航空開傘器--哈工大機械設(shè)計課程設(shè)計說明書

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計說明書（論文）課程名稱： 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計 設(shè)計題目： 航空開傘器結(jié)構(gòu)設(shè)計 院 系： 電氣學院1系 班 級： 1001101班 設(shè) 計 者： 學 號： 指導教師： 劉永猛 設(shè)計時間：2013.2.252013.3.14 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學課程設(shè)計任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：電氣學院 專 業(yè)： 電子測量 班 號：1001101 任務(wù)起至日期： 2013 年 2 月 25 日 至 2013年 3 月 15 日 課程設(shè)計題目： 航空開傘器結(jié)構(gòu)設(shè)計 已知主要技術(shù)參數(shù)： 1高度控制范圍： 500m-7000m 。 2延遲

2、時間： 5 s 。 3彈簧釋放力： 264.6N 。 4大小彈簧力比： 2:1 。 5彈簧端部沖程： 70mm 。 6彈簧予緊力和釋放力之比： 0.23 。 7彈簧從最大壓縮位置到釋放前的行程為： 4.3mm 。 8擒縱調(diào)速器周期為： 0.032s 。 9機殼總體尺寸 100mm×80mm×30mm 工作量：1. 總裝配圖一張 (1號圖紙)2. 展開圖一張(2號圖紙)3. 零、部件圖五張 (3號圖紙)4. 設(shè)計說明書一份 (15頁左右) 工作計劃安排：整個課程設(shè)計安排15個設(shè)計日，進度如下：1. 任務(wù)分析、理論計算、草圖 2日2. 總裝配圖設(shè)計 6.5日3. 展開圖設(shè)計 1

3、.5日4. 部件圖、零件圖設(shè)計 2日5. 編寫說明書 1.5日6. 答辯 1日 同組設(shè)計者及分工： 指導教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計指導教師填寫。23目 錄1.航空開傘器 4 1.1.1航空開傘器的用途41.1.2開傘器的種類 4 1.1.3開傘器的工作原理與結(jié)構(gòu) 5 1.2 開傘器具體參數(shù)設(shè)計 91.2.1開傘器能源（力彈簧）分析計算 91.2.2航空開傘器時控機構(gòu)設(shè)計121.2.3航空開傘器齒輪系設(shè)計131.2.4 扇形齒輪轉(zhuǎn)角的設(shè)計141.2.5 齒輪銜接結(jié)構(gòu)圖151.3 開傘器高控機構(gòu)的設(shè)計151.3.1 高度控制原理1

4、51.3.2 設(shè)計E型膜盒 151.4 開傘器形狀尺寸的設(shè)計171.4.1 制動塊的設(shè)計171.4.2 桿機構(gòu)的設(shè)計172.改進意見 212.1 精度要求212.2 控制系統(tǒng)中參入電子設(shè)備212.3 加入手控裝置213心得體會211.航空開傘器1.1.1航空開傘器的用途降落傘是利用空氣阻力，依靠相對于空氣運動充氣展開的可展式氣動力減速器，使人或物從空中安全降落到地面的一種航空工具。是空降兵作戰(zhàn)和訓練、航空航天人員的救生和訓練、跳傘運動員進行訓練、比賽和表演，空投物資、回收飛行器的設(shè)備器材。現(xiàn)已制造出救生傘、傘兵傘、運動傘、減速傘、投物傘等型號不同的人用和物用降落傘。降落傘現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于航空航天

5、的乘員救生、飛行器回收系統(tǒng)和物資空投，空降兵部隊的傘降作戰(zhàn)以及體育運動休閑等領(lǐng)域。最初的空降設(shè)備不用開傘控制器，人和物離開飛機后降落傘立即打開。這種開傘控制方式稱為“即開式開傘控制”，它是在人和物離機時通過拉繩拉出傘包插銷，傘包立即打開，降落傘自動張開。這種開傘方式主要應(yīng)用于低空人員空降、投物和重載空投中。它的裝備簡單、成本低，但是，由于在這種開傘方式下的降落傘張開距離飛機較近，受飛機飛行氣流影響較大，安全性不好，因此，目前大部分空降空投裝配都使用了不同的自動開傘控制器。開傘器是一種短時段延時控制機構(gòu)，并且可以實現(xiàn)高度控制可用于空投和駕駛員救生。將開傘器裝在空投的人或物體上，跳離飛機后，開傘器

