一种机械增力销式连接分离机构

摘要

一种机械增力销式连接分离机构，包括压环、连接轴、推力轴承、过渡套、剪切销、承载环、样品容器和单向运动止逆簧片。本发明采用机械式分离，无火工品等传统的分离方式所必备的引爆电缆引入，解决了作回转运动的功能部件的连接分离问题；本发明通过机械增力方式剪断“剪切销”，分离全过程低冲击、无污染；本发明连接强度可设计，可适用于不同连接强度的分离工况，且可重复使用。本发明耐高低温性能较好，无需施加热控措施，且能够适应大量级振动工况，具有较好地空间适应性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械增力销式连接分离机构，属于深空探测技术领域。

背景技术

用于深空探测的空间探测器在深空星体上获取样品后，将样品封装在一个 圆柱形样品容器内，样品封装完毕后，将样品容器与样品获取机构分离，使样 品容器落入位于空间探测器上的密封容器中。由于此处样品容器分离功能的可 靠性关系到深空星体样品获取任务的成败，是系统单点失效环节，因此该处的 连接分离功能要求高可靠性。

由于样品容器在回收样品时需作多圈回转运动，因此航天器上常用的火工 切割器、火工作动拔销器、包带等传统的连接分离方式所必备的引爆电缆无法 引入；样品容器分离后需精确转移至其正下方的密封容器内，因此要求分离时 低冲击，分离时刻无抖动，平稳释放；连接分离机构安装于空间探测器的舱外 且为悬臂安装，发射阶段力学条件十分苛刻；连接分离机构直接暴露在空间环 境中，对高低温等空间环境的适应性要求较为苛刻。

因此，传统空间机构中使用的分离方式无法满足此处连接分离功能要求， 无成熟设计产品可借鉴，需设计新的连接分离机构以实现样品容器的连接与分 离。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种机械增力销 式连接分离机构，采用机械式分离，无火工品等传统的分离方式所必备的引爆 电缆引入，解决了作回转运动的功能部件的连接分离问题以及全分离过程低冲 击的技术难题；连接强度可设计，可适用于不同连接强度的分离工况。

本发明的技术解决方案是：

一种机械增力销式连接分离机构，包括：压环、连接轴、推力轴承、过渡套、 剪切销、承载环和样品容器；

连接轴为外表面带有台阶的圆柱体，且连接轴的顶部设置有限位凸起，压环 位于连接轴的台阶处且压环与连接轴之间设有螺纹传动副，连接轴顶部的限位 凸起对压环进行轴向限位；

连接轴与过渡套为孔轴配合，过渡套套在连接轴外部，且过渡套的内环位置 有凸起，用于给位于压环与过渡套之间的推力轴承进行径向限位；

连接轴与承载环为同轴刚性连接；样品容器为空心圆柱体结构，样品容器的 内壁与承载环外圆柱面以孔轴配合关系实现径向位移自由度的约束以及径向转 动自由度的约束，推力轴承和过渡套在轴向被压紧在压环与样品容器之间；

样品容器与承载环配合面圆周上沿径向均布多个剪切销以实现轴向位移自 由度的约束以及轴向转动自由度的约束；承载环的圆柱面上与剪切销连接的位 置处沿径向有凹陷；

剪切销的中部有环形切口，剪切销与样品容器和承载环均为孔轴配合，样品 容器和承载环对剪切销均有径向限位，使得剪切销中部的环形切口位于样品容 器的内壁与承载环的凹陷之间。

还包括单向运动止逆簧片，单向运动止逆簧片与压环外表面上设置的棘齿相 互作用，令压环单向旋转。

所述推力轴承与连接轴不接触。

样品容器的内壁与承载环的凹陷之间的距离为0.2±0.05mm

剪切销中部的环形切口的截面为等腰三角形，顶角为30°～120°，顶角处 的圆角为0.2mm～0.8mm。

剪切销中部的环形切口的深度为0.2mm～0.4mm。

所述推力轴承采用推力球轴承或推力滚子轴承。

过渡套与连接轴之间的孔轴配合为H5/g4配合。

样品容器与承载环之间的孔轴配合为H6/g5配合。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明连接分离机构可实现作回转运动的功能部件的连接与分离，采 用机械式分离，未引入火工装置引爆电缆，实现了火工品无法实现的分离工况。 该方案组合巧妙地利用了待分离回转功能部件的驱动机构的反转动力源，不需 要额外动力源。

