CN113623345B - 一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构 - Google Patents

一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，包括转轴组件、轴承、接触式平面蜗卷弹簧、壳体组件、绕线轮组件、钢丝绳以及滑轮组件。在柔性太阳电池翼完全展开后，伸展机构带动上箱体继续伸展，将钢丝绳从绕线轮组件上拉出，绕线轮组件旋转、接触式平面蜗卷弹簧卷紧，弹簧扭矩通过转轴组件、绕线轮组件、钢丝绳转化为对柔性太阳电池翼的张紧力，进而保证柔性太阳电池翼具备足够的模态频率。本发明采用接触式平面蜗卷弹簧为展开的柔性太阳电池翼提供张紧力，具备结构简单、运动可靠、工作寿命长、张紧力可调以及质量轻等有益效果，可应用于长期在轨工作的柔性太阳电池翼。

Description

一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构
技术领域
本发明涉及一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，能够为展开的柔性太阳电池翼提供张紧力，涉及空间飞行器技术领域。
背景技术
目前，我国空间飞行器上使用的太阳电池翼均为刚性或半刚性太阳电池翼，由于收拢包络大、展开面积受限，无法满足大功率空间飞行器的需求。随着航天技术的不断发展，收拢包络小、输出功率大的柔性太阳电池翼成为未来大功率太阳电池翼的发展趋势。
柔性太阳电池翼展开后，需要张紧机构为其提供张紧力，进而保证柔性太阳电池翼具备足够的模态频率。长期在轨工作的柔性太阳电池翼，会经历高低温交变、变轨以及对接等复杂的环境工况，张紧机构在上述环境工况下应具备长期稳定的工作性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，具备结构简单、运动可靠、工作寿命长、张紧力可调以及质量轻等有益效果，可应用于长期在轨工作的柔性太阳电池翼。
本发明解决技术的方案是：一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，该张紧机构包括转轴组件、轴承、接触式平面蜗卷弹簧、壳体组件、绕线轮组件、钢丝绳以及滑轮组件。
壳体组件的底面安装在柔性太阳电池翼上箱体上；转轴组件通过两个轴承安装在壳体组件内，能够相对于壳体组件灵活转动；接触式平面蜗卷弹簧的内端与转轴组件中部固定连接，外端与壳体组件固定连接；绕线轮组件与转轴组件一端固定连接，转轴组件另一端与转轴组件的驱动机构连接；滑轮组件安装在壳体组件上；钢丝绳一端缠绕并固定在绕线轮组件上，另一端穿过滑轮组件、经过90°转向后，穿过柔性太阳电池翼上箱体与柔性基板连接固定；
在柔性太阳电池翼完全展开前，接触式平面蜗卷弹簧存在一定的预紧扭矩；在柔性太阳电池翼完全展开后，伸展机构带动上箱体继续伸展，将钢丝绳从绕线轮组件上拉出，绕线轮组件旋转、接触式平面蜗卷弹簧卷紧，弹簧扭矩通过转轴组件、绕线轮组件、钢丝绳转化为对柔性太阳电池翼的张紧力；在柔性太阳电池翼收拢过程中，伸展机构带动上箱体收缩，接触式平面蜗卷弹簧提供动力，使绕线轮组件反转并收回钢丝绳。
在轨工作时，柔性太阳电池翼长期处于展开状态，受温度变化的影响，钢丝绳在伸展机构的带动下，在小范围内持续往复伸缩；张紧机构通过接触式平面蜗卷弹簧的卷紧、松卷往复转动来适应钢丝绳的往复伸缩，进而保证柔性太阳电池翼始终具备足够的张紧力。
所述绕线轮组件与转轴组件之间采用花键连接；通过花键调节两者的相对安装角度，在不改变绕线轮组件安装角度的前提下，通过转动转轴组件调节接触式平面蜗卷弹簧的预扭角度和预紧扭矩，进而实现张紧力的调节。
