航空开伞器--机械设计课程设计说明书

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资源描述

1一.任务分析,方案确定开伞器是一种机械式短时段延时控制机构,并且可以实现高度控制,可用于空投,跳伞和驾驶员救生。例如5.12大地震的救灾过程中,先头的救援部队就有空降兵。将开伞器装在空投的人或物体上,当跳离飞机后,开伞器可以控制在经过一定时间和一定高度时自动将伞包打开。因此保证了空投的安全,另外,开伞器也可用于延时引爆,例如鱼类的引爆等。通过开伞器的功能描述我们可以看出,开伞器作为一种航空器件,需要在具备较小的体积提供较好的性能,从而保证在高空的恶劣环境下能正常工作。而同时它直接关系到人们的生命安全,对于时控及高控的精度的要求也很高。因此,本次航空开伞器的主要设计原则可总结为体积小,安全稳定,时控、高控精度高。经过分析后,航空开伞器的设计分为动力部分、时间控制部分和高度控制部分三部分可满足要求。1.动力部分:在一些小型设备中,常用的动力机构通常为电源或弹性元件。而在本次设计中,由于开2伞器体积较小,电池及相应电路不易安装。同时在高空环境中作业时,具有气压低,温度低等特殊条件,一般的电池在这种环境下会出现放电性能下降,易爆等缺点。因此本次设计中,采取力弹性元件作为能源。考虑到成本、安全性,体积及需要短时间释放较大力等要求,弹簧选择为压簧。2.时间控制部分:时控机构主要作用是使弹簧蓄能够均匀释放,从而达到延时的目的。由于本次设计中总体的传动比,所以应采取轮系的方式传动。又,故用三级升速的设计方案。参照本次的设计原则,轮系的传动比设计采用最小体积原则及高传动精度的原则,即。综上此处应选用无固定周期擒纵调速器和轮系的组合来实现。3.高度控制部分:对于高度的测量,可以用声,光,气压等物理因数进行测量。而在对于高度精确度要求并不高的情况下(米或者十米级时),通常可以3采用对于气压的测量的方式。高度越高,气压相应降低。因此可以用弹性敏感元件对气压进行测量。由于膜盒的厚度可随气压变化产生相应变化,而高度控制部分关键点在于可以延时到一定高度开伞,因而可以设计为阻挡住时控机构的运行,直到达到相应高度之使时控机构继续运行直至开伞。经过对相应高度的轴的长度计算,可以清楚的得出高空机构的尺寸。综上,我们可以确定出在本次开伞器的设计方案中,我们将主要进行弹簧,齿轮,膜盒这三部分的计算设计。二.工作原理及原理框图:1.工作原理:由第一部分中航空开伞器的分析可知,开伞器有三大部分组成,分别为动力机构、时控机构和高控机构。动力机构给整个设备提供动力;时控机构能保证跳伞人员能与飞行器保持一定安全距离;而高度控制可以保证在降落到相应高度的时候能够开伞。具体机芯的结构如下图所示:4(1).动力机构:开伞器工作时所需要的能量是由压缩弹簧2供给的。开伞器不工作时弹簧处于放松状态(虚线位置).开伞器工作前拉钢索1,将弹簧压缩(实线位置)。开伞器工作时、弹簧恢复力做功、释放能量.(2).时控机构:时间控制部分主要由一个轮系和一个无固有周期擒纵调速器组成。擒纵轮12和擒纵叉13组成无固有周期擒纵调速器,开伞器工作前软锁针15插入惯性轮14缺口中,将整个机构锁住。5压缩弹簧的动作是在空投前事先作好的;当空投者跳出飞机。软锁针被拔出。此时在弹簧恢复力P的作用下,滑轮3推动制动块4,使扇形齿轮5转动。经过三级升速齿轮传动,运动和力矩传到擒纵轮,使擒纵调速器工作。擒纵调速器工作原理如图所示。由于弹簧2恢复力的作用,在擒纵轮上作用力矩M,使其逆时针转动。当擒纵轮齿与擒纵轮叉进瓦接触时,在接触点上擒纵叉的力为P1,P1沿进瓦的法线方向,偏离擒纵轮齿的回转中心。P1力产生使擒纵叉逆时针转动的力矩Ml擒纵叉逆时针转过ф1角后,擒纵轮齿与进瓦脱开。在Ml作用下擒纵轮转过一定角度后,另一个擒纵轮齿与擒纵叉出瓦相接触。