一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，特别是涉及一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置。

背景技术

目前，现有的水下航行器大多数为单轴螺旋桨结构，运动时仅靠一个螺旋桨产生动力推进水下航行器，但这种结构一般如下缺陷：

(1)不可避免的单个螺旋桨所产生的扭矩会给航行器本体一个反作用力使其横滚且不易控制，需要其他辅助部件平衡，如鳍、舵等；

(2)现有的水下航行器矢量驱动，多为多个电机串并联实现，结构复杂，可靠性低，功率密度大；

(3)现有的水下航行器在加速推进等高动力情况下，由于单个螺旋桨所产生的推力受限于电机的输出功率，而单纯的增大电机的输出功率会导致电机自身体积增大，不利于水阻问题的解决，而且造价成本高；

(4)现有的水下航行器在低速巡航、滑行等低动力或无需动力情况下，由于螺旋桨桨叶多为固定的展开状态，在水中产生较大的阻力，从而极大地降低了低速巡航、滑行的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、运行稳定、易于控制，既能在加速推进时大大地提升航行器推进力，又能在低速巡航时减小航行阻力，提高航行效率的单驱动可折叠共轴螺旋桨装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置，其包括导流罩以及同轴地设置于所述导流罩内的电机、电磁离合器、换向器、前桨叶和后桨叶，所述电机为双输出轴结构，所述电机的前端输出轴与所述前桨叶连接，所述电机的后端输出轴与所述电磁离合器的主动端连接，所述电磁离合器的从动端通过传动轴与所述换向器的输入端连接，所述换向器的输出端通过螺旋桨轴与所述后桨叶连接并使得所述后桨叶与所述前桨叶的旋转方向相反，且所述前桨叶与所述后桨叶的设置方向相反；所述螺旋桨轴的末端连接有后桨毂，所述后桨叶可转动地连接在所述后桨毂上，所述后桨毂与所述后桨叶之间设有后桨叶复位件，所述后桨叶复位件的两端分别与所述后桨毂和所述后桨叶相连；各所述后桨叶随所述后桨毂由所述螺旋桨轴带动旋转，并在离心力作用下展开产生推力，展开的、停止旋转的所述后桨叶在所述后桨叶复位件作用下朝所述后桨毂的轴线合拢复位。

作为本发明优选的方案，单驱动可折叠共轴螺旋桨装置还包括导流罩，所述电机、电磁离合器、换向器、前桨叶和后桨叶均设置于所述导流罩内。

作为本发明优选的方案，所述前桨叶的叶面面积大于所述后桨叶的叶面面积。

作为本发明优选的方案，所述换向器包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮在同一轴线上呈相对设置，所述第一锥齿轮作为所述换向器的输入端，所述第二锥齿轮作为所述换向器的输出端，所述第三锥齿轮的两侧分别与所述第一锥齿轮和所述第一锥齿轮啮合。

作为本发明优选的方案，所述第一锥齿轮的齿数与所述第二锥齿轮的齿数不相同。

作为本发明优选的方案，所述后桨叶复位件为扭杆弹簧。

作为本发明优选的方案，所述电机为球形电机。

作为本发明优选的方案，所述传动轴上安装有一对角接触球轴承。

作为本发明优选的方案，所述螺旋桨轴上安装有一对角接触球轴承。

作为本发明优选的方案，所述电机的前端输出轴的末端连接有前桨毂，所述前桨叶可转动地连接在所述前桨毂上，所述前桨毂与所述前桨叶之间设有前桨叶复位件，所述前桨叶复位件的两端分别与所述前桨毂和所述前桨叶相连；各所述前桨叶随所述前桨毂由所述电机的前端输出轴带动旋转，并在离心力作用下展开产生推力，展开的、停止旋转的所述前桨叶在所述前桨叶复位件作用下朝所述前桨毂的轴线合拢复位。

作为本发明优选的方案，所述前桨叶复位件为扭杆弹簧。

实施本发明提供的一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置，与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例通过电机双输出轴的设计，电机的前端输出轴与前桨叶连接，能直接驱动前桨叶旋转，而电机的后端输出轴依次通过电磁离合器、换向器、螺旋桨轴与前桨叶连接，实现后桨叶工作状态的控制；其中，电磁离合器闭合时前桨叶和后桨叶能够同时工作，切断时前桨叶单独工作；换向器能够使得后桨叶与前桨叶的旋转方向相反，实现双桨共轴反转驱动，前桨叶所产生的扭矩与后桨叶所产生的扭矩能够相互抵消而达到平衡效果，有效地避免了前桨叶和后桨叶因同向旋转产生扭矩会给航行器本体一个反作用力使其横滚且不易控制的问题，无需其他辅助部件平衡，如鳍、舵等。同时，由于后桨叶为可折叠结构，航行器在需要大推力加速或起动推进时，电磁离合器闭合，后桨叶能够在离心力作用下展开产生推力，并与前桨叶构成双桨共同推进，达到提升航行器推进力的目的；航行器在巡航时，电磁离合器切断，后桨叶能够在后桨叶复位件作用下折叠合拢，减小航行阻力，达到提高航行效率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置的结构示意图；

