CN103261711B - 小型柔性万向接头和包含该接头的航天器 - Google Patents

Abstract

柔性万向接头包括中空的中心纵向轴Z，两个中空枢轴（10，11）相对于彼此正交地安装并且能够分别绕旋转轴X、旋转轴Y旋转，三个轴X、轴Y、轴Z互相正交并且在位于所述万向接头的中间的旋转点处。枢轴（10，11）的每一个包括沿包含中心纵向轴Z并分别正交于枢轴的所述旋转轴X或所述旋转轴Y的平面的环形外框架（15，20），与外框架同轴的中空内环（16，21），以及与外框架（15，20）和与内环（16，21）连接的多个柔性叶片组（12，17，18，19），以及两个枢轴（10，11）通过刚性连接片（50a，50b）连接在一起。应用到航天器的元件或设备的优良的旋转引导装置。

Description

小型柔性万向接头和包含该接头的航天器

技术领域

本发明涉及能够引导设备零件环绕两个正交轴旋转的小型柔性万向接头以及包含该万向接头的航天器。该小型柔性万向接头尤其适用于航天器领域，例如用于精确地引导航天器的至少一个元件或一个设备零件旋转的卫星，以将其定位在预先确定的指向方向上。

背景技术

在空间应用中，有必要能够在预先确定的方向上定位卫星或航天器的特定的元件（比如，例如天线、电杆或设备零件）以便（例如）使其指向外部目标（比如行星、接收器，发射器），以保持指向到地球表面上的点，或者甚至扫描在地球或者任意天体的表面上的特定区域。必须经常地校正这些定位，尤其在目标跟踪阶段，以便在维持该方向时补偿不可避免的漂移，并且这些多次校正意味着必须对这些空间附件及其引导装置执行大量的微旋转周期。

鉴于在轨道中放置卫星的行为的不可逆性质，有必要在设计航天器时提供使用寿命，其以周期的数量来计量（一个周期对应于一个旋转振荡），所述周期的数量对这些引导装置来说是非常大的，以便保证该引导装置承受其所经受的很多应力的能力。例如，对于跟踪机构，期望的使用寿命可以大于300000个周期。对于引导装置的其他需求为，尤其相对于外部力和施加在引导轴上的弯曲力矩而言具有很强的机械性能能力，高横向刚度，无间隙的高精度制导，在正方向和负方向两个方向上对柔性元件的显著的旋转幅度，典型的幅度约为5°至10°，以及较低且恒定的阻力扭矩。

已知的引导机构安装在滚动轴承上或其他类型的轴承上，并且需要润滑剂以确保正确的运行。这些引导机构不是柔性的，并且包括大量的部件，其导致与柔性万向接头相比降低了可靠性。而且，这些非柔性引导元件在航天器的发射期间对外部负荷和冲击很敏感。此外，该非柔性引导元件需要对微位移和极端温度敏感的特定的润滑剂。

已知的做法是生产由成对地安装在两个不同轴承内的四个简单柔性枢轴组成的柔性万向接头，四个枢轴限定了两个正交旋转轴。两个轴承通过浮动中间部件而连接在一起，并且通过位于两个轴承之内的电机驱动机构而致动两个旋转轴。然而，该万向接头需要对每个旋转轴和难以彼此交错的三个不同部件的组件使用两个枢轴。而且，特别地由于四个不同的枢轴的使用和将这些不同的元件连接在一起的较大的环形结构，而使得该万向接头具有非常大的体积和非常高的重量。因此该万向接头并不适用于小型附件的精确指向。

发明内容

本发明的目的在于生产不包括现有装置的缺点的柔性万向接头，并且尤其在于生产小型、轻便、由最少数量的元件制成并且能够承受发射负载（典型地为3个轴结合的2000N），具有很高的角度性能和很长的使用寿命，并且特别地适用于小型天线的精确对准（顺序典型地为50cm至1m）的万向接头。

为此，本发明涉及这样一种柔性万向接头，其包括中空的中心纵向轴Z，两个中空枢轴相对于彼此正交地安装并且能够分别绕旋转轴X和Y旋转，三个轴X、Y和Z互相正交并且在位于万向接头的中心的旋转点处交叉。每个枢轴包括沿包含中心纵向轴Z并分别正交于枢轴的旋转轴X或Y的平面的环形外框架，与外框架同轴的中空内环，以及与外框架和与内环连接的多个柔性叶片组，通过刚性连接部件连接在一起的两个枢轴。

