CN115649423A - 一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跨介质飞行器领域，公开了一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构，包括：水用螺旋桨、空用螺旋桨、花键轴以及驱动螺旋桨旋转的驱动电机，水用螺旋桨与水用轴固定连接，水用轴套设在花键轴的端部且可以随花键轴旋转；空用螺旋桨与花键轴连接且可以沿花键轴轴向移动，空用螺旋桨与水用螺旋桨之间设置有弹簧，弹簧套设在花键轴上；空用螺旋桨远离弹簧的一侧设有推动机构，通过推动机构推动空用螺旋桨移动。该共轴双桨结构通过同一个电机分别驱动水用螺旋桨和空用螺旋桨旋转，利用花键轴、花键衬套、推盘、弹簧等部件通过简单且可靠的机械连接巧妙地实现了水用螺旋桨、空用螺旋桨上的动力切换，极大地提高了动力系统的转化效率。

Description

一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构

技术领域

本发明涉及跨介质飞行器领域，尤其涉及一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构。

背景技术

跨介质飞行器是潜器和飞机的结合体，跨介质飞行器是能够多次跨越水/空界面且能持续航行、重复使用的新型无人飞行器，兼具空中飞行、水下航行的能力，在海空通信、搜救与水下设备检修等领域具有广阔的应用前景。

由于空气和水的物理特性差异较大，导致跨介质飞行器在空中和水下行进时所承受的阻力不同，推进系统需要考虑空气动力学和水动力学，并要求推进系统满足在两种介质航行时不同的动力需求。在空中飞行时，需要螺旋桨具有高转速、小扭矩的特性，在水下潜行时需要螺旋桨具有低转速、大扭矩的结构特点，而目前跨介质飞行器的动力装置均采用水下、空中两套独立的动力推进系统，虽然可以满足飞行器的使用需要，但两套重复的动力系统存在结构重复，质量大、占用空间多的缺点，不利于飞行器小型化设计，同时容易导致动力系统转化效率低，进而降低飞行器的续航能力。

发明内容

本发明提供了一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构，解决现有动力推进系统转化效率低的问题。

一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构，包括：水用螺旋桨、空用螺旋桨、花键轴以及驱动螺旋桨旋转的驱动电机，水用螺旋桨与水用轴固定连接，水用轴套设在花键轴的端部且随花键轴旋转；

空用螺旋桨与花键轴连接且沿花键轴轴向移动，空用螺旋桨与水用螺旋桨之间设置有弹簧，弹簧套设在花键轴上；空用螺旋桨远离弹簧的一侧设有推动机构，通过推动机构推动空用螺旋桨移动。

采用上述技术方案的有益效果：花键轴连接有驱动电机，水用螺旋桨直接连接在花键轴上，空用螺旋桨与花键轴之前可固定啮合也可以脱离，水用螺旋桨与空用螺旋桨均可以随花键轴旋转而驱动飞行器行进；空用螺旋桨套设在花键轴上且可以沿花键轴轴向移动，通过推动机构推动空用螺旋桨来控制空用螺旋桨与花键轴是否连接为一体，进而改变花键轴上的动力传递，达到共轴双桨结构，实现一台电机可以分别驱动两种螺旋桨在不同介质中运行。

进一步地，上述推动机构包括推盘与推杆电机，推杆电机的推杆与推盘铰接，推盘套设在花键轴外侧且沿花键轴轴向移动。

进一步地，上述推杆电机连接在固定支座上，固定支座整体呈圆环状，圆环内部设置有驱动电机。

采用上述技术方案的有益效果：推杆电机连接在固定支座上，固定支座内部设置驱动电机，可以使驱动电机的输出轴在较短的距离直接与花键轴连接，有利于减小整个装置的体积，使装置结构紧凑。

