CN103277403B - 一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节 - Google Patents

Abstract

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球关节，属于机械结构技术领域。柔性球关节包括两个球面体、张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母。两个球面体为球体的一部分，球面体上开有圆孔和槽，张紧绳从圆孔中穿过。两个球面体通过张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母连接，二者接触面为球面。通过两个球面体的接触面和张紧绳对球关节的运动进行约束，并承受相应的作用力。张紧绳与张紧螺柱保证二者之间的可靠连接。张紧螺柱和对应锁紧螺母之间的连接为螺接，根据球关节预期承受的拉力确定张紧绳的张力，再由张紧绳的张力大小，确定锁紧螺母的拧紧力矩。两个球面体的接触部分构成球关节，二者之间可以实现三自由度、无间隙的高精度运动。

Description

一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节

技术领域

发明涉及一种柔性球关节，具体涉及一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，属于机械结构技术领域。

背景技术

球关节一般指关节轴承，它由内圈和外圈组成，内圈外表面和外圈内表面为配合球面，实现相互连接的两个物体之间的三自由度相对运动。由于关节轴承的内圈和外圈之间存在间隙，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三自由度相对运动，以满足高精度机构的微小、高精度运动。该方法虽然解决了由关节轴承间隙带来的运动误差，但关节的结构形式复杂，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

有鉴于此，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球关节，结构简单，精度高，加工方便，能适应航天器机构在轨应用。

本发明的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节包括两个球面体、张紧绳，张紧螺柱和锁紧螺母，两个球面体通过张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母连接，两个球面体为球体被截面截取的一部分，二者的接触面为球面，接触部分构成球关节，通过两个球面体的接触面和张紧绳对球关节的运动空间进行约束，并承受相应的作用力。

球面体的尺寸由安装空间及所承受的载荷确定，球面体上加工过垂直于截面且过截面圆心的圆孔，圆孔用于安装张紧绳。

张紧绳大小由张紧绳和张紧螺柱的径向尺寸确定，球面体的截面上加工以圆孔为中心的槽，槽用于安装锁紧螺母。

球面体的接触部分涂覆二硫化钼或润滑材料。

张紧绳采用钢丝绳或超弹性记忆合金丝，张紧绳两端通过压接或焊接与张紧螺柱实现固定连接，张紧绳一端的张紧螺柱和锁紧螺母加工成一体，仅由另一端的张紧螺柱和锁紧螺母调整张紧绳的张力。

张紧绳安装后通过锁紧螺母施加预定的拧紧力矩，从而使张紧绳承受一定的预紧力，预紧力矩的大小应保证在最大预期拉力作用下，球面体和球面体之间不出现间隙。

进一步的，本发明还包括一个弹簧垫片，弹簧垫片安装在锁紧螺母和球面体上槽的底面之间。

此外，两个球面体中其中一个的球面由平面代替。

有益效果：通过张紧绳使两个球面体压紧，实现三维运动的同时，消除了球关节的间隙。由球面体承受关节所受的压力，由张紧绳承受关节所受的拉力。如果关节所承受的拉力很小，那么张紧绳的张力就可以很小，这几乎完全可以消除驱动球关节所需的额外的力矩。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，该球关节特别适合高精度、微小位移机构的在轨使用。

附图说明

图1是本发明的纵剖面构造示意图；

图2是本发明带有定力弹簧垫片的示意图；

图3是本发明另外一种结构示意图。

其中，1-上球面体，2-下球面体、3-张紧绳、4-张紧螺柱、5-锁紧螺母、6、7-圆孔、8、9-槽、10-定力弹簧垫片。

具体实施方式

如图1所示，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球关节，本发明主要包括上球面体1、下球面体2、张紧绳3、张紧螺柱4和锁紧螺母5。球面体1和球面体2为球体的一部分，上球面体1上开有圆孔7和槽8，球面体2上开有圆孔6和槽9，张紧绳3穿过圆孔6和圆孔7。球面体1和球面体2通过张紧绳3、张紧螺柱4和锁紧螺母5连接，球面体1和球面体2接触部分的球面构成球关节。通过上球面体1、下球面体2的接触球面和张紧绳3对球关节的运动进行约束，并承受相应的作用力。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，根据球关节预期承受的拉力确定张紧绳3的张力F，保证张紧绳3的张力F大于拉力，再根据张紧绳3的张力F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：

