一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的制作方法

本申请涉及船舶舵的转舵装置技术领域，尤其是一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系。

背景技术：

舵通常安装在船舶的尾部，舵叶浸在水面以下，当转动舵叶改变其位置时，水压力通过舵叶对船舶产生力矩，这种力矩可以使船舶回转、上升、下降，达到操纵船舶航行状态的目的。目前常用的带动舵叶转动的转舵装置根据动作方式的不同主要有往复式和回转式两大类，其中往复式又细分为十字头式、拨叉式、滚轮式和摆缸式。虽然动作方式不同，各自的优缺点不同，但这些转舵装置有一个共同点是舵机和舵叶是通过一个舵杆穿透船壳体相互连接，功能分离未实现结构和功能的集成，这样不但占用体积大、重量重、占用空间大、安装精度要求高、降噪困难及维护不便等，而且舵杆穿透非耐压或耐压壳体，存在密封机构密封不可靠造成海水泄漏进入船体内部等不足。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的就是采用一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，解决目前的舵装置结构件和功能件分离，即舵杆穿透非耐压或耐压壳体内外连接舵叶和舵机，分离式安装，这样不但体积大、重量重、占用空间大、安装精度要求高、降噪困难及维护不便等，而且舵杆穿透非耐压或耐压壳体，存在密封机构密封不可靠造成海水泄漏进入壳体内部等不足。

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，设置于船体上，其特征在于，所述执行机构位于所述船体的外侧，内置于所述舵叶中，通过一舵叶连接体与所述舵叶相连，所述船体内的动力源为所述执行机构提供驱动。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述动力源包括液压驱动。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述动力源包括电力驱动。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，所述无舵轴舵系进一步包括：

液压传动单元、密封单元和转动支承单元，所述液压传动单元将所述动力源提供的驱动传递给所述密封单元中的所述转动支承单元，由所述转动支承单元带动所述舵叶实现转舵。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，所述液压传动单元进一步包括：

一液压缸壳体、设置于所述液压缸壳体内的活塞、进出油油路、导向凸脊和液压缸盖组成；所述转动支承单元包括设置在所述液压缸壳体内的螺旋轴，分设于所述螺旋轴的顶端和底端的球形支撑、螺旋轴支撑球座、分别设置在所述螺旋轴的顶端和所述螺旋轴支撑球座底端的轴套；所述密封单元包括设置于所述液压缸盖和所述轴套之间的第一密封环和所述活塞上的第二密封环；

其中，所述液压驱动的液压油通过所述进出油油路推动所述活塞沿所述螺旋轴上下运动，所述活塞上下运动带动所述螺旋轴沿自身轴向左右旋转运动，所述螺旋轴左右旋转运动经所述舵叶连接体带动所述舵叶左右摆动，实现左右转舵。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述液压传动单元包括液压缸壳体、转子轴和进出油油路；

所述转动支撑单元包括液压缸盖、分设于所述转子轴顶端和底端的轴套和转子支撑球座；

所述密封单元包括分别上平面密封单元、竖直密封单元和下平面密封单元；

其中，所述上平面密封单元包含所述液压缸盖、静叶上平面油封和转叶上平面油封；所述竖直密封单元包含静叶竖直油封、转叶竖直油封、液压缸壳体和转子轴；所述下平面密封单元包含液压缸壳体和转叶下平面油封。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述液压缸壳体内均布相互成120°夹角的三个突起扇形静叶，所述转子轴上均布相互成120°夹角的三个突起扇形转叶，所述液压缸壳体与所述转子轴相互作用形成6个腔，通过所述静叶上平面油封、所述静叶竖直油封、所述转叶竖直油封和所述转叶下平面油封将所述液压缸壳体内部均分为六个独立密封腔。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述执行机构通过所述轴套顶端的球形花键配合一锁紧件与所述舵叶连接体连接，所述舵叶连接体与所述舵叶焊接连接。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，所述无舵轴舵系进一步包括：

电力传动单元，包括电机壳体、设置于所述电机壳体内的行星齿轮减速器、定子铁芯、转子永磁体、转子铁芯、定子绕组、转子轴和引出电缆；

转动支撑单元，包括所述电机压盖和设置于其中的轴套以及固定在所述电机压盖上的所述行星齿轮减速器；

密封单元，包括内置于所述电机压盖内的密封圈；

其中，所述动力源输出电力通过所述引出电缆引入所述定子绕组，所述定子绕组通入三相交流电源产生与电源频率同步的旋转磁场，所述旋转磁场与所述转子永磁体的磁场共同作用产生旋转力矩，推动所述转子轴旋转运动并带动所述行星齿轮减速器和一球形花键轴转动，所述球形花键轴带动所述舵叶连接体和舵叶进行摆动，实现转舵。