优选地，万向接头的两个枢轴和连接部件在整体部件中产生。

根据所述万向接头的第一实施方案，每个枢轴的所述内环浮动安装，每个枢轴的所述外框架由包含轴Z和位于平行于中间框架部件并在中间框架部件的任一侧处的两个外框架部件的第一中间框架部件组成，并且两个连接部件具有与轴Z一致并且连接至每个枢轴的所述中间框架部件的中空中心纵向轴。

根据第一实施方案的所述万向接头能够包括为十字的形式的两个连接机械部件，每个十字的两个第一臂相对于彼此直径相对，并且固定至第一枢轴的中间框架部件，并且每个十字的两个第二臂相对于彼此直径相对，并且固定至第二枢轴的中间框架部件。

可选择地，所述万向接头可以包括为环形区块的形式的两个连接机械部件，每个环形区块牢固地附接至第一枢轴和第二枢轴两个各自的中间框架部件。

根据所述万向接头的第二实施方案，每个枢轴的所述外框架浮动安装，每个枢轴的所述内环由包含轴Z和位于平行于中间环部件并在中间环部件的任一侧处的两个外环部件的中间环部件组成，并且枢轴的两个外环部件分别牢固地附接至枢轴的两个外环部件，并且一起刚性地连接至两个枢轴。

优选地，所述两个枢轴的四个外环部件形成了对所述两个枢轴常见的整体组装。

本发明还涉及包括这样的万向接头的航天器。

附图说明

参考所附的示意性附图，在下文中作为仅是说明性的而非限制性的实例而给出的描述中，本发明的其他特定的特征和优点将变得显而易见，其中所附的示意性附图表示为：

图1a和图1b：根据本发明的第一实施方案的第一示例性小型柔性万向接头的两个透视图；

图1c和图1d：根据本发明的变形的实施方案的第二示例性小型柔性万向接头的两个透视图；

图2：根据本发明的在平面XZ内的到枢轴的旋转轴Y为直角的万向接头的示例性枢轴的示例性结构的图解；

图3a至图3d：根据本发明的显示图1c和图1d的万向接头的操作的四个示意图；

图4a至图4b：根据本发明的万向接头的枢轴的柔性叶片组的布局的两个实例；

图5：根据本发明的第二实施方案的第二示例性小型柔性万向接头的透视图；

图6：根据本发明的朝天线的反射器的方向的万向接头的示例性实施。

具体实施方式

显示在图1a至图1d中的示例性万向接头5沿纵向和中心轴Z中空。万向接头5包括两个中空枢轴10、11，其具有相对于彼此正交布置的双级柔性叶片12、17、18、19。中空枢轴10、11的每一个沿着平面延伸，所述平面包括所述枢轴的纵向轴Z，并且分别与所述枢轴的旋转轴X和旋转轴Y正交，每个枢轴的旋转轴X、Y彼此形成直角，并且与纵向轴Z也形成直角。该万向接头的三个轴X、Y、Z在位于万向接头的中心的旋转点交叉。优选地，将两个枢轴设置在整体部件内。可选择地，两个枢轴10、11可以由以固定方式连接在一起的两个单独的部件组成。

在如图1a至图1d所示的示例性实施方案中，两个枢轴通过分别为顶部50a和底部50b的两个连接机械部件连接在一起，连接机械部件50a、50b的每一个都为刚性的并且具有与轴Z一致的中空中心纵向轴。例如，如图1a和图1b所示，连接机械部件50a、50b的每一个都能够为包括中空中心纵向轴和布置成有角度地绕中心纵向轴的四个刚性旋臂的十字的形式，或者如图1d所示，为具有中空中心纵向轴的区块的形式，例如，该区块能够为圆柱形或者为平行六面体。在优选的实施方案中，两个枢轴10、11以及区块形式的两个连接机械部件50a、50b在整体部件中生产。