6、可以控制在經(jīng)過一定時間和達到一定高度時自動將傘包打開。因此保證了空投的安全；另外，開傘器也可用延時引爆，例如深水炸彈的引爆。1.1.2開傘器的種類1. 延遲時間開傘控制器在人和物離開飛機后延遲一定時間自動打開降落傘。主要由鐘表機構(gòu)和動力彈簧裝置兩部分組成。動力彈簧產(chǎn)生不小于275N的拉力，通過鋼索拉開傘包脫離鎖并打開傘包，動力彈簧的工作受到鐘表機構(gòu)的控制。鐘表機構(gòu)由動力彈簧的推力使其齒輪系轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)擺片由于慣性的推動下產(chǎn)生周期性擺動，以實現(xiàn)儀表經(jīng)過一定時間的延時后才釋放動力彈簧。2. 高度時間開傘器在人和物離開飛機后，延時一定時間并判斷高度，決定降落傘是否打開。時間高度開傘控制器為機械儀表，主

7、要由鐘表機構(gòu)、膜盒、動力彈簧裝置三部分組成。動力輸出和鐘表機構(gòu)部分與“時間開傘控制器”類似。只是動力彈簧的工作受到鐘表機構(gòu)以及膜盒的聯(lián)合控制。開傘器預定的工作高度和工作時間是通過對高度刻度盤和時間指針的調(diào)整而實現(xiàn)的。當繩索拉脫鎖住開傘器的軟鎖針，鐘表機構(gòu)在彈簧推動下開始工作。在下降到預定的高度以前，由于膜盒的膨脹使膜盒上的制動桿擋住杠桿，鐘表機構(gòu)經(jīng)過一定時間轉(zhuǎn)動到一定位置后立即停止工作。當下降到預定的高度時，膜盒被大氣壓壓縮到一定程度，制動桿這時已擋不住杠桿，于是鐘表機構(gòu)重新轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過1.3s活塞脫離制動片，彈簧迅速伸張，拉動鋼索，輸出工作力。當在預定的工作高度以下進行工作時，由于膜盒被大氣

8、壓壓縮，其制動桿對鐘表機構(gòu)沒有鎖緊作用，當繩索拉脫鎖住開傘器的軟鎖針時，鐘表機構(gòu)連續(xù)工作，經(jīng)過預定的時間后及時地釋放動力彈簧從而使傘包脫離鎖啟動，完成開傘控制。3. 高度速度開傘器開傘控制器在人和物離開飛機后下降至一定高度時判斷下降速度決定降落傘是否打開，該類開傘器多為電子式。本次課程設(shè)計主要研究的是高度時間開傘器。1.1.3開傘器的工作原理與結(jié)構(gòu)開傘器的結(jié)構(gòu)圖如下：圖一 開傘器的結(jié)構(gòu)圖1能源機構(gòu)開傘器工作時所需要的能量是由壓縮彈簧2供給的。開傘器不工作時，彈簧處于放松狀態(tài)(虛線位置)。開傘器工作前拉鋼索1，將彈簧壓縮(實線位置)。開傘器工作時彈簧恢復力做功，釋放能量。2時間控制結(jié)構(gòu)時間控制部

