一种用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构及方法与流程

1.本发明提出了一种可用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构设计方案，可用于栅格舵、阻力板等可折展部件在航天运载器飞行中展开过程的缓冲降冲击以及重复使用火箭着陆腿展开缓冲降冲击等用途。


背景技术：

2.随着航天运载器技术的发展，对功能多样性的需求也越来越高，包括使用栅格舵作为火箭飞行/再入返回/落区控制的控制手段，使用阻力板降低飞行速度，使用着陆腿进行火箭回收等。在可折展部件以转动方式展开的过程中，可能受到气动力、惯性力、重力等原因产生的展开力矩载荷作用，如果不采取一定的措施，就会在外载荷作用下以较大的角速度展开，其到位时会对其他结构和设备造成较高冲击，甚至引起自身结构和相邻结构设备的损坏。因此，需要一种能用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构，降低展开速度，减少到位冲击。
3.阻尼机构的作用原理包括摩擦阻尼、粘性液体阻尼、粉末颗粒阻尼、涡流阻尼、粘弹性阻尼、电流变液阻尼、磁流变液阻尼等。其中，电流变液阻尼、磁流变液阻尼具有阻尼特性可调的优势，但技术尚不成熟且需要外部能源输入，系统较为复杂。摩擦阻尼无法适应在较宽范围内变化的外载荷，粘弹性阻尼、涡流阻尼和粉末颗粒阻尼阻尼力较低。常规的粘性液体阻尼通常为直线式结构，其应用于转动的可折展部件时，直线式粘性液体阻尼结构的两端分别与可折展部件、运载器铰接连接，此时直线式粘性液体阻尼结构的直线移动距离小，阻尼力有限，同时由于其安装位置，会产生气流干扰，对运载器的飞行造成影响。对于运载器可折展部件这种具有大冲击的工况，以上方法均无法有效降低其对运载器箭体结构的冲击。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：降低航天运载器可折展部件展开到位时对箭体结构的冲击，保证箭体安全和稳定性。本技术公开了一种用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构的设计方法，能够为可折展部件在展开过程中提供阻尼力矩，并且阻尼力矩具有速度适应性，能够随展开角速度的增大而增大，从而降低展开速度，减少到位冲击。
5.本发明的发明构思为：在可折展部件展开过程角度行程较小的限制条件下，在满足安装空间几何外形尺寸和接口要求的基础上，设计运动传动形式和传动比，设计吸能实现形式和安装方式，通过传动比和液体粘度达到调节机构产品性能的目的，以适应不同使用环境，降低航天运载器可折展部件展开到位时对箭体结构的冲击，保证箭体安全和稳定性。并使该该扭转阻尼器用于栅格舵、阻力板等可折展部件，用于在航天运载器飞行中展开过程的缓冲降冲击、以及重复使用火箭着陆腿展开缓冲降冲击等用途。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构，包括
8.基座组件，连接于航天运载器结构；
9.可折展部件，通过连接于基座组件的转轴转动连接于基座组件；
10.扭转阻尼器，连接于基座组件和可折展部件之间，包括：连接于可折展部件活塞筒、位于活塞筒内的活塞、转动连接于活塞筒内且与活塞螺纹连接的丝杠、将基座组件和可折展部件之间的转动传递至丝杠的传动组件，丝杠通过传动组件与可折展部件一起转动，丝杠转动带动活塞在活塞筒内移动。
