Проектирование шарикового замка космического аппарата

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

А.С. Попов, Г.А. Щеглов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ШАРИКОВОГО
ЗАМКА КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия по курсу
«Динамика конструкций аэрокосмических систем»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 629.7.02
ББК 39.66
П58

П58

Рецензенты: Б.Б. Петрикевич, А.И. Забегаев

Попов А.С.
Проектирование шарикового замка космического аппарата :
учеб. пособие / А.С. Попов, Г.А. Щеглов. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. – 45, [3] с. : ил.

На примере проектирования шарикового замка, применяемого в
системах разделения конструкций космических аппаратов, рассмотрены 
приемы построения электронных геометрических моделей и
электронных расчетных схем для инженерного анализа элементов
конструкций аэрокосмических систем. Приведены указания для самостоятельной 
работы студентов в пакетах SoildWorks, SolidWorks
Motion и SolidWorks Simulation.
Для студентов 4-го и 5-го курсов, обучающихся по специальности
«Космические летательные аппараты и разгонные блоки».

УДК 629.7.02
ББК 39.66

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

На текущем этапе развития САПР информация о форме и размерах 
изделия, а также о свойствах, связанных с его формой и размерами, 
содержится в электронной геометрической модели (ЭГМ)
[1]. Построение и управление базой данных параметризованной
ЭГМ составляет основу современной идеологии автоматизированного 
конструирования, реализованной в компьютерных технологиях 
CAD (Computer Aided Design).
Обоснование технических решений, заложенных в ЭГМ разрабатываемого 
изделия, осуществляется с помощью математического 
моделирования расчетных случаев функционирования изделия.
Моделирование выполняется с использованием компьютерных
технологий инженерного анализа (Computer Aided Engineering —
CAE).
Инженерный анализ включает в себя построение базы данных
электронной расчетной схемы (ЭРС) на основе ЭГМ изделия. В
базу данных ЭРС включаются исходные данные, необходимые для
расчета (например, физические свойства конструкционных материалов), 
начальные и граничные условия (например, нагрузки и условия 
закрепления), параметры дискретизации (например, расчетные
сетки), параметры используемых численных методов, а также результаты 
проведенных расчетов. Для каждой ЭГМ, как правило,
создается множество ЭРС, соответствующих различным случаям
нагружения и использующих математические модели различного
уровня упрощения [2].
Построение ЭРС на основе ЭГМ является нетривиальной процедурой, 
поскольку здесь вводится множество упрощающих допущений, 
которые требуют внесения существенных изменений в
ЭГМ изделия. Например, требуется исключать некоторые геометрические 
элементы, поскольку в расчетах чаще всего не рассма-

3

тривают такие элементы, как скругления, фаски, мелкие отверстия,
если только они не являются концентраторами напряжений, критически 
важными в данном расчетном случае. Также часто требуется
добавлять в ЭГМ геометрические элементы, описывающие области 
задания граничных условий: мест крепления, зон приложения
нагрузок, пятен контакта и пр. Таким образом, идеология построения 
ЭГМ с учетом связи технологий конструирования и инженерного 
анализа (так называемых CAD/CAE-технологий) отличается
от идеологии построения ЭГМ, предназначенной исключительно
для выпуска конструкторской документации.
Цель настоящего учебного пособия — проиллюстрировать особенности 
CAD/CAE-проектирования на примере построения и инженерного 
анализа ЭГМ шарикового замка, который является важным 
элементом систем разделения космических аппаратов и аэрокосмических 
систем.
Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих
курсы «Основы автоматизированного проектирования» и «Динамика 
конструкций аэрокосмических систем». Оно также может
быть полезно студентам, выполняющим курсовое и дипломное
проектирование. В качестве среды для построения ЭГМ и ЭРС
используется программное обеспечение SolidWorks с пакетами
расширения SolidWorks Simulation и SolidWorks Motion [3—6].
Предполагается, что студенты имеют начальные навыки работы с
данными программами.
Пособие содержит четыре раздела. В первом разделе приведено 
техническое описание замка и показан пример его применения
в космической технике. Второй раздел содержит эскизы деталей,
методические указания и рекомендации по созданию ЭГМ замка
в SolidWorks. Третий раздел включает методические указания и
рекомендации по расчету динамики раскрытия замка при помощи
программы SolidWorks Motion. Четвертый раздел содержит методические 
указания и рекомендации по расчету статической прочности 
замка при помощи программы SolidWorks Simulation. В конце
трех последних разделов приведены задания для самостоятельной
работы студентов. Первые два задания являются базовыми для проведения 
занятий в компьютерном классе, последние три задания —
дополнительные.

