一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括叉形接头、十字轴、张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母。张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母共同作用，将叉形接头和十字轴连接在一起。通过叉形接头与十字轴的接触面以及张紧绳对万向节的运动进行约束，并承受相应的作用力。叉形接头与十字轴的接触部分构成万向节，二者之间可以实现两自由度、无间隙的高精度运动。本发明通过叉形接头和十字轴的接触面承受关节所受的压力，并由张紧绳承受关节所受的拉力,在实现机构运动的同时，消除了万向关节的间隙，特别适合高精度、微小位移机构的在轨使用。
【专利说明】一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天机构【技术领域】，具体地，涉及一种适合航天器高精度机构在轨应 用的柔性万向节。
【背景技术】
[0002] 万向节是一种空间连杆机构，能够连接空间同一平面上相交的两轴，具有两个转 动自由度，能够沿两个转动轴转动并沿主轴传递较大的力和扭矩。万向节的种类有很多， 单十字轴万向节是较为常用的一种，它由两个叉形接头和一个十字轴构成，通过十字轴轴 颈与叉形接头转动孔的配合形成转动副，实现沿两个正交轴的转动。但是，由于十字轴轴颈 与叉形接头转动孔之间存在间隙，使其难以满足高精度机构的需要。因此，人们又提出了 利用特殊结构形式的弹性变形，实现两个物体之间的两自由度相对运动，以满足高精度机 构的微小、高精度运动，如专利 Universal joint flexure hinge suspension system and method for manufacturing this system(美国专利号：US4528864)和 Universal joint with torsionally-compliant spider assembly (美国专利号：US 6893350B2)等。这些方 法虽然解决了由轴颈和转动孔间隙带来的运动误差，但这类万向结构形式复杂，对关节材 料的疲劳性要求高，大大增加了加工的难度和成本。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、精度高、 加工方便、适应航天器机构在轨应用的柔性万向关节。
[0004] 本发明公开了一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，通过张紧绳将 叉形接头和十字轴连接在一起，叉形接头和十字轴的接触部分构成万向节，在消除万向节 间隙的同时，能够使机构实现两自由度高精度运动。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括两个叉形接头和一个十 字轴，其中，每个叉形接头具有两个耳片，所述十字轴具有呈"十"字布置的四个轴颈，两个 叉形接头通过其四个耳片连接在所述十字轴的四个轴颈上，并且两个叉形接头分别位于十 字轴的两个相对的侧面；每个耳片与相应的轴颈通过一根张紧绳、两个张紧螺柱和两个锁 紧螺母连接在一起，在所述叉形接头与所述十字轴的接触部分构成万向节。
[0007] 优选地，所述耳片为平板结构，所述轴颈为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片 与所述轴颈的半圆面接触。
[0008] 优选地，所述耳片为半圆柱结构，所述轴颈为平板结构，当连接到位时，所述耳片 的半圆面与所述轴颈接触。
[0009] 优选地，所述耳片和所述轴颈均为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面 与所述轴颈的半圆面接触。
[0010] 优选地，所述叉形接头包括顺序连接的圆柱部和"几"形部，所述圆柱部垂直连接 在所述"几"形部的横梁上，所述"几"形部的两个平行于横梁的翼片构成所述两个耳片；所 述十字轴包括轴块部，四个轴颈分别布置在所述轴块部的四个侧面上。
[0011] 优选地，每个耳片上设置有一个第一扁锥孔，所述第一扁锥孔的上段为圆孔，用于 与张紧螺柱相配合；下段具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内 表面为相对称的锥面；每个轴颈上设置有一个第二扁锥孔，所述第二扁锥孔的上段为圆孔， 用于与张紧螺柱相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面， 另一对内表面为相对称的锥面；当连接到位时，所述张紧绳的两端分别穿过第一扁锥孔和 第二扁锥孔，并分别与所述耳片和相应的轴颈上的张紧螺柱和锁紧螺母共同作用，将所述 耳片和所述轴颈连接在一起。
