CN101823564B - 一种采用精密u形铰的超弹性盘绕式空间可展机构 - Google Patents

Abstract

一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，是由电机控制和伸展机构两部分组成，电机控制部分的下底盘与伸展机构部分通过下方三个转动铰相连接；该电机控制部分由上、下底盘、直流电机、联轴器和拉索组成；拉索逐圈缠绕在联轴器上且一端固定上底盘上，另一端固定在联轴器上，联轴器与直流电机通过联轴器上的螺钉固连，直流电机连接在下底盘上，两个下底盘通过四个圆柱连接杆连在一起，上底盘通过上方三个转动铰与伸展机构部分相连；该伸展机构部分由U形铰接式三角形横架、三根纵杆及对角加劲索组成；U形铰接式三角形横架通过M3螺钉与三根纵杆固连，对角加紧索将相邻U形铰接式三角形横架连接在一起。本发明在航天领域里有广阔的应用前景。

Description

一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构

(一)技术领域：

本发明涉及一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，是一种可以用作航天器天线、重力梯度杆、太阳电池阵主支撑结构的盘绕式空间可展机构，属于航天器材和设备技术领域。

(二)背景技术：

随着航天器功能的日益复杂，对航天器的能源需求大幅增长，使得航天器太阳电池阵的面积也随之大幅增长，如国际空间站这样复杂大型的航天器，太阳电池阵面积庞大，但航天器的包络尺寸却受到运载火箭有效载荷舱容积的限制，这就需要可在发射段收缩、在空间可展开的机构。

根据国外航天器已付诸应用的空间可展机构的资料，常用的空间可展机构主要有薄壁管状可展机构、套筒管状可展机构、铰接式可展机构、盘绕式可展机构等。薄壁管状可展机构构造简单、可靠性高、收拢体积小、可重复展开和收拢，但其根部翘曲限制了结构强度，因而热稳定性、抗弯及抗扭刚度较低，难以实现精确定位；套筒管状可展机构可靠性高、可重复展开和收拢，但收拢后所占体积很大、构造较复杂；铰接式可展机构刚度高、寿命长、抗振性好、精度高，但构造工艺很复杂、铰接点多、可靠性相对较低；盘绕式可展机构构造简单、质量较小、可靠性高、伸缩比大，但其刚度相对铰接式低。

盘绕式可展机构按照有无铰链可分为有铰盘绕式空间可展机构和无铰盘绕式空间可展机构。国外已研制成功多种类型盘绕式空间可展机构，如：NASA(美国国家航空航天局)研制的Astro-mast有铰可展机构成功应用于Voyager航天器；日本Utline公司研制的Hingeless-mast无铰可展机构成功应用于Space Flight Unit航天器的太阳电池阵。根据我国航天事业的发展规划，新一代科学探测卫星和空间站、空间平台等，都需要口径5～10m、直至20m左右，工作频率2.0～22.0GHz的大型空间天线系统。由于运载工具有效载荷舱的空间约束，要求大型天线必须是空间可展体系，为此，我国的相关科研机构相继开展了一系列前瞻性研究，并取得了一批重要的成果，但目前尚无大型复杂空间可展机构付诸应用。本发明研制了一种采用简易可靠U形铰链的盘绕式空间可展机构。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，它是一种高伸缩比、高可靠性、由拉索控制展开的盘绕式有铰空间可展机构。

2、技术方案：见图1，本发明一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，该可展机构分为两个主要部分：电机控制部分和伸展机构部分。电机控制部分的上、下底盘与伸展机构部分通过该盘上的转动铰相连接。

所述电机控制部分由上、下底盘、直流电机、联轴器和拉索组成；拉索逐圈缠绕在联轴器上并且拉索一端固定上底盘上，另一端固定在联轴器上，联轴器与直流电机通过联轴器上的螺钉固连，直流电机连接在下底盘上，两个下底盘通过圆柱连接杆连接在一起。

