基于雙四桿機構的可重復自動鎖緊解鎖裝置

黃大興，蔣秋香，張 凱，姜景明，楊德財，王治易，2，錢志源，2

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109；2.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201109）

0 引言

航天器發射段受運載包絡限制，航天器的較大部件須處于收攏鎖緊狀態，進入預定軌道后，部件需解鎖、釋放并分離。這類鎖緊解鎖分離裝置可使用爆炸螺栓、切割器、拔銷器等火工裝置實現，也可使用斷裂螺栓、解鎖螺母、電阻絲熔線機構、形狀記憶合金、液態金屬、形狀記憶聚合物等非火工裝置實現［1-19］。該類裝置的應用較為廣泛，大部分產品在航天器上均有成功應用的案例，但存在在軌不可重復鎖緊解鎖等缺點。

隨著航天器的發展，航天器需要在軌重復鎖緊解鎖技術去實現鎖緊件與其他部件的多次鎖緊解鎖，對鎖緊解鎖裝置提出了新的需求。因此新型重復鎖緊解鎖技術得到快速發展［20］，用于航天器艙門的鎖緊機構［21］、星載激光通信端機的重復鎖緊解鎖機構［22］，以及飛船貨盤固定的重復鎖緊機構［23］，均能實現在軌重復鎖緊解鎖功能，但需將鎖緊件調整到特定狀態，才能實現鎖緊功能。

國際空間站（International Space Station，ISS）對日定向轉動關節產品在發射階段，通過16 個鎖緊裝置（Launch Lock）和10 個約束裝置進行鎖緊；當桁架段發射入軌后，由宇航員出艙解除16 個鎖緊裝置和外側轉動部分的6 個約束裝置，對日定向轉動關節可以正常工作。通過短桿相連對日定向轉動關節的固定部分與轉動部分，通過約束裝置連接固定部分和轉動部分與短桿的連接處。在艙內工作模式下，需要解除外層短桿與轉動部分的約束裝置，使短桿懸空在轉動部分上。因此，國際空間站對日定向轉動關節執行鎖緊動作時，也存在一定的角度限制和在軌操作需求。

空間站夢天實驗艙對日定向轉動關節需要能夠360°全角度在軌可重復自動鎖緊解鎖裝置，以滿足發射階段鎖緊需求和入軌后解鎖需求，以及空間站夢天試驗艙對接、轉位等大載荷沖擊工況下的鎖緊解鎖需求，降低宇航員的相關在軌出艙工作量。

本文結合我國空間站夢天實驗艙對日定向轉動關節的鎖緊解鎖需求，設計一種基于雙四桿機構的在軌可重復全角度自動鎖緊解鎖裝置。該產品通過了鑒定級環境試驗、壽命驗證試驗及在軌飛行試驗，其功能和性能得到充分驗證。該機構具有較大的工程應用潛力，為航天器機構的在軌可重復自動鎖緊解鎖需求提供了解決方案。

1 方案設計

夢天實驗艙對日定向轉動關節鎖緊解鎖裝置，主要由鎖緊執行機構和鎖緊驅動機構2 部分組成。鎖緊解鎖裝置整體結構如圖1 所示。鎖緊執行機構是完成鎖緊/解鎖動作的直接執行機構，鎖緊驅動機構是鎖緊執行機構運動所需動力的來源。

圖1 鎖緊解鎖裝置結構Fig.1 Structure of the locking/unlocking device

鎖緊執行機構以雙四桿機構為基礎，通過增加碟簧機構、自適應鎖緊末端效應器、平行四邊形機構、信號觸發機構等，實現對日定向轉動關節環形導軌的鎖緊/解鎖功能。

鎖緊驅動機構輸出端與鎖緊執行機構輸入端連接，為鎖緊/解鎖動作提供動力。鎖緊驅動機構由電機驅動一系列齒輪傳動實現功率的輸出，在傳動鏈中增加安全離合器等功能部件，實現傳動鏈的過載保護功能。

1.1 結構設計

為滿足鎖緊解鎖裝置在有限質量下實現360°全角度可重復自動鎖緊解鎖功能，保證在軌多次鎖緊解鎖動作的可靠性，滿足鎖緊力矩鎖緊剛度等性能需求，在結構設計上采用以下幾種措施。

1）采用無刷直流電機作為鎖緊解鎖動作驅動設備，并接入大減速比的傳動鏈以保證足夠的驅動力矩輸出，對傳動鏈涉及的齒輪及軸承采用濺射二硫化鉬固體的潤滑措施，保證活動部件長壽命運行。

