CN104455057A - 一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括叉形接头、十字轴、张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母。张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母共同作用，将叉形接头和十字轴连接在一起。通过叉形接头与十字轴的接触面以及张紧绳对万向节的运动进行约束，并承受相应的作用力。叉形接头与十字轴的接触部分构成万向节，二者之间可以实现两自由度、无间隙的高精度运动。本发明通过叉形接头和十字轴的接触面承受关节所受的压力，并由张紧绳承受关节所受的拉力,在实现机构运动的同时，消除了万向关节的间隙，特别适合高精度、微小位移机构的在轨使用。

Description

一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节

技术领域

本发明属于航天机构技术领域，具体地，涉及一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节。

背景技术

万向节是一种空间连杆机构，能够连接空间同一平面上相交的两轴，具有两个转动自由度，能够沿两个转动轴转动并沿主轴传递较大的力和扭矩。万向节的种类有很多，单十字轴万向节是较为常用的一种，它由两个叉形接头和一个十字轴构成，通过十字轴轴颈与叉形接头转动孔的配合形成转动副，实现沿两个正交轴的转动。但是，由于十字轴轴颈与叉形接头转动孔之间存在间隙，使其难以满足高精度机构的需要。因此，人们又提出了利用特殊结构形式的弹性变形，实现两个物体之间的两自由度相对运动，以满足高精度机构的微小、高精度运动，如专利Universal joint flexure hinge suspension system andmethod for manufacturing this system(美国专利号：US4528864)和Universaljoint with torsionally-compliant spider assembly(美国专利号：US 6893350B2)等。这些方法虽然解决了由轴颈和转动孔间隙带来的运动误差，但这类万向结构形式复杂，对关节材料的疲劳性要求高，大大增加了加工的难度和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、精度高、加工方便、适应航天器机构在轨应用的柔性万向关节。

本发明公开了一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，通过张紧绳将叉形接头和十字轴连接在一起，叉形接头和十字轴的接触部分构成万向节，在消除万向节间隙的同时，能够使机构实现两自由度高精度运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括两个叉形接头和一个十字轴，其中，每个叉形接头具有两个耳片，所述十字轴具有呈“十”字布置的四个轴颈，两个叉形接头通过其四个耳片连接在所述十字轴的四个轴颈上，并且两个叉形接头分别位于十字轴的两个相对的侧面；每个耳片与相应的轴颈通过一根张紧绳、两个张紧螺柱和两个锁紧螺母连接在一起，在所述叉形接头与所述十字轴的接触部分构成万向节。

优选地，所述耳片为平板结构，所述轴颈为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片与所述轴颈的半圆面接触。

优选地，所述耳片为半圆柱结构，所述轴颈为平板结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面与所述轴颈接触。

优选地，所述耳片和所述轴颈均为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面与所述轴颈的半圆面接触。

优选地，所述叉形接头包括顺序连接的圆柱部和“几”形部，所述圆柱部垂直连接在所述“几”形部的横梁上，所述“几”形部的两个平行于横梁的翼片构成所述两个耳片；所述十字轴包括轴块部，四个轴颈分别布置在所述轴块部的四个侧面上。

优选地，每个耳片上设置有一个第一扁锥孔，所述第一扁锥孔的上段为圆孔，用于与张紧螺柱相配合；下段具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面；每个轴颈上设置有一个第二扁锥孔，所述第二扁锥孔的上段为圆孔，用于与张紧螺柱相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面；当连接到位时，所述张紧绳的两端分别穿过第一扁锥孔和第二扁锥孔，并分别与所述耳片和相应的轴颈上的张紧螺柱和锁紧螺母共同作用，将所述耳片和所述轴颈连接在一起。

优选地，所述张紧绳的材料为钢丝绳或超弹性记忆合金丝，并且所述张紧绳的两段通过压接或焊接的方式与其两侧的张紧螺柱连接在一起。

优选地，在所述锁紧螺母与所述叉形接头的耳片之间以及所述锁紧螺母与所述十字轴的轴颈之间设置有定力弹簧垫片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，通过张紧绳使叉形接头和十字轴压紧，实现机构运动的同时，消除了万向关节的间隙。由叉形接头和十字轴接触面承受关节所受的压力，由张紧绳承受关节所受的拉力。所有零件均采用热膨胀系数相近的金属材料制造，使得空间环境的变化对运动精度的影响可以忽略，因此，该万向节特别适合高精度、微小位移机构的在轨使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a示出了本发明的叉形接头与十字轴之间的连接部分，图2b为图2a中的M的放大示意图，图2c为图2a中的N的放大示意图；

图3是叉形接头的结构示意图；

图4是十字轴的结构示意图；

图5是本发明带有定力弹簧垫片的示意图；

图6是本发明增大承载力的一种示意图；

图7和图8是本发明的叉形接头与十字轴之间的连接部分的另外两种结构形式的示意图。

图中：AA-柔性万向节主轴；BB-柔性万向节转动轴1；CC-柔性万向节转动轴2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节进行详细说明。

