CN104154110A - 一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构 - Google Patents

Abstract

一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，它涉及一种展开铰链减速机构。本发明为了解决目前由涡卷弹簧驱动的展开铰链展开末端会产生很大的展开角速度，造成展开铰链锁定冲击的问题。本发明的铰链轴套装在公铰的两耳孔内，母铰可转动套装在铰链轴上，压杆弹簧和锁杆均套装在螺柱内，涡卷弹簧的内端套装在铰链轴的下端，涡卷弹簧的外端固定镶嵌在转接杆上，大齿轮轴与转接头连接，小齿轮轴连接并伸出顶板，曲柄套装小齿轮轴上，曲柄轴的一端与曲柄连接，曲柄轴的另一端与摇杆的一端连接，摇杆的另一端与摇杆轴连接，滑块穿在摇杆轴上，两个弹簧杆分别位于弹簧筒内的两侧，滑块位于弹簧筒内的两个弹簧杆之间。本发明用于空间展开机构中。

Description

一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构

技术领域

本发明涉及一种展开铰链减速机构，具体涉及一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构。

背景技术

展开铰链是一种被广泛用于空间展开机构的铰链机构，主要用于连接刚体部件(例如太阳能电池板和卫星天线)并完成展开动作，完成展开动作后，展开铰链可以自我锁定。展开铰链通常主要由以下部件组成：驱动源、公铰、母铰、铰链轴和锁定装置，其中公铰和母铰分别连接需要展开的部件，可以绕着铰链轴转动，为了增加刚度、减轻重量和增加可靠性，大部分展开铰链的驱动源为涡卷弹簧。空间展开机构在地面上时，涡卷弹簧靠自身弹性预先储存大量能量，当展开机构在太空中开始工作时，弹簧内储存的能量会在极短的时间内释放出来驱动母铰和母铰连接的部件展开。

这样的能量释放过程使得展开末端母铰的角速度和角加速度很大，导致锁定过程母铰母铰产生的冲击力矩很大，地面展开试验测得的冲击力矩可以达到约60Nm，在太空环境中，由于没有空气阻力和零重力环境，冲击力矩会大于60Nm，而且，很大的冲击力矩会造成强烈的有害振动，由于缺少阻力，振动会持续很长时间。冲击力矩和振动都会对铰链连接的刚体部件造成难以预计的损害，严重情况下，甚至会使部分部件遭到破坏而失效。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前由涡卷弹簧驱动的展开铰链展开末端会产生很大的展开角速度，造成展开铰链锁定冲击的问题。进而提供一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构。

本发明的技术方案是：一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构包括铰链机构，所述铰链机构包括涡卷弹簧、转接杆、公铰、母铰、锁杆、压杆弹簧、限位钉、铰链轴、螺柱和两个铰链套筒，铰链轴套装在公铰的两耳孔内，两个铰链套筒套装在母铰上，母铰可转动套装在铰链轴上，且母铰位于公铰的两耳之间，螺柱竖直固定穿设在公铰的另外两耳孔内，压杆弹簧和锁杆均套装在螺柱内，锁杆搭设在公铰的凸起位置处，锁杆下端的公铰上设有限位钉，涡卷弹簧的内端套装在铰链轴的下端，转接杆竖直穿设在母铰上，涡卷弹簧的外端固定镶嵌在转接杆上，所述展开铰链减速机构还包括转接机构、增速机构、曲柄滑块机构和储能机构，所述转接机构包括转接头，转接头设置在公铰和母铰的上方，转接头的下端与铰链轴连接，转接杆的上端延伸穿过转接头，增速机构包括大齿轮轴、大齿轮、小齿轮轴、顶板、多个轴承和销轴，大齿轮轴的一端通过销轴与转接头的上端连接，大齿轮轴的另一端通过轴承和大齿轮轴上方的顶板连接，大齿轮通过平键安装在大齿轮轴上，小齿轮轴通过多个轴承连接并伸出顶板，且小齿轮轴的小齿轮与大齿轮相啮合，曲柄滑块机构包括曲柄、曲柄轴、摇杆、摇杆轴和滑块，曲柄通过方孔套装在伸出顶板上的小齿轮轴上，曲柄轴的一端与曲柄连接，曲柄轴的另一端与摇杆的一端连接，摇杆的另一端与摇杆轴连接，滑块穿在摇杆轴上，且滑块位于摇杆的下方，储能机构包括两个阻力弹簧、两个弹簧杆、两个弹簧片、弹簧筒和弹簧筒架，弹簧筒架通过螺栓固定在顶板上，弹簧筒固定安装在弹簧筒架上，两个阻力弹簧分别套装在两个弹簧杆上，两个弹簧杆分别位于弹簧筒内的两侧，且相互靠近的两个弹簧杆一侧各设有一个弹簧片，滑块位于弹簧筒内的两个弹簧杆之间。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明的基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速部件，使得铰链在展开过程中，通过转接机构增速机构和曲柄滑块机构把一部分的能量传递到储能机构上，并使之储存在两个直弹簧内，在储存能量的过程中，储存能量的弹簧提供阻力矩，从而有效降低了铰链展开末端的角速度，进而降低了铰链的锁定冲击力，仿真结果表明，铰链的锁定冲击力可以降低50％以上；

