CN110654576B - 一种由sma丝驱动的空间解锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，包括顶盖、外罩、底座、SMA合金丝、轴衬、滚珠套、驱动块、恢复弹簧、顶块、上压缩弹簧、下压缩弹簧、上限位滚珠、下限位滚珠和分成若干瓣的分瓣螺母，轴衬、滚珠套、驱动块、恢复弹簧、顶块、上压缩弹簧、下压缩弹簧、上限位滚珠、下限位滚珠和分瓣螺母均设置在由顶盖、外罩、底座组成的腔体结构内，SMA合金丝一端依次穿过底座和下压缩弹簧与驱动块底部固定连接后再依次穿过下压缩弹簧和底座而穿出腔体结构，SMA合金丝的两端与外部电源连接，轴衬设置在滚珠套和外罩之间。本发明采用SMA直线驱动方式，具有低冲击，解锁时间短，运动精度高，低摩擦，无污染可重复使用的优点。

Description

一种由SMA丝驱动的空间解锁装置

技术领域

本发明属于空间解锁装置领域，尤其是涉及一种由SMA丝驱动的空间解锁装置。

背景技术

卫星发射后，很多附属装置如天线，太阳能帆板要求从母体成功分离，以便顺利完成其在轨任务，大多数释放装置为火工装置，作用时间短，体积小，较小的能量输入为其优势，然而这些释放装置很容易造成较高的冲击载荷和空间污染，处理成本巨大，因此需要研究一种能够代替传统火工装置的分离装置，它较火工装置的优势在于低冲击载荷，无污染，可重复使用。由于形状记忆合金SMA独特的形状记忆性能，较大的输出应变，在变形条件下，当温度超过其相应相变温度时，能够恢复其原始形状，在一定条件下这种恢复变形能够重复，最大恢复应变能够达到8％，因此可以作为驱动源使用。现有的分瓣螺母锁紧机构，冲击较大，非直线SMA驱动，驱动力小，滚珠的运动精度难以保证，本专利采用SMA直线驱动方式，具有低冲击，解锁时间短，运动精度高，低摩擦，无污染可重复使用优势。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，采用SMA直线驱动方式，具有低冲击，解锁时间短，运动精度高，低摩擦，无污染可重复使用的优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，包括从上到下由顶盖、外罩和底座组成的腔体结构、SMA合金丝、轴衬、滚珠套、驱动块、恢复弹簧、顶块、上压缩弹簧、下压缩弹簧、上限位滚珠、下限位滚珠和分成若干瓣的分瓣螺母，所述的轴衬、滚珠套、驱动块、恢复弹簧、顶块、上压缩弹簧、下压缩弹簧、上限位滚珠、下限位滚珠和分成若干瓣的分瓣螺母均设置在腔体结构内；

所述的滚珠套底部固定在底座上，所述的驱动块和下压缩弹簧设置在滚珠套内部，所述的下压缩弹簧的上端顶靠在驱动块上，下端顶靠在底座上，所述的下限位滚珠设置在滚珠套的中部侧壁上的通孔内，所述的驱动块的侧表面设有容纳下限位滚珠的第一凹槽，所述的滚珠套的顶部设有上压缩弹簧容纳槽，所述的上压缩弹簧上端顶靠在顶块的下表面，下端顶靠在上压缩弹簧容纳槽的槽底；

所述的SMA合金丝一端依次穿过底座和下压缩弹簧与驱动块底部固定连接后再依次穿过下压缩弹簧和底座而穿出腔体结构，所述的SMA合金丝的两端与外部电源连接，所述SMA合金丝的两端均固定在底座上，所述轴衬设置在滚珠套和外罩之间间隙内，所述的轴衬的内侧壁上部设有容纳上限位滚珠的第二凹槽，所述的轴衬的内侧壁中部设有容纳下限位滚珠的第三凹槽，所述的恢复弹簧套设在轴衬的外侧壁上，所述的恢复弹簧上端顶靠在轴衬上，下端顶靠在底座上；

所述的分瓣螺母的内侧设有与螺栓连接用的螺纹，所述的分辨螺母的外侧面上设有容纳上限位滚珠的第四凹槽，所述的分瓣螺母的上端以锥面与顶盖相配合，所述的分瓣螺母的下端以锥面与顶块上部配合，所述顶块和所述顶盖与所述分瓣螺母之间的所述锥面的倾斜方向适合于促使所述分瓣螺母的分开；

