航空开伞器--机械设计课程设计说明书

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