CN112572839A - 批量化加工的动量轮组合支架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种批量化加工的动量轮组合支架，其包括：碳纤维架体，所述碳纤维架体的底面与卫星主体连接；多个连接部，多个连接部均匀分布在碳纤维架体外表面上，每个所述连接部与对应的动量轮连接；多个减振器，多个减振器设置在碳纤维架体与卫星主体的连接处；所述碳纤维架体包括中空的主体，所述主体的横截面为等腰梯形，所述主体的顶面固定有圆形顶板，多个所述连接部均沿主体径向布置，且都设置在主体外壁靠近圆形顶板处，所述主体的底面连接有环形固定板，且环形固定板设置在主体外侧，每个所述减振器均设置在环形固定板上。本发明实现批量化加工、快速装配，且比刚度高、结构质量小、低成本，同时具备减振与隔振功能。
Description
技术领域
本发明涉及航天用动量轮支架技术领域，尤其涉及一种批量化加工的动量轮组合支架。
背景技术
通信卫星配备的动量轮可以通过自身转动，来连续精密的调节卫星的姿态。动量轮是一个转动部件，正常工作时，转速达每分钟数千转。
通常一颗卫星需要布置四件动量轮，其安装形式为金字塔式或三正一斜布置。目前动量轮对以下两方面要求越来越严格，一方面平台结构质量和刚度，另一方面生产周期和加工成本。
但现有的动量轮支架设计单一，每个动量轮对应一个支架，缺乏一体化集成设计，装配效率低，占有布局空间大；现有的支架所采用的材料为铝合金和镁合金，铝合金比刚度低，在保证安装精度和稳定性的前提下，需要更多的质量，镁合金虽然比刚度高，但加工成本高，周期长。
动量轮工作时，处于高速旋转状态，由于转子不平衡、转轴缺陷、驱动电机输出力矩脉动等因素，使其姿态控制时伴随着产生与其转速相关的同频和谐波扰动力和力矩，引起平台颤振，影响有效载荷指向精度、稳定度及成像质量等重要性能指标。现有动量轮支架设计没有在大批量加工基础上考虑减振和隔振的功能。
因此，现有技术无法满足庞大的星座建设所要求的批量化加工、短周期、低成本、高比刚度、高稳定性等指标。
发明内容
本发明提供了一种实现批量化加工、快速装配，且比刚度高、结构质量小、低成本，同时具备减振与隔振功能的批量化加工的动量轮组合支架。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的批量化加工的动量轮组合支架，该支架包括：
碳纤维架体，所述碳纤维架体的底面与卫星主体连接；
多个连接部，多个连接部均匀分布在碳纤维架体外表面上，每个所述连接部与对应的动量轮连接；
多个减振器，多个减振器设置在碳纤维架体与卫星主体的连接处；
所述碳纤维架体包括中空的主体，所述主体的横截面为等腰梯形，所述主体的顶面固定有圆形顶板，多个所述连接部均沿主体径向布置，且都设置在主体外壁靠近圆形顶板处，所述主体的底面连接有环形固定板，且环形固定板设置在主体外侧，每个所述减振器均设置在环形固定板上。
进一步的，每个所述连接部都包括圆台，圆台与主体的连接处为圆弧过渡，圆台的顶面边缘处均匀开设有多个第一安装通孔，圆台通过穿过其上第一安装通孔的螺钉与动量轮连接。
进一步的，所述圆台与对应的动量轮之间设置有动量轮垫片，动量轮垫片为环形结构，且动量轮垫片上与多个所述第一安装通孔对应处均开设有第二安装通孔。
进一步的，所述主体的内壁上与圆台对应位置处设置有加强板，所述加强板上与多个所述第一安装通孔对应位置处均开设有第三安装通孔。
进一步的，所述加强板的两侧均设置有加强筋，加强筋的顶端延伸至圆形顶板，加强筋的底端延伸至主体底端。
进一步的，所述加强板上远离主体的一侧设置有加强垫，所述加强垫与多个所述第一安装通孔对应位置处均开设有第四安装通孔。
进一步的，所述环形固定板的顶面分布有多个加强装置，每个所述加强装置包括相连接的基板和斜板，所述基板设置在环形固定板上，斜板设置在主体的外壁上，所述基板和斜板的两侧均设置有挡板，所述环形固定板的底面与基板相对应位置处设置有架体垫片。
进一步的，每个所述减振器包括金属限位柱、第一橡胶套和第二橡胶套，所述金属限位柱顶面开设有第五安装通孔，金属限位柱的底端设置环形凸台，所述第一橡胶套套设在金属限位柱底部外壁上，且第一橡胶套的顶端抵靠在环形固定板上，第一橡胶套的底端抵靠在环形凸台上，第二橡胶套套设在金属限位柱顶部外壁上，第二橡胶套的顶端通过锁紧螺母固定在金属限位柱上，第二橡胶套的底端抵靠在环形固定板上，金属限位柱通过穿过第五安装通孔的螺钉与卫星主体连接。
优选的，所述圆形顶板、主体、环形固定板、圆台和加强筋为一体成型结构，所述圆形顶板、主体、环形固定板、圆台、基板、斜板和挡板均由碳纤维T700制成。
