Механическое устройство фиксации шарнирно соединенных элементов конструкций
MECHANICAL DEVICE FOR FIXING STRUCTURAL ELEMENTS CONNECTED WITH HINGES

Изобретение относится к космической технике, в частности к шарнирно соединенным элементам конструкций космических аппаратов, например штангам крупногабаритных рефлекторов антенн, и предназначено для обеспечения фиксации в рабочем положении прецизионных шарнирных узлов (ПШУ) штанг с высокой точностью и повторяемостью рабочего положения.
Так, например, в известном механическом устройстве раскрытия и складывания трансформируемых конструкций космического аппарата (патент RU 208787 U1), фиксация происходит посредством крючка фиксации, установленного на одном из кронштейнов шарнирного узла, способного фиксировать трансформируемые элементы космического аппарата относительно друг друга, с последующим освобождением их под действием управляющего усилия.
Из уровня техники также известно аналогичное решение фиксации ПШУ с применением в качестве люфтовыбирателя (устройства, устанавливаемого на неподвижную часть ШУ и создающего большое усилие стягивания неподвижной и поворотной части до обеспечения стыка ПШУ и направленное перпендикулярно этому стыку) длинноходовой пружины сжатия с жестким зацепом, сцепляемым с защелкой, установленной на поворотной части ШУ и обладающей четырьмя степенями свободы.
Недостатками данного технического решения являются:
1) Малая жесткость в направлении перпендикулярном стыку ПШУ, так как разобщение стянутого стыка между частями ШУ происходит при превышении усилия пружины;
2) Невозможность регулировки усилия стягивания, вследствие чего допуск на усилие может достигать ± 14% из-за допусков на изготовление пружины;
3) Неудобная процедура приведения люфтовыбирателя в взведенное положение, требующая значительных усилий и специального инструмента.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является механизм раскрывания/закрывания и фиксации шарнирно соединенных друг относительно друга элементов (патент RU 2745769).
Техническими задачами заявленного устройства фиксации (УФ) являются:
- повышение жесткости ПШУ и усилия стягивания перпендикулярно стыку ПШУ;
- исключение люфта в стыке ПШУ.
- обеспечение возможности регулировки усилия стягивания стыка ПШУ;
- упрощение приведения устройства фиксации ПШУ во взведенное положение;
Техническая проблема решается благодаря применению в качестве устройства фиксации и стягивания частей ПШУ в рабочем положении УФ, состоящего из симметрично расположенных рычагов, которые имеют возможность поворачиваться на осях, расположенных в середине рычага, оси закреплены на неподвижном корпусе механизма. К нижней части каждого рычага шарнирно присоединена одним концом распорка, вторые концы распорок шарнирно соединяются друг с другом осью со свободно вращающимся роликом, на который в рабочем положении давит пружина сжатия. Верхние концы рычага содержат запрессованные штыри, которые взаимодействуя с поверхностями захвата на поворотной части ПШУ, в рабочем положении образуют самотормозящиеся клиновые соединения. Двойная редукция стягивающего усилия обеспечивается расположением распорок с углом, близким к развернутому, и двумя клиновыми соединениями штырей с захватом. УФ также содержит стопор, обеспечивающий взведенное положение механизма и срабатывание его в необходимый момент движения. УФ также содержит регулировочные элементы, обеспечивающие настройку в составе ПШУ.
Примером реализации УФ служит ПШУ штанги крупногабаритных рефлектора антенны, устанавливаемый на корпус космического аппарата.
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - показана конструкция и составные части УФ во взведенном положении.
Фиг. 2 – показана конструктивно-компоновочная схема ПШУ с УФ в рабочем положении.
Фиг. 3 – показаны начальная и конечная фазы срабатывания стопора УФ ПШУ в разрезе.
Фиг. 4 – показаны ПШУ с ФУ в разрезе, в рабочем положении и схема двойной редукции усилия стягивания.
УФ (см. Фиг. 1) содержит корпус 1 и переходник 2 с наружной резьбой М52×1 и восемью резьбовыми отверстиями Б, корпус и переходник стыкуются четырьмя шпильками 20 и гайками 21 с шайбами 22. На отверстия В в корпусе 1 устанавливаются две оси 4 и рычаги 6 с запрессованными штырями 14. К рычагам 6, посредством осей 18, присоединяются распорки 15 и 17, которые в свою очередь соединяются осью 18, на которой размещен свободно вращающийся ролик 16. Во взведенном состоянии рычаги 6 удерживаются пружинами 5. На резьбовые отверстия в корпусе, посредством четырех винтов 19, устанавливается стопор. Стопор состоит из стакана 3, в который вставляется гильза 10, в гильзу по резьбе устанавливается втулка 9 со штоком 7. Между стаканом 3 и штоком 7 установлена пружина 8. В гильзу 10 установлен наконечник 13 со стопорной пружиной 11, в четырех отверстиях гильзы установлены шарики 12. Стопор обеспечивает фиксацию подпружиненного пружиной 8 штока 7 засчет фиксации гильзы 10 шариками 12, невыпадение которых обеспечивает наконечник 13.