[0012] 优选地，所述张紧绳的材料为钢丝绳或超弹性记忆合金丝，并且所述张紧绳的两 段通过压接或焊接的方式与其两侧的张紧螺柱连接在一起。
[0013] 优选地，在所述锁紧螺母与所述叉形接头的耳片之间以及所述锁紧螺母与所述十 字轴的轴颈之间设置有定力弹簧垫片。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是，通过张紧绳使叉形接头和十字轴压紧，实 现机构运动的同时，消除了万向关节的间隙。由叉形接头和十字轴接触面承受关节所受的 压力，由张紧绳承受关节所受的拉力。所有零件均采用热膨胀系数相近的金属材料制造，使 得空间环境的变化对运动精度的影响可以忽略，因此，该万向节特别适合高精度、微小位移 机构的在轨使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的结构示意图；
[0016] 图2a示出了本发明的叉形接头与十字轴之间的连接部分，图2b为图2a中的M的 放大示意图，图2c为图2a中的N的放大示意图；
[0017] 图3是叉形接头的结构示意图；
[0018] 图4是十字轴的结构示意图；
[0019] 图5是本发明带有定力弹簧垫片的示意图；
[0020] 图6是本发明增大承载力的一种示意图；
[0021] 图7和图8是本发明的叉形接头与十字轴之间的连接部分的另外两种结构形式的 示意图。
[0022] 图中：AA-柔性万向节主轴；BB-柔性万向节转动轴I ;CC-柔性万向节转动轴2。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明提供的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节进 行详细说明。
[0024] 本发明提供了一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，包括两个叉形 接头、一个十字轴、4根张紧绳、8个张紧螺柱和8个锁紧螺母。叉形接头和十字轴上均开有 孔（该孔可以是圆孔或扁锥孔），作为张紧绳的安装空间。每个张紧绳两端各与一个张紧螺 柱连接，张紧绳与张紧螺柱之间为压接或焊接，以保证二者之间连接可靠。张紧螺柱圆柱面 带有螺纹，与锁紧螺母相配合。张紧绳穿过叉形接头和十字轴上相应的孔，并与张紧螺柱和 锁紧螺母共同作用，将叉形接头和十字轴连接在一起，叉形接头和十字轴接触的部分就构 成万向关节。通过叉形接头与十字轴的接触面以及张紧绳对万向节的运动进行约束，并承 受相应的作用力。叉形接头的圆柱部设置有螺纹，与外界实现连接。
[0025] 如图1所示，本发明提供的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，主要 包括两个叉形接头1和一个十字轴2。
[0026] 十字轴2和两个叉形接头1通过4根张紧绳3、8个张紧螺柱4和8个锁紧螺母5 连接在一起，如图1和2所示。每个叉形接头1具有两个耳片，十字轴2具有呈"十"字布 置的四个轴颈21。两个叉形接头1通过其四个耳片连接在十字轴2的四个轴颈21上，并且 两个叉形接头1分别位于十字轴2的两个相对的侧面。每个耳片与相应的轴颈21通过一 根张紧绳3、两个张紧螺柱4和两个锁紧螺母5连接在一起，由此在叉形接头1与十字轴的 接触部分构成万向节。
[0027] 具体地，如图3和图4所示，在根据本发明的一个实施例中，叉形接头1包括顺序 连接的圆柱部11和"几"形部12。圆柱部11垂直连接在"几"形部12的横梁121上。"几" 形部12的两个平行于横梁121的翼片122构成所述两个耳片。十字轴2包括轴块部22 (如 图4所示，为一矩形块），四个轴颈21分别布置在轴块部22的四个侧面上。
[0028] 在如图所示的实施例中，翼片122为平板结构。轴颈21为半圆柱结构，并且两对 轴颈21的半圆面朝向相反的方向。每个叉形接头1的两个平板122分别连接在一对轴颈 21的半圆面上。因此，当连接到位之后，十字轴部分地容纳在两个叉形接头的"几"形部的 内框中，其四个轴颈分别与两个叉形接头的"几"形部的平板连接。叉形接头的圆柱部上可 以设置螺纹，以与外界实现连接。
[0029] 结合图2a-图2c所示，每个耳片（本实施例中为平板122)上设置有一个第一扁 锥孔123 (如图2b)。该第一扁锥孔123的上段为圆孔，用于与张紧螺柱4相配合；下段具 有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内表面为相对称的锥面。类似 地，每个轴颈21上设置有一个第二扁锥孔211。第二扁锥孔211的上段为圆孔，用于与张紧 螺柱4相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一对内 表面为相对称的锥面。当连接到位时，张紧绳3的两端分别穿过第一扁锥孔123和第二扁 锥孔211，并分别与耳片（本实施例中为平板122)和相应的轴颈21上的张紧螺柱4和锁紧 螺母5共同作用，将耳片（本实施例中为平板122)和轴颈21连接在一起。叉形接头1和 十字轴2的接触部分构成万向节，通过叉形接头1、十字轴2的接触面和张紧绳3对万向节 的运动进行约束，并承受相应的作用力。
