CN115571382A - 一种sma丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构。本发明采用了两级降载、一级释放的结构。第一级降载：压紧杆与箍瓣、斜块与外壳或滑块均采用斜面配合，可以有效将大部分压紧杆拉力载荷传递到壳体上，仅剩小部分载荷传递到推力轴承上。第二级降载：推力轴承中滚珠喷涂二硫化钼润滑涂层，能够有效降低摩擦力，进而降低传递到驱动轴上的扭矩，有效承担轴向载荷。一级释放：驱动轴带动推力轴承转动一定角度，使得推力轴承上圈下降，释放一定轴向间隙。该结构能够大幅提高机构承载能力，同时提高释放的可靠性。本发明可实现自动复位，释放载荷大、抗振动、冲击能力强，稳定性高。

Description

一种SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构

技术领域

本发明涉及航天器连接－分离机构技术领域，具体涉及一种SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构。

背景技术

航天器需要多种连接、分离机构实现空间连接与解锁功能，如多级运载火箭的分离、卫星或者宇宙飞船上太阳翼的展开等等。目前这种解锁装置多为火工品螺栓(又称爆炸螺栓)。随着航天技术的发展，尤其是新一代小型卫星的出现，火工品所引起的冲击和污染问题日趋严重，解决这一问题的一个主要焦点集中在应用形状记忆合金(SMA)发展新型的空间解锁机构。

在发展非火工新型解锁机构上，国内外都有一定的进展，提出了多种利用 SMA驱动的设计方案，如美国Hi Shear科技公司提出的以SMA柱作为驱动的设计方案，国内提出的“SMA丝驱动的连接与解锁机构”(专利申请号： 200810119580.0)。其中“SMA丝驱动的连接与解锁机构”中采用SMA丝作为驱动元件，其结构如图1所示，由绝缘轴承1、绝缘固定座2、箍筒3、外壳4、绝缘滑轮5、分瓣螺母6、螺栓7、端盖8、分离弹簧9、分离顶块10、SMA丝 11以及复位弹簧12组成。分瓣螺母6上下端面均以锥面分别和端盖8、顶块 10配合，形成一个完整的螺纹副，螺栓7被拧入分瓣螺母6中。箍筒3上端和端盖8配合，下端被预压缩的复位弹簧12顶紧。预拉伸的SMA丝11绕过滑轮 5、绝缘轴承1并将两端分别固定于陶瓷支座2和箍筒3上。图1所示状态为解锁过程，对SMA丝11通电，SMA丝11受热收缩，拉动箍筒3向下运动，同时压缩复位弹簧12，当箍筒3运动到一定位置时，分瓣螺母6上的凸台在分离弹簧9的作用下滑入箍筒3的凹槽中，破坏了螺纹副，使螺栓7从分瓣螺母6 中脱出，从而实现机构的分离功能。通电结束后，温度降低，SMA丝11的低温回复力小于复位弹簧12的推力，在复位弹簧12作用下，箍筒3向上运动，重新拉伸SMA丝11，并将分瓣螺母6重新合拢，从而实现机构的可重复作动功能。

“SMA丝驱动的连接与解锁机构”虽然具有裕度大、同步性好等优点，但其也具有致命的缺点：该机构释放过程中，分瓣螺母与箍筒之间为滑动摩擦，释放载荷很大时，摩擦阻力也很大，进而影响SMA丝驱动过程，释放的成功率下降，可靠性下降，因此限制了释放载荷的使用大小。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，释放载荷大、自动复位、抗冲击能力强且可靠性高。

本发明的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，机构内部由下至上依次包括：SMA驱动器组件、推力轴承组件、托盘组件和分离组件；机构外部由外壳和底盖实现封装；

其中，SMA驱动器组件包括SMA丝、驱动轴、复位弹簧和支撑架；其中，驱动轴安装在支撑架上；SMA丝缠绕在驱动轴上，两端固定在支撑架上；复位弹簧安装在托盘螺母上，另一端安装在驱动轴上；

推力轴承组件压在支撑架上，并与驱动轴连接，推力轴承组件的滚道上均匀设有凹坑；

托盘组件包括托盘、托盘弹簧、托盘轴、托盘支架和托盘螺母；其中，托盘支架安装在支撑架上；托盘通过托盘轴和托盘螺母安装在托盘支架上；托盘弹簧缠绕在托盘轴上，并位于托盘与托盘支架之间；