所述转轴组件包括轴和卷簧内端固定件，卷簧内端固定件一端与轴固连为一体，另一端与接触式平面蜗卷弹簧的内端固定连接。
所述轴采用抗拉强度大于600Mpa的材料制成，用以满足承载的需求。
所述卷簧内端固定件采用密度小于等于2.8g/cm3的材料制成，在满足与接触式平面蜗卷弹簧连接关系的同时，具备较低的质量。
所述绕线轮组件包括轮缘和轮盘，两者固连为一体；轮缘采用表面硬度大于等于35材料制成，用以减少绳槽磨损；轮盘采用密度小于等于2.8g/cm3材料制成，在满足结构连接关系的同时，具备较低的质量。
所述绕线轮组件，穿绳孔的轴线方向与轮盘直径方向存在一定夹角α。
所述一定夹角范围α的取值范围为20～60°。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明采用接触式平面蜗卷弹簧为展开的柔性太阳电池翼提供张紧力，具备结构简单、运动可靠等有益效果。
(2)、本发明中易损耗件采用疲劳寿命不小于80万次的接触式平面蜗卷弹簧和钢丝绳，具备工作寿命长的有益效果。
(3)、本发明中绕线轮组件与转轴组件之间采用花键连接，两者的相对安装角度可调，进而实现接触式平面蜗卷弹簧的预紧力矩可调，具备张紧力可调的有益效果。
(4)、本发明中转轴组件和绕线轮组件均采用分体式设计，对不同工作部位使用不同的材料，进而实现质量的合理分配，具备质量轻的有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例长寿命张紧机构的结构组成立体图；
图2为本发明实施例长寿命张紧机构的结构组成剖视图；
图3为本发明实施例长寿命张紧机构在柔性太阳电池翼上的安装布局示意图；
图4为本发明实施例绕线轮组件与转轴组件之间的花键连接示意图；
图5为本发明实施例转轴组件的分体式设计示意图；
图6为本发明实施例绕线轮组件的分体式设计示意图；
图7为本发明实施例绕线轮组件的穿绳孔方向示意图；
图8为本发明实施例长寿命平面蜗卷弹簧的自由状态示意图；
图9为本发明实施例长寿命平面蜗卷弹簧的工作状态示意图；
图10为本发明实施例长寿命绳轮组件的结构组成立体图；
图11为本发明实施例长寿命绳轮组件的结构组成剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明旨在解决长期在轨工作的柔性太阳电池翼的张紧力施加问题，提供一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，在柔性太阳电池翼展开后为其提供张紧力，并能够承受长期交变的疲劳载荷。
本发明提供了一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，该张紧机构包括转轴组件1、轴承2、接触式平面蜗卷弹簧3、壳体组件4、绕线轮组件5、钢丝绳6以及滑轮组件7。
壳体组件4的底面安装在柔性太阳电池翼上箱体上；转轴组件1通过两个轴承2安装在壳体组件4内，能够相对于壳体组件4灵活转动；接触式平面蜗卷弹簧3的内端与转轴组件1中部固定连接，外端与壳体组件4固定连接；绕线轮组件5与转轴组件1一端固定连接，转轴组件1另一端与转轴组件1的驱动机构连接；滑轮组件7安装在壳体组件4上；钢丝绳6一端缠绕并固定在绕线轮组件5上，另一端穿过滑轮组件7、经过90°转向后，穿过柔性太阳电池翼上箱体与柔性基板连接固定。
在柔性太阳电池翼完全展开前，接触式平面蜗卷弹簧3存在一定的预紧扭矩；在柔性太阳电池翼完全展开后，伸展机构带动上箱体继续伸展，将钢丝绳6从绕线轮组件5上拉出，绕线轮组件5旋转、接触式平面蜗卷弹簧3卷紧，弹簧扭矩通过转轴组件1、绕线轮组件5、钢丝绳6转化为对柔性太阳电池翼的张紧力；在柔性太阳电池翼收拢过程中，伸展机构带动上箱体收缩，接触式平面蜗卷弹簧3提供动力，使绕线轮组件5反转并收回钢丝绳6。
