CN111994241B - 基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置 - Google Patents

基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，能够有效减小驱动器的尺寸和重量，提高结构可靠性。本发明的技术方案为：包括固定底座、回转驱动部和偏转部。回转驱动部包括合金丝固定板、旋转轴、转动机构以及形状记忆合金丝；旋转轴转动安装在合金丝固定板上；转动机构与旋转轴固定连接；形状记忆合金丝一端固定在合金丝固定板，另一端绕经滑轮连接转动机构，用于带动转动机构转动。偏转部包括同心设置的外偏转环和内偏转环；内偏转环可绕过圆心的中轴转动。固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装回转驱动部，两回转驱动部的旋转轴连线作为外偏转环的旋转中心轴。水下推进器固定安装于内偏转环上。

Description

基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置
技术领域
本发明涉及水下推进矢量偏转应用技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置。
背景技术
随着海洋科考和水下军事应用需求的增加，对水下航行器性能要求越来越高，水下航行器系统配置的复杂性也会增加，因此有必要从系统的角度出发优化改进水下航行器的配置及性能。尺寸和重量是制约水下航行器性能的关键因素，实现轻量化并简化机构是改善性能最直接的方式。在水下航行器系统中，推进系统是水下航行器实现快速性和操纵性的核心系统，推进系统一般由动力源、传动机构和执行机构组成。矢量推进可以控制推进器偏转，产生推力矢量增大航行操纵力，改善水下航行器的操纵性，因此研究推进器矢量偏转的驱动器和偏转结构意义重大。
目前工程应用中，基于步进电机、液压或电磁等驱动器的矢量偏转装置，已广泛应用于航空、航天、船舶等领域。以航空应用为例，矢量发动机是第五代战机的关键技术，而矢量发动机技术的实现离不开矢量喷口，矢量喷口能够改变高温高压燃气的喷出方向，从而改变推力状态，产生不同方向的加速度，实现飞机的姿态灵活控制；在船舶应用方面，水下矢量推进螺旋桨装置、水下矢量推力喷嘴等可以实现变向等操作。虽然上述应用都能实现偏转的功能，但也存在着结构复杂、重量大、体积大和能耗高等缺点。
随着智能材料基础与应用研究的深入，形状记忆合金、压电陶瓷、电致伸缩材料等智能材料广泛应用到驱动器领域。这类功能材料能在外场作用下产生应力或应变的响应，该特性使得通过改变外场作用控制材料应力或应变大小，用于驱动成为可能。尽管多类智能材料都可实现驱动，但在自感应、输出功重比、可靠性等方面，形状记忆合金具有无可比拟的优势。形状记忆合金是指具有形状记忆效应的一种合金。该合金在经过大的变形后，在一定的应力和温度作用下，能够恢复到原始的状态，一般来说形状记忆合金的最大本征可回复应变可以高达8％，通过特殊的结构设计还能更高。由于形状记忆合金自身具有感应和驱动的双重特性，科研人员研究将其用于驱动器，形状记忆合金不仅能简化驱动器的设计，减轻重量减小体积，同时还能够提供较大的驱动力。
因此，为解决当前水下推进器矢量片状装置机构复杂、重量大、体积大和能耗高的缺点，考虑使用形状记忆合金合金对矢量推进偏转装置驱动器的结构进行改进，从而利用形状记忆合金的优点，有效减小驱动器的尺寸和重量，提高结构可靠性；目前尚未有利用形状记忆合金合金进行矢量推进偏转装置驱动器的改进装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，能够利用形状记忆合金合金对矢量推进偏转装置驱动器的结构进行改进，从而利用形状记忆合金的优点，有效减小驱动器的尺寸和重量，提高结构可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，包括固定底座、回转驱动部和偏转部。
回转驱动部包括合金丝固定板、旋转轴以及转动机构、形状记忆合金丝；旋转轴转动安装在合金丝固定板上；转动机构与旋转轴固定连接；形状记忆合金丝一端固定在合金丝固定板，另一端绕经滑轮连接转动机构，用于带动转动机构转动。
偏转部包括同心设置的外偏转环和内偏转环；内偏转环设置于外偏转环内；内偏转环可绕过圆心的中轴转动。
固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装回转驱动部，两回转驱动部的旋转轴连线作为外偏转环的中心轴，外偏转环可绕中心轴转动。
水下推进器固定安装于内偏转环上。
