CN106986006B - 可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，包括着陆腿和球铰，还包括动力装置和与动力装置配合驱动着陆腿相对球铰中心摆动以改变角度的摆动驱动机构；着陆腿包括腿主体和旋转式磁流变阻尼器，腿主体包括以可绕自身轴线转动的方式与球铰配合设置的主缸筒和内套于主缸筒并与主缸筒形成丝杠螺母副以用于改变长度的丝杠杆，主缸筒上端与旋转式磁流变阻尼器传动连接；摆动驱动机构包括固定设置于着陆器上的弧形齿架和与弧形齿架啮合配合并由动力装置驱动转动的摆动驱动齿；其可使得缓冲效果、结构重量、可重复使用性等多方面因素得到权衡,将大大适用于可重复使用运载器。

Description

可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别涉及一种可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构。

背景技术

目前在航空航天领域采用的缓冲着陆腿的缓冲方式有液压缓冲,多胞材料压溃变形缓冲,金属变形缓冲,磁流变液缓冲和固体弹簧缓冲方式。液压缓冲方式适合于冲击载荷较小的情况,当冲击载荷较大时,缓冲器的体积和重量相对较大。多胞材料压溃变形缓冲主要采用铝蜂窝结构或者填充有泡沫铝材料的蜂窝结构为缓冲材料,其缓冲力具有较长的“平台”特性,不过蜂窝变形后不能回复。金属变形缓冲方式不能够满足重复使用的要求。磁流变液缓冲方式在航天领域尚且处于研制阶段,技术还不够成熟。固体弹簧缓冲方式会使得机构重量大且容易造成运载器反弹。这些缓冲方式都有各自的优点和局限性，现有技术中还未出现能综合集中体现上述缓冲方式的优点的航空航天缓冲着陆机构，不能使得缓冲效果、结构重量、可重复使用性等多方面因素得到权衡。

因此，需要对现有的航空航天用缓冲着陆机构进行改进，使其可使得缓冲效果、结构重量、可重复使用性等多方面因素得到权衡,将大大适用于可重复使用运载器。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其可使得缓冲效果、结构重量、可重复使用性等多方面因素得到权衡,将大大适用于可重复使用运载器。

本发明的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，包括着陆腿和用于固定于着陆器上设置的球铰，还包括动力装置和与动力装置配合驱动着陆腿相对球铰中心摆动以改变角度的摆动驱动机构；

着陆腿包括腿主体和用于腿主体着陆时阻尼缓冲并可用于将动力装置动力传递至腿主体的旋转式磁流变阻尼器，腿主体包括以可绕自身轴线转动的方式与球铰配合设置的主缸筒和内套于主缸筒并与主缸筒形成丝杠螺母副以用于改变长度的丝杠杆，主缸筒上端与旋转式磁流变阻尼器传动连接；

摆动驱动机构包括固定设置于着陆器上的弧形齿架和与弧形齿架啮合配合并由动力装置驱动转动的摆动驱动齿。

进一步，旋转式磁流变阻尼器包括用于与动力装置传动配合的定子壳、以可绕自身轴线转动的方式设置于定子壳内并与主缸筒的上端实现传动配合的传动轴、固定设置在定子壳内的多个摩擦片和固定于传动轴上并与摩擦片沿传动轴轴向相间叠放设置的转子片，每一摩擦片与转子片间填充有磁流变液；定子壳内还设置有用于改变磁流变液表观粘度的励磁线圈。

