CN108350711A - 铰链 - Google Patents

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CN108350711A CN201680066904.1A CN201680066904A CN108350711A CN 108350711 A CN108350711 A CN 108350711A CN 201680066904 A CN201680066904 A CN 201680066904A CN 108350711 A CN108350711 A CN 108350711A
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文森特·弗罗
胡安·雷维尔斯-威尔逊
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Oxford Space Systems Ltd
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Abstract

铰链(1)附接在可展开结构中的两个元件(4)之间。铰链(1)包括用于附接到元件(4)或形成元件(4)的一部分的支撑构件(2)。铰链(1)还包括彼此啮合的两个齿轮(8)，每个齿轮(8)附接到支撑构件(2)，齿轮(8)围绕平行轴线旋转。铰链还包括附接到支撑构件(2)并在支撑构件(2)之间延伸的带状弹簧(16)。带状弹簧(16)在纵向延伸时基本上位于平行于齿轮轴线的平面。带状弹簧(16)被布置为将铰链从折叠配置朝延伸配置致动。铰链(1)还包括附接到齿轮(8)和/或支撑构件(2)的保持构件(18)。保持构件(18)被布置为限制齿轮(8)在齿轮轴线之间延伸的方向上的分离。

Description

铰链
技术领域
本发明涉及铰链，尤其涉及由带状弹簧致动的齿轮铰链。
背景技术
可展开结构诸如天线、太阳能面板、太阳帆等等由被布置为以协调的方式移动以便展开结构的多个互连的元件构造而成。这使得此类可展开结构能够用作发射到太空中的较大结构例如卫星或其他例如载人航天器的一部分，因为当发射时可展开结构为折叠的并且随后被展开。
可展开结构的互连元件可接合在致动的铰链处以便将结构展开，即以便使接合在铰链处的结构的两个元件相对于彼此围绕铰链的轴线旋转。带状弹簧可为此类铰链提供简单可靠且低质量的致动机构。
发明内容
本发明的目的在于提供结合有带状弹簧的改进的铰链。
从第一方面来看，本发明提供了一种用于可展开结构中的两个元件之间的附接的铰链，该铰链包括：
两个支撑构件，其各自用于附接到可展开结构的元件或形成可展开结构的元件的一部分；
彼此啮合的两个齿轮，每个齿轮附接到支撑构件中相应的一者，并且齿轮被布置用于相对于彼此围绕平行轴线旋转；
带状弹簧，其附接到支撑构件并且在支撑构件之间延伸，当在垂直于齿轮轴线的方向上纵向延伸时，带状弹簧基本上位于平行于齿轮轴线的平面中，并且带状弹簧被布置为将铰链从带状弹簧沿平行于齿轮轴线的方向弯曲的折叠配置朝带状弹簧纵向延伸的延伸配置致动；以及
保持构件，其附接到齿轮和支撑构件中的一者或两者，保持构件被布置为限制齿轮在齿轮轴线之间延伸的方向上的分离。
因此，本发明提供能够经由两个齿轮和两个支撑构件连接可展开结构中的两个元件以使这些互连的元件能够相对于彼此旋转的铰链。彼此啮合的齿轮允许两个支撑构件相对于彼此旋转，齿轮各自相对于彼此围绕相应的平行轴线旋转(并且因此齿轮基本上在垂直于齿轮轴线的平面或平行平面中旋转)。
通过连接在两个支撑构件之间的带状弹簧致动铰链的移动。当带状弹簧延伸(即，为直的)时，其基本上位于平行于齿轮轴线的平面中。(带状弹簧由于其在该配置中弯曲的横截面而未完全位于该平面中，然而，带状弹簧的中心的切线平行于该平面。)
在铰链的折叠配置中，带状弹簧例如在带状弹簧的纵向中点处沿平行于齿轮轴线的方向弯曲。在该配置中，带状弹簧拥有一定量的储存应变能，该储存应变能在释放时作用于将带状弹簧朝其纵向延伸配置张开。带状弹簧的张开作用于经由带状弹簧到带状弹簧所附接的支撑构件的连接使铰链的齿轮旋转，并且因此将铰链从其折叠配置朝其延伸配置致动。因此，当支撑构件连接到可展开结构的相应的元件或形成可展开结构的相应的元件的一部分时，铰链的致动使这些互连元件相对于彼此旋转以有助于展开可展开结构。
铰链还包括保持构件，其附接到齿轮和/或支撑构件。保持构件作用于限制齿轮(并且因此限制铰链)在齿轮轴线之间延伸(并且因此垂直于齿轮轴线)的方向上的分离。
