CN111232168A - 一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱 - Google Patents

一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱 Download PDF

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严浙平
杨皓宇
张伟
宫庆硕
林凡太
聂子彧
唐茂纹
王彦斌
郭帅克
高赛博
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    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/22—Adjustment of buoyancy by water ballasting; Emptying equipment for ballast tanks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H—GEARING
    • F16H37/00—Combinations of mechanical gearings, not provided for in groups F16H1/00 - F16H35/00
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Abstract

本发明公开了一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，包括水舱外壳和吸水排水装置，水舱外壳为由水管，端盖、圆柱形侧壁和下支座构成的一体式密封结构，通过水管与外界相通；吸水排水装置包括剪叉机构和驱动装置，剪叉机构和驱动装置设置在下支座内侧。本发明具有更大的吸水排水量，可实现水下机器人或潜器更快速的下潜或上浮，在满足浮沉条件的情况下能大大节省水下机器人或潜器的内部空间能够实现在深海高水压的条件下的吸水和排水，且具有更好的密封性解决了因水舱横置时吸水排水时重心位置移动的问题。有效的预防了使用螺纹杆和螺母推动胶塞存在的胶塞侧翻的隐患。

Description

一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱
技术领域
本发明涉及一种压载水舱，特别是一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，属于水下探测装置技术及机械设计领域。
背景技术
水下机器人和潜器在水中浮沉的方式主要包括垂直推进器推进、改变升降舵的攻角和压载水舱吸水排水三种方式。其中UUV和ROV等水下无人航行器多采用垂直推进器推进的方式实现自身的浮沉，垂直推进器能够很好地保持水下潜器的浮沉和定深航行，但推进器产生的湍流降低了潜器自身的隐蔽性。改变升降舵攻角的方式在水下无人航行器或载人潜器上均有应用，具有隐蔽性好的优点，但在水下潜器航行速度较慢时，升降舵的作用不明显，而且不能实现垂直浮沉的功能。压载水舱吸水排水的方式多用于载人潜器和水下仿生机器人上，具有隐蔽性好和能实现垂直浮沉的优点，但大多的压载水舱因为比较细长，只能横置于水下潜器内部，在吸水排水的过程中重心位置会发生移动，对水下潜器定向航行的控制造成了困难。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种解决现有的压载水舱体积大，相对排水量小，排水量可控精度低，吸水排水时重心位置发生变化等问题的基于齿轮剪叉机构的压载水舱。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，包括水舱外壳和吸水排水装置，水舱外壳为由水管，端盖、圆柱形侧壁和下支座构成的一体式密封结构，通过水管与外界相通；吸水排水装置包括剪叉机构和驱动装置，剪叉机构和驱动装置设置在下支座内侧。
