基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置

本发明属于航空航天，具体涉及一种基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置。

背景技术：

1、空天变体飞行器是指能够进入太空飞行，又能较长时间在大气层内飞行的可重复使用的天地往返运输器，具有飞行速度快、突防能力强、能够快速打击预定目标等特点，是未来重要的空基作战武器。传统的固定构型头锥结构受气动力、气动热、时间窗口、控制反馈等多方面限制，已不能满足空天飞行器多任务剖面和复杂多变飞行工况的性能需求。可变体头锥机构能够根据飞行状态实时调整头锥外形，以获得最优的气动力、热特性，实现飞行最优化控制，大幅提高机动性能和作战效能，是空天飞行器应对复杂多变外部环境的必然选择，目前已受到国内外众多学者和研究机构的关注。

2、形状记忆合金(shape memory alloy,sma)是一种具有形状记忆效应、超弹性效应和传感弹性效应的新型功能材料。它在外力作用下发生残余变形后，当自身温度达到相变温度时，sma丝材发生相变，由常温态的马氏体转变为高温态的奥氏体。相变过程带来晶体结构的变化，宏观上即是sma丝材的逆变形。相比于复杂的机构利用位移或者扭转等动作从而对外做功，sma丝材利用自身内部相变对外做功，可以大大精简机构，减小质量和所占空间。

3、同时现有的sma驱动器，主要利用sma元件丝材或者螺旋弹簧作为驱动元件，其中丝材的输出力大，效率高，但输出行程小；螺旋弹簧的行程大，但效率低，输出力小。因此，设计既有较大输出力又有较大行程的高效率sma驱动器，一直是sma应用研究领域的热点和难点。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，其动力源为三根sma弹簧驱动的紧凑型旋转驱动机构；工作时，紧凑型旋转驱动机构驱动丝杠螺母传动组件输出直线运动，且在头锥弯曲部分的另一侧设计了运动限位机构。通过将sma弹簧驱动器和螺旋传动巧妙结合起来，利用螺旋传动的增力效果和自锁作用满足头锥在实际工况下弯曲变形的需要。

2、本发明提供了一种基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，包括主驱动部分，所述主驱动部分包括底座ⅰ、三根sma弹簧、丝杠螺母传动组件，所述底座ⅰ上连接有由所述三根sma弹簧组成的紧凑型旋转驱动机构；所述紧凑型旋转驱动机构与所述丝杠螺母传动组件连接，用于在三根sma弹簧先后加热发生收缩运动时输出旋转运动；所述丝杠螺母传动机构与飞行器的头锥骨架连接，用于将旋转运动放大后，以线性位移的形式输出，进而驱动所述头锥骨架发生弯曲变形。

3、进一步地，所述主驱动部分还包括：固定件、轴承座、支撑件、深沟球轴承ⅰ、深沟球轴承ⅱ、轴承端盖、连接件ⅰ、连接件ⅱ、输出件ⅰ；

4、所述丝杠螺母传动组件包括传动螺母、丝杠、弹簧连接件和端盖；所述头锥骨架包括头锥骨架ⅰ、头锥骨架ⅱ、头锥骨架ⅲ；

5、所述底座ⅰ上设有弹簧连接位点ⅰ、弹簧连接位点ⅱ、弹簧连接位点ⅲ；所述三根sma弹簧分别与所述弹簧连接位点ⅰ、弹簧连接位点ⅱ、弹簧连接位点ⅲ连接，并同时与所述弹簧连接件上的三个连接孔连接；

6、所述丝杠的一端设有偏心轴；所述偏心轴的一端设置有轴肩，用于对所述弹簧连接件进行轴向定位；所述轴肩与所述弹簧连接件通过间隙配合的方式进行连接；所述丝杠的另一端与所述传动螺母配合，当所述丝杠被驱动发生旋转运动时，所述传动螺母输出轴向的线性运动；所述端盖通过螺钉固定于所述丝杠的偏心轴上，用于对所述弹簧连接件进行轴向定位和固定；

7、所述底座ⅰ通过螺钉连接固定在所述头锥骨架ⅰ上，并采用所述固定件进行紧固；所述丝杠和深沟球轴承ⅰ安装在所述轴承座中，并采用所述轴承端盖进行轴向定位与固定；所述轴承座通过螺钉连接固定在所述底座ⅰ上；所述支撑件一端通过螺钉连接固定在所述轴承端盖上，另一端通过所述深沟球轴承ⅱ与所述丝杠的一端连接，使其与所述丝杠之间可相对转动；

8、所述输出件ⅰ与所述头锥骨架ⅲ之间采用螺钉固定连接；所述连接件ⅰ和连接件ⅱ上均设有两个销孔，其分别通过销轴与所述传动螺母和输出件ⅰ构成铰链连接，用于输出由所述丝杠螺母传动组件输出的轴向线性运动，使头锥发生弯曲变形，并适应其弯曲变形过程中发生的径向运动。