本发明提供了一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括两个叉形接头、一个十字轴、4根张紧绳、8个张紧螺柱和8个锁紧螺母。叉形接头和十字轴上均开有孔(该孔可以是圆孔或扁锥孔)，作为张紧绳的安装空间。每个张紧绳两端各与一个张紧螺柱连接，张紧绳与张紧螺柱之间为压接或焊接，以保证二者之间连接可靠。张紧螺柱圆柱面带有螺纹，与锁紧螺母相配合。张紧绳穿过叉形接头和十字轴上相应的孔，并与张紧螺柱和锁紧螺母共同作用，将叉形接头和十字轴连接在一起，叉形接头和十字轴接触的部分就构成万向关节。通过叉形接头与十字轴的接触面以及张紧绳对万向节的运动进行约束，并承受相应的作用力。叉形接头的圆柱部设置有螺纹，与外界实现连接。

如图1所示，本发明提供的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，主要包括两个叉形接头1和一个十字轴2。

十字轴2和两个叉形接头1通过4根张紧绳3、8个张紧螺柱4和8个锁紧螺母5连接在一起，如图1和2所示。每个叉形接头1具有两个耳片，十字轴2具有呈“十”字布置的四个轴颈21。两个叉形接头1通过其四个耳片连接在十字轴2的四个轴颈21上，并且两个叉形接头1分别位于十字轴2的两个相对的侧面。每个耳片与相应的轴颈21通过一根张紧绳3、两个张紧螺柱4和两个锁紧螺母5连接在一起，由此在叉形接头1与十字轴的接触部分构成万向节。

具体地，如图3和图4所示，在根据本发明的一个实施例中，叉形接头1包括顺序连接的圆柱部11和“几”形部12。圆柱部11垂直连接在“几”形部12的横梁121上。“几”形部12的两个平行于横梁121的翼片122构成所述两个耳片。十字轴2包括轴块部22(如图4所示，为一矩形块)，四个轴颈21分别布置在轴块部22的四个侧面上。

在如图所示的实施例中，翼片122为平板结构。轴颈21为半圆柱结构，并且两对轴颈21的半圆面朝向相反的方向。每个叉形接头1的两个平板122分别连接在一对轴颈21的半圆面上。因此，当连接到位之后，十字轴部分地容纳在两个叉形接头的“几”形部的内框中，其四个轴颈分别与两个叉形接头的“几”形部的平板连接。叉形接头的圆柱部上可以设置螺纹，以与外界实现连接。

结合图2a-图2c所示，每个耳片(本实施例中为平板122)上设置有一个第一扁锥孔123(如图2b)。该第一扁锥孔123的上段为圆孔，用于与张紧螺柱4相配合；下段具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面。类似地，每个轴颈21上设置有一个第二扁锥孔211。第二扁锥孔211的上段为圆孔，用于与张紧螺柱4相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面。当连接到位时，张紧绳3的两端分别穿过第一扁锥孔123和第二扁锥孔211，并分别与耳片(本实施例中为平板122)和相应的轴颈21上的张紧螺柱4和锁紧螺母5共同作用，将耳片(本实施例中为平板122)和轴颈21连接在一起。叉形接头1和十字轴2的接触部分构成万向节，通过叉形接头1、十字轴2的接触面和张紧绳3对万向节的运动进行约束，并承受相应的作用力。

张紧绳3与两个张紧螺柱4的连接为压接或焊接，保证二者之间的连接可靠。两个张紧螺柱4和对应锁紧螺母5之间的连接为螺接，根据万向节预期承受的最大拉力确定张紧绳3的总张力，以保证张紧绳3的总张力大于可能承受的最大拉力，再根据单个张紧绳3张力F的大小，确定锁紧螺母5的拧紧力矩M。拧紧力矩M的大小可按下式计算：

$M=\frac{1}{2}[\frac{2(R^3-r^3)\mathrm{\μ}}{3(R^2-r^2)}+\frac{d_0\mathrm{tg}(\mathrm{\λ}+\mathrm{\ρ})}{2}]F$

上式中，R为锁紧螺母支撑面的外圆半径，r为锁紧螺母支撑面的内圆半径，μ为锁紧螺母分别与叉形接头和十字轴支承面之间的摩擦系数，d0为张紧螺柱和锁紧螺母的螺纹中径，λ为张紧螺柱和锁紧螺母的螺纹升角，ρ为张紧螺柱和锁紧螺母连接副的当量摩擦角。

工程中，也可以用下式估算拧紧力矩M的大小：

$M=\frac{1}{2}\mathrm{KdF}$

其中，K为当量拧紧力矩系数，d为张紧螺柱4的公称直径。

叉形接头1和十字轴2的尺寸可由万向节安装空间及所需的承载情况确定。第一扁锥孔123和第二扁锥孔211的尺寸由张紧绳3和张紧螺柱4的尺寸和张紧绳需要的运动空间确定，并尽可能小。叉形接头的圆柱部11的尺寸需根据外界连接形式以及所需的承载情况确定。

