CN113277051B - 一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，包括齿轮同步式筝形机构、调节机构和驱动机构。每个筝形机构的一端铰接在控制轴上，另一端通过一对齿轮连接叶片自转轴，利用齿轮啮合的同步运动，使得叶片围绕基座公转的同时，始终按照叶弦线方向垂直于叶片自转轴与控制轴连线的规律自转；由驱动机构实现的所有叶片的公转运动，以及筝形机构实现的每个叶片的自转运动，两者共同作用产生了摆线推进力；进一步通过调节机构改变控制轴的径向和周向平面位置，改变推进器的推力大小和方向。本发明能够使叶片精确地按照摆线规律运动，提升推进性能的同时且具有模块化的特征，能够便捷地安装到水下载体上。

Description

一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器

技术领域

本发明涉及动力装置技术领域，尤其涉及一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器。

背景技术

船舶工业是为水上交通运输、海洋资源开发及国防建设提供技术装备的综合性和战略性产业，是国家发展高端装备制造业、实施海洋强国战略的重要组成部分。推进器作为船舶的核心设备，提升推进器的性能对船舶工业的发展具有极大的促进作用。相比于普通螺旋桨，摆线推进器作为一种新型推进装置，具有操纵性能好、响应速度快、机动性能佳、推进效率高且可在浅水中使用的优点，因此具有特殊的应用价值和发展潜力。尤其是摆线推进器的推力方向不受航速限制，可在平面范围内任意调节，因此，采用摆线推进器的船舶具有更为灵活的操纵性和机动性，甚至能够进行原地回转。但是目前摆线推进器的结构设计并不成熟，常见的有凸轮式、齿轮式、六连杆式、曲柄滑块式、舵机式、步进电机式等，其中凸轮式和齿轮式无法调整控制点的位置，这严重影响了摆线推进器的机动性能，六连杆式结构对每根连杆的长度有着严格要求，需要精确计算每根连杆的长度，曲柄滑块式结构不能调整偏心距的大小，舵机式结构在控制方面难以实现对每个叶片的精确控制，步进电机式需要根据叶片的摆动规律编写专门的叶片控制算法，且叶片数量增加时，需要控制的步进电机的数量也会增加。这些方案都难以充分发挥摆线推进器的优越性能。

因此，亟待设计一款结构简单，能任意改变控制轴位置，并且能精确实现摆线推进器运动规律的结构。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器结构，以精确实现摆线推进器的运动机理。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，包括驱动机构、外壳、叶片，所述驱动机构设置在所述外壳内，所述叶片连接在驱动机构上，驱动机构可以带动叶片围绕旋转中心公转，其特征在于：还包括用于控制叶片自转的齿轮同步式筝形机构和控制轴，所述齿轮同步式筝形机构包括第一齿轮、第二齿轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和叶片连接轴，所述叶片连接轴的上端设有两个光轴，叶片连接轴下端和叶片固定连接，所述第一连杆、第三连杆、第四连杆和第二连杆依次相互铰接，第三连杆和第四连杆的铰接点活动套设在所述控制轴上，所述第一齿轮和第二齿轮分别固定设置在第一连杆和第二连杆的端部，第一连杆和第二连杆的端部活动套设在所述光轴上，第一齿轮和第二齿轮之间互相啮合，第一连杆和第二连杆的长度相同，第三连杆和第四连杆的长度相同，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆形成一筝形形状，控制轴的轴心到叶片连接轴轴心的连线与叶片的叶弦线相互垂直。

进一步的，所述驱动机构包括圆形的基座、基座盖、主轴、第一电机、第三齿轮和第四齿轮，所述基座通过轴承与所述外壳相连接，所述基座盖固定连接在基座上端，所述主轴穿过基座盖的中心并固定连接在外壳上，所述第三齿轮固定连接在主轴上，所述第一电机固定设置在基座盖上，所述第四齿轮与第一电机的输出轴相连接，第三齿轮和第四齿轮之间相互啮合，在基座的同一圆周上设置有若干安装孔，所述叶片连接轴穿设在所述安装孔中。

