CN111056050A - 一种sma－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，包括两套SMA－弹簧驱动组件、两组锁柱－楔块单元、连杆、滑块等。其中，解锁SMA丝－顶紧弹簧用于驱动锁紧过程和解锁过程，触发锁紧SMA丝－保持解锁弹簧用于控制解锁状态。顶紧弹簧通过滑块同时驱动左右两组锁柱－楔块单元，滑块通过连杆与楔块连接，楔块与锁柱底面配合；锁紧时，滑块前移带动楔块向外侧移动，推动锁柱上移与飞轮接触。释放时，解锁SMA丝通电收缩，滑块后移带动楔块向内侧移动，锁柱下移与飞轮脱离。再次锁紧时，对触发锁紧SMA丝通电，使其收缩拉出限位块，解除对滑块的限位，机构可再次锁紧。本发明可实现重复锁紧，同步性高，抗振动、冲击能力强。

Description

一种SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构
技术领域
本发明涉及航天器连接－分离机构的技术领域，特别涉及一种可自动复位、重复使用的飞轮锁紧机构。
背景技术
磁悬浮飞轮是新型卫星姿态控制装置，其运行过程中摩擦力非常小，和传统飞轮相比优势十分突出，是未来航天姿态控制领域的重要发展方向。为了保证磁悬浮飞轮的转子能相对静子浮起并且自由转动，在飞轮转子和静子之间有一定间隙。由于间隙的存在，在发射过程中静子和转子可能会碰撞造成破坏，因此需要发展发射过程中锁紧、入轨后可控解锁的磁悬浮飞轮锁紧机构。现有的磁悬浮飞轮锁紧机构多是采用火工品螺栓(又称爆炸螺栓)，随着技术的发展，火工品的缺点日益突出，解决这一问题的一个主要焦点集中在发展新型的锁紧机构。
在发展非火工的新型锁紧机构上，国内外都有一定的进展，提出了多种以SMA－弹簧驱动的飞轮解锁机构，如北京航空航天大学秦晓宇等人在2016年提出的SMA压紧释放机构(Detailed design of an SMA-actuated self-locking device for rotary feedstructure,Smart Materiles and Structures,25(2016),035032)，其结构如图1所示。由SMA丝1、顶紧弹簧2、楔块3、Y形爪4、复位弹簧6构成。该锁紧机构工作时，如图1(a)所示，在锁紧状态下，楔块3顶起Y形爪4，楔块与Y形爪的接触面形成自锁，同时，Y形爪压紧馈源组件上的锁紧边5，实现Y形爪的锁紧，当馈源组件需要释放时，对SMA丝1通电，使其收缩，将楔块抽出，Y形爪在预压缩的复位弹簧6作用下下降，释放馈源组件，如图1(b)所示。为了增大解锁状态下Y形爪与飞轮的保护间隙，将Y形爪下端设计为自锁楔面和凸台连接的结构，当楔块抽出一定距离后，Y形爪落下，需要复位时，需要采用特定的复位工装将Y形爪托起，同时将楔块向右拉伸，重新顶起Y形爪，实现对馈源组件的锁紧。
该解锁机构具有解锁载荷大，可靠性高等优点，但其也存在如下三个较大的缺点：
(1)不能自动复位，不便于操作。该解锁机构在释放之后，若需重复锁紧，需要使用外加工装将Y形爪向上托，同时将楔块向右拉伸，复位工序较为复杂，单人无法操作完成。
(2)同步性差，可靠性受限。锁紧一个飞轮，需要对称布置4个该解锁机构，因此，机构同步性难以保证，可靠性受限于4个锁紧机构的同步性，如果有一个解锁机构解锁不充分，就可能造成飞轮无法得到释放。
(3)限位结构复杂。由于该机构采用楔面和凸台形式，因此限位结构较为复杂。
发明内容
本发明主要解决现有技术中SMA－弹簧锁紧释放机构无法自动复位、同步性较差的问题，提供一种可重复锁紧、同步性高、抗振动、冲击载荷能力强的SMA－弹簧驱动的飞轮锁紧机构。
