Трансформируемая конструкция

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть также использовано в космической технике и в различных строительных конструкциях. Технической задачей изобретения является создание ТК с повышенными жесткостными и прочностными характеристиками, обеспечивающей устойчивость в промежуточных фазах раскрытия, надежность ее конструкции и улучшение выходных характеристик изделия. Задача решается созданием ТК, содержащей стержни с элементами раскладывания, соединенные центральными шарнирными узлами с образованием двух противолежащих поверхностей, и диагональные стержни, соединенные с центральными шарнирными узлами противолежащих поверхностей, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными стержнями, которые пересекаются с диагональными стержнями, связаны с ними в месте пересечения шарнирным соединением, образуя плечи, и своими концами соединены дополнительными шарнирными узлами. Задача решается также тем, что ТК снабжена направляющими, закрепленными в центральных шарнирных узлах и соединенными с дополнительными шарнирными узлами, расположенными в пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через соседние диагональные стержни, соединенные указанными центральными узлами, с возможностью возвратно-поступательного перемещения этих дополнительных шарнирных узлов вдоль направляющей и с возможностью изменения углов между дополнительными стержнями в этих дополнительных шарнирных узлах. Кроме того, отношение длин плеч каждого диагонального и/или дополнительного стержня составляет постоянную величину и плечи диагональных и/или дополнительных стержней смещены относительно соответствующего шарнирного соединения и параллельны друг другу в соответствующем стержне. Кроме того, ТК отличается тем, что с целью образования поверхностей отличных от плоских, центральные узлы и дополнительные шарнирные узлы выполнены с возможностью изменения ориентации соответственно диагональных и дополнительных стержней относительно направляющих, причем отношение длин плеч каждого диагонального и дополнительного стержня отличается от единицы. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к трансформируемым конструкциям (ТК), складывающимся в малые объемы, и может быть также использовано в космической технике и в различных строительных конструкциях.

Широко известны ТК, силовые каркасы которых выполнены из тетраэдрных ячеек (патент США N 3509576 НКИ 343-840). Каркасы ТК, выполненные из тетраэдрных ячеек, включают в себя центральные шарнирные узлы, которые соединяют диагональные и складывающиеся стержни, образуя пространственные конструкции различной конфигурации, поверхности которых могут быть плоскими, сферическими, параболическими и т.д. В крупногабаритных ТК тетраэдрного типа, представляющих собой множество шарнирно соединенных кинематических пар, образующих многозвенный пространственный механизм, процесс раскрытия (укладки) происходит по сложному закону, а координаты положения кинематических пар элементов ТК в пространстве не поддаются расчету в промежуточных фазах своего движения. При воздействии на ТК внешних импульсов силы в процессе ее трансформации процесс раскрытия непредсказуемо меняется, следствием этого может быть и изменение заданных конечных форм. Все это обусловлено принципом раскрытия конструкции, построенным по методу "расталкивания" соседних элементов, что вызывает неустойчивое положение взаимодействующих кинематических пар в промежуточных фазах трансформации изделия. Серьезным недостатком указанных ТК является также разброс усилий в характеристиках упругих элементов ТК, что вызывает неравномерное раскрытие или складывание стержней по всему объему ТК, приводящее к деформациям и поломкам отдельных стержней и узлов, вызывающее отказ изделия в целом.

Известны пространственные ТК, выполненные по иному принципу построения силовых каркасов. К ним относятся ТК, построенные по принципу многократно пересекающихся шарнирных параллелограммов (а.с. 506690 М. Кл² E 04 B 7/10). Указанная ТК включает каркас пространственной конструкции, состоящей из групп попарно пересекающихся стержней с шарнирным соединением между собой в точке пересечения и противолежащие узлы, шарнирно объединяющие концы стержней, отдельные группы которых находятся в пределах общих взаимопересекающихся плоскостей. В отличие от ТК, выполненных из тетраэдрных ячеек, в вышеописанной ТК взаимодействующие между собой конструктивные элементы раскрываются (складываются) по вполне определенному закону и каждая взаимодействующая кинематическая пара занимает определенное положение, которое поддается расчету в любой фазе трансформации ТК. Одним из серьезнейших недостатков этих конструкций является их малая жесткость и прочность в рабочем положении в сравнении с ТК, выполненными на базе тетраэдрных ячеек.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ТК, содержащая стержни с элементами раскладывания, соединенные центральными шарнирными узлами с образованием двух противолежащих поверхностей, и диагональные стержни, соединенные с центральными шарнирными узлами противолежащих поверхностей (патент США 3618111 НКИ 343-840).