优选的，所述动量轮垫片、加强板、加强垫和架体垫片由铝合金制成。
在上述技术方案中，本发明提供的一种批量化加工的动量轮组合支架，具有以下有益效果：
1、本发明将四个动量轮集成安装在同一承力结构(碳纤维架体)，节省布局空间，同时提高装配效率；
2、碳纤维架体应用拓扑优化手段，获取薄壁圆锥结构(碳纤维架体)形式，采用碳纤维材料制成，承载总重为10千克的四个动量轮，整个结构重量为401克，大幅降低整星结构质量，力学性能优异，具有高比刚度，能够保证动量轮安装的稳定性和工作指向精度；
3、采用碳纤维材料模压加工工艺制备碳纤维架体，简化模具结构形式，降低成本，加工成本1.5万(包含模具)，相对传统金属机加，成本大概降低5千，加工周期节省约10天，对于规模化生产具有成本和时间优势；
4、由于星座建设要求一箭多星发射，力学环境苛刻，采用低成本减振器，具备减振和隔振功能，满足有效载荷对指向精度和稳定度的要求。
5、本发明满足星座建设所要求的卫星本体构型紧凑、加工和装配时间短、力学性能优异、成本低等要素，具有批量化加工优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的批量化加工的动量轮组合支架的结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1的侧视图；
图4为图3中A部放大结构示意图；
图5为本发明实施例提供的批量化加工的动量轮组合支架的使用状态参考图。
附图标记说明：
1、碳纤维架体；2、连接部；3、动量轮；4、减振器；
11、主体；12、圆形顶板；13、环形固定板；
111、加强板；112、第三安装通孔；113、加强筋；
1111、加强垫；1112、第四安装通孔；
131、加强装置；132、架体垫片；
1311、基板；1312、斜板；1313、挡板；
21、圆台；22、第一安装通孔；23、动量轮垫片；
231、第二安装通孔；
41、金属限位柱；42、第五安装通孔；43、第一橡胶套；44、锁紧螺母；45、环形凸台；46第二橡胶套。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
参见图1所示；
本发明实施例所述的批量化加工的动量轮组合支架，该支架包括：
碳纤维架体1，所述碳纤维架体1的底面与卫星主体(未图示)连接；
四个连接部2，四个连接部2均匀分布在碳纤维架体1外表面上，每个所述连接部2与对应的动量轮3连接；
八个减振器4，八个减振器4设置在碳纤维架体1与卫星主体的连接处；
所述碳纤维架体1包括中空的主体11，所述主体11的横截面为等腰梯形，所述主体11的顶面固定有圆形顶板12，四个所述连接部2均沿主体11径向布置，且都设置在主体11外壁靠近圆形顶板12处，所述主体11的底面连接有环形固定板13，且环形固定板13设置在主体11外侧，每个所述减振器4均设置在环形固定板13上；主体11、圆形顶板12和环形固定板13的厚度均为0.7mm。
具体的，将四个动量轮3分别通过穿过对应连接部2的螺钉与炭纤维架体1的主体11连接，即将四个动量轮3集成到碳纤维架体1上，节省布局空间，同时提高装配效率；碳纤维架体1通过环形固定板13与卫星主体连接，且八个减振器4设置在碳纤维架体1与卫星主体的连接处，实现对动量轮3的减振与隔振作用，有效保证卫星主体工作在有效载荷对指向精度的要求。八个减振器4可均匀分布在环形固定板13上，也可两两一组构成四组减振器4，四组减振器4均匀分布在环形固定板13上。四个连接部2的顶面支架的夹角为54.74°。
每个所述连接部2都包括圆台21，圆台21与主体11的连接处为圆弧过渡，圆台21的顶面边缘处均匀开设有多个第一安装通孔22，圆台21通过穿过其上第一安装通孔22的螺钉与动量轮3连接。圆台21的顶面作为动量轮安装面，通过穿过第一安装通孔22的螺钉与动量轮3连接。
所述圆台21与对应的动量轮3之间设置有动量轮垫片23，动量轮垫片23为环形结构，且动量轮垫片23上与多个所述第一安装通孔22对应处均开设有第二安装通孔231。动量轮垫片23通过J-133结构胶与圆台21胶接，保证动量轮垫片23和圆台21的稳固，同时通过动量轮垫片23调整动量轮3与圆台21之间安装精度。
参见图2所示，所述主体11的内壁上与圆台21对应位置处设置有加强板111，所述加强板111上与多个所述第一安装通孔22对应位置处均开设有第三安装通孔112。加强板111的安装保证动量轮3通过圆台21与主体11连接的强度，防止安装或使用过程中主体11发生变形而影响整体精度，避免对卫星工作产生影响。
