一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构

摘要

本发明一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，包括：基座17、上盖4、连接与分离组件、锁定与解锁组件、电磁驱动组件和棘爪组件；机构工作包含三个状态，分别为：连接与锁紧状态、解锁与分离状态、复位状态；(1)连接与锁紧状态下，连接与分离组件将弹性预紧力减小后传递给锁定与解锁组件，锁定与解锁组件将减小后的弹性预紧力进一步减小后送至电磁驱动组件；由电磁驱动组件实现进一步减小后的弹性预紧力的保持，使包带锁紧；(2)解锁与分离状态下,锁定与解锁组件发生转动，解除对连接与分离组件的锁定，使包带的弹性预紧力释放。(3)在完成解锁与分离后，使机构恢复到连接与锁紧状态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，属火箭、卫星或飞船的低冲击线式分离装置技术领域。

背景技术

目前，航天器星箭分离系统主要由火工品爆炸实现解锁释放，典型的星箭分离结构有包带式分离结构和点式分离结构等两种。点式分离结构的爆炸能量绝大部分传递到两侧航天器结构中，高频高幅值应力波可能对航天器有效载荷产生致命损伤。而包带式分离结构的分离过程由于包带脱落、能量耗散较大，剩余能量较小，对航天器造成的冲击较小。并且，由于包带式分离结构大承载、高刚度和高可靠的特点，使其广泛应用于国内外星箭等有效载荷分离。

包带式分离结构大多采用传统火工品实现包带的连接和锁紧，使整个结构简单紧凑、可靠性高、比能量大、作动速度快。但是，传统火工品也存在冲击大、附加污染明显、不可重复、不可测试和试验费用高等缺点，限制了包带式分离结构在高精度、低冲击分离任务中的应用。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，实现了较大承载力线式分离装置的锁紧和低冲击分离，并且该机构具有高可靠、可重复和可测试等特点。

本发明解决的技术方案为：一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，包括：基座(17)、上盖(4)、连接与分离组件、锁定与解锁组件、电磁驱动组件和棘爪组件；

连接与分离组件、锁定与解锁组件固定在基座(17)上，电磁驱动组件固定在基座(17)上，棘爪组件安装在基座(17)上；上盖(4)与基座(17)能够配合安装；

机构工作包含三个状态，分别为：连接与锁紧状态、解锁与分离状态、机构复位状态；

连接与锁紧状态下，电磁驱动组件对锁定与解锁组件进行限位，锁定与解锁组件对连接与分离组件进行锁定，连接与分离组件能够连接包带，使包带产生弹性预紧力；

连接与分离组件将弹性预紧力减小后传递给锁定与解锁组件，锁定与解锁组件将减小后的弹性预紧力再次减小后送至电磁驱动组件；由电磁驱动组件实现再次减小后的弹性预紧力的保持，使包带锁紧；

解锁与分离状态下,电磁驱动组件接收外部解锁指令后，解除对锁定与解锁组件的限位，锁定与解锁组件发生转动，解除对连接与分离组件的锁定，使包带的弹性预紧力释放；

在完成解锁与分离后，根据重复使用需求，机构进入复位状态，依次复位锁定与解锁组件、电磁驱动组件与连接与分离组件，使机构恢复到连接与锁紧状态。

优选的，连接与分离组件由左预紧杆1、预紧螺母2、球垫3、左轴承盖5、棘轮盘6、簧丝定位环7、聚四氟环8、飞轮座9、止动销10、扭簧丝11、滚针轴承12、推力滚针轴承13、飞轮螺母14、底座15、右轴承盖16和右预紧杆18等组成，如图3所示。左预紧杆1包括小六方段1A、圆柱段1B、大六方段1C和左旋梯形螺纹段1D，如图11所示。飞轮座9包括小柱段9A、大柱段9B、止动销安装槽9C、滚针轴承安装孔9D、推力滚针轴承安装面9E和法兰段9F,如图12所示。右预紧杆18包括小六方段18A、圆柱段18B、大六方段18C和右旋梯形螺纹段18D，如图13所示。球垫3中心为通孔，直径大于左预紧杆1和右预紧杆18圆柱段的直径。飞轮螺母14包括中心转轴14A、左旋梯形螺纹段14B、右旋梯形螺纹段14C、中间圆柱段14D和止动销安装槽14E，如图14所示。该组件是机构实现大承载和低冲击的关键组件之一。组件锁紧时，通过锁定的飞轮螺母14上的左旋梯形螺纹段14B、右旋梯形螺纹段14C与左预紧杆1的左旋梯形螺纹段1D和右预紧杆18的右旋梯形螺纹段2D连接，并通过预紧螺母2和球垫3实现包带预紧力的加载。解锁时，飞轮螺母14在预紧力作用下高速旋转，推出两端的预紧杆(左预紧杆1、右预紧杆18)，实现包带快速解锁分离。

滚针轴承12有两个，分别安装在飞轮座9和飞轮螺母14中心转轴14A、底座15和飞轮螺母14中心转轴14A之间。推力滚针轴承13有两个，分别安装在飞轮座9和飞轮螺母14中间圆柱段14D、底座15和飞轮螺母14中间圆柱段14D之间。飞轮螺母14的中心转轴14A的两端穿过滚针轴承12内孔，实现径向支撑。而飞轮螺母14的中间圆柱段14D的两侧端面与推力滚针轴承13贴合，实现飞轮螺母14轴向定位。左轴承盖5和右轴承盖16安装在飞轮座9和底座15端面，限制两个滚针轴承12的轴向窜动。组件包含4个止动销10，飞轮座9的大柱段9B和飞轮螺母14的中间圆柱段14D在四个象限位置均配套加工止动销安装槽9C和14E。当止动销10处于飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽9C和14E内时，飞轮螺母14的旋转自由度被限制，无法转动。棘轮盘6、簧丝定位环7和聚四氟环8安装在飞轮座上，通过左轴承盖5实现轴向限位。棘轮盘6和簧丝定位环7通过螺钉实现固连。扭簧丝11一端接口与簧丝定位环7固连，另一端通过簧丝臂20实现物理限位。初始位置时，当扭簧丝11一端被簧丝臂20限制后，逆时针(从左预紧杆1往上盖4方向看)旋转棘轮盘6，带动簧丝定位环7转动，从而使扭簧丝11抱紧飞轮座9，实现对止动销10的限位。左预紧杆1与飞轮螺母14的连接段加工有左旋多头梯形螺纹1D和14B，右预紧杆18与飞轮螺母14的连接段加工有右旋多头梯形螺纹18D和14C。左预紧杆1和右预紧杆18与预紧螺母2连接的部分加工了配套的螺纹，实现预紧力的加载。左预紧杆1与左轴承盖5配合处，以及右预紧杆与右轴承盖16配合处均设计了六方配合，当飞轮螺母转动时，左预紧杆1和右预紧杆18分别被左轴承盖5和轴承盖16限制了转动，只能沿轴向插入或推出。

