CN109896052A - 一种利用sma丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，包括：外壳、两个承力螺杆、飞轮螺母、挡块、导向器、SMA丝、二级摆臂和一级摆臂，外壳的前后两侧均设有通孔，内壁上设有导轨；两个承力螺杆分别由外壳前后通孔插入外壳内；飞轮螺母位于外壳前后两侧的通孔间，分别与两个承力螺杆螺接形成非自锁螺纹副旋合，两个承力螺杆与飞轮螺母间皆设有拉力预紧力；挡块与外壳内壁上的导轨滑动连接；导向器安装在外壳的内壁上；SMA丝的两端分别连接两个导向器且绕经转向环；二级摆臂设有周向预紧力并抵紧挡块；一级摆臂设有周向预紧力并抵紧二级摆臂，且一级摆臂对飞轮螺母周向限位。本发明可靠性高、大承载、低冲击、响应快，能够满足现阶段航天应用的实际需求。

Description

一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构

技术领域

本发明涉及一种解锁分离机构，具体地，涉及一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构。

背景技术

卫星随运载火箭发射升空后，在适当的时机需要进行星箭分离以保证卫星进入预定轨道正常工作。传统的星箭级间分离动作主要是通过爆炸螺栓、作动筒和反推火箭等火工触发方式实现，多个型号的星箭分离冲击试验表明，火工分离装置在星箭分离作动过程中产生巨大冲击，量级可达10000G以上，此类冲击将造成星上敏感部件和精密有效载荷的力学环境超标，影响产品精度和使用寿命。为保证卫星在轨高精度分离，迫切需要解决大承载、低冲击、非火工分离技术难题。

针对以上问题研制的非火工连接解锁机构应具有分离冲击小、解锁过程无污染、可重复使用等优点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，提供一种具有高可靠性、大承载、低冲击的连接解锁机构，用以满足现阶段航天应用的实际需求。

本发明提供了一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，包括：外壳、两个承力螺杆、飞轮螺母、挡块、导向器、SMA丝、二级摆臂和一级摆臂，

所述外壳由前后两半壳组成，所述外壳的前后两侧均设有通孔，所述外壳的内壁上设有导轨；

所述两个承力螺杆分别由所述外壳前后两侧的通孔插入所述外壳内；

所述飞轮螺母位于所述外壳前后两侧的通孔间，分别与所述两个承力螺杆螺接形成非自锁螺纹副旋合，所述两个承力螺杆与所述飞轮螺母间皆设有拉力预紧力，且两股拉力预紧力对称；

