CN101893034B - 具有柔性元件的贯穿枢轴以及包括这种枢轴的航天器 - Google Patents

Abstract

一种具有柔性元件的贯穿枢轴以及包括这种枢轴的航天器，所述贯穿枢轴包括第一环(1)和第二环(2)，这两个环中的一个能够围绕纵向轴线(10)相对于另一个环旋转。该枢轴进一步包括至少一个悬浮框架(3)。两个环(1、2)分别通过至少一个第一组的和至少一个第二组的多个柔性元件(7、8)而连接于悬浮框架(3)，所述柔性元件(7、8)在横向于两个环(1、2)的方向延展。悬浮框架(3)可以由以围绕轴线(10)的回转圆柱体的形式存在的环构成，或者由环部件(3a、3b、3c)构成，对于悬浮框架来说，其无论是设置在环(1、2)的内侧还是外侧都是可以的。对于航天器领域的应用，本发明可以用于精确旋转制导。

Description

具有柔性元件的贯穿枢轴以及包括这种枢轴的航天器

技术领域

本发明涉及一种贯穿枢轴，也就是说涉及一种能够来支撑旋转轴的装置，该旋转轴从枢轴的两端延伸出或者在两个枢轴之间延伸，并且还涉及一种包括至少一个这样的枢轴的航天器。本发明应用于航天器领域，比方说卫星，从而用于航天器上的设备中至少一个元件或者部件的按照预定指向的精确旋转制导。

背景技术

在空间应用中，需要能够按照预定的方向来定向某些元件，比方说，例如卫星或者宇宙飞行器上的天线、天线杆或者设备的一个部件，例如从而将它们朝向外部目标对准，比方说行星、接收器或者发送器，进而来保持它们指向地球表面上的某个点，或者选择性地来扫描地球或者某个天体表面上的特定区域。这些位置通常必须被修正从而来补偿在维持这一方向的能力上的不可避免的偏移，并且这些大量的修正意味着这些空间备用仪器以及它们的支撑装置必须经历极高数量的微旋转周期。这一阶段也就是大家所公知的精确指向阶段。

假使将卫星放置进入轨道是一个不可逆的操作，那么在当设计该航天器的时候就必须来确保这些支撑装置按照周期数被进行测量时将具有非常长的寿命，从而来确保支撑装置经得起所有这些重复应力的能力。例如，这一寿命可以超过300000个周期。对于支撑装置的其它要求包括：尤其是关于外部力量以及施加在被支撑轴上的弯曲力矩的优良的机械完整性、优良的横向刚性、高精确无间隙制导、对于柔性元件的显著的旋转幅度(典型的是在正负两个方向上5至10°的数量级)以及低且恒定的阻力转矩。

使用一种具有交叉柔性连接板的枢轴、尤其是一种已知被称作“邦迪克斯自由弯曲枢轴(Bendixfreeflexpivot)”的枢轴来生产一种用于旋转轴的支撑装置是一种已知的惯用做法。这种类型的枢轴不是一种贯穿枢轴。因此必须只能在一端按照悬臂的方式来安装该被支撑的轴，并且这将施加显著的应力在枢轴的连接板上，而且将传递显著的应力给支撑构件，甚至是在两枢轴(two-pivot)的设备中。这一类型的枢轴因此仅能提供有限的的机械完整性以及横向刚性，并且不能够满足在创建精确指向装置时所涉及的所有需求。

同样也是一种已知的习惯做法是使用一种包括两个枢轴的装置来支撑一根轴，这两个枢轴由滚珠轴承组成。这种类型的装置当被施加往复的或者振荡的运动时要遭受显著的磨损，因此该装置具有有限的寿命。这一类型的装置同样也不能够满足创建被打算用于空间应用的精确指向装置时所涉及的所有需求。

专利申请FR2703415描述了一种用于支撑旋转轴的装置，该装置包括一种连接板类型的贯穿枢轴，该枢轴适合于精确指向装置的建造，尤其是用于空间应用，但是这种枢轴的角度能力被限制于小的旋转角度并且只要所需要的角度修正变得更大时将变得不再合适。