该上、下底盘直径225-235mm，厚度4.5-5.5mm。

该直流电机型号是ZGA37RD，电压12V，输出转速每分钟20转。

该联轴器为瑞普REP联轴器，直径18mm，长度25mm。

该拉索材料为凯夫拉，弹性模量132GPa，直径0.8-1.0mm。

所述伸展机构部分由U形铰接式三角形横架、纵杆及对角加劲索组成。U形铰接式三角形横架通过M3螺钉与纵杆固连，对角加紧索将相邻U形铰接式三角形横架连接在一起。

该U形铰接式三角形横架由三个U形铰接头和三根超弹性非晶态合金杆组成，为纵杆提供横向支撑。U形铰接头由一个圆柱形接头、一个圆柱联接铰、一个上盖、一个M3螺钉、一个U形连接件、两个M2螺钉依次连接组成。圆柱联接铰、上盖以及圆柱形接头通过一个M3的螺钉连接组成组合铰，组合铰与U形连接件通过两个M2的螺钉连接成整个U形铰接头。超弹性非晶态合金杆的端头通过另外两个M2螺钉固定于U形连接件上；通过M3螺钉限制圆柱形接头相对U形连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；同时圆柱形接头通过M3螺钉将纵杆与U形连接件固定连接。

该纵杆材料为超弹性非晶态合金，截面为圆形，直径1.9-2.1mm，长度1.95-2.05m，纵杆依靠与其连接的U形铰接式三角形横架和对角加紧索承受轴向拉压、侧向弯曲和扭转。

该对角加劲索为不锈钢钢丝，弹性模量206GPa，截面为圆形，直径0.7-0.9mm，长度135-145mm。

相邻两个U形铰接式三角形横架的节距根据可展机构刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵杆屈曲所至端点转角由组合铰链实现，在装配时为对角加劲索施加预紧力，所引起的形变由三根超弹性非晶态合金杆的弯曲变形实现。纵杆长度与可展机构展开长度相同，由具有优异超弹性的非晶态合金加工而成。收拢时纵杆受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到2％。展开时纵杆为可展机构提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆直径根据可展机构刚度、盘绕半径等确定。节间对角加劲索为可展机构每侧面节间钢丝，承受预应力，提高可展机构抗剪切和抗扭转刚度。

其中，上、下底盘分别与伸展机构部分相连转动铰的数量是各三个；

其中，该圆柱连接杆的数量是四根；

其中，该纵杆的数量是三根；

其中，该U形铰接式三角形横架的的数量是三层；

其中，所述的可展机构盘绕半径R(三根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，一般为50～200mm；

其中，相邻两个铰接式三角形横架之间的节距应满足盘压时几何约束协调，半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索两端点距离要大于收拢时的距离，可推导出节距取值范围R＜t＜2R。

3、优点及功效：本发明一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其优点及功效是：以简单的机构形式实现了高伸缩比、高可靠性、高刚度的可展机构。相比国外已研制的盘绕式有铰可展机构，铰链的形式更加简化，减少了零件数量、简化了装配布局和检测、简化了加工工艺、节约了成本。可用于空间探测臂、航天器大型太阳电池阵、空间站主结构等领域。

(四)附图说明：

图1为本发明之可展机构展开后的示意图。

图2为U形铰接式三角形横架示意图。

图3为U形铰接头示意图(a组合图；b分解图)

图4为圆柱形接头示意图。

图5为上盖、圆柱联接铰分解图。(a上盖；b圆柱联接铰)