所述加强板111的两侧均设置有加强筋113，加强筋113的顶端延伸至圆形顶板12，加强筋113的底端延伸至主体11底端。加强筋113的设置，保证主体11的强度，进一步保证动量轮3通过圆台21与主体11连接的强度，防止安装或使用过程中主体11发生变形而影响整体精度，避免对卫星工作产生影响。
所述加强板111上远离主体11的一侧设置有加强垫1111，所述加强垫1111与多个所述第一安装通孔22对应位置处均开设有第四安装通孔1112。加强垫1111通过J-133结构胶与远离主体11胶接，提高局部强度，提供动量轮3稳定的安装接口，保证碳纤维架体1具有足够的刚度。
参见图3-4所示，所述环形固定板13的顶面分布有八个加强装置131，每个所述加强装置131包括相连接的基板1311和斜板1312，所述基板1311设置在环形固定板13上，斜板1312设置在主体11的外壁上，所述基板1311和斜板1312的两侧均设置有挡板1313，所述环形固定板13的底面与基板1311相对应位置处设置有架体垫片132。加强装置131和架体垫片132的设置，能够保证环形固定板13与减振器4连接的精度及强度，使整体更加稳固。
每个所述减振器4包括金属限位柱41、第一橡胶套43和第二橡胶套46，所述金属限位柱41顶面开设有第五安装通孔42，金属限位柱41的底端设置环形凸台45，所述第一橡胶套43套设在金属限位柱41底部外壁上，且第一橡胶套43的顶端抵靠在环形固定板3上，第一橡胶套43的底端抵靠在环形凸台45上，第二橡胶套46套设在金属限位柱41顶部外壁上，第二橡胶套46的顶端通过锁紧螺母44固定在金属限位柱1上，第二橡胶套46的底端抵靠在环形固定板3上，金属限位柱41通过穿过第五安装通孔42的螺钉与卫星主体连接。卫星主体与碳纤维架体1的环形固定板13通过减振器4连接，减振器4的第一橡胶套43和第二橡胶套46能够有效减少或隔绝动量轮3工作时，产生的振动传递给卫星主体，有效保证卫星主体工作在有效载荷对指向精度的要求。
所述圆形顶板12、主体11、环形固定板13、圆台21和加强筋113为一体成型结构，可采用模压法成型工艺制成，所述圆形顶板12、主体11、环形固定板13、圆台21、基板1311、斜板1312和挡板1313均由碳纤维T700制成。
所述动量轮垫片23、加强板111、加强垫1111和架体垫片132由铝合金制成，动量轮垫片23和架体垫片132在生产过程中对表面进行黑色阳极化处理，提高辐射散热能力；动量轮垫片23和架体垫片132分别提供动量轮3与碳纤维架体1的安装面及碳纤维架体1与卫星主体的安装面，保证动量轮3安装精度，实现卫星稳定姿态控制。
参见图5所示，本发明将四个动量轮3集成安装在碳纤维架体1上，再与卫星主体主承力结构相连接，保证整个动量轮3安装的稳定性。
本发明的碳纤维架体1采用T700材料模压成型工艺，壁厚为0.7mm，主体11内部分布八个壁厚1.2mm的加强筋113，为碳纤维架体1提供强度和刚度，碳纤维架体1圆形顶板12、主体11、环形固定板13、加强筋113以及连接部2的圆台21整体可采用模压法成型工艺批量化加工，共用同一模具加工。
本发明将四个动量轮集成安装在同一承力结构(碳纤维架体1)，节省布局空间，同时提高装配效率；碳纤维架体1应用拓扑优化手段，依据SIMP密度-刚度函数插值模型，建立多种静态刚度拓扑优化工况，考虑静态刚度及动态固有频率问题，保证多个目标为最优解，基于折衷规划法对多个优化目标进行加权，将多个目标优化问题等价为单目标优化问题，获取薄壁圆锥结构形式，采用碳纤维材料制成，承载总重为10千克的四个动量轮，整个结构重量为401克，大幅降低整星结构质量，力学性能优异，具有高比刚度，能够保证动量轮安装的稳定性和工作指向精度；采用碳纤维材料模压加工工艺制备碳纤维架体1，简化模具结构形式，降低成本，加工成本1.5万(包含模具)，相对传统金属机加，成本大概降低5千，加工周期节省约10天，对于规模化生产具有成本和时间优势；由于星座建设要求一箭多星发射，力学环境苛刻，采用低成本减振器4，具备减振和隔振功能，满足有效载荷对指向精度和稳定度的要求。
本发明满足星座建设所要求的卫星本体构型紧凑、加工和装配时间短、力学性能优异、成本低等要素，具有批量化加工优势。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，该支架包括：
碳纤维架体(1)，所述碳纤维架体(1)的底面与卫星主体连接；
