CN209296286U - 一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，属于负载模拟实验装置技术领域。所述模拟装置主要由双自由度伺服电机、传动机构、传动机构壳体、活塞和输出轴组成，双自由度伺服电机与传动机构连接，传动机构以及活塞分别与传动机构壳体滑动配合，传动机构、传动机构壳体以及活塞围成液压油腔，输出轴与活塞连接；双自由度伺服电机的直线、旋转运动依次模拟恒定力、脉动力部分，由于传动机构的旋转运动被传动机构壳体限制，则双自由度伺服电机的直线或旋转运动传递给传动机构并转化成其往复直线运动，再通过液压油腔驱动活塞和输出轴进而输出激振力，该模拟装置一体化程度高，结构简单，对不同实验工况的适应性强。

Description

一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置

技术领域

本实用新型涉及一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，属于负载模拟实验装置技术领域。

背景技术

船舶推进器，是指船舶的动力转换装置。利用推进器产生的推进力，船舶可克服在水中航行的阻力并实现加减航速。最常见的推进器是螺旋桨，螺旋桨在水中的高速旋转会使其受到水的反作用力，该反作用力被施加到轴上进而传递到船体推动船舶行进。由于水流的作用，通常该推进力是波动的，其中包含两个分量：恒定的推进力以及流固耦合作用后产生的激振力，且激振力的频率与螺旋桨的转速近似正相关。

由此可见，船舶上与螺旋桨相连的推进轴以及其后的轴系设备受到波动的推进力的反作用。因此，在对船舶轴或轴系进行相关实验时，需要对其模拟施加这种推进力，以验证轴及轴系的相关性能或得到相应的实验数据。常用的手段为通过两套动力装置(如电动缸)分别模拟推进力中的恒定力部分和脉动力部分，此种方案需额外设计工装结构，安装难度大；随着电磁阀技术的发展，也可采用一台液压缸配备高速电磁阀组通过不断改变液压缸内的压力实现模拟船舶推进力的功能，但此方案对阀的开关频率要求较高，且为了对输出力进行精确控制，此类设备还需要配备压力传感器，一方面增加了设备的成本，同时可靠性也较低。

实用新型内容

针对现有动力装置模拟船舶推进力存在的缺陷，本实用新型提供一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，采用双自由度伺服电机作为动力源，可输出直线推力或旋转扭矩，从而能够模拟船舶推进力中的恒定力部分和脉动力部分，该模拟装置一体化程度高，结构简单，而且对不同实验工况的适应性强。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，所述模拟装置包括电机壳体、双自由度伺服电机、传动机构、传动机构壳体、传动机构端盖、活塞、输出轴、弹簧以及输出轴端盖；

所述双自由度伺服电机是指能够在旋转和直线运动两个自由度进行输出的伺服电机；传动机构壳体的内型面设计成非旋转对称结构(如设计为矩形、椭圆形等)，用于限制传动机构的旋转运动；

双自由度伺服电机安装在电机壳体内部，电机壳体内部为凸字形空腔；传动机构壳体一端安装在电机壳体大直径空腔一端上，另一端安装在传动机构端盖上；活塞与传动机构壳体内表面滑动配合，传动机构位于传动机构壳体内部且与双自由度伺服电机连接，传动机构、传动机构壳体以及活塞围成封闭的液压油腔；输出轴端盖安装在传动机构端盖上，输出轴穿过传动机构端盖和输出轴端盖，并通过滑动轴承支撑在传动机构端盖上，输出轴一端与活塞连接，另一端位于传动机构壳体外部；弹簧一端与传动机构端盖内表面相抵触，另一端与位于活塞上的输出轴端面相抵触。

进一步地，所述传动机构包括主动轮、传动球体和从动轮；其中，从动轮与传动机构壳体内表面滑动配合，从动轮、传动机构壳体以及活塞围成液压油腔，主动轮一端通过传动球体与从动轮配合，主动轮另一端与双自由度伺服电机连接。

