空间环境用力矩扳手的制作方法

1.本发明属于工具设备领域，涉及一种航天员用定力矩扳手，尤其涉及空间环境用力矩扳手。


背景技术：

2.空间站运维期间，需要航天员在轨完成相关的舱外操作任务，同时，需要为航天员提供相应的工具。其中力矩扳手属于典型的一种操作工具，传统力矩扳手在地面环境中应用广泛，结构简单，性价比高，但存在以下不足：长寿命使用过程中，弹簧蠕变衰减引起力矩衰减，需要定期标检、调节，而空间在轨条件下无法提供效应的标检、调节设备；扳手接口与操作对象连接过程中，需要同时双手或过程中使用双手操作完成，无法满足在轨复杂操作环境下单手操作的需求；相对地面操作，力矩扳手人机工效学设计已经成熟，但是不满足在轨航天员操作的人机工学要求。


技术实现要素：

3.本发明要解决的问题是在于提供空间环境用力矩扳手，输出力矩恒定，精度高，而且可单手操作，方便且稳定性高。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：空间环境用力矩扳手，包括头部组件和手柄组件，所述头部组件用于匹配相关操作接口施力，所述手柄组件在限定的力矩范围内驱动所述头部组件转动；所述头部组件包括工具端顶珠，工具端顶珠向头部组件内运动，以使得相关操作对象插入和脱离，工具端顶珠向头部组件外运动，以使得相关操作对象锁定；所述手柄组件包括顶杆，用于与头部组件中的滚柱配合，以使得头部组件转动，所述手柄组件内设有主压簧和主拉簧，主压簧对顶杆提供推力f1，主拉簧对顶杆提供推力f2，滚柱受到的推力f=f1-f2，寿命周期内主压簧输出力衰减
△
f1，主拉簧输出力衰减
△
f2，寿命周期内弹簧组输出力f=f1-f2
‑△
f1
‑△
f2，使得寿命周期内两弹簧衰减力相等。
5.进一步的，所述头部组件包括头部外壳，所述手柄组件包括手柄，所述头部外壳靠近手柄的一端伸入到所述手柄内且二者通过台肩结构轴向固定，所述手柄的外圈设有卡箍，所述卡箍上设有多个定位销，所述定位销穿过卡箍后连接头部外壳和手柄。
6.进一步的，所述手柄为空心圆柱结构，所述手柄的内部，支撑件a、支撑件b设置于主压簧两端且对其固定；拉簧座a、拉簧座b设置于主拉簧两端且对其固定，主拉簧设在主压簧的内圈且二者同轴设置，主拉簧的长度大于主压簧的长度。
7.进一步的，手柄组件还包括过滤片，所述过滤片安装于支撑件a末端，并通过调节螺母将二者连接紧固，所述过滤片用于防尘和泄压；调节螺母安装在手柄内，用于调节弹簧组的初始压力，调节螺母相对手柄螺纹连接，通过设置调节螺母在手柄内的位置，实现弹簧
组压力的调节，锁紧螺母通过弹垫压紧调节螺母，实现紧固、防松作用。
8.进一步的，手柄组件还包括手柄环，手柄环安装于手柄末端，其上设有结构挂钩环，用于安装防漂绳；同时手柄设有接口面，用于安装相关设备，手柄上设有抓握环用于增大与航天员手套间的摩擦，使其更有利于抓握。
9.进一步的，手柄组件还包括手柄环，手柄环上设置了排气孔，排气孔包括排压孔a，排压孔b和排压孔c，排压孔c与手柄的内部连通，排压孔c通过排压孔b与排压孔a连通，排压孔a与外部连通。
10.进一步的，所述头部组件包括方隼和脱离轴杆，方隼贯穿安装于头部外壳，方隼末端为正方形结构，用于匹配相关操作接口，工具端顶珠设在方隼末端，脱离轴杆相对头部外壳上下运动，进而带动工具端顶珠向内或向外运动。
11.进一步的，方隼上端安装有滑块，在小压簧作用下，滑块与脱离按钮下沿接触，脱离按钮在外力的作用下压缩脱离弹簧向下运动，并与滑块锁止面作用，使滑块沿方隼径向向内运动，当脱离按钮锁定孔与滑块同轴时，滑块插入脱离按钮锁定孔内实现锁定，同时，脱离按钮带动按压轴杆、脱离轴杆向下运动，使工具端顶珠向内运动。
12.进一步的，所述头部组件还包括复位按钮，复位按钮与复位钮盖固连；在外力的作用下，复位按钮向下运动压缩复位压簧，并其末端解锁触点与滑块上解锁面作用，使滑块沿方隼径向向内运动，当滑块锁止面与脱离按钮锁定孔脱离时，脱离按钮在脱离弹簧的作用下向上运动，并带动带动按压轴杆、脱离轴杆向上运动，使工具端顶珠向外运动。