进一步地，上述花键轴一端的外壁上设有键齿，键齿的端部呈具有导向作用的楔形结构。

采用上述技术方案的有益效果：键齿呈楔形便于导向与花键轴连接的部件，使该连接部件顺利与花键轴配合。

进一步地，上述花键轴远离键齿的一端开设有定位孔，定位孔插接有紧固销钉，水用轴通过紧固销钉固定在花键轴上。

采用上述技术方案的有益效果：水用轴通过销钉连接方式与花键轴连接，装配时安装方便，当需要更换水用轴或水用螺旋桨时，可以快速拆卸。

进一步地，上述花键轴的键齿外侧设置有花键衬套，花键衬套包括底盘段与套筒段，底盘段与驱动电机的输出轴连接，套筒段与键齿啮合。

采用上述技术方案的有益效果：花键衬套一端与电机的输出轴连接，另一端与花键轴连接，用于传递电机输出的动力。

进一步地，上述空用螺旋桨与花键轴之间设有T形座，T形座与键齿啮合且沿花键轴滑动，空用螺旋桨与T形座固定连接。

采用上述技术方案的有益效果：空用螺旋桨与花键轴之间设有T形座，避免了空用螺旋桨直接与花键轴的接触，有利于减小空用螺旋桨与键齿之间的磨损。

进一步地，上述弹簧的直径不大于T形座的底座直径。

采用上述技术方案的有益效果：弹簧的直径小于或等于T形座的底座直径，便于推动弹簧压缩或弹簧将弹性力返还至T形座，不会使弹簧卡在空用螺旋桨与花键轴之间的空隙内。

进一步地，上述水用螺旋桨与空用螺旋桨上的叶片均呈螺旋形结构，且空用螺旋桨的径向尺寸大于水用螺旋桨的径向尺寸。

采用上述技术方案的有益效果：空用螺旋桨的径向尺寸较大，符合飞行器在空中飞行时需要高转速、小扭矩的特性；水用螺旋桨的径向尺寸较小，符合飞行器在水下潜行时需要低转速、大扭矩的特性，最大程度的将电机输出动力转化为飞行器行进所需的动力。

本发明具有以下有益效果：

（1）该共轴双桨结构通过同一个电机分别驱动水用螺旋桨和空用螺旋桨旋转，满足了飞行器在水空两种介质中采用同一套动力系统即可行进的需求，减小了动力系统所占的空间和整个装置的质量，简化了飞行器结构的布局，有利于提高飞行器的航程。

（2）该共轴双桨结构利用花键轴、花键衬套、推盘、弹簧等部件通过简单且可靠的机械连接巧妙地实现了水用螺旋桨、空用螺旋桨上的动力切换，极大地提高了动力系统的转化效率。

附图说明

图1为本发明双桨结构在飞行状态时的结构图；

图2为飞行状态时空用螺旋桨与弹簧的位置关系图；

图3为本发明双桨结构在水下潜行状态时的结构图；

图4为水下潜行状态时空用螺旋桨与弹簧的位置关系图；

图5为本发明中花键轴与花键衬套的连接关系图；

图6为本发明中花键衬套的结构示意图。

图中：101-水用螺旋桨；102-水用轴；201-空用螺旋桨；202-花键轴；203-键齿；204-紧固销钉；205-花键衬套；206-弹簧；207-定位孔；301-推盘；401-推杆电机；402-推杆；501-固定支座；601-驱动电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1、图2与图6，本发明提供了一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构，包括：水用螺旋桨101、空用螺旋桨201、花键轴202、花键衬套205、推盘301、推杆电机401、固定支座501以及驱动螺旋桨旋转的驱动电机601；

参考图3与图5，水用螺旋桨101固定连接有水用轴102，水用轴102套设在花键轴202的端部且可以随花键轴202旋转，为飞行器在水中潜行时提供动力；花键轴202的一端开设有定位孔207，水用轴102上也开设有尺寸匹配的通孔，通过紧固销钉204将水用轴102固定在花键轴202上。

花键轴202远离定位孔207的一端设置有键齿203，键齿203均匀分布在花键轴202的外壁；键齿203的两端部呈楔形结构，如箭头形，便于导向与键齿203配合连接的部件。

花键轴202的键齿203外侧设置有花键衬套205，花键衬套205包括底盘段与套筒段，底盘段为一个圆盘，圆盘上开设有多个螺纹孔，用于与驱动电机601的输出轴连接，套筒段呈圆筒状，内壁结构与键齿203啮合，用于将驱动电机601的动力传递至花键轴202上，进而带动连接在花键轴202上的螺旋桨。

参考图1至图4，花键轴202从定位孔207一侧至键齿203一侧依次连接有水用螺旋桨101、弹簧206、空用螺旋桨201与花键衬套205；弹簧206套设在花键轴202外围，空用螺旋桨201安装孔中设置有花键套，花键套的结构与花键衬套205结构相似，包括圆盘形的底座和圆筒形的套筒，花键套的底座一端与弹簧206接触，套筒一端插接在空用螺旋桨201与花键轴202之间，套筒的内壁与键齿203啮合且可沿花键轴202轴向滑动，空用螺旋桨201固定连接在花键套的轴套外壁，随花键套在花键轴202上移动。

弹簧206的直径不大于花键套的底座直径，用于对弹簧206限位。

空用螺旋桨201远离弹簧206的一侧设有推动机构，用于推动空用螺旋桨201在花键轴202上移动；推动机构包括推盘301与推杆电机401，推杆电机401的推杆402与推盘301铰接，推盘301套设在花键轴202上且可以沿花键轴202轴向移动，推杆电机401的末端连接在固定支座501上，固定支座501整体呈圆环状，圆环内部安装有驱动电机601。

