太陽翼機構鉸鏈裝配過程的技術攻關

馮利明 孟慶昕 李曉峰 李鵬 焦云雷

摘要：根部鉸鏈及板間鉸鏈是各種型號小衛星上太陽翼機構中的重要部件。本文敘述了鉸鏈在裝配過程中產生機械變形的機理及消除變形的方法，并簡要介紹了裝配過程的技術攻關內容。

關鍵詞： 根部鉸鏈? 滑道? 平面渦卷彈簧? 板簧

一、引言

根部鉸鏈及板間鉸鏈是各型號小衛星太陽翼機構上重要部件。該部件的材質有1Cr18Ni9Ti、QBe1.9C、TB2、2A14T6，最大包絡外形為211.5×126×105.5mm，安裝面的平面度要求小于0.02mm，鉸鏈對展開力矩，過程阻力矩，展開剛度等參數要求嚴格，裝陪過程中時常出現剛度、力矩、阻力矩等不合格的情況。

二、對工件功能及結構分析

根部鉸鏈及板間鉸鏈等將太陽翼上各個太陽翼基板連接在一起并依靠鉸鏈中平面渦卷彈簧的彈力，提供太陽翼的展開動力，將太陽翼按要求的展開速度展開到規定位置并鎖定。板間鉸鏈主要由鉤鉸和鎖鉸組成，鉤鉸和鎖鉸通過關節軸承相互配合，其中鎖鉸與軸承的外圈連接，鉤鉸通過軸與軸承的內圈連接，鉤鉸和鎖鉸分別與相鄰的太陽板連接，由此形成了相鄰的兩塊太陽板之間或太陽板與連接架之間可轉動的連接。平面渦卷彈簧一端通過軸與鉤鉸連接另一端通過彈簧支桿與鎖鉸連接，平面渦卷彈簧為鉸鏈提供展開的動力，其預轉角的大小決定了驅動力矩的大小，影響展開的速度。[1]鉸鏈中的鎖定裝置是在鉸鏈完全展開狀態下使鉤鉸和鎖鉸相對位置固定，其功能的實現是靠板簧的彈力作用將鎖定鉤上的鎖軸壓緊在鎖鉸的鎖緊槽中。鎖軸與滑道的磨擦狀態直接影響鉸鏈的阻力矩，影響展開的平滑程度及平面渦卷彈簧的預轉角。根部鉸鏈與板間鉸鏈結構相似，所不同之處是將兩個鉤鉸與帶有法蘭盤的底座組合成一個工件即根鉸底盤。除了在尺寸、形狀和彈簧參數上有所不同外，根部鉸鏈的構造與板間鉸鏈相同。

三、裝配難點分析

1、為保證鎖軸在滑道上的轉動平滑，磨擦阻力小，要求滑道外圓與軸同軸，且表面光滑摩磨擦阻力小。如果滑道外圓不規則或表面不平滑，則鉸鏈的阻力矩就較大且特性曲線不平滑，起伏波動大，為保證鉸鏈能夠展開就要求大的驅動力矩，從而導致太陽翼展開速度快，對星的沖擊大，嚴重時會影響星的姿態。滑道選用的是自潤滑材料，磨擦系數小，裝配時主要是保證滑道外形規則，外圓與鉸鏈軸線同軸以及表面的粗糙度小。[2]因此滑道在鉚接時，要求檢查滑道形狀尺寸是否規則，并根據鉤鉸或根鉸底盤上的槽修配滑道的R12.5圓角，使靠近R28.793尺寸處無間隙;修配后檢查滑道與滑道槽的配合狀況，要求用手按壓滑道無竄動現象;鉚接后需要檢查滑道外圓是否與鉸鏈軸線同軸，根鉸底盤兩側滑道是否等高。

而滑道采用的是自潤滑材料（二硫化鉬），因為材料彈性模量不同，因而在鉚接過程中不同的膨脹系數產生不同的彈性變形，導致滑道圓弧R33.407mm微小的變化，就使滑道的運動軌跡曲線不是一條光滑的直線，而成為鋸齒形狀進行爬升，它就會影響鎖軸落入鎖槽中鎖定。如果出現這種情況，就會造成根部鉸鏈展開阻力矩增大，可能造成使太陽翼無法展開，最終導致衛星失效。

2、板簧和平面渦卷彈簧的選用

板簧的作用是在展開后通過彈力作用將鎖定鉤上的鎖軸壓緊在鎖鉸的鎖緊槽中，使鉸鏈處于鎖定狀態;在展開過程中，由于彈力作用使鎖定鉤上的鎖軸壓緊在滑道上，其外形尺寸、安裝位置及彈力的大小等影響鉸鏈展開的阻力矩，進而影響平面渦卷彈簧的預轉角及太陽翼展開的速度及平穩性。平面渦卷彈簧為鉸鏈提供展開動力，其驅動力的大小決定了鉸鏈驅動力矩的大小，影響展開的速度。