分离组件包括压紧杆、箍瓣和斜块；其中，压紧杆的一端设有凸台，压紧杆的凸台插入箍瓣中，被箍瓣环抱；箍瓣的上下两端分别与外壳和托盘接触；所述斜块位于箍瓣与外壳之间，并沿斜面上下移动；箍瓣和斜块在接触面上设有对称的凹槽。

本发明中，分离组件由多个斜面配合形成降载荷结构，将压紧杆受到的载荷通过压紧杆与箍瓣的配合斜面、斜块与外壳或滑块的配合斜面这两级斜面进行降载，大部分载荷由壳体承担，只有小部分载荷作用在推力轴承上，这样的设计能够大幅增加锁紧载荷。分离组件采用了箍瓣抱紧压紧杆的锁紧方式，通过斜块的运动实现解锁和自动复位，需要再次锁紧时，斜块保持不动，通过箍瓣向下运动，箍瓣沿着与斜块配合斜面向外运动，使得压紧杆得以滑入，随着压紧杆的滑入，压紧杆对箍瓣的压力消失，箍瓣在托盘弹簧的作用下向上运动，抱紧压紧杆，该结构可以实现快速安装，自动复位。

SMA驱动器组件中，驱动轴可以在支撑架的凹槽内转动，对SMA丝通电加热，SMA丝收缩，带动驱动轴旋转，当SMA丝冷却后，在复位弹簧作用下，驱动轴复位，同时拉伸SMA丝，以备下一次驱动。采用该结构能够将SMA丝的直线运动转化为旋转运动，以便用于带动推力轴承旋转。

推力轴承组件在锁紧状态下，滚珠落在滚道中，需要解锁时，驱动轴带动推力轴承中圈旋转一定角度，滚珠落入凹坑中，使得上圈下降一定位移，进而使得斜块下降一定位移，实现释放。当SMA丝冷却后，在复位弹簧作用下，驱动轴带动推力轴承中圈运动，使得滚珠回到中圈的滚道中，实现复位。采用该结构易于释放及复位。

工作过程：

机构解锁时，对SMA丝通电加热，使其收缩带动驱动轴旋转，驱动轴带动推力轴承旋转，滚珠落入滚道上预设的凹坑中，释放一定的轴向间隙，在压力作用下滑块向下运动，斜块沿径向向外运动，箍瓣打开释放压紧杆。

机构自动复位时，当SMA丝冷却后，在复位弹簧作用下，驱动轴复位，驱动轴带动推力轴承旋转一定的角度，滚珠从凹坑滑到滚道中，消除轴向间隙，滑块向上运动，斜块沿径向向内运动，箍瓣沿径向向内运动复位。

插入压紧杆重复锁紧时，在压力作用下箍瓣通过托盘压缩托盘弹簧，箍瓣向下运动后，由于箍瓣和斜块的径向限位被消除，箍瓣打开，随着压紧杆的滑入，箍瓣受到的压力消除，在托盘弹簧的作用下箍瓣复位，抱紧压紧杆，实现锁紧。

较优的，所述推力轴承组件为双列结构，由上至下依次包括上圈、上排滚珠、上保持架、中圈、下保持架、下排滚珠和下圈；其中，推力轴承下圈压在支撑架上，中圈与驱动轴连接；中圈的滚道上设置有凹坑，凹坑与滚道均匀间隔分布。

较优的，所述推力轴承组件中的滚珠喷涂二硫化钼润滑涂层，能有效降低摩擦力，进而降低传递到驱动轴上的扭矩，有效承担轴向载荷。

较优的，所述外壳顶部上窄下宽，侧面为斜面，与斜块斜面相配合；斜块沿外壳侧面上下滑动。

较优的，所述分离组件还包括滑块，所述滑块安装在推力轴承组件的上端面，所述滑块设有与斜块相配合的斜面，斜块沿滑块的斜面上下滑动。

较优的，所述滑块为锥形；所述斜块的斜面设置在斜块的底部，与滑块相配合。

较优的，所述滑块贯穿斜块。

较优的，所述驱动轴底部加工有内六角凹槽，底盖底部中心加工有圆孔，内六角扳手可以从圆孔进入，进而旋转驱动轴，实现手动的解锁和复位，通过该设计可以在没有电源的情况下方便地进行解锁及复位。

