CN116605388B - 一种单电机驱动的水下矢量推进器及其矢量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下推进器，具体是一种单电机驱动的水下矢量推进器及其矢量装置。一种单电机驱动的水下矢量推进器的矢量装置，包括电机驱动机构和角度偏转机构；电机驱动机构和角度偏转机构的下部固定在平推轴承上；电机驱动机构通过传动机构与角度偏转机构连接；角度偏转机构包括Z型轴、支架、滑动机构和摆动球副；支架的顶部带有弧形滑轨；Z型轴安装在支架下部，在所述传动机构的带动下旋转；弧形滑轨连接滑动机构，滑动机构的下端与Z型轴连接；在Z型轴的旋转带动下，滑动机构沿弧形滑轨左、右滑动，进而带动与滑动机构相连的摆动球副在设定角度范围内偏转。本发明采用单一电机即可实现推进器两个自由度的角度调整，实现推进器的轻量化。

Description

一种单电机驱动的水下矢量推进器及其矢量装置

技术领域

本发明涉及水下推进器，具体是一种单电机驱动的水下矢量推进器及其矢量装置。

背景技术

水下航行器开展作业过程中通过水下推进器进行动力推进，航行器向目的地航行时，会受到海流和导航精度的影响，发生偏航情况，纠偏过程中，需要推进器调整方向，使其满足作业需求。常规的导航方式是安装多个推进器、舵叶和连杆机构实现。多个推进器的安装对水下航行器整体平衡设计提出调整，并且能源消耗高、控制线路多且复杂。采用舵叶形式，则需要四个舵叶，通过舵机带动舵叶调整流向，从而产生偏航力，调整水下航行器的运动方向，其电路连接仍然较为复杂。

美国蓝旗金枪鱼型水下航行器通过三个舵机带动三个支撑杆调整推进器的方向及角度，尽管舵机少了一个，但其操作及控制线路仍然较为复杂，对设计及安装人员提出较高的要求。中国实用新型专利(CN202222729416.X，一种水下矢量推进器)中公开的水下矢量推进器采用多个液压杆进行调整，在水下环境中，多个液压杆操作时易出现不协调，导致推进器方向角度偏差较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的水下矢量推进器存在的诸多技术问题，提供一种单电机驱动的水下矢量推进器及其矢量装置，采用单一电机，配合角度偏转机构，从而实现对推进器的多自由度运动的控制，同时简化了矢量装置的构造和控制原理，提高了控制效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种单电机驱动的水下矢量推进器的矢量装置，包括电机驱动机构和角度偏转机构；电机驱动机构和角度偏转机构的下部固定在平推轴承上；所述电机驱动机构通过传动机构与角度偏转机构连接；所述的角度偏转机构包括Z型轴、支架、滑动机构和摆动球副；所述支架的顶部带有弧形滑轨；Z型轴安装在支架下部，在所述传动机构的带动下旋转；所述弧形滑轨连接滑动机构，所述滑动机构的下端与Z型轴连接；在所述Z型轴的旋转带动下，所述滑动机构沿所述弧形滑轨左、右滑动，进而带动与滑动机构相连的摆动球副在设定角度范围内偏转。

优选地，所述的滑动机构包括连接套、连接架和滑块；所述连接套安装于所述Z型轴的中部，二者转动装配；连接架的下端与连接套固定，上端与滑块固定；滑块装配在弧形滑轨上。

优选地，所述的摆动球副包括摆杆与球副；所述摆杆的上端与滑动机构固定，下端与球副固定。

优选地，所述的传动机构包括蜗轮蜗杆机构和齿轮组；所述的齿轮组至少包括一个与蜗轮同轴的齿轮和一个与Z型轴同轴的齿轮；蜗杆与电机驱动机构连接。

优选地，所述的电机驱动机构包括双轴电机，所述双轴电机的两个轴分别连接两个电磁离合器；其中一个电磁离合器与蜗杆连接；另一个电磁离合器通过小齿轮与旋转限位机构连接。

优选地，所述的旋转限位机构包括十字架、限位板、大齿轮和气动锁紧装置；限位板的中部、十字架的中部及大齿轮通过限位柱装配；所述气动锁紧装置固定在所述十字架的末端；所述限位板一端与电磁离合器连接，另一端设有限位卡槽；所述限位卡槽与气动锁紧装置配合；所述大齿轮与小齿轮啮合。

本发明还提供一种单电机驱动的水下矢量推进器，包括所述的矢量装置和推进器；所述推进器与所述矢量装置的摆动球副连接，在所述摆动球副的带动下，实现角度偏转和旋转。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：采用单一电机即可实现推进器两个自由度的角度调整，即转向运动平面或俯仰运动平面内的角度偏转与转向运动平面和俯仰运动平面之间的切换，简化了控制线路和控制原理，实现推进器的轻量化。

