一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，包括叉形接頭、十字軸、張緊繩、張緊螺柱和鎖緊螺母。張緊繩、張緊螺柱和鎖緊螺母共同作用，將叉形接頭和十字軸連接在一起。通過叉形接頭與十字軸的接觸面以及張緊繩對(duì)萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，并承受相應(yīng)的作用力。叉形接頭與十字軸的接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)，二者之間可以實(shí)現(xiàn)兩自由度、無間隙的高精度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明通過叉形接頭和十字軸的接觸面承受關(guān)節(jié)所受的壓力，并由張緊繩承受關(guān)節(jié)所受的拉力,在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，消除了萬向關(guān)節(jié)的間隙，特別適合高精度、微小位移機(jī)構(gòu)的在軌使用。
【專利說明】一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天機(jī)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng) 用的柔性萬向節(jié)。

【背景技術(shù)】
[0002] 萬向節(jié)是一種空間連桿機(jī)構(gòu)，能夠連接空間同一平面上相交的兩軸，具有兩個(gè)轉(zhuǎn) 動(dòng)自由度，能夠沿兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并沿主軸傳遞較大的力和扭矩。萬向節(jié)的種類有很多， 單十字軸萬向節(jié)是較為常用的一種，它由兩個(gè)叉形接頭和一個(gè)十字軸構(gòu)成，通過十字軸軸 頸與叉形接頭轉(zhuǎn)動(dòng)孔的配合形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)沿兩個(gè)正交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，由于十字軸軸頸 與叉形接頭轉(zhuǎn)動(dòng)孔之間存在間隙，使其難以滿足高精度機(jī)構(gòu)的需要。因此，人們又提出了 利用特殊結(jié)構(gòu)形式的彈性變形，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物體之間的兩自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以滿足高精度機(jī) 構(gòu)的微小、高精度運(yùn)動(dòng)，如專利 Universal joint flexure hinge suspension system and method for manufacturing this system(美國專利號(hào)：US4528864)和 Universal joint with torsionally-compliant spider assembly (美國專利號(hào)：US 6893350B2)等。這些方 法雖然解決了由軸頸和轉(zhuǎn)動(dòng)孔間隙帶來的運(yùn)動(dòng)誤差，但這類萬向結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對(duì)關(guān)節(jié)材 料的疲勞性要求高，大大增加了加工的難度和成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、 加工方便、適應(yīng)航天器機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向關(guān)節(jié)。
[0004] 本發(fā)明公開了一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，通過張緊繩將 叉形接頭和十字軸連接在一起，叉形接頭和十字軸的接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)，在消除萬向節(jié) 間隙的同時(shí)，能夠使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩自由度高精度運(yùn)動(dòng)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，包括兩個(gè)叉形接頭和一個(gè)十 字軸，其中，每個(gè)叉形接頭具有兩個(gè)耳片，所述十字軸具有呈"十"字布置的四個(gè)軸頸，兩個(gè) 叉形接頭通過其四個(gè)耳片連接在所述十字軸的四個(gè)軸頸上，并且兩個(gè)叉形接頭分別位于十 字軸的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面；每個(gè)耳片與相應(yīng)的軸頸通過一根張緊繩、兩個(gè)張緊螺柱和兩個(gè)鎖 緊螺母連接在一起，在所述叉形接頭與所述十字軸的接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)。