进一步地，外偏转环上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第一螺柱。
内偏转环上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第二螺柱；
第一螺柱由圆柱段和螺纹段组成，其中第一螺柱螺纹段与外偏转环紧固连接；内偏转环与外偏转环通过第二螺柱连接。
第二螺柱包括圆柱段和螺纹段，第二螺柱的螺纹段与内偏转环螺纹紧固连接，第二螺柱的圆柱段与外偏转环为轴承连接。
固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装回转驱动部，回转驱动部上的旋转轴与第一螺柱的圆柱段固定连接；或者回转驱动部上的旋转轴与第二螺柱的圆柱段固定连接。
进一步地，回转驱动部包括合金丝固定板，合金丝固定板的安装面上设有两个合金丝固定螺栓、两个滑轮、一个旋转轴、一个转动机构、第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝。
合金丝固定板为轴对称结构，其中两个合金丝固定螺栓对称分布在对称轴的左右两侧；两个滑轮对称分布在对称轴的左右两侧；旋转轴固定设置于对称轴上；转动机构为轴对称的平板结构，转动机构的几何中心为中心圆孔，旋转轴穿过中心圆孔；转动机构的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉。
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉。
第二形状记忆合金丝一端连接左侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经左侧的滑轮连接第二螺钉。
进一步地，回转驱动部包括合金丝固定板，合金丝固定板的安装面上设有合金丝固定螺栓、滑轮、旋转轴、转动机构、第一形状记忆合金丝以及偏置弹簧。
合金丝固定板为轴对称结构，合金丝固定板的对称轴右侧设置一个合金丝固定螺栓和一个滑轮；旋转轴固定设置于对称轴上；转动机构为轴对称的平板结构，转动机构的几何中心为中心圆孔，旋转轴穿过中心圆孔；转动机构的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉。
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉。
第二螺钉连接偏置弹簧。
优选地，合金丝固定板和转动机构均为绝缘材料。
优选地，第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。优选地，第一形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。
优选地，外偏转环和内偏转环初始状态下处于同一水平面。
有益效果：
1、本发明中利用形状记忆合金合金对矢量推进偏转装置驱动器的结构进行改进，结合轮滑结构，能在有限的体积里增加形状记忆合金丝的长度，从而获得大的驱动应变，在本设计中则体现为大的矢量偏转角度输出。因此本发明利用形状记忆合金的优点，能够有效减小驱动器的尺寸和重量，提高结构可靠性。
2、本发明利用NiTi形状记忆合金丝进行驱动，与传统的驱动方式相比结构更为简单，同时拥有较高的驱动力。
3、本发明提供了两种回转驱动部，分别为差动式和偏动式，可以根据实际应用条件进行调整，选择差动式或者偏动式两种不同的驱动方式。
附图说明
图1是本发明实施例中水下推进器及矢量偏转整体示意图；
图2是本发明实施例中回转驱动器差动式的结构示意图；
图3是本发明实施例中矢量偏转装置的结构示意图；
图4是本发明实施例中回转驱动器转动机构的结构示意图；
图5是本发明中回转驱动器差动式的初始状态图；
图6是本发明实施例中回转驱动器差动式进行驱动工作时的示意图；
图7是本发明实施例中回转驱动器偏动式进行驱动工作时的示意图；
图8是本发明形状记忆合金回转驱动器矢量偏转装置工作时的示意图。
图中各标号含义如下：201合金丝固定螺栓、202滑轮、203转动机构、204旋转轴、205合金丝固定板、300固定底座、301支撑梁、302外偏转环、303内偏转环、第一螺柱304、第二螺柱305、401转动机构的中心圆孔、第二螺钉402、403第一螺钉、404第三螺钉、501第一形状记忆合金丝、502第二形状记忆合金丝、703合金丝固定螺栓、704轮滑、701第三形状记忆合金丝、702偏置弹簧。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，如图1所示为水下推进器及矢量偏转整体示意图，该装置包括固定底座、回转驱动部和偏转部。
