【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航行器推进，尤其涉及一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置，主要应用于跨介质航行器的推进系统设计。
技术介绍
1、近年来，水空跨介质航行器作为新质新域无人平台，在航空航天与船舶海洋领域中获得了极大的重视，国内外多家科研机构开展了相关研究。其中推进系统作为水空跨介质航行器的动力来源，是整个航行器的核心，是实现跨介质航行器空中能飞水下能游、能跨域的关键技术之一，对整个水空跨介质航行器而言有着举足轻重的地位。
2、目前，空中水下采用不同的推进系统是解决水空跨介质航行器推进问题的主要方案之一。然而，水空固定翼跨介质航行器双电机-螺旋桨推进方案存在着一些问题：在一个流体环境中航行时，另一流体环境适用的推进系统是停止工作的，不仅对此时的机身造成了废重，同时它还会被动旋转造成一定的反电动势。即使消耗部分能量使电机自锁，螺旋桨固定相位航行仍会产生一定的阻力，造成航行器在空中水下最高航速下降。因此设计一套推进系统同时满足空中水下两种不同工作环境的使用需求是十分有意义的。
3、然而，水空跨介质航行器由于其主要的工作环境为水和空气，二者密度及动力粘度相差较大，航行器一旦从空中进入水下，在空中正常工作的电机在水下输出轴扭矩会急剧增大，电机转速急剧下降，导致螺旋桨转速极低，不仅损耗了大量能量、还极易造成电机堵转、电流过载甚至烧毁，严重影响了水空跨介质航行器推进系统在水下的推进效率。因此，单套推进系统设计时，要将这部分影响因素加以考虑。
技术实现思路
1、本专
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置，所述装置包括电机1、联轴器2、行星减速机构3、单向输出机构4和螺旋桨5；整个装置通过电机1连接联轴器2，输入行星减速机构3，经过单向输出机构4，最终通过螺旋桨5输出推力；所述行星减速机构3的齿轮包括太阳轮7、行星轮8和内齿圈9，其中行星轮8依靠深沟球轴承10支撑固定在减速器端盖12上；太阳轮轴11一端与联轴器2固连，另一端通过太阳轮轴-单向轴承平键15连接单向轴承13，再连接单向轴承-内齿圈输出轴套平键14连接内齿圈9，最终接合螺旋桨输出帽壳21输出；太阳轮轴11依靠角接触球轴承小16和角接触球轴承大17，一端支撑于减速器端盖12，一端支撑于内齿圈9；太阳轮7通过键槽滑动接合于太阳轮轴11，靠丝杠原理支撑其在太阳轮轴11槽内滑动；换挡电机6连接换挡螺杆19，太阳轮支撑架18螺纹连接在换挡螺杆19上，太阳轮支撑架18将太阳轮7夹在中间，提供太阳轮7轴向移动的力；减速器外壳20螺纹连接于减速器端盖12上，对减速装置进行封闭。
3、进一步地，所述单向输出机构4由单向轴承13、单向轴承-内齿圈输出轴套平键14、太阳轮轴-单向轴承平键15和螺旋桨输出帽壳21组成，若逆时针速度为正，则太阳轮轴11键连接单向轴承13内环转速减单向轴承13外环键连接内齿圈9输出轴套转速大于0时，单向轴承13内外环卡住接和，太阳轮轴11带动单向轴承13内环，带动单向轴承13外环，粘合带动螺旋桨输出帽壳21转动；太阳轮轴11键连接单向轴承13内环转速减单向轴承13外环键连接内齿圈9输出轴套转速小于0时，单向轴承13内外环分离，二者自行转动。
4、进一步地，当水空模态切换时，换挡电机6正转或反转调节太阳轮支撑架18在换挡螺杆19上沿轴向移动，太阳轮7与行星轮8啮合时为水下工作模态，此时电机1转速经过行星齿轮系减速输出；太阳轮7脱离行星齿轮系啮合时，为空中工作模态，电机1转速直接输出，最终输出螺旋桨5转速方向空中与水下一致；跨介质航行器往复出入水时，需要反复切换装置工作模态，当太阳轮7从分离进入啮合的工作状态时，即从空中工作模态切换至水下工作模态时，电机1复位对齿后，再进行对齿啮合即可继续正常工作。
5、进一步地，行星减速机构3中行星齿轮系减速比的选择，是在选型电机1和螺旋桨5的基础上，经过电机-螺旋桨匹配计算后获得最佳的水下工作点，并根据计算结果选择了与之接近的减速比。
6、进一步地，在满足使用强度要求的条件下对行星轮8开减轻孔，并对整个行星齿轮系进行瞬态动力学分析，校核齿轮系强度；对太阳轮轴11进行弯扭合成应力校核及疲劳强度校核。
