CN108177800B - 一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节，其包括：支撑座、外套筒、内套筒、卡位盖、盖板、顶板、第一SMA丝；外套筒设在支撑座上，其内设有张紧弹簧；内套筒滑动设置于外套筒的内部，其设在张紧弹簧的上方；卡位盖设在外套筒的内部，且固定设在内套筒的上方；卡位盖设有至少两个卡位杆；盖板固定设在外套筒的上方，顶板设有卡位槽，卡位杆贯穿盖板，对应卡位杆设置，且卡位槽的数目不小于卡位杆的数目；第一SMA丝一端固定，另一端驱动连接内套筒。本发明不仅能实现普通的锁紧释放，还能实现关节的锁紧释放，能应用在航天展开机构和航天运动关节等位置，具有多功能性；安装尺寸不超过φ37mm，体积较小，质量较轻。

Description

一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节。

背景技术

传统的航天器锁紧释放装置，主要为火工装置，他们具有可靠性高、能率大、作用速度快等诸多优点；但同时存在震动大，污染大，不可重复使用等缺点。因此寻找综合性能更好的非火工压紧释放装置成为了航天器领域的重要研究对象之一。通过对国内外相关文献的广泛查阅可以看出，利用SMA作为驱动源设计航天锁紧释放装置已有不少的研究，其中一部分技术甚至已被应用在人造卫星等实物上了。而在非火工式的航天器锁紧释放机构中，SMA在被加热后能发生马氏体和奥氏体之间的相变，使得SMA材料产生6％左右的形变，通过这个形变可以完成航天锁紧释放装置的驱动，形状记忆合金SMA驱动的锁紧释放装置凭借能量密度高，输出应力和应变大，综合性能突出等优势，正吸引着越来越多人去研究。

中国专利201210293404.5公开了一种熔断SMA丝空间连接与分离机构，其设置有：分瓣螺母、分瓣螺母的捆紧弹簧、捆紧弹簧的释放装置，该捆紧弹簧的释放装置为两根SMA丝，其中第一根的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧上端连接，另一端与外壳上端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，第二根SMA丝的一端与分瓣螺母的捆紧弹簧另下端连接，另一端与外壳下端连接，在捆紧弹簧的作用下呈张紧状态，当两根SMA丝受到大电流加热时，其内部因发生相变产生巨大回复应力，同时因高温使材料断裂强度下降，在两者共同作用下发生断裂，解除对捆紧弹簧的约束。

中国专利201610971361.X公开了一种SMA丝驱动的弹射释放装置，包括分离体、分离压缩弹簧、带螺纹的杆件、连接体、下限位钢珠、限位压缩弹簧、驱动压缩弹簧、复位压缩弹簧、钢珠保持架、滑动栓、连接套、销栓、上限位钢珠、形状记忆合金丝、外壳体和下端盖；外壳体的上端安装在连接体上；销栓布置在外壳体内，外壳体的上端滑动穿过连接体，销栓内安装有钢珠保持架，形状记忆合金丝穿过滑动栓的下端并经外壳体引出，复位压缩弹簧布置在滑动栓和钢珠保持架之间，驱动压缩弹簧布置在外壳体内；连接套套装在外壳体的上端。

现有技术的缺陷在于：仅实现通过人为压紧，然后控制进行完全释放；或单单只能对飞轮等装置锁紧然后通过控制不完全释放。这就导致这些SMA锁紧释放装置不能实现多用途，特别是对于关节等位置的锁紧释放束手无策。

因此，如何提供一种响应速度快、体积小、可靠性高且功能多样的可以锁紧与释放的转动关节，成为业内需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节，其在响应速度、体积、质量、可靠性、多功能性等方面更具优势，使用范围广。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节，其包括：支撑座、外套筒、内套筒、卡位盖、盖板、顶板、第一SMA丝；

外套筒设在支撑座上，其内设有张紧弹簧；

内套筒滑动设置于外套筒的内部，其设在张紧弹簧的上方；

卡位盖设在外套筒的内部，且固定设在内套筒的上方；卡位盖设有至少两个卡位杆；

盖板固定设在外套筒的上方，顶板设有卡位槽，卡位杆贯穿盖板，对应卡位杆设置，且卡位槽的数目不小于卡位杆的数目；

第一SMA丝一端固定，另一端驱动连接内套筒。

本发明中，通过卡位杆与卡位槽配合，实现了限制顶板的位置，保证了整体结构的稳定性，通过对第一SMA丝进行通电，实现调节与第一SMA丝相连接的内套筒的位置，进而带动卡位盖上卡位杆的动作，以解除卡位杆与卡位槽之间的约束关系，此时，顶板可以围绕释放螺栓进行转动，实现了模拟关节的动作，其响应速度快、体积小、质量轻、可靠性高。