发明内容

本发明的一个目的就是要来解决这些问题并且来建立一种具有优良的机械完整性和经得起外部力和弯曲力矩的能力、优良的横向刚性的柔性元件贯穿枢轴，该枢轴能够实现高精度无间隙制导、能够具有低的阻力转矩、具有能够经得起非常多的至少超过300000旋转振荡的寿命，并且其具有至少两倍于专利申请FR2703415中所描述的枢轴所具有的角度能力。

为了实现上述目的，本申请涉及一种贯穿枢轴，其包括第一环和第二环，这两个环具有围绕一个且相同的纵向轴线的回转对称性，这两个环中的一个能够围绕所述纵向轴线相对于另一个环进行旋转，其特征在于，该枢轴包括至少一个悬浮框架，该悬浮框架能够围绕纵向轴线进行运动，并且其特征在于，两个环分别通过至少一个第一组的和至少一个第二组的多个柔性元件而被连接于悬浮框架，所述柔性元件在横向于两个环的方向上延展。

有利地，第一组的柔性元件具有被连接于悬浮框架的第一端和被连接于第一环的与第一端相对的第二端，且第二组的柔性元件具有被连接于悬浮框架的第一端和被连接于第二环的与第一端相对的第二端。

当处在停留状态中时，柔性元件相对于两个环被径向地设置，或者，选择性地，柔性元件可以相对于环的径向被倾斜一个且相同的倾斜角α，并且所倾斜的方向可以相同。

可选择地，当处在停留状态中时，被连接于第一环的柔性元件可以相对于第一环的径向被倾斜一个且相同的倾斜角α，且被连接于第二环的柔性元件可以被倾斜一个且相同的倾斜角α，但是所倾斜的方向与被连接于第一环的柔性元件所被倾斜的方向相反。

悬浮框架既可以被设置在两个环的外侧或者也可以被设置在两个环的内侧。

悬浮框架是一个整体并且具有围绕纵向轴线的回转对称性，或者由多个环部分所构成，柔性元件的第一端被附接于这多个环部分。

柔性元件优选地是柔性连接板。

有利地，两个环中的至少一个具有通孔，该通孔被定心于纵向轴线并且能够来接收穿过所述中央孔的贯穿轴。

在本发明的一个实施方式中，第一环包括至少一个圆柱体，柔性元件的第二端被附接于该圆柱体，并且第二环包括至少一个圆柱体，柔性元件的第二端被附接于该圆柱体，这些圆柱体具有相同的外径并且沿着纵向轴线叠置。

本发明也涉及一种包括至少一个贯穿枢轴的航天器。

附图说明

通过下面对于多个特定实施方式的描述，本发明将会被更好地理解，并且本发明的其它目的、细节、特性以及优点因此也将会变得更加显而易见，这些实施方式仅仅是出于非限制性的说明，并且将参考下面的附图，其描绘了：

-图1：根据本发明的第一个实施方式，处在停留的中央位置上的具有外部悬浮框架和径向连接板的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图；

-图2：根据本发明的第一个实施方式，处在正旋转位置上的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图；

-图3：根据本发明的第一个实施方式，处在负旋转位置上的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图；

-图4：根据本发明的第二个实施方式，具有内部悬浮框架的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图；

-图5a、5b：根据本发明的第三个实施方式，具有叠置的固定的和可移动环的两级枢轴的一个实施例的两个示意图，一个是横截面图，一个是侧视图；

-图6a、6b：根据本发明的第四个实施方式，具有内部悬浮框架和在一个且相同的方向上倾斜的连接板的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图，以及一个曲线图例，其显示了对于各种倾斜角度下所应用的转矩和利用这一类型枢轴所获得的旋转角度之间的关系；

