專利名稱:Sma絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金(SMA )絲驅(qū)動(dòng)的分瓣螺母連接與解鎖機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù):
很多機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)(如航天器)需要多種連接-分離機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接與解鎖 功能,如多級(jí)運(yùn)載火箭的分離、衛(wèi)星或者宇宙飛船上太陽(yáng)翼的展開(kāi)等等。目 前這種解鎖裝置多為火工品螺栓(又稱爆炸螺栓)。隨著技術(shù)的發(fā)展,尤其 是新一代小型衛(wèi)星的出現(xiàn),火工品所引起的沖擊和污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,解決 這一問(wèn)題的一個(gè)主要焦點(diǎn)集中在應(yīng)用形狀記憶合金(SMA)發(fā)展新型的解鎖 機(jī)構(gòu)。
在利用SMA研制新型連接與解鎖機(jī)構(gòu)上,國(guó)內(nèi)外都有了一定的進(jìn)展, 提出了多種以SMA絲為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案,如美國(guó)Hi Shear科技公司提出的 以SMA柱作為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案,國(guó)內(nèi)提出的"微型大載荷SMA空間同步解 鎖才幾構(gòu)"(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00610011626.8 )。其中"樣吏型大載荷SMA空 間同步解鎖機(jī)構(gòu)"中采用SMA絲作為驅(qū)動(dòng)元件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,由SMA 絲2、彈簧3、分瓣螺母4、螺栓5、 定位環(huán)7 、底座8組成,通過(guò)螺紋固 定在下連接件1上,分瓣螺母4下部通過(guò)螺紋與底座8連接,上部由定位環(huán) 7進(jìn)行周向定位,并通過(guò)螺栓5與上連接件9固定,由此完成相鄰兩個(gè)部件 的連接。分瓣螺母4,如圖1所示,由沿周向均分分布的三部分組成,底部 連接,內(nèi)有膨脹螺釘6,可以通過(guò)膨脹螺釘6調(diào)整分瓣螺母4張開(kāi)的尺寸。 彈簧3下端與底座8接觸,上端與定位環(huán)7接觸,處于壓縮狀態(tài),壓緊定位 環(huán)7,保證定位環(huán)7對(duì)分瓣螺母4的周向定位,使分瓣螺母4在裝配狀態(tài)下 閉合。SMA絲2上端與定位環(huán)7相連,下端固定于底座8上,在彈簧力的作 用下處于張緊狀態(tài)。在通電加熱SMA絲2實(shí)現(xiàn)解鎖功能時(shí),考慮到SMA絲 2的絕緣問(wèn)題,定位環(huán)7為絕緣材料,SMA絲2與底座8的連接采用絕緣材 料機(jī)械止動(dòng)的方式。圖l所示狀態(tài)為鎖緊狀態(tài),當(dāng)需要解鎖時(shí),對(duì)SMA絲2 通電,SMA絲2收縮,帶動(dòng)定位環(huán)7下移,壓縮彈簧3,解除對(duì)分瓣螺母4 的約束,釋放螺栓5,從而完成解鎖。
4"微型大載荷SMA空間同步解鎖機(jī)構(gòu)"雖然具有解鎖載荷大、同步性 好等優(yōu)點(diǎn),但其也具有致命的缺點(diǎn)
(1 )鎖定的主要作用方向是該機(jī)構(gòu)的徑向方向,但在該機(jī)構(gòu)在其解鎖-鎖定過(guò)程中卻沒(méi)有提供沿著該主要作用方向的收緊/放開(kāi),而鎖定裝置只是單 純地沿著軸向移動(dòng)。結(jié)果,分瓣螺母4難以充分分瓣,底部仍連成一體,從 而造成了其解鎖不充分,成功率低,可靠性差。
(2 )機(jī)械壓緊方式容易造成SMA絲損傷,從而造成SMA絲在使用過(guò) 程中斷裂。
(3) SMA絲長(zhǎng)度較短,使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)裕度較小。
