郭宏偉，李長(zhǎng)洲，史文華，劉榮強(qiáng)，鄧宗全，李忠杰

(1．機(jī)器人系統(tǒng)及技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150001哈爾濱; 2．中國(guó)空間技術(shù)研究院，100094北京)

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彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊及減小沖擊方法

郭宏偉1，李長(zhǎng)洲1，史文華2，劉榮強(qiáng)1，鄧宗全1，李忠杰1

(1．機(jī)器人系統(tǒng)及技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150001哈爾濱; 2．中國(guó)空間技術(shù)研究院，100094北京)

摘要:為減小空間可展開機(jī)構(gòu)中彈簧展開鉸鏈應(yīng)用時(shí)易產(chǎn)生的沖擊，通過(guò)拉格朗日方程與赫茲方程，提出鉸鏈展開末端的沖擊加速度和沖擊力矩的計(jì)算方法，分析影響沖擊力矩大小的主要因素，首次從組合機(jī)構(gòu)的角度，提出間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和耗能型機(jī)構(gòu)兩種降低彈簧展開鉸鏈展開末端沖擊的設(shè)計(jì)方案，從能量的角度討論兩種機(jī)構(gòu)減小鉸鏈沖擊方法的作用效果．對(duì)兩種降低鉸鏈沖擊的機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證．仿真結(jié)果表明:間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和耗能型機(jī)構(gòu)分別可以使沖擊力矩減少約90%和31%．研制兩種低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，沖擊加速度測(cè)量結(jié)果表明，間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和耗能型機(jī)構(gòu)可以分別使鉸鏈展開末端沖擊速度降低約95%和40%．

關(guān)鍵詞:彈簧展開鉸鏈;降低鎖定沖擊;間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);減速方法

展開鉸鏈?zhǔn)沁B接很多空間折展機(jī)構(gòu)的重要部件，展開鉸鏈由于同時(shí)具備可動(dòng)連接、展開、鎖定功能，已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)翼、大型天線、大型空間支撐臂、可展桁架等航天領(lǐng)域．目前，展開鉸鏈主要分為儲(chǔ)能型、形狀記憶材料型和動(dòng)力展開型，其中由渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)的儲(chǔ)能型展開鉸鏈因儲(chǔ)能元件質(zhì)量輕、可靠性高而被大量應(yīng)用．為了確保展開鉸鏈能夠可靠展開并鎖定，渦卷彈簧的力矩裕度要＞1，在這一條件下，鉸鏈展開末端容易產(chǎn)生很大的沖擊振動(dòng)，振動(dòng)在太空微重力環(huán)境下持續(xù)很久，可能會(huì)危及相關(guān)設(shè)備的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失效．

在無(wú)減速部件展開鉸鏈驅(qū)動(dòng)的航天器研究方面，馬尚君等［1］對(duì)鉸鏈展開式構(gòu)型航天器設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行了研究，游斌弟等［2］對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)陣展開鎖緊過(guò)程沖擊振動(dòng)進(jìn)行了研究，張志娟等［3］對(duì)太陽(yáng)翼鉸鏈鎖定沖擊載荷建模分析方法進(jìn)行了研究，王晛等［4］進(jìn)行了太陽(yáng)翼地面展開鎖定動(dòng)力學(xué)仿真分析，陳天智等［5］提出了太陽(yáng)翼展開鉸鏈展開鎖定最大沖擊載荷修正方法，谷勇霞等［6］對(duì)考慮多間隙時(shí)帆板式展開機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，Li Junlan等［7］對(duì)阻尼摩擦重力等因素對(duì)含鉸鏈間隙的展開機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究．在降低展開鉸鏈鎖定沖擊的減速部件研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了在鉸鏈的基礎(chǔ)上增加阻尼器以減小沖擊，梁小光等［8－9］分析了阻尼器對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)翼展開鉸鏈鎖定沖擊力矩的影響等，而且提出了衛(wèi)星太陽(yáng)翼阻尼器的參數(shù)選定方法．肖應(yīng)廷等［10］研究黏性阻尼器對(duì)減小展開式太陽(yáng)翼鎖定沖擊力矩的影響等，Mitter等［11］研究了可調(diào)整的大轉(zhuǎn)角阻尼器，蒲海玲等［12］分析了黏滯型阻尼器對(duì)太陽(yáng)翼展開性能的影響，并提出了太陽(yáng)翼黏滯型阻尼器的可靠性評(píng)估方法［13］．但適用于高低溫、真空等極限環(huán)境的阻尼器設(shè)計(jì)難度過(guò)大，成本高，重量大，而且有源的阻尼器在太空中工作可靠性不高，因此，設(shè)計(jì)出無(wú)源、重量輕、可靠性好、能適應(yīng)極限環(huán)境的減小沖擊的部件具有重要意義．

