太阳翼机构铰链装配过程的技术攻关

冯利明 孟庆昕 李晓峰 李鹏 焦云雷

摘要：根部铰链及板间铰链是各种型号小卫星上太阳翼机构中的重要部件。本文叙述了铰链在装配过程中产生机械变形的机理及消除变形的方法，并简要介绍了装配过程的技术攻关内容。

关键词： 根部铰链  滑道  平面涡卷弹簧  板簧

一、引言

根部铰链及板间铰链是各型号小卫星太阳翼机构上重要部件。该部件的材质有1Cr18Ni9Ti、QBe1.9C、TB2、2A14T6，最大包络外形为211.5×126×105.5mm，安装面的平面度要求小于0.02mm，铰链对展开力矩，过程阻力矩，展开刚度等参数要求严格，装陪过程中时常出现刚度、力矩、阻力矩等不合格的情况。

二、对工件功能及结构分析

根部铰链及板间铰链等将太阳翼上各个太阳翼基板连接在一起并依靠铰链中平面涡卷弹簧的弹力，提供太阳翼的展開动力，将太阳翼按要求的展开速度展开到规定位置并锁定。板间铰链主要由钩铰和锁铰组成，钩铰和锁铰通过关节轴承相互配合，其中锁铰与轴承的外圈连接，钩铰通过轴与轴承的内圈连接，钩铰和锁铰分别与相邻的太阳板连接，由此形成了相邻的两块太阳板之间或太阳板与连接架之间可转动的连接。平面涡卷弹簧一端通过轴与钩铰连接另一端通过弹簧支杆与锁铰连接，平面涡卷弹簧为铰链提供展开的动力，其预转角的大小决定了驱动力矩的大小，影响展开的速度。[1]铰链中的锁定装置是在铰链完全展开状态下使钩铰和锁铰相对位置固定，其功能的实现是靠板簧的弹力作用将锁定钩上的锁轴压紧在锁铰的锁紧槽中。锁轴与滑道的磨擦状态直接影响铰链的阻力矩，影响展开的平滑程度及平面涡卷弹簧的预转角。根部铰链与板间铰链结构相似，所不同之处是将两个钩铰与带有法兰盘的底座组合成一个工件即根铰底盘。除了在尺寸、形状和弹簧参数上有所不同外，根部铰链的构造与板间铰链相同。

三、装配难点分析

1、为保证锁轴在滑道上的转动平滑，磨擦阻力小，要求滑道外圆与轴同轴，且表面光滑摩磨擦阻力小。如果滑道外圆不规则或表面不平滑，则铰链的阻力矩就较大且特性曲线不平滑，起伏波动大，为保证铰链能够展开就要求大的驱动力矩，从而导致太阳翼展开速度快，对星的冲击大，严重时会影响星的姿态。滑道选用的是自润滑材料，磨擦系数小，装配时主要是保证滑道外形规则，外圆与铰链轴线同轴以及表面的粗糙度小。[2]因此滑道在铆接时，要求检查滑道形状尺寸是否规则，并根据钩铰或根铰底盘上的槽修配滑道的R12.5圆角，使靠近R28.793尺寸处无间隙;修配后检查滑道与滑道槽的配合状况，要求用手按压滑道无窜动现象;铆接后需要检查滑道外圆是否与铰链轴线同轴，根铰底盘两侧滑道是否等高。

而滑道采用的是自润滑材料（二硫化钼），因为材料弹性模量不同，因而在铆接过程中不同的膨胀系数产生不同的弹性变形，导致滑道圆弧R33.407mm微小的变化，就使滑道的运动轨迹曲线不是一条光滑的直线，而成为锯齿形状进行爬升，它就会影响锁轴落入锁槽中锁定。如果出现这种情况，就会造成根部铰链展开阻力矩增大，可能造成使太阳翼无法展开，最终导致卫星失效。

2、板簧和平面涡卷弹簧的选用

板簧的作用是在展开后通过弹力作用将锁定钩上的锁轴压紧在锁铰的锁紧槽中，使铰链处于锁定状态;在展开过程中，由于弹力作用使锁定钩上的锁轴压紧在滑道上，其外形尺寸、安装位置及弹力的大小等影响铰链展开的阻力矩，进而影响平面涡卷弹簧的预转角及太阳翼展开的速度及平稳性。平面涡卷弹簧为铰链提供展开动力，其驱动力的大小决定了铰链驱动力矩的大小，影响展开的速度。