比较好的是，本发明进一步提供了一种执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，其特征在于，

所述转子永磁体包括面装式转子结构、插入式转子结构和内装式转子结构。

本发明的执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系由最紧凑集成的结构实现舵叶转动的功能，且具有较高的扭矩输出、高承载能力、抗冲击、零泄漏、安装灵活，摆动角度精确、可靠性高、传动效率高及噪音低等优点。

本发明的执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系是一种通用的装置，可以应用于大、中、小型军用及民用，水面及水下舰船。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明第一较佳实施例的无舵轴舵系的局部剖视图；

图2是图1中执行机构100的放大示意图；

图3是本发明第二较佳实施例的无舵轴舵系的局部剖视图；

图4是图3中执行机构100的放大示意图；

图5是图3中a-a剖视图；

图6是本发明第三较佳实施例的无舵轴舵系的局部剖视图；

图7是图6中执行机构100的放大示意图。

附图标记

100――执行机构

200――船体

300――舵叶

400――液压站

11――锁紧螺母

12――舵叶连接体

13――球形花键

14――球形支撑

15、17、112――复合材料高分子轴套

16――第一密封环

18――活塞

19――液压缸壳体

110――螺旋轴

111――螺旋轴支撑球座

113――进出油油路p、q

114――导向凸脊

115――第二密封环

116――液压缸盖

21――锁紧螺母

22――舵叶连接体

23――球形花键

24――静叶上平面油封

25――静叶竖直油封

26――液压缸壳体(静叶)

27――转子轴(转叶)

28――转子支撑球座

29、212、217――复合材料高分子轴套

210――进出油油路m、n

211――转叶下平面油封

213――转叶竖直油封

214――转叶上平面油封

215――液压缸盖

216――球形支撑

31――锁紧螺母

32――舵叶连接体

33――电机压盖

34――行星齿轮减速器

35――电机壳体

36――定子铁芯

37――永磁体

38――转子铁芯

39――定子绕组

310――转子轴

311――引出电缆

312――变压器油

313、316――复合材料高分子轴套

314――密封圈

315――均压膜

317――球形花键轴

400――液压站

500――电源

900――连接件

具体实施方式

本说明书公开了结合本发明特征的一或多个实施例。所公开的实施例仅仅例示本发明。本发明的范围不限于所公开的实施例。本发明由所附的权利要求是来限定。

说明书中引用的“一个实施例”、“一实施例”、“一示例性实施例”等等表明所述的实施例可以包括特殊特征、结构或特性，但所有实施例不必包含该特殊特征、结构或特性。此外，这些短语不必涉及相同的实施例。此外，在联系一实施例描述特殊特征、机构或特性时，就认为联系其他实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性在本领域的技术人员的知识范围之内。

此外，应理解，这里使用的空间描述(例如，之上、之下、上方、左边、右边、下方、顶部、底部、垂直、水平等等)仅用于说明的目的，且这里所描述的结构的实际实现方式可以是按任何定向或方式来在空间上排列。

第1实施例

图1和2所示为螺旋式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的第一较佳实施例。其中，图1是带执行机构的舵叶局部剖视图，图2是图1中执行机构的放大剖视图。

图1中可见，执行机构100位于船体200的外侧，内置于舵叶300中并与其相连，通过设置在船体200内的液压站400提供传动动力。

图2所示了执行机构100的详细组成，包括液压传动单元，由液压缸壳体19、设置于该壳体19内的活塞18、由附图标记113标示的进出油油路p和q、导向凸脊114和液压缸盖116组成，该执行机构100还包括转动支承单元，由设置在液压缸壳体19内的螺旋轴110、和分设于螺旋轴110顶端和底端的球形支撑14和螺旋轴支撑球座111组成，以及分别设置在螺旋轴1102、螺旋轴支撑球座111底端的复合材料高分子轴套15、112起到转动支撑的作用。此外，该执行机构还包括有液压缸盖116和轴套之间的第一密封环16、活塞上的第二密封环115等组成的密封单元。