较优的，底座侧面加工有方槽，上保持架侧面加工有凸台，卡入底座方槽中，通过该凸台可以旋转上保持架，在不影响SMA驱动器组件的情况下实现手动解锁和复位。

有益效果：

本发明可有效解决现有锁紧释放机构抗冲击能力低、释放载荷小、复位困难、可靠性低等问题，可实现自动复位，释放载荷大，抗振动、冲击能力强等特点，具体表现在以下几个方面：

(1)本发明采用了两级降载、一级释放的结构。第一级降载：压紧杆与箍瓣、斜块与外壳或滑块均采用斜面配合，可以有效将大部分压紧杆拉力载荷传递到壳体上，仅剩小部分载荷传递到推力轴承上。第二级降载：推力轴承中滚珠喷涂二硫化钼润滑涂层，能够有效降低摩擦力，进而降低传递到驱动轴上的扭矩，有效承担轴向载荷。一级释放：驱动轴带动推力轴承转动一定角度，使得推力轴承上圈下降，释放一定轴向间隙。该结构能够大幅提高机构承载能力，同时提高释放的可靠性。

(2)本发明中重复锁紧释放组件采用了自动复位的方式，SMA丝通电加热释放后，随着SMA丝冷却，弹簧的回复力大于SMA丝拉力，弹簧带动驱动轴旋转，使得滚珠从推力轴承中凹坑向滚道运动，进而消除轴向间隙，实现自动复位。该方法避免了释放结构的重复安装，使用方便。

(3)本发明采用了压紧杆快插的安装方式，需要再次锁紧时，将压紧杆从释放结构插入，箍瓣随着压紧杆向下运动，同时沿着与斜块的配合面向外运动，使得压紧杆得以滑入箍瓣凹槽内，随着压紧杆的滑入，箍瓣在托盘弹簧作用下向上运动，重新抱紧压紧杆。该设计大幅简化了压紧杆的安装过程，使得该机构能够用于航天器在轨重复锁紧。

(4)本发明采用了驱动轴旋转释放的方式，通过SMA丝在滑轮和驱动轴上缠绕的设计，当SMA丝收缩，带动驱动器轴旋转，将直线运动转化为旋转运动，大幅节省了机构的空间和重量。

(5)本发明采用了两组SMA丝驱动装置，实现了冗余设计，可以在一组SMA丝失效的情况下依然成功解锁，提高了释放的可靠性。

附图说明

图1为现有SMA丝驱动的连接与解锁机构结构示意图；

图2为本发明释放机构状态示意图，其中，(a)为锁紧状态，(b)为解锁过程状态；

图3为本发明释放机构结构示意图；

图4为推力轴承组件结构示意图，其中，(a)为锁紧状态，(b)为解锁过程状态；

图5为推力轴承中圈深浅凹槽结构示意图；

图6为SMA驱动器组件结构示意图；

图7为驱动轴及支撑架安装示意图；

图8为驱动轴及壳体手动解锁结构示意图；

图9为分离组件可替换方案1；

图10为分离组件可替换方案2；

图11为分离组件可替换方案3；

图12为将插拔式抱紧连接改为螺纹连接方案；

图13为SMA丝安装可替换方案。

其中，1-外壳；2-压紧杆；3-箍瓣；4-斜块；5-滑块；6-托盘；7-托盘弹簧； 8-托盘轴；9-托盘支架；10-托盘螺母；11-复位弹簧；12-驱动轴；13-SMA丝； 14-支撑架；15-推力轴承上圈；16-上排滚珠；17-上保持架；18-推力轴承中圈；19-下保持架；20-下排滚珠；21-推力轴承下圈；22-底盖。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的具体结构如图3所示，可以将该释放器分为四个组件：SMA驱动器组件，推力轴承组件，托盘组件，分离组件。其中，SMA驱动器组件由SMA 丝13、支撑架14、驱动轴12、复位弹簧11组成；推力轴承组件由推力轴承上圈15、上排滚珠16、上保持架17、推力轴承中圈18、下保持架19、下排滚珠 20、推力轴承下圈21组成；托盘组件由托盘6、托盘弹簧7、托盘轴8、托盘支架9、托盘螺母10组成；分离组件由压紧杆2、箍瓣3、斜块4、滑块5组成；机构外部由外壳1、底盖22封装。