2）采用安全離合器對鎖緊驅動機構傳動鏈進行過載保護，防止故障模式下損傷傳動鏈。

3）作為鎖緊對象的對日定向轉動關節環形導軌沿軸線方向的傾斜會導致四桿機構末端效應器的壓塊無法壓平。為使鎖緊解鎖裝置能適應該方向的偏差，在四桿機構末端增加1 個銷軸副（構件3和構件4 的連接處），保證環形導軌沿軸線方向發生傾斜時，四桿機構中的末端效應器的壓塊始終能夠保持與環形導軌圓弧面貼合，保證鎖緊環形導軌。同時，鎖緊解鎖裝置中的平行四邊形機構的構件3與構件5 連接的銷軸副處采用較大的間隙配合，在保證壓緊塊不與其他零部件發生干涉的情況下，使構件4 可以小幅擺動。

4）對日定向轉動關節環形導軌圓跳動為0.5 mm，該類偏差會導致四桿機構末端效應器壓塊的圓弧面無法與環形導軌圓弧面完全貼合。為使鎖緊解鎖裝置能夠適應該方向的偏差，在末端效應器中采用大剛度碟簧來適應壓緊塊的位置微小的偏差，保證壓緊塊與環形導軌圓弧面的貼合。

5）采用大跨距同軸過約束雙四桿機構以減輕機構質量，雙四桿機構上安裝同步板強制雙四桿機構運動同步，雙四桿機構銷軸副的銷軸表面濺射二硫化鉬固體潤滑膜、雙四桿機構銷軸副的銷孔鑲嵌銅套，降低銷軸副的摩擦系數，提高銷軸副的耐磨性，防止活動部件冷焊，保證雙四桿機構運動同步順暢，避免銷孔配合姿態偏斜導致的相互間偏磨，影響鎖緊解鎖動作正常執行。

1.2 工作原理

在空間站夢天實驗艙對日定向轉動關節發射段、對接轉位等大沖擊工況下，需鎖緊解鎖裝置，實現環形導軌與艙體組件或桁架組件之間的剛性連接。鎖緊解鎖裝置采鎖緊執行機構，同時鎖緊環形導軌圓弧面Ⅰ和Ⅱ，通過摩擦力實現對環形導軌圓弧面切向的鎖緊，實現對環形導軌的鎖緊位置全周任意選取，環形導軌截面如圖2 所示。

圖2 鎖緊執行機構方案Fig.2 Scheme of the locking actuator

通過環形導軌圓弧面摩擦力產生的摩擦力矩克服環形導軌的轉矩，實現環形導軌與艙體組件或桁架組件的連接，保證艙體組件或桁架組件一起隨環形導軌轉動。該鎖緊方式的優點在于，既增加了摩擦工作面（2 個工作面），又可以使環形導軌盡可能減小所承受的徑向力，即在理想情況下，鎖緊機構對圓弧面Ⅰ的鎖緊力與對圓弧面Ⅱ的鎖緊力形成力平衡。不會使環形導軌承受額外的力。鎖緊解鎖裝置的鎖緊執行機構方案如圖2 所示。由圖2可知，支點O1和O2與殼體通過銷軸副相連，構件1與構件2 及構件2 與構件3 之間通過銷軸副相連。構件1 繞支點O1轉動，通過構件2 帶動構件3 繞支點O2擺動，構件3 通過構件4 壓緊環形導軌圓周面。為防止構件4 在鎖緊過程中大幅偏擺，導致與其他構件發生干涉，將構件3、構件4、構件5 及機架形成1 個平行四邊形機構，使構件4 與環形導軌面基本保持平行。

如圖2 所示的自鎖位置，保證鎖緊機構不會因為構件的擾動而發生回彈，破壞鎖緊狀態。為保證機構鎖緊的可靠性，采用過死點的方式，使構件1 到達死點位置后再轉過約5°，此時采用限位塊對構件1限位，并在此位置觸發鎖緊信號，完成鎖緊。