进一步的，还设置有控制轴调节机构，所述控制轴调节机构包括第五齿轮、第六齿轮、第二电机、第三电机、套筒、联轴器、丝杆和螺母滑块，所述第五齿轮固定连接在所述主轴的下端，所述第二电机固定设置在所述套筒上，所述第六齿轮与第二电机的输出轴相连接，第五齿轮和第六齿轮之间相互啮合，所述第三电机固定设置在套筒中，所述丝杆通过所述联轴器连接在第三电机的输出轴上，所述螺母滑块与丝杆螺纹连接，所述控制轴固定连接在螺母滑块上。

进一步的，所述叶片连接轴的长度各不相同，以保证所有叶片均处于同一高度上。

进一步的，所述第一连杆和第三连杆之间、第二连杆和第四连杆之间通过微型轴承、螺栓、螺母相互铰接。

进一步的，所述齿轮同步式筝形机构及叶片的数量可以根据实际情况调节，叶片以主轴为中心呈中心对称式布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明利用齿轮同步式筝形机构完成控制轴与叶片自转轴的连接，并通过齿轮啮合的方式保证叶片的摆线运动规律，结构简单，便于实现。2、本发明通过丝杠螺母机构改变控制轴与主轴的偏心距，并使用齿轮啮合的方式改变控制轴的周向位置。这种方式能够直观便捷地改变控制轴的平面位置，从而改变推进器推力的大小和方向。3、本发明在空间和电机负载能力允许范围内，可自由调节叶片数量，实现不同工作环境下使用不同叶片数目以达到最佳推进效果的实际要求。4、本发明连杆组之间摩擦力较小，运动可靠，可实现较大公转速度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构剖视图；

图3为本发明齿轮同步式筝形机构示意图；

图4为本发明四组齿轮同步式筝形机构组合示意图；

图5为本发明驱动机构示意图；

图6为本发明控制轴调节机构示意图；

图7为本发明基座结构示意图；

图8为本发明摆线推进器工作原理图；

图9为本发明齿轮同步式筝形机构原理图。

其中：1-外壳；2-叶片；3-控制轴；4-第一齿轮；5-第二齿轮；6-第一连杆；7-第二连杆；8-第三连杆；9-第四连杆；10-叶片连接轴；11-光轴；12-基座；13-基座盖；14-主轴；15-第一电机；16-第三齿轮；17-第四齿轮；18-轴承；19-安装孔；20-第五齿轮；21-第六齿轮；22-第二电机；23-第三电机；24-套筒；25-联轴器；26-丝杆；27-螺母滑块。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

作为本发明的具体实施例，图1-7示出了一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，包括驱动机构、外壳1、叶片2，驱动机构设置在外壳1内，叶片2连接在驱动机构上，驱动机构可以带动叶片2围绕旋转中心做公转，还包括用于控制叶片2自转的齿轮同步式筝形机构和控制轴3，如图3所示，齿轮同步式筝形机构包括第一齿轮4、第二齿轮5、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9和叶片连接轴10，叶片连接轴10的上端设有两个光轴11，叶片连接轴10下端和叶片2固定连接，第一连杆6、第三连杆8、第四连杆9和第二连杆7依次相互铰接，第三连杆8和第四连杆9的铰接点活动套设在控制轴3上，第一齿轮4和第二齿轮5分别固定设置在第一连杆6和第二连杆7的端部，第一连杆6和第二连杆7的端部活动套设在光轴11上，第一齿轮4和第二齿轮5之间互相啮合，第一连杆6和第二连杆7的长度相同，第三连杆8和第四连杆9的长度相同，第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8和第四连杆9形成一筝形形状，控制轴3的轴心到叶片连接轴10轴心的连线与叶片2的叶弦线相互垂直。

