ШАРИКОВЫЙ ЗАМОК
BALL LOCK

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к соединительно-разделительным механизмам, и может быть использовано, например, для установки полезных грузов на международной космической станции (МКС).
Известен шариковый замок (Авт.св. СССР N2291327 МПК: B64G 1/66, F16B 21/18, 2/16, 29.12.2004), который может быть использован, например, для спуска вставного погружного насоса в скважину, содержащий шток, закрепленный на одном из объектов, втулку с двумя рядами радиальных отверстий, в которых установлены запорные шарики, установленную на втором объекте, запорное кольцо, на внутренней поверхности которого выполнены две проточки для его фиксации запорными шариками. Во втулке выполнен внутренний бурт и продольный паз. Со стороны закрепляемого объекта во втулке установлен подпружиненный толкатель, соединенный с запорным кольцом штифтом, расположенным в продольном пазу втулки. По другую сторону бурта расположен подпружиненный запорный вкладыш. Недостатком указанной конструкции является расфиксация объектов после приложения случайного продольного усилия к закрепляемому объекту и невозможность повторной фиксации без разборки и взведения механизма, что недопустимо при работе с объектами, устанавливаемыми на МКС при внекорабельной деятельности (ВКД).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является шариковый замок (Авт.св. СССР N2291328, МПК: B64G 1/66, F16B 21/18, 2/16, 29.12.2004), содержащий шток с рабочей поверхностью, закрепленный на одном из объектов, соосно установленную со штоком втулку с буртом и продольными пазами, размещенную на втором объекте, запорное кольцо, запорные шарики, взаимодействующие со штоком, пружину сжатия, опирающуюся первым концом на бурт, а также ограничитель перемещения, установленный в запорном кольце и размещенный в продольных пазах втулки.
Недостатком шарикового замка является необходимость работы двумя руками при замыкании и размыкании, т.к. при замыкании надо преодолеть сопротивление подпружиненного запорного вкладыша, а при размыкании - сопротивление подпружиненного толкателя. В условиях открытого космоса это невозможно, т.к. перемещение подпружиненных элементов конструкции вызовет реактивную силу, отталкивающую космонавта в открытый космос, если он не зафиксировался второй рукой или специальным приспособлением, для фиксации которого надо создавать специальные места. Причем, после расфиксации, второй объект, если его также не зафиксировать специальным приспособлением, начнет свободное парение в космосе. Объекты устанавливаются соосно, но возможно качание по головке штыря, угловое положение объектов, также, не определено.
Задача, решаемая с помощью предлагаемого соединительно-разделительного механизма, заключается в обеспечении возможности установки и переустановки на МКС различных полезных грузов, случайная расстыковка которых от внешнего воздействия исключена.
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является обеспечение соединения и разделения двух объектов сжатием кисти руки, не вызывающим реактивных сил, и удержания расстыкованного объекта.
Технический результат достигается тем, что в шариковом замке, содержащем шток с рабочей поверхностью, закрепленный на одном из объектов, соосно установленную со штоком втулку с буртом и продольными пазами, размещенную на втором объекте, запорное кольцо, запорные шарики, взаимодействующие со штоком, пружину сжатия, опирающуюся первым концом на бурт, а также ограничитель перемещения, установленный в запорном кольце и размещенный в продольных пазах втулки, в отличие от известного, рабочая поверхность штока выполнена в виде конической компенсации различных коэффициентов температурного расширения. Снабжение втулки и штока стыковочными фланцами и посадочными поверхностями позволяет однозначно центрироваться по оси, однако остается люфт, обусловленный выбором разных материалов. Выполнение рабочих поверхностей в виде конических, причем разность углов конусов лежит в пределах угла самоторможения, обеспечивает безлюфтовую посадку по оси. Разность материалов рукоятки запорного кольца и втулки также обусловила необходимость зазора, компенсирующего разность коэффициентов температурного расширения.
Расположение головки захвата запорного кольца под головкой захвата втулки исключает вероятность случайной расстыковки объектов, т.к. рабочее перемещение запорного кольца в сторону от МКС исключает, например, удар метеорита. Размеры головок захвата обусловлены параметрами руки в скафандре, а усилие сжатия пружины - силовыми характеристиками руки в скафандре, однако при малых усилиях соответственно уменьшится и усилие самоторможения, а следовательно, и усилие удержания полезного груза, так что оптимальна работа с усилиями 2÷3 кг.
Совмещение центров головок захвата с осью втулки повышает надежность схвата, т.к. пальцы руки располагаются по обе стороны рукоятки запорного кольца, что исключает выскальзывание, а выполнение на наружной поверхности головки захвата запорного кольца по узким граням фасок с углом 1÷5°×20÷40 мм позволяет приблизиться к форме сжатой руки и оптимально использовать работу всех пальцев кисти.
При необходимости однозначно ориентировать полезные грузы по углу, допускается установка направляющего штифта на посадочном фланце и соответственно выполнение паза на стыковочном фланце.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 приведена схема шарикового замка в замкнутом состоянии (при соединенном положении объектов), разрез, а на фиг.2 приведена схема поверхности.
На штоке выполнены посадочный буртик и посадочный фланец, на втулке выполнен стыковочный фланец с посадочным отверстием и заходной фаской, стыковочный фланец снабжен адаптером для установки второго объекта, во втулке неподвижно установлен вкладыш, рабочая поверхность которого выполнена в виде конической поверхности, причем угол наклона рабочей поверхности втулки больше угла наклона рабочей поверхности штока на 1÷2°, втулка, также, снабжена рукояткой с головкой захвата, в запорном кольце выполнены радиальные отверстия, в которых установлены запорные шарики, при этом наружная посадочная поверхность запорного кольца взаимодействует с внутренней посадочной поверхностью рукоятки втулки, ограничитель перемещения выполнен в виде не менее двух выступающих над поверхностью запорного кольца элементов и запорное кольцо снабжено рукояткой с радиальными отверстиями, охватывающими ограничители перемещения, рукоятка с зазором охватывает втулку, на рукоятке выполнена головка захвата, а пружина сжатия вторым концом опирается на запорное кольцо.
