CN109080800B - 一种水下矢量推进装置及无人潜航器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下矢量推进装置及无人潜航器，包括壳体及安装于壳体内的推进机构和矢量偏转机构，推进机构包括推进驱动器和顺次传动连接的第一传动轴、万向节、第二传动轴和螺旋桨叶；矢量偏转机构包括依次传动连接的外偏转驱动器、套设于第一传动轴上的外传动套、外偏心轴套，外偏心轴套靠近外传动套的内孔中心轴线与远离传动套的内孔中心轴线之间呈锐角，第二传动轴穿设于远离外传动套的内孔中，第二传动轴能相对外偏心轴套转动、亦能随着外偏心轴套的转动而摆动；外传动套与壳体之间，外偏心轴套与壳体之间转动连接。该方案解决了推力小、密封性不足的问题，实现了大推力传动和水下良好密封性能。

Description

一种水下矢量推进装置及无人潜航器

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，尤其是一种水下矢量推进装置及无人潜航器。

背景技术

随着人类对于海洋权益的日益重视，探索海洋和发展海洋以及成为了未来科技发展的新方向，作为人类扩展海洋权益的重要工具——各种海洋运载平台及潜航器也逐渐引起了各方重视。拥有高机动性能的无人潜航器是将人类对于海洋探索向纵深发展的重要工具，因而受到越来越多的重视。

现有潜航器，采用舵面或是分布式螺旋桨来调整方向，难以有效运用在航速较低或是空间狭小的领域。采用单螺旋桨矢量推进的潜航器具有结构紧凑，运动阻力小和低速时航向调节性能好等一系列优点，是一种具有广阔运用前景的潜航器。目前，用于潜航器的单螺旋浆矢量推进机构有很多种，但是普遍存在承载推力较小的问题，且传动轴的密封效果不佳，因而在大型高速水下潜航器上的运用受到限制。

发明内容

本发明提供一种水下矢量推进装置及无人潜航器，用于克服现有技术中推力较小且传动轴密封性能不佳的问题，大幅提高传动轴推力并改善传动轴密封性能，提升海底无人潜航器的最大航速。

为实现上述目的，本发明提出一种水下矢量推进装置，包括壳体及安装于所述壳体内的推进机构和矢量偏转机构，其中，所述推进机构包括：

推进驱动器，提供转动力矩；

柔性螺旋轴，包括顺次传动连接的第一传动轴、第一万向节、第二传动轴和螺旋桨叶，第一传动轴与所述推进驱动器的输出轴传动连接；

所述矢量偏转机构包括：

外偏转驱动器，提供转动力矩；

外传动套，套设于所述第一传动轴上并与所述第一传动轴之间具有间隙，输入端与外所述外偏转驱动器的输出轴传动连接，输出端与外偏心轴套传动连接；

所述外偏心轴套，靠近所述外传动套的内孔中心轴线与远离所述外传动套的内孔中心轴线之间呈锐角，所述第二传动轴穿设于远离所述外传动套的内孔中，所述第二传动轴能相对所述外偏心轴套转动、亦能随着所述外偏心轴套的转动而摆动；

所述外传动套与所述壳体之间，或所述外偏心轴套的外周壁与所述壳体之间转动连接。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种无人潜航器，采用上述的水下矢量推进装置。

本发明提供的水下矢量推进装置及无人潜航器、水面潜艇，推进机构中，推进驱动器提供的转动力矩，通过第一传动轴、万向节及第二传动轴传递给螺旋桨叶，使得螺旋桨叶旋转搅动水流以此获得动力驱动推进装置在水下运动，矢量偏转装置中，外偏转驱动器提供的转动力矩，通过外传动套传递给外偏心轴套，外偏心轴套转动带动第二传动轴绕第一传动轴摆动，以此来获得矢量推进装置在水下的俯仰、偏转角度方向上的改变，通过控制外偏转驱动器的转动角度能够获得准确的俯仰、偏转角；本方案中动力通过传动轴、万向节及轴套直接传动，第二传动轴穿设于外偏心轴套远离所述外传动套的内孔中，因此两者之间轴孔配合，接触面为面接触，故能承受的转动力矩较大，因此可以提高驱动器的功率以提高第二传动轴的转速，进而获得更大的推力，此外，上述的结构万向节只能安装在外偏心轴套内，或安装在外传动套与外偏心轴套共同围设的空间内，一方面无需承载水下较大压力，另一方面可借助第一传动轴与外传动套的密封结构或第二传动轴与外偏心轴套的密封结构来提高密封性能，可有效提升海底无人潜航器的最大航速，这种矢量推进装置采用单螺旋桨布置形式，可以全向偏转，有效提升低速情况下潜航器的灵活性；并且实现螺旋轴矢量偏转的机构简洁，控制偏转的精度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1a为发明实施例提供的水下矢量推进装置的剖视图；

