CN107013649B - 推进装置、包括这种推进装置的运输设备和平板搬运器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种推进力大小和方向可控的推进装置，包括：桨；主推电机，其作为桨的推进动力源；第一差速器，主推电机驱动第一差速器壳体转动；第二差速器；第一传动机构，其设置在第一差速器的第一半轴和第二差速器的第一半轴之间；第二传动机构，其设置在第一差速器的第二半轴和第二差速器的第二半轴之间；转向电机，其驱动第二差速器壳体转动；桨的轴固定连接至第二差速器的行星齿轮的轴；其中，第一传动机构的传动比与第二传动机构的传动比大小相同、正负相反。本发明还涉及包括这种推进装置的运输设备。此外，本发明还涉及一种平板搬运器，包括多个行进装置，行进装置将所述推进装置中的桨代替为车轮。

Description

推进装置、包括这种推进装置的运输设备和平板搬运器
技术领域
本发明涉及一种推进力大小和方向可控的推进装置和包括这种推进装置的运输设备。
此外，本发明还涉及一种平板搬运器。
背景技术
传统的推进装置利用螺旋桨旋转生成的气流或水流产生向前的推进力，推进力的方向通常是固定的，若要改变前进的方向，通常需要其他机构的辅助。例如，在船舶领域中，螺旋桨的偏航通常需要依靠船舵和推舵装置来实现，其结构复杂、重量大且操纵不灵活。而且，桨电机、舵电机及其传动机构布置于螺旋桨上方，造成船体重心上移，在有风浪时容易发生船体的倾覆。
在船舶领域中，目前研究的热点是吊舱式电力推进装置，其推进电机安装在密封的舱体内，前端装有固定螺距螺旋桨，舱体吊挂在可360度旋转的安装平台上，安装平台固定在船体上。吊舱式推进装置可以像舵一样控制推进力的方向，也可以使螺旋桨轴旋转360度，从而在各个方向上提供推力。但是其结构复杂、造价高、维修昂贵。而且，吊舱和桨轴密封困难，并且其能够传递的功率受到限制。
中国专利文献CN101607593在背景技术中公开了具有传动尾桨的直升机，其朝向和轴线是固定的。直升机的升力来自于上方的旋翼，旋翼提供升力的同时，直升机机身会因反扭矩的作用产生反方向旋转的趋势。对于单旋翼直升机，需靠尾桨在机身尾部产生抵消反向运动的力矩。直升机完成前进、升降、悬停、转弯等机动动作是由控制主旋翼来完成的，因此主旋翼机构异常复杂。而尾桨由于轴线固定，产生推进力的方向相对于载体本身是固定不变的，只起到辅助平衡的作用。如果直升机的尾桨轴线可以改变方向，直升机的机动性将大大提高。
另外，中国专利文献CN101607593公开了一种推进装置，尤其是一种直升机尾部矢量推进螺旋桨装置，其直升机的尾桨轴线可以改变方向，可使直升机尾桨产生自旋、滚转和偏航运动，从而得到大小和方向可控的推进力。这是通过自旋运动电机、滚转运动电机和偏航运动电机驱动各自的传动机构实现。自旋运动电机通过带联轴器的自旋运动传动轴驱动自旋运动一级锥齿轮、自旋运动二级锥齿轮、自旋运动三级锥齿轮进而驱动与自旋运动三级锥齿轮轴接的螺旋桨做自旋运动。滚转运动电机驱动轴接的滚转运动小齿轮、滚转运动大齿轮、转动支架，最终带动转动支架上的中间传动轴和架设在中间传动轴上的螺旋桨支架、轴和螺旋桨做滚转运动。偏航运动电机驱动偏航运动小齿轮、偏航运动大齿轮、偏航运动传动轴，进而带动偏航运动一级锥齿轮、二级锥齿轮，最终带动中间传动轴上的螺旋桨支架、轴和螺旋桨偏摆，实现偏航运动。但是其自旋、滚转和偏航运动的传动链发生了交叉，相互之间存在运动耦合现象。
此外，在现代仓储领域中，类似于飞机和船舶领域，需要各个车轮能够自由转向的平板搬运器，使得平板搬运器能够沿着任意路径行进。
发明内容
本发明的目的在于，利用简单的结构提供一种能够克服上述缺陷的推进力大小和方向可控的推进装置(又称矢量推进装置)。