所述挡块与所述外壳内壁上的导轨滑动连接,且所述挡块上还安装有转向环；

所述两个导向器均安装在所述外壳的内壁上；

所述SMA丝的两端分别连接所述两个导向器，且所述SMA丝绕经所述转向环；

所述二级摆臂的一端转动连接于所述外壳的内壁，且所述二级摆臂设有周向预紧力并抵紧所述挡块；

所述一级摆臂的一端转动连接于所述外壳的内壁，且所述一级摆臂设有周向预紧力并抵紧所述二级摆臂，且所述一级摆臂卡紧所述飞轮螺母，对所述飞轮螺母周向限位。

进一步的，所述解锁分离机构还包括导向环，所述导向环安装于所述外壳的内壁上，且所述SMA丝在所述两个导向器间绕经所述导向环和所述转向环。

进一步的，所述转向环安装在所述挡块相对所述导向环的一侧，所述SMA丝通过转向环带动所述挡块。

进一步的，所述解锁分离机构还包括弹簧导向器，所述弹簧导向器安装于所述外壳的内壁上，且位于所述挡块附近。

进一步的，所述解锁分离机构还包括弹簧，所述弹簧分别连接所述挡块和所述弹簧导向器，且所述弹簧具有预紧力。

进一步的，所述解锁分离机构还包括两个轴承，所述两个轴承分别对称安装于所述外壳的前后半壳内壁上的通孔处，且所述两个轴承分别接触所述飞轮螺母的两侧。

进一步的，所述两个轴承采用圆锥滚子轴承。

进一步的，所述飞轮螺母的质量集中于外圈。

进一步的，所述两个承力螺杆和飞轮螺母均采用多线大升角梯形螺纹。

进一步的，所述两个承力螺杆的旋向相反。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、传统的星箭级间解锁分离机构，采用火工作动，解锁瞬间会产生10000g量级以上的冲击，本发明所述的解锁分离机构从冲击源头和能量传递路径两方面降低冲击：1)以智能材料SMA丝代替火工爆炸触发，从源头降震，将4000Hz频域内的分离冲击控制在500g以内。2)解锁过程中，将螺杆中的预紧应变能转化为飞轮高速旋转的动能，延长载荷释放时间，通过能量形式转化降低冲击。

2、本发明的两个承力螺杆与飞轮螺母，采用大承载梯形非自锁螺纹结构，可实现连接状态下的可靠锁紧，解锁状态下的快速分离。

3、本发明采用二级摆臂机构对飞轮螺母进行周向限位，多级增力，有效减小解锁所需的触发力，实现以小丝径SMA丝触发，大大提高解锁响应速度。

4、本发明有效避免了传统火工爆炸产生的结构破坏游离物和燃烧烟气污染，有效降低了对高精度光学镜头及电子线路设备污染的风险。

5、本发明结构简单、性能可靠、可实现大承载条件下的快速解锁。经实验测试，解锁时间稳定在800ms以内。

附图说明

图1是本发明所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构的锁紧状态结构示意图(隐藏部分壳体)；

图2是本发明所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构的解锁状态结构示意图(隐藏部分壳体)；

图3是本发明所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构的立体示意图。

图中：1为两个轴承，2为两个承力螺杆，3为飞轮螺母，4为两个导向器，5为螺钉，6为弹性挡圈，7为导向环，8为螺母，9为螺栓，10为壳体，11为弹簧导向器，12为弹簧，13为SMA丝，14为转向环，15为挡块，16为二级摆臂，17为一级摆臂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-图3所示，本发明提出了一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，包括：外壳10、两个承力螺杆2、飞轮螺母3、挡块15、导向器5、SMA丝13、二级摆臂16和一级摆臂17，

外壳10由前后两半壳组成，通过螺母8和螺栓9将前后两半壳固定在一起形成完整外壳10，外壳10的前后两侧均设有通孔，外壳10的内壁上设有导轨；

两个承力螺杆2分别由外壳10前后两侧的通孔插入外壳10内；

飞轮螺母3位于外壳10前后两侧的通孔间，分别与两个承力螺杆2螺接形成非自锁螺纹副旋合，两个承力螺杆2与飞轮螺母3间皆设有拉力预紧力，且两股拉力预紧力对称；

挡块15与外壳10内壁上的导轨滑动连接，且挡块15上还安装有转向环14；

两个导向器4均安装在外壳10的内壁上；

SMA丝13的两端分别连接两个导向器4，且SMA丝13绕经转向环14；

二级摆臂16的一端转动连接于外壳10的内壁，且二级摆臂16设有周向预紧力并抵紧挡块15；

一级摆臂17的一端转动连接于外壳10的内壁，且一级摆臂17设有周向预紧力并抵紧二级摆臂16，且一级摆臂17卡紧飞轮螺母3，对飞轮螺母3周向限位。

具体的，工作过程中，利用直流电源对SMA丝13进行通电加热，SMA丝13收缩(SMA丝13在低于其相变温度时经过预拉伸会变长，最大拉伸率根据丝径的不同而有所不同；当温度高于相变温度之后，SMA丝13会回缩到预拉伸之前的长度，回缩过程中还会产生应力)，拉动挡块15沿壳体10上的导轨滑动，挡块15运动至一定位置后解除对二级摆臂16的限位，在本实施例中，二级摆臂16在解除限位后会顺时针旋转至导轨的凹槽中，解除对一级摆臂17的限位，进而一级摆臂17顺时针旋转，解除对飞轮螺母3的周向限位。在其他实施例中，可以根据需要改变一级摆臂17和二级摆臂16的预紧力方向以增加配合方式。其中，两个承力螺杆2与飞轮螺母3通过非自锁螺纹连接，飞轮螺母3在其两侧的两个承力螺杆2的拉力预紧力的作用下，飞轮螺母3高速旋转，解除与两个承力螺杆2之间的螺纹副配合并将其旋出，实现解锁。

