CN1108608A - 动力操舵系统 - Google Patents

Abstract

用于海上运载工具的动力操舵系统，该运载工具 具有一舵轮(12)和一推进器(14)，推进器包括一转向 臂(38)用以绕转向轴(42)作转向运动。该系统设在 舵轮和推进器之间并安装在远离推进器的地方，该系 统根据舵轮的操舵运动而靠液压致动。根据对舵轮 的操舵动作而致动的齿轮传动装置连接到动力操舵 辅助装置(10)上，它包括一液压缸体—活塞组件和液 压流体源。该系统还包括调节装置、可致动输出装置 和可致动操纵装置(30)。

Description

本发明涉及一种动力操舵系统，更具体地说，本发明涉及特别用于海上运载工具的动力操舵系统，该系统采用了根据舵轮的转向而使其运动的齿轮装置。

在传统的操舵系统，例如用在船上的外置发动机中，安装在船尾板上的具有尾机驱动装置的推进器在操舵者操舵时可绕垂直转向轴转动。一种具有尾机驱动装置的典型操舵系统设有一根在舵轮与推进器之间延伸的操纵钢索，这样，为使推进器绕转向轴转动，需操纵舵轮来使钢索动作。传统的钢索是推拉式钢索，它具有一根可在柔性外套或外皮内往复滑动的内芯。钢索的一端连接在舵轮上，另一端连接在推进器的转向机构上。当转动舵轮的操纵盘时，靠钢索的推拉运动使钢索动作，从而形成推进装置的转向运动。可以采用液压驱动的操舵系统来代替钢索操舵，其中根据操纵盘沿一个方向或另外一个方向的转动将液压流体（例如油）从舵轮经导管泵到缸体-活塞控制装置。控制装置的动作操纵着推进器的转向机构，因而使推进器以相同的方向转动。

给出这种类型的操纵系统的现有技术包括下列美国专利：4，952，732、4，615，290、4，632，049、4，568，292、4，295，833和5，074，198，以及法国专利1，133，061。英国专利申请2，159，483A公开了一种船用外置式动力操舵系统，它具有一个液压缸体-活塞组件和由一个致动器操纵的控制阀，该致动器包括一根可选择地使活塞杆伸出和退回的推拉钢索并由该钢索完成推进器的转向操作。然而，正如上述现有技术专利和英国专利申请所揭示的那样，动力操舵辅助系统被安装在推进器上并由推进器支承。由于多种原因，将动力操舵系统安装在推进器上是十分不利的。首先，由于转向装置在垂直摆动运动期间会与船尾板发生抵触，所以必须变换推进器的安装位置。因为安装垫显然要随不同的设计而变换，所以为了将动力操舵系统安装到推进器上，就需要为每个发动机设计专门的托架。安装发动机的典型实例公开于上述英国专利申请中，动力辅助装置120如图7所示的那样安装在推进器10上，而推进器10又安装在船尾板22上。由于推进器10相对于水平轴线42摆动，动力辅助装置120可能会与船尾板接触，这样就限制了它的适用性。第二个缺陷是：包括有高压供油和回油管路的动力操舵系统，由于暴露在外，所以会受到阳光照射、海水侵蚀以及物理破坏。第三，现有技术的这类设计都不允许操纵钢索部分吸收操舵振动，这样就必须避免在动力操舵辅助系统上产生会在推进器转向部件上造成高应力的振动。最后，现有技术的该系统，特别是上述英国专利申请所揭示的系统都被设计成需向系统不断供给液压流体，而不是仅在发生转向运动时才供给流体。这种不间断的提供流体的系统会浪费推进器发动机的功率。

美国专利497，706公开了一种串联式操舵辅助系统，该系统安装在远离设置在推进器附近的方向舵处。一个可伸缩的支架由流体致动活塞推动。从活塞上引出的、绕过支架滑轮并延伸到方向舵盘上的钢索根据活塞的运动来推动舵盘。在方向舵上只有很小或根本没有转矩被操舵辅助装置消耗从而减小作用在舵轮上的操舵作用力。

现有技术还公开了一种用齿轮组件操纵船转向的船用操舵机构，典型的齿轮组件根据从操纵盘上输入的转向动力来操纵发动机上的转向部件。这类现有技术文献包括美国专利1，425，887、1，852，151、2，700，358、2，891，498、2，939，417、3，181，491、3，669，146、4，416，637、4，890，683和5，018，469。然而这些文献中没有一件是将动力操舵辅助机构与齿轮组件组合起来使用的。

本发明的目的在于提供一种用于海上运载工具（如用于发动机装于舷外）的船用动力操舵系统。

根据本发明，该动力操舵系统包括一个设置在推进器和舵轮之间并安装在远离推进器的地方的动力操舵辅助装置和一个与舵轮及动力操舵辅助装置相连以便按照舵轮的动作将输入的动力传送给动力操舵辅助装置的齿轮传动装置。可致动的输出装置连接在动力操舵辅助装置上，它根据操作的输入动力而运动。可致动操纵装置连接到输出装置和推进器上，用于将操作的输出动力提供给推进器，以完成推进器绕转向轴的转向运动。舵轮一般都包括一个驾驶员可操作的操纵盘。齿轮传动装置的一端连接在舵轮上，而另一端连接在动力操舵辅助装置上，它根据操纵盘的转动而动作。齿轮传动装置与动力操舵辅助装置之间的可操作的连接装置具有一个用于调节通过动力操舵辅助装置的液压流体流量的适用的调节装置。在优选实施例中，可致动输出装置包括一个与动力操舵辅助装置相连，用于根据动力操舵辅助装置的动作而运动的齿轮输出装置。可致动操纵装置的一端连接在齿轮输出装置上，它易对齿轮输出装置的操作运动起反应，用于根据所述可致动操纵装置的操作运动来克服推进器上相对于转向轴的转矩。可致动操纵装置的相反端连接在推进器的转向部件上，用于在舵轮转向以使推进器绕转向轴转动时，根据可致动操纵装置的操作运动来带动转向部件一起运动。