所述的通孔的位置与第一凹槽和第三凹槽的位置相适应，所述的第二凹槽的位置与第四凹槽的位置相适应，所述的螺栓下端顶靠在顶块上，上端穿出顶盖；

锁紧状态下，即SMA合金丝未通电状态，此时的驱动块在下压缩弹簧的支撑下处于滚珠套内部的上部，驱动块上第一凹槽高于滚珠套上的通孔，而滚珠套的通孔和轴衬内侧壁中部的第三凹槽连通，下限位滚珠置于通孔和第三凹槽内，由于轴衬受到恢复弹簧的恢复力作用，对第三凹槽内的下限位滚珠作用有径向力，而下限位滚珠由于受到驱动块的径向约束，限制了下限位滚珠的径向运动，导致下限位滚珠对轴衬有轴向约束力，限制了轴衬的轴向移动，上限位滚珠在轴衬内侧壁上部的第二凹槽内，轴衬施加给上限位滚珠的径向力，对分瓣螺母径向约束促使分瓣螺母保持合拢；

解锁状态下，即对SMA合金丝通电，使其发生相变而收缩，驱动块向下移动，下压缩弹簧被压缩，驱动块上的第一凹槽下移且与滚珠套上的通孔联通时，下限位滚珠进入到第一凹槽中，解除了对轴衬的轴向约束力，轴衬向上运动，带动上限位滚珠进入分瓣螺母上的第四凹槽中，解除了对分瓣螺母的径向约束，分瓣螺母在顶块的作用下进行径向分离，由于上压缩弹簧对顶块和螺栓作用有轴向压力，螺栓被顶块顶出，此时解锁完成。

进一步的，所述驱动块由两个相同的半圆柱块组成，每个所述的半圆柱块的矩形表面上均设有一个SMA合金丝容纳槽，每个所述的半圆柱块的圆柱表面均设有半个第一凹槽，两个半圆柱块贴合在一起后形成一个完整的第一凹槽。

进一步的，所述SMA合金丝在SMA合金丝容纳槽内部分为圆弧状，其余部分为直线状态。

进一步的，所述滚珠套上的通孔均匀设置多个，且每一个通孔内均有一个下限位滚珠，也均匀设置多个。

进一步的，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽均为环形槽，且环形槽的槽口尺寸宽于槽底尺寸设置。

进一步的，所述顶块底部设有与上压缩弹簧容纳槽配合的导向凸起，所述顶块顶部设有与螺栓相抵的平面。

进一步的，所述轴衬外表面设有恢复弹簧用顶靠台。

进一步的，所述分瓣螺母为3瓣或4瓣。

进一步的，所述解锁装置由轻质合金材料制成。

进一步的，所述底座上面设有一层陶瓷绝缘层。

相对于现有技术，本发明所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置具有以下优势：

本发明所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，由于下限位滚珠安装在滚珠套中，滚珠套对其施加轴向约束，保证了多个下滚珠轴向的运动的同步性，该结构能够大大提高解锁精度；在解锁状态下，下限位滚珠进入滚珠套和驱动块中，解除了对轴衬的轴向约束力，恢复弹簧的压缩能部分由滚珠的运动动能消耗，能够减小轴衬对上限位滚珠的冲击力，进而减少了上限位滚珠对分瓣螺母的冲击，因而该结构的优点在于低冲击；采用了SMA合金丝作为驱动元件，且SMA合金丝在SMA合金丝容纳槽内部分为圆弧状，能够增大输出位移，其余部分为直线状态，采用直线驱动方式和滚珠套筒的优化深度，能够保证SMA合金丝的驱动位移和驱动力，大大减少解锁时间；分瓣螺母上下两端分别以锥面与端盖、顶块配合，保证了分瓣螺母的顺利分开和合拢，提高了分离的可靠性；顶块和上压缩弹簧共同作用，辅助了分瓣螺母的分开，进一步提高了分离的成功率，从而提高了可靠性；分瓣螺母的上端和下端均以锥面分别与顶盖和顶块相配合，顶块底部设有与上压缩弹簧容纳槽配合的导向凸起，此种设置具有自定心作用，使得机构在承受任何方向的大的振动和冲击载荷时，都不会有部件发生运动而造成连接失效，抗振动和冲击能力强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置的锁紧状态剖视图；