[0007] 優(yōu)選地，所述耳片為平板結(jié)構(gòu)，所述軸頸為半圓柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片 與所述軸頸的半圓面接觸。
[0008] 優(yōu)選地，所述耳片為半圓柱結(jié)構(gòu)，所述軸頸為平板結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片 的半圓面與所述軸頸接觸。
[0009] 優(yōu)選地，所述耳片和所述軸頸均為半圓柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片的半圓面 與所述軸頸的半圓面接觸。
[0010] 優(yōu)選地，所述叉形接頭包括順序連接的圓柱部和"幾"形部，所述圓柱部垂直連接 在所述"幾"形部的橫梁上，所述"幾"形部的兩個(gè)平行于橫梁的翼片構(gòu)成所述兩個(gè)耳片；所 述十字軸包括軸塊部，四個(gè)軸頸分別布置在所述軸塊部的四個(gè)側(cè)面上。
[0011] 優(yōu)選地，每個(gè)耳片上設(shè)置有一個(gè)第一扁錐孔，所述第一扁錐孔的上段為圓孔，用于 與張緊螺柱相配合；下段具有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的平面，另一對(duì)內(nèi) 表面為相對(duì)稱的錐面；每個(gè)軸頸上設(shè)置有一個(gè)第二扁錐孔，所述第二扁錐孔的上段為圓孔， 用于與張緊螺柱相配合；下段部分具有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的平面， 另一對(duì)內(nèi)表面為相對(duì)稱的錐面；當(dāng)連接到位時(shí)，所述張緊繩的兩端分別穿過第一扁錐孔和 第二扁錐孔，并分別與所述耳片和相應(yīng)的軸頸上的張緊螺柱和鎖緊螺母共同作用，將所述 耳片和所述軸頸連接在一起。
[0012] 優(yōu)選地，所述張緊繩的材料為鋼絲繩或超彈性記憶合金絲，并且所述張緊繩的兩 段通過壓接或焊接的方式與其兩側(cè)的張緊螺柱連接在一起。
[0013] 優(yōu)選地，在所述鎖緊螺母與所述叉形接頭的耳片之間以及所述鎖緊螺母與所述十 字軸的軸頸之間設(shè)置有定力彈簧墊片。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是，通過張緊繩使叉形接頭和十字軸壓緊，實(shí) 現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，消除了萬向關(guān)節(jié)的間隙。由叉形接頭和十字軸接觸面承受關(guān)節(jié)所受的 壓力，由張緊繩承受關(guān)節(jié)所受的拉力。所有零件均采用熱膨脹系數(shù)相近的金屬材料制造，使 得空間環(huán)境的變化對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響可以忽略，因此，該萬向節(jié)特別適合高精度、微小位移 機(jī)構(gòu)的在軌使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2a示出了本發(fā)明的叉形接頭與十字軸之間的連接部分，圖2b為圖2a中的M的 放大示意圖，圖2c為圖2a中的N的放大示意圖；
[0017] 圖3是叉形接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖4是十字軸的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖5是本發(fā)明帶有定力彈簧墊片的示意圖；
[0020] 圖6是本發(fā)明增大承載力的一種示意圖；
[0021] 圖7和圖8是本發(fā)明的叉形接頭與十字軸之間的連接部分的另外兩種結(jié)構(gòu)形式的 示意圖。
[0022] 圖中：AA-柔性萬向節(jié)主軸；BB-柔性萬向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸I ;CC-柔性萬向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸2。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)進(jìn) 行詳細(xì)說明。