因此，应当理解，铰链具有可容纳带状弹簧的设计，并且其由于连接在支撑构件之间的带状弹簧而为自致动的。与其他致动装置(例如，该致动装置可包括马达和线路)相比较，带状弹簧简单可靠，质量相对低，并且因此带状弹簧常用于尤其是在太空中的可展开结构。带状弹簧还提供转矩曲线，该转矩曲线在带状弹簧展开的大部分期间具有低转矩(这有助于提供低速平稳的展开)并且在它们的展开结束时具有较高转矩(这有助于将带状弹簧锁定成其完全延伸的配置，如果期望这样的话)。这不同于并且优于其他类型的储能装置例如螺旋弹簧。此外，带状弹簧折叠的方式不兼容例如包括沿旋转轴线的销的常规铰链。
铰链还包括保持构件，其限制齿轮(在两个齿轮的轴线之间延伸的方向上)的分离，即保持构件被布置为保持两个齿轮的轴线之间的恒定距离并且因此保持两个齿轮啮合。对齿轮的移动的该限制增加了铰链的刚度(尤其是铰链的纵向刚度)并因此有助于提供可承受大力的刚性铰链。
增加的铰链刚度增加了其由带状弹簧致动到其延伸配置的精确度和可预测性以及完全展开时的增加的刚度。这对于在低重力环境(例如，太空)中操作的可展开结构特别重要，并且与具有带状弹簧的常规铰链形成对比，该常规铰链在展开期间的运动可为不可预测的并涉及一些平面外移动，并且该常规铰链在完全展开时具有低刚度。
例如，与使用轮子相比较，由于彼此啮合的齿轮齿的摩擦，所以铰链中齿轮的使用也有助于减小铰链的两侧在展开期间对各自的滑动，从而有助于铰链展开的精确度和可预测性。
两个支撑构件可为任何合适的和期望的形状以用于附接到可展开结构的元件或形成可展开结构的元件的一部分并且用于附接到齿轮中的一个。为附接到可展开结构的元件(其可包括许多不同类型的部件中的一个)，优选地针对支撑构件待附接的部件的具体类型设计支撑构件的形状，并且因此为支撑构件设想许多不同的设计以允许对可展开结构的相应的元件的附接。另选地，支撑构件形成可展开结构的元件的例如整体部分。这可有助于增加可展开结构的刚度。
为附接到齿轮，支撑构件优选地附接到与啮合的齿轮齿相对的齿轮侧。如下文论述的，优选地，齿轮齿不围绕相应的支撑构件所附接的齿轮侧延伸。
在一个实施例中，支撑构件中的每个纵向延伸，例如具有用于附接到可展开结构的相应的元件或形成可展开结构的相应的元件的一部分的一个端部以及用于附接到齿轮中的相应的齿轮的相对端部的支柱。
支撑构件可由齿轮单独地制成并且以任何合适的和期望的方式附连到其上。然而，在一个实施例中，每个支撑构件和对应的齿轮整体形成(例如由相同的单件材料形成)，例如由已例如模塑或3D打印的塑料制成。这有助于增加铰链的刚度。
例如取决于铰链的大小和应用，支撑构件可由任何合适的和期望的材料制成。优选地，支撑构件包含金属(例如铝、(不锈)钢、青铜或钛)、(热塑性)塑料和例如模塑、3D打印或机器加工的复合物(例如纤维增强塑料)中的一种或多种。
两个齿轮可包括任何合适的和期望的类型的齿轮。在一个实施例中，两个齿轮包括正齿轮。正齿轮的齿(在平行于齿轮轴线的方向上延伸)有助于增加铰链的剪切刚度。在另一个实施例中，两个齿轮包括螺旋齿轮。例如与正齿轮相比较，已发现螺旋齿轮减小齿轮的齿隙并增加铰链的刚度，由于齿轮齿与齿轮轴线成一定角度延伸而在多个方向上增加刚度。
由于铰链一般具有其所旋转的限制的角度例如180度或更小(虽然也可考虑具有更大旋转角度的铰链)，因此齿轮齿可以不绕齿轮的整个圆周延伸。优选地，每个齿轮上的齿轮齿被设置为例如在相对于相应的支撑构件所附接之处的每个齿轮的侧面上围绕圆周的弧，其中弧对着80度和140度之间的角度，例如90度和130度之间，例如100度和120之间，例如大约110度。
仅在圆周的弧周围提供齿也有助于将齿轮附接到相应的支撑构件，因为可在齿轮与齿轮齿的相对侧上方便地提供该连接，如上文所论述的。
如上文已经论述的，啮合的齿轮齿的摩擦(反作用于带状弹簧的弹簧力)阻碍铰链的展开(在一些实施例中可有利地利用这一点)。因此，在一个实施例中，齿轮各自包括齿轮支撑件和布置在齿轮支撑件的圆周的至少一部分周围的一组齿轮齿，其中齿轮齿和齿轮支撑件由单独部分形成并且附接在一起以形成齿轮。这使得齿轮齿所使用的材料能够因其例如摩擦特性而被选择，并且齿轮支撑件所使用的材料能够因其结构(例如刚度)特性而被选择。优选地，齿轮齿包含热塑性塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)或缩醛树脂(例如迭尔林(RTM))。优选地，齿轮经由齿轮支撑件附接到相应的支撑构件。
在另一个实施例中，齿轮(例如齿轮齿和齿轮支撑件)例如由单个材料整体形成。这可有助于增加齿轮的刚度并给出更简单的制造工艺。
齿轮可由任何合适的和期望的材料形成。在一个实施例中，齿轮包含金属(例如铝、(不锈)钢、青铜或钛)、(热塑性)塑料和例如模塑、3D打印或机器加工的复合物(例如纤维增强塑料)中的一种或多种。
优选地，齿轮(当相对于彼此旋转时)保持恒定的中心距，即齿轮分别围绕旋转的轴线之间的恒定距离。因此，优选地，齿轮为圆形(或形成圆的至少一条弧)。优选地，两个齿轮为与彼此的大小(即曲率半径)相同并且因此传动比为1。