回转驱动部如图2所示，包括合金丝固定板205、旋转轴204以及转动机构203、形状记忆合金丝；旋转轴204转动安装在合金丝固定板205上；旋转轴可以通过轴承安装在合金丝固定板205上，旋转轴204可绕轴承旋转；转动机构203与旋转轴204固定连接；形状记忆合金丝一端固定在合金丝固定板205，另一端绕经滑轮连接转动机构203，用于带动转动机构203转动。
偏转部包括同心设置的外偏转环302和内偏转环303；内偏转环303设置于外偏转环302内；内偏转环303可绕过圆心的中轴转动。
固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装回转驱动部，两回转驱动部的旋转轴连线作为外偏转环302的中心轴，外偏转环302可绕中心轴转动。
水下推进器固定安装于内偏转环303上。
本发明实施例中针对偏转部，可以采用如下设计，如图3所示，外偏转环302上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第一螺柱304。
内偏转环303上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第二螺柱305。
第一螺柱304由圆柱段和螺纹段组成，其中第一螺柱304螺纹段与外偏转环302紧固连接；内偏转环303与外偏转环302通过第二螺柱305连接。
第二螺柱305包括圆柱段和螺纹段，第二螺柱305的螺纹段与内偏转环303螺纹紧固连接，第二螺柱305的圆柱段与外偏转环302为轴承连接。
固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装回转驱动部，回转驱动部上的旋转轴204与第一螺柱304的圆柱段固定连接。外偏转环302和内偏转环303初始状态下处于同一水平面。
偏转部能够实现两个自由度的转动动作，从而实现驱动的偏转输出。如图8所示，对本发明形状记忆合金驱动水下推进矢量偏转装置的工作状态示意图进行了展示。将旋转轴204分别和第一螺柱304(图8中的(a)所示)、第二螺柱305(图8中的(b)所示)通过联轴器连接时，可将转动机构203的回转转化为两个自由度的矢量偏转动作。
本发明实施例中，回转驱动部包括两种设计方式，其中一种是差动式回转驱动部。差动式回转驱动部包括合金丝固定板205，合金丝固定板205的安装面上设有两个合金丝固定螺栓201、两个滑轮202、一个旋转轴204、一个转动机构203、第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝；
合金丝固定板205为轴对称结构，其中两个合金丝固定螺栓201对称分布在对称轴的左右两侧；两个滑轮202对称分布在对称轴的左右两侧；旋转轴204固定设置于对称轴上；转动机构203为轴对称的平板结构，转动机构203的几何中心为中心圆孔401，旋转轴204穿过中心圆孔402；转动机构203的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构203的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构203的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉403后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉。
如图4所示，401为转动机构的转动中心，此处通过旋转轴204。旋转轴204与转动机构203通过中心固定螺栓403进行连接，预紧中心固定螺栓403，使其与旋转轴205相接触，此时提供的径向压力能够实现转动机构203与旋转轴204的固定连接。优选地，中心固定螺栓403应足够长，以便能够实现预紧从而保证旋转轴204和转动机构203的固定。螺栓402的功能为连接形状记忆合金丝、偏置弹簧和导线。优选地，为防止通电过程中出现漏电现象，螺栓402进行安装时不能接触到旋转轴，应选择长度较短的螺栓，同时转动机构203和合金丝固定板205为绝缘材料。
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉。
第二形状记忆合金丝一端连接左侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经左侧的滑轮连接第二螺钉。
对两根记忆合金丝依次进行电加热和冷却，能够实现转动机构203的驱动回转工作。
在实施例图5中，此时为回转驱动器(差动式)的初始状态图。在图示初始状态下，形状记忆合金丝501、502均处于马氏体相状态，两侧的电路均为断开状态，转动机构205处于图示位置。形状记忆合金丝501连接在合金丝固定螺栓201上，然后经过滑轮202，最后与转动机构上的螺钉402相连，另一侧的形状记忆合金丝502为相同的对称布置；导线分别与合金丝固定螺栓201和螺钉402相连。
