CN109533253B - 一种单自由度可折展翼帆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度可折展翼帆，包括骨架组件、柔性蒙皮和线驱动组件；其中，柔性蒙皮固结于骨架组件，线驱动组件与骨架组件连接；骨架组件由从上至下依次设置的驱动骨架、随动骨架和固定骨架组成；随动骨架由第一铝合金杆件和第一碳纤维杆件组成；驱动骨架包括第二铝合金杆件、第二碳纤维杆件、展开线固定轴、折叠线固定轴、转动盘；固定骨架包括第三碳纤维杆件、第一螺纹杆、连架杆组件和第二螺纹杆。本发明通过不同数量的骨架展开来改变翼帆面积以适应海面不同风速、风向，使翼帆具备一个较好的推力性能和较为稳定的航行姿态，另外所有骨架折叠在一起实现较大折叠率，以使航行器可从翼帆驱动模式转换为螺旋桨推进或下潜航行运动模式。

Description

一种单自由度可折展翼帆

技术领域

本发明涉及一种具备多运动模式的海洋航行器所用翼帆，具体涉及面积可调且具备大折叠率的单自由度可折展翼帆。

背景技术

目前，为使海洋航行器进行海气界面的长时间在位观测，需要利用自然能源风能作为驱动力，使航行器具备水面长航时航行能力，另外，当航行器需要切换为螺旋桨推进或下潜运动模式时，翼帆需要具备一个较大的折叠率。目前的风帆伸缩装置大多采用剪叉式、多级丝杆螺母叠加、液压升降杆的方式进行风帆的折叠变形，以上装置比较笨重、占用空间较大，不符合海洋航行器变形装置的轻量化设计原则，且折叠率有限。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种单自由度可折展翼帆，通过不同数量的骨架展开来改变翼帆面积以适应海面不同风速、风向，使翼帆具备一个较好的推力性能和较为稳定的航行姿态，另外所有骨架折叠在一起实现较大折叠率，以使航行器可以从翼帆驱动模式转换为螺旋桨推进或下潜航行运动模式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种单自由度可折展翼帆，包括骨架组件、柔性蒙皮和线驱动组件；其中，柔性蒙皮固结于骨架组件，线驱动组件与骨架组件连接；所述骨架组件由从上至下依次设置的驱动骨架、随动骨架和固定骨架组成；所述随动骨架由第一铝合金杆件和第一碳纤维杆件组成；

所述驱动骨架包括第二铝合金杆件、第二碳纤维杆件、展开线固定轴、折叠线固定轴、转动盘；所述转动盘固定连接于第二铝合金杆件的侧部，第二碳纤维杆件固定连接于第二铝合金杆件的顶端，所述转动盘和第二铝合金杆件位于驱动骨架的下方，展开线固定轴位于第二铝合金杆件的下部，折叠线固定轴位于第二铝合金杆件的上部；

所述固定骨架包括第三碳纤维杆件、第一螺纹杆、连架杆组件和第二螺纹杆；第一螺纹杆位于固定骨架的左方，第二螺纹杆位于第一螺纹杆的右方，所述连架杆组件位于第一螺纹杆和第二螺纹杆之间，且连架杆组件通过第一螺纹杆和第二螺纹杆固定，驱动骨架、随动骨架和固定骨架的一端均与第一螺纹杆连接。

线驱动组件包括涡轮蜗杆电机、绕线轮、展开线和折叠线；所述绕线轮与涡轮蜗杆电机通过顶丝方式相互连接，展开线一端固定于远离涡轮蜗杆电机一侧的绕线轮下方，另一端固定于展开线固定轴处，折叠线一端固定于靠近涡轮蜗杆电机一侧的绕线轮上方，另一端固定于折叠线固定轴处。

进一步的，所述随动骨架设置有四片，分别为第一随动骨架、第二随动骨架、第三随动骨架和第四随动骨架，所述第一铝合金杆件和第一碳纤维杆件通过铆钉相互连接。

进一步的，所述转动盘上设置有锁齿、凸起和复位圆弧；其中，所述凸起位于锁齿的右端，复位圆弧位于锁齿的左端。

进一步的，连架杆组件包括连架杆、卡簧和锁片；所述连架杆上设有卡簧安装槽、锁片安装槽、卡槽和复位槽；卡簧和锁片分别安装于卡簧安装槽和锁片安装槽；其中卡槽和复位槽位于卡簧安装槽和锁片安装槽之间，且卡槽位于复位槽的右方。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明基于轻量化设计原则，采用骨架转动的方式实现翼帆的较大折叠率(94％折叠率)；

