CN113348772B - 单点解锁二级联动空间展开机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单点解锁二级联动空间展开机构，包括：基座，其固定设置在空间飞行器上；一级铰链组件，其一端铰接在基座上，该一级铰链组件上设置有凹槽；二级铰链组件，其一端与一级铰链组件的另一端铰接，可相对一级铰链组件转动，从而使得该二级铰链组件可在同轴容置于凹槽中的位置与从凹槽展开并垂直于该一级铰链组件的位置之间转动；伸缩机构，其一端安装在在二级铰链组件中，另一端设置有待展开物并可相对于安装在二级铰链组件的一端伸缩，二级铰链组件相对一级铰链组件的转动展开可驱动伸缩机构的一端伸出，实现待展开物的展开。本发明的机构为伸缩机构提供密封存储空间，减小了机构的外形包络，提高了空间利用率，可满足空间探测设备的轻质化要求。

Description

单点解锁二级联动空间展开机构

技术领域

本发明属于空间探测设备机构领域，具体是一种折叠安装并可解锁展开的二级联动机构。

背景技术

空间飞行器展开锁定机构是实现空间飞行器主结构、次结构或某一部件由初始位置或形态，变化到最终位置或形态，并保持该状态的机构。它是伴随着卫星和空间探测器的诞生、发展、成熟，而由简单到复杂逐步发展起来的一个机构领域。

早期的卫星靠自旋动力展开杆状天线，展开式太阳翼出现后，折叠式展开机构成为一直应用到现在的最为典型的展开机构。重力梯度稳定卫星的出现，推动了套筒式展开机构和轻型桁架式展开机构的发展。随着航天器体积重量的逐步增大，逐步产生了桁架式展开机构、充气式展开机构等等。展开机构已经逐步成为空间飞行器机构领域中涉及面最广泛、种类最繁复、功能最多样的一个领域。

但是，目前的展开机构普遍存在结构复杂，尺寸较大，特别是对于多级联动的展开机构，其解锁复杂，使得装置的可靠性不高。

发明内容

本发明提供一种单点解锁的二级联动空间展开机构，该机构能实现小空间折叠存储安装，并通过解锁机构单点解锁展开，在较小动力元件的基础上，实现多级机构的联动展开，增加了机构的可靠性。

本发明提供的一种单点解锁二级联动空间展开机构，设置在空间飞行器上，用于实现待展开物在空间飞行器上的可靠展开，其特征在于，该机构包括：

基座，其固定设置在空间飞行器上；

一级铰链组件，其一端铰接在所述基座上，与所述基座可相对转动，该一级铰链组件上设置有凹槽；

二级铰链组件，其一端与所述一级铰链组件的另一端铰接，可相对该一级铰链组件的所述另一端的转动，从而使得该二级铰链组件可在同轴容置于所述凹槽中的位置与从所述凹槽展开并垂直于该一级铰链组件的位置之间转动；

伸缩机构，其一端安装在在所述二级铰链组件中，另一端设置有所述待展开物并可相对于所述安装在二级铰链组件的一端伸缩，所述二级铰链组件相对该一级铰链组件的转动展开可驱动该伸缩机构的一端相对于另一端伸出，实现待展开物的展开。

作为本发明的改进，所述的一级铰链组件包括：

一级杆，其为截面呈U性的长杆，内部形成凹槽，两端均设置有通孔；

一级转动轴，其穿过一级杆一端的通孔，使该一级杆与所述基座铰接以实现两者相对转动；

一级铰链锁止机构，其包括套装在所述一级转动轴上的扭簧，固定套设在一级转动轴中部的棘轮，以及一端设置在一级杆上另一端伸出以于所述棘轮配合的棘爪；

解锁后，所述一级杆的端部在所述扭簧的作用下绕一级转动轴相对所述基座转动，在转动到位后所述棘爪伸出端与所述棘轮的棘齿卡紧，实现锁紧。

作为本发明的改进，一级杆的凹槽中设置有密封条，通过其实现所述二级铰链组件在凹槽内的密封。

作为本发明的改进，所述二级铰链组件包括：

二级杆，其与所述一级杆相对的表面开设凹槽，形成截面呈U性的长杆，该二级杆与所述一级杆连接的一端设置有通孔；

二级转动轴，其穿过二级杆上的通孔后将该二级杆与所述一级杆另一端铰接；

二级扭簧，其套装在所述二级转动轴上，在其扭转力的作用下可实现二级杆与所述一级杆绕所述二级转动轴的相对转动。

作为本发明的改进，该空间展开机构还具有联动拉杆机构，其包括：

拉杆，其同轴容置于所述二级杆的凹槽中，并穿过固定在所述凹槽中的拉杆滑动支座，其一端与所述二级扭簧连接并可在该二级扭簧驱动下相对于所述拉杆滑动支座轴向移动，另一端设置有所述伸缩机构；