在轨工作时，柔性太阳电池翼长期处于展开状态，受温度变化的影响，受钢丝绳6在伸展机构的带动下，在小范围内持续往复伸缩，一般这个小范围是指[-100mm，100mm]范围内；张紧机构通过接触式平面蜗卷弹簧3的卷紧、松卷往复转动来适应钢丝绳6的往复伸缩，进而保证柔性太阳电池翼始终具备足够的张紧力。在变轨以及对接时，在伸展机构的带动下，钢丝绳6也会小幅度伸缩。
上述述接触式平面蜗卷弹簧往复转动的疲劳寿命不小于80万次；所述钢丝绳往复伸缩时，途经滑轮组件和绕线轮组件，钢丝绳在两个轮子上往复弯曲的疲劳寿命不小于80万次；通过前述特征保证所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构长期在轨工作时性能稳定。
优选的，所述绕线轮组件5与转轴组件1之间采用花键连接；通过花键调节两者的相对安装角度，在不改变绕线轮组件5安装角度的前提下，通过转动转轴组件1调节接触式平面蜗卷弹簧3的预扭角度和预紧扭矩，进而实现张紧力的调节。
所述转轴组件1包括轴11和卷簧内端固定件12，卷簧内端固定件12的一端与卷簧内端固定件12固连为一体，另一端与接触式平面蜗卷弹簧3的端部固定连接。
所述轴11采用抗拉强度大于600Mpa的材料制成，例如，钛合金，不锈钢等，用以满足承载的需求。
所述卷簧内端固定件12采用密度小于等于2.8g/cm3的材料制成，例如，铝合金等，在满足与接触式平面蜗卷弹簧3连接关系的同时，具备较低的质量。
所述绕线轮组件5包括轮缘51和轮盘52，两者固连为一体；轮缘51采用表面硬度大于等于35材料制成，用以减少绳槽磨损；轮盘52采用密度小于等于2.8g/cm3材料，例如，铝合金等，在满足结构连接关系的同时，具备较低的质量。
所述绕线轮组件5，穿绳孔的轴线方向与轮盘52直径方向存在一定夹角α，使钢丝绳6穿过穿绳孔在轮缘51上缠绕时具备较大的转弯半径，用以提高钢丝绳6根部与轮缘51缠绕的贴合度。
所述一定夹角范围α的取值范围为20～60°。
实施例：
图1是长寿命张紧机构的结构组成立体图，图2是长寿命张紧机构的结构组成剖视图。所述长寿命张紧机构包括转轴组件1、轴承2、接触式平面蜗卷弹簧3、壳体组件4、绕线轮组件5、钢丝绳6以及滑轮组件7。所述壳体组件4的底面安装在柔性太阳电池翼上箱体；所述转轴组件1通过两个轴承2安装在壳体组件4内，转轴组件1可以相对于壳体组件4灵活转动；所述接触式平面蜗卷弹簧3的内端与转轴组件1连接，外端与壳体组件4连接；所述绕线轮组件5与转轴组件1连接固定；所述滑轮组件7安装在壳体组件4上；所述钢丝绳6一端缠绕并固定在绕线轮组件5上，另一端穿过滑轮组件7、经过90°转向后，穿过上箱体与柔性基板连接固定。
图3是长寿命张紧机构在柔性太阳电池翼上的安装布局示意图。图中共包括4套长寿命张紧机构，均安装在柔性太阳翼上箱体。在柔性太阳电池翼完全展开前，接触式平面蜗卷弹簧3存在一定的预紧扭矩；在柔性太阳电池翼完全展开后，伸展机构带动上箱体继续伸展，将钢丝绳6从绕线轮组件5上拉出，绕线轮组件5旋转、接触式平面蜗卷弹簧3卷紧，弹簧扭矩通过转轴组件1、绕线轮组件5、钢丝绳6转化为对柔性太阳电池翼的张紧力；在柔性太阳电池翼收拢过程中，伸展机构带动上箱体收缩，接触式平面蜗卷弹簧3提供动力，使绕线轮组件5反转并收回钢丝绳6。
