CN107600371B - 一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构，通过齿轮齿条机构的展开机构，扩展太阳能水下滑翔机太阳能翼板的面积，有效缩短水下滑翔机在水面充电的时间，使滑翔机增加水下有效作业时间。水下滑翔机太阳能翼板展开机构由直流电机、齿轮组、传动轴、安装支架、齿条、多块太阳能翼板组成；直流电机采用齿轮组进行减速，通过传动轴将驱动力矩传输到位于水下滑翔机两侧的齿轮齿条机构上；齿轮齿条机构将旋转运动转化成直线运动，从而带动固连在齿条上的太阳能翼板向前后方向展开，使太阳能翼板面积得到扩展，为延长太阳能水下滑翔机的水下有效作业时间以及提高太阳能水下滑翔机的航程提供可靠的技术支撑。

Description

一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构

技术领域

本发明涉及水下滑翔机领域，具体地说，涉及一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构。

背景技术

水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider，AUG)是无人水下航行器的一种，由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大可达上千公里的特点。其与传统水下航行器相比，水下滑翔机具有作业时间长、航行距离大、作业费用低和对母船的依靠性小等优点。将水下滑翔机用于海洋环境监测与测量，将有助于提高海洋环境观测的时间和空间密度，提高人类监测海洋环境的能力。

为了进一步提高水下滑翔机的航程，达到上万公里甚至环球航行，需要滑翔机具有能源自持能力，因此，利用太阳能源的太阳能水下滑翔机应运而生。它自身携带太阳能电池板，将太阳能转化成电能，为太阳能水下滑翔机航行驱动、远程控制等系统提供能源。太阳能水下滑翔机解决了长时间水下作业引起的航行器补充能源频率过高的问题，但由于太阳能电池板的转换效率不高，实际应用的晶体硅太阳能电池板的效率不到20％，在太阳能电池板面积一定的情况下，导致太阳能水下滑翔机的水面充电时间较长，水下有效作业时间缩短。

日本研究人员研制了一款太阳能驱动的AUG原理样机“SORA”，该样机的机翼上装有成组的太阳能电池板，但是由于机翼面积有限，无法扩展太阳能电池板面积，导致充电时间较长。

在专利CN203780780U中公开了一种太阳能水下机器人，该机器人通过设置在机器人壳体表面的太阳能电池板为航行器提供能源，但是该机器人的壳体上端面面积较小，浮上水面进行充电的时间过长，导致水下有效作业时间缩短。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服太阳能水下滑翔机水面充电时间长的问题，本发明提出一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构，通过设计基于齿轮传动的展开机构来扩展太阳能水下滑翔机太阳能翼板的面积，有效地缩短水下滑翔机在水面充电的时间，有助于滑翔机增加水下有效作业时间和航程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括齿轮齿条传动机构、翼板展开机构、安装段、滑翔机主体，齿轮齿条传动机构与翼板展开机构位于滑翔机主体的中间部位，其特征在于所述齿轮齿条传动机构包括直流电机、第一齿轮、第二齿轮、第一传动轴、第三齿轮、第四齿轮、第二传动轴、第五齿轮、第六齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第四齿条和安装支架，直流电机固定在安装支架内，第一齿轮与直流电机输出轴固连位于安装支架外侧；第二传动轴通过轴承安装在安装支架上，第四齿轮固定在第二传动轴中间部位；第五齿轮、第六齿轮通过键与第二传动轴固连以传递扭矩，且第五齿轮、第六齿轮分别位于第二传动轴两端，第一齿条与第二齿条分别位于第五齿轮下方和上方，且与第五齿轮啮合传动，第三齿条与第四齿条分别位于第六齿轮的下方和上方，且与第六齿轮啮合传动；第一齿条、第二齿条与第三齿条、第四齿条同平面等间距平行安装；第一传动轴通过轴承安装在安装支架上，第一传动轴位于直流电机与第二传动轴之间，第二齿轮位于安装支架外侧与第一传动轴固连，且与第一齿轮啮合传动，实现第一级减速；第三齿轮与第一传动轴固连，且与第四齿轮啮合传动，实现第二级减速；安装支架通过螺栓固连在安装段的底座上；