可以看出，动力操舵辅助装置设置在舵轮与推进器或发动机之间并远离推进器的地方，这里使用的及权利要求中使用的术语“设置在......之间”不局部于实际的布置，而是可操作的布置，例如在平面视图中，舵轮可操作地设置在其它两个部件之间，但事实上，动力操舵辅助装置是可操作地插放的部件。另外，不管表面上的实际布置如何，动力操舵辅助装置都安装在远离推进器的地方。

概括地说，齿轮传动装置包括一个根据转向轴的转动而运转的输入从动齿轮。优选实施例中的齿轮输出装置包括一个与输入从动齿轮相连的第一输出齿轮、可与第一输出齿轮相啮合的输出从动齿轮和一个与输出从动齿轮相连的第二输出齿轮。如果需要，可致动输出装置可包括一个液压操纵装置。在优选实施中，输入从动齿轮还包括一个与输入齿条-小齿轮相连的输入传动齿轮，该齿条-小齿轮又与致动装置啮合。可旋转地安装在转向轴上的输入传动齿轮带动输入齿条平动，而输入齿条又带动动力操舵辅助装置运动。对于齿轮输入装置来说，第一输出齿轮包括可响应动力操舵辅助装置的动作而运动的第一齿条-小齿轮，最好还包括一个连接到第一输出齿条-小齿轮以带动第二输出齿条平动的第二输出齿条平动的第二输出齿条-小齿轮。可致动的转向装置连接在第二输出齿条上，第二齿条的横向运动又根据舵轮的转向带动转向部件一起运动。

适当的可致动操纵装置可以是机械式的、电子或液压式的，或者是任何两种的组合。在本发明的优选实施例中，可致动操纵装置是机械的推拉钢索结构，它包括一个柔性外套或外皮及一个可在外套内沿轴向滑动的内芯。外套保护着内芯，并且也有助于引导钢索和防止钢索盘绕。如果采用机械式钢索，钢索的一端连接到动力操舵辅助装置上，另一端接到推进器上。操纵舵轮时就会使钢索动作，具体地说是使内芯动作，使在动力操舵辅助装置上产生输出的动力并从而带动转向部件一起运动。另外，也可以采用多根操纵钢索，以提供输出动力，例如在船上使用大型发动机或者两台或多台发动机时就需采用多根操纵钢索。如果需要，可采用液压系统作为可致动操纵装置。一般地说，液压系统包括一个油缸和活塞结构，它与动力操舵辅助装置连在一起，以完成输出动力；以及一用于将加压流体泵到油缸的一端以根据操舵运动来推动活塞的装置。操舵时的转向运动带动转向部件一起运动，从而使推进器绕垂直转向轴摆动。

动力操舵辅助装置包括一个液压缸体-活塞组件，它具有一个通常偏置于关闭位置的阀控制装置和一个用于向液压缸体-活塞组件提供加压液压流体的液压流体源装置。流体源装置包括一个用于将液压流体输送到缸体-活塞组件的蓄液器装置和一个用于接收来自缸体-活塞组件的液压流体并将流体送到蓄液器的贮存器。连接到齿轮传动装置和阀控制装置的调节装置将根据操舵运动使阀控制装置动作，以使流体流通并驱使液压流体从流体源装置通过油缸-活塞装置，与此同时提供输出的动力以使可致动操纵装置动作，从而带动转向部件一起运动。为了向右方转动或向左方转动，调节装置选择性地操纵阀控制装置，而且这种可操作的运动是预先设定的，因此使两个转动方向大致相等。在优选实施例中，阀控制装置包括两个分隔的阀壳，同时该阀或多个阀偏置在关闭位置。调节装置只根据舵的方向开启一个阀，从而引导加压液压流体的流动。被输送到缸体-活塞组件的加压液压流体驱动活塞往复运动，连接到活塞上的连接装置操纵输出钢索，以带动转向部件一同运动。

缸体-活塞组件和流体源装置由适当的安装外壳支撑，由于该系统远离发动机，所以该系统可安装在能避免使部件暴露和物理损坏的地方。此外，按照优选实施例，调节装置包括适当的连接在齿轮传动装置和齿轮输出装置的连接装置，该连接装置根据操纵装置的动作不受约束地往复运动。从缸体-活塞组件内的活塞延伸的适用的柱塞连接到连接装置和输出齿轮装置上，柱塞向可致动操纵装置提供输出动力。另外，根据转向动作而往复运动的调节装置包括调节该调节装置的行程的装置，以便控制阀的开度并按照需要提高转向的速率。