(4) SMA絲和導(dǎo)線連接部分在殼體內(nèi)部,不便于操作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的解鎖不徹底的問(wèn)題,提供了 一種解鎖 徹底、成功率高、可靠性高的SMA絲驅(qū)動(dòng)的空間連接與解鎖機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)置有 分瓣螺母,用于與一螺栓螺紋連接,其完全分割成若干瓣,其外側(cè)面上形成 有凸臺(tái);所述分瓣螺母的約束裝置,設(shè)置在所述分瓣螺母外側(cè),其內(nèi)側(cè)面上 形成有可與所述凸臺(tái)相配合的凹槽,在連接狀態(tài)下,所述凸臺(tái)抵靠在所述凹 槽之外的約束部分上,從而維持了對(duì)所述分瓣螺母的徑向約束,在解鎖狀態(tài) 下,所述凸臺(tái)進(jìn)入所述凹槽中, >(人而方文+>對(duì)所述分瓣螺母的徑向約束;所述 約束裝置的驅(qū)動(dòng)裝置,所述驅(qū)動(dòng)裝置包括SMA絲,當(dāng)其受熱收縮時(shí)拉動(dòng)所 述約束裝置軸向向下運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入所述解鎖狀態(tài);復(fù)位彈性元件,設(shè)置在所述 約束裝置下方,當(dāng)所述SMA絲不再受熱時(shí),推動(dòng)所述約束裝置軸向向上復(fù) 位而進(jìn)入所述連接狀態(tài),并4立伸所述SMA絲。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式,所述分瓣螺母的上下兩端分別以錐面與一 端蓋、 一頂塊相配合, 一預(yù)壓縮的分離彈簧設(shè)置在所述頂塊下方,用于驅(qū)動(dòng) 所述頂塊向上頂開(kāi)所述分瓣螺母。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式,所述SMA絲依次繞過(guò)滑輪、絕緣軸承, 兩端緊固于陶瓷支座上,所述滑輪與所述約束裝置固定連接。
優(yōu)選的,所述絕緣軸承是在普通軸承上套有陶瓷外圈。
優(yōu)選的,所述SMA絲與所述陶瓷支座的緊固是通過(guò)采用不銹鋼管套住 SMA絲并壓扁,然后再穿過(guò)其上有直徑大于SMA絲直徑但遠(yuǎn)小于壓扁后的 不銹鋼管的寬度的孔的陶瓷支座來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
優(yōu)選的,所述復(fù)位彈性元件可以為一彈簧。本發(fā)明的技術(shù)解決方案特征包括采用一個(gè)被完全分割成諸如三瓣的分 瓣螺母,在連接狀態(tài)時(shí),分瓣螺母被箍筒緊緊箍著,上下端面均以錐面分別 和端蓋、頂塊配合,形成一個(gè)完整的螺紋副,螺栓;故擰入分瓣螺母中。箍筒 上端和端蓋配合,下端纟皮預(yù)壓縮的復(fù)位彈簧頂緊。預(yù)拉伸的SMA絲繞過(guò)滑 輪、絕緣軸承并將兩端固定于陶瓷支座上。對(duì)SMA絲通電加熱時(shí),SMA絲 受熱收縮,拉動(dòng)箍筒向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)壓縮復(fù)位彈簧,當(dāng)箍筒運(yùn)動(dòng)到一定位置 時(shí),分瓣螺母的凸臺(tái)在分離彈簧的作用下滑入箍筒的凹槽中,破壞了螺紋副, 使螺栓從分瓣螺母中脫出,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分離功能。通電結(jié)束后,溫度降 低,SMA絲的低溫回復(fù)力小于復(fù)位彈簧的推力,在復(fù)位彈簧作用下,箍筒向 上運(yùn)動(dòng),重新拉伸SMA絲,并將分瓣螺母重新合攏,從而實(shí)驗(yàn)了機(jī)構(gòu)的可 重復(fù)作動(dòng)功能。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比,可靠性更高,裕度更大等特點(diǎn),具體表現(xiàn)在 經(jīng)下幾個(gè)方面
(1 )本發(fā)明采用了 一個(gè)被完全分割成為諸如三瓣的分瓣螺母,其解鎖_ 鎖定操作通過(guò)涉及鎖定部分沿著主要鎖定作用方向(徑向方向)的收緊/放開(kāi) 動(dòng)作,使得在分離功能實(shí)現(xiàn)時(shí)分瓣螺母能夠徹底分離,和現(xiàn)有技術(shù)相比,大 大提高了分離的成功率,改善了可靠性。
(2) 本發(fā)明分瓣螺母上下兩端分別以錐面與端蓋、頂塊配合,在箍筒內(nèi) 有凹槽,保證了分瓣螺母的順利分開(kāi)和合攏,提高了分離的可靠性。