图3为本发明实施例所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置的解锁状态剖视图；

图4为本发明实施例所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置中的半圆柱块结构示意图。

附图标记说明：

1-底座，2-恢复弹簧，3-外罩，4-轴衬，5-下限位滚珠，6-驱动块，7-分瓣螺母，8-SMA合金丝，9-下压缩弹簧，10-滚珠套，11-上压缩弹簧，12-顶块，13-上限位滚珠，14-顶盖，15-螺栓,16-第一凹槽，17-第三凹槽,18-第四凹槽，19-SMA合金丝容纳槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，包括从上到下由顶盖14、外罩3和底座1组成的腔体结构、SMA合金丝8、轴衬4、滚珠套10、驱动块6、恢复弹簧2、顶块12、上压缩弹簧11、下压缩弹簧9、上限位滚珠13、下限位滚珠5和分成若干瓣的分瓣螺母7，所述的轴衬、滚珠套10、驱动块6、恢复弹簧2、顶块12、上压缩弹簧11、下压缩弹簧9、上限位滚珠13、下限位滚珠5和分成若干瓣的分瓣螺母7均设置在腔体结构内；

所述的滚珠套10底部固定在底座1上，所述的驱动块6和下压缩弹簧9设置在滚珠套10内部，所述的下压缩弹簧9的上端顶靠在驱动块6上，下端顶靠在底座1上，所述的下限位滚珠5设置在滚珠套10的中部侧壁上的通孔内，所述的驱动块6的侧表面设有容纳下限位滚珠5的第一凹槽16，所述的滚珠套10的顶部设有上压缩弹簧容纳槽，所述的上压缩弹簧11上端顶靠在顶块12的下表面，下端顶靠在上压缩弹簧容纳槽的槽底；

所述的SMA合金丝8一端依次穿过底座1和下压缩弹簧9与驱动块6底部固定连接后再依次穿过下压缩弹簧9和底座1而穿出腔体结构，所述的SMA合金丝8的两端分别与外部电源的正负极连接，所述SMA合金丝8的两端均固定在底座1上，所述轴衬4设置在滚珠套10和外罩3之间间隙内，所述的轴衬4的内侧壁上部设有容纳上限位滚珠13的第二凹槽，所述的轴衬4的内侧壁中部设有容纳下限位滚珠5的第三凹槽17，所述的恢复弹簧2套设在轴衬4的外侧壁上，所述的恢复弹簧2上端顶靠在轴衬4上，下端顶靠在底座1上；

所述的分瓣螺母7的内侧设有与螺栓15连接用的螺纹，所述的分瓣螺母7的外侧面上设有容纳上限位滚珠13的第四凹槽18，所述的分瓣螺母7的上端以锥面与顶盖14相配合，所述的分瓣螺母7的下端以锥面与顶块12上部配合，所述顶块12和所述顶盖14与所述分瓣螺母7之间的所述锥面的倾斜方向适合于促使所述分瓣螺母7的分开；

所述的通孔的位置与第一凹槽16和第三凹槽17的位置相适应，所述的第二凹槽的位置与第四凹槽18的位置相适应，所述的螺栓15下端顶靠在顶块12上，上端穿出顶盖14。

所述驱动块6由两个相同的半圆柱块组成，每个所述的半圆柱块的矩形表面上均设有一个SMA合金丝容纳槽19，每个所述的半圆柱块的圆柱表面均设有半个第一凹槽16，两个半圆柱块通过贴合在一起后形成一个完整的第一凹槽16。SMA合金丝8先放入其中一个半圆柱块中的SMA合金丝容纳槽19内，然后将两个半圆柱块合在一起，并用胶粘在一起，使得两个半圆柱块组成一个驱动块6，由于SMA合金丝8在低温时受到下压缩弹簧9拉力作用而发生拉伸变长，形变介于5％-8％，变形长度满足驱动位移，此时要求将SMA合金丝8的两端固定在底座1上。解锁时需对SMA进行通电加热，当材料温度超过其奥氏体相变转化温度后，SMA合金丝8的恢复力大于下压缩弹簧9拉力，SMA合金丝8可以完全收缩到原长，该收缩位移为驱动位移，满足解锁要求。

SMA合金丝8在SMA合金丝容纳槽19内部分为圆弧状，能够增大输出位移，其余部分为直线状态，采用直线驱动方式和滚珠套筒的优化深度，能够保证SMA合金丝8的驱动位移和驱动力，大大减少解锁时间。

滚珠套10上的通孔均匀设置多个，且每一个通孔内均有一个下限位滚珠5，由于下限位滚珠5安装在滚珠套10中，滚珠套10对其施加轴向约束，保证了多个下滚珠5轴向的运动的同步性，该结构能够大大提高解锁精度。