本文首先介紹了彈簧展開鉸鏈在展開末端產(chǎn)生的沖擊問題;然后從能量的角度提出了解決該問題的途徑;而后針對(duì)減小沖擊的方法，提出了兩種相應(yīng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案——間歇運(yùn)動(dòng)式低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)和耗能型低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了建模和仿真，以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)方案的可行性和檢測(cè)沖擊減小效果;最后研制了兩套低沖擊彈簧鉸鏈機(jī)構(gòu)樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)與測(cè)試．

1　彈簧展開鉸鏈及其鎖定沖擊

1．1彈簧展開鉸鏈結(jié)構(gòu)

由渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)的展開鉸鏈包括公鉸、母鉸、連接桿、渦卷彈簧、鎖定桿、柱桿、片簧和彈簧支撐管等［14］，如圖1所示．

圖1　渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)的展開鉸鏈結(jié)構(gòu)

公鉸和母鉸與剛體部件相連(比如太陽(yáng)翼、衛(wèi)星天線板或支架)，母鉸可以圍繞連接桿自由轉(zhuǎn)動(dòng)，渦卷彈簧里端固定在連接桿上，外端通過(guò)彈簧支撐管固定在公鉸上，片簧、鎖定桿和柱桿轉(zhuǎn)接桿組成了鎖定裝置，片簧一端固定在公鉸上，另一端固定在鎖定桿上，在渦卷彈簧的驅(qū)動(dòng)下，母鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)與柱桿碰撞，碰撞使母鉸反向，此時(shí)柱桿滑入母鉸的鎖定溝槽中，鉸鏈完成鎖定．

1．2展開末端鎖定沖擊

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在鉸鏈展開過(guò)程中，渦卷彈簧的驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦阻力距隨展開時(shí)間的變化曲線如圖2所示，當(dāng)鉸鏈展開到位時(shí)，設(shè)此時(shí)彈簧力矩為，摩擦阻力矩為，靜力矩裕度可以表示為，由于力矩裕度的存在，展開鉸鏈展開鎖定瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊振動(dòng)，在某衛(wèi)星太陽(yáng)翼地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)［8］中，最大鎖定沖擊力矩約120 N·m．例如，衛(wèi)星天線展開到位時(shí)，鉸鏈上的鎖定機(jī)構(gòu)工作，使天線的運(yùn)動(dòng)突然停止，從而對(duì)天線、展開機(jī)構(gòu)、以及衛(wèi)星上相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的載荷(主要是根部彎矩)．過(guò)大的沖擊載荷可能造成鉸鏈連接部件損壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星失效．

圖2　展開過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦阻力的變化曲線

鉸鏈展開末端的沖擊可以通過(guò)展開末端的角速度或者碰撞力矩來(lái)衡量，二者的計(jì)算過(guò)程如下．

1)角速度計(jì)算．設(shè)母鉸的慣量為Jb，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ，最大轉(zhuǎn)角為θm，初始角度為θ0，則母鉸的動(dòng)能可以表示為

