CN113879563B - 一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张力结构，特别涉及一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构。包括下模块单元和上模块单元；下模块单元包括三根下折叠杆；上模块单元包括三根上折叠杆，三根下折叠杆沿周向分布，且下端通过旋转铰链与底座连接，三根上折叠杆与三根下折叠杆通过张力绳连接，形成可展开张拉整体结构。三根下折叠杆通过一组竖索依次首尾连接；三根上折叠杆通过另一组竖索依次首尾连接；三根上折叠杆的上端通过水平索依次连接。本发明占用空间小，适用于航天器运载，节约质量和体积；可在空间上建造大型、轻型结构。

Description

一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构

技术领域

本发明涉及一种张力结构，特别涉及一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构。

背景技术

可部署结构可定义为结构能以自动展开方式来进行更大结构的部署，通常表现为结构从紧凑的打包状态部署为大型的结构状态，这种结构易于存储和运输，可展开张拉整体结构就是一种可部署结构。自从1957年苏联发射第一个人造卫星以来，可展开张拉整体结构就一直在太空中使用，并且可展开张拉整体结构是太空中建造大型、轻型结构和大直径天线的有效可行方法。

在过去的十多年中，空间中的结构搭建通常是由航天器和机器人来组装的，这样就增加了机器的工作量；并且由于运载火箭的容量有限，且发射更大航天器的需求不断增加，所以需要考虑在最小空间集中尽可能多的设备；除此之外，这种结构在存放中需要能更好的承受发射载荷，在展开后，结构需要承受相当低的载荷。因此，急需一种具有多重折叠和多模块的可自展开张拉整体结构，来满足航天器上可自动部署且更小质量和体积的需要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，以解决航天器上的体积和面积有限的问题，并且在空间中能实现自动部署。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，包括下模块单元和上模块单元；

下模块单元包括三根下折叠杆；上模块单元包括三根上折叠杆，三根下折叠杆沿周向分布，且下端通过旋转铰链与底座连接，

三根下折叠杆之间及三根上折叠杆之间通过两组内部张力绳连接；三根下折叠杆与三根上折叠杆之间通过外部张力绳连接，从而形成可展开张拉整体结构。

所述下折叠杆和所述上折叠杆结构相同，均包括两个空心管及用于连接两个空心管的折叠铰链，折叠铰链具有自动展开功能。

所述折叠铰链包括分别安装在两个所述空心管端部的折叠铰链Ⅰ和折叠铰链Ⅱ，折叠铰链Ⅰ和折叠铰链Ⅱ通过销轴铰接；两个所述空心管内分别容置有压缩弹簧Ⅰ和压缩弹簧Ⅱ，压缩弹簧Ⅰ和压缩弹簧Ⅱ的一端分别与折叠铰链Ⅰ和折叠铰链Ⅱ抵接，另一端分别连接有弹簧底座Ⅰ和弹簧底座Ⅱ，弹簧底座Ⅰ和弹簧底座Ⅱ通过贯穿折叠铰链Ⅰ和折叠铰链Ⅱ的张力绳拉紧，张力绳的两端分别通过卡扣Ⅰ和卡扣Ⅱ固定。

所述销轴、折叠铰链Ⅰ和折叠铰链Ⅱ上均设有滑轮，滑轮用于涨紧所述张力绳。

所述折叠铰链还包括自锁机构；

自锁机构包括弹簧和锁定钩，其中锁定钩通过铰轴与所述折叠铰链Ⅱ连接，弹簧的一端与所述折叠铰链Ⅱ连接，另一端与锁定钩的一端连接；当折叠铰链处于展开状态时，锁定钩通过弹簧的拉力作用下与折叠铰链Ⅰ抵接。

