一种模块化可更换抓捕装置设计

2022-11-30高艳慧蔺相飞信义兵万志恒

现代制造技术与装备 2022年10期

高艳慧谭庆蔺相飞信义兵万志恒

（1.湖南国防工业职业技术学院，湘潭 411207；2.武汉高德红外股份有限公司，武汉 430071）

在轨维护和维修、在轨加注、在轨功能扩展和软件升级等在轨服务任务，日益成为我国卫星发展的重要任务[1-4]。空间对接机构用于实现两个航天器之间的多次连接、保持连接和分离。捕获锁紧装置是对接机构的重要组成。现有的几种对接机构存在质量体积大、结构复杂以及驱动动力数量多等缺点[5-8]。本文在前人研究的基础上，提出了一种体积小、质量轻、使用一个动力源的模块化可更换捕获锁紧装置。

1 工作原理

1.1 结构组成

抱合锁紧装置的底板与舱体面板固定连接，左右对称的限位槽通过螺钉固定在舱体面板上。如图1所示，抱合锁紧装置由蜗轮、蜗杆、蜗杆座、电机、不完全齿轮1、齿轮轴、滑动座、不完全齿轮2、锥齿轮1、摆杆、锥齿轮2、导引块、锥齿轮3、直齿轮、抱合爪、摇摆座、固定座、弹簧阻尼器、螺母以及防跳销等组成。

图1 抱合锁紧装置结构

1.2 安装关系

固定座、导引块以及弹簧阻尼器通过螺钉固定安装在舱体面板上。滑动座通过T形槽安装在固定座上，可沿固定座的T形槽前后移动。摆杆和摇摆座通过螺钉固定连接在一起。摆杆通过安装轴和轴承套接在滑动座的安装孔内。摆杆的前端圆柱凸起插入导引块的导引槽。当摇摆座随滑座一起前后运动时，摆杆和摇摆座在导引槽的带动下能沿安装孔转动。直齿轮2和直齿轮通过螺钉固定连接在一起。锥齿轮2和锥齿轮3通过安装轴套接在摇摆座上，且相互啮合。电机和蜗杆座通过螺钉固定安装在滑动座上。蜗杆一端通过轴承套接在蜗杆座的安装孔内，另一端通过联轴器与电机主轴固定连接。齿轮轴通过轴承套接在滑动座的安装孔内，可绕其安装孔转动。锥齿轮1、不完全齿轮1以及蜗轮均通过平键固定安装在齿轮轴上。锥齿轮1与锥齿轮2的齿面相啮合。不完全齿轮2通过轴承套接在滑动座的安装孔内，且齿面与固定在固定座上的齿条相啮合。抱合爪通过T形槽安装在摇摆座上。抱合爪上的齿条结构与直齿轮啮合，当直齿轮转动时，可带动抱合爪沿T形槽上下滑动。防跳销套接在滑动座的方孔内，尾端与螺母固定连接。在防跳销上套接有一截圆柱弹簧。该圆柱弹簧一端与防跳销接触，另一端滑动座接触，始终有将防跳销顶出滑动座的趋势。该趋势被防跳销尾端的螺母所限制。

1.3 动作原理

工作时，电机正转带动蜗杆、蜗轮、不完全齿轮1以及锥齿轮1依次转动。在蜗轮和不完全齿轮转动51°以前，不完全齿轮1将带动不完全齿轮2转动。不完全齿轮2与固定座上固定的齿条相啮合后，将带动整个滑动座向前移动，使固定座向前运动，将法兰姿态归正。固定座向前移动的这一段距离，摆杆和摇摆座受到导引块上导引槽的作用将发生小角度偏转，使抱合爪与法兰的正接触面积达到最大。当蜗轮和不完全齿轮1转动超过51°且继续转动时，不完全齿轮1的圆柱面与不完全齿轮2的凹面相接触。此时，不完全齿轮1继续转动时不完全齿轮2将不再发生转动。蜗杆带动蜗轮、不完全齿轮1、锥齿轮1、锥齿轮2、锥齿轮3以及直齿轮依次转动。直齿轮将通过抱合爪上的齿条结构带动抱合爪向下运动，将法兰压紧在滑动座上。在抱合爪带动法兰向滑动座运动时，固定在固定座上弹簧阻尼器将对法兰的运动进行缓冲，防止产生较大的刚性碰撞[9]。

2 仿真结果及分析

应用刚体动力学仿真软件建立如图2所示的刚体动力学仿真模型。弹簧采用软件自带的模型，对舱体面板、导引快与大地施加固定副，活动座与舱体面板施加滑动副，摇摆座与滑动座施加旋转副，蜗轮和不完全齿轮与滑动座施加旋转副，其余各齿轮分别与摇摆座施加旋转副[10-12]。在无重力条件下进行仿真，两两接触的零件施加接触副，各刚体接触面摩擦系数按材料的不同设置为0.05或0.10不等。