(2)本发明通过骨架的合理布局可实现不同纵截面的翼帆外形(矩形、梯形、三角形等)；

(3)本发明采取线驱动的方式，实现翼帆的折展。

(4)本发明通过轻便、小型的自锁机构实现不同面积翼帆的转换，以适应海面不同风速、风向，使航行器具备一个较高的航速和较好的航行稳定性。

(5)本发明翼帆可使海洋航行器借助风能驱动时，通过改变翼帆面积使航行器具备一个较高的航速和较稳定的航行状态，较大折叠率翼帆可使航行器进行运动模式的转换(风能驱动模式转换为螺旋桨驱动或下潜航行模式)。

附图说明

图1是本发明可折展翼帆的整体结构示意图；

图2是本发明可折展翼帆的骨架组件的结构示意图；

图3是本发明可折展翼帆的随动骨架的结构示意图；

图4是本发明可折展翼帆的驱动骨架的结构示意图；

图5是本发明可折展翼帆的固定骨架的结构示意图；

图6是本发明可折展翼帆的转动盘的结构示意图；

图7是本发明可折展翼帆的连架杆组件的结构示意图；

图8是本发明可折展翼帆的线驱动组件结构示意图；

图9是本发明可折展翼帆的完全折叠状态的结构示意图；

图10是本发明可折展翼帆的不同面积翼帆的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种变面积且具备较大折叠率的折展翼帆，该折展翼帆包含：骨架组件1、柔性蒙皮2、线驱动组件3；其中，柔性蒙皮2固结在骨架组件1上，线驱动组件3与骨架组件1进行连接。

如图2所示，骨架组件1包含：1片驱动骨架11，4片随动骨架12、13、14、15，1片固定骨架16。驱动骨架11位于骨架组件1的最上方，固定骨架16位于骨架组件1的最下方，4片随动骨架12、13、14、15依次位于驱动骨架11和固定骨架16之间；所有骨架11、12、13、14、15、16连接于第一螺纹杆162。

如图3所示，随动骨架12、13、14、15均由铝合金杆件101和维持特定翼型外形的碳纤维杆件102组成，这两部分通过铆钉进行连接。

如图4所示，驱动骨架11包括铝合金杆件111、碳纤维杆件112、展开线固定轴113、折叠线固定轴114、转动盘115；转动盘115和铝合金杆件111固接于一起，铝合金杆件111和碳纤维杆件112固接于一起，转动盘115和铝合金杆件111位于驱动骨架11的下方，展开线固定轴113位于铝合金杆件111的下方，折叠线固定轴114位于铝合金杆件111的上方。

如图5所示，固定骨架16包括碳纤维杆件161、第一螺纹杆162、连架杆组件163、第二螺纹杆164；第一螺纹杆162位于固定骨架16的左方，第二螺纹杆164位于第一螺纹杆162的右方，连架杆组件163位于第一螺纹杆162和第二螺纹杆164之间，且连架杆组件163通过第一螺纹杆162和第二螺纹杆164进行固定。

如图6所示，转动盘115上加工有锁齿1151、凸起1152、复位圆弧1153；其中，凸起1152位于锁齿的右端，复位圆弧1153位于锁齿的左端。

如图7所示，连架杆组件163包括连架杆1631、卡簧1632、锁片1633；其中连架杆1631加工有卡簧安装槽16311、锁片安装槽16312、卡槽16313、复位槽16314；卡簧1632和锁片1633分别安装在卡簧安装槽16311、锁片安装槽16312位置处；其中卡槽16313、复位槽16314位于卡簧安装槽16311和锁片安装槽16312之间，且卡槽16313位于复位槽16314的右方。

如图4、8所示，线驱动组件3包括涡轮蜗杆电机31、绕线轮32、展开线33、折叠线34；其中，绕线轮32与涡轮蜗杆电机31通过顶丝的方式进行连接，展开线33一端固定在远离涡轮蜗杆电机一侧的绕线轮32下方，另一端固定在展开线固定轴113处，折叠线34一端固定在靠近涡轮蜗杆电机一侧的绕线轮32上方，另一端固定在折叠线固定轴114处。

