專利名稱：水下航行體的模塊化舵機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供的是一種應用于水下航行體的舵機。
背景技術：
舵屬于薄的流線型物體，非常適合于控制高速運動的流線式水下機器人等水下航行體的運動。當轉動舵葉改變其位置時，水壓力通過舵葉對航行體產(chǎn)生力矩，這種力矩使航行體回轉達到操縱其航向的目的。但是，由于水下航行體外形、重量、密封條件以及舵機在水下航行體內部安裝位置等因素的限制，使舵機系統(tǒng)的設計成為水下航行體結構設計中的一個難點問題。
隨著水下航行體技術的高速發(fā)展，水下航行體及其內部組件的模塊化設計已經(jīng)成為水下航行體結構設計的一種趨勢。所謂模塊化是指在對一定范圍內的不同產(chǎn)品進行功能分析和分解的基礎上，劃分并設計、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標準模塊，然后，從這些模塊中選取相應的模塊并補充新設計的專用模塊和零部件一起進行相應的組合，以構成滿足各種不同需要的產(chǎn)品的一種標準化形式。模塊可以是由一個零件組成的，也可能是一個組件或者部件。一個產(chǎn)品應分成幾個模塊。模塊化結構的各模塊之間應是可以互換的，這便于各模塊之間的組合，以得到不同功能的要求。并且，各模塊是一組有不同用途的，不同結構的基本單元，可以有選擇地經(jīng)不同的組合后達到不同的功能要求，以適應不同的需要。舵機系統(tǒng)的模塊化設計能夠提高舵機結構的可重組性和互換性，增加舵機功能的靈活性和多樣性，并使得舵機系統(tǒng)可集成化制造、安裝，進而降低其制造成本。
專利申請?zhí)枮?00520098347.0、名稱為《集成式小型舵機》的專利，采用油泵推動液壓油缸實現(xiàn)舵葉轉動，主要應用于船舶等水面航行體上。其結構復雜、體積大、浪費能源，成本高。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種體小質輕，可模塊化制造、安裝，并直接應用于中性或偏酸性的液體環(huán)境中，能同時實現(xiàn)轉向和升沉運動控制的水下航行體的模塊化舵機。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括轉向舵模塊、升沉舵模塊和密封箱體三部分；密封箱體由箱體、箱體兩端的O型密封圈組成；轉向舵模塊的組成包括箱體端蓋、轉向步進電機、轉向舵，轉向舵模塊位于密封箱體的前端轉向步進電機設置于密封箱體內，轉向步進電機是兩端同步輸出電機，轉向步進電機兩端的輸出軸伸出箱體端蓋外、并且與箱體端蓋之間設置有密封支承機構，兩個轉向舵通過轉向舵連接軸安裝在轉向步進電機輸出軸上，箱體端蓋安裝于箱體兩端并由O型密封圈密封；升沉舵模塊的組成包括升沉步進電機、升沉舵，升沉舵模塊位于密封箱體的后端，升沉步進電機設置于密封箱體內，升沉步進電機的輸出軸伸出密封箱體的一側，并且與箱體之間設置有密封支承機構，升沉步進電機輸出的動力通過圓錐齒輪副轉向后，經(jīng)升沉舵連接軸傳遞給兩個升沉舵。
本發(fā)明還可以包括這樣一些結構特征1、所述的轉向步進電機的輸出軸與端蓋之間的密封支承機構包括安裝在箱體端蓋上的密封端蓋、密封端蓋與端蓋之間的O型圈、設置于密封端蓋與轉向舵連接軸之間的骨架油封和不銹鋼軸承。
2、轉向舵通過聯(lián)軸節(jié)安裝在轉向舵連接軸上，在聯(lián)軸節(jié)與不銹鋼軸承之間設置有緩沖元件。
3、所述的轉向步進電機輸出軸與箱體端蓋之間的密封支承機構包括安裝在箱體端蓋上的骨架油封。
4、在一個箱體端蓋內側帶有兩個平行凸臺。
5、所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的密封端蓋、密封端蓋與箱體側壁之間有O型密封圈、密封端蓋與電機連接軸之間有骨架油封和不銹鋼軸承。
