一种空间铰链机构

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别是一种空间铰链机构。

背景技术

随着商业航天的不断蓬勃发展，市场对中小型的太阳翼、平板天线等可展开机构的需求日益增多，而空间铰链机构则是航天可展开机构的重要驱动部件之一。空间铰链机构除实现基本展开驱动功能外，还需对其展开同步性、可靠性、结构紧凑性、加工装配难度等进行综合设计分析。

由于空间环境的复杂多变，空间铰链机构也因其工作环境的特殊性，需要保证展开后能够可靠地自锁定。

目前应用于航天设备的铰链机构，普遍存在加工装配难度大、可靠性差、易受到震动或者异物的影响造成卡滞等问题，因此，目前亟需提供一种能够可靠自锁的空间铰链机构。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供了一种空间铰链机构，能够按设计预期平稳运动至完全展开状态，且展开的平面度可调，机构自锁的可靠性高，满足商业航天对铰链机构的应用需求。

本发明提供了一种空间铰链机构，用于驱动可展开机构的展开动作，包括主轴、公铰链、母铰链、恒力弹簧和锁钩；所述公铰链一侧通过调心滚子轴承与所述主轴固定连接，另一侧设有第一延伸板和第二延伸板；所述母铰链一侧与所述主轴可转动连接，另一侧设有第三延伸板和第四延伸板；所述第一延伸板与所述第三延伸板用于受外力后保持压紧状态，所述第二延伸板和所述第四延伸板用于安装可展开机构；所述恒力弹簧第一端固定设置于所述主轴，第二端与所述公铰链连接；所述锁钩一端设置于所述母铰链，另一端作为扣合端用于与所述公铰链扣合；所述公铰链在靠近所述第二延伸板的位置设有供所述锁钩扣合的锁槽；在外力的压紧作用下，所述母铰链与所述主轴能够同时相对于所述公铰链转动，所述第一延伸板与所述第三延伸板保持压紧；当外力失效后，所述恒力弹簧提供扭力，所述公铰链能够通过所述调心滚子轴承绕所述主轴转动，使所述第二延伸板和所述第四延伸板之间相对运动，从而实现所述锁钩滑入所述锁槽后完成自锁。

在一个实施例中，本发明的空间铰链机构还包括锁钩底座和锁钩限位装置；所述母铰链在所述第四延伸板与所述第二延伸板相邻的一面设有锁钩底座，所述锁钩底座在与所述主轴平行的方向上设有安装孔，所述锁钩通过锁钩转轴可转动地与锁钩底座的安装孔连接；所述锁钩靠近所述锁钩转轴的位置设有与所述锁钩转轴方向垂直的贯穿孔；所述锁钩限位装置一端设置于所述锁钩底座，另一端穿过所述贯穿孔设置，用于限制所述锁钩沿所述锁钩转轴转动。

在一个实施例中，所述锁钩限位装置包括与所述锁钩转轴方向垂直设置的导向螺钉、螺母、锁钩弹簧以及弹簧垫片；所述导向螺钉一端设置于所述锁钩底座，另一端依次穿过所述锁钩弹簧、所述弹簧垫片和所述锁钩的贯穿孔，所述螺母从所述导向螺钉的所述另一端旋紧所述导向螺钉，以限制所述锁钩沿所述锁钩转轴转动。

在一个实施例中，所述母铰链在靠近所述锁钩底座的位置设有用于调整所述公铰链和所述母铰链展开平面度的顶紧螺钉，所述公铰链在靠近所述锁槽的位置设有与所述顶紧螺钉抵接的限位杆；所述锁钩与所述锁槽相扣抱紧后，所述限位杆与所述顶紧螺钉相抵接触，以限制所述公铰链和所述母铰链继续相对运动。

在一个实施例中，所述公铰链在靠近所述限位杆的位置设有恒力弹簧连接单元；所述恒力弹簧通过所述恒力弹簧连接单元与所述公铰链连接。

在一个实施例中，所述恒力弹簧连接单元包括支撑杆、锁紧螺母和转轴套；所述支撑杆一端为螺帽结构，另一端依次穿过所述转轴套和所述锁紧螺母后固定设置于所述公铰链的支撑杆孔；所述锁紧螺母用于将所述支撑杆锁紧设置于所述支撑杆孔；所述转轴套可转动地套接于所述支撑杆，所述恒力弹簧第二端通过所述转轴套与所述支撑杆可转动连接。

