CN113697128B - 可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置包括波纹管组件、离合器组件、转动负载连接法兰和固定负载支撑轴；固定负载支撑轴设置在驱动轴内；转动负载连接法兰和波纹管组件均套设在驱动轴上；波纹管组件置于转动负载连接法兰内且与驱动轴连接；波纹管组件设有外锥面，转动负载连接法兰设有内锥面；在发射阶段，转动负载连接法兰通过离合器组件与固定负载支撑轴连接在一起，外锥面与内锥面分离；在轨工作阶段，离合器组件释放，转动负载连接法兰与固定负载支撑轴分开，外锥面与内锥面贴合。本发明的卸载装置在发射阶段同时实现转动负载过载的卸载和固定负载的高刚度支撑，在轨工作阶段实现转动负载的高精度定位和高刚度支撑。

Description

可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置
技术领域
本发明涉及空间机构用的发射卸载装置，具体涉及一种可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置。
背景技术
空间机构在地面试验时要承受负载的重力，发射时要承受负载由于加速度过载产生的力。当负载较大时会导致空间机构力学载荷很大，为了保证空间机构承受发射时的载荷且不影响在轨工作性能，空间机构的设计难免笨重庞大。通过卸载装置可以将空间机构与负载在发射时隔离，将发射时的过载卸掉，不通过空间机构承受，而由专门的锁紧机构承受，从而降低空间机构设计难度，减小空间机构体积和重量。同时解锁后卸载装置在太空中需要实现驱动力矩的传递，并保证负载和空间机构之间的配合精度。
现有的地面用卸载装置常用弹性联轴器，但其轴向长度大、轴向伸展差，很难在空间机构上使用。此外，结构支撑刚度越大，发射时负载的响应越小，对负载越有利。因此在卸载的同时增加支撑刚度，对保护负载能起到很好的作用。
目前国内还没有空间机构上使用的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，也未见有相关技术的说明或报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，在发射阶段可以同时实现转动负载过载的卸载和固定负载的高刚度支撑，在轨工作阶段可实现转动负载的高精度定位和高刚度支撑。
为了达到上述的目的，本发明提供一种可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，包括波纹管组件、离合器组件、转动负载连接法兰和固定负载支撑轴；所述固定负载支撑轴设置在空间机构的驱动轴内；所述转动负载连接法兰套设在驱动轴上；所述波纹管组件套设在驱动轴上且置于所述转动负载连接法兰内；所述波纹管组件与驱动轴连接；所述波纹管组件设有外锥面，所述转动负载连接法兰设有内锥面；在发射阶段，所述转动负载连接法兰通过所述离合器组件与所述固定负载支撑轴连接在一起，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面分离；在轨工作阶段，所述离合器组件释放，所述转动负载连接法兰与所述固定负载支撑轴分开，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面贴合。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述波纹管组件包括输入法兰、波纹管和输出法兰；所述波纹管位于所述输入法兰内，所述输出法兰位于所述波纹管一端；所述输入法兰与驱动轴连接；所述输出法兰与所述转动负载连接法兰连接；所述波纹管的两端分别固定在所述输入法兰和所述输出法兰上；所述输入法兰设有所述外锥面。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述输入法兰的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面配合的轴向距离和倾角，满足转动负载连接法兰径向抗弯刚度要求。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，在所述输入法兰的外锥面和所述转动负载连接法兰的内锥面增加润滑措施。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述波纹管具有初始压缩量，提供初始预紧力。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述离合器组件包括上离合器合下离合器；所述上离合器安装于所述固定负载支撑轴上；所述下离合器安装于所述转动负载连接法兰上。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述离合器组件为端面齿盘离合器。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，在所述上离合器和所述下离合器的啮合齿面增加润滑措施。