-图7a、7b：根据本发明的第五个实施方式的具有内部悬浮框架和在两个相反的方向上倾斜的连接板的两级枢轴的一个实施例的横截面示意图，以及一个曲线图例，其显示了对于各种倾斜角度下所应用的转矩和利用这一类型的枢轴所获得的旋转角度之间的关系的；

-图8和9：分别是根据本发明的第四个和第五个实施方式的两级枢轴的两个实施例的两个透视图；

-图10a、10b：根据本发明的，具有多于两个等级的枢轴的实施例的两个视图，其中一个是透视图，另一个是侧视图。

具体实施方式

在图1中按照截面形式图解描述的枢轴包括第一环1和第二环2，这两个环具有沿纵向轴线10回转的圆柱体形式。这两个环中的一个，例如环2能够围绕轴线10旋转并且构成了转子，而另一个环，例如环1则被固定且构成了定子。可选择地，环1和环2的角色可以颠倒。转子，例如环2，其是用来被连接于致动器(未示出)，而定子，例如环1，则被附接于固定结构上(未示出)。至少所述转子具有贯穿孔，该贯穿孔被定心在纵向轴线10上并且能够接收穿过所述中央孔的贯穿轴。环1和环2中的每一个都通过各自的柔性元件7、8而被连接于悬浮框架3，所述柔性元件例如是柔性的连接板，对于悬浮框架来说，其可以如图1至3和6至9中所显示的那样被定位在两个环1和2的外侧也可以被如图4和5中所显示的那样被定位两个环1和2的内侧。该悬浮框架例如可以包括第三环，该环具有围绕轴线10回转的圆柱体的形式，如在图1中所显示的那样，或者该环也可以由多个独立的单独元件3a、3b、3c构成，这些单独元件形成了围绕转子和定子的圆周而均匀分布的环部分，并且如图8、9、10所示的那样，它们被连接于柔性元件7、8的上端。选择性地，该悬浮框架可以被设置在转子和定子的内侧，如在图5a中所显示。每一个柔性元件7或8都可以例如由一个或者多个平面矩形板片类型的连接板构成，连接板具有分别被附接于第一或第二环的下端，以及被附接于悬浮框架3的上端。每一个柔性连接板7、8都在横向上延伸并且相对于固定和移动的环1、2向外延伸。悬浮框架3没有被连接于任何致动器也没有被连接于任何固定构件，并且因此其根据柔性连接板7、8的运动而自由地扭转。

在各个附图中被图解描述的示例性实施方式中，固定环1通过第一组三个柔性连接板7而被连接于悬浮框架3，这三个连接板7被成角度地间隔开来，例如按照120°角间隔开，而移动环2通过第二组三个柔性连接板8而被连接于悬浮框架3，这三个连接板8例如按照120°角被间隔开。当然，每一组连接板中的柔性连接板的数量并不仅限于三个，并且一个组中的或者同一个组中的连接板之间的间隔角度也可以是除120°角之外的其它角度。

在由三个箭头12所标识的停留位置上，也就是说当不存在驱动环来旋转的转矩时，每一个柔性连接板7、8都可以被安排在横向方向上，所述横向方向与环的径向方向相一致并且穿过纵向轴线10，如在图1、4和5a中所描述的那样，或者每一个柔性连接板7、8都可以被安排在这样的横向方向上，如在图6a和7a中所显示的那样，该横向方向相对于环的径向方向构成一个非零度的倾斜角α。当该倾斜角α不为零度时，连接板不再聚向被设置在枢轴中心的轴线10，并且这将允许连接板从根本上实现弯曲操作并且能够获得比径向连接板更大的角运动能力，该连接板对于相同的旋转角度将在关于拉伸以及压缩的操作模式之间转换。例如，该倾斜角α可以介于2°到10°之间，优选地介于4°到5°之间。

