CN107810139B - 一种可调节装置及设置有稳定装置的船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节装置，其通过具有转子(215)和定子(216)的旋转电动机(213)围绕枢转轴线(230、230a、230b)枢转地设置，通过减速齿轮装置(214)将电动机的旋转减小来实现可调节装置(4a、4b、104a、104b)的调节运动，其中减速齿轮(214)是行星齿轮装置，电动机(213)的轴线与所述减速齿轮装置(214)的轴线及所述可调节装置(4a、4b、104a、104b)的枢转轴线(230、230a、230b)同轴，减速齿轮装置(214)和电动机(213、213a、213b)形成紧凑的结构。

Description

一种可调节装置及设置有稳定装置的船
技术领域
本发明涉及一种可调节装置，其通过具有转子和定子的旋转电动机围绕枢轴线枢转地设置，通过减速齿轮机构将电动机的旋转减小来实现可调节装置的调节运动，特别适合在船上使用。
背景技术
对于船上的乘客来说，有意义是避免由于风和波浪的影响导致船只摇摆(围绕船只的纵向轴线)所引起的不适。当船在正常行驶速度如5节(2.6米/秒)以上时，这种摇摆通常很容易抵消。然而，在较低的速度下，乘客和船员可能会遇到摇摆带来的不适。
因此，需要为船只和船舶提供在低速的情况下抵抗摇摆的装置。
在专利WO 2008095323、FR 2115569、FR 2807006、DE 102004038941、DE 349779、US 7555992、US 2014261134、US 2005000401和US 4967682中公开了用于稳定船的各种装置。此外，在两种模式之间使翼片绕枢轴旋转的机械装置和/或可调节装置会相对复杂，如EP2172394中所公开的。
发明内容
本发明的目的是克服一些与现有技术相关的问题。
该目的是通过根据权利要求1中规定的具体特征所提供的可调节装置来实现的。设置与枢轴线同轴的电动机得到更紧凑的结构，这是在与空间通常有限的船连接时的主要优点，即该设计可以满足在使用具有变速箱/传动装置(transmission/gearing)的电动机的船上设置的许多不同应用的需要。
根据另一优选的实施例，减速齿轮装置和电动机被集成到一个单一的单元中，这进一步有助于实现紧凑的结构。
根据另一优选实施例，减速齿轮机构是行星齿轮。
使用行星齿轮更简单地实现紧凑的结构。
本发明的另一个目的是提供一种解决方案，以克服与较低速度下稳定船只相关的问题，而不会在较高速度下对性能产生不利影响。
可以使用从属权利要求中指定的特定特征来实现该目的。因此，船可以将每个桨安装在船体的艉板上，在运行模式中横向和/或垂直于艉板外侧，而处于静止位置时被艉板遮蔽，并且每个桨被设置成通过围绕其旋转轴线旋转从而在运行模式和静止位置之间切换。
当桨处于运行模式时，这些旋转将产生有效地用于抵消在低速时摇摆的反作用力和扭矩。由于在运行模式下的桨位于由艉板覆盖的区域之外，所以用于抵消摇摆的杠杆臂是长的，特别是当桨横向位于艉板外侧时。当桨处于静止位置，即在快速行驶期间，被艉板所遮挡，所以它们不接触流水，从而不产生任何降低速度的阻力。
通过设置桨使得抵消旋转运动和在静止位置和运行模式之间切换的旋转运动都是围绕同一轴线进行，由于同一个驱动装置可以执行两个操作，所以该装置在机械结构上是简单的。因此，该装置是可靠和坚固的，使得修理和维护的需求将变小。简单的结构也使得设备具有成本效益，这对于小型船只和船舶尤为重要。
应该理解的是，被称为“被艉板遮蔽”的表述应当被理解为当船的高速行驶时桨与水流是不接触的，使得艉板或多或少地摆脱回流。这里通常是指8到50米之间的船而速度在10至15节之间的情况。因此，桨位于艉板轮廓的后面和内侧的位置，并在垂直于船的纵向轴线的垂直平面上。
还应当理解，旋转不限制于关于旋转方向。桨因此可以进行摆动旋转。
艉板可以是在船尾处的实际方艉，也可以是沿着船的纵向延伸部分的某处的中间横梁(transom)，并且具有后向自由面。当存在中间横梁时，稳定装置可以包括安装在两个横梁上的桨。
根据另一实施例，每个旋转轴线可以与平行于船的纵向轴线的线形成小于30°的角度。