例如与垂直于齿轮轴线的方向上的尺寸(例如齿轮的半径)相比较，齿轮的深度(即在平行于齿轮轴线的方向上的尺寸)可为任何合适的和期望的尺寸。在一个实施例中，齿轮为盘状(或形成盘的至少一段)，例如由此使得齿轮的深度小于齿轮的半径。该盘(或平面)形状有助于减小铰链的质量同时保持其刚度。
两个齿轮可以以任何合适的和期望的方式布置在铰链中。优选地，齿轮所旋转的平面相对于最靠近齿轮的带状弹簧的侧向边缘偏移。当带状弹簧折叠和延伸二者时，这提供了齿轮与带状弹簧的间隙。
铰链可仅包括两个齿轮，但是在一个实施例中，铰链包括两组例如彼此啮合的两个齿轮，每个齿轮附接到支撑构件中的相应的一个，并且每组中的齿轮被布置为相对于彼此围绕平行轴线旋转。正如将要被理解的，这有助于进一步增加铰链的刚度。优选地，两组齿轮所旋转的相应的平面平行于彼此但彼此偏移(并且优选地还平行于带状弹簧但相对于其偏移，如上所述)。因此，优选地，两组齿轮被布置在带状弹簧的任一侧，即带状弹簧在两组齿轮之间。优选地，两组齿轮中的一组的两个轴线与另一组齿轮的两个轴线共轴。
在包括两组齿轮的实施例中，优选地，铰链包括两个保持构件，每个保持构件附接到齿轮组和/或支撑构件中的一者或两者，每个保持构件被布置为限制相应的齿轮在相应的齿轮的轴线之间延伸的方向上的分离。铰链优选地还包括各自用于附接到可展开结构的元件或形成可展开结构的元件的一部分的两组两个支撑构件。在该实施例中，来自每组的一个支撑构件(即在铰链的相同侧上)可单独地附接到可展开结构的相应的元件，但是，优选地，铰链的每一侧上的支撑构件经由共用的安装构件附接到可展开结构的相应的元件或形成可展开结构的相应的元件的一部分。优选地，安装构件和相应的支撑构件(即在铰链的相同侧上)整体形成。
在包括两组齿轮的实施例中，每组齿轮可包括上述任选特征(该特征可对于每组齿轮可有所不同)中的一个或多个。然而，优选地，除了优选地为彼此的镜像之外，两组齿轮基本上相同。
带状弹簧一般为具有弯曲的横截面(在垂直于带状弹簧的纵向延伸的方向的平面中)的材料的直、薄、弹性的条带。带状弹簧的延伸配置中弯曲的横截面的效果是，当带状弹簧在与带状弹簧的纵向延伸的方向垂直的方向上侧向弯曲或折叠时，形成拥有储存应变能的横向曲率为零的局部弹性变形区域。在展开期间释放该储存的应变能以将带状弹簧(并且因此将铰链)朝其延伸配置展开。
在一个实施例中，铰链被布置为使得在铰链的延伸配置中，允许带状弹簧延伸成其完全纵向延伸的配置。这可以以任何合适的和期望的方式实现，例如如下文论述的通过提供止动件或缺乏止动件使得铰链能够打开足够远以允许带状弹簧完全延伸。在该完全延伸的(直的)配置中，优选地，带状弹簧被布置为锁定，即使得其在没有带状弹簧直接作用的情况下无法折叠。
带状弹簧可为任何类型的带状弹簧，并且因此可包括例如取决于带状弹簧的期望的刚度、质量和转矩特性选择的任何合适的和期望的材料。例如带状弹簧可由金属例如铍铜制成。在另一个实施例中，带状弹簧可由复合物例如纤维增强聚合物，例如碳纤维增强聚合物制成。
铰链可仅包括单个带状弹簧，然而，优选地，铰链包括两个或多个带状弹簧，每个带状弹簧附接到支撑构件并在支撑构件之间延伸，当在垂直于齿轮轴线的方向上纵向延伸时带状弹簧基本上位于平行于齿轮轴线的平面中，并且带状弹簧被布置为将铰链从带状弹簧沿平行于齿轮轴线的方向弯曲的折叠配置朝带状弹簧纵向延伸的延伸配置致动。提供两个带状弹簧增加了对于铰链的展开可用的转矩并且改进了铰链的刚度和锁定(在被布置为锁定的一些实施例中)。
(还设想了铰链包括例如成对布置的多个带状弹簧(例如比两个多得多，诸如高达二十个)的实施例。此类实施例可用于例如用于附接到(太阳能)面板的侧向延伸的铰链，其宽度高达例如3m，其中带状弹簧被平行布置并因此生成大的转矩。)
两个带状弹簧可以以任何合适的和期望的方式布置在铰链中。优选地，带状弹簧被布置为彼此平行(即使得它们基本上所位于的平面为平行的)并在垂直于它们基本上所位于的平面的方向上彼此间隔。带状弹簧可被布置为使得其曲率在相同的方向上，即其凹侧面向相同的方向，但是，优选地，带状弹簧被布置为使得其曲率在相反的方向上，优选地使得凹侧面向彼此。已发现该后一种布置方式尤其增加铰链的刚度和锁定(在被布置为锁定的实施例中)。
在铰链包括两个带状弹簧的实施例中，两个带状弹簧可被单独制成并各自附接到支撑构件。然而，在一个实施例(例如，其中带状弹簧被布置在铰链中使得其凹侧面向彼此)中，带状弹簧在一个端部或优选地两个端部附接到彼此。已发现这尤其在带状弹簧由复合材料制成时是方便的。
在带状弹簧附接到彼此的实施例中，优选地，两个带状弹簧整体形成。带状弹簧在每个端部附接到另一个带状弹簧的方式可为任何合适的和期望的方式。在一个实施例(例如其中带状弹簧整体形成)中，带状弹簧(在一个端部或两个端部处)包括圆柱形端部，每个带状弹簧从圆柱形端部延伸。优选地，(在延伸时)每个带状弹簧的曲率等于圆柱形端部的曲率(例如，带状弹簧由在圆柱体的相对侧上具有纵向延伸的狭缝的圆柱体形成)。这有助于用于铰链的带状弹簧和(例如在每个端部处的)圆柱体之间的方便的间距，该间距可方便地用于将一个或多个带状弹簧安装到一个或多个支撑构件上。