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，由于摩擦阻力矩線性增加，采用工程通用的算法［15］，可以把摩擦阻力矩等效成一個(gè)線性增大的阻尼，該阻尼的曲線的變化率設(shè)為Kf，驅(qū)動(dòng)彈簧的剛度系數(shù)為K1，鉸鏈的等效彈性勢(shì)能可表示為

代入拉格朗日方程L=T－V得

在展開鉸鏈展開過(guò)程中，展開的角位移一般是確定的，可以看出展開時(shí)間和角位移一一對(duì)應(yīng)，因此可以確定展開時(shí)間，進(jìn)而可以帶入展開角速度的表達(dá)式，得到鉸鏈展開末端母鉸的角速度，這里設(shè)為θ·m．

2)碰撞力矩計(jì)算．母鉸及其剛體部件和公鉸的碰撞是個(gè)非線性問題，可以把該問題簡(jiǎn)化為兩個(gè)彈性球的碰撞．設(shè)Ji(i=1，2)、θi、Ei、νi、Ri分別為兩球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、碰撞產(chǎn)生的應(yīng)變、彈性模量、泊松比和碰撞處的曲率半徑．

碰撞力矩可以近似表示為［16］

其中:

由此可以看出，在材料、碰撞處的曲率、慣量一定時(shí)，碰撞力矩只與鉸鏈展開末端母鉸的角速度θ·m有關(guān)，因此，降低彈簧鉸鏈機(jī)構(gòu)鎖定沖擊應(yīng)主要考慮減小鉸鏈展開末端的角速度θ·m，同時(shí)還要滿足鉸鏈的力矩裕度要求．

2　減小展開末端沖擊方法

從能量轉(zhuǎn)化的角度，母鉸的角速度的二次方正比于渦卷彈簧的驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦阻力矩做功之和，設(shè)Wd和Wf分別為驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦阻力距做功，則

在圖2中做功之和表示為陰影的面積，由式(1)可知，母鉸的角速度和碰撞力矩正相關(guān)，因此，減少圖中陰影部分的面積可以有效地減小碰撞力矩．本文提出間歇性運(yùn)動(dòng)式和耗能型低沖擊展開鉸鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法．

2．1間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)法

間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以有效地控制渦卷彈簧的能量釋放，常見的例子為由發(fā)條驅(qū)動(dòng)的機(jī)械鐘表．其工作原理為:渦卷彈簧同時(shí)驅(qū)動(dòng)鉸鏈展開和間歇性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)間歇性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)鎖定可以暫時(shí)中斷鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸鏈再輸出力或力矩到解鎖機(jī)構(gòu)上，然后解除對(duì)鉸鏈的鎖定，使得鉸鏈由原來(lái)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)．

從能量的角度，在間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，渦卷彈簧的能量間歇性釋放，可以使鉸鏈每次僅僅轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)很小的角度，因此只有最后一個(gè)階段的轉(zhuǎn)動(dòng)把一部分的能量轉(zhuǎn)化為母鉸的動(dòng)能．如圖3所示，陰影部分的面積表示轉(zhuǎn)化為母鉸動(dòng)能的彈性勢(shì)能，遠(yuǎn)小于圖2中的陰影部分面積，因而可以大大降低展開末端母鉸的角速度．并且驅(qū)動(dòng)間歇性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)為周期運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)基本不受限制，因而具有一定的優(yōu)勢(shì)．

圖3　間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下彈簧力矩的變化曲線

圖3中E1表示未使用間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之前的能量，E2為增加間歇性機(jī)構(gòu)后最后一次沖擊的能量，摩擦阻力矩的周期為Δθ，其大小等于間歇性機(jī)構(gòu)擒縱輪的分度．所以系統(tǒng)能量的降低率可以表示為

