一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器

摘要

本发明涉及一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器。一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器，包括转向蜗轮蜗杆机构，动力轴机构，动力轴变向机构，滑动导流罩装置，变向蜗轮蜗杆机构将步进电机的转矩传递给推力杆，推力杆与蜗轮固联并绕蜗轮轴转动同时对推拉杆产生轴向力，两个相互垂直安装的蜗轮负责两对相互处置安装的推力杆。从矢量推进器的工作原理来看，其与传统的“舵和螺旋桨联合控制”有很大的区别，由于潜水器的转向力直接来自于螺旋桨，所以矢量推进器可以在低速状态为潜水器提供较“舵和螺旋桨联合控制”更高的操纵性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器。

背景技术

智能水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle-AUV)已经广泛用于海洋环境监测，海 洋资源勘探、军事侦察与对抗等众多领域。而传统的水下航行器推进系统与操纵系统是分开 设计的，航行器的运动控制由舵和螺旋桨共同完成，在低速情况下由于舵的迎流速度低使得 操纵性能降低，矢量推进器的工作原理是直接改变螺旋桨推力方向，形成一个航行器的转向 力矩，安装了矢量推进器的水下航行器省去了舵，从而外部附体减少，可以有效防止附体装 置与外界的碰撞和刮擦，而且使回收和释放过程更加安全和可靠。从矢量推进器的工作原理 来看，其与传统的“舵和螺旋桨联合控制”有很大的区别，由于潜水器的转向力直接来自于 螺旋桨，所以矢量推进器可以在低速状态为潜水器提供较“舵和螺旋桨联合控制”更高的操 纵性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于万向节与蜗轮蜗杆联合控制的水下航行器矢量推进器，包括转向蜗轮蜗杆机构， 动力轴机构，动力轴变向机构，滑动导流罩装置，变向蜗轮蜗杆机构将步进电机的转矩传递 给推力杆，推力杆与蜗轮固联并绕蜗轮轴转动同时对推拉杆产生轴向力，两个相互垂直安装 的蜗轮负责两对相互处置安装的推力杆，每一个推力杆的两个端点各连接着一个推拉杆，推 拉杆接受来自推力杆的力发生轴向往复运动，推拉杆的另一头连接止推轴承的外钢圈，止推 轴承的外钢圈和推拉杆构成了动力轴转向机构，变向机构的变向力由推拉杆传递；止推轴承 的内钢圈和万向节构成矢量推进器的动力轴，动力轴将主推电机的轴向力传递到螺旋桨。

所述的转向蜗轮蜗杆机构包括蜗轮(WL1)、蜗杆(WG1)与推力杆(L1)构成垂直方向变 向机构，蜗轮(WL2)、蜗杆(WG2)与推力杆(L2)构成水平方向变向机构，蜗杆分别联接步 进电机，蜗轮(WL1)的轴与推力杆(L1)固联在一起且联接位置在推力杆(L1)的中间位置， 蜗轮(WL1)的对角线分别与推力杆(L1)平行，蜗轮(WL1)的轴(CX1)将蜗轮(WL1)与推力杆 (L1)固联在一起转动；蜗轮轴(CX1)通过铰链(AZ1)联接到步进电机(A21)机架上，对 于水平变向机构其结构与垂向变向机构完全相同。

所述的动力轴变向机构由两对推拉杆以及止推轴承外钢圈(Z2)构成，止推轴承外钢圈 (Z2)的周向布置有4个万向节，4个万向节分别联接两对推拉杆，万向节联接水平推拉杆， 万向节联接垂直推拉杆；万向节的一个轴固联在止推轴承外钢圈(Z2)上另一个轴连接推拉 杆；两对推拉杆和的另一头与推力杆铰接。

所述的动力轴机构包括动力输出轴(D2)动力输入轴(D1)，两个轴通过万向节(WX1) 相连接，其中输出轴万向节与止推轴承的内钢圈(Z1)固联，且止推轴承轴向中点处剖面与万 向节的十字轴平面共面，用轴承(ZC1)将动力轴输入轴(D1)固定在航行器艇体上。

