带有内置舵机装置的超空泡航行体模型的制作方法
【专利摘要】带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，包括装有空化器的头部锥段及装有尾翼的舱体，舱体包括测压舱段、电机舱段、反馈舱段及尾翼舱段，相邻舱段固接且密封，舱体内装有舵机装置，舵机装置包括由电机和减速机驱动的传动轴，传动轴上装有旋转编码器，传动轴轴端固接有主动锥齿轮，空心轴两端均固接有一舵轴，空心轴轴线与传动轴轴线垂直，空心轴上设有与主动锥齿轮啮合传动的从动锥齿轮；电机和减速机固装在电机舱段内，旋转编码器位于反馈舱段内，传动轴穿过反馈舱段并伸入尾翼舱段内，两个舵轴可转动地支撑在尾翼舱段，两个舵轴形成所述尾翼。本发明能将舵机装置集成布置在超空泡航行体模型内部，且能实现对两舵轴的主动控制和角度反馈。
【专利说明】带有内置舵机装置的超空泡航行体模型
【技术领域】
[0001]本发明涉及超空泡水下航行体水动力学试验【技术领域】，具体涉及超空泡水下航行体模型，尤其涉及能够将能对两个舵轴进行主动控制和角度反馈的舵机装置集成布置在超空泡航行体模型内的超空泡航行体模型。
【背景技术】
[0002]当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体发生相变，由液相转变为汽相，这就是空化现象。随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大，进而发展成超空化形成超空泡。由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用能够使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而大幅提高航行体的运动速度与航行距离。
[0003]超空泡技术减阻特性的优点非常明显，但同时也给航行体的控制、导航提出了更高要求。国内外对于超空泡技术的研究最近几年才刚刚起步，为了研究在动态操纵状态下航行体的流体动力特性，目前主要在空泡水洞、风洞等实验室中进行模型试验。以往的航行体模型操纵试验，尤其是超空泡水下航行体模型的操纵试验，超空泡航行体试验模型的结构通常包括头部锥段、舱体，头部锥段与舱体固接，舱体后端装有尾翼，头部锥段的前端外部套接有通气碗，通气碗前端装备一个空化器，其控制尾翼运动的动力系统通常采用固定式操纵部件，或者将动力源置于试验模型外部，前者无法准确捕捉动态操纵状态下航行体的流体动力特征，而后者对试验室条件具有较高的要求。实现航行体模型操纵部件动态操纵的理想方法是在模型内部布置动力系统，为了实现对两舵轴直动和/或差动传动运动的控制，需要设计结构合理的动力系统，然而由于传动机构的重复和模型内部空间的限制，如何设计满足设计要求的动力系统是航行体模型操纵试验的研究重点。
【发明内容】
[0004]本 申请人:针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其能够将舵机装置集成布置在超空泡航行体试验模型内部，且能够实现对两个舵轴的主动控制和角度反馈。
[0005]本发明的技术方案如下:
带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，包括头部锥段及舱体，头部锥段与舱体固接，舱体后端装有尾翼，头部锥段的前端套接有通气碗，通气碗前端装备一个空化器，舱体包括沿轴向依次设置的测压舱段、电机舱段、反馈舱段及尾翼舱段，相邻舱段之间固定连接且密封，舱体内装有舵机装置，所述舵机装置包括传动轴和空心轴，所述传动轴由伺服电机和减速机驱动，传动轴上装有旋转编码器，传动轴轴端固接有主动锥齿轮；所述空心轴两端分别固接有舵轴一、舵轴二，空心轴的轴线与传动轴的轴线垂直，空心轴上设有从动锥齿轮，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合传动；伺服电机和减速机沿轴向固定支撑在电机舱段内，旋转编码器位于反馈舱段内，传动轴穿过反馈舱段并伸入尾翼舱段内，舵轴一通过轴承和顶盖可转动地支撑在尾翼舱段上，舵轴二通过轴套支撑在尾翼舱尾翼舱段上，舵轴一、舵轴二形成所述尾翼。
[0006]其进一步技术方案为:
所述空心轴为整体式结构或者分半式结构；当空心轴为整体式结构时,空心轴上设有一个从动锥齿轮，所述从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合传动；当空心轴为分半式结构时，空心轴由分开的空心轴段一和空心轴段二共两个分半轴段组成，空心轴段一与空心轴段二的中心轴线位于同一直线上，空心轴段一和空心轴段二上分别设有一个从动锥齿轮，所述两个从动锥齿轮分别与主动锥齿轮啮合传动。