[0024] 本發(fā)明提供了一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，包括兩個(gè)叉形 接頭、一個(gè)十字軸、4根張緊繩、8個(gè)張緊螺柱和8個(gè)鎖緊螺母。叉形接頭和十字軸上均開有 孔（該孔可以是圓孔或扁錐孔），作為張緊繩的安裝空間。每個(gè)張緊繩兩端各與一個(gè)張緊螺 柱連接，張緊繩與張緊螺柱之間為壓接或焊接，以保證二者之間連接可靠。張緊螺柱圓柱面 帶有螺紋，與鎖緊螺母相配合。張緊繩穿過叉形接頭和十字軸上相應(yīng)的孔，并與張緊螺柱和 鎖緊螺母共同作用，將叉形接頭和十字軸連接在一起，叉形接頭和十字軸接觸的部分就構(gòu) 成萬向關(guān)節(jié)。通過叉形接頭與十字軸的接觸面以及張緊繩對(duì)萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，并承 受相應(yīng)的作用力。叉形接頭的圓柱部設(shè)置有螺紋，與外界實(shí)現(xiàn)連接。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明提供的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，主要 包括兩個(gè)叉形接頭1和一個(gè)十字軸2。
[0026] 十字軸2和兩個(gè)叉形接頭1通過4根張緊繩3、8個(gè)張緊螺柱4和8個(gè)鎖緊螺母5 連接在一起，如圖1和2所示。每個(gè)叉形接頭1具有兩個(gè)耳片，十字軸2具有呈"十"字布 置的四個(gè)軸頸21。兩個(gè)叉形接頭1通過其四個(gè)耳片連接在十字軸2的四個(gè)軸頸21上，并且 兩個(gè)叉形接頭1分別位于十字軸2的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面。每個(gè)耳片與相應(yīng)的軸頸21通過一 根張緊繩3、兩個(gè)張緊螺柱4和兩個(gè)鎖緊螺母5連接在一起，由此在叉形接頭1與十字軸的 接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)。
[0027] 具體地，如圖3和圖4所示，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，叉形接頭1包括順序 連接的圓柱部11和"幾"形部12。圓柱部11垂直連接在"幾"形部12的橫梁121上。"幾" 形部12的兩個(gè)平行于橫梁121的翼片122構(gòu)成所述兩個(gè)耳片。十字軸2包括軸塊部22 (如 圖4所示，為一矩形塊），四個(gè)軸頸21分別布置在軸塊部22的四個(gè)側(cè)面上。
[0028] 在如圖所示的實(shí)施例中，翼片122為平板結(jié)構(gòu)。軸頸21為半圓柱結(jié)構(gòu)，并且兩對(duì) 軸頸21的半圓面朝向相反的方向。每個(gè)叉形接頭1的兩個(gè)平板122分別連接在一對(duì)軸頸 21的半圓面上。因此，當(dāng)連接到位之后，十字軸部分地容納在兩個(gè)叉形接頭的"幾"形部的 內(nèi)框中，其四個(gè)軸頸分別與兩個(gè)叉形接頭的"幾"形部的平板連接。叉形接頭的圓柱部上可 以設(shè)置螺紋，以與外界實(shí)現(xiàn)連接。
[0029] 結(jié)合圖2a-圖2c所示，每個(gè)耳片（本實(shí)施例中為平板122)上設(shè)置有一個(gè)第一扁 錐孔123 (如圖2b)。該第一扁錐孔123的上段為圓孔，用于與張緊螺柱4相配合；下段具 有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的平面，另一對(duì)內(nèi)表面為相對(duì)稱的錐面。類似 地，每個(gè)軸頸21上設(shè)置有一個(gè)第二扁錐孔211。第二扁錐孔211的上段為圓孔，用于與張緊 螺柱4相配合；下段部分具有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的平面，另一對(duì)內(nèi) 表面為相對(duì)稱的錐面。當(dāng)連接到位時(shí)，張緊繩3的兩端分別穿過第一扁錐孔123和第二扁 錐孔211，并分別與耳片（本實(shí)施例中為平板122)和相應(yīng)的軸頸21上的張緊螺柱4和鎖緊 螺母5共同作用，將耳片（本實(shí)施例中為平板122)和軸頸21連接在一起。叉形接頭1和 十字軸2的接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)，通過叉形接頭1、十字軸2的接觸面和張緊繩3對(duì)萬向節(jié) 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，并承受相應(yīng)的作用力。