所述的滑动导流罩装置将动力轴的输出轴部分(D2)包含在内，导流罩(DL)包含流线 面部分(DL1)和球形面部分(DL2)，球形面部分(DL2)与航行器艇体外壳(TT)滑动接触， 当动力轴输出轴(D2)发生变向时球形面部分(DL2)在航行器艇体外壳(TT)内部滑动，且 滑动的角度Φ就是矢量推进器的最大转角。

本发明的有益效果在于：

从矢量推进器的工作原理来看，其与传统的“舵和螺旋桨联合控制”有很大的区别，由 于潜水器的转向力直接来自于螺旋桨，所以矢量推进器可以在低速状态为潜水器提供较“舵 和螺旋桨联合控制”更高的操纵性能。

附图说明

图1为蜗轮蜗杆变向机构；

图2为蜗轮蜗杆与推力杆的连接局部放大；

图3为蜗轮与推力杆连接图；

图4为蜗轮蜗杆变向结构；

图5为步进电机与蜗轮通过固定支架AZ21连接；

图6为变向机构结构图；

图7为变向万向节在止推轴承外钢圈周向布置；

图8为止推轴承外钢圈与推拉杆连接万向节；

图9为推拉杆与动力轴变向机构的连接图；

图10为推力杆与变向杆连接；

图11为动力轴机构；

图12为G2局部放大图；

图13为矢量推进器与AUV外壳安装示意图；

图14为蜗轮蜗杆变向示意图；

图15为动力轴变向机构工作原理；

图16为矢量推进器提供航行器的转向力矩；

图17为矢量推进器变向运动；

图18为动力输出轴绕艇体转动的坐标系；

图19为矢量推进器各构件尺寸；

图20为求解蜗轮转角的几何关系图；

图21为变向杆长度与止推轴承直径相等时蜗轮转角与止推轴承转角几何关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明涉及到一种新型的水下运载器用矢量推进器，这种新型的水下航行器矢量推进器 共包括4个主要的部分：转向蜗轮蜗杆机构，动力轴机构，动力轴变向机构，滑动导流罩。 该矢量推进器共包括2个动力源，螺旋桨的动力源来自于主推电机(T1)的输出，动力轴变 向动力来自于步进电机。当航行器需要变向时矢量推进器的动力输出轴(C1)在变向机构的 带动下向转向，动力轴的转动带动螺旋桨盘面的转动使螺旋桨的推力方向发生变化，从而螺 旋桨对潜水器产生一个转向力矩。变向机构主要是由一个止推轴承C2和两对变向推拉杆B11， B12和B21，B22组成，止推轴承的内钢圈与万向节的输出端固连，外钢圈与推拉杆通过两对 小万向节连接，内钢圈与输出轴同步转动，外钢圈在推拉杆的作用下改变轴向从而达到改变 螺旋桨盘面方向的目的。矢量推进器的变向动力来源于步进电机，步进电机根据指令输出一 个转角，该转角的值由矢量推进器需要的转向角度计算得到，步进电机的转动通过蜗杆传递 给涡轮，涡轮发生转动从而带动固连在一起的推力杆A1一起转动，推力杆A1对推拉杆B11， B12施加一个推拉力使得B11,B12相对往复运动，从而使动力输出轴C1朝X轴转动；相互垂 直度的另一对变向机构使动力输出轴C1沿Y轴转动，两个转动的叠加构成了矢量推进器的全 向转动如图所示。

本发明共包括4个主要部分：转向蜗轮蜗杆机构，动力轴机构，动力轴转向机构，导流 外壳。

变向蜗轮蜗杆机构将步进电机的转矩传递给推力杆，推力杆与蜗轮固联并绕蜗轮轴转动 同时对推拉杆产生轴向力，两个相互垂直安装的蜗轮负责两对相互处置安装的推力杆，每一 个推力杆的两个端点各连接着一个推拉杆，推拉杆接受来自推力杆的力发生轴向往复运动， 推拉杆的另一头连接止推轴承的外钢圈，止推轴承的外钢圈和推拉杆构成了动力轴转向机构， 变向机构的变向力由推拉杆传递。本项权利要求运用蜗轮蜗杆推力杆共同构成的转向蜗轮蜗 杆机构具有调节精度高，相比于液压驱动、油压驱动该结构具有可靠简单高精度的特点。

