一种浅水滑翔机用俯仰调节装置

摘要

本发明涉及水下测量平台，具体地说是一种浅水滑翔机用俯仰调节装置，包括艏部连接环、连接轴、电池组、姿态舱连接环、齿条及俯仰驱动装置，艏部连接环及姿态舱连接环分别连接于连接轴的两端，连接轴内安装有齿条；电池组可相对移动地套设在连接轴上，俯仰驱动装置安装在电池组上，随电池组共同移动；俯仰驱动装置具有电机以及通过传动机构由电机驱动的大齿轮，该大齿轮与齿条相啮合，驱动电池组沿连接轴的轴向往复移动，进而通过电池组的往复移动改变所述俯仰调节装置的重心。本发明将俯仰调节装置作为一个单独的模块进行设计，结构紧凑，传动效果好，工作可靠，能耗小，俯仰角调节范围大。

说明书

技术领域

本发明涉及水下测量平台，具体地说是一种浅水滑翔机用俯仰调节装置。 

背景技术

水下滑翔机是一种新型的水下测量平台，其结构简单、体积小、重量轻、成本低，维护和使用方便，具有作业范围广、作业时间长、机动可控、可重复利用等特点。水下滑翔机根据其作业深度的不同可分为浅水滑翔机和深水滑翔机两种，浅水滑翔机主要是针对浅海海域设计的，深水滑翔机主要是针对大洋宽阔海域设计的。浅水滑翔机由于作业的深度浅，单个下潜周期的时间较短，所以对浅水滑翔机的机动性与可控性要求更强。与深水滑翔机不同的是：1.浅水滑翔机的转向通过舵来实现；深水滑翔机的转向通过改变载体径向重心位置（即改变横滚角）来实现。2.两者的纵倾姿态都是通过改变载体轴向重心的位置来实现，但两者的原理不同，浅水滑翔机通过齿轮齿条传动来实现，而深水滑翔机通过丝杠滑块来实现。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、工作可靠的浅水滑翔机用俯仰调节装置，用于调节浅水滑翔机的俯仰角，实现水下滑翔机升沉运动。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

本发明包括艏部连接环、连接轴、电池组、姿态舱连接环、齿条及俯仰驱动装置，其中艏部连接环及姿态舱连接环分别连接于连接轴的两端，该连接轴内安装有齿条；所述电池组可相对移动地套设在连接轴上，俯仰驱动装置安装在电池组上，随电池组共同移动；所述俯仰驱动装置具有电机以及通过传动机构由电机驱动的大齿轮，该大齿轮与所述齿条相啮合，驱动电池组沿连接轴的轴向往复移动，进而通过电池组的往复移动改变所述俯仰调节装置的重心。 

其中：所述连接轴的两端靠近艏部连接环与姿态舱连接环的部位分别设有限位开关，两限位开关限定了电池组在连接轴上往复移动的安全位置；所述连接轴为方形中空的管轴，在连接轴的两端靠近艏部连接环与姿态舱连接环的部位分别开有便于内部走线的圆孔；所述连 接轴上还开有矩形孔，所述齿条与大齿轮通过矩形孔相啮合；所述艏部连接环、连接轴及姿态舱连接环的轴向中心线共线； 

所述俯仰驱动装置包括壳体、电机、行星齿轮减速器、传动机构、蜗轮轴、蜗轮、蜗杆及大齿轮，其中壳体安装在电池组上，所述电机及行星齿轮减速器分别安装在壳体内，蜗轮轴及蜗杆分别转动安装在壳体内，蜗轮轴上键连接有与所述蜗杆相啮合的蜗轮，所述蜗轮轴的任一端穿出壳体、键连接有大齿轮；所述行星齿轮减速器的输出轴通过传动机构与蜗杆相连、驱动蜗杆转动，通过蜗杆与蜗轮的啮合进而带动大齿轮转动；所述壳体上安装有测量大齿轮转动角度的多圈旋转电位计，该多圈旋转电位计与蜗轮轴同轴连接；所述蜗轮轴通过轴承转动安装在壳体上，蜗轮通过蜗轮平键与蜗轮轴连动、并通过蜗轮紧定螺钉轴向定位；所述蜗轮与蜗杆具有自锁功能；所述壳体为水平剖分结构，分为上盖及底座，所述行星齿轮减速器固定在上盖上，电机与行星齿轮减速器同轴连接；所述蜗杆通过轴承转动安装在上盖上，行星齿轮减速器的输出轴及蜗杆的轴伸端分别由上盖穿出，通过传动机构相连；所述传动机构包括电机端齿轮及蜗杆端齿轮，行星齿轮减速器的输出轴上套设有电机轴套，所述电机端齿轮套设在该电机轴套上，并通过电机端齿轮紧定螺钉轴向定位；所述蜗杆端齿轮套设在蜗杆的轴伸端，并通过蜗杆端齿轮紧定螺钉轴向定位。 