(3) 本發(fā)明中頂塊和分離彈簧共同作用,輔助了分瓣螺母的分開(kāi),進(jìn)一 步提高了分離的成功率,從而提高了可靠性。
(4) 本發(fā)明中采用了 SMA絲在絕緣軸承上的拐彎設(shè)計(jì),增加了 SMA 絲在有限空間內(nèi)的長(zhǎng)度同時(shí)并保證絕緣性,這樣大大增加了機(jī)構(gòu)的裕度,從 而增加了解鎖的成功率。
(5 )本發(fā)明中SMA絲的緊固采用不銹鋼管套住SMA絲并壓扁,然后 再穿過(guò)其上有直徑大于SMA絲直徑但遠(yuǎn)小于壓扁后的不銹鋼管的寬度的孔 的陶瓷支座來(lái)緊固,這樣和現(xiàn)有技術(shù)相比SMA絲更不易因機(jī)械損傷而斷裂, 從而提高了使用可靠性。
(6 )本發(fā)明的方案中將SMA絲與導(dǎo)線連接部分放到了殼體外部,極大 地便利了 SMA絲的設(shè)置操作及其與外部電源的連接操作。凹槽凹槽
圖l為"微型大載荷SMA空間同步解鎖機(jī)構(gòu)"結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)的外觀正等測(cè)圖。
圖3為本發(fā)明SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)的外觀右視圖。
6圖4為本發(fā)明SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)的連接狀態(tài)剖視圖。 圖5為本發(fā)明SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu)的釋放狀態(tài)剖視圖。
具體實(shí)施例方式
相關(guān)申請(qǐng)的引用本說(shuō)明書全文引用本申請(qǐng)人于2007年11月12日提交的 中國(guó)專利申請(qǐng)第200710177157.1號(hào)"耐高溫形狀記憶合金絲緊固裝置"。
對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用而言,SMA (形狀記憶合金)材料的"形狀記憶特性" 是指材料在某一較低溫度下被拉伸變形,卸載后其變形不能完全回復(fù),留 有殘余變形。但是只要對(duì)其加熱到某個(gè)較高溫度之上,則殘余變形消失,回 復(fù)到原來(lái)的未被拉伸的形狀,表現(xiàn)為"記憶較低溫度下的形狀",且回復(fù)過(guò) 程中產(chǎn)生很大的回復(fù)力。
工程中通常將SMA絲與彈簧配合組成驅(qū)動(dòng)元件,即通過(guò)一定拉伸變形 的SMA絲與彈簧相互連接,低溫下彈簧力大于SMA絲的低溫屈服力,使 SMA絲保持在被拉伸的狀態(tài),直至彈簧力與SMA絲的屈服力和輸出負(fù)載平 衡;當(dāng)溫度上升時(shí),SMA絲收縮,SMA絲的回復(fù)力克服彈簧力而使彈簧收 縮。當(dāng)溫度再下降時(shí),SMA絲恢復(fù)到與初始的彈簧力平衡的狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn) SMA -彈簧元件的往復(fù)作動(dòng)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一 步說(shuō)明。
以下結(jié)合附圖2、 3、 4"i兌明本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。
如圖4所示,本發(fā)明的分瓣螺母4被箍筒16緊緊箍著,同時(shí)分瓣螺母4 的上下端面分別和端蓋10、頂塊12以錐面15配合,這樣使得分瓣螺母4構(gòu) 成一個(gè)完全的螺母,而且不能上下移動(dòng)。
如圖4所示,分瓣螺母4上有凸臺(tái)19和箍筒16上的凹槽ll相配合,當(dāng) 需要分離時(shí),使箍筒16向下運(yùn)動(dòng),分瓣螺母4的凸臺(tái)19便會(huì)掉進(jìn)箍筒16 的凹槽11中,使得分瓣螺母4能沿著徑向松開(kāi),從而達(dá)到如圖5所示的狀態(tài)。 另外,由于凹槽11和分瓣螺母4上凸臺(tái)的斜面的相互配合,使得在停止通電 加熱后,在復(fù)位彈簧3的作用下,箍筒16能向上運(yùn)動(dòng),從而使分瓣螺母4 能再次合攏,回復(fù)到如圖4所示的狀態(tài),形成一個(gè)完整的螺母,從而完成機(jī) 構(gòu)的重復(fù)使用功能。