9、分主要由一個輪系和一個無固有周期擒縱調(diào)速器組成。擒縱輪12和擒縱叉13組成無固有周期擒縱調(diào)速器,開傘器工作前軟鎖針15插入慣性輪14 缺口中，將整個機構(gòu)鎖住。壓縮彈簧的動作是在空投前事先作好的；當空投者跳出飛機。軟鎖針被拔出。此時在彈簧恢復力的作用下，滑輪3推動制動塊4，使扇形齒輪5轉(zhuǎn)動。經(jīng)過三級升速齒輪傳動，運動和力矩傳到擒縱輪，使擒縱調(diào)速器工作。圖二 擒縱調(diào)速器工作方式由于彈簧2恢復力的作用，在擒縱輪上作用力矩，使其逆時針轉(zhuǎn)動。當擒縱輪齒與擒縱輪叉進瓦接觸時，在接觸點上擒縱叉的力為，沿進瓦的法線方向，偏離擒縱輪齒的回轉(zhuǎn)中心。力產(chǎn)生使擒縱叉逆時針轉(zhuǎn)動的力矩擒縱叉逆時針轉(zhuǎn)過角后，擒縱輪齒與進瓦

10、脫開。在作用下擒縱輪轉(zhuǎn)過一定角度后，另一個擒縱輪齒與擒縱叉出瓦相接觸。此時，輪齒作用于出瓦的力為，力產(chǎn)生使擒縱叉順時針轉(zhuǎn)動的力矩。當擒縱叉順時針轉(zhuǎn)過角后，輪齒與出瓦脫開，在力矩作用下，擒縱輪又轉(zhuǎn)過一定角度。直到下一個齒與進瓦接觸，就這樣擒縱叉擺動一次，擒縱輪轉(zhuǎn)過一個齒。所需要的時間為一個周期。周期近似計算公式如下：式中：周期擒縱叉軸上的所有零件的轉(zhuǎn)動慣量擒縱輪齒與進瓦接觸時，對叉軸作用的力矩擒縱輪齒與出瓦接觸時，對叉軸作用的力矩進瓦與擒縱輪接觸到脫落，擒縱叉軸轉(zhuǎn)過的角度出瓦與擒縱輪接觸到脫落，擒縱叉軸轉(zhuǎn)過的角度擒縱調(diào)速器可使彈簧的能量均勻釋放，輪系保持近似等速轉(zhuǎn)動，從而達到延時的功能3高度控制

11、機構(gòu)圖三 高度控制機構(gòu)結(jié)構(gòu)高度控制部分主要由真空膜盒組件和時控桿機構(gòu)組成。隨著高度的下降、氣壓逐漸增大，膜盒變形增大。由于膜盒變形與高度有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此能夠利用膜盒形變來控制降落傘的打開高度。當扇形齒輪轉(zhuǎn)過一定角度后，銷6與主動桿7接觸，扇形齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，銷6推動扛桿7帶動桿8轉(zhuǎn)動，當桿8與膜盒中心軸相接觸時，時控機構(gòu)被卡住，停止了工作。當下降到所調(diào)高度時，中心桿下降到上平板以下。桿8可繼續(xù)轉(zhuǎn)動，時控機構(gòu)繼續(xù)工作，直至制動塊轉(zhuǎn)到圖3虛線所示位置。此時滑輪3和彈簧恢復力作用下，在一瞬間將彈簧力釋放，把傘包打開實現(xiàn)開傘動作。高度控制的調(diào)整，從開傘器側(cè)面的窗口中、可以看到控制高度的示值。將鑰

12、匙插入開傘器后面方孔中，轉(zhuǎn)動鑰匙，可以調(diào)整高度。高度刻盤上的示值是海拔高度，調(diào)整高度的刻度值，應(yīng)該等于空投地區(qū)的海拔高度加開傘時人或物與地面的距離。1.2開傘器具體參數(shù)設(shè)計1.2.1開傘器能源（力彈簧）分析計算1. 已知條件：（1）彈簧釋放力：（2）沖程：（3）對應(yīng)時控機構(gòu)彈簧的行程：；（4）彈簧預緊力為釋放力的倍； （5）容納彈簧絲的鋼管直徑為； （6）外內(nèi)（大?。椈舍尫帕χ葹椋骸?. 雙層彈簧（內(nèi)外彈簧）設(shè)計：彈簧受力分析：選用彈簧材料為：碳素彈簧鋼絲D級，查表得知：裝載動力彈簧的套筒內(nèi)徑：內(nèi)=18.5mm，彈簧載荷性質(zhì)為III類。動力彈簧在工作的各個階段所受力及對應(yīng)的形變量如下圖所示