4

1. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ШАРИКОВОГО ЗАМКА

Шариковый замок предназначен для разъемного соединения
элементов конструкций космических аппаратов, таких, как створки
люков, створки головных обтекателей, панели солнечных батарей
в сложенном состоянии на участке выведения и т. п. Допускается
многократное открытие и закрытие замка.
Замок имеет следующие основные технические характеристики:

масса замка — 243 г;
общая толщина соединения, скрепляемого замком, — 10 мм;
эквивалентное резьбовое соединение — болт М8;
момент затяжки гайки — 3−0,2 Н ∙ м;
сила срабатывания замка — не более 80 H на плече 40 мм.
Основой конструкции шарикого замка (рис. 1) служит корпус 1,
который устанавливается в отверстие базовой детали (посадочный
диаметр 20 мм) и фиксируется двумя винтами М6. В корпусе находится 
толкатель 2, приводимый в действие пружиной сжатия
3. Пружина толкателя опирается на крышку 4, зафиксированную
запорным кольцом 5. Для ограничения хода толкатель имеет упорный 
поясок А, который в крайнем положении толкателя входит в
контакт с опорной поверхностью Б на корпусе.
Рабочим элементом замка является болт 6, который устанавливается 
в корпусе со стороны плоскости стыка соединяемых деталей 
так, что головка болта контактирует с торцом толкателя.
Болт зафиксирован от проворота вокруг оси тремя направляющими 
шлицами В. В закрытом состоянии смещение болта в осевом
направлении ограничивается контактом опорной поверхности Г с
тремя шариками 7. Шарики размещаются в отверстиях корпуса.
Перемещение шариков в радиальном направлении ограничивается 
рабочей поверхностью Д обоймы 8, установленной на корпусе.

5

Рис. 1. Конструкция шарикового замка:
1 – корпус; 2 – толкатель; 3 – пружина сжатия; 4 – крышка; 5, 11 – запорное кольцо;
6 – болт; 7 – шарик; 8 – обойма; 9 – качалка; 10 – шайба; 12 – пружина кручения;
А – упорный поясок; Б – опорная поверхность корпуса; В – направляющий шлиц;
Г – опорная поверхность болта; Д – рабочая поверхность обоймы; Е – упор; К –
зуб; П – паз на корпусе

Обойма закрыта крышкой с рычагом – качалкой 9, которая зафиксирована 
на корпусе при помощи шайбы 10 и запорного кольца 11.
Качалка и обойма могут вращаться вокруг оси корпуса. Вращающий 
момент передается на качалку от внешнего механизма
управления при помощи рычага с плечом 40 мм. От качалки на
обойму момент передается пружиной кручения 12. Угол поворо-

6

Рис. 2. Рабочие состояния шарикового замка:
а – замок закрыт; б – первый способ открытия замка (качалка в исходном положении); 
в – второй способ открытия замка (качалка в рабочем положении)

та качалки относительно корпуса ограничен упором Е, который
контактирует с поверхностями П паза на корпусе. Угол поворота
обоймы относительно качалки ограничен упором зуба К, который
входит в паз качалки.
Шариковый замок работает следующим образом (рис. 2), позиции 
соответствуют рис. 1
В закрытом положении замок показан на рис. 2, а. Обойма 8
и качалка 9 при этом находятся в исходном положении. Рычаг
качалки в данном положении может быть зафиксирован при помощи 
технологической контровки проволокой или соединен с тягой
внешнего механизма управления. Зуб обоймы прижат к поверхно-