进一步地，主动轮以及从动轮与传动球体接触的端面上分别加工有空间凹槽，可使传动球体在其中自由滚动，且主动轮上的空间凹槽与从动轮上的空间凹槽在端面的法向方向上互补。而且主动轮以及从动轮端面上的空间凹槽可根据需要进行设计，从而使电机转子一周的旋转可转化为数次从动轮的往复直线运动。

进一步地，所述双自由度伺服电机包括电机轴、电机轴端盖、第一支撑套筒、第二支撑套筒、电机第一定子、动子永磁体、电机转子、转子套筒和电机第二定子；

电机壳体大直径空腔一端和电机壳体小直径空腔一端上分别加工有中心孔；电机轴以及转子套筒上分别加工有矩形花键；

第一支撑套筒安装在电机壳体小直径空腔一端的中心孔中，电机轴端盖与位于电机壳体外部的第一支撑套筒一端连接，第二支撑套筒安装在电机壳体大直径空腔一端的中心孔中；电机轴依次穿过电机轴端盖、第一支撑套筒、转子套筒以及第二支撑套筒，且分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒以及第二支撑套筒上，电机轴的一端位于电机壳体外部，电机轴另一端与主动轮连接；动子永磁体和电机第一定子位于电机壳体小直径空腔中，动子永磁体与电机轴连接，电机第一定子安装在电机壳体小直径空腔的内壁上，动子永磁体与电机第一定子间隙配合；转子套筒、电机转子和电机第二定子位于电机壳体大直径空腔中，转子套筒与电机轴键连接，电机转子与转子套筒连接且通过滚动轴承支撑在电机壳体大直径空腔另一端上，电机第二定子安装在电机壳体大直径空腔的内壁上。

本实用新型所述双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置的工作分为两个阶段：第一阶段，电机第一定子通电，动子永磁体与电机轴推动主动轮、传动球体及从动轮作直线运动，压缩液压油腔中的液压油以模拟船舶推进力中的恒定力部分；第二阶段，电机第二定子通电，电机转子与转子套筒驱动电机轴及主动轮作旋转运动，从动轮的旋转运动被传动机构壳体限制，主动轮的旋转运动通过传动球体作用于从动轮，驱动从动轮作往复直线运动，液压油腔中的液压油压力波动变化以模拟船舶推进力中的脉动力部分。由于传动机构壳体内，与从动轮和活塞配合部分为非旋转对称轮廓，从而从动轮和活塞的旋转运动被限制，只可作往复直线运动，因此，主动轮的旋转运动或者直线运动通过传动球体作用于从动轮时，驱动从动轮作往复直线运动，压缩液压油腔的液压油，进而通过活塞和输出轴输出激振力。

有益效果

(1)采用双自由度伺服电机作为动力源，可输出直线推力或旋转扭矩，从而能够模拟船舶推进力中的恒定力部分和脉动力部分，控制精度高，一体化程度高，结构简单。

(2)通过控制电机第一定子的绕组通电时间及输入电流，可控制主动轮、从轮的初始位移从而保证输出激振力的幅值连续可调。

(3)主动轮和从动轮的端面空间凹槽可根据需要进行设计，使电机转子一周的旋转可转化为数次从动轮的往复直线运动，配合双自由度伺服电机的调速，输出的激振力具有很宽的激振频率调节范围。

附图说明

图1为本实用新型所述双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置的结构示意图。

其中，1-电机轴，2-电机轴端盖，3-第一支撑套筒，4-电机第一端盖，5-动子永磁体，6-第一定位套，7-电机第一定子，8-电机第一侧壳，9-第二定位套，10-电机第二端盖，11-转子套筒，12-电机转子，13-第三定位套，14-电机第二定子，15-电机第二侧壳，16-第四定位套，17-第五定位套，18-第二支撑套筒，19-电机第三端盖，20-主动轮，21-传动机构壳体，22-传动球体，23-从动轮，24-液压油腔，25-活塞，26-弹簧，27-传动机构端盖，28-输出轴端盖，29-输出轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步阐述。

实施例1

一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，所述模拟装置包括电机第一端盖4、电机第一侧壳8、电机第二端盖10、电机第二侧壳15、电机第三端盖19、双自由度伺服电机、传动机构、传动机构壳体21、传动机构端盖27、活塞25、输出轴29、弹簧26以及输出轴端盖28；