所述旋转铰链包括旋转铰链Ⅰ、旋转铰链Ⅱ、拉紧弹性绳、弹簧底座Ⅲ及压缩弹簧Ⅲ，其中旋转铰链Ⅰ与底座固定连接，旋转铰链Ⅱ安装在所述空心管的端部，旋转铰链Ⅰ和旋转铰链Ⅱ通过底部销轴转动连接，压缩弹簧Ⅲ容置于所述空心管内，且一端与旋转铰链Ⅱ抵接，另一端与弹簧底座Ⅲ连接，弹簧底座Ⅲ通过贯穿旋转铰链Ⅱ和旋转铰链Ⅰ的拉紧弹性绳与底座连接，拉紧弹性绳的两端分别通过上卡扣和下卡扣固定。

所述底部销轴和旋转铰链Ⅱ上均设有底部滑轮，底部滑轮用于涨紧所述拉紧弹性绳。

所述内部张力绳包括水平索和竖索；

三根所述下折叠杆通过一组竖索依次首尾连接；三根所述上折叠杆通过另一组竖索依次首尾连接；三根所述上折叠杆的上端通过水平索依次连接。

所述外部张力绳包括鞍索和斜索，其中鞍索用于三根所述下折叠杆的上端点与三根所述上折叠杆的下端点依次交替连接；

斜索为两组，其中一组用于三根所述下折叠杆的下端与三根所述上折叠杆的下端连接；另一组用于三根所述下折叠杆的上端与三根所述上折叠杆的上端连接。

所述下折叠杆与所述上折叠杆的下端通过一组斜索两两连接，所述下折叠杆与所述上折叠杆的上端通过另一组斜索两两连接，且下端相互连接的一组下折叠杆和上折叠杆的上端不连接。

本发明与现有技术相比的优点及益效果是：

可多重折叠：本发明占用空间小，适用于航天器运载；节约质量和体积；

可拓展模块：本发明可在空间上建造大型、轻型结构；

自动架设：本发明通过压缩弹簧提供动力，部署时可自展开，无需机器人和航天器组装。

自锁机构：本发明展开的两杆可以自锁定，提高结构的稳定性。

适应空间中的载荷：本发明的结构可以更好的承受存放过程中的发射载荷，展开时，只承受相当低的轨道载荷。

附图说明

图1为本发明一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构的展开状态示意图；

图2为本发明一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构的折叠状态示意图；

图3为本发明中双模块的结构示意图；

图4为本发明中折叠铰链的剖视图；

图5为本发明中旋转铰链的剖视图；

图6为本发明一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构的构建示意图；

图7为本发明中水平索和鞍索的连接示意图；

图8为本发明中竖索的连接示意图；

图9为本发明中斜索的连接示意图；

图中：1为下折叠杆Ⅰ，2为下折叠杆Ⅱ，3为下折叠杆Ⅲ，1^，为上折叠杆Ⅰ，2^，为上折叠杆Ⅱ，3^，为上折叠杆Ⅲ，4为旋转铰链，5为折叠铰链，6为空心管，7为弹簧底座Ⅰ，8为压缩弹簧Ⅰ，9为滑轮，10为销轴，11为铆钉Ⅰ，12为弹簧底座Ⅱ，13为卡扣Ⅱ，14为折叠铰链Ⅱ，15为弹簧，16为铰轴，17为锁定钩，18为折叠铰链Ⅰ，19为卡扣Ⅰ，20为张力绳，21为压缩弹簧Ⅱ，22为旋转铰链Ⅰ，23为底座，24为下卡扣，25为旋转铰链Ⅱ，26为底部销轴，27为上卡扣，28为底部滑轮，29为滑轮轴，30为拉紧弹性绳，31为弹簧底座Ⅲ，32为压缩弹簧Ⅲ，33为铆钉Ⅱ，40为鞍索，41为水平索，42为斜索，43为竖索，a为下折叠杆Ⅰ下端点，a^，为下折叠杆Ⅰ上端点，b为下折叠杆Ⅱ下端点，b^，为下折叠杆Ⅱ上端点，c为下折叠杆Ⅲ下端点，c^，为下折叠杆Ⅲ上端点，d为上折叠杆Ⅰ下端点，d^，为上折叠杆Ⅰ上端点，e为上折叠杆Ⅱ下端点，e^，为上折叠杆Ⅱ上端点，f为上折叠杆Ⅲ下端点，f^，为上折叠杆Ⅲ上端点， A为下模块单元，B为上模块单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，包括下模块单元A和上模块单元B；下模块单元A包括三根下折叠杆；上模块单元B包括三根上折叠杆，三根下折叠杆沿周向分布，且下端通过旋转铰链4与底座23连接；三根下折叠杆之间及三根上折叠杆之间通过两组内部张力绳连接；三根下折叠杆与三根上折叠杆之间通过外部张力绳连接，从而形成可展开张拉整体结构。