以下，结合附图对本发明作详细描述，附图中：

图1是表示用于海上运载工具的本发明的操舵装置的示意图；

图1A是表示采用本发明的另一种结构的船用操舵系统的示意图；

图2是采用本发明结构的船的平面示意图；

图3是本发明的动力操舵辅助装置的透视图，该图被局部剖开以更清楚地说明某些细节；

图4是图3所示结构的侧视图；

图5是图3所示结构的平面图；

图6是图5所示结构的正视图，图中操纵盘和转向轴被除去；

图7是本发明的结构中采用的齿轮装置的示意图；

图8是图6所示结构的侧剖面图；

图9是表示阀控制装置细节的沿图8的9-9线取的剖视图；

图10是表示调节装置细节的沿图8的10-10线取的剖视图；

图11是更详细地表示与齿轮机构相连的调节装置的示意图；

图12是用在推进器上的另一种操纵装置的示意图。

参见附图，其中相同的标号代表全部视图中的同类部件。在图1、1A和2中示出了安装在船上的本发明的动力操舵系统。本发明的动力操舵系统包括一个用标号10表示的动力操舵辅助装置，它可操作地安装在转向舵轮12和推进器14之间并且远离推进器的地方。应理解，动力操舵辅助装置不必实际定位在舵轮和推进器之间，而只是串接在舵轮与推进器之间。最好将动力操舵辅助装置10安装在舵轮上或靠近舵轮的地方。如图所示，转向舵轮12被设置在船身16的船头或靠近船头处，并且它一般包括一个适当安装在操纵板20上的操纵盘18。转向轴22的一端固定在操纵盘18上，并可随着操纵盘的转动而转动。具有整体成形的端盖23的轴22从操纵盘延伸并穿过固定件24，它可操纵地与标号为26的输入齿轮装置相连接，下文中将详细进行描述。轴的这一端与输入齿轮装置相连是为了根据操纵盘的转动而动作。因此，操纵盘18沿一个方向或另一个方向转动就带动可操纵地与动力操舵辅助装置10相连接的输入齿轮传动装置26动作。装置10包括一个下文中将详细描述的液压传动装置并且根据齿轮传动装置的动作提供动力操舵的辅助力。显然，这个齿轮传动装置从转向舵轮接受输入的动力，并将该输入的动力传递给动力操舵辅助装置。

下文将详细描述的、标号为28的第二齿轮装置或输出齿轮装置可与动力操舵辅助装置10相啮合，使其可随动力操舵辅助装置的动作而转动。标号为30的可致动操纵装置最好包括一根具有外套或外皮32及内芯33的推拉钢索，其中内芯33可相对外套滑动。该可致动操纵装置30的一端连接在齿轮输出装置上，用于跟随齿轮输出装置的运动而动作。可以看出，虽然可致动操纵装置30处于与输入齿轮装置26分离并远离该装置26的位置，但是由于舵轮的转向运动造成的输入齿轮装置的运动会带动动力操舵辅助装置10动作，装置10又会使齿轮输出装置28运动，从而驱动操纵装置30动作。因此，可致动的操纵钢索接收来自动力操舵辅助装置的输出动力并将输出动力传送给推进器，或者更具体地说是传送给推进器的操纵装置。可致动操纵装置30的相反一端可致动地连接在推进器14的转向部件34上，该转向部件一般包括一根倾斜管36、转向连杆37和转向臂38。该转向部件34安装在船身16船尾板上，它可绕垂直转向轴42转动（可以想象出该转向轴与水的表面基本垂直）。这样，操纵钢索30的动作能操纵推进器的转向运动。

安装在舵轮和推进器之间并远离推进器的动力操舵辅助装置10包括一个具有标号为46（见图3、6、8和9）的阀控制装置的液压缸体-活塞组件44和一个与所述液压组件44相间隔并连通以用于向液压组件提供加压流体的流体源装置48。操舵辅助装置10最好安装在操纵板20附近或操纵板20的下面。参见图1和图3，所设置的用于容纳液压流体的、由电机5操纵的箱部件或槽50与所述液压缸体-活塞组件44和流体源装置48相连通。从动力操舵辅助装置10延伸出来的并可操作地连接到齿输出装置28上的联动装置与舵轮12一起动作以实现推进器的转向动作。这样，当液压缸件-活塞组件44随舵轮的转向运动而被驱动时，加压的液压流体（例如加压油）从流体源装置48流过液压组件44（下文将详细描述）。推进器14上的转矩被动力操舵辅助装置10所克服，从而将舵轮上的作用力减小到只有操纵缸体-活塞组件44所需的作用力，该作用力与推进器产生的转矩无关。

从图3～7中可清楚地看出，图中所示的齿轮输入装置26通过转向轴22可操纵地连接到舵轮12上，同时也连接在动力操舵辅助装置10上。在优选实施例中，齿轮输入装置26包括一个致动器齿轮或主动齿轮54，它通常为圆柱形并有一个用于同轴地将其安装在输出轴56一端上的孔55。致动器齿轮54的相反端设置了间隔开的径向齿段58和60，和处于中间位置的光面段62，光面段62上具有用于容纳从输出轴56上向外突起的止动装置66的槽64，其原因下文中将进行解释。端盖23上设有适合于与齿段58啮合的普通的键部件（图中未显示），这样使转向轴22的转动可带动致动器齿轮54一起转动。致动器齿轮54的相反端具有与输入传动齿轮68相啮合的径向齿段60，该输入传动齿轮68沿轴向设在与输出轴56相隔一段距离并基本与输出轴56平行的输入轴70上。输入轴70的相对端是输入齿条和小齿轮，包括细长的条形齿条74和小齿轮76，其中条形齿条74的横截面基本上是圆形的，齿表面是平的；小齿轮76处于与条形齿条74相啮合的关系。因此，对于齿轮传动装置的这个输入组件来说，致动器齿轮54可旋转地装置在输出轴56上并与转向轴22连接到操纵盘18一端相反的另一端相啮合。操纵盘18驱动轴22转动，同时轴22又带动致动器齿轮54转动。

输入传动齿轮68与致动器齿轮54相啮合，它们都具有处于啮合关系的径向齿。可以看出，无论致动器齿轮54是顺时针方向还是逆针方向转动，它都驱使输入传动齿轮68沿相反的方向转动。输入传动齿轮68连接或固定到延伸至小齿轮76的可转动的输入轴70上，并且输入轴70由传动齿轮68带动旋转。细长形齿条74与小齿轮76相啮合，并由外套78所保护。用螺栓81将齿条74的一端连接到致动器支托80上，并且由于这种连接，使得齿条74与小齿轮76的啮合周边的范围小于齿条的全长。致动器支托80可操作地连接在液压缸体-活塞组件44上，因而在舵轮与液压组件以及液压组件与可致动操纵装置之间形成了可操作的连接，下文中将更详细地进行描述和解释。

