彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊及減小沖擊方法

郭宏偉，李長洲，史文華，劉榮強，鄧宗全，李忠杰

(1．機器人系統(tǒng)及技術(shù)國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150001哈爾濱; 2．中國空間技術(shù)研究院，100094北京)

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彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊及減小沖擊方法

郭宏偉1，李長洲1，史文華2，劉榮強1，鄧宗全1，李忠杰1

(1．機器人系統(tǒng)及技術(shù)國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150001哈爾濱; 2．中國空間技術(shù)研究院，100094北京)

摘要:為減小空間可展開機構(gòu)中彈簧展開鉸鏈應(yīng)用時易產(chǎn)生的沖擊，通過拉格朗日方程與赫茲方程，提出鉸鏈展開末端的沖擊加速度和沖擊力矩的計算方法，分析影響沖擊力矩大小的主要因素，首次從組合機構(gòu)的角度，提出間歇性運動機構(gòu)和耗能型機構(gòu)兩種降低彈簧展開鉸鏈展開末端沖擊的設(shè)計方案，從能量的角度討論兩種機構(gòu)減小鉸鏈沖擊方法的作用效果．對兩種降低鉸鏈沖擊的機構(gòu)進行三維建模，并對模型進行仿真驗證．仿真結(jié)果表明:間歇性運動機構(gòu)和耗能型機構(gòu)分別可以使沖擊力矩減少約90%和31%．研制兩種低沖擊鉸鏈機構(gòu)樣機，并進行試驗和測試，沖擊加速度測量結(jié)果表明，間歇性運動機構(gòu)和耗能型機構(gòu)可以分別使鉸鏈展開末端沖擊速度降低約95%和40%．

關(guān)鍵詞:彈簧展開鉸鏈;降低鎖定沖擊;間歇性運動機構(gòu);減速方法

展開鉸鏈是連接很多空間折展機構(gòu)的重要部件，展開鉸鏈由于同時具備可動連接、展開、鎖定功能，已被廣泛應(yīng)用于太陽翼、大型天線、大型空間支撐臂、可展桁架等航天領(lǐng)域．目前，展開鉸鏈主要分為儲能型、形狀記憶材料型和動力展開型，其中由渦卷彈簧驅(qū)動的儲能型展開鉸鏈因儲能元件質(zhì)量輕、可靠性高而被大量應(yīng)用．為了確保展開鉸鏈能夠可靠展開并鎖定，渦卷彈簧的力矩裕度要＞1，在這一條件下，鉸鏈展開末端容易產(chǎn)生很大的沖擊振動，振動在太空微重力環(huán)境下持續(xù)很久，可能會危及相關(guān)設(shè)備的正常工作，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)失效．

在無減速部件展開鉸鏈驅(qū)動的航天器研究方面，馬尚君等［1］對鉸鏈展開式構(gòu)型航天器設(shè)計及其動力學仿真進行了研究，游斌弟等［2］對衛(wèi)星太陽陣展開鎖緊過程沖擊振動進行了研究，張志娟等［3］對太陽翼鉸鏈鎖定沖擊載荷建模分析方法進行了研究，王晛等［4］進行了太陽翼地面展開鎖定動力學仿真分析，陳天智等［5］提出了太陽翼展開鉸鏈展開鎖定最大沖擊載荷修正方法，谷勇霞等［6］對考慮多間隙時帆板式展開機構(gòu)動力學進行了分析，Li Junlan等［7］對阻尼摩擦重力等因素對含鉸鏈間隙的展開機構(gòu)的動力學特性進行了研究．在降低展開鉸鏈鎖定沖擊的減速部件研究方面，國內(nèi)外學者研究了在鉸鏈的基礎(chǔ)上增加阻尼器以減小沖擊，梁小光等［8－9］分析了阻尼器對衛(wèi)星太陽翼展開鉸鏈鎖定沖擊力矩的影響等，而且提出了衛(wèi)星太陽翼阻尼器的參數(shù)選定方法．肖應(yīng)廷等［10］研究黏性阻尼器對減小展開式太陽翼鎖定沖擊力矩的影響等，Mitter等［11］研究了可調(diào)整的大轉(zhuǎn)角阻尼器，蒲海玲等［12］分析了黏滯型阻尼器對太陽翼展開性能的影響，并提出了太陽翼黏滯型阻尼器的可靠性評估方法［13］．但適用于高低溫、真空等極限環(huán)境的阻尼器設(shè)計難度過大，成本高，重量大，而且有源的阻尼器在太空中工作可靠性不高，因此，設(shè)計出無源、重量輕、可靠性好、能適應(yīng)極限環(huán)境的減小沖擊的部件具有重要意義．