图2和图3分别显示了当移动环2围绕纵向轴线10按照正向方向(相应于顺时针方向)旋转时或者按照负方向(相应于逆时针方向)旋转时柔性连接板7、8的变形。如果构成转子的可移动环是环2并且形成定子的被连接于固定支撑件的固定环是环1的话，那么从停留位置开始，可移动环2在正向方向(相应于顺时针方向)上的旋转运动将导致悬浮框架3由于第二组连接板的柔性连接板8的作用而按照正向方向旋转，并且将导致第一组连接板的柔性连接板7在悬浮框架3的作用下变得弯曲。如果该可移动环2被按照负方向旋转，那么该枢轴将按照类似的方式运作，但是柔性连接板的工作情况将是相反的。

如果悬浮框架3被形成在两个环1、2的内侧的话，也就是例如在图4的第二个实施方式中所描述的，该枢轴同样也按照类似的方式运作。

图5a和5b中的第三个实施方式相当于这样的情况，即该可移动环2以及固定环1具有相同的外径并且被安排在两个重叠的相互平行的不同的平面中。所述可移动环2具有两个明显相同的环状部件2a、2b，这两个环状部件被对称地安排在固定环1的每一侧上。在这一情形中，柔性连接板8a、8b中的某一些需要被重复，这样可移动环2的两个部件2a、2b中的每一个都可以被连接于悬浮框架3，在本实施方式中，所述悬浮框架3被定位在两个环1、2的内侧。

在本发明的第四个实施方式中，并且在如图6a中的三个箭头12所标识的位于中心的停留位置上，第一组和第二组连接板中的柔性连接板7、8在一个且相同的方向上，例如所知的负方向也就是逆时针方向上，相对于环13的径向倾斜一个角度α，所述环13已经按照虚线而被显示在图6a中。在这种情形中，如果构成转子的可移动环是环2并且形成定子的被连接于固定支撑件的固定环是环1的话，那么从停留位置开始，可移动环2在正向方向(相当于顺时针方向)上的旋转运动将导致第三环3在正方向上的旋转，并且将导致第一组连接板的柔性连接板7弯曲；而此时第二组连接板的柔性连接板8将不会弯曲，这是由于它们所倾斜的方向而引起的。

另外，从停留位置开始，可移动环2在负方向上的旋转运动将导致第二组连接板的柔性连接板8弯曲。

在本发明的第五个实施方式中，以及在图7a中由三个箭头12所标识的偏心的停留位置上，第一组和第二组连接板的柔性连接板7、8被倾斜一个角度α，但是按照两个相反的方向。例如，第一组连接板的柔性连接板7在负方向上相对于环1、2的径向方向倾斜-α角度，而第二组连接板的柔性连接板8在正方向上被倾斜+α角度。在这一个实施方式中，所述枢轴仅在一个旋转方向上工作，也就是相当于图7中所显示的正方向。从停留位置开始，可移动环2在正方向上的旋转运动将导致第二组连接板的柔性连接板8旋转，这又将导致第三环3在正方向上的旋转且将导致第一组连接板的柔性连接板7的弯曲。

在根据本发明的枢轴的各种实施方式中，固定环1没有被直接连接于可移动环2，正如现有技术中的枢轴那样，但是本发明中的这两个固定以及可移动环通过悬浮框架3以及一组附加的连接板的作用而被连接在一块，这组连接板构成了枢轴的第二个级(stage)，两组连接板7、8串联地运行。这种结构通过使用具有相同刚度的等效柔性连接板能够获得角度能力，该能力是单级枢轴结构的角度能力的两倍。

分别针对根据相应于图6a的本发明的第四个实施方式所制造的枢轴以及根据相应于图7a的本发明的第五个实施方式所制造的枢轴，如图6b和7b中所描述的样本曲线图显示了对于各种不同的倾斜角、根据施加于可移动环上的转矩与所获得的旋转幅度的函数关系。在图6b中的曲线图中，枢轴围绕参考位置(相当于停留位置)以一个6°的角振幅而振荡。在图7b的曲线图中，枢轴围绕所选择的参考位置例如以3°的角振幅而振荡。但是，这些数值完全是通过非限制的样品而给出的，并且完全可以来创造具有更大角度能力的枢轴。所述角度能力取决于所使用的柔性连接板的材料、长度以及横截面。较长的、较细的连接板将导致更好的挠性以及更大的角度能力，尽管它们不能够更好地来承受载荷。对于连接板的尺寸和材料的选择因此是取决于所期望的应用和角度能力。

