空间站舱外工具用往复推进机构的设计

2022-12-28冉江南徐春光李占芯

机械制造 2022年9期

冉江南徐春光朱超李占芯高奔陈明

1.天津航天机电设备研究所天津 300458 2.北京空间飞行器总体设计部北京 100094

1 设计背景

空间站的在轨组装建造、维护维修、空间应用与科学试验都需要航天员实施出舱活动,携带相关的设备和舱外工具,完成指定的操作任务[1-3]。我国空间站已开始在轨建造,在一项出舱任务规划中,需要航天员对某设备实现多次往复推进操作。基于功能需求、空间约束,以及航天员人机工效学要求,在传统胶枪驱动机构的基础上[4],笔者采用CREO软件[5]设计了一种空间站舱外工具用往复推进机构。相对于传统胶枪驱动机构,这一往复推进机构具有推力大、可靠性高等优点,并且能够满足航天员舱外环境中单手操作的人机工效学要求[6-8]。笔者对该往复推进机构组成及原理进行介绍,分析航天员重点关注的驱动与解锁的操作力,并进行试验验证。

2 往复推进机构组成

往复推进机构设计过程中,在实现机构功能的前提下,充分考虑了空间环境因素[9-10]。往复推进机构主要由固定手柄、驱动手柄、主壳体、转轴A、驱动轴杆、拨片、拨片复位弹簧、锁止机构、推杆、复位弹簧等组成,如图1所示。固定手柄与主壳体固定连接,驱动手柄上部通过转轴A与固定手柄销接。驱动轴杆安装在驱动手柄的顶部,并与拨片下端接触。拨片上设有轴孔,与推杆配合,在调整块的作用下近似竖直状态。推杆轴向方向上设置有拨片复位弹簧和复位弹簧,分别作用于拨片和推杆。锁止机构安装在主壳体上,置于驱动手柄前方,方便单手操作。锁止机构与推杆上的齿槽相配合,实现解锁和锁止。

▲图1 往复推进机构组成

锁止机构主要由锁止片、销轴、锁止压簧、锁止座、转轴B、扳机等组成,如图2所示。锁止座安装在主壳体上,设有圆柱槽孔,分别用于安装锁止压簧和锁止片。锁止座侧壁设有长圆槽孔,用于销轴上下滑动。锁止片末端设有棘齿,与推杆的齿槽相配合。扳机通过转轴B与锁止座销接,锁止座通过销轴与锁止片销接。

▲图2 锁止机构组成

3 工作原理

3.1 推杆驱动

对驱动手柄施加驱动力FA,驱动手柄绕OA点顺时针转动,并带动拨片向驱动方向运动。此时,拨片相对推杆发生微小转动,拨片与推杆相互作用,两者之间产生较大摩擦力。继续按压驱动手柄,拨片继续向驱动方向运动,压缩拨片复位弹簧。同时,在摩擦力的作用下,拨片带动推杆向驱动方向运动,压缩复位弹簧。推杆上的齿槽与锁止机构相配合,当按压驱动手柄至极限位置时,推杆前移一个齿槽的距离,并在锁止机构的作用下锁定。此时,松开驱动手柄,在拨片复位弹簧的作用下,拨片和驱动手柄复位,完成一次驱动,实现推杆向驱动方向移动一个齿距。重复以上操作,可实现推杆不同行程的位移。

3.2 锁止和解锁

正常状态下,锁止片棘齿位于推杆的一个齿槽内,并锁定。当推杆向驱动方向前进时,锁止片向下运动。当推杆向驱动方向移动一个齿距时,锁止片复位,重新完成对推杆的锁定。推杆至指定位置后,对扳机施加解锁力FD,扳机绕OD点顺时针运动,并带动锁止片压缩锁止压簧,沿锁止座圆柱槽孔向下运动,直至锁止片棘齿与推杆完全脱离。此时,在复位弹簧的作用下,推杆迅速向回复方向移动,直至推杆完全复位。松开扳机,在锁止压簧的作用下,锁止片复位,与推杆初始位置状态齿槽配合,完成解锁操作。

4 计算

4.1 驱动力

在驱动过程中,往复推进机构受力分析如图3所示。在受力分析简化过程中,忽略不重要的摩擦力,同时由于锁止压簧预压力相对复位弹簧力很小,因此忽略锁止机构的作用。驱动过程中,拨片转动角度很小,分析过程中拨片可取竖直状态。图3中,F11为复位弹簧对推杆的作用力,F12为拨片复位弹簧对拨片的作用力,L10、L11为相应的力臂。

▲图3 驱动过程中往复推进机构受力分析

对驱动过程进行静力学分析,驱动力FA为:

FA=(F11+F12)L11/L10

(1)

取F11为42 N,对应最大位置,F12为12.9 N,L11为11.3 mm,L10为75 mm,代入式(1),可得驱动力FA为8.3 N,即最大位置需要的驱动力为8.3 N。

4.2 解锁力

解锁过程中,往复推进机构受力分析如图4所示。在受力分析简化过程中,忽略不重要的摩擦力,同时由于推杆对拨片的作用为解锁助力,接触脱离瞬间操作力最大,因此不考虑推杆对拨片的作用。图4中,F21为复位弹簧对推杆的作用力,F22为锁止压簧对锁止片的作用力,L20为解锁力臂,L21为阻力臂,θ为销轴对锁止片的压力与水平方向的夹角。