7、进一步地，行星减速机构3安装时，先在减速器端盖12上安装所有的行星轮8和深沟球轴承10，再安装内齿圈9，安装角接触球轴承小16和角接触球轴承大17；将太阳轮7置于太阳轮支撑架18内，二者一起置于三个行星轮8中间；将太阳轮轴11从靠近螺旋桨5向电机1方向依次穿过角接触球轴承大17、太阳轮支撑架18、太阳轮7、角接触球轴承小16、减速器端盖12，最终与电机1通过联轴器2相连；换挡电机6固定于减速器端盖12，与换挡螺杆19相连，换挡螺杆19依次穿过减速器端盖12和太阳轮支撑架18；安装单向轴承13于太阳轮轴11和内齿圈9输出轴套间，插入单向轴承-内齿圈输出轴套平键14和太阳轮轴-单向轴承平键15；在内齿圈9输出轴套外侧粘接上螺旋桨输出帽壳21，将减速器外壳20螺纹连接至减速器端盖12；最终依次连接电机1、联轴器2、行星减速机构3、单向输出机构4、螺旋桨5即可。
8、本专利技术具有的有益效果是：
9、本专利技术所述的一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置使用单套电机-螺旋桨系统，满足了水空跨介质航行器在两种不同介质下正常工作的需求，较无单向减速系统的电机-螺旋桨系统在水下航行时效率更高；
10、本专利技术所述的一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置相较于跨介质航行器上使用的双电机-螺旋桨系统，扩大了跨介质航行器在水下的航速范围，降低了控制的难度；
11、本专利技术所述的一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置仅用了一个单向轴承就满足了系统同轴输入输出、螺旋桨不发生轴向移动、电机异向输入螺旋桨同向输出等要求；
12、本专利技术所述的一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置设计可减少太阳轮的部分传动摩擦，使得太阳轮的极限应力更小，相同材质的太阳轮寿命更长。此时太阳轮仅在水下咬合行星轮工作，其应力分析校核不需要考虑空中巡航以及出水等电机转速较高的情况。
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1.一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置，其特征在于，所述装置包括电机(1)、联轴器(2)、行星减速机构(3)、单向输出机构(4)和螺旋桨(5)；整个装置通过电机(1)连接联轴器(2)，输入行星减速机构(3)，经过单向输出机构(4)，最终通过螺旋桨(5)输出推力；所述行星减速机构(3)的齿轮包括太阳轮(7)、行星轮(8)和内齿圈(9)，其中行星轮(8)依靠深沟球轴承(10)支撑固定在减速器端盖(12)上；太阳轮轴(11)一端与联轴器(2)固连，另一端通过太阳轮轴-单向轴承平键(15)连接单向轴承(13)，再连接单向轴承-内齿圈输出轴套平键(14)连接内齿圈(9)，最终接合螺旋桨输出帽壳(21)输出；太阳轮轴(11)依靠角接触球轴承小(16)和角接触球轴承大(17)，一端支撑于减速器端盖(12)，一端支撑于内齿圈(9)；太阳轮(7)通过键槽滑动接合于太阳轮轴(11)，靠丝杠原理支撑其在太阳轮轴(11)槽内滑动；换挡电机(6)连接换挡螺杆(19)，太阳轮支撑架(18)螺纹连接在换挡螺杆(19)上，太阳轮支撑架(18)将太阳轮(7)夹在中间，提供太阳轮(7)轴向移动的力；
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述单向输出机构(4)由单向轴承(13)、单向轴承-内齿圈输出轴套平键(14)、太阳轮轴-单向轴承平键(15)和螺旋桨输出帽壳(21)组成，若逆时针速度为正，则太阳轮轴(11)键连接单向轴承(13)内环转速减单向轴承(13)外环键连接内齿圈(9)输出轴套转速大于0时，单向轴承(13)内外环卡住接和，太阳轮轴(11)带动单向轴承(13)内环，带动单向轴承(13)外环，粘合带动螺旋桨输出帽壳(21)转动；太阳轮轴(11)键连接单向轴承(13)内环转速减单向轴承(13)外环键连接内齿圈(9)输出轴套转速小于0时，单向轴承(13)内外环分离，二者自行转动。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：当水空模态切换时，换挡电机(6)正转或反转调节太阳轮支撑架(18)在换挡螺杆(19)上沿轴向移动，太阳轮(7)与行星轮(8)啮合时为水下工作模态，此时电机(1)转速经过行星齿轮系减速输出；太阳轮(7)脱离行星齿轮系啮合时，为空中工作模态，电机(1)转速直接输出，最终输出螺旋桨(5)转速方向空中与水下一致；跨介质航行器往复出入水时，需要反复切换装置工作模态，当太阳轮(7)从分离进入啮合的工作状态时，即从空中工作模态切换至水下工作模态时，电机(1)复位对齿后，再进行对齿啮合即可继续正常工作。