优选地，铰链包括释放机构，其用于将铰链(和带状弹簧)保持在其折叠配置(即在展开前对抗由弯曲的带状弹簧施加的力)并被布置为释放铰链使得带状弹簧将铰链朝其延伸配置致动。另选地，释放机构可以不形成铰链的一部分，而是附接到可展开结构的元件。释放机构可包括执行该功能的任何合适的和期望的机构，例如闩锁、夹扣或夹具。
保持构件可包括用于附接到齿轮和支撑构件中的一者或两者和用于限制齿轮在齿轮轴线之间延伸的方向上的分离的任何合适的和期望的设计，并且可以以任何合适的和期望的方式附接到齿轮和支撑构件中的一者或两者。
在优选的实施例中，保持构件被布置为限制齿轮在垂直于齿轮轴线的平面外的方向上，即在除齿轮(优选地)能够自由移动的齿轮平面旋转之外的任何方向(例如，轴向)上的移动。
通过保持构件且部分地通过齿轮的啮合(由于齿轮齿减小齿轮的平面外移动)将齿轮的移动(并且因此将铰链的移动)限制为基本上一个自由度(齿轮中的每个围绕基本上在垂直于齿轮轴线的平面(或平行平面)中的其相应的轴线旋转)增加了铰链的平面外刚度(例如铰链的剪切刚度和扭转刚度)，并且因此有助于帮助提供可承受大的平面外的力的刚性铰链。除此之外，通过限制齿轮的分离来增加保持构件提供的刚度。
铰链的增加的刚度增加了由带状弹簧将铰链致动到其延伸配置的精确度和可预测性，以及当完全展开时增加的平面外的刚度。这对于在低重力环境(例如，太空)中操作的可展开结构而言尤其重要，并且与包括带状弹簧的常规铰链相比，常规铰链在展开期间的移动可为不可预测的并且涉及一些平面外的运动，并且常规铰链在完全展开时具有低刚度。
优选地，保持构件被布置为限制齿轮在垂直于齿轮轴线的平面外的方向上的移动小于1度(例如，在垂直于齿轮轴线的平面外的任何方向上)。
优选地，保持构件附接到两个齿轮中的每个并且在两个齿轮中的每个的轴之间延伸。在该布置方式中，齿轮能够围绕其相应的轴(其沿齿轮的相应的轴线共轴地延伸)旋转，并且保持构件通过限制齿轮轴的离轴移动来限制齿轮的平面外的移动。该布置方式还有助于保持两个齿轮的轴线之间的恒定距离。齿轮可以以任何合适的和期望的方式例如经由滑动轴承(适于较小的铰链)或滚动元件(例如球)轴承(适于较大的铰链)围绕其相应的轴线旋转。在齿轮各自包括在轴承中旋转的轴的实施例中，轴承可在齿轮中形成或者在保持构件中形成。
在一个实施例中，保持构件包括例如基本上位于平行于齿轮旋转的平面或与齿轮旋转的平面相邻的板件。平面保持构件有助于覆盖齿轮例如以防止事物(诸如缆线)卷入齿轮并且防止灰尘等等进入。平面保持构件还使得附加的结构特征能够附接到保持构件或在保持构件上形成，如下文将论述的。
在另一个实施例中，保持构件包括例如附接到齿轮的相应的轴并在齿轮的相应的轴之间延伸的支柱。
优选地，保持构件位于齿轮与带状弹簧相对的侧面上，例如铰链的外部上，虽然这不是必要的并且考虑其他布置方式。因此，在铰链包括两组齿轮和两个保持构件并且两组齿轮被布置在一个或多个带状弹簧的任一侧的实施例中，优选地，两个保持构件被布置在铰链的外部上(在相对的两侧上)。
在如上所述包括两组齿轮和两个保持构件的实施例中，优选地，铰链包括在两个保持构件之间延伸的托持构件，托持构件被布置为限制两组齿轮相对于彼此例如在平行于齿轮轴线的方向上的移动。托持构件因此作用于保持两个保持构件之间的距离并且优选地还保持两组齿轮之间的距离，从而有助于增加铰链的平面外刚度。
托持构件可以以任何合适的和期望的方式(例如避开带状弹簧)形成并附接到保持构件。例如，托持构件可为在两个保持构件之间配合的单独部分，托持构件可与两个保持构件整体形成，或者托持构件的至少一部分可与保持构件中的一者或两者整体形成。
保持构件可由任何合适的和期望的材料例如与齿轮和/或支撑构件相同的材料制成。在一个实施例中，保持构件包含金属(例如铝、(不锈)钢、青铜或钛)、(热塑性)塑料和例如模塑、3D打印或机器加工的复合物(例如纤维增强塑料)中的一种或多种。
铰链(和其部件)可为例如铰链连接和展开的可展开结构的元件的要求所必需的任何合适的和期望的大小。在一个实施例中，带状弹簧在纵向延伸时长度在0.01m和2m之间，例如在0.05m和1m之间，例如在0.1m和0.5m之间，例如在0.25m和0.4m之间。
在一组实施例中，铰链包括止动件，其被布置为防止铰链打开比预定打开角度(当铰链展开时带状弹簧的两端之间的角度)更大的角度。提供止动件有助于在铰链展开时控制铰链行进的终点，例如使得铰链不超出其预期的打开角度。这进一步有助于可展开结构的元件的精确展开。