7

сти паза качалки пружиной 12. При этом цилиндрические участки
рабочей поверхности обоймы Д препятствуют выходу шариков 7
из контакта с поверхностью Г болта 6.
Открытие замка возможно двумя способами: поворотом качалки (
рис. 2, б) и поворотом обоймы 8 (рис. 2, в). Первый способ 
открытия замка применяется в технологических целях, когда
по условиям эксплуатации необходимо сохранять неизменным исходное 
положение качалки. Это требуется, например, при сборке
соединяемых деталей, когда управляющий механизм зафиксирован. 
При открытии замка таким способом к зубу К обоймы против 
хода часовой стрелки прикладывается момент, превышающий
момент пружины кручения 12. В результате перемещения обоймы
напротив шариков оказываются пазы, как показано на рис. 2, б. Под
действием нагрузки, передаваемой от пружины 3 толкателем 2 на
контактную поверхность болта Г, шарики выталкиваются в пазы
обоймы и фиксируются толкателем, как показано на рис. 3. Шарики, 
зафиксированные толкателем в пазах обоймы, препятствуют
возвращению обоймы в исходное положение. Движение толкателя 
2 приводит к выходу болта 6 из корпуса и открытию замка.

Рис. 3. Шариковый замок в открытом состоянии

8

Второй способ открытия замка применяется при его штатном
срабатывании. При этом к отверстию рычага качалки 9 прикладывается 
сила срабатывания, не превышающая 80 Н на радиусе
40 мм, как показано на рис. 2, в. Под действием этой силы качалка 
поворачивается, и через поверхность паза и зуб К вращающий
момент передается обойме 8, как показано на рис. 2, в. При достижении 
рабочего хода шарики, как описано выше, выталкиваются
из корпуса и фиксируют обойму. При этом болт 6 выталкивается из
замка. Фиксация обоймы 8 в рабочем положении не препятствует
возвращению качалки 9 в исходное положение, поскольку зуб К
может выходить из контакта с поверхностью паза.
Открытый замок закрывается путем установки болта 6 в отверстие 
корпуса 1. При этом для смещения толкателя необходимо
приложить к нему силу. Толкатель 2, двигаясь в исходное положение, 
освобождает шарики. Если качалка 9 находится в исходном
положении, то под действием пружины 12 обойма 8 поворачивается 
и шарики 7, выталкиваемые в корпус, фиксируют болт по
поверхности Г, что приводит к закрытию замка. Если качалка находится 
в рабочем положении, то обойма не может сама вернуться
в исходное положение и замок не может быть закрыт.
Полный ход качалки составляет 60 ± 3, 5◦ от исходного положения. 
Мертвый ход качалки и обоймы, при котором замок еще
не раскрывается, составляет минимум 22◦. Рабочий ход замка равен 
45◦. Разность между полным и рабочим ходом есть свободный
ход качалки (минимум 12◦).
Пример применения шариковых замков для соединения створок 
головного обтекателя ракеты-носителя показан на рис 4. Стыковочные 
шпангоуты створок стягиваются двадцатью тремя замками, 
качалки которых соединены тягами. Резьбовое соединение
створок (см. разрез А–А на рис. 4) включает в себя болт замка,
опорную шайбу, стопорную шайбу и гайку. В закрытом состоянии
тяги зафиксированы двумя пирозамками. При сбросе головного
обтекателя пирозамки срабатывают. Шток пирозамка выходит из
отверстия в тяге. Тяги приводятся в движение восемнадцатью пружинами. 
Под действием пружин тяги перемещаются, поворачивая
качалки, что обеспечивает синхронное открытие замков (см. вид Б
на рис. 4).

9

Рис. 4. Соединение створок головного обтекателя (ГО) при помощи шариковых 
замков:
1 – створка ГО; 2 – стыковочный шпангоут ГО; 3 – шариковый замок; 4 – тяга;
5 – пружина; 6 – пирозамок; 7 – опорная шайба; 8 – стопорная шайба; 9 – гайка
М8; I – качалки полностью открыты; II – положение качалок, зафиксированное
пирозамком; III – замки полностью закрыты

10