作为本发明的一种改进，剪叉机构包括水密接头、胶塞、第一至第四共4个摆动齿轮、第一至第四共4个长杆、蜗杆、蜗轮、步进电机、小齿轮、大齿轮、上支座、第一至第十二共12个转轴、第一至第四共4个短杆，第一至第四共4个销钉；小齿轮固连在步进电机的轴上，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与蜗杆固连，蜗杆的两端铰接在下支座的蜗杆支座上并与蜗轮配合，蜗轮通过转轴与摆动齿轮固连，转轴的两端铰接在下支座的支架上；第一至第二摆动齿轮分别通过转轴铰接在上支座，第三至第四摆动齿轮分别通过转轴铰接在下支座上，第一至第四短杆分别通过销钉固连在第一至第四摆动齿轮；第一至第四长杆分别通过转轴铰接在一起形成一个剪叉机构、并通过转轴分别与第一至第四短杆铰接在一起。
作为本发明的另一种改进，上支座上设置有固连的胶塞，胶塞将压载水舱的内部空间分割成两个密闭的空间，胶塞的上侧与圆柱形侧壁、端盖形成储水舱，用于吸水和排水；胶塞的下侧与圆柱形侧壁、下支座形成密封舱，用于装载步进电机和剪叉机构。
本发明的有益效果：
本发明的基于齿轮剪叉机构的压载水舱是一种齿轮传动的剪叉机构，通过小齿轮、大齿轮和蜗轮蜗杆传动将步进电机的动力传递到剪叉机构。基于齿轮剪叉机构的压载水舱具有如下优点：
(1)采用齿轮剪叉机构，充分利用了剪叉机构高伸缩比的优点，在水舱体积相同的情况下，基于齿轮剪叉机构的压载水舱具有更大的吸水排水量，可实现水下机器人或潜器更快速的下潜或上浮。
(2)现有的压载水舱大多采用螺纹杆和螺母推动胶塞的形式，其满载水量与自身体积之比大约为1：12，而基于齿轮剪叉机构的压载水舱的满载水量与自身体积之比高达1：2.6，因此在满足浮沉条件的情况下能大大节省水下机器人或潜器的内部空间。
(3)基于齿轮剪叉机构的压载水舱采用了蜗轮蜗杆传动，在胶塞运动的过程中受到的驱动推力更大，能够实现在深海高水压的条件下的吸水和排水，且具有更好的密封性。
(4)基于齿轮剪叉机构的压载水舱的驱动电机及传动部件和储水舱共用一个水舱壳体，体积更小，而且压载水舱的外形短粗，因此可以竖置于水下机器人或潜器中部，解决了因水舱横置时吸水排水时重心位置移动的问题。
(5)基于齿轮剪叉机构的压载水舱采用剪叉机构推动胶塞，使胶塞移动平稳，有效的预防了使用螺纹杆和螺母推动胶塞存在的胶塞侧翻的隐患。
附图说明
图1是本发明一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱的外观图；
图2是拆掉水管1、端盖2和圆柱形侧壁3后的内部结构图；
图3是拆掉胶塞5的内部结构展开图；
图4是内部结构收缩图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明专利通过步进电机提供动力，通过小齿轮和大齿轮将动力传递给蜗杆，经蜗轮蜗杆将步进电机的扭矩增大后再传递到剪叉机构，实现剪叉机构的伸展和收缩，通过控制步进电机的正反转、转动的圈数和速度能够操纵剪叉机构的收展速度和高度，最终实现了控制压载水舱的吸水或排水速度及其吸水量和排水量的功能。
请参阅图1、图2，图3，本发明提供一种技术方案：一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，其结构包括水舱外壳和吸水排水装置，其中水舱外壳包括水管1，端盖2、圆柱形侧壁3和下支座8；吸水排水装置是一套剪叉机构，包括水密接头4、胶塞5；第一至第四摆动齿轮，标号分别为6-1至6-4；第一至第四长杆，标号分别为7-1至7-4；蜗杆9、蜗轮10、步进电机11、小齿轮12、大齿轮13、上支座14；第一至第十二转轴，标号分别为15-1至15-12；第一至第四销钉，标号分别为16-1至16-4；第一至第四短杆，标号分别为17-1至17-4。
水舱外壳为一体式密封结构，水管1与端盖2固定连接，端盖2和下支座8与圆柱形侧壁3构成一个完整且密封的圆柱体，只通过水管1与外界相通。下支座8外侧固定在水下机器人或潜器内部，下支座8内侧安装有步进电机和剪叉机构等。步进电机11固定在下支座8的内侧，小齿轮12固连在步进电机11的轴上，小齿轮12与大齿轮13啮合。大齿轮13与蜗杆9固连，两者一同转动，蜗杆9的两端铰接在下支座8的蜗杆支座上并与蜗轮10配合。蜗轮10通过转轴15-8与摆动齿轮6-3固连，两者一同转动，第八转轴15-8的两端铰接在下支座8的支架上。步进电机11通过小齿轮12、大齿轮13、蜗轮10和蜗杆9将动力传递第三摆动齿轮6-3。