连接与分离组件通过底座15上沿圆周均布的螺钉与基座17紧固连接。

优选的，锁定与解锁组件由簧丝挡板轴19、簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22组成，如图4所示。该组件的功能是实现连接与分离组件的可靠锁定和解锁，并且解锁后能够手动复位。

锁定时，簧丝挡板20限制了扭簧丝11的一端，确保扭簧丝11在棘轮盘复位操作后能将止动销10可靠限制在飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽9C和14E内，实现飞轮螺母14限位。此时，簧丝挡板20的杠杆效应减小了对扭簧丝11端部的锁定力，实现可靠锁定。解锁时，电磁驱动组件触发，解除对簧丝挡板20的限位，其在扭簧丝11端部推力作用下转动，然后扭簧丝11端部脱出，快速恢复形状，解除对止动销10的径向限位，止动销10被飞轮螺母14的推力挤出止动销安装槽14E，飞轮螺母14在预紧力作用下旋转，通过螺旋传动，将左预紧杆1和右预紧杆18推出，实现分离。复位时，先通电将电磁驱动组件的挡杆收回，然后手动逆时针(从簧丝挡板轴19往簧丝挡板20方向看)旋转簧丝挡板20至锁定位置，再将电磁驱动组件断电使档杆推出，对簧丝挡板20限位。

簧丝挡板轴19依次穿入簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22，然后通过端部的螺纹与基座17连接。

优选的，电磁驱动组件由弹簧压盖30、复位弹簧31、弹簧端盖32、电磁作动安装板33、电磁作动器34和电连接器35组成，如图5所示。该组件的功能是实现锁定与解锁组件的可靠锁定和解锁，是整个机构解锁触发的驱动源。

该组件设计为断电锁定、通电触发的工作状态。断电时，电磁作动器34的挡杆在复位弹簧31推动下伸出，挡住簧丝挡板20，实现锁定与解锁组件的可靠锁定。通电后，电磁作动器34的挡杆克服复位弹簧31的推力和簧丝挡板20的摩擦力，缩回电磁作动器内部，解除对簧丝挡板20的限位，实现锁定与解锁组件的解锁。

电磁作动器34与电磁作动安装板33通过螺母连接，再在电磁作动器34的挡杆尾部安装弹簧端盖32和复位弹簧31，弹簧压盖30通过螺纹与电磁作动安装板33连接，使复位弹簧31处于压缩状态，将挡杆推出直至弹簧端盖32与电磁作动安装板33贴合，此时挡杆处于限制簧丝挡板20的位置。电连接器35从内部穿出电磁作动安装板33，并用螺钉连接固定。电磁作动器34的电缆连接至电连接器35，然后整个组件通过电磁作动安装板33固定在基座17上。

优选的，棘爪组件由棘爪轴23、减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26、减磨环27、限位柱28和棘爪安装板29组成，如图6所示。该组件的功能是配合棘轮盘6实现机构复位。

整个机构完成解锁后，簧丝挡板20和电磁作动器34的挡杆复位到位，将左预紧杆1和右预紧杆18推入飞轮螺母14内，实现螺纹连接。再将四个止动销10放入飞轮座9各象限的止动销安装槽9C内。逆时针(从左预紧杆1往上盖4方向看)旋转棘轮盘6，簧丝定位环7牵引扭簧丝11的一端旋转，当扭簧丝11另一端头被簧丝挡板20捕获并限位后，扭簧丝11整体无法旋转，而连接在棘轮盘6上的一端随着棘轮盘6的不断旋转，使扭簧丝11抱紧在飞轮座9大柱段9B上，将止动销10限制在飞轮螺母14和飞轮座9的止动销安装槽14E和9C内，实现装置复位。

棘爪轴23依次穿入减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26和减磨环27，然后螺接在棘爪安装板29上。棘爪扭簧26一端连接棘爪25，一端连接棘爪安装板29，确保棘爪25一直压紧在棘轮盘6上。限位柱28螺接在棘爪安装板29上，对棘爪25进行限位。整个组件通过棘爪安装板29安装在基座17上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中机构的连接与分离功能主要通过飞轮螺母和左预紧杆、右预紧杆的梯形螺纹连接实现。其中，飞轮螺母的中心转轴两端为旋向相反的多头非自锁梯形螺纹，而左预紧杆和右预紧杆上也有与其配合的多头非自锁梯形螺纹。通过优化梯形螺纹的牙型和配合公差等参数，实现机构的可靠连接和分离。

(2)本发明中机构在连接状态需要提供不小于60KN的预紧力，为了降低机构产品功耗和提高可靠性，对机构进行减力设计。一级减力通过止动销实现对飞轮螺母的锁定，运用杠杆原理实现约30倍的减力。二级减力通过扭簧丝缠绕止动销实现对止动销的锁定，运用欧拉原理实现约55倍的减力。三级减力通过簧丝挡板实现对扭簧丝的锁定，运用杠杆原理实现2倍的减力。通过这些减力设计，实现了产品的低功耗，提高了产品可靠性。

(3)本发明中机构采用非自锁多头梯形螺纹实现了预紧力的施加和释放。机构解锁时，飞轮螺母的约束解除后开始旋转，驱动左预紧杆和右预紧杆脱出，将预紧时存储的弹性势能转换为飞轮螺母和左、右预紧杆的动能，实现预紧力逐渐释放，降低解锁冲击。同时，由于整个装置进行了减力设计，触发机构采用非火工的方式就能实现触发，进一步降低了产品的冲击；

