一种高热稳定性锁定关节的制作方法

本发明涉及一种高热稳定性锁定关节，尤其适用于需要恒定锁紧力同时对热稳定性要求较高的锁定关节，属于空间结构连接机构技术领域。

背景技术：

锁定关节的功能是使两个杆件或结构件围绕关节转轴转动，并在规定的位置实现对两个杆件或结构件的相对位置关系进行锁定。

空间结构连接机构领域常用的锁定关节主要有两种形式：凸轮式和插销式。两种结构形式通常都只关于所连接的杆件轴线的某一平面对称，结构对称性较差，在空间热环境下会发生不均匀的热变形，影响整个机构的热稳定性。同时两种结构锁定力方向垂直于关节转轴轴线方向，对于沿关节转轴轴线移动方向无约束或约束较弱，不利于整个机构刚度的提高。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高热稳定性锁定关节，通过定压预紧装置对转轴的锁定，实现了关节结构对于过所连接杆件轴线的两个平面对称，进一步提高了结构对称性，弥补了传统的锁定关节结构对称性较差的缺陷，从而提高了关节的热稳定性；通过定压锁紧装置柔性部件的正压力实现了沿轴向的无间隙锁定，消除了传统锁定关节的锁定间隙，同时通过定压锁紧装置与转轴组件两端高摩擦涂层的实现沿轴向转动的锁定，解决了常规的锁定关节刚度较低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种高热稳定性锁定关节，包括：第一连接件(1)、第二连接件(2)、定压锁紧装置(3)、转轴组件(4)、低冲击释放装置(5)；

第一连接件(1)和第二连接件(2)分别能够与一个外部杆件固定连接，第一连接件(1)和第二连接件(2)通过转轴组件(4)转动连接，转轴组件(4)第一连接件(1)和第二连接件(2)能够通过转轴组件(4)相对转动，实现第一连接件(1)和第二连接件(2)铰接；转轴组件(4)两端设有定压锁紧装置(3)，通过低冲击释放装置(5)释放该定压锁紧装置(3)压至转轴组件(4)的两端，使定压锁紧装置3对转轴组件(4)的两端提供恒定的压紧力；定压锁紧装置(3)提供的正压力实现了转轴组件(4)的轴向移动锁定；定压锁紧装置(3)与转轴组件(4)两端的摩擦力实现转轴组件(4)沿轴向转动的锁定。

定压锁紧装置(3)包括锁紧座(31)、碟簧(32)、调节螺钉(33)、压板(34)、导向帽(35)、柔性支撑(36)、压紧板(37)；

锁紧座(31)的截面为l形，l形长边设有圆柱形盲孔1，盲孔1底部设有通孔2，l形短边设有安装孔，能够与第二连接件(2)连接；

柔性支撑(36)为花瓣形状；每个花瓣为弧形，柔性支撑(36)中间为中空结构；压紧板(37)为圆形，压紧板(37)能够盖住柔性支撑(36)中间的中空部分；

导向帽(35)为中空圆柱，中空圆柱的一个端面设有沿径向伸出的凸台，凸台为环形，中空圆柱的另一个端面上设有通孔，能够穿过绳索(52)；导向帽(35)的另一个端面能够从通孔2(b)中伸出和缩回；

碟簧(32)设于压板(34)和导向帽(35)的环形凸台之间；

调节螺钉(33)安装在锁紧座(31)上，能够通过调节螺钉(33)压紧调节压板(34)，调节压板(34)与导向帽(35)之间的距离；导向帽(35)控制碟簧(32)的收缩方向；碟簧(32)压缩时，柔性支撑(36)产生柔性变形，将压紧板(37)压紧在转轴组件(4)的两端(摩擦盘45上)；

柔性支撑(36)位于圆柱形盲孔1的开口处，柔性支撑(36)通过螺钉与压紧板(37)连接；柔性支撑(36)通过螺钉与压紧板(37)连接；

优选的方案为：柔性支撑(36)沿轴向对称布置，通过螺钉与压紧板(37)、锁紧座(31)固连；碟簧(32)通过导向帽(35)均匀推动柔性支撑(36)，使柔性支撑(36)发生变形，将压紧板(37)压紧在摩擦盘(45)上，通过调节螺钉(33)改变压板(34)与导向帽(35)法兰之间的距离，实现更进一步的定压锁紧。

