CN115320893A - 一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，包括：第一铰链板，包括第一台肩；第二铰链板，包括第二台肩；转轴，第一端具有轴肩部，第一铰链板与转轴间隙配合连接，第二铰链板与转轴周向固定、轴向活动地连接；扭转弹簧，套在转轴的中部，当铰链板闭合时储存有弹性势能；第一铰链板第一端的端面和轴肩部上分别设有匹配的凹陷和凸起，第一台肩和第二台肩相互抵靠；压缩弹簧，套在转轴的第二端，第一端抵靠在第二铰链板的第二端的端面上，第二端固定在转轴第二端的端面上，并处于压缩状态，这样，当铰链板相互展开时，凸起和凹陷相互配合，将铰链板锁定在展开位置。

Description

一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构。

背景技术

卫星发射进入预定轨道后，除了依靠自身携带的蓄电池供电外，绝大多数电能依靠卫星太阳能帆板充电获得，以维持整个系统的正常运行。传统的大卫星由于系统复杂、体积和质量大，对电能需求也就相应增加，因此其太阳能板面积也相当大，一般采用大型复杂的桁架结构将其展开并支撑，尺寸大，重量重，结构复杂。由于成本、用途、使用要求等方面原因，微小卫星在快速发展的民用卫星行业中更受青睐，由于体积、质量及发射成本等因素，复杂的桁架结构并不适用微小卫星，于是，铰链结构便成为微小卫星太阳能帆板必要组件。用于太阳能帆板展开的铰链机构既要能自动打开，又要能在既定位置可靠自锁，为了满足地面测试，还需要随时能方便解除自锁的要求。但一般铰链结构只有展开功能，没有自锁定位功能或自锁定位功能不可靠，无法满足使用要求。

因此，本领域中需要一种具有可靠的自锁功能且方便解锁的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，包括：

第一铰链板1，其与卫星的固定支架固定连接，并包括至少一个第一台肩11；

第二铰链板2，其与卫星的太阳能帆板固定连接，并包括至少一个第二台肩21；

转轴3，其第一端具有轴肩部31，其中第一铰链板1通过所述至少一个第一台肩11与转轴3间隙配合连接，第二铰链板2通过所述至少一个第二台肩21与转轴3周向固定、轴向活动地连接；

扭转弹簧5，其套在转轴3的中部，且当第一铰链板1和第二铰链板2闭合时储存有弹性势能，并作用在第一铰链板1和第二铰链板2上；

其中，第一铰链板1的轴向第一端的端面和转轴3的轴肩部31上分别设有能够匹配的凹陷和凸起，并且，第一铰链板1的至少一个第一台肩11和第二铰链板2的相应的至少一个第二台肩21相互抵靠；

压缩弹簧7，其套在转轴3的第二端，其第一端抵靠在第二铰链板2的轴向第二端的端面上，第二端直接或间接固定在转轴3的第二端的端面上，并处于压缩状态，从而向转轴3施加从转轴3的第一端向第二端方向的力，使得转轴3的轴肩部31始终抵靠在第一铰链板1的轴向第一端的端面上，这样，当第二铰链板2相对于第一铰链板1展开时，转轴3的轴肩部31和第一铰链板1的轴向第一端的端面上的凸起和凹陷相互配合在一起，从而将第二铰链板2锁定在展开位置。

根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构不仅可以可靠地实现展开自锁功能，方便解锁，而且可以通过调整端面凸轮的压力曲面形状实现展开角度的大范围的自由调整。此外，展开力矩和锁紧位置剩余力矩均可通过调整扭转弹簧的设计参数的组合来实现。而且，锁紧力的大小可以通过调整端面凸轮的型面高度和压缩弹簧的预压缩量来控制。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构处于闭合状态的示意性透视图。

图2示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构处于展开状态的示意性透视图。

图3示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构中的转轴和第一铰链板的示意性透视图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本发明。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

本说明书中涉及的各术语的含义一般为本领域中的通常含义，或者为本领域技术人员在阅读本说明书之后所正常理解的含义。本说明书中的用语“包括”、“包含”是开放式的，即除了所提及的各要素外，还可能包括其他未提及的要素。本说明书中的用语 “连接”、“相连”等类似术语通常包括机械连接，且通常既可以包括直接连接，也包括经由其他部件的间接连通或连接。本说明书中的用语 “固定”等可包括本领域中所知的任何一个固定或连接方式，例如，螺纹、焊接、一体化固定等方式，且通常既可以包括直接固定，也包括经由其他部件的间接固定。本说明书中的用语“第一”、“第二”等仅用于区分同类的不同部件，而不表示在重要性、结构、功能等方面的任何顺序。