13、：圖四 彈簧受力與位移關(guān)系示意圖3. 求內(nèi)外彈簧所受的最大力Fmax外，F(xiàn)max內(nèi)內(nèi)外彈簧的釋放力：F放外=264.6N×23=176.4N；F放內(nèi)=264.6N×13=88.2N由圖列方程可知：Fmax-F放S時=F放-F預S沖；可得Fmax=277.12N4. 根據(jù)相關(guān)條件，確定彈簧的各項參數(shù)由題意知，所選動力彈簧為壓縮彈簧，為了避免內(nèi)外彈簧鑲嵌，內(nèi)外彈簧的旋向應(yīng)相反，不妨設(shè)外彈簧的旋向為右旋，內(nèi)彈簧的旋向為左旋。5 外彈簧的設(shè)計因為內(nèi)=18.5mm，根據(jù)精密機械學基礎(chǔ)P364表15-5，初選D中=14mm,d=2.2mm;外徑D=14mm+2.2mm=16.5mm&l

14、t;內(nèi)=18.5mm，符合結(jié)構(gòu)要求。旋繞比C=Dd=14mm2.2mm=6.36；符合精密機械學基礎(chǔ)P365表15-7，曲度系數(shù)：K=4C-14C-4+0.615C=1.236若選擇碳素彈簧鋼絲D級，則許用剪應(yīng)力=0.5B。B最小值為1760MPa，=880MPa。由強度條件，=K8FmaxCd2max=K8FmaxCd2=1.273×8×277.12×2/3×6.36×2.22=592MPa=880MPa由剛度條件，KF=Gd8C3n=FmaxSmax=F放-F預S沖=(176.4N-40.57N)70mm=1.940Nmmn=Gd8KFC3

15、=80000×2.28×1.940×6.363=44.08；由于要選尾數(shù)為1/4，1/2，3/4的彈簧，故可取44.25；旋向為右旋。長度H0=pn+1.5d=0.28Dn+1.5d=176.76mm1.2.6 內(nèi)彈簧的設(shè)計因為D內(nèi)=（D外-d）=11.5mm，根據(jù)精密機械學基礎(chǔ)P364表15-5，初選D內(nèi)=9mm,d=1.4mm;因此，外徑D2=9mm+1.4mm=10.4mm<D內(nèi)1=11.5mm，符合要求。旋繞比C=Dd=9mm1.4mm=6.429；符合精密機械學基礎(chǔ)P365表15-7曲度系數(shù)K=4C-14C-4+0.615C=1.234外彈簧選用碳

16、素彈簧鋼絲D級，由精密機械學基礎(chǔ)P362，表15-4可知，當d=1.4mm時，選取B=2300MPa；許用剪應(yīng)力=0.5B=1150MPa。由強度條件，=K8FmaxCd2=K8FmaxCd2=1.234×8×277.12×1/3×6.429×1.42=950MPa=1150MPa由剛度條件，KF=Gd8C3n=FmaxSmax=F放-F預S沖=（88.2N-20.29N）70mm=0.970Nmmn=Gd8KFC3=80000×1.48×0.970×6.4293=54.32；選取n=54.50,旋向左旋；故長度H

17、0=pn+1.5d=0.356Dn+1.5d=176.5mm6. 內(nèi)外彈簧參數(shù)表如下：參數(shù)名稱及代號計算公式外彈簧取值內(nèi)彈簧取值備注中徑DD=Cd14mm9mm內(nèi)徑D1D1=D-d11.8mm7.6mm外徑D2D2=D+d16.2mm10.4mm旋繞比CC=D/d6.366.429鋼絲直徑dd=D/C2.2mm1.4mm壓縮彈簧細長比bb=H0D12.619.6b>3.7，內(nèi)側(cè)應(yīng)加入導向心桿自由高度或長度H0兩端并緊，磨平：H0=pn+（1.52）d兩端并緊，不磨平：H0=pn+（33.5）d176.7mm176.5mm兩端并緊，磨平：H0=pn+1.5d有效圈數(shù)n44.2554.50節(jié)