本发明的技术方案为：一种SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，包括两套SMA－弹簧驱动组件、左右两组锁柱－楔块单元、连杆、滑块、滑轮、限位块、壳体等。两套SMA－弹簧驱动组件，其一由顶紧弹簧和解锁SMA丝配合，用于驱动锁紧过程和解锁过程，其二由保持解锁弹簧和触发锁紧SMA丝配合，用于控制机构解锁状态的保持和解除。顶紧弹簧一端压在顶紧弹簧端盖上，另一端压在滑块上；解锁SMA丝采用双路冗余设计，双路SMA丝分别绕过嵌在滑块内的大小滑轮，然后绕过壳体滑轮，固定在解锁SMA丝绝缘块上；保持解锁弹簧一端压在保持解锁弹簧端盖上，另一端压在限位块上；触发锁紧SMA丝绕过限位块内的滑轮和保持解锁弹簧端盖滑轮后，固定在触发锁紧SMA丝绝缘块上；顶紧弹簧端盖、解锁SMA丝绝缘块、保持解锁弹簧端盖、触发锁紧SMA丝绝缘块均固定在壳体上。左右两组锁柱－楔块单元，均由锁柱、楔块、连杆组成，各单元中，锁柱底面与楔块通过双楔面配合，楔块经连杆与滑块的连接，滑块前后移动可带动楔块水平移动，楔块水平移动又可进一步驱动锁柱的上下运动。
机构锁紧时，预压缩的顶紧弹簧推动滑块前移，通过连杆推动楔块向外侧移动，进而借助楔块的楔面作用驱动锁柱上移并与飞轮接触，实现锁紧。
机构释放时，对解锁SMA丝通电，使其受热发生相变而收缩，驱动滑块向后运动，进而使楔块向内移动，锁柱受复位弹簧回复力的作用而下移，与飞轮脱离，实现释放。同时，预压缩的保持解锁弹簧推动限位块卡住滑块，实现机构解锁状态的保持。
需要再次锁紧时，对触发锁紧SMA丝通电，使其受热发生相变而收缩，将限位块从滑块槽中拉出，滑块在顶紧弹簧回复力作用下向前运动，进而通过连杆、楔块驱动锁柱上移并与飞轮接触，再次实现锁紧。
进一步地，所述顶紧弹簧和解锁SMA丝组成的驱动组件，同时驱动左右两组楔块-锁柱单元，两个锁柱同步锁紧飞轮，机构的同步性高。
进一步地，所述锁柱与飞轮的接触面为弧面，与飞轮的内倒角边接触实现锁紧。
进一步地，所述楔块和锁柱的配合面为双楔面，采用了两个楔面角度，大角度为45°，用来消除间隙，能够增大锁柱的输出位移，有效减小滑块移动的距离，进而减少SMA丝的长度，节约成本，提高解锁可靠性；小角度为7°自锁角，小于接触面当量摩擦角，保证锁柱承受很大的轴向力也不会释放，防止在大振动或冲击载荷作用下发生意外分离。
进一步地，所述连杆两端与滑块、楔块的连接均采用关节轴承，能够实现光滑传动，连杆两端与关节轴承的连接均采用螺纹，且一端为左旋螺纹、另一端为右旋螺纹，连杆中间设有六角头，旋转六角头可实现连杆的缩短和伸长，并保证了两端关节轴承共面。
进一步地，机构释放过程中，锁柱与飞轮的脱开距离由结构尺寸决定，楔块与锁柱的配合长度(楔块与锁柱接触面在锁柱运动方向上的投影长度)由包络尺寸和SMA丝的收缩长度共同决定。
进一步地，所述滑块设有滑槽，解锁时，保持解锁弹簧将带有凸台的限位块压入滑槽内，卡住滑块，防止解锁完成后滑块在顶紧弹簧作用下移动，从而使机构保持在解锁状态。
进一步地，所述解锁SMA丝设有两根，解锁时，对其中任意一根SMA丝通电即能实现释放，这种冗余设计能够提高机构释放的可靠性。
进一步地，所述解锁SMA丝和触发锁紧SMA丝均采用绕过定滑轮的方式进行布置，两头绕过滑轮后借助紧固钢管固定在绝缘块上，这样能够将SMA丝的驱动力放大两倍，同时缩小了SMA丝的空间尺寸。
此外，本发明所述的SMA－弹簧驱动组件，要求SMA丝在高温下收缩产生的驱动力能够拉动弹簧，在低温下，弹簧的回复力能够拉长SMA丝，并产生足够大的输出载荷。因此需要进行SMA丝和弹簧的匹配设计。考虑到弹簧的设计较SMA丝的容易且准确，故先选出合适的SMA丝，后根据SMA丝的性能选取合适的弹簧。为此，本发明提出了一种SMA－弹簧驱动组件的设计方法，即绘图法：先进行SMA丝的选型及性能测试，再根据SMA丝性能测试的结果利用绘图法获得弹簧的设计输入，开展弹簧设计，设计流程为：
(1)对SMA丝进行性能测试，绘制其低温拉伸曲线及高温驱动包线；
(2)根据锁紧机构要求的最低输出载荷，将低温拉伸曲线向上平移，获得驱动前曲线，锁紧机构的驱动前起点需要落在该曲线上，选择驱动起点；
(3)根据锁紧机构输出位移要求，计算驱动应变，获得驱动终点应变，在高温驱动包线以下选择合适的驱动终点；
(4)根据驱动力和位移的值，开展弹簧的设计；
(5)如果弹簧的设计不满足要求，则需要重新选择驱动起点，直至满足要求为止。
本发明与现有的技术相比，本发明可实现重复锁紧，释放载荷大，同步性高，抗振动、冲击能力强等特点，具体表现在以下几个方面：