上述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其中，所述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置还包括应变片，所述应变片设置在固定负载支撑轴的外侧壁上，用于测量上离合器和下离合器啮合时所施加的轴向预载的大小。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，在发射卸载状态，可以同时实现转动负载过载的卸载和固定负载的高刚度支撑，离合器啮合时可以自动对中，重复定位精度高，承载能力大，且可以实时监控通过离合器所加轴向预载的大小并进行调节，以得到合适的支撑刚度；在轨工作状态，通过波纹管弹力使离合器可靠脱开，波纹管组件的输入法兰和转动负载连接法兰通过锥面紧密贴合在一起，由于锥形配合面的自定心效果，使整个装置的定位精度很高，卸载装置整体可视为一个刚体，转动负载通过卸载装置与空间机构连为一体，从而实现驱动力矩的传递，并保证负载和空间机构之间有很高的配合精度和径向抗弯刚度。
附图说明
本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的卸载状态剖视图。
图2为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的工作状态剖视图。
图3为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的工作状态外形图。
具体实施方式
以下将结合图1～图3对本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置作进一步的详细描述。
本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置包括波纹管组件、离合器组件、转动负载连接法兰和固定负载支撑轴；
所述固定负载支撑轴设置在空间机构的驱动轴内；
所述转动负载连接法兰套设在驱动轴上；
所述波纹管组件套设在驱动轴上且置于所述转动负载连接法兰内；所述波纹管组件与驱动轴连接；
所述波纹管组件设有外锥面，所述转动负载连接法兰设有内锥面；
在发射阶段，所述转动负载连接法兰通过所述离合器组件与所述固定负载支撑轴连接在一起，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面分离；
在轨工作阶段，所述离合器组件释放，所述转动负载连接法兰与所述固定负载支撑轴分开，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面贴合。
在发射阶段，波纹管组件的外锥面与转动负载连接法兰的内锥面分离(即不接触)，实现了转动负载连接法兰承受的转动负载与驱动轴的隔离，即实现了转动负载过载的卸载；转动负载连接法兰与固定负载支撑轴连接在一起，共同支撑(固定负载支撑轴上的)固定负载，实现了固定负载的高刚度支撑；在轨工作阶段，通过两锥面的导向和贴合可实现转动负载连接法兰与波纹管组件接触时的自对中，具有较高的轴向和径向定位精度，且波纹管组件和转动负载连接法兰共同承受转动负载，实现了转动负载的高刚度支撑。
现以具体实施例详细说明本发明的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置。
图1所示为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的卸载状态剖视图(发射阶段)；图2所示为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的工作状态剖视图(在轨工作阶段)；图3所示为本发明较佳实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置的工作状态外形图。
参见图1至图3，本实施例的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置包括离合器组件1、转动负载连接法兰2、波纹管组件3、固定负载支撑轴4和应变片5；
所述固定负载支撑轴4一端插入空间机构的驱动轴6内，另一端在驱动轴6外；所述固定负载支撑轴4上端设有止口和螺纹孔，用于与外部固定负载的定位和安装连接；所述固定负载支撑轴4为空心轴，可用于电缆走线；
所述转动负载连接法兰2套设在驱动轴6上；所述转动负载连接法兰2上设有止口和螺纹孔，用于与外部转动负载的定位和安装连接；
所述波纹管组件3套设在驱动轴6上且置于所述转动负载连接法兰2内；所述波纹管组件3与驱动轴6连接；
所述应变片5设置在固定负载支撑轴4的外侧壁上。
参见图1和图2，所述离合器组件1包括上离合器101合下离合器102；所述上离合器101安装于所述固定负载支撑轴4上，通过止口定位保证安装精度，通过胶粘固定；所述下离合器102安装于所述转动负载连接法兰2上，通过止口定位保证安装精度，通过胶粘固定。
如图3所示，所述离合器组件1为端面齿盘离合器，所述上离合器101和所述下离合器102啮合时可以自动对中，锁定性能好，重复定位精度高，承载能力大。在所述上离合器101和所述下离合器102的啮合齿面增加润滑措施，避免真空环境下发生冷焊。
所述应变片5用于检测上离合器101和下离合器102啮合时所加的轴向预载的大小，通过调节该预载大小实现固定负载支撑刚度的调节。
参见图1和图2，所述波纹管组件3包括输入法兰301、波纹管302和输出法兰303；
所述输入法兰301、所述波纹管302和所述输出法兰303均套设在驱动轴6上且置于所述转动负载连接法兰2内；
所述波纹管302位于所述输入法兰301内，所述输出法兰303位于所述波纹管302一端；
所述输入法兰301上设有两处止口，分别与驱动轴6和所述波纹管302实现定位，并通过螺钉连接；
所述输出法兰303上设有两处止口，分别与所述波纹管302和所述转动负载连接法兰2实现定位，并通过螺钉连接；