图1b图1中局部放大示意图；

图2为图1中内偏心轴套的立体图；

图3为图1中内偏心轴套的主视图；

图4为图3中沿A-A向剖视图；

图5为图1中外偏心轴套的立体图；

图6为图1中内偏心轴套的主视图；

图7为图6中沿B-B向剖视图；

图8为发明实施例提供的水下矢量推进装置的工作示意图；

图9a为本发明实施例中内斜轴与外斜轴的偏转方向一致的状态参考图；

图9b为图9a中局部部件可视状态示意图；

图10a为本发明实施例中内斜轴与外斜轴的偏转方向相反的状态参考图；

图10b为10a中局部部件可视状态示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种水下矢量推进装置及无人潜航器。

实施例一

请参照图1，本发明提供一种水下矢量推进装置，包括壳体(图未示)及安装于所述壳体内的推进机构和矢量偏转机构，其中，所述推进机构包括推进驱动器1、柔性螺旋轴(这里的柔性指的是可弯折)，其中：

推进驱动器1为柔性螺旋轴提供转动力矩；

柔性螺旋轴包括顺次传动连接的第一传动轴6、第一万向节6.1、第二传动轴6.2和螺旋桨叶5.1，第一传动轴6与所述推进驱动器1的输出轴通过联轴器2传动连接；这里的万向节包括十字轴万向节、球笼万向节或球叉万向节等；实现变角度动力传递，用于需要改变传动轴线方向的位置；

所述矢量偏转机构包括外偏转驱动器(图未示)、外传动套3.2和外偏心轴套3.3，参见图5～7，其中：

外偏转驱动器为传动套3.2的转动提供转动力矩；

外传动套3.2套设于所述第一传动轴6上并与所述第一传动轴6之间具有间隙，外传动套3.2输入端与外所述偏转驱动器的输出轴通过第一齿轮传动副3传动连接，输出端与外偏心轴套3.3传动连接；

所述外偏心轴套3.3靠近所述外传动套3.2的内孔(外偏心轴套第一内孔331)中心轴线331a与远离所述传动套3.2的内孔(外偏心轴套第二内孔332)中心轴线332a之间呈锐角(第一偏心角∮1)，所述第二传动轴6.2穿设于外偏心轴套3.3远离所述外传动套3.2的内孔中，所述第二传动轴6.2能相对所述外偏心轴套3.3转动、亦能随着所述外偏心轴套3.3的转动而摆动；摆动的角度可改变推进装置实际运行方向，通过控制指令转换为控制外偏转驱动器的转动角度；

所述外传动套3.2与所述壳体之间通过第一推力轴承3.1转动连接，当然还可以在所述外偏心轴套3.3的外周壁与所述壳体之间设置轴承实现转动连接。

推进机构中，推进驱动器1提供的转动力矩，通过第一传动轴6、第一万向节6.1及第二传动轴6.2传递给螺旋桨叶5.1，使得螺旋桨叶5.1旋转搅动水流以此获得动力驱动推进装置在水下运动，矢量偏转装置中，外偏转驱动器提供的转动力矩，通过外传动套3.2传递给外偏心轴套3.3，外偏心轴套3.3转动带动第二传动轴6.2绕第一传动轴6摆动，以此来获得矢量推进装置在水下的俯仰、偏转角度方向上的改变，通过控制外偏转驱动器的转动角度能够获得准确的俯仰、偏转角；本方案中动力通过传动轴、万向节及轴套直接传动，故能承受的转动力矩较大，此外，第一万向节6.1被封装在偏心轴套内，一方面无需承载水下较大压力，另一方面提高密封性能，可有效提升海底无人潜航器的最大航速，这种矢量推进装置采用单螺旋桨布置形式，可以全向偏转，有效提升低速情况下潜航器的灵活性；并且实现螺旋轴矢量偏转的机构简洁，控制偏转的精度较高。

实施例二

请参照图1～4，在实施例一的基础上，增加了内偏转驱动器(图未示)、内传动套4.2和内偏心轴套4；其中：

内偏转驱动器用于为内传动套4.2提供转动力矩；

内传动套4.2套设于外传动套3.2与第一传动轴6之间，并与所述外传动套3.2及第一传动轴6之间均具有间隙，三者之间皆可相对转动，且其他方向的自由度(除了轴向转动和轴向移动之外的自由度)又彼此约束，内传动套4.2输入端与所述内偏转驱动器输出轴之间通过第二齿轮传动副4.3传动连接，内传动套4.2与外传动套3.2之间通过第二推力轴承4.4连接，内传动套4.2输出端与内偏心轴套4之间通过第二万向节4.1传动连接；