2.本发明的基于阻力弹簧的低冲击展开铰链不影响原有铰链展开结果和锁定。

3.本发明结构简单，易于实现，由于采用的都是常见的零件，结构参数更加容易设计和控制，成本低廉。

附图说明

图1是图1是本发明的主视剖视图，图2是本发明上视图，图3是本发明下视图，图4是本发明的左视图，图5是本发明的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构包括铰链机构，所述铰链机构包括涡卷弹簧1、转接杆2、公铰3、母铰4、锁杆5、压杆弹簧6、限位钉7、铰链轴8、螺柱27和两个铰链套筒28，铰链轴8套装在公铰3的两耳孔内，两个铰链套筒28套装在母铰4上，母铰4可转动套装在铰链轴8上，且母铰4位于公铰3的两耳之间，螺柱27竖直固定穿设在公铰3的另外两耳孔内，压杆弹簧6和锁杆5均套装在螺柱27内，锁杆5搭设在公铰3的凸起位置处，锁杆5下端的公铰3上设有限位钉7，涡卷弹簧1的内端套装在铰链轴8的下端，转接杆2竖直穿设在母铰4上，涡卷弹簧1的外端固定镶嵌在转接杆2上，所述展开铰链减速机构还包括转接机构、增速机构、曲柄滑块机构和储能机构，所述转接机构包括转接头9，转接头9设置在公铰3和母铰4的上方，转接头9的下端与铰链轴8连接，转接杆2的上端延伸穿过转接头9，增速机构包括大齿轮轴10、大齿轮11、小齿轮轴12、顶板13、多个轴承14和销轴26，大齿轮轴10的一端通过销轴26与转接头9的上端连接，大齿轮轴10的另一端通过轴承14和大齿轮轴10上方的顶板13连接，大齿轮11通过平键安装在大齿轮轴10上，小齿轮轴12通过多个轴承14连接并伸出顶板13，且小齿轮轴12的小齿轮与大齿轮11相啮合，曲柄滑块机构包括曲柄15、曲柄轴16、摇杆17、摇杆轴21和滑块22，曲柄15通过方孔套装在伸出顶板13上的小齿轮轴12上，曲柄轴16的一端与曲柄15连接，曲柄轴16的另一端与摇杆17的一端连接，摇杆17的另一端与摇杆轴21连接，滑块22穿在摇杆轴21上，且滑块22位于摇杆17的下方，储能机构包括两个阻力弹簧18、两个弹簧杆19、两个弹簧片20、弹簧筒23和弹簧筒架24，弹簧筒架24通过螺栓固定在顶板13上，弹簧筒23固定安装在弹簧筒架24上，两个阻力弹簧18分别套装在两个弹簧杆19上，两个弹簧杆19分别位于弹簧筒23内的两侧，且相互靠近的两个弹簧杆19一侧各设有一个弹簧片20，滑块22位于弹簧筒23内的两个弹簧杆19之间。

铰链机构的主要功能是驱动源驱动铰链展开并完成锁定。母铰4穿在铰链轴8上位于公铰3的两耳之间，其轴向位置是通过两个铰链套筒28确定的，母铰4可以绕着铰链轴8自由转动。压杆弹簧6和锁杆5组成了锁定装置，限位钉7的主要作用是防止母铰4转动角度过大，以免碰上公铰3。当母铰4转动到锁杆5处时，母铰4上端的突起会把锁杆5抬起，直至母铰4转动到位，锁杆5落下，铰链被锁定。