滑块，其套装在拉杆并可相对该拉杆滑动；

联动杆，其一端与所述滑块连接，另一端固定设置在所述一级杆上；

二级扭簧的扭力驱动二级杆与一级杆相对转动时，所述拉杆相对所述滑块滑动并拉动所述伸缩机构，使得该伸缩机构端部展开。

作为本发明的改进，所述伸缩机构包括多个支撑杆，固定杆和滑动杆，其中，

所述支撑杆沿长度方向设置有三个铰接孔，所述多个支撑杆通过上述铰链孔相互铰接形成可伸缩的平行四边形机构，且该平行四边形机构一端的两个边杆端部分别与所述联动拉杆机构上的拉杆铰接，另一端的两个边杆端部与所述固定杆连接，通过所述拉杆作用带动由所述支撑杆形成的平行四边形伸展，从而实现设置在所述固定杆上的展开物展开。

作为本发明的改进，所述固定杆上沿长度方向设置三个铰链孔，其中一个铰链孔与一个边杆端部铰接，所述滑动杆通过另两个铰链孔与所述固定杆固定连接，另一个边杆端部可相对滑动地套装在该滑动杆上。

作为本发明的改进，该空间展开机构还包括锁紧机构，其用于对未展开的所述空间展开机构进行锁定，并在其解锁后使得该空间展开机构展开。

作为本发明的改进，所述锁紧机构包括一可分离螺杆和一自锁螺母，所述分离螺杆穿过所述一级杆和二级杆，并通过拧紧该自锁螺母，分离螺杆分离时即可使压紧约束消失，所述空间展开机构即可展开。

本发明的展开机构有两种状态，一种折叠压紧状态，一种是展开状态；在折叠压紧状态通过安装压紧点和解锁点与设备本体连接，由解锁机构解锁后展开，并在连接在设备本体上保持展开状态。

本发明的基座作为展开机构折叠状态的其中一个安装压紧点和展开机构展开状态的固定支撑点。

本发明的一级铰链组件包括一级杆、一级转动轴、一级铰链锁止机构、一级扭簧和密封条，其中一级铰链锁止机构由一个棘轮、一个棘爪、一个扭簧和安装结构组成。一级杆为U形截面杆件，用于支撑二级铰链组件展开和为二级铰链组件、伸缩机构提供折叠存储空间。一级转动轴由两端安装法兰与安装座固连，一级铰链锁止机构用于一级铰链组件展开时对一级杆进行锁止限位，防止一级杆展开到位后来回振荡过大，加速一级杆展开时在空间环境条件的收敛。一级扭簧为一级铰链组件展开提供动力，密封条为伸缩机构存储空间提供密封功能。

本发明的二级铰链组件包括二级杆、二级扭簧、二级转动轴、伸缩机构铰接座和拉杆滑动支座。二级杆为U形截面杆件，其截面尺寸比一级杆略小，以确保二级杆能嵌入一级杆的U形槽内，其作用是用于伸缩机构铰接座、拉杆滑动支座、二级扭簧和二级转动轴的支撑连接，以及在折叠状态与一级杆构成伸缩机构的存储空间，形成密封舱。二级扭簧为二级铰链组件展开提供动力，二级转动轴用于一级铰链组件和二级铰链组件铰接，伸缩机构铰接座为伸缩机构提供一个铰接点，联动拉杆机构滑动座为拉杆提供滑动槽和支撑。

本发明的伸缩机构包括支撑杆、固定杆和滑动杆。支撑杆为偶数件，且每件支撑杆上有三个铰接孔，支撑杆通过铰接孔铰接为一个平行四边形的整体结构，构成伸缩机构。固定杆用于固定滑动杆和平行四边形结构的其中一个铰接点，滑动杆用于适应平行四边形结构的另一铰接点的滑动。

本发明的联动拉杆机构包括联动杆、拉杆和滑块。联动杆用于连接拉杆与一级铰链组件，在二级铰链组件相对一级铰链组件展开时，由联动杆将二级扭簧的扭矩传递到拉杆上，从而实现伸缩机构与二级铰链机构的联动。拉杆用于连接伸缩机构一侧的运动铰接点和联动杆，为伸缩机构传递展开动力，滑块用于适应联动杆与拉杆的滑移运动。

