CN116215892A - 一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，包括承载解锁组件和快速对接组件，承载解锁组件通过涡卷弹簧箍紧连接分瓣螺母和螺杆，并通过电磁驱动器进行限位锁紧，采用棘轮结构对分瓣螺母进行预紧和限位，加载组件利用形状记忆合金的超弹特性进行承载；快速对接组件通过扭转弹簧对支撑垫片预先施加扭转力，并通过垫片限位销进行旋转限位，通过推力弹簧对垫片限位销进行轴向限位。对接时将螺杆的头部伸入支撑垫片的通孔中，通过加载组件使螺杆产生位移推动垫片限位销解除支撑垫片的旋转限位，实现对螺杆的锁定；分离时通过电磁驱动器解除对涡卷弹簧的限位，释放分瓣螺母和螺杆实现解锁。本发明能够实现快速对接和低冲击分离。

Description

一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置

技术领域

本发明涉及一种非火工快速响应解锁装置，特别涉及一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置。

背景技术

随着空天技术不断发展，飞行任务也越来越多样化复杂化，针对空天飞行器连接分离系统中的关键部件解锁装置，也提出了更高的要求，不仅要实现可重复的大过载连接和低冲击分离，还要面向飞行器的批量化装配需求，满足模块化、通用化及地面快速对接等要求，因此对于在研的非火工解锁装置还存在一些机构复杂、连接和复装响应慢以及加载精度误差大等缺点，亟需发明新型非火工解锁装置来满足未来批量化通用化使用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，可以满足重型空天飞行器的大承载快速连接需求，还可以实现全任务剖面恒力自补偿保载、低冲击分离、可重复使用的功能。

本发明的技术解决方案是：

一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，包括设置于第一对接面上的承载解锁组件和设置于第二对接面上的快速对接组件；

所述承载解锁组件包括电磁驱动器、壳体、分瓣螺母、涡卷弹簧、棘轮盘、支撑盘、螺栓、外罩、加载组件和承载底座；

所述涡卷弹簧绕设于分瓣螺母上，其内端固定在分瓣螺母上，外端与由电磁驱动器驱动的限位结构相连；所述分瓣螺母通过涡卷弹簧箍紧为一个完整的螺母；所述分瓣螺母与棘轮盘相连，所述分瓣螺母的底部设置有与棘轮盘相配合的棘爪，用于对所述分瓣螺母进行旋转限位；所述棘轮盘固连在支撑盘上，所述支撑盘安装于加载组件上，所述加载组件为弹性件，在外力作用下产生变形和弹性回复力；所述加载组件安装于承载底座上，所述承载底座固定安装于第一对接面上；所述壳体固定于支撑盘上，罩设于所述分瓣螺母、涡卷弹簧、棘轮盘的外侧；所述外罩罩设于支撑盘与加载组件的外侧，固定于承载底座上；所述棘轮盘、支撑盘、加载组件、承载底座和第一对接面上设置有容纳所述螺栓的螺栓杆穿过的通孔，所述螺栓的螺栓杆穿过所述通孔，通过螺栓杆上的螺纹部分与分瓣螺母的螺纹部分配合；

所述快速对接组件包括快速对接座、连接筒、扭转弹簧、支撑垫片、垫片限位销、推力弹簧和端盖；

所述快速对接座固定安装于第二对接面上，所述支撑垫片通过扭转弹簧与快速对接座连接，所述扭转弹簧通过扭转变形为所述支撑垫片提供扭转力，所述支撑垫片上设置有与垫片限位销相匹配的销孔；所述端盖通过罩设于快速对接座外侧的连接筒与快速对接座固连，所述端盖上设置有凸台，凸台上套设有推力弹簧，所述推力弹簧与垫片限位销的搭接，通过预变形为所述垫片限位销提供朝向支撑垫片运动的作用力，使得所述垫片限位销对支撑垫片进行旋转限位；所述第二对接面上设置有容纳螺栓的头部穿过的通孔，所述快速对接座内设置有容纳螺栓的头部穿过的容腔，所述支撑垫片上设置有与螺栓的头部形状和尺寸相匹配的通孔。

优选的，所述加载组件包括上垫片、弹性垫片、下垫片和刚性垫片，所述上垫片、下垫片分别与支撑盘、承载底座相连，用于传递作用力并对设置于两者之间所述弹性垫片进行保护，所述刚性垫片设置于上垫片的下表面或下垫片的上表面，位于所述弹性的外侧，所述刚性垫片的厚度小于弹性垫片的初始厚度，用于对弹性垫片的变形量进行控制。