所述内偏心轴套内孔401中心轴线401a与内偏心轴套外周壁402中心轴线402a之间呈锐角(第二偏心角∮2)，所述第二传动轴6.2穿设于所述内偏心轴套4的内孔中，所述内偏心轴套4靠近所述内传动套4.2的一端穿设于所述外偏心轴套3.3远离所述外传动套3.2的一端内；

所述第二传动轴6.2外周与所述内偏心轴套4的内孔相适配，所述第二传动轴6.2能相对所述内偏心轴套4转动、亦能随着所述内偏心轴套4的转动而摆动；摆动的角度亦可改变推进装置实际运行方向，通过控制指令转换为控制内偏转驱动器的转动角度；

所述内偏心轴套4的外周壁与所述外偏心轴套3.3远离所述外传动套3.2的内孔相适配，所述内偏心轴套4能相对所述外偏心轴套3.3转动、亦能随着所述外偏心轴套3.3的转动而摆动。

采用嵌套斜轴矢量推进机构实现全向偏转，原理如下所述：为了便于计算摆动角度，本实施例中第一偏心角∮1与第二偏心角∮2相等；

斜轴的内外配合的表面均为圆柱面，内表面中心线与外表面中心线之间有一定的夹角(图中偏转角)；将内外斜轴嵌套安装，这样内轴(内偏心轴套4)的外表面与外轴(外偏心轴套3.3)的内表面相互配合，可以相对转动；外斜轴(外偏心轴套3.3)的外表面与机体上的圆柱安装孔配合，内斜轴(内偏心轴套4)的内表面与螺旋桨驱动轴向配合。当内斜轴的偏转方向与外斜轴的偏转方向一致的时候(相对转角为0度，参见图9a、图9b)，螺旋桨传动轴(第二传动轴6.2)与外斜轴外表面中心线之间的夹角达到最大，当内斜轴与外斜轴的偏转方向相反的时候(相对转角为180度，参见图10a、图10b)，两者的偏转相互抵消，使得螺旋桨传动轴与外斜轴外圆柱面的中心线重合。当内外轴之间的角度差在0～180度之间连续变化时，螺旋桨轴与外表面中心线的夹角在零度到最大转角之间连续变化。

嵌套斜轴式矢量推进装置，利用相互嵌套的斜轴实现螺旋桨的偏转，由于机械结构中相互接触的面均为圆柱面，具有较大的有效密封面积和承力面积，可大幅提高矢量推进装置的推力和密封性，使得这种新型矢量推进装置不仅可以用在小型无人潜航器上还可以用在需要大推力的场合，诸如，潜水艇，鱼雷，水面舰艇等领域。

优选地，参见图2～4，连接所述内传动套4.2与所述内偏心轴套4的第二万向节4.1包括十字轴万向节，所述内偏心轴套4沿轴向顺次包括一体成型的两连接耳4a、圆柱段4b、圆盘4c、偏心轴延伸段4d，其中：

两连接耳4a一端均沿圆柱段4b的轴向悬伸，另一端均与所述圆柱段4b的端面边缘固定连接，且关于所述圆柱段4b的中心轴线呈对称分布，悬伸的一端具有中心线重合的穿设孔4e，所述穿设孔4e用于连接所述十字轴万向节；

所述圆柱段4b外周壁与所述外偏心轴套3.3远离所述外传动套的一端的内孔配合；圆柱面与圆柱面配合，面接触的承载能力较大，且密封性能良好；

圆盘4c与所述圆柱段4b同轴心，且位于所述圆柱段4b远离所述连接耳4a的一个端面上，用于所述外偏心轴套3.3在轴向上的定位；

偏心轴延伸段4d一端固定在所述圆盘4c上，另一端沿着所述内偏心轴套4的内孔的轴向延伸；

所述内偏心轴套4的内孔贯穿所述圆柱段4b、圆盘4c及偏心轴延伸段4d，且所述内偏心轴套4的内孔的中心轴线的延长线与位于两所述连接耳4a上的穿设孔4e的中心线的连线相交。以确保第二传动轴6.2在随内偏心轴套4摆动时不受第一传动轴6的约束。第二传动轴6的轴端部分主要与设在偏心轴延伸段4d内的内孔配合，圆柱段4b内的内孔部分用于容纳第一万向节6.1；