11.所述基座组件设有基座轮齿、传动组件包括至少一个齿轮，基座组件的齿轮与基座轮齿形成至少一个齿轮组，每个齿轮组均包括相啮合的大齿轮和小齿轮。
12.所述大齿轮的外径大于小齿轮的外径。
13.所述基座组件的齿轮与基座轮齿形成一个齿轮组时，大齿轮与基座相对固定、且与转轴同轴，小齿轮连接于丝杠，大齿轮和小齿轮啮合；与基座相对固定的大齿轮为整个齿轮、或者为具有部分轮齿特征的部件。
14.所述基座组件的齿轮与基座轮齿形成不小于两个齿轮组时，可折展部件转动连接有传递杆，传递杆上连接有相邻两个齿轮组中的各一个齿轮，传递杆上的主动齿轮为其所在齿轮组中的小齿轮，传递杆上的被动齿轮为其所在齿轮组中的大齿轮。
15.所述活塞筒设置两个，两个活塞筒分别位于丝杠的两端。
16.所述丝杠为双向丝杠。
17.所述活塞上开设有阻尼孔，阻尼孔贯穿活塞；阻尼孔在活塞上均匀分布。
18.所述活塞筒内充有黏性液体。所述黏性液体为硅油类黏性液体。
19.所述齿轮箱和活塞筒盖之间连接有与丝杠平行的导向杆，导向杆与活塞在活塞上的导向孔相配合，使活塞在导向杆的导向作用以及丝杠的驱动下在活塞筒内做直线运动。
20.一种用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构的安装方法，包括：
21.扭转阻尼器的装配：将齿轮连接于齿轮箱，将丝杠与活塞筒连接，活塞旋入丝杠上，并使活塞位于活塞筒内，然后将黏性液体注入活塞筒，将活塞筒盖封住活塞筒的端部；
22.将扭转阻尼器与可折展部件装配；
23.将可折展部件与基座组件的通过转轴连接，并使可折展部件的齿轮与基座组件的基座轮齿啮合。
24.综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
25.通过齿轮箱和加速齿轮组将可折展部件有限的角度行程通过加速齿轮组进行加速和增加行程，克服了可折展部件有限展开角度能够提供的阻尼缓冲行程有限的难题。黏性液体耗能能力强，且为速度相关型阻尼，阻尼力(矩)与转动速度之间近似呈线性关系。该阻尼器设计能够适应不同的外部载荷环境，在外载荷大的时候提供高阻尼，有效降低可折展部件的展开冲击；在外载荷小的时候时候阻尼力矩降低，避免出现展开不到位的情况。
附图说明
26.图1为本技术实施例中的扭转阻尼器安装结构示意图。
27.图2为本技术实施例中的可折展部件示意图。
28.图3为本技术实施例中的基座组件示意图。
29.图4为本技术实施例中的扭转阻尼器示意图。
30.图5为本技术实施例中的扭转阻尼器隐去齿轮箱、一个活塞筒的结构示意图。
31.附图标记说明：1、扭转阻尼器；2、基座组件；3、航天运载器结构；4、可折展部件；
32.2-1、基座；2-2、转轴；2-21、基座轮齿；2-3、挡圈；
33.1-1、齿轮箱；1-2、a齿轮；1-3、b1齿轮；1-4、b2齿轮；1-5、活塞筒；1-6、活塞筒盖；1-7、丝杠；1-8、轴承；1-9、活塞；1-10、第一密封圈；1-11、第二密封圈；1-12、第三密封圈；1-13密封圈挡环。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
35.本技术实施例公开一种用于航天运载器可折展部件的扭转阻尼机构，参照图1和图2，包括安装于航天运载器结构3的基座组件2，基座组件2通过转轴2-2转动连接有可折展部件4，基座组件2和可折展部件4之间发生单自由度相对转动，基座组件2和可折展部件4之间设置有扭转阻尼器1。通过对扭转阻尼器1的设置，降低航天运载器可折展部件4展开到位时的冲击。
