可展結構的鎖定裝置研究

李美娜，孫燦，蔣卓淵，葉華，李果明，陳滿

（宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

可展結構是一種新型的工程結構，該結構可以實現從完全折疊狀態到完全展開狀態的轉換，在折疊狀態下結構可以收攏成較小尺寸形狀，并且在外置或內置驅動力的作用下實現結構的自動展開，以獲得外形尺寸的成倍增大。目前，可展結構已廣泛應用于航天領域[1-4]、醫療領域、基礎設施建設領域[5-7]，其出色的收納率在未來有著廣泛的應用前景。然而，隨著對可展結構的不斷深入研究和應用，其安全性問題一直備受關注。因為可展結構在展開后易受到水平及垂直方向的震動，導致在合攏處無法緊密連接，從而造成結構不穩定，因此可展結構在實際應用上存在一定的安全隱患。鎖定裝置可以增加結構穩固，對可展結構鎖定裝置的研究可增加該結構的應用范圍。

本文探索了六種可展結構鎖定裝置，將這些裝置安裝于可展結構的連接處，在可展結構展開后進行鎖定，進而增加結構穩定，并通過鎖定裝置受力原理的研究，進而說明鎖定的有效性和可靠性。

2 可展結構鎖定裝置的原理及應用

鎖定裝置是對兩個分開構件進行合并鎖定的一種重要裝置，可應用于可展結構的鎖定裝置，主要有基于過中心原理的鎖定裝置、基于對稱鎖扣的鎖定裝置、基于凸輪機構的鎖定裝置、基于螺紋自鎖的鎖定裝置、基于棘輪結構的鎖定裝置和基于L 型鎖緊結構的鎖定裝置等。

2.1 基于過中心原理的鎖定裝置

常見的基于過中心原理的鎖定裝置主要由主動件、從動件和連桿組成，如圖1 所示，其中AB 為主動件、CD 為從動件、BD 為連桿。AB 桿件可以繞A 點自由轉動，CD 桿件可以繞C 點自由轉動。AB 桿件在實際應用中可以連接手柄進行主動控制，CD 桿在實際應用中一般為鉤鎖或者插銷，用于與其他機構配合完成鎖定過程。圖1（a）為基于過中心原理的正裝平面四連桿裝置，該裝置的鎖定原理為主動件AB 桿向AM 位置運動時，通過BD 連桿帶動從動件CD 桿向CN位置運動。在整個運動過程中AB桿件會經過AE位置，此時CD 桿件位于CF位置，由于在該位置AE 和EF 共線，所以稱該位置為過中心位置。該裝置的最終鎖定狀態為AMNC 位置，此時如果從動桿受到外力作用并且有向外解鎖的趨勢時，在示意圖上表示為從動件CN 運動到CF 位置，此時CD 從動桿所受到的力對主動件的有效回轉力矩為零，主動件AB 不再朝外運動，也稱AEFC 位置為該機構的死點位置。圖1（b）為基于過中心原理的反裝平面四連桿裝置，其過中心鎖定原理與正裝裝置類似，過中心位置為AEFC，鎖定位置為AMNC。

圖1 基于過中心鎖定原理的鎖定裝置示意圖

該種鎖定裝置可以用于可展結構合攏處的鎖緊。在可展結構合攏處一端安裝手柄和主動件的軸點即圖1 中的A點，另一端安裝鎖定柱以便與從動件配合完成鎖定。當可展結構展開到達預期鎖定位置后，先通過手柄轉動主動件，再通過連桿帶動從動件與鎖定柱鎖定，這樣就完成了鎖定過程。由于在裝置鎖定狀態下，當從動件受到意外載荷朝解鎖方向運動時，裝置會運動到其死點位置，此時意外載荷對主動件的力矩為零，裝置不再朝解鎖方向繼續運動[8]，因此可展結構的兩端可以被有效地鎖定。

2.2 基于對稱鎖扣的鎖定裝置

常見的對稱鎖扣裝置如圖2（a）所示，其主要由鎖緊桿1、扳緊桿2、鎖緊彈簧3 及固定底座構成。該裝置中鎖緊桿和扳緊桿的形狀和結構一樣，分別安裝在機架兩邊，通過鎖緊彈簧連接[9]，一側扳緊桿向外側扳動就會帶動另一側鎖緊桿沿配合位置滑動，并完成鎖緊動作。需要注意的是鎖緊桿和扳緊桿配合的位置需要做成圓弧，方便滑動。這種裝置特點是扳緊桿和鎖緊桿都可以起到鎖緊和扳緊的作用，兩個桿可作用互換，實現反向鎖緊。

圖2 對稱鎖扣裝置示意圖

該裝置加裝插銷后可用作可展結構鎖定裝置，如圖2（b）所示，該裝置可通過固定底座固定在可展結構的一端，其桿1 與插銷4 組合作為可展結構的鎖緊部分，扳緊桿1 向外側扳動，插銷4 進入可展結構的另一側鎖定孔內，同時鎖緊彈簧3 帶動鎖緊桿2 滑動，完成鎖定過程；解鎖時，鎖緊桿2 向外側扳動，鎖緊彈簧3 帶動桿1 和插銷4 從鎖定孔內滑出，從而完成解鎖過程。裝置結構簡單，可實現可展結構的快速鎖定。