(1)同步性高、可靠性高。本发明采用了两个对称布置的连杆机构，模仿死点锁紧机构的原理，结构省力；一个锁紧机构包含两组锁柱，提供两个支撑点，因而锁紧一个飞轮只需要对称布置两个锁紧机构，即可提供与现有技术布置四个锁紧机构相同的支撑点数目；两根解锁SMA丝分别绕在滑块内所嵌的大小两个滑轮上，互不影响；这些措施使机构工作的同步性增强、可靠性增加。
(2)可自动复位、重复锁紧。本发明的锁紧机构需要再次锁紧时，只需对触发锁紧SMA丝通电，将限位块从滑块的滑槽内拔出即可实现机构复位，不需要额外的复位工装。
(3)抗振动冲击能力强。本发明采用的双楔面的结构，其7°小角度楔面能够实现自锁，确保在大振动、冲击载荷作用下不会有部件发生运动而导致意外分离。
(4)绘图设计方法简便而高效。本发明提出的SMA－弹簧驱动组件设计方法，先选定SMA丝并进行性能测试，然后根据锁紧机构的输出载荷和输出位移需求，选择SMA丝的驱动应变起点和终点，并进行弹簧设计。现有的SMA－弹簧驱动器设计方法，需要列出一系列SMA丝直径和弹簧参数进行匹配，本发明提出的绘图法较现有方法更为简单可行。
附图说明
图1为现有技术中的SMA－弹簧驱动压紧释放机构，其中图1(a)为锁紧状态，图1(b)为释放状态；
图2为本发明SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构的剖视图；
图3为本发明SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构的正等轴测图；
图4为分离状态下锁柱组件剖视图；
图5为连杆结构示意图；
图6为楔块和锁柱配合的双楔面结构图；
图7为SMA－弹簧驱动组件设计流程图；
图8为SMA－弹簧驱动组件设计方法示意图。
附图标记的含义为：101.左锁柱；102.左楔块；103.左连杆；201.右锁柱；202.右楔块；右连杆203；4.壳体滑轮一；5.限位块内滑轮；6.限位块；7.保持解锁弹簧；8.触发锁紧SMA丝；9.螺钉一；10.保持解锁弹簧端盖；11.保持解锁弹簧端盖滑轮；12.触发锁紧SMA丝绝缘块；13.顶紧弹簧；14.螺钉二；15.顶紧弹簧端盖；16.解锁SMA丝；17.滑块；18.滑块内大滑轮；19.滑块内小滑轮；20.滑块轴；21.壳体；22.壳体滑轮二；23.解锁SMA丝绝缘块；24.复位弹簧；25.螺钉三；26.复位弹簧上端盖；27.复位弹簧下端盖；301.反牙关节轴承；302.左螺母；303.双头螺柱；304.右螺母；305.正牙关节轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
本发明提供了一种SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其结构如图2和图3所示，包括：左锁柱101、左楔块102、左连杆103、右锁柱201、右楔块202、右连杆203、壳体滑轮一4、限位块内滑轮5、限位块6、保持解锁弹簧7、触发锁紧SMA丝8、螺钉一9、保持解锁弹簧端盖10、保持解锁弹簧端盖滑轮11、触发锁紧SMA丝绝缘块12、顶紧弹簧13、螺钉二14、顶紧弹簧端盖15、解锁SMA丝16、滑块17、滑块内大滑轮18、滑块内小滑轮19、滑块轴20、壳体21、壳体滑轮二22、解锁SMA丝绝缘块23。
其中，顶紧弹簧13和解锁SMA丝16配合，是锁紧过程和解锁过程的驱动元件；保持解锁弹簧7和触发锁紧SMA丝8配合，用于控制机构解锁状态的保持或解除。顶紧弹簧13一端压在顶紧弹簧端盖15上，另一端压在滑块17上，顶紧弹簧端盖15通过螺钉二14固定在壳体21上；解锁SMA丝16采用双路冗余设计，双路SMA丝分别绕过滑块内大滑轮18和滑块内小滑轮19，然后绕过壳体滑轮一4和壳体滑轮二22，并固定在解锁SMA丝绝缘块23上；保持解锁弹簧7一端压在保持解锁弹簧端盖10上，另一端压在限位块6上，保持解锁弹簧端盖10通过螺钉一9固定在壳体21上；触发锁紧SMA丝8绕过限位块内滑轮5和保持解锁弹簧端盖滑轮11，固定在触发锁紧SMA丝绝缘块12上；解锁SMA丝绝缘块23和触发锁紧SMA丝绝缘块12均固定在壳体21上。
