ВЫДВИЖНОЙ УПРУГИЙ ТРАНСФОРМИРУЕМЫЙ СТЕРЖНЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ
TELESCOPING FLEXIBLE CONVERTIBLE ROD ELEMENT

Известен упругий трансформируемый стержневой элемент, который имеет сварную конструкцию с замкнутым чечевицеобразным профилем поперечного сечения (Е.Н.Синельников, А.М.Гордиенко и др. Перспективы использования упругих профилей проката. // Машиностроитель. 2007, №4, с.51-53 [1]). В неразвернутом состоянии этот элемент выпрямлен в плоскую двухслойную ленту, намотанную на катушку. В процессе развертывания за счет упругих сил элемент восстанавливает первоначальную форму поперечного сечения и приобретает вид трубчатого стержня, обладающего изгибной жесткостью. Однако в процессе намотки на катушку возможна потеря устойчивости сжатой части ленты, приводящая к образованию неустранимых складок на поверхности стержня в развернутом состоянии и снижению его жесткости.
Кроме того, известен выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент, используемый для соединения друг с другом двух частей космического аппарата с гравитационной ориентацией (патент США №3582020, опубл. 01.06.1971 [2]). Данный элемент представляет собой предварительно напряженную пружинящую ленту, намотанную на катушку и принимающую при освобождении (переводе в развернутое состояние) трубчатую форму с нахлестом кромок ленты на друга. Этот элемент фактически не является замкнутым в поперечном сечении, вследствие чего он не обладает жесткостью при воздействии на него осевого крутящего момента и теряет при таком воздействии свою прямолинейную форму.
Известен также аналогичный выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент, используемый в развертываемой кольцеобразной космической конструкции (патент Российской Федерации №2123459, опубл. 20.12.1998 [3]). Данному элементу присущ такой же недостаток, как и элементу по патенту [2]. Этот недостаток не устраняется, несмотря на наличие нахлеста продольных кромок ленты друг на друга. Жесткость такой конструкции при действии осевых крутящих моментов зависит от сил трения в зоне нахлеста, которые незначительны и существенно уменьшаются в процессе эксплуатации в условиях космоса при действии высоких положительных температур. При этом работа элемента в выдвинутом (развернутом) состоянии близка к работе трубчатого стержня с незамкнутым профилем, т.е. он практически не воспринимает крутящих моментов, теряя свою прямолинейную форму при их возникновении.
Выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент, известный из патента [3], наиболее близок к предлагаемому.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении жесткости выдвижного упругого трансформируемого стержневого элемента при воздействии на него не только изгибающих усилий, но и крутящих моментов. Ниже при раскрытии сущности изобретения и описании его осуществления и использования, в том числе в частных случаях выполнения, будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент, как и наиболее близкий к нему известный, содержит пружинистую ленту с параллельными кромками, намотанную на катушку, и выполнен с возможностью образования в развернутом состоянии цилиндрического профиля с нахлестом кромок пружинистой ленты друг на друга.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом выдвижном упругом трансформируемом стержневом элементе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, пружинистая лента в свободном состоянии имеет плоскую форму и выполнена с перфорацией вдоль одной кромки в виде периодически расположенных одинаковых отверстий, а вдоль другой кромки - с расположенными таким же образом одинаковыми Т-образными лепестками. Каждый лепесток имеет перекладину, ориентированную параллельно продольной оси пружинистой ленты и соединенную со средней частью перекладины ножку, перпендикулярную к продольной оси пружинистой ленты. При этом центры отверстий перфорации находятся напротив середин ножек лепестков. Кроме того, предлагаемый выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент снабжен средством для протягивания пружинистой ленты и вдавливания перекладин указанных лепестков в отверстия указанной перфорации с образованием замкового соединения кромок пружинистой ленты в зоне их нахлеста, а также расположенным между этим средством и указанной катушкой, на которую намотана пружинистая лента, средством для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты с наложением указанных лепестков на отверстия указанной перфорации при сматывании пружинистой ленты с катушки и протягивании ее через это средство.
Благодаря описанному выполнению, для реализации которого необходимы все названные особенности предлагаемого выдвижного упругого трансформируемого стержневого элемента, этот элемент в выдвинутом (развернутом) состоянии приобретает замкнутый профиль и обладает свойствами изотропного материала, что и обеспечивает жесткость его конструкции при воздействии не только изгибающих усилий, но и крутящих моментов.
Средство для протягивания пружинистой ленты и вдавливания перекладин указанных лепестков в отверстия указанной перфорации с образованием замкового соединения кромок пружинистой ленты может быть выполнено в виде зубчатого приводного ролика, имеющего такой же период расположения зубьев, как и отверстия указанной перфорации и лепестки. Ось вращения этого ролика параллельна оси вращения катушки, на которую намотана пружинистая лента, а установлен этот ролик после средства для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты по ходу ее протягивания через это средство с наружной стороны по отношению к формируемому трубчатому профилю. Такое выполнение является наиболее простым и вместе с тем - эффективно выполняющим возложенную на него функцию.
