一種可拆卸機心的無源驅(qū)動展開機構(gòu)設(shè)計①

盧鵬俊，梁 渭，郭彥彪，馬 進，屈二淵，羅美榮

(西安輕工業(yè)鐘表研究所有限公司，西安 710061)

0 引言

可拆卸機心的無源驅(qū)動展開機構(gòu)是某系列衛(wèi)星傘狀天線狀肋展開機構(gòu)展開的動力源及天線肋的鎖定支撐機構(gòu)，用于驅(qū)動傘狀天線的展開及展開后的型面保持，同時具有展開過程沖擊小、環(huán)境適應(yīng)性強、可靠性高、可操作性強的特點。

目前，國內(nèi)在軌使用的該類型機構(gòu)均為一體化結(jié)構(gòu)，地面維護性、互換性差，調(diào)試周期長。

天線在衛(wèi)星發(fā)射階段處于收攏狀態(tài)；衛(wèi)星入軌后，解除鎖定裝置，無源展開機構(gòu)驅(qū)動天線緩慢展開。

無源展開機構(gòu)主要由鉸鏈架組件、機心組件、鎖定裝置等組成。無源展開機構(gòu)以鉸鏈架組件作為支撐，鉸鏈架組件包含基體與展開部件兩部分，基體實現(xiàn)與天線的連接，承載機心組件與鎖體部件。機心安裝在基體上，為天線的展開提供動力。在無源展開機構(gòu)展開的整個過程中基體與天線底座固定不動，展開時展開部件轉(zhuǎn)動，展開到位后鎖定裝置鎖定，如圖1為無源展開機構(gòu)展開狀態(tài)示意圖，圖2為無源展開機構(gòu)收攏狀態(tài)示意圖。

圖1 無源展開機構(gòu)展開狀態(tài)示意Fig.1 Unfolding of passive unfolding mechanism

圖2 無源展開機構(gòu)收攏狀態(tài)示意Fig.2 Closing of passive unfolding mechanism

無源展開機構(gòu)具有支撐連接功能和展開驅(qū)動功能，是組成展開天線的重要部件之一，重量輕，且能夠滿足空間環(huán)境的使用要求。在空間環(huán)境條件下，無源展開機構(gòu)應(yīng)具有較大的驅(qū)動力矩、并能控速延時。本文結(jié)合展開機構(gòu)功能要求，對相關(guān)設(shè)計技術(shù)進行了分析研究。

機心組件裝在鉸鏈架組件中，機心組件驅(qū)動鉸鏈架組件展開，展開到位后鎖定裝置對鉸鏈架組件進行鎖定。發(fā)條是無源展開機構(gòu)的動力源，無源展開機構(gòu)收攏后通過上條工裝給發(fā)條上條，使發(fā)條上緊、儲備勢能，當(dāng)展開部件被釋放后發(fā)條同時開始釋放儲備的能量，其中一部份能量通過增力驅(qū)動輪系傳遞至鉸鏈架，驅(qū)動展開部件展開；另一部分能量通過控速延時輪系傳遞至擒縱機構(gòu)，通過擒縱機構(gòu)實現(xiàn)發(fā)條緩慢釋放，如圖3為無源展開機構(gòu)工作原理框圖[1]。

圖3 無源展開機構(gòu)工作原理框圖Fig.3 Block diagram of the working principle of the passive deployment mechanism

1 可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計

機心組件設(shè)計為可拆卸式機構(gòu)，同時拆卸后不影響鉸鏈架組件及衛(wèi)星天線肋的連接狀態(tài)。機心地面研制試驗階段可拆卸維護，延長了產(chǎn)品的使用壽命，可提高展開機構(gòu)的可靠性。在收攏狀態(tài)下，卸除基體兩側(cè)的定位螺釘，即可拆除機心組件，不會造成展開部件位置精度變化，如圖4為可拆卸示意。

圖4 可拆卸示意圖Fig.4 Detachable indication

2 鎖體入鎖力矩分析

鎖體在工作歷程中，需要滿足在相應(yīng)的力學(xué)環(huán)境下，狀態(tài)不發(fā)生改變的條件。在振動條件下，鎖體組件應(yīng)保持初始狀態(tài)(見圖5)，所以在設(shè)計鎖體組件時，需要使鎖體組件的入鎖阻力矩最小，又能滿足抗振動環(huán)境的需要。結(jié)合隨機振動的總均方根為14gRMS，其峰值加速度按經(jīng)驗估算為42g，進行插銷彈簧和滑塊彈簧的計算[2]，并對入鎖阻力矩進行計算。