本发明通过设置张紧弹簧，保证在张紧弹簧的作用下，内套筒位置的稳定性。

根据本发明的另一种具体实施方式，支撑座设有第一滑轮，外套筒设有第一压块，内套筒的底部设有第一吊耳；第一SMA丝绕设于第一滑轮的外侧，且一端连接第一压块，另一端连接第一吊耳。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动关节进一步包括分瓣螺母组件、第二SMA丝，分瓣螺母组件包括：螺母支撑件、由多个相互配合的子分瓣螺母组成的分瓣螺母；内套筒设有分离弹簧，螺母支撑件滑动设置于内套筒的内部，其设在分离弹簧的上方，第二SMA丝一端固定，另一端驱动连接螺母支撑件。本方案中通过对第二SMA丝进行通电，实现调节与第二SMA丝相连接的螺母支撑件的位置，从而完成释放螺母的释放过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，螺母支撑件设有顶部开口的容纳腔，容纳腔的内侧壁间隔设有限位圈和容纳槽；分瓣螺母设置于容纳腔中；分瓣螺母设有螺纹孔，分瓣螺母的外侧壁间隔设有环状凸起和环状凹槽。本方案中的限位圈为连续式限位圈或者非连续式限位圈，环状凸起为连续式环状凸起或者非连续式环状凸起。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动关节处于锁紧状态时，分瓣螺母的环状凸起与螺母支撑件的限位圈相抵；转动关节处于释放状态时，分瓣螺母分离展开，环状凸起对应容纳槽；限位圈对应环状凹槽。

根据本发明的另一种具体实施方式，转动关节还包括释放螺栓，释放螺栓设有与螺纹孔配合的外螺纹；盖板设有上通孔；释放螺栓穿过上通孔设置，且释放螺栓与顶板之间设有释放弹簧。本方案通过相互配合的分瓣螺母和螺母支撑件，实现在螺母支撑件移动过程中，分瓣螺母展开，释放螺栓在释放弹簧复位力的作用下弹出，完成该释放过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，分瓣螺母组件还包括助分螺栓，分瓣螺母的底部设有环形斜面；螺母支撑件的底部设有顶端开口的定位槽，助分螺栓穿过环形斜面，固定设置于定位槽中。本方案中，助分螺栓与环形斜面相互配合，助分螺栓与环形斜面接触时，可以为各个子分瓣螺母提供分离的力，从而实现分瓣螺母的彻底分离，提高了分离过程的稳定性与可靠性。相应的，环形斜面为锥形结构，且沿助分螺栓安装的方向，环形斜面的开口越来越小。

根据本发明的另一种具体实施方式，分瓣螺母中的子分瓣螺母的数目为4个；且每一子分瓣螺母的底部均设有凸起，容纳腔的底部设有多个凹槽，凸起对应凹槽设置。本方案中设置凸起的目的在于，保证在旋入释放螺栓时，不会对分瓣螺母造成影响。

根据本发明的另一种具体实施方式，支撑座设有第二滑轮，外套筒设有第二压块，螺母支撑件的底部设有第二吊耳；第二SMA丝绕设于第二滑轮的外侧，且一端连接第二压块，另一端连接第二吊耳。

根据本发明的另一种具体实施方式，顶板包括上顶板、下顶板；上顶板设有限位槽，卡位杆的自由端贯穿下顶板，设置于限位槽中。本方案中，设置上顶板、下顶板实现多个部件之间的相对转动，在上顶板、下顶板上可以设置连接板，用于和外部设备连接。其中，上顶板上的限位槽设置多个，呈环形设置，其为非通限位槽，下顶板上的第四通孔设置多个，且呈环形设置；这样设置的好处在于，方便进行旋转运动。

根据本发明的另一中具体实施方式，在螺母支撑件的外壁不是规则的筒状柱面结构，螺母支撑件的外壁两侧对称被切除掉一部分形成限位结构，确保在旋入释放螺栓过程中，螺母支撑件不会发生相对转动。相应的，在外套筒的内部设有对应螺母支撑件外壁限位结构的限位面，该限位面也为两边都对称被切除掉一部分的筒状圆柱面，方便安装。