进一步，腿主体还包括与丝杠杆同轴固定连接的连接杆和铰接设置于连接杆下端的足垫。

进一步，主缸筒的下端设置有丝杠螺母以用于与丝杠杆形成丝杠螺母副。

进一步，动力装置为双出轴电机，其包括电机本体和分设于电机本体上下两端的上电机轴和下电机轴，摆动驱动齿由上电机轴驱动，下电机轴与定子壳传动连接。

进一步，球铰包括球铰座和与球铰座活动配合的球铰体，主缸筒上部穿过球铰体并通过球铰内轴承与球铰体转动配合。

进一步，定子壳的上部一体成形形成与下电机轴同轴传动配合的轴体部。

进一步，着陆腿还包括用于安装动力装置的安装壳，安装壳包括相互固定连接的上壳体和下壳体，轴体部转动支撑配合于下壳体上。

进一步，弧形齿架内侧设置有用于摆动驱动齿啮合并移动的齿条槽和分列齿条槽两侧设置的导向槽，上壳体上固定设置有用于与导向槽滑动配合的导向架。

本发明的有益效果：本发明的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，可主动驱动着陆腿相对球铰中心摆动改变角度以适应不同着陆工况；着陆腿的腿主体主缸筒与丝杠杆形成丝杠螺母副，可主动形成伸缩，以根据工作状态或非工作状态调整腿主体的长度，并且可在着陆时将丝杠杆的直线运动转换为主缸筒的旋转运动，进而通过旋转式磁流变阻尼器实现阻尼缓冲，且由于采用磁流变缓冲，自身能耗低，相比传统耗能元件，可以实时调节阻尼力大小，可自动平衡四个着陆腿之间的受力不均，使缓冲过程平稳；而且腿主体的丝杠螺母机构与旋转式磁流变阻尼器配合使用，可以大大精简体积，提高效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A处放大示意图；

图3为本发明的着陆机构整体装配到着陆器上处于展开状态时结构示意图；

图4为本发明的着陆机构整体装配到着陆器上处于收拢状态时结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明结构示意图，图2为图1中A处放大示意图，图3为本发明的着陆机构整体装配到着陆器上处于展开状态时结构示意图，图4为本发明的着陆机构整体装配到着陆器上处于收拢状态时结构示意图，如图所示：本实施例的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，包括着陆腿和用于固定于着陆器上设置的球铰，还包括动力装置1和与动力装置1配合驱动着陆腿相对球铰中心摆动以改变角度的摆动驱动机构；在具体使用中，球铰固定在着陆器上，摆动驱动机构设置在着陆器内部，当需要摆动时，通过动力装置1驱动摆动驱动机构工作，驱动着陆腿相对球铰以球铰中心为中心摆动，即相当于以球铰中心为杠杆中心点，本实施例中摆动的幅度为20°-40°；

着陆腿包括腿主体和用于腿主体着陆时阻尼缓冲并可用于将动力装置1动力传递至腿主体的旋转式磁流变阻尼器，腿主体包括以可绕自身轴线转动的方式与球铰配合设置的主缸筒2和内套于主缸筒2并与主缸筒2形成丝杠螺母副以用于改变长度的丝杠杆3，主缸筒2上端与旋转式磁流变阻尼器传动连接；其中的丝杠杆3与主缸筒2形成丝杠螺母副，即当主缸筒2旋转时，丝杠杆3可沿主缸筒2上下直线移动，反之，当着陆腿着陆受到振动使得丝杠杆3上下直线移动时，可迫使主缸筒2做旋转运动，主缸筒2与旋转式磁流变阻尼器配合进行阻尼缓冲；

摆动驱动机构包括固定设置于着陆器上的弧形齿架4和与弧形齿架啮合配合并由动力装置1驱动转动的摆动驱动齿5；在需要摆动时，动力装置1进行主动控制，动力装置1驱动摆动驱动齿5沿弧形齿架4行走从而驱动着陆腿整体产生摆动改变角度。

本实施例中，旋转式磁流变阻尼器包括用于与动力装置1传动配合的定子壳6、以可绕自身轴线转动的方式设置于定子壳6内并与主缸筒2的上端实现传动配合的传动轴7、固定设置在定子壳6内的多个摩擦片8和固定于传动轴7上并与摩擦片8沿传动轴7轴向相间叠放设置的转子片10，每一摩擦片8与转子片10间填充有磁流变液；定子壳6内还设置有用于改变磁流变液表观粘度的励磁线圈9；如图所示，定子壳6内部设置有用于固定摩擦片8的固定架，摩擦片8固定在固定架上，转子片10固定在传动轴7上，传动轴7通过轴承与定子壳6转动配合，多个转子片10与多个摩擦片8相间隔形成叠放设置，且每一转子片10与每一摩擦片8间均留有间隙，间隙内填充有磁流变液，在固定架的圆周外侧设置有励磁线圈9；励磁线圈9不通电时，定子壳6与转子片10间隙间的磁流变液处于自由流动状态，无法传递扭矩；励磁线圈9通电后，磁流变液处于剪切工作模式，可以将动力装置1的动力传递给主缸筒2，实现着陆腿的伸出与收回；当着陆时，动力装置1和定子壳6锁死，丝杠杆3的直线运动变为主缸筒2的旋转运动，带动传动轴7旋转运动，转子片10与摩擦片8形成相对运动剪切磁流变液，通过控制励磁线圈9通电的大小调节旋转式磁流变阻尼器阻尼扭矩的大小，从而阻碍丝杠杆3传递过来的着陆过程中产生的旋转运动，进而平衡耗散冲击能量。