打开止动件可以以任何合适的和期望的方式(例如形成铰链的一部分或附接到铰链的任何合适的和期望的部件)设置在铰链上。在一个实施例中，保持构件包括止动件。这在保持构件包括板件的实施例中尤其方便。在该实施例中，优选地，止动件包括突出构件，该突出构件在平行于齿轮的轴线的方向上从保持构件突出，其中突出构件被布置为与相应的齿轮和/或支撑构件接合以防止铰链打开比预定打开角度更大的角度。优选地，止动件包括在平行于齿轮的轴线的方向上从保持构件突出的两个突出构件，其中突出构件被布置为与相应的齿轮和/或支撑构件接合以防止铰链打开比预定打开角度更大的角度。
在另一个实施例中，齿轮中的一个或多个包括打开止动件。在该实施例中，优选地，止动件包括在垂直于齿轮的轴线的方向上从齿轮中的一个或多个突出的突出构件，其中突出构件被布置为与两个齿轮中的另一个或从该齿轮突出的突出构件接合，以防止铰链打开比预定打开角度更大的角度。优选地，(啮合在一起的)两个齿轮中的每个具有包括突出构件的打开止动件，这些突出构件以预定打开角度彼此邻接。
例如取决于铰链的设计和预期用途，预定打开角度可为任何合适的和期望的角度。在优选的实施例中，预定打开角度小于或等于180度，例如大约180度。这防止铰链打开比铰链期望展开的角度更大的角度。在防止带状弹簧锁定的实施例中，优选地，止动件被布置为使得预定打开角度小于180度，例如使得打开止动件防止带状弹簧锁定。在带状弹簧锁定的实施例中，优选地，止动件被布置为允许带状弹簧锁定但防止铰链比带锁定的打开角度基本上更进一步打开。通常该打开角度(带状弹簧以该打开角度锁定)将大约为180度。(应注意，虽然带状弹簧一般将被布置为以大约180度的打开角度锁定，但是在该配置中支撑构件(并且因此铰链的两侧的其余部分)可相对于彼此形成不同的角度。)
附加地或另选地，在一组实施例中，铰链包括被布置为防止铰链以小于预定闭合角度(铰链展开之前带状弹簧的两端之间的角度)保持在一起的止动件。提供止动件有助于例如通过释放机构控制铰链在其被展开之前所保持的最小角度。优选地，预定闭合角度小于5度。
闭合止动件可以以任何合适的和期望的方式例如形成铰链的一部分或附接到铰链的任何合适的和期望的部件设置在铰链上。在一个实施例中，保持构件包括止动件。这在保持构件包括板件的实施例中尤其方便。在该实施例中，优选地，止动件包括在平行于齿轮轴线的方向上从保持构件突出的突出构件，其中突出构件被布置为与相应的齿轮和/或支撑构件接合以防止铰链打开比预定打开角度更大的角度。在铰链包括两组齿轮和两个保持构件的实施例中，如上所述，在托持构件在两个保持构件之间延伸的情况下，优选地，托持构件包括止动件。
在另一个实施例中，齿轮中的一个或多个包括闭合止动件。在该实施例中，优选地，止动件包括在垂直于齿轮的轴线的方向上从齿轮中的一个或多个突出的突出构件，其中突出构件被布置为与两个齿轮中的另一个或从该齿轮突出的突出构件接合，以防止铰链以小于预定闭合角度保持在一起。优选地，(啮合在一起的)两个齿轮中的每个具有包括突出构件的闭合止动件，这些突出构件以预定打开角度彼此邻接。
在进一步的实施例中，支撑构件中的一个或多个包括闭合止动件。在该实施例中，优选地，止动件包括在垂直于齿轮轴线的方向上从支撑构件中的一个或多个突出的突出构件，其中突出构件被布置为与两个支撑构件中的另一个或从该支撑构件突出的突出构件接合，以防止铰链以小于预定闭合角度保持在一起。优选地，两个支撑构件中的每个具有包括突出构件的闭合止动件，这些突出构件以预定打开角度彼此邻接。
在一个实施例中，止动件包括被布置为当止动件起作用例如与相应的齿轮和/或支撑构件接合时阻碍铰链的移动的阻尼装置。这在止动件被设置为防止铰链打开比预定打开角度更大的角度的实施例中尤其方便，因为阻尼机构有助于减小可在铰链到达最大打开角度并且止动件接合时产生的任何冲击，从而通过铰链和可展开结构的相关联元件将任何冲击波的传播最小化。
在一个实施例中，止动件(闭合止动件和打开止动件中的一者或两者，但是优选地为打开止动件)包括电端子，其中当止动件接合时进行电连接。这允许通过铰链例如在可展开结构的不同元件之间进行电连接，使得可向附接到可展开结构的元件的部件提供电力和/或电信号。其还使得能够提供反馈以确认铰链已正确地展开。因此，仅在铰链已正确地展开的情况下进行电连接，并且因此将仅在铰链已正确地展开的情况下提供电力和/或电信号。
附图说明
现在将仅以示例的方式参考附图描述发明的实施例，在附图中：
图1a、图1b和图1c示出根据本发明的铰链的实施例；
图2a和图2b示出根据本发明的铰链的进一步实施例；以及
图3a、图3b、图3c和图3d示出不同展开阶段期间图2a和图2b所示的铰链的实施例。
具体实施方式
附图所示的实施例旨在用于连接可展开结构诸如天线、太阳能面板、太阳帆等等中的元件，使得这些互连的元件能够以协调的方式移动以便将结构展开。例如用于发射到太空中的此类可展开结构通常在发射时折叠并且随后在它们到达其预期目的地例如轨道时展开。