36.参照图3，基座组件2包括基座2-1、连接于基座2-1的支座，支座用于安装扭转阻尼器1。基座组件2安装于航天运载器结构3上，在可折展部件4展开过程中，基座2-1保持不动。
37.参照图4和图5，扭转阻尼器1用于产生降低可折展部件4展开速度的阻尼力矩，包括活塞筒1-5、活塞1-9、丝杠1-7、传动组件，转轴2-2通过基座2-1的支座连接于基座2-1，转轴2-2两端穿过可折展组件的安装支座，转轴2-2和可折展部件4之间设有挡圈2-3，使得可折展组件与基座组件2相对转动连接。活塞筒1-5连接于可折展部件4，活塞筒1-5设置两个，活塞1-9位于活塞筒1-5内，丝杠1-7的两端分别伸入两个活塞筒1-5中，丝杠1-7与活塞筒1-5转动连接，活塞1-9内表面为螺旋副，使活塞1-9与丝杠1-7的螺纹进行配合，丝杠1-7为双向丝杠1-7，双向丝杠1-7的两端与两个活塞筒1-5内的活塞1-9的螺纹方向相反；活塞1-9为一个圆盘状零件，活塞1-9上开设有阻尼孔，阻尼孔贯穿活塞1-9，阻尼孔在活塞1-9上均匀分布，圆盘外侧有凹槽用于安装第三密封圈1-12和密封圈挡环1-13进行动密封。
38.参照图5，齿轮箱1-1和活塞筒盖1-6之间连接有与丝杠1-7平行的导向杆1-14，导向杆1-14与活塞1-9在活塞上的导向孔相配合，使活塞1-9在导向杆1-14的导向作用以及丝杠1-7的驱动下在活塞筒1-5内做直线运动。活塞筒1-5内充有硅油类黏性液体，当活塞1-9在活塞筒1-5内进行直线运动，油液通过活塞1-9表面的小孔流过在两侧产生压差形成小孔阻尼，活塞筒1-5一侧与丝杠1-7通过第一密封圈1-10进行密封，另一侧通过活塞筒盖1-6和第二密封圈1-11进行密封；丝杠1-7通过传动组件实现与转轴2-2一起转动。
39.基座组件2设有基座轮齿2-21、传动组件包括至少一个齿轮，基座组件2的齿轮与基座2-1齿轮形成至少一个齿轮组，每个齿轮组均包括相啮合的大齿轮和小齿轮，大齿轮的外径大于小齿轮的外径。基座组件2的齿轮与基座2-1齿轮形成一个齿轮组时，大齿轮连接于转轴2-2，小齿轮连接于丝杠1-7，大齿轮和小齿轮啮合。基座组件2的齿轮与基座2-1齿轮形成不小于两个齿轮组时，可折展部件4转动连接有传递杆，传递杆数量＝齿轮组数量-1，传递杆上连接有相邻两个齿轮组中的各一个齿轮，传递杆上的主动齿轮为其所在齿轮组中的小齿轮，传递杆上的被动齿轮为其所在齿轮组中的大齿轮。在本实施例中，传动组件包括三个齿轮，分别为a齿轮1-2、b1齿轮1-3、b2齿轮1-4，基座轮齿2-21位于基座2-1表面，且基
座轮齿2-21与转轴2-2同轴，a齿轮1-2、b1齿轮1-3同轴连接于传递杆，基座轮齿2-21和a齿轮1-2相啮合形成一个齿轮组，b1齿轮1-3和b2齿轮1-4相啮合形成一个齿轮组，两个活塞筒1-5之间设置有齿轮箱1-1，传递杆连接于齿轮箱1-1。基座轮齿2-21和a齿轮1-2形成的齿轮组中，基座轮齿2-21为大齿轮，a齿轮1-2为小齿轮，基座轮齿2-21的外径大于a齿轮1-2的外径，b1齿轮1-3和b2齿轮1-4形成的齿轮组中，b1齿轮1-3为大齿轮，b2齿轮1-4为小齿轮，b1齿轮1-3的外径大于b2齿轮1-4的外径，a齿轮1-2的外径小于b1齿轮1-3的外径。