定压锁紧装置(3)设置在转轴(42)两端，关于第一连接件(1)和第二连接件(2)对应杆件轴线与转轴(42)轴线形成的平面对称，且关于过第一连接件(1)和第二连接件(2)对应杆件轴线与转轴42轴线垂直的平面对称。

转轴组件(4)包括支座(41)、转轴(42)、轴承(43)、挡板(44)、摩擦盘(45)；

转轴(42)安装在支座(41)上，轴承(43)套在转轴42上，且位于支座(41)和转轴(42)间，实现转轴(42)能够绕支座(41)转动，挡板(44)安装在转轴(42)上，压在轴承两端；摩擦盘(45)通过螺钉固定在转轴(42)的两端，且位于挡板(44)的外侧.

挡板(44)、支座(41)、轴承(43)共同实现转轴(42)的定位；通过轴承(43)实现转轴(42)的高精度转动；摩擦盘(45)表面有高摩擦涂层，在定压锁紧装置(3)提供的正压力下，摩擦盘(45)能够与压紧板(37)共同实现对转轴(42)转动的可靠约束，且约束转矩能够调节。

低冲击释放装置(5)包括绳索切割器(51)、绳索(52)、定滑轮系(53)、固定法兰(54)、张紧帽(55)、螺纹帽(55-1)；

张紧帽(55)通过螺钉安装在导向帽(35)内；张紧帽(55)为中空圆柱，中空圆柱的一端设有沿径向伸出的凸台作为固定法兰(54)与导向帽(35)的另一端面连接，中空圆柱的外侧设有螺纹，与螺纹帽(55-1)配合；绳索(52)的一端固定在转轴组件(4)一端的低冲击释放装置(5)中的螺纹帽(55-1)上，通过转动螺纹帽(55-1)，能够调节绳索52一端的位置；

绳索切割器(51)安装在锁紧座(31)上，且位于l形结构的长边上，靠近短边的位置；

定滑轮系(53)安装在锁紧座(31)上，每个锁紧座(31)上安装两个，一个位于l形结构长边的一端，且位于张紧帽(55)旁，另一个位于l形结构长边的另一端；绳索(52)的另一端通过定滑轮系(53)固定在转轴组件(4)另一端的低冲击释放装置(5)中的螺纹帽(55-1)上；

绳索(52)通过张紧帽(55)实现绳索(52)张紧，并通过固定法兰(54)与导向帽(35)相连，根据导向帽(35)行程，确定长度；单根绳索(52)同时连接两个定压锁紧装置(3)的张紧帽(55)，两个或多个切割器固定在锁紧座(31)上，通过烧蚀切断绳索(52)，只要有一个切割器正常工作，就能够同时释放两端碟簧(32)，实现关节锁定。

压板(34)为环形，位于锁紧座(31)的圆柱形盲孔1的底部。

定滑轮系(53)安装在锁紧座(31)上，每个锁紧座(31)上安装两个，一个位于l形结构长边的一端，该一端为自由端，且位于张紧帽(55)旁，另一个位于l形结构长边的另一端，该另一端为靠近短边的一端。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过定压预紧装置对转轴的锁定，实现了关节结构对于过所连接杆件轴线的两个平面对称，进一步提高了结构对称性，弥补了传统的锁定关节结构对称性较差的缺陷，从而提高了关节的热稳定性。

(2)本发明通过定压锁紧装置的正压力实现了沿轴向移动自由度的锁定，通过定压锁紧装置与转轴组件两端的摩擦力实现沿轴向转动自由度的锁定，该锁定方式无间隙且可以适应转轴在热环境下的热变形，有效确保了锁定后的压紧力，提升了关节的锁定刚度，且通过对碟簧刚度的选取可以满足对不同机构对刚度的要求。

(3)本发明通过单根绳索实现两个定压锁紧装置的释放，整体结构紧凑，同时采用多个低冲击释放装置切割绳索，切割可靠性高，关节锁定冲击小，适用于对展开后热稳定性、刚度要求较高的精密空间展开机构。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为定压锁紧装置3的结构图；

