CN113983144A - 一种基于sma丝及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于SMA丝及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，该机构包括1对角接触球轴承、SMA丝、螺旋转子环、螺旋静子环、推力滚针轴承、轴承座、轴承内环端盖、轴承外环端盖、衬套、波纹弹簧片。其中，螺旋转子环、螺旋静子环放置在球轴承外环之间，SMA丝两端连接在两螺旋环外表面，用于驱动螺旋转子环旋转。机构装配时，由于螺旋接触面的自锁特性，该机构可以保持轴系装配阶段的大预载；机构变载时，SMA丝驱动螺旋转子环，使其和螺旋静子环配合后的整体轴向长度发生改变，从而为轴系回转提供合适的预载。本发明所设计的空间轴系变预载机构简单紧凑，可多相变载、便于加工及地面测试，满足航天轴系对于轻质、高效驱动机构的相关技术要求。

Description

一种基于SMA丝及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构
技术领域
本发明涉及轴系预载调节机构的技术领域，特别涉及一种多相预载调节的空间轴系变预载机构。
背景技术
空间轴系是太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺、空间操控机械臂等伺服转动类宇航产品的重要组成部分，这类空间机电产品在发射时需要轴系具有较高的刚度，来抵抗发射过程中的振动和冲击；而发射入轨后，为了保证产品的回转精度和寿命，又希望轴系具有较小的摩擦阻力矩和波动量，来实现高精度的伺服控制。现有的技术手段是通过对空间轴系施加预载，使其有足够的刚度能够抵抗火箭发射时产生的动态载荷，而航天器入轨后却没有相应的技术手段来解除该预载，这就导致了空间轴系在轨工作时摩擦阻力过大，导致温升加剧，对使用寿命和回转精度都造成了严重影响。
基于液压、电磁、压电等驱动原理，国内外已经开发了多个轴系变预载机构，这些机构往往具有较为庞大的附属***，由于空间环境的特殊性，此类变预载机构在航天器中的应用严重受限。近年来，针对空间使用环境下轴系的变预载需求，欧洲空间摩擦学实验室开发了双稳态梁主动变预载机构，法国ADR公司研制了SMA柱阵列变预载机构，这两种方案具有可靠性高、驱动精度好等优点，但双稳态梁主动变预载机构结构复杂，加工难度大、只能实现高低两相预载调节，而SMA柱阵列变预载机构响应速度慢、同步性差、且SMA柱的加工工艺复杂，进行地面测试的成本较高，此外该方案同样只能实现高低两相预载调节。
发明内容
本发明主要解决现有技术中所存在的尺寸过大、结构复杂、加工难度大、变载能力有限、不便于地面测试等问题，针对空间轴系使用要求，提供一种的结构形式简单紧凑、可多相变载、便于加工及地面测试的空间轴系变预载机构。
本发明采用的技术方案为：一种基于SMA丝及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，具体包括：角接触球轴承、SMA丝、螺旋转子环、螺旋静子环、推力滚针轴承、轴承座、轴承内环端盖、轴承外环端盖、衬套、波纹弹簧片。
其中，角接触球轴承为1对，其内环部分是转动部件，与轴承内环端盖伸出的轴肩段配合，轴承内环端盖连接伺服电机，进而带动角接触球轴承内环在设定转速下旋转；两个角接触球轴承之间设有衬套，共同形成传力回路；角接触球轴承的外环部分是静止部件，支撑在轴承座上。螺旋转子环、螺旋静子环以及推力滚针轴承放置在角接触球轴承外环之间。SMA丝两端分别连接在螺旋转子环和螺旋静子环外表面，用于驱动螺旋转子环旋转。波纹弹簧片放置在角接触球轴承外环端面和轴承外环端盖之间，用于压紧角接触球轴承外环。
机构装配时，通过拧紧轴承内环端盖间的连接螺钉，对角接触球轴承内环施加轴向载荷，载荷经由滚动体传递到角接触球轴承外环上，使得轴承游隙被消除，此时轴系预载处于较高水平，从而可以抵抗航天器发射阶段的瞬态载荷。
机构变载时，对SMA丝通电加热，使其受热发生相变而收缩，驱动螺旋转子环旋转，使得螺旋转子环和螺旋静子环配合后的整体轴向长度发生改变，从而调节了轴系的预载水平。
需要复位时，将两根长螺钉穿过轴承座外表面的方孔，拧入螺旋转子环和螺旋静子环上的复位螺纹孔，反向旋动螺旋转子环，使得角接触球轴承外环被顶紧，提高了轴承预载荷，机构恢复到初始装配时的状态。
进一步地，所述1对角接触球轴承为背靠背安装，保证轴系既能够承受径向载荷，也能够承受轴向载荷。
进一步地，所述1对角接触球轴承的外环与轴承座为小间隙配合，保证轴承变预载时轴承外环可以在轴向发生位移。
进一步地，所述SMA丝可以通过控制通电电流以及通电时间来控制其相变程度，使得螺旋转子环转动特定的角度，从而实现机构在多个稳定的预载状态之间切换，即实现多相变载。