图1a、图1b和图1c示出根据本发明的铰链1的第一实施例。铰链1包括各自经由共用的安装构件6附接到可展开结构(未示出)的相应元件4的两组两个支撑构件2(形成为支柱)，铰链1被设置为允许元件4相对于彼此旋转。在其端部处，支撑构件2中的每个附接到相应的齿轮8。
因此，铰链包括两组正齿轮8，每对正齿轮包括齿轮支撑件12并且在齿轮齿10处啮合在一起。在每个齿轮8的圆周周围形成110度的弧的齿轮齿10由PEEK制成并且用三个螺钉附接到相应的齿轮支撑件12。为齿轮齿10使用PEEK提供齿轮齿10之间的增加的摩擦，该摩擦有助于将展开期间齿轮8之间的任何滑动最小化。齿轮支撑件12与相应的支撑构件支柱12由铝整体浇铸而成。
每组齿轮齿10(并且因此每个齿轮8)具有相同的曲率半径，并且因此每组两个啮合的齿轮的传动比为1。
两个带状弹簧16(为了清楚起见图1a中未示出)附接到支撑件的每个共用的安装构件6并且在支撑件的每个共用的安装构件6之间延伸。带状弹簧16由铍铜制成并且在安装构件6的相对的两侧上平行地附接到彼此。带状弹簧16附接到安装构件6，使得它们基本上各自位于与齿轮8被布置为旋转的平面垂直的平面中。带状弹簧16各自具有弯曲的横截面(至少在如图1c所示的其纵向延伸的配置中)并且附接到安装构件6使得其凹侧面向彼此。
铰链1还包括两个保持板18(为清楚起见图1a中仅以轮廓线示出)，其附接到铰链1的任一侧并且位于与齿轮8旋转的平面平行的平面中。相应的一对齿轮8的两条轴20在保持板18中的每个中整体形成。轴20在相应的支撑构件支柱12附接到相应的齿轮支撑件12，并且形成每个齿轮旋转围绕的轴线的点处在垂直于保持板18的方向上延伸。因此，轴20与齿轮支撑件12形成滑动轴承并且允许每对齿轮8相对于彼此和相应的保持板18旋转，保持板18作用于保持轴20之间的恒定距离并且因此保持齿轮8的旋转的轴线之间的恒定距离。
保持板18通过在保持板18中整体形成的轴20附接到相应的一对齿轮8作用于将齿轮8的旋转约束至垂直于其轴20的平面，并且因此限制齿轮8在该平面外的方向上的移动。
一对止动件22也在保持板18中的每个中整体形成，该止动件22垂直于保持板18的平面从保持板18的边缘突出，并且被布置为在铰链1处于完全延伸的配置即图1c所示配置时与支持构件2接合。因此，止动件22防止铰链1打开至比图1c所示更大的角度，从而防止带状弹簧16超出其完全延伸的配置。
托持构件24与两个保持板18中的每个整体形成，该托持构件24有助于使保持板18保持固定在相同的相应平面中并且因此有助于限制齿轮8在其旋转平面之外的方向上的移动。当铰链处于其完全折叠配置(如图1b所示)时，托持构件24还充当止动件以有助于防止铰链1折叠为超过该位置。
在操作中，铰链1连接在可展开结构的两个元件6之间，并且因此将可展开结构的两个元件6互连。在展开之前，例如对于发射航天器，将铰链1折叠成图1b所示的折叠配置。在该配置中，通过共用的安装构件4保持在其相应的两个端部处的带状弹簧16沿平行于齿轮8的轴线的方向弯曲。当带状弹簧16像这样发生弯曲时，它们拥有一定量的储存应变能。在航天器的发射期间，例如在期望展开铰链1之前，为对抗该储存应变能并因此将铰链1保持在其折叠配置，铰链包括用于将铰链1(并且因此将带状弹簧16)保持在其折叠配置的释放机构(由于该释放机构附接到可展开结构的元件4而未示出)。
在折叠配置(如图1b所示)中，托持构件24充当止动件，与支持构件2的边缘接合以防止铰链1例如在释放机构的作用下比图1b所示配置更远地往回折叠。
当期望展开可展开结构(并且因此展开铰链1)时，例如当航天器到达其目的地时，释放机构释放铰链1，使得带状弹簧16的储存的应变能可用作将铰链1通过图1a所示的部分张开的配置并朝图1c所示的其完全延伸配置进行致动。
带状弹簧16的该张开作用于经由其到带状弹簧16所附接的支撑构件2的连接使铰链1的齿轮8旋转，并且因此将铰链1从图1b所示的其折叠配置致动为图1c所示的其延伸配置。以这种方式，铰链1的致动使可展开结构的互连元件6相对于彼此旋转以有助于展开可展开结构。
在带状弹簧16的张开期间，齿轮齿10之间的摩擦有助于控制铰链1的展开，即防止其过快地展开。并且，在张开期间，保持板18(以及啮合的齿轮齿10在较小程度上)作用于将齿轮8的旋转约束在相应的平行平面内并限制齿轮8在这些平面外的方向上的任何移动，否则在展开期间可通过带状弹簧16的不可预测的移动(该不可预测的移动中的一些可在平面外)导致这些平面外的移动。
由于保持板18的作用，铰链1在展开期间的该增加的刚度增加了通过带状弹簧16将铰链1致动到其延伸配置的精确度和可预测性。
如图1c所示，当带状弹簧16到达其完全延伸配置并且铰链1完全打开时，保持板18上的止动件22与支持构件支柱2发生接触以防止铰链1打开为超过该位置。