如图6所示，右侧电路闭合，通电产生的焦耳热使得形状记忆合金丝501温度升高，当温度升高处于形状记忆合金的As和Af区间内时，形状记忆合金丝501发生马氏体逆转变导致线长缩短。线长的变化会引起转动机构203发生偏转。右侧电路断开后，对形状记忆合金丝502施加电流，焦耳热导致的马氏体逆相变同样会使得形状记忆合金丝502缩短，此时会出现与图6所示相反的驱动效果，这样就实现了转动机构的复位和双向驱动。优选地，形状记忆合金丝的布置应尽量处于同一平面以避免产生其他方向的驱动应力分量，降低驱动应力的损耗。
本发明实施例还提供了一种偏动式回转驱动部，回转驱动部包括合金丝固定板205，合金丝固定板205的安装面上设有合金丝固定螺栓703、滑轮704、旋转轴204、转动机构203、第一形状记忆合金丝以及偏置弹簧。
合金丝固定板205为轴对称结构，合金丝固定板205的对称轴右侧设置一个合金丝固定螺栓703和一个滑轮704；旋转轴204固定设置于对称轴上；转动机构203为轴对称的平板结构，转动机构203的几何中心为中心圆孔401，旋转轴204穿过中心圆孔402；转动机构203的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构203的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构203的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉403后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉；
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉；
第二螺钉连接偏置弹簧。电加热时形状记忆合金丝的驱动在断电后，会因为偏置弹簧的弹力使得转动机构203复位，完成回转工作。优选地，应采用刚度较小的偏置弹簧，这是为了防止其对形状记忆合金丝变形的阻力过大，导致能够达到的最大驱动角度变小，使得驱动效果变差。
如图7所示，对本发明形状记忆合金回转驱动装置(偏动式)进行驱动工作时的示意图进行了展示。偏置式驱动装置的初始状态与实施例图4类似，转动机构处于相同的初始位置，形状记忆合金丝502被偏置弹簧702取代，且偏置弹簧702在此初始位置下处于松弛的状态。右侧电路闭合，通电的焦耳热使得形状记忆合金丝701发生马氏体逆转变，形状记忆合金丝701缩短引起转动机构203偏转。在转动机构203发生角度偏转的情况下，偏置弹簧702在发生相应的拉伸变形，断开电路，转动机构203由于偏置弹簧702的弹力而复位。
本发明中，合金丝固定板205和转动机构203均为绝缘材料。第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。第三形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。
此外，对上述差动式和偏动式形状记忆合金回转驱动装置进行比较分析。不难发现，差动式驱动装置的工作需要两根形状记忆合金丝进行驱动，复位和反向驱动时需要对另外一根合金丝进行加热，与偏动式驱动装置中偏置弹簧的自动复位相比，结构和电路设计相对复杂；但是，差动式驱动装置能够实现双向驱动，而偏动式驱动机构仅能实现单向驱动工作。上述二种形式均有着自己独特的优势，当然也存在着不同的不足，在实际应用中则可以根据应用条件和需求进行不同形式驱动的选择。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，其特征在于，包括固定底座、回转驱动部和偏转部；
所述回转驱动部包括合金丝固定板(205)、旋转轴(204)以及转动机构(203)、形状记忆合金丝；所述旋转轴(204)转动安装在所述合金丝固定板(205)上；所述转动机构(203)与所述旋转轴(204)固定连接；所述形状记忆合金丝一端固定在所述合金丝固定板(205)，另一端绕经滑轮连接所述转动机构(203)，用于带动所述转动机构(203)转动；
所述偏转部包括同心设置的外偏转环(302)和内偏转环(303)；内偏转环(303)设置于所述外偏转环(302)内；内偏转环(303)可绕过圆心的中轴转动；
所述固定底座左右两端对称设置两支撑梁，两支撑梁上部均安装所述回转驱动部，两回转驱动部的旋转轴连线作为外偏转环(302)的中心轴，外偏转环(302)可绕中心轴转动；
