CN203876975U - 小型水下无人航行驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的小型水下无人航行驱动装置。单关节构成：在两椭圆形挡板之间连接有活动梁，活动梁分为两段，两段之间通过铰链连接，在两椭圆形挡板之间的上部连接有SMA形状记忆合金上弹簧，下部连接有SMA形状记忆合金下弹簧。多关节航行驱动装置构成：由多段单关节相互连接，构成多关节的水下航行驱动装置。本实用新型由多关节极易合金驱动器组成水下航行驱动装置，通过弹簧的冷热伸长与收缩，产生扭力，推动水下航行器在水下行进。具有噪音低，消耗能源少，组合随机和航行性能优越的优点。适宜作为水下航行器的驱动装置应用。

Description

小型水下无人航行驱动装置

技术领域

本实用新型提供的是水下行进工具，具体地说是小型水下无人航行驱动装置。

    背景技术

小型无人系统是二十世纪九十年代，美国等发达国家开始发展的，融合了机器人、先进的动力与推进、微型化、移动和自适应数字网络、生物科学等技术的新概念武器，它在基础理论、设计、制造与试验技术等方面都具有革命性创新，必将对未来战争模式带来革命性的影响。其中作为小型无人系统研究重点之一的小型水下无人航行器具有目标小、噪声低、易于接近目标而不易被敌方发现等特别适于在近海、狭窄海域或浅水海区执行一些特种任务，如破坏敌人海上交通运输线、对敌岸基地或锚泊舰船、水雷进行侦察、袭击等。此外，它还具有造价低、便于大批量建造、运输方便等优点。

在小型水下无人航行器设计中，几个关键问题包括机构设计、驱动方式及驱动器设计及控制系统设计等。其中驱动器是水下无人航行器的动力部件，航行器要实现预定的运动和功能离不开驱动器。驱动器的体积、重量、价格和性能在很大程度上决定了其体积、重量、价格和性能。因此对小型驱动器的研究和开发是小型水下无人航行器研究的一个重要内容。

形状记忆合金（SMA）驱动器具有独特的优势适用于小型水下无人航行器：

（1）由于SMA合金良好的耐腐蚀性，使得SMA驱动器可用于海水环境中；

（2）功率∕质量比相对其它驱动器高，且能获得较大的变形；

（3）SMA是将热能转换为机械能，通过控制加热和冷却，就可获得重复性良好的驱动动作，因而控制方便；

（4）当用电流激励时只需低电压（如10-20V）驱动，因而标准电源就能满足； 

（5）虽然SMA的响应频率不高，但用于小型水下无人航行器可以利用周围的水环境迅速冷却，缩减其循环周期。

因此在小型水下无人航行器关键技术的研究中，深入开展用形状记忆合金驱动的无噪音、反应灵活、结构小型化的仿生水下驱动器的探索，对实现航行器的高效性和高度隐身性，具有重要的理论意义和直接的军事价值。

发明内容

为了使水下航行驱动装置具有优越功能和使用性能，本实用新型提供了小型水下无人航行驱动装置。该装置通过记忆合金构件实现水下航行装置的驱动，解决小型水下航行器驱动性能的技术问题。

本实用新型解决技术问题所采用的方案是：

单关节构成：在两椭圆形挡板1之间连接有活动梁2，活动梁分为两段，两段之间通过铰链3连接，在两椭圆形挡板之间的上部连接有SMA形状记忆合金上弹簧4，下部连接有SMA形状记忆合金下弹簧5。

多关节航行驱动装置构成：由多段单关节相互连接，构成多关节的水下航行驱动装置。

积极效果，本实用新型由多关节记忆合金驱动器组成水下航行驱动装置，通过弹簧的冷热收缩与伸长，产生扭力，推动水下航行器在水下行进。具有噪音低，消耗能源少，组合随机和航行性能优越的优点。适宜作为水下航行器的驱动装置应用。