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：行星减速机构(3)中行星齿轮系减速比的选择，是在选型电机(1)和螺旋桨(5)的基础上，经过电机-螺旋桨匹配计算后获得最佳的水下工作点，并根据计算结果选择了与之接近的减速比。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：在满足使用强度要求的条件下对行星轮(8)开减轻孔，并对整个行星齿轮系进行瞬态动力学分析，校核齿轮系强度；对太阳轮轴(11)进行弯扭合成应力校核及疲劳强度校核。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：行星减速机构(3)安装时，先在减速器端盖(12)上安装所有的行星轮(8)和深沟球轴承(10)，再安装内齿圈(9)，安装角接触球轴承小(16)和角接触球轴承大(17)；将太阳轮(7)置于太阳轮支撑架(18)内，二者一起置于三个行星轮(8)中间；将太阳轮轴(11)从靠近螺旋桨(5)向电机(1)方向依次穿过角接触球轴承大(17)、太阳轮支撑架(18)、太阳轮(7)、角接触球轴承小(16)、减速器端盖(12)，最终与电机(1)通过联轴器(2)相连；换挡电机(6)固定于减速器端盖(12)，与换挡螺杆(19)相连，换挡螺杆(19)依次穿过减速器端盖(12)和太阳轮支撑架(18)；安装单向轴承(13)于太阳轮轴(11)和内齿圈(9)输出轴套间，插入单向轴承-内齿圈输出轴套平键(14)和太阳轮轴-单向轴承平键(15)；在内齿圈(9)输出轴套外侧粘接上螺旋桨输出帽壳(21)，将减速器外壳(20)螺纹连接至减速器端盖(12)；最终依次连接电机(1)、联轴器(2)、行星减速机构(3)、单向输出机构(4)、螺旋桨(5)即可。
...【技术特征摘要】
1.一种基于电机换向更改推进系统工作模态的单向减速装置，其特征在于，所述装置包括电机(1)、联轴器(2)、行星减速机构(3)、单向输出机构(4)和螺旋桨(5)；整个装置通过电机(1)连接联轴器(2)，输入行星减速机构(3)，经过单向输出机构(4)，最终通过螺旋桨(5)输出推力；所述行星减速机构(3)的齿轮包括太阳轮(7)、行星轮(8)和内齿圈(9)，其中行星轮(8)依靠深沟球轴承(10)支撑固定在减速器端盖(12)上；太阳轮轴(11)一端与联轴器(2)固连，另一端通过太阳轮轴-单向轴承平键(15)连接单向轴承(13)，再连接单向轴承-内齿圈输出轴套平键(14)连接内齿圈(9)，最终接合螺旋桨输出帽壳(21)输出；太阳轮轴(11)依靠角接触球轴承小(16)和角接触球轴承大(17)，一端支撑于减速器端盖(12)，一端支撑于内齿圈(9)；太阳轮(7)通过键槽滑动接合于太阳轮轴(11)，靠丝杠原理支撑其在太阳轮轴(11)槽内滑动；换挡电机(6)连接换挡螺杆(19)，太阳轮支撑架(18)螺纹连接在换挡螺杆(19)上，太阳轮支撑架(18)将太阳轮(7)夹在中间，提供太阳轮(7)轴向移动的力；减速器外壳(20)螺纹连接于减速器端盖(12)上，对减速装置进行封闭。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述单向输出机构(4)由单向轴承(13)、单向轴承-内齿圈输出轴套平键(14)、太阳轮轴-单向轴承平键(15)和螺旋桨输出帽壳(21)组成，若逆时针速度为正，则太阳轮轴(11)键连接单向轴承(13)内环转速减单向轴承(13)外环键连接内齿圈(9)输出轴套转速大于0时，单向轴承(13)内外环卡住接和，太阳轮轴(11)带动单向轴承(13)内环，带动单向轴承(13)外环，粘合带动螺旋桨输出帽壳(21)转动；太阳轮轴(11)键连接单向轴承(13)内环转速减单向轴承(13)外环键连接内齿圈(9)输出轴套转速小于0时，单向轴承(13)内外环分离，二者自行转动。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：当水空模态切换时，换挡电机(6)正转或反转调节太阳轮支撑架(18)在换挡螺杆(19)上沿...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹建，赵怡，陈宇珩，田恩农，刘洪昌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地，
类型：发明
国别省市：
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