13.进一步的，所述头部组件包括换向滚珠和换向压簧，换向滚珠和换向压簧安装于按压轴杆，在换向压簧作用下，换向滚珠始终作用于半月轴，半月轴通过转轴与方隼销接，按压轴杆与脱离按钮固连，通过正向或反向转动脱离按钮实现按压轴杆上的换向滚珠与半月轴不同部位作用，以实现半月轴上结构棘齿b与中轴上的棘齿a作用，实现换向功能。
14.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
15.1、本发明采用了由压簧和拉簧组合的弹簧组，并通过合理设置压簧和拉簧的材料、参数，以控制两弹簧各自在寿命周期内的衰减，并通过控制其衰减量的一致，来达到弹簧组相对恒定输出的目的，进而控制力矩扳手的输出精度。
16.2、本发明设计了一种新的锁止机构，使力矩扳手在轨操作接口处方隼和操作对象插入和脱离过程中更加方便、可靠，具体的可以通过单手操作实现；3本发明针对在轨操作过程中的压力变化进行了密封和泄压结构设计，确保密封和泄压的有效，避免杂物进入或压差变化引起力矩扳手输出精度的变化；4、本发明进行了专业的工效学设计，增加了手柄抓握环、挂钩环等。使其更加符合舱外工效学设计，提升操作的便利性。
附图说明
17.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明空间环境用力矩扳手的结构示意图；图2是本发明空间环境用力矩扳手的正视图；图3是本发明空间环境用力矩扳手的正视的全剖视图；
图4是本发明图3的i部放大图；图5是本发明图2的a-a剖视图；图6是本发明图2的b-b剖视图；图7是本发明图2的c-c剖视图；图8是本发明图2的d-d剖视图；图9是本发明空间环境用力矩扳手旋向控制示意图；图10是本发明中轴的结构示意图；图11是本发明半月轴的结构示意图；图12是本发明复位按钮的结构示意图；图13是本发明滑块的结构示意图；图14是本发明脱离按钮的结构示意图；图15-1是本发明方隼的结构示意图；图15-2是本发明方隼的剖视图；图16是本发明手柄组件尾部的结构示意图；图17-1是本发明手柄环的结构示意图；图17-2是本发明手柄环的剖视图；图18是本发明手柄的结构示意图；图19-1是本发明支撑件a的结构示意图；图19-2是本发明支撑件a的右视图；图20是本发明拉簧座a的结构示意图。
18.附图标记：1、头部组件；2、手柄组件；1-1、方隼；1-2、工具端顶珠；1-3、脱离轴杆；1-4、挡圈；1-5、润滑垫圈a；1-6、盖板；1-7、密封垫a；1-8、对称支撑；1-9、连接销；1-10、滚柱；1-11、头部外壳；1-12、中轴；1-13、换向压簧；1-14、按压轴杆；1-15、换向滚珠；1-16、转轴；1-17、密封垫b；1-18、脱离压簧；1-19、滑块；1-20、复位压簧；1-21、小压簧；1-22、脱离按钮；1-23、复位按钮；1-24、复位钮盖；1-25、半月轴；2-1、手柄环；2-2、手柄；2-3、锁紧螺母；2-4、弹垫；2-5、过滤片；2-6、调节螺母；2-7、支撑件a；2-8、拉簧座a；2-9、主压簧；2-10、主拉簧；2-11、支撑件b；2-12、拉簧座b；2-13、定位销；2-14、顶杆；2-15、卡箍；1-12a-齿面a；1-12b-齿面b；1-12c-棘齿a；1-19a-锁止面；1-19b-解锁面；1-22a-槽孔；1-22b-支撑面；1-22c-操作凸起；1-22d-锁定孔；1-23a-滑块槽；1-23b-导向块；1-23c-解锁触点；1-25a-棘齿b；2-1a-排压孔a；2-1b-排压孔b；2-1c-排压孔c；2-1d-挂钩环；2-2a-抓握环；2-2b-接口面；2-7a-通槽；2-7b-止通槽；2-8a-工艺螺纹孔；2-8b-排压孔。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不充突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