第一凹槽16、第二凹槽、第三凹槽17和第四凹槽18均为环形槽，且环形槽的槽口尺寸宽于槽底尺寸设置，利于下限位滚珠5和上限位滚珠13在环形凹槽内的进出，大大减少解锁时间。

顶块12底部设有与上压缩弹簧容纳槽配合的导向凸起，所述顶块12顶部设有与螺栓15相抵的平面，轴衬4外表面设有恢复弹簧2用顶靠台。

分瓣螺母7为3瓣或4瓣，三个或四个分瓣组成的分瓣螺母7与螺栓15相互配合，其间的螺纹能够有效分散预紧力，便于解锁。

本解锁装置由轻质合金材料制成。

底座1上设有一层陶瓷绝缘层。

分瓣螺母7的若干瓣之间通过弹簧连接，且分瓣螺母7保持合拢状态时，相邻瓣之间的弹簧处于压缩状态，通过弹簧的恢复力更加促进分瓣螺母7的径向分离。

一种由SMA丝驱动的空间解锁装置的工作过程：

锁紧状态下，即SMA合金丝8未通电状态，此时的驱动块6在下压缩弹簧9的支撑下处于滚珠套10内部的上部，驱动块6上第一凹槽16高于滚珠套10上的通孔，而滚珠套10的通孔和轴衬4内侧壁中部的第三凹槽17连通，下限位滚珠5置于通孔和第三凹槽17内，由于轴衬4受到恢复弹簧2的恢复力作用，对第三凹槽17内的下限位滚珠5作用有径向力，而下限位滚珠5由于受到驱动块6的径向约束，限制了下限位滚珠5的径向运动，导致下限位滚珠5对轴衬4有轴向约束力，限制了轴衬4的轴向移动，上限位滚珠13在轴衬4内侧壁上部的第二凹槽内，轴衬4施加给上限位滚珠13的径向力，对分瓣螺母7径向约束促使分瓣螺母7保持合拢；

解锁状态下，即对SMA合金丝8通电，使其发生相变而收缩，驱动块6向下移动，下压缩弹簧9被压缩，驱动块6上的第一凹槽16下移且与滚珠套10上的通孔联通时，下限位滚珠5进入到第一凹槽16中，解除了对轴衬4的轴向约束力，轴衬4向上运动，带动上限位滚珠13进入分瓣螺母7上的第四凹槽18中，解除了对分瓣螺母7的径向约束，分瓣螺母7在顶块12的作用下进行径向分离，由于上压缩弹簧11对顶块12和螺栓15作用有轴向压力，螺栓15被顶块12顶出，此时解锁完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：包括从上到下由顶盖(14)、外罩(3)和底座(1)组成的腔体结构、SMA合金丝(8)、轴衬(4)、滚珠套(10)、驱动块(6)、恢复弹簧(2)、顶块(12)、上压缩弹簧(11)、下压缩弹簧(9)、上限位滚珠(13)、下限位滚珠(5)和分成若干瓣的分瓣螺母(7)，所述的轴衬、滚珠套(10)、驱动块(6)、恢复弹簧(2)、顶块(12)、上压缩弹簧(11)、下压缩弹簧(9)、上限位滚珠(13)、下限位滚珠(5)和分成若干瓣的分瓣螺母(7)均设置在腔体结构内；

所述的滚珠套(10)底部固定在底座(1)上，所述的驱动块(6)和下压缩弹簧(9)设置在滚珠套(10)内部，所述的下压缩弹簧(9)的上端顶靠在驱动块(6)上，下端顶靠在底座(1)上，所述的下限位滚珠(5)设置在滚珠套(10)的中部侧壁上的通孔内，所述的驱动块(6)的侧表面设有容纳下限位滚珠(5)的第一凹槽(16)，所述的滚珠套(10)的顶部设有上压缩弹簧容纳槽，所述的上压缩弹簧(11)上端顶靠在顶块(12)的下表面，下端顶靠在上压缩弹簧容纳槽的槽底；

所述的SMA合金丝(8)一端依次穿过底座(1)和下压缩弹簧(9)与驱动块(6)底部固定连接后再依次穿过下压缩弹簧(9)和底座(1)而穿出腔体结构，所述的SMA合金丝(8)的两端与外部电源连接，所述SMA合金丝(8)的两端均固定在底座(1)上，所述轴衬(4)设置在滚珠套(10)和外罩(3)之间间隙内，所述的轴衬(4)的内侧壁上部设有容纳上限位滚珠(13)的第二凹槽，所述的轴衬(4)的内侧壁中部设有容纳下限位滚珠(5)的第三凹槽(17)，所述的恢复弹簧(2)套设在轴衬(4)的外侧壁上，所述的恢复弹簧(2)上端顶靠在轴衬(4)上，下端顶靠在底座(1)上；

