一种惯性分离作动器的制作方法

本实用新型属于作动器技术领域，特别涉及一种惯性分离作动器，具有驱动力大、行程大、结构简单、成本低等优点。

背景技术：

随着航空航天技术的快速发展，空间操作任务趋于多样化和复杂化，越来越多的航天器需要完成在轨释放和分离，比如星箭分离、卫星间分离、特殊有效载荷释放等。空间分离技术已成为航空航天领域的研究热点，直接关系到后续空间任务的完成。

目前航天器中用于分离的作动器按照其驱动方式分，主要为电磁和火药。电磁驱动的分离作动器主要由衔铁、轭铁、线包组件、弹簧、销子等组成，主要利用线包组件通电后产生磁场，使软磁材料制作的衔铁、轭铁磁化，衔铁与轭铁的磁力克服弹簧抗力，衔铁运动带动销子运动，该结构存在着驱动力小、行程小、易受外界电磁干扰等问题。火药驱动的分离作动器主要利用火药燃烧产生气体驱动活塞做功，受结构、气体压力传递方向和密封等因素影响，存在着可靠性低、能量转换效率低、安全性差等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种惯性分离作动器，该分离作动器利用航天器飞行过载作为驱动源进行驱动，不受外界电磁干扰。通过选择不同参数的驱动簧，可满足分离作动器的不同输出力要求。本实用新型还具有驱动力大、行程大、结构简单、成本低等优点。

本实用新型的一种惯性分离作动器，包括本体、推杆机构、钢球、驱动簧、推销、压螺、大压螺、惯性筒和弹簧，其特征在于：

本体为一个阶梯状的立方体结构，材料为强度和硬度较好的35CrMnSiA，本体内部具有阶梯大圆孔和阶梯小圆孔，阶梯大圆孔和阶梯小圆孔的侧壁光滑，粗糙度为0.4，阶梯小圆孔内放置惯性筒、弹簧和压螺，阶梯大圆孔内放置驱动簧、推销和大压螺，本体的侧面还具有一个从一侧贯穿到另一侧的通孔，本体上还具有放置推杆机构的阶梯型凹槽；

所述推杆机构包括安装座以及N个推杆，2≤N≤7，所述安装座横截面为“U”字形，安装座底部开有通孔，通孔直径大于钢球的直径，N个推杆分别通过销轴装于所述安装座的左右侧壁之间，N个推杆形状均为楔形柱体，N个推杆均具有底面和相对于底面倾斜的工作面，N个推杆底面和推杆小端相交边具有倒角，第一推杆大端位于通孔一侧，通过销轴装于所述安装座的左右侧壁之间，第一推杆中部与所述通孔位置对应，第一推杆工作面朝向所述通孔，第一推杆底面和所述通孔轴线垂直，第二推杆大端相对第一推杆大端位于通孔另一侧，通过销轴装于所述安装座的左右侧壁之间，第二推杆工作面和所述第一推杆小端倒角接触，接触点位于第二推杆中部和销轴之间，第二推杆底面和所述通孔轴线垂直，其余N－2个推杆的位置关系依次类推，所述推杆机构的通孔朝向安装推销的阶梯大圆孔，且推杆机构的通孔与所述本体的通孔同轴，销轴与安装座孔过渡配合，销轴与N个推杆的孔间隙配合；

N个推杆作为传动机构执行件，构成杠杆机构，根据杠杆原理，N个推杆的力臂比L＝L1·L2···LN，其中L1为第一推杆的力臂比，其值为第一推杆与钢球的接触点到第一推杆与第二推杆接触点的距离；L2为第二推杆的力臂比，其值为第二推杆与第一推杆的接触点到第二推杆与第三推杆接触点的距离，其余以此类推，推杆机构在将前一级运动载荷传递到下一级时，下一级受到的运动载荷可衰减到上一级运动载荷的1/L，所述N个推杆构成的推杆机构的位移放大倍数可通过几何作图，采用轨迹相切法确定；

所述轨迹相切法既是，由于每个推杆均为刚性件，前一个推杆在绕销轴旋转运动时，依次推动后续的推杆绕各自销轴旋转运动，且前一个推杆与后一个推杆的接触点在后一个推杆的工作面上运动，基于此，N个推杆的运动轨迹可以通过几何画法得出；