图6为U形连接件剖视图。

图7为转动铰示意图。

图8为圆柱连接杆示意图。

图9为盘压收拢状态示意图。

图中具体标号如下：

1——上底盘                2——转动铰

2A——转动铰旋转部分       2A1——纵杆连接孔

2B——销钉                 2C——转动铰固定部分

2C1、2C2、2C3、2C4——对角加紧索固定孔     3——纵杆

4U——形铰接式三角形横架    5——对角加劲索    6——拉索

7——下底盘    8——联轴器    9——直流电机

10——M2螺钉    11——M2螺钉    12——超弹性非晶态合金杆

13——M3螺钉    14——圆柱形接头    141——纵杆连接孔

142——M3螺钉连接螺纹孔    15——圆柱联接铰

151A、151B、151C、151D——加劲索连接孔

152A、152B、152C、152D——加劲索连接配合孔

153A、153B——M2螺钉连接螺纹孔    154A、154B——M2螺钉连接光孔

155——M3螺钉连接孔    156——上盖M3螺钉连接孔

16、U形连接件    161A、161B——超弹性非晶态合金杆连接孔

162A、162B——M2螺钉连接螺纹孔    163A、163B——M2螺钉连接孔

17、圆柱连接杆    18、上盖    19、U形铰接头

(五)具体实施方式：

本发明是一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，该可展机构分为两个主要部分：电机控制部分和伸展机构部分。电机控制部分的上、下底盘与伸展机构部分通过该盘上的三个转动铰2相连接。

所述电机控制部分由上、下底盘1、7、直流电机9、联轴器8和拉索6组成；拉索6逐圈缠绕在联轴器8上并且拉索6一端固定上底盘1上，另一端固定在联轴器8上，联轴器8与直流电机9通过螺钉固连，直流电机9固定在下底盘7上，两个下底盘7通过四个圆柱连接杆17(见图8)连接在一起。

该上、下底盘1、7的直径是230mm，厚度是5mm。

该直流电机9型号是ZGA37RD，电压12V，输出转速每分钟20转。

该联轴器8为瑞普REP联轴器，直径是18mm，长度是25mm。

该拉索6材料为凯夫拉，弹性模量是132GPa，直径是0.9mm。

所述伸展机构部分由U形铰接式三角形横架4、三根纵杆3及对角加劲索5组成。三层U形铰接式三角形横架4通过M3螺钉与三根纵杆3固连，对角加紧5索将相邻U形铰接式三角形横架4连接在一起。

该U形铰接式三角形横架4由三个U形铰接头19和三根超弹性非晶态合金杆12组成，为纵杆3提供横向支撑。

该纵杆3材料为超弹性非晶态合金，截面为圆形，直径是2mm，长度是2m，纵杆3依靠与其连接的U形铰接式三角形横架4承受轴向拉压、侧向弯曲和扭转。

该对角加劲索5为不锈钢钢丝，弹性模量是206GPa，截面为圆形，直径是0.8mm，长度是140mm。

下面结合附图，对本发明的设计方案做进一步的说明。

如图1所示，本发明是一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其设计方案是：该可展机构包括：上、下底盘1、7，六个转动铰2，三根纵杆3，三层U形铰接式三角形横架4，24条对角加劲索5，一条拉索6，一个联轴器8，一台ZGA37RD直流电机9。

其中上、下底盘1、7、拉索6、直流电机9和联轴器8组成电机控制部分；U形铰接式三角形横架4、对角加紧索5和三根纵杆3组成伸展机构部分；两部分通过上下共六个转动铰2联接，转动铰2仅能沿盘绕方向转动。

所述的直流电机控制部分：直流电机9固定在下底盘7上，联轴器8联接在直流电机9的末端，拉索6一端固定在联轴器8上，另一端固定在上底盘1上。当可展机构展开时，电源给直流电机9供电，控制可展机构匀速展开，当可展机构收拢时，使直流电机9反转实现收拢。

如图2，所述的U形铰接式三角形横架4，由三个U形铰接头19和三根超弹性非晶态合金杆12组成，为纵杆3提供横向支撑。

如图3，所述的U形铰接头19由一个圆柱形接头14、一个圆柱联接铰15、一个上盖18和一个M3螺钉13、U形连接件16、两个M2螺钉11依次连接组成。圆柱联接铰15与上盖18相连，然后和圆柱形接头14通过一个M3螺钉13连接组成组合铰，组合铰与U形连接件16通过两个M2的螺钉11连接成整个U形铰接头19。