推盘301的结构为U形，两端与推杆电机401的推杆402连接，底端中部开设有通孔，花键轴202与花键衬套205均可穿过该通孔，当推杆402伸缩时，推盘301沿着花键轴202轴向移动并推动空用螺旋桨201移动，以控制空用螺旋桨201与花键轴202的连接方式。

水用螺旋桨101与空用螺旋桨201上的叶片均呈螺旋形结构，空用螺旋桨201的叶片径向上尺寸较长，叶片的螺旋弧度变化较小，符合飞行器在空中飞行时需要高转速、小扭矩的特性；水用螺旋桨101的叶片在径向上尺寸较短，且叶片叶面螺旋弧度较大，便于在水下潜行时可以将叶片旋转转化为足够大的轴向推动力，符合飞行器在水下潜行时需要低转速、大扭矩的特性。

本发明仅通过控制两个电动推杆伸缩就可以实现水下、空中推进模式的切换，具有结构简单、控制方式简易、工艺复杂性低的优势，可大大降低现有跨介质飞行器动力装置的重量和成本。

本发明双桨结构的工作原理：本发明将驱动电机601安装在飞行器尾部，花键轴202与驱动电机601的输出轴相连，花键套安装在空用螺旋桨201的安装孔中；弹簧206一端与花键套端面相连，另一端与水用轴102大端面相连；水用轴102与花键轴202通过销钉连接，由同一个电机驱动；推杆电机401与推盘301相连，通过推杆电机401的伸缩带动推盘301沿花键轴202轴向移动，从而实现空用螺旋桨201安装孔内的花键套与花键轴键齿的啮合与分离。

当飞行器在空中飞行时，推杆电机401回缩，空用螺旋桨201内部的花键套与花键轴键齿啮合，由驱动电机601带动空用螺旋桨201旋转，为飞行器提供飞行推进动力；当飞行器在水下潜航时，推杆电机401伸出，带动推盘301移动，推盘301将空用螺旋桨201和花键套往水用轴102一侧推，此时空用螺旋桨201内部的花键套与花键轴键齿分离，驱动电机601旋转不会带着空用螺旋桨201转动，水用螺旋桨101转动。

以上所述仅为本发明的较优实施例，该实施例不代表本发明的所有可能形式，本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种变形与改进，这些变形与改进仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于，包括：水用螺旋桨（101）、空用螺旋桨（201）、花键轴（202）以及驱动螺旋桨旋转的驱动电机（601），所述水用螺旋桨（101）与水用轴（102）固定连接，所述水用轴（102）套设在所述花键轴（202）的端部且随花键轴（202）旋转；

所述空用螺旋桨（201）与所述花键轴（202）连接且沿所述花键轴（202）轴向移动，所述空用螺旋桨（201）与所述水用螺旋桨（101）之间设置有弹簧（206），所述弹簧（206）套设在所述花键轴（202）上；所述空用螺旋桨（201）远离弹簧（206）的一侧设有推动机构，通过所述推动机构推动所述空用螺旋桨（201）移动。

2.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述推动机构包括推盘（301）与推杆电机（401），所述推杆电机（401）的推杆（402）与推盘（301）铰接，所述推盘（301）套设在所述花键轴（202）外侧且沿花键轴（202）轴向移动。

3.根据权利要求2所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述推杆电机（401）连接在固定支座（501）上，所述固定支座（501）整体呈圆环状，圆环内部设置有所述驱动电机（601）。

4.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述花键轴（202）一端的外壁上设有键齿（203），所述键齿（203）的端部呈具有导向作用的楔形结构。

5.根据权利要求4所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述花键轴（202）远离键齿（203）的一端开设有定位孔（207），所述定位孔（207）插接有紧固销钉（204），所述水用轴（102）通过所述紧固销钉（204）固定在所述花键轴（202）上。

6.根据权利要求4所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述花键轴（202）的键齿（203）外侧设置有花键衬套（205），所述花键衬套（205）包括底盘段与套筒段，底盘段与所述驱动电机（601）的输出轴连接，套筒段与所述键齿（203）啮合。

7.根据权利要求6所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述空用螺旋桨（201）与所述花键轴（202）之间设有T形座，T形座与所述键齿（203）啮合且沿花键轴（202）滑动，所述空用螺旋桨（201）与T形座固定连接。

8.根据权利要求7所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述弹簧（206）的直径不大于所述T形座的底座直径。

9.根据权利要求1至8任一项所述的跨介质飞行器水空共轴双桨结构，其特征在于：所述水用螺旋桨（101）与空用螺旋桨（201）上的叶片均呈螺旋形结构，且空用螺旋桨（201）的径向尺寸大于水用螺旋桨（101）的径向尺寸。

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