优选地，该角度在0至10°的范围内。旋转轴越平行于纵向轴线则来自摆动桨的抵消扭矩越有效。在这方面，因此希望该角度接近于零。但是，出于其他原因的考虑可能会使旋转轴稍微倾斜。
根据另一实施例，两个桨可以相对于通过船的纵向轴线的垂直中心平面对称设置，并且两个桨具有相同的尺寸和形状。
通过这种对称的设置，比其它方式更容易实现对桨的抵消旋转运动的控制。通过这种设置，一个桨的运动通常等同于另一个的运动模式。
根据另一实施例，每个桨的旋转轴线靠近艉板的侧面。
在旋转轴线不平行于船的纵向轴线的情况下，应当理解，“靠近艉板的侧面”是指旋转轴线与艉板相交的点。该实施例有助于在旋转轴线和桨片之间没有长连接杆的情况下横向于艉板放置桨。使得抵消力和扭矩将更大，并且结构坚固。
根据另一优选实施例，每个桨设置有用于旋转桨的轴装置，该轴装置与相应的旋转轴线对准，并且传动连接到驱动装置。
与其他替代方案相比，例如通过作用在桨上的线性气缸结合传动装置枢转这些部件，使用与旋转轴对准的轴来使桨旋转是一个非常简单的解决方案。通过轴旋转桨也简化为获得足够精确的驱动。轴装置可以是两个单独的同轴的轴，一个用于抵消运动，另一个用于在静止位置和运行模式之间移动桨。或者，可以采用同一轴来进行两种运动。
根据另一实施例，船可以进一步包括感测装置，其感测至少一个关于船绕船的纵向轴线旋转的趋势的参数。
通过感测装置，可以获得对桨的操作有用的信息，以便优化它们的抵消效率。
根据另一个实施例，参数可以是船在纵轴上的角度位置、角位置的第一时间导数或角位置的第二时间导数、或者是从来自多个感测参数所处理的数据中获得的参数。
这些参数对于确定桨的最佳运动模式尤其重要。在许多情况下，需要这些参数中的两个或全部来获取有关如何进行抵消旋转的最佳信息。所获得的感测参数的值在这种情况下被用作根据适当的算法进行处理的输入信息，给予每个感测参数及其相互作用均衡的权重，以便提供一个输出作为用于控制桨旋转的决定参数。根据另一实施例，该参数可以控制每个桨的旋转。
这提供了对参数作出响应的桨的自动操作，这确保了操作将尽可能精确，而没有来自手动介入的任何干扰。控制桨的旋转可以包括旋转的角度延伸、旋转速度和加速度以及施加的驱动扭矩。根据另一实施例，船可以包括测量船速的速度测量装置以及控制装置，其设置成当船速高于某个阈值时将每个桨放置到静止位置，并且当船速处于或低于阈值时设置为运行模式。如上所述，稳定装置的目的可以是仅在低速下提供抵消旋转，而在较高速度下，桨将静止，并且不会对船的速度产生不利影响。通过本实施例，当需要时可以自动地使桨处于运行模式，否则不处于运行模式。
因此，对比起必须手动或半手动才能进行变换，本发明的优点更加明显。
阈值可以优选在10至15节(5.1-7.6米/秒)的范围内。在大多数情况下，将阈值设置在此级别是最佳的。在大多数应用中，目的是保持稳定装置、桨运行起来使得艉板开始不受水的回流影响。
阈值可以是可调节的。因此，可以使装置适应对阈值最佳水平产生影响的各种外部条件，或者根据主观标准，例如对舒适度的需求和经济驾驶的需求之间的权衡。
根据另一个实施例，船的稳定装置还可以包括至少一个稳定翼片，该翼片围绕枢转轴线可角度地调整，并且还包括用于进行调节运动的旋转电动机和降低旋转电动机转速来调节翼片运动的减速齿轮，且电动机的轴线与枢转轴线同轴。优选地，存在至少两个翼片，邻近船的每一侧有一个。翼片可以有助于进一步抵消摇摆来稳定船只。
将电动机与枢转轴线同轴设置可以形成更紧凑结构，这是在与空间通常有限的船连接时的主要优点，该设计可以满足在使用具有变速箱/传动装置的电动机的船上设置的许多不同应用的需要。
根据另一优选的实施例，减速齿轮机构和电动机被集成到一个单一的单元中，这进一步有助于实现紧凑的结构。
根据另一实施例，稳定装置还可以包括安装在船尾方艉底部边缘处的至少一个拦截器。优选地，至少有两个拦截器。
根据本发明应当理解，稳定翼片可替代地用于没有桨的稳定装置的船，因此在这种情况下，船只仅通过翼片或翼片和拦截器的组合来稳定。
还应当理解，用于稳定的翼片和拦截器的组合不一定要求如上述实施例中所规定的电动机和减速装置的设置方案。