SMA丝13的两端分别与两个导向器4连接，通过两个导向器4固定SMA丝13并对其施加预紧力。在本市实施例中，挡块15上有孔，孔中插入耳轴，耳轴上套有转向环14，转向环14为圆环状且外表面有圆弧形凹槽，SMA丝13仅绕过转向环14，进而对挡块15起拉动作用。

参照图2-图3所示，在本发明部分优选实施例中，解锁分离机构还包括导向环7，导向环7安装于外壳10的内壁上，且SMA丝13在两个导向器4间绕经导向环7和转向环14。

具体的，SMA丝13的收缩率在5％左右，故需要较长的SMA丝才能满足解锁时的位移要求，导向环7在本装置中起到对SMA丝13的导向和支撑作用，在SMA丝13收缩过程中导向环7可转动，减小SMA丝13与其之间的摩擦阻力，进而减小力的损耗，且导向环7为绝缘材料二硫化钼，避免SMA丝13在通电加热过程中出现短路问题。

参照图2-图3所示，在本发明部分优选实施例中，转向环14安装在挡块15上相对导向环7的一侧，SMA丝13通过转向环14带动挡块15运动。

具体的，在本实施例中，SMA丝13从其中一个导向器4出发，经过其中一个导向环7后经转向环14转向，后经三个导向环7到达另一个导向器4。

参照图2-图3所示，在本发明部分优选实施例中，解锁分离机构还包括弹簧导向器11，弹簧导向器11安装于外壳10的内壁上，且位于挡块15附近。

具体的，弹簧导向器11用于限制弹簧12的放置方向，再具体实施过程中，应通过弹簧导向器11调整弹簧12的朝向，使其朝向挡块15设置。

参照图2-图3所示，在本发明部分优选实施例中，解锁分离机构还包括弹簧12，弹簧12分别连接挡块15和弹簧导向器11，且弹簧12具有预紧力。

具体的，在本发明的解锁分离机构处于锁紧状态下，弹簧12能够通过预紧力，使挡块15稳定限位二级摆臂16，防止挡块15从二级摆臂16上滑落。一级摆臂17、二级摆臂16和挡块15是分离装置实现大承载的关键组件。在锁紧状态下，一级摆臂17通过异形结构卡到飞轮螺母3的卡槽中，对飞轮螺母3进行限位，挡块15压紧二级摆臂16，进而对一级摆臂17进行限位。通过二级增力机构，将飞轮螺母3上的载荷逐级降低，最终转化为二级摆臂16对挡块15的正压力。

参照图2-图3所示，在本发明部分优选实施例中，解锁分离机构还包括两个轴承1，两个轴承1分别对称安装于外壳10的前后半壳内壁上的通孔处，且两个轴承1分别接触飞轮螺母3的两侧。

在本发明部分优选实施例中，两个轴承1采用圆锥滚子轴承。

具体的，为减小飞轮螺母3在高速旋转过程中的摩擦阻力，在飞轮螺母3与壳体10之间增加两个轴承1，解锁过程中，两个轴承1既要承受飞轮螺母3高速转动产生的径向力，还需承受加载过程中两侧螺纹旋合不同步产生的轴向力，故选取可同时承受较大径向、轴向联合载荷的圆锥滚子轴承，这种轴承内外圈可分离，拆装方便，一般成对使用以抵消由径向力产生的轴向力。