一旦带状弹簧16已完全张开并且铰链1已完全打开成图1c所示的延伸配置，带状弹簧16就由于带状弹簧16的曲率而沿其长度(在与纵向延伸的方向垂直的方向上)锁定，从而将铰链1保持在图1c所示的其延伸配置中。除了保持板16的作用之外，一旦铰链1已展开，带状弹簧16的该锁定就还增加了铰链1的平面外的刚度，这因此增加了铰链为其部分的可展开结构的刚度。
现在将参考图2a和图2b描述发明的进一步实施例。
图2a和图2b示出根据本发明的铰链101的第二实施例的前视图和反向视图。铰链101的该实施例的总体设计类似于图1a、图1b和图1c所示铰链的实施例，其中铰链也包括可展开结构(未示出)的相应的元件能够附接到的两个安装构件106，以及附接到可展开结构元件从其附接的安装构件106的相对的两侧并且在安装构件106的相对的两侧之间延伸的两个带状弹簧116。
然而，图2a和图2b所示的铰链101的实施例与图1a、图1b和图1c所示的实施例的不同之处在于，铰链101仅包括通过相应的支撑构件102附接到相应的安装构件106的单对正齿轮108(具有相等的曲率半径并且因此传动比为1)，该支撑构件102从带状弹簧106偏移。每个齿轮108、对应的支撑构件102和对应的安装构件106作为单个件由3D打印的热塑性塑料整体形成。
两个整体形成的件在两组齿轮齿110处接合并且通过安装到轴120上的保持构件118保持在一起，该轴120从齿轮108突出并且与齿轮108整体形成。因此，轴120与保持构件118形成滑动轴承并且允许每对齿轮108相对于彼此和保持构件118旋转，保持构件118作用于保持轴120之间的恒定距离并且因此保持齿轮108的旋转轴线之间的恒定距离。
两个带状弹簧116由碳纤维复合物整体形成，圆柱部分117在各自共轴安装到从安装构件106突出的对应的圆柱部分119上的带状弹簧116的每个端部处形成。
正如图1a、图1b和图1c所示的实施例，保持构件118通过齿轮108中整体形成的轴120附接到一对齿轮108作用于将齿轮108的旋转约束至垂直于其轴120的平面，并且因此限制齿轮108在该平面外的方向上的移动。
一对止动件122也在一对齿轮108中整体形成，该止动件122在齿轮108的边缘的切线处从齿轮108的边缘突出并被布置为当铰链101处于其完全延伸配置，即图2a和图2b所示配置时彼此接合。因此，止动件122防止铰链101打开至比图1c所示更大的角度，从而防止带状弹簧116超出其完全延伸配置。
第二对止动件124也在所述对齿轮108中整体形成，其从齿轮108的另一侧突出。这些止动件124被布置为防止铰链101在释放机构(未示出)的作用下比图3a所示配置更远地往回折叠。
现在将额外参考示出处于不同的展开阶段的铰链101的图3a、图3b图3c和图3d描述图2a、图2b和图2c所示的铰链的操作。
铰链101的该实施例的操作非常类似于图1a、图1b和图1c所示的实施例的操作。铰链101连接在可展开结构的两个元件之间。在展开之前，铰链101通过释放机构保持在图3a所示的折叠配置。止动件124接合在一起以防止铰链101更进一步地往回折叠。
当展开时，带状弹簧116的储存的应变能将铰链101通过图3b和然后图3c所示的部分张开配置致动，直到其达到图3d所示的其完全延伸配置。因此，带状弹簧116的该张开和铰链101的旋转作用于使可展开结构(未示出，但是该可展开结构将附接到铰链101的安装构件106)的互连元件相对于彼此旋转，以有助于将可展开结构展开。
如图3d所示，当带状弹簧116到达其完全延伸配置并且铰链101完全打开时，止动件122在齿轮108的另一侧上发生接触，以防止铰链101打开超过该位置。正如图1a、图1b和图1c所示的铰链1，带状弹簧116在它们已完全张开并且铰链101已完全打开成图3d所示的延伸配置时沿带状弹簧116的长度锁定，从而将铰链101保持在该配置。
而且，正如图1a、图1b和图1c所示的铰链1与图2a、图2b、图2c、图3a、图3b、图3c和图3d所示的铰链101中的保持构件118和齿轮齿110的啮合以及带状弹簧116的锁定增加了铰链101在展开期间的平面外刚度，并且一旦铰链已被展开，则其因此增加铰链101为其一部分的可展开结构的刚度。
从上面可以看出，在本发明的至少优选的实施例中，由于提供齿轮和保持构件或板件，所以用于可展开结构的铰链被设置为与常规铰链相比较具有增加的刚度，同时还结合带状弹簧作为低质量、可靠且简单的致动机构。这提供了用于例如用于太空中的可展开结构的特别精确和可靠的铰链。

Claims (17)

1.一种用于附接在可展开结构中的两个元件之间的铰链，所述铰链包括：
两个支撑构件，所述两个支撑构件各自用于附接到所述可展开结构的元件或形成所述可展开结构的所述元件的一部分；