如图4，所述的圆柱形接头14有两个孔，分别是纵杆连接孔141和M3螺钉连接螺纹孔142。

如图5，上下各两条对角加劲索5在施加预紧力后安装在圆柱联接铰15和上盖18的加劲索连接孔151A、151B、151C、151D(孔径是2.5mm)和加劲索连接配合孔152A、152B、152C、152D(孔的尺寸是2mm×1mm)中间。

如图6，非晶态合金杆12的端头插入超弹性非晶态合金杆连接孔161A、161B内，通过两个M2螺钉10穿过M2螺钉连接螺纹孔162A、162B将其固定。

圆柱形接头14通过M3螺钉13与圆柱形联接铰15及上盖18形成一定的空隙，可以限制圆柱形接头14相对于U形连接件16的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；M3螺钉13穿过M3螺钉连接孔155、上盖M3螺钉连接孔156、M3螺钉连接螺纹孔142，将插入纵杆连接孔141的纵杆3与圆柱形接头14固连在一起；两个M2螺钉11穿过M2螺钉连接孔163A、163B，M2螺钉连接光孔154A、154B和M2螺钉连接螺纹孔153A、153B，将U形连接件16与圆柱联接铰15及上盖18固连在一起。

如图7，转动铰2由转动铰旋转部分2A、销钉2B、转动铰固定部分2C组成。销钉2B通过销钉孔将转动铰旋转部分2A和转动铰固定部分2C相连接，使得转动铰旋转部分2A可以沿周向进行180°旋转，而径向不能旋转，转动铰固定部分2C通过焊接方式固定在上、下底盘1、7上。转动铰2通过纵杆连接孔2A1与纵杆3胶接。对角加紧索5胶接在对角加紧索固定孔2C1、2C2、2C3、2C4内。

如图8，为圆柱连接杆17示意图，它将两个下底盘7连接在一起。

相邻两个U形铰接式三角形横架4的节距t根据可展机构刚度确定，在盘绕折叠过程中，纵杆3屈曲所至端点转角由转动铰2实现，对角加劲索5所引起的形变由三根超弹性非晶态合金杆12的弯曲变形实现。三根纵杆3长度与可展机构展开长度相同，由具有优异超弹性的非晶态合金加工而成。收拢时纵杆3受弯曲盘紧，压缩比大，最大可以达到2％。展开时三根纵杆3为可展机构提供轴向弯曲刚度和强度。纵杆3直径根据可展机构刚度、盘绕半径等确定。节间对角加劲索5为可展机构每侧面节间钢丝，承受预应力，提高可展机构抗剪切和抗扭转刚度。

下面详细介绍可展机构关键参数的设计。

1、可展机构设计参数

本专利所述的可展机构设计参数包括几何结构设计参数、结构特性等。结构几何设计决定结构特性(频率、模态、屈曲临界载荷)、质量、伸缩比。可展机构节距、可展机构盘绕半径、以及纵杆直径是关键设计参数。

(1)纵杆3直径d

根据整体刚度的要求和材料的力学性能，确定d＝2mm。

(2)纵杆3弹性极限弯曲应变ε

$\mathrm{\ϵ}=\frac{d}{2R}$

式中d为纵杆3直径；R为可展机构盘绕半径。

考虑到纵杆3的材料性能和整体的刚度，选取可展机构纵杆弹性极限弯曲应变ε＝0.0133。

(3)盘绕半径R

可展机构盘绕半径R(三根纵杆中心线外接圆半径)对刚度有重要影响，一般为50～200mm，由上面的计算得R＝75mm。

(4)节距t

节距是指相邻两个U形铰接式三角形横架之间的距离。节距应满足盘压时几何约束协调。半节距小于盘绕半径，且展开时对角加劲索5两端点距离要大于收拢时的距离，可推导出节距取值范围R＜t＜2R，一般选取t＝1.25R≈93.75mm，为了装配方便取t＝95mm。

(5)收藏高度h

如图9，可展机构盘绕一圈后三根纵杆3叠起的高度为

b＝3(a+d)