根据本发明的一个方面，该目的是通过一种稳定装置来实现的，该稳定装置被安装在船体上，使其形成根据本发明所描述的船，特别是在任一优选实施例中的船。
优选地，本发明的稳定装置包括设置成安装在船体上的至少两个桨，每个桨可围绕相应的旋转轴线旋转，该稳定装置可被设置成运行模式，在该运行模式下，每个浆设置成可围绕其旋转轴线旋转；或者被设置到静止位置，在该静止位置，每个桨被设置成保持静止。由此每个桨被设置成安装在船体的艉板上，在运行模式中横向和/或垂直于艉板外侧并且在静止位置中被艉板所遮蔽，并且由此每个桨被设置成通过绕其旋转轴线旋转从而在运行模式和静止位置之间切换。
根据本发明的稳定装置的进一步优选实施例，它包括来自关于本发明的船的任何优选实施例中的特定特征。
船和稳定装置的优选实施例可以分别由上述优选实施例中的特征的任何可能组合形成，以及在以下关于本发明中的船和稳定装置的示例描述中所描述的这些特征和它们的任何可能的组合。
附图说明
图1是根据本发明的第一示例的船的正视图，
图2是根据本发明的第二示例的船的正视图，
图3是当桨处于静止位置时朝向图2中的船的艉板的端视图，
图4与图3类似，但示出了当桨处于运行模式时的视图，
图5是根据本发明的第三示例的电动机/齿轮单元的截面图，
图6是沿图5中的VI线切开放大比例后的剖视图，
图7是朝向本发明的第三示例中的船的艉板的端视图。
具体实施方式
图1的正视图示出了根据本发明的第一示例的船。仅显示船的船体2，吃水线由W表示。在船体2的尾部的艉板3处，安装两个桨4a、4b以围绕相应的旋转轴线6a、6b旋转运动。每个桨4a、4b通过水平臂5a、5b连接到与相应旋转轴线6a、6b对齐的对应轴，定位在相对艉板的侧边缘3a、3b距离L的位置。当这些臂处于如图所示的运行模式中时，臂5a、5b具有足够的长度L以使桨4a、4b横向定位于艉板3的外侧，其中优选地L>B*0.2，更进一步优选L≥B*0.5。其中B是船的艉板的船宽(beam)。
每个桨4a、4b具有基本平面的形状，呈现相当大的面积A，例如约为B*0.02至B*0.25，其中B表示与具有与船行进方向平行，即垂直于桨的旋转方向，的平面的船的船宽。当船以低速行驶时，桨通常将仅保持在运行模式。因此，每个桨被驱动以按箭头A所示的角度移动。桨运动被调整使得船体围绕其纵向轴线的摇摆被抵消。这是由于作用在船上的力和扭矩是当桨以反作用方式移动时所产生的。
当船超过一定速度例如10节(优选在5-15节范围内)，对于需要通过桨来稳定变得不那么重要。在更高的速度下，由桨对抗流动的水所产生的阻力大大增加。因此，桨4a、4b可以旋转到艉板3后面的静止位置。在图中，示出了右桨4b如何沿着箭头成角度地移动到虚线所示的静止位置4b’。在该位置，桨通过艉板3有效地与水流隔离开。桨4a以相应的方式停止使用。在这个例子中，船体2在尾部处的艉板3前方一段距离处具有中间横梁7。同样在中间横梁7处，可以以与上述相似的方式安装两个桨。因此，它们可以被安置在中间横梁7后面的静止位置，使得它们被遮挡起来。在图中，以虚线示出了它们中的一个桨4c处于运行模式的状态。
图2示出了根据本发明的船的第二示例。船体的船体102没有中间横梁，而仅仅是尾部艉板103，两个桨104a、104b以与参照图1所示相似的方式安装在船尾艉板103上。每个桨104a、104b与其臂105a、105b成形为大约90°的矩形板，所形成较大的部分是桨，较小的部分是臂。在该图中，桨104a、104b处于运行模式。通过将桨做成L形的优点是使桨部分104a、104b在运行模式时被定位在相对枢转点6a、6b较低水平位置。应当理解，臂部件105a、105b也可以通过相对于运动横向设置的表面对抵消摇摆起到辅助作用。图3在图中示出了当桨104a、104b处于被艉板103所遮蔽的静止位置时船的后视图。
图4与图3具有相同的视角，示出了当稳定装置处于运行模式进行抵消摇摆时的船。该图示出了船相对于水平面倾斜一角度，并且如箭头R所示逆时针旋转，从而增加倾斜度。
此时的每个桨104a、104b被驱动进行逆时针旋转。因此，每个桨分别在水上施加力FA、FB，在相反方向产生相应的反作用力，分别产生反作用转矩TA、TB。反作用转矩倾向于沿顺时针方向旋转船，即与旋转方向R相反，从而抵消后者，反之亦然。