叉形接头1和十字轴2的接触部分要通过热处理工艺得到足够的硬度要求，并在两者接触部分涂覆二硫化钼或其它润滑材料，避免叉形接头1和十字轴2之间出现冷焊。

张紧绳3可以采用钢丝绳、超弹性记忆合金丝等材料，其直径在满足强度要求的情况下尽可能小。为保证张紧绳3中的张力不会因为万向节的运动而变化，在锁紧螺母5与叉形接头1以及锁紧螺母与十字轴2之间还可垫定力弹簧垫片6，如图5所示。在一定的变形范围内，定力弹簧垫片6的弹力值基本保持不变，从而保证张紧绳3中的张力保持恒定，便于万向节的运动控制。

为保证叉形接头1和十字轴2之间实现无间隙转动，张紧绳3安装后应通过锁紧螺母5施加预定的拧紧力矩，从而使张紧绳3承受一定的预紧力。预紧力矩的大小应保证在最大预期拉力作用下，叉形接头1和十字轴2之间不出现间隙。

柔性万向节中位于一端的张紧螺柱4和锁紧螺母5也可以做成一体，仅通过另一端的张紧螺柱4和锁紧螺母5调整张紧绳3的张力。

柔性万向节也可以采用多个相同张紧绳并联使用的方式，一方面可以增大关节的承载力，另一方面也可以提高关节的连接可靠性，如图6所示。当采用多个张紧绳并联的形式时，锁紧螺母拧紧力矩M的大小可按下式计算：

$M=\frac{1}{2n}[\frac{2(R^3-r^3)\mathrm{\μ}}{3(R^2-r^2)}+\frac{d_0\mathrm{tg}(\mathrm{\λ}+\mathrm{\ρ})}{2}]F$

或由下式估算：

$M=\frac{1}{2n}\mathrm{KdF}$

其中，n为十字轴2的单个轴颈10所用张紧绳3的数量；

R为锁紧螺母支撑面的外圆半径，r为锁紧螺母支撑面的内圆半径，μ为锁紧螺母分别与叉形接头和十字轴支承面之间的摩擦系数，d0为张紧螺柱和锁紧螺母的螺纹中径，λ为张紧螺柱和锁紧螺母的螺纹升角，ρ为张紧螺柱和锁紧螺母连接副的当量摩擦角；K为当量拧紧力矩系数，d为张紧螺柱4的公称直径

在根据本发明的柔性万向节中，在机构运动幅度不大的情况下，叉形接头和十字轴的扁锥孔也可以设置为圆孔(参考图2c)。

在根据本发明的柔性万向节中，叉形接头的耳片也可采用半圆柱形式，此时可将十字轴的轴颈设置为平面体形式，如图7所示。当然，叉形接头1的耳片和十字轴2的轴颈21均可采用半圆柱形式，如图8所示。

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。

以上所述是对本发明优选实施方式的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可做出多种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请专利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，包括两个叉形接头(1)和一个十字轴(2)，其中，

每个叉形接头(1)具有两个耳片，所述十字轴(2)具有呈“十”字布置的四个轴颈(21)，两个叉形接头(1)通过其四个耳片连接在所述十字轴(2)的四个轴颈(21)上，并且两个叉形接头(1)分别位于十字轴(2)的两个相对的侧面；

每个耳片与相应的轴颈(21)通过一根张紧绳(3)、两个张紧螺柱(4)和两个锁紧螺母(5)连接在一起，在所述叉形接头(1)与所述十字轴的接触部分构成万向节。

2.根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，所述耳片为平板结构，所述轴颈(21)为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片与所述轴颈(21)的半圆面接触。

3.根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，所述耳片为半圆柱结构，所述轴颈(21)为平板结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面与所述轴颈(21)接触。

4.根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，所述耳片和所述轴颈(21)均为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面与所述轴颈(21)的半圆面接触。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，

所述叉形接头(1)包括顺序连接的圆柱部(11)和“几”形部(12)，所述圆柱部(11)垂直连接在所述“几”形部(12)的横梁(121)上，所述“几”形部(12)的两个平行于横梁(121)的翼片(122)构成所述两个耳片；

所述十字轴(2)包括轴块部(22)，四个轴颈(21)分别布置在所述轴块部(22)的四个侧面上。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，

每个耳片上设置有一个第一扁锥孔(123)，所述第一扁锥孔(123)的上段为圆孔，用于与张紧螺柱(4)相配合；下段具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面；

每个轴颈(21)上设置有一个第二扁锥孔(211)，所述第二扁锥孔(211)的上段为圆孔，用于与张紧螺柱(4)相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面；

当连接到位时，所述张紧绳(3)的两端分别穿过第一扁锥孔(123)和第二扁锥孔(211)，并分别与所述耳片和相应的轴颈(21)上的张紧螺柱(4)和锁紧螺母(5)共同作用，将所述耳片和所述轴颈(21)连接在一起。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，所述张紧绳(3)的材料为钢丝绳或超弹性记忆合金丝，并且所述张紧绳(3)的两段通过压接或焊接的方式与其两侧的张紧螺柱(4)连接在一起。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，在所述锁紧螺母(5)与所述叉形接头(1)的耳片之间以及所述锁紧螺母(5)与所述十字轴(2)的轴颈之间设置有定力弹簧垫片。