内偏心轴套4的这种结构简洁(省去了轴向定位部件)，且自身重量较轻，并且通过圆柱面与圆柱面的接触配合，以提高承载力和密封性能。

优选地，参见图5～7，所述外偏心轴套3.3包括：一体成型的第一轴套3.3a和第二轴套3.3b，其中：

第一轴套3.3a一端与所述外传动套3.2可拆卸连接，另一端与第二轴套3.3b固定连接；第一轴套3.3a的内孔中心轴线与外传动套3.2的中心轴线重合，内部用于容纳第二万向节4.1；

所述第二轴套3.3b内孔与所述内偏心轴套4的圆柱段4b的周侧面配合，远离所述第一轴套3.3a的端面与所述内偏心轴套4的圆盘4c背离所述偏心延伸段的端面抵触。圆盘4c用于外偏心轴套3.3的轴向定位。

外偏心轴套3.3的这种结构简洁，且自身重量较轻，并且通过圆柱面与圆柱面的接触配合，以提高承载力和密封性能。

采用上述结构的矢量推进机构能够实现全向偏转，且具有大推力，采用嵌套斜轴的结构形式，利用内斜轴外表面与外斜的内表面相互铰接，螺旋桨轴安装在内斜轴的内圆柱面上。斜轴的内外圆柱面的轴线成一定角度相交，且内外斜轴上内外圆柱面的偏转角度相同，在内外斜轴相对转动的过程中内斜轴的内表面与外斜轴的外表面之间的夹角在零到两倍偏转角之间变化。而且，内外斜轴的共同转动可使内斜轴内表面中性线围绕外斜轴外表面中心线旋转，实现螺旋桨轴的全向偏转。

这种全向偏转矢量推进机构利用内外斜轴的相对偏转实现螺旋桨的偏转，所有的接触均为面接触，接触面积大，密封的面积也较大，可显著提升密封效果。

螺旋桨的推力及偏转后各个方向上的分力，可通过周向安装的推力轴承承担，主要密封面上基本不承担推力，故这种矢量推进机构可以在基本不影响密封效果的前提下传递较大的推力。

优选地，再次参见图1，所述第二传动轴上还套设有用于轴向定位所述内偏心轴套4的导管套筒5.3，所述导管套筒5.3沿轴向朝向所述内偏心轴套4的方向延伸，所述内偏心轴套4的偏心轴延伸段一部分伸入所述导向套筒5.3内，且所述偏心轴延伸段的端面与所述导管套筒5.3的内台阶面抵触，所述螺旋桨叶5.1通过锁紧螺母5.2安装在所述第二传动轴6.2的端部。

导管套筒5.3一方面用于内偏心轴套4的轴向定位，另一方面提高第二传动轴与内偏心轴套4一起转动过程中的稳定性。

优选地，在此参见图1，所述导管套筒5.3上安装有导管导流罩5，所述导管导流罩5沿轴向自靠近所述内偏心轴套4的一端至远离所述内偏心轴套4的一端开口尺寸逐渐减小，所述螺旋桨叶5.1位于所述导管导流罩5内。导管套筒5.3用于提高水流的推力。

实施例三

参见图8，本发明实施例提供一种无人潜航器，采用上述任意实施例的水下矢量推进装置。

将这种矢量推进装置运用在水下无人潜航器上，可以有效提升潜航器的机动性能，为无人潜航器提供有效的全向驱动，快速实现潜航器姿态调整。这种新型矢量推进装置的全向偏转过程如图8所示：图8a、图8b、图8c、图8d分别显示螺旋桨偏转不同角度的示意图。

由于这种矢量推进装置可以承受较大的推力，密封和防护性能好，因而可以在需要较大推力的运用领域使用。将这种矢量推进装置用于潜水艇，可以有效提升其机动性能，大幅提高其生存能力和攻击能力。将这种矢量推进装置运用于鱼雷，有效提升其机动性，通过全向偏转推力螺旋桨，实现姿态的快速调整，对于鱼雷快速进入战斗状态减小响应时间具有重要的作用。将这种矢量推进装置用于水面舰艇，配合舵面的使用，可有效减小舰艇的转弯半径，减小被攻击的可能性，大幅提高其生存能力。

实施例四

本发明实施例提供一种水下潜艇，采用上述任意实施例的水下矢量推进装置。技术效果参见上述实施例一至三。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种水下矢量推进装置，其特征在于，包括壳体及安装于所述壳体内的推进机构和矢量偏转机构，其中，所述推进机构包括：