进一步地，所述螺旋转子环和螺旋静子环均为类环形结构，一侧轴向端面为螺旋面，另一侧轴向端面为平面，二者的螺旋面相互配合，在轴向载荷的作用下，由于相互接触的螺旋面具有摩擦自锁特性，二者配合后可以保持整体轴向长度不变，维持较高的轴系预载。
进一步地，所述螺旋转子环在SMA提供的周向驱动力的作用下，克服摩擦阻力发生转动，使得螺旋转子环和螺旋静子环配合后的整体轴向长度发生改变，从而实现预载调节。
进一步地，所述螺旋转子环和螺旋静子环上设有SMA丝安装槽，用于SMA丝的固定，SMA丝通电收缩时产生的驱动力通过安装槽端面施加给螺旋转子环。
进一步地，所述轴承座上开有方孔，用于引出SMA丝(2)的供电导线以及机构复位。
进一步地，所述轴承内环端盖连接伺服电机，进而带动角接触球轴承内环旋转。
进一步地，所述螺旋转子环和螺旋静子环上设有复位螺纹孔，机构复位时，长螺钉穿过轴承座上的方孔拧入复位螺纹孔，当通过长螺钉对螺旋转子环施加复位力矩时，螺旋转子环发生旋动，进而使得角接触球轴承外环被顶紧，轴承的预载荷增大，这一设计使得复位操作不需要对轴系预载调节机构本身进行拆装，提高了地面测试的效率。
本发明与现有的轴系变预载技术相比，具有结构简单紧凑、可多相变载、便于加工及地面测试、轻质高效等优点，具体表现在一下几个方面：
(1)本发明采用SMA丝作为驱动元件，其能量密度大，驱动能力强，不需要额外设计附属***；螺旋转子环和螺旋静子环放置在两个轴承外环之间，保证了轴系结构的紧凑性。
(2)本发明所设计的变预载机构具有多相变载的能力，通过控制SMA的加热电流以及加热时间，可以控制SMA相变发生的程度，使螺旋转子环旋转不同的角度，实现不同的多相变预载效果。
(3)本发明所设计的变预载机构各零部件结构简单，便于加工或改型设计；在地面测试阶段，可通过将螺旋转子环反向旋转实现机构复位，节省了实验成本。
(4)本发明所设计的变预载机构对原有轴向刚度影响小，附加质量小，不添加额外的传动部件，满足航天机构对于轻质高效驱动技术的要求。
附图说明
图1为本发明总体示意图；
图2为本发明总体剖视图；
图3为本发明螺旋环结构示意图；
图4为本发明SMA丝、螺旋环以及平面滚针的安装示意图；
图5为本发明轴承内环端盖的结构示意图。
附图标号说明：1.角接触球轴承；2.SMA丝；3.螺旋转子环；4.螺旋静子环；5.推力滚针轴承；6.轴承座；7.轴承内环端盖；8.轴承外环端盖；9.衬套；10.波纹弹簧片；701.第一轴承内环端盖；702.第二轴承内环端盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图1、2所示，本发明提供了一种基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其包括：1对角接触球轴承1、SMA丝2、螺旋转子环3、螺旋静子环4、平面滚针5、轴承座6、轴承内环端盖7、轴承外环端盖8、衬套9、波纹弹簧片10。
其中，背靠背安装的两个角接触球轴承1，其内环部分支撑在轴承内环端盖7伸出轴肩段上，通过轴承内环端盖7连接伺服电机的方式带动内环在设定转速下旋转；内环位于内侧的轴向端面和衬套9接触，形成传力回路；角接触球轴承1外环部分是静止部件，支撑在轴承座上。螺旋转子环3、螺旋静子环4以及推力滚针轴承5放置在角接触球轴承1外环之间。SMA丝2两端分别连接在螺旋转子环3和螺旋静子环4外表面，用于驱动螺旋转子环3旋转。波纹弹簧片10放置在角接触球轴承1外环端面和轴承外环端盖8之间，用于压紧角接触球轴承1外环。轴承座6外表面开有两个方孔，用于引出SMA丝2的供电导线以及机构复位。
本发明螺旋转子环3和螺旋静子环4的结构如图3所示，其均为类环形结构，一侧轴向端面为平面、一侧轴向端面为螺旋面，两者的螺旋面相互配合，螺旋转子环3和螺旋静子环4均设有SMA丝安装槽、复位螺纹孔，分别用于SMA丝2的安装以及机构复位，螺旋静子环4上还设有定位凸肩，使螺旋转子环3在转动过程中不发生径向位移。
本发明SMA丝2、螺旋转子环3、螺旋静子环4以及推力滚针轴承5的装配关系如图4所示，SMA丝2的两端分别通过螺旋转子环3和螺旋静子环4上端的SMA丝安装槽进行固定，在轴向载荷的作用下，螺旋转子环3的平面端和推力滚针轴承5相互压紧，推力滚针轴承5的使用减小了螺旋转子环3旋转时的摩擦阻力。
本发明轴承内环端盖7的结构如图5所示，其分为第一轴承内环端盖701和第二轴承内环端盖702，第一轴承内环端盖701为阶梯式空心圆筒结构，其凸肩段与角接触球轴承1内环互相配合，其凸肩段的轴向端面设有6个通孔，用于连接螺钉的安装，进而对轴承施加预载荷，其盖板段的轴向端面沿周向均匀设置6个螺纹孔，用于连接外部动力源；第二轴承内环端盖702为空心圆筒结构，其凸肩段较长，与角接触球轴承1内环和衬套9相互配合，其凸肩段的轴向端面设有6个螺纹孔，用于安装连接螺钉，其盖板段的轴向端面分布也设有6个螺纹孔，用于连接外部动力源。