图3为转轴组件4的结构图；

图4为低冲击释放装置5的结构图。

具体实施方式

本发明公开了一种高热稳定性锁定关节，包括第一连接件1、第二连接件2、定压锁紧装置3、转轴组件4、低冲击释放装置5；第一连接件1和第二连接件2分别与一个杆件固定连接，第一连接件1和第二连接件2通过转轴42及轴承43组成转动副，实现第一连接件1和第二连接件2铰接，转轴42两端设有具备恒定压紧力的定压锁紧装置3，该定压锁紧装置3可通过低冲击释放装置5实现锁紧。本发明通过定压锁紧装置3、转轴组件4、低冲击释放装置5的合理布局，实现了整个关节相对于过杆件轴线的两个平面对称，克服了传统锁定关节对称性差的问题；通过柔性支撑36的变形实现了沿轴向的无间隙锁定，消除了传统锁定关节的锁定间隙，提升了锁定刚度；通过设置定压预紧装置和低冲击释放装置5，保证了转轴42两端预紧力相等，解决了传统锁定关节热稳定性差的问题。

本发明所述的一种高热稳定锁定关节适用于大型太空望远镜等空间科学载荷的精密空间展开机构，可以在展开过程中为机构提供稳定的转轴，在机构展开到位后锁定，并在承受空间热、力环境下保持足够的锁定精度。本发明通过比传统锁定关节更好的结构对称性，提升了关节的热稳定性，能够在温度剧烈变化的空间热环境中更好地保持结构精度；通过对关节转轴方向的无间隙锁定，进一步提高刚度，降低在空间力学载荷下保持结构的晃动，从而实现传统锁定关节无法达到的角秒级锁定精度。

图1～图4中：1为第一连接件；2为第二连接件；3为定压锁紧装置；31为锁紧座；32为碟簧；33为调节螺钉；34为压板；35为导向帽；36为柔性支撑；37为压紧板；4为转轴组件；41为支座；42为转轴；43为轴承；44为挡板；45为摩擦盘；5为低冲击释放装置；51为绳索切割器；52为绳索；53定滑轮为系；54为固定法兰；55为张紧帽。

如图1所示，一种高热稳定性锁定关节包括：第一连接件(1)、第二连接件(2)、定压锁紧装置(3)、转轴组件(4)、低冲击释放装置(5)。

第一连接件(1)和第二连接件(2)分别能够与一个外部杆件固定连接，第一连接件(1)和第二连接件(2)通过转轴组件(4)转动连接，转轴组件(4)第一连接件(1)和第二连接件(2)能够通过转轴组件(4)相对转动，实现第一连接件(1)和第二连接件(2)铰接；转轴组件(4)两端设有定压锁紧装置(3)，通过低冲击释放装置(5)释放该定压锁紧装置(3)压至转轴组件(4)的两端，使定压锁紧装置3对转轴组件(4)的两端提供恒定的压紧力；定压锁紧装置(3)提供的正压力实现了转轴组件(4)的轴向移动锁定；定压锁紧装置(3)与转轴组件(4)两端的摩擦力实现转轴组件(4)沿轴向转动的锁定。

如图2所示，为了实现对转轴组件(4)的定压、无间隙锁紧，所述定压锁紧装置(3)包括锁紧座(31)、碟簧(32)、调节螺钉(33)、压板(34)、导向帽(35)、柔性支撑(36)、压紧板(37)；

其中，优选的，柔性支撑(36)为花瓣形状；每个花瓣为弧形，柔性支撑(36)中间为中空结构；压紧板(37)为圆形，压紧板(37)能够盖住柔性支撑(36)中间的中空部分；由于柔性支撑(36)刚度较弱，压紧板(37)刚度较强，当柔性支撑(36)的受导向帽(35)推动时会产生较大变形，可以将几乎不变形压紧板(37)压紧在转轴组件(4)两端从而实现无间隙锁紧；同时由于碟簧(32)刚度可调，可根据实际需要确定压紧力，从而实现定压预紧。