现参照图1-3，其中，图1示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构处于闭合状态的示意性透视图，图2示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构处于展开状态的示意性透视图，图3示出了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构中的转轴和第一铰链板的示意性透视图。

如图1-3中所示，根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100包括：

第一铰链板1，其与卫星的固定支架固定连接，并包括至少一个第一台肩11；

第二铰链板2，其与卫星的太阳能帆板固定连接，并包括至少一个第二台肩21；

转轴3，其第一端具有轴肩部31，其中第一铰链板1通过所述至少一个第一台肩11与转轴3间隙配合连接，第二铰链板2通过所述至少一个第二台肩21与转轴3周向固定、轴向活动地连接；

扭转弹簧5，其套在转轴3的中部，且当第一铰链板1和第二铰链板2闭合时储存有弹性势能，并作用在第一铰链板1和第二铰链板2上；

其中，第一铰链板1的轴向第一端的端面和转轴3的轴肩部31上分别设匹配的凹陷和凸起，并且，第一铰链板1的至少一个第一台肩11和第二铰链板2的相应的至少一个第二台肩21相互抵靠；

压缩弹簧7，其套在转轴3的第二端，其第一端抵靠在第二铰链板2的轴向第二端的端面上，第二端直接或间接固定在转轴3的第二端的端面上，并处于压缩状态，从而向转轴3施加从转轴3的第一端向第二端方向的力，使得转轴3的轴肩部31始终抵靠在第一铰链板1的轴向第一端的端面上，这样，当第二铰链板2相对于第一铰链板1展开时，转轴3的轴肩部31和第一铰链板1的轴向第一端的端面上的凸起和凹陷相互配合在一起，从而将第二铰链板2锁定在展开位置。

所述第一铰链板1、第二铰链板2和转轴3构成一个铰链机构。如本技术领域中所知的，铰链机构俗称合页，其通常包括两个铰链板，一个铰链板通常与转轴成一体或固定在一起，另一个铰链板通常可围绕转轴转动，从而两个铰链板之间可相互闭合和展开。通常两个铰链板分别与两个构件（例如，门和门框）固定连接，从而使得这两个构件能够相互闭合和展开。

在一些实施例中，所述第一铰链板1与卫星的固定支架固定连接，第二铰链板2与卫星的太阳能帆板固定连接。在另一些实施例中，第一铰链板1与卫星的太阳能帆板固定连接，第二铰链板2与卫星的固定支架固定连接。所述第一铰链板1和第二铰链板2可分别通过螺纹连接等连接方式与卫星的固定支架和太阳能帆板固定连接。

所述第一铰链板1可包括至少一个第一台肩11，例如，如图1-2中所示那样，可包括三个第一台肩11。所述第一台肩11，是指从第一铰链板11上延伸出来的突出部分，以便提供用于转轴3穿过的孔，并便于第一铰链板1和第二铰链板2之间的闭合。所述第一铰链板1可与转轴3间隙配合连接，即转轴3可穿过所述至少一个第一台肩11上提供的孔，且孔的直径大于转轴3的直径。

所述第二铰链板2可包括至少一个第二台肩21，如图1-2中所示那样，可包括三个第二台肩21。所述第二台肩21，是指从第二铰链板2上延伸出来的突出部分，以便提供用于转轴3穿过的孔，并便于第一铰链板1和第二铰链板2之间的闭合。所述第二铰链板2可以与转轴3周向固定、轴向活动地连接，也就是说，当所述第二铰链板2转动时，可带动转轴3一起相对于所述第一铰链板1转动，但第二铰链板2和转轴3之间可在轴向相对滑动，例如通过下文所述实施例中的销轴和铣扁台阶面的配合等方式。

所述第一铰链板1的至少一个第一台肩11和所述第二铰链板2的相应至少一个第二台肩21可以如图1-2中所示那样相互抵靠，在它们之间也可以安装有防摩擦垫片，如下文中所述实施例中那样。

所述扭转弹簧5可以具有间隙地套在转轴3上大体中部的位置，且其钢丝两端可分别固定在第一铰链板1和第二铰链板2上。当第一铰链板1和第二铰链板2闭合时，扭转弹簧5被扭转，从而储存有势能，向第一铰链板1和第二铰链板2施加相互展开的力。当需要太阳能帆板从卫星固定支架展开时，只需解除锁定，太阳能帆板就随着第二铰链板2在扭转弹簧5的作用下展开。