此时,轮齿作用于出瓦的力为P2,P2力产生使擒纵叉顺时针转动的力矩M2。当擒纵叉顺时针转过ф2角后,轮齿与出瓦脱开,在力矩M2作用下,擒纵轮又转过一定角度。直到下一个齿与进瓦接触,就这样擒纵叉摆动一次,擒纵轮转过一个齿.所需要的时6间为一个周期。周期近似计算公式如下:T——周期J——擒纵叉轴上所有零件的转动惯量Ml——擒纵轮齿与进瓦接触时,对叉轴作用的力M2——擒纵轮齿与出瓦接触时,对叉轴作用的力ф1——进瓦与擒纵轮接触到脱离,擒纵叉轴转过的角度ф2——出瓦与擒纵轮接触到脱离,擒纵叉轴转过的角度控制的时间:360tiZT式中:=20.5扇形齿轮的工作角度123138iiii20Z擒纵轮齿数0.032T秒擒纵器周期秒延时时间擒纵调速器可使弹簧的能量均匀释放,轮系保持近似等速转动,从而达到延时的功能。(3).高控机构:高度控制部分主要由真空膜盒组件和杆机构组成。随着高度的下降、气压逐渐增大,膜盒变形增大,由于变形与高度有这样的关系,所以可以7利用膜盒变形控制高度。当扇形齿轮转过一定角度后,销6与主动杆7接触,扇形齿轮继续转动时,销6推动扛杆7带动杆8转动,当杆8与膜盒中心轴4相接触时,时控机构被卡住,停止了工作。当下降到所调高度时,中心杆下降到上平板以下。杆8可继续转动,时控机构继续工作,直至制动块转到下图虚线所示位置。此时滑轮3和弹簧恢复力作用下,在一瞬间将弹簧力释放,把伞包打开实现开伞动作。高度控制的调整,从开伞器侧面的窗口中、可以看到控制高度的示值。将钥匙插入开伞器后面方孔中,转动钥匙,可以调整高度。高度刻盘上的示值是海拔高度,8调整高度的刻度值,应该等于空投地区的海拔高度加开伞时人或物与地面的距离。(2)原理框图三.时控机构轮系设计1.传动比的分配及齿数安排9按照技术要求的规定,本次设计需设计延时时间为5秒的航空开伞器,而齿系的传动比为138,擒纵轮齿数为20,0.032T。由360Tzit得360520220.03220138,经过技术要求及参数分析,最终并参考实物,决定选择三级增速形式:123906948138151212iiii由于部分齿数较小,有可能产生根切,从而影响轮齿强度。因此需要对部分齿轮进行变位调整。2.确定各级齿轮参数依次将各齿轮编号为。各齿轮齿数及相应变位系数:190z;215z;369z;412z;548z;612z;720z。120.8mm;34560.5mmmm。(变位系数选择参照机械学基础P101页变位系数线图)分度圆直径计算:11172dmz22212dmz33334.5dmz4446dmz1055524dmz6666dmz中心距计算:121211()422azzm;23341()20.252azzm;34561()152azzm齿顶圆直径计算:变位系数:21min1717150.11761717zx,取10.2x;42min1717120.2941717zx,取20.4x;*11112()73.28aaddmhx;*22212()13.92aaddmhx;*3322()35.1aaddmhx;*4422()7.4aaddmhx;*5522()24.6aaddmhx;*6622()7.4aaddmhx;具体参数表(单位mm):序号分度圆直径分度圆半径齿顶圆直径齿顶圆半径齿厚1723673.2836.642212613.926.967334.517.2535.117.551114637.43.765241224.612.316637.43.74擒纵轮20101擒纵叉20103惯性轮7四.膜盒组件设计已知参数:高度控制范围:500——7000m零位对应500m(716mmHg)转300度对应7000m(307.9mmHg)安全系数S≥1.5地面压强0P=510MPa735mmHg=510PaE=1.35×510MPa(铍青铜)E=1.11×510MPa(磷青铜)膜盒直径D≤50mm12设计计算:1.