转接机构的主要功能是把涡卷弹簧1的力矩转化为增速机构的输入力矩。

增速机构的主要功能是放大铰链的角位移，由于涡卷弹簧1的力矩较大，直接作用在曲柄滑块机构上可能对零件造成破坏，增速机构可以缩小该力矩，然后再作用于曲柄滑块机构上。

曲柄滑块机构的主要作用是把能量传递到储能机构上。滑块22的周向是通过弹簧筒23内壁上的长方形凸起来约束的，即滑块只能在长方形凸起内平动。

储能机构的主要作用是把涡卷弹簧1内的一部分能量储存在两个直弹簧19内。当滑块22在弹簧筒23的长方形凸起内平动时，可以推动弹簧杆19，进而压缩套在弹簧杆19上的直弹簧18。在每个弹簧杆19靠近滑块22的一端都固定安装有两个弹簧片20，在滑块22推动弹簧杆19运动到极限位置时，弹簧片20会由于自身的弹性变形卡进弹簧筒23底部的凹槽内，使得弹簧杆19被锁定。

具体实施方式二：结合图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的展开铰链减速机构还包括立板25，立板25的一端通过螺栓竖直设置在公铰3的侧端面上，立板25的另一端固定安装在顶板13上。如此设置，便于保证机构更加稳定的工作。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2和图5说明本实施方式，本实施方式的两个阻力弹簧18均为直弹簧。如此设置，直弹簧18结构参数设计非常简单，价格便宜，质量轻，加工难度很低，方便通过改变弹簧参数改变所提供阻力的变化范围。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2和图5说明本实施方式，本实施方式的弹簧筒23为长方形弹簧筒。如此设置，一方面是由于曲柄滑块机构中滑块的运动属于直线上的往复运动，长方形的弹簧筒便于对滑块进行约束，以免滑块运动时发生转动，导致滑块与弹簧筒内壁发生摩擦自锁进而导致铰链失效；另一方面长方形弹簧筒便于约束弹簧杆的运动，保证了弹簧杆只能平动，避免弹簧杆发生转动，使得弹簧杆的锁定能顺利完成。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2和图5说明本实施方式，本实施方式的弹簧筒23的长方形弹簧筒上设有凹槽。如此设置，主要目的是便于弹簧片在被弹簧杆推到极限位置时，卡入槽内，使得弹簧杆锁定；如果没有该凹槽，弹簧杆被推到极限位置后，滑块转向，弹簧杆会在直弹簧的推力下，推动滑块，进而推动铰链的展开，起到了与该发明相反的目的。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