本实施例中，腿主体还包括与丝杠杆同轴固定连接的连接杆11和铰接设置于连接杆11下端的足垫12；足垫用于着陆时与地面接触，连接杆11与足垫的铰接方便腿主体整体的摆动。

本实施例中，主缸筒2的下端设置有丝杠螺母13以用于与丝杠杆3形成丝杠螺母副；丝杠螺母13内套在主缸筒2的下端内部并通过螺钉与主缸筒2实现固定，丝杠螺母与丝杠杆3形成丝杠螺母机构，丝杠杆为滚珠丝杠。

本实施例中，动力装置1为双出轴电机，其包括电机本体和分设于电机本体上下两端的上电机轴14和下电机轴15，摆动驱动齿5由上电机轴14驱动，下电机轴15与定子壳传动连接；如图所示，摆动驱动齿5圆周固定在一轴体16上，轴体与上电机轴14通过联轴器17同轴固定，当然摆动驱动齿5也可直接圆周固定在上电机轴14上；该双出轴电机内部对应上电机轴和下电机轴各设置一组用于驱动其工作的转子定子组，即相当于是将两电机合装在一个壳体内。

本实施例中，球铰包括球铰座20和与球铰座20活动配合的球铰体21，主缸筒2上部穿过球铰体21并通过球铰内轴承22与球铰体21转动配合；球铰体21可相对球铰座20活动，球铰座20固定在着陆器上，主缸筒2上部与球铰体21转动，使得主缸筒2相对球铰座20既有摆动的活动自由度，又有绕自身轴线转动的活动自由度。

本实施例中，定子壳6的上部一体成形形成与下电机轴15同轴传动配合的轴体部；下电机轴15通过联轴器17与轴体部同轴传动。

本实施例中，着陆腿还包括用于安装动力装置1的安装壳，安装壳包括相互固定连接的上壳体18和下壳体19，轴体部转动支撑配合于下壳体19上；轴体部通过轴承23与下壳体19转动支撑配合，上壳体18和下壳体19通过螺栓连接。

本实施例中，弧形齿架4内侧设置有用于摆动驱动齿5啮合并移动的齿条槽和分列齿条槽两侧设置的导向槽，上壳体18上固定设置有用于与导向槽滑动配合的导向架；导向架包括导向固定杆和导向滑块，导向固定杆固定在上壳体18上，导向滑块固定在导向固定杆上并嵌入导向槽内用于滑动配合。

本发明的具体工作过程为：

着陆机构的运输和发射阶段：整个着陆机构处于收拢锁紧的初始状态。此时，主缸筒2静止收拢，并锁紧，丝杠杆3处于最小伸出状态，以保证整个着陆腿长度最小，保持最小体积，从而有利于发射和运输；

着陆前的展开阶段：展开过程首先是动力装置1的上电机轴14带动摆动驱动齿5旋转，摆动驱动齿5与着陆器内部安装的弧形齿架4啮合，滑槽轨迹是绕球铰中心的一段圆弧，因此，摆动驱动齿5带动着陆腿整体绕球铰旋转完成缓冲机构展开动作，达到展开位置后电机上电机轴14锁死，旋转式磁流变阻尼器的励磁线圈9通电，实现定子壳6与转子片10之间传递扭矩，再控制电机下电机轴15带动定子壳6旋转，实现主缸筒2旋转，通过丝杠螺母副将旋转运动转换为丝杠杆3的直线运动，最终完成着陆腿的伸长动作，完成伸长动作之后，电机的上电机轴14和下电机轴15都保持锁死动作，则缓冲着陆腿展开动作完成；

着陆冲击阶段：着陆冲击过程即着陆腿的耗能阶段；耗能阶段主要是在腿主体已完成展开动作，通过电机上电机轴14锁死完成展开动作，电机下电机轴15与旋转式磁流变阻尼器定子壳6锁死，当飞行器跌落月球表面，足垫接触月球表面，飞行器压缩丝杠杆3，着陆腿通过丝杠杆3与丝杠螺母将压缩直线运动转换为主缸筒2的旋转运动，并传递于旋转式磁流变阻尼器的定子壳6内的轴7，并带动多片摩擦片10旋转，通过控制旋转式磁流变阻尼器阻尼扭矩大小，阻碍通过丝杠杆3传递过来的着陆过程中产生的旋转运动，进而平衡耗散冲击能量；