根据本发明的推进装置包括：桨；主推电机，其作为桨的推进动力源；第一差速器，其包括第一差速器壳体、第一半轴和第二半轴，主推电机驱动第一差速器壳体转动；第二差速器，其包括第二差速器壳体、第一半轴和第二半轴；第一传动机构，其设置在第一差速器的第一半轴和第二差速器的第一半轴之间；第二传动机构，其设置在第一差速器的第二半轴和第二差速器的第二半轴之间；转向电机，其用于驱动第二差速器壳体转动；其中，桨轴固定连接至第二差速器的行星齿轮的轴；其中，第一传动机构的传动比与第二传动机构的传动比大小相同、正负相反。
与现有技术已知的推进装置相比，根据本发明的推进装置结构简单、成本低廉。而且，主推电机驱动桨围绕水平轴线旋转以产生推进力(自旋运动)的传递路径和转向电机驱动桨围绕竖直轴线旋转以实现偏航运动的传递路径互不影响、不存在运动耦合，并且根据本发明的装置可实现同时改变推进力的大小和方向。
根据本发明的一种优选实施方式，主推电机、第一差速器、第二差速器、第一传动机构、第二传动机构和转向电机可基本上与桨布置在同一水平高度上。由此，例如在应用于船舶时，可以降低船体的重心，即便在有大风浪时，船体也能保持稳定。
根据本发明的一种优选实施方式，第一传动机构可以由相互啮合的第一齿轮和第二齿轮构成，第二传动机构可以由第三齿轮、第四齿轮和位于第三齿轮和第四齿轮之间且与第三齿轮和第四齿轮啮合的惰轮构成，其中，第一齿轮与第二齿轮的齿数比等于第三齿轮与第四齿轮的齿数比。由此，通过简单的结构实现了传动比大小相同、正负相反的第一传动机构和第二传动机构。
当然，也可以采用其他类型的传动比大小相同、正负相反的两个传动机构作为第一传动机构和第二传动机构。
根据本发明的一种优选实施方式，在第一差速器壳体上可以一体形成有从动齿轮，主推电机可以通过齿轮传动机构、例如一个与第一差速器壳体上的从动齿轮啮合的主动齿轮驱动第一差速器壳体。
根据本发明的一种优选实施方式，在第二差速器壳体上可以一体形成有从动齿轮，转向电机可以通过另一齿轮传动机构、例如一个与第二差速器壳体上的从动齿轮啮合的主动齿轮驱动第二差速器壳体。
根据本发明的另一优选实施方式，在第二差速器壳体上可以一体形成有链轮，转向电机可以通过链条传动机构驱动第二差速器壳体。
根据本发明的一种优选实施方式，推进装置可以包括控制装置，一方面，控制装置可以对主推电机的电机轴的转速进行控制，从而控制桨的自旋速度，进而控制推进装置所产生的推进力的大小。另一方面，控制装置可以对转向电机的启动停止以及转向电机的电机轴的旋转方向进行控制，以控制桨的偏航运动的方向和角度，从而实现控制推进装置所产生的推进力的方向。
根据本发明的另一方面，提出了一种运输设备，包括根据本发明的推进装置。例如，运输设备可以为船舶，根据本发明的推进装置可以应用于船舶的螺旋桨。运输设备例如还可以为直升机，在此情况下，根据本发明的推进装置可以应用于直升机尾桨，可以使直升机尾桨做自旋和/或偏航运动，从而产生大小和方向均可变化的推进力。
根据本发明的另一方面，提出了一种平板搬运器，其包括动力源和多个行进装置。每一行进装置分别包括：第一差速器，其包括第一差速器壳体、第一半轴和第二半轴，动力源驱动第一差速器壳体转动；第二差速器，其包括第二差速器壳体、第一半轴和第二半轴；第一传动机构，其设置在第一差速器的第一半轴和第二差速器的第一半轴之间；第二传动机构，其设置在第一差速器的第二半轴和第二差速器的第二半轴之间；转向电机，其驱动第二差速器壳体转动；车轮，其固定连接至第二差速器的行星齿轮的轴；其中，第一传动机构的传动比与第二传动机构的传动比大小相同、正负相反。
根据本发明的一种优选实施方式，平板搬运器可以包括四个所述行进装置。根据本发明的另一优选实施方式，平板搬运器可以包括六个所述行进装置，其中两个行进装置作为惰轮。