6、所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的骨架油封。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、同時實現(xiàn)升沉舵和轉向舵轉動。
很多舵機的設計只針對單獨的升沉舵或轉向舵，本舵機系統(tǒng)能夠同時驅動升沉舵和轉向舵運轉，既可耦合協(xié)作又可單獨工作，提高了舵機工作性能。
2、模塊化結構設計本舵機系統(tǒng)由三個模塊組成，可集成制造、集成安裝，成本便宜，并且易于更換功能模塊，實現(xiàn)舵機結構的重組，這也使舵機系統(tǒng)能夠適應多種工作要求，豐富了舵機的功能。
3、雙舵葉的大轉向力矩由舵力計算公式可知，舵葉產(chǎn)生的轉向力矩與它的迎流面積成正比，本發(fā)明在不增加整個舵機體積的情況下，每個方向均對稱安裝雙轉向舵葉，既使舵機受力更加平衡穩(wěn)定，又增大力矩數(shù)值，提高了舵機效率。
4、升沉舵和轉向舵可實現(xiàn)功能互換。
本舵機系統(tǒng)采用的是轉向舵在前升沉舵在后的設計方案，但當工作環(huán)境需要時，也可以將轉向舵和升沉舵互換，使升沉舵在前，轉向舵在后，提高了舵機系統(tǒng)的適應性。并且，由于本系統(tǒng)的升沉舵葉和轉向舵葉是相互垂直、對稱分布的，如果航行體運行時出現(xiàn)橫滾或傾覆，升沉舵葉和轉向舵葉可立即進行角色互換，保證航行體繼續(xù)前進，完成回航任務，防止事故的發(fā)生。
5、既適用于低速、小型的水下航行體，又適用于高速、大型的水下航行體。
根據(jù)水動力學知識，當水下航行體的轉動慣量大(與質量及慣性半徑的平方成正比)時，其所需的偏轉力矩就大；而且，由舵力計算公式可知，舵葉產(chǎn)生的轉向力矩與水下航行體的航行速度的平方成正比。因此，低速、小型的水下航行體的舵葉所受力矩??；高速、大型的水下航行體的舵葉所受力矩大。本發(fā)明提供了適用于上述兩種情況的不同實施方案附圖3所示的舵機結構中可見，每個不銹鋼軸承與聯(lián)軸節(jié)(或錐齒輪軸)之間均裝有緩沖元件，以抵消舵葉所受軸向力，而不銹鋼軸承和骨架油封又可吸收、抵消舵葉所受徑向力，使得整個舵機系統(tǒng)承受外部載荷變動能力的范圍較大，此實施方式適用于舵葉受力大的工況環(huán)境；附圖6、7所示的舵機結構中可見，步進電機輸出軸直接與連接軸相連，簡化掉了不銹鋼軸承及緩沖元件，此實施方式適用于舵葉受力小的工況環(huán)境。
6、結構緊湊、體小質輕。
本發(fā)明充分考慮結構的小型化問題，結構設計緊湊，其密封箱體尺寸僅略微大于兩個驅動電機的外形尺寸，舵葉具體的位置也可以通過改變舵軸的長度來保證。
7、步進電機的精確轉角控制和自鎖。
很多舵機采用復雜的機構來實現(xiàn)舵葉的精確角度控制，本舵機采用步進電機作為核心驅動部件，能夠實現(xiàn)精確的角度控制和必要的自鎖功能，在提高舵機控制效率的同時，也省去了復雜的控制系統(tǒng)。
8、為其它需要實現(xiàn)垂直輸出軸同時運轉的機構提供了新的解決方案。
在潮濕、粉塵等惡劣且狹小的工礦環(huán)境下，也經(jīng)常需要能夠實現(xiàn)互相垂直的輸出軸同時運轉的其它機構，本發(fā)明為其提供了一種新的解決方案。
鑒于目前大多數(shù)水下航行體轉向、升沉舵分離，舵機結構復雜、質量較大且產(chǎn)生力矩較小的缺點，我們采用模塊化技術，研發(fā)了本模塊化舵機系統(tǒng)，使其集轉向、升沉舵控制于一身，簡化了航行體內部結構，使舵機功能更加靈活、多樣，并且每個方向的雙舵葉控制使得航行體獲得更加強勁的偏轉力矩，模塊化的設計大大提高了舵機系統(tǒng)的可靠性和互換性，并使得舵機系統(tǒng)的集成化制造、安裝成為可能，降低了舵機系統(tǒng)的制造成本。本舵機系統(tǒng)的研制，開拓了水下航行體舵機的設計思路，在水下航行體的小型化、模塊化方面做出了進一步嘗試，這在降低能耗、提高推進效率等方面有著重要的探索價值。