18、距pp=(0.280.5)D3.92mm3.20mm外：p=0.280D；內(nèi)：p=0.356D表一1.2.2航空開傘器時控機構(gòu)設(shè)計1.組成：（1）杠桿機構(gòu)；線位移轉(zhuǎn)變成角位移（2）齒輪傳動：三級增速傳動（3）擒縱輪調(diào)速器：使彈簧能量均勻釋放2.已知條件：（1）調(diào)速器周期：；（2）總的延時時間：；（3）擒縱輪齒數(shù)：；（4）齒輪總的傳動比：。1.2.3航空開傘器齒輪系設(shè)計1. 輪系設(shè)計已知：總傳動比：i=i1*i2*i3=138;第一級傳動：模數(shù)m=0.7;壓力角=20°第二級傳動：模數(shù)m=0.5;壓力角=20°2. 分配傳動比令i=i1*i2*i3=9015*6912*481

19、2=138,因此，第一級齒輪齒數(shù)分別為Z1=90,Z2=15；第二級齒輪齒數(shù)分別為Z3=69,Z4=12；第三級齒輪齒數(shù)分別為Z5=48,Z6=12；3. 確定齒輪的幾何參數(shù)齒輪的三級傳動中，最小齒數(shù)zmin<17。因此，為避免根切現(xiàn)象，應(yīng)對齒輪進行高度變位。對小齒輪進行正變位，對大齒輪進行負變位。根據(jù)最小變位系數(shù)公式：min=17-Z17因為，對于一、二、三級傳動，最小齒數(shù)分別為：Z2=15,Z4=12,Z6=12；求得，min1=0.118, min2=0.294, min3=0.294;因而，選取1=0.12, 2=0.3, 3=0.3;輪齒為正常齒，故ha*=1;m<1,故

20、c*=0.35。各齒輪的相關(guān)幾何參數(shù)如下表所示：名稱符號公式幾何尺寸z1z2z3z4z5z6齒數(shù)z901569124812模數(shù)m0.70.5變位系數(shù)min=17-Z17-0.120.12-0.30.295-0.30.3嚙合角=20°分度圓直徑d/mmd=mz6310.534.56246中心距a /mma=a=（d1+d2）、236.7520.2515齒根圓直徑df/mmdf=d-2(ha*+c*-)m60.958.77832.354.9522.354.95齒頂圓直徑da/mmda=d+2(ha*+)m64.23212.06835.27.324.77.3表二1.2.4 扇形齒輪轉(zhuǎn)角的設(shè)

21、計由開傘器時控機構(gòu)工作原理可知，利用公式，計算得知扇形齒輪轉(zhuǎn)角：D· · · °式中：s延時的時間齒輪的總傳動比擒縱輪齒數(shù)1.2.5 齒輪銜接結(jié)構(gòu)圖圖五 齒輪銜接結(jié)構(gòu)圖1.3 開傘器高控機構(gòu)的設(shè)計1.3.1 高度控制原理利用滑動螺旋傳動來調(diào)節(jié)膜盒上長銷頂端與上夾板之間距離，從而控制開傘高度。已知條件如下：1）高度控制范圍：；2）零件對應(yīng)；3）轉(zhuǎn)對應(yīng)； 4）螺旋參數(shù)：。1.3.2 設(shè)計E型膜盒1. 初選E型膜盒材料：（鈹青銅）直徑：。初選E型膜盒直徑。設(shè)計膜盒組件結(jié)構(gòu)如下：圖六 膜盒組件結(jié)構(gòu)2. 膜盒相關(guān)參數(shù)計算兩個膜片的位移（一個膜盒有兩個膜片組成）：E