根据本发明的一种优选实施方式，平板搬运器可以仅包括一个动力源，动力源的动力通过一个或多个差速器平均分配到各个行进装置上。
根据本发明的一种优选实施方式，平板搬运器还可以包括控制装置，通过控制行进装置的动力源和/或转向电机来控制各个车轮的转速和/或转向。
本发明的这种平板搬运器能够以一种非常简单的结构实现完全没有转弯半径的全方位平移运动，例如沿成直角的路径行进，其尤其适于现代的黑灯(无人操作)车间，搬运空间要求很小，操作非常灵活。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的优选实施方式。附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的推进装置的一种优选实施方式；
图2示出了在仅主推电机驱动时在图1所示的推进装置中的示意性动力传递路径；
图3示出了在仅转向电机驱动时在图1所示的推进装置中的示意性动力传递路径；
图4示意性地示出了根据本发明的平板搬运器的一种优选实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的推进力大小和方向可控的推进装置1(又称矢量推进装置)的一种优选实施方式。推进装置1包括作为推进动力源的主推电机8、在主推电机8的驱动下可围绕水平轴线x旋转、即自旋的桨7以及驱动桨7做偏航运动、即围绕竖直轴线y旋转的转向电机6。
推进装置1还包括位于主推电机8和桨7之间的第一差速器2和第二差速器3。第一差速器2和第二差速器3可以使用目前已知的各种差速器或者差速传动机构。
在图1所示的优选实施方式中，以第一差速器2为例，对所使用的差速器的结构做简单描述。第一差速器2包括第一半轴21、第二半轴22和第一差速器壳体23。第一差速器2还包括与第一半轴21一体形成的第一锥形齿轮201、与第二半轴22一体形成的第二锥形齿轮202、位于第一锥形齿轮201和第二锥形齿轮202之间并且同时与这两个锥形齿轮啮合的多个行星齿轮203以及支撑这些行星齿轮203的行星齿轮架204。第一差速器壳体23包围着上述构件并与行星齿轮架204一体形成。在第一差速器壳体23上一体形成有主推从动齿轮，主推电机8通过齿轮传动机构、例如主推主动齿轮9驱动主推从动齿轮旋转，从而驱动第一差速器壳体23旋转，此时在第一差速器2的第一半轴21和第二半轴22处输出大小相同、方向相同的旋转。差速器的其他具体结构和详细工作原理对于本领域技术人员来说是熟知的，在此不再另做赘述。可以选择与第一差速器2结构相同的差速器作为第二差速器3。
推进装置1还包括设置在第一差速器2的第一半轴21和第二差速器3的第一半轴31之间的第一传动机构4和设置在第一差速器2的第二半轴和22和第二差速器3的第二半轴23之间的第二传动机构5。在本实施方式中，第一传动机构4由相互啮合的第一齿轮41和第二齿轮42构成，第一齿轮41固定在第一差速器2的第一半轴21上，第二齿轮42固定在第二差速器3的第一半轴31上。第二传动机构5由第三齿轮51、第四齿轮53和位于第三齿轮51和第四齿轮53之间且与第三齿轮51和第四齿轮53啮合的惰轮52构成，第三齿轮51固定在第一差速器2的第二半轴22上，第四齿轮53固定在第二差速器3的第二半轴32上。第一齿轮41与第二齿轮42的齿数比等于第三齿轮51与第四齿轮53的齿数比，即两个传动机构的传动比大小相同，但是由于第二齿轮传动机构中惰轮的存在，两个传动机构的传动比正负相反。当然，第一传动机构4和第二传动机构5也可以采用其他类型的传动机构，只要第一传动机构的传动比i1和第二传动机构的传动比i2满足如下关系：i1＝-i2。