如图3所示，本发明的实施例中，下折叠杆和上折叠杆结构相同，均包括两个空心管6及用于连接两个空心管6的折叠铰链5，折叠铰链5具有自动展开功能。

如图4所示，本发明的实施例中，折叠铰链5包括分别安装在两个空心管6端部的折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14，折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14通过销轴10铰接；两个空心管6内分别容置有压缩弹簧Ⅰ8和压缩弹簧Ⅱ21，压缩弹簧Ⅰ8和压缩弹簧Ⅱ21的一端分别与折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14抵接，另一端分别连接有弹簧底座Ⅰ7和弹簧底座Ⅱ12，弹簧底座Ⅰ7和弹簧底座Ⅱ12通过贯穿折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14的张力绳20拉紧，张力绳20的两端分别通过卡扣Ⅰ19和卡扣Ⅱ13固定。

具体地，折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14通过铆钉Ⅰ11固定在两空心管6的端部，张力绳20穿过两端弹簧底座Ⅰ7和弹簧底座Ⅱ12的中心孔，先将压缩弹簧Ⅰ8和压缩弹簧Ⅱ21处于压缩状态后，再用卡扣Ⅰ19和卡扣Ⅱ13将张力绳20两端锁紧固定。

进一步地，销轴10、折叠铰链Ⅰ18和折叠铰链Ⅱ14上均设有滑轮9，滑轮9用于涨紧张力绳20。

进一步地，折叠铰链5还包括自锁机构；自锁机构包括弹簧15和锁定钩17，其中锁定钩17通过铰轴16与折叠铰链Ⅱ14连接，弹簧15的一端与折叠铰链Ⅱ14连接，另一端与锁定钩17的一端连接；当折叠铰链5处于展开状态时，锁定钩17通过弹簧15的拉力作用下与折叠铰链Ⅰ18抵接，从而自锁机构可将展开后的折叠铰链锁紧。

本实施例中，折叠铰链5主要用于每一模块中两杆的连接，使两连接杆可180°旋转，并且打包状态下折叠铰链5的铰接中心与管外壁母线平齐为偏心，可达到两根管子在折叠时紧密地并排放置。

如图5所示，本发明的实施例中，旋转铰链4包括旋转铰链Ⅰ22、旋转铰链Ⅱ25、拉紧弹性绳30、弹簧底座Ⅲ31及压缩弹簧Ⅲ32，其中旋转铰链Ⅰ22与底座23固定连接，旋转铰链Ⅱ25安装在空心管6的端部，旋转铰链Ⅰ22和旋转铰链Ⅱ25通过底部销轴26转动连接，压缩弹簧Ⅲ32容置于空心管6内，且一端与旋转铰链Ⅱ25抵接，另一端与弹簧底座Ⅲ31连接，弹簧底座Ⅲ31通过贯穿旋转铰链Ⅱ25和旋转铰链Ⅰ22的拉紧弹性绳30与底座23连接，拉紧弹性绳30的两端分别通过上卡扣27和下卡扣24固定。

进一步地，底部销轴26和旋转铰链Ⅱ25上均设有底部滑轮28，底部滑轮28用于涨紧拉紧弹性绳30。

具体地，需要预先在空心管6内安装压缩弹簧Ⅲ32和弹簧底座Ⅲ31，穿入拉紧弹性绳30的一端用上卡扣27锁紧，旋转铰链Ⅱ25与安装好的空心管6的一端用铆钉Ⅱ33固定，旋转铰链Ⅰ22安装在底座23上，旋转铰链Ⅰ22和旋转铰链Ⅱ25用底部销轴26连接并安装底部滑轮28，在旋转铰链Ⅱ25上安装由两个滑轮轴29分别支撑的两个底部滑轮28，已经固定一端的拉紧弹性绳30经过两个底部滑轮28，另一端穿过旋转铰链Ⅰ22和底座23上的孔，拉紧弹性绳30使空心管6内的压缩弹簧Ⅲ32处于压缩状态，再用下卡扣24锁定。