致动器支托80往复运动的距离被预先确定或设定，并且这个距离相对缸体-活塞组件44内的活塞杆的运动距离来说是较短的（下文将解释），因此，当将输入的动力或动作提供给致动器支托时，输入条形齿条74将运动相应的距离。致动器支托80的往复运动会带动包括往复活塞在内的缸体-活塞组件的阀控制装置46运动（下文将进行描述）。如附图（见图4和图11）所示，输出支托82可操作地连接到缸体-活塞组件44的活塞（下文将描述）和齿轮输出装置28上。在一个优选实施例中，齿轮输出装置包括标号为84的第一齿条-小齿轮，它与连接到标号为88的第二输出齿条-小齿轮上的输出轴齿轮86相啮合。图3、6和7中可清楚地看出，第一输出齿条-小齿轮包括大致呈矩形的可横向运动地安装在支座91上的细长形齿条90，它对应于缸体-活塞组件44内的活塞的往复运动而横向运动（见下文）。与齿条90相啮合的小齿轮92和直径大于齿轮92的输出齿轮94同轴地安装在轴96上，这样，当齿条90横向运动时，齿轮92和94也一起旋转。输出轴齿轮86安装或固定在邻近致动器齿轮54的输出轴56的一端附近，而输出齿轮94与输出轴齿轮86相啮合地被设置。因此，输出齿轮94的转动就带动输出轴齿轮86转动，齿轮86又带动输出轴56转动。

可致动操纵装置30的一端连接在外壳100内的第二输出齿条-小齿轮88上，该齿条-小齿轮88包括小齿轮98和一个与小齿轮相啮合的细长形齿条102。这样，无论输出轴56是顺时针还是逆时针方向旋转，都会带动齿条沿一个方向或另一个方向运动。这个齿条的横向运动带动操纵装置30动作。为了使这个第二输出齿条102以预定好的比率相对连接在液压缸体-活塞组件44（下文将描述）的第一输出齿条90运动，让输出齿轮94与输出轴齿轮86处于相啮合的关系。由输出齿轮94驱动的轴56连接到与齿条102相啮合的小齿轮98上，从而使齿条102总的运动方向与小齿轮98的旋转方向相同，即顺时针方向转动的小齿轮98使齿条102向右运动。因此可以看出，第一和第二齿条-小齿轮组件84和88基本上互相伴随地运动，并且输出齿条90和102以大体相同的速率运动。

如果需要的话，本发明的动力操舵系统可以与一个以上的输出齿条-小齿轮88相配合。因此，对于具有两个推进器的船或具有两根操舵钢索的船来说，就需要设置两个输出齿条-小齿轮88和88′（如图4和7B所示），并且将可致动操纵装置30和30′（例如操舵钢索）连接到齿条-小齿轮组件上。因此，如图7B所示，需将小齿轮98安装或固定到输出轴56的一端，并使第二小齿轮106与齿轮98相啮合。这样，输出轴的转动带动小齿轮98旋转，同时使齿条102横向移动，使带动齿条107运动的小齿轮106转动。虽然小齿轮98和106的转动方向相反，但齿条102和107则以相同的方向横向运动。这样，两个操纵装置30和30′的动作将是同时进行的。

液压缸体-活塞组件44包括一个具有容纳往复运动的往复活塞112的镗孔110的油缸108（参见图8和9）。活塞112包括构成活塞头的端盖114，该端盖与柱塞端相对置并固定是在活塞上，其上还设有开口116，整体构成的柱销118从端盖上横向伸出。活塞端盖与油缸端壁120相隔一段距离，从而在油缸的一端限定了一个用于容纳液压流体（例如油）的腔122。油缸108的相对另一端是用于支承液压缸体-活塞组件及流体源装置46的外壳123，外壳还包括隔离开的横向孔124和125，它们分别用于接收输出轴56和轴70。

活塞112可在油缸108的镗孔110内作往复运动，并且设有适当的密封圈和密封轴承（图中未示出），以防止流体沿活塞外表面漏出。此外，活塞112上开有环形螺纹槽126，并且管状柱塞杆130的带螺纹的末端128与螺纹槽126靠螺纹连接在一起。柱塞杆130与油缸108的纵轴线同轴设置，并与油缸朝内间隔开。该柱塞杆130沿活塞112的纵向从油缸108的末端向外延伸，并且可滑动地被外壳123支承。柱塞杆130的末端固定连接到致动器支托82上。柱塞杆130上有一些间隔布置的孔132，其原因下文将详细描述。柱塞杆130上还设有直径小于活塞头直径的环形缩小部分，该缩小部分有一横向或朝内延伸的环形台肩134。

基本与油缸108同心的柱塞杆130与油缸共同限定了一个环形通道140，该通道通过孔132与阀控制装置46相连通。环形柱塞130有一与纵轴相对应的轴向通路或通道142，它与阀控制装置46相连通（如下文所述）。