附图说明

图1为本发明实施例中单电机驱动的水下矢量推进器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中矢量装置的结构示意图；

图3为角度偏转机构的示意图；

图4为电机驱动机构的示意图；

图5为旋转限位机构的示意图；

图6为支架的结构示意图；

图7为滑动机构的示意图；

图8为滑套的结构示意图；

图9为Z型轴的结构示意图；

图10为齿轮组的结构示意图；

图11为十字架的结构示意图；

图12为限位板的结构示意图；

图13为限位柱的结构示意图；

图14为集电器内芯的结构示意图；

图15为Z型轴和偏转角度的设计原理示意图；

图中：1、轴承；2、限位柱；3、大齿轮；4、集电器外壳；5、滑块；6、支架；7、连接架；8、齿轮组；9、滑套；10、Z型轴；11、平推轴承；12、摆杆；13、球副外箍；14、球副；15、推进器；16、蜗轮；17、蜗轮轴；18、蜗杆；19、第一电磁离合器；20、电机支架；21、双轴电机；22、第二电磁离合器；23、限位板；24、气动锁紧器开关；25、十字架；26、气动锁紧器；27、集电器内芯；28、固定片；29、外壳；

201：出线口；202：螺纹端；203：本体；

501：副滑块；502：短轴；

601：弧形滑轨；602：滑槽；603：轴承安装孔；

801：第一齿轮；802：第二齿轮；803：第三齿轮；804：齿轮支架；

101：横轴；102：连接臂；103：连接轴；

231：限位卡槽；232：安装孔；233：轴孔；

251：螺纹孔；

271：线孔。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供一种单电机驱动的水下矢量推进器矢量装置，该矢量装置主要用于控制水下推进器的角度偏转和方向调整。如图1和图5所示，该矢量装置主要包括电机驱动机构、角度偏转机构、旋转限位机构、传动机构和壳体水密机构。其中，电机驱动机构为矢量装置的角度偏转和旋转提供动力，角度偏转机构的功能是实现转向或俯仰运动平面内的角度偏转；旋转限位机构的功能是实现转向运动与俯仰运动之间的切换，并在切换后实现该运动面的自锁，避免因外力使运动面变化；传动机构用于在电机驱动机构和角度偏转机构之间传递动力；壳体水密机构主要提供水密环境，保证内部机构的正常工作。

如图1、图2和图3所示，角度偏转机构包括滑块5、支架6、连接架7、滑套9、Z型轴10、摆杆12和球副14。其中，如图6所示，支架6的顶部具有弧形滑轨601，弧形滑轨601的中部开设有滑槽602，支架6的下部设有轴承安装孔603，其内安装有轴承。支架6的下端焊接在平推轴承11上，平推轴承11的一面与外壳29固定，另一面可旋转，支架6位于可旋转的面上。滑块5装配在弧形滑轨601上，可沿弧形滑轨601左右滑动。如图7所示，滑块5通过短轴502与连接架7连接，连接架7为等腰三角形。短轴502置于滑槽602中，在连接架7的带动下，短轴沿着滑槽602左右移动，从而带动滑块5移动。滑块5的侧面通过铆钉或螺栓连接副滑块501，副滑块501中固定摆杆12，摆杆12的下端与球副14连接。摆杆12和球副14的内部预留穿线孔，用于推进器线缆的布线。

连接架7的底部连接滑套9，滑套9由两个对称的半圆柱体组成，如图8所示。滑套9的两个半圆柱体置于Z型轴10的中部，通过螺栓将两个半圆柱体连接固定。滑套9与Z型轴10之间经充分润滑，可保证Z型轴10在滑套9内转动。

如图9所示，Z型轴10包括中部的横轴101和两端的连接臂102；两端的连接臂102相互平行，且与横轴101呈30度夹角。连接臂102上设有轴孔和螺栓孔，通过轴孔和螺栓孔安装连接轴103。Z型轴10通过两个连接轴103与支架6上的轴承安装孔603内的轴承连接。

如图4所示，电机驱动机构包括电机支架20、双轴电机21、第一电磁离合器19、第二电磁离合器22。其中，电机支架20焊接在平推轴承11上，并且电机支架20与支架6平行设置。双轴电机21固定在电机支架20上，双轴电机21上端的轴与第二电磁离合器22连接，双轴电机21下端的轴与第一电磁离合器19连接。第一电磁离合器19为不带齿轮的电磁离合器，第二电磁离合器22为带有小齿轮的电磁离合器。