本发明的技术效果：

本发明为单点解锁展开机构，一个解锁点解锁后，在一级扭簧和二级扭簧的作用下，驱动一级铰链组件、二级铰链组件和伸缩机构的展开，整个展开运动由两个扭簧完成，采用联动机构形式，提高了机构的可靠性。通过对一级杆和二级杆截面的设计，在折叠状态，为伸缩机构提供密封存储空间，减小了机构的外形包络，提高了空间利用率，对满足空间探测设备的轻质化要求有积极意义。

附图说明

图1为按照本发明实施例的展开机构在展开状态的总体结构示意图。

图2为按照本发明实施例的展开机构的一级铰链与安装基座局剖示意图。

图3为按照本发明实施例的展开机构在压紧状态的总体结构图。

图4为按照本发明实施例的展开机构在压紧状态的剖视图。

图5为按照本发明实施例的展开机构的一级铰链锁止机构的工作原理图。

图6为按照本发明实施例的展开机构的展开过程工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、功能和效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。以下实施例仅是说明性的，并不构成对本发明的限定。

如图1和3所示，本发明的展开机构包括基座1、一级铰链组件2、二级铰链组件3、伸缩机构4和联动拉杆机构5。

基座1包括展开机构与设备本体的安装板结构和一级铰链组件与基座的安装限位结构，基座1上设置有一级铰链组件与基座的安装限位结构，用于一级铰链组件展开角度的限位。

如图1、图2所示，一级铰链组件2由一级杆2a、一级转动轴2b、一级铰链锁止机构、一级扭簧2f和密封条2g组成。

其中，一级铰链锁止机构由棘轮2c、棘爪2d、扭簧2e和安装结构组成；一级杆2a为U形截面杆，在一级杆2a上设置有一级铰链安装孔、伸缩机构4存储密封舱、密封条2g安装结构、解锁机构6安装孔、联动杆5a安装结构、二级转动轴3b安装结构、棘爪2d和扭簧2e安装结构，其中对于加工工艺性较差的结构可采取单独零件连接构成。

一级转动轴2b为一带法兰盘的芯轴，通过法兰盘与基座1固连，一级转动轴2b穿过一级铰链孔，一级扭簧2e套装在一级转动轴2b上，并在一级转动轴2b上设置棘轮2c安装螺纹孔。棘轮2c套装在一级转动轴2b上，棘轮2c根据一级杆2a铰链安装空间确定棘轮大小尺寸，厚度尺寸由一级扭簧2e的中间臂宽确定。棘轮上设置有一个轮齿和两个沉头安装孔，通过沉头螺钉安装在一级转动轴2b上。棘爪2d一端可转动地设置在一级杆2a的U形槽内，另一端用于与棘轮2c配合。

棘爪2d根据棘轮2c和安装结构位置关系确定，在展开机构未完全展开时，棘爪2d与棘轮2c的外轮廓线贴合，在展开机构展开到位时，棘爪2d进入棘轮2c的轮齿，可以预留一定的间隙以确保棘爪2d能进入棘轮2c的轮齿中。扭簧2e为棘爪2d提供压紧力，其扭矩大小根据棘爪2d的转矩确定。一级扭簧2f端部结构型式为平列双扭弹簧，弹簧材料需满足空间环境使用条件，扭簧设计时应考虑扭簧的初始安装角度，一级扭簧2f的扭矩根据一级铰链组件、二级铰链组件和伸缩机构的转矩确定，转矩需按空间环境条件计算，扭簧的力矩裕度不小于3。

密封条2g为聚四氟乙烯材料，安装在一级杆2a的密封舱顶面，与二级杆密封舱盖贴合构成密封舱。

如图1所示，二级铰链组件3由二级杆3a、二级转动轴3b、二级扭簧3c、拉杆滑动支座3d、3e、3f和伸缩机构铰接座组成。二级杆2a为U形截面杆，在二级杆2a上设置有二级铰链安装孔、伸缩机构4存储密封舱盖、拉杆滑动支座3d/3e/3f安装结构、解锁机构6连接孔、伸缩机构铰接座3e安装结构，其中解锁机构6连接孔与二级杆3a整体成形。