23.力矩扳手是常用的一种工具，扭力扳手又称扭力计、扭力螺钉旋具。它是依据梁的弯曲原理、扭杆的弯曲原理和螺旋弹簧的压缩原理而设计的，能测量出作用在螺母上的力矩大小，常规的扭力扳手结构如下，有一根长的弹性杆，其一端装着手柄，另一端装有方头或六角头，在方头或六角头上套装一个可换的套筒，用钢珠卡住。在顶端上还装有一个长指针。刻度板固定在柄座上，每格刻度值为1n（或kg/m）。
24.使用前，先将安装在扳手上的指示器调整到所需的力矩，然后扳动扳手，当达到该预定力矩时，指示器上的指针就会向销轴一方转动，然后指针与销轴碰撞，通过音箱信号或传感信号告知操作者。
25.扭力扳手发出卡塔声音的原理很简单，可以分为以下几个步骤去理解：1、扭矩扳手在发出“卡塔”声后是提示已达到你要求的扭矩值了；2、扭矩扳手所发出的“卡塔”是由本身内部的扭矩释放结构产生的，其结构分为压力弹簧、扭矩释放关节、扭矩顶杆三结构所组成；3、首先在扭矩扳手上设定所需扭矩值（由弹簧套在顶杆上向扭矩释放关节施压），锁定扭矩扳手，开始拧紧螺栓。当螺栓达到扭矩值（当使用扭力大于弹簧的压力）后，会产生瞬间脱节的效应。在产生脱节效应的瞬间发出关节敲击，扳手金属外壳所发出的“卡塔”声。由此来确认达到扭矩值的提醒作用(其实就象我们手臂关节成15度弯曲放在铁管里瞬间申直后会碰到钢管的原理一样）。以上所说扭矩扳手是常用的手动扭力扳手，除此之外还有电动扭力扳手、风动扭力扳手等。
26.本技术的中力矩扳手存在背景技术中所描述的问题，在航天空间站运用过程中，常规的力矩扳手无法满足精度要求，而航天设备对精度要求精而又精，为了保证输出力矩恒定，研发本技术中的力矩扳手，针对常规力矩扳手的结构进行了改进。
27.本技术中空间环境用力矩扳手包括头部组件1和手柄组件2。
28.头部组件1主要包括：方隼1-1贯穿安装于头部外壳1-11，其末端为正方形结构，用于匹配相关操作接
口。方隼1-1末端安装有工具端顶珠1-2，在脱离轴杆1-3的作用下，实现与相关操作接口的插入和脱离；脱离轴杆1-3和按压轴杆1-14通过连接销1-9实现轴向连接，脱离轴杆1-3上设有一定角度的环形槽孔，连接销可在其内进行一定角度的转动，使得脱离轴杆1-3和按压轴杆1-14可实现一定角度范围内的相对转动；换向滚珠1-15和换向压簧1-13安装于按压轴杆1-14。在换向压簧1-13作用下，换向滚珠1-15始终作用于半月轴1-25上，半月轴1-25通过转轴1-16与方隼1-1销接。按压轴杆1-14与脱离按钮1-22通过螺栓或螺钉固连，通过正向或反向转动脱离按钮1-22，进而实现按压轴杆1-14上的换向滚珠1-15与半月轴1-25不同部位作用，以实现半月轴1-25上结构棘齿b1-25a与中轴1-12上的结构，棘齿a1-12c作用，实现换向功能；中轴1-12与方隼1-1同心安装于头部外壳1-11内，并通过挡圈1-4、润滑垫圈a1-5、盖板1-6、密封垫a1-7、对称支撑1-8、密封垫b1-17等实现密封连接，也实现了方隼1-1轴向端部的定位；挡圈1-4安装在方隼1-1末端，用于限制方隼1-1的轴向固定；润滑垫圈a1-5、密封垫a1-7、密封垫b1-17等起到润滑密封作用的零件，其材料以自润滑材料为宜，多采用铜材质；中轴1-12上设有齿面a1-12a、齿面b1-12b，二者相对水平面成不同角度，两齿面分别与滚柱1-10相切，在相关压力的作用下，实现过载打滑。其中，齿面a1-12a和齿面b1-12b角度差一般在2~5度范围内，既确保拧松力矩大于拧紧力矩，同时又保证拧松力矩不过大；方隼1-1上端安装有滑块1-19，在小压簧1-21作用下，滑块1-19与脱离按钮1-22下沿接触，脱离按钮1-22在外力的作用下压缩脱离压簧1-18向下运动，并与滑块1-19锁止面1-19a作用，使滑块1-19沿方隼1-1径向向内运动。