CN103953639B - 一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链 - Google Patents

Abstract

一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，由下法兰(1)、上法兰(2)、曲柄(3)、电机(4)、紧固螺钉(5)、圆头限位螺钉(6)、导轨(7)、连杆(8)、锁定摆杆(9)、平头限位螺钉(10)、偏心轴(12)、锁定柱销(13)、曲柄转轴(14)、连杆转轴(15)和铰链转轴(16)组成，曲柄(3)、连杆(8)、锁定摆杆(9)和下法兰(1)组成四连杆机构。本发明采用四连杆机构和导轨(7)将电机(4)的驱动力矩传递到上法兰(2)上，由四连杆机构和导轨(7)形成锁紧构形。四连杆机构能将电机(4)提供的锁紧力放大数十倍至百余倍，使得铰链锁定后导轨(7)与锁定柱销(13)之间产生较大的锁定预紧力，从而使铰链具有较高的锁定刚度。

Description

一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链

技术领域

本发明涉及一种航天器展开机构，适用于太阳翼、天线、伸展臂等展开部件的重复展开和收拢，尤其适合于安装在展开部件的根部(即与卫星连接处)，能够为展开部件提供高的展开锁定刚度。

背景技术

我国航天器上安装的太阳翼、天线等展开部件采用的铰链一般为销槽式铰链，2010年5月第19卷第3期航天器工程上，题名为《太阳翼铰链锁紧槽的设计研究》的文献对这种铰链的组成和工作原理进行了描述。该种铰链由公铰、母铰、销轴、锁定摆杆、偏心轴和锁定弹簧等零件组成，其中公铰带有圆形滑道，在滑道末端有一个U形锁紧槽，公铰和母铰通过销轴相连。锁定摆杆组件为叉形结构，叉形的一端装有柱销，另一端通过偏心轴与母铰铰接，柱销通过锁定弹簧压紧在公铰的圆形滑道上。当铰链展开时，公铰和母铰在驱动元件(展开弹簧)作用下绕销轴相对转动，在展开过程中锁定摆杆上的柱销在锁定弹簧的作用下压紧在滑道上并沿着滑道滑动，展开到位后柱销在锁定弹簧的作用下进入滑道末端的U形锁紧槽内，当柱销与U形槽两侧内壁均接触后，铰链锁定到位。这种销槽式铰链的柱销进入锁紧槽的驱动力由锁定弹簧直接提供，一般力矩较小，造成锁定后锁紧槽与柱销之间不能有效卡紧，在较小的弯曲载荷作用下二者之间便会出现一定的间隙，降低了锁定刚度。另外，这种铰链的柱销与铰链销轴的距离较近，即锁定臂的长度较短，也造成其刚度偏低。

航天器伸展臂的根部铰链通常为楔块锁紧铰链，这种铰链的展开原理与销槽式铰链相似，但其展开到位的锁紧采用楔块式锁紧，这种锁紧机构的锁定预紧力不大，取得高刚度主要靠增大体积，而且锁定的可靠性远低于销槽式铰链。

上述销槽式铰链和楔块锁紧铰链均不适用于要求展开部件具有极高刚度和高可靠度的场合，如高刚度大型太阳翼、大型天线和展开臂等展开部件，尤其是不适合作为展开部件的根部铰链与卫星直接连接。此外，这两种铰链展开功能和锁定功能都是分别由不同的机构装置完成的，因此难以实现在轨自动收拢。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种刚度高、可靠性好且可以实现重复展开锁定和解锁收拢的航天器用铰链。

本发明的技术解决方案是：一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，包括下法兰、上法兰、电机、圆头限位螺钉、导轨、锁定摆杆、平头限位螺钉和锁定柱销；锁定柱销与锁定摆杆的一端转动连接，锁定摆杆的另一端通过偏心轴与下法兰转动连接，电机与下法兰固定连接且电机的输出轴与锁定柱销对接；上法兰通过铰链转轴与下法兰转动连接；导轨为设有封闭导向槽的结构，导轨与上法兰固定连接，所述锁定柱销始终处于导向槽内并沿导向槽从头部到尾部运动；所述的导向槽中心线是一段由三条曲线段共同组成的平滑曲线，从头部到尾部分别为直线段、圆弧段和以铰链转轴的轴心为圆心的渐开线段；圆头限位螺钉与上法兰固定连接，平头限位螺钉与下法兰固定连接，电机驱动锁定柱销在导轨上的导向槽内由尾部运动至头部，从而驱动上法兰绕铰链转轴顺时针转动展开，直至圆头限位螺钉和平头限位螺钉紧密接触后铰链锁定；当电机驱动锁定柱销在导轨上的导向槽内由头部运动至尾部，从而驱动上法兰绕铰链转轴逆时针转动收拢，锁定柱销运动到所述导向槽的尾部时铰链收拢到位。