所述第一铰链板1的轴向第一端（即图1-3中所示的左端）的端面上，例如第一铰链板1的左端的第一台肩11的端面上，设有凹陷或凸起。在如图3中所示的实施例中，该端面上设有一个水平的凹陷，且该凹陷具有半圆柱形或部分圆柱形。在其他实施例中，该端面上可设有其他方向(例如倾斜的)或形状的凹陷或者凸起。

所述转轴3的第一端（即图1-3中所示的左端）具有轴肩部31，该轴肩部31的台阶面上设有凸起或凹陷，该凸起或凹陷能够与第一铰链板1的轴向第一端的端面上设有的凹陷或凸起匹配，从而当转轴3随第二铰链板2相对于第一铰链板1展开时，转轴3的轴肩部31的台阶面上设有的凸起或凹陷与第一铰链板1的轴向第一端的端面上设有的凹陷或凸起相互配合在一起，从而将第二铰链板2锁定在展开状态。

在图1-3所示的实施例中，第一铰链板1的轴向第一端的端面上设有部分圆柱形（例如半圆柱形）凹槽12，转轴3的轴肩部31安装有第一销轴4，当第二铰链板2相对于第一铰链板1展开时，第一销轴4部分落入部分圆柱形凹槽12中，从而将第二铰链板2锁定在展开位置。采用销轴4与转轴3的装配组合来代替转轴3的轴肩部31的端面凸起或凹陷（可称为端面凸轮）的型面，能够便于加工，降低加工难度，减小制造成本。

也可以直接在转轴003台阶面加工端面凸轮的型面，或者直接加工端面凸轮件装配该位置。

当然，在其他实施例中，转轴3的轴肩部31的台阶面上可直接加工出端面凸轮的型面，例如一个部分圆柱形的凸起或其他形状的端面凸轮件，以便与第一铰链板1的轴向第一端的端面上的凹槽、凸起或其他端面形状相匹配。

由于在本发明的实施例中，通过第一铰链板1和转轴3上分别设有的凹陷和凸起的匹配来将第二铰链板2锁定在展开位置，因此可以通过方便地调整所述凹陷和凸起的位置来调整第二铰链板2展开锁定的角度。例如，本发明的技术方案能够满足展开角度从10度到350度任意角度的展开和自锁定位要求。此外，在本发明的一些实施例中，可以通过在第一铰链板1的端面和转轴3轴肩部31的台阶面上设计复杂的凸轮形状及配合，不但实现将第二铰链板2正确地锁定在展开位置，而且使得在第二铰链板2相对于第一铰链板1展开过程中，提供所希望的阻力矩。

为确保所述转轴3的轴肩部31的台阶面与第一铰链板1轴向第一端的端面始终抵靠在一起，第一铰链板1的至少一个第一台肩11和第二铰链板2的相应的至少一个第二台肩21相互抵靠（例如，某一个第一台肩11与相应的第二台肩相互抵靠，或者多个第一台肩11分别与相应的多个第二台肩相互抵靠），同时，套在转轴3的第二端的压缩弹簧7的第一端抵靠在第二铰链板2的轴向第二端的端面上，压缩弹簧7的第二端直接或间接固定在转轴3的第二端的端面上，并处于压缩状态，从而向转轴3施加从转轴3的第一端向第二端方向（即图1-2中从左向右方向）的力。也就是说，按照图1-2所示方向，第一铰链板1固定在卫星的固定支架上，第二铰链板2向左抵靠在第一铰链板1上，压缩弹簧7位于第二铰链板2的右端面和转轴3的右端之间，并处于压缩状态，从而向转轴3施加向右的力，又由于转轴3相对于第二铰链板2是轴向可滑动的，使得转轴3的轴肩部31始终抵靠在第一铰链板1的轴向第一端的端面上，这样，当第二铰链板2相对于第一铰链板1展开时，转轴3的轴肩部31和第一铰链板1的轴向第一端的端面上的凸起和凹陷相互配合在一起，从而将第二铰链板2锁定在展开位置，此时，压缩弹簧7仍处于压缩状态，但相对于第二铰链板2和第一铰链板1处于闭合位置时，弹性势能有所降低。