优选的，所述弹性垫片由形状记忆合金制备。

优选的，所述螺栓的头部在第一对接面与第二对接面贴合时穿过第二对接面上的通孔和所述快速对接座内的容腔，位于所述支撑垫片上的通孔内，对壳体施加加载力，进而通过所述支撑板和上垫片加载至弹性垫片发生压缩变形，所述支撑盘及分瓣螺母整体向第一对接面移动，带动所述螺栓的头部向端盖移动相同的距离，穿过所述支撑垫片上的通孔，挤压所述推力弹簧，解除垫片限位销对所述支撑垫片的旋转限位，支撑垫片旋转一定的角度，使得所述螺栓的头部无法从支撑垫片上的通孔通过，完成对螺栓的锁定，从而完成对第一对界面和第二对接面的对接锁定。

优选的，所述电磁驱动器在接收到解锁指令后，解除限位结构对所述涡卷弹簧外端的限位，涡卷弹簧在自身弹性的作用下展开，从而释放所述分瓣螺母，分瓣螺母张开，释放所述螺栓，完成第一对接面和第二对接面的解锁分离。

优选的，所述电磁驱动器在接收到复位指令后，通过限位结构对所述涡卷弹簧外端进行限位，再旋转所述分瓣螺母带动涡卷弹簧收拢绕紧，分瓣螺母重新箍紧为一个完整的螺母，承载解锁组件完成复位。

优选的，所述分瓣螺母包括上部、中部和下部，所述下部为多个完全相同的分瓣体，拼合起来是一个上下两端带台阶的圆柱，所述涡卷弹簧绕设于圆柱的外表面，位于上下两端的台阶之间，圆柱的内表面设置有与所述螺栓配合的螺纹；所述上部为一个整体，与所述壳体的内壁形成间隙配合；所述中部为与下部的分瓣体数量相对应的弹性薄板结构，连接上部和下部，所述弹性薄板结构具有外张趋势。

优选的，所述的分瓣螺母的分瓣体的数量为3个。

优选的，所述弹性垫片的初始厚度与刚性垫片厚度的差值为1.5mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，采用涡卷弹簧箍紧挠性分瓣螺母承载形式，结合正向预紧与反向限位集成的棘轮机构设计，实现快速对接、连接承载、低冲击分离一体化功能，具有机构简单、外形包络小、操作方便快速、释放冲击小的特点，可单点使用，也可与包带、联动机构等组合使用，达到承载20～50kN能力级别装置的模块化设计目的；

2)本发明基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，与传统的分瓣螺母承载结构相比，自身增设弹性驱动功能，为可靠分离提供冗余设计，同时与常用的卡销、滚珠等限位不同，基于能量传递正交转换原理和欧拉原理，采用外圈箍紧涡卷弹簧弹性元件，可有效解耦轴向承载轴向力与解锁周向触发力，适用不同重型连接载荷采用小触发力进行解锁的，因此能够满足解锁装置宽裕承载的需求；

3)本发明基于记忆合金超弹特性，创新性设计SMA加载结构组件应用于承载机构中，在其超弹大容差范围内均可保证恒定加载应力，可实现全飞行剖面连接界面力载自适应与补偿；

4)本发明基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，基于加载组件的大容差自补偿特性，设计快速对接组件，采用小位移触发弹性驱动限位方法，进行了加载和对接一体化机构设计，实现无人协助盲插、快速对接目标；快速对接为地面批量化安装提供了技术支持和保障的同时，还能保证飞行器全任务剖面过程中预紧力的自适应补偿恒定不变，提高了飞行任务的可靠性。

附图说明

图1为本发明基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置结构示意图；

图2为本发明装置整体结构示意图；

图3为本发明承载解锁组件结构示意图；

图4为本发明快速对接组件结构示意图；

图5(a)、(b)、(c)为本发明对接过程示意图；

图6为本发明解锁后螺纹副状态示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，如图1所示，该装置由两部分组成：承载解锁组件和快速对接组件。

如图2所示，承载解锁组件安装于弹体对接面，快速对接组件安装于有效载荷对接面。

承载解锁组件1如图3所示，包括电磁驱动器3、壳体4、分瓣螺母5、涡卷弹簧6、棘轮盘7、支撑盘8、螺杆9、分体外罩10、加载组件11、承载底座12。

具体讲，涡卷弹簧6内圈与分瓣螺母5外圈固连，涡卷弹簧6外圈通过连接在壳体4上的电磁驱动器3限位防转。分瓣螺母5与螺杆9通过涡卷弹簧6箍紧连接并由电磁驱动器3进行限位锁紧。分瓣螺母5底端安放在棘轮盘7上，棘轮盘7固连在支撑盘8上，支撑盘8与壳体4的底端用螺钉固连在一起。支撑盘8与承载底座12之间放置加载组件11，然后通过分体外罩10与承载底座12螺接在一起，最后作为整体与弹体对接面螺接固定。