如图4和图10所示，传动机构包括蜗轮16、蜗轮轴17、蜗杆18和齿轮组8；其中蜗轮轴17安装在电机支架20的下部，蜗轮16安装在蜗轮轴17上，蜗杆18与第一电磁离合器19连接。齿轮组8包括第一齿轮801、第二齿轮802、第三齿轮803和齿轮支架804，第一齿轮801、第二齿轮802和第三齿轮803分别通过轴承安装在齿轮支架804上，齿轮支架804一端的第一齿轮801安装在蜗轮轴17上，另一端的第三齿轮803安装在Z型轴10一端的连接轴103上。第一齿轮801、第二齿轮802、第三齿轮803为传动比1:1:1的三个完全一样的齿轮。并且，由于第一齿轮801与蜗轮16同轴，第一齿轮801与蜗轮16的传动比也是1:1。

如图1、图2和图5所示，旋转限位机构包括轴承1、限位柱2、十字架25、限位板23、大齿轮3、气动锁紧器开关24、气动锁紧器26、集电器内芯27、集电器外壳4。十字架25在四个方向上分别通过固定片28固定在外壳29上。如图11所示，十字架25上预留各种安装孔，十字架25的中部通过螺纹孔251与限位柱2上的螺纹端202连接。气动锁紧器开关24、气动锁紧器26安装在十字架25的末端，共有两组气动锁紧器及气动锁紧器开关，且两组相邻。

如图1、图2、图5和图12所示，限位板23的一端通过轴孔233和短轴与第二电磁离合器22连接，另一端设有限位卡槽231，限位卡槽231与气动锁紧器26和气动锁紧器开关24配合。限位板23通过中部的安装孔232和轴承1装配在十字架25和限位柱2之间。气动锁紧器26与控制系统和外部气源连接，当气动锁紧器开关24触发时，气动锁紧器26下端的圆柱体充气膨胀，切换时在控制系统的控制下，放气收缩。

大齿轮3装配在限位柱2下部的本体203上，第二电磁离合器22上的小齿轮与大齿轮3啮合，小齿轮在双轴电机的驱动下，可沿大齿轮3旋转。集电器内芯27焊接在限位柱2的下方，如图13、图14所示，限位柱2内部设有过线孔，该过线孔的出线口201与集电器内芯27上的线孔271相连通。集电器外壳4套在集电器内芯27外部，可绕集电器内芯旋转，集电器外壳4上设有两个接线孔，分别接入推进器15线缆的正负极。本实施例中采用集电器，避免了推进器旋转时线缆的缠绕。

壳体水密机构包括外壳29、球副外箍13、O型密封圈等，球副外箍13固定在外壳29的底部，通过O型密封圈实现静密封。球副14的球面与外壳29的下部和球副外箍13装配，外壳29与球副14之间使用O型密封圈进行动密封。球副14的下端与推进器15连接。

本发明的单电机驱动的水下矢量推进器矢量装置的工作原理描述如下：控制系统发送控制信号，收到角度偏转信号后，双轴电机21运行；第二电磁离合器22无信号，小齿轮不转动。第一电磁离合器19得电吸合，带动蜗杆18转动，从而带动蜗轮16、第一齿轮801、第二齿轮802、第三齿轮803转动；蜗轮蜗杆传动比为50:1，具备良好的自锁能力，实现偏转一定角度后的自锁，蜗轮16和三个齿轮的传动比为1:1:1:1；进而带动Z型轴10在垂直于平推轴承11的面内旋转，进而带动连接架7运动，使滑块5沿支架6上端的弧形滑轨滑动，进而通过摆杆12带动球副14向左或向右移动，球副14又带动推进器15运动，实现推进器15在水平面内的矢量角度偏转。

Z型轴10与平推轴承11水平时，滑块5的运动位置为支架6的中间，此时推进器偏转角度为0。本发明涉及的Z型轴10的Z形为30度，Z形的角度决定推进器偏转的最大角度，Z型轴10与平推轴承11垂直时，滑块运动位置为支架6的两侧，此时推进器最大偏转角度为30度。

Z型轴及偏转角度的设计原理为：如图15所示，a表示Z型轴10的横轴101的长度的二分之一；b表示Z型轴10的连接臂102的长度；c表示连接架7底部的长度；E表示连接轴103的长度；h表示连接架7的高的长度。α1表示Z型轴10的横轴101与水平面的夹角；α2表示连接架7的高与垂直面的夹角。