本发明中，通过相互配合的环状凸起、限位圈，保证在锁紧状态下，分瓣螺母的整体性；通过相对对应的容纳槽、环状凹槽，实现在释放状态下，分瓣螺母很好的分离为各个子分瓣螺母，从而将与分瓣螺母连接的释放螺栓释放出去，其中，释放弹簧的复位力提供了驱动释放螺栓的外力。

本发明中，外套筒的外壁也相应的切除部分结构，形成不规则的圆柱面，方便整体的安装。

本发明中，第一压块、第二压块相对设置于外套筒的两侧；第一滑轮、第二滑轮平行设于支撑座上，且第一滑轮、第二滑轮设在外套筒底部的位置。

本发明是利用SMA材料的形状记忆效应来实现转动关节驱动的，SMA在被加热后能发生马氏体和奥氏体之间的相变，使得SMA材料产生6％左右的形变，通过这个形变可以完成驱动外套筒的动作，进而促进分瓣螺母的分离，实现释放的过程。

本发明中顶板(上顶板、下顶板)的运动控制过程为：

卡紧阶段：卡位盖上的卡位杆穿过下顶板上的第四通孔，插入上顶板的限位槽中，实现关节直接卡位过程；

旋转阶段：对第一SMA丝通电，第一SMA丝缩短，带动内套筒克服张紧弹簧的弹簧力而沿着外套筒的筒壁运动，卡位盖上的卡位杆与限位槽的约束消失，实现上顶板和下顶板直接进行相对的转动。

本发明的转动关节释放的过程为：

当对第二SMA丝通电时，第二SMA丝会缩短，进而带动螺母支撑件克服弹簧力沿内套筒的筒壁运动，助分螺栓也跟着运动，由于分瓣螺母的内部是被释放螺栓卡位(释放螺母与分瓣螺母之间螺纹连接)不能向下，而分瓣螺母的外侧壁可以相对螺母支撑件滑动，因此，第一阶段(螺母支撑件向下运动前期)，螺母支撑件上的限位圈和分瓣螺母外壁上的环状凸起会逐渐失去接触，直至完全分离；第二阶段(即当助分螺栓运动到与分瓣螺母的环状斜面接触时)，助分螺栓通过与分瓣螺母下方的环状斜面接触，从而提供一个驱动分瓣螺母分离的力，进而实现将分瓣螺母分离为4个子分瓣螺母；接着在释放弹簧复位力的作用下把释放螺栓弹出，实现完全分离。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、本发明能安装在关节结构处，实现对关节的锁定和松开；

2、本发明释放螺栓上设有释放弹簧，当分瓣螺母分开后能迅速将释放螺栓弹出，响应速度快；

3、本发明安装尺寸不超过φ37mm，体积较小，质量较轻；

4、本发明设置助分螺栓，且分瓣螺母设置与助分螺栓配合的环形斜面，实现对分瓣螺母的彻底分离，具有更高的分离可靠性和稳定性；

5、本发明不仅能实现普通的锁紧释放，还能实现关节的锁紧释放，能应用在航天展开机构和航天运动关节等位置，具有多功能性。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的转动关节的整体结构示意图；

图2是图1的剖面视图；

图3是图1的局部示意图；

图4是图1中，外套筒的结构示意图；

图5是图1中，分瓣螺母的结构示意图；

图6是图5中，子分瓣螺母的结构示意图；

图7是图1中，螺母支撑件的结构示意图；

图8是图1中，卡位盖的结构示意图；

图9是图1中，上顶板的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节，如图1-8所示，包括：下顶板1、上顶板2、释放螺栓3、释放弹簧4、卡位盖5、外套筒6、内套筒7、第二压块8、第二SMA丝9、张紧弹簧10、第二滑轮11、支撑座12、壳体13、第一滑轮14、第一SMA丝15、第一压块16、分瓣螺母17、助分螺栓18、盖板19、螺母支撑件20、第一吊耳21、分离弹簧22、第二吊耳23、上通孔24、容纳腔25、限位圈26、容纳槽27、内螺纹28、环状凸起29、环状凹槽30、限位面31、环形斜面32、下通孔33、圆形孔34、子分瓣螺母35、凸起36、凹槽37、定位槽38。