在構件2 中安裝碟簧，通過碟簧的預壓縮實現預緊力的施加，鎖緊過程中，通過碟簧的壓縮實現對摩擦副鎖緊力的逐步施加。

2 參數設計

根據發射段和在軌段的需求分析，鎖緊解鎖裝置需滿足以下幾點要求：

1）對環形導軌圓弧面4 和5 的總鎖緊力不小于350 N。

2）環形導軌在鎖緊方向的偏差不超過0.5 mm，保證鎖緊時徑向附加力不超過3 000 N。

3）鎖緊解鎖裝置執行鎖緊動作時間不超過30 s，執行解鎖動作時間不超過30 s。

為滿足上述3 點技術需求，從鎖緊執行機構碟簧機構、四桿機構和鎖緊驅動機構3 方面對機構重要參數展開計算分析設計。

2.1 碟簧機構設計

在不考慮環形導軌安裝精度和變形的情況下，構件4 能夠保證完全鎖緊導軌，且環形導軌不受額外的徑向力。當環形導軌位置發生偏差時，導致一側壓縮行程增大，另一側壓縮行程減小，兩側受力不均，使導軌承受巨大的徑向力，影響對日定向轉動關節的正常工作。為解決該問題，在構件2 中增加一低剛度、大行程的碟簧機構，用于對摩擦副施加鎖緊力，碟簧機構結構如圖3 所示［24］。

圖3 碟簧機構結構Fig.3 Structure of the discspring mechanism

該碟簧的使用工況可視為靜載荷，碟簧失效形式為在最大應力點產生塑性變形，為保證自由高度的穩定，一般設計碟簧壓平時其強度接近或小于材料的屈服點，壓平時，本產品所用碟簧的強度在使用區間內。

根據工程經驗，對于靜載荷碟簧，其正常工作高度與碟簧總行程最高比值可取0.85 以上。針對目前的設計，考慮碟簧因環形導軌位置偏差引起彈簧過度壓縮的情況，也滿足正常工作高度與碟簧總行程最高比值不大于0.8 的要求，工作最大應力不超過1 100 MPa。該設計取值主要為降低碟簧機構的整體剛度，采用碟簧對合的形式。當碟簧機構承受載荷時，碟簧沿著導向件表面滑動，將一部分載荷傳遞至導向件，使得各碟片承受的載荷由動端的碟片開始向內依次遞減；各碟片的應力大小也不相等，動端碟片的應力最大，壽命最短。因此在將碟簧使用時，應力設計在較小的范圍內，保證應力最大的動端碟片具有足夠的使用壽命。

同時為保證碟簧特性的穩定，減小碟簧的應力幅，提高疲勞強度，取碟簧預壓縮量與碟簧總行程比值為0.33，碟簧預緊力為1 000 N。

環形導軌位置偏差對碟簧機構工作情況的影響分析見表1。

表1 碟簧機構工作點分析Tab.1 Working point analysis of the discspring mechanism

由表1 可得以下結論。

1）環形導軌處于理論位置時，總鎖緊力為11 538 N；環形導軌處于極限偏差位置時，總鎖緊力為11 220 N。摩擦系數按0.1 計算，總鎖緊力為1 122～1 153.8 N，滿足不小于350 N 的指標要求。

2）當環形導軌徑向偏差不大于0.5 mm 時，末端鎖緊力最大壓力差為1 824 N，滿足對環形導軌徑向力不超過3 000 N 的指標要求。

2.2 四桿機構設計

當末端效應器壓緊面接觸到環形導軌圓弧面，桿AB開始壓縮時，桿AB須拆分為2 個構件，且通過沿桿AB方向的滑動副相互約束，桿BO2C可視為固定構件。受力分析如圖4 所示。

圖4 四桿機構受力分析Fig.4 Force analysis of the four-bar mechanism

四桿機構驅動力矩表達式如下：

式中：K為碟簧剛度，N/mm；LAB為桿AB的長度，mm；LO1為桿O1A的長度，mm；LO1B為桿O1B的長度，mm；FA為碟簧鎖緊力，N；M為O1A所受的轉矩，N·mm；θ1為桿O1A的轉角，（°）；θ2為桿O1A與桿AB的夾角，（°）。

按照碟簧對四桿機構在各個位置下的力展開計算。按式（1）計算桿O1A在不同轉角下，桿AB所受的力，由此可得O1A處所受的轉矩。根據該轉矩確定單套四桿機構所需驅動力矩。計算得單套四桿機構所需最大驅動力矩為18 N·m，則雙四桿機構所需驅動力為36 N·m。

2.3 鎖緊驅動機構設計

鎖緊驅動機構采用永磁無刷直流電機驅動，傳動鏈配2 個手動鎖緊/解鎖接口，同時搭載磁滯安全離合器來實現過載保護功能。據輸出力矩及成套件的選用情況，對鎖緊驅動機構傳動鏈進行設計。