本文首先介紹了彈簧展開鉸鏈在展開末端產(chǎn)生的沖擊問題;然后從能量的角度提出了解決該問題的途徑;而后針對減小沖擊的方法，提出了兩種相應(yīng)的機構(gòu)設(shè)計方案——間歇運動式低沖擊鉸鏈機構(gòu)和耗能型低沖擊鉸鏈機構(gòu)，并對其進行了建模和仿真，以驗證機構(gòu)方案的可行性和檢測沖擊減小效果;最后研制了兩套低沖擊彈簧鉸鏈機構(gòu)樣機，并進行了試驗與測試．

1　彈簧展開鉸鏈及其鎖定沖擊

1．1彈簧展開鉸鏈結(jié)構(gòu)

由渦卷彈簧驅(qū)動的展開鉸鏈包括公鉸、母鉸、連接桿、渦卷彈簧、鎖定桿、柱桿、片簧和彈簧支撐管等［14］，如圖1所示．

圖1　渦卷彈簧驅(qū)動的展開鉸鏈結(jié)構(gòu)

公鉸和母鉸與剛體部件相連(比如太陽翼、衛(wèi)星天線板或支架)，母鉸可以圍繞連接桿自由轉(zhuǎn)動，渦卷彈簧里端固定在連接桿上，外端通過彈簧支撐管固定在公鉸上，片簧、鎖定桿和柱桿轉(zhuǎn)接桿組成了鎖定裝置，片簧一端固定在公鉸上，另一端固定在鎖定桿上，在渦卷彈簧的驅(qū)動下，母鉸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到一定位置時與柱桿碰撞，碰撞使母鉸反向，此時柱桿滑入母鉸的鎖定溝槽中，鉸鏈完成鎖定．

1．2展開末端鎖定沖擊

根據(jù)工程經(jīng)驗，在鉸鏈展開過程中，渦卷彈簧的驅(qū)動力矩和摩擦阻力距隨展開時間的變化曲線如圖2所示，當鉸鏈展開到位時，設(shè)此時彈簧力矩為，摩擦阻力矩為，靜力矩裕度可以表示為，由于力矩裕度的存在，展開鉸鏈展開鎖定瞬間會產(chǎn)生很大的沖擊振動，在某衛(wèi)星太陽翼地面試驗的數(shù)據(jù)［8］中，最大鎖定沖擊力矩約120 N·m．例如，衛(wèi)星天線展開到位時，鉸鏈上的鎖定機構(gòu)工作，使天線的運動突然停止，從而對天線、展開機構(gòu)、以及衛(wèi)星上相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的載荷(主要是根部彎矩)．過大的沖擊載荷可能造成鉸鏈連接部件損壞，甚至導(dǎo)致整個衛(wèi)星失效．

圖2　展開過程中驅(qū)動力矩和摩擦阻力的變化曲線

鉸鏈展開末端的沖擊可以通過展開末端的角速度或者碰撞力矩來衡量，二者的計算過程如下．

1)角速度計算．設(shè)母鉸的慣量為Jb，轉(zhuǎn)動角度為θ，最大轉(zhuǎn)角為θm，初始角度為θ0，則母鉸的動能可以表示為

根據(jù)工程經(jīng)驗，由于摩擦阻力矩線性增加，采用工程通用的算法［15］，可以把摩擦阻力矩等效成一個線性增大的阻尼，該阻尼的曲線的變化率設(shè)為Kf，驅(qū)動彈簧的剛度系數(shù)為K1，鉸鏈的等效彈性勢能可表示為