所述双自由度伺服电机是指能够在旋转和直线运动两个自由度进行输出的伺服电机，包括电机轴1、电机轴端盖2、第一支撑套筒3、第二支撑套筒18、电机第一定子7、动子永磁体5、电机转子12、转子套筒11和电机第二定子14；

所述传动机构包括主动轮20、传动球体22和从动轮23；主动轮20以及从动轮23与传动球体22接触的端面上分别加工有空间凹槽，该空间凹槽深度沿圆周方向变化，可使传动球体22在其中自由滚动，且主动轮20上的空间凹槽与从动轮23上的空间凹槽在端面的法向方向上互补，而且主动,20以及从动轮23端面上的空间凹槽可根据需要进行设计，从而使电机转子12一周的旋转可转化为数次从动轮23的往复直线运动；

传动机构壳体21的内型面设计成非旋转对称结构(如设计为矩形、椭圆形等)；

电机第一端盖4和电机第三端盖19上分别加工有中心孔；

电机轴1以及转子套筒11上分别加工有矩形花键；

如图1所示，所示模拟装置中各部件之间的装配关系如下：电机第一端盖4、电机第一侧壳8、电机第二端盖10、电机第二侧壳15、电机第三端盖19按顺序依次连接构成电机壳体，电机壳体内部为凸字形空腔；双自由度伺服电机安装在电机壳体内部，其中，第一支撑套筒3安装在电机第一端盖4的中心孔中，电机轴端盖2与位于电机壳体外部的第一支撑套筒3一端连接，第二支撑套筒18安装在电机第三端盖19的中心孔中，电机轴1依次穿过电机轴端盖2、第一支撑套筒3、电机第二端盖10、转子套筒11以及第二支撑套筒18，电机轴1的两端分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒3以及第二支撑套筒18上，电机轴1的一端位于电机壳体外部，电机轴1另一端与主动轮20连接；动子永磁体5和电机第一定子7位于电机壳体小直径空腔中，动子永磁体5与电机轴1连接，电机第一定子7安装在电机第一侧壳8上，并通过安装在电机第一定子7两端的第一定位套6和第二定位套对其进行定位，动子永磁体5与电机第一定子7间隙配合；转子套筒11、电机转子12和电机第二定子14位于电机壳体大直径空腔中，转子套筒11与电机轴1键连接且通过第四定位套16进行定位，电机转子12与转子套筒11连接且通过滚动轴承支撑在电机第二端盖10上，电机第二定子14安装在电机第二侧壳15上，并通过安装在电机第二定子14两端的第三定位套13和第五定位套17对其进行定位，电机转子12与电机第二定子14间隙配合；传动机构壳体21一端安装在电机第三端盖19上，另一端安装在传动机构端盖27上，传动机构和活塞25位于传动机构壳体21内部；从动轮23与传动机构壳体21内表面滑动配合，从动轮23、传动机构壳体21以及活塞25围成液压油腔24，主动轮20通过传动球体22与从动轮23配合；输出轴端盖28安装在传动机构端盖27上，输出轴29穿过传动机构端盖27和输出轴端盖28，并通过滑动轴承支撑在传动机构端盖27上，输出轴29一端与活塞25连接，另一端位于传动机构壳体21外部；弹簧26一端与传动机构端盖27内表面相抵触，另一端与位于活塞25上的输出轴29端面相抵触。

本实用新型所述双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置的工作分为两个阶段：第一阶段，电机第一定子7通电，动子永磁体5与电机轴1推动主动轮20、传动球体22及从动轮23作直线运动，压缩液压油腔24中的液压油以模拟船舶推进力中的恒定力部分；第二阶段，电机第二定子14通电，电机转子12与转子套筒11驱动电机轴1及主动轮20作旋转运动，从动轮23的旋转运动被传动机构壳体21限制，主动轮20的旋转运动通过传动球体22作用于从动轮23，驱动从动轮23作往复直线运动，液压油腔24中的液压油压力波动变化以模拟船舶推进力中的脉动力部分。由于传动机构壳体21内，与从动轮23和活塞25配合部分为非旋转对称轮廓，从而从动轮23和活塞25的旋转运动被限制，只可作往复直线运动，因此，主动轮20的旋转运动或者直线运动通过传动球体22作用于从动轮23时，驱动从动轮23作往复直线运动，压缩液压油腔24的液压油，进而通过活塞25和输出轴输29出激振力。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括电机壳体、双自由度伺服电机、传动机构、传动机构壳体(21)、传动机构端盖(27)、活塞(25)、输出轴(29)、弹簧(26)以及输出轴端盖(28)；