(2)本发明连接分离机构采用纯机械式分离，相对于传统的火工装置类连 接分离装置，该机构分离过程冲击较小且无污染，能够保证样品容器分离后精 确转移，且对航天器及其仪器设备无损伤。地面试验时无安全风险。

(3)本发明连接分离方案中，压环与连接轴之间设有螺纹传动副，连接轴 旋转时，单向运动止逆簧片与压环外表面上设置的棘齿相互作用，使压环保持 固定方位，则连接轴与压环之间产生相对转动，同时压环沿轴向向下运动，从 而产生向下的剪切压力，剪切压力通过推力轴承和过渡套传递至样品容器上端 面，使样品容器与承载环间产生轴向错动，从而剪断剪切销。本发明利用螺旋 增力原理，将螺旋运动转化为直线运动，实现了输入小转矩到输出大剪切压力 的转化。

(4)本发明连接分离机构中，连接轴与过渡套为孔轴配合，配合间隙较小， 从而保证过渡套沿连接轴向下平稳运动，无摆动，并能承受各个剪切销之间破 断力的偏差对过渡套造成的弯矩，保证了各个剪切销在分离过程中受到的剪切 压力较均匀，保证了压环与连接轴之间的螺纹传动副无偏载。

(5)本发明连接分离机构中，样品容器的内壁与承载环外圆柱面为孔轴配 合，配合间隙较小，实现了径向位移自由度的约束以及径向转动自由度的约束； 剪切销与样品容器和承载环均为孔轴配合，样品容器和承载环对剪切销均有径 向限位，实现了轴向位移自由度的约束以及轴向转动自由度的约束；则样品容 器与承载环之间的6个运动自由度得到完全约束，实现了样品容器与承载环的 高刚度连接。

(6)本发明连接分离方案中，剪切销的中部有环形切口，剪切时在环形切 口处产生应力集中效应而实现剪切销确定位置的破断。环形切口截面的顶角处 设有圆角，用以调节应力集中系数，以适应发射阶段的振动响应载荷。根据不 同的连接分离工况，通过调整剪切销环形切口的深度、环形切口截面的顶角处 的圆角大小等参数，可实现连接强度的柔性设计，具有广泛的适应性。

(7)本发明连接分离方案中，无对力学敏感的元器件和零件，各零件间的 连接与配合刚度高，能够适应大量级振动工况。

(8)本发明连接分离方案中，零件均为空间常用金属材料、润滑方式为空 间固体润滑方式、配合间隙能够适应温度变化造成的间隙改变，因此本发明连 接分离方案耐高低温性能较好，无需施加热控措施，具有较好地空间适应性和 可靠性。

(9)本发明连接分离方案中，剪切销为消耗件，分离过程除剪切销外，其 他部分无损伤，更换剪切销后，可重复实现载荷的连接与分离。该特点可满足 空间在轨和地面使用环境中，需重复进行连接分离的工况。

附图说明

图1为机械增力销式连接分离机构示意图；

图2为剪切销构型及安装示意图；

图3为剪切销构型应用实例示意图。

具体实施方式

本发明为一种适用于空间环境的连接分离机构，用于实现空间探测器上盛 装深空星体样品的样品容器的连接与分离功能，属于深空探测技术领域。本装 置同样适用于其它具有类似连接分离功能的地面设备。本发明连接分离方案中， 样品容器先与承载环连接，样品封装完毕后，连接分离机构采用螺旋增力方式 产生向下的剪切力，剪断安装于样品容器与承载环之间的剪切销，使样品容器 失去轴向约束并沿轴向向下运动，直至与承载环分离。从而实现了样品容器的 连接与分离功能。

如图1所示，本发明提供的一种机械增力销式连接分离机构，包括：压环1、 连接轴2、推力轴承3、过渡套4、剪切销5、承载环6、样品容器7和单向运 动止逆簧片8；

连接轴2为外表面带有台阶的圆柱体，且连接轴2的顶部设置有限位凸起， 压环1位于连接轴2的台阶处且压环1与连接轴2之间设有螺纹传动副，连接 轴2顶部的限位凸起对压环1进行轴向限位，只允许压环1通过旋转沿轴向向 下运动。初始状态下压环1紧贴连接轴2顶部的限位凸起，工作时压环1只能 向下旋转运动，不能向上。

连接轴2与过渡套4为孔轴配合，孔轴配合采用H5/g4配合，配合间隙较小， 保证过渡套4沿连接轴2向下平稳运动，无摆动，保证了各个剪切销5在分离 过程中受到的剪切压力较均匀。过渡套4套在连接轴2外部，且过渡套4的内 环位置有凸起，用于给位于压环1与过渡套4之间的推力轴承3进行径向限位， 使推力轴承3与过渡套4在径向上完全固定，则推力轴承3与连接轴2不接触；