止推轴承的内钢圈和万向节构成矢量推进器的动力轴，动力轴将主推电机的轴向力传递 到螺旋桨，实现动力输出轴的变向输出，本权利要求的动力轴机构可实现动力变向输出，整 个机构只有输入和输出轴两个部分，动力损失小且结构简单可靠。

止推轴承外钢圈与权利要求2中的推拉杆共同构成动力轴转向机构，该机构可以使主推 电机的动力轴输出给螺旋桨的动力变向，本权利要求的动力轴转向机构结构简单可靠性高， 同时可以起到固定动力轴的作用。

导流外壳将动力轴的输出轴包裹在内部，导流罩由球形面和流线型面组成，球形面的作 用是让动力轴的输出轴可以在做大转角内自由的转动而不与AUV的壳体发生碰撞，流线型面 的作用是使AUV尾部的流线光顺，使尾部流场流畅。

本发明涉及到一种新型的水下运载器用矢量推进器，这种新型的水下运载器矢量推进器 共包括4个主要的部分：转向蜗轮蜗杆机构，动力轴机构，动力轴变向机构，滑动导流罩装 置。其总体设计以及各个部分的设计如摘要附图所示。

1.转向蜗轮蜗杆机构

如图1.蜗轮(WL1)蜗杆(WG1)与推力杆(L1)构成垂直方向变向机构，蜗轮(WL2)蜗杆 (WG2)与推力杆(L2)构成水平方向变向机构，蜗杆(WG1，WG2)分别联接步进电机(A21， A22)。如图2.以蜗轮(WL1)为例，蜗轮(WL1)的轴与推力杆(L1)固联在一起且联接位置在推 力杆(L1)的中间位置，蜗轮(WL1)的对角线分别与推力杆(L1)平行。如图3.对于垂向变 向机构，蜗轮(WL1)的轴(CX1)将蜗轮(WL1)与推力杆(L1)固联在一起转动。如图4.图5. 为了使蜗轮轴(CX1)相对于步进电机机架固定转动，将其通过铰链(AZ1)联接到步进电机 (A21)机架上，对于水平变向机构其结构与垂向变向机构完全相同。由于蜗轮蜗杆具有自锁 功能，可以有效地使动力轴输出轴(D2)保持变向角度，蜗轮与蜗杆是直接的接触传动，在 较大水压之下整个结构不会受到影响，与液压传动相比在加大水压环境下不需要角度修正且 可靠性更高。

2.动力轴变向机构

如图6.动力轴变向机构由两对推拉杆(T11，T12)和(T11，T12)以及止推轴承外钢圈 (Z2)构成，如图7止推轴承外钢圈(Z2)的周向布置有4个万向节(B11，B12，B21，B22)， 如图6所示4个万向节分别联接两对推拉杆(T11，T12)和(T21，T22)，万向节(B11，B12) 联接水平推拉杆(T11，T12)，万向节(B21，B22)联接垂直推拉杆(T21，T22)；图8.万向 节的一个轴固联在止推轴承外钢圈(Z2)上另一个轴连接推拉杆。如图9和图10所示，两对 推拉杆(T11，T12)和(T21，T22)的另一头与推力杆(L1，L2)铰接，铰接位置在(TL11， TL12)和(TL21和TL22)。动力轴变向机构能有效地将蜗轮蜗杆提供的变向力传递到止推轴承 (Z2)轴向。

3.动力轴机构

如图11.动力轴机构包括动力输出轴(D2)动力输入轴(D1)，两个轴通过万向节(WX1) 相连接，如图12.其中输出轴万向节与止推轴承的内钢圈(Z1)固联，且止推轴承轴向中点处 剖面与万向节的十字轴平面共面，这样可保证止推轴承始终绕以万向节的十字轴交点为中心 的球形面内转动。该部分结构可以在动力轴输出部分(D2)发生变向时有效地将主推电机(A1) 的转矩传递给螺旋桨(X)，同时保证动力轴变向机构不随动力轴一起转动，从而有效的将两 者的运动分开。此外还用到轴承(ZC1)将动力轴输入轴(D1)固定在航行器艇体上，动力轴 的输出轴(D2)部分利用(ZC2)将其与导流罩固定，如图13所示。