选定所用膜片类型:膜盒作为弹性敏感元件,在高空机构中起到关键作用。此处由于出于测量气压简便的原因,希望能采用线性膜盒。此处选择E型膜盒,因为其中心位移与压力之间具有良好的线性关系,可有效的简化设计。此处材料初步选为铍青铜。2根据高度要求计算膜片系数根据指标,要求能在500-7000米范围内正常开伞。而根据参数可求出压力差:△p=716307.9735×510=0.555×510Pa由S=0PP≥1.5的安全系数要求,有P≥1.5×510Pa。再由P≥1.5×510Pa查课本P424页图15-27得:P=1.5×510Pa时,Dh=425根据尺寸限制,可取D=45mm,则h=425D=0.106mm由Dh=425查课本P423页图15-26得对应的灵敏度:132SpD=0.05×510所以,S’=0.05pD2=0.050.555452=0.625mmS=2S’=1.25mm=300360×Z×p,选取Z=2,p=0.75综上,膜盒工作直径D=45mm,膜片厚度h=0.106mm,安全系数S=1.5,S=1.25,螺旋螺距p=0.75,头数Z=2(膜盒具体尺寸参数参见课本P423页图15-26)五.动力弹簧设计1.弹簧设计总方案及选材动力弹簧作为动力元件,需要能稳定工作多次,并在较小体积内产生较大的力,因此压簧在压缩状态下能提供稳定力的特点满足要求。因此选择应选择刚度较大的压簧。而为了防止弹簧在压缩的时候相互锁死,应将量弹簧设计成旋向相反。根据要求,具体参数如下:1、弹簧释放力:264.6N;2、弹簧端部冲程:70mm;3、弹簧从最大压缩位置到释放前的行程:4.3mm;4、套筒内径:18.5mm并选两根弹簧;145、弹簧预紧力为释放力的0.2倍;6、外、内弹簧输出力之比:2:1;本次设计弹簧尺寸较小且受力较大,应当首先按强度计算设计,使得弹簧能满足要求,同时对于刚度的校验也是必须进行的。根据这一计算原则,弹簧的计算过程如下。2.外弹簧参数计算按要求,外内弹簧输出力之比为2:1。知外弹簧释放力4.176326.26411F外弹簧预紧力为28.352.04.17612F弹簧力与形变量成正比,可求得11121170FFSS进而可知弹簧预紧形变量为mmS5.171可求得弹簧刚度为mmSFK016.21121整个过程弹簧最大型变量mmSS8.913.47012弹簧产生的最大力为069.1852113SKF在已知上述参数后,应选择相应的材料进行强度的计算。此处选择碳素弹簧钢丝D级,因其能应用于高应15力弹簧。同时根据寿命,选择Ⅲ类弹簧。课确定许用切应力为B5.0][。(课本P407表15-3)此处初选弹簧丝直径为mmd2.2查P408表15-4aB)2110~1810(,取aB1960,故a980][根据结构要求确定大径mmD5.182,取mm2.18。查P410表15-5确定中径mmdDD162最终确定外弹簧丝直径:由强度条件可有60.1355069.18516980][82max23FDKC根据P413表15-8,查得相应的38KC下:6.7C2.211.2d故最终确定弹簧直径为mmd2.2因此可确定工作圈数92.28834KDGdn,G参考P407表15-3,n可取29。因弹簧在套筒内故不用失稳校核。3.内弹簧参数计算按要求,外内弹簧输出力之比为2:1,16故内弹簧释放力2.88316.26421F内弹簧预紧力64.172.02.8822F弹簧力与形变量成正比,故21221170FFSS弹簧预紧形变量mmS5.171弹簧刚度mmSFK008.11222整个过程弹簧最大型变量mmSS8.913.47012弹簧产生最大力53.922223SKF在已知上述参数后,应选择相应的材料进行强度的计算。此处选择碳素弹簧钢丝D级,因其能应用于高应力弹簧。同时根据寿命,选择Ⅲ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