如图1-2中所示，在一些实施例中，所述用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100还包括：

端盖6，其覆盖在压缩弹簧7的第二端上；以及

螺钉8，其穿过端盖6，旋拧在转轴3第二端端面中心的螺孔中，从而能够调节压缩弹簧7的预压缩量。

这样，通过使用螺钉8调节压缩弹簧7的预压缩量，可以调节压缩弹簧7施加到转轴3上的力，从而调节转轴3的轴肩部31的台阶面抵靠在第一铰链板1的轴向第一端的端面上的压力，使得当第二铰链板2和第一铰链板1之间处于闭合和展开状态时，该压力都是适当的。

在一些进一步的实施例中，所述压缩弹簧7为波形压缩弹簧。如本领域中所知的，波形压缩弹簧尺寸小，结构紧奏，单位尺寸下的弹性系数高，因此特别适用于小尺寸的铰链机构的轴向预压缩。

当然，在其他实施例中，压缩弹簧7可通过其他方式固定在转轴3上，例如，直接焊接在转轴3的右端，这样，压缩弹簧7的预压缩量将是固定不变的。

在一些实施例中，如图1-2中所示，所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100还包括：第二销轴9，其固定在第二铰链板2上，并与转轴3上的铣扁台阶面配合，从而确保第二铰链板2相对于转轴3能够周向固定且轴向滑动。

也就是说，第二销轴9可插入第二铰链板2上设有的销孔中并突出到第二铰链板2的轴孔中，从而与轴孔中的转轴3表面上设有的铣扁台阶面相接触。该铣扁台阶面可具有适当的长度，从而允许转轴3相对于第二销轴9和第二铰链板2轴向滑动，并确保转轴3与第二铰链板2周向固定。所述第二销轴9可以有一个或多个。

在其他实施例中，可采用其他机构来确保转轴3和第二铰链板2之间的周向固定和轴向可滑动。例如，一个销轴可固定在转轴3上，并穿过第二铰链板2上设有的轴向细长槽，从而确保转轴3和第二铰链板2之间的周向固定和轴向可滑动。再例如，可以通过在第二铰链板2与转轴3之间设置平键，或者半圆面、多边形截面的配合等，来实现它们之间的周向固定和轴向可滑动。

在一些实施例中，所述用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100还包括：垫片10，其套在转轴3上，并位于第一铰链板1的至少一个第一台肩11与第二铰链板2相应至少一个第二台肩21之间，以便减少至少一个第一台肩11和相应至少一个第二台肩21之间的摩擦力。所述垫片10例如可以为石墨尼龙垫片。由于在第二铰链板2相对于第一铰链板展开或闭合的过程中，第一铰链板1的至少一个第一台肩11与第二铰链板2相应至少一个第二台肩21相互的抵靠，第一台肩11和第二台肩21之间会产生摩擦力，通过使用垫片10可极大地减少这种摩擦力，从而方便机构的操作，并提高机构的使用寿命。

在一些实施例中，所述转轴3的第一端上设有孔32。该孔32可用于由其他部件或人工施加由转轴3的第二端向第一端方向（图1-3中的向左方向）的力，从而克服压缩弹簧8的预紧力，解除端面凸轮的锁定，将第二铰链板2由展开锁定状态解除，以便恢复到闭合状态。

根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100，作为一种铰链机构，在铰链处于闭合状态时，如图1所示。此时，第二铰链板2随转轴3旋转到相对于第一铰链板1为0度夹角状态，此时扭转弹簧5处于最大压缩状态，扭转弹簧蓄能。端面凸轮处于行程高点，压缩弹簧7处于压紧蓄能状态。

当所述铰链机构释放后，第二铰链板2（母铰，一般固定安装在太阳能帆板或做相对转动的机体上）在扭转弹簧5的作用下围绕转轴3相对于第一铰链板1（公铰，一般固定安装在卫星的固定支架或相对固定的机体上）转动，将太阳能帆板打开。同时，在销轴9的作用下，转轴3也随着第二铰链板2一起转动。

当所属铰链机构打开到预定角度后，端面凸轮的接触由高点移动到低点，实现对铰链机构的打开角度的准确定位。由于端面凸轮的接触点由高点移动到低点后，压缩弹簧7处于预压缩状态，此时一方面扭转弹簧5的蓄能得到释放，驱动力得到充分释放并降到低点，而压缩弹簧7处于预压缩的低蓄能状态，所以，端面凸轮要从最低点爬升到最高点没有足够驱动力矩，在压缩弹簧5的作用下实现位置的自锁。