推进驱动器，提供转动力矩；

柔性螺旋轴，包括顺次传动连接的第一传动轴、第一万向节、第二传动轴和螺旋桨叶，第一传动轴与所述推进驱动器的输出轴传动连接；

所述矢量偏转机构包括：

外偏转驱动器，提供转动力矩；

外传动套，套设于所述第一传动轴上并与所述第一传动轴之间具有间隙，输入端与外所述外偏转驱动器的输出轴传动连接，输出端与外偏心轴套传动连接；

所述外偏心轴套，靠近所述外传动套的内孔中心轴线与远离所述外传动套的内孔中心轴线之间呈锐角，所述第二传动轴穿设于远离所述外传动套的内孔中，所述第二传动轴能相对所述外偏心轴套转动、亦能随着所述外偏心轴套的转动而摆动；

所述外传动套与所述壳体之间，或所述外偏心轴套的外周壁与所述壳体之间转动连接。

2.如权利要求1所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述矢量偏转机构还包括：

内偏转驱动器，提供转动力矩；

内传动套，套设于外传动套与第一传动轴之间，并与所述外传动套及第一传动轴之间均具有间隙，输入端与所述内偏转驱动器输出轴传动连接，输出端与内偏心轴套之间通过第二万向节连接；

所述内偏心轴套，内孔中心轴线与外周壁中心轴线之间呈锐角，所述第二传动轴穿设于所述内偏心轴套的内孔中，所述内偏心轴套靠近所述内传动套的一端穿设于所述外偏心轴套远离所述外传动套的一端内；

所述第二传动轴外侧面与所述内偏心轴套的内孔相适配，所述第二传动轴能相对所述内偏心轴套转动、亦能随着所述内偏心轴套的转动而摆动；

所述内偏心轴套的外周壁与所述外偏心轴套远离所述外传动套的内孔相适配，所述内偏心轴套能相对所述外偏心轴套转动、亦能随着所述外偏心轴套的转动而摆动。

3.如权利要求2所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述内传动套与外传动套之间通过轴承转动连接。

4.如权利要求2所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述外偏转驱动器与外传动套之间，和/或所述内偏转驱动器与内传动套之间均通过齿轮传动机构连接。

5.如权利要求2～4任一项所述的水下矢量推进装置，其特征在于，连接所述内传动套与所述内偏心轴套的第二万向节包括十字轴万向节，所述内偏心轴套沿轴向顺次包括：

两连接耳，一端均沿圆柱段的轴向悬伸，另一端均与所述圆柱段的端面边缘固定连接，且关于所述圆柱段的中心轴线呈对称分布，悬伸的一端具有中心线重合的穿设孔，所述穿设孔用于连接所述十字轴万向节；

所述圆柱段，外周壁与所述外偏心轴套远离所述外传动套的一端的内孔配合；

圆盘，与所述圆柱段同轴心，且位于所述圆柱段远离所述连接耳的一个端面上，用于所述外偏心轴套在轴向上的定位；

偏心轴延伸段，一端固定在所述圆盘上，另一端沿着所述内偏心轴套的内孔的轴向延伸；

所述内偏心轴套的内孔贯穿所述圆柱段、圆盘及偏心轴延伸段，且所述内偏心轴套的内孔的中心轴线的延长线与位于两所述连接耳上的穿设孔的中心线的连线相交。

6.如权利要求5所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述外偏心轴套包括：

第一轴套，一端与所述外传动套可拆卸连接，另一端与第二轴套固定连接；

所述第二轴套，内孔与所述内偏心轴套的圆柱段的周侧面配合，远离所述第一轴套的端面与所述内偏心轴套的圆盘背离所述偏心轴延伸段的端面抵触。

7.如权利要求6所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述第二传动轴上还套设有用于轴向定位所述内偏心轴套的导管套筒，所述导管套筒沿轴向朝向所述内偏心轴套的方向延伸，所述内偏心轴套的偏心轴延伸段一部分伸入所述导管套筒内，且所述偏心轴延伸段的端面与所述导管套筒的内台阶面抵触，所述螺旋桨叶安装在所述第二传动轴的端部。

8.如权利要求7所述的水下矢量推进装置，其特征在于，所述导管套筒上安装有导管导流罩，所述导管导流罩沿轴向自靠近所述内偏心轴套的一端至远离所述内偏心轴套的一端开口尺寸逐渐减小，所述螺旋桨叶位于所述导管导流罩内。

9.一种无人潜航器，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的水下矢量推进装置。