所述双自由度伺服电机是指能够在旋转和直线运动两个自由度进行输出的伺服电机；所述传动机构壳体(21)的内型面设计成非旋转对称结构；

双自由度伺服电机安装在电机壳体内部，电机壳体内部为凸字形空腔；传动机构壳体(21)一端安装在电机壳体大直径空腔一端上，另一端安装在传动机构端盖(27)上；活塞(25)与传动机构壳体(21)内表面滑动配合，传动机构位于传动机构壳体(21)内部且与双自由度伺服电机连接，传动机构、传动机构壳体(21)以及活塞(25)围成封闭的液压油腔(24)；输出轴端盖(28)安装在传动机构端盖(27)上，输出轴(29)穿过传动机构端盖(27)和输出轴端盖(28)，并通过滑动轴承支撑在传动机构端盖(27)上，输出轴(29)一端与活塞(25)连接，另一端位于传动机构壳体(21)外部；弹簧(26)一端与传动机构端盖(27)内表面相抵触，另一端与位于活塞(25)上的输出轴(29)端面相抵触。

2.根据权利要求1所述的一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述传动机构包括主动轮(20)、传动球体(22)和从动轮(23)；

从动轮(23)与传动机构壳体(21)内表面滑动配合，从动轮(23)、传动机构壳体(21)以及活塞(25)围成液压油腔(24)，主动轮(20)一端通过传动球体(22)与从动轮(23)配合，主动轮(20)另一端与双自由度伺服电机连接。

3.根据权利要求2所述的一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，其特征在于：主动轮(20)以及从动轮(23)与传动球体(22)接触的端面上分别加工有空间凹槽，且主动轮(20)上的空间凹槽与从动轮(23)上的空间凹槽在端面的法向方向上互补。

4.根据权利要求1所述的一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述双自由度伺服电机包括电机轴(1)、电机轴端盖(2)、第一支撑套筒(3)、第二支撑套筒(18)、电机第一定子(7)、动子永磁体(5)、电机转子(12)、转子套筒(11)和电机第二定子(14)；

电机壳体大直径空腔一端和电机壳体小直径空腔一端上分别加工有中心孔；电机轴(1)以及转子套筒(11)上分别加工有矩形花键；

第一支撑套筒(3)安装在电机壳体小直径空腔一端的中心孔中，电机轴端盖(2)与位于电机壳体外部的第一支撑套筒(3)一端连接，第二支撑套筒(18)安装在电机壳体大直径空腔一端的中心孔中；电机轴(1)依次穿过电机轴端盖(2)、第一支撑套筒(3)、转子套筒(11)以及第二支撑套筒(18)，且分别通过滑动轴承支撑在第一支撑套筒(3)以及第二支撑套筒(18)上，电机轴(1)的一端位于电机壳体外部，电机轴(1)另一端与传动机构连接；动子永磁体(5)和电机第一定子(7)位于电机壳体小直径空腔中，动子永磁体(5)与电机轴(1)连接，电机第一定子(7)安装在电机壳体小直径空腔的内壁上，动子永磁体(5)与电机第一定子(7)间隙配合；转子套筒(11)、电机转子(12)和电机第二定子(14)位于电机壳体大直径空腔中，转子套筒(11)与电机轴(1)键连接，电机转子(12)与转子套筒(11)连接且通过滚动轴承支撑在电机壳体大直径空腔另一端上，电机第二定子(14)安装在电机壳体大直径空腔的内壁上。

5.根据权利要求1所述的一种双自由度伺服电机驱动的船舶推进力模拟装置，其特征在于：所述传动机构壳体(21)的内型面为矩形或椭圆形。