上述机构通过轴套顶端的球形支撑14和球形花键13配合锁紧螺母11与舵叶连接体12相连。

更进一步来说，液压缸壳体19与船体座板螺栓连接固定,螺旋轴110通过螺旋轴支撑球座111、球形支撑14安装在液压缸壳体19内，活塞18安装在螺旋轴110上形成螺旋副；活塞18外部缺口与液压缸壳体19上的导向凸脊114配合，限制活塞18轴向旋转，允许沿导向凸脊114做上下运动；液压缸盖116用紧固件固定在液压缸壳体19上，同时液压缸盖116与球形支撑14、复合材料高分子轴套15配合限制螺旋轴110向上窜动，螺旋轴支撑座111和复合材料高分子轴套112配合限制螺旋轴110向下窜动；螺旋轴110与舵叶连接体12通过球形花键13连接；舵叶连接体12顶部通过锁紧螺母11锁紧，底部圆周通过复合材料高分子轴承套17支撑在液压缸壳体19上，舵叶连接体12与舵叶300焊接连接。

上述螺旋式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的第一实施例，通过船体内部的液压站400提供驱动液压油，液压油由p、q两口进出使油腔a腔或油腔b腔充油或回油，来推动活塞18沿螺旋轴110做上或下运动，需要说明的是由于活塞18外侧设有与导向脊114配合的凹槽，所以活塞18只能做上下运动，这样螺旋轴110做圆周运动的同时通过球型花键13带动舵叶连接体12和舵叶300做一定角度范围的摆动，实现转舵。

本发明的螺旋式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系，是利用螺旋齿作为主要运动副，液压能为其提供动力，使其将直线运动转换成旋转运动，从而实现舵叶的转向。螺旋运动副非常关键，本发明通过对螺旋副螺旋齿的特殊处理，实现耐磨、摩擦系数低等，以便提高螺旋摩擦副的使用寿命和传递效率。螺旋副的扭矩通过球形花键13传递给舵叶连接体12和舵叶300，锁紧螺母11将舵叶连接体12和舵叶300固定在球形花键10上，防止轴向窜动，舵叶连接体2与液压缸壳体9之间采用水润滑的复合材料高分子轴承套7。第二密封环115保证a腔和b腔之间的相对密封，第一密封环16保证油不向液压缸壳体外泄露油。球形花键13、球形支撑14和螺旋轴支撑球座111与螺旋轴110配合具有一定的自由度，以消除轴向、径向间隙和变形等的影响，防止液压缸壳体19弯曲变形导致的转舵失效。

具体实施过程为液压站400提供一定压力、流量的液压油，液压油由p口进入a腔，a腔充液压油过程中推动活塞18沿导向凸脊114向下直线运动，b腔液压油通过q口回入液压站的油箱里面，活塞18向下运动过程中带动螺旋轴110沿自身轴向做左旋转运动，螺旋轴110左旋转运动时通过球形花键13带动舵叶连接体12、舵叶300向左摆动，实现右转舵。具体左转舵过程与右转舵过程相反，在此不再累述。

第2实施例：

图3和4给出了一种转叶式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的结构。

图3中可见，执行机构100同样位于船体200的外侧，内置于舵叶300中并与其相连，通过船体200内的液压站400提供传动动力。

图4所示了执行机构100的详细组成，包括液压传动单元、转动支撑单元、密封单元，具体介绍如下：

液压传动单元由液压缸壳体(静叶)26、转子轴(转叶)27、由附图标记210标示的进出油油路m和n以及液压站400等组成。

转动支撑单元由液压缸壳体(静叶)26、液压缸盖215、和分设于转子轴(转叶)27顶端和底端的复合材料高分子轴套217、转子支撑球座28组成。

密封单元分别由上平面密封单元、竖直密封单元和下平面密封单元组成，其中上平面密封单元包含液压缸盖215、静叶上平面油封24和转叶上平面油封214；竖直密封单元包含静叶竖直油封25、转叶竖直油封213、液压缸壳体(静叶)26和转子轴(转叶)27；下平面密封单元包含液压缸壳体(静叶)26和转叶下平面油封211三部分组成。