所述推销由大圆柱、圆柱和小圆柱构成，所述大圆柱、圆柱和小圆柱的侧壁光滑，粗糙度为0.4，推销的材料为强度和硬度较好的35CrMnSiA，大圆柱沿圆周具有大凹槽，圆柱端部具有小凹槽，所述大凹槽的深度为1.5mm～2mm，大凹槽的上下两端具有斜面，两个斜面组成的角度70°～85°，两个斜面的角度相同，大凹槽上下两端的斜面与大圆柱侧面过渡的部位高度3mm～3.5mm，且过渡的部位倒圆角R0.5，推销上还具有螺纹孔，螺纹孔用于连接外部被驱动装置；

惯性筒的材料为钨并进行真空热处理，如此设置，由于钨的密度大，相同体积下，提高了惯性筒的质量，便于惯性筒在小过载条件下就能运动，且惯性筒进行真空热处理，提高了惯性筒的强度，使得惯性筒受外力挤压时不容易变形，此外，惯性筒表面涂覆固体薄膜保护剂DJB-823，如此设置，降低了惯性筒表面的摩擦系数；

平时，惯性筒锁定钢球和推杆机构，推销被约束在原始状态，当惯性筒感受到持续过载时，惯性筒克服弹簧的抗力以及钢球对惯性筒的摩擦力和惯性筒与本体的阶梯小圆孔的摩擦力向下运动，惯性筒解除对钢球和推杆机构的锁定，此时，处于压缩状态的驱动簧推动推销运动，推杆机构可将驱动簧传递到惯性筒的压力衰减，使得惯性筒在较小的过载环境下即可可靠工作。

进一步的，所述钢球直径的1/6～1/3的尺寸与推销的大凹槽的深度尺寸范围相同，且钢球嵌入大凹槽内的尺寸为0.6mm～1mm。如此设置，是因为惯性分离器在使用时，通常会经受剧烈的振动环境，由于驱动簧的驱动力大，在振动环境下，钢球与推销接触的部位通常会出现压痕或凹坑。若钢球的锁定量太小，有可能会出现钢球锁不住推销的情况，若钢球的锁定量太大，有时候也会出现钢球不能可靠解除对推销锁定的情况。通过对10发子样进行过载量为300m/s²、持续时间3s的模拟振动试验，钢球嵌入推销的大凹槽内的锁定量为0.6mm～1mm时，钢球对推销的锁定和解除锁定的工作可靠性是最好的，可靠性为100％。在锁定量为0.5mm时，振动过程中出现1发意外作用的情况，在锁定量为1.1mm时，振动后的作用可靠性试验，出现1发未作用的情况。随着锁定量的增加，作用时的响应时间相应延长，考虑到装配和加工误差，锁定量选择0.6mm～1mm。

进一步的，所述本体的两侧通孔端面还安装密封垫和小压螺，推销的小凹槽内放置密封圈，压螺和大压螺安装时，螺纹面涂密封胶。

进一步的，制造所述的一种惯性分离作动器包括以下步骤：

(a)先在本体上安装推杆机构，推杆机构的安装座具有通孔的一端指向安装驱动簧的一侧；

(b)安装惯性筒一侧的两个钢球，同时用锁销锁定两个钢球及推杆机构，锁销的一端具有与本体的通孔两端的螺纹孔相匹配的螺纹，且锁销另一端距离钢球的距离x与推杆机构上N个推杆之间具有如下关系：

a＜x≤b

其中a为N个推杆在原始状态时的距离，b为N个推杆在受到外力时，按照轨迹相切法，N个推杆即将脱离相互接触时的距离；

(c)将步骤(b)中本体上具有锁销的一侧向下放置，步骤(b)的设置保证钢球及推杆机构的推杆在向锁销方向运动时，推杆的顺序不会打乱，可重新恢复至步骤(b)的状态。从本体的另一侧通孔安装两个钢球，将本体按照安装驱动簧的圆孔指向上方进行放置，同时应保持安装的两个钢球还处于本体的通孔内；

(d)将驱动簧、推销和密封圈安装在一起，用压力机压紧到位，由于本体上放置驱动簧、推销和密封圈的圆孔为台阶孔，能保证推销压紧到凹槽的中轴线与本体的通孔的中轴线重合，在通孔的另一侧安装另一个锁销，此锁销嵌入到推销的凹槽内，嵌入量大于1mm，此锁销安装到位后，撤去压力机；