在上述任意一个实施例中，所述主轴设有弹簧连接孔，所述恒力弹簧第一端设有通孔，通过固定栓将所述弹簧连接孔和所述通孔固定连接，以将所述恒力弹簧第一端固定设置于所述主轴。

在一个实施例中，所述母铰链远离所述第三延伸板和所述第四延伸板的一侧设有第一主轴孔和第二主轴孔；所述母铰链通过所述第一主轴孔和所述第二主轴孔与所述主轴连接；所述第一主轴孔和所述第二主轴孔中至少一个为不规则孔，所述主轴在与不规则孔对应的位置设有轴肩；不规则孔与轴肩配合设置，使所述主轴和所述母铰链同步转动。

在一个实施例中，所述第一主轴孔靠近所述第三延伸板一侧的外壁设有第一顶紧螺钉孔，所述第一顶紧螺钉孔内设有用以调整所述公铰链和所述母铰链展开平面度的第一顶紧螺钉；所述第二主轴孔靠近所述第三延伸板一侧的外壁设有第二顶紧螺钉孔，所述第二顶紧螺钉孔内设有用以调整所述公铰链和所述母铰链展开平面度的第二顶紧螺钉；所述公铰链在靠近所述锁槽的位置设有用于同时与所述第一顶紧螺钉和所述第二顶紧螺钉抵触的限位杆。

在一个实施例中，所述锁槽用于与所述锁钩扣合部分的相对面为圆弧面，以便于所述锁钩顺利滑入所述锁槽。

本发明的空间铰链机构，优化了铰链自锁机构设计，使活动锁钩与运动死点的自锁设计在复杂应用环境下的使用更可靠，同时还提升了铰链展开功能的可靠性，减小了铰链展开时的摩擦力矩。利用恒力弹簧驱动铰链机构的展开，能够在保证力矩裕度的同时又不至于在展开到位时有过大冲击，铰链机构亦能够更加紧凑，优化了铰链机构的布局。

在阅读具体实施方式并且在查看附图之后，本领域的技术人员将认识到另外的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的空间铰链机构的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的空间铰链机构的被压紧收起状态下的结构示意图。

图3是本发明实施例的空间铰链机构的展开后自锁状态下的截面示意图。

图4是本发明实施例的恒力弹簧及恒力弹簧连接单元的结构示意图。

图5是本发明实施例的母铰链的结构示意图。

图6是本发明实施例的公铰链的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

参见图1、图2和图3，本发明提供的一种空间铰链机构用于驱动可展开机构的展开动作。本发明的空间铰链机构至少包括主轴1、公铰链2、母铰链3、恒力弹簧4和锁钩5。公铰链2一侧通过调心滚子轴承6与主轴1固定连接，另一侧设有彼此间隔设置的第一延伸板21和第二延伸板22。母铰链3一侧与主轴1可转动连接，另一侧设有彼此间隔设置的第三延伸板31和第四延伸板32。需要说明的是，第一延伸板21与第二延伸板22基本平行设置，第三延伸板31与第四延伸板32基本平行设置。

其中，第一延伸板21与第三延伸板31用于受外力后保持压紧状态，第二延伸板22和第四延伸板32用于安装可展开机构。也就是说，当第一延伸板21和第三延伸板31受力贴紧时，可展开机构随着第二延伸板22和第四延伸板32同步动作，处于被收起的状态。

恒力弹簧4第一端固定设置于主轴1，第二端与公铰链2连接。需要说明的是，恒力弹簧4靠近第一端的一侧半缠绕地设置于主轴1，以保证在公铰链2相对于主轴1转动时，恒力弹簧4能够被拉伸使弹力增大。

进一步地，锁钩5一端设置于第四延伸板32靠近第二延伸板22的位置，另一端作为扣合端用于与公铰链2扣合。相应地，公铰链在第二延伸板22靠近第四延伸板的位置设有供锁钩5扣合的锁槽23。其中，锁钩5与锁槽23的形状匹配设置，锁钩5与锁槽23被配置为能够在铰链机构展开后完成自锁。