22、型膜盒的相對靈敏度：由精密機械學基礎(chǔ)P375圖15-29查得：；膜片的安全系數(shù)計算：最大壓強位于500米處：由機械學基礎(chǔ)圖15-30查得：非線性度約為；破損壓強約為；滿足要求。1.4 開傘器形狀尺寸的設(shè)計1.4.1 制動塊的設(shè)計制動塊畫圖設(shè)計如下：圖七 制動塊結(jié)構(gòu)設(shè)計時取。代入前面得出的可得：1.4.2 桿機構(gòu)的設(shè)計1. 桿機構(gòu)的設(shè)計示意圖如下：圖八 桿機構(gòu)的設(shè)計示意圖2. 制動塊位置確定制動塊作為連接機芯和彈簧的部分，其外形的設(shè)計直接關(guān)系著延時的時間。而在本次課程設(shè)計中，制動塊的尺寸設(shè)計采用了圖解的辦法。在扇形齒輪圖中任意選取一點后，將其對扇形齒輪邊沿做垂線，再由延時時間計算扇形齒輪轉(zhuǎn)過的角

23、度，畫出齒輪轉(zhuǎn)過后的邊沿線。同一點再做垂線。由要求可知彈簧行程為4.3mm，在兩線間取相應(yīng)的距離。確定的點即為制動塊的端點。具體的作圖過程如下：圖九 制動塊的端點參數(shù)在制動塊的設(shè)計中，不可忽視的一點是對于制動塊的轉(zhuǎn)動問題。在彈簧的壓緊過程中，制動塊有一個擺動壓緊的過程。此時制動塊會向下轉(zhuǎn)動，其頂部有可能碰到扇形齒輪的轉(zhuǎn)軸，因此在圖解的時候應(yīng)注意用圖解的辦法驗證是否能順利擺到相應(yīng)的位置。3. 根據(jù)時間要求設(shè)計桿機構(gòu)在航空開傘器中，延時的時間分為三部分。第一部分是正常的延時部分。此時杠桿并不擺動。第二部分杠桿開始擺動至碰到膜盒處的杠桿停止。第三部分為達到相應(yīng)高度時繼續(xù)釋放能量到開傘。在具體的設(shè)計中

24、，忽略彈簧力的變化，使齒輪的轉(zhuǎn)動角度與時間呈線性關(guān)系。按照時間的安排，可計算出相應(yīng)部分擺動的角度。在設(shè)計的過程中，由于時間緊迫，具體的杠桿結(jié)構(gòu)采取了圖解法。其中兩杠桿的轉(zhuǎn)軸位置由自己擬定。當確定轉(zhuǎn)軸之后，根據(jù)第三部分的時間的其實位置，可確定左側(cè)杠桿的角度。再根據(jù)各個時段的起始點，可以確定杠桿的各個位置。由于在取點的時候橫坐標相同，在確定位置的時候相對簡便，但是左側(cè)杠桿的擺動幅度并不大，不利于精確定時。但是由于實際情況下，各時段間有相應(yīng)的允許誤差，故認為該設(shè)計方法可行。具體示意圖如下。圖十 杠桿運動示意4時間調(diào)整環(huán)節(jié)設(shè)計由于在具體應(yīng)用中需要能調(diào)節(jié)具體三部分的時間，這樣有利于調(diào)整減小誤差。故在設(shè)計杠桿時需要考慮到相應(yīng)的時間調(diào)整部分。具體設(shè)計如下：圖十一 時間調(diào)整螺釘兩螺母通過調(diào)整中間的空隙大小，調(diào)整齒輪旋轉(zhuǎn)的角度分配，來改變各個部分的時間。下彈簧可用來調(diào)整時間，上彈簧用于調(diào)整第一和第三部分的時間分配。2.改進意見2.1 精度要求膜盒的調(diào)節(jié)依賴旋鈕調(diào)節(jié)螺釘實現(xiàn)，難以保證延時精度，可考慮采用更為精良的調(diào)節(jié)機構(gòu)。此外，膜盒本身是依賴外界大氣壓工作的零件，在某些情況下，此種高控機構(gòu)會有較大的誤差。適用性較差，可考慮采用更加合理的高度控制機構(gòu)。杠桿的調(diào)節(jié)對于時間控制系統(tǒng)的影響很大，微小的杠桿定點