左锁柱101、左楔块102、左连杆103组成左锁柱－楔块单元(左单元)，右锁柱201、右楔块202、右连杆203组成右锁柱－楔块单元(右单元)，左/右单元结构相同，锁柱底面与楔块配合，左/右连杆一端连接在滑块17的滑块轴20上，另一端与同侧的楔块连接；按图3示意的方向，滑块17前后移动可带动左楔块102和右楔块202水平移动，楔块水平移动又可进一步驱动左锁柱101和右锁柱201的上下运动。
图4以左锁柱101为例，给出了锁柱组件的剖视图，锁柱101外圈套有复位弹簧24，复位弹簧24上下两端分别压在上下弹簧端盖上，复位弹簧上端盖26通过螺钉三25固定在壳体21上，复位弹簧下端盖27通过销钉与锁柱101连接。锁紧时，锁柱101向上运动与飞轮接触，复位弹簧24受压缩；解锁时，锁柱101在复位弹簧24回复力的作用下向下运动，与飞轮脱离。
图5为连杆的结构示意图，左连杆103、右连杆203结构相同，均由反牙关节轴承301、左螺母302、双头螺柱303、右螺母304、正牙关节轴承305组成。其中，反牙关节轴承301的内螺纹为左旋，正牙关节轴承305的内螺纹为右旋，左螺母302的螺纹为左旋，右螺母304的螺纹为右旋，双头螺柱303一端为左旋螺纹、另一端为右旋螺纹，通过扭转连杆中间的六角头，能够实现连杆缩短和伸长，同时保证两端关节轴承共面。
图6以左锁柱101与左楔块102的配合结构为例，给出了楔块和锁柱配合的双楔面结构，大角度为45°，用来消除间隙、增大锁柱的输出位移；小角度楔面为7°，可实现自锁，保证锁柱承受很大的轴向力也不会释放，防止在大振动或冲击载荷作用下发生意外分离。
图7给出了本发明提出的SMA－弹簧驱动组件的绘图法设计流程，利用该方法进行SMA－弹簧驱动组件设计的具体过程如图8所示：
步骤1，对SMA丝进行性能测试，然后绘制其低温拉伸曲线及高温驱动包线。
步骤2，根据锁紧机构要求的最低输出载荷，将低温拉伸曲线向上平移，获得驱动前曲线，锁紧机构的驱动前起点需要落在该曲线上，根据设计经验初步选择驱动起点，如图中A点所示。
步骤3，根据锁紧机构输出位移要求，计算驱动应变，获得驱动终点应变，在高温驱动包线以下选择合适的驱动终点，如图中B点。
步骤4，开展弹簧的设计，线段AB为弹簧的驱动过程，A、B点的载荷代表驱动过程弹簧最小载荷及最大载荷，A、B点的应变换算为位移代表弹簧驱动过程的伸长量，在此基础上开展弹簧的设计。
步骤5，如果弹簧设计无可行结果，则返回步骤2，在驱动前曲线上重新选择合适的起点A；如果驱动前曲线上没有满足要求的A点，则需要更换SMA丝。
需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如上、下、左、右、内、外、前、后等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。
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 (9)

1.一种SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于，包括：两套SMA－弹簧驱动组件、两组锁柱－楔块单元、壳体滑轮一(4)、限位块内滑轮(5)、限位块(6)、保持解锁弹簧端盖(10)、保持解锁弹簧端盖滑轮(11)、触发锁紧SMA丝绝缘块(12)、顶紧弹簧端盖(15)、滑块(17)、滑块内大滑轮(18)、滑块内小滑轮(19)、壳体(21)、壳体滑轮二(22)、解锁SMA丝绝缘块(23)、复位弹簧(24)；
两套SMA－弹簧驱动组件，其一由顶紧弹簧(13)和解锁SMA丝(16)配合，用于驱动锁紧过程和解锁过程，其二由保持解锁弹簧(7)和触发锁紧SMA丝(8)配合，用于控制机构解锁状态的保持和解除；顶紧弹簧(13)一端压在顶紧弹簧端盖(15)上，另一端压在滑块(17)上，双路解锁SMA丝(16)分别绕过滑块内大滑轮(18)和滑块内小滑轮(19)，然后绕过壳体滑轮一(4)和壳体滑轮二(22)，固定在解锁SMA丝绝缘块(23)上；保持解锁弹簧(7)一端压在保持解锁弹簧端盖(10)上，另一端压在限位块(6)上，触发锁紧SMA丝(8)绕过限位块内滑轮(5)和保持解锁弹簧端盖滑轮(11)，固定在触发锁紧SMA丝绝缘块(12)上；顶紧弹簧端盖(15)、解锁SMA丝绝缘块(23)、保持解锁弹簧端盖(10)、触发锁紧SMA丝绝缘块(12)均固定在壳体(21)上；