所述翼板展开机构包括第一太阳能翼板、第二太阳能翼板、第三太阳能翼板、第四太阳能翼板、第五太阳能翼板、第六太阳能翼板，第二太阳能翼板和第五太阳能翼板分别固连在安装段的两侧，第一太阳能翼板和第一齿条通过螺栓固连，第一太阳能翼板的前缘与第一齿条的前端平齐安装，第三太阳能翼板和第二齿条通过螺栓固连，第三太阳能翼板的后缘与第二齿条的后端平齐安装，第四太阳能翼板和第三齿条通过螺栓固连，第六太阳能翼板和第四齿条通过螺栓固连；收起状态下，第一齿条前端和第二齿条后端之间在滑翔机首尾方向上的距离等于每个太阳能翼板根部的弦长，单侧的三个太阳能翼板叠放在一起，使滑翔机水下滑翔时不会受到额外的流体阻力。

所述太阳能翼板为多块。

所述第二转动轴与安装段之间通过密封圈实现水下动密封。

有益效果

本发明提出的一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构，采用齿轮传动的展开机构，扩展太阳能水下滑翔机太阳能翼板的面积，有效缩短水下滑翔机在水面充电的时间，有助于滑翔机增加水下有效作业时间。水下滑翔机太阳能翼板展开机构由直流电机、齿轮组、传动轴、安装支架、齿条、多块太阳能翼板组成，直流电机通过齿轮组进行减速，通过传动轴将驱动力矩传输到位于水下滑翔机两侧的齿轮齿条机构上，齿轮齿条机构将旋转运动转化成直线运动，从而带动固连在齿条上的太阳能翼板向前、后方向展开，使太阳能翼板面积扩展为原有面积的三倍，在蓄电池容量相同的情况下，有效地缩短了太阳能水下滑翔机在水面充电的时间，为延长太阳能水下滑翔机的水下有效作业时间以及提高太阳能水下滑翔机的航程提供可靠的技术支撑。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构作进一步详细说明。

图1为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的齿轮传动机构示意图。

图2为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的太阳能翼板收起状态示意图。

图3为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的太阳能翼板展开状态示意图。

图4为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的齿轮传动机构剖面图。

图5为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的齿轮齿条收起状态位置示意图。

图6为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的齿轮齿条展开状态位置示意图。

图7为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的展开过程运动示意图。

图8为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的安装段结构图。

图9为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的安装段剖视图。

图10为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的安装支架示意图。

图11为本发明滑翔机太阳能翼板展开机构的单侧太阳能翼板展开状态图。

图中:

1.直流电机 2.第一齿轮 3.第二齿轮 4.第三齿轮 5.第四齿轮 6.第一传动轴7.第二传动轴 8.第五齿轮 9.第六齿轮 10.安装支架 11.第一齿条 12.第二齿条13.第三齿条 14.第四齿条 15.第一太阳能翼板 16.第二太阳能翼板17.第三太阳能翼板 18.第四太阳能翼板 19.第五太阳能翼板 20.第六太阳能翼板21.滑翔机主体 22.尾翼 23.安装段24.键 25.密封圈 26.螺栓