进一步地，旋转铰链上设有限位块，使每根管相对于底座的展开角度为60°。因此，旋转铰链4用于限定结构的中每一单元的旋转角度为60°，与杆连接的一端内有压缩弹簧，旋转铰链也可自展开。

如图1、图6所示，本发明的实施例中，内部张力绳包括水平索41和竖索43；如图8所示，三根下折叠杆通过一组竖索43依次首尾连接；三根上折叠杆通过另一组竖索43依次首尾连接；如图7所示，三根上折叠杆的上端通过水平索41依次连接。

如图1、图6所示，本发明的实施例中，外部张力绳包括鞍索40和斜索42。如图7所示，鞍索40用于三根下折叠杆的上端点与三根上折叠杆的下端点依次交替连接。

如图9所示，斜索42为两组，其中一组用于三根下折叠杆的下端与三根上折叠杆的下端连接；另一组用于三根下折叠杆的上端与三根上折叠杆的上端连接。

进一步地，下折叠杆与上折叠杆的下端通过一组斜索42两两连接，下折叠杆与上折叠杆的上端通过另一组斜索42两两连接，且下端相互连接的一组下折叠杆和上折叠杆的上端不连接。

本实施例中，三根下折叠杆分别为下折叠杆Ⅰ1、下折叠杆Ⅱ2及下折叠杆Ⅲ3；三根上折叠杆分别为上折叠杆Ⅰ1^，、上折叠杆Ⅱ2^，及上折叠杆Ⅲ3^，，在空间上三根下折叠杆和三根上折叠杆沿周向依次交替设置。

其中水平索41的连接方式：水平索41依次连接上折叠杆Ⅰ上端点d^，、上折叠杆Ⅱ上端点e^，及上折叠杆Ⅲ上端点f^，，如图7所示；

竖索43的连接方式：在下模块单元A中，下折叠杆Ⅰ1、下折叠杆Ⅱ2及下折叠杆Ⅲ3通过三段竖索43依次首尾相连；在上模块单元B中，上折叠杆Ⅰ1^，、上折叠杆Ⅱ2^，及上折叠杆Ⅲ3^，通过另一组三段竖索43依次首尾相连。

斜索42的连接方式：下折叠杆Ⅰ下端点a与上折叠杆Ⅱ下端点e连接，下折叠杆Ⅱ下端点b与上折叠杆Ⅰ下端点d连接，下折叠杆Ⅲ下端点c与上折叠杆Ⅲ下端点f连接；下折叠杆Ⅰ上端点a^，与上折叠杆Ⅰ上端点d^，连接，下折叠杆Ⅱ上端点b^，与上折叠杆Ⅲ上端点f^，连接，下折叠杆Ⅲ上端点c^，与上折叠杆Ⅱ上端点e^，连接，如图9所示。

本发明提供的一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，折叠铰链和旋转铰链都可以自展开，可应用于太空可部署结构中，不但解决了航天器空间有限的问题，而且可自动部署，大大提高了效率，降低机器搭建的成本。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，包括下模块单元（A）和上模块单元（B）；