2.3 基于凸輪機構的鎖定裝置

常見的基于凸輪機構的鎖定裝置如圖3所示。當上部結構1向下壓時，突出的結構2 會對連桿4 產生一個向兩側的推力，如圖3(b)所示。連桿向兩側運動，帶給彈簧5 一個壓力使得彈簧壓縮，上部結構1 繼續向下運動。當連桿沒有推力時，彈簧恢復并帶動連桿向中間運動，剛好與突出的結構2 的上邊緣卡住。如圖3(c)所示，此時上部結構1被鎖定住。

圖3 凸輪機構的鎖定裝置示意圖

由于凸輪機構的鎖定裝置結構簡單，可以應用于單一方向上伸展的可展結構合攏處。

2.4 基于螺紋自鎖的鎖定裝置

常見的螺紋自鎖裝置由插座1、牙套2、齒套3、插頭4、螺母5 組成，其基本原理如圖4 所示。法蘭盤上安裝固定有插座1 和牙套2，在插頭4 殼體上安裝固定有齒套3和螺母5，在插頭和插座完成插合后，驅動螺母5提供動力使齒套3和牙套2相互嚙合，完成自鎖。

該裝置鎖定的具體過程為旋合螺母將插座1 和插頭4 由最初的分離狀態變為軸向插合狀態，牙套2和齒套3逐漸嚙合，當插座1 和插頭4 插合完成后，牙套2 和齒套3 完成嚙合，達到螺紋鎖死狀態，若想解除鎖定狀態，只需反向旋擰螺母即可[10]。

該裝置在可展結構中用于端部或連接件的鎖定：將插座1和插頭4分別固定于可展機構的兩端，其中插座1 和可展機構一端構成固定端，插頭4 和另一端組成鎖定端；當可展結構展開時，插座1和插座4處于分離狀態，只需將螺母5旋和，讓插頭3 向插座1 軸向進給，當插座1 和插頭3 完成插合時，牙套2 合齒套3也完成嚙合鎖緊，達到可展結構鎖定的目的。同理，需要解鎖可展結構時，僅需反向旋轉螺母5，使插頭3向后軸向運動即可完成解鎖。

該裝置雖然機構簡單、制造成本低、輕盈便攜，但不易安裝，并且其提供的鎖緊力較小，不可應用于可展結構的關鍵承重部位。

2.5 基于棘輪結構的鎖定裝置

棘輪結構是一種只允許在一個方向旋轉或線性運動的機械裝置，它由棘輪和棘爪兩個部分組成，當其向某一個方向運動時，棘爪會隨著棘輪的轉動在棘輪上滑動，但是如果方向相反，棘爪便會抵在棘輪上阻止裝置的運動，以達到鎖定的目的。為了確保棘輪和棘爪保持充分接觸，可以在棘爪后端上加裝彈簧。

圖5 是一種外嚙合式棘輪機構，該裝置可用作可展結構鎖定裝置，可將軸點3 安裝到可展結構的連接點，它由搖桿2、主動棘爪1、棘輪4、止回棘爪6 和彈簧5 組成。當棘輪向逆時針方向轉動（可展結構展開）時，主動棘爪1 抵在棘輪邊緣帶動機構運動，此時止回棘爪6在棘輪上滑動。當棘輪向順時針方向運動（可展結構合攏）時，主動棘爪1 和止回棘爪6 同時抵在棘輪邊緣阻止其運動，以達到鎖定的效果。當可展結構需要解鎖時，可通過手動等方法撥開主動棘爪1和止回棘爪6，從而達到解鎖的目的。

2.6 基于L型鎖緊結構的鎖定裝置

L 型鎖緊結構的鎖定裝置關鍵部件鎖緊桿為L 型，其頭部為可握手柄，桿件中部帶有扳緊桿與擋塊1，尾部連接鎖緊彈簧。在機架面板上設置有擋塊2、擋塊3，擋塊2在鎖緊時與扳緊桿凹槽扣合，擋塊3 在非鎖緊狀態下控制著鎖緊桿的停留位置。通過鎖緊桿施加一個力將扳緊桿與擋塊2 扣合實現鎖緊。解鎖則是通過給扳緊桿的尾部扳機施加壓力，使扳緊桿與擋塊2 脫離，在鎖緊彈簧的彈力作用下，讓鎖緊桿回彈至擋板3處停止。當需要改變鎖緊位置時，可以通過改變擋塊2 的位置以及扳緊桿位置高低來實現不同位置的鎖緊。圖6 中的鎖緊缺口是設置在扳緊桿的一端。

圖6 基于L型鎖緊結構的鎖定裝置示意圖

該裝置可通過扳緊桿與擋塊之間的鎖定來實現可展結構的鎖定，將鎖緊桿與擋塊2 設置在可展結構的兩端，可展結構的一端充當鎖緊桿，當結構受力時，即為鎖緊桿向擋塊2 靠近，當兩端結構達到預定位置時，扳緊桿和擋塊2 在結構相互接觸時實現受壓鎖定。當需要解鎖時，扣動扳緊桿后端扳機即可解鎖。在實際應用中可設置聯動電機裝置，從而實現一鍵解鎖。

3 結語

目前各個領域關于可展結構的研究和應用很多，但是關于可展結構鎖定裝置的研究內容很少，隨著可展結構的不斷應用，其安全性和穩定性仍需進一步改善和研究。本文總結了六種可展結構鎖定裝置原理及應用場景。由于這六種裝置結構簡單，并且能夠在可展結構合攏處穩定鎖定，因此非常適用于可展結構，該研究有利于可展結構的推廣。