图8中的透视图描述了根据本发明第三个实施方式的处在中心停留位置上的枢轴的一个实施方式，其中悬浮框架3由三个单独的元件3a、3b、3c构成，这三个元件形成了均匀分布在转子和定子的圆周上的环部分，并且所有的柔性连接板7、8的上端都被附接于这三个元件。这两个固定环1和可移动环2都由空心的具有相同纵向轴线10和相同外径的回转圆柱体构成，这两个回转圆柱体沿着纵向轴线10层叠。中央圆柱体1可以例如连接于致动器，并且两个圆柱体2a、2b可以通过一个固定构件(未示出)而被结合在一起，这两个圆柱体2a、2b对称地安排在中央圆柱体1的每一侧上，所述固定构件没有被显示出。两组柔性连接板中的所有连接板7、8都被设置在相同的高度上，具有相同的长度，并且相对于径向、在一个且相同的倾斜方向上倾斜相同的角度。每一个连接板7具有被附接于中央圆柱体1的下端以及被连接于悬浮框架的元件3a、3b、3c的上端。每一个连接板8都由两个半连接板8a、8b所构成，这两个半连接板中的每一个都具有被分别附接于圆柱体2a、2b中的一个的下端，以及被连接于悬浮框架的一个且相同的元件3a、3b、3c的上端。第二组柔性连接板中的每一个连接板8的这两个半连接板8a、8b都被安排在第一组柔性连接板的连接板7的每一侧上。中央圆柱体1可以具有花键的内表面，其例如能够接收被牢固地安装于该表面上的轴。将可移动环2分割成两个被对称地设置在中央圆柱体1的每一侧上的两个圆柱体2a、2b允许了更好的载荷分布，所述载荷被施加于枢轴上，并且因此改善了枢轴的使用寿命。选择性地，可以来颠倒中央圆柱体1以及两个外圆柱体2a、2b的角色，所述圆柱体1可以被固定，而所述圆柱体2a、2b可以是能够来移动，关键点就在于枢轴的两个内环1和外环2之间存在相对运动。

图9中的透视图描述了根据本发明第二实施方式的处在偏心停留位置上的枢轴的一个示例性实施方式，其中悬浮框架3由三个单独的元件3a、3b、3c构成，所有的柔性连接板7、8的上端都被附接于这三个元件3a、3b、3c。在本发明的这一个示例性实施方式中，其相对于图8中的实施方式的区别点就在于连接板在停留位置上所倾斜方向不同。每个连接板8的两个半连接板8a、8b相对于径向方向都被倾斜一个相同的角度，并且按照一个相同的方向倾斜，而连接板7相对于径向方向被倾斜一个相同的角度，但是倾斜的方向与连接板8所倾斜的方向恰好相反。

前面所有示例性实施方式都涉及到具有两级柔性连接板的枢轴，在连接板尺寸相同的情况下，其提供了相对于仅仅具有单级连接板的枢轴来说两倍的角度能力。但是，为了或者甚至更大的角度能力，按照相同的方式来生产具有多于两级的枢轴也是可能的。

图10a和10b中的透视图和侧视图描述了一个实施例，其是一个多级连接板类型的贯穿枢轴，该枢轴具有四级并呈角度地分布在内环、外环和五个悬浮框架上的三个七组柔性连接板7、8a、8b、9a、9b、11a、11b，所述内环包括内圆柱体1，所述外环包括被对称地设置在内环每一侧上的两个外圆柱体2a、2b，所述悬浮框架包括内悬浮框架4a、4b和外悬浮框架3、5、6，柔性连接板被分别附接于各个悬浮框架以及各个圆柱体。三个悬浮框架3、5、6由三个单独的元件构成，但是可选择地也可以由环孔构成。第四个级由四组外部柔性连接板9a、9b和11a、11b构成，这四组连接板连接于外环的两个外圆柱体2a、2b，对于所述的外圆柱体来说，将它们连接于彼此也是可能的，例如通过固定构件的作用而被实现，该固定构件没有被示出。