其中a为盘压后纵杆间的间隙(纵杆3与U形铰接式三角形横架4的三角形铰接头高度)，为保证连接处强度取a＝d，则

b＝6d＝12εR

则可展机构完全收拢后的高度h为

$h=\frac{l}{2\mathrm{\πR}}\·b=1.910\mathrm{\ϵ}\·l$

其中l为可展机构展开后的长度。实例中取l＝2m，则收拢高度h＝50.9mm。

2、可展机构力学性能

弯曲刚度：

EI＝1.5πER⁴ε²

其中：d为纵杆3的直径。

剪切刚度：

GA＝3EA_dsinφcos²φ

其中：EA_d为对角件加劲索5预加张力后的拉伸刚度；φ为对角件加劲索5与U形铰接式三角形横架4之间的夹角，为36.2°。

扭转刚度：

GJ＝0.5GAR²

其中：G是纵杆3材料的剪切模量；A是纵杆3的截面积。

弯曲强度：

M_cr＝7.44ER³ε⁴

同时，弯曲强度还要受纵杆失稳条件限制。

剪切强度：

V_cr＝1.84ER²ε⁴

需要说明的是上式受U形铰接式三角形横架4失稳条件限制。

扭转强度：

T_cr＝1.59ER³ε⁴

实践证明：本发明在航天领域里有较大的实用价值和广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该可展机构由电机控制部分和伸展机构部分所组成；伸展机构部分通过转动铰，与安装在电机控制部分的上、下底盘上的转动铰固定部分相连接；

所述电机控制部分由上、下底盘、直流电机、联轴器和拉索组成；上底盘安装在伸展机构部分的顶端；拉索逐圈缠绕在联轴器上并且拉索一端固定在上底盘上，另一端固定在联轴器上；联轴器与直流电机通过联轴器上的螺钉固连，直流电机安装在下底盘上；下底盘包括两个圆平板，并通过圆柱连接杆连接在一起；

所述伸展机构部分由U形铰接式三角形横架、纵杆及对角加劲索组成；U形铰接式三角形横架通过M3螺钉与纵杆固连，对角加劲索将相邻U形铰接式三角形横架连接在一起；该U形铰接式三角形横架由三个U形铰接头和三根超弹性非晶态合金杆组成，为纵杆提供横向支撑；该U形铰接头由圆柱形接头、圆柱联接铰、上盖、M3螺钉、U形连接件、M2螺钉依次连接组成；超弹性非晶态合金杆的端头通过M2螺钉固定于U形连接件上，通过M3螺钉限制圆柱形接头相对U形连接件的三个位移和两个转动，但不限制轴向转动；圆柱形接头通过M3螺钉将纵杆与U形连接件固定连接；该纵杆材料为超弹性非晶态合金，纵杆依靠与其连接的U形铰接式三角形横架和对角加劲索承受轴向拉压、侧向弯曲和扭转；该对角加劲索是弹性模量为206GPa的不锈钢钢丝；可展机构盘绕半径R，即纵杆中心线外接圆半径对刚度有重要影响，相邻两个铰接式三角形横架之间的节距t应满足盘压时几何约束协调。

2.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该上、下底盘直径是225-235mm，厚度是4.5-5.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该电机控制部分的上、下底盘与伸展机构部分分别各通过三个转动铰相连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该圆柱连接杆的数量是四根。

5.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该拉索材料是弹性模量为132GPa的凯夫拉，直径为0.8-1.0mm。

6.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该纵杆的数量是三根，直径是1.9-2.1mm，长度是1.95-2.05m 。

7.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该对角加劲索的直径是0.7-0.9mm，长度是135-145mm。

8.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该U形铰接式三角形横架的层数是三层。

9.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该可展机构盘绕半径R的取值范围为50～200mm。

10.根据权利要求1所述的一种采用精密U形铰的超弹性盘绕式空间可展机构，其特征在于：该相邻两个铰接式三角形横架之间的节距t取值范围是R＜t＜2R。

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