一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置的制作方法

本发明属于智能材料和水下推进矢量偏转技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置。

背景技术：

随着海洋科考和水下军事应用需求的增加，对水下航行器性能要求越来越高，水下航行器系统配置的复杂性也会增加，因此有必要从系统的角度出发优化改进水下航行器的配置及性能。尺寸和重量是制约水下航行器性能的关键因素，实现轻量化并简化机构是改善性能最直接的方式。在水下航行器系统中，推进系统是水下航行器实现快速性和操纵性的核心系统，推进系统一般由动力源、传动机构和执行机构组成。矢量推进可以控制推进器偏转，产生推力矢量增大航行操纵力，改善水下航行器的操纵性，因此研究推进器矢量偏转的驱动器和偏转结构意义重大。

目前工程应用中，基于步进电机、液压或电磁等驱动器的矢量偏转装置，已广泛应用于航空、航天、船舶等领域。以航空应用为例，矢量发动机是第五代战机的关键技术，而矢量发动机技术的实现离不开矢量喷口，矢量喷口能够改变高温高压燃气的喷出方向，从而改变推力状态，产生不同方向的加速度，实现飞机的姿态灵活控制；在船舶应用方面，水下矢量推进螺旋桨装置、水下矢量推力喷嘴等可以实现变向等操作。虽然上述应用都能实现偏转的功能，但也存在着结构复杂、重量大、体积大和能耗高等缺点。为解决上述问题，有必要改进矢量推进偏转装置驱动器的结构，从而有效减小驱动器的尺寸和重量，提高结构可靠性。

随着智能材料基础与应用研究的深入，形状记忆合金、压电陶瓷、电致伸缩材料等智能材料广泛应用到驱动器领域。这类功能材料能在外场作用下产生应力或应变的响应，该特性使得通过改变外场作用控制材料应力或应变大小，用于驱动成为可能。尽管多类智能材料都可实现驱动，但在自感应、输出功重比、可靠性等方面，形状记忆合金具有无可比拟的优势。形状记忆合金是指具有形状记忆效应的一种合金。该合金在经过大的变形后，在一定的应力和温度作用下，能够恢复到原始的状态，一般来说它的最大本征可回复应变可以高达8％，通过特殊的结构设计还能更高。由于形状记忆合金自身具有感应和驱动的双重特性，科研人员研究将其用于驱动器，它不仅能简化驱动器的设计，减轻重量减小体积，同时还能够提供较大的驱动力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，将回转驱动器和偏转结构两个模块合二为一，具体应用时根据矢量偏转装置的不同应用场景设计出相应的形状记忆合金驱动器，具有广阔的应用前景。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，包括：水下推进器、回转驱动器及偏转结构；

所述水下推进器同轴安装偏转结构上；

所述偏转结构用于实现两个自由度的转动，进而带动水下推进器实现两个自由度的偏转；

两个所述回转驱动器分别与偏转结构连接，分别用于驱动偏转结构进行一个自由度的转动。

进一步的，所述偏转结构包括：矢量偏转装置固定座、矢量偏转外环和矢量偏转内环；

所述矢量偏转装置固定座上设有两个互相平行的支杆；

所述矢量偏转外环通过两个同轴的第一螺柱分别安装在矢量偏转装置固定座的两个支杆的顶部；且矢量偏转外环能够以第一螺柱的轴线为转动中心进行相对于所述支杆的转动；

所述矢量偏转内环位于矢量偏转外环内，并与矢量偏转外环同轴分布，矢量偏转内环与矢量偏转外环之间通过两个同轴的第二螺柱连接；且矢量偏转内环能够以第二螺柱的轴线为转动中心进行相对于矢量偏转外环的转动；

所述第一螺柱的轴线与所述第二螺柱的轴线垂直；

所述水下推进器同轴安装在偏转结构的矢量偏转内环上。

进一步的，所述回转驱动器为对称结构，包括：合金丝固定板、合金丝固定螺栓、滑轮、转动机构、旋转轴及两根形状记忆合金丝；

两个合金丝固定螺栓分别安装在合金丝固定板同一侧的两个角上，两个滑轮的中心轴分别通过轴承安装在合金丝固定板另一侧的两个角上；

所述转动机构通过旋转轴安装在合金丝固定板上，并位于两个合金丝固定螺栓中间；且转动机构与旋转轴固连，旋转轴通过轴承安装在合金丝固定板上，转动机构能够以旋转轴的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板的转动；转动机构的两相对侧均固定有连接螺栓；