(4)本发明中的触发机构采用非火工驱动(电磁驱动)，在产品触发后，通过复位工装将触发机构复位后，实现触发机构的重复使用。在具体实施时，触发机构也可以根据实际使用工况采用记忆合金或者石蜡等非火工驱动。同时，三级减力机构的每一级设计时均考虑了触发后的复位功能(比如二级减力机构的飞轮座上安装棘轮组件，实现连接与分离机构的可重复使用)，实现整个机构的可重复使用和可测试性功能；

(5)本发明涉及一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，可应用于火箭、卫星或飞船的低冲击线式分离装置中，实现星箭或其它有效载荷的可靠分离释放。

附图说明

图1是本发明机构的整体结构分解图。

图2是本发明机构的装配示意图。

图3是本发明中连接与分离组件的剖面图。

图4是本发明中锁定与解锁组件的剖面图。

图5是本发明中电磁驱动组件的剖面图。

图6是本发明中棘爪组件的剖面图。

图7是本发明中锁定状态第一示意图。

图8是本发明中锁定状态第二示意图。

图9是本发明中解锁状态第一示意图。

图10是本发明中解锁状态第二示意图。

图11是本发明中左预紧杆示意图

图12是本发明中飞轮座示意图

图13是本发明中右预紧杆示意图

图14是本发明中飞轮螺母示意图

图15是本发明中左轴承盖示意图

图16是本发明中扭簧丝示意图

图17是本发明中右轴承盖示意图

图18是本发明中簧丝挡板示意图

图19是本发明中棘爪示意图

图20是本发明中基座示意图

图21是本发明中连接分离组件主要部件受力图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，包括：基座17、上盖4、连接与分离组件、锁定与解锁组件、电磁驱动组件和棘爪组件；机构工作包含三个状态，分别为：连接与锁紧状态、解锁与分离状态、复位状态；(1)连接与锁紧状态下，电磁驱动组件对锁定与解锁组件进行限位，锁定与解锁组件对连接与分离组件进行锁定，连接与分离组件能够连接包带，使包带产生弹性预紧力；连接与分离组件将弹性预紧力减小后传递给锁定与解锁组件，锁定与解锁组件将减小后的弹性预紧力进一步减小后送至电磁驱动组件；由电磁驱动组件实现进一步减小后的弹性预紧力的保持，使包带锁紧；(2)解锁与分离状态下,电磁驱动组件接收外部解锁指令后，解除对锁定与解锁组件的限位，锁定与解锁组件发生转动，解除对连接与分离组件的锁定，使包带的弹性预紧力释放。(3)在完成解锁与分离后，根据重复使用需求，机构进入复位状态，依次复位锁定与解锁组件、电磁驱动组件与连接与分离组件，使机构恢复到连接与锁紧状态。

当前，随着航天器小型化的不断发展，航天器上的仪器设备距离冲击源较近，传统火工品释放所带来的冲击问题尤其突出。同时，我国未来在轨服务与构建等重大专项任务中，星箭、有效载荷对低冲击分离具有共性需求。为此，用于替代传统火工品连接解锁的包带分离结构的新型线式低冲击分离装置成为航天工程中人们研究的热点。本发明针对线式低冲击分离装置的特点，研制了一种用于包带连接结构的大减力比低冲击释放机构，实现了非火工低冲击、高可靠、可重复使用和可测试等应用需求。

本发明的机构，连接对象为包带组件。在星体与火箭或者有效载荷与运载端进行连接时，本发明的机构通过左预紧杆、右预紧杆、球垫和预紧螺母将一组或多组包带组件连接成一个完整的环状带，并施加预紧力。此时，包带组件上的V形水平沟槽夹块将两个环状匹配法兰(一个法兰是运载火箭结构的一部分，另一个法兰是卫星或者有效载荷结构的一部分)固定在一起，实现可靠连接。

当需要进行星箭分离或有效载荷分离时，本发明的机构解锁，释放对包带组件施加的预紧力，包带组件张开，V形水平沟槽夹块与环状匹配法兰分开，星体或有效载荷在分离弹簧力作用下就会被释放。

连接与分离组件中，各部件优选的具体要求如下：

左预紧杆1，优选方案具体为：包括小六方段1A、圆柱段1B、大六方段1C和左旋梯形螺纹段1D，如图11所示。小六方段1A、圆柱段1B、大六方段1C和左旋梯形螺纹段1D依次连接；小六方段1A的外包络直径小于圆柱段1B的直径，圆柱段1B的直径小于大六方段1C的外包络直径，大六方段1C的外包络直径大于左旋梯形螺纹段1D的直径。小六方段1A用于粘贴应变片和在拧紧预紧螺母时固定预紧杆；圆柱段1B设有外螺纹，与预紧螺母2配合，使预紧螺母2能够在圆柱段1B上沿轴向移动，并能够使球垫3压紧包带头，使包带产生预紧力；大六方段1C在锁定状态时穿在左轴承盖5内，与左轴承盖5上的六方孔配合，在解锁时，该六方配合限制了左预紧杆1的转动，使左预紧杆1只能沿轴线移动，与飞轮螺母14分离，实现包带预紧力释放。左旋梯形螺纹段1D与飞轮螺母14的左旋梯形螺纹段14B实现多头非自锁梯形螺纹螺纹连接。左预紧杆1的材料为高强度不锈钢，通过热处理提高零件力学性能，同时在零件表面进行固体润滑处理，降低机构触发功耗，提高机构解锁的可靠性。

球垫3，优选方案具体为：包括中心通孔的球形垫片，中心通孔的直径大于左预紧杆1和右预紧杆18圆柱段的直径。

左轴承盖5，具体为：包括基体5A，内六方孔5B、下端止口5C和上端止口5D，如图15所示。基体5A中心为内六方孔5B，下端止口5C和上端止口5D连接在基体大法兰面一侧。内六方孔5B用于和左预紧杆1的大六方段1C配合，在机构解锁时，限制了左预紧杆1的转动，使左预紧杆1只能沿轴线移动，与飞轮螺母14分离，实现包带预紧力释放。下端止口5C用于滚针轴承12的轴向定位，上端止口5D用于棘轮盘6、簧丝定位环7和聚四氟环8的轴向定位。