在第二差速器3的壳体33上同样一体形成有转向从动齿轮，转向电机6通过齿轮传动机构、例如转向主动齿轮10驱动转向从动齿轮旋转，从而驱动第二差速器壳体33旋转。桨7的水平轴与第二差速器3的锥形齿轮303的轴固定连接，锥形齿轮的轴支撑在行星齿轮架上，进而支撑在与行星齿轮架一体形成的第二差速器壳体33上。
图2示出了在仅主推电机8驱动时在图1所示的推进装置1中的示意性动力传递路径。为了清晰起见，在图2中省去了与图1中相同的各个部件的附图标记。此外，在图2中绘出了各个齿轮的旋转方向，表示齿轮的旋转方向从图纸外向图纸内，表示齿轮的旋转方向从图纸内向图纸外。
当主推电机8驱动时，主推电机8的旋转经由主推主动齿轮9和与之啮合的在第一差速器壳体23上一体形成的主推从动齿轮被传递至第一差速器壳体23，带动第一差速器壳体23旋转。根据第一差速器2的工作原理，此时
n0＝n1＝n2，
其中，n0表示第一差速器壳体23的转速，n1表示第一差速器2的第一半轴21的转速，n2表示第一差速器2的第二半轴22的转速。第一差速器2的第一半轴21和第二半轴22以大小相同、方向相同的转速旋转。继而，第一差速器2的第一半轴21的旋转经由第一齿轮传动机构4的相互啮合的第一齿轮41、第二齿轮42传递至第二差速器3的第一半轴31；同时，第一差速器2的第二半轴22的旋转经由第二齿轮传动机构5的第三齿轮51、惰轮52和第四齿轮53传递至第二差速器3的第二半轴32。如图所示，此时，在第二差速器3的第一半轴31处和第二半轴32处的旋转方向相反。另外，由于第一齿轮传动机构4的传动比与第二齿轮传动机构5的传动比大小相同，即第一齿轮41(齿数为z1)与第二齿轮42(齿数为z2)的齿数比等于第三齿轮51(齿数为z3)与第四齿轮53(齿数为z4)的齿数比，即所以在第二差速器3的第一半轴31处和第二半轴32处的旋转大小相同。第一半轴31和第二半轴32处的旋转经由与第一半轴31一体形成的第一锥形齿轮301和与第二半轴32一体形成的第二锥形齿轮302带动行星齿轮303旋转，进而带动桨7围绕水平轴线旋转，即做自旋运动。
另外，与此同时，根据第二差速器3的工作原理，
n0'＝(n1'+n2')/2＝0，
其中，n0’表示第二差速器壳体33的转速，n1’表示第二差速器3的第一半轴31的转速，n2’表示第二差速器3的第二半轴32的转速，此时，在第二差速器壳体33处的转速n0’为零。主推电机的输入不会影响到转向电机。
若推进装置用于船舶中，则桨7围绕水平轴线x的自旋运动产生推动整个推进装置沿水平轴线x前进的水流；若推进装置用于飞行器中，则桨7围绕水平轴线x的自旋运动产生推动整个推进装置沿水平轴线x前进的气流。通过控制主推电机8的电机轴的转速，可以控制桨7围绕水平轴线x的转速，进而可以控制推进装置所产生的推进力的大小。
图3示意性地示出了在仅转向电机6驱动时在图1所示的推进装置1中的动力传递路径。为了清晰起见，在图3中省去了与图1中相同的各个部件的附图标记。此外，在图3中绘出了各个齿轮的旋转方向，表示齿轮的旋转方向从图纸外向图纸内，表示齿轮的旋转方向从图纸内向图纸外。
当转向电机6驱动时，一方面，转向电机6的旋转经由转向主动齿轮10传递至与转向主动齿轮10啮合的一体形成于第二差速器壳体33上的转向从动齿轮，带动第二差速器壳体33围绕竖直轴线y旋转，进而带动支撑于第二差速器壳体33上的行星齿轮轴、亦即桨7的轴围绕竖直轴线y旋转，由此使桨7围绕竖直轴线y做偏航运动，改变桨7的偏航角度。通过控制转向电机6的电机轴的旋转方向以及转向电机6的启动和停止，可以控制桨7的偏航角度的大小和方向，从而实现控制推进装置所产生的推进力的方向。
另一方面，根据第二差速器3的工作原理，此时，
n0’＝n1’＝n2’，