Указанное средство для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты может представлять собой две или более установленных последовательно по направлению протягивания пружинистой ленты оправок с отверстиями для изгиба пружинистой ленты вокруг ее продольной оси по форме этих отверстий, которая в последней из оправок является округлой. Такое выполнение обеспечивает постепенность изгиба пружинистой ленты с сохранением возможности последующего восстановления ею плоской формы. При данном выполнении устройства зона нахлеста кромок пружинистой ленты ориентирована параллельно продольной оси формируемого трубчатого профиля и направлению выдвижения упругого трансформируемого стержневого элемента, а это направление перпендикулярно оси вращения катушки, на которую намотана пружинистая лента.
При описанном выше выполнении указанного средства для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты предлагаемое устройство может быть дополнительно снабжено средством для извлечения перекладин указанных лепестков из отверстий указанной перфорации при наматывании пружинистой ленты на катушку для возвращения упругого трансформируемого стержневого элемента из выдвинутого в невыдвинутое состояние. Это средство может содержать, например, бесприводной зубчатый ролик, имеющий такой же период расположения зубьев, как и отверстия указанной перфорации и лепестки. Ось вращения этого ролика параллельна оси вращения катушки, на которую намотана пружинистая лента в невыдвинутом состоянии предлагаемого упругого трансформируемого стержневого элемента. При этом бесприводной зубчатый ролик установлен с внутренней стороны по отношению к формируемому трубчатому профилю между средством для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты и средством для продвижения пружинистой ленты и вдавливания перекладин указанных лепестков в отверстия указанной перфорации. При наличии описанного средства обеспечивается возможность процесса, обратного формированию замкнутого трубчатого профиля упругого трансформируемого стержневого элемента, т.е. размыкания ранее сформированного замкового соединения кромок пружинистой ленты в процессе наматывания ее на катушку. Благодаря этому устройство может быть использовано многократно.
Для образования указанных Т-образных лепестков пружинистая лента может быть снабжена расположенными вдоль одной из кромок одинаковыми прямоугольными или круглыми отверстиями. Середина ближайшего к этой кромке края каждого из отверстий соединена с кромкой перпендикулярной к ней прорезью, при этом перекладина лепестка образована промежутком между соседними прорезями, ножка - перемычкой между соседними отверстиями, а отверстия указанной перфорации, расположенные вдоль другой кромки пружинистой ленты, тоже имеют соответственно прямоугольную или круглую форму. Как при прямоугольной, так и при круглой форме упомянутых отверстий, описанное выполнение обеспечивает надежное замковое соединение кромок пружинистой ленты и простое размыкание этого соединения. При прямоугольной форме отверстий достигаются лучшее совмещение и автоматическая центровка относительно зуба тянущего ленту приводного ролика, а выполнение с круглой формой отверстий наиболее технологично.
Выполнение устройства по предлагаемому изобретению и его работа иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - вид предлагаемого устройства сбоку в случае выполнения его для образования прямолинейной зоны нахлеста кромок пружинистой ленты, параллельной продольной оси сформированного трубчатого профиля;
- на фиг.2 - то же, вид сверху;
- на фиг.3, 4 - фрагменты пружинистой ленты соответственно с прямоугольными и круглыми отверстиями краевой перфорации и лепестками, которыми снабжены ее кромки;
- на фиг.5а-г - последовательные стадии образования замкового соединения кромок пружинистой ленты при вдавливании лепестка зубом приводного ролика отверстие перфорации;
- на фиг.6а-г - последовательные стадии извлечения перекладин лепестков из отверстий перфорации пружинистой ленты для размыкания замкового соединения кромок пружинистой ленты.
Предлагаемое устройство - выдвижной упругий трансформируемый стержневой элемент - в случае его выполнения, иллюстрируемом фиг.1, 2, содержит пружинистую ленту 1, намотанную в невыдвинутом (неразвернутом) состоянии указанного стержневого элемента на катушку 2. Последняя установлена с возможностью вращения вокруг оси 11 на опоре 12, размещенной на основании 13. Пружинистая лента 1 в свободном состоянии имеет плоскую форму с кромками 6, 7 (фиг.3, 4), параллельными продольной оси 8 ленты, и имеет вдоль кромки 6 перфорацию в виде периодически расположенных одинаковых прямоугольных (фиг.3) или круглых (фиг.4) отверстий 3, а вдоль кромки 7 - расположенные таким же образом Т-образные лепестки 4 с перекладинами 5 и ножками 9.