左轴承盖5的材料为高强度不锈钢，通过热处理提高零件硬度，同时在内六方孔5B的6个面做润滑处理，减小左预紧杆1和它之间的摩擦阻力。

棘轮盘6，优选方案具体为：包括外圈36个棘齿、中心通孔和4个沉头安装孔，如图1和图2所示。中心通孔的直径大于飞轮座9中小柱段9A的直径，为小间隙配合，使棘轮盘6在飞轮座9上转动灵活，而又能被棘爪可靠锁住。外圈的36棘齿和棘轮组件中的棘爪25配合，使棘轮盘6只能单向旋转，实现扭簧丝11的预紧。

簧丝定位环7，优选方案具体为：包括一个圆环，圆环轴向有四个螺纹孔，圆环环面有一个通孔。圆环的中心孔直径大于飞轮座9中小柱段9A的直径，为小间隙配合，使簧丝定位环7在飞轮座9上转动灵活。四个螺纹孔用于连接棘轮盘，环面的通孔用于连接扭簧丝端头，如图3所示。

聚四氟环8，优选方案具体为：包括一个聚四氟材料的圆环。圆环的中心孔直径大于飞轮座9中小柱段9A的直径，为小间隙配合，方便零件安装。该零件用于调节左轴承盖5、棘轮盘6和簧丝定位环7的轴向定位，并且减小它们相对转动时的摩擦力，方面复位操作。

飞轮座9，优选方案具体为：包括小柱段9A、大柱段9B、止动销安装槽9C、滚针轴承安装孔9D、推力滚针轴承安装面9E和法兰段9F，如图12所示。小柱段9A、大柱段9B和法兰段9F依次连接。大柱段9B的外径尺寸和飞轮螺母14的止动销安装槽9C的槽深尺寸进行匹配设计，使止动销10在锁定状态时，未高出飞轮座9的大柱段9B的外表面，使扭簧丝11锁定状态受力良好，如图8所示。

止动销10，优选方案具体为：包括一个圆柱段。材料为高强度合金钢，通过热处理提高零件力学性能，同时在零件表面进行固体润滑处理，降低解锁时的摩擦阻力，提高机构解锁的可靠性。

扭簧丝11，优选方案具体为：包括缠绕段11A、内部接头11B和外部接头11C，如图16所示。内部接头11B、缠绕段11A和外部接头11C依次连接。缠绕段11A安装在飞轮座11的大圆柱段9B外表面，内部接头11B插入簧丝定位环7的环面通孔内，外部接头11C在机构处于锁定状态时被簧丝臂20挡住。

扭簧丝11材料为弹簧钢丝，经过热处理等工艺保证扭簧丝11初始状态的形状稳定。扭簧丝11的钢丝截面直径为扭簧丝11中径的几十分之一，整体结构类似一个扭簧。扭簧丝11初始状态的内径值大于机构解锁后，止动销10运动所需的最大外包络值，确保机构能可靠解锁。

飞轮螺母14，优选方案具体为：包括中心转轴14A、左旋梯形螺纹段14B、右旋梯形螺纹段14C、中间圆柱段14D和止动销安装槽14E，如图14所示。中心转轴14A的外径小于滚针轴承12的内径，为小间隙配合；中间圆柱段14D的外径小于飞轮座9的大柱段9B的内径，为大间隙配合。止动销安装槽14E的宽度大于止动销10的直径，为大间隙配合。机构锁定状态时，止动销10分别与飞轮螺母14止动销安装槽14E和飞轮座9止动销安装槽9C的一面接触，限制飞轮螺母14的转动，实现预紧力施加。

右轴承盖16，优选方案具体为：包括基体16A，内六方孔16B和止口16C，如图17所示。基体16A中心为内六方孔16B，止口5C连接在基体大法兰面一侧。内六方孔16B用于和右预紧杆18的大六方段18C配合，在机构解锁时，限制了右预紧杆18的转动，使右预紧杆18只能沿轴线移动，与飞轮螺母14分离，实现包带预紧力释放。止口16C用于滚针轴承12的轴向定位。

右轴承盖16的材料为高强度不锈钢，通过热处理提高零件硬度，同时在内六方孔5B的6个面做润滑处理，减小右预紧杆18和它之间的摩擦阻力。

右预紧杆18，优选方案具体为：包括小六方段18A、圆柱段18B、大六方段18C和右旋梯形螺纹段18D，如图13所示。小六方段18A、圆柱段18B、大六方段18C和右旋梯形螺纹段18D依次连接；小六方段18A的外包络直径小于圆柱段18B的直径，圆柱段18B的直径小于大六方段18C的外包络直径，大六方段18C的外包络直径大于右旋梯形螺纹段18D的直径。小六方段18A用于粘贴应变片和在拧紧预紧螺母时固定预紧杆；圆柱段18B设有外螺纹，与预紧螺母2配合，使预紧螺母2能够在圆柱段18B上沿轴向移动，并能够使球垫3压紧包带头，使包带产生预紧力；大六方段18C在锁定状态时穿在右轴承盖16内，与右轴承盖16上的六方孔配合，在解锁时，该六方配合限制了右预紧杆18的转动，使右预紧杆18只能沿轴线移动，与飞轮螺母14分离，实现包带预紧力释放。右旋梯形螺纹段18D与飞轮螺母14的右旋梯形螺纹段14C实现多头非自锁梯形螺纹螺纹连接。