下模块单元（A）包括三根下折叠杆；上模块单元（B）包括三根上折叠杆，三根下折叠杆沿周向分布，且下端通过旋转铰链（4）与底座（23）连接，

三根下折叠杆之间及三根上折叠杆之间通过两组内部张力绳连接；三根下折叠杆与三根上折叠杆之间通过外部张力绳连接，从而形成可展开张拉整体结构；

所述下折叠杆和所述上折叠杆结构相同，均包括两个空心管（6）及用于连接两个空心管（6）的折叠铰链（5），折叠铰链（5）具有自动展开功能；

所述折叠铰链（5）包括分别安装在两个所述空心管（6）端部的折叠铰链Ⅰ（18）和折叠铰链Ⅱ（14），折叠铰链Ⅰ（18）和折叠铰链Ⅱ（14）通过销轴（10）铰接；两个所述空心管（6）内分别容置有压缩弹簧Ⅰ（8）和压缩弹簧Ⅱ（21），压缩弹簧Ⅰ（8）和压缩弹簧Ⅱ（21）的一端分别与折叠铰链Ⅰ（18）和折叠铰链Ⅱ（14）抵接，另一端分别连接有弹簧底座Ⅰ（7）和弹簧底座Ⅱ（12），弹簧底座Ⅰ（7）和弹簧底座Ⅱ（12）通过贯穿折叠铰链Ⅰ（18）和折叠铰链Ⅱ（14）的张力绳（20）拉紧，张力绳（20）的两端分别通过卡扣Ⅰ（19）和卡扣Ⅱ（13）固定。

2.根据权利要求1所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述销轴（10）、折叠铰链Ⅰ（18）和折叠铰链Ⅱ（14）上均设有滑轮（9），滑轮（9）用于涨紧所述张力绳（20）。

3.根据权利要求1所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述折叠铰链（5）还包括自锁机构；

自锁机构包括弹簧（15）和锁定钩（17），其中锁定钩（17）通过铰轴（16）与所述折叠铰链Ⅱ（14）连接，弹簧（15）的一端与所述折叠铰链Ⅱ（14）连接，另一端与锁定钩（17）的一端连接；当折叠铰链（5）处于展开状态时，锁定钩（17）通过弹簧（15）的拉力作用下与折叠铰链Ⅰ（18）抵接。

4.根据权利要求1所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述旋转铰链（4）包括旋转铰链Ⅰ（22）、旋转铰链Ⅱ（25）、拉紧弹性绳（30）、弹簧底座Ⅲ（31）及压缩弹簧Ⅲ（32），其中旋转铰链Ⅰ（22）与底座（23）固定连接，旋转铰链Ⅱ（25）安装在所述空心管（6）的端部，旋转铰链Ⅰ（22）和旋转铰链Ⅱ（25）通过底部销轴（26）转动连接，压缩弹簧Ⅲ（32）容置于所述空心管（6）内，且一端与旋转铰链Ⅱ（25）抵接，另一端与弹簧底座Ⅲ（31）连接，弹簧底座Ⅲ（31）通过贯穿旋转铰链Ⅱ（25）和旋转铰链Ⅰ（22）的拉紧弹性绳（30）与底座（23）连接，拉紧弹性绳（30）的两端分别通过上卡扣（27）和下卡扣（24）固定。

5.根据权利要求4所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述底部销轴（26）和旋转铰链Ⅱ（25）上均设有底部滑轮（28），底部滑轮（28）用于涨紧所述拉紧弹性绳（30）。

6.根据权利要求1所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述内部张力绳包括水平索（41）和竖索（43）；

三根所述下折叠杆通过一组竖索（43）依次首尾连接；三根所述上折叠杆通过另一组竖索（43）依次首尾连接；三根所述上折叠杆的上端通过水平索（41）依次连接。

7.根据权利要求6所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述外部张力绳包括鞍索（40）和斜索（42），其中鞍索（40）用于三根所述下折叠杆的上端点与三根所述上折叠杆的下端点依次交替连接；

斜索（42）为两组，其中一组用于三根所述下折叠杆的下端与三根所述上折叠杆的下端连接；另一组用于三根所述下折叠杆的上端与三根所述上折叠杆的上端连接。

8.根据权利要求7所述的具有自展开折叠铰链的双模块可展开张拉整体结构，其特征在于，所述下折叠杆与所述上折叠杆的下端通过一组斜索（42）两两连接，所述下折叠杆与所述上折叠杆的上端通过另一组斜索（42）两两连接，且下端相互连接的一组下折叠杆和上折叠杆的上端不连接。

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