所述的分瓣螺母(7)的内侧设有与螺栓(15)连接用的螺纹，所述的分瓣螺母(7)的外侧面上设有容纳上限位滚珠(13)的第四凹槽(18)，所述的分瓣螺母(7)的上端以锥面与顶盖(14)相配合，所述的分瓣螺母(7)的下端以锥面与顶块(12)上部配合，所述顶块(12)和所述顶盖(14)与所述分瓣螺母(7)之间的所述锥面的倾斜方向适合于促使所述分瓣螺母(7)的分开；

所述的通孔的位置与第一凹槽(16)和第三凹槽(17)的位置相适应，所述的第二凹槽的位置与第四凹槽(18)的位置相适应，所述的螺栓(15)下端顶靠在顶块(12)上，上端穿出顶盖(14)；

锁紧状态下，即SMA合金丝(8)未通电状态，此时的驱动块(6)在下压缩弹簧(9)的支撑下处于滚珠套(10)内部的上部，驱动块(6)上第一凹槽(16)高于滚珠套(10)上的通孔，而滚珠套(10)的通孔和轴衬(4)内侧壁中部的第三凹槽(17)连通，下限位滚珠(5)置于通孔和第三凹槽(17)内，由于轴衬(4)受到恢复弹簧(2)的恢复力作用，对第三凹槽(17)内的下限位滚珠(5)作用有径向力，而下限位滚珠(5)由于受到驱动块(6)的径向约束，限制了下限位滚珠(5)的径向运动，导致下限位滚珠(5)对轴衬(4)有轴向约束力，限制了轴衬(4)的轴向移动，上限位滚珠(13)在轴衬(4)内侧壁上部的第二凹槽内，轴衬(4)施加给上限位滚珠(13)的径向力，对分瓣螺母(7)径向约束促使分瓣螺母(7)保持合拢；

解锁状态下，即对SMA合金丝(8)通电，使其发生相变而收缩，驱动块(6)向下移动，下压缩弹簧(9)被压缩，驱动块(6)上的第一凹槽(16)下移且与滚珠套(10)上的通孔联通时，下限位滚珠(5)进入到第一凹槽(16)中，解除了对轴衬(4)的轴向约束力，轴衬(4)向上运动，带动上限位滚珠(13)进入分瓣螺母(7)上的第四凹槽(18)中，解除了对分瓣螺母(7)的径向约束，分瓣螺母(7)在顶块(12)的作用下进行径向分离，由于上压缩弹簧(11)对顶块(12)和螺栓(15)作用有轴向压力，螺栓(15)被顶块(12)顶出，此时解锁完成。

2.根据权利要求1所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述驱动块(6)由两个相同的半圆柱块组成，每个所述的半圆柱块的矩形表面上均设有一个SMA合金丝容纳槽(19)，每个所述的半圆柱块的圆柱表面均设有半个第一凹槽(16)，两个半圆柱块贴合在一起后形成一个完整的第一凹槽(16)。

3.根据权利要求2所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述SMA合金丝(8)在SMA合金丝容纳槽(19)内部分为圆弧状，其余部分为直线状态。

4.根据权利要求3所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述滚珠套(10)上的通孔均匀设置多个，且每一个通孔内均有一个下限位滚珠(5)。

5.根据权利要求4所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述第一凹槽(16)、第二凹槽、第三凹槽(17)和第四凹槽(18)均为环形槽，且环形槽的槽口尺寸宽于槽底尺寸设置。

6.根据权利要求5所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述顶块(12)底部设有与上压缩弹簧容纳槽配合的导向凸起，所述顶块(12)顶部设有与螺栓(15)相抵的平面。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：其特征在于：所述轴衬(4)外表面设有恢复弹簧(2)用顶靠台。

8.根据权利要求7所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，所述分瓣螺母(7)为3瓣或4瓣。

9.根据权利要求8所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述解锁装置由轻质合金材料制成。

10.根据权利要求9所述的一种由SMA丝驱动的空间解锁装置，其特征在于：所述底座(1)上设有一层陶瓷绝缘层。

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