两个齿轮，所述两个齿轮彼此啮合，每个齿轮附接到所述支撑构件中的相应的一个，并且所述齿轮被布置为相对于彼此围绕平行轴线旋转；
带状弹簧，所述带状弹簧附接到所述支撑构件并且在所述支撑构件之间延伸，所述带状弹簧在垂直于所述齿轮的所述轴线的方向上纵向延伸时基本上位于平行于所述齿轮的所述轴线的平面中，并且所述带状弹簧被布置为将所述铰链从所述带状弹簧沿平行于所述齿轮的所述轴线的方向弯曲的折叠配置朝所述带状弹簧纵向延伸的延伸配置致动；以及
保持构件，所述保持构件附接到所述齿轮和所述支撑构件中的一者或两者，所述保持构件被布置为限制所述齿轮在所述齿轮的所述轴线之间延伸的方向上的分离。
2.根据权利要求1所述的铰链，其中所述保持构件附接到所述两个齿轮中的每个的轴并在所述两个齿轮中的每个的轴之间延伸。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的铰链，其中所述保持构件被布置为限制所述齿轮在垂直于所述齿轮的所述轴线的平面外的方向上的移动。
4.根据权利要求3所述的铰链，其中所述保持构件被布置为将所述齿轮在垂直于所述齿轮的所述轴线的平面外的方向上的所述移动限制为小于1度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，其中所述支撑构件附接到相对于所述啮合的齿轮齿的所述齿轮的相对侧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，其中所述支撑构件中的每个纵向延伸，其具有用于附接到所述可展开结构的相应元件的一个端部和用于附接到所述齿轮中的相应一个的相对的端部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，其中每个齿轮上的所述齿轮齿被设置为围绕所述圆周的弧，其中所述弧对着80度和140度之间的角度，例如90度和130度之间，例如100度和120度之间，例如大约110度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，进一步包括：
两组彼此啮合的两个齿轮和两组两个支撑构件，所述两个支撑构件各自用于附接到所述可展开结构的元件，每个齿轮附接到相应的一个所述支撑构件，并且每组中的所述齿轮被布置为围绕平行轴线相对于彼此旋转；以及
两个保持构件，每个保持构件附接到所述组齿轮和/或所述支撑构件中的一者或两者，每个保持构件被布置为限制所述相应齿轮在所述相应齿轮的所述轴线之间延伸的方向上的所述分离。
9.根据权利要求8所述的铰链，进一步包括托持构件，所述托持构件在所述两个保持构件之间延伸，所述托持构件被布置为限制所述两组齿轮相对于彼此的移动。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的铰链，其中所述两组齿轮被布置在所述带状弹簧的任一侧。
11.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，其中所述铰链被布置为使得在所述铰链的所述延伸配置中，允许所述带状弹簧延伸成其完全纵向延伸的配置，使得所述带状弹簧被布置为锁定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，进一步包括两个或多个带状弹簧，每个带状弹簧附接到所述支撑构件并在所述支撑构件之间延伸，所述带状弹簧在垂直于所述齿轮的所述轴线的方向上纵向延伸时基本上位于平行于所述齿轮的所述轴线的平面中，并且所述带状弹簧被布置为将所述铰链从所述带状弹簧沿平行于所述齿轮的所述轴线弯曲的折叠配置朝所述带状弹簧纵向延伸的延伸配置致动。
13.根据权利要求12所述的铰链，其中所述带状弹簧被布置为在垂直于其基本上位于的平面的方向上彼此平行并且彼此隔开。
14.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，进一步包括释放机构，所述释放机构用于将所述铰链保持在其折叠配置，并且所述释放机构被布置为释放所述铰链使得所述带状弹簧将所述铰链朝其延伸配置致动。
15.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，进一步包括打开止动件，所述打开止动件被布置为防止所述铰链打开比预定打开角度更大的角度。
16.根据权利要求15所述的铰链，其中所述打开止动件被布置为允许所述带状弹簧锁定，但防止所述铰链比所述带锁定的所述打开角度基本上更进一步打开。
17.根据前述权利要求中任一项所述的铰链，进一步包括闭合止动件，所述闭合止动件被布置为防止所述铰链以小于预定闭合角度保持在一起。
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