优选的，如图5所示，驱动机构包括圆形的基座12、基座盖13、主轴14、第一电机15、第三齿轮16和第四齿轮17，基座12通过轴承18与外壳1相连接，基座盖13固定连接在基座12上端，主轴14穿过基座盖13的中心并固定连接在外壳1上，第三齿轮16固定连接在主轴14上，第一电机15固定设置在基座盖13上，第四齿轮17与第一电机15的输出轴相连接，第三齿轮16和第四齿轮17之间相互啮合，如图7所示，在基座12的同一圆周上设置有若干安装孔19，叶片连接轴10穿设在安装孔19中。

如图6所示，还设置有控制轴调节机构，控制轴调节机构包括第五齿轮20、第六齿轮21、第二电机22、第三电机23、套筒24、联轴器25、丝杆26和螺母滑块27，第五齿轮20固定连接在主轴14的下端，第二电机2固定设置在套筒24上，第六齿轮21与第二电机22的输出轴相连接，第五齿轮20和第六齿轮21之间相互啮合，第三电机23固定设置在套筒24中，丝杆26通过联轴器25连接在第三电机23的输出轴上，螺母滑块27与丝杆26螺纹连接，控制轴3固定连接在螺母滑块27上。

如图4所示，齿轮同步式筝形机构及叶片2的数量设置为四个，叶片2以主轴14为中心呈中心对称式布置，叶片连接轴10的长度各不相同，以保证所有叶片2均处于同一高度上。第一连杆6和第三连杆8之间、第二连杆7和第四连杆9之间通过微型轴承、螺栓、螺母相互铰接。

本实施例的具体工作过程及原理如下：

如图8所示，摆线推进器在工作过程中，基座12围绕主轴14的轴心O做公转。由于叶片2的叶弦线方向始终与叶片2的自转轴轴心A到控制轴轴心R的连线垂直，因此叶片2会产生周期性摆动而形成以自转轴轴心A为中心的自转，叶片2在各个位置的升力和阻力也会发生周期性变化。由于相对的两个叶片2之间为中心对称布置，所以叶片2所受的阻力将相互抵消。叶片运动过程中，各个位置的叶片所受到的升力矢量叠加最终构成摆线推进器的推力。具体以图8中所示，经过受力分析后，相互对称的两个叶片所受到力分别为a1和a2，将它们分解后，b1和b2大小相等方向相反，从而相互抵消，c1和c2则方向相同相互叠加，形成推力。

齿轮同步式筝形机构的原理如图9所示，A、B表示第一齿轮4和第二齿轮5的轴心，AC边表示第一连杆6，BD边表示第二连杆7，CE边表示第三连杆8，DE边表示第四连杆9，由于第一齿轮4与第二齿轮5相互啮合，因此AC边始终与BD边关于直线l对称，将AC边与BD边反向延长交于点F，F点必定在直线l上，且CF边长等于DF边长，同时由于CE边长等于DE边长，FCED即构成了一个筝形，因此对角线CD垂直于对角线FE，又AB边平行于对角线CD，即可证AB边垂直于直线l。AB即为第一齿轮4与第二齿轮5的轴心之间的连线，又是叶片2叶弦线的方向，而直线l重合于控制轴3轴心到叶片连接件10中自转轴轴心的连线，因此齿轮同步式筝形机构可以始终保证控制轴3的轴心到叶片连接件10上自转轴轴心的连线与叶弦线方向垂直。

第二电机22转动时可以带动套筒24以主轴14为圆心旋转，使得丝杠-螺母滑块机构整体围绕主轴14做公转，控制轴3也随着套筒24围绕主轴14做公转，从而改变控制轴3的周向位置；第三电机23转动可以带动丝杠26转动，螺母滑块27随着丝杠26的转动而沿着丝杆26轴向移动，带动控制轴3在径向方向移动，从而改变控制轴3的径向位置。第二电机22和第三电机23之间通过相互配合，即可任意改变控制轴3在基座12上的平面位置，从而调整摆线推进器的推力方向。