(e)将惯性筒一侧的锁销指向上方，然后将惯性筒一侧的锁销撤去，安装惯性筒、弹簧和压螺，最后撤去另一侧的锁销，在本体的通孔两端分别安装密封垫和小压螺。

本实用新型的有益效果体现在：

a)采用惯性筒和弹簧作为约束和驱动机构，该分离作动器利用飞行过载作为驱动源进行驱动，不需要附带电源及驱动设备，且不受外界电磁干扰，惯性筒采用密度高的钨材料，显著提高惯性筒质量，可以使得惯性筒在较小的持续过载下可靠启动；

b)设置推杆机构，可以将驱动簧的驱动力传递到惯性筒时，进行有效衰减，从而使得惯性筒在很小的过载条件下就可以可靠驱动；

c)采用钢球作为传递机构，进一步降低摩擦因素，同时提高了整个机构的工作可靠性。

附图说明

图1为本实用新型惯性分离作动器初始状态结构示意图；

图2为本实用新型惯性分离作动器(不含本体)的初始状态结构示意图；

图3为本实用新型惯性分离作动器工作到位状态结构示意图；

图4为本实用新型的本体结构示意图；

图5为本实用新型的推杆机构结构示意图；

图6为本实用新型的推销结构示意图；

图7为本实用新型的锁销结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型的一种惯性分离作动器较佳实施方式，结构及组成关系如图1和图2所示，包括：本体1、推杆机构2、钢球3、驱动簧4、推销5、压螺7、大压螺8、惯性筒11和弹簧12，其特征在于：

本体1如图4所示，为一个阶梯状的立方体结构，材料为强度和硬度较好的35CrMnSiA，本体1内部具有阶梯大圆孔1-1和阶梯小圆孔1-2，阶梯大圆孔1-1和阶梯小圆孔1-2的侧壁光滑，粗糙度为0.4，阶梯小圆孔1-2内放置惯性筒11、弹簧12和压螺7，阶梯大圆孔1-1内放置驱动簧4、推销5和大压螺8，本体1的侧面还具有一个从一侧贯穿到另一侧的通孔1-3，本体1上还具有放置推杆机构2的阶梯型凹槽1-4；

所述推杆机构2如图5所示，包括安装座2-5以及推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2、推杆Ⅲ2-3，所述安装座2-5横截面为“U”字形，安装座2-5底部开有通孔，通孔直径大于钢球3的直径，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3分别通过销轴2-4装于所述安装座2-5的左右侧壁之间，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3的形状均为楔形柱体，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3均具有底面和相对于底面倾斜的工作面，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3底面和推杆小端相交边具有倒角，推杆Ⅲ2-3大端位于通孔一侧，通过销轴2-4装于所述安装座2-5的左右侧壁之间，推杆Ⅲ2-3中部与所述通孔位置对应，推杆Ⅲ2-3工作面朝向所述通孔，推杆Ⅲ2-3底面和所述通孔轴线垂直，推杆Ⅱ2-2大端相对推杆Ⅲ2-3大端位于通孔另一侧，通过销轴2-4装于所述安装座2-5的左右侧壁之间，推杆Ⅱ2-2工作面和所述推杆Ⅲ2-3小端倒角接触，接触点位于推杆Ⅱ2-2中部和销轴2-4之间，推杆Ⅱ2-2底面和所述通孔轴线垂直，推杆Ⅰ2-1大端相对推杆Ⅱ2-2大端位于通孔另一侧，通过销轴2-4装于所述安装座2-5的左右侧壁之间，推杆Ⅰ2-1工作面和所述推杆Ⅱ2-2小端倒角接触，接触点位于推杆Ⅰ2-1中部和销轴2-4之间，推杆Ⅰ2-1底面和所述通孔轴线垂直，所述推杆机构2的通孔朝向安装推销5的阶梯大圆孔1-1，且推杆机构2的通孔与所述本体1的通孔1-3同轴，销轴2-4与安装座2-5孔过渡配合，销轴2-4与推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3的孔间隙配合；

推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3作为传动机构执行件，构成杠杆机构，根据杠杆原理，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3的力臂比L＝L1·L2·L3，其中L1为推杆Ⅲ2-3的力臂比，其值为推杆Ⅲ2-3与钢球3的接触点到推杆Ⅲ2-3与推杆Ⅱ2-2接触点的距离；L2为推杆Ⅱ2-2的力臂比，其值为推杆Ⅱ2-2与推杆Ⅲ2-3的接触点到推杆Ⅱ2-2与推杆Ⅰ2-1接触点的距离，L3为推杆Ⅰ2-1的力臂比，其值为推杆Ⅰ2-1与推杆Ⅱ2-2的接触点到推杆Ⅰ2-1与该侧钢球3接触点的距离，推杆机构2在将前一级运动载荷传递到下一级时，下一级受到的运动载荷可衰减到上一级运动载荷的1/L，所述推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3构成的推杆机构2的位移放大倍数可通过几何作图，采用轨迹相切法确定；