快速对接组件2如图4所示，包括快速对接座13、连接筒14、扭转弹簧15、支撑垫片16、垫片限位销17、推力弹簧18、端盖19。承载解锁组件1包括：电磁驱动器3、壳体4、分瓣螺母5、涡卷弹簧6、棘轮盘7、支撑盘8、螺杆9、分体外罩10、加载组件11、承载底座12。

具体讲，端盖19通过连接筒14与快速对接座13固连。内部垫片限位销17通过推力弹簧18限制轴向运动，支撑垫片16通过扭转弹簧15与快速安装座13相连，垫片限位销17插入支撑垫片16，限制支撑垫片16的周向旋转。

当弹体对接面的承载解锁组件1装配好之后，分瓣螺母与螺杆通过涡卷弹簧箍紧连接并由电磁驱动器进行限位锁紧。将螺栓9穿过载荷对接面插入快速对接组件2中的快速对接座13中，如图5(a)所示，然后在保证对接面的面面贴合条件下，在承载解锁组件1通过工装施力压缩加载组件11的上端垫片20，通过内圈SMA垫片21传力给下端垫片23，内圈SMA垫片21在超弹特性下变形压缩H至与外圈刚性垫片22等高，说明加载到位。这样螺栓9会向端盖19顶端深入H距离，推动垫片限位销17，解除支撑垫片16的旋转限位，如图5(b)所示，支撑垫片16在扭转弹簧15作用下旋转90度至螺栓9的方形头部下面支撑住螺栓9的轴向回落，如图5(c)所示，然后撤掉施加在加载组件11上的载荷，螺栓9即在加载组件11中内圈SMA垫片21的超弹应力下被施加预紧力弹性拉长，由此完成整个装置的固连和预紧力加载，将快速对接组件2、分离界面和承载解锁组件1连接为整体实现装置的承载连接。

在一具体实施例中，内圈SMA垫片21初始状态下外径为34mm、高6mm，刚性垫片22内径为38mm，高度4.5mm；加载预紧力后，内圈SMA垫片21外径为35.8mm、高4.5mm。通过两者内外圈匹配设计，当加载预紧力后，二者轴向高度相等，确保预紧力加载到位，处于要求的范围内。

如图3所示，本发明解锁释放时，通电使电磁驱动器3触发后(SMA或电机等其他触发形式均可)，解锁涡卷弹簧6的外圈限位，涡卷弹簧6自趋展开释放分瓣螺母5径向定位。如图6所示，分瓣螺母5在螺栓9恢复形变的驱动力以及自身的弹性展开力下径向分开，从而释放螺栓9，解除分离装置的轴向约束，实现被连接件的释放目标。

当分瓣螺母5在解锁状态时，电磁驱动器3在接收到复位指令后，限位结构对所述涡卷弹簧6外端的进行限位，再使用复位工装通过上部的复位孔，逆时针旋转分瓣螺母5，带动涡卷弹簧6收拢绕紧，使分瓣螺母5下部的分瓣体重新成为一个整体与所述螺栓9的螺纹配合，整个装置完成复位，从而实现可重复使用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，包括设置于第一对接面上的承载解锁组件(1)和设置于第二对接面上的快速对接组件(2)；

所述承载解锁组件(1)包括电磁驱动器(3)、壳体(4)、分瓣螺母(5)、涡卷弹簧(6)、棘轮盘(7)、支撑盘(8)、螺栓(9)、外罩(10)、加载组件(11)和承载底座(12)；

所述涡卷弹簧(6)绕设于分瓣螺母(5)上，其内端固定在分瓣螺母(5)上，外端与由电磁驱动器(3)驱动的限位结构相连；所述分瓣螺母(5)通过涡卷弹簧(6)箍紧为一个完整的螺母；所述分瓣螺母(5)与棘轮盘(7)相连，所述分瓣螺母(5)的底部设置有与棘轮盘(7)相配合的棘爪，用于对所述分瓣螺母(5)进行旋转限位；所述棘轮盘(7)固连在支撑盘(8)上，所述支撑盘(8)安装于加载组件(11)上，所述加载组件(11)为弹性件，在外力作用下产生变形和弹性回复力；所述加载组件(11)安装于承载底座(12)上，所述承载底座(12)固定安装于第一对接面上；所述壳体(4)固定于支撑盘(8)上，罩设于所述分瓣螺母(5)、涡卷弹簧(6)、棘轮盘(7)的外侧；所述外罩(10)罩设于支撑盘(8)与加载组件(11)的外侧，固定于承载底座(12)上；所述棘轮盘(7)、支撑盘(8)、加载组件(11)、承载底座(12)和第一对接面上设置有容纳所述螺栓(9)的螺栓杆穿过的通孔，所述螺栓(9)的螺栓杆穿过所述通孔，通过螺栓杆上的螺纹部分与分瓣螺母(5)的螺纹部分配合；