在外力的压紧作用下，母铰链3与主轴1能够同时相对于公铰链2转动，转动到位后，利用外力压紧设备将第一延伸板21与第三延伸板31固定(如图2的状态)，并使其保持压紧，从而可展开机构也被收起。当外力失效后，恒力弹簧4提供扭力驱动公铰链2能够通过调心滚子轴承6绕主轴1转动，使第二延伸板22和第四延伸板32能够绕主轴1的轴线相对运动，同时带动可展开机构逐渐展开，当可展开机构展开到位时，锁钩5能够滑入锁槽23并完成自锁(如图1或者图3的状态)。

本发明的空间铰链机构，简化了铰链的自锁机构设计，提高了铰链自锁机构在复杂应用环境下使用的可靠性，解决了传统铰链锁定操作复杂的问题。本发明的空间铰链机构利用调心滚子轴承替代传统的滑动轴承，铰链展开时的摩擦力矩小，展开功能的可靠性更好。

同时参见图2和图3，在一个实施例中，本发明的空间铰链机构还包括锁钩底座51和锁钩限位装置52。母铰链3在第四延伸板32与第二延伸板22相邻的一面设有锁钩底座51，锁钩底座51在与主轴1平行的方向上设有安装孔，锁钩5通过锁钩转轴53可转动地与锁钩底座51的安装孔连接。锁钩5靠近锁钩转轴53的位置设有与锁钩转轴方向垂直的贯穿孔，以供锁钩限位装置52穿过。具体地，锁钩限位装置52一端设置于锁钩底座51，另一端穿过锁钩5的贯穿孔设置。锁钩限位装置52穿过锁钩5的贯穿孔后将锁钩5固定，用于限制锁钩5沿锁钩转轴53的转动。

需要说明的是，锁钩限位装置52穿过锁钩5的贯穿孔后，能够进行小幅度的转动，用于在与锁槽23扣合前适应锁槽23的坡度变化，以避免锁钩5被锁槽外侧卡住。具体地，可以使锁钩限位装置52与贯穿孔之间预留出一小部分空间，满足锁钩5的小幅度转动即可。

参见图3，进一步地，锁钩限位装置包括与锁钩转轴53方向垂直设置的导向螺钉521、螺母522、锁钩弹簧523以及弹簧垫片524。导向螺钉521一端设置于锁钩底座，另一端依次穿过锁钩弹簧523、弹簧垫片524和锁钩5的贯穿孔，螺母522从导向螺钉521的另一端旋紧导向螺钉521，以限制锁钩5沿锁钩转轴53转动。

通过调整弹簧的长度、弹簧的刚度或者垫片的厚度，可以调整锁钩5与锁槽的接触角度，进而可以保证锁钩5能够顺利地扣到锁槽里。

参见图2，在一个实施例中，母铰链3在靠近锁钩底座51的位置设有用于调整公铰链和母铰链展开平面度的顶紧螺钉7，公铰链在靠近锁槽23的位置设有用于与顶紧螺钉7抵接的限位杆8。当铰链机构展开时，顶紧螺钉7与限位杆8相抵接触后起到反向限位作用，也就是与锁钩和锁槽锁定后起到的限位作用相反。因此，在锁钩5与锁槽23相扣抱紧后，限位杆8与顶紧螺钉7也相抵接触，从而既可以使整个铰链机构完成自锁，又可以限制公铰链和母铰链继续相对运动。

需要说明的是，锁钩与锁槽完成自锁后用于限制第二延伸板和第四延伸板的分离动作，限位杆与顶紧螺钉的相抵接触是用于限制第二延伸板与第四延伸板的展开过度。本发明实施例的空间铰链机构既能够实现公铰链与母铰链的展开后自锁，又能够防止公铰链与母铰链的展开过度。

同时参见图2、图4和图6，在一个实施例中，为了便于恒力弹簧4与公铰链2的连接，可以在公铰链2靠近限位杆8的位置设置恒力弹簧连接单元9。恒力弹簧连接单元9一端固定设置于公铰链2，另一端用于与恒力弹簧4连接，从而实现恒力弹簧4通过恒力弹簧连接单元9与公铰链2连接。

具体地，恒力弹簧连接单元包括支撑杆91、锁紧螺母92和转轴套93。支撑杆91一端设置为螺帽结构，另一端依次穿过转轴套93和锁紧螺母92后固定设置于公铰链的支撑杆孔25。其中，锁紧螺母92用于将支撑杆91另一端锁紧设置于公铰链的支撑杆孔25。转轴套93可转动地套接于支撑杆91，用于与恒力弹簧4第二端连接，从而实现恒力弹簧4与支撑杆91可转动连接。