右预紧杆18的材料为高强度合金钢，通过热处理提高零件力学性能，同时在零件表面进行固体润滑处理，降低机构触发功耗，提高机构解锁的可靠性。

锁定与解锁组件中，各部件优选的具体要求如下：

簧丝挡板20，优选方案具体为：包括基体20A、挡杆段20B、和U形槽20C，如图18所示。基体20A中心设有通孔，直径大于簧丝挡板轴19的直径，为小间隙配合。同时，在中心通孔旁边设有一个小孔，用于连接挡板扭簧的一端。挡杆段20B用于和电磁驱动组件配合，实现锁定与解锁组件的锁定与解锁功能。U形槽20C用于对扭簧丝11的外部接头11C进行限位，U形结构的作用为在机构复位时能将扭簧丝11的外部接头11C收入槽内部，并可靠限位。锁定时状态，如图7所示。

挡板扭簧套22，优选方案具体为：包括一个黄铜材料的圆环。圆环的中心孔直径大于簧丝挡板轴19的直径，为小间隙配合。该零件用于调节簧丝挡板20和挡板扭簧21的轴向间隙，同时对挡板扭簧21进行径向定位。

棘爪组件中，各部件优选的具体要求如下：

棘爪25，优选方案具体为：包括基体25A和圆环段25B，如图19所示。基体25A和圆环段连接为一体，在中心设有通孔，直径大于棘爪轴23的直径，为小间隙配合。同时，在中心通孔旁边设有一个小孔，用于连接棘爪扭簧的一端。基体25A圆环部位设计有凸台，和限位柱28配合，限制棘爪朝限位柱28方向转动。基体25A伸出端的端面25D与棘轮盘6的棘爪配合，限制棘轮盘回转。

本发明一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构，包括：基座(17)、上盖(4)、连接与分离组件、锁定与解锁组件、电磁驱动组件和棘爪组件；

连接与分离组件、锁定与解锁组件固定在基座(17)上，电磁驱动组件固定在基座(17)上，棘爪组件安装在基座(17)上；上盖(4)与基座(17)能够配合安装；

机构工作包含三个状态，分别为：连接与锁紧状态、解锁与分离状态、机构复位状态；

连接与锁紧状态下，电磁驱动组件对锁定与解锁组件进行限位，锁定与解锁组件对连接与分离组件进行锁定，连接与分离组件能够连接包带，使包带产生弹性预紧力；

连接与分离组件将弹性预紧力减小后传递给锁定与解锁组件，锁定与解锁组件将减小后的弹性预紧力进一步减小后送至电磁驱动组件；由电磁驱动组件实现进一步减小后的弹性预紧力的保持，使包带锁紧；

解锁与分离状态下,电磁驱动组件接收外部解锁指令后，解除对锁定与解锁组件的限位，锁定与解锁组件发生转动，解除对连接与分离组件的锁定，使包带的弹性预紧力释放；

在完成解锁与分离后，根据重复使用需求，机构进入复位状态，依次复位锁定与解锁组件、电磁驱动组件与连接与分离组件，使机构恢复到连接与锁紧状态。

优选的，连接与分离组件由左预紧杆1、预紧螺母2、球垫3、左轴承盖5、棘轮盘6、簧丝定位环7、聚四氟环8、飞轮座9、止动销10、扭簧丝11、滚针轴承12、推力滚针轴承13、飞轮螺母14、底座15、右轴承盖16和右预紧杆18等组成，如图3所示。左预紧杆1包括小六方段1A、圆柱段1B、大六方段1C和左旋梯形螺纹段1D，如图11所示。飞轮座9包括小柱段9A、大柱段9B、止动销安装槽9C、滚针轴承安装孔9D、推力滚针轴承安装面9E和法兰段9F,如图12所示。右预紧杆18包括小六方段18A、圆柱段18B、大六方段18C和右旋梯形螺纹段18D，如图13所示。球垫3中心为通孔，直径大于左预紧杆1和右预紧杆18圆柱段的直径。飞轮螺母14包括中心转轴14A、左旋梯形螺纹段14B、右旋梯形螺纹段14C、中间圆柱段14D和止动销安装槽14E，如图14所示。该组件是机构实现大承载和低冲击的关键组件之一。组件锁紧时，通过锁定的飞轮螺母14上的左旋梯形螺纹段14B、右旋梯形螺纹段14C与左预紧杆1的左旋梯形螺纹段1D和右预紧杆18的右旋梯形螺纹段2D连接，并通过预紧螺母2和球垫3实现包带预紧力的加载。解锁时，飞轮螺母14在预紧力作用下高速旋转，推出两端的预紧杆(左预紧杆1、右预紧杆18)，实现包带快速解锁分离。

优选的，滚针轴承12有两个，分别安装在飞轮座9和飞轮螺母14中心转轴14A、底座15和飞轮螺母14中心转轴14A之间。推力滚针轴承13有两个，分别安装在飞轮座9和飞轮螺母14中间圆柱段14D、底座15和飞轮螺母14中间圆柱段14D之间。飞轮螺母14的中心转轴14A的两端穿过滚针轴承12内孔，实现径向支撑。而飞轮螺母14的中间圆柱段14D的两侧端面与推力滚针轴承13贴合，实现飞轮螺母14轴向定位。左轴承盖5和右轴承盖16安装在飞轮座9和底座15端面，限制两个滚针轴承12的轴向窜动。组件包含4个止动销10，飞轮座9的大柱段9B和飞轮螺母14的中间圆柱段14D在四个象限位置均配套加工止动销安装槽9C和14E。当止动销10处于飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽9C和14E内时，飞轮螺母14的旋转自由度被限制，无法转动。棘轮盘6、簧丝定位环7和聚四氟环8安装在飞轮座上，通过左轴承盖5实现轴向限位。棘轮盘6和簧丝定位环7通过螺钉实现固连。扭簧丝11一端接口与簧丝定位环7固连，另一端通过簧丝臂20实现物理限位。初始位置时，当扭簧丝11一端被簧丝臂20限制后，逆时针(从左预紧杆1往上盖4方向看)旋转棘轮盘6，带动簧丝定位环7转动，从而使扭簧丝11抱紧飞轮座9，实现对止动销10的限位。左预紧杆1与飞轮螺母14的连接段加工有左旋多头梯形螺纹1D和14B，右预紧杆18与飞轮螺母14的连接段加工有右旋多头梯形螺纹18D和14C。左预紧杆1和右预紧杆18与预紧螺母2连接的部分加工了配套的螺纹，实现预紧力的加载。左预紧杆1与左轴承盖5配合处，以及右预紧杆与右轴承盖16配合处均设计了六方配合，当飞轮螺母转动时，左预紧杆1和右预紧杆18分别被左轴承盖5和轴承盖16限制了转动，只能沿轴向插入或推出。