图7示出了根据本发明的船的另一示例，其可以仍然如上所述进行设置，示出了船的后端。船201设置有稳定系统，其是拦截器210a、210b和稳定翼片211a、211b的组合。每个拦截器安装在船尾方艉203的底部边缘处。每个翼片211a、21lb安装在船体的底部，位于船的纵向中部和船尾之间的纵向位置处。在这种情况下，每个包含电动机和减速齿轮的单元212a、212b应当位于船身中部和方艉203之间的船体内，但是为了说明清楚在图中以可见方式表示出来。
图中示出了船相对于水平面成一定角度β倾斜和摇摆，进行如箭头R所示的顺时针旋转运动。拦截器210b产生由箭头F3表示的反作用力，该反作用力抵消摇摆R。
每个稳定翼片211a、211b具有流体动力学形状。通过各个电动机单元212a、212b，可以独立地调节翼片的迎角(attack angle)。在低速时，每个电机单元212a、212b驱动相应的翼片211a、211b，以根据船的摇摆程度进行摆动旋转运动。翼片21la、21lb的来回摆动影响了这些上升力。该图示出了产生的反作用力F1和F2，其反向作用在逆时针方向上，从而抵消了摇摆R。这种稳定翼片的使用本身是已知的。
然而，稳定翼片与拦截器的新组合提升了稳定效果。因此，翼片可以制造得更小，从而通过水时的阻力将更低。通过翼片和拦截器的这种组合，还可以使得将翼片进一步安置在船的后端，这提升了船的行驶性能。
根据优选实施例，翼片211a、211b设置成可以在+360°上自由旋转，即没有机械或电气的停止，使得在相同方向上有许多旋转的可能。由于这种设置，翼片211a、21lb(独立地)可以用于产生划桨效果，例如，以帮助船在抛锚时保持在期望的位置。
本发明的翼片和拦截器的组合可以用在还包括根据本发明的桨的稳定装置中。或者它可能在没有桨的情况下使用。此外，翼片也可以在没有桨或拦截器的情况下使用。
图5中的一部分示出了根据本发明用于驱动桨104a、104b，翼片211或船上的任何其它可移动装置的电机单元212。该单元212具有带有转子215和定子216的电动机213。它还具有减速齿轮装置214，以将马达转速降低来满足围绕枢轴230的装置运动(例如翼片211的运动)。
正如图6中更为详细地示出的，电动机213和减速齿轮装置214一体形成单一的单元。减速齿轮是行星式的。电动机的转子215具有直接构成行星齿轮的输入的延伸部217，从而替代了转子和齿轮装置之间的轴。轮毂218是行星齿轮传动装置的输出，并且翼片211(见图5)通过螺栓219附接到轮毂218上。轮毂218通过密封部件、支撑复合和螺栓226被轴颈地(journalled)安装在固定于船体上的壳体225中的滚子轴承223、224中。该单元的内部通过密封部件222在水中密封。通过解码器220和进程控制块221来处理表示枢转的传感器信号以操控电动机从而控制翼片运动。
由于电动机与减速齿轮装置的集成，可以得到更小和更轻的结构。在优选实施例中，高度H与宽度W大致相同，或甚至小于宽度W。由于翼片211直接连接到轮毂，因此不需要被轴颈安装的轴。因此，通过围绕齿轮装置的轮毂轴承223、224实现轴颈安装(journaling)。由于轴承的大直径D(例如0.5W≤D≤0.95W)，可以将电动机和齿轮装置装配在由轴承限定的圆柱形空间之间。大直径的好处是可以使用更简单的轴颈安置方式，从而可以使用滚珠轴承。集成电动机和减速齿轮装置可以有利地用于调节船上的翼片，其中翼片是单独的稳定装置。
权利要求书的范围不受上述实施例的限制。例如，显而易见的是，许多不同的装置可以连接到如上所述的电动机和齿轮装置，即许多其它装置需要在船上或任何其他空间有限的船舶/装置上可移动的，同时对于这些船舶/装置来说紧凑性显得非常重要。因此，可以预见，电动机和传动装置的保护可以单独使用，即与船舶或装置没有任何特定的关系。此外，还可以预见，翼片和拦截器装置的组合也可以受到其自身的保护，例如，通过一个或多个分区。

Claims (12)