具体实施方式

本实施例是一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构。

参阅图1～图11,本实施例基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构,由齿轮齿条传动机构、翼板展开机构、安装段23、滑翔机主体21组成，齿轮齿条传动机构与翼板展开机构位于滑翔机主体21的中间部位；尾翼22安装在滑翔机主体21的尾部。其中，齿轮齿条传动机构包括直流电机1、第一齿轮2、第二齿轮3、第一传动轴6、第三齿轮4、第四齿轮5、第二传动轴7、第五齿轮8、第六齿轮9、第一齿条11、第二齿条12、第三齿条13、第四齿条14和安装支架10，直流电机1固定在安装支架10内，第一齿轮2与直流电机1输出轴固连位于安装支架10外侧；第二传动轴7通过轴承安装在安装支架10上，第四齿轮4固定在第二传动轴7中间部位。第五齿轮8、第六齿轮9通过键24与第二传动轴7固连以传递扭矩，且第五齿轮8、第六齿轮9分别位于第二传动轴7两端；第一齿条11与第二齿条12分别位于第五齿轮8下方和上方，且与第五齿轮8啮合传动；第三齿条13与第四齿条14分别位于第六齿轮9的下方和上方，且与第六齿轮9啮合传动；第一齿条11、第二齿条12与第三齿条13、第四齿条14同平面等间距平行安装。第一传动轴6通过轴承安装在安装支架10上，第一传动轴6安装在直流电机1与第二传动轴7之间，第二齿轮3位于安装支架外侧与第一传动轴6固定连接，且与第一齿轮2啮合传动，实现第一级减速。第三齿轮4与第一传动轴6固定连接，且与第四齿轮5啮合传动，实现第二级减速。安装支架10通过螺栓26固连在安装段23的底座上；第二转动轴7与安装段23之间通过密封圈25实现水下动密封。

本实施例中，太阳能翼板为多块。翼板展开机构包括第一太阳能翼板15、第二太阳能翼板16、第三太阳能翼板17、第四太阳能翼板18、第五太阳能翼板19、第六太阳能翼板20，第二太阳能翼板16和第五太阳能翼板19分别固连在安装段23的两侧；第一太阳能翼板15和第一齿条11通过螺栓固连，第一太阳能翼板15的前缘与第一齿条11的前端平齐安装。第三太阳能翼板17和第二齿条12通过螺栓固连，第三太阳能翼板17的后缘与第二齿条12的后端平齐安装。第四太阳能翼板18和第三齿条13通过螺栓固连，第六太阳能翼板20和第四齿条14通过螺栓固连。在收起状态下，第一齿条11前端和第二齿条12后端之间，在滑翔机首尾方向上的距离等于每个太阳能翼板根部的弦长，水下滑翔机单侧连接的三个太阳能翼板叠放在一起，使滑翔机水下滑翔时不会受到额外的流体阻力。

展开机构的不同状态:

本实施例中，基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构可缩短太阳能水下滑翔机水面太阳能充电的时间，延长太阳能水下滑翔机的水下有效作业时间和提高太阳能水下滑翔机的航程，并使得滑翔运动过程中太阳能翼板处于收起状态，滑翔过程不会受到展开机构的影响。

扩展太阳能翼板收起状态:

当太阳能水下滑翔机在水下滑翔运动的过程中，扩展太阳能翼板处于收起状态；该状态下第五齿轮8和第一齿条11、第二齿条12与第六齿轮9和第三齿条13、第四齿条14之间的收起状态位置。第一太阳能翼板15和第一齿条11通过螺栓固连，第一太阳能翼板15的前缘与第一齿条11的前端对齐。第三太阳能翼板17和第二齿条12通过螺栓固连，第三太阳能翼板17的后缘与第二齿条12的后端对齐。收起状态下，第一齿条11前端和第二齿条12后端之间在滑翔机首尾方向上的距离等于每个太阳能翼板根部的弦长，此时，太阳能水下滑翔机单侧的三个太阳能翼板叠在一起，保证了太阳能水下滑翔机水下滑翔时不会受到额外的流体阻力。

扩展太阳能翼板展开过程:

当太阳能水下滑翔机在水下航行过程中，检测到自身携带的蓄电池的电量到其安全许可值时，滑翔机滑翔上浮到水面，进行水面太阳能充电，此时扩展太阳能翼板开始展开。

太阳能水下滑翔机控制系统检测到其已经浮出水面后，滑翔机控制中心发出指令，直流电机1电路接通，直流电机1开始转动，旋转方向为顺时针方向，通过第一齿轮2、第二齿轮3、第三齿轮4、第四齿轮5的两级齿轮减速之后，扭矩放大，并被传递到第五齿轮8和第六齿轮9上，通过第五齿轮8和第一齿条11、第二齿条12与第六齿轮9和第三齿条13、第四齿条14配合，将旋转运动转化成直线运动，此时，第一齿条11和第三齿条13带动第一太阳能翼板15、第四太阳能翼板18向太阳能水下滑翔机头部方向运动，第二齿条12和第四齿条14带动第三太阳能翼板17、第六太阳能翼板20向太阳能水下滑翔机尾部方向运动。