在轨工作时，柔性太阳电池翼长期处于展开状态，受高低温交变、变轨以及对接等因素的影响，钢丝绳6在伸展机构的带动下，在小范围内持续往复伸缩；所述张紧机构通过接触式平面蜗卷弹簧3的往复转动(卷紧、松卷)来适应钢丝绳6的往复伸缩，进而保证柔性太阳电池翼始终具备足够的张紧力。所述接触式平面蜗卷弹簧3往复转动的疲劳寿命不小于80万次；所述钢丝绳6往复伸缩时，途经滑轮组件7和绕线轮组件5，钢丝绳6在两个轮子上往复弯曲的疲劳寿命不小于80万次；通过前述特征保证所述的长寿命张紧机构长期在轨工作时性能稳定。
图4是绕线轮组件与转轴组件之间的花键连接示意图。所述绕线轮组件5与转轴组件1之间采用花键连接；可以通过所述花键调节两者的相对安装角度，在不改变绕线轮组件5安装角度的前提下，通过转动转轴组件1调节接触式平面蜗卷弹簧3的预扭角度和预紧扭矩，进而实现张紧力的调节。
图5是转轴组件的分体式设计示意图。所述转轴组件1包括轴11和卷簧内端固定件12，两者通过平键固连为一体；轴11采用抗拉强度较高的材料，用以满足承载的需求；卷簧内端固定件12采用密度较低的材料，在满足与接触式平面蜗卷弹簧3连接关系的同时，具备较低的质量。
图6是绕线轮组件的分体式设计示意图。所述绕线轮组件5包括轮缘51和轮盘52，两者通过螺钉固连为一体；轮缘51采用表面硬度较高的材料，用以减少绳槽磨损；轮盘52采用密度较低的材料，在满足结构连接关系的同时，具备较低的质量。
图7是绕线轮组件的穿绳孔方向示意图。所述绕线轮组件5穿绳孔的轴线方向与轮盘52直径方向存在一定夹角α，使钢丝绳6穿过穿绳孔在轮缘51上缠绕时具备较大的转弯半径，用以提高钢丝绳6根部与轮缘51缠绕的贴合度。
如图8、图9所示，本发明提供的长寿命平面蜗卷弹簧的弹簧类型为接触式平面蜗卷弹簧，在自然状态下呈S形，包括内端2-1、正向曲率段2-2、反向曲率段2-3和外端2-4；在轨工作状态下，盘绕在圆形弹簧盒内部、呈螺旋线形，内端2-1以弯钩形式与安装心轴连接固定，外端2-4通过紧固件与弹簧盒连接固定。
地面装调时，旋转安装心轴对弹簧施加一定的预紧扭矩；在轨工作时，安装心轴在外力作用下往复转动，带动弹簧在该预紧状态下小范围内往复转动，使弹簧承受往复交变的疲劳载荷；弹簧的形状尺寸与安装芯轴相互匹配，使弹簧在承受相同疲劳载荷的工况下，工作应力低。所述空间用长寿命平面蜗卷弹簧往复转动的疲劳寿命不小于80万次。
如图10、如图11所示，本发明所使用的空间用长寿命绳轮组件包括钢丝绳3-1、支架3-2、轴3-3、轴承3-4、滑轮3-5、防护罩3-6；其中：
所述轴3-3固定在支架3-2上；所述滑轮3-5通过轴承3-4安装在轴3-3上，使得滑轮3-5能够相对于轴3-3灵活转动；滑轮3-5外周设有绳槽，所述钢丝绳3-1绕在滑轮3-5外周的绳槽上，实现90°的路径转向；钢丝绳直径和滑轮半径相互匹配，钢丝绳最小破断力和往复运动时承受的张拉力相互匹配，使钢丝绳在承受相同张拉力的工况下，工作应力低。所述防护罩3-6用于不影响钢丝绳3-1和滑轮3-5正常运转的前提下，防止钢丝绳3-1受振动、变轨、对接等空间环境的影响而脱出绳槽。当在钢丝绳1两端施加一定的张拉力，并在该张拉状态下拉动钢丝绳1绕滑轮5往复运动时，所述钢丝绳1往复运动的疲劳寿命不小于80万次。
本发明可实现在柔性太阳电池翼展开后为其提供张紧力，进而保证柔性太阳电池翼具备足够的模态频率；具备结构简单、运动可靠、工作寿命长、张紧力可调以及质量轻等有益效果，可应用于长期在轨工作的柔性太阳电池翼。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于包括转轴组件(1)、轴承(2)、接触式平面蜗卷弹簧(3)、壳体组件(4)、绕线轮组件(5)、钢丝绳(6)以及滑轮组件(7)；