返回收拢阶段：电机的下电机轴15主动旋转，旋转磁流变阻尼器的励磁线圈9通电，磁流变液处于剪切工作模式，因而定子壳6与转子片10处于锁死一体状态，因此定子壳6带动转子片10旋转，转子片10带动主缸筒2旋转，即丝杠螺母旋转，通过滚珠丝杠副，丝杠螺母旋转运动转换为丝杠杆3的直线运动，最后完成着陆腿收缩，其后，电机的上电机轴14旋转，带动摆动驱动齿5轮在齿条槽内运动，着陆腿绕球铰摆动，最终完成缓冲机构的收拢动作。

本发明具体应用在航空航天着陆器上，如图3和图4所示，航空器的外壳体24的底部四个顶点处各设置有一个本发明所公开的着陆机构，着陆器在降落地面时，可以根据着陆工况(地面高低不平，或有倾角等)的不同自动调整四个着陆机构的姿态(包括着陆腿长短以及着陆腿的展开角度)，以尽量保证四个着陆腿受力均匀以及整个着陆器的平稳降落。在整个着陆器着陆过程中，当机体沿着一定方向倾斜，着陆时四个着陆腿的足垫并非同时接触地面，造成受力不均匀，此时着陆将不平稳甚至发生侧倾，造成着陆后主机体的损坏。而本设计可以通过调整着陆腿伸出长短以及角度，来实现四条腿同时着陆，可以自适应不同着陆工况并保证着陆器着陆的平稳可靠。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：包括着陆腿和用于固定于着陆器上设置的球铰，还包括动力装置和与动力装置配合驱动着陆腿相对球铰中心摆动以改变角度的摆动驱动机构；

所述着陆腿包括腿主体和用于腿主体着陆时阻尼缓冲并可用于将动力装置动力传递至腿主体的旋转式磁流变阻尼器，所述腿主体包括以可绕自身轴线转动的方式与球铰配合设置的主缸筒和内套于主缸筒并与主缸筒形成丝杠螺母副以用于改变长度的丝杠杆，所述主缸筒上端与所述旋转式磁流变阻尼器传动连接；

所述摆动驱动机构包括固定设置于着陆器上的弧形齿架和与弧形齿架啮合配合并由动力装置驱动转动的摆动驱动齿；

所述旋转式磁流变阻尼器包括用于与动力装置传动配合的定子壳、以可绕自身轴线转动的方式设置于定子壳内并与主缸筒的上端实现传动配合的传动轴、固定设置在定子壳内的多个摩擦片和固定于传动轴上并与摩擦片沿传动轴轴向相间叠放设置的转子片，每一所述摩擦片与所述转子片间填充有磁流变液；所述定子壳内还设置有用于改变磁流变液表观粘度的励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述腿主体还包括与丝杠杆同轴固定连接的连接杆和铰接设置于连接杆下端的足垫。

3.根据权利要求1所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述主缸筒的下端设置有丝杠螺母以用于与所述丝杠杆形成丝杠螺母副。

4.根据权利要求1所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述动力装置为双出轴电机，其包括电机本体和分设于电机本体上下两端的上电机轴和下电机轴，摆动驱动齿由上电机轴驱动，所述下电机轴与所述定子壳传动连接。

5.根据权利要求1所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述球铰包括球铰座和与球铰座活动配合的球铰体，所述主缸筒上部穿过所述球铰体并通过球铰内轴承与所述球铰体转动配合。

6.根据权利要求4所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述定子壳的上部一体成形形成与所述下电机轴同轴传动配合的轴体部。

7.根据权利要求6所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述着陆腿还包括用于安装动力装置的安装壳，所述安装壳包括相互固定连接的上壳体和下壳体，所述轴体部转动支撑配合于所述下壳体上。

8.根据权利要求7所述的可重复使用的变角度变长度自适应缓冲着陆机构，其特征在于：所述弧形齿架内侧设置有用于与摆动驱动齿啮合的齿条槽和分列齿条槽两侧设置的导向槽，所述摆动驱动齿可在齿条槽内移动，所述上壳体上固定设置有用于与导向槽滑动配合的导向架。

Images