В случае, показанном на фиг.3, для образования лепестков 4 в пружинистой ленте 1 выполнены периодически расположенные вдоль кромки 7 одинаковые прямоугольные отверстия 53. Середина ближайшего к кромке 7 края каждого из отверстий 53 соединена с кромкой 7 перпендикулярной к ней прорезью 54. Перекладина 5 лепестка 4 образована промежутком между соседними прорезями 54, а ножка 9 - перемычкой между соседними отверстиями 53. Углы прямоугольных отверстий и 3 и углы перекладин 5 могут быть скруглены.
2
1
2
1
3
1
При выполнении, показанном на фиг.3, стороны прямоугольной перекладины 5 ориентированы, как и стороны отверстий 3, параллельно и перпендикулярно продольной оси 8, а края ножки 9 - перпендикулярно продольной оси 8 ленты 1. При этом размер b перекладины 5 в продольном (т.е. параллельном продольной оси 8) направлении превышает размер b отверстий 3 перфорации в этом направлении, а размер h перекладины в поперечном (перпендикулярном указанному) направлении - менее размера h отверстий 3 перфорации в этом направлении. Толщина b ножки 9 должна быть меньше размера b отверстия 3 перфорации в продольном направлении. Отверстия 3 и лепестки 4 расположены вдоль кромок ленты 1 напротив друг друга с постоянным периодом.
2
2
2
3
1
3
2
При выполнении, показанном на фиг.4, перфорация по кромке 6 выполнена в виде круглых отверстий 3, что технологически проще. Для образования лепестков вдоль кромки 7 тоже выполнены круглые отверстия 53. Ближайшие к кромке 7 края этих отверстий, находящиеся от нее на расстоянии h, соединены с данной кромкой прорезями 54. Часть края ленты, расположенная между соседними прорезями 54, образует перекладину 5 лепестка 4. Расстояние h определяет ширину края перекладины 5, а шаг расположения отверстий 53 определяет размер b перекладины (в показанном на фиг.4 случае прорези 54 имеют нулевую ширину). Диаметр отверстий 53 определяет ширину b ножки 9 лепестка 4, образованной промежутком между соседними отверстиями 53. Отверстия 3 перфорации, выполненной вдоль кромки 6, имеют диаметр b, который больше размера b ножки 9 лепестка 4, но меньше размера b перекладины 5 лепестка 4. Отверстия 3 и лепестки 4 расположены друг против друга вдоль кромок ленты 1 с одинаковым постоянным шагом.
На основании 13 размещено также средство 14 для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты 1 при сматывании ее с катушки 2 и протягивании через это средство. Средство 14 предназначено для формирования трубчатого профиля с нахлестом кромок 6 и 7 ленты 1 друг на друга при одновременном наложении лепестков 4 на отверстия 3 перфорации. В показанном на фиг.1 и 2 случае средство 14 выполнено в виде двух установленных последовательно по направлению протягивания (справа налево по фиг.1 и 2) пружинистой ленты 1 оправок 15, 16. Оправки 15, 16 имеют отверстия, предназначенные для изгиба пружинистой ленты по их форме (на фиг.2 видно отверстие 17 оправки 15; невидимое на чертеже отверстие последней по направлению движения ленты 1 оправки 16 имеет округлую форму). Оправки 15, 16 установлены так, что их отверстия симметричны относительно плоскости, проходящей через середину намотанной на катушку пружинистой ленты 1, перпендикулярно оси 11 вращения катушки (на проекции, представленной на фиг.2, этой плоскости соответствует линия 49, совпадающая с продольной осью пружинистой ленты 1, намотанной на катушку 2).
Для протягивания пружинистой ленты 1 предназначено средство 21, выполненное в виде приводного зубчатого ролика 22 с осью 23 вращения, параллельной оси 11 вращения катушки 2. Шаг зубьев ролика 22 соответствует периоду расположения отверстий 3 и лепестков 4. Ролик 22 установлен с наружной стороны по отношению к трубчатому профилю, формируемому средством 14, таким образом, что его зубья 18 могут взаимодействовать с отверстиями 3 перфорации ленты 1 и лепестками 4 (элементы крепления ролика 22 к основанию 13 и его привод на чертежах не показаны). Благодаря этому средство 21 в виде ролика 22 одновременно способно осуществлять вдавливание перекладин 5 лепестков 4 в отверстия 3 перфорации ленты 1.