连接与分离组件通过底座15上沿圆周均布的螺钉与基座17紧固连接。

优选的，锁定与解锁组件由簧丝挡板轴19、簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22组成，如图4所示。该组件的功能是实现连接与分离组件的可靠锁定和解锁，并且解锁后能够手动复位。

锁定时，簧丝挡板20限制了扭簧丝11的一端，确保扭簧丝11在棘轮盘复位操作后能将止动销10可靠限制在飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽9C和14E内，实现飞轮螺母14限位。此时，簧丝挡板20的杠杆效应减小了对扭簧丝11端部的锁定力，实现可靠锁定。解锁时，电磁驱动组件触发，解除对簧丝挡板20的限位，其在扭簧丝11端部推力作用下转动，然后扭簧丝11端部脱出，快速恢复形状，解除对止动销10的径向限位，止动销10被飞轮螺母14的推力挤出止动销安装槽14E，飞轮螺母14在预紧力作用下旋转，通过螺旋传动，将左预紧杆1和右预紧杆18推出，实现分离。复位时，先通电将电磁驱动组件的挡杆收回，然后手动逆时针(从簧丝挡板轴19往簧丝挡板20方向看)旋转簧丝挡板20至锁定位置，再将电磁驱动组件断电使档杆推出，对簧丝挡板20限位。

簧丝挡板轴19依次穿入簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22，然后通过端部的螺纹与基座17连接。

优选的，电磁驱动组件由弹簧压盖30、复位弹簧31、弹簧端盖32、电磁作动安装板33、电磁作动器34和电连接器35组成，如图5所示。该组件的功能是实现锁定与解锁组件的可靠锁定和解锁，是整个机构解锁触发的驱动源。

该组件设计为断电锁定、通电触发的工作状态。断电时，电磁作动器34的挡杆在复位弹簧31推动下伸出，挡住簧丝挡板20，实现锁定与解锁组件的可靠锁定。通电后，电磁作动器34的挡杆克服复位弹簧31的推力和簧丝挡板20的摩擦力，缩回电磁作动器内部，解除对簧丝挡板20的限位，实现锁定与解锁组件的解锁。

电磁作动器34与电磁作动安装板33通过螺母连接，再在电磁作动器34的挡杆尾部安装弹簧端盖32和复位弹簧31，弹簧压盖30通过螺纹与电磁作动安装板33连接，使复位弹簧31处于压缩状态，将挡杆推出直至弹簧端盖32与电磁作动安装板33贴合，此时挡杆处于限制簧丝挡板20的位置。电连接器35从内部穿出电磁作动安装板33，并用螺钉连接固定。电磁作动器34的电缆连接至电连接器35，然后整个组件通过电磁作动安装板33固定在基座17上。

优选的，棘爪组件由棘爪轴23、减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26、减磨环27、限位柱28和棘爪安装板29组成，如图6所示。该组件的功能是配合棘轮盘6实现机构复位。

整个机构完成解锁后，簧丝挡板20和电磁作动器34的挡杆复位到位，将左预紧杆1和右预紧杆18推入飞轮螺母14内，实现螺纹连接。再将四个止动销10放入飞轮座9各象限的止动销安装槽9C内。逆时针(从左预紧杆1往上盖4方向看)旋转棘轮盘6，簧丝定位环7牵引扭簧丝11的一端旋转，当扭簧丝11另一端头被簧丝挡板20捕获并限位后，扭簧丝11整体无法旋转，而连接在棘轮盘6上的一端随着棘轮盘6的不断旋转，使扭簧丝11抱紧在飞轮座9大柱段9B上，将止动销10限制在飞轮螺母14和飞轮座9的止动销安装槽14E和9C内，实现装置复位。

棘爪轴23依次穿入减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26和减磨环27，然后螺接在棘爪安装板29上。棘爪扭簧26一端连接棘爪25，一端连接棘爪安装板29，确保棘爪25一直压紧在棘轮盘6上。限位柱28螺接在棘爪安装板29上，对棘爪25进行限位。整个组件通过棘爪安装板29安装在基座17上

优选的，一种装配上述的一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构的优选装配方式，优选方案步骤如下：

1)将聚四氟环8、簧丝定位环7和棘轮盘6依次安装至飞轮座9，然后用螺钉将棘轮盘6和簧丝定位环连接为一体；将滚针轴承12和左轴承盖5依次安装至飞轮座9，并用螺钉固定；将推力滚针轴承13安装至飞轮座9，然后将飞轮螺母14的中心转轴穿过滚针轴承12，直至飞轮螺母14的中间圆柱段端面贴合推力滚针轴承13为止；使用专门的固定工装，将以上装配好的零件状态固定，同时将飞轮座9大圆柱段开口侧的操作空间避让出来，用于后续装配操作；

2)将滚针轴承12和右轴承盖16依次安装至底座15，并用螺钉固定；以右轴承盖为底面，将上述装配好的零件放置在工作台上，再将推力滚针轴承13安装至底座15，然后将步骤1)中固定后的飞轮螺母14的中心转轴穿过滚针轴承12，直至飞轮座9的法兰面贴合底座15，再用螺钉将它们固定；

3)将扭簧丝14安装至飞轮座9大柱段，扭簧丝14的内部接头11B插入簧丝定位环8圆环面上的小孔；

4)将左预紧杆1和右预紧杆18分别穿过左轴承盖5和右轴承盖16，再同时插入飞轮螺母14，飞轮螺母14旋转使预紧杆旋入飞轮螺母14中，直至两者贴合；

5)将预紧螺母2和球垫3分别安装至左预紧杆1和右预紧杆18；步骤1)ˉ步骤5)完成后，连接与分离组件完成装配，如图3所示；

6)将簧丝挡板轴19依次穿入簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22安装孔，然后通过端部的螺纹与基座17连接，如图4所示；其中，挡板扭簧21一端穿过扭簧挡板的安装孔，一端穿过基座17的安装孔；