所述的铰链还包括曲柄和连杆，曲柄的一端与曲柄转轴固连且通过曲柄转轴与下法兰转动连接，曲柄的另一端通过连杆转轴与连杆的一端转动连接，连杆的另一端通过锁定柱销与锁定摆杆的一端转动连接，锁定摆杆的另一端通过偏心轴与下法兰转动连接，曲柄、连杆、锁定摆杆和下法兰共同组成平面四连杆机构；电机的输出轴与曲柄转轴对接，通过电机驱动曲柄顺时针转动使得铰链展开并锁定，通过电机驱动曲柄逆时针转动使得铰链收拢到位。

所述的连杆转轴布置在锁定柱销和曲柄转轴所成虚拟连线的上侧或者下侧。所述的铰链在展开锁定后，曲柄和连杆的夹角在150°～170°之间，且曲柄转轴和锁定柱销的虚拟连线与锁定摆杆的夹角在50°～130°之间。所述的圆头限位螺钉通过紧固螺钉与上法兰固定连接。所述的平头限位螺钉通过紧固螺母与下法兰固定连接，通过调整紧固螺母改变圆头限位螺钉和平头限位螺钉的接触位置，由此调整铰链展开到位后上法兰与下法兰的角度。所述的直线段与水平面的夹角为2°～7°。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用带有封闭导向槽的渐开线导轨将电机的驱动力矩传递给上法兰，可以实现铰链的可重复展开和收拢。导轨的导向槽中心线是一条由三条曲线组成的平滑曲线，从头部到尾部分别为直线段、圆弧和以铰链转轴的轴心为圆心的渐开线，能够保证铰链的展开与锁定过程、解锁与收拢过程均为连续平稳的运动过程，不需要额外的部件实现锁定和解锁，因此可靠性高；当锁定柱销与导轨的渐开线部分相互作用时，作用力到铰链转轴的力臂不变；

(2)本发明采用四连杆机构和导轨将电机的驱动力矩传递到上法兰上，展开到位后四连杆机构和导轨形成锁紧构形。该四连杆机构在铰链锁定时形成锁紧构形，能够将电机提供的锁紧力放大数十倍至百余倍，使得铰链锁定后导轨与锁定柱销之间产生较大的锁定预紧力，从而使铰链具有较高的锁定刚度；

(3)本发明中由于导轨和四连杆机构的组合作用，铰链展开和锁定、解锁和收拢过程均为为连续衔接的平稳运动，铰链展开和锁定、解锁和收拢均由电机提供驱动力矩，不需要额外的锁定和解锁装置，简化了系统组成，提高了铰链的可靠性；

(4)本发明中铰链锁定时曲柄与连杆的夹角为150°～170°，该角度范围既能够保证四连杆机构对电机驱动力矩有足够的放大作用，又能确保曲柄不会转过死点(即曲柄与连杆夹角为180°)，从而造成锁定刚度下降甚至不能锁定。曲柄转轴和锁定柱销的虚拟连线与锁定摆杆的夹角在50°～130°之间，该角度范围既能够保证四连杆机构对电机组件驱动力矩有足够的放大作用，又能满足铰链的构形要求；

(5)本发明中铰链锁定时，导轨头部直线段与水平面的夹角为2°～7°，该角度范围既能保证锁定斜面对驱动力矩的放大作用，又能保证锁定摆杆通过锁定柱销作用在导轨锁定斜面上的锁紧力能够自锁。

附图说明

图1为本发明可重复展收高刚度铰链收拢状态正视图；

图2为本发明可重复展收高刚度铰链展开锁定状态轴侧图；

图3为本发明可重复展收高刚度铰链展开锁定状态正视图；

图4为本发明可重复展收高刚度铰链下法兰轴侧图；

图5为本发明可重复展收高刚度铰链锁定状态四杆机构状态示意图；

图6为本发明简化的可重复展收高刚度铰链收拢状态正视图；

图7为本发明简化的可重复展收高刚度铰链展开锁定状态正视图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明由下法兰1、上法兰2、曲柄3、电机4、紧固螺钉5、圆头限位螺钉6、导轨7、连杆8、锁定摆杆9、平头限位螺钉10、紧固螺母11、偏心轴12、锁定柱销13、曲柄转轴14、连杆转轴15和铰链转轴16组成。其中，曲柄3、连杆8、锁定摆杆9和下法兰1组成四连杆机构，曲柄3的头部与曲柄转轴14固连且通过曲柄转轴14与下法兰1左侧中部的U形机槽铰接，尾部通过连杆转轴15与连杆8的头部铰接；锁定摆杆9的头部通过锁定柱销13与连杆8的尾部铰接，尾部通过偏心轴12与下法兰1右侧的U形槽铰接。电机4是驱动元件，其外壳与下法兰1固定，其转轴与曲柄转轴14连接，上法兰2与铰链转轴16通过两个关节轴承铰接，导轨7与上法兰2通过六个紧固螺钉5固连，两个圆头限位螺钉6与上法兰2固连，两个平头限位螺钉10和两个紧固螺母11与下法兰1固连，通过平头限位螺钉10和紧固螺母11可以调整下法兰1和上法兰2的相对位置关系。