由式(2)可以看出，系統(tǒng)降低沖擊的效果非常顯著，達(dá)到95%左右．

2．2耗能機(jī)構(gòu)法

耗能機(jī)構(gòu)方案采用在原來(lái)鉸鏈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)耗能元件，例如渦卷彈簧，原渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)鉸鏈的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)耗能元件，耗能元件在鉸鏈展開過(guò)程中提供阻力，例如一個(gè)渦卷彈簧可以提供隨展開角度不斷增大的阻力，將一部分的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)．在鉸鏈展開即將達(dá)到指定位置時(shí)，該耗能元件通過(guò)分離機(jī)構(gòu)與鉸鏈和驅(qū)動(dòng)源分離．分離以后，鉸鏈在原驅(qū)動(dòng)渦卷彈簧和摩擦阻力矩的作用下繼續(xù)展開，直至展開到位，完成鎖定．圖4為耗能機(jī)構(gòu)法彈簧力矩隨著展開角度的變化曲線，相比于圖2，陰影部分的面積減小了一些．但其受到轉(zhuǎn)動(dòng)角度的限制，其運(yùn)動(dòng)被限制在180°之內(nèi)．

圖4　耗能機(jī)構(gòu)作用下彈簧力矩的變化曲線

3　低沖擊鉸鏈設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)前面的設(shè)計(jì)思路，采用間歇性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案和耗能機(jī)構(gòu)的方案，研制了兩種低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證．

3．1間歇式低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)及其試驗(yàn)

滿足前面討論的運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)，常見的為擒縱機(jī)構(gòu)．擒縱機(jī)構(gòu)包括擒縱部分和振蕩部分，渦卷彈簧同時(shí)作用在鉸鏈和擒縱部分上，經(jīng)過(guò)一小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，擒縱部分通過(guò)位形鎖定鉸鏈，擒縱部分小的角位移輸出一個(gè)碰撞力矩，作為振蕩部分的輸入，振蕩部分反饋擒縱部分一個(gè)幾乎等大的碰撞力矩，解除位形鎖定．當(dāng)鉸鏈轉(zhuǎn)過(guò)下一小角度時(shí)，擒縱機(jī)構(gòu)會(huì)重復(fù)以上過(guò)程，直到鉸鏈展開到位，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示．

圖5　間歇式鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

擒縱機(jī)構(gòu)可以使鉸鏈間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)，每一小段的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析都可以采用類似自由展開鉸鏈的分析過(guò)程，然后通過(guò)迭代法求得每一段的末端角速度，該角速度作為下一段的起始角速度，求得的展開末端的角速度通過(guò)代入式(1)，得到最終的碰撞力矩．

在渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)的展開鉸鏈基礎(chǔ)上，增加擒縱機(jī)構(gòu)，為了放大鉸鏈的角位移和縮小作用在擒縱機(jī)構(gòu)上的力矩，在擒縱機(jī)構(gòu)和展開鉸鏈之間增加了一對(duì)增速齒輪，確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模，并對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證．為簡(jiǎn)化模型，仿真過(guò)程未考慮各處的阻尼，仿真結(jié)果如圖6、7所示，以三維模型加工出的樣機(jī)如圖8所示，圖8中轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)包含了增速齒輪組，目的是把驅(qū)動(dòng)渦卷彈簧內(nèi)的力矩轉(zhuǎn)化為施加在增速機(jī)構(gòu)上的力矩，并放大擒縱機(jī)構(gòu)的輸入角位移．

在圖6、7中，ε為渦卷彈簧的預(yù)加載力矩(mN·m)，不含擒縱機(jī)構(gòu)的自由展開鉸鏈的碰撞力如圖6所示，可以得出自由展開鉸鏈的碰撞力高達(dá)1 5764 N，在擒縱機(jī)構(gòu)的作用下，圖9中碰撞力下降到1 250 N，以碰撞力為衡量指標(biāo)，沖擊的減小比例為92．07%．在圖8所示的樣機(jī)基礎(chǔ)上，通過(guò)加速度傳感器測(cè)量沖擊加速度，以之來(lái)衡量，得到的結(jié)果如圖10所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算也可以得到近似的沖擊減小比例．其展開過(guò)程的速度曲線如圖7所示．

圖6　自由展開鉸鏈的碰撞力仿真［17］

圖7　間歇式鉸鏈機(jī)構(gòu)展開速度曲線

圖8　間歇式鉸鏈機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)