可知，第二差速器3的第一半轴31和第二半轴32以大小相同、方向相同的转速旋转。继而，第二差速器3的第一半轴31的旋转经由第一齿轮传动机构4的第二齿轮42、第一齿轮41传递至第一差速器2的第一半轴21；同时，第二差速器3的第二半轴32的旋转经由第二齿轮传动机构5的第四齿轮53、惰轮52和第三齿轮51传递至第一差速器2的第二半轴22。如图所示，此时，在第一差速器2的第一半轴21处和第二半轴22处的旋转方向相反。另外，如上所述，由于第一齿轮传动机构4的传动比与第二齿轮传动机构5的传动比大小相同，所以在第一差速器2的第一半轴21处和第二半轴22处的旋转大小相同。根据第一差速器2的工作原理，
n0＝(n1+n2)/2＝0，
可知，在第一差速器壳体23处的转速n0为零。转向电机的输入不会影响主推电机。
由以上根据图2和图3的分析可知，主推电机8可驱动桨7围绕水平轴线x做自旋运动，转向电机6可驱动桨7围绕竖直轴线y做偏航运动，并且主推电机8和转向电机6的输入互不影响。当同时启动主动电机8和转向电机6时，桨7既围绕水平轴线x做自旋运动又围绕竖直轴线y做偏航运动，在产生推进力的同时改变推进力的方向。
具体地，当推进装置用于船舶或飞行器时，主推电机8驱动桨7围绕水平轴线x旋转，产生水流或气流推动整个装置前进。在此过程中，可在任一时刻启动转向电机6，使桨7同时围绕竖直轴线y转动，从而改变推进力的方向。
图4示出了根据本发明的平板搬运器的一种优选实施方式。平板搬运器包括多个行进装置，除了不使用桨而是使用车轮(以便在路面上行驶)之外，行进装置的结构与上述推进装置相同。
平板搬运器包括四个行进装置13，分别作为位于前车桥上的左前轮、右前轮和位于后车桥上的左后轮和右后轮。四个行进装置13由一个动力源12驱动，动力源12的动力经由一个差速器11均匀地分配至前车桥和后车桥。平板搬运器还可包括控制装置，控制各个车轮的转速和转向。
当然，平板搬运器也可包括六个行进装置，其中，位于左右两侧中间的车轮不受驱动，仅跟随转动。
同理，还可以根据需要设置2n个行进装置，经由多个差速器将动力均匀地分配至各个行进装置上。
所示出和描述的每个装置以及所示出和描述的装置的每个元件可以单独地应用和/或可以与至少一个其他元件组合地应用并且应理解为在此已经做出描述。此外，本发明不局限于这里描述的示例性实施方案。其他多种变型方案也是可能的。这种变型方案对于本领域技术人员来说是清楚的，并且应理解为在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.推进力大小和方向可控的推进装置(1)，包括：
桨(7)；
主推电机(8)，所述主推电机(8)作为所述桨(7)的推进动力源；
第一差速器(2)，所述第一差速器(2)包括第一差速器壳体(23)、第一半轴(21)和第二半轴(22)，所述主推电机(8)驱动所述第一差速器壳体(23)转动；
第二差速器(3)，所述第二差速器(3)包括第二差速器壳体(33)、第一半轴(31)和第二半轴(32)；
第一传动机构(4)，所述第一传动机构(4)设置在所述第一差速器(2)的第一半轴(21)和所述第二差速器(3)的第一半轴(31)之间；
第二传动机构(5)，所述第二传动机构(5)设置在所述第一差速器(2)的第二半轴(22)和所述第二差速器(3)的第二半轴(22)之间；
转向电机(6)，所述转向电机(6)驱动所述第二差速器壳体(33)转动；
其中，所述桨的轴固定连接至所述第二差速器(3)的行星齿轮的轴；
其中，所述第一传动机构(4)的传动比与所述第二传动机构(5)的传动比大小相同、正负相反。
2.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，所述主推电机(8)、所述第一差速器(2)、所述第二差速器(3)、所述第一传动机构(4)、所述第二传动机构(5)和所述转向电机(6)的重心与所述桨(7)的重心布置在同一水平高度上。