本发明的工作过程如下：
机构装配时，通过拧紧轴承内环端盖7间的连接螺钉，对角接触球轴承1内环施加轴向载荷，载荷经由滚动体传递到角接触球轴承1外环上，使得轴承游隙被消除。机构变载时，对SMA丝2通电加热，使其受热发生相变而收缩，驱动螺旋转子环3旋转，使得螺旋转子环3和螺旋静子环4配合后的整体轴向长度发生改变。需要复位时，将两根长螺钉穿过轴承座6外表面的方孔，拧入螺旋转子环3和螺旋静子环4上的复位螺纹孔，反向旋动螺旋转子环3，使得角接触球轴承1外环被顶紧。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
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。

Claims (9)

1.一种基于SMA丝及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，包括：角接触球轴承(1)、SMA丝(2)、螺旋转子环(3)、螺旋静子环(4)、推力滚针轴承(5)、轴承座(6)、轴承内环端盖(7)、轴承外环端盖(8)、衬套(9)、波纹弹簧片(10)；
所述角接触球轴承(1)为1对，背靠背安装；其内环部分是转动部件，与轴承内环端盖(7)伸出的轴肩段配合，两个角接触球轴承(1)的内环之间设有衬套(9)，形成传力回路；外环部分是静止部件，支撑在轴承座(6)上；
所述螺旋转子环(3)、螺旋静子环(4)以及推力滚针轴承(5)放置在两个角接触球轴承(1)的外环之间；
所述SMA丝(2)两端分别连接在螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)的外表面，用于驱动螺旋转子环(3)旋转；
所述波纹弹簧片(10)放置在角接触球轴承(1)外环端面和轴承外环端盖(8)之间，用于压紧角接触球轴承(1)外环；
机构装配时，通过拧紧轴承内环端盖(7)间的连接螺钉，对角接触球轴承(1)内环施加轴向载荷，载荷经由滚动体传递到角接触球轴承(1)外环上，使得轴承游隙被消除；机构变载时，对SMA丝(2)通电加热，使其受热发生相变而收缩，驱动螺旋转子环(3)旋转，使得螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)配合后的整体轴向长度发生改变。
2.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述1对角接触球轴承(1)的外环与轴承座(6)为小间隙配合。
3.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述SMA丝(2)可以通过控制通电电流以及通电时间来控制其相变程度，使得螺旋转子环(3)转动特定的角度，进而实现多相变载。
4.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)均为类环形结构，一侧轴向端面为螺旋面，另一侧轴向端面为平面，二者的螺旋面相互配合，并利用摩擦自锁特性保持整体轴向长度不变。
5.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)上设有SMA丝(2)安装槽，SMA丝(2)通电收缩时产生的驱动力通过安装槽端面施加给螺旋转子环(3)。
6.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述螺旋转子环(3)在SMA丝(2)提供的周向驱动力的作用下，克服摩擦阻力发生转动，使得螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)配合后的整体轴向长度发生改变。
7.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述轴承座(6)上开有方孔，用于引出SMA丝(2)的供电导线以及机构复位。
8.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述轴承内环端盖(7)连接伺服电机，进而带动角接触球轴承(1)内环旋转。
9.根据权利要求1所述的基于SMA及螺旋摩擦副的空间轴系变预载机构，其特征在于，所述螺旋转子环(3)和螺旋静子环(4)上设有复位螺纹孔；需要机构复位时，长螺钉经轴承座(6)上的方孔拧入复位螺纹孔，反向旋动螺旋转子环(3)，使得角接触球轴承(1)外环被顶紧，轴承的预载荷增大。
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