其中，外套筒6设在支撑座1上，在外套筒6的上方设有盖板19，盖板19通过固定螺栓连接外套筒6，在盖板19上设有用于穿过释放螺栓3的上通孔24；内套筒7可滑动地设置于外套筒6的内部；外套筒6的内部设有张紧弹簧10，内套筒7设在张紧弹簧10的上方。

分瓣螺母组件包括螺母支撑件20、分瓣螺母17，螺母支撑件20可滑动地设在内套筒7的内部，在内套筒7的底部设有分离弹簧22；螺母支撑件20设有容纳腔25，容纳腔25的顶部开口，分瓣螺母17设置于容纳腔25中；在内套筒7的上方设有卡位盖5，卡位盖5设在外套筒6的内部，且固定设在内套筒7的上方；在容纳腔25的内侧壁间隔设有限位圈26和容纳槽27；分瓣螺母17的内侧设有内螺纹28，分瓣螺母17的外侧壁间隔设有环状凸起29和环状凹槽30。

在螺母支撑件20的外壁不是规则的筒状柱面结构，螺母支撑件20的外壁两侧对称被切除掉一部分形成限位结构，确保在旋入释放螺栓3过程中，螺母支撑件20不会发生相对转动。相应的，在外套筒6的内部设有对应螺母支撑件20外壁限位结构的限位面31，该限位面31也为两边都对称被切除掉一部分的筒状圆柱面，方便安装。

分瓣螺母17的底部设有环形斜面32，环形斜面32设有第一通孔321；螺母支撑件20的底部设有上端开口的定位槽38，助分螺栓18穿过第一通孔321固定设置于定位槽38中。

释放螺栓3设有与内螺纹28配合的外螺纹；释放螺栓3穿过上通孔24设置，且释放螺栓3与盖板19之间设有释放弹簧4。

卡位盖5上设有两个对称设置的卡位杆501和用于穿过释放螺栓3的第二通孔502；在盖板19设有用于穿过卡位杆的第三通孔191，下顶板1设有第四通孔101，上顶板2对应第四通孔101设有限位槽201；卡位杆501的自由端依次贯穿第三通孔191、第四通孔101，与限位槽201进行配合。在上顶板2上设有用于穿过释放螺栓3的第五通孔202；在下顶板1上设有用于穿过释放螺栓3的第六通孔102；第四通孔101的数目为十二个，且沿着第六通孔102的圆周方向阵列设置；限位槽201的数目为十二个，也且沿着第五通孔202的圆周方向阵列设置。

在支撑座12上设有第一滑轮14，外套筒6设有第一压块16，内套筒7的底部设有第一吊耳21，在外套筒6的底部设有圆形孔34；第一SMA丝15绕设于第一滑轮14的外侧，且一端连接第一压块16，另一端穿过圆形孔34连接第一吊耳21；在支撑座12上对应第一滑轮14的位置设有第二滑轮11，外套筒6设有第二压块8，螺母支撑件20的底部设有第二吊耳23；在内套筒6的底部设有下通孔33，第二SMA丝9绕设于第二滑轮11的外侧，且一端连接第二压块8，另一端依次穿过圆形孔34、下通孔33连接第二吊耳23。

本实施例中在支撑座12上设有壳体13，壳体13设在外套筒6的下方，一方面保护内部结构，另一方面提高整体的美观性。在壳体13上分别设有用于穿过第一SMA丝15、第二SMA丝9的开口。

本实施例中，分瓣螺母17中的子分瓣螺母35的数目为4个；在各个子分瓣螺母35的底部均设有凸起36，容纳腔25的底部设有凹槽37，凸起36对应凹槽37设置，凸起36和凹槽37相互配合，保证在旋入释放螺栓3时，不会对分瓣螺母17造成影响。

本实施例所提供的转动关节处于锁紧状态时，分瓣螺母17的环状凸起29与螺母支撑件20的限位圈26相接触；处于释放状态时，分瓣螺母17分离展开，环状凸起29对应容纳槽27；限位圈26对应环状凹槽30。

本实施例中上顶板、下顶板的运动控制过程为：

卡紧阶段：卡位盖上的卡位杆穿过下顶板上的第四通孔，插入上顶板的限位槽中，实现关节直接卡位过程；

旋转阶段：对第一SMA丝通电，第一SMA丝缩短，带动内套筒克服张紧弹簧的弹簧力而沿着外套筒的筒壁运动，卡位盖上的卡位杆与限位槽的约束消失，实现上顶板和下顶板直接进行相对的转动。