4.滑动导流罩装置

如图13滑动导流罩(DL)将动力轴的输出轴部分(D2)包含在内，导流罩(DL)包含两 个部分流线面部分(DL1)和球形面部分(DL2)，球形面部分(DL2)与航行器艇体外壳(TT) 滑动接触，当动力轴输出轴(D2)发生变向时球形面部分(DL2)可以在航行器艇体外壳(TT) 内部滑动，且滑动的角度Φ就是矢量推进器的最大转角。该部分的设计可以保证矢量推进器 正常运转的同时而不影响航行器尾部的水动力性能。

矢量推进器的工作原理

矢量推进器共包括3个动力源，螺旋桨的动力源来自于主推电机(A1)的输出，动力轴 变向动力来步进电机(A21，A22)。矢量推进器通过传递三个动力源的动力实现矢量推进器的 变向，力的传递由：转向蜗轮蜗杆机构，动力轴机构，动力轴变向机构，滑动导流罩装置实 现，下面将详细介绍本发明内部机构的工作原理。

1.变向蜗轮蜗杆：

当潜水器需要转向时步进电机(A21，A22)根据计算得到的步进角度输出一个转角，如 图14.蜗杆(WG1，WG2)与步进电机同步转动，分别与蜗杆(WG1，WG2)相连的蜗轮(WL1， WL2)将蜗杆的力矩转化为垂直于蜗杆的力矩，蜗轮(WL1，WL2)的转动会带动固联在一起的 推力杆(L1，L2)一起转动，如图4.和图5.蜗轮(WL1，WL2)与推力杆(L1，L2)铰接在步 进电机机架上，推力杆(L1，L2)只能绕铰接轴转动，如图14.以蜗轮(WL1)与推力杆(L1) 为例，推力杆(L1)的端点铰链(TL11，TL12)一对推拉杆(T11，T12)，推力杆(L1)转动 时它将带动与之铰链的一对推拉杆(T11，T12)轴向的推拉力，使推拉杆(T11，T12)以相 同的幅度反方向来回运动，另一组变向蜗轮蜗杆机构以同样的方式传递运动，从而实现两组 推拉杆(T11，T12)与(T21，T22)的运动。

2.动力轴转向机构：

动力轴转向机构提供动力输出轴(D2)的转向力矩，使动力输出轴(D2)的轴向发生变 化，如图15.其实现过程是：

(1)两对推拉杆(T11、T12)与(T21、T22)的运动带动止推轴承外钢圈(Z2)运动， 由于每一对推拉杆的运动将导致止推轴承外钢圈(Z2)绕X轴或Y轴转动，则相互垂直的两 对推拉杆将实现止推轴承(Z2)沿任一方向转动。

(2)止推轴承的内外钢圈(Z1，Z2)同轴，所以当外钢圈(Z2)发生转动时内钢圈(Z1) 也会产生同样的转动，由于内钢圈(Z1)的轴向转动不会带动外钢圈(Z2)的转动，所以外 钢圈只会传递推拉杆(T11、T12)与(T21、T22)的轴向力，使止推轴承的轴向向指定方向 偏转，而不会传递止推轴承的内钢圈(Z1)的转矩，从而实现动力的变向输出。

3.动力轴机构：

如图11.动力轴主要部分是由一个可以提供动力变向输入与输出的万向节(WX1)，万向 节的输入部分为动力输入轴(D2)连接主推电机(A1)，万向节输出部分为动力输出轴(D1) 连接螺旋桨(X)，当万向节输出轴(D2)的方向发生变化时，螺旋桨的盘面会随输出轴而改变， 这样螺旋桨的推力方将随输出轴方向变化而变化，并且推力方向始终沿输出轴方向，如图16. 推力方向的变化会产生一个转向力矩，完成航行器的转向。

4.滑动导流外壳

如图17和图13导流外壳(DL)的作用是使矢量推进器与螺旋桨之间具有流线过度同时 还能保证转动机构在航行器壳体(TT)内顺利转向，由于导流外壳(DL)的球形面部分(DL2) 是固定在止推轴承外钢圈(Z2)上的，而另一端是通过轴承(ZC1)与动力输出轴(D2)连接， 所以它只是随着止推轴承外钢圈(Z2)发生转动，在转动的过程中导流罩(DL)的球形面(DL2) 部分将与航行器壳体(KT)发生滑动摩擦，由于止推轴承的外钢圈(Z2)在转动过程中其轮廓 是一个以轴承中心为球形的球面，于是将导流罩(DL)与艇体(TT)接触部分设计成球形面 (DL2)，有利于流线过度又不影响艇体(TT)与导流罩(DL)的相对滑动。

