CN102910299A

CN102910299A - Sma丝驱动的连接与解锁机构

Info

Publication number: CN102910299A
Application number: CN2012102629786A
Authority: CN
Inventors: 闫晓军; 杨巧龙; 张小勇; 濮海玲; 赵坚城; 徐青华
Original assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-09-03
Also published as: CN102910299B

Abstract

一种SMA丝驱动的连接与解锁机构，其设置有：分瓣螺母，用于与一螺栓螺纹连接，其完全分割成若干瓣，其外侧面上形成有凸台；分瓣螺母的约束装置，设置在分瓣螺母外侧，其内侧面上形成有可与凸台相配合的凹槽，在连接状态下，凸台抵靠在凹槽之外的约束装置部分上，从而维持了对分瓣螺母的径向约束，在解锁状态下，凸台进入凹槽中，从而放松对分瓣螺母的径向约束；约束装置的驱动装置，包括：SMA丝，当其受热收缩时拉动约束装置轴向向下运动而进入解锁状态，复位弹簧，设置在约束装置下方。在一种可选方案中，当SMA丝不再受热时，推动约束装置轴向向上复位而重新进入连接状态。所述连接与解锁机构解锁彻底、成功率高、可靠性高。

Description

SMA丝驱动的连接与解锁机构

本申请是中国专利申请第200810119580.0号的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金(SMA）丝驱动的分瓣螺母连接与解锁机构。

背景技术

很多机构或系统（如航天器）需要多种连接－分离机构实现连接与解锁功能，如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种解锁装置多为火工品螺栓（又称爆炸螺栓）。随着技术的发展，尤其是新一代小型卫星的出现，火工品所引起的冲击和污染问题日趋严重，解决这一问题的一个主要焦点集中在应用形状记忆合金（SMA）发展新型的解锁机构。

在利用SMA研制新型连接与解锁机构上，国内外都有了一定的进展，提出了多种以SMA丝为驱动的设计方案，如美国Hi Shear科技公司提出的以SMA柱作为驱动的设计方案，国内提出的“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”（中国专利申请号：200610011626.8）。其中“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”中采用SMA丝作为驱动元件，其结构如图1所示，由SMA丝2、弹簧3、分瓣螺母4、螺栓5、定位环7、底座8组成，通过螺纹固定在下连接件1上，分瓣螺母4下部通过螺纹与底座8连接，上部由定位环7进行周向定位，并通过螺栓5与上连接件9固定，由此完成相邻两个部件的连接。分瓣螺母4，如图1所示，由沿周向均分分布的三部分组成，底部连接，内有膨胀螺钉6，可以通过膨胀螺钉6调整分瓣螺母4张开的尺寸。弹簧3下端与底座8接触，上端与定位环7接触，处于压缩状态，压紧定位环7，保证定位环7对分瓣螺母4的周向定位，使分瓣螺母4在装配状态下闭合。SMA丝2上端与定位环7相连，下端固定于底座8上，在弹簧力的作用下处于张紧状态。在通电加热SMA丝2实现解锁功能时，考虑到SMA丝2的绝缘问题，定位环7为绝缘材料，SMA丝2与底座8的连接采用绝缘材料机械止动的方式。图1所示状态为锁紧状态，当需要解锁时，对SMA丝2通电，SMA丝2收缩，带动定位环7下移，压缩弹簧3，解除对分瓣螺母4的约束，释放螺栓5，从而完成解锁。

“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”虽然具有解锁载荷大、同步性好等优点，但其也具有致命的缺点：

（1）锁定的主要作用方向是该机构的径向方向，但在该机构在其解锁－锁定过程中却没有提供沿着该主要作用方向的收紧/放开，而锁定装置只是单纯地沿着轴向移动。结果，分瓣螺母4难以充分分瓣，底部仍连成一体，从而造成了其解锁不充分，成功率低，可靠性差。