圖9　間歇式鉸鏈機(jī)構(gòu)的碰撞力仿真

圖10　間歇式鉸鏈機(jī)構(gòu)展開末端角加速度對(duì)比

3．2耗能式低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)及其試驗(yàn)

耗能式低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖11所示，驅(qū)動(dòng)渦卷彈簧和耗能渦卷彈簧分別位于鉸鏈的兩側(cè)，前者驅(qū)動(dòng)母鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，后者提供一個(gè)不斷增大的阻力，在展開前、中、后期不斷儲(chǔ)存能量．為了在展開末期反向力矩渦卷彈簧不作用于鉸鏈，不影響鉸鏈的鎖定，在鉸鏈和耗能渦卷彈簧之間增加了一個(gè)分離機(jī)構(gòu)，使母鉸轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度時(shí)，耗能渦卷彈簧和鉸鏈分離．

圖11　基于耗能型機(jī)構(gòu)的展開鉸鏈方案設(shè)計(jì)

圖12是基于耗能機(jī)構(gòu)的展開鉸鏈的樣機(jī)，試驗(yàn)臺(tái)架用于固定鉸鏈，以便于試驗(yàn)和測(cè)量．

圖12　基于耗能機(jī)構(gòu)的鉸鏈樣機(jī)圖

依照?qǐng)D11的設(shè)計(jì)方案三維建模，以三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證方案可行性和測(cè)量該方案的減速效果，未考慮摩擦?xí)r的仿真結(jié)果如圖13所示，自由展開鉸鏈的最大角速度為3 809 (°) /s，基于耗能機(jī)構(gòu)的鉸鏈展開末端的角速度為2 596 (°) /s，減小了31．85%．

圖13　耗能式鉸鏈機(jī)構(gòu)仿真

樣機(jī)測(cè)量得到結(jié)果見圖14，以沖擊加速度為衡量指標(biāo)，自由展開鉸鏈的最大加速度為899 (°) /s2，基于耗能機(jī)構(gòu)的展開鉸鏈的展開末端加速度為542 (°) /s2，減小了39．71%．

圖14　耗能式鉸鏈機(jī)構(gòu)沖擊加速度測(cè)試

4　結(jié)　論

1)為了有效降低彈簧展開鉸鏈鎖定沖擊問題，首先對(duì)鉸鏈展開末端的沖擊進(jìn)行描述，推導(dǎo)出了碰撞力矩和鉸鏈展開末端的角速度關(guān)系，從能量的角度，提出了兩種降低鉸鏈鎖定沖擊的方法．

2)設(shè)計(jì)了間歇式和耗能式兩種低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，仿真分析了減小鉸鏈末端沖擊的效果，結(jié)果表明兩種方法可以使鉸鏈沖擊分別減小約95%和40%．

3)研制了兩種低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)樣機(jī)，進(jìn)行了展開鎖定沖擊試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了兩種低沖擊鉸鏈機(jī)構(gòu)的可行性．

參考文獻(xiàn)

［1］馬尚軍，劉更，羅浩．鉸鏈展開式構(gòu)型航天器設(shè)計(jì)及其動(dòng)力學(xué)仿真［J］．中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2010，12(6) : 49－56．

［2］游斌弟，王興貴，陳軍．衛(wèi)星太陽(yáng)陣展開鎖緊過(guò)程沖擊振動(dòng)［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(21) : 67－76．

［3］張志娟，鄒元杰，關(guān)曉東．太陽(yáng)翼鎖定沖擊載荷建模分析方法研究［C］/ /全國(guó)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集．蘇州:中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)專委，2011: 281－289．

［4］王晛，陳天智，柴洪友．太陽(yáng)翼地面展開鎖定的動(dòng)力學(xué)仿真分析［J］．航天器工程，2011，20(3) : 86－92．

［5］陳天智，王晛，柴洪友．太陽(yáng)翼展開鎖定最大沖擊載荷修正方法［J］．航天器工程，2011，20(6) : 55－62．

［6谷勇霞，楊天夫，郭峰．考慮多間隙的帆板式展開機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［J］．振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2015，35(1) : 36－41．