锁定摆杆9的下部通过偏心轴12与下法兰1铰接，即锁定摆杆9可以绕偏心轴12转动，锁定摆杆9的上端通过锁定柱销13与连杆8的右端铰接；锁定柱销13与导轨7的内侧导向槽接触，并且可在导向槽内滑动，铰链在收拢状态时锁定柱销13与导向槽内侧边的接触点在导轨7的尾部。连杆8的左端通过连杆转轴15与曲柄3的头部铰接；曲柄3的根部与曲柄转轴14固连。

如图4所示，下法兰1的头部右侧顶面前部和后部的两角均安装有平头限位螺钉10和紧固螺母11；下法兰1头部左侧前部、中部，以及下法兰1头部右侧壁内侧均设有U形槽，前部及后部U形槽左右对称，且均有铰链转轴安装孔；在下法兰1头部左侧中部的U形槽结构上开有同轴心的轴承安装孔，曲柄转轴14通过两个轴承与在下法兰1头部左侧中部U形槽的铰接，曲柄转轴14可以相对于下法兰1自由转动。在下法兰1头部右侧壁内侧的U形槽上开有偏心轴12的安装孔，偏心轴12通过螺母与下法兰1固连。

上法兰2为一面敞开的盒形结构，前部和后部均有对称的、开有同轴心的轴承安装孔的耳片，每个耳片孔内各安装一个关节轴承，上法兰2和下法兰1通过这两个轴承及两个铰链转轴16铰接，因此上法兰2与下法兰1可相对转动。

导轨7的导向槽中心线是一条由三段曲线组成的平滑过渡曲线，尾部曲线为渐开线，在头部通过圆弧过渡到左低右高、与水平面夹角为2°～7°的直线段，即圆弧分别与直线段和渐开线相切。该直线段部分的导向槽两侧均为斜面，下侧斜面为铰链锁定时与锁定柱销13发生接触和锁紧的面，可称为锁定斜面。导轨7的头部通过紧固螺钉8与上法兰2的右侧壁内侧固连，上法兰2与下法兰1连接后，导轨7的导向槽中心线的渐开线圆心与铰链转轴14的轴心重合；上法兰2的右侧壁下端面前、后两个角部各对称安装一个圆头限位螺钉6，上法兰2和下法兰1展开到位后圆头限位螺钉6与平头限位螺钉10互相对准并压紧。

如图1和图3所示，铰链的展开就是与导轨7固连的上法兰2在电机4和由曲柄3、连杆8、锁定摆杆9和下法兰1组成的四连杆的共同驱动下顺时针转动，当与上法兰2固定的圆头限位螺钉6与下法兰1上的平头限位螺钉10即将接触时，锁定柱销13在四杆机构的驱动下从导轨7的渐开线曲面末端上滑动至导轨7末端的平面上，当圆头限位螺钉6与平头限位螺钉10接触后，锁定柱销13与导轨7末端的平面压紧，从而实现上法兰2和下法兰1的锁紧，即铰链的锁定。电机4的驱动力矩通过四连杆机构放大30余倍～100余倍之后作用在导轨7上，使得锁定摆杆9内产生较大的锁定预紧拉力。铰链的收拢就是电机4驱动四连杆机构带动锁定柱销13从导轨7的头部向左运动，至锁定柱销13与导轨7头部的锁定斜面离开后完成解锁，之后锁定柱销13在导轨7的导向槽内向导轨7的尾部运动从而驱动上法兰2逆时针运动，当锁定柱销13运动至导轨7的尾部时，收拢完成。

如图1所示，本发明的铰链展开锁定到位后，通过调整平头限位螺钉10和紧固螺母11，可以微调上法兰2和下法兰1的夹角，从而微调铰链的展开角度。本发明中的铰链转动角度可达90°。铰链锁紧时，导轨7的末端锁定平面与锁定柱销13紧密接触，通过调整偏心轴12，可以调整锁定柱销13和导轨7的锁紧位置，保证铰链锁定时锁定柱销13不能到达导轨7末端锁定平面的底部，这样才能保证铰链在锁紧时具有高刚度。