[0007]所述空心轴的两端轴体的中心设有通孔，空心轴的中间轴体的中心设有方槽，通孔与方槽轴向连通，且方槽的对称侧壁上分别设有至少两个螺纹通孔一，螺纹通孔一的轴线与空心轴的轴线垂直；舵轴一、舵轴二的一端均带有对称扁位，扁位上设有螺纹通孔二 ；当空心轴为整体式结构时，所述两个舵轴通过通孔分别从空心轴的两端插入，所述两个舵轴的扁位伸入方槽，通过装在螺纹通孔一及螺纹通孔二内的紧固螺钉将所述两个舵轴固装在空心轴上；当空心轴为分半式结构时，沿方槽所在的轴体进行横剖形成空心轴段一和空心轴段二，且空心轴段一、空心轴段二上分别设有至少一对螺纹通孔一，所述两个舵轴分别从空心轴段一和空心轴段二上的通孔插入，所述两个舵轴的扁位分别伸入空心轴段一和空心轴段二的方槽，通过装在螺纹通孔一及螺纹通孔二内的紧固螺钉将所述两个舵轴分别固装在空心轴段一和空心轴段二上。
[0008]当所述空心轴为分半式结构时，所述舵轴二上扁位的外侧设有轴头，空心轴段一面对空心轴段二的端面上设有凹槽，所述凹槽内设有套环，轴头伸入套环内，套环一端与所述凹槽底部抵接，另一端与舵轴二上扁位的端面抵接。
[0009]所述尾翼舱段固接有测力天平。
[0010]所述测压舱段内装有压力传感器。
[0011]本发明的技术效果:
1、本发明所述舵机装置采用在整体式空心轴上对称连接两个舵轴，并在整体式结构空心轴上仅装一个从动锥齿轮，同时通过简单的锥齿轮传动结构设计，即能实现两舵轴的同步同向转动，进一步地，通过将整体式结构的空心轴替换成分半式结构的空心轴，将两舵轴分别装在分体式空心轴的两个空心轴段上，并且在两个空心轴段上分别装一个从动锥齿轮，即能实现两舵轴的同步反向转动。在所述舵机装置整体尺寸基本不变的情况下，通过对连接两舵轴的空心轴进行简单结构上的变换，既能实现对两舵轴的不同运动形式的主动控制。
[0012]2、本发明所述舵机装置中传动结构简单，整体结构紧凑、体积小、重量轻，并能承受一定转矩和强度，同时通过对超空泡航行体模型的分段式结构的设计，能够将所述舵机装置集成布置在超空泡水下航行体模型的舱体中，通过对两舵轴同向转动或反向转动的主动控制，并且通过角度反馈及测力，最终能够实现对航行体的偏航运动及横滚运动的控制，同时为航行体模型的整体设计和其他功能的实现提供了更多的空间和自由度。
【专利附图】
【附图说明】[0013]图1为本发明所述超空泡航行体的剖视结构示意图，图中还示出了本发明所述超空泡航行体模型用于试验时与水洞之间的连接结构。
[0014]图2为本发明所述舵机装置的立体图，图中所述空心轴为整体式结构，图中还示出了所述舵机装置与超空泡航行体模型装配时的辅助结构。
[0015]图3为本发明所述呈整体式结构的空心轴的立体图。
[0016]图4为本发明所述呈分半式结构的空心轴的立体图。
[0017]图5为本发明所述舵轴一的立体图。
[0018]图6为本发明所述舵轴一的立体图。
[0019]图7为本发明所述舵机装置在超空泡航行体模型所述舱体中的布置图，图中，超空泡航行体模型的所述舱体结构完全示出，图中空心轴为整体式结构。
[0020]图8为本发明所述舵机装置在超空泡航行体模型所述舱体中的布置图，相对于图7而言，图中空心轴为分半式结构，且仅示出了所述舵机装置末端轴系在超空泡航行体模型所述尾翼舱段内的安装示意图。
[0021]其中:1、头部锥段；2、舱体；201、测压舱段；202、电机舱段；203、反馈舱段；204、尾翼舱段；205、连接块；3、通气碗；4、空化器；5、舵机装置；501、传动轴；502、空心轴；5021、空心轴段一 ；5022、空心轴段二 ；5023、通孔；5024、方槽；5025、螺纹通孔一 ；503、伺服电机；504、减速机；505、旋转编码器；506、主动锥齿轮；507、舵轴一 ；508、舵轴二 ；509、从动锥齿轮；510、连接轴；6、轴承；7、顶盖；8、轴套；9、扁位；10、螺纹通孔二 ；11、轴头；12、套环；13、测力天平；14、压力传感器；15、销钉；16、0型密封圈；17、密封轴套；18、挡套；19、连接段；20、调节块；21、尾支杆；22、气密接头。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图，说明本发明的【具体实施方式】。