（2）机械压紧方式容易造成SMA丝损伤，从而造成SMA丝在使用过程中断裂。

（3）SMA丝长度较短，使得机构的设计裕度较小。

（4）SMA丝和导线连接部分在壳体内部，不便于操作。

发明内容

本发明主要解决现有技术中存在的解锁不彻底的问题，提供了一种解锁彻底、成功率高、可靠性高的SMA丝驱动的空间连接与解锁机构。

根据本发明的一个方面，所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构设置有：分瓣螺母，用于与一螺栓螺纹连接，其完全分割成若干瓣，其外侧面上形成有凸台；所述分瓣螺母的约束装置，设置在所述分瓣螺母外侧，其内侧面上形成有可与所述凸台相配合的凹槽，在连接状态下，所述凸台抵靠在所述凹槽之外的约束部分上，从而维持了对所述分瓣螺母的径向约束，在解锁状态下，所述凸台进入所述凹槽中，从而放松对所述分瓣螺母的径向约束；所述约束装置的驱动装置，所述驱动装置包括：SMA丝，当其受热收缩时拉动所述约束装置轴向向下运动而进入所述解锁状态；复位弹性元件，设置在所述约束装置下方，当所述SMA丝不再受热时，推动所述约束装置轴向向上复位而进入所述连接状态，并拉伸所述SMA丝。

根据本发明的一个实施方式，所述分瓣螺母的上下两端分别以锥面与一端盖、一顶块相配合，一预压缩的分离弹簧设置在所述顶块下方，用于驱动所述顶块向上顶开所述分瓣螺母。

根据本发明的另一个实施方式，所述SMA丝依次绕过滑轮、绝缘轴承，两端紧固于陶瓷支座上，所述滑轮与所述约束装置固定连接。

优选的，所述绝缘轴承是在普通轴承上套有陶瓷外圈。

优选的，所述SMA丝与所述陶瓷支座的紧固是通过采用不锈钢管套住SMA丝并压扁，然后再穿过其上有直径大于SMA丝直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座来实现的。

优选的，所述复位弹性元件可以为一弹簧。

本发明的技术解决方案特征包括：采用一个被完全分割成诸如三瓣的分瓣螺母，在连接状态时，分瓣螺母被箍筒紧紧箍着，上下端面均以锥面分别和端盖、顶块配合，形成一个完整的螺纹副，螺栓被拧入分瓣螺母中。箍筒上端和端盖配合，下端被预压缩的复位弹簧顶紧。预拉伸的SMA丝绕过滑轮、绝缘轴承并将两端固定于陶瓷支座上。对SMA丝通电加热时，SMA丝受热收缩，拉动箍筒向下运动，同时压缩复位弹簧，当箍筒运动到一定位置时，分瓣螺母的凸台在分离弹簧的作用下滑入箍筒的凹槽中，破坏了螺纹副，使螺栓从分瓣螺母中脱出，从而实现机构的分离功能。通电结束后，温度降低，SMA丝的低温回复力小于复位弹簧的推力，在复位弹簧作用下，箍筒向上运动，重新拉伸SMA丝，并将分瓣螺母重新合拢，从而实验了机构的可重复作动功能。

本发明与现有的技术相比，可靠性更高，裕度更大等特点，具体表现在经下几个方面：

（1）本发明采用了一个被完全分割成为诸如三瓣的分瓣螺母，其解锁－锁定操作通过涉及锁定部分沿着主要锁定作用方向（径向方向）的收紧/放开动作，使得在分离功能实现时分瓣螺母能够彻底分离，和现有技术相比，大大提高了分离的成功率，改善了可靠性。

（2）本发明分瓣螺母上下两端分别以锥面与端盖、顶块配合，在箍筒内有凹槽，保证了分瓣螺母的顺利分开和合拢，提高了分离的可靠性。

（3）本发明中顶块和分离弹簧共同作用，辅助了分瓣螺母的分开，进一步提高了分离的成功率，从而提高了可靠性。

（4）本发明中采用了SMA丝在绝缘轴承上的拐弯设计，增加了SMA丝在有限空间内的长度同时并保证绝缘性，这样大大增加了机构的裕度，从而增加了解锁的成功率。

（5）本发明中SMA丝的紧固采用不锈钢管套住SMA丝并压扁，然后再穿过其上有直径大于SMA丝直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座来紧固，这样和现有技术相比SMA丝更不易因机械损伤而断裂，从而提高了使用可靠性。