参见图1至图10，本发明的工作过程与原理如下：

当翼帆初始状态为完全折叠状态，此时锁片1633在卡簧1632作用力下，处于连架杆1631的卡槽16313中。涡轮蜗杆电机31逆时针转动，使展开线33缠绕在绕线轮32上，驱动骨架11逆时针转动，转动盘115上的锁齿1151拨动锁片1633，卡簧1632被压缩，锁齿1151通过，此时，由于锁齿1151被锁片1633卡住，驱动骨架11无法顺时针转动，即实现自锁，此时，涡轮蜗杆电机31断电，翼帆保持特定面积。通过此方法，即可实现4个不同面积的翼帆转换，不同的翼帆面积以适应不同的风速、风向，使航行器借助风能驱动时，有一个较高的航速和较好的稳定性。另外，当需要将翼帆从完全展开状态转变到完全折叠状态，以进行运动模式的切换(水面翼帆驱动切换为螺旋桨推进或下潜航行模式)，涡轮蜗杆电机31逆时针转动，驱动骨架11逆时针旋转，转动盘115上的凸起1152将锁片1633推入连架杆1631的复位槽16314位置，锁片1633在卡簧1632作用力下保持在复位槽16314位置处，此时，锁齿1151不会与锁片1633接触，因此驱动骨架11和随动骨架12、13、14、15在重力的作用下，可进行顺时针方向转动，回到较低位置，然后，涡轮蜗杆电机顺时针转动，折叠线34缠绕在绕线轮32上，驱动骨架11顺时针转动，同时转动盘115上的复位圆弧1153将锁片1633从复位槽16314位置顶回卡槽16313位置，翼帆实现完全折叠状态，航行器即可切换为螺旋桨推进或下潜航行模式。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单自由度可折展翼帆，其特征在于，包括骨架组件(1)、柔性蒙皮(2)和线驱动组件(3)；其中，柔性蒙皮(2)固结于骨架组件(1)，线驱动组件(3)与骨架组件(1)连接；所述骨架组件(1)由从上至下依次设置的驱动骨架(11)、随动骨架和固定骨架(16)组成；所述随动骨架由第一铝合金杆件(101)和第一碳纤维杆件(102)组成；

所述驱动骨架(11)包括第二铝合金杆件(111)、第二碳纤维杆件(112)、展开线固定轴(113)、折叠线固定轴(114)、转动盘(115)；所述转动盘(115)固定连接于第二铝合金杆件(111)的侧部，第二碳纤维杆件(112)固定连接于第二铝合金杆件(111)的顶端，所述转动盘(115)和第二铝合金杆件(111)位于驱动骨架(11)的下方，展开线固定轴(113)位于第二铝合金杆件(111)的下部，折叠线固定轴(114)位于第二铝合金杆件(111)的上部；

所述固定骨架(16)包括第三碳纤维杆件(161)、第一螺纹杆(162)、连架杆组件(163)和第二螺纹杆(164)；第一螺纹杆(162)位于固定骨架(16)的左方，第二螺纹杆(164)位于第一螺纹杆(162)的右方，所述连架杆组件(163)位于第一螺纹杆(162)和第二螺纹杆(164)之间，且连架杆组件(163)通过第一螺纹杆(162)和第二螺纹杆(164)固定，驱动骨架(11)、随动骨架和固定骨架(16)的一端均与第一螺纹杆(162)连接；

线驱动组件(3)包括涡轮蜗杆电机(31)、绕线轮(32)、展开线(33)和折叠线(34)；所述绕线轮(32)与涡轮蜗杆电机(31)通过顶丝方式相互连接，展开线(33)一端固定于远离涡轮蜗杆电机(31)一侧的绕线轮(32)下方，另一端固定于展开线固定轴(113)处，折叠线(34)一端固定于靠近涡轮蜗杆电机(31)一侧的绕线轮(32)上方，另一端固定于折叠线固定轴(114)处，连架杆组件(163)包括连架杆(1631)、卡簧(1632)和锁片(1633)；所述连架杆(1631)上设有卡簧安装槽(16311)、锁片安装槽(16312)、卡槽(16313)和复位槽(16314)；卡簧(1632)和锁片(1633)分别安装于卡簧安装槽(16311)和锁片安装槽(16312)；其中卡槽(16313)和复位槽(16314)位于卡簧安装槽(16311)和锁片安装槽(16312)之间，且卡槽(16313)位于复位槽(16314)的右方。

2.根据权利要求1所述一种单自由度可折展翼帆，其特征在于，所述随动骨架设置有四片，分别为第一随动骨架(12)、第二随动骨架(13)、第三随动骨架(14)和第四随动骨架(15)，所述第一铝合金杆件(101)和第一碳纤维杆件(102)通过铆钉相互连接。

3.根据权利要求1所述一种单自由度可折展翼帆，其特征在于，所述转动盘(115)上设置有锁齿(1151)、凸起(1152)和复位圆弧(1153)；其中，所述凸起(1152)位于锁齿(1151)的右端，复位圆弧(1153)位于锁齿(1151)的左端。

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