可展结构的锁定装置研究

李美娜，孙灿，蒋卓渊，叶华，李果明，陈满

（宿迁学院建筑工程学院，江苏 宿迁 223800)

1 引言

可展结构是一种新型的工程结构，该结构可以实现从完全折叠状态到完全展开状态的转换，在折叠状态下结构可以收拢成较小尺寸形状，并且在外置或内置驱动力的作用下实现结构的自动展开，以获得外形尺寸的成倍增大。目前，可展结构已广泛应用于航天领域[1-4]、医疗领域、基础设施建设领域[5-7]，其出色的收纳率在未来有着广泛的应用前景。然而，随着对可展结构的不断深入研究和应用，其安全性问题一直备受关注。因为可展结构在展开后易受到水平及垂直方向的震动，导致在合拢处无法紧密连接，从而造成结构不稳定，因此可展结构在实际应用上存在一定的安全隐患。锁定装置可以增加结构稳固，对可展结构锁定装置的研究可增加该结构的应用范围。

本文探索了六种可展结构锁定装置，将这些装置安装于可展结构的连接处，在可展结构展开后进行锁定，进而增加结构稳定，并通过锁定装置受力原理的研究，进而说明锁定的有效性和可靠性。

2 可展结构锁定装置的原理及应用

锁定装置是对两个分开构件进行合并锁定的一种重要装置，可应用于可展结构的锁定装置，主要有基于过中心原理的锁定装置、基于对称锁扣的锁定装置、基于凸轮机构的锁定装置、基于螺纹自锁的锁定装置、基于棘轮结构的锁定装置和基于L 型锁紧结构的锁定装置等。

2.1 基于过中心原理的锁定装置

常见的基于过中心原理的锁定装置主要由主动件、从动件和连杆组成，如图1 所示，其中AB 为主动件、CD 为从动件、BD 为连杆。AB 杆件可以绕A 点自由转动，CD 杆件可以绕C 点自由转动。AB 杆件在实际应用中可以连接手柄进行主动控制，CD 杆在实际应用中一般为钩锁或者插销，用于与其他机构配合完成锁定过程。图1（a）为基于过中心原理的正装平面四连杆装置，该装置的锁定原理为主动件AB 杆向AM 位置运动时，通过BD 连杆带动从动件CD 杆向CN位置运动。在整个运动过程中AB杆件会经过AE位置，此时CD 杆件位于CF位置，由于在该位置AE 和EF 共线，所以称该位置为过中心位置。该装置的最终锁定状态为AMNC 位置，此时如果从动杆受到外力作用并且有向外解锁的趋势时，在示意图上表示为从动件CN 运动到CF 位置，此时CD 从动杆所受到的力对主动件的有效回转力矩为零，主动件AB 不再朝外运动，也称AEFC 位置为该机构的死点位置。图1（b）为基于过中心原理的反装平面四连杆装置，其过中心锁定原理与正装装置类似，过中心位置为AEFC，锁定位置为AMNC。

图1 基于过中心锁定原理的锁定装置示意图

该种锁定装置可以用于可展结构合拢处的锁紧。在可展结构合拢处一端安装手柄和主动件的轴点即图1 中的A点，另一端安装锁定柱以便与从动件配合完成锁定。当可展结构展开到达预期锁定位置后，先通过手柄转动主动件，再通过连杆带动从动件与锁定柱锁定，这样就完成了锁定过程。由于在装置锁定状态下，当从动件受到意外载荷朝解锁方向运动时，装置会运动到其死点位置，此时意外载荷对主动件的力矩为零，装置不再朝解锁方向继续运动[8]，因此可展结构的两端可以被有效地锁定。

2.2 基于对称锁扣的锁定装置

常见的对称锁扣装置如图2（a）所示，其主要由锁紧杆1、扳紧杆2、锁紧弹簧3 及固定底座构成。该装置中锁紧杆和扳紧杆的形状和结构一样，分别安装在机架两边，通过锁紧弹簧连接[9]，一侧扳紧杆向外侧扳动就会带动另一侧锁紧杆沿配合位置滑动，并完成锁紧动作。需要注意的是锁紧杆和扳紧杆配合的位置需要做成圆弧，方便滑动。这种装置特点是扳紧杆和锁紧杆都可以起到锁紧和扳紧的作用，两个杆可作用互换，实现反向锁紧。

图2 对称锁扣装置示意图

该装置加装插销后可用作可展结构锁定装置，如图2（b）所示，该装置可通过固定底座固定在可展结构的一端，其杆1 与插销4 组合作为可展结构的锁紧部分，扳紧杆1 向外侧扳动，插销4 进入可展结构的另一侧锁定孔内，同时锁紧弹簧3 带动锁紧杆2 滑动，完成锁定过程；解锁时，锁紧杆2 向外侧扳动，锁紧弹簧3 带动杆1 和插销4 从锁定孔内滑出，从而完成解锁过程。装置结构简单，可实现可展结构的快速锁定。