7)将电磁作动器34尾部穿过电磁作动安装板33，用螺钉连接紧固；将弹簧端盖32安装至电磁作动器34的档杆尾部，然后将复位弹簧套31在弹簧端盖32上，再将弹簧压盖30安装至电磁作动安装板33，通过螺纹连接实现两个固连。此时，复位弹簧31处于压缩状态，将电磁作动器34的挡杆推出直至弹簧端盖32与电磁作动安装板贴合，此时挡杆处于限制簧丝挡板20的位置。图5所示为电磁驱动组件处于解锁状态，图7所示为电磁驱动组件处于锁定状态；图9是本发明中解锁状态第一示意图。图10是本发明中解锁状态第二示意图。

8)将电磁作动器34的电缆引出线连接至电连接器35，并完成电缆电装和导线走线和固定；再将电连接器34安装至电磁作动器安装板33,，并用螺钉固定；最后整个电磁驱动组件通过电磁作动安装板33固定在基座17上；

9)将棘爪轴23依次穿过减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26和减磨环27，然后安装至棘爪安装板29上。其中，棘爪扭簧26一端穿过棘爪25的安装孔，一端穿过棘爪安装板29的安装孔。将限位柱28安装至棘爪安装板29上，然后将整个组件安装至基座17上，用螺钉固定；

10)通电将电磁作动器34的挡杆缩回，手动将簧丝挡板20转至复位位置，然后断电，电磁作动器34的挡杆伸出，对簧丝挡板20实现限位；

11)调整左预紧杆1和右预紧杆18插入飞轮螺母14的深度，当飞轮座9的止动销安装槽9C和飞轮螺母14的止动销安装槽14E第一次对正后，将四个止动销10放入止动销安装槽内。逆时针旋转棘轮盘6，簧丝定位环7牵引扭簧丝11的外部接头11C旋转，当扭簧丝11的外部接头11C被簧丝挡板20捕获并限位后，扭簧丝11无法旋转，而随着棘轮盘的不断旋转，抱紧在飞轮座9大柱段9B上，将止动销10限制在飞轮螺母14和飞轮座9的止动销安装槽内，整个机构完成装配，处于锁定状态，如图7所示。

优选方案为：整个机构优选包含三个状态：

(1)连接与锁紧：此状态时，左预紧杆1、右预紧杆18已与飞轮螺母14可靠连接，通过调整左预紧杆1和右预紧杆18上的预紧螺母2使包带产生弹性预紧力。该预紧力通过左预紧杆1和右预紧杆18传递至飞轮螺母14，使其产生转动势能。该转动势能通过止动销10、扭簧丝11和簧丝挡板20的传递，逐级变小，最后通过电磁作动器34的挡杆实现限位；

(2)解锁与分离：电磁作动器34接收指令后通电，电能转变为电磁力使电磁作动器收缩，簧丝挡板20的限位解除后，在挡板扭簧21和扭簧丝11推力作用下顺时针旋转，解除对扭簧丝11的限位，使扭簧丝11松开，止动销10被飞轮螺母14推出，解除对飞轮螺母14的转动限制。由于飞轮螺母14与左预紧杆1和右预紧杆2间为非自锁梯形螺纹连接，飞轮螺母14解除转动限制后，在预紧力作用下快速旋转，而左预紧杆1和左轴承盖5的六方配合、右预紧杆18和右轴承盖16的六方配合限制了两根预紧杆的转动，飞轮螺母14的转动只能将左预紧杆1和右预紧杆18推出，直至包带脱离星箭分离面实现解锁分离；

(3)机构复位：整个机构完成解锁后，通电将电磁作动器34的挡杆缩回，手动将簧丝挡板20转至复位位置，然后断电，电磁作动器34的挡杆伸出，对簧丝挡板20实现限位。将左预紧杆1和右预紧杆18推入飞轮螺母14内，实现螺纹连接。再将四个止动销10放入飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽内。逆时针旋转棘轮盘6，簧丝定位环7牵引扭簧丝11的外部接头11C旋转，当扭簧丝11的外部接头11C被簧丝挡板20捕获并限位后，扭簧丝11无法旋转，而随着棘轮盘的不断旋转，抱紧在飞轮座9大柱段9B上，将止动销10限制在飞轮螺母14和飞轮座9的止动销安装槽内，实现整个机构复位；

本发明一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构主要由基座17、上盖4、连接与分离组件、锁定与解锁组件、电磁驱动组件和棘爪组件等组成。连接与分离组件、锁定与解锁组件分别安装在基座17内底面17A，电磁驱动组件安装在基座上表面17B，棘爪组件安装在基座左侧面17C。基座17右侧面长方形凸台17D设计一组安装孔，用于与外部安装接口连接,如图20所示。整个机构锁定时，飞轮螺母14无法转动，左预紧杆1和右预紧杆18与飞轮螺母14通过非自锁螺纹实现可靠连接。此时，整个机构通过预紧杆另一端的螺纹段、预紧螺母2和球垫3与外部包带连接，实现包带预紧与锁定。

连接与分离组件由左预紧杆1、预紧螺母2、球垫3、左轴承盖5、棘轮盘6、簧丝定位环7、聚四氟环8、飞轮座9、止动销10、扭簧丝11、滚针轴承12、推力滚针轴承13、飞轮螺母14、底座15、右轴承盖16和右预紧杆18等组成，如图3所示。棘轮盘6和簧丝定位环7螺接固定为一体，然后和聚四氟环8一起装入飞轮座9。两个滚针轴承12分别装入飞轮座9和底座15，并用左轴承盖5和右轴承盖16固定。两个推力滚针轴承13装入飞轮座9和底座15，将飞轮螺母装入飞轮座9的滚针轴承12内孔，再将安装完滚针轴承12和推力滚针轴承13的底座15与飞轮座9和飞轮螺母14连接，并与飞轮座9螺接固定。通过滚针轴承12和推力滚针轴承13实现飞轮螺母轴向、径向的定位和承载。扭簧丝11套入飞轮座9外圆柱，扭簧丝外侧端头与簧丝定位环7的安装孔连接，内侧端头通过簧丝臂20实现物理限位。拨开扭簧丝，将四个止动销10分别放入飞轮螺母14和飞轮座9止动销安装槽9C和14E内。将左预紧杆1和右预紧杆18分别从左轴承盖5、右轴承盖16的六方孔中推入，实现与飞轮螺母14的螺纹连接。左预紧杆1和右预紧杆18与预紧螺母2连接的部分加工了配套的螺纹，实现预紧力的加载。整个组件通过底座15上沿圆周均布的螺钉与基座17紧固连接。