尽管本发明已经结合特定的实施方式而被描述，但是非常清楚的是，本发明不受这些实施方式的任何形式的限制，并且还包括了所描述设备的所有技术等价物以及它们的组合，只要这些等价物或者组合落入了本发明的公开范围之内。每一组连接板中的柔性连接板的数量完全可以不同于三个。

Claims (11)

1.一种贯穿枢轴，其包括第一环(1)和第二环(2)，这两个环具有围绕一个且相同的纵向轴线(10)的回转对称性，这两个环中的一个能够围绕所述纵向轴线(10)相对于另一个环进行旋转，其特征在于，该枢轴包括至少一个悬浮框架(3)，该悬浮框架(3)能够围绕所述纵向轴线(10)进行旋转，并且其特征在于，所述两个环(1、2)分别通过至少一个第一组的和至少一个第二组的多个柔性元件(7、8)而被连接于悬浮框架(3)，所述柔性元件(7、8)在横向于两个环(1，2)的方向上延展；所述悬浮框架(3)被设置在所述两个环(1、2)的内侧。

2.根据权利要求1所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述第一组的柔性元件(7)具有被连接于所述悬浮框架(3)的第一端和被连接于所述第一环(1)的与所述第一端相对的第二端，且其特征在于，所述第二组的柔性元件(8)具有被连接于所述悬浮框架(3)的第一端和被连接于所述第二环(2)的与所述第一端相对的第二端。

3.根据权利要求2所述的贯穿枢轴，其特征在于，当处在停留状态中时，所述柔性元件(7、8)相对于所述两个环(1、2)被径向地设置。

4.根据权利要求2所述的贯穿枢轴，其特征在于，当处在停留状态中时，所述柔性元件(7、8)相对于所述环(1、2)的径向被倾斜一个且相同的倾斜角(α)，并且所倾斜的方向相同。

5.根据权利要求2所述的贯穿枢轴，其特征在于，当处在停留状态中时，被连接于所述第一环(1)的所述柔性元件(7)相对于所述第一环(1)的径向被倾斜一个且相同的倾斜角(α)，且其特征在于，被连接于所述第二环(2)的所述柔性元件(8)被倾斜一个且相同的倾斜角(α)，但是所倾斜的方向与被连接于所述第一环(1)的所述柔性元件(7)所被倾斜的方向相反。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述悬浮框架(3)是一个整体并且具有围绕所述纵向轴线(10)的回转对称性。

7.根据权利要求2所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述悬浮框架(3)是由多个环部分(3a、3b、3c)所构成，所述柔性元件(7、8)的所述第一端被附接于这多个环部分(3a、3b、3c)。

8.根据权利要求1所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述柔性元件(7、8)是柔性连接板。

9.根据权利要求1所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述两个环(1、2)中的至少一个具有通孔，该通孔被定心于所述纵向轴线(10)并且能够接收穿过所述通孔的贯穿轴。

10.根据权利要求2所述的贯穿枢轴，其特征在于，所述第一环(1)包括至少一个圆柱体(1)，所述第一组的柔性元件(7)的所述第二端被附接于该圆柱体(1)，并且其特征在于，所述第二环(2)包括至少一个圆柱体(2a、2b)，所述第二组的柔性元件(8)的所述第二端被附接于该圆柱体(2a、2b)，这些圆柱体(1、2a、2b)具有相同的外径并且沿着所述纵向轴线(10)叠置。

11.一种航天器，其包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的贯穿枢轴。