如图5所示，本发明的铰链展开锁定到位后，曲柄3、连杆8和锁定摆杆9和下法兰1组成的四连杆机构和导轨7形成锁紧状态，其中导轨7的末端的锁紧面设计为平面，锁紧面的法线与与锁定摆杆9的夹角α取2°～7°；锁定后，曲柄3和连杆8的夹角θ取150°～170°，且曲柄转轴14和锁定柱销13的连线与锁定摆杆9的夹角为50°～130°，使得电机4的驱动力F经过该四连杆机构和导轨7头部的锁定斜面放大30余倍～100余倍后作用在锁定柱销13上，使导轨7和锁定摆杆9之间产生较大的锁定预载荷，从而使铰链具有较高的锁定刚度。

曲柄3和连杆8有两种位置可以选择，即连杆转轴15可以布置在锁定柱销13和曲柄转轴14连线的上侧，也可以布置在连线的下侧。

如图6、7所示，本发明的铰链可以进行简化，成为另一种可重复展收的高刚度铰链，具体作法为：取消图1中的曲柄3、连杆8、曲柄转轴14、连杆转轴15，电机4的输出轴直接与锁定摆杆9相连，外壳与下法兰1的右侧耳片固连，铰链的展开和收拢均可由电机4直接驱动锁定摆杆9，从而驱动锁定柱销13在导轨7的导向槽中运动实现，展开和锁定过程、解锁和收拢过程均为连续衔接的平稳运动。电机4提供驱动力矩通过锁定柱销13和导轨7头部的锁定平面(与锁定摆杆9的夹角为2°～7°)放大8至28倍。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，包括圆头限位螺钉(6)、锁定摆杆(9)、偏心轴(12)和锁定柱销(13)，锁定柱销(13)与锁定摆杆(9)的一端转动连接，其特征在于还包括：下法兰(1)、上法兰(2)、电机(4)、导轨(7)、平头限位螺钉(10)；锁定摆杆(9)的另一端通过偏心轴(12)与下法兰(1)转动连接，电机(4)与下法兰(1)固定连接且电机(4)的输出轴与锁定柱销(13)对接；上法兰(2)通过铰链转轴(16)与下法兰(1)转动连接；导轨(7)为设有封闭导向槽的结构，导轨(7)与上法兰(2)固定连接，所述锁定柱销(13)始终处于导向槽内并沿导向槽从头部到尾部运动；所述的导向槽中心线是一段由三条曲线段共同组成的平滑曲线，从头部到尾部分别为直线段、圆弧段和以铰链转轴(16)的轴心为圆心的渐开线段；圆头限位螺钉(6)与上法兰(2)固定连接，平头限位螺钉(10)与下法兰(1)固定连接，电机(4)驱动锁定柱销(13)在导轨(7)上的导向槽内由尾部运动至头部，从而驱动上法兰(2)绕铰链转轴(16)顺时针转动展开，直至圆头限位螺钉(6)和平头限位螺钉(10)紧密接触后铰链锁定；当电机(4)驱动锁定柱销(13)在导轨(7)上的导向槽内由头部运动至尾部，从而驱动上法兰(2)绕铰链转轴(16)逆时针转动收拢，锁定柱销(13)运动到所述导向槽的尾部时铰链收拢到位。

2.根据权利要求1所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的铰链还包括曲柄(3)和连杆(8)，曲柄(3)的一端与曲柄转轴(14)固连且通过曲柄转轴(14)与下法兰(1)转动连接，曲柄(3)的另一端通过连杆转轴(15)与连杆(8)的一端转动连接，连杆(8)的另一端通过锁定柱销(13)与锁定摆杆(9)的一端转动连接，锁定摆杆(9)的另一端通过偏心轴(12)与下法兰(1)转动连接，曲柄(3)、连杆(8)、锁定摆杆(9)和下法兰(1)共同组成平面四连杆机构；电机(4)的输出轴与曲柄转轴(14)对接，通过电机(4)驱动曲柄(3)顺时针转动使得铰链展开并锁定，通过电机(4)驱动曲柄(3)逆时针转动使得铰链收拢到位。

3.根据权利要求2所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的连杆转轴(15)布置在锁定柱销(13)和曲柄转轴(14)所成虚拟连线的上侧或者下侧。

4.根据权利要求2所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的铰链在展开锁定后，曲柄(3)和连杆(8)的夹角在150°～170°之间，且曲柄转轴(14)和锁定柱销(13)的虚拟连线与锁定摆杆(9)的夹角在50°～130°之间。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的圆头限位螺钉(6)通过紧固螺钉(5)与上法兰(2)固定连接。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的平头限位螺钉(10)通过紧固螺母(11)与下法兰(1)固定连接，通过调整紧固螺母(11)改变圆头限位螺钉(6)和平头限位螺钉(10)的接触位置，由此调整铰链展开到位后上法兰(2)与下法兰(1)的角度。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于航天器展开机构的可重复展收铰链，其特征在于：所述的直线段与水平面的夹角为2°～7°。