胡红宇，陈 勇，桑胜亚

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

基金项目：青年科学基金项目（61525305）

作者简介：胡红宇（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为无人艇航行控制，huhongyu686@163.com.

通讯作者：桑胜亚，男，硕士研究生,sang_shengya@163.com.

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摘要：为了提高船舶的操纵性能，采用空间摆动缸机构(RSCS)和空间曲柄摇杆机构(RSSR)的组合，提出一种新型转舵机构。在转舵机构三维模型的基础上，利用解析法建立机构的运动分析模型，求解出机构输入与输出的运动方程。通过静力分析，求解运动副处的约束反力，得到原动件与执行件的静力平衡方程。编写MATLAB程序，绘制运动、力关系曲线，结果表明该转舵机构的输入输出线性度较好，受力均匀。

关键词：转舵机构；空间摆动缸机构；空间曲柄摇杆机构；解析法；运动分析；静力分析

中图分类号：TE38   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)05-0005-05

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船舶作为海洋航行的主要交通工具，其最重要的执行器为舵机。舵机主要由远距离操纵机构、转舵动力机械和转舵机构组成，而高精度、高可靠性的转舵机构对于船舶的灵活性与安全性有着相当重要的意义。

陈正泉对比了传统电液舵机的转舵机构——摆缸式、转叶式和拨叉式转舵机构，这3种转舵机构都是将液压系统与机械机构组合，达到舵叶偏转的目的；王俊全等设计了一种新型的四轴联动舵机机构；鲍文亮提出了由直流电机驱动、锥齿轮变向的舵机系统整体设计方案；祝川等设计了以曲柄滑块机构为基础的电液伺服舵机系统，该机构将液压缸活塞杆等效为滑块，喷泵的喷嘴等效为曲柄；葛明设计了以空间曲柄摇杆机构（RSSR）作为舵机的执行机构，以1台电动机驱动4片舵翼，极大减小了舵机的体积。

空间机构由于具有结构紧凑、运动灵活多样的特点，因此常应用于航空、船舶舵机系统，然而空间机构的分析要比平面机构复杂困难得多。常用的分析方法有以几何为基础的图解法，以及运用对偶数、向量和矩阵等数学工具的解析法。随着计算机技术的普及应用，解析法得到了迅速发展，并已成为空间连杆机构研究和解算的基本方法。

本文针对喷泵推进系统，提出一种新型空间转舵机构。首先在SolidWorks中建立1∶1三维模型, 然后根据方向余弦矩阵法求解机构输入输出位移方程，最后在运动副处建立静力平衡方程，求解各约束反力。

1 转舵机构的三维模型

如图1所示，在SolidWorks中建立转舵机构1∶1三维实体模型，该机构可以等效为空间摆动缸机构(RSCS)和RSSR连接而成的组合机构，考虑到船舱内布局和防水问题，RSCS布置在船舱内，RSSR布置在船舱外，二者之间由一根固连的传力杆进行传动。

图1无人艇空间转舵机构三维建模

    如图1 所示，RSCS由液压缸、活塞杆、摇杆、固连在机架上的球面副(S)和转动副(R)、活塞杆与液压缸之间的圆柱副(C)、活塞杆与摇杆之间的球面副(S)构成，其中摇杆与传力杆固连在一起，将......