[0023]见图1、图2、图7，本发明包括头部锥段I及舱体2，头部锥段I与舱体2固接，舱体2后端装有尾翼，头部锥段I的前端套接有通气碗3，通气碗3前端装备一个空化器4，所述舱体2包括沿轴向依次设置的测压舱段201、电机舱段202、反馈舱段203及尾翼舱段204，相邻舱段之间通过销钉15固定连接且使用O型密封圈16进行密封，所述舱体2内装有舵机装置5，所述舵机装置5包括传动轴501和空心轴502，传动轴501由伺服电机503和减速机504驱动，传动轴501上装有旋转编码器505，传动轴501轴端固接有主动锥齿轮506 ；空心轴502两端分别固接有舵轴一 507、舵轴二 508，空心轴502的轴线与传动轴501的轴线垂直，空心轴502上设有从动锥齿轮509，主动锥齿轮506与从动锥齿轮509啮合传动；伺服电机503和减速机504沿轴向固定支撑在电机舱段202内，旋转编码器505位于反馈舱段203内，传动轴501穿过反馈舱段203并伸入尾翼舱段204内，舵轴一 507通过轴承6和顶盖7可转动地支撑在尾翼舱段204上，顶盖7固装在尾翼舱段204上，舵轴二 508通过轴套8支撑在尾翼舱尾翼舱段204上，舵轴一 507、舵轴二 508形成尾翼。
[0024]进一步地，见图3、图4、图7、图8，所述空心轴502为整体式结构或者分半式结构；当空心轴502为整体式结构时，空心轴502上设有一个从动锥齿轮509，从动锥齿轮509与主动锥齿轮506啮合传动；当空心轴502为分半式结构时，空心轴502由分开的空心轴段一5021和空心轴段二 5022共两个分半轴段组成，空心轴段一 5021与空心轴段二 5022的中心轴线位于同一直线上，空心轴段一 5021和空心轴段二 5022上分别设有一个从动锥齿轮509，两个从动锥齿轮509分别与主动锥齿轮506啮合传动。
[0025]具体地，见图3、图4、图5、图6，所述空心轴502的两端轴体的中心设有通孔5023，空心轴502的中间轴体的中心设有方槽5024，通孔5023与方槽5024轴向连通，且方槽5024的对称侧壁上分别设有至少两个螺纹通孔一 5025，螺纹通孔一 5025的轴线与空心轴502的轴线垂直；舵轴一 507、舵轴二 508的一端均带有对称扁位9，扁位9上设有螺纹通孔二 10 ；当空心轴502为整体式结构时，所述两个舵轴通过通孔5023分别从空心轴502的两端插入，所述两个舵轴的扁位9伸入方槽5024，通过装在螺纹通孔一 5025及螺纹通孔二 10内的紧固螺钉将所述两个舵轴固装在空心轴502上；当空心轴502为分半式结构时，沿方槽5024所在的轴体进行横剖形成空心轴段一 5021和空心轴段二 5022两个分半轴段，且空心轴段一 5021、空心轴段二 5022上分别设有至少一对螺纹通孔一 5025，所述两个舵轴分别从空心轴段一 5021和空心轴段二 5022上的通孔5023插入，所述两个舵轴的扁位9分别伸入空心轴段一 5021和空心轴段二 5022的方槽5024，通过装在螺纹通孔一 5025及螺纹通孔二10内的紧固螺钉将所述两个舵轴分别固装在空心轴段一 5021和空心轴段二 5022上。为了使得空心轴5能够承受一定的强度和转矩，将所述空心轴5设置成两端窄、中间宽的结构形式。
[0026]进一步地，当空心轴502为分半式结构时，为了确保舵轴一 507、舵轴二 508的转轴同心，舵轴二 508上扁位9的外侧设有轴头11，空心轴段一 5021面对空心轴段二 5022的端面上设有凹槽，凹槽内设有套环12，轴头11伸入套环12内，套环12 —端与所述凹槽底部抵接，套环12另一端与舵轴二 508上扁位9的端面抵接。
[0027]本发明所述舵机装置通过对空心轴501结构的简单变换，即可以实现对所述两个舵轴的主动控制，使所述两个舵轴同步同向转动或者同步反向转动(差动)，同时整个舵机装置5结构紧凑、体积小，通过对超空泡航行体模型舱体结构的改进，能够将所述舵机装置5整体集成在模型的舱体2内，将舵机装置5集成在舱体2内时，为了确保传动轴501承担的强度及扭矩，在传动轴501与主动锥齿轮506之间装有连接轴510，为了保证舱体2所述四个舱段之间的密封，在电机舱段202与反馈舱段203之间通过O型密封圈16进行密封，传动轴501与反馈舱段203上的安装孔之间设有密封轴套17，密封轴套17与反馈舱段203固定连接，密封轴套17的外周面与反馈舱段203上所述安装孔的内表面之间、密封轴套17的内周面与传动轴501的外周面之间均设有O型密封圈16进行密封。