两根所述形状记忆合金丝对称分布，每个形状记忆合金丝的一端与所述合金丝固定螺栓连接，另一端绕过同一侧的滑轮后，与转动机构的连接螺钉连接，且合金丝固定螺栓及连接螺钉分别与外部的电源的正负极的连接，形成以形状记忆合金丝为电阻的电路；此时，所述回转驱动器为差动式回转驱动器；

两个回转驱动器的旋转轴分别通过联轴器与偏转结构的第一螺柱和第二螺柱同轴连接，当对两根形状记忆合金丝依次进行电加热和冷却时，驱动转动机构以旋转轴的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板的转动，转动机构的转动带动旋转轴转动，进而通过所述联轴器带动所述矢量偏转外环和矢量偏转内环转动，实现两个自由度的矢量偏转。

进一步的，所述回转驱动器包括：合金丝固定板、合金丝固定螺栓、滑轮、转动机构、旋转轴、一根第三形状记忆合金丝及偏置弹簧；

两个合金丝固定螺栓分别安装在合金丝固定板同一侧的两个角上，两个滑轮的中心轴分别通过轴承安装在合金丝固定板另一侧的两个角上；

所述转动机构通过旋转轴安装在合金丝固定板上，并位于两个合金丝固定螺栓中间；且转动机构与旋转轴固连，旋转轴通过轴承安装在合金丝固定板上，转动机构能够以旋转轴的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板的转动；转动机构的两相对侧均固定有连接螺栓；

所述第三形状记忆合金丝的一端与一个合金丝固定螺栓连接，另一端绕过同一侧的滑轮后，与转动机构的一个连接螺钉连接，且合金丝固定螺栓及连接螺钉分别与外部的电源的正负极的连接，形成以第三形状记忆合金丝为电阻的电路；所述偏置弹簧的一端的转动机构的另一个连接螺钉连接，偏置弹簧的另一端与位于同一侧的滑轮的中心轴连接；此时，所述回转驱动器为偏动式回转驱动器；

两个回转驱动器的旋转轴分别通过联轴器与偏转结构的第一螺柱和第二螺柱同轴连接，当对第三形状记忆合金丝进行电加热时，驱动转动机构以旋转轴的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板的单向转动，转动机构的转动带动旋转轴转动，进而通过所述联轴器带动所述矢量偏转外环和矢量偏转内环转动，实现两个自由度的矢量偏转。

进一步的，所述矢量偏转外环能够发生转动的具体结构如下：每个第一螺柱的一端为螺纹段，另一端为圆柱段；所述第一螺柱的螺纹段与矢量偏转外环之间为螺纹紧固连接，第一螺柱的圆柱段通过轴承与矢量偏转装置固定座的支杆的顶部活动连接，使得所述矢量偏转外环可相对所述支杆发生转动，所述转动以第一螺柱的轴线为转动中心。

进一步的，所述矢量偏转内环能够发生转动的具体结构如下：每个第二螺柱的一端为螺纹段，另一端为圆柱段；所述第二螺柱的螺纹段与矢量偏转内环之间为螺纹紧固连接，第二螺柱的圆柱段通过轴承与矢量偏转外环活动连接，使得所述矢量偏转内环可相对矢量偏转外环发生转动，所述转动以第二螺柱的轴线为转动中心。

进一步的，所述转动机构包括：基板、连接螺栓及中心固定螺栓；

所述基板为圆板被两个平行的平面对称截取之后的部分，所述基板的圆心处上加工有中心孔，所述基板的三个侧面上分别加工有螺纹孔，所述三个侧面包括：被两个平面截取后的两个侧面及一个圆弧侧面；其中，令位于所述圆弧侧面的螺纹孔为螺纹孔a，另外两个螺纹孔分别为螺纹孔b和螺纹孔c；所述螺纹孔a与所述中心孔相通；两个连接螺栓分别安装在螺纹孔b和螺纹孔c中，所述中心固定螺栓安装在螺纹孔a中；