本发明的优点与积极效果为： 

1．本发明将俯仰调节装置作为一个单独的模块进行设计，结构紧凑，传动效果好，工作可靠，能耗小，俯仰角调节范围大。 

2．本发明将电池组作为俯仰调节的重物，减轻了整个载体的重量，提高了俯仰的调节能力。 

3．本发明采用齿轮齿条传动，传动准确，可靠。 

4．本发明中的俯仰驱动装置中有蜗轮蜗杆传动，从而实现了自锁功能，当电机停止工作时，电池组轴向位置被锁死，保证了整个俯仰调节装置工作的可靠性。 

5．本发明利用多圈旋转电位计测量大齿轮的旋转角度，进而可以通过换算得出电池组的水平位移，从而使得整个载体重心的改变可控。 

6．本发明成本低，无需特殊加工和特殊零部件，磨损零部件易于更换。 

附图说明

图1A为本发明的整体结构主视图； 

图1B为图1A的俯视图； 

图2A为本发明俯仰驱动装置的结构示意图； 

图2B为图2A的A—A视图； 

图2C为图2A的B—B视图； 

图3A为本发明在水下滑翔机中的应用示意图之一； 

图3B为本发明在水下滑翔机中的应用示意图之二； 

图3C为本发明在水下滑翔机中的应用示意图之三； 

其中：1为艏部连接环，2为连接轴，3为电池组，4为电位计固定件，5为多圈旋转电位计，6为限位开关，7为限位开关固定件，8为姿态舱连接环，9为齿条，10为俯仰驱动装置，11为沉头螺钉，12为上盖，13为底座，14为蜗轮轴左侧轴承，15为蜗轮轴，16为蜗轮紧定螺钉，17为蜗轮平键，18为蜗轮，19为蜗杆，20为蜗轮轴右侧轴承，21为大齿轮紧定螺钉，22为大齿轮平键，23为大齿轮，24为轴承盖，25为蜗杆左侧轴承，26为电机，27为行星齿轮减速器，28为电机端齿轮，29为电机轴套，30为电机端齿轮紧定螺钉，31为蜗杆端齿轮，32为蜗杆右侧轴承，33为蜗杆端齿轮紧定螺钉，34为圆孔，35为矩形孔。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。 

如图1A、图1B所示，本发明包括艏部连接环1、连接轴2、电池组3、电位计固定件4、多圈旋转电位计5、限位开关6、限位开关固定件7、姿态舱连接环8、齿条9及俯仰驱动装置10。所述连接轴2、艏部连接环1与姿态舱连接环8三者同心，即艏部连接环1、连接轴2及姿态舱连接环8的轴向中心线共线；连接轴2为方形中空的管轴，连接轴2的左侧通过螺母连接在艏部连接环1上，连接轴2的右侧通过螺钉固定在姿态舱连接环8上；连接轴2的两端靠近艏部连接环1与姿态舱连接环8的部位分别开设了一个圆孔34，该圆孔34的作用是方便中空的连接轴2内部的走线；连接轴2上还开有矩形孔35，齿条9通过矩形孔35置于连接轴2的内部，并通过螺钉固定。 

俯仰驱动装置10固定在电池组3上，电池组3套设在连接轴2上，电池组3与俯仰驱动装置10作为一个整体可相对连接轴2沿连接轴2的轴向左右往复滑动，该往复滑动是通过俯仰驱动装置10中的大齿轮23与齿条9的啮合传动来实现的。电池组3除了为俯仰调节装置提供电能之外，在俯仰调节装置中还起到重物的作用，通过电池组3的左右往复运动可改变俯仰调节装置的重心，用电池组3作为重物减轻了整个俯仰调节装置的重量。限位开关6通过螺钉固定在限位开关固定件7上，限位开关固定件7通过螺钉固定在连接轴2上； 连接轴2的两端靠近艏部连接环1与姿态舱连接环8的部位分别设置了一个限位开关6，这两个限位开关6限定了电池组3在连接轴2上左右移动的安全位置，保证了俯仰调节装置不会由于超调卡死而烧坏电机26。多圈旋转电位计5通过螺钉固定在电位计固定件4上，多圈旋转电位计5与蜗轮轴15同轴连接，用来测量大齿轮23的转动角度，从而可以计算得到电池组3的水平位移，电位计固定件4通过螺钉固定在俯仰驱动装置10上。 

如图2A～2C所示，俯仰驱动装置10包括沉头螺钉11、壳体、蜗轮轴左侧轴承14、蜗轮轴15、蜗轮紧定螺钉16、蜗轮平键17、蜗轮18、蜗杆19、蜗轮轴右侧轴承20、大齿轮紧定螺钉21、大齿轮平键22、大齿轮23、轴承盖24、蜗杆左侧轴承25、电机26、行星齿轮减速器27、电机端齿轮28、电机轴套29、电机端齿轮紧定螺钉30、蜗杆端齿轮31、蜗杆右侧轴承32及蜗杆端齿轮紧定螺钉33，所述壳体为水平剖分结构，分为上盖12及底座13，上盖12与底座13是通过6个沉头螺钉连接组合成壳体的。蜗轮轴15的两个轴胫处分别套设有蜗轮轴左侧轴承14与蜗轮轴右侧轴承20，并通过上盖12和底座13剖分组合形成的两个轴承孔定位，蜗轮轴15的中间部位安装有蜗轮18，蜗轮轴15与蜗轮18通过蜗轮平键17传递扭矩，蜗轮18通过其上的蜗轮紧定螺钉16轴向定位；蜗轮轴15的任一端（本实施例是在蜗轮轴15的右端）穿出上盖12、套设有大齿轮23，并通过与大齿轮平键22传递扭矩，通过大齿轮紧定螺钉21对大齿轮23进行轴向定位。 