附图说明

图1为本实用新型驱动器结构图

图2为本实用新型多关节组合连接状态图

图中，1.椭圆形挡板，2.连接梁，3.铰链，4. SMA形状记忆合金上弹簧，5. SMA形状记忆合金下弹簧。

具体实施方式

单关节构成：据图1所示，在两椭圆形挡板1之间连接有活动梁2，活动梁分为两段，两段之间通过铰链3连接，在两椭圆形挡板之间的上部连接有SMA形状记忆合金上弹簧4，下部连接有SMA形状记忆合金下弹簧5。

多关节航行驱动装置构成：据图2所示，由多段单关节相互连接，构成多关节的水下航行驱动装置。

工作过程说明：

弹簧由记忆合金制成，处于高温时，形成奥氏体，处于低温时，弹簧呈马氏体。

当上弹簧呈奥氏体，而下弹簧则呈马氏体，此时，上弹簧收缩，下弹簧舒展，拉动活动梁向下弯曲；

当上弹簧呈马氏体，而下弹簧则呈奥氏体，此时，上弹簧舒张，下弹簧收缩，拉动活动梁向上弯曲。

通过上下弹簧分别处于高温或低温时，弹簧拉动活动梁改变倾斜角度，产生扭曲变形，通过扭曲变形推动航行器运行。

在实际中，由多关节相互连接组成延长的水下航行驱动装置，所述关节为图1所表示的结构。

实例说明：

小型水下无人航行驱动装置，主要包括转动的关节和形状记忆合金。该水下无人航行驱动装置由多关节组成，形状记忆合金采用差动式工作原理工作，各关节在形状记忆合金的驱动下可以绕铰链转动，通过对形状记忆合金进行设定温度的加热和冷却，驱动水下无人航行装置作仿鱼摆动，推动其水下航行。

工作原理：

控制原理为：附图1为小型水下无人航行驱动装置的单关节形状记忆合金驱动器工作原理示意图。它由两组SMA形状记忆合金弹簧和铰接在一起的刚性关节组成，关节的两端有椭圆形挡板，每组SMA形状记忆合金弹簧的末端用钩环分别与两个挡板连接，且对称分布于关节两侧，距离其轴线的距离为                                                。两组SMA形状记忆合金弹簧选取相同的形状尺寸参数和记忆参数。SMA形状记忆合金上弹簧和SMA形状记忆合金下弹簧在安装前都处于低温完全马氏体状态，被施加适当的载荷然后卸载产生有相等的残余变形，因此整个结构处于平衡状态。由差动式SMA驱动器的工作原理可知，单关节SMA驱动器的工作原理如下：当SMA形状记忆合金上弹簧加热到马氏体向奥氏体相变开始温度，它的弹性系数会增大，输出力增加，而此时SMA形状记忆合金下弹簧保持低温不变，整个系统不能维持平衡，发生偏转，随后SMA形状记忆合金上弹簧温度降低，而此时SMA形状记忆合金下弹簧温度升高，整个系统发生相反方向的偏转，通过对两根SMA形状记忆合金弹簧的反复加热和冷却，从而整个系统实现反复左右摆动。

按照航行器运行规律，计算出一个周期内多关节驱动器两侧的SMA形状记忆合金弹簧需要加热和冷却的次数，实现驱动器的仿鱼摆动，为水下无人航行装置进行水下航行提供动力，使其能够实现传统动力仿鱼航行装置的水下航行功能。 

Claims (1)

1. 小型水下无人航行驱动装置，其特征是：

单关节构成：在两椭圆形挡板（1）之间连接有活动梁（2），活动梁分为两段，两段之间通过铰链（3）连接，在两椭圆形挡板之间的上部连接有SMA形状记忆合金上弹簧（4），下部连接有SMA形状记忆合金下弹簧（5）；

多关节航行驱动装置构成：由多段单关节相互连接，构成多关节的水下航行驱动装置。