阀控制装置46包括在油缸108的镗孔110内往复运动的往复活塞112。具有带环形台肩146的缩小部分145的致动器杆144从阀控制装置46通过通道142纵向地延伸，并由轴承147支承在与活塞相对的末端上。缩小部分145穿过轴承147延伸，并且借助于调节螺母149（下文将更详细地描述）将杆144的螺纹端150可操作地连接到致动器支托80上。相反螺纹端150通过螺纹与阀控制装置46连接。加大直径的柱塞杆130的活塞端上开有与通道142基本同轴的纵向孔152，该孔152从面对端盖114的内部开始延伸，以限定一个间隔或开口154，并且孔152从开口154朝外方向上终止于台肩134。具有端部开口的纵向孔160的环形球致动器158安装在孔152内，它相对于柱塞杆130沿轴向往复运动。向外延伸到开口156内的球致动器158的相反端开有内螺纹162，用于与致动器杆144的螺纹部分连接在一起。球致动器158至少设置一个，最好设置多个从螺纹段162朝内（沿台肩134的方向）开的孔164，这些孔用于连通通道142和孔160。隔离开的环形法兰166和168设置在孔164与开口154的末端之间，它们分别从球致动器158的圆筒壁向外横向延伸到腔170和172内。致动器杆144的螺纹端150开有外螺纹，使杆144与球致动器158的螺纹段162靠螺纹连接在一起。由于致动杆144被连接到球致动器158上，所以当致动器支托80的运动引起致动器杆144作往复运动时，球致动器158沿轴向相对于柱塞杆130运动。

图9更清楚地显示出，阀控制装置46还包括（a）设置在阀体178内的止回球阀174和176，它们用于控制从流体源装置48经第一流体连通装置流到腔122（下文将描述）的加压液压流体的流动，并且，这两个止回球阀174和176被分隔块180分开；（b）设置在阀体185内的止回球阀182和184，它们用于控制从腔122流经第二流体连通装置（下文将描述）的加压液压流体的流动。这样，液压流体，例如油，基本上只沿一个方向流动。在图中所示的结构中，每个止回球阀都有一个阀球，即图中的阀球186、187、188和189，并且当不改变舵的位置时，通过适当的偏置装置190，如螺旋弹簧使各止回球阀保持在关闭位置，弹簧使各球偏置并顶在阀座上，以防止油的通路经过止回球阀。在这个位置上，阀控制装置46被锁定并且不能移动。球致动器销191和192最好由可插在该球致动器上的环形部件或圆环构成，它们具有一个或多个从圆环的外周也延伸出来的并且在不改变舵的位置时其末端与阀球相隔离的横向法兰或凸缘193、194、195和196。对于每个阀球，都有一个法兰或凸缘部件，当舵向左或向右运动时，凸缘便与阀球相接触，以使球移位。当球致动器沿轴向运动到左边或右边时，法兰166或168与致动器销191或192接触并迫使凸缘与阀球接合，以推动阀球离开原位，这样便使加压液压流体，例如油如下文所解释的那样流过阀组件。因此，从图9中可以看出，当球致动器158被向左方的操舵运动移动到左边时，销191移动到左侧，使凸缘193和194与阀球186和187接触，从而使止回球阀174、176被打开。相反，当球致动器158被向右方的操舵运动移动到右边时，销192移动到右侧，使凸缘195和196与阀球188和189接触，从而使止回球阀182、184被打开。在一个优选实施例中，销191的凸缘193要比凸缘194长一些。因此，当球致动器158沿轴向运动时，阀球186从原来的位置上被抬高，并且没有使阀球187移位，而如果需要的话，仅在向左转时才使阀球187移位，以提高液压流体的流量，从而提高动力操舵辅助系统动作的角速度。类似地，销192的凸缘195比凸缘196要长，因此阀球188先开启，然后阀球189再开启以提高向右转时的角速度。

柱塞杆130包括在止回球阀174和176与孔口116之间延伸的环形通道197，它用于将加压液压流体（例如油）提供给腔122。因此，油缸108的环形通道140通过柱塞杆130侧壁上的孔132及止回球阀174和176与阀体相连通。当这些阀中的一个或两个在球致动器158动作时打开（例如舵运动到左边，因而使球致动器如图9中所示地往复运动到左边），流体继续从腔170经孔口或开口198流到在柱塞杆130内纵向延伸的环形通道197，然后再流到活塞112的端盖114上的朝腔122开口的孔口116。显然，进入腔122的加压流体会迫使活塞112移动到右边。这样，液压流体（例如油）就从流体源装置48经活塞流入腔122，从而完成了在流体源装置与腔122之间的第一流体连通路径的连通。从腔122流出并返回到流体源装置48的加压流体以基本上不同的流动路径流过柱塞杆130。端盖孔口116朝止回球阀182和184部分敞开，阀182和184又通向腔172，然后通向与孔160连通的开口154，孔160又通过孔164与轴向通道142连通。因此，当球致动器158按与上述（比如向右）相反的方向动作而使一个或两个止回球阀182、184开启时，形成了使液压流体从室122经止回球阀182和184流到通向球致动器孔160的开口（该开口又通到轴向通道142）的流动路径。轴向通道142的相反端分别通过柱塞杆130和输出支托82上相互对正的通路200和201与返回管路199连通，返回管路199终止于油箱50。从油箱到流体源装置48一段将在下文作详细描述。腔122内的液压流体排空后使活塞112，继而又使柱塞杆130向右运动，从而完成了腔122与流体源装置48之间的第二流体连通路径的连通。

如上所述，与油缸108同心并与它沿朝内方向隔开设置的柱塞杆130从固定柱塞端的活塞112处伸出，并由具有容纳往复运动的杆的适当支承表面的外壳123内的孔可滑动地支承。柱塞杆的相反一端通过螺母的螺纹连接将其固定在输出支托82上。此外，致动器支托80连接在致动器杆144上，而杆144的相对一端又连接在球致动器158上，这样，在舵轮上操舵时，就使齿轮组件动作，这些部件（即：致动器杆、致动器支托和球致动器）协调一致地往复运动或运动，因而将一个或其它止回球阀174、176或182、184打开以使液压流体流过缸体-活塞组件44。

