航空开伞器——机械学基础课程设计论文.pdf

哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 1 HHa ar rb bi in n I In ns st ti it tu ut te e o of f T Te ec ch hn no ol lo og gy y 课课课课程程程程设设设设计计计计说说说说明明明明书书书书 论论论论文文文文 课程名称 机械学基础 设计题目 航空开伞器 院 系 测控技术与仪器系 班 级 0801 设 计 者 Bigli 学 号 10801 指导教师 刘 设计时间 2011 02 21 至 2011 03 11 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 2 估计只有1 6系的师弟师妹们会用到这个东西 警告一下 学校会把我的报告保存 5 年 系里的 老师还是挺严的 尤其这种 original and impressive 的 千万别以身试法 重修时很难受的哟 计算部分公式懒得打可以截图 但一定要注意 参数的差别 心得体会千万别照抄 经历一次课设挺有意义的 本文目的只在于给 大家提供一个思路 让大家知道该从哪里下手 版权所有 转载请知照 祝好运 Bigli 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 3 1 航空开伞器概述 1 1 航空开伞器的用途 航空开伞器是一种机械式短时段延时控制机构 被广泛地应用于空投 救生 深水炸弹引爆等领域 以空投为例 将航空开伞器装在空头的物体上 物体离开飞机后 航空开伞器 可以控制开伞时间 经过一定的时间 达到一定的高度是自动将伞包打开 合理地 设计开伞时间 可以在保证空投物品安全的同时 减少空投物体停留在空中的时间 即保证空投精度 1 2 工作原理 1 2 1 时控机构工作原理 如下图所示 图 1 航空开伞器工作原理图 1 钢索 2 弹簧 3 滑轮 4 制动块 5 扇形齿轮 6 销 7 杠杆 8 杠杆 9 膜盒组件 10 中心轮组件 11 过轮组件 12 擒纵轮组件 13 擒纵叉 14 惯性轮 15 软锁针 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 4 开伞器的传动原理如上图所示 开伞器使用前 先将钢索 1 拉出 使圆柱弹簧 2 压缩 弹簧顶部的滑轮 3 与扇形齿轮 5 上的制动块 4 相接处 制动块 4 被滑轮压迫 绕 O2 点逆时针转动 当滑轮移至制动块下方时 制动块在扭转弹簧恢复力的作用下 弹回原位 停止继续压缩圆柱弹簧 2 在弹簧恢复力的作用下 滑轮压紧制动块下端 面 由于此时止动软锁针 15 阻止了擒纵叉 13 和惯性轮 14 的摆动 机构不能工作 个零件保持相对静止 将钢索末端的环扣在需要开伞的对象 如降落伞 的锁针上 至此 即完成了航空开伞器的预设工作 需要开伞器工作时 将止动软锁针拔出 在弹簧的恢复力的作用下 机构开始 工作 滑轮推动制动块 使扇形齿轮绕 O 点顺时针转动 通过三级升速齿轮传动将 力矩传至擒纵轮组件 12 擒纵轮组件 12 与擒纵叉 13 组成的无固有周期擒纵调速器 控制机构的延时时间 并使机构匀速运动 由于扇形齿轮与它上面的制动块一起顺 时针转动 当制动块的最外端转过滑轮 3 圆周右侧边界点后 滑轮被释放 钢索将 弹簧的恢复力传出 以空投开伞应用为例 此力就可以将伞包上的锁针拔出 使降 落伞开启 开伞器的工作到此结束 开伞器工作结束后 扇形齿轮轴上的扭簧恢复力矩将使它恢复到工作之前的位 置 图示的位置 由于过轮组件 11 上装有棘轮式单向离合器 而擒纵轮不能反转 所以扇形齿轮在工作结束后反转时 不损伤擒纵调速器 1 2 2 高控机构工作原理 高空机构部分主要有真空模盒组件和杆机构构成 以空投开伞应用为例 随着 高度的下降 气压逐渐增大 模盒受到的压力不断增大 模盒的形变两不安增大 由于模盒的形变和高度有这样的关系 所以可以利用模盒的形变控制开伞高度 把掉软锁针后 扇形齿轮开始转动 当转过一定角度后 销钉6与主动杆7相接 处 扇形齿轮继续转动时 销6推动杠杆7带动杠杆8绕各自轴转动 当杠杆8与模盒 中心轴O4相接触式 时空机构被卡住 停止工作 当开伞器下降到所调高度时 模 盒中心轴O4下降到上夹板平面以下 杠杆8可以继续转动 时空机构继续工作 直至 制动块与滑轮脱离 开伞器开伞器工作结束 高度控制的调整 可以从开伞器侧面的窗口中看到 该处设有高度指示刻度盘 将钥匙插入开伞器后盖的方孔中 转动钥匙 可以调整开伞高度 高度刻度盘上所 显示的值是海拔高度 调整高度刻度时 所调高度应为空投处海拔高度与开伞时距 地面高度值和 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 5 2 航空开伞各组件设计 2 1 约束条件 1 高度控制范围 500米 7000米 2 延迟时间 5秒 3 预紧力为释放力 0 21 4 大小弹簧力比 2 1 5 弹簧释放力 264 6N 6 弹簧管直径 18 5mm 7 弹簧冲程 70mm 8 对应时空机构弹簧的行程 4 3mm 2 2 擒纵调速器工作原理介绍及扇形齿轮转角的计算 