将连接架7简化为等腰三角形的高和底进行分析，设a的长度和α1的角度已知，则推出：(1)Z型轴10的横轴101的长度的二分之一a与水平面的夹角与连接架7的高最大摆动角度相同，即：

0°＜α1＝α2＜90°；

此为理论值计算，考虑实物具一定形状体积，实际应用应为0＜α1＝α2＜50°；

(2)连接架7底部的长度c的范围为：

0＜c＜2a*(cosα1)²；

(3)Z型轴10的连接臂102的长度b为：b＝asinα1；

(4)连接架7的高的最小值为a的长度，理论上最大值可为∞，即：

a＜h＜∞；

(5)连接轴103的长度E的最小值为E＝a-a*cosα1，最大值为：h，即：

a-a*cosα1＜E＜h。

推进器水平偏转到一定角度后，第一电磁离合器19失电，水平偏转停止并通过蜗轮蜗杆实现自锁。假设以上运动实现推进器的转向运动，如要实现俯仰运动，则在控制信号下，第二电磁离合器22得电，小齿轮在双轴电机21的带动下，沿着大齿轮3旋转，电机支架20也跟着旋转，由于电机支架20固定在平推轴承11的旋转面上，因此，平推轴承11旋转，进而带动球副14旋转。小齿轮围绕大齿轮3转动过程中，当限位板23的限位卡槽231撞到气动锁紧器开关24时，开关触发，气动锁紧器26动作，气动锁紧器26的下端在限位板23的限位卡槽231处膨胀锁住，推进器实现了从转向运动平面到俯仰运动平面的旋转，且实现自锁。初始状态下，限位板23与其中一个气动锁紧器锁紧，转换方向时，限位板23旋转90度，切换到另一个气动锁紧器处，并锁紧。

本发明提供的单电机驱动的水下矢量推进器，可通过十字架25上预留的螺钉孔装配到各种水下航行器，也可加装后端密封壳作为单独推进器使用，实现水下动力矢量推进。

Claims (4)

1.一种单电机驱动的水下矢量推进器的矢量装置，其特征在于：包括电机驱动机构和角度偏转机构；电机驱动机构和角度偏转机构的下部固定在平推轴承上；平推轴承的一面固定，另一面能够转动，电机驱动机构和角度偏转机构的下部固定在平推轴承能够转动的一面；所述电机驱动机构通过传动机构与角度偏转机构连接；所述的角度偏转机构包括Z型轴、支架、滑动机构和摆动球副；所述支架的顶部带有弧形滑轨；支架的底部固定在平推轴承能够转动的一面，Z型轴安装在支架下部，在所述传动机构的带动下旋转；所述弧形滑轨连接滑动机构，所述滑动机构的下端与Z型轴连接；在所述Z型轴的旋转带动下，所述滑动机构沿所述弧形滑轨左、右滑动，进而带动与滑动机构相连的摆动球副在设定角度范围内偏转；所述的滑动机构包括连接套、连接架和滑块；所述连接套安装于所述Z型轴的中部，二者转动装配；连接架的下端与连接套固定，上端与滑块固定；滑块装配在弧形滑轨上；所述的摆动球副包括摆杆与球副；所述摆杆的上端与滑动机构固定，下端与球副固定；所述的电机驱动机构包括双轴电机和电机支架，双轴电机固定在电机支架上，电机支架固定在平推轴承能够转动的一面，所述双轴电机的两个轴分别连接第一电磁离合器和第二电磁离合器；其中第一电磁离合器与传动机构连接；第二电磁离合器通过小齿轮与旋转限位机构的大齿轮连接；大齿轮与小齿轮啮合，小齿轮能够绕大齿轮转动，从而通过电机支架带动平推轴承旋转，进而带动球副旋转。

2.根据权利要求1所述的单电机驱动的水下矢量推进器的矢量装置，其特征在于：所述的传动机构包括蜗轮蜗杆机构和齿轮组；所述的齿轮组至少包括一个与蜗轮同轴的齿轮和一个与Z型轴同轴的齿轮；蜗杆与第一电磁离合器连接。

3.根据权利要求2所述的单电机驱动的水下矢量推进器的矢量装置，其特征在于：所述的旋转限位机构包括十字架、限位板、大齿轮和气动锁紧装置；限位板的中部、十字架的中部及大齿轮通过限位柱装配；所述气动锁紧装置固定在所述十字架的末端；所述限位板一端与第二电磁离合器连接，另一端设有限位卡槽；所述限位卡槽与气动锁紧装置配合。

4.一种单电机驱动的水下矢量推进器，其特征在于：包括如权利要求1-3任一项所述的矢量装置和推进器；所述推进器与矢量装置的摆动球副连接。