上述机构通过球形支撑216和球形花键23配合锁紧螺母21与舵叶连接体22相连。

不同于第1实施例之处在于，此处的转动支承单元采用的是转叶式组成，具体来说，请参见图5，所示为图3中a-a剖视的执行机构的局部放大示意图，液压缸壳体26内的3个突起扇形静叶均布，相互成120°夹角；转子轴27上也均布有三个突起的扇形转叶，同样3个转叶也互成120°夹角；然后液压缸壳体26与转子轴27相互作用形成6个腔，然后再通过静叶上平面油封24、静叶竖直油封25、转叶竖直油封213、转叶下平面油封211把液压缸壳体26内部均分为六个独立密封腔a1、b1、a2、b2、a3、b3。

上述机构通过轴套顶端的球形花键23与舵叶连接体22连接，舵叶连接体22顶部通过锁紧螺母21锁紧，底部圆周通过复合材料高分子轴承套212支撑在液压缸壳体(静叶)26上，舵叶连接体22与舵叶300焊接连接。

具体来说，液压缸壳体26通过螺栓900与船体座板连接固定，在该壳体26内对应为转叶的转子轴27通过转子支撑球座28、球形支撑216和液压缸盖15共同作用固定在液压缸壳体26内，液压缸盖215与液压缸壳体26用紧固件固定在一起。

本实施例的转叶式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的结构，通过船体内部的液压站400提供驱动液压油，液压油由m口、n口总进出，然后通过3个静叶两侧的分进出油口20进出六个独立密封腔a1、b1、a2、b2、a3、b3，实现转子轴(转叶)27沿轴向做顺时针或逆时针转动，这样转子轴(转叶)27做顺时针或逆时针转动的同时通过球形花键23带动舵叶连接体22和舵叶218做一定角度范围的摆动，实现转舵。

执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(转叶式)是利用液压能为动力，实现a1、a2、a3充油，b1、b2、b3回油或a1、a2、a3回油，b1、b2、b3充油，带动转子轴(转叶)27转动，从而实现舵叶300摆动。转子轴(转叶)27的扭矩通过球形花键23传递给舵叶连接体22和舵叶300，锁紧螺母21将舵叶连接体22和舵叶200固定在转子轴(转叶)27上，防止轴向窜动，舵叶连接体22与液压缸壳体26之间采用复合材料高分子轴承套支撑。静叶上平面油封24、静叶竖直油封25、转叶竖直油封213、转叶下平面油封211共同作用，保证六个独立腔a1、b1、a2、b2、a3、b3相对密封，减少内泄漏。球形花键23、球形支撑216和转子支撑球座28与转子轴(转叶)27配合具有一定的自由度，以消除轴向、径向间隙和变形等的影响，防止液压缸壳体(静叶)26弯曲变形导致的转舵失效。

具体实施过程为液压站400提供一定压力、流量的液压油，通过总进油口m口进油、n口回油，再到3个静叶两侧的分进油口p1口进、o1口回油，实现转子轴(转叶)27沿自身轴向逆时针运动，转子轴(转叶)27逆时针运动时通过球形花键23带动舵叶连接体22、舵叶300左摆动，实现右转舵；具体左转舵过程与右转舵过程相反，在此不再累述。

第3实施例：

图6示意了一种充油电动式执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系的结构。

图7示意了图6中执行机构100的详细组成，包括电力传动单元、转动支撑单元、密封单元。

电力传动单元由电机壳体35、设置于电机壳体35内的行星齿轮减速器34、定子铁芯36、永磁体37、转子铁芯38、定子绕组39、转子轴310以及引出电缆311组成。

转动支撑单元由电机压盖33和设置于其中的复合材料高分子轴套313、316以及固定在电机压盖33上的行星齿轮减速器34组成。

密封单元由内置于电机压盖33内的密封圈314等密封件组成。

上述执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(充油电动式)主要有锁紧螺母31、舵叶连接体32、电机压盖33、行星齿轮减速器34、电机壳体35、定子铁芯36、永磁体37、转子铁芯38、定子绕组39、转子轴310、引出电缆311、变压器油312、复合材料高分子轴承套313和316、密封圈314、均压膜315、球形花键317、舵叶300、电源319等组成。