板簧采用的材料是QBE1.9C，其化学成分为AL=0.15﹪、Fe=0.15﹪、Pb=0.005﹪、Si=0.15﹪、N3=0.2～0.4﹪、Ti=0.10～0.25﹪、Be=1.85～2.1﹪、其它杂质=0.5﹪。

其在软态（淬火后）时：弹性模量E=110GPa、抗拉强度δ6=450MPa、伸缩率δ=40﹪、布氏硬度HBS=HV90。

其在时效态时：弹性模量E=131.5GPa、抗拉强度δ6=1250MPa、伸缩率δ=2.5﹪、布氏硬度HBS=HV375。

其优点：弹性迟滞小，疲劳强度高，温度变化时弹性稳定，性能对时效温度变化的性小，价较低而强度硬度比QBe2降低少。

用途：制作重要用途的弹簧、精密仪表的弹性元件以及承受高变的载荷的弹性元件。

平面涡卷弹簧采用的材料是TB2，其化学成分：M0=0.15﹪、V=4.7～5.7﹪、Cr=7.5～8.5﹪、Fe=0.30﹪、C=0.05﹪、N=0.04﹪、H=0.015﹪、O=0.15﹪、其它0.1～0.4﹪。TB2是β型钛合金，主要合金元素铜、铬、钒等β稳定化元素，可热处理强化，有较高的强度、焊接性能和压力加工性能良好。

由于板簧和平面涡卷弹簧为钣金折弯零件，尺寸一致性差，在热处理后外形及力学性能不一致，变化很大，如果选择不当就会使根铰底盘左右两侧锁铰或各太阳翼板间展开速度不一，前后不同步出现时间差，造成太阳翼展开过程不符合要求。因此在装配的过程对这两种零件的选择就提出了很高的要求。

四、解决措施

1、在根铰底盘与滑道铆接后，原有工艺是在机床上进行修磨，在无加工中心时找正装夹困难，而且加工后还需手工进行修整，达不到理想要求，加工复杂。通过观察、研究查找资料，经与工艺协商，我提出自制胎模，用芯轴进行中心定位，自制刀具对滑道进行配修。在修整滑道时，用螺母压紧的力量要适当、均匀，不能过松或过紧，否则影响转动灵活性及间隙，修磨的量要均匀一致，使外圆到中心的尺寸一致，需要通过对刀块等及时比对、测量;在转动钩铰时要平稳、速度均匀，否则滑道粗糙度达不到要求，影响的修整效果，最后还需要对滑道表面进行抛光，使表面光滑，磨擦阻力小。在滑道修整后，再送检验，用三坐标进行检验，完全达到了滑道圆弧R33.407mm要求。这样既保证了精度，又保证了一致性，而且提高了工作效率，保证了滑道外形尺寸一致，表面质量好，为后续装配工作打好基础。

2、开关臂组件及微动开关装配时，一方面要保证开关臂组件与微动开关的相对位置尺寸，另一方面还要调整开关臂组件与锁定钩的位置尺寸。因开关臂也为弹性元件且安装部位操作空间小，测量调整不便，很难测量及判断间隙是否达到0.8±0.2。通过实际摸索，制作了一套专用工装，装配前对开关臂进行校形使其与工装贴合良好，消除测量时弹性对测量判断的不利影响，装配时通过工装对工件间的相对位置及尺寸进行控制，利用工装确定装配位置，大大减少了原先装配时所需的调整时间，同时提高了测量判断的准确性，对保证产品质量及可靠性起到积极的作用

五、结果及效益

通过以上方式，实现了铰链的各种力学参数的准确控制，大大提升了铰链的装配合格率。从而降低了产品生产成本，直接或间接节约成本进百万元。

参考文献

[1] 邓小群，李天齐，王伽，陈金凤，马巧红，刘念，吴光旭，刘文.一种空间有源太阳翼铰链机构设计与研究[J].导航定位与授时，2020，7（01）：126-132.

[2] 李全贺. 高刚度铰链设计及其在太阳翼上的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2017.

作者简介：冯利明，性别男，籍贯山西省五台县，学历，大专，专业，机械，单位，天津航天机电设备研究所。