在本发明部分优选实施例中，飞轮螺母3的质量集中于外圈。

具体的，飞轮螺母3的质量集中于外圈，使得飞轮螺母3外圈的惯性较大，一旦飞轮螺母3旋转起来，其外圈可以获得足够的惯性维持飞轮螺母3持续转动，达到解锁目的。

在本发明部分优选实施例中，两个承力螺杆2和飞轮螺母3均采用多线大升角梯形螺纹。

在本发明部分优选实施例中，两个承力螺杆2的旋向相反。

具体的，两个承力螺杆2、飞轮螺母3、两个轴承1主要构成了一套连接与分离组件，主要功能为通过螺纹连接实现对被连接结构的轴向锁紧，通过不同旋向的两个承力螺杆2与飞轮螺母3间螺纹副的旋合与脱离来实现整个装置的连接与分离。锁紧状态下，沿两个承力螺杆2轴向施加对称的预紧力，载荷通过非自锁螺纹副传递至飞轮螺母3，轴向拉力转化为飞轮螺母3的扭矩。解锁时，通过飞轮螺母3高速旋转将螺杆2直线旋出，为实现快速动作，螺杆螺母3和两个承力螺杆2均采用多线大升角梯形螺纹，配合面以二硫化钼溅射润滑，具有良好的非自锁性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，包括：外壳(10)、两个承力螺杆(2)、飞轮螺母(3)、挡块(15)、两个导向器(4)、SMA丝(13)、二级摆臂(16)和一级摆臂(17)，

所述外壳(10)由前后两半壳组成，所述外壳(10)的前后两侧均设有通孔，所述外壳(10)的内壁上设有导轨；

所述两个承力螺杆(2)分别由所述外壳(10)前后两侧的通孔插入所述外壳(10)内；

所述飞轮螺母(3)位于所述外壳(10)前后两侧的通孔间，分别与所述两个承力螺杆(2)螺接形成非自锁螺纹副旋合，所述两个承力螺杆(2)与所述飞轮螺母(3)间皆设有拉力预紧力，且两股拉力预紧力对称；

所述挡块(15)与所述外壳(10)内壁上的导轨滑动连接，且所述挡块(15)上还安装有转向环(14)；

所述两个导向器(4)均安装在所述外壳(10)的内壁上；

所述SMA丝(13)的两端分别连接所述两个导向器(4)，且所述SMA丝(13)绕经所述转向环(14)；

所述二级摆臂(16)的一端转动连接于所述外壳(10)的内壁，且所述二级摆臂(16)设有周向预紧力并抵紧所述挡块(15)；

所述一级摆臂(17)的一端转动连接于所述外壳(10)的内壁，且所述一级摆臂(17)设有周向预紧力并抵紧所述二级摆臂(16)，且所述一级摆臂(17)卡紧所述飞轮螺母(3)，对所述飞轮螺母(3)周向限位。

2.根据权利要求1所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述解锁分离机构还包括导向环(7)，所述导向环(7)安装于所述外壳(10)的内壁上，且所述SMA丝(13)在所述两个导向器(4)间绕经所述导向环(7)和所述转向环(14)。

3.根据权利要求2所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述转向环(14)安装在所述挡块(15)相对所述导向环(7)的一侧，所述SMA丝(13)通过转向环(14)带动所述挡块(15)。

4.根据权利要求1所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述解锁分离机构还包括弹簧导向器(11)，所述弹簧导向器(11)安装于所述外壳(10)的内壁上，且位于所述挡块(15)附近。

5.根据权利要求4所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述解锁分离机构还包括弹簧(12)，所述弹簧(12)分别连接所述挡块(15)和所述弹簧导向器(11)，且所述弹簧(12)具有预紧力。

6.根据权利要求1所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述解锁分离机构还包括两个轴承(1)，所述两个轴承(1)分别对称安装于所述外壳(10)的前后半壳内壁上的通孔处，且所述两个轴承(1)分别接触所述飞轮螺母(3)的两侧。

7.根据权利要求6所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述两个轴承(1)采用圆锥滚子轴承。

8.根据权利要求6所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述飞轮螺母(3)的质量集中于外圈。

9.根据权利要求1所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述两个承力螺杆(2)和飞轮螺母(3)均采用多线大升角梯形螺纹。

10.根据权利要求9所述的一种利用SMA丝驱动的飞轮螺母解锁分离机构，其特征在于，所述两个承力螺杆(2)的旋向相反。