图2是于图1所示结构中A区域的局部放大图；

图3是本发明提供的一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置的轴向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，本发明优选实施例的一种单驱动可折叠共轴螺旋桨装置，其包括导流罩1以及同轴地设置于所述导流罩1内的电机2、电磁离合器3、换向器4、前桨叶5和后桨叶6，所述电机2为双输出轴结构，所述电机2的前端输出轴与所述前桨叶5连接，所述电机2的后端输出轴与所述电磁离合器3的主动端连接，所述电磁离合器3的从动端通过传动轴7与所述换向器4的输入端连接，所述换向器4的输出端通过螺旋桨轴8与所述后桨叶6连接并使得所述后桨叶6与所述前桨叶5的旋转方向相反，且为使前桨叶5与后桨叶6产生同向的推力，所述前桨叶5与所述后桨叶6的设置方向相反(也即螺旋桨桨叶的两个面分别称为“叶面”和“叶背”，其中前桨叶5“叶面”与后桨叶6“叶面”朝向相反)；所述螺旋桨轴8的末端连接有后桨毂，所述后桨叶6可转动地连接在所述后桨毂9上，所述后桨毂9与所述后桨叶6之间设有后桨叶复位件10，所述后桨叶复位件10的两端分别与所述后桨毂9和所述后桨叶6相连；各所述后桨叶6随所述后桨毂9由所述螺旋桨轴8带动旋转，并在离心力作用下展开产生推力，展开的、停止旋转的所述后桨叶6在所述后桨叶复位件10作用下朝所述后桨毂9的轴线合拢复位。

因此，本发明实施例通过电机双输出轴的设计，电机2的前端输出轴与前桨叶5连接，能直接驱动前桨叶5旋转，而电机2的后端输出轴依次通过电磁离合器3、换向器4、螺旋桨轴8与前桨叶5连接，实现后桨叶6工作状态的控制；其中，电磁离合器3闭合时前桨叶5和后桨叶6能够同时工作，切断时前桨叶5单独工作；换向器4能够使得后桨叶6与前桨叶5的旋转方向相反，实现双桨共轴反转驱动，前桨叶5所产生的扭矩与后桨叶6所产生的扭矩能够相互抵消而达到平衡效果，有效地避免了前桨叶5和后桨叶6因同向旋转产生扭矩会给航行器本体一个反作用力使其横滚且不易控制的问题，无需其他辅助部件平衡，如鳍、舵等。同时，由于后桨叶6为可折叠结构，航行器在需要大推力加速或起动推进时，电磁离合器3闭合，后桨叶6能够在离心力作用下展开产生推力，并与前桨叶5构成双桨共同推进，达到提升航行器推进力的目的；航行器在巡航时，电磁离合器3切断，后桨叶6能够在后桨叶复位件10作用下折叠合拢，减小航行阻力，达到提高航行效率的目的。

还需要说明的是，本发明实施例通过简单的机械结构就达到了后桨叶6的折叠与展开效果，无需额外的能源控制和复杂的传动机构，具有节约能源、空间利用率高、整体重量轻，成本低的优点。另外，前桨叶5和后桨叶6通过不同的拓扑构型设计，可以根据航行器的需求匹配不同效果的螺旋桨桨叶。

示例性的，为提升螺旋桨装置的水动力学特性，所述前桨叶5的叶面面积大于所述后桨叶6的叶面面积。

示例性的，为使前桨叶5与后桨叶6的旋转方向相反，所述换向器4包括第一锥齿轮41、第二锥齿轮42和第三锥齿轮43，所述第一锥齿轮41与所述第二锥齿轮42在同一轴线上呈相对设置，所述第一锥齿轮41作为所述换向器4的输入端，所述第二锥齿轮42作为所述换向器4的输出端，所述第三锥齿轮43的两侧分别与所述第一锥齿轮41和所述第一锥齿轮41啮合。

示例性的，所述第一锥齿轮41的齿数与所述第二锥齿轮42的齿数不相同。由此，可以通过不同的齿数比达到前后桨不同转速，实现转速的最佳匹配。

示例性的，所述电机2优选为球形电机2，实现单驱动多自由度运动，实现矢量控制，结构简单，无需多个电机串并联，功率密度更高。

示例性的，所述传动轴7和所述螺旋桨轴8上均安装有一对角接触球轴承11，从而使装置能够同时承受较大的轴径向负荷和轴向负荷。

示例性的，在无动力滑行或者对推力要求低的情况下，为实现最大化减小阻力，可将前桨叶5设计为可折叠结构，其与后桨叶6的可折叠结构相同，具体为：所述电机2的前端输出轴的末端连接有前桨毂，所述前桨叶5可转动地连接在所述前桨毂上，所述前桨毂与所述前桨叶5之间设有前桨叶复位件，所述前桨叶复位件的两端分别与所述前桨毂和所述前桨叶5相连；各所述前桨叶5随所述前桨毂由所述电机2的前端输出轴带动旋转，并在离心力作用下展开产生推力，展开的、停止旋转的所述前桨叶5在所述前桨叶复位件作用下朝所述前桨毂的轴线合拢复位。

示例性的，所述后桨叶复位件10和所述前桨叶复位件均优选为扭杆弹簧，相较于普通扭簧，其两端无扭簧臂，体积更小，且可靠性更高。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。