$M=[\frac{2(R^3-r^3)\mathrm{\μ}}{3(R^2-r^2)}+\frac{d_0\mathrm{tg}(\mathrm{\λ}+\mathrm{\ρ})}{2}]F$

式中R为锁紧螺母5支撑面的外圆半径，r为锁紧螺母5支撑面的内圆半径，μ为锁紧螺母5与球面体支承面之间的摩擦系数，d₀为张紧螺柱4和锁紧螺母5的螺纹中径，λ为张紧螺柱4和锁紧螺母5的螺纹升角，ρ为张紧螺柱4和锁紧螺母5连接副的当量摩擦角。工程中，也可以用下式估算拧紧力矩M的大小：

M＝KdF

其中K为当量拧紧力矩系数，d为张紧螺柱4的公称直径。

所述上球面体1和下球面体2的尺寸可由球关节安装空间及所需的承载情况确定。圆孔6和圆孔7的直径由张紧绳3和张紧螺柱4的径向尺寸确定，并尽可能小。槽8和槽9的尺寸要满足锁紧螺母4的安装操作空间要求，同时槽8和槽9的侧面还可以用于与外界连接。

所述球面体1和球面体2要通过热处理工艺得到足够的硬度要求，并在球面体1和球面体2的接触部分涂覆二硫化钼或其它润滑材料，避免球面体1和球面体2之间出现冷焊。

所述柔性球关节的张紧绳3可以采用钢丝绳、超弹性记忆合金丝等材料。为保证张紧绳3中的张力不会因为球关节的运动而变化，在锁紧螺母5和球面体1、球面体2之间，还可垫定力弹簧垫片10，如图2所示。在一定的变形范围内，定力弹簧垫片10的弹力值基本保持不变，从而保证张紧绳3中的张力保持恒定，便于球关节的运动控制

所述柔性球关节中位于一端的张紧螺柱4和锁紧螺母5也可以做成一体，仅由另一端的张紧螺柱4和锁紧螺母5调整张紧绳的张力。

所述柔性球关节中上球面体2的球面可以用平面替代，并根据球关节强度、刚度要求，对球面体的侧面进行相应的加工，如图3所示。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于，包括：两个球面体、张紧绳，张紧螺柱和锁紧螺母，两个球面体通过张紧绳、张紧螺柱和锁紧螺母连接，两个球面体为球体被截面截取的一部分，二者的接触面为球面，接触部分构成球关节，通过两个球面体的接触面和张紧绳对球关节的运动空间进行约束，并承受相应的作用力。

2.如权利要求1所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述球面体的尺寸由安装空间及所承受的载荷确定，球面体上加工过垂直于截面且过截面圆心的圆孔。

3.如权利要求1或2所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述张紧绳大小由张紧绳和张紧螺柱的径向尺寸确定，球面体的截面上加工以圆孔为中心的槽。

4.如权利要求3所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述球面体的接触部分涂覆二硫化钼或其他的润滑材料。

5.如权利要求4所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述张紧绳采用钢丝绳或超弹性记忆合金丝，张紧绳两端通过压接或焊接与张紧螺柱实现固定连接，张紧绳一端的张紧螺柱和锁紧螺母加工成一体，仅由另一端的张紧螺柱和锁紧螺母调整张紧绳的张力。

6.如权利要求5所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述张紧绳安装后通过锁紧螺母施加预定的拧紧力矩，从而使张紧绳承受一定的预紧力，预紧力矩的大小应保证在最大预期拉力作用下，球面体和球面体之间不出现间隙。

7.如权利要求6所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于还包括弹簧垫片，所述弹簧垫片安装在锁紧螺母和球面体上槽的底面之间。

8.如权利要求7所述的适合航天器高精度机构在轨应用的柔性球关节，其特征在于所述两个球面体中其中一个的球面由平面代替。