也就是说，当公铰链相对于母铰链和主轴转动时，支撑杆会随着公铰链同步运动，支撑杆的运动路径大致是沿着主轴外周移动。在支撑杆移动的过程中，为了防止恒力弹簧与支撑杆连接的一端(第二端)极限卷曲，可以利用转轴套将恒力弹簧与支撑杆连接。通过设置转轴套，可以保证在支撑杆移动的过程中，恒力弹簧能够通过转轴套绕支撑杆转动并被拉伸。

继续参见图4，在上述任意一个实施例中，为了便于恒力弹簧与主轴的安装和拆卸，可以在主轴1用于安装恒力弹簧位置的外壁设置弹簧连接孔11，用于供恒力弹簧第一端固定连接。相应地，恒力弹簧第一端设有与弹簧连接孔11匹配的通孔41。本发明的空间铰链机构，可以通过固定栓将弹簧连接孔11和通孔41固定连接，从而将恒力弹簧第一端固定设置于主轴1。

参见图5，在一个实施例中，母铰链远离第三延伸板31和第四延伸板32的一侧设有第一主轴孔33和第二主轴孔34。母铰链通过第一主轴孔33和第二主轴孔34同时与主轴连接。第一主轴孔33和第二主轴孔34中至少一个为不规则孔，主轴在与不规则孔对应的位置外周面上设有轴肩。通过利用不规则孔与轴肩配合设置，能够限制母铰链与主轴的相对运动，使主轴和母铰链实现同步转动。

同时参见图5和图6，在上述实施例中，公铰链远离第一延伸板21和第二延伸板22的一侧设有第三主轴孔24。公铰链通过第三主轴孔24与主轴连接。具体地，主轴一端用于安装恒力弹簧，另一端依次穿过第二主轴孔34第三主轴孔24和第一主轴孔33设置。为了整个铰链机构的稳定性，第三主轴孔24设置于第一主轴孔33和第二主轴孔34之间。

同时参见图2和图5，进一步地，为了增加整个铰链机构的展开可靠性和稳定性，可以同时设置两个顶紧螺钉7。具体地，在一个实施例中，第一主轴孔33靠近第三延伸板31一侧的外壁设有第一顶紧螺钉孔35，第一顶紧螺钉孔35内设有用以调整公铰链和母铰链展开平面度的第一顶紧螺钉。第二主轴孔靠近第三延伸板31一侧的外壁设有第二顶紧螺钉孔36，第二顶紧螺钉孔36内设有用以调整公铰链和母铰链展开平面度的第二顶紧螺钉。

更进一步地，第三延伸板31分别在靠近第一顶紧螺钉孔35的位置和靠近第二顶紧螺钉孔36的位置设有锁钩座孔37，锁钩底座51通过锁钩座孔37与母铰链固定连接。

第三延伸板31还设有用于安装可展开机构的定位孔311。可展开机构的基板可以通过定位孔311与母铰链连接。

参见图6,可以在公铰链靠近锁槽23的位置，设置用于同时与第一顶紧螺钉和第二顶紧螺钉抵触的限位杆9。限位杆9固定设置于公铰链，其两端分别伸出设置。伸出公铰链设置的两端用于在铰链机构展开时与第一顶紧螺钉和第二顶紧螺钉抵接，限制公铰链与母铰链相互展开时的极限位置。

需要说明的是，为保证锁定可靠性，第一顶紧螺钉和第二顶紧螺钉的高度可调。通过调整第一顶紧螺钉和第二顶紧螺钉，可以改善铰链机构展开后的平面度。

进一步地，第一延伸板21还设有用于安装可展开机构的定位孔211。可展开机构的基板可以通过定位孔211与公铰链连接。

在上述实施例中，为了便于锁钩能够顺利与锁槽进行扣合锁定，可以将锁槽用于与锁钩扣合部分的相对面设置为圆弧面，以便于锁钩能够顺利滑入锁槽，减少多余阻力。

以上实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

本发明实施例的一种空间铰链机构，在复杂多变的空间环境里，铰链展开过程平稳自主，能够通过锁钩和锁槽扣合实现可靠的展开后自锁，解决了传统铰链锁定操作过于复杂且难度较大的问题。本发明的铰链机构采用恒力弹簧，在保证力矩裕度的同时又不至于在展开到位时有过大冲击，铰链结构也更加紧凑，优化了铰链机构的布局。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。