如图3所示，SMA丝13绕过驱动轴12，驱动轴12装配在支撑架凹槽内，可以转动一定的角度，支撑架14装配在底盖22上。同时，推力轴承结构如图4 所示，从上到下分别由推力轴承上圈15，上排滚珠16，上保持架17，推力轴承中圈18，滚珠21，下保持架22，推力轴承下圈21；推力轴承下圈压在支撑架 14上，驱动轴12与推力轴承中圈18连接，可以带动驱动轴承中圈转动。同时，托盘支架9也通过螺钉安装在支撑架14上，托盘轴8通过托盘螺母10安装在托盘支架9上，复位弹簧11安装在托盘螺母10上，另一端安装在驱动轴12上，用于驱动轴12复位。托盘弹簧7一端压在托盘支架9上，另一端压在托盘6上。保持架弹簧16安装在托盘支架9上，另一端安装在上保持架17上，用于固定上保持架17。在推力轴承上圈15上安装着分离组件。

自复位释放器的锁紧状态如图2(a)所示，需要解锁时，对SMA丝13通电加热，SMA丝13收缩带动驱动轴12旋转，驱动轴12带动推力轴承中圈18旋转，上排滚珠16、下排滚珠20落入推力轴承中圈18的深槽18-Ⅰ中，推力轴承上圈15下降一定的位移，如图2(b)所示，进而滑块5在斜块4的压力下下降一定位移，斜块4在箍瓣3作用下径向向外移动，箍瓣3对压紧杆2的约束作用解除，进而压紧杆2在拉力下分离。当SMA丝13冷却后，SMA丝拉力下降，在复位弹簧11的作用下，驱动轴12复位，同时带动推力轴承中圈17复位，上排滚珠16、下排滚珠20从推力轴承中圈17的深槽18-Ⅰ移动到浅槽18-II中，推力轴承上圈15随之向上移动，滑块5随之向上移动，斜块4沿着径向向内移动，箍瓣3复位。

自复位释放器锁紧压紧杆的过程为解锁过程的逆过程，如图2(b)～2(a)所示，将压紧杆2插入机构中，在压紧杆2作用下，箍瓣3随着压紧杆2向下运动，同时通过托盘6压缩托盘弹簧7。由于配合凹槽作用，斜块4对箍瓣3在径向的约束消失，箍瓣3向两侧运动，压紧杆2对箍瓣3的压力消失，由于配合凹槽作用，斜块4对箍瓣3在径向的约束消失，箍瓣3向两侧运动，压紧杆2对箍瓣3的压力消失，在托盘6作用下，箍瓣3向上同时向内运动，抱紧压紧杆2，实现锁紧。

如图4和图5所示，本发明借鉴了推力轴承结构，在此基础上将推力轴承中圈18的滚珠槽改进为深槽18-Ⅰ与浅槽18-II交错的结构，其中，浅槽可为原滚槽，深槽为设置的凹坑。需要释放时，在驱动轴的作用下推力轴承中圈旋转一定角度，上排滚珠16、下排滚珠20从浅槽18-II滚入深槽18-I中，实现轴向间隙的释放，自动复位时，驱动轴12带动推力轴承中圈18转回一定角度，在上保持架17的作用下，滚珠从推力轴承中圈18的深槽18-I向浅槽18-II滚动，消除轴向间隙。

如图6及图7所示，SMA驱动器组件由复位弹簧11、驱动轴12，SMA丝 13，支撑架14组成，两组SMA丝13两端与支撑架固定，同时绕过驱动轴12，驱动轴12装配在支撑架凹槽内，可以转动一定的角度。

如图9所示，在底盖15底部中心打有圆孔，驱动轴12底部有内六角槽，通过内六角扳手可以手动旋转驱动轴12，进而实现手动解锁及复位。

显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施范例，而不是全部实施范例，SMA驱动器组件、推力轴承组件、托盘组件和分离组件均有可替代的方案。