板簧采用的材料是QBE1.9C，其化學成分為AL=0.15﹪、Fe=0.15﹪、Pb=0.005﹪、Si=0.15﹪、N3=0.2～0.4﹪、Ti=0.10～0.25﹪、Be=1.85～2.1﹪、其它雜質=0.5﹪。

其在軟態（淬火后）時：彈性模量E=110GPa、抗拉強度δ6=450MPa、伸縮率δ=40﹪、布氏硬度HBS=HV90。

其在時效態時：彈性模量E=131.5GPa、抗拉強度δ6=1250MPa、伸縮率δ=2.5﹪、布氏硬度HBS=HV375。

其優點：彈性遲滯小，疲勞強度高，溫度變化時彈性穩定，性能對時效溫度變化的性小，價較低而強度硬度比QBe2降低少。

用途：制作重要用途的彈簧、精密儀表的彈性元件以及承受高變的載荷的彈性元件。

平面渦卷彈簧采用的材料是TB2，其化學成分：M0=0.15﹪、V=4.7～5.7﹪、Cr=7.5～8.5﹪、Fe=0.30﹪、C=0.05﹪、N=0.04﹪、H=0.015﹪、O=0.15﹪、其它0.1～0.4﹪。TB2是β型鈦合金，主要合金元素銅、鉻、釩等β穩定化元素，可熱處理強化，有較高的強度、焊接性能和壓力加工性能良好。

由于板簧和平面渦卷彈簧為鈑金折彎零件，尺寸一致性差，在熱處理后外形及力學性能不一致，變化很大，如果選擇不當就會使根鉸底盤左右兩側鎖鉸或各太陽翼板間展開速度不一，前后不同步出現時間差，造成太陽翼展開過程不符合要求。因此在裝配的過程對這兩種零件的選擇就提出了很高的要求。

四、解決措施

1、在根鉸底盤與滑道鉚接后，原有工藝是在機床上進行修磨，在無加工中心時找正裝夾困難，而且加工后還需手工進行修整，達不到理想要求，加工復雜。通過觀察、研究查找資料，經與工藝協商，我提出自制胎模，用芯軸進行中心定位，自制刀具對滑道進行配修。在修整滑道時，用螺母壓緊的力量要適當、均勻，不能過松或過緊，否則影響轉動靈活性及間隙，修磨的量要均勻一致，使外圓到中心的尺寸一致，需要通過對刀塊等及時比對、測量;在轉動鉤鉸時要平穩、速度均勻，否則滑道粗糙度達不到要求，影響的修整效果，最后還需要對滑道表面進行拋光，使表面光滑，磨擦阻力小。在滑道修整后，再送檢驗，用三坐標進行檢驗，完全達到了滑道圓弧R33.407mm要求。這樣既保證了精度，又保證了一致性，而且提高了工作效率，保證了滑道外形尺寸一致，表面質量好，為后續裝配工作打好基礎。

2、開關臂組件及微動開關裝配時，一方面要保證開關臂組件與微動開關的相對位置尺寸，另一方面還要調整開關臂組件與鎖定鉤的位置尺寸。因開關臂也為彈性元件且安裝部位操作空間小，測量調整不便，很難測量及判斷間隙是否達到0.8±0.2。通過實際摸索，制作了一套專用工裝，裝配前對開關臂進行校形使其與工裝貼合良好，消除測量時彈性對測量判斷的不利影響，裝配時通過工裝對工件間的相對位置及尺寸進行控制，利用工裝確定裝配位置，大大減少了原先裝配時所需的調整時間，同時提高了測量判斷的準確性，對保證產品質量及可靠性起到積極的作用

五、結果及效益

通過以上方式，實現了鉸鏈的各種力學參數的準確控制，大大提升了鉸鏈的裝配合格率。從而降低了產品生產成本，直接或間接節約成本進百萬元。

參考文獻

[1] 鄧小群，李天齊，王伽，陳金鳳，馬巧紅，劉念，吳光旭，劉文.一種空間有源太陽翼鉸鏈機構設計與研究[J].導航定位與授時，2020，7（01）：126-132.

[2] 李全賀. 高剛度鉸鏈設計及其在太陽翼上的應用研究[D].哈爾濱工程大學，2017.

作者簡介：馮利明，性別男，籍貫山西省五臺縣，學歷，大專，專業，機械，單位，天津航天機電設備研究所。