根据本发明的第一实施方案，如图2所示，枢轴10、11的每一个由环形外框架15、20组成，环形外框架15、20在包含纵向轴Z的平面上延伸并与枢轴的旋转轴正交，中空内浮动环16、21与外框架15、20以及多个柔性叶片组12、17、18、19同轴，多个柔性叶片组12、17、18、19连接至外框架15和20，并且连接至中空内浮动环16、21。在双级枢轴的情况下，如图2所示，枢轴10、11的每一个的外框架15、20包括：在其厚度内沿与轴Z成直角的方向，三个不同部件15a、15b、15c、20a、20b、20c布置成与枢轴的旋转轴正交的三个互相平行的平面。外框架15、20的三个不同部件由包含轴Z的第一中间框架部件15b、20b组成，并且两个外框架部件15a、15c以及20a、20c分别位于中间框架部件15b、20b的对称的两侧。外框架15、20的每一个部件都通过有角度分布的多个柔性叶片组12、17、18、19连接至内浮动环16、21。作为非限制性的实例，如图1a至图1d、图2和图4a的图中所示，枢轴10、11的每一个能够包括三个柔性叶片的四个柔性叶片组12、17、18、19，其第一端连接至外框架15、20，并且其第二端连接至内浮动环16、21。两个外框架部件15a、15c以及20a、20c分别通过三个柔性叶片的四个组的每一个的第一和第二柔性叶片连接至内浮动环16、21。中间框架部件15、20b通过三个柔性叶片的四个组的每一个的第三柔性叶片连接至浮动环16、21。可选择地，柔性叶片的组的数量可以特定为不同于四，例如，如图4b中所示，柔性叶片的组的数量能够等于八。

例如，外框架15、20以及内浮动环16、21能够具有圆柱形或者多边形形式的部段，比如，例如在不同的图中所示的矩形。能够沿枢轴10、11的径向布置柔性叶片12、17、18、19，并且集中于万向接头的纵向轴Z。可选择地，柔性叶片能够在相对于枢轴的径向形成非零角度的倾斜角的方向而倾斜。

在如图1a至图1d中所示的实例中，将万向接头的两个枢轴10、11布置为相对于彼此正交，两个枢轴10、11的旋转轴X和Y彼此形成直角。为此，形成两个枢轴的不同部件的尺寸布置为以使万向接头的两个枢轴在绕轴Z旋转的中心区域一个套着另一个地交错，两个枢轴的两个旋转轴X和Y集中在位于轴Z上的万向接头的中心。因此，枢轴11的内浮动环21具有大于枢轴10的内浮动环的外围尺寸，以便枢轴11的内浮动环21绕枢轴10的内浮动环16安装，而不在两个浮动环16、21之间有任何的接触。而且，枢轴11的外框架20包括凹进的底部部件和顶部部件，而枢轴10的外框架15包括凸出的底部部件和顶部部件，以便枢轴10的外框架15绕枢轴11的外框架20而安装。此外，两个枢轴10、11通过分别在顶部和底部的两个刚性机械部件50a、50b而彼此正交地连接，两个刚性机械部件50a、50b分别安装在两个枢轴10、11的顶部凸出和凹进部件之间，以及两个枢轴10、11的底部凸出和凹进部件之间。在图1a和图1b中，两个连接机械部件50a、50b包括以十字的形式布置的四个臂。彼此直径相对的每个十字的两个臂固定在第一枢轴10的中间框架部件15b上，彼此直径相对的每个十字的另外两个臂固定在第二枢轴11的中间框架部件20b上。在图1c和图1d中，两个连接机械部件50a、50b为环状区块的形式，每个环状区块牢固地附接至第一枢轴10和第二枢轴11的两个各自的中间框架部件15b、20b。然后，万向接头能够绕三个轴X、Y、Z的交叉点旋转。

在图3a至图3d中示意性地显示了根据图1c和图1d的示例性实施方案的万向接头的操作。第二枢轴11具有在方向Y定向的旋转轴，并且第一枢轴10具有在方向X定向的旋转轴。在所示的实例中，假设将第二枢轴11的外框架部件20a、20c在其顶部部件内固定至待定向的元件，例如如图6中所示的天线的反射器60，并且假设将第一枢轴10的外框架部件15a、15c在其底部部件内固定至支撑结构上，例如卫星。