[0028]具体在实际模型试验时，由于舱体2为分段式结构，在测压舱段201与电机舱段202之间采用连接块205连接，来增加整个舱体2的连接强度，为了在所述两个舵轴同步同向转动或同步反向差动的情况下，测量模型整体受到的水动力，如阻力、升力和弯矩，在尾翼舱段204尾部固接有测力天平13，为了防止来流干扰测力天平13测力，在测力天平13的外部套接有挡套18，挡套18后端通过连接段19、调节块20与尾支杆21固接，调节块20的设置可以用于调节珍格格模型的倾角，尾支杆21则与水洞的尾部支撑架固定连接，如此，将整个超空泡航行体模型及测量装置装在水洞上，其中，空化器4是超空泡的发生器，气体由外部气源通过软管通入模型内并将气体提供给通气碗3，具体在本发明实施例中，在测压舱段201与锥段I内腔连通的壁面上设有气密接头22，输送气体的软管接在气密接头22上，锥段I上位于通气碗3内部的锥段部分设有通孔，由此，将外部气源提供的体首先通过软管进入锥段I的内腔，再由锥段I头部的通孔通入通气碗3，由此在模型表面形成超空泡，超空泡的发生技术属于现有技术，本发明的运行方式如下:
控制所述两个舵轴同步同向转动:在所述舵机装置中使用呈整体式结构的空心轴502，此时，空心轴502上仅设有一个从动锥齿轮509，伺服电机503经过减速机3的减速和增加扭矩作用后，带动传动轴I及主动锥齿轮4动作，通过主动锥齿轮506与空心轴502上从动锥齿轮509的啮合传动，带动空心轴502以及与空心轴502固定连接的舵轴一 507、舵轴二 508同步同向转动，转动过程中，旋转编码器505用于实时反馈所述两个舵轴转动的角度；测量装置中的测力天平13根据测量需要进行设置，如需要同时测量阻力、升力和力矩三个分量，则可以采用三分力天平，在所述两个舵轴同步同向转动的运动模式下，通过三分力天平可以测量航行体模型整体受到的阻力、升力、弯矩三项水动力性能，如只需要阻力、升力或力矩中的单一分量或两个分量，则可以采用相应的单分力天平或二分力天平。
[0029]控制所述两个舵轴同步反向转动:在所述舵机装置中使用呈分半式结构的空心轴502，此时，空心轴502上设有两个从动锥齿轮509，即空心轴段一 5021和空心轴段二 5022上分别设有一个从动锥齿轮509，伺服电机503、减速机504驱动传动轴501及主动锥齿轮506动作，通过主动锥齿轮506与所述两个从动锥齿轮509的啮合传动，分别带动空心轴段
一5021、空心轴段二 5022转动，且所述两个轴段反向转动，继而带动分别与所述两个轴段固定连接的舵轴一 507、舵轴二 508同步反向转动，转动过程中，旋转编码器505用于实时反馈所述两个舵轴转动的角度；测量装置中的测力天平13采扭力天平，在所述两个舵轴同步反向转动的运动模式下，通过扭力天平可以测量航行体模型整体受到的横滚力矩。
[0030]在测压舱段201内装有压力传感器14，用于测量超空泡试验状态下的模型表面压力。
[0031]本发明所述舵机装置5结构紧凑、体积小，通过超空泡航行体模型结构中舱体2的分段式结构的设计，能够将舵机装置5集成布置在超空泡航行体模型舱体2的有限空间内，同时通过对所述舵机装置中对空心轴502结构的简单变换，可以实现对所述两个舵轴的主动控制，即可以使所述两个舵轴同步同向转动或者同步反向转动(差动)，同时还能对两舵轴进行角度反馈，在此基础上，通过模型试验能够准确捕捉动态操纵状态下航行体的流体动力特征，为航行体模型的整体设计和其他功能的实现提供了更多的空间和自由度同时。
[0032]以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
【权利要求】
1.带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，包括头部锥段(I)及舱体(2)，头部锥段(O与舱体(2)固接，舱体(2)后端装有尾翼，头部锥段(I)的前端套接有通气碗(3)，通气碗(3)前端装备一个空化器(4)，其特征在于:舱体(2)包括沿轴向依次设置的测压舱段(201)、电机舱段(202)、反馈舱段(203)及尾翼舱段(204)，相邻舱段之间固定连接且密封，舱体(2 )内装有舵机装置(5 )，所述舵机装置(5 )包括传动轴(501)和空心轴(502 )，所述传动轴(501)由伺服电机(503)和减速机(504)驱动，传动轴(501)上装有旋转编码器(505)，传动轴(501)轴端固接有主动锥齿轮(506);所述空心轴(502)两端分别固接有舵轴一(507 )、舵轴二( 508 )，空心轴(502 )的轴线与传动轴(501)的轴线垂直，空心轴(502 )上设有从动锥齿轮(509)，主动锥齿轮(506)与从动锥齿轮(509)啮合传动；伺服电机(503)和减速机(504)沿轴向固定支撑在电机舱段(202)内，旋转编码器(505)位于反馈舱段(203)内，传动轴(501)穿过反馈舱段(203 )并伸入尾翼舱段(204)内，舵轴一(507 )通过轴承(6 )和顶盖(7)可转动地支撑在尾翼舱段(204)上，舵轴二(508)通过轴套(8)支撑在尾翼舱尾翼舱段(204)上，舵轴一(507)、舵轴二(508)形成所述尾翼。