5.进步电机与推进器转动角度之间的对应关系

矢量推进器的变向可以看成是沿Y轴和X轴的转动如图18，设变向杆的长度为l₂，推拉 杆与止推轴承的连接点之间的距离为l₁，推拉杆的长度为L。若矢量推进器需要绕x轴转θ₁。 那么蜗杆的转动角度就可以通过几何关系求出；

x₁点与x₂点之间的距离为L，x₁点到o₁点之间的距离为x₂点到o₂点之间的距离为o₁与o₂之间的距离为l表示蜗轮轴与止推轴承圆心之间的距离，如图19。现在假设o₁x₁需要转 θ₁的角度，求解θ₂得角度，由几何关系，如图20：

x₁的坐标为：

$(\frac{l_1}{2}{\mathrm{sin\theta }}_1,\frac{l_1}{2}{\mathrm{cos\theta }}_1)---\left(1\right)$

x₂的坐标为：

$(\frac{l_2}{2}{\mathrm{sin\theta }}_2+l_1,\frac{l_2}{2}{\mathrm{cos\theta }}_2)---\left(2\right)$

x₁与x₂之间的距离为：

${(\frac{l_1}{2}{\mathrm{sin\theta }}_1-(\frac{l_1}{2}{\mathrm{sin\theta }}_2+l\left)\right)}^2+{(\frac{l_1}{2}{\mathrm{cos\theta }}_1-\frac{l_2}{2}{\mathrm{cos\theta }}_2)}^2=L^2---\left(3\right)$

为了简化计算令如下对应关系：

$\left(\begin{array}{c}\frac{l_1}{2}={\rho }_1\\ \frac{l_2}{2}={\rho }_2\end{array}\right)---\left(4\right)$

将(4)带入(3)并对(3)式分解化简为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{sin\theta }}_2(2{\rho }_{2}l-2{\rho }_1{\rho }_2{\mathrm{sin\theta }}_1)-2{\rho }_1{\rho }_2{\mathrm{cos\theta }}_1{\mathrm{cos\theta }}_2\\ =L^2-{\rho }_2^2-{(l-{\rho }_1{\mathrm{sin\theta }}_1)}^2-{\rho }_1^2{\cos }^2{\theta }_1\end{array}---\left(5\right)$

令(5)式有如下对应关系：

$\left(\begin{array}{c}A=2{\rho }_{2}l2{\rho }_{2}l-2{\rho }_1{\rho }_2{\mathrm{sin\theta }}_1\\ B=-2{\rho }_1{\rho }_2{\mathrm{sin\theta }}_1\\ C=L^2-{\rho }_2^2-{(l-{\rho }_1{\mathrm{sin\theta }}_1)}^2-{\rho }_1^2{\cos }^2{\theta }_1\end{array}\right)---\left(6\right)$

联立(5)(6)得到A,B,C与θ₂之间的关系：

Asinθ₂+Bcosθ₂＝C(7)

通过三角函数变换得到θ₂的解：

$\left(\begin{array}{c}{\theta }_2=arcsin\frac{C}{\sqrt{A^2+B^2}}-arcsin\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\\ {\theta }_2<\frac{\pi }{2}\end{array}\right)---\left(8\right)$

如图21，如果ρ₁＝ρ₂则直接存在关系式：

${\rho }_1={\rho }_2\Rightarrow {\theta }_1={\theta }_2---\left(9\right)$

θ₂就是涡轮的转角，通过(8)或者(9)得到蜗轮的转角之后可以通过蜗轮蜗杆之间的 传动比计算蜗杆的转角设为θ₃，蜗杆的转角就是进步电机的转角，假设蜗杆与蜗轮之间的传 动比为则可以推算出此时蜗杆的转动角度。

${\theta }_3=\frac{n_1}{n_2}{\theta }_2---\left(10\right)$

AUV的运动分为左转，右转，上浮，下潜，螺旋上浮，螺旋下潜。前四种运动只需要矢 量推进器绕一个方向(x或y)旋转。后两种运动需要两个蜗杆配合执行，在执行螺旋运动 的过程中，两个蜗杆的转动互不影响。