所述推销5如图6所示，由大圆柱5-1、圆柱5-2和小圆柱5-3构成，所述大圆柱5-1、圆柱5-2和小圆柱5-3的侧壁光滑，粗糙度为0.4，推销5的材料为强度和硬度较好的35CrMnSiA，大圆柱5-1沿圆周具有大凹槽5-4，圆柱5-2端部具有小凹槽5-5，所述大凹槽5-4的深度为1.5mm，大凹槽5-4的上下两端具有斜面，两个斜面组成的角度80°，两个斜面的角度相同，大凹槽5-4上下两端的斜面与大圆柱5-1侧面过渡的部位高度3.5mm，且过渡的部位倒圆角R0.5，推销5上还具有螺纹孔5-6，螺纹孔5-6用于连接外部被驱动装置；

惯性筒11的材料为钨并进行真空热处理，且惯性筒11表面涂覆固体薄膜保护剂DJB-823；

进一步的，所述钢球3直径的1/6的尺寸与推销5的大凹槽5-4的深度尺寸相同，且钢球3嵌入大凹槽5-4内的尺寸为0.6mm。

进一步的，所述本体1的两侧通孔1-3端面还安装密封垫10和小压螺9，推销5的小凹槽5-5内放置密封圈6，压螺7和大压螺8安装时，螺纹面涂密封胶。

制造如本实施例所述的一种惯性分离作动器，包括以下步骤：

(a)先在本体1上安装推杆机构2，推杆机构2的安装座2-5具有通孔的一端指向安装驱动簧4的一侧；

(b)安装惯性筒11一侧的两个钢球3，同时用如图7所示的锁销13锁定两个钢球3及推杆机构2，锁销13的一端具有与本体1的通孔1-3两端的螺纹孔相匹配的螺纹，且锁销13另一端距离钢球3的距离x与推杆机构2上推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3之间具有如下关系：

a＜x≤b

其中a为推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3在原始状态时的距离，b为推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3在受到外力时，按照轨迹相切法，推杆Ⅰ2-1、推杆Ⅱ2-2和推杆Ⅲ2-3即将脱离相互接触时的距离；

(c)将步骤(b)中本体1上具有锁销13的一侧向下放置，步骤(b)的设置保证钢球3及推杆机构2的推杆在向锁销13方向运动时，推杆的顺序不会打乱，可重新恢复至步骤(b)的状态。从本体1的另一侧通孔1-3安装两个钢球3，将本体1按照安装驱动簧4的圆孔指向上方进行放置，同时应保持安装的两个钢球3还处于本体1的通孔1-3内；

(d)将驱动簧4、推销5和密封圈6安装在一起，用压力机压紧到位，由于本体1上放置驱动簧4、推销5和密封圈6的圆孔为台阶孔，能保证推销5压紧到凹槽5-4的中轴线与本体1的通孔1-3的中轴线重合，在通孔1-3的另一侧安装另一个锁销13，此锁销13嵌入到推销5的凹槽5-4内，嵌入量大于1mm，此锁销13安装到位后，撤去压力机；

(e)将惯性筒11一侧的锁销13指向上方，然后将惯性筒11一侧的锁销13撤去，安装惯性筒11、弹簧12和压螺7，最后撤去另一侧的锁销13，在本体1的通孔1-3两端分别安装密封垫10和小压螺9。

本实用新型的工作原理如下：

平时，惯性筒11锁定钢球3和推杆机构2，推销5被约束在如图1所示的原始状态；

当惯性筒11感受到持续过载时，惯性筒11克服弹簧12的抗力以及钢球3对惯性筒11的摩擦力和惯性筒11与本体1的阶梯小圆孔1-2的摩擦力向下运动，惯性筒11解除对钢球3和推杆机构2的锁定，此时，处于压缩状态的驱动簧4推动推销5运动，推杆机构2将驱动簧4传递到惯性筒11的压力衰减到原来的1/L，使得惯性筒11在较小的过载环境下即可可靠工作，惯性分离作动器运动到位后的状态如图3所示。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。