以分离组件为例，可以提出3种可替代方案，方案1如图11所示，将斜块 4和滑块5结合为一个零件，采用带斜面的壳体与斜块配合的方式，实现斜块沿斜向运动释放径向约束。方案2如图12所示，将滑块5的形状设置为锥形，斜块4改为四个圆柱形的滑块，锥形的滑块5向下运动，圆柱形的滑块4向外运动以释放箍瓣3。方案3如图13所示，滑块5穿过斜块4的内部，斜块4内部的斜面与滑块5斜面配合，当滑块5向下运动，斜块4向外运动，以释放箍瓣3。需要指出的是，以上多种可替换方式不是所有的实施范例，改变斜块、滑块的形状大小，两个零件结合为一体等本领域设计人员可以轻易想到的方案，应均在本发明的保护范围之内。

本发明中压紧杆2和分离结构体采用可插拔式的连接方式，可以替换为螺纹连接，如图12所示。本发明中SMA驱动器组件的SMA丝安装方式不唯一，可替换为图13所示的安装方式。以上改变也应均在本发明的保护范围之内。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，机构内部由下至上依次包括：SMA驱动器组件、推力轴承组件、托盘组件和分离组件；机构外部由外壳(1)和底盖(22)实现封装；

其中，SMA驱动器组件包括SMA丝(13)、驱动轴(12)、复位弹簧(11)和支撑架(14)；其中，驱动轴(12)安装在支撑架(14)上；SMA丝(13)缠绕在驱动轴(12)上，两端固定在支撑架(14)上；复位弹簧(11)安装在托盘螺母(10)上，另一端安装在驱动轴(12)上；

推力轴承组件压在支撑架(14)上，并与驱动轴(12)连接，推力轴承组件的滚道上均匀设有凹坑；

托盘组件包括托盘(6)、托盘弹簧(7)、托盘轴(8)、托盘支架(9)和托盘螺母(10)；其中，托盘支架(9)安装在支撑架(14)上；托盘(6)通过托盘轴(8)和托盘螺母(10)安装在托盘支架(9)上；托盘弹簧(7)缠绕在托盘轴(8)上，并位于托盘(6)与托盘支架(9)之间；

分离组件包括压紧杆(2)、箍瓣(3)和斜块(4)；其中，压紧杆(2)的一端设有凸台，压紧杆(2)的凸台插入箍瓣(3)中，被箍瓣(3)环抱；箍瓣(3)的上下两端分别与外壳(1)和托盘(6)接触；所述斜块(4)位于箍瓣(3)与外壳(1)之间，并沿斜面上下移动；箍瓣(3)和斜块(4)在接触面上设有对称的凹槽。

2.如权利要求1所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述推力轴承组件为双列结构，由上至下依次包括上圈(15)、上排滚珠(16)、上保持架(17)、中圈(18)、下保持架(19)、下排滚珠(20)和下圈(21)；其中，推力轴承下圈(21)压在支撑架(14)上，中圈(18)与驱动轴(12)连接；中圈(18)的滚道上设置有凹坑，凹坑与滚道均匀间隔分布。

3.如权利要求1或2所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述推力轴承组件中的滚珠喷涂二硫化钼润滑涂层。

4.如权利要求1所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述外壳(1)顶部上窄下宽，侧面为斜面，与斜块(4)斜面相配合；斜块(4)沿外壳(1)侧面上下滑动。

5.如权利要求1所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述分离组件还包括滑块(5)，所述滑块(5)安装在推力轴承组件的上端面，所述滑块(5)设有与斜块(4)相配合的斜面，斜块(4)沿滑块(5)的斜面上下滑动。

6.如权利要求5所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述滑块(5)为锥形；所述斜块(4)的斜面设置在斜块(4)的底部，与滑块(5)相配合。

7.如权利要求5所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述滑块(5)贯穿斜块(4)。

8.如权利要求1所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，设有两组SMA驱动器组件。

9.如权利要求1～8任一所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述底盖(22)底部中心打有圆孔，驱动轴(12)底部有内六角槽，用于手动旋转驱动轴(12)。

10.如权利要求1～8任一所述的SMA丝驱动的具有自复位功能的可重复使用释放机构，其特征在于，所述推力轴承组件侧面加工有凸台；所述底盖(22)的侧面设有对应的凹槽，用于手动解锁及复位。

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