在图7、8、9和10所示的优选实施例中，调整螺母拧在致动器杆144的螺纹段148上并固定在致动器支托80的两个相对表面处。由于机器有误差，对于每个动力操舵装置都可改变其接合长度，该接合长度为致动器支托80提供预定的行程。这个行程等于两个止回球阀182、184（对于向右转）的全移位，在全移位点，槽64侧壁的平面部分62与止动装置66接合，从而使输出轴56动作。与齿轮输出装置28相啮合的轴56的移动将导致对柱塞杆30以与致动器支托80相对应的方向和移动速率来进行手动操作。因此，在不改变舵的位置时，调整螺母149设定在预定位置，并在该位置上锁定。当舵向右转时，致动器杆144移动到右边，将一个或两个止回球阀182、184开启，并使液压流体经上述的第二流体连通路径流过阀控制装置46，并且，如果转向速度增加，致动杆144将运动全行程，直到止动装置66挡住槽64的壁时为止，这时将阻止致动器杆144进一步运动并开始手动操舵。相反，当舵转向左边时，致动器杆144移动到左边，使一个或两个止回球阀174、176开启，以使液压流体经上述的第一流体连通路径流入阀控制装置46，并且，如果转向速度增加，致动器杆144将运动全行程，直到止动装置挡住槽64的相反壁时为止，从而阻止致动杆进一步运动。在这一点上，致动器齿轮54的槽66的平面部分与止动装置66接合，从而开始手动操舵。

输出支托部件82连接在环形柱塞杆130上，并与柱塞杆130协调一致地或共同地往复运动。（参见图6、8和11）此外，输出支托82还连接在（第一输出齿条-小齿轮84的）条形齿条90上，该齿条90又使柱塞杆横向地往复运动。从图11中可清楚地看出，最好在支托部件82与齿条90之间设置一个间隔204，利用像螺栓206这样的具有螺纹段208的部件，使它纵向穿过间隔并拧入齿条的螺纹孔209内，以将这些部件连接起来。正如上文中解释的那样，运转着的第一输出齿条-小齿轮带动输出轴齿轮86旋转，齿轮86又带动第二输出齿轮-小齿轮88动作。条形齿条102适合于接收用于沿轴向运动的操纵装置30的内芯33的一端，芯33的所述端连接在齿条102上，使芯33与横向运动的齿条一同作往复运动。内芯33的相反一端连接到推进器14操舵部件34上。因此可以看出，柱塞杆130的动作带动输出支托82作往复运动，并且借助于齿轮输出组件使操纵装置30动作，因此在舵轮12上的操舵动作带动操舵部件34一同运动，以使推进器14绕舵轴42转动。

在一个优选实施例中，柱塞杆130和第一输出齿条90的运动速率大致相等，即：比率大约为1∶1。但是输出齿轮94的直径大于小齿轮92也大于输出轴齿轮86的直径，并且第二输出齿条与第一输出齿条90的直线运动比大于1，该比率最好约为2∶1。由于齿条之间的这种运动关系，就可以减小整个组件的总尺寸。现在特别参见图8，所示的流体源装置48具有一个缸体-活塞蓄液器210，它包括以壁216作为封闭的一端，以端盖214作为相反的另一端的油缸212。可在油缸212内往复运动的活塞将油缸分成腔220和222。管状部件215从端盖214处沿轴向延伸出来，伸入腔222并有一个封闭端219的活塞218的同轴管状伸出部分217适用于可滑动地接收部件215，这种在部件215上往复地滑动可防止活塞在缸室内往复运动时出现的摆动。外壳123设有通向盖214内圆形通路224的一条流体通路223，该盖214具有与腔220连通的带切口的圆形开口226。外壳123内的第二流体通路或孔227与油缸108内的环形通路140连通，这样便形成了从流体源装置48内的腔220到液压缸体-活塞组件44内的腔122之间的第一流体连通路径。泵52设在靠近蓄能器210的地方，并且该泵由具有适当动力源，如电池或发动机（图中未示出）的电动机来运转。泵通过第二返回管路229接收液压流体，并且与油箱部件互相配合。泵52为液压流体提供了一个贮存器装置。带止回阀232的导管230从泵通到缸体-活塞蓄液器210内的圆柱形腔220。液压流体（例如油）经返回管路229被送到泵内。止回阀232通常是关闭的，它能防止液压流体返回到泵中，并使流体只沿从泵到缸室220的一个方向流动。活塞218随液压流体经导管230进入腔220或经通路227离开腔220而在油缸212内往复运动。利用存留在第二腔222内的加压气体使活塞218偏置到流体的输送位置，这种气体通常采用压力大约为800到1200磅/时²的氮气。因此，在图示的实施例中，当需要向左或向右转向时，利用由腔222内的气体施加到活塞上的压力迫使液压流体流出腔220，从而使致动器杆144动作并开启一个或两个球控制阀。当球控制阀174、176被开启时，加压液压流体从腔220经第一流体连通路径（包括通路227、环形通道140、孔132、止回球阀174、176、开口198、环形通道197和孔116）流到腔122。相反地，当止回球阀182、184开启时，加压液压流体从腔122流出并经导管199返回油箱50，然后经返回管路229流入泵52。当液压流体被泵入腔220时，活塞218推动在腔222内的压缩气体。第二流体连通路径包括孔116、止回球阀182、184、开口154、孔160、孔164、轴向通道142、孔200、输出支托82内的通道201，然后是返回管路199、油箱50、第二返回管路229和泵52。