如圖和5所示,分瓣螺母4與頂塊12以錐面15配合;在分離過(guò)程中, 分瓣螺母4的凸臺(tái)19掉進(jìn)箍筒16的凹槽11中時(shí),頂塊12會(huì)在預(yù)壓縮的分 離彈簧13的作用下,通過(guò)錐面15促使分瓣螺母4掉入箍筒16的凹槽11中, 有助于保證和加速分瓣螺母4的分離。
分離彈簧13的彈簧力應(yīng)顯著地小于復(fù)位彈簧3的彈簧力。如圖4所示,SMA絲依次繞過(guò)滑輪14和絕緣軸承18,再緊固于陶瓷支 座17上,而陶瓷支座17被設(shè)在殼體之外。這樣在有限的空間內(nèi)將SMA絲 的長(zhǎng)度增加了一倍左右,同時(shí)將SMA絲和導(dǎo)線的連接接頭從殼體內(nèi)部移到 了殼體外側(cè)壁,有利于和外部電源的連接操作。另外,絕緣軸承18是通過(guò)在 普通軸承上套陶資外圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
如圖3所示,在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,SMA絲2在陶瓷支座17 上的緊固是通過(guò)采用不銹鋼管套住SMA絲2并壓扁,然后再穿過(guò)其上有直 徑大于SMA絲2直徑但遠(yuǎn)小于壓扁后的不銹鋼管的寬度的孔的陶瓷支座17 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中,SMA絲2在陶瓷支座17上的緊固是通過(guò) 采用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)的,如螺絲固定法。 本發(fā)明的工作過(guò)程如下
如圖4所示的是機(jī)構(gòu)連接狀態(tài),此時(shí)分瓣螺母4被箍筒16緊緊箍著,分 瓣螺母4上下端面均以錐面分別和端蓋10、頂塊12配合,形成一個(gè)完整的 螺紋副,螺栓5被擰入分瓣螺母4中。箍筒16上端和端蓋IO配合,下端被 預(yù)壓縮的復(fù)位彈簧3頂緊。預(yù)拉伸的SMA絲2繞過(guò)滑輪14、絕緣軸承18 并將兩端固定于陶瓷支座17上。對(duì)SMA絲2通電加熱時(shí),SMA絲2受熱 收縮,拉動(dòng)箍筒16向下運(yùn)動(dòng),同時(shí)壓縮復(fù)位彈簧3,當(dāng)箍筒16運(yùn)動(dòng)到一定 位置時(shí),分瓣螺母4上的凸臺(tái)19在分離彈簧3的作用下滑入箍筒16的凹槽 11中,破壞了螺紋副,使螺栓5從分瓣螺母4中脫出,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分離 功能。通電結(jié)束后,溫度降低,SMA絲2的低溫回復(fù)力小于復(fù)位彈簧3的推 力,在復(fù)位彈簧3作用下,箍筒16向上運(yùn)動(dòng),重新拉伸SMA絲2,并將分 瓣螺母4重新合攏,從而實(shí)驗(yàn)了機(jī)構(gòu)的可重復(fù)作動(dòng)功能。應(yīng)該理解的是,分 瓣螺母4分開(kāi)之后的重新合攏的功能并不是本發(fā)明的方案的基本功能,因?yàn)?屬于本發(fā)明范圍的一次性使用的可解鎖連接裝置并不要求再連接功能。當(dāng)然, 可重復(fù)的連接/解鎖雖然是本發(fā)明的一種更優(yōu)選的方案的特征,但它并不是本 發(fā)明的必要特征。
另外,可以理解,復(fù)位彈簧3、分離彈簧13均是用于提供彈性回復(fù)力的 彈性元件,當(dāng)然也可采用公知的其它彈性元件來(lái)代替。
權(quán)利要求
1、一種SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于包括分成若干瓣的分瓣螺母(4),其內(nèi)側(cè)設(shè)有用于與一螺栓(5)連接的螺紋,其外側(cè)面上形成有凸臺(tái)(19);設(shè)在所述分瓣螺母(4)的外側(cè)的約束裝置(16),其內(nèi)側(cè)面上形成有可與所述凸臺(tái)(19)相配合的凹槽(11),在連接狀態(tài)下所述凸臺(tái)(19)抵靠在所述約束裝置(16)在所述凹槽(11)之外的部分上,從而構(gòu)成了使所述分瓣螺母(4)保持合攏的徑向約束,在解鎖狀態(tài)下所述凸臺(tái)(19)進(jìn)入所述凹槽(11)中,從而放松對(duì)所述分瓣螺母(4)的徑向約束;SMA絲-復(fù)位彈簧驅(qū)動(dòng)裝置(2,3),當(dāng)SMA絲(2)通電收縮時(shí),SMA絲的收縮力克服復(fù)位彈簧(3)的回復(fù)彈性力而拉動(dòng)所述約束裝置(16)沿軸向運(yùn)動(dòng),從而使所述凸臺(tái)(19)進(jìn)入凹槽(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于,所述分瓣螺母(4 )的上端以錐面與一個(gè)端蓋(10 )相配合,所述分瓣螺母(4 )的下端以錐面與一個(gè)頂塊(12)相配合, 一個(gè)預(yù)壓縮的分離彈簧(13)被設(shè)置在所述頂塊(12)下方,該分離彈簧(13)的一端作用在所述頂塊(12)上且其另一端作用在所述約束裝置(16)上,用于當(dāng)所述約束裝置(16)在SMA絲驅(qū)動(dòng)裝置(2)的拉動(dòng)下位移時(shí)驅(qū)動(dòng)所述頂塊(12)向上頂住所述分瓣螺母(4),其中所述頂塊(12)和所述端蓋(10)與所述分瓣螺母(4)之間的所述錐面的傾斜方向適合于促使所述分瓣螺母(4)的分開(kāi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于,所述SMA絲(2)依次繞過(guò)滑輪(14)和絕緣軸承(18),其兩端緊固連接于陶瓷支座(17)上,所述滑輪(14)與所述約束裝置(16)固定連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于,所述絕緣軸承(18)是在普通軸承上套有陶資外圏。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于,所述SMA絲(2)與所述陶瓷支座(17)的緊固連接是通過(guò)采用不銹鋼管套住SMA絲(2)并所述套管壓扁,然后再穿過(guò)其上有直徑大于SMA絲(2)直徑但遠(yuǎn)小于壓扁后的不銹鋼套管的寬度的孔的陶瓷支座(17)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于所述復(fù)位彈簧(3)被置于被壓縮狀態(tài)且其回復(fù)彈性力作用于所述約束裝置(16)上,當(dāng)SMA絲(2)的通電停止時(shí),所述復(fù)位彈簧(3)的回復(fù)彈性力克服所述SMA絲(2)的拉力而驅(qū)動(dòng)所述約束裝置(16)運(yùn)動(dòng),從而使所述凸臺(tái)(19)脫離所述凹槽(11)而重新抵靠在所述約束裝置(16)在所述凹槽(11)之外的部分上,從而使所述分瓣螺母(4)重新合攏。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其特征在于所述凸臺(tái)(19)和所述凹槽(11 )具有相互配合的導(dǎo)入/導(dǎo)出斜面,用于便利所述凸臺(tái)(19)進(jìn)入/脫離所述凹槽(11)。
全文摘要
一種SMA絲驅(qū)動(dòng)的連接與解鎖機(jī)構(gòu),其設(shè)置有分瓣螺母,用于與一螺栓螺紋連接,其完全分割成若干瓣,其外側(cè)面上形成有凸臺(tái);分瓣螺母的約束裝置,設(shè)置在分瓣螺母外側(cè),其內(nèi)側(cè)面上形成有可與凸臺(tái)相配合的凹槽,在連接狀態(tài)下,凸臺(tái)抵靠在凹槽之外的約束裝置部分上,從而維持了對(duì)分瓣螺母的徑向約束,在解鎖狀態(tài)下,凸臺(tái)進(jìn)入凹槽中,從而放松對(duì)分瓣螺母的徑向約束;約束裝置的驅(qū)動(dòng)裝置,包括SMA絲,當(dāng)其受熱收縮時(shí)拉動(dòng)約束裝置軸向向下運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入解鎖狀態(tài),復(fù)位彈簧,設(shè)置在約束裝置下方。在一種可選方案中,當(dāng)SMA絲不再受熱時(shí),推動(dòng)約束裝置軸向向上復(fù)位而重新進(jìn)入連接狀態(tài)。所述連接與解鎖機(jī)構(gòu)解鎖徹底、成功率高、可靠性高。
文檔編號(hào)B64G1/64GK101665156SQ200810119580
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者張小勇, 徐青華, 楊巧龍, 濮海玲, 趙堅(jiān)城, 閆曉軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué);北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部