（6）本发明的方案中将SMA丝与导线连接部分放到了壳体外部，极大地便利了SMA丝的设置操作及其与外部电源的连接操作。凹槽凹槽

附图说明

图1为“微型大载荷SMA空间同步解锁机构”结构示意图。

图2为本发明的SMA丝驱动的连接与解锁机构的外观正等测图。

图3为本发明SMA丝驱动的连接与解锁机构的外观右视图。

图4为本发明SMA丝驱动的连接与解锁机构的连接状态剖视图。

图5为本发明SMA丝驱动的连接与解锁机构的释放状态剖视图。

具体实施方式

相关申请的引用本说明书全文引用本申请人于2007年11月12日提交的中国专利申请第200710177157.1号“耐高温形状记忆合金丝紧固装置”。

对本发明的应用而言，SMA（形状记忆合金）材料的“形状记忆特性”是指：材料在某一较低温度下被拉伸变形，卸载后其变形不能完全回复，留有残余变形。但是只要对其加热到某个较高温度之上，则残余变形消失，回复到原来的未被拉伸的形状，表现为“记忆较低温度下的形状”，且回复过程中产生很大的回复力。

工程中通常将SMA丝与弹簧配合组成驱动元件，即通过一定拉伸变形的SMA丝与弹簧相互连接，低温下弹簧力大于SMA丝的低温屈服力，使SMA丝保持在被拉伸的状态，直至弹簧力与SMA丝的屈服力和输出负载平衡；当温度上升时，SMA丝收缩，SMA丝的回复力克服弹簧力而使弹簧收缩。当温度再下降时，SMA丝恢复到与初始的弹簧力平衡的状态，从而实现SMA－弹簧元件的往复作动。

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

以下结合附图2、3、4说明本发明的一个具体实施例的结构。

如图4所示，本发明的分瓣螺母4被箍筒16紧紧箍着，同时分瓣螺母4的上下端面分别和端盖10、顶块12以锥面15配合，这样使得分瓣螺母4构成一个完全的螺母，而且不能上下移动。

如图4所示，分瓣螺母4上有凸台19和箍筒16上的凹槽11相配合，当需要分离时，使箍筒16向下运动，分瓣螺母4的凸台19便会掉进箍筒16的凹槽11中，使得分瓣螺母4能沿着径向松开，从而达到如图5所示的状态。另外，由于凹槽11和分瓣螺母4上凸台的斜面的相互配合，使得在停止通电加热后，在复位弹簧3的作用下，箍筒16能向上运动，从而使分瓣螺母4能再次合拢，回复到如图4所示的状态，形成一个完整的螺母，从而完成机构的重复使用功能。

如图和5所示，分瓣螺母4与顶块12以锥面15配合；在分离过程中，分瓣螺母4的凸台19掉进箍筒16的凹槽11中时，顶块12会在预压缩的分离弹簧13的作用下，通过锥面15促使分瓣螺母4掉入箍筒16的凹槽11中，有助于保证和加速分瓣螺母4的分离。

分离弹簧13的弹簧力应显著地小于复位弹簧3的弹簧力。

如图4所示，SMA丝依次绕过滑轮14和绝缘轴承18，再紧固于陶瓷支座17上，而陶瓷支座17被设在壳体之外。这样在有限的空间内将SMA丝的长度增加了一倍左右，同时将SMA丝和导线的连接接头从壳体内部移到了壳体外侧壁，有利于和外部电源的连接操作。另外，绝缘轴承18是通过在普通轴承上套陶瓷外圈来实现的。

如图3所示，在本发明的一个优选实施例中，SMA丝2在陶瓷支座17上的紧固是通过采用不锈钢管套住SMA丝2并压扁，然后再穿过其上有直径大于SMA丝2直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座17来实现的。