本实施例所提供的转动关节的释放过程为：当对第二SMA丝通电时，第二SMA丝会缩短，进而带动螺母支撑件克服弹簧力沿内套筒的筒壁运动，助分螺栓也跟着运动，由于分瓣螺母的内部是被释放螺栓卡位(释放螺母与分瓣螺母之间螺纹连接)不能向下，而分瓣螺母的外侧壁可以相对螺母支撑件滑动，因此，第一阶段(螺母支撑件向下运动前期)，螺母支撑件上的限位圈和分瓣螺母外壁上的环状凸起会逐渐失去接触，直至完全分离；第二阶段(即当助分螺栓运动到与分瓣螺母的环状斜面接触时)，助分螺栓通过与分瓣螺母下方的环状斜面接触，从而提供一个驱动分瓣螺母分离的力，进而实现将分瓣螺母分离为4个子分瓣螺母；接着在释放弹簧复位力的作用下把释放螺栓弹出，实现完全分离。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金锁紧与释放的转动关节，其特征在于，所述转动关节包括：支撑座、外套筒、内套筒、卡位盖、盖板、顶板、第一SMA丝、释放螺栓、分瓣螺母组件和第二SMA丝；

所述外套筒设在所述支撑座上，其内设有张紧弹簧；

所述内套筒滑动设置于所述外套筒的内部，其设在所述张紧弹簧的上方；

所述卡位盖设在所述外套筒的内部，且固定设在所述内套筒的上方；所述卡位盖设有至少两个卡位杆；

所述盖板固定设在所述外套筒的上方，所述顶板设有卡位槽，所述卡位杆贯穿所述盖板，对应所述卡位杆设置，且所述卡位槽的数目不小于所述卡位杆的数目；

所述顶板包括上顶板、下顶板；所述上顶板设有限位槽，所述卡位杆的自由端贯穿所述下顶板，设置于所述限位槽中；

所述第一SMA丝一端固定，另一端驱动连接所述内套筒；

所述分瓣螺母组件包括：螺母支撑件、助分螺栓、由多个相互配合的子分瓣螺母组成的分瓣螺母；所述内套筒设有分离弹簧，所述螺母支撑件滑动设置于所述内套筒的内部，其设在所述分离弹簧的上方；所述第二SMA丝一端固定，另一端驱动连接所述螺母支撑件；

所述螺母支撑件设有顶部开口的容纳腔，所述容纳腔的内侧壁间隔设有限位圈和容纳槽；所述分瓣螺母设置于所述容纳腔中；所述分瓣螺母设有螺纹孔，所述分瓣螺母的外侧壁间隔设有环状凸起和环状凹槽；

所述分瓣螺母的底部设有环形斜面；所述螺母支撑件的底部设有顶端开口的定位槽，所述助分螺栓穿过所述环形斜面，固定设置于所述定位槽中；

所述释放螺栓设有与所述螺纹孔配合的外螺纹；所述盖板设有上通孔；所述释放螺栓穿过所述上通孔设置，且所述释放螺栓与所述顶板之间设有释放弹簧。

2.如权利要求1所述的转动关节，其特征在于，所述支撑座设有第一滑轮，所述外套筒设有第一压块，所述内套筒的底部设有第一吊耳；所述第一SMA丝绕设于所述第一滑轮的外侧，且一端连接所述第一压块，另一端连接所述第一吊耳。

3.如权利要求1所述的转动关节，其特征在于，所述转动关节处于锁紧状态时，所述分瓣螺母的环状凸起与所述螺母支撑件的限位圈相抵；所述转动关节处于释放状态时，所述分瓣螺母分离展开，所述环状凸起对应所述容纳槽；所述限位圈对应所述环状凹槽。

4.如权利要求1所述的转动关节，其特征在于，所述分瓣螺母中的所述子分瓣螺母的数目为4个；且每一所述子分瓣螺母的底部均设有凸起，所述容纳腔的底部设有多个凹槽，所述凸起对应所述凹槽设置。

5.如权利要求1所述的转动关节，其特征在于，所述支撑座设有第二滑轮，所述外套筒设有第二压块，所述螺母支撑件的底部设有第二吊耳；所述第二SMA丝绕设于所述第二滑轮的外侧，且一端连接所述第二压块，另一端连接所述第二吊耳。

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