壳体组件(4)的底面安装在柔性太阳电池翼上箱体上；转轴组件(1)通过两个轴承(2)安装在壳体组件(4)内，能够相对于壳体组件(4)灵活转动；接触式平面蜗卷弹簧(3)的内端与转轴组件(1)中部固定连接，外端与壳体组件(4)固定连接；绕线轮组件(5)与转轴组件(1)一端固定连接，转轴组件(1)另一端与转轴组件(1)的驱动机构连接；滑轮组件(7)安装在壳体组件(4)上；钢丝绳(6)一端缠绕并固定在绕线轮组件(5)上，另一端穿过滑轮组件(7)、经过90°转向后，穿过柔性太阳电池翼上箱体与柔性基板连接固定；
在柔性太阳电池翼完全展开前，接触式平面蜗卷弹簧(3)存在一定的预紧扭矩；在柔性太阳电池翼完全展开后，伸展机构带动上箱体继续伸展，将钢丝绳(6)从绕线轮组件(5)上拉出，绕线轮组件(5)旋转、接触式平面蜗卷弹簧(3)卷紧，弹簧扭矩通过转轴组件(1)、绕线轮组件(5)、钢丝绳(6)转化为对柔性太阳电池翼的张紧力；在柔性太阳电池翼收拢过程中，伸展机构带动上箱体收缩，接触式平面蜗卷弹簧(3)提供动力，使绕线轮组件(5)反转并收回钢丝绳(6)；
在轨工作时，柔性太阳电池翼长期处于展开状态，受温度变化的影响，钢丝绳(6)在伸展机构的带动下，在小范围内持续往复伸缩；张紧机构通过接触式平面蜗卷弹簧(3)的卷紧、松卷往复转动来适应钢丝绳(6)的往复伸缩，进而保证柔性太阳电池翼始终具备足够的张紧力；
接触式平面蜗卷弹簧(3)在自然状态下呈S形，包括内端(2-1)、正向曲率段(2-2)、反向曲率段(2-3)和外端(2-4)；在轨工作状态下，盘绕在圆形弹簧盒内部、呈螺旋线形，内端(2-1)以弯钩形式与安装心轴连接固定，外端(2-4)通过紧固件与弹簧盒连接固定；
地面装调时，旋转安装心轴对弹簧施加一定的预紧扭矩；在轨工作时，安装心轴在外力作用下往复转动，带动弹簧在该预紧状态下小范围内往复转动，使弹簧承受往复交变的疲劳载荷；弹簧的形状尺寸与安装芯轴相互匹配，使弹簧在承受相同疲劳载荷的工况下，工作应力低；
所述绕线轮组件(5)，穿绳孔的轴线方向与轮盘(52)直径方向存在一定夹角α；所述一定夹角范围α的取值范围为20～60°。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于：所述绕线轮组件(5)与转轴组件(1)之间采用花键连接；通过花键调节两者的相对安装角度，在不改变绕线轮组件(5)安装角度的前提下，通过转动转轴组件(1)调节接触式平面蜗卷弹簧(3)的预扭角度和预紧扭矩，进而实现张紧力的调节。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于：所述转轴组件(1)包括轴(11)和卷簧内端固定件(12)，卷簧内端固定件(12)一端与轴(11)固连为一体，另一端与接触式平面蜗卷弹簧(3)的内端固定连接。
4.根据权利要求1所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于：所述轴(11)采用抗拉强度大于600Mpa的材料制成，用以满足承载的需求。
5.根据权利要求1所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于：卷簧内端固定件(12)采用密度小于等于2.8g/cm3的材料制成，在满足与接触式平面蜗卷弹簧(3)连接关系的同时，具备较低的质量。
6.根据权利要求1所述的柔性太阳电池翼用长寿命张紧机构，其特征在于所述绕线轮组件(5)包括轮缘(51)和轮盘(52)，两者固连为一体；轮盘(52)采用密度小于等于2.8g/cm3材料制成，在满足结构连接关系的同时，具备较低的质量。
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