在本发明的另一个实施例中，SMA丝2在陶瓷支座17上的紧固是通过采用传统的方法实现的，如螺丝固定法。

本发明的工作过程如下：

如图4所示的是机构连接状态，此时分瓣螺母4被箍筒16紧紧箍着，分瓣螺母4上下端面均以锥面分别和端盖10、顶块12配合，形成一个完整的螺纹副，螺栓5被拧入分瓣螺母4中。箍筒16上端和端盖10配合，下端被预压缩的复位弹簧3顶紧。预拉伸的SMA丝2绕过滑轮14、绝缘轴承18并将两端固定于陶瓷支座17上。对SMA丝2通电加热时，SMA丝2受热收缩，拉动箍筒16向下运动，同时压缩复位弹簧3，当箍筒16运动到一定位置时，分瓣螺母4上的凸台19在分离弹簧3的作用下滑入箍筒16的凹槽11中，破坏了螺纹副，使螺栓5从分瓣螺母4中脱出，从而实现机构的分离功能。通电结束后，温度降低，SMA丝2的低温回复力小于复位弹簧3的推力，在复位弹簧3作用下，箍筒16向上运动，重新拉伸SMA丝2，并将分瓣螺母4重新合拢，从而实验了机构的可重复作动功能。应该理解的是，分瓣螺母4分开之后的重新合拢的功能并不是本发明的方案的基本功能，因为属于本发明范围的一次性使用的可解锁连接装置并不要求再连接功能。当然，可重复的连接/解锁虽然是本发明的一种更优选的方案的特征，但它并不是本发明的必要特征。

另外，可以理解，复位弹簧3、分离弹簧13均是用于提供弹性回复力的弹性元件，当然也可采用公知的其它弹性元件来代替。

Claims

1.一种SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于包括：

分成若干瓣的分瓣螺母（4），其内侧设有用于与一螺栓（5）连接的螺纹，其外侧面上形成有凸台（19）；

设在所述分瓣螺母（4）的外侧的约束装置（16），其内侧面上形成有可与所述凸台（19）相配合的凹槽（11），在连接状态下所述凸台（19）抵靠在所述约束装置（16）在所述凹槽（11）之外的部分上，从而构成了使所述分瓣螺母（4）保持合拢的径向约束，在解锁状态下所述凸台（19）进入所述凹槽（11）中，从而放松对所述分瓣螺母（4）的径向约束；

SMA丝－复位弹簧驱动装置（2，3），当SMA丝（2）通电收缩时，SMA丝的收缩力克服复位弹簧（3）的回复弹性力而拉动所述约束装置（16）沿轴向运动，从而使所述凸台（19）进入凹槽（11），

其中，

所述分瓣螺母（4）的上端以锥面与一个端盖（10）相配合，所述分瓣螺母（4）的下端以锥面与一个顶块（12）相配合，一个预压缩的分离弹簧（13）被设置在所述顶块（12）下方，该分离弹簧（13）的一端作用在所述顶块（12）上且其另一端作用在所述约束装置（16）上，用于当所述约束装置（16）在SMA丝驱动装置（2）的拉动下位移时驱动所述顶块（12）向上顶住所述分瓣螺母（4），其中所述顶块（12）和所述端盖（10）与所述分瓣螺母（4）之间的所述锥面的倾斜方向适合于促使所述分瓣螺母（4）的分开。

2.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于，所述SMA丝（2）依次绕过滑轮（14）和绝缘轴承（18），其两端紧固连接于陶瓷支座（17）上，所述滑轮（14）与所述约束装置（16）固定连接。

3.根据权利要求2所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于，所述绝缘轴承（18）是在普通轴承上套有陶瓷外圈。

4.根据权利要求2所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于，所述SMA丝（2）与所述陶瓷支座（17）的紧固连接是通过采用不锈钢管套住SMA丝（2）并所述套管压扁，然后再穿过其上有直径大于SMA丝（2）直径但远小于压扁后的不锈钢套管的宽度的孔的陶瓷支座（17）来实现的。

5.根据权利要求1所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于所述复位弹簧（3）被置于被压缩状态且其回复弹性力作用于所述约束装置（16）上，当SMA丝（2）的通电停止时，所述复位弹簧（3）的回复弹性力克服所述SMA丝（2）的拉力而驱动所述约束装置（16）运动，从而使所述凸台（19）脱离所述凹槽（11）而重新抵靠在所述约束装置（16）在所述凹槽（11）之外的部分上，从而使所述分瓣螺母（4）重新合拢。

6.根据权利要求5所述的SMA丝驱动的连接与解锁机构，其特征在于所述凸台（19）和所述凹槽（11）具有相互配合的导入/导出斜面，用于便利所述凸台（19）进入/脱离所述凹槽（11）。