轮4，桨框2和船体上的桨框槽1四部分组成。叶片3上的叶片轴插入桨框上的叶片轴孔6内，叶片3以百叶窗式结构与桨框2连接，叶片3可以在桨框2内绕轴转动。船桨通过链条链齿结构主动控制叶片，实现叶片的“打开”和“闭合”。叶片通过链齿结构驱动，当船桨做往复运动时，船体主动控制叶片的“打开”和“关闭”。桨框的运动方式为往复摆动式，机械结构简单易实现；船体下方有桨框槽，桨框的上边框“隐藏”在桨框槽中，而起推进作用的叶片能够露在外面。这样的设计，一方面可以将桨框2上边框隐藏在桨框槽1内，减少了桨框2上边框在水中的阻力；另一方面可以减轻桨框2轴根部所受到的水冲击力，对桨轴的机械结构起到一定的保护作用，可以在船体两侧多个安装本发明，使船桨起到舵的导航作用和减摇鳍的减摇作用。

Claims (1)

1.一种两自由度仿生尾鳍，其特征在于：包括设置在船体上的扇形桨框槽、安装在扇形桨框槽中的桨框、叶片和传动齿轮，所述桨框内部是中空式结构，所述桨框的相对的两个边上分别对称设置有一列叶片轴孔，一对叶片轴孔对应一个叶片和一个叶片轴，所述叶片安装在叶片轴上，叶片轴的两端安装在一对叶片轴孔中且叶片轴的两端设置有链轮，所述桨框内设置有与两根链条，两根链条分别于叶片轴两端的两轮配合，所述桨框的端部与转轴固连，转轴上安装有传动齿轮，且所述传动齿轮位于船体内部。