水下推进器固定安装于所述内偏转环(303)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外偏转环(302)上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第一螺柱(304)；
所述内偏转环(303)上两侧对称开设两螺纹孔，连接两个第二螺柱(305)；
所述第一螺柱(304)由圆柱段和螺纹段组成，其中第一螺柱(304)螺纹段与外偏转环(302)紧固连接；所述内偏转环(303)与外偏转环(302)通过第二螺柱(305)连接；
所述第二螺柱(305)包括圆柱段和螺纹段，第二螺柱(305)的螺纹段与内偏转环(303)螺纹紧固连接，第二螺柱(305)的圆柱段与外偏转环(302)为轴承连接；
所述回转驱动部上的旋转轴(204)与所述第一螺柱(304)的圆柱段固定连接；或者所述回转驱动部上的旋转轴(204)与所述第二螺柱(305)的圆柱段固定连接。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述回转驱动部包括合金丝固定板(205)，所述合金丝固定板(205)的安装面上设有两个合金丝固定螺栓(201)、两个滑轮(202)、一个旋转轴(204)、一个转动机构(203)、第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝；
所述合金丝固定板(205)为轴对称结构，其中两个合金丝固定螺栓(201)对称分布在对称轴的左右两侧；两个滑轮(202)对称分布在对称轴的左右两侧；所述旋转轴(204)固定设置于对称轴上；所述转动机构(203)为轴对称的平板结构，所述转动机构(203)的几何中心为中心圆孔(401)，所述旋转轴(204)穿过所述中心圆孔(402)；转动机构(203)的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构(203)的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构(203)的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉(403)后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉；
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉；
第二形状记忆合金丝一端连接左侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经左侧的滑轮连接第二螺钉。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述回转驱动部包括合金丝固定板(205)，所述合金丝固定板(205)的安装面上设有合金丝固定螺栓(703)、滑轮(704)、旋转轴(204)、转动机构(203)、第一形状记忆合金丝以及偏置弹簧；
所述合金丝固定板(205)为轴对称结构，所述合金丝固定板(205)的对称轴右侧设置一个合金丝固定螺栓(703)和一个滑轮(704)；所述旋转轴(204)固定设置于对称轴上；所述转动机构(203)为轴对称的平板结构，所述转动机构(203)的几何中心为中心圆孔(401)，所述旋转轴(204)穿过所述中心圆孔(402)；转动机构(203)的三个侧面上均开有螺纹孔，其中第一螺纹孔位于转动机构(203)的对称轴上，第二螺纹孔和第三螺纹孔相对分布在转动机构(203)的对称轴左右两侧；第一螺纹孔通过安装中心固定螺钉(403)后固定旋转轴，第二螺纹孔安装第二螺钉，第三螺纹孔安装第三螺钉；
第一形状记忆合金丝一端连接右侧的合金丝固定螺栓，另一端绕经右侧的滑轮连接第三螺钉；
第二螺钉连接偏置弹簧。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述合金丝固定板(205)和所述转动机构(203)均为绝缘材料。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一形状记忆合金丝以及第二形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一形状记忆合金丝为NiTi形状记忆合金丝，Ti的成分为原子比50.2％～52％。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外偏转环(302)和内偏转环(303)初始状态下处于同一水平面。
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