在图3a中，万向接头处于静止的位置，枢轴10、11的每一个的框架15、20的三个部件沿对应的枢轴的旋转轴而重叠，并且柔性叶片也静止。

在图3b中，枢轴10的中间框架部件15b通过例如致动器或电机30的方式绕轴X旋转所选择的角度α而致动，例如该角度α在-8°和+8°之间。中间框架部件15b的旋转运动通过柔性叶片传递至枢轴10的内浮动环16，内浮动环16不连接至任何其他元件，并且自由地跟随中间框架部件15b的旋转运动。然后，在连接至枢轴10的两个外框架部件15a、15c的柔性叶片内传递内浮动环16的旋转运动。由于外框架部件15a、15c被固定至支架上，因此外框架部件15a、15c不会移动，并且连接至外框架部件15a、15c的柔性叶片会弯曲。此外，两个枢轴10、11的两个中间框架部件15b、20b通过两个连接机械部件15a、15b连接在一起，绕轴X的第一枢轴10的中间框架部件15b的旋转使得第二枢轴11的整体以一个相同的角度α绕轴X倾斜。

在图3c中，第二枢轴11的两个外框架部件20a、20c通过例如致动器或电机40的方式绕轴Y旋转所选择的角度β而致动，例如该角度β在-8°和+8°之间。两个外框架部件20a、20c的旋转运动通过柔性叶片传递至枢轴11的内浮动环21，内浮动环21不连接至任何其他元件，并且自由地跟随两个外框架部件20a、20c的旋转运动。然后，浮动环21的旋转运动被传递至连接到第二枢轴11的中间框架部件20b的柔性叶片内。由于通过两个连接机械部件50a、50b将中间框架部件20b固定至第一枢轴10的中间框架部件15b，并且由于第一枢轴10不移动，因此中间框架部件20b不移动，并且连接至中间框架部件20b的柔性叶片会弯曲。因此，仅有第二枢轴11的两个外框架部件20a、20c以角度β进行旋转运动，其使得固定至外部件20a、20c的元件能够相对于轴Y定向。

在图3d中，两个枢轴10、11分别通过致动器30、40绕其各自的轴X或Y同时地或者连续地旋转致动，其使得固定至枢轴11的外框架部件20a、20c上的元件能够相对于两个轴X和Y定向。使万向接头的两个枢轴10和11的组合旋转运动产生为如图3b和图3c所述。然后，根据万向接头的两个枢轴的角度性能，安装在万向接头上的元件能够定向至任意选出的位置。例如，如果角α和β如上所述位于-8°和+8°之间，则万向接头使其能够覆盖位于旋转圆锥的区域，所述旋转圆锥具有位于-8°和+8°之间的孔径张角。

形成万向接头的所有部件都沿着万向接头的纵向轴Z而中空。因此，万向接头沿着轴Z而中空，使其能够在万向接头的内部沿轴Z装配电缆或者波导。

图5显示了万向接头的第二实施方案，其中外框架和每个枢轴的内环的功能是反向的。根据该第二实施方案，万向接头的枢轴10、11的每一个包括浮动安装的外框架15、20，以及内环16、21，内环16、21由包含轴Z和位于平行于并彼此对称于中间环部件16b的两侧的两个外环部件16a、16c的中间环部件16b、21b组成。内环16、21的每一个部件都通过多组三个柔性叶片连接至外浮动框架15、20。枢轴10的两个外环部件16a、16c分别被牢固地附接至枢轴11的两个外环部件21a、21c，并且一起构成了连接至两个枢轴10、11的常见的刚性连接。优选地，两个枢轴的四个外环部件16a、16c、21a、21c形成了对两个枢轴10、11常见的整体组装。

在图5中，在枢轴10内交错的枢轴11具有定向在方向Y的旋转轴，并且绕枢轴11安装的枢轴10具有定向在方向X的旋转轴。

在该实例中，假设将在万向接头的顶部部件内的枢轴11的中间环部件21b固定至定向于例如如图6中所示的天线的反射器60的元件，并且将在万向接头的底部部件内的枢轴10的中间环部件15b固定至例如卫星的支撑结构上。

为了产生绕轴Y定向的元件的旋转，枢轴11的内环21的中间环部件21b通过相对于牢固地附接至两个枢轴10、11的两个内环的外部件16a、16c、21a、21c的选出的角度而旋转致动。枢轴11的中间环部件21b的旋转运动通过柔性叶片传递至枢轴11的外浮动框架20，外浮动框架20不连接至任何其他元件，并且自由地跟随通过中间环部件21b传递的旋转运动。然后，浮动框架20的旋转运动被传递至连接到枢轴10和枢轴11的牢固地附接的外环部件16a、16c、21a、21c的柔性叶片。