所述旋转轴的一端穿过基板的中心孔后，通过拧紧中心固定螺栓，使得中心固定螺栓与旋转轴相抵触，中心固定螺栓给旋转轴提供的径向压力能够实现转动机构与旋转轴的固定连接；旋转轴的另一端通过轴承安装在合金丝固定板上。

进一步的，所述转动机构的基板及合金丝固定板采用绝缘材料。

进一步的，所述形状记忆合金丝采用经过训练的富ti的niti形状记忆合金。

进一步的，两根所述形状记忆合金丝位于同一平面上。

有益效果：(1)本发明的差动式回转驱动器工作时需要两根形状记忆合金丝进行驱动，复位和反向驱动时需要对另一根形状记忆合金丝进行加热，与偏动式回转驱动器中偏置弹簧的自动复位相比，结构和电路设计相对复杂；但是，差动式回转驱动器能够实现双向驱动，而偏动式回转驱动器仅能实现单向驱动工作；在实际应用中根据应用条件和需求选择差动式回转驱动器或偏动式回转驱动器的驱动方式。

(2)本发明采用niti形状记忆合金丝进行驱动，与传统的驱动方式相比结构更为简单，同时拥有较高的驱动力。

(3)本发明采用滑轮能够在有限的体积里增加形状记忆合金丝的长度，从而获得大的驱动应变，进而提高矢量偏转的角度输出。

附图说明

图1是本发明的总体结构组成图；

图2是本发明的偏转结构示意图；

图3是本发明的回转驱动器结构示意图；

图4是本发明的回转驱动器中转动机构的结构示意图；

图5是本发明的回转驱动器(差动式)的初始状态图；

图6是本发明的回转驱动器(差动式)进行驱动工作时的示意图；

图7是本发明的回转驱动器(偏动式)进行驱动工作时的示意图；

图8是本发明工作时的示意图；

其中，101-水下推进器，102-回转驱动器，103-偏转结构，201-合金丝固定螺栓，202-滑轮，203-转动机构，204-旋转轴，205-合金丝固定板，301-矢量偏转装置固定座，302-矢量偏转外环，303-矢量偏转内环，304-第一螺柱，305-第二螺柱，401-中心孔，402-连接螺栓，403-中心固定螺栓，501-第一形状记忆合金丝，502-第二形状记忆合金丝，701-第三形状记忆合金丝，702-偏置弹簧。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供了一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，参见附图1-2，包括：水下推进器101、回转驱动器102及偏转结构103；

所述偏转结构103用于实现两个自由度的转动动作，从而实现驱动的偏转输出，偏转结构103包括：矢量偏转装置固定座301、矢量偏转外环302和矢量偏转内环303；

所述矢量偏转装置固定座301由圆板及固定在圆板上的两个互相平行的支杆组成；所述矢量偏转外环302和矢量偏转内环303均为圆环，且矢量偏转外环302的内径大于矢量偏转内环303的外径；

所述矢量偏转外环302通过两个同轴的第一螺柱304分别安装在矢量偏转装置固定座301的两个支杆的顶部；且矢量偏转外环302能够以第一螺柱304的轴线为转动中心进行相对于所述支杆的转动；

所述矢量偏转内环303位于矢量偏转外环302内，并与矢量偏转外环302同轴分布，矢量偏转内环303与矢量偏转外环302之间通过两个同轴的第二螺柱305连接；且矢量偏转内环303能够以第二螺柱305的轴线为转动中心进行相对于矢量偏转外环302的转动；

所述第一螺柱304的轴线与所述第二螺柱305的轴线垂直；即两个第一螺柱304和两个第二螺柱305间隔排布，沿圆周方向四等分；

其中，矢量偏转外环302能够发生转动的具体结构如下：每个第一螺柱304的一端为螺纹段，另一端为圆柱段；所述第一螺柱304的螺纹段与矢量偏转外环302之间为螺纹紧固连接，第一螺柱304的圆柱段通过轴承与矢量偏转装置固定座301的支杆的顶部活动连接，使得所述矢量偏转外环302可相对所述支杆发生转动，所述转动以第一螺柱304的轴线为转动中心；

矢量偏转内环303能够发生转动的具体结构如下：每个第二螺柱305的一端为螺纹段，另一端为圆柱段；所述第二螺柱305的螺纹段与矢量偏转内环303之间为螺纹紧固连接，第二螺柱305的圆柱段通过轴承与矢量偏转外环302活动连接，使得所述矢量偏转内环303可相对矢量偏转外环302发生转动，所述转动以第二螺柱305的轴线为转动中心；