圖5 鎖體結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Lock body structure

2.1 鎖體自動落鎖力分析

滑塊的質(zhì)量為3.98×10-3kg

滑塊導(dǎo)桿的質(zhì)量為4.41×10-3kg

滑塊與滑塊導(dǎo)桿在峰值加速度下產(chǎn)生的沖擊力為：

Ff=(3.95+4.41)×10-3×42×9.8=3.45N

2.2 插銷彈簧分析

插銷對滑塊的正壓力：

F1=K1×Δx1=1.07×(46-20.5)=27.29N

入鎖過程需克服滑塊與軌道的滑動摩擦力：

f=μ×F1=0.15×27.29=4.09N

2.3 滑塊彈簧分析

彈簧剛度

入鎖過程滑塊彈簧對滑塊的彈力：

F2=K2×Δx2=0.22×(46-22)=5.06N

由此得出滑塊入鎖最大阻力：

Fz=f+F2=4.09+5.06=9.15N

結(jié)合3.1章節(jié)計算的自動落鎖力(Ff)小于滑塊的入鎖最大阻力(Fz)，即在振動環(huán)境下不會產(chǎn)生自動落鎖的現(xiàn)象。

2.4 入鎖阻力矩的分析

無源展開機構(gòu)入鎖力作用半徑：L=0.058m

無源展開機構(gòu)入鎖阻力矩：Mf2=Fz×L=0.53Nm

計算入所阻力矩相較驅(qū)動力矩在可接受的范圍，設(shè)計值滿足展開機構(gòu)要求。

3 擒縱機構(gòu)動力學(xué)仿真分析

無源展開機構(gòu)機心采用擒縱機構(gòu)來控制輸出轉(zhuǎn)速，擒縱機構(gòu)由平衡擺和擒縱輪組成，發(fā)條的力矩通過輪系傳遞到擒縱輪，迫使擒縱輪與平衡擺之間產(chǎn)生周期性碰撞，以此來減緩系統(tǒng)能量的消耗，從而控制輸出轉(zhuǎn)速。通過Adams軟件對擒縱機構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析，為機心設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 動力學(xué)模型建立

將建立好的平衡擺部件、擒縱輪部件和夾板導(dǎo)入Adams中，賦予各零部件相應(yīng)的材料參數(shù)。根據(jù)運動原理建立約束關(guān)系：夾板相對大地的固定副，平衡擺與平衡擺軸固定副，擒縱輪與擒縱輪軸的固定副；平衡擺軸與夾板的轉(zhuǎn)動副；擒縱輪軸與夾板的轉(zhuǎn)動副[3,4]。建立好的約束關(guān)系如表1所示。

表1 索網(wǎng)單元張拉力分布值Tab.1 Constraint condition of Equivalent callision

擒縱輪與平衡擺之間的接觸碰撞采用IMPACT函數(shù)，兩個零件之間的碰撞力可以等效為非線性彈性力與非線性阻尼力的合成效果，其表達式為

(1)

根據(jù)Hertz接觸理論，平衡擺與騎馬輪之間的接觸剛度k可以表示為

(2)

圖6 擒縱機構(gòu)等效碰撞示意圖Fig.6 Schematic diagram of Equivalent collision

3.2 動力學(xué)仿真根據(jù)發(fā)條釋放時的輸出力矩分析，傳遞到擒縱輪的驅(qū)動力矩為1.0 N·mm～1.4N·mm。運用ADAMS仿真軟件在擒縱輪上分別施加1.0N·mm、1.1 N·mm、1.2 N·mm、1.3N·mm、1.4N·mm、1.6 N·mm 、1.8 N·mm、2.0 N·mm 、2.2 N·mm 、2.4 N·mm 、2.6 N·mm和2.8N·mm驅(qū)動力矩[6]，平衡擺轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系曲線如圖所示：

1.0N·mm驅(qū)動力矩 1.1 N·mm驅(qū)動力矩

3.3 動力學(xué)仿真結(jié)果分析

通過以上分析可以得出不同驅(qū)動力矩下平衡擺的振動周期與驅(qū)動力矩的關(guān)系，驅(qū)動力矩越大，平衡擺的振動周期越短。而發(fā)條在釋放過程中力矩會發(fā)生變化，這將會對平衡擺振動周期帶來影響，所以在設(shè)計過程中要給予特別關(guān)注。

圖8 驅(qū)動力矩與振動周期關(guān)系曲線Fig.8 Influence of driving torque on vibration period

4 結(jié)論

無源展開機構(gòu)采用模塊化的設(shè)計理念，并對機心拆卸結(jié)構(gòu)、鎖定裝置阻力矩、擒縱機構(gòu)振動周期等設(shè)計主要關(guān)注點進行了分析計算，可有效支撐展開機構(gòu)的設(shè)計；采用可拆卸結(jié)構(gòu)后，通過維護手段可大幅提高產(chǎn)品的可靠性。可拆卸機心無源展開機構(gòu)機心組件可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可行，提高了產(chǎn)品的維修性與互換性，縮短了衛(wèi)星天線的安裝調(diào)試周期，可滿足未來天線高可靠性與短周期的需求。