具体为电机壳体35与船体座板螺栓连接固定，定子绕组39和定子铁芯36间隔均布的固定在圆形电机壳体35下半部分内壁，转子铁芯38和永磁体37同样间隔均布固定在转子轴310上，转子轴310与行星齿轮减速器34连接，行星齿轮减速器34固定在电机压盖上，转子轴310与行星齿轮减速器34悬臂支撑固定在电机壳体35内，定子和转子之间有一定的间隙。行星齿轮减速器34输出轴和球形花键轴317连接，球形花键轴317通过花键与舵叶连接体32连接，舵叶连接体32顶部通过锁紧螺母31锁紧，圆周通过复合材料高分子轴承套313支撑在电机壳体35外侧，舵叶连接体32与舵叶300焊接连接。变压器油312充填在电机壳体35内部的空隙，为防止泄露用密封圈314等进行密封隔离，为保证电机壳体内部与外部压差等，在电机压盖上设置有均压膜315。具体请参见图6所示的执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(电动式)结构图，以及图7所示的执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(电动式)执行机构放大图。

执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(充油电动式)，通过船体内部电源供电，电缆由引出电缆311处引入定子绕组39，定子绕组39通入三相交流电源，产生与电源频率同步的旋转磁场，该磁场与转子永磁体37的磁场共同作用，产生旋转力矩，从而推动转子轴310做旋转运动。定子绕组39、定子铁芯36和永磁体37、转子铁芯38可以根据需要设置多组，以便提供不同的输出功率，且一组绕组损坏，不影响其它组的正常工作，提高机构的可靠性。永磁体37根据安装型式可以为面装式转子结构、插入式转子结构、内装式转子结构等。上文描述转子轴310做旋转运动带动行星齿轮减速器34、球形花键轴317转动，球形花键轴317通过换件带动舵叶连接体32和舵叶300做一定角度范围的摆动，实现转舵。

执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(充油电动式)是利用电能驱动，这样结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点。同样扭矩传送通过球形花键轴317传递给舵叶连接体32和舵叶300，锁紧螺母31将舵叶连接体32和舵叶318固定在球形花键轴317上，防止舵叶300轴向窜动，舵叶连接体32与电机壳体35之间采用复合材料高分子轴承套支撑，球形花键轴317与行星齿轮减速器34连接时，采用了复合材料高分子轴套313、316支撑过渡。以上这样的连接型式可以消除轴向、径向间隙和变形的影响，并防止电机壳体35弯曲导致的转舵失效。

具体实施过程为电源319提供三相交流电能，通过引出电缆311把电能输送到定子绕组39，此时定子绕组39产生交变电磁场，转子轴310在定子旋转磁场和转子轴上固定的永磁体37共同作用下沿转子轴轴线做顺时针旋转运动，从而带动行星齿轮减速器34转动，再通过球形花键轴317带动舵叶连接体32、舵叶300左摆动，实现右转舵；具体左转舵通过电气驱动电路改变转子轴310转向来实现舵叶300左转舵。

该执行机构内置于舵叶的无舵轴舵系(充油电动式)也可做相应调整后应用于吊舱式推进装置的转舵，能推动推进器的自由转动，从而能够产生任何方向的推力。

概括并总结上述3个实施例，3例中舵系执行机构均内置在舵叶内，这是最大的一个改进点，具体来说，执行机构位于船体的外侧，内置于舵叶中并与其相连。

综上所述，上述3个实施例的不同之处：

第1、2实施例通过设置在船体内的液压站提供传动动力；第3实施例通过设置在船体内的电源提供电能转换驱动力。

第1实施例与实施例2的不同之处在于液压传动单元的结构形式，实施例1通过液压站400提供的驱动液压油，推动被导向脊114限制旋转的活塞18沿螺旋轴110做上或下运动，从而带动螺旋轴110做圆周运动，同时带动舵叶300做一定角度范围的摆动，实现转舵。

第2实施例与实施例1的区别在于通过液压站400控制驱动液压油的进出，使转子轴(转叶)27上的同一扇叶两侧的液压油腔室产生的压力差，推动转子轴(转叶)27做旋转运动，同时带动舵叶300做一定角度范围的摆动，实现转舵。

第3实施例与上述两个实施例的不同点在于驱动动力源以及传动单元。

第1、2实施例采用液压油作为驱动源，第3实施例采用电力作为驱动源。

第3实施例通过船体内部电源供电，三相交流电由引出电缆311引入定子绕组39，并产生与电源频率同步的旋转磁场，该磁场与转子永磁体37的磁场共同作用，产生旋转力矩，从而推动转子轴310做旋转运动，同时经过行星齿轮减速器34减速升扭后带动舵叶300做一定角度范围的摆动，实现转舵。

本发明尤其适合于安装空间狭小、重量要求轻、安全可靠性高、大输出扭矩、高承载能力及噪声指标要求高的船舶舵的转舵装置。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。