所述波纹管302的两端分别固定在所述输入法兰301和所述输出法兰303上。
所述输入法兰301设有外锥面(即输入法兰301的外侧壁为锥面)，所述转动负载连接法兰2设有内锥面(即转动负载连接法兰2的内侧壁为锥面)，这两个锥面是发射卸载时的分离面，在轨释放后通过两锥面的导向和贴合可实现转动负载连接法兰2与波纹管组件3的输入法兰301接触时的自对中，具有较高的轴向和径向定位精度。
所述输入法兰301的外锥面和所述转动负载连接法兰2的内锥面具有较大的轴向距离和合适的倾角，以使内外锥面贴合后转动负载具有较高的径向抗弯刚度；在所述输入法兰301的外锥面和所述转动负载连接法兰2的内锥面增加润滑措施，以进一步提高配合精度。
本实施例的工作原理是：利用波纹管302的轴向刚度小而扭转刚度大的特点，实现发射时转动负载的过载卸载及在轨工作时的力矩传递，同时利用离合器组件1啮合时提供的锁定和承载能力实现固定负载支撑轴4的高刚度支撑。
具体地，设波纹管302初始长度为L，此时已有一初始压缩量，提供初始预紧力，利用外力推动转动负载连接法兰2沿轴向朝向固定负载支撑轴4的上端运动，使下离合器102与上离合器101对接啮合，在此过程中波纹管302进一步压缩，且转动负载连接法兰2的内锥面与输入法兰301的外锥面分离，转动负载连接法兰2所受转动载荷不再通过机构承受，实现发射卸载，在此过程中输入法兰301在轴向上的位置固定不动，即从输出法兰303一端压缩波纹管302；当转动负载连接法兰2和输入法兰301分离到设定的距离ΔL，即波纹管302的长度压缩至L-ΔL后，可同时实现上离合器和下离合器的自对中啮合，通过啮合给固定负载支撑轴4施加轴向预载，提高固定负载支撑轴4的支撑刚度，减小固定负载支撑轴4上端固定负载的响应；为保证离合器啮合，ΔL应大于离合器齿高度。卸载状态如图1所示。
发射入轨后，锁紧机构解锁，在波纹管302弹力作用下，上离合器101和下离合器102可靠脱开，脱开至设定的距离ΔL后实现转动负载连接法兰2的内锥面与输入法兰301的外锥面自对中接触，解除卸载状态，进入工作状态，且可保证工作状态的轴向和径向定位精度；此时波纹管302恢复到初始长度L，但仍为压缩状态，通过弹力可以保证两锥面始终紧密贴合，实现在轨工作时的力矩传递；通过设计锥面配合的轴向距离和倾角，使内外锥面贴合后负载连接法兰2具有较高的径向抗弯刚度，如图2和图3所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，包括波纹管组件、离合器组件、转动负载连接法兰和固定负载支撑轴；
所述固定负载支撑轴设置在空间机构的驱动轴内；
所述转动负载连接法兰套设在驱动轴上；
所述波纹管组件套设在驱动轴上且置于所述转动负载连接法兰内；所述波纹管组件与驱动轴连接；
所述波纹管组件设有外锥面，所述转动负载连接法兰设有内锥面；
在发射阶段，所述转动负载连接法兰通过所述离合器组件与所述固定负载支撑轴连接在一起，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面分离；
在轨工作阶段，所述离合器组件释放，所述转动负载连接法兰与所述固定负载支撑轴分开，所述波纹管组件的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面贴合。
2.如权利要求1所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述波纹管组件包括输入法兰、波纹管和输出法兰；所述波纹管位于所述输入法兰内，所述输出法兰位于所述波纹管一端；所述输入法兰与驱动轴连接；所述输出法兰与所述转动负载连接法兰连接；所述波纹管的两端分别固定在所述输入法兰和所述输出法兰上；所述输入法兰设有所述外锥面。
3.如权利要求2所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述输入法兰的外锥面与所述转动负载连接法兰的内锥面配合的轴向距离和倾角，满足转动负载连接法兰径向抗弯刚度要求。
4.如权利要求2所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，在所述输入法兰的外锥面和所述转动负载连接法兰的内锥面增加润滑措施。
5.如权利要求2所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述波纹管具有初始压缩量，提供初始预紧力。
6.如权利要求1或2所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述离合器组件包括上离合器合下离合器；所述上离合器安装于所述固定负载支撑轴上；所述下离合器安装于所述转动负载连接法兰上。
7.如权利要求6所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述离合器组件为端面齿盘离合器。
8.如权利要求7所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，在所述上离合器和所述下离合器的啮合齿面增加润滑措施。
9.如权利要求6所述的可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置，其特征在于，所述可调节支撑刚度的高精度轴系卸载装置还包括应变片，所述应变片设置在固定负载支撑轴的外侧壁上，用于测量上离合器和下离合器啮合时所施加的轴向预载的大小。
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