本發(fā)明應用于水下航行體，可實現(xiàn)轉向舵和升沉舵的同時控制；采用步進電機驅動，其傳動精確。并且，本發(fā)明具有體積小、質量輕、密封安全、結構簡單、功能靈活、制造成本低等優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明的外形的主視圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是本發(fā)明的轉向舵模塊結構圖；圖4是本發(fā)明的實施方式1結構示意圖；圖5是升沉舵模塊結構圖；圖6是本發(fā)明的實施方式2結構示意圖；圖7是本發(fā)明的實施方式3結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述本發(fā)明的水下航行體的模塊化舵機由轉向舵模塊、升沉舵模塊和密封箱體三部分組成。三個部分在功能上相互獨立，互不干涉，既保證了舵機系統(tǒng)的工作穩(wěn)定可靠，調節(jié)自如；必要時又可進行拆分工作，進一步簡化航行體結構。
結合圖1、2、3和4，轉向舵模塊基本上是上下對稱結構，現(xiàn)取其下邊結構進行說明，下邊結構由O型圈1，密封端蓋2、轉向舵連接軸3、轉向舵葉4、聯(lián)軸節(jié)5、緩沖元件6、不銹鋼軸承7、骨架油封8、箱體端蓋I 9和步進電機10等組成。密封端蓋2固連在箱體端蓋I 9上，并通過O型圈1實現(xiàn)舵機內外的靜密封。聯(lián)軸節(jié)5連接轉向舵連接軸3和轉向舵葉4，而轉向舵連接軸3則安裝在步進電機10的輸出軸上，這樣步進電機10的動力便通過轉向舵連接軸3和聯(lián)軸節(jié)5最終傳遞給了轉向舵葉4，從而實現(xiàn)了舵機系統(tǒng)轉向舵的自由轉動。轉向舵連接軸3通過安裝在密封端蓋2上的不銹鋼軸承7實現(xiàn)定位，并通過骨架油封8實現(xiàn)舵機內外的動密封，不銹鋼軸承7和骨架油封8均嵌套在密封端蓋2內。緩沖元件6夾在聯(lián)軸節(jié)5與不銹鋼軸承7之間，并套在轉向舵連接軸3上，以傳遞轉向舵葉4所受徑向力。轉向舵模塊的上邊結構與上基本相同，只是其中的箱體端蓋II 13與箱體端蓋I 9有所區(qū)別，參見附圖3、4。為了給步進電機10提供安裝界面，箱體端蓋I 9內側設計了兩個平行凸臺，使步進電機10與之能夠精確固定，安裝在舵機內部。另外，步進電機10是兩端同步輸出電機，上端輸出軸驅動轉向舵模塊上邊機構，下端輸出軸驅動轉向舵下邊機構，因此上下兩片轉向舵葉將同步運轉工作，提高航行體轉向效率，穩(wěn)定航行體運行。
結合圖4和圖5，升沉舵模塊由步進電機14、密封端蓋15、O型密封圈16、骨架油封17、不銹鋼軸承18、錐齒輪軸19、電機連接軸20、升沉舵連接軸I 21、圓錐齒輪副22、23、緩沖件24、升沉舵葉25、聯(lián)軸節(jié)26、緩沖元件27、升沉舵軸承28、軸承支架29、聯(lián)軸器30、升沉舵連接軸II 31等組成。步進電機14固定在舵機內部，其輸出軸通過與之相連的電機連接軸20和錐齒輪軸19，將旋轉運動傳遞給了圓錐齒輪副22、23。電機連接軸20通過骨架油封17實現(xiàn)舵機內外的動密封，通過不銹鋼軸承18實現(xiàn)與密封端蓋15的定位安裝，而不銹鋼軸承18和骨架油封17均嵌套在密封端蓋15內。密封端蓋15固定在舵機的密封箱體11上，并通過O形密封圈16實現(xiàn)舵機內外的靜密封。緩沖件24套在電機連接軸20上，夾在不銹鋼軸承18和錐齒輪軸19之間。