9、进一步地，所述底座ⅰ整体轮廓为圆形，其上设置有间隔120°的三个sma弹簧连接位点和连接所需的螺纹孔。

10、进一步地，该装置还包括辅助限位机构，所述辅助限位机构包括：底座ⅱ，输出件ⅱ，卡簧，连接件ⅲ，连接件ⅳ，输出件ⅲ，直线轴承，轴端挡圈；

11、所述底座ⅱ通过螺钉连接固定在所述头锥骨架ⅰ上，其上设置有与底座ⅱ一体化连接的固定轴，所述固定轴由轴径不同的三段组成，共有两个轴肩；所述输出件ⅱ与所述底座ⅱ上的固定轴之间通过所述直线轴承连接，所述直线轴承的两端采用所述卡簧进行轴向定位；所述输出件ⅱ与输出件ⅲ之间通过连接件ⅲ、连接件ⅳ进行铰链连接；与所述底座ⅱ一体化连接的固定轴上的两个轴肩分别用于对所述直线轴承和轴端挡圈的轴向进行限位，所述轴端挡圈用于对直线轴承的运动进行限位。

12、与现有技术相比本发明的有益效果是：

13、1)本发明提出的弯曲变形驱动装置由三根sma弹簧进行驱动，巧妙地应用了新兴的智能材料驱动器，配合反馈传感控制模块，能够实现驱动、传感、控制一体化设计，极大地减小了驱动装置的体积和质量，对于实现飞行器的轻量化设计具有十分重要的意义。

14、2)本发明提出的弯曲变形驱动装置中主驱动部分工作时，通过先后通电加热连接在底座和偏心丝杠上的三根sma弹簧，使它们先后发生收缩运动，带动丝杠旋转，进而驱动传动螺母输出线性运动，驱动头锥发生弯曲变形。

15、3)本发明提出的弯曲变形驱动装置中传动螺母与头锥外壳连接结构中，传动螺母与输出结构间通过两个铰链进行连接，使传动部分在驱动头锥外壳弯曲变形的同时也能够适应其径向的位移。

16、4)本发明在头锥弯曲变形部分的另一侧设计了辅助限位机构，可以防止头锥弯曲变形的角度过大，出现奇异位形；同时，该辅助限位机构可以用于安装传感控制元件，进而实现头锥弯曲变形的智能化驱动。

技术特征：

1.一种基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，其特征在于，包括主驱动部分(1)，所述主驱动部分(1)包括底座ⅰ(12)、三根sma弹簧、丝杠螺母传动组件(17)，所述底座ⅰ(12)上连接有由所述三根sma弹簧组成的紧凑型旋转驱动机构；所述紧凑型旋转驱动机构与所述丝杠螺母传动组件(17)连接，用于在三根sma弹簧先后加热发生收缩运动时输出旋转运动；所述丝杠螺母传动机构(17)与飞行器的头锥骨架连接，用于将旋转运动放大后，以线性位移的形式输出，进而驱动所述头锥骨架发生弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，其特征在于，所述主驱动部分(1)还包括：固定件(11)、轴承座(13)、支撑件(14)、深沟球轴承ⅰ(151)、深沟球轴承ⅱ(152)、轴承端盖(16)、连接件ⅰ(181)、连接件ⅱ(182)、输出件ⅰ(19)；

3.根据权利要求2所述的基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，其特征在于，所述底座ⅰ(12)整体轮廓为圆形，其上设置有间隔120°的三个sma弹簧连接位点和连接所需的螺纹孔。

4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，其特征在于，还包括辅助限位机构(2)，所述辅助限位机构(2)包括：底座ⅱ(21)，输出件ⅱ(22)，卡簧(23)，连接件ⅲ(241)，连接件ⅳ(242)，输出件ⅲ(25)，直线轴承(26)，轴端挡圈(27)；

技术总结
本发明公开了一种基于形状记忆合金弹簧的飞行器头锥弯曲变形驱动装置，包括主驱动部分，所述主驱动部分包括底座Ⅰ、三根SMA弹簧、丝杠螺母传动组件，所述底座Ⅰ上连接有由所述三根SMA弹簧组成的紧凑型旋转驱动机构；所述紧凑型旋转驱动机构与所述丝杠螺母传动组件连接，用于在三根SMA弹簧先后加热发生收缩运动时输出旋转运动；所述丝杠螺母传动机构与飞行器的头锥骨架连接，用于将旋转运动放大后，以线性位移的形式输出，进而驱动所述头锥骨架发生弯曲变形。本发明动力源为三根SMA弹簧驱动的紧凑型旋转驱动机构，通过将SMA弹簧驱动器和螺旋传动巧妙结合起来，利用螺旋传动的增力效果和自锁作用满足头锥在实际工况下弯曲变形的需要。

技术研发人员：赵杰亮,范彤辉,吴祥兵,吴衍傧,王文中
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12