2.3 基于凸轮机构的锁定装置

常见的基于凸轮机构的锁定装置如图3所示。当上部结构1向下压时，突出的结构2 会对连杆4 产生一个向两侧的推力，如图3(b)所示。连杆向两侧运动，带给弹簧5 一个压力使得弹簧压缩，上部结构1 继续向下运动。当连杆没有推力时，弹簧恢复并带动连杆向中间运动，刚好与突出的结构2 的上边缘卡住。如图3(c)所示，此时上部结构1被锁定住。

图3 凸轮机构的锁定装置示意图

由于凸轮机构的锁定装置结构简单，可以应用于单一方向上伸展的可展结构合拢处。

2.4 基于螺纹自锁的锁定装置

常见的螺纹自锁装置由插座1、牙套2、齿套3、插头4、螺母5 组成，其基本原理如图4 所示。法兰盘上安装固定有插座1 和牙套2，在插头4 壳体上安装固定有齿套3和螺母5，在插头和插座完成插合后，驱动螺母5提供动力使齿套3和牙套2相互啮合，完成自锁。

该装置锁定的具体过程为旋合螺母将插座1 和插头4 由最初的分离状态变为轴向插合状态，牙套2和齿套3逐渐啮合，当插座1 和插头4 插合完成后，牙套2 和齿套3 完成啮合，达到螺纹锁死状态，若想解除锁定状态，只需反向旋拧螺母即可[10]。

该装置在可展结构中用于端部或连接件的锁定：将插座1和插头4分别固定于可展机构的两端，其中插座1 和可展机构一端构成固定端，插头4 和另一端组成锁定端；当可展结构展开时，插座1和插座4处于分离状态，只需将螺母5旋和，让插头3 向插座1 轴向进给，当插座1 和插头3 完成插合时，牙套2 合齿套3也完成啮合锁紧，达到可展结构锁定的目的。同理，需要解锁可展结构时，仅需反向旋转螺母5，使插头3向后轴向运动即可完成解锁。

该装置虽然机构简单、制造成本低、轻盈便携，但不易安装，并且其提供的锁紧力较小，不可应用于可展结构的关键承重部位。

2.5 基于棘轮结构的锁定装置

棘轮结构是一种只允许在一个方向旋转或线性运动的机械装置，它由棘轮和棘爪两个部分组成，当其向某一个方向运动时，棘爪会随着棘轮的转动在棘轮上滑动，但是如果方向相反，棘爪便会抵在棘轮上阻止装置的运动，以达到锁定的目的。为了确保棘轮和棘爪保持充分接触，可以在棘爪后端上加装弹簧。

图5 是一种外啮合式棘轮机构，该装置可用作可展结构锁定装置，可将轴点3 安装到可展结构的连接点，它由摇杆2、主动棘爪1、棘轮4、止回棘爪6 和弹簧5 组成。当棘轮向逆时针方向转动（可展结构展开）时，主动棘爪1 抵在棘轮边缘带动机构运动，此时止回棘爪6在棘轮上滑动。当棘轮向顺时针方向运动（可展结构合拢）时，主动棘爪1 和止回棘爪6 同时抵在棘轮边缘阻止其运动，以达到锁定的效果。当可展结构需要解锁时，可通过手动等方法拨开主动棘爪1和止回棘爪6，从而达到解锁的目的。

2.6 基于L型锁紧结构的锁定装置

L 型锁紧结构的锁定装置关键部件锁紧杆为L 型，其头部为可握手柄，杆件中部带有扳紧杆与挡块1，尾部连接锁紧弹簧。在机架面板上设置有挡块2、挡块3，挡块2在锁紧时与扳紧杆凹槽扣合，挡块3 在非锁紧状态下控制着锁紧杆的停留位置。通过锁紧杆施加一个力将扳紧杆与挡块2 扣合实现锁紧。解锁则是通过给扳紧杆的尾部扳机施加压力，使扳紧杆与挡块2 脱离，在锁紧弹簧的弹力作用下，让锁紧杆回弹至挡板3处停止。当需要改变锁紧位置时，可以通过改变挡块2 的位置以及扳紧杆位置高低来实现不同位置的锁紧。图6 中的锁紧缺口是设置在扳紧杆的一端。

图6 基于L型锁紧结构的锁定装置示意图

该装置可通过扳紧杆与挡块之间的锁定来实现可展结构的锁定，将锁紧杆与挡块2 设置在可展结构的两端，可展结构的一端充当锁紧杆，当结构受力时，即为锁紧杆向挡块2 靠近，当两端结构达到预定位置时，扳紧杆和挡块2 在结构相互接触时实现受压锁定。当需要解锁时，扣动扳紧杆后端扳机即可解锁。在实际应用中可设置联动电机装置，从而实现一键解锁。

3 结语

目前各个领域关于可展结构的研究和应用很多，但是关于可展结构锁定装置的研究内容很少，随着可展结构的不断应用，其安全性和稳定性仍需进一步改善和研究。本文总结了六种可展结构锁定装置原理及应用场景。由于这六种装置结构简单，并且能够在可展结构合拢处稳定锁定，因此非常适用于可展结构，该研究有利于可展结构的推广。