当脱离按钮1-22锁定孔1-22d与滑块同轴时，滑块1-19插入脱离按钮1-22锁定孔1-22d内实现锁定。同时，脱离按钮1-22带动按压轴杆1-14、脱离轴杆1-3向下运动，使工具端顶珠1-2可以向内运动，从而具备和相关操作对象插入和脱离的功能；当需要将工具和操作对象锁定时，按压复位按钮1-23，其与复位钮盖固连；在外力的作用下，复位按钮1-23压缩复位压簧1-20，并其末端解锁触点1-23c与滑块1-19上解锁面1-19b作用，使滑块1-19沿方隼1-1径向向内运动。当滑块1-19锁止面1-19a与脱离按钮1-22锁定孔1-22d脱离时，脱离按钮1-22在脱离压簧1-18的作用下向上运动，并带动带动按压轴杆1-14、脱离轴杆1-3向上运动，使工具端顶珠1-2向外运动，从而具备和相关操作对象锁定的功能；脱离按钮1-22上设有槽孔1-22a和支撑面1-22b，复位按钮1-23上设有滑块槽1-23a和导向块1-23b，结构相互作用，能够实现二者的轴向运动。
29.手柄组件2主要包括以下：顶杆2-14宜选自润滑材料，安装于手柄2-2头部，与支撑件b2-11连接，支撑件b2-11与手柄2-2固定连接，可通过螺纹连接，也可以通过过盈配合的方式固定连接，或者通过焊接的方式固定连接，在主压簧2-9和主拉簧2-10构成的弹簧组的共同作用下，为滚柱1-10提供恒定的推力。
30.主压簧2-9对顶杆2-14提供推力f1，主拉簧2-10对顶杆2-14提供推力f2，则滚柱1-10受到的推力f=f1-f2。寿命周期内主压簧输出力衰减
△
f1，主拉簧输出力衰减
△
f2，则寿
命周期内弹簧组输出力f=f1-f2
‑△
f1
‑△
f2。通过设置弹簧的材料和参数，如中径、线径、节距和圈数，使寿命周期内两弹簧衰减力相等，进而实现弹簧组输出力的恒定或近似恒定，以此来保证力矩扳手打滑力矩的精度。
31.卡箍2-15和定位销2-13用于实现手柄2-2和头部外壳1-11的连接，头部外壳1-11靠近手柄2-2的一端伸入到手柄2-2的内部，且二者通过台阶面实现轴向的定位，卡箍2-15套设在头部外壳1-11的外圈且二者同轴设置，定位销2-13垂直于卡箍2-15的外圈设置，定位销2-13的数量为多个且相对卡箍2-15的轴线均布设置，定位销2-13向内穿过卡箍2-15后连接头部外壳1-11和手柄2-2，进而实现头部组件1和手柄组件2的连接。
32.手柄2-2的内部，支撑件a2-7、支撑件b2-11设置于主压簧2-9两端；拉簧座a2-8、拉簧座b2-12设置于主拉簧2-10两端，主拉簧2-10设在主压簧2-9的内圈且二者同轴设置，主拉簧2-10的长度大于主压簧2-9的长度。
33.过滤片2-5安装于支撑件a2-7末端，并通过调节螺母2-6将二者连接紧固。过滤片2-5含有滤网特征，用于防尘和泄压；调节螺母2-6安装在手柄2-2内，用于调节弹簧组的初始压力，调节螺母2-6相对手柄2-2螺纹连接，通过设置调节螺母2-6在手柄2-2内的位置，实现弹簧组压力的调节，锁紧螺母2-3通过弹垫2-4压紧调节螺母2-6，实现紧固、防松作用。
34.手柄环2-1安装于手柄2-2末端，其上设有结构挂钩环2-1d，用于安装防漂绳；同时手柄2-2设有接口面2-2b，用于安装相关设备，设有抓握环2-2a用于增大与航天员手套间的摩擦，使其更有利于抓握。
35.泄压通道：由于出舱过程中存在压力差，同时主结构尤其是头部组件1为避免多余物进入而影响性能，采用了一定的密封结构，并在手柄组件2内部的手柄环上设置了排气孔，排气孔包括排压孔a2-1a，排压孔b2-1b和排压孔c2-1c，排压孔c2-1c与手柄2-2的内部连通，排压孔c2-1c通过排压孔b2-1b与排压孔a2-1a连通，排压孔a2-1a与外部连通，以确保工具随航天员出舱后，压力顺利排出，避免气压引起输出扭矩精度变化，同时设置了防尘用过滤片2-5，保证内部的清洁性。
36.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。