扩展太阳能翼板展开状态:

当太阳能水下滑翔机控制系统检测到展开机构已经完全展开后，直流电机1电路关闭，第一太阳能翼板15、第三太阳能翼板17、第四太阳能翼板18、第六太阳能翼板20保持展开状态；此时，第五齿轮8和第一齿条11、第二齿条12，第六齿轮9和第三齿条13、第四齿条14之间保持展开状态位置关系，太阳能水下滑翔机开始在水面进行太阳能充电。由于展开后的太阳能翼板面积是展开前的3倍，因此，可将原有面积的太阳能翼板的太阳能水下滑翔机充电时间缩短为原来的1/3，缩短了太阳能水下滑翔机在水面环境多变的海上漂浮充电的时间，提高太阳能水下滑翔机的安全性、可靠性，为太阳能水下滑翔机实现远距离海洋航行提供技术支撑。

Claims (2)

1.一种基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构，包括齿轮齿条传动机构、翼板展开机构、安装段、滑翔机主体，齿轮齿条传动机构与翼板展开机构位于滑翔机主体的中间部位，其特征在于:所述齿轮齿条传动机构包括直流电机、第一齿轮、第二齿轮、第一传动轴、第三齿轮、第四齿轮、第二传动轴、第五齿轮、第六齿轮、第一齿条、第二齿条、第三齿条、第四齿条和安装支架，直流电机固定在安装支架内，第一齿轮与直流电机输出轴固连位于安装支架外侧；第二传动轴通过轴承安装在安装支架上，第四齿轮固定在第二传动轴中间部位；第五齿轮、第六齿轮通过键与第二传动轴固连以传递扭矩，且第五齿轮、第六齿轮分别位于第二传动轴两端，第一齿条与第二齿条分别位于第五齿轮下方和上方，且与第五齿轮啮合传动，第三齿条与第四齿条分别位于第六齿轮的下方和上方，且与第六齿轮啮合传动；第一齿条、第二齿条与第三齿条、第四齿条同平面等间距平行安装；第一传动轴通过轴承安装在安装支架上，第一传动轴位于直流电机与第二传动轴之间，第二齿轮位于安装支架外侧与第一传动轴固连，且与第一齿轮啮合传动，实现第一级减速；第三齿轮与第一传动轴固连，且与第四齿轮啮合传动，实现第二级减速；安装支架通过螺栓固连在安装段的底座上；

所述翼板展开机构包括第一太阳能翼板、第二太阳能翼板、第三太阳能翼板、第四太阳能翼板、第五太阳能翼板、第六太阳能翼板，第二太阳能翼板和第五太阳能翼板分别固连在安装段的两侧，第一太阳能翼板和第一齿条通过螺栓固连，第一太阳能翼板的前缘与第一齿条的前端平齐安装，第三太阳能翼板和第二齿条通过螺栓固连，第三太阳能翼板的后缘与第二齿条的后端平齐安装，第四太阳能翼板和第三齿条通过螺栓固连，第六太阳能翼板和第四齿条通过螺栓固连；收起状态下，第一齿条前端和第二齿条后端之间在滑翔机首尾方向上的距离等于每个太阳能翼板根部的弦长，单侧的三个太阳能翼板叠放在一起，使滑翔机水下滑翔时不会受到额外的流体阻力。

2.根据权利要求1所述的基于齿轮传动的水下滑翔机太阳能翼板展开机构，其特征在于:所述第二传动轴与安装段之间通过密封圈实现水下动密封。