代入拉格朗日方程L=T－V得

在展開鉸鏈展開過程中，展開的角位移一般是確定的，可以看出展開時間和角位移一一對應(yīng)，因此可以確定展開時間，進而可以帶入展開角速度的表達式，得到鉸鏈展開末端母鉸的角速度，這里設(shè)為θ·m．

2)碰撞力矩計算．母鉸及其剛體部件和公鉸的碰撞是個非線性問題，可以把該問題簡化為兩個彈性球的碰撞．設(shè)Ji(i=1，2)、θi、Ei、νi、Ri分別為兩球的轉(zhuǎn)動慣量、碰撞產(chǎn)生的應(yīng)變、彈性模量、泊松比和碰撞處的曲率半徑．

碰撞力矩可以近似表示為［16］

其中:

由此可以看出，在材料、碰撞處的曲率、慣量一定時，碰撞力矩只與鉸鏈展開末端母鉸的角速度θ·m有關(guān)，因此，降低彈簧鉸鏈機構(gòu)鎖定沖擊應(yīng)主要考慮減小鉸鏈展開末端的角速度θ·m，同時還要滿足鉸鏈的力矩裕度要求．

2　減小展開末端沖擊方法

從能量轉(zhuǎn)化的角度，母鉸的角速度的二次方正比于渦卷彈簧的驅(qū)動力矩和摩擦阻力矩做功之和，設(shè)Wd和Wf分別為驅(qū)動力矩和摩擦阻力距做功，則

在圖2中做功之和表示為陰影的面積，由式(1)可知，母鉸的角速度和碰撞力矩正相關(guān)，因此，減少圖中陰影部分的面積可以有效地減小碰撞力矩．本文提出間歇性運動式和耗能型低沖擊展開鉸鏈機構(gòu)設(shè)計方法．

2．1間歇運動機構(gòu)法

間歇性運動機構(gòu)可以有效地控制渦卷彈簧的能量釋放，常見的例子為由發(fā)條驅(qū)動的機械鐘表．其工作原理為:渦卷彈簧同時驅(qū)動鉸鏈展開和間歇性機構(gòu)的運動，驅(qū)動間歇性機構(gòu)的運動通過鎖定可以暫時中斷鉸鏈的轉(zhuǎn)動，鉸鏈再輸出力或力矩到解鎖機構(gòu)上，然后解除對鉸鏈的鎖定，使得鉸鏈由原來的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為間歇性轉(zhuǎn)動．

從能量的角度，在間歇性運動機構(gòu)的作用下，渦卷彈簧的能量間歇性釋放，可以使鉸鏈每次僅僅轉(zhuǎn)動一個很小的角度，因此只有最后一個階段的轉(zhuǎn)動把一部分的能量轉(zhuǎn)化為母鉸的動能．如圖3所示，陰影部分的面積表示轉(zhuǎn)化為母鉸動能的彈性勢能，遠小于圖2中的陰影部分面積，因而可以大大降低展開末端母鉸的角速度．并且驅(qū)動間歇性機構(gòu)的運動為周期運動，其轉(zhuǎn)動的圈數(shù)基本不受限制，因而具有一定的優(yōu)勢．

圖3　間歇性運動機構(gòu)作用下彈簧力矩的變化曲線

圖3中E1表示未使用間歇性運動機構(gòu)之前的能量，E2為增加間歇性機構(gòu)后最后一次沖擊的能量，摩擦阻力矩的周期為Δθ，其大小等于間歇性機構(gòu)擒縱輪的分度．所以系統(tǒng)能量的降低率可以表示為

由式(2)可以看出，系統(tǒng)降低沖擊的效果非常顯著，達到95%左右．

2．2耗能機構(gòu)法

耗能機構(gòu)方案采用在原來鉸鏈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個耗能元件，例如渦卷彈簧，原渦卷彈簧驅(qū)動鉸鏈的同時，驅(qū)動耗能元件，耗能元件在鉸鏈展開過程中提供阻力，例如一個渦卷彈簧可以提供隨展開角度不斷增大的阻力，將一部分的能量儲存起來．在鉸鏈展開即將達到指定位置時，該耗能元件通過分離機構(gòu)與鉸鏈和驅(qū)動源分離．分離以后，鉸鏈在原驅(qū)動渦卷彈簧和摩擦阻力矩的作用下繼續(xù)展開，直至展開到位，完成鎖定．圖4為耗能機構(gòu)法彈簧力矩隨著展開角度的變化曲線，相比于圖2，陰影部分的面積減小了一些．但其受到轉(zhuǎn)動角度的限制，其運動被限制在180°之內(nèi)．