参见附图3、图5及图6，所述回转驱动器102为对称结构，包括：合金丝固定板205及安装在合金丝固定板205同一表面上的合金丝固定螺栓201、滑轮202、转动机构203、旋转轴204及两根形状记忆合金丝；

所述合金丝固定板205为矩形板；

两个合金丝固定螺栓201分别安装在合金丝固定板205同一侧的两个角上，两个滑轮202分别安装在合金丝固定板205另一侧的两个角上；且每个滑轮202的中心轴均通过轴承安装在合金丝固定板205上；

所述转动机构203通过旋转轴204安装在合金丝固定板205上，并位于两个合金丝固定螺栓201中间；且转动机构203能够以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的转动；具体结构如下：

参见附图4，所述转动机构203包括：基板、连接螺栓402及中心固定螺栓403；

所述基板为圆板被两个平行的平面对称截取之后的部分，所述基板的圆心处上加工有中心孔401，所述基板的三个侧面上分别加工有螺纹孔，所述三个侧面包括：被两个平面截取后的两个侧面及一个圆弧侧面；其中，令位于所述圆弧侧面的螺纹孔为螺纹孔a，另外两个螺纹孔分别为螺纹孔b和螺纹孔c；所述螺纹孔a与所述中心孔401相通；两个连接螺栓402分别安装在螺纹孔b和螺纹孔c中，所述中心固定螺栓403安装在螺纹孔a中；

所述旋转轴204的一端穿过基板的中心孔401后，通过拧紧中心固定螺栓403，使得中心固定螺栓403与旋转轴204相抵触，中心固定螺栓403给旋转轴204提供的径向压力能够实现转动机构203与旋转轴204的固定连接；旋转轴204的另一端通过轴承安装在合金丝固定板205上；

其中，中心固定螺栓403的长度应大于基板所在圆板的直径，以便能够实现对旋转轴204的预紧从而保证旋转轴204和转动机构203的固连；所述连接螺栓402用于连接形状形状记忆合金丝、偏置弹簧和导线，因此，为防止通电过程中出现漏电现象，连接螺栓402进行安装时不与旋转轴204相接触，应选择长度较短的螺栓；

所述转动机构203的基板及合金丝固定板205采用绝缘材料；

参见附图5-6，两根所述形状记忆合金丝对称分布，每个形状记忆合金丝的一端与所述合金丝固定螺栓201连接，另一端绕过同一侧的滑轮202后，与转动机构203的连接螺钉402连接，且合金丝固定螺栓201及连接螺钉402分别与外部的电源的正负极的连接，形成以形状记忆合金丝为电阻的电路；此时，所述回转驱动器102为差动式回转驱动器；当所述电路通电时，实现对形状记忆合金丝电加热，形状记忆合金丝产生形变，当所述电路断电时，实现对形状记忆合金丝冷却，形状记忆合金丝产生恢复原形；对两根形状记忆合金丝依次进行电加热和冷却，能够驱动转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的双向转动；且两根所述形状记忆合金丝位于同一平面上，以避免产生其他方向的驱动应力分量，降低驱动应力的损耗；所述形状记忆合金丝采用经过训练的富ti的niti形状记忆合金，ti的成分为原子比50.2％～52％；

整体连接关系如下：所述水下推进器101同轴安装在偏转结构103的矢量偏转内环303上；

两个回转驱动器102的旋转轴204分别通过联轴器与偏转结构103的第一螺柱304和第二螺柱305同轴连接，当对两根形状记忆合金丝依次进行电加热和冷却时，驱动转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的转动，转动机构203的转动带动旋转轴204转动，进而通过所述联轴器带动所述矢量偏转外环302和矢量偏转内环303转动，实现水下推进器101两个自由度的矢量偏转。

工作原理：令两根形状记忆合金丝分别为第一形状记忆合金丝501和第二形状记忆合金丝502；

在所述差动式回转驱动器的初始状态时，所述第一形状记忆合金丝501所在电路及第二形状记忆合金丝502所在电路均处于断电状态，第一形状记忆合金丝501和第二形状记忆合金丝502均处于马氏体相状态，转动机构203未发生转动；此时，矢量偏转外环302和矢量偏转内环303处于同一水平面；