锁定与解锁组件由簧丝挡板轴19、簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22组成，如图4所示。簧丝挡板轴19依次穿入簧丝挡板20、挡板扭簧21和挡板扭簧套22安装孔，然后通过端部的螺纹与基座17连接。挡板扭簧21一端与簧丝挡板20连接，一端与基座17连接，初始预紧扭矩使簧丝挡板20逆时针旋转。簧丝挡板20与扭簧丝11连接的端部设计为U形结构，U形宽度大于扭簧丝11端头沿预紧杆脱出方向的位移，保证复位时能够捕获簧丝端头。

电磁驱动组件由弹簧压盖30、复位弹簧31、弹簧端盖32、电磁作动安装板33、电磁作动器34和电连接器35组成，如图5所示。电磁作动器34与电磁作动安装板33通过螺母连接，再在电磁作动器34的挡杆尾部安装弹簧端盖32和复位弹簧31，弹簧压盖30通过螺纹与电磁作动安装板33连接，使复位弹簧31处于压缩状态，将挡杆推出直至弹簧端盖32与电磁作动安装板贴合，此时挡杆处于限制簧丝挡板20的位置。电连接器35从内部穿出电磁作动安装板33，并用螺钉连接固定。电磁作动器34的电缆连接至电连接器35，然后整个组件通过电磁作动安装板33固定在基座17上。

棘爪组件由棘爪轴23、减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26、减磨环27、限位柱28和棘爪安装板29组成，如图6所示。棘爪轴23依次穿入减磨垫24、棘爪25、棘爪扭簧26和减磨环27的安装孔，然后通过端部的螺纹与棘爪安装板29连接。棘爪扭簧26一端连接棘爪25，一端连接棘爪安装板29，确保棘爪一直压紧在棘轮盘6上。限位柱28螺接在棘爪安装板29上，对棘爪25进行限位。整个组件通过棘爪安装板29安装在基座17侧面17C。

整个机构工作时，在连接与锁紧、解锁与分离和复位三个状态间按顺序切换。连接与锁紧时，左预紧杆1、右预紧杆18已与飞轮螺母14可靠连接，通过调整预紧杆上的预紧螺母2使包带产生弹性预紧力。该预紧力通过预紧杆传递至飞轮螺母14，使其产生转动势能。该转动势能通过止动销10、扭簧丝11和簧丝挡板20的传递，逐级变小，最后通过电磁作动器34的挡杆实现限位。解锁与分离时，电磁作动器34接收指令后通电，电能转变为电磁力使电磁作动器收缩，簧丝挡板20的限位解除后，在挡板扭簧21和扭簧丝11推力作用下顺时针旋转，解除对扭簧丝11的限位，使扭簧丝11松开，止动销10被飞轮螺母14推出，解除对飞轮螺母14的转动限制。由于飞轮螺母14与预紧杆间为非自锁梯形螺纹连接，飞轮螺母14解除转动限制后，在预紧力作用下快速旋转，将左预紧杆1和右预紧杆18推出，直至包带脱离星箭分离面实现解锁分离。机构复位时，通电将电磁作动器34的挡杆缩回，手动将簧丝挡板20转至复位位置，然后断电，电磁作动器34的挡杆伸出，对簧丝挡板20实现限位。将左预紧杆1和右预紧杆18推入飞轮螺母14内，实现螺纹连接。再将四个止动销10放入飞轮座9和飞轮螺母14的止动销安装槽内。逆时针旋转棘轮盘6，簧丝定位环7牵引扭簧丝11的一端逆时针旋转，当扭簧丝11另一端头被簧丝挡板20捕获并限位后，扭簧丝11无法旋转，而随着棘轮盘的不断旋转，抱紧在飞轮座9大柱段9B上，将止动销10限制在飞轮螺母14和飞轮座9的止动销安装槽内，实现整个机构复位。

以上仅为本发明的技术方案的一个优选的实施例，可以根据实际需要，改变结构尺寸，实现不同承载力情况下的分离解锁。

本发明提高飞轮螺母18锁定与解锁可靠性的方案：机构锁定状态时，飞轮螺母14、飞轮座9、止动销10和扭簧丝11之间的受力情况如图21所示。扭簧丝11对止动销10的正压力Fs与飞轮螺14对止动销10的推力Fm及作用力方向θ、各运动部件摩擦系数μ的关系为：

其中，Fs为扭簧丝11对止动销10的正压力，Fm为飞轮螺母14对止动销10的推力，θ为力Fm与水平方向夹角，μ为各运动部件间摩擦系数，k为减力系数，取0.1～0.2。减力系数k由0.1到0.2的取值时，针对各运动部件摩擦系数μ的不同取值范围，进行飞轮螺母14的止动销安装槽14E深度设计时，需保证θ值在表1范围内，就能保证机构锁定和解锁的可靠。

表1μ和θ取值匹配表

本发明的一种用于线式低冲击分离装置的大减力比低冲击释放机构研制了一套样机，并进行了机构阻力测试和解锁性能测试试验。

机构阻力测试用于定量获得整个机构解锁时将左、右预紧杆推出需要的推力。试验结果表明，在左、右预紧杆端部同时施加9.8N的拉力时，预紧杆能顺利从飞轮螺母中脱出，机构正常解锁。

解锁性能测试试验用于验证机构的承载能力和冲击。试验结果表明，在施加60kN预紧力时，机构能可靠锁定，通电后，机构正常解锁，解锁时间为107ms，解锁冲击为917g，远小于火工解锁装置产生的冲击。