优选的方案为：柔性支撑(36)沿轴向对称布置，通过螺钉与压紧板(37)、锁紧座(31)固连；碟簧(32)通过导向帽(35)均匀推动柔性支撑(36)，使柔性支撑(36)发生变形，将压紧板(37)压紧在摩擦盘(45)上，通过调节螺钉(33)改变压板(34)与导向帽(35)法兰之间的距离，实现更进一步的定压锁紧。

其它参数不变的条件下，碟簧(32)材料、调节螺钉(33)长度、柔性支撑(36)材料的不同组合可以产生不同的压紧力。优选的，选取碟簧(32)的材料为弹簧钢、柔性支撑材料为铍青铜、螺钉长度为10mm，此时压紧板(37)对外压紧力为2000n。根据实际需要，可以通过选取刚度更大的碟簧(32)材料、更长的调节螺钉(33)、刚度更小的柔性支撑(36)材料可以实现更大的压紧力。

如图3所示，所述转轴组件(4)包括支座(41)、转轴(42)、轴承(43)、挡板(44)、摩擦盘(45)；

优选地，摩擦盘(45)表面有高摩擦涂层，在定压锁紧装置(3)提供的正压力下，摩擦盘(45)能够与压紧板(37)共同实现对转轴(42)转动的可靠约束，且约束转矩能够调节。其中，摩擦盘(45)表面高摩擦涂层与压紧板(37)的半径及摩擦系数、压紧板(37)对外压紧力共同决定了关节抵抗沿轴向转动外力矩的最大值。优选的，半径为2cm，摩擦系数为2，对外压紧力为2000n，关节抵抗沿轴向转动的最大力矩约为50nm。

如图1所示，为了实现锁定关节更好的对称性，所述定压锁紧装置(3)设置在转轴(42)两端，关于第一连接件(1)和第二连接件(2)对应杆件轴线与转轴42轴线形成的平面对称，且关于过第一连接件(1)和第二连接件(2)对应杆件轴线与转轴42轴线垂直的平面对称。

如图4所示，所述低冲击释放装置(5)包括绳索切割器(51)、绳索(52)、定滑轮系(53)、固定法兰(54)、张紧帽(55)、螺纹帽(55-1)；绳索(52)通过张紧帽(55)实现绳索(52)张紧，并通过固定法兰(54)与导向帽(35)相连，根据导向帽(35)行程，确定长度；单根绳索(52)同时连接两个定压锁紧装置(3)的张紧帽(55)，两个或多个切割器固定在锁紧座(31)上，通过烧蚀切断绳索(52)，只要有一个切割器正常工作，就能够同时释放两端碟簧(32)，实现关节锁定，提高了关节锁定的可靠性。优选的，切割器可采取激光灼烧的方式切断绳索，采用两个切割器可使锁定可靠性达到99.9999％。

本发明一种高热稳定性锁定关节，在±100℃的温度交变及振动力综合作用下，测量第一连接件(1)与第二连接件(2)轴线夹角变化值小于1″，远低于传统锁定关节大于30″的夹角变化值，显著提升了锁定关节的热稳定性。

本发明优选的锁定控制模式为：第一连接件(1)和第二连接件(2)转动到设定位置时，低冲击释放装置(5)切割绳索(52)，当绳索(52)切断后，碟簧(32)释放，推动压紧板(37)压紧转轴组件(4)两端的摩擦盘(45)，从而约束了转轴组件(4)的转动自由度，实现了关节的锁定。

本发明通过定压预紧装置对转轴的锁定，实现了关节结构对于过所连接杆件轴线的两个平面对称，进一步提高了结构对称性，弥补了传统的锁定关节结构对称性较差的缺陷，从而提高了关节的热稳定性，且本发明通过定压锁紧装置的正压力实现了沿轴向移动自由度的锁定，通过定压锁紧装置与转轴组件两端的摩擦力实现沿轴向转动自由度的锁定，该锁定方式无间隙且可以适应转轴在热环境下的热变形，有效确保了锁定后的压紧力，提升了关节的锁定刚度，且通过对碟簧刚度的选取可以满足对不同机构对刚度的要求。

本发明通过单根绳索实现两个定压锁紧装置的释放，整体结构紧凑，同时采用多个低冲击释放装置切割绳索，切割可靠性高，关节锁定冲击小，适用于对展开后热稳定性、刚度要求较高的精密空间展开机构。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。