Конструктивно-компоновочная схема ПШУ (см. Фиг. 2) состоит из неподвижной части 23 и поворотной части 24. Поворот обеспечивается приложением усилия к поворотной части 24 от внешнего (условно не показан) привода (пружинного, электромеханического и т.д.), установленного на неподвижной части 23. На поворотной части 24 расположены четыре сферы 25 и захват 31. На неподвижной части 23 размещены коническая опора 26, прямолинейная направляющая 27, плоский упор 28, плоский регулируемый упор 29 и  УФ 30. Три сферы 25 и опора 26, направляющая 27, упор 28 обеспечивают прецизионное позиционирование ПШУ в рабочем положении по пяти степеням свободы. Сфера 25 и регулируемый упор 29 при касании обеспечивают повышенную жесткость ПШУ, для обеспечения касания необходима упругая деформация в трех местах позиционирования. Эту деформацию и фиксацию по шестой степени свободы и обеспечивает УФ 30, создавая большое усилие стягивания неподвижной и поворотной части до обеспечения стыка ПШУ и направленное перпендикулярно этому стыку, которое прикладывается к захвату 31.
УФ работает следующим образом.
Поворотная часть  с установленным на четыре винта 32 (см. Фиг. 3) захватом 31, в который вкручен регулировочный винт 33 с контргайкой 34 поворачивается внешним приводом и нажимает на подпружиненный стопорной пружиной 11 наконечник 13 (см. Фиг. 3, начальная фаза). Наконечник 13 движется вниз до момента (см. Фиг. 3, конечная фаза), когда шарики 12  в гильзе 10 под действием пружины 8 получают возможность сместиться в горизонтальном направлении до конической поверхности наконечника 13. В этой фазе шток 7 под действием пружины 8 получает возможность двигаться вниз до касания ролика 16 (см. Фиг. 1). В момент касания ролика 16 поверхности А захвата 31 (см. Фиг. 3, начальная фаза) находятся в положении, при котором установленные на рычагах 6 штыри 14 (см. Фиг. 1) гарантировано входят в контакт с ними. Это обеспечивается регулировкой положения регулировочного винта 33 с контргайкой 34 по резьбе в захвате 31 (см. Фиг. 3). Шток 7, надавливая на ролик 16, обеспечивает, засчет поворота распорок 17, поворот рычагов 6 со штырями 14 до касания с поверхностями А захвата 31. В рабочем положении ПШУ (см. Фиг. 4) штыри 14 образуют с поверхностями А захвата 31 самотормозящееся клиновое соединение, обеспечивающее фиксацию ПШУ по шести степеням свободы.
Техническим результатом является:
- повышение жесткости ПШУ и усилия стягивания в стыке ПШУ за счет наличия двойной редукции усилия стягивания (позволяющее достичь увеличения усилия до 15 раз (см. Фиг. 4)) используя пружину сжатия с усилием менее 1,5 кг и массой менее 0,1 кг, перпендикулярность усилия обеспечивается:
а) совместной (пакетной) обработкой рычагов и распорок, в части выполнения отв. под оси и штыри, обеспечивающей нулевое отклонение от симметричности размеров;
б) изготовление осей и штырей из одной обрабатываемой заготовки, обеспечивающее нулевое отклонение по диаметру;
в) изготовление захвата в виде тела вращения (токарной обработкой), обеспечивающее нулевое отклонение от симметричности контактных поверхностей под штыри;
- наличие переходника с наружной резьбой М52×1, позволяющего настраивать рабочее положение устройства в зажатом состоянии с высокой точностью (до 0,04 мм);
- исключение люфта в стыке ПШУ за счет самотормозящегося клинового соединение, обеспечивающее фиксацию ПШУ по шести степеням свободы;
- обеспечение возможности регулировки усилия стягивания стыка ПШУ засчет эффекта двойной редукции, что обеспечивается установкой между пружиной сжатия и штоком набором тонких прокладок (меньше 1 мм);
- упрощение приведения устройства фиксации ПШУ во взведенное положение засчет отсутствия необходимости использования каких-либо приспособлений, взведение обеспечивается приложением к ролику усилия 1,5 кг вручную.