圖4　耗能機構(gòu)作用下彈簧力矩的變化曲線

3　低沖擊鉸鏈設(shè)計及試驗驗證

依據(jù)前面的設(shè)計思路，采用間歇性運動機構(gòu)方案和耗能機構(gòu)的方案，研制了兩種低沖擊鉸鏈機構(gòu)，并進行試驗驗證．

3．1間歇式低沖擊鉸鏈機構(gòu)及其試驗

滿足前面討論的運動形式的機構(gòu)，常見的為擒縱機構(gòu)．擒縱機構(gòu)包括擒縱部分和振蕩部分，渦卷彈簧同時作用在鉸鏈和擒縱部分上，經(jīng)過一小角度的轉(zhuǎn)動，擒縱部分通過位形鎖定鉸鏈，擒縱部分小的角位移輸出一個碰撞力矩，作為振蕩部分的輸入，振蕩部分反饋擒縱部分一個幾乎等大的碰撞力矩，解除位形鎖定．當鉸鏈轉(zhuǎn)過下一小角度時，擒縱機構(gòu)會重復(fù)以上過程，直到鉸鏈展開到位，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示．

圖5　間歇式鉸鏈機構(gòu)結(jié)構(gòu)

擒縱機構(gòu)可以使鉸鏈間歇性轉(zhuǎn)動，每一小段的運動學分析都可以采用類似自由展開鉸鏈的分析過程，然后通過迭代法求得每一段的末端角速度，該角速度作為下一段的起始角速度，求得的展開末端的角速度通過代入式(1)，得到最終的碰撞力矩．

在渦卷彈簧驅(qū)動的展開鉸鏈基礎(chǔ)上，增加擒縱機構(gòu)，為了放大鉸鏈的角位移和縮小作用在擒縱機構(gòu)上的力矩，在擒縱機構(gòu)和展開鉸鏈之間增加了一對增速齒輪，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維建模，并對模型進行仿真驗證．為簡化模型，仿真過程未考慮各處的阻尼，仿真結(jié)果如圖6、7所示，以三維模型加工出的樣機如圖8所示，圖8中轉(zhuǎn)接機構(gòu)包含了增速齒輪組，目的是把驅(qū)動渦卷彈簧內(nèi)的力矩轉(zhuǎn)化為施加在增速機構(gòu)上的力矩，并放大擒縱機構(gòu)的輸入角位移．

在圖6、7中，ε為渦卷彈簧的預(yù)加載力矩(mN·m)，不含擒縱機構(gòu)的自由展開鉸鏈的碰撞力如圖6所示，可以得出自由展開鉸鏈的碰撞力高達1 5764 N，在擒縱機構(gòu)的作用下，圖9中碰撞力下降到1 250 N，以碰撞力為衡量指標，沖擊的減小比例為92．07%．在圖8所示的樣機基礎(chǔ)上，通過加速度傳感器測量沖擊加速度，以之來衡量，得到的結(jié)果如圖10所示，經(jīng)過計算也可以得到近似的沖擊減小比例．其展開過程的速度曲線如圖7所示．

圖6　自由展開鉸鏈的碰撞力仿真［17］

圖7　間歇式鉸鏈機構(gòu)展開速度曲線

圖8　間歇式鉸鏈機構(gòu)原理樣機

圖9　間歇式鉸鏈機構(gòu)的碰撞力仿真

圖10　間歇式鉸鏈機構(gòu)展開末端角加速度對比

3．2耗能式低沖擊鉸鏈機構(gòu)及其試驗

耗能式低沖擊鉸鏈機構(gòu)方案設(shè)計如圖11所示，驅(qū)動渦卷彈簧和耗能渦卷彈簧分別位于鉸鏈的兩側(cè)，前者驅(qū)動母鉸轉(zhuǎn)動，后者提供一個不斷增大的阻力，在展開前、中、后期不斷儲存能量．為了在展開末期反向力矩渦卷彈簧不作用于鉸鏈，不影響鉸鏈的鎖定，在鉸鏈和耗能渦卷彈簧之間增加了一個分離機構(gòu)，使母鉸轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度時，耗能渦卷彈簧和鉸鏈分離．