对具有传统结构的、现有技术中常用的适当的开关装置进行预先设定，以运转用于将液压流体（例如油）泵入腔220的电动机53。当流体被泵入腔220时，活塞218推动在腔222内的压缩气体。适用的阀装置包括一个附装在活塞218上的磁环和连接到螺线管241的传感器238和240，螺线管241由电线242连接到电源上（图中未示出）。当活塞往复运动到预定位置时，磁环236断开传感器238和240以使用于泵送液压流体（例如油）的电动机启动或停转。在图8所示的实施例中，活塞基本上处于它的冲程中点右侧。当腔220内的液压流体被排空并且活塞218运动到左侧时，磁环236断开传感器238，使电机起动。然后流体被泵入腔220，从而使活塞218运动并逆气压的方向运动，直到磁环断开传感器240并关闭电机53为止。

在运行中，上文已提到当使用油来作为加压液压流体时，动力操舵辅助装置将根据操舵者的操舵动作来运行。首先假设舵转到左边，转向盘处在中央位置，并且推进器未变换位置，转向盘开始向左转动，这时舵轮使齿轮输入装置26转动（如上文中所解释的那样）。通过输出支托82连接到齿轮输出装置28上的动力操舵辅助装置10使致动器支托80运动到左边。

从球致动器158上延伸出来的法兰166是这样定位的：当作往复运动时，法兰166接触或紧靠着致动器销191，并使通常利用弹簧190而偏置到关闭位置的阀球186和187移位。致动器支托80相对于输出支托82运动到左边时使致动器杆144运动到左边，从而迫使球致动销191的凸缘运动到左边并推动球阀。在优选实施例中，凸缘193比凸缘194长些，所以最开始时只有阀球186从与之配合的阀座上移位。阀174的开口使加压油从腔220经第一流体连通路径（包括通向环形通道140的通路227、孔132、止回球阀174、孔116）流入腔122。因此，进入腔122的加压油将压力施加给活塞112，从而使活塞112随柱塞杆130和输出支托82一起运动到左侧。如果致动器支托80相对于输出支托82保持在相同位置，那么转向速率将保持不变。如果转向速率提高，那么致动器支托80将相对于输出支托82向左运动一个更大的距离。致动器支托的这种往复运动使阀球186进一步离开阀座，以增加流出腔220的油的流量，从而提高了转向速率。如果速率还不够高，致动支托80就相对输出支托进一步向左运动，这样就又使致动器144动作并将球致动器进一步向左推。这种运动使较短的凸缘194与阀球187接触以使阀球移动并开启阀176。由于两个阀都开启，于是增加了从腔220经第一流体连通路径进入腔122的加压油的流量。如果致动器支托80相对于输出支托82的位置回到了原位，则由于弹簧装置190的作用使阀球186和187返回到它们各自的阀座上，从而中断油的流动并停止转向运动。

当油从流体源装置48的腔220被送到腔122时，活塞112被推向左侧。因此，在阀174、176被操舵动作开启时，由腔222内的压缩气体施加到活塞218上的力将活塞218推向左边，这样便驱使油从腔220经第一流体连通路径进入腔122。当活塞218到达预定位置时，磁环236断开传感器238，于是接通电机53并起动泵52，以将油经止回阀232泵入腔220。泵油时，补充的油从油箱50经过入口管路229进入泵贮槽。进入腔220的油将活塞218逆腔222内气压的方向推向右边。止回阀可防止油返回到泵中。当活塞218到达某预定位置时，磁环断开传感器240，使电机停止转动。

如果需要的话，转向轴可以设置一个或多个操舵组件常采用的万向节。如图1A所示，在舵轮和动力操舵系统之间设置了两个万向节244和246，并且这两个万向节由杆248连接。驱动轴250从舵轮延伸到万向节244，传动轴252从第二万向节246延伸到齿轮传动装置。

如果在输出端采用可致动液压流体操舵装置（如图12所示的另一实施例），则采用结构基本相同的双缸体-活塞组件。油缸264最好安装在支承装置208上，油缸266最好安装在推进器或靠近推进器的地方，各油缸都具有往复活塞268和270，从而构成各油缸的两个相对的腔。如果需要，油缸264的直径可大于油缸266的直径，这样可使油缸264的冲程小于油缸266的冲程，但仍可达到操舵装置的全行程距离。从活塞268上朝油缸264外的方向延伸的活塞杆272通过输出支托82连接在动力操舵辅助装置（如上所述）。从活塞270延伸出来的活塞杆274的相反一端通过倾斜管36连接到操纵转向臂38的转向连杆37上。当操舵时，导管276和278沿相反的两个方向在油缸264和266之间传送液压流体。因此，当操舵动作将活塞杆272推向左边时（如图12所示），活塞28运动到左侧并迫使液压流体从油缸264的一个腔流到油缸266的一个腔，并从而使活塞杆运动到左侧，使舵向左边转动。当活塞270运动到左边时，迫使油从油缸266的另一腔流到油缸264相反的腔内。类似地，向右边转舵将会使液压流体沿相反的方向流动。

上述的详细描述只是为了更清楚地理解本发明，而不是对本发明的限制，显然，本领域的技术人员可以作出各种改动。

Claims (10)

1、一种适用于海上运载工具的动力操舵系统，它具有一个可绕转向轴摆动的推进器、用于将转矩施加给所述推进器以带动推进器绕所述转向轴作转向运动的可致动操纵装置，该操纵装置包括一个由驾驶员操纵的舵轮和与所述推进器相连的转向部件，所述舵轮包括一个随着操舵动作转动的转向轴；所述系统包括：连接在所述转向轴上以随所述操舵动作而运动的齿轮传动装置；设置在所述舵轮和所述推进器之间并安装在远离所述推进器位置的动力操舵辅助装置，它随所述齿轮传动装置的运动而动作，以将传动的输入动力提供给所述动力操舵辅助装置；连接到所述动力操舵辅助装置，并随所述传动输入动力而运动的可致动输出装置，它连接在可动操纵装置上，因而随所述可致动输出装置的运动而带动可致动操纵装置动作，以根据所述可致动操纵装置的动作来克服所述推进器上相对于所述转向轴的转矩，所述可致动操纵装置提供传动的输出动力，以根据所述操舵动作来带动所述转向部件一同运动，使所述推进器绕所述转向轴摆动。