为了产生绕轴X定向的元件的旋转，枢轴10和枢轴11的牢固地附接的外环部件16a、16c、21a、21c通过相对于仍然固定的枢轴10的中间环部件15b的挑选出来的角度而旋转致动。牢固地附接的外环部件16a、16c、21a、21c的旋转运动通过柔性叶片被传递至枢轴10的外浮动框架15，外浮动框架15不连接至任何其他元件，并且自由地跟随牢固地附接的外环部件16a、16c、21a、21c的旋转运动。然后，外浮动框架15的旋转运动传递至万向接头的剩余部分。

虽然已基于特定的实施方案对本发明进行了描述，但明显的是，本发明不限于此，并且本发明包含了所有所描述的方法的等同技术，以及从属于本发明框架内所提供的所有等同技术的组合。

Claims (8)

1.一种小型柔性万向接头，其特征在于，其包括中空的中心纵向轴Z，两个中空枢轴(10，11)相对于彼此正交地安装并且能够分别绕旋转轴X、旋转轴Y旋转，三个轴X、轴Y、轴Z互相正交并且在位于所述万向接头的中间的旋转点处交叉，并且枢轴(10，11)的每一个包括沿包含所述中心纵向轴Z延伸并分别正交于枢轴的所述旋转轴X或所述旋转轴Y的平面的环形外框架(15，20)，与外框架同轴的中空内环(16，21)，以及与外框架(15，20)和与内环(16，21)连接的多个柔性叶片组(12，17，18，19)，其中，每个柔性叶片的第一端连接至外框架(15，20)，每个柔性叶片的第二端连接至内环(16，21)，并且两个枢轴(10，11)以固定的方式通过刚性连接部件(50a，50b，16a，16c，21a，21c)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的万向接头，其特征在于，所述两个枢轴(10，11)和连接部件(50a，50b，16a，16c，21a，21c)在整体部件中生产。

3.根据权利要求1和2中的一项所述的万向接头，其特征在于，每个枢轴的所述内环(16，21)为浮动安装，并且每个枢轴的所述外框架(15，20)由包含所述轴Z的中间框架部件(15b，20b)和平行于所述中间框架部件(15b，20b)并分别在所述中间框架部件(15b，20b)的一侧上的两个外框架部件(15a，15c，20a，20c)组成，并且两个连接部件(50a，50b)具有与所述轴Z一致并且连接至每个枢轴(10，11)的所述中间框架部件(15b，20b)的中空中心纵向轴。

4.根据权利要求3所述的万向接头，其特征在于，其包括两个连接部件(50a，50b)，并且连接部件(50a，50b)的每一个包括有角度地间隔并布置成十字的形式的四个臂，并且每个十字的两个第一臂相对于彼此直径相对，并且固定至两个枢轴的第一个(10)的中间框架部件(15b)，并且每个十字的两个第二臂相对于彼此直径相对，并且固定至两个枢轴的第二个(11)的中间框架部件(20b)。

5.根据权利要求3所述的万向接头，其特征在于，其包括两个连接部件(50a，50b)，并且连接部件(50a，50b)的每一个都具有环形区块的形式，每个环形区块牢固地附接至两个枢轴的第一个(10)和两个枢轴的第二个(11)的两个各自的中间框架部件(15b，20b)。

6.根据权利要求1和2的中的一项的所述的万向接头，其特征在于，每个枢轴的所述外框架(15，20)为浮动安装，并且每个枢轴的所述内环(16，21)由包含所述轴Z的中间环部件(16b，21b)和平行于所述中间环部件(16b，21b)并分别在所述中间环部件(16b，21b)的一侧处的两个外环部件(16a，16c，21a，21c)组成，并且两个枢轴的第一个(10)的两个外环部件(16a，16c)分别牢固地附接至两个枢轴的第二个(11)的两个外环部件(21a，21c)，并且一起刚性地连接至两个枢轴(10，11)。

7.根据权利要求6所述的万向接头，其特征在于，所述两个枢轴的四个外环部件(16a，16c，21a，21c)形成了对所述两个枢轴(10，11)常见的整体组装。

8.一种航天器，所述航天器包括如前述权利要求的任一项中所述的至少一个万向接头。