电机26与行星齿轮减速器27同轴连接，行星齿轮减速器27通过螺钉固定在上盖12上；蜗杆19转动安装在上盖12上，蜗杆19的轴伸端及行星齿轮减速器27的输出轴分别穿出上盖12，通过传动机构相连；蜗杆19的轴向中心线与行星齿轮减速器27输出轴的轴向中心线共面且平行。传动机构包括电机端齿轮28及蜗杆端齿轮31，行星齿轮减速器27的输出轴上套设有电机轴套29，电机轴套29上套设有电机端齿轮28，电机端齿轮28通过其上的电机端齿轮紧定螺钉30轴向定位；蜗杆19的两个轴胫处分别套设有蜗杆左侧轴承25与蜗杆右侧轴承32（均为深沟球轴承），并通过上盖12的两个轴承孔；蜗杆左侧轴承25通过蜗杆19的左侧轴肩与轴承盖24进行轴向定位，轴承盖24通过螺钉固定在上盖12上；蜗杆右侧轴承32通过蜗杆19的右侧轴肩与上盖12的轴承孔台阶进行轴向定位；蜗杆19的轴伸端套设有蜗杆端齿轮31，蜗杆端齿轮31通过蜗杆端齿轮紧定螺钉33轴向定位；电机端齿轮28与蜗杆端齿轮31为一对相啮合的直齿圆柱 齿轮；蜗轮18与蜗杆19为配对的蜗轮蜗杆传动，蜗轮18的导程角与蜗轮19均为3°35′，小于两者材料的当量摩擦角，具有自锁功能。 

本发明的工作原理为： 

电机26工作，经行星齿轮减速器27减速后将转动传递给电机端齿轮28，电机端齿轮28通过与蜗杆端齿轮31的啮合传动作用，将转动传递给蜗杆端齿轮31，然后蜗杆端齿轮31将转动传递给蜗杆19，蜗杆19通过啮合作用将转动传递给蜗轮18，并又一次起到了减速的作用；接着蜗轮18通过蜗轮平健17将转动传递给蜗轮轴15，蜗轮轴15通过大齿轮平健22将转动传递给大齿轮23，大齿轮23通过与齿条9的啮合作用将旋转运动转化为整个俯仰驱动装置10的直线运动，俯仰驱动装置10带动电池组3沿连接轴2轴线方向做直线运动，从而改变了俯仰调节装置重心的轴向位置；如果电机26停止工作，由于蜗轮18与蜗杆19的啮合传动具有自锁功能，俯仰驱动装置10的大齿轮23将处于静止状态，并且这种静止状态不受齿条9对其传动力矩大小的影响，进而电池组3与俯仰驱动装置10的轴向位置将被锁死，俯仰调节装置的重心停止变化；如果电机26反向工作，则会改变电池组3与俯仰驱动装置10的移动方向；电机26的正转、停止、反转三种状态配合多圈旋转式电位计5对电池组3位置的检测作用，就可以很容易地控制电池组3与俯仰驱动装置10所处的轴向位置，从而控制了整个水下滑翔机重心的轴向位置。 

本发明在水下滑翔机中的应用： 

水下滑翔机加工完成之后，其结构与体积就不会改变了，那么滑翔机的浮心（滑翔机在水中浮力的作用点）就确定下来了。如图3A所示，F代表水下滑翔机所受的浮力，G代表水下滑翔机自身的重力,e为稳心高，L为重心轴向偏移动量。浮力不发生变化，通过改变水下滑翔机重力的作用点（重心）的位置，就能使水下滑翔机在水下具有不同的姿态。 

假定本发明俯仰调节装置中的电池组3调节到某一位置时，水下滑翔机处于水平状态，如图3A所示。当俯仰调节装置的电池组3在电机26的驱动下沿着载体艏部方向（X轴的反方向）运动时，整个载体的重心也将沿同一方向移动，这时，重力和浮力的方向不在同一直线上，就会产生一个偏转力矩，推动载体与X轴之间形成一个夹角α，如图3B所示。如果俯仰调节装置的重心沿着载体艉部方向（X轴的正方向）运动时，则产生的效果如图3C所示；α角的大小随电池组的移动距离的改变而改变，俯仰角α、重心轴向偏移量L，稳心 高e三者的关系为：α=atan(L/e)。 

本发明通过改变水下滑翔机载体重心的位置来实时调节载体的俯仰角，从而改变了水下滑翔机的运动状态。