2、按照权利要求1所述的动力操舵系统，其中，所述齿轮传动装置包括随所述转向轴的转动而运动的输入从动齿轮，所述可致动输出装置包括齿轮输出装置，它具有（a）连接到所述输入从动齿轮上的第一输出齿轮，（b）可与所述第一输出齿轮相啮合的输出从动齿轮，（c）与所述输出从动齿轮相连的第二输出齿轮。

3、按照权利要求1或2所述的动力操舵系统，其中，所述齿轮传动装置还包括与所述转向轴连接的主动齿轮装置、输入齿条和输入小齿轮，所述主动齿轮装置连接到所述输入小齿轮上，以随所述转向轴的转动带动所述输入小齿轮转动，所述输入齿条设置在与所述输入小齿轮相啮合的位置，以随所述输入小齿轮的旋转而横向运动，并且还包括从所述输入齿条上伸出的、与所述齿轮输出装置啮合的装置。

4、按照权利要求1～3中任一项所述的动力操舵系统，包括从所述动力操舵辅助装置延伸出的、可随所述动力操舵辅助装置而运动的连接装置，一个与所述连接装置相连、用于随所述连接装置一起运动的第一输出齿条，一个可旋转地安装的并与所述第一输出齿条相啮合的第一输出小齿轮，一个连接在所述第一输出小齿轮上的可转动输出从动齿轮，一个与所述输出从动齿轮相连，随所述输出从动齿轮的转动而带动所述第二输出齿条横向运动的第二输出齿条和第二输出小齿轮，以及用于将所述可致动操纵装置与所述第二输出齿条连接起来的装置。

5、按照权利要求4所述的动力操舵系统，还进一步包括一个可旋转地安装的、用于随所述第一输出小齿轮一起转动并与所述输出从动齿轮相啮合的中间输出齿轮，所述中间输出齿轮的直径大于第一输出小齿轮，并且所述第二输出齿条对所述第一输出齿条的线性传动比大于1。

6、按照权利要求1～5中任一项所述的动力操舵系统，其中，所述动力操舵辅助装置包括一个液压流体缸体-活塞组件，它具有带一个开口端的缸体；一个可往复运动地装在所述缸体内的活塞；一个具有中心孔、在所述缸体内从所述活塞上同轴地延伸并穿过所述缸体的所述开口端并且可往复运动安装的环形柱塞杆；设置在所述缸体-活塞组件内、适合于给所述缸体-活塞组件建立流体连通路径以带动所述活塞往复运动的阀控制装置，一个具有与所述中心孔同轴延伸出的两个相对端并且它的一第一端连接在所述阀控制装置的杆部件；以及一个包括连接到所述齿轮传动装置和所述杆部件的连接装置并响应所述操舵动作用以带动所述操纵部件一起运动的调节装置。

7、按照权利要求4～6中任一项所述的动力操舵系统，包括一根将所述输出从动齿轮与所述第二输出小齿轮连接起来的旋转轴，所述输出从动齿轮的转动带动所述第二输出小齿轮转动，从而带动所述第二输出齿条平动；可选择设置一个用于与所述第二输出小齿轮啮合的第三输出小齿轮，一个与所述第三输出小齿轮啮合的第三输出齿条，第三输出小齿轮以基本与所述第二输出齿条相同的方向带动第三输出齿条横向运动，一个第二可致动操纵装置，以及用于将所述第二可致动操纵装置连接到所述第三输出齿条的装置。

8、按照权利要求4～7中任一项所述的动力操舵系统，其中，所述连接装置包括连接到所述第一输出齿条上的第一支托装置，用于在与所述第一输出支托的线性运动大致相同的轴线上作往复运动，并且还包括用于在所述第一支托装置的两个方向上调节往复运动距离的装置，以及连接到所述动力操舵辅助装置和所述齿轮输出装置并按照所述动力操舵辅助装置的动作而往复运动的第二支托装置。

9、按照权利要求1～8中任一项所述的动力操舵系统，其中，所述动力操舵辅助装置包括一个液压流体缸体-活塞组件，具有用于将加压液压流体输送到所述缸体-活塞组件的装置的液压流体源装置；用于在所述缸体-活塞组件和所述流体源装置之间提供连通的流体连通装置；设置在所述缸体-活组件内、对于不改变操舵位置时偏置在关闭位置的阀控制装置，它适于在所述缸体-活塞组件和所述流体源装置之间建立流体连通；以及控制从所述流体源装置送出的液压流体并选择性地操纵所述阀控制装置，以根据操舵动作建立所述流体连通，将液压流体从所述液压流体源装置输送到所述液压流体缸体-活塞组件的调节装置。

10、按照权利要求6～9中任一项所述的动力操舵系统，其中，所述液压缸体-活塞组件的所述缸体还具有一个封闭端；与所述液压流体源装置连通的泵装置；所述环形柱塞杆连接到所述活塞端并同心地设置在所述缸体内以限定一个与所述流体源装置连通的环形通道；用于封闭所述环形通道的装置；由所述缸体封闭端和所述活塞头限定的缸体腔；所述杆部件是与所述中心孔同轴安装的，用于在所述中心孔内往复运动；用于在所述液压流体源装置与所述腔之间建立流体连通并包括所述环形通道和所述阀控制装置的第一流体连通装置；以及用于在所述腔和所述泵装置之间建立流体连通并包括所述阀控制装置和所述中心孔，从而使液压流体只向一个方向流动的第二流体连通装置。

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