[0030] 张紧绳3与两个张紧螺柱4的连接为压接或焊接，保证二者之间的连接可靠。两 个张紧螺柱4和对应锁紧螺母5之间的连接为螺接，根据万向节预期承受的最大拉力确定 张紧绳3的总张力，以保证张紧绳3的总张力大于可能承受的最大拉力，再根据单个张紧绳 3张力F的大小，确定锁紧螺母5的拧紧力矩M。拧紧力矩M的大小可按下式计算：
[0031]
【权利要求】
1. 一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在于，包括两个叉形接 头（1)和一个十字轴（2)，其中， 每个叉形接头（1)具有两个耳片，所述十字轴（2)具有呈"十"字布置的四个轴颈（21)， 两个叉形接头（1)通过其四个耳片连接在所述十字轴（2)的四个轴颈（21)上，并且两个叉 形接头（1)分别位于十字轴（2)的两个相对的侧面； 每个耳片与相应的轴颈（21)通过一根张紧绳（3)、两个张紧螺柱（4)和两个锁紧螺母 (5)连接在一起，在所述叉形接头（1)与所述十字轴的接触部分构成万向节。
2. 根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在 于，所述耳片为平板结构，所述轴颈（21)为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片与所述轴 颈（21)的半圆面接触。
3. 根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在 于，所述耳片为半圆柱结构，所述轴颈（21)为平板结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面 与所述轴颈（21)接触。
4. 根据权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节，其特征在 于，所述耳片和所述轴颈（21)均为半圆柱结构，当连接到位时，所述耳片的半圆面与所述 轴颈（21)的半圆面接触。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节， 其特征在于， 所述叉形接头（1)包括顺序连接的圆柱部（11)和"几"形部（12)，所述圆柱部（11) 垂直连接在所述"几"形部（12)的横梁（121)上，所述"几"形部（12)的两个平行于横梁 (121)的翼片（122)构成所述两个耳片； 所述十字轴（2)包括轴块部（22)，四个轴颈（21)分别布置在所述轴块部（22)的四个 侧面上。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节， 其特征在于， 每个耳片上设置有一个第一扁锥孔（123)，所述第一扁锥孔（123)的上段为圆孔，用于 与张紧螺柱（4)相配合；下段具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的平面，另一 对内表面为相对称的锥面； 每个轴颈（21)上设置有一个第二扁锥孔（211)，所述第二扁锥孔（211)的上段为圆孔， 用于与张紧螺柱（4)相配合；下段部分具有两两相对的四个内表面，一对内表面为平行的 平面，另一对内表面为相对称的锥面； 当连接到位时，所述张紧绳（3)的两端分别穿过第一扁锥孔（123)和第二扁锥孔 (211)，并分别与所述耳片和相应的轴颈（21)上的张紧螺柱（4)和锁紧螺母（5)共同作用， 将所述耳片和所述轴颈（21)连接在一起。
7. 根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节， 其特征在于，所述张紧绳（3)的材料为钢丝绳或超弹性记忆合金丝，并且所述张紧绳（3)的 两段通过压接或焊接的方式与其两侧的张紧螺柱（4)连接在一起。
8. 根据权利要求1-4中任一项所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性万向节， 其特征在于，在所述锁紧螺母（5)与所述叉形接头（1)的耳片之间以及所述锁紧螺母（5) 与所述十字轴（2)的轴颈之间设置有定力弹簧垫片。
【文档编号】F16D3/38GK104455057SQ201410602669
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】吴琼, 杨建中, 罗敏, 满剑锋, 徐青华, 刘卫 申请人:北京空间飞行器总体设计部