1.一种可调节的船稳定装置，包括固定在设置于船的船体(2)上的壳体(225)、旋转电动机(213)、减速齿轮装置(214)以及翼片(211)和/或桨，其通过具有转子(215)和定子(216)的旋转电动机(213)围绕枢转轴线(230、230a、230b)枢转设置，利用减速齿轮装置(214)减低电动机的旋转以调整翼片(211)和/或桨的运动，其中所述减速齿轮装置(214)是行星齿轮装置，其特征在于，旋转电动机(213)的轴线与所述减速齿轮装置(214)的轴线以及所述翼片(211)和/或桨(4a、4b、104a、104b)的枢转轴线(230、230a、230b)同轴，所述减速齿轮装置(214)和所述旋转电动机(213)一体于轮毂(218)内形成紧凑的结构，其中，旋转电动机的转子(215)具有直接构成行星齿轮装置的输入的延伸部(217)，轮毂(218)是行星齿轮装置的输出，并且翼片(211)通过螺栓(219)附接到轮毂(218)上，且其中轮毂(218)、旋转电动机(213、213a、213b)和减速齿轮装置(214)安装在由两个轴承(223)限定的圆柱形空间中，用于轮毂(218)的枢转运动，其中轴承(223，224)固定在壳体(225)内。
2.根据权利要求1所述的船稳定装置，其中所述轴承(223)具有在0.7H≤D≤2H的范围内的直径(D)，其中H是包括旋转电动机(213)和减速齿轮装置(214)的单元的高度。
3.根据前述权利要求2中所述的船稳定装置，其中至少一个所述轴承(223)是滚子轴承。
4.根据前述权利要求1中所述的船稳定装置，其中，包括有所述旋转电动机(213)和所述减速齿轮装置(214)的单元的高度(H)等于或小于所述单元的宽度(W)。
5.根据权利要求1中所述的船稳定装置，其中，包括旋转电动机(213)和减速齿轮装置(214)的单元的内部通过密封部件(222)防水密封。
6.根据权利要求1所述的船稳定装置，其中所述翼片(211)能够自由旋转超过+360°。
7.一种船，包括两个如权利要求1所述的可调节的船稳定装置，其中，每个所述可调节的船稳定装置设置于船的船体(2、102)的艉板上，每个所述翼片(211)和/或桨可围绕相应的旋转轴线(6a、6b)旋转，处于运行模式时每个所述翼片(211)和/或桨被设置为能够围绕其旋转轴线(6a、6b)旋转，或者处于静止位置时每个所述翼片(211)和/或桨被设置为静止，其中在运行模式中所述翼片(211)和/或桨横向和/或垂直地移动到艉板(3、7、103)的外侧，并且在静止位置时被艉板(3、7、103)所遮蔽，并且由此每个所述翼片(211)和/或桨被设置成通过围绕其旋转轴线(6a、6b)旋转实现在运行模式和静止位置之间的切换。
8.根据权利要求7所述的船，其中每个旋转轴线(6a、6b)与平行于所述船的纵向轴线的线形成小于30°的角度，所述角度在0至10°的范围内。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的船，其中所述翼片(211)和/或桨为桨(4a、4b、104a、104b)的形式，所述桨(4a、4b、104a、104b)具有用于提供桨(4a、4b、104a、104b)的旋转的轴装置和互连臂(5a、5b、105a、105b)，轴装置与相应的旋转轴线(6a、6b)对齐并且传动连接到驱动装置。
10.根据权利要求7所述的船，其中所述船还包括感测装置(131、132、133)，所述感测装置(131、132、133)感测至少一个指示所述船在其纵向轴线上摇摆的参数，并且其中所述参数是船绕所述纵向轴线的角度位置、所述角度位置的第一次时间导数或所述角度位置的第二时间导数，或者其中所述参数是通过来自多个所述感测参数的处理数据获得的，其中所述参数控制每个桨(4a、4b、104a、104b)的旋转。
11.根据权利要求7所述的船，其中所述船包括测量船速的速度测量装置，以及控制装置，所述控制装置设置成当速度高于某个阈值时将每个桨(4a、4b、104a、104b)定位到所述静止位置，当速度处于或低于所述阈值时将桨设置在所述运行模式中。
12.根据权利要求11所述的船，其中所述阈值在10至15节(5.1-7.6米/秒)的范围内。
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