当所述铰链机构需要闭合时，需要通过转轴3左端的孔32施加向左的拉力，克服压缩弹簧7的弹力，使端面凸轮的接触位置从低点达到高点的位置后，在外力作用下克服扭转弹簧5的阻力矩，使第一铰链板1与第二铰链板2的夹角达到0度，完成闭合。

根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构100不仅可以可靠地实现展开自锁功能，方便解锁，而且可以通过调整端面凸轮的压力曲面形状实现展开角度的大范围的自由调整。此外，展开力矩和锁紧位置剩余力矩均可通过调整扭转弹簧的设计参数（弹簧钢丝直径，弹簧中径尺寸，弹簧有效圈数，弹簧钢丝材料等）的优化组合来实现。而且，锁紧力的大小可以通过调整端面凸轮的型面高度和压缩弹簧的预压缩量来控制。

以上参照附图描述了根据本发明的实施例的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，应指出的是，以上描述和图示仅为示例，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该装置可具有更多、更少或不同的部件，且各部件之间的连接、包含和功能等关系可以与所描述和图示的不同。例如，每个部件的形状和结构都可以与所描述和图示的不同，且各部件之间的位置和连接关系也可以与所描述和图示的不同，等等。所有这些变化都处于本发明的精神和范围之内。

虽然本发明已经通过实施例披露如上，但本发明并非限定于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种变动与修改，均应纳入本发明的保护范围，本发明的保护范围仅以权利要求的语言及其等价语言所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，包括：

第一铰链板（1），其与卫星的固定支架固定连接，并包括至少一个第一台肩（11）；

第二铰链板（2），其与卫星的太阳能帆板固定连接，并包括至少一个第二台肩（21）；

转轴（3），其第一端具有轴肩部（31），其中第一铰链板（1）通过所述至少一个第一台肩（11）与转轴（3）间隙配合连接，第二铰链板（2）通过所述至少一个第二台肩（21）与转轴（3）周向固定、轴向活动地连接；

扭转弹簧（5），其套在转轴（3）的中部，且当第一铰链板（1）和第二铰链板（2）闭合时储存有弹性势能，并作用在第一铰链板（1）和第二铰链板（2）上；

其中，第一铰链板（1）的轴向第一端的端面和转轴（3）的轴肩部（31）上分别设有能够匹配的凹陷和凸起，并且，第一铰链板（1）的至少一个第一台肩（11）和第二铰链板（2）的相应的至少一个第二台肩（21）相互抵靠；

压缩弹簧（7），其套在转轴（3）的第二端，其第一端抵靠在第二铰链板（2）的轴向第二端的端面上，第二端直接或间接固定在转轴（3）的第二端的端面上，并处于压缩状态，从而向转轴（3）施加从转轴（3）的第一端向第二端方向的力，使得转轴（3）的轴肩部（31）始终抵靠在第一铰链板（1）的轴向第一端的端面上，这样，当第二铰链板（2）相对于第一铰链板（1）展开时，转轴（3）的轴肩部（31）和第一铰链板（1）的轴向第一端的端面上的凸起和凹陷相互配合在一起，从而将第二铰链板（2）锁定在展开位置。

2.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，其中，第一铰链板（1）的轴向第一端的端面上设有部分圆柱形凹槽（12），转轴（3）的轴肩部（31）安装有第一销轴（4），当第二铰链板（2）相对于第一铰链板（1）展开时，第一销轴（4）部分落入部分圆柱形凹槽（12）中，从而将第二铰链板（2）锁定在展开位置。

3.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，还包括：

端盖（6），其覆盖在压缩弹簧（7）的第二端上；以及

螺钉（8），其穿过端盖（6），旋拧在转轴（3）第二端端面中心的螺孔中，从而能够调节压缩弹簧（7）的预压缩量。

4.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，其中，所述压缩弹簧（7）为波形压缩弹簧。

5.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，还包括：

第二销轴（9），其固定在第二铰链板（2）上，并与转轴（3）上的铣扁台阶面配合，从而确保第二铰链板（2）相对于转轴（3）能够周向固定且轴向滑动。

6.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，还包括：

垫片（10），其套在转轴（3）上，并位于第一铰链板（1）的至少一个第一台肩（11）与第二铰链板（2）相应至少一个第二台肩（21）之间，以便减少至少一个第一台肩（11）和相应至少一个第二台肩（21）之间的摩擦力。

7.根据权利要求1所述的用于微小卫星太阳能帆板展开的铰链机构，其中，转轴（3）的第一端上设有孔（32）。

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