圖11　基于耗能型機構(gòu)的展開鉸鏈方案設(shè)計

圖12是基于耗能機構(gòu)的展開鉸鏈的樣機，試驗臺架用于固定鉸鏈，以便于試驗和測量．

圖12　基于耗能機構(gòu)的鉸鏈樣機圖

依照圖11的設(shè)計方案三維建模，以三維模型進行運動學仿真，以驗證方案可行性和測量該方案的減速效果，未考慮摩擦時的仿真結(jié)果如圖13所示，自由展開鉸鏈的最大角速度為3 809 (°) /s，基于耗能機構(gòu)的鉸鏈展開末端的角速度為2 596 (°) /s，減小了31．85%．

圖13　耗能式鉸鏈機構(gòu)仿真

樣機測量得到結(jié)果見圖14，以沖擊加速度為衡量指標，自由展開鉸鏈的最大加速度為899 (°) /s2，基于耗能機構(gòu)的展開鉸鏈的展開末端加速度為542 (°) /s2，減小了39．71%．

圖14　耗能式鉸鏈機構(gòu)沖擊加速度測試

4　結(jié)　論

1)為了有效降低彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊問題，首先對鉸鏈展開末端的沖擊進行描述，推導(dǎo)出了碰撞力矩和鉸鏈展開末端的角速度關(guān)系，從能量的角度，提出了兩種降低鉸鏈鎖定沖擊的方法．

2)設(shè)計了間歇式和耗能式兩種低沖擊鉸鏈機構(gòu)，通過仿真驗證了設(shè)計的可行性，仿真分析了減小鉸鏈末端沖擊的效果，結(jié)果表明兩種方法可以使鉸鏈沖擊分別減小約95%和40%．

3)研制了兩種低沖擊鉸鏈機構(gòu)樣機，進行了展開鎖定沖擊試驗測試，驗證了兩種低沖擊鉸鏈機構(gòu)的可行性．

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(編輯楊波)

Approaches to calculate and reduce locking impact of deployable hinges

GUO Hongwei1，LI Changzhou1，SHI Wenhua2，LIU Rongqiang1，DENG Zongquan1，LI Zhongjie1
(1．State Key Laboratory of Robotics and System (Harbin Institute of Technology)，150001 Harbin，China; 2．China Academy of space Technology，100094 Beijing，China)

Abstract:Severe impact is detected in the application of deployable hinges in aerospace mechanisms such as solar array．The impact may result in failure of accessories connected to the hinges．To tackle this problem，this paper firstly proposes an approach to calculate magnitude of angular velocity and impact torque，based on which the key factor affecting the impact is concluded．Two schemes are devised based on intermittent mechanism and energystorage mechanism．The effectiveness of the schemes to decrease the impact is discussed from the view of energy．Two structure models are built for each scheme and simulated to verify their feasibility．The simulation results indicate that the impact torque can be reduced by approximately 90% and 31%，respectively．In addition，two prototypes are manufactured，on which experiments of angular acceleration measurement are conducted，and the results demonstrate that the impact can be diminished by 95% and 40%，respectively．

Keywords:deployable hinges; locking impact; intermittent mechanism; deceleration approach

通信作者:郭宏偉，guohw@ hit．edu．cn．

作者簡介:郭宏偉(1980—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師．

基金項目:國家自然科學基金(11002039) ;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費專項資金(HIT．NSRIF．2015050) ;機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)自主研究課題資助(SKLRS201401A02)．

收稿日期:2015－04－18．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．004

中圖分類號:V441; V419

文獻標志碼:A

文章編號:0367－6234(2016) 01－0029－06