本發明涉及海洋裝備，尤其是一種非線性扭桿助力裝置及其設計方法。

背景技術：

1、為了適應深海環境中巨大的海水壓力，載人潛器等水下平臺的出入艙口蓋會比較厚、重量會比較大，為了便于人員對艙口蓋的啟閉操作，通常會配置扭桿彈簧裝置用來平衡艙口蓋的重力矩。但是，在艙口蓋的啟閉過程中，其重力矩是非線性變化的，而扭桿彈簧產生的扭矩是線性變化的，因此彈簧扭矩與重力矩不能很好的匹配，從而導致人員在啟閉艙口蓋時需要提供很大推拉力。特別是對于大深度使用艙口蓋，其重量越大，兩者的匹配效果越差，人員啟閉艙口蓋的操作就更加困難。

技術實現思路

1、本申請人針對上述現有生產技術中的缺點，提供一種非線性扭桿助力裝置及其設計方法，從而可有效平衡啟閉過程中艙口蓋非線性變化的重力矩，達到便于人員操作的目的。

2、本發明所采用的技術方案如下：

3、一種非線性扭桿助力裝置，包括轉動軸，轉動軸的兩端分別安裝有左基座和右基座，左基座和右基座通過轉動軸的軸向臺階進行定位，在左基座與轉動軸、右基座與轉動軸的接觸面上均安裝密封圈，左基座和右基座分別通過螺栓連接固定在水下平臺的結構上，轉動軸能夠在左基座、右基座中自由轉動；

4、左基座外部設置有箱體，箱體的外部配合安裝有箱蓋，右基座的外部配合安裝有法蘭端蓋；

5、位于轉動軸的中心同軸位置安裝有扭桿彈簧，扭桿彈簧的右端為多邊形結構，并且固定在法蘭端蓋內部，使扭桿彈簧右端保持靜止不動；

6、位于箱體內部的轉動軸上配合安裝有主動齒輪和導桿，主動齒輪與扇形齒輪嚙合，扇形齒輪安裝在曲軸上；

7、轉動軸的外表面間隔套有擺臂，兩個擺臂同時鉸接艙口蓋。

8、其進一步技術方案在于：

9、所述左基座和右基座的結構相同，截面均成凸字型結構。

10、所述主動齒輪、扇形齒輪、曲軸、導桿構成非線性傳動機構，用于實現轉動軸轉動角位移非線性的轉換為扭桿彈簧角位移，從而實現艙口蓋重力矩與扭桿彈簧扭矩的良好匹配。

11、所述箱蓋、箱體、轉動軸、法蘭端蓋、左基座、右基座內部形成密封腔體。

12、所述箱體與左基座、箱蓋與箱體、法蘭端蓋與右基座分別采用法蘭連接的方式緊固在一起，并在接觸面上安裝密封圈。

13、所述曲軸的結構為：包括固定在一起的轉動桿、轉動左軸、轉動右軸和導向軸，轉動左軸、轉動右軸分別安裝在箱蓋與箱體相應的軸孔中，且曲軸可繞該軸孔進行轉動。

14、扇形齒輪固定安裝在轉動右軸上，使扇形齒輪與轉動桿保持相同的轉動角位移。

15、主動齒輪與扇形齒輪組成齒輪減速機構，使艙口蓋的大角位移轉化為轉動桿的小角位移。

16、所述扭桿彈簧左端為花鍵軸，并通過花鍵副與導桿連接，使扭桿彈簧左端隨著導桿的轉動而轉動，轉動桿與導桿通過導向軸與腰形孔建立連接。

17、一種非線性扭桿助力裝置的設計方法，包括如下過程：

18、首先，設定參數：

19、設艙口蓋、轉動軸、主動齒輪的轉角為θ，扇形齒輪、轉動桿的轉角為α，導桿、扭桿彈簧花鍵端的轉角為β，艙口蓋重力矩為m，扭桿彈簧4扭矩為t；

20、扇形齒輪、轉動桿和導桿位于豎直狀態，艙口蓋重力矩和彈簧扭矩均為0，

21、即α2＝0°、β2＝0°時，t2＝0nm、m2＝0nm，且此時艙口蓋轉角為θ2；

22、艙口蓋重力矩m1取最大，此時各參數為θ1、α1、β1、t1；

23、設主動齒輪分度圓半徑為r1，扇形齒輪分度圓半徑為r2，兩齒輪中心距為l1＝r1+r2；轉動桿與導向軸中心距為l2；

24、則β與θ關系可表示為：

25、

26、基于“轉動導桿”的特性，轉動桿轉角最大值αmax：

27、

28、合理選取齒輪副的減速比r1/r2，保證艙口蓋轉動角θ變化范圍內，轉動桿轉角α不超過αmax；

29、設艙口蓋質量為m、力臂為lc，扭桿彈簧扭轉系數為ks；

30、艙口蓋重力矩為m：

31、m＝mglc?cosθ

32、扭桿彈簧扭矩為t：

33、其中

34、式中：

35、其中

36、重力矩m是關于轉角θ的余弦函數，扭矩t是關于轉角θ的非線性函數，基于r1、r2、α之間的約束關系，確定r1、r2、l2初值，并計算得到扭矩t和重力矩m關于轉動角θ變化曲線。