Недостатком указанной ТК является разброс усилий в характеристиках упругих элементов ТК, что вызывает неравномерное раскрытие стержней по всему объему ТК, неопределенность положения трансформируемых элементов в промежуточных фазах раскрытия. В рассматриваемой ТК движение передается только методом "расталкивания" соседних элементов и максимальные усилия в стержневых элементах (диагональных и вспомогательных стержнях) будут при укладке ТК. Вышесказанное приводит к деформации, поломке стержней и узлов, что приводит к выходу из строя изделия в целом. Кроме того, после раскрытия не всегда достигается строгое соответствие раскрываемой поверхности расчетной, что ухудшает выходные характеристики изделия.

Технической задачей изобретения является созданиен ТК с повышенными жесткостными и прочностными характеристиками, обеспечивающей устойчивость в промежуточных фазах раскрытия, надежность ее конструкции и улучшение выходных характеристик изделия.

Указанная техническая задача решается созданием ТК, содержащей стержни с элементами раскладывания, соединенные центральными шарнирными узлами с образованием двух противолежащих поверхностей, и диагональные стержни, соединенные с центральными шарнирными узлами противолежащих поверхностей, отличающейся тем, что она снабжена дополнительными стержнями, которые пересекаются с диагональными стержнями, связаны с ними в месте пересечения шарнирным соединением, образуя плечи, и своими концами соединены дополнительными шарнирными узлами.

Задача решается также тем, что ТК снабжена направляющими, закрепленными в центральных шарнирных узлах и соединенными с дополнительными шарнирными узлами, расположенными в пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через соседние диагональные стержни, соединенные указанными центральными узлами, с возможностью возвратно-поступательного перемещения этих дополнительных шарнирных узлов вдоль направляющей и с возможностью изменения углов между дополнительными стержнями в этих дополнительных шарнирных узлах.

Кроме того, указанная техническая задача решается и тем, что отношение длин плеч каждого диагонального и/или дополнительного стержня составляет постоянную величину и тем, что плечи диагональных и/или дополнительных стержней смещены относительно соответствующего шарнирного соединения и параллельны друг другу в соответствующем стержне.

Заявляемая конструкция по принципу построения представляет собой пространственную конструкцию, выполненную из ячеек пирамидального типа, которой присущи высокие прочностные и жесткостные характеристики. Дополнительные стержни, шарнирно соединенные с диагональными, формируют объемную кинематически связанную внутреннюю структуру, способную гибко реагировать во всех промежуточных фазах трансформации на воздействующие на нее внешние и внутренние импульсы силы равномерно перераспределяя их по всей структуре конструкции. Надежное раскрытие и складывание изделия и улучшение выходных характеристик ТК обеспечивается также направляющими, закрепленными в центральных шарнирных узлах и соединенными с дополнительными шарнирными узлами, к которым шарнирно подсоединены концы дополнительных стержней. Наличие направляющих в конструкции позволяет стабилизировать взаимное положение центральных и дополнительных стержней через дополнительные шарнирные узлы.

Выполнение плеч диагональных и дополнительных стержней со смещением относительно соответствующих шарнирных соединений и параллельными друг другу в соответствующем стержне способствует компактной укладке конструкции, исключая разрежение (зазоры) между центральными шарнирными узлами в двух противолежащих поверхностях.

На фиг. 1 представлен вид сверху на ТК тетраэдрного типа, на котором выделены шестиугольные, сотообразные ячейки. Каждая сторона шестиугольников представляет собой спроецированную в линию пару из шарнирно связанных диагональных и дополнительных стержней; на фиг. 2 укрупненная выноска I с фиг. 1; на фиг. 3 сечение А-А с фиг. 2, где показана схема построения внутренней структуры ТК в фазе раскрытия; на фиг. 4 фрагмент сложенного положения ТК с зазорами Д между центральными узлами одной из противолежащих поверхностей Q, S; на фиг. 5 фрагмент ТК тетраэдрного типа в промежуточной фазе своего движения; на фиг. 6 фрагмент сложенного положения ТК без зазоров между центральными шарнирными узлами.