因為圓錐齒輪副22、23中的齒輪一個安裝在錐齒輪軸19的末端，一個安裝在升沉舵連接軸I 21的中部，則旋轉運動經(jīng)過圓錐齒輪副22、23換向后，帶動升沉舵連接軸I 21運動。升沉舵連接軸I 21、升沉舵連接軸II 31，通過連軸器30實現(xiàn)同軸連接，二者分別套在兩個升沉舵軸承28內，實現(xiàn)其定位安裝，而兩端則外套兩個聯(lián)軸節(jié)26實現(xiàn)與兩片升沉舵葉25相連，另外，每個聯(lián)軸節(jié)26和升沉舵軸承28之間均裝有緩沖元件27，傳遞升沉舵葉25所受的軸向力。兩個升沉舵軸承嵌套在安裝在箱體11上的軸承支架29內，實現(xiàn)與整個舵機的完整連接。這樣步進電機14的旋轉運動便最終傳遞到了升沉舵葉25上，驅動舵機系統(tǒng)升沉舵的運轉。同樣，雙片升沉舵葉的設計既兼顧了受力平衡原則又提高了航行體轉向效率。
密封箱體由箱體11和特制的O型密封圈12等組成。箱體11為一兩端開口的矩形箱體，它為步進電機14、密封端蓋15和升沉舵軸承28提供安裝載體，并通過兩個O形密封圈12分別與箱體端蓋I 9和箱體端蓋II 13實現(xiàn)靜密封閉合，使得升沉舵模塊和轉向舵模塊完成了有機連接，組成完整的舵機系統(tǒng)。整個密封箱體為升沉舵模塊和轉向舵模塊提供安裝平臺，密封保護兩個模塊的核心驅動單元，節(jié)省了舵機空間，同時，它們之間又互不干涉、工作獨立、重組容易，使得舵機功能靈活多樣。
上述只是本發(fā)明的一種具體實施方式
，根據(jù)需要本發(fā)明還可以采用其他的具體實施方式
。本發(fā)明的第二種具體實施方式
是在第一種實施方式的基礎上加以簡化。當轉向舵葉受力較小時，在上述具體實施方式
的基礎上，結合模塊化的特點，將轉向舵模塊加以更換，便產(chǎn)生了第二種實施方式，詳見附圖6。轉向舵模塊由轉向舵葉4，聯(lián)軸節(jié)5，骨架油封8，箱體端蓋I 9，長輸出軸步進電機10，箱體端蓋II 13等組成。兩端同步輸出步進電機10的兩側輸出軸分別伸出裝有骨架油封8的箱體端蓋I 9和箱體端蓋II 13之外，聯(lián)軸節(jié)5直接安裝在步進電機10的兩側輸出軸上，并與轉向舵葉4連接。這樣，步進電機10的動力通過聯(lián)軸節(jié)5直接傳遞給了轉向舵葉4，實現(xiàn)了舵機系統(tǒng)轉向舵的自由轉動。由此可見，從轉向舵葉4經(jīng)聯(lián)軸節(jié)5傳遞來的力直接施加在電機輸出軸上，但由于轉向舵受力較小，不會對電機性能造成影響。從圖3、4、6可以看出，轉向舵模塊的組成零件數(shù)由原來的11個減少到6個，去掉了原有的支承及靜密封部分，使結構進一步簡化，更方便了制造和裝配。從圖4、6中可以看出，除轉向舵模塊加以更換外，其余未做更改。
當轉向舵、升沉舵受力都很小時，可以采用第三種實施方式，詳見附圖7。在第二種實施方式的基礎上，密封箱體與升沉舵模塊連接的一側改為直接與骨架油封17配合；升沉舵模塊中，將步進電機14的輸出軸加長，簡化掉密封端蓋15、O型密封圈16、不銹鋼軸承18、電機連接軸20，保留骨架油封17、錐齒輪軸19、升沉舵連接軸I 21、圓錐齒輪副22、23、緩沖件24、升沉舵葉25、聯(lián)軸節(jié)26、緩沖元件27、升沉舵軸承28、軸承支架29、聯(lián)軸器30、升沉舵連接軸II 31。由于升沉舵受力很小，因此圓錐齒輪副22、23的嚙合力不必很大，經(jīng)錐齒輪軸19傳遞到步進電機14的輸出軸上的力也不會影響電機性能。
由上面的描述可知，在具體實施時，根據(jù)工作環(huán)境的不同，只需更換本發(fā)明中部分模塊就可以實現(xiàn)方式轉換的目的了。
權利要求