40.齿轮箱1-1、a齿轮1-2、b1齿轮1-3、b2齿轮1-4的作用是将可折展部件4的转动运动传递至阻尼机构内部并进行加速，因为航天运载器可折展部件4的展开角度往往较小，一般在90
°
～160
°
不等，因此其有限展开角度能够提供的阻尼缓冲行程有限，不利于阻尼机构设计，因此设计齿轮箱1-1和加速齿轮组将可折展部件4有限的角度行程通过加速齿轮组进行加速和增加行程。基座2-1表面的轮齿和a齿轮1-2构成一级加速，a齿轮1-2和b1齿轮1-3同轴，b1齿轮1-3和b2齿轮1-4构成第二级加速，各个齿轮均通过轴承1-8与齿轮箱1-1连接，组成两级加速，其加速比为n，则可折展部件4的展开角度α，可通过齿轮组的加速作用使丝杠1-7的转动角度增加至n
·
α，丝杠1-7的展开角速度ω也可加速至n
·
ω。加速后的转动运动传递至丝杠1-7，通过丝杠1-7与活塞1-9的配合，可以将丝杠1-7的转动运动转换为活塞1-9的直线运动。
41.基座2-1表面的基座轮齿2-21具有齿轮轮齿的特征，在可折展部件4绕转轴2-2转动过程中，基座2-1和基座轮齿2-21保持不动，阻尼器内的齿轮与基座2-1表面的基座轮齿2-21相配合，令阻尼器内的齿轮发生转动。基座2-1表面与阻尼器相对应位置具有开槽设计，避免与阻尼器的运动轨迹相干涉。
42.实施装配时，先进行阻尼器的装配，先将丝杠1-7、a齿轮1-2、b1齿轮1-3、b2齿轮1-4安装到齿轮箱1-1内，安装时使用轴承1-8对丝杠1-7和各个尺寸进行支撑，使用挡圈2-3对轴承1-8进行定位。在活塞筒1-5一端安装第一密封圈1-10后，在齿轮箱1-1两侧将活塞筒1-5套接入丝杠1-7，将活塞1-9套接好第三密封圈1-12和密封圈挡环1-13后旋入丝杠1-7，保持好活塞1-9和活塞筒1-5之间的密封。将黏性液体注入活塞筒1-5后，安装活塞筒盖1-6。活塞筒盖1-6的端面具有凹槽，将第二密封圈1-11放入该凹槽，并将活塞筒盖1-6装入活塞筒1-5，活塞筒盖1-6一面的中心具有圆柱凹槽用于支撑丝杠1-7，安装时保证将丝杠1-7端部置于活塞筒盖1-6一面的中心圆柱槽内，再使用沉头螺钉紧固活塞筒1-5和活塞筒盖1-6。
43.其后，进行阻尼器和可折展部件4的装配，将阻尼器整体安装在可折展部件4的预留安装位置，使用螺栓紧固，使阻尼器与可折展部件4成为一个整体。
44.最后，使可折展部件4的展开轴与基座2-1的展开轴同轴，令阻尼器的a齿轮1-2与基座2-1表面的轮齿形成齿轮副配合，使用轴穿入可折展部件4和基座2-1的轴孔，使二者形成转动副连接，并使用挡圈2-3将轴定位。
45.本技术的实施原理为：可折展部件4进行展开时，可折展部件4的顶部以一定的速度开始转动，可折展部件4与基座组件2相对转动，通过齿轮箱1-1内的齿轮与基座轮齿2-21的啮合，将可折展部件4的转动运动转化为丝杠1-7的转动运动，将有限展开角度进行增程并提高丝杠1-7转动的角速度。
46.再进一步通过丝杠1-7与活塞1-9将转动运动转化为活塞1-9的直线运动，通过活塞1-9在充有粘性液体的活塞筒1-5内的运动使粘性液体从活塞1-9上的小孔流过形成两侧
压差的小孔阻尼，其耗能能力强，且为速度相关型阻尼器，阻尼力(矩)与转动速度之间近似呈线性关系。因此该阻尼器设计能够适应不同的外部载荷环境，在外载荷大的时候提供高阻尼，有效降低可折展部件4的展开冲击；在外载荷小的时候时候阻尼力矩降低，避免出现展开不到位的情况。
47.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。