В качестве примера конкретного исполнения ниже рассматривается пирамидальная ТК, построенная по тетраэдрному принципу. ТК содержит стержни 1 и 2, в средней части которых установлены замки 3 (фиг. 2,3) с элементами раскладывания, которые могут быть выполнены в виде пружин (условно не показаны). Стержни 1 и 2 соединены (фиг. 3) центральными шарнирными узлами 4 и 5 с образованием противолежащих поверхностей Q и S, которые в зависимости от поставленной задачи могут быть плоскими, параболическими, сферическими и др. Центральные шарнирные узлы 4 и 5 расположены на противолежащих поверхностях Q и S со смещением. Диагональные стержни 6 соединяют центральные шарнирные узлы 4 и 5 на противолежащих поверхностях. Внутри противолежащих поверхностей Q и S расположены дополнительные стержни 7, которые пересекаются с диагональными стержнями 6, и связаны с ними в месте пересечения 8 шарнирным соединением. Пересечение указанных стержней делит диагональные на плечи l1 и l2, а дополнительные на плечи l3 и l4. Дополнительные стержни 7 своими концами соединены дополнительными шарнирными узлами 9 и 10. В каждом центральном шарнирном узле 4 и 5 жестко закреплена одним концом направляющая 11 и 12, другой конец стержневой направляющей проходит через дополнительный шарнирный узел 9 или 10, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно этой направляющей и/или с возможностью изменения углов между дополнительными стержнями в этих дополнительных шарнирных узлах. Центральные шарнирные узлы 5 после укладки устанавливаются с зазорами Д, которые могут быть выбраны выполнением плеч диагональных и/или дополнительных стержней со смещением относительно соответствующих шарнирных соединений с соблюдением условия параллельности их плеч в соответствующем стержне.

ТК работает следующим образом.

В зависимости от требуемого вида поверхности выбирают определенное соотношение длин плеч. Например, при необходимости получения плоской поверхности устанавливаем соотношение l1=l2=l3=l4. Для получения поверхности второго порядка соотношение длин плеч l1 и l2, а также l3 и l4 отличается от единицы и составляет постоянную или переменную величину. В целях упрощения процесса изготовления и сборки целесообразна унификация выбором постоянного соотношения длин плеч.

После срабатывания пускового и удерживающего устройств, условно не показанных, происходит раскладывание соответствующих стержней 1 и 2 за счет пружин в замках 3 с одновременным перемещением центральных шарнирных узлов 4 и 5 с образованием противолежащих поверхностей Q и S. Одновременно с раскладыванием стержней 1 и 2 происходит перемещение диагональных стержней 6 с дополнительными 7, вызывающих перемещение формирующих поверхности N и P дополнительных шарнирных узлов 9, 10 по направляющим 11 и 12 и происходит полное раскрытие до конечной фазы, определяемой длинами стержней 1 и 2. Введенная кинематическая связь в виде дополнительных стержней 7 с диагональными стержнями 6 и направляющих 11 и 12 связывает поверхности Q, S, N и P и формирует внутреннюю пространственную структуру, способную синхронно раскрываться. Эта связь обеспечивает надежность и жесткость конструкции на промежуточных этапах ее раскрытия, равномерное распределение усилий при трансформации и повторяемость раскрываемой поверхности.

Поскольку процесс раскрытия занимает малое время, исчисляемое несколькими секундами, и усилия, обеспечивающие это раскрытие довольно значительны, то введение внутренней кинематически связанной пространственной структуры, позволяет сдемпфировать динамический удар, возникающий в конечной фазе раскрытия, и тем самым избежать поломки элементов конструкции. Кроме того, улучшается ориентация поверхности раскрытия в пространстве и ее соответствие заданной форме.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает надежность и жесткость конструкции на этапах ее трансформации при равномерном перераспределении усилий на элементы конструкции, уменьшая динамические нагрузки на ее элементы в конечной фазе раскрытия и повторяемость раскрываемой поверхности.

Формула изобретения

1. Трансформируемая конструкция, содержащая стержни с элементами раскладывания, соединенные центральными шарнирными узлами с образованием двух противолежащих поверхностей, и диагональные стержни, соединенные с центральными шарнирными узлами противолежащих поверхностей, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными стержнями, которые пересекаются с диагональными стержнями, связаны с ними в месте пересечения шарнирными соединениями, образуя плечи, и своими концами соединены дополнительными шарнирными узлами.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена направляющими, закрепленными в центральных шарнирных узлах и соединенными с дополнительными шарнирными узлами, расположенными в пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через соседние диагональные стержни, соединенные указанными центральными узлами с возможностью возвратно-поступательного перемещения этих дополнительных шарнирных узлов вдоль направляющей и изменения углов между дополнительными стержнями в этих дополнительных шарнирных узлах.

3. Конструкция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что отношение длин плеч каждого диагонального и/или дополнительного стержня составляет постоянную величину.

4. Конструкция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плечи диагональных и/или дополнительных стержней смещены относительно соответствующего шарнирного соединения и параллельны друг другу в соответствующем стержне.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6