四个摆动齿轮6-1、6-2、6-3、6-4分别通过转轴15-1、15-12、15-7、15-8铰接在上支座14和下支座8的支架上，其中，摆动齿轮6-3和6-4铰接在下支座8上，摆动齿轮6-1和6-2铰接在上支座14上。短杆17-1、17-4、17-2、17-3分别通过销钉16-1、16-4、16-2、16-3固连在摆动齿轮6-1、6-2、6-3、6-4上，随着摆动齿的转动而摆动。四根长杆7-1、7-2、7-3、7-4通过转轴15-3、15-4、15-10铰接在一起，形成一个剪叉机构，通过转轴15-2、15-11、15-6、15-9分别与短杆17-1、17-4、17-2、17-3铰接在一起，随着摆动齿轮的转动剪叉机构实现展开与收缩动作。上支座14与胶塞5固连，胶塞5将压载水舱的内部空间分割成两个密闭的空间，胶塞5的上侧与圆柱形侧壁3、端盖2形成储水舱，用于吸水和排水。胶塞5的下侧与圆柱形侧壁3、下支座8形成密封舱，用于装载步进电机11和剪叉机构等，通过剪叉机构的展开与收缩驱动胶塞在圆柱形侧壁3中上下移动。
本发明解决的问题包括现有的压载水舱体积大，相对排水量小，排水量可控精度低，吸水排水时重心位置发生变化等。本发明通过上述部件的互相组合，采用一种齿轮传动的剪叉机构，只需要通过控制步进电机的正反转、转动的圈数和速度就能够实现控制压载水舱的吸水或排水速度及其吸水量和排水量，具体如下所述：
步进电机11固定在下支座8的内侧，通过小齿轮12、大齿轮13、蜗杆9和蜗轮10将动力传递到摆动齿轮6-3，摆动齿轮6-3与摆动齿轮6-4啮合，短杆17-2和17-3分别与摆动齿轮6-3和摆动齿轮6-4固连，能够随着步进电机11的转动而摆动。四根长杆7-1、7-2、7-3、7-4通过转轴15-3、15-4、15-10铰接在一起，形成一个剪叉机构，通过转轴15-2、15-11、15-6、15-9分别与短杆17-1、17-4、17-2、17-3铰接在一起，随着摆动齿轮6的转动实现剪叉机构的展开与收缩。短杆17-1和17-4分别通过销钉16-1、16-4固连在摆动齿轮6-1、6-2上，摆动齿轮6-1、6-2铰接在上支座14上。上支座14与胶塞5固连，胶塞5与圆柱形侧壁3和端盖2形成一个密闭的储水舱，胶塞5随着剪叉机构的展开与收缩在圆柱形侧壁内上下移动，从而实现了压载水舱的吸水和排水功能。最终通过控制步进电机的正反转、转动的圈数和速度能够实现控制压载水舱的吸水或排水的速度及其吸水量和排水量的功能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，其特征在于：包括水舱外壳和吸水排水装置，水舱外壳为由水管，端盖、圆柱形侧壁和下支座构成的一体式密封结构，通过水管与外界相通；吸水排水装置包括剪叉机构和驱动装置，剪叉机构和驱动装置设置在下支座内侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，其特征在于：所述剪叉机构包括水密接头、胶塞、第一至第四共4个摆动齿轮、第一至第四共4个长杆、蜗杆、蜗轮、步进电机、小齿轮、大齿轮、上支座、第一至第十二共12个转轴、第一至第四共4个短杆，第一至第四共4个销钉；小齿轮固连在步进电机的轴上，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与蜗杆固连，蜗杆的两端铰接在下支座的蜗杆支座上并与蜗轮配合，蜗轮通过转轴与摆动齿轮固连，转轴的两端铰接在下支座的支架上；第一至第二摆动齿轮分别通过转轴铰接在上支座，第三至第四摆动齿轮分别通过转轴铰接在下支座上，第一至第四短杆分别通过销钉固连在第一至第四摆动齿轮；第一至第四长杆分别通过转轴铰接在一起形成一个剪叉机构、并通过转轴分别与第一至第四短杆铰接在一起。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于齿轮剪叉机构的压载水舱，其特征在于：上支座上设置有固连的胶塞，胶塞将压载水舱的内部空间分割成两个密闭的空间，胶塞的上侧与圆柱形侧壁、端盖形成储水舱，用于吸水和排水；胶塞的下侧与圆柱形侧壁、下支座形成密封舱，用于装载步进电机和剪叉机构。
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