37、本發明的有益效果如下：

38、本發明結構緊湊、合理，操作方便，通過采用齒輪副和轉動導桿組合形成的非線性傳動機構，使艙口蓋轉動角度與扭桿彈簧轉動角度形成縮比、非線性的對應關系，并提出了扭桿彈簧扭轉系數的取值方法，以及齒輪傳動比、轉動導桿長度初值確定和優化調整的方法，達到彈簧扭矩曲線和艙口蓋重力矩曲線良好匹配的目的，從而降低人員啟閉艙口蓋的操作力。

39、本發明可應用于載人潛器等水下平臺的出入艙口蓋。

技術特征：

1.一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：包括轉動軸(3)，轉動軸(3)的兩端分別安裝有左基座(1)和右基座(2)，左基座(1)和右基座(2)通過轉動軸(3)的軸向臺階進行定位，在左基座(1)與轉動軸(3)、右基座(2)與轉動軸(3)的接觸面上均安裝密封圈(12)，左基座(1)和右基座(2)分別通過螺栓連接固定在水下平臺的結構上，轉動軸(3)能夠在左基座(1)、右基座(2)中自由轉動；

2.如權利要求1所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述左基座(1)和右基座(2)的結構相同，截面均成凸字型結構。

3.如權利要求1所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述主動齒輪(8)、扇形齒輪(9)、曲軸(10)、導桿(11)構成非線性傳動機構，用于實現轉動軸(3)轉動角位移非線性的轉換為扭桿彈簧(4)角位移，從而實現艙口蓋重力矩與扭桿彈簧扭矩的良好匹配。

4.如權利要求1所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述箱蓋(7)、箱體(6)、轉動軸(3)、法蘭端蓋(5)、左基座(1)、右基座(2)內部形成密封腔體。

5.如權利要求1所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述箱體(6)與左基座(1)、箱蓋(7)與箱體(6)、法蘭端蓋(5)與右基座(2)分別采用法蘭連接的方式緊固在一起，并在接觸面上安裝密封圈(12)。

6.如權利要求1所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述曲軸(10)的結構為：包括固定在一起的轉動桿(10-1)、轉動左軸(10-2)、轉動右軸(10-3)和導向軸(10-4)，轉動左軸(10-2)、轉動右軸(10-3)分別安裝在箱蓋(7)與箱體(6)相應的軸孔中，且曲軸(10)可繞該軸孔進行轉動。

7.如權利要求6所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：扇形齒輪(9)固定安裝在轉動右軸(10-3)上，使扇形齒輪(9)與轉動桿(10-1)保持相同的轉動角位移。

8.如權利要求6所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：主動齒輪(8)與扇形齒輪(9)組成齒輪減速機構，使艙口蓋(22)的大角位移轉化為轉動桿(10-1)的小角位移。

9.如權利要求8所述的一種非線性扭桿助力裝置，其特征在于：所述扭桿彈簧(4)左端為花鍵軸，并通過花鍵副(11-2)與導桿(11)連接，使扭桿彈簧(4)左端隨著導桿(11)的轉動而轉動，轉動桿(10-1)與導桿(11)通過導向軸(10-4)與腰形孔(11-1)建立連接。

10.一種如權利要求9所述的非線性扭桿助力裝置的設計方法，其特征在于：包括如下過程：

技術總結
一種非線性扭桿助力裝置及其設計方法，包括轉動軸，轉動軸的兩端分別安裝有左基座和右基座，左基座和右基座通過轉動軸的軸向臺階進行定位，在左基座與轉動軸、右基座與轉動軸的接觸面上均安裝密封圈，左基座和右基座分別通過螺栓連接固定在水下平臺的結構上，轉動軸能夠在左基座、右基座中自由轉動；左基座外部設置有箱體，箱體的外部配合安裝有箱蓋，右基座的外部配合安裝有法蘭端蓋；位于箱體內部的轉動軸上配合安裝有主動齒輪和導桿，主動齒輪與扇形齒輪嚙合，扇形齒輪安裝在曲軸上；轉動軸的外表面間隔套有擺臂，兩個擺臂同時鉸接艙口蓋。可有效平衡啟閉過程中艙口蓋非線性變化的重力矩，達到便于人員操作的目的。

技術研發人員：趙飛虎,郝誠,王睿舟,許可,焦慧鋒
受保護的技術使用者：中國船舶科學研究中心
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24