二级转动轴3b为一带法兰盘的芯轴，并通过该法兰盘与基座1固连，二级转动轴3b穿过二级铰链孔，二级扭簧3c安装在二级转动轴3b上。二级扭簧3c的扭矩根据二级铰链组件和伸缩机构的转矩确定，转矩需按空间环境条件计算，本实施例中，扭簧的力矩裕度优选不小于3。3d/3e/3f均为拉杆滑动支座，拉杆5b穿过拉杆滑动支座同轴安装在二级杆2a的U形槽内，并可在滑动支座内滑动。拉杆滑动支座通过沉头螺钉与二级杆3a连接，在拉杆滑动支座上设置螺纹孔，在二级杆3a上设置沉孔。伸缩机构铰接座3e与拉杆滑动支座3e为同一零件，兼有两个功能，连接伸缩机构4的其中一个铰接点。

如图1所示，伸缩机构4由支撑杆4a、固定杆4b、滑动杆4c和铆钉组成。支撑杆4a为扁平杆结构，每件支撑杆上沿长度方向设置有三个铰接孔，铰接孔局部设置凸台，凸台略高出杆平面，在铰接时由支撑杆4a的凸台与凸台相贴合。固定杆4b为矩形截面杆，其上设置有三个螺纹孔，其中一个用于安装由支撑杆构成的平行四边形机构的一个铰接点，另两个用于安装滑动杆4c的固定支架。滑动杆4c为一圆柱杆，在平行四边形机构伸缩过程中，用于协调其铰接点的移动；多个支撑杆4a通过铆钉4d铆接为平行四边形机构。

如图1所示，联动拉杆机构5由联动杆5a、拉杆5b和滑块5c组成。联动杆5a为矩形截面杆，头部具有一个拐角，用于避让拉杆滑动支座3d，联动杆5a两端分别与一级杆2a、滑块5c铰接。拉杆5b为圆杆，一端设置有螺纹，用于连接伸缩机构4的移动铰接点，另一端设置有扁头，用于安装拧紧，一般是与所述二级扭簧3c固定连接并可在该二级扭簧3c驱动下相对于所述拉杆滑动支座3d、3e、3f轴向移动，安装时拉杆5b穿过拉杆滑动支座3d/3e/3f。滑块5c用于连接拉杆5b和联动杆5a，滑块5c可在拉杆5b上滑动，并设置有铰接点连接联动杆5a。

在展开机构的运动部件上可以镀MoS2膜作为真空环境中机构防冷焊措施。

展开机构的所有铰接点均为间隙配合，配合间隙优选为0.05mm～0.1mm。

扭簧扭矩均由驱动负载的转矩来确定，且转矩需按空间环境条件计算，保证扭簧的力矩裕度不小于3；

本发明的工作原理如下：

一、折叠展开工作原理：

折叠时，如图4所示，折叠二级铰接组件3，同时压缩伸缩机构4，将二级铰接组件3和伸缩机构4折叠放入一级杆2a的U形槽内，再将一级铰链锁止机构解锁，折叠一级铰接组件2，将一级铰接组件2折叠到位，由锁紧机构6对展开机构进行锁紧。

展开时，如图1-6所示，锁紧机构6解锁，一级铰接组件2和二级铰接组件3分别在一级扭簧2f和二级扭簧3c的作用下绕一级转动轴2b和二级转动轴3b展开；二级铰接组件3展开的同时驱动联动拉杆机构5将二级扭簧3c的扭矩转换为拉杆5a的拉力拉动伸缩机构4的移动铰接点，从而驱动伸缩机构4展开。一级铰接组件2展开到位后，基座1对其展开进行限位，同时一级铰链锁止机构工作，一级杆锁止并保持为展开状态；一级铰接组件2展开到位后，由一级杆2a对其展开进行限位，并保持为展开状态。

二、锁紧解锁工作原理：

锁紧机构6可以选用火工解锁机构或电动解锁机构，包括一可分离螺杆和一自锁螺母，分离螺杆穿过一级杆2a、二级杆3a，并通过拧紧自锁螺母，使折叠状态的展开机构被压紧；展开时，螺杆分离，展开机构失去压紧约束，在驱动力作用下展开。

本领域技术人员能够理解，以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种单点解锁二级联动空间展开机构，设置在空间飞行器上，用于实现待展开物在空间飞行器上的可靠展开，其特征在于，该机构包括：

基座(1)，其固定设置在空间飞行器上；

一级铰链组件(2)，其一端铰接在所述基座(1)上，与所述基座(1)可相对转动，该一级铰链组件(2)上设置有凹槽；

二级铰链组件(3)，其一端与所述一级铰链组件(2)的另一端铰接，可相对该一级铰链组件(2)的所述另一端转动，从而使得该二级铰链组件(3)可在同轴容置于所述凹槽中的位置与从所述凹槽展开并垂直于该一级铰链组件(2)的位置之间转动；