1.一種水下航行體的模塊化舵機，它包括轉向舵模塊、升沉舵模塊和密封箱體三部分；其特征是密封箱體由箱體、箱體兩端的O型密封圈組成；轉向舵模塊的組成包括箱體端蓋、轉向步進電機、轉向舵，轉向舵模塊位于密封箱體的前端轉向步進電機設置于密封箱體內，轉向步進電機是兩端同步輸出電機，轉向步進電機兩端的輸出軸伸出箱體端蓋外、并且與箱體端蓋之間設置有密封支承機構，兩個轉向舵通過轉向舵連接軸安裝在轉向步進電機輸出軸上，箱體端蓋安裝于箱體兩端并由O型密封圈密封；升沉舵模塊的組成包括升沉步進電機、升沉舵，升沉舵模塊位于密封箱體的后端，升沉步進電機設置于密封箱體內，升沉步進電機的輸出軸伸出密封箱體的一側，并且與箱體之間設置有密封支承機構，升沉步進電機輸出的動力通過圓錐齒輪副轉向后，經(jīng)升沉舵連接軸傳遞給兩個升沉舵。
2.根據(jù)權利要求1所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的轉向步進電機的輸出軸與端蓋之間的密封支承機構包括安裝在箱體端蓋上的密封端蓋、密封端蓋與端蓋之間的O型圈、設置于密封端蓋與轉向舵連接軸之間的骨架油封和不銹鋼軸承。
3.根據(jù)權利要求2所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是轉向舵通過聯(lián)軸節(jié)安裝在轉向舵連接軸上，在聯(lián)軸節(jié)與不銹鋼軸承之間設置有緩沖元件。
4.根據(jù)權利要求1所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的轉向步進電機輸出軸與箱體端蓋之間的密封支承機構包括安裝在箱體端蓋上的骨架油封。
5.根據(jù)權利要求1-4任何一項所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是在一個箱體端蓋內側帶有兩個平行凸臺。
6.根據(jù)權利要求1-4任何一項所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的密封端蓋、密封端蓋與箱體側壁之間有O型密封圈、密封端蓋與電機連接軸之間有骨架油封和不銹鋼軸承。
7.根據(jù)權利要求5所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的密封端蓋、密封端蓋與箱體側壁之間有O型密封圈、密封端蓋與電機連接軸之間有骨架油封和不銹鋼軸承。
8.根據(jù)權利要求1-4任何一項所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的骨架油封。
9.根據(jù)權利要求5所述的水下航行體的模塊化舵機，其特征是所述的升沉步進電機輸出軸與箱體側壁之間的密封支承機構包括安裝在箱體側壁上的骨架油封。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下航行體的模塊化舵機。它包括轉向舵模塊、升沉舵模塊和密封箱體三部分；轉向步進電機與升沉步進電機設置于密封箱體內；轉向舵模塊設置于密封箱體的前端，兩個轉向舵通過轉向舵連接軸安裝在轉向步進電機輸出軸上；升沉舵模塊位于密封箱體的后端，升沉步進電機輸出的動力通過圓錐齒輪副轉向后，經(jīng)升沉舵連接軸等傳遞給兩個升沉舵。本發(fā)明應用于水下航行體，可實現(xiàn)轉向舵和升沉舵的同時控制；采用步進電機驅動，其傳動精確。并且，本發(fā)明具有體積小、質量輕、密封安全、結構簡單、功能靈活、制造成本低等優(yōu)點。
文檔編號B63H25/26GK101074050SQ20071007239
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權日2007年6月25日
發(fā)明者楊立平, 張銘鈞, 王玉甲, 季東軍 申請人:哈爾濱工程大學