Головка захвата запорного кольца расположена параллельно головке захвата втулки, расстояние между ними больше рабочего хода запорного кольца на 1÷5 мм, головки захвата выполнены одинаковой формы, вписывающейся в прямоугольник размером 60÷100 мм×25÷40 мм, расстояние между наружными поверхностями головок составляет 20÷35 мм, а усилие сжатия пружины составляет 0,1÷3 кг.
Центр головок захвата совпадает с осью втулки и на наружной поверхности головки захвата запорного кольца по узким граням выполнены фаски с углом 1÷5°×20÷40 мм.
Для обеспечения точности и долговечности, силовые и трущиеся детали шарикового замка выполнены стальными, а для обеспечения минимального веса, фланцы, адаптер, рукоятка запорного кольца и головки захвата выполнены из алюминиевого сплава, что обусловило выполнение гарантированных зазоров между взаимодействующими деталями для шарикового замка в разомкнутом состоянии (когда второй объект можно продольным движением вывести за поверхность штока), разрез.
Шариковый замок содержит шток 1 с рабочей поверхностью 2, закрепленный на первом объекте 3, например, на внешней поверхности МКС, втулку 4 с буртом 5 и продольными пазами 6, на которой установлен второй объект 7. Во втулке 4 установлено запорное кольцо 8, в котором установлены запорные шарики 9, а также пружина сжатия 10, опирающаяся первым концом на бурт 5, а вторым на запорное кольцо 8. Запорное кольцо 8 снабжено ограничителями перемещения 11, выполненными в виде выступающих над поверхностью запорного кольца элементов и размещенными в продольных пазах втулки 6.
На штоке выполнен посадочный буртик 12 и посадочный фланец 13. На втулке также выполнен стыковочный фланец 14 с посадочным отверстием 15 и заходной фаской 16, фланец также снабжен адаптером 17 для установки второго объекта 7. Во втулке 4 установлен вкладыш 18, рабочая поверхность 19 которого выполнена в виде конической поверхности, причем угол наклона рабочей поверхности втулки 19 больше угла наклона рабочей поверхности штока 2 на 1÷12°, а также втулка снабжена рукояткой 20 с головкой захвата 21. В запорном кольце выполнены радиальные отверстия 22, в которых установлены запорные шарики 9, при этом наружная посадочная поверхность запорного кольца 23 взаимодействует с внутренней посадочной поверхностью рукоятки втулки 24. Запорное кольцо также снабжено рукояткой 25 с радиальными отверстиями 26, охватывающими ограничители перемещения 11, рукоятка 25 с зазором охватывает втулку 4, на рукоятке 25 выполнена головка захвата 27, она расположена параллельно головке захвата втулки, расстояние между ними больше рабочего хода запорного кольца на 1-15 мм, головки захвата выполнены одинаковой формы и вписаны в прямоугольник размером 60÷100 мм×25÷40 мм, расстояние между наружными поверхностями головок захвата составляет 20÷35 мм, а усилие сжатия пружины составляет 0,1÷3 кг.
Центр головок захвата совпадает с осью втулки и на наружной поверхности головки захвата запорного кольца по узким граням выполнены фаски 28 с углом 1÷5°×20÷40 мм.
Для установки втулки 4 с полезным грузом 17 на штоке 1 необходимо сжатием кисти свести вместе рукоятку 21 и рукоятку 27 (см. фиг.2, в этом положении объекты не зафиксированы друг относительно друга и могут перемещаться в осевом направлении). Рукоятка 21 установлена на ограничителях перемещения 11, через которые она передает перемещение запорному кольцу 8, скользящему посадочной поверхностью 23 по посадочной поверхности втулки 24. При этом шарики 9 свободно выкатываются из паза, образованного коническими поверхностями 2 и 19, и не мешают установке втулки 4 с полезным грузом 7, размещенным на адаптере 17, на шток 1. После поджатия стыковочного фланца втулки 14 к посадочному фланцу штока 13 (см. фиг.1) разжатием кисти освобождается пружина сжатия 10, под воздействием которой запорное кольцо 8 скользит в направлении штока 1, запорные шарики 9 попадают между коническими рабочими поверхностями штока 2 и вкладыша 19 и самоустанавливаются в пазу, образованном рабочими поверхностями, причем, поскольку разность углов конусов меньше угла трения, равного ≈12°, обеспечивается заклинивание и т.о. самоторможение, т.е. безлюфтовое соединение штока 1 и втулки 4 с грузом 7, однако при малой разности углов наклона конусных поверхностей значительно увеличивается рабочий ход запорной втулки, что влечет увеличение габаритов и веса, а при минимальной разности углов, -1°, а с учетом погрешностей изготовления деталей разность углов может быть еще меньше, ведет к необоснованному ужесточению размеров и точностей деталей. Оптимальные параметры достигаются при разности углов 6±2°.
При необходимости строго ориентировать соединяемые объекты по углу, например при установке остро направленных антенн, на фланце штыря может быть установлен штифт, а на фланце втулки, соответственно, выполнен паз.
Расфиксация шарикового замка производится аналогично, т.е. необходимо сжатием кисти свести вместе рукоятку 21 и рукоятку 27 (см. фиг.2), после чего снять втулку 4 с полезным грузом 7, установленным на адаптере 17, со штока 1, далее можно ослабить схват и просто удерживать или переносить полезный груз, держась второй рукой за поручни, которыми оснащена МКС.