伸缩机构(4)，其一端安装在在所述二级铰链组件(3)中，另一端设置有所述待展开物并可相对于所述安装在二级铰链组件(3)的一端伸缩，所述二级铰链组件(3)相对该一级铰链组件(2)的转动展开可驱动该伸缩机构(4)的一端相对于另一端伸出，实现待展开物的展开。

2.根据权利要求1所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，所述的一级铰链组件(2)包括：

一级杆(2a)，其为截面呈U性的长杆，内部形成凹槽，两端均设置有通孔；

一级转动轴(2b)，其穿过一级杆(2a)一端的通孔，使该一级杆(2a)与所述基座(1)铰接以实现两者相对转动；

一级铰链锁止机构，其包括套装在所述一级转动轴(2b)上的扭簧(2e)，固定套设在一级转动轴(2b)中部的棘轮(2c)，以及一端设置在一级杆(2a)上另一端伸出以于所述棘轮(2c)配合的棘爪(2d)；

解锁后，所述一级杆(2a)的端部在所述扭簧(2e)的作用下绕一级转动轴(2b)相对所述基座(1)转动，在转动到位后所述棘爪(2d)伸出端与所述棘轮(2c)的棘齿卡紧，实现锁紧。

3.根据权利要求2所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，一级杆(2a)的凹槽中设置有密封条(2g)，通过其实现所述二级铰链组件(3)在凹槽内的密封。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，所述二级铰链组件(3)包括：

二级杆(3a)，其与所述一级杆(2a)相对的表面开设凹槽，形成截面呈U性的长杆，该二级杆(3a)与所述一级杆(2a)连接的一端设置有通孔；

二级转动轴(3b)，其穿过二级杆(3a)上的通孔后将该二级杆(3a)与所述一级杆(2a)另一端铰接；

二级扭簧(3c)，其套装在所述二级转动轴(3b)上，在其扭转力的作用下可实现二级杆(3a)与所述一级杆(2a)绕所述二级转动轴(3b)的相对转动。

5.根据权利要求4所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，该空间展开机构还具有联动拉杆机构(5)，其包括：

拉杆(5b)，其同轴容置于所述二级杆(3a)的凹槽中，并穿过固定在所述凹槽中的拉杆滑动支座(3d、3e、3f)，其一端与所述二级扭簧(3c)连接并可在该二级扭簧(3c)驱动下相对于所述拉杆滑动支座(3d、3e、3f)轴向移动，另一端设置有所述伸缩机构(4)；

滑块(5c)，其套装在拉杆(5b)并可相对该拉杆(5b)滑动；

联动杆(5a)，其一端与所述滑块(5c)连接，另一端固定设置在所述一级杆(2a)上；

二级扭簧(3c)的扭力驱动二级杆(3a)与一级杆(2a)相对转动时，所述拉杆(5b)相对所述滑块(5c)滑动并拉动所述伸缩机构(4)，使得该伸缩机构(4)端部展开。

6.根据权利要求5所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，所述伸缩机构(4)包括多个支撑杆(4a)，固定杆(4b)和滑动杆(4c)，其中，

所述支撑杆(4a)沿长度方向设置有三个铰接孔，所述多个支撑杆(4a)通过上述铰链孔相互铰接形成可伸缩的平行四边形机构，且该平行四边形机构一端的两个边杆端部分别与所述联动拉杆机构(5)上的拉杆(5b)铰接，另一端的两个边杆端部与所述固定杆(4b)连接，通过所述拉杆(5b)作用带动由所述支撑杆(4a)形成的平行四边形伸展，从而实现设置在所述固定杆(4b)上的展开物展开；

所述固定杆(4b)上沿长度方向设置三个铰链孔，其中一个铰链孔与一个边杆端部铰接，所述滑动杆(4c)通过另两个铰链孔与所述固定杆(4b)固定连接，另一个边杆端部可相对滑动地套装在该滑动杆(4c)上。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，该空间展开机构还包括锁紧机构(6)，其用于对未展开的所述空间展开机构进行锁定，并在其解锁后使得该空间展开机构展开。

8.根据权利要求7所述的一种单点解锁二级联动空间展开机构，其特征在于，所述锁紧机构(6)包括一可分离螺杆和一自锁螺母，所述分离螺杆穿过所述一级杆(2a)和二级杆(3a)，并通过拧紧该自锁螺母，分离螺杆分离时即可使压紧约束消失，所述空间展开机构即可展开。

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