[0030] 張緊繩3與兩個(gè)張緊螺柱4的連接為壓接或焊接，保證二者之間的連接可靠。兩 個(gè)張緊螺柱4和對(duì)應(yīng)鎖緊螺母5之間的連接為螺接，根據(jù)萬向節(jié)預(yù)期承受的最大拉力確定 張緊繩3的總張力，以保證張緊繩3的總張力大于可能承受的最大拉力，再根據(jù)單個(gè)張緊繩 3張力F的大小，確定鎖緊螺母5的擰緊力矩M。擰緊力矩M的大小可按下式計(jì)算：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，其特征在于，包括兩個(gè)叉形接 頭（1)和一個(gè)十字軸（2)，其中， 每個(gè)叉形接頭（1)具有兩個(gè)耳片，所述十字軸（2)具有呈"十"字布置的四個(gè)軸頸（21)， 兩個(gè)叉形接頭（1)通過其四個(gè)耳片連接在所述十字軸（2)的四個(gè)軸頸（21)上，并且兩個(gè)叉 形接頭（1)分別位于十字軸（2)的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面； 每個(gè)耳片與相應(yīng)的軸頸（21)通過一根張緊繩（3)、兩個(gè)張緊螺柱（4)和兩個(gè)鎖緊螺母 (5)連接在一起，在所述叉形接頭（1)與所述十字軸的接觸部分構(gòu)成萬向節(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，其特征在 于，所述耳片為平板結(jié)構(gòu)，所述軸頸（21)為半圓柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片與所述軸 頸（21)的半圓面接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，其特征在 于，所述耳片為半圓柱結(jié)構(gòu)，所述軸頸（21)為平板結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片的半圓面 與所述軸頸（21)接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)，其特征在 于，所述耳片和所述軸頸（21)均為半圓柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接到位時(shí)，所述耳片的半圓面與所述 軸頸（21)的半圓面接觸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)， 其特征在于， 所述叉形接頭（1)包括順序連接的圓柱部（11)和"幾"形部（12)，所述圓柱部（11) 垂直連接在所述"幾"形部（12)的橫梁（121)上，所述"幾"形部（12)的兩個(gè)平行于橫梁 (121)的翼片（122)構(gòu)成所述兩個(gè)耳片； 所述十字軸（2)包括軸塊部（22)，四個(gè)軸頸（21)分別布置在所述軸塊部（22)的四個(gè) 側(cè)面上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)， 其特征在于， 每個(gè)耳片上設(shè)置有一個(gè)第一扁錐孔（123)，所述第一扁錐孔（123)的上段為圓孔，用于 與張緊螺柱（4)相配合；下段具有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的平面，另一 對(duì)內(nèi)表面為相對(duì)稱的錐面； 每個(gè)軸頸（21)上設(shè)置有一個(gè)第二扁錐孔（211)，所述第二扁錐孔（211)的上段為圓孔， 用于與張緊螺柱（4)相配合；下段部分具有兩兩相對(duì)的四個(gè)內(nèi)表面，一對(duì)內(nèi)表面為平行的 平面，另一對(duì)內(nèi)表面為相對(duì)稱的錐面； 當(dāng)連接到位時(shí)，所述張緊繩（3)的兩端分別穿過第一扁錐孔（123)和第二扁錐孔 (211)，并分別與所述耳片和相應(yīng)的軸頸（21)上的張緊螺柱（4)和鎖緊螺母（5)共同作用， 將所述耳片和所述軸頸（21)連接在一起。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)， 其特征在于，所述張緊繩（3)的材料為鋼絲繩或超彈性記憶合金絲，并且所述張緊繩（3)的 兩段通過壓接或焊接的方式與其兩側(cè)的張緊螺柱（4)連接在一起。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的適合航天器高精度機(jī)構(gòu)在軌應(yīng)用的柔性萬向節(jié)， 其特征在于，在所述鎖緊螺母（5)與所述叉形接頭（1)的耳片之間以及所述鎖緊螺母（5) 與所述十字軸（2)的軸頸之間設(shè)置有定力彈簧墊片。
【文檔編號(hào)】F16D3/38GK104455057SQ201410602669
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】吳瓊, 楊建中, 羅敏, 滿劍鋒, 徐青華, 劉衛(wèi) 申請(qǐng)人:北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部