В исходном состоянии устройства лента 1 намотана на катушку 2, и конец ее, пропущенный через отверстия оправок 15, 16, находится в зацеплении посредством отверстий 3 с зубьями 18 ролика 22. При этом наложенные на отверстия 3 лепестки 4 вдавлены зубьями ролика 22 в отверстия 3. С началом вращения ролика 22 в зацепление с его зубьями вступают новые отверстия 3 ленты 1, в которые этими зубьями вдавливаются новые лепестки 4. После выхода из зацепления очередного отверстия 3 с зубом 18 ролика 22 вдавленный в отверстие лепесток 4, находясь уже внутри сформированного трубчатого профиля, расправляется и обеспечивает надежное замковое соединение кромок пружинистой ленты 1. Несколько последовательных стадий образования замкового соединения при вдавливании лепестка 4 зубом 18 ролика 22 в отверстие 3 и выходе зуба 18 из зацепления показаны на фиг.5а-г. По мере формирования замкового соединения кромок ленты 1 левее (по фиг.1, 2) ролика 22 в средство 14 для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты 1 втягиваются новые участки этой ленты, и к ролику 22 подаются новые участки сформированного профиля из средства 14. В итоге после прохождения профилем ролика 22 (принадлежащего средству 21 для протягивания ленты и вдавливания перекладин 5 лепестков 4 в отверстия 3 перфорации ленты) левее (по фиг.1 и 2) ролика 22 образуется выдвигаемый упругий трансформируемый стержневой элемент 30 с замкнутым трубчатым профилем, нахлест кромок которого надежно скреплен.
Зона нахлеста кромок ленты, в которой образовано замковое соединение, в рассмотренном случае выполнения предлагаемого устройства прямолинейна и параллельна направлению выдвижения упругого трансформируемого стержневого элемента и продольной оси 10 этого элемента в выдвинутом состоянии. Как уже отмечалось, сформированный упругий трансформируемый стержневой элемент с замкнутым трубчатым профилем, находящийся в выдвинутом состоянии, обладает жесткостью при воздействии как изгибающих усилий, так и осевых крутящих моментов. Кроме того, он имеет свойства изотропного материала и не закручивается при растяжении и изгибе.
В случае выполнения предлагаемого устройства, иллюстрируемого фиг.1 и 2, это устройство содержит также средство 31 в виде бесприводного выталкивающего зубчатого ролика 32. Этот ролик установлен с внутренней стороны по отношению к формируемому трубчатому профилю между средством 14 (оправки 15 и 16) для формирования трубчатого профиля пружинистой ленты и средством 21 для продвижения пружинистой ленты и вдавливания перекладин лепестков в отверстия перфорации (ролик 22). Ось 29 вращения ролика 32 параллельна оси 11 вращения катушки 2, а шаг его зубьев 38 - такой же, как у ролика 22. Элементы крепления ролика 32 к основанию 13, не показанные на чертежах, могут быть введены внутрь трубчатого профиля, например, через его незамкнутую часть 35, находящуюся между оправкой 15 и катушкой 2. Средство 31 в виде ролика 32 выполняет функцию извлечения перекладин лепестков 4 из отверстий 3. Данная функция осуществляется при движении ленты 1 в направлении, обратном тому, которое было описано выше. Такое движение реализуется при вращении катушки 2 (вручную или с помощью привода, не показанного на чертежах) для наматывания на нее ленты 1. Ролик 32, осуществляя своим зубом 38 нажатие на перекладину 5 лепестка 4, находящуюся внутри замкнутого трубчатого профиля, выталкивает ее из отверстия 3, в результате чего происходит размыкание профиля. Пружинистая лента 1, проходя далее через оправки 16 и 15 в противоположном описанному выше направлении (слева направо по фиг.1, 2), расправляется, приобретает первоначальную плоскую форму и наматывается на катушку 2. Этим достигается размыкание замкового соединения и перевод устройства из выдвинутого (развернутого) состояния в неразвернутое, т.е. устройство может быть использовано неоднократно с трансформацией в выдвинутое состояние и обратно. Для лучшего выполнения средством 31 функции извлечения перекладин лепестков из отверстий перфорации это средство может содержать, кроме ролика 32, прижим 34, расположенный с наружной стороны трубчатого профиля и между роликом 32 и оправкой 16. Прижим 34 удерживает от радиального перемещения кромки ленты, на которые изнутри профиля воздействует зуб 38 ролика 32. Последовательные стадии процесса извлечения перекладин лепестков 4 из отверстий 3 показаны на фиг.6а-г.
Устройство по предлагаемому изобретению может быть использовано в разнообразных трансформируемых космических конструкциях, содержащих стержневые элементы, например, в качестве мачты для крепления выносных приборов на космических аппаратах, при развертывании орбитальных антенн, панелей солнечных батарей и другого оборудования, для которого требуется доставка к местам функционирования в компактном состоянии и которое при функционировании может иметь значительные размеры.
Источники информации
1. Е.Н.Синельников, А.М.Гордиенко и др. Перспективы использования упругих профилей проката. // Машиностроитель. 2007, №4, с.51-53.
2. Патент США №3582020, опубл. 01.06.1971.
3. Патент Российской Федерации №2123459, опубл. 20.12.1998.