两组锁柱－楔块单元，分别是：左锁柱(101)、左楔块(102)、左连杆(103)组成的左单元，右锁柱(201)、右楔块(202)、右连杆(203)组成的右单元，各单元中，锁柱底面与楔块通过双楔面配合，楔块经连杆与滑块(17)的连接，滑块(17)前后移动可带动楔块(102、202)水平移动，楔块(102、202)水平移动又可进一步驱动锁柱(101、201)的上下运动；
机构锁紧时，预压缩的顶紧弹簧(13)推动滑块(17)前移，通过连杆(103、203)带动楔块(102、202)向外侧移动，进而借助楔面作用驱动锁柱(101、201)上移与飞轮接触，实现锁紧；
机构释放时，对解锁SMA丝(16)通电，使其受热发生相变而收缩，驱动滑块(17)向后运动，进而使楔块(102、202)向内侧运动，锁柱(101、201)在复位弹簧(24)的作用下向下运动，与飞轮脱离，完成释放；同时，保持解锁弹簧(7)推动限位块(6)卡住滑块(17)，实现解锁状态的保持；
需要再次锁紧时，对触发锁紧SMA丝(8)通电，使其受热发生相变而收缩，将限位块(6)从滑块(17)中拉出，滑块在顶紧弹簧(15)作用下向前运动，从而使机构再次锁紧。
2.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述顶紧弹簧(13)和解锁SMA丝(16)组成的驱动组件，同时驱动左右两组楔块－锁柱单元，两个锁柱(101、201)同步锁紧飞轮。
3.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述锁柱和楔块的配合面采用双楔面形式，大角度为45°，小角度为7°。
4.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述左连杆(103)和右连杆(203)结构相同，连杆两端与滑块(17)、楔块(102、202)的连接均采用关节轴承，且一端为反牙关节轴承(301)，另一端为正牙关节轴承(305)，连杆中间设有六角头，旋转六角头可实现连杆的缩短和伸长，同时保证两端关节轴承共面。
5.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述滑块(17)设有滑槽，解锁时，保持解锁弹簧(7)将带有凸台的限位块(6)压入滑槽内，卡住滑块(17)，使机构保持在解锁状态。
6.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述解锁SMA丝(16)采用双路冗余设计，解锁时，对其中任意一根SMA丝通电即能实现释放。
7.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：锁柱(101、201)与飞轮的接触面为弧面，与飞轮的内倒角边接触实现锁紧。
8.根据权利要求1所述的SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构，其特征在于：所述触发锁紧SMA丝(8)和解锁SMA丝(16)均采用绕过定滑轮的方式进行布置，两头绕过滑轮后借助紧固钢管固定在绝缘块上。
9.一种用于权利要求1所述SMA－弹簧驱动的飞轮可重复锁紧机构中SMA－弹簧驱动组件的设计方法，包括下列步骤：
步骤1，选定SMA丝并对其进行性能测试，绘制其低温拉伸曲线及高温驱动包线；
步骤2，根据锁紧机构要求的最低输出载荷，将低温拉伸曲线向上平移，获得驱动前曲线，锁紧机构的驱动前起点需要落在该曲线上，选择驱动起点；
步骤3，根据锁紧机构输出位移要求，计算驱动应变，获得驱动终点应变，在高温驱动包线以下选择合适的驱动终点；
步骤4，根据驱动力和位移的值，开展弹簧的设计；
步骤5，如果弹簧的设计不满足要求，则需要重新选择驱动起点，直至满足要求为止；
其特征在于：先选定SMA丝并进行性能测试，然后根据锁紧机构的输出载荷和输出位移需求，选择SMA丝的驱动应变起点和终点，并进行弹簧设计。
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