由于分离过程中压环1与过渡套4间存在相对转动，且二者间需传递轴向 力，若采用二者端面润滑后直接滑动摩擦的方式，则接触面上会产生摩擦阻力 矩，且随着剪切压力的增加，摩擦阻力矩随之增加，从而造成螺旋增力机械效 率极低；引入推力轴承3后，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，大大提高了螺旋增 力的机械效率。推力轴承3可根据剪切力的大小选择推力球轴承或推力滚子轴 承，一般情况下推力滚子轴承可承受更大的力。

连接轴2与承载环6为同轴刚性连接；样品容器7为空心圆柱体结构，样品 容器7的内壁与承载环6外圆柱面以孔轴配合关系实现径向位移自由度的约束 以及径向转动自由度的约束，孔轴配合采用H6/g5配合，配合间隙较小，连接 刚度高，推力轴承3和过渡套4在轴向被压紧在压环1与样品容器7之间；

样品容器7与承载环6配合面圆周上沿径向均布多个剪切销5以实现轴向位 移自由度的约束以及轴向转动自由度的约束；承载环6的圆柱面上与剪切销5 连接的位置处沿径向有凹陷；样品容器7的内壁与承载环6的凹陷之间的距离 为0.2±0.05mm。

如图2所示，剪切销5的中部有环形切口，环形切口的截面为等腰三角形， 顶角为30°～120°，顶角处的圆角为0.2mm～0.8mm。剪切销5中部的环形切 口的深度为0.2mm～0.4mm。环形切口的各个特征参数是经过了大量的剪断试验 和力学振动筛选试验后，根据试验结果确定的上述参数范围。

剪切销5与样品容器7和承载环6均为孔轴配合，孔轴配合间隙较小，连接 刚度高，样品容器7和承载环6对剪切销5均有径向限位，使得剪切销5中部 的环形切口位于样品容器7的内壁与承载环6的凹陷之间，保证样品容器7与 承载环6间产生轴向剪切错动时，恰好在环形切口直径最小处将剪切销5剪断。

工作原理：连接轴2与回转动力源连接，连接轴2旋转时，单向运动止逆簧 片8与压环1外表面上设置的棘齿相互作用使压环1保持固定方位，则连接轴 2与压环1之间产生相对转动，同时压环1沿轴向向下运动，从而产生向下的 剪切压力，剪切压力通过推力轴承3和过渡套4传递至样品容器7上端面，使 样品容器7与承载环6间产生轴向错动，从而剪断剪切销5。

装配过程：本发明连接分离机构装配时，先将压环1旋入连接轴2上的螺纹 段，直至压环1上端面与连接轴2顶部的限位凸起贴合；再将推力轴承3与过 渡套4内环位置的凸起卡紧，将二者同时套入连接轴2，并将推力轴承3与压 环1贴合；将承载环6与连接轴2用螺钉刚性连接并保证同轴；将样品容器7 套入承载环6，并将样品容器7和承载环6上对应的剪切销5安装孔对正；最 后将各剪切销5安装到位并实施径向限位。其中，样品容器7和承载环6上配 对的剪切销5安装孔通过组合加工工艺保证配对孔的同轴度。

应用举例：

连接轴2采用3Cr13不锈钢制造，压环1、过渡套4和承载环6均采用TC4 R钛合金制造；剪切销5采用2A12T4铝合金制造，单向运动止逆簧片8采用 TB2钛合金制造。

如图3所示，连接轴2与压环1间传动螺纹副参数为M40×1，与过渡套4 配合圆柱段为Φ30H5/g4配合；样品容器7与承载环6圆柱配合段为Φ40H6/g5 配合；剪切销5圆柱段直径为Φ2mm，中部的环形切口截面为顶角为60°的等 腰三角形，顶角处的圆角为0.2mm，环形切口的深度为0.3mm。

推力轴承3选用51107型推力球轴承。

实际应用效果：

采用应用实例中的设计参数，投产并装配了多套本发明连接分离机构，本发 明连接分离机构完成了力学振动试验、热循环试验和热真空试验等环境试验， 剪切销还完成了剪断试验和力学筛选试验，试验表明，本发明连接分离机构功 能性能可靠，能够承受环境试验的考核，经历环境试验后连接分离功能满足设 计要求。