本发明的工作原理是：

展开机构在太空中开始工作时，公铰3相对固定，储存在涡卷弹簧1内的能量开始释放，带动母铰4和转接杆2绕着铰链轴8的轴线转动，同时带动转接头9绕着铰链轴8的轴线转动，由于大齿轮轴10和转接头9是通过销轴26固连关系，大齿轮轴10也会随转接头9转动，进而带动和大齿轮轴9以平键连接的大齿轮11和与大齿轮11啮合的小齿轮轴12转动。曲柄15通过方孔和螺母固连在小齿轮轴12上，摇杆17和曲柄15可以绕着曲柄轴16自由转动，摇杆17也可以绕着摇杆轴21自由转动，当涡卷弹簧1通过转接杆2和母铰4带动转接头9，进而带动大齿轮轴10、大齿轮11和小齿轮轴12转动时，运动被传递到曲柄滑块机构上，曲柄滑块机构的输入是小齿轮轴12的转动，输出的结果是滑块22在弹簧筒23内中心线上的往复平动。滑块22在弹簧筒23内往复运动时，会推动弹簧筒23两端的套有直弹簧18的弹簧杆19，当滑块22向左运动时，会推动左侧的弹簧杆19，不断地压缩套在弹簧杆19上的直弹簧18，由于直弹簧18的弹力随着压缩的形变的增大而增大，这时候直弹簧18会对弹簧杆19和滑块22产生一个不断增大的阻力。直至滑块22向左运动到极限位置，由于弹簧杆19上固定有弹簧片20，此时弹簧片20会由于自身弹力作用，卡入弹簧筒23的凹槽内，使得弹簧杆19和直弹簧18被锁定，使得一部分能量储存在左侧直弹簧18内，由于滑块22和弹簧杆19无连接关系，而且滑块22向左运动到极限位置，在弹簧杆19和弹簧18被锁定后，滑块22开始向右运动。当滑块22向右运动时，同样会推动右侧的弹簧杆19，压缩套在弹簧杆19上的弹簧18，直至一起运动到极限位置，弹簧杆19上的弹簧片20卡入弹簧筒23的凹槽内，弹簧杆19和弹簧18被锁定，使得另外一部分能量储存在右侧直弹簧18内。然后滑块22继续往复运动，直到铰链展开到位，完成锁定。从力学的角度，铰链在展开过程中，通过运动的传递，使得滑块产生往复运动，在滑块运动过程中，两个直弹簧依次产生不断增大的阻力，直至弹簧被锁定，直弹簧产生的阻力会极大地降低滑块的运动速度，进而降低铰链的展开速度，降低展开末端的锁定冲击。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，它包括铰链机构，所述铰链机构包括涡卷弹簧(1)、转接杆(2)、公铰(3)、母铰(4)、锁杆(5)、压杆弹簧(6)、限位钉(7)、铰链轴(8)、螺柱(27)和两个铰链套筒(28)，铰链轴(8)套装在公铰(3)的两耳孔内，两个铰链套筒(28)套装在母铰(4)上，母铰(4)可转动套装在铰链轴(8)上，且母铰(4)位于公铰(3)的两耳之间，螺柱(27)竖直固定穿设在公铰(3)的另外两耳孔内，压杆弹簧(6)和锁杆(5)均套装在螺柱(27)内，锁杆(5)搭设在公铰(3)的凸起位置处，锁杆(5)下端的公铰(3)上设有限位钉(7)，涡卷弹簧(1)的内端套装在铰链轴(8)的下端，转接杆(2)竖直穿设在母铰(4)上，涡卷弹簧(1)的外端固定镶嵌在转接杆(2)上，其特征在于：所述展开铰链减速机构还包括转接机构、增速机构、曲柄滑块机构和储能机构，所述转接机构包括转接头(9)，转接头(9)设置在公铰(3)和母铰(4)的上方，转接头(9)的下端与铰链轴(8)连接，转接杆(2)的上端延伸穿过转接头(9)，增速机构包括大齿轮轴(10)、大齿轮(11)、小齿轮轴(12)、顶板(13)、多个轴承(14)和销轴(26)，大齿轮轴(10)的一端通过销轴(26)与转接头(9)的上端连接，大齿轮轴(10)的另一端通过轴承(14)和大齿轮轴(10)上方的顶板(13)连接，大齿轮(11)通过平键安装在大齿轮轴(10)上，小齿轮轴(12)通过多个轴承(14)连接并伸出顶板(13)，且小齿轮轴(12)的小齿轮与大齿轮(11)相啮合，曲柄滑块机构包括曲柄(15)、曲柄轴(16)、摇杆(17)、摇杆轴(21)和滑块(22)，曲柄(15)通过方孔套装在伸出顶板(13)上的小齿轮轴(12)上，曲柄轴(16)的一端与曲柄(15)连接，曲柄轴(16)的另一端与摇杆(17)的一端连接，摇杆(17)的另一端与摇杆轴(21)连接，滑块(22)穿在摇杆轴(21)上，且滑块(22)位于摇杆(17)的下方，储能机构包括两个阻力弹簧(18)、两个弹簧杆(19)、两个弹簧片(20)、弹簧筒(23)和弹簧筒架(24)，弹簧筒架(24)通过螺栓固定在顶板(13)上，弹簧筒(23)固定安装在弹簧筒架(24)上，两个阻力弹簧(18)分别套装在两个弹簧杆(19)上，两个弹簧杆(19)分别位于弹簧筒(23)内的两侧，且相互靠近的两个弹簧杆(19)一侧各设有一个弹簧片(20)，滑块(22)位于弹簧筒(23)内的两个弹簧杆(19)之间。

2.根据权利要求1所述一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，其特征在于：所述展开铰链减速机构还包括立板(25)，立板(25)的一端通过螺栓竖直设置在公铰(3)的侧端面上，立板(25)的另一端固定安装在顶板(13)上。

3.根据权利要求2所述一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，其特征在于：两个阻力弹簧(18)均为直弹簧。

4.根据权利要求3所述一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，其特征在于：弹簧筒(23)为长方形弹簧筒。

5.根据权利要求1或4所述一种基于弹簧和连杆机构的展开铰链减速机构，其特征在于：弹簧筒(23)的长方形弹簧筒上设有凹槽。