［7］LI Junlan，YAN Shaoze，F(xiàn)ENG Guo，et al．Effects of damping，friction，gravity，and flexibility on the dynamic performance of a deployable mechanism with clearance［J］．Journal of Mechanical Engineering Science，2013，227 (8) : 1791－1803．

［8］梁小光，陳照波．阻尼器對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)翼鎖定沖擊力矩影響的研究［J］．噪聲與振動(dòng)控制，2011，31(1) : 127－130．

［9］梁小光，丁竹生，焦映厚，等．衛(wèi)星太陽(yáng)翼阻尼器參數(shù)選定方法［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(7) : 71－75．

［10］肖應(yīng)廷，廖瑛．粘性阻尼器對(duì)減小展開式太陽(yáng)翼鎖定沖擊力矩的研究［C］/ /系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．太原:中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會(huì)，2008: 644－647．

［11］MITTER W，ZEMANN J，NITSCHKO T，et al．Adjustable large range rotary deployment damper［C］/ / Proceedings of 13th European Space Mechanisms and Tribology Symposium．Vienna: European Space Agency，2009．

［12］濮海玲，王晛，楊巧龍．黏滯型阻尼器對(duì)太陽(yáng)翼展開性能的影響分析［J］．航天器工程，2013，22(1) : 54－59．

［13］濮海玲，劉志全．王晛太陽(yáng)翼黏滯阻尼器的可靠性評(píng)估方法［J］．航天器工程，2013，22(5) : 42－45．

［14］陳烈民．航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)［M］．北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

［15］孫京．太陽(yáng)翼鉸鏈平面渦卷彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)［J］．航天器工程，2000，9(3) : 37－43

［16］GUO H W，LI Zhongjie，DENG Zongquan，et al．A lowimpact deployment hinge based on a novel intermittent mechanism［J］．Applied Mechanics and Materials，2014，643: 302－309．

［17］LI Zhongjie，GUO Hongwei，LI Yuchao，et al．A lowimpact hinge mechanism based on the lever escapement mechanism［C］/ / Proceedings of 2014 IFToMM Asian Conference on Mechanism and Machine Science．Tian Jin: IFToMM，2014．

(編輯楊波)

Approaches to calculate and reduce locking impact of deployable hinges

GUO Hongwei1，LI Changzhou1，SHI Wenhua2，LIU Rongqiang1，DENG Zongquan1，LI Zhongjie1
(1．State Key Laboratory of Robotics and System (Harbin Institute of Technology)，150001 Harbin，China; 2．China Academy of space Technology，100094 Beijing，China)

Abstract:Severe impact is detected in the application of deployable hinges in aerospace mechanisms such as solar array．The impact may result in failure of accessories connected to the hinges．To tackle this problem，this paper firstly proposes an approach to calculate magnitude of angular velocity and impact torque，based on which the key factor affecting the impact is concluded．Two schemes are devised based on intermittent mechanism and energystorage mechanism．The effectiveness of the schemes to decrease the impact is discussed from the view of energy．Two structure models are built for each scheme and simulated to verify their feasibility．The simulation results indicate that the impact torque can be reduced by approximately 90% and 31%，respectively．In addition，two prototypes are manufactured，on which experiments of angular acceleration measurement are conducted，and the results demonstrate that the impact can be diminished by 95% and 40%，respectively．

Keywords:deployable hinges; locking impact; intermittent mechanism; deceleration approach

通信作者:郭宏偉，guohw@ hit．edu．cn．

作者簡(jiǎn)介:郭宏偉(1980—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師．

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(11002039) ;中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT．NSRIF．2015050) ;機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主研究課題資助(SKLRS201401A02)．

收稿日期:2015－04－18．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．004

中圖分類號(hào):V441; V419

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367－6234(2016) 01－0029－06