3.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，所述第一传动机构(4)由相互啮合的第一齿轮(41)和第二齿轮(42)构成，所述第二传动机构(5)由第三齿轮(51)、第四齿轮(53)以及位于所述第三齿轮(51)和所述第四齿轮(53)之间且与所述第三齿轮(51)和所述第四齿轮(53)啮合的惰轮(52)构成，所述第一齿轮(41)与所述第二齿轮(42)的齿数比等于所述第三齿轮(51)与所述第四齿轮(53)的齿数比。
4.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，在所述第一差速器壳体(23)上一体形成有从动齿轮，所述主推电机(8)通过一齿轮传动机构驱动所述第一差速器壳体(23)上的从动齿轮。
5.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，在所述第二差速器壳体(33)上一体形成有从动齿轮，所述转向电机(6)通过另一齿轮传动机构驱动所述第二差速器壳体(33)上的从动齿轮。
6.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，在所述第二差速器壳体(33)上一体形成有链轮，所述转向电机(6)通过一链条传动机构驱动所述第二差速器壳体(33)上的链轮。
7.根据权利要求1所述的推进装置(1)，其特征在于，所述推进装置(1)包括控制装置，所述控制装置对所述主推电机(8)的转速进行控制，以控制所述推进装置(1)产生的推进力的大小。
8.根据权利要求7所述的推进装置(1)，其特征在于，所述控制装置对所述转向电机(6)的启动停止以及所述转向电机(6)的电机轴的旋转方向进行控制，以控制所述桨(7)的偏航角度和偏航方向。
9.一种运输设备，包括根据权利要求1至8中任一项所述的推进装置(1)。
10.根据权利要求9所述的运输设备，其特征在于，所述运输设备为船舶，所述推进装置(1)用于船舶的螺旋桨。
11.根据权利要求9所述的运输设备，其特征在于，所述运输设备为直升机，所述推进装置(1)用于直升机的尾桨。
12.平板搬运器，包括：
动力源(12)；
多个行进装置(13)，每一所述行进装置(13)分别包括：
第一差速器，所述第一差速器包括第一差速器壳体、第一半轴和第二半轴，所述动力源驱动所述第一差速器壳体转动；
第二差速器，所述第二差速器包括第二差速器壳体、第一半轴和第二半轴；
第一传动机构，所述第一传动机构设置在所述第一差速器的第一半轴和所述第二差速器的第一半轴之间；
第二传动机构，所述第二传动机构设置在所述第一差速器的第二半轴和所述第二差速器的第二半轴之间；
转向电机，所述转向电机驱动所述第二差速器壳体转动；
车轮，所述车轮的轴固定连接至所述第二差速器的行星齿轮的轴；
其中，所述第一传动机构的传动比与所述第二传动机构的传动比大小相同、正负相反。
13.根据权利要求12所述的平板搬运器，其特征在于，所述平板搬运器包括四个所述行进装置(13)。
14.根据权利要求12所述的平板搬运器，其特征在于，所述平板搬运器包括六个所述行进装置(13)，其中两个行进装置的车轮作为惰轮。
15.根据权利要求12所述的平板搬运器，其特征在于，所述动力源的动力通过差速器(11)平均分配到各个行进装置上。
16.根据权利要求12所述的平板搬运器，其特征在于，所述平板搬运器还包括控制装置，通过控制所述动力源和/或所述转向电机来控制各个车轮的转速和/或转向。
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