電機通過3 級直齒嚙合將動力傳遞至行星齒輪，再經2 級行星齒輪減速器（National Grid Wireless，NGW）型行星齒輪后，通過2 級直齒嚙合將動力傳遞至輸出端。

綜上所述，該方案中輸出轉速范圍為0.634 9～0.821 9 r/min，鎖緊時旋轉角度為77.5°～80°，所需時間為15.7～21.0 s，考慮傳感器延遲觸發（傳感器觸發到電機停止只需數10 ms）或故障模式下安全離合器打滑（5 s），滿足鎖緊解鎖時間小于30 s 的指標要求。

3 性能試驗

3.1 鎖緊力試驗

考慮到在軌環境下對日定向轉動關節環形導軌圓弧面表面存在不同技術狀態，測試對日定向轉動關節環形導軌圓弧面表面不同技術狀態下的鎖緊解鎖裝置的鎖緊力。鎖緊力測試時產品狀態和測試設備如圖5 所示，測試結果見表2，均滿足設計要求。

表2 鎖緊力測試結果Tab.2 Test results of the locking force

圖5 鎖緊力測試Fig.5 Test of the locking force

3.2 鎖緊解鎖試驗

驗證鎖緊解鎖功能時，采用1 段環形導軌模擬件安裝到末端效應器壓緊組件上，模擬鎖緊解鎖裝置對環形導軌的鎖緊解鎖，如圖6 所示。在這一過程中，觀察機構運轉時動作是否順暢平穩無卡滯，鎖緊狀態下是否壓緊貼合，解鎖狀態下分離距離是否足夠，并記錄鎖緊動作和解鎖動作執行時間。經驗證，結果記錄見表3，可知鎖緊解鎖功能均正常實現，機構運轉動作順暢平穩無卡滯，鎖緊狀態壓緊貼合度高，解鎖狀態下分離正常且分離距離足夠。

表3 鎖緊解鎖功能驗證Tab.3 Verification for the locking and unlocking functions

圖6 鎖緊解鎖裝置解鎖狀態Fig.6 Unlocking status of the locking/unlocking device

圖7 壽命試驗前繞組電流Fig.7 Winding current before the life tests

圖8 壽命試驗后繞組電流Fig.8 Winding current after the life tests

3.3 壽命驗證試驗

為保證在軌工作可靠，采用研制產品進行壽命驗證試驗，累計執行鎖緊解鎖動作2 000 多次。試驗前后進行了常溫性能測試，壽命試驗前后測試結果見表4。測試結果表明：試驗前后，鎖緊解鎖動作各項性能滿足要求，動作順暢靈活無卡滯；電機繞組電流無明顯變化，即鎖緊執行機構各銷軸副試驗前后狀態一致，性能穩定，各銷軸副阻力矩無明顯變化，鎖緊驅動機構傳動鏈各齒輪試驗前后狀態一致，性能穩定，各齒輪副間嚙合狀態無明顯變化，傳動效率無明顯變化。

表4 壽命試驗情況Tab.4 Life tests

4 結束語

針對空間站夢天實驗艙對日定向轉動關節，設計一種用于滿足其在軌期間多次自動鎖緊解鎖需求的鎖緊解鎖裝置，利用研制的產品開展多項試驗，對該鎖緊解鎖裝置的功能和性能進行了測試驗證，得出以下結論。

1）鎖緊解鎖裝置額定直流工作電壓為28 V，壽命末期最大功耗為6.356 W，解鎖安全距離為4.9 mm，滿足使用需求。

2）鎖緊執行機構雙面鎖緊環形導軌，環形導軌圓弧面涂滿真空潤滑油脂的極端工況下鎖緊力安全裕度為2.1，能夠保證對日定向轉動關節可靠鎖緊。

3）鎖緊解鎖裝置在真空環境下和常壓環境下完成驗證試驗，鎖緊動作執行時間為17.09～17.27 s，解鎖動作執行時間為16.51～16.89 s。

4）通過地面2 000 多次鎖緊解鎖動作次數壽命驗證試驗可得，試驗前后產品各項性能滿足要求，動作順暢靈活無卡滯，繞組電流無明顯變化。

本文設計的鎖緊解鎖裝置具有全角度自動鎖緊解鎖、結構緊湊和可靠性高的優點，能實現在軌多次可靠鎖緊解鎖功能，適用于空間機構的在軌多次自動鎖緊解鎖，具有較大的工程應用潛力。