2.按权利要求1所述的带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其特征在于:所述空心轴(502)为整体式结构或者分半式结构；当空心轴(502)为整体式结构时，空心轴(502)上设有一个从动锥齿轮(509)，所述从动锥齿轮(509)与主动锥齿轮(506)啮合传动；当空心轴(502)为分半式结构时，空心轴(502)由分开的空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)共两个分半轴段组成，空心轴段一(5021)与空心轴段二(5022)的中心轴线位于同一直线上，空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)上分别设有一个从动锥齿轮(509)，所述两个从动锥齿轮(509)分别与主动锥齿轮(506)啮合传动。
3.按权利要求2所述的带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其特征在于:所述空心轴(502)的两端轴体的中心设有通孔(5023),空心轴(502)的中间轴体的中心设有方槽(5024)，通孔(5023)与方槽(5024)轴向连通，且方槽(5024)的对称侧壁上分别设有至少两个螺纹通孔一(5025)，螺纹通孔一(5025)的轴线与空心轴(502)的轴线垂直；舵轴一(507),舵轴二(508)的一端均带有对称扁位(9)，扁位(9)上设有螺纹通孔二( 10);当空心轴(502)为整体式结构时，所述两个舵轴通过通孔(5023)分别从空心轴(502)的两端插入，所述两个舵轴的扁位(9)伸入方槽(5024)，通过装在螺纹通孔一(5025)及螺纹通孔二(10)内的紧固螺钉将所述两个舵轴固装在空心轴(502)上；当空心轴(502)为分半式结构时，沿方槽(5024)所在的轴体进行横剖形成空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)，且空心轴段一(5021)、空心轴段二(5022)上分别设有至少一对螺纹通孔一(5025)，所述两个舵轴分别从空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)上的通孔(5023)插入，所述两个舵轴的扁位(9)分别伸入空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)的方槽(5024)，通过装在螺纹通孔一(5025)及螺纹通孔二(10)内的紧固螺钉将所述两个舵轴分别固装在空心轴段一(5021)和空心轴段二(5022)上。
4.按权利要求3所述的带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其特征在于:当所述空心轴(502 )为分半式结构时，所述舵轴二(508)上扁位(9)的外侧设有轴头(11)，空心轴段一(5021)面对空心轴段二(5022)的端面上设有凹槽，所述凹槽内设有套环(12)，轴头(11)伸入套环(12)内，套环(12)—端与所述凹槽底部抵接，另一端与舵轴二(508)上扁位(9)的端面抵接。
5.按权利要求2至4任一权利要求所述的带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其特征在于:所述尾翼舱段(204)固接有测力天平(13)。
6.按权利要求1所述的带有内置舵机装置的超空泡航行体模型，其特征在于:所述测压舱段(201 )内装有压力传感器(14)。
【文档编号】G01M10/00GK103926051SQ201410187692
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】李鹏, 夏艳艳, 陈伟政, 吴文婷, 刘新辉, 陶灿辉 申请人:中国船舶重工集团公司第七○二研究所