多个连接部(2)，多个所述连接部(2)均匀分布在碳纤维架体(1)外表面上，每个所述连接部(2)与对应的动量轮(3)连接；
多个减振器(4)，多个所述减振器(4)设置在碳纤维架体(1)与卫星主体的连接处；
所述碳纤维架体(1)包括中空的主体(11)，所述主体(11)的横截面为等腰梯形，所述主体(11)的顶面固定有圆形顶板(12)，多个所述连接部(2)均沿主体(11)径向布置，且都设置在主体(11)外壁靠近圆形顶板(12)处，所述主体(11)的底面连接有环形固定板(13)，且环形固定板(13)设置在主体(11)外侧，每个所述减振器(4)均设置在环形固定板(13)上。
2.根据权利要求1所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，每个所述连接部(2)都包括圆台(21)，圆台(21)与主体(11)的连接处为圆弧过渡，圆台(21)的顶面边缘处均匀开设有多个第一安装通孔(22)，圆台(21)通过穿过其上第一安装通孔(22)的螺钉与动量轮(3)连接。
3.根据权利要求2所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述圆台(21)与对应的动量轮(3)之间设置有动量轮垫片(23)，动量轮垫片(23)为环形结构，且动量轮垫片(23)上与多个所述第一安装通孔(22)对应处均开设有第二安装通孔(231)。
4.根据权利要求3所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述主体(11)的内壁上与圆台(21)对应位置处设置有加强板(111)，所述加强板(111)上与多个所述第一安装通孔(22)对应位置处均开设有第三安装通孔(112)。
5.根据权利要求4所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述加强板(111)的两侧均设置有加强筋(113)，加强筋(113)的顶端延伸至圆形顶板(12)，加强筋(113)的底端延伸至主体(11)底端。
6.根据权利要求5所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述加强板(111)上远离主体(11)的一侧设置有加强垫(1111)，所述加强垫(1111)与多个所述第一安装通孔(22)对应位置处均开设有第四安装通孔(1112)。
7.根据权利要求2所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述环形固定板(13)的顶面分布有多个加强装置(131)，每个所述加强装置(131)包括相连接的基板(1311)和斜板(1312)，所述基板(1311)设置在环形固定板(13)上，斜板(1312)设置在主体(11)的外壁上，所述基板(1311)和斜板(1312)的两侧均设置有挡板(1313)，所述环形固定板(13)的底面与基板(1311)相对应位置处设置有架体垫片(132)。
8.根据权利要求1所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，每个所述减振器(4)包括金属限位柱(41)、第一橡胶套(43)和第二橡胶套(46)，所述金属限位柱(41)顶面开设有第五安装通孔(42)，金属限位柱(41的底端设置环形凸台(45)，所述第一橡胶套(43)套设在金属限位柱(41)底部外壁上，且第一橡胶套(43)的顶端抵靠在环形固定板(3)上，第一橡胶套(43)的底端抵靠在环形凸台(45)上，第二橡胶套(46)套设在金属限位柱(41)顶部外壁上，第二橡胶套(46)的顶端通过锁紧螺母(44)固定在金属限位柱(1)上，第二橡胶套(46)的底端抵靠在环形固定板(3)上，金属限位柱(41)通过穿过第五安装通孔(42)的螺钉与卫星主体连接。
9.根据权利要求7所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述圆形顶板(12)、主体(11)、环形固定板(13)、圆台(21)和加强筋(113)为一体成型结构，所述圆形顶板(12)、主体(11)、环形固定板(13)、圆台(21)、基板(1311)、斜板(1312)和挡板(1313)均由碳纤维T700制成。
10.根据权利要求6所述的批量化加工的动量轮组合支架，其特征在于，所述动量轮垫片(23)、加强板(111)、加强垫(1111)和架体垫片(132)由铝合金制成。
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