所述快速对接组件(2)包括快速对接座(13)、连接筒(14)、扭转弹簧(15)、支撑垫片(16)、垫片限位销(17)、推力弹簧(18)和端盖(19)；

所述快速对接座(13)固定安装于第二对接面上，所述支撑垫片(16)通过扭转弹簧(15)与快速对接座(13)连接，所述扭转弹簧通过扭转变形为所述支撑垫片(16)提供扭转力，所述支撑垫片上(16)设置有与垫片限位销(17)相匹配的销孔；所述端盖(19)通过罩设于快速对接座(13)外侧的连接筒(14)与快速对接座(13)固连，所述端盖(19)上设置有凸台，凸台上套设有推力弹簧(18)，所述推力弹簧(18)与垫片限位销(17)的搭接，通过预变形为所述垫片限位销(17)提供朝向支撑垫片(16)运动的作用力，使得所述垫片限位销(17)对支撑垫片(16)进行旋转限位；所述第二对接面上设置有容纳螺栓(9)的头部穿过的通孔，所述快速对接座(13)内设置有容纳螺栓(9)的头部穿过的容腔，所述支撑垫片(16)上设置有与螺栓(9)的头部形状和尺寸相匹配的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述加载组件(11)包括上垫片(20)、弹性垫片(21)、下垫片(23)和刚性垫片(22)，所述上垫片(20)、下垫片(23)分别与支撑盘(8)、承载底座(12)相连，用于传递作用力并对设置于两者之间所述弹性垫片(21)进行保护，所述刚性垫片(22)设置于上垫片(20)的下表面或下垫片(23)的上表面，位于所述弹性(21)的外侧，所述刚性垫片(22)的厚度小于弹性垫片(21)的初始厚度，用于对弹性垫片(21)的变形量进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述弹性垫片(21)由形状记忆合金制备。

4.根据权利要求3所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述螺栓(9)的头部在第一对接面与第二对接面贴合时穿过第二对接面上的通孔和所述快速对接座(13)内的容腔，位于所述支撑垫片(16)上的通孔内，对壳体(4)施加加载力，进而通过所述支撑板(8)和上垫片(20)加载至弹性垫片(21)发生压缩变形，所述支撑盘(8)及分瓣螺母(5)整体向第一对接面移动，带动所述螺栓(9)的头部向端盖(19)移动相同的距离，穿过所述支撑垫片(16)上的通孔，挤压所述推力弹簧(18)，解除垫片限位销(17)对所述支撑垫片(16)的旋转限位，支撑垫片(16)旋转一定的角度，使得所述螺栓(9)的头部无法从支撑垫片(16)上的通孔通过，完成对螺栓(9)的锁定，从而完成对第一对界面和第二对接面的对接锁定。

5.根据权利要求4所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述电磁驱动器(3)在接收到解锁指令后，解除限位结构对所述涡卷弹簧(6)外端的限位，涡卷弹簧(6)在自身弹性的作用下展开，从而释放所述分瓣螺母(5)，分瓣螺母(5)张开，释放所述螺栓(9)，完成第一对接面和第二对接面的解锁分离。

6.根据权利要求5所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述电磁驱动器(3)在接收到复位指令后，通过限位结构对所述涡卷弹簧(6)外端进行限位，再旋转所述分瓣螺母(5)带动涡卷弹簧(6)收拢绕紧，分瓣螺母(5)重新箍紧为一个完整的螺母，承载解锁组件(1)完成复位。

7.根据权利要求1～6之一所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述分瓣螺母(5)包括上部、中部和下部，所述下部为多个完全相同的分瓣体，拼合起来是一个上下两端带台阶的圆柱，所述涡卷弹簧(6)绕设于圆柱的外表面，位于上下两端的台阶之间，圆柱的内表面设置有与所述螺栓(9)配合的螺纹；所述上部为一个整体，与所述壳体(4)的内壁形成间隙配合；所述中部为与下部的分瓣体数量相对应的弹性薄板结构，连接上部和下部，所述弹性薄板结构具有外张趋势。

8.根据权利要求7所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述的分瓣螺母(5)的分瓣体的数量为3个。

9.根据权利要求8所述的一种基于自趋型挠性分瓣螺母的快速对接解锁装置，其特征在于，所述弹性垫片(21)的初始厚度与刚性垫片(22)厚度的差值为1.5mm。

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