当第一电机15转动时，第三齿轮16由于固定在主轴14上而相对与外壳1静止不动，由于第三齿轮16和第四齿轮17之间啮合，所以第一电机15便可围绕主轴14公转，同时带动基座12绕主轴14在外壳1中转动。轴承18的外圈与外壳1过盈配合，内圈与基座12过盈配合，保证基座12转动平稳，运动流畅。在基座12转动过程中控制轴3的位置固定，叶片2在围绕主轴14公转的同时会绕叶片连接件10上的自转轴自转，以保证控制轴3轴心到叶片连接件10上自转轴轴心的连线始终与叶片2的叶弦线方向垂直，从而产生推动力。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，包括驱动机构、外壳（1）、叶片（2），所述驱动机构设置在所述外壳（1）内，所述叶片（2）连接在驱动机构上，驱动机构可以带动叶片（2）围绕旋转中心公转，其特征在于：还包括用于控制叶片（2）自转的齿轮同步式筝形机构和控制轴（3），所述齿轮同步式筝形机构包括第一齿轮（4）、第二齿轮（5）、第一连杆（6）、第二连杆（7）、第三连杆（8）、第四连杆（9）和叶片连接轴（10），所述叶片连接轴（10）的上端设有两个光轴（11），叶片连接轴（10）下端和叶片（2）固定连接，所述第一连杆（6）、第三连杆（8）、第四连杆（9）和第二连杆（7）依次相互铰接，第三连杆（8）和第四连杆（9）的铰接点活动套设在所述控制轴（3）上，所述第一齿轮（4）和第二齿轮（5）分别固定设置在第一连杆（6）和第二连杆（7）的端部，第一连杆（6）和第二连杆（7）的端部活动套设在所述光轴（11）上，第一齿轮（4）和第二齿轮（5）之间互相啮合，第一连杆（6）和第二连杆（7）的长度相同，第三连杆（8）和第四连杆（9）的长度相同，第一连杆（6）、第二连杆（7）、第三连杆（8）和第四连杆（9）形成一筝形形状，控制轴（3）的轴心到叶片连接轴（10）轴心的连线与叶片（2）的叶弦线相互垂直；

所述驱动机构包括圆形的基座（12）、基座盖（13）、主轴（14）、第一电机（15）、第三齿轮（16）和第四齿轮（17），所述基座（12）通过轴承（18）与所述外壳（1）相连接，所述基座盖（13）固定连接在基座（12）上端，所述主轴（14）穿过基座盖（13）的中心并固定连接在外壳（1）上，所述第三齿轮（16）固定连接在主轴（14）上，所述第一电机（15）固定设置在基座盖（13）上，所述第四齿轮（17）与第一电机（15）的输出轴相连接，第三齿轮（16）和第四齿轮（17）之间相互啮合，在基座（12）的同一圆周上设置有若干安装孔（19），所述叶片连接轴（10）穿设在所述安装孔（19）中；

还设置有控制轴调节机构，所述控制轴调节机构包括第五齿轮（20）、第六齿轮（21）、第二电机（22）、第三电机（23）、套筒（24）、联轴器（25）、丝杆（26）和螺母滑块（27），所述第五齿轮（20）固定连接在所述主轴（14）的下端，所述第二电机（22）固定设置在所述套筒（24）上，所述第六齿轮（21）与第二电机（22）的输出轴相连接，第五齿轮（20）和第六齿轮（21）之间相互啮合，所述第三电机（23）固定设置在套筒（24）中，所述丝杆（26）通过所述联轴器（25）连接在第三电机（23）的输出轴上，所述螺母滑块（27）与丝杆（26）螺纹连接，所述控制轴（3）固定连接在螺母滑块（27）上。

2.根据权利要求1所述一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，其特征在于：所述叶片连接轴（10）的长度各不相同，以保证所有叶片（2）均处于同一高度上。

3.根据权利要求2所述一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，其特征在于：所述第一连杆（6）和第三连杆（8）之间、第二连杆（7）和第四连杆（9）之间通过微型轴承、螺栓、螺母相互铰接。

4.根据权利要求3所述一种采用齿轮同步式筝形机构的模块化摆线推进器，其特征在于：所述齿轮同步式筝形机构及叶片（2）的数量可以根据实际情况调节，叶片（2）以主轴（14）为中心呈中心对称式布置。

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