当第一形状记忆合金丝501所在电路通电时，通电产生的焦耳热使得第一形状记忆合金丝501温度升高，当温度升高处于记忆合金的as和af区间内时，第一形状记忆合金丝501发生马氏体逆转变导致第一形状记忆合金丝501的线长缩短；线长的变化引起转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的偏转；

当第一形状记忆合金丝501所在电路断电后，将第二形状记忆合金丝502所在电路通电，即对第二形状记忆合金丝502施加电流，通电产生的焦耳热导致的马氏体逆相变同样使得第二形状记忆合金丝502的线长缩短，此时，转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的逆向偏转，实现了转动机构203的复位和双向转动；进而实现了所述矢量偏转外环302和矢量偏转内环303的转动，实现水下推进器101两个自由度的矢量偏转，参见附图8。

实施例2：

参见附图7，本实施例提供了一种基于形状记忆合金驱动器的水下推进器矢量偏转装置，包括：水下推进器101、回转驱动器102及偏转结构103；

所述偏转结构103的结构组成及连接关系均与实施例1相同；

所述回转驱动器102包括：合金丝固定板205及安装在合金丝固定板205同一表面上的合金丝固定螺栓201、滑轮202、转动机构203、旋转轴204、一根第三形状记忆合金丝701及偏置弹簧702；

其中，所述合金丝固定板205、合金丝固定螺栓201、滑轮202、转动机构203、旋转轴204的结构及连接关系均与实施例1相同；不同之处如下：

所述第三形状记忆合金丝701的一端与一个合金丝固定螺栓201连接，另一端绕过同一侧的滑轮202后，与转动机构203的一个连接螺钉402连接，且合金丝固定螺栓201及连接螺钉402分别与外部的电源的正负极的连接，形成以第三形状记忆合金丝701为电阻的电路；所述偏置弹簧702的一端的转动机构203的另一个连接螺钉402连接，偏置弹簧702的另一端与位于同一侧的滑轮202的中心轴连接；此时，所述回转驱动器102为偏动式回转驱动器；当所述电路通电时，实现对形状记忆合金丝电加热，形状记忆合金丝产生形变，驱动转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的单向转动；当所述电路断电时，偏置弹簧702的弹力使得转动机构203复位，完成回转工作；其中，所述偏置弹簧702的刚度小于设定值，防止其对第三形状记忆合金丝701变形的阻力过大，导致能够达到的最大驱动角度变小，使得驱动效果变差；所述第三形状记忆合金丝701采用经过训练的富ti的niti形状记忆合金，ti的成分为原子比50.2％～52％；

整体连接关系如下：所述水下推进器101同轴安装在偏转结构103的矢量偏转内环303上；

两个回转驱动器102的旋转轴204分别通过联轴器与偏转结构103的第一螺柱304和第二螺柱305同轴连接，当对第三形状记忆合金丝701进行电加热时，驱动转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的单向转动，转动机构203的转动带动旋转轴204转动，进而通过所述联轴器带动所述矢量偏转外环302和矢量偏转内环303转动，实现水下推进器101两个自由度的矢量偏转。

工作原理：在所述偏式回转驱动器的初始状态时，所述第三形状记忆合金丝701所在电路处于断电状态，第三形状记忆合金丝701处于马氏体相状态，所述偏置弹簧702处于松弛状态，转动机构203未发生转动；此时，矢量偏转外环302和矢量偏转内环303处于同一水平面；

当第三形状记忆合金丝701所在电路通电时，通电产生的焦耳热使得第三形状记忆合金丝701温度升高，当温度升高处于记忆合金的as和af区间内时，第三形状记忆合金丝701发生马氏体逆转变导致第三形状记忆合金丝701的线长缩短；线长的变化引起转动机构203以旋转轴204的轴线为转动中心进行相对于合金丝固定板205的偏转；此时，偏置弹簧702发生拉伸变形；

当第三形状记忆合金丝701所在电路断电后，所述转动机构203在偏置弹簧702的弹力作用下，发生逆向偏转复位；进而实现了所述矢量偏转外环302和矢量偏转内环303的转动，实现水下推进器101两个自由度的矢量偏转，参见附图8。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。