擒纵调速器的作用是使弹簧的能量均匀释放 轮系保持近似等速转动 从而达 到延时功能 擒纵调速器由擒纵叉和擒纵轮两部分组成 如图 2 1 所示 图 2 1 擒纵调速器工作原理 在弹簧 2 的恢复力的作用下 擒纵轮上将产生作用力矩 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M1 擒纵叉逆时针转过 1角后 擒纵轮齿与进瓦脱开 在M1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接触 此时 齿轮作用于出瓦的力为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 2角后 轮齿与 出瓦脱开 在力矩M2的作用下 擒纵轮由转过一定的角度 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 所需的时间为一个周期 周期的近似计算公式如下 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 6 T T1 T2 2J 1 M1 2J 2 M2 式中 T 周期 J 擒纵叉上所有零件的的转动惯量 M1 擒纵轮齿与进瓦接触时 对叉轴作用的力矩 M2 擒纵轮齿与出瓦接触时 对叉轴作用的力矩 1 进瓦与擒纵轮接触到脱离 擒纵叉轴转过的角度 2 出瓦与擒纵轮接触到脱离 擒纵叉轴转过的角度 控制的时间为 t 360 i Z T 对于本航空开伞器式中 22 418 扇形齿轮的工作角度 i 138总传动比 Z 20擒纵轮齿数 T 0 032秒 擒纵调速器周期 由此 控制时间t 5 5秒 擒纵调速器没有固定的周期 要调节擒纵调速器的周期 可以通过改变惯性轮 的质量来实现 2 3 轮系设计 2 3 1 传动比分配 1 总传动比计算 已知 擒纵轮周期 T 0 032 s 擒纵轮齿数 Z 20扇形 齿轮工作角度 20 30 延迟时间 t 5 s 公式 TZ i 360 t 结论 i 138 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 7 2 按最小体积分配 i 321 iii 138 i1 i2 i3 5 711138 3 由于对普通轮系要求每一级传动比ii8 4 综合分配传动比 按逐级递减原则 取 i1 6 i2 5 75 i3 4 2 3 2 各齿轮参数设计 1 齿数规定 由 i1 2 1 Z Z 6 i2 4 3 Z Z 5 75 i3 6 5 Z Z 4 取Z1 90 Z2 15 Z3 69 Z4 12 Z5 48 Z6 12 2 变位系数规定 由 17 17 min Z 有 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 8 29 0 29 0 12 0 3 2 1 取3 03 02 0 321 3 各齿轮参数计算 取m1 0 7 m2 m3 0 5 选轮齿为正常齿 故 1 m 1 故 c 0 35 a 分度圆直径d d mz d1 63mm d2 10 5mm d3 34 5mm d4 6mm d5 24mm d6 6mm b 齿根圆直径 f d m c2 h d 1 a11 f d m c2 hd 2 a22 f d 得 df1 60 83mm df2 8 89mm df3 32 83mm df4 4 95mm df5 22 35mm df6 4 95mm c 轴间距a 2 21 zz m a 得 1525 20a75 36 321 aa d 齿顶圆直径 a d mdad mdad fa f 7 0 2 7 0 2 12 21a 得 da1 64 12mm da2 12 18mm da3 35 2mm da4 7 3mm da5 24 7mm da6 7 3mm 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 9 2 4 动力弹簧设计 2 4 1 已知条件 已知 F放 264 6N 1 20 放 预 F F 2 小 大 F F 时 max 放 4 3mm 冲 放 预 70mm 装载动力弹簧的套筒内径 内 18 5mm 弹簧载荷性质 III 类 动力弹簧在工作的各个阶段所受力及对应的形变量如下图所示 图 2 动力弹簧在工作的各个阶段所受力及其对应的形变量示意图 2 3 2 求内外弹簧所受的最大力 Fmax 大 Fmax 小 设内外弹簧并联后整体刚度为 k 则有 F预 F释 l0k l0 70 k 0 21 得 l0 18 6mm 另有 F释 FMAX l0 70 k l0 70 4 3 k 解得 FMAX 277 44N 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 10 另由大小弹簧力比为 2 1 有 FMAX大 184 96N FMAX小 92 48N k大 1991N M k小 995N M 2 3 3 求大小弹簧参数 取 d大 2mm D大 16mm 得 C大 8 由 GB T4357 1989 取 D 类 得 B 大 1910 2200MPa 由 机械学基础 P366 表 15 3 得 955 1100MPa 进而有 D大 2 FMAX 大 1321 8 1522 5MPa 1 4 2 5 2 模盒组件参数设计 初选D 42mm 此时有 2S p D 5 5 10 7Pa 1 由 机械学基础 P380 图 15 29 得 D h 460 h 0 091mm PMAX 0 952MPa 由 机械学基础 P380 图 15 30 得 非线性度 3 3 破坏压力 1 25MPa 强度校核 1 25MPa 0 952MPa 1 313 1 4 为避免读数误差引起的错误 可以取较大的 D 以提高安全性 结论 取 D 48mm 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 12 2 6 模盒组件设计 制动块零件的正视外观及其尺寸如图 3 所示 图 3 制动块零件图 制动块运动示意图如图 4 所示 图 4 制动块运动示意图 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 13 因为弹簧从最大压缩位置到释放前的行程为 S时 4 3mm 弹簧滑块上滑轮直径 d 3mm 因此 当弹簧从最大压缩位置到释放位置时 制动块上的 D 点水平移动的 距离为 a S时 d 2 4 3mm 1 5mm 2 8mm 几何分析得 l y tan 2 a sin 见图 5 设制动块长为 s 则另有 y l2 s2 见图 6 图中曲线下方为可取的 s 范围 图 5 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 14 图 6 综合上述分析 可以得出取 y 14mm l 10mm s 8mm 2 7 杆机构设计 连杆设计 连杆设计可以采用作图的方法确定 示意图如图 2 4 长销 扇形齿轮轴 中心 杆1 杆2 图 7 连杆的设计 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 15 3 机构调整方法及改进意见 3 1 机构调整方法 3 1 1 高度控制结构的调整方法 装配时 膜盒在航空开伞器中的位置应处于膜盒工作范围的两个极限位置之间 对于高度控制范围处于 500m 7000m 的膜盒组件 为了与装配图所画的极限位置相 匹配 以膜盒处于 7000m 环境下的调整方式为例作说明 在实验室中 将膜盒处于 与 7000m 高度的气压条件下 p7000 0 4094 105Pa 转动膜盒下方的调整齿轮 使 膜盒上方中心杆的端面与上夹板的配合孔平齐 检验示数窗口直至其指向 7000m 的 高度 并保证当膜盒向上运动时 窗口的读数逐渐减小 3 1 2 时间控制机构的调整方法 刻度盘指针的初始位置指向 5s 处 扇形齿轮初始时与中心轮上的小轮恰恰啮合 保证机构正常的工作状态 打开上夹板 拔出软锁针 用精确计时器开始计时 当 制动块长销与杠杆 2 上端的螺钉刚好接触时 停止计时 若这段时间长度为 3 7 秒 则符合要求 否则 应根据实际延时时间的长短与 3 7 秒的差值适当旋进或旋出杠杆 一上内侧的螺钉 若实际的时间小于 3 7 秒 则旋出 反之 则旋进 3 2 改进意见 3 2 1 提高精度 膜盒的调节依靠旋钮调节螺钉进行 难以保证延时精度 可考虑采用更为精良 的调节机构如差动螺旋的调节机构来调节膜盒在开伞器中的相对位置和延迟时间 扇形齿轮的工作角度与延迟时间也是通过旋钮调节螺钉进行调节 因而精度也不高 改进方法同上 3 2 2 传感器控制 通过合理的设计 在仪器中加入控制电路 以实现开伞延时的控制或提高高度 的测量精度等 可以提高航空开伞器的安全性能 降低制造及检修成本 减轻开伞 器的重量 使其结构更为紧凑 比如 在开伞器中引入 MEMS 加速度传感器电路 可以通过准确的位移测量实现准确的开伞 而且 MEMS 加速度传感器相对于当前的 高控机构而言体积小 能耗低 成本低 能够取代当前的高控机构 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 16 3 2 3 其他原理的航空开伞器设计 通过其他种类的时控与高控机构 同样可以实现航空开伞器的设计 图 8 所示为一种自动开伞器的传动原理图 图 8 一种自动开伞器的传动原理图 此种开伞器动开伞器在弹射启动瞬间 利用波纹管 自动感受弹射瞬间的飞行速 度 根据不同的速度值 经过相应的延时 输出开伞力 控制自动感受飞行高度的仪 表工作 以实现弹射救生时刻的飞行速度 高度自动感受和控制的功能 确保上述过 程准确无误地执行 最大限度地扩大救生伞的性能包线 从而使得从弹射启动到主 伞张满的时间为最佳 乘员所承受的载荷在人体耐限范围内 最大限度的达到挽救飞 行乘员生命的目的 图 9 所示为该种自动开伞器的主体结构图 图 9 一种自动开伞器的主体结构图 1 止动片 2 拨动杆 3 调节摆片 4 凸轮 5 波纹管 6 拨叉 7 滑尺 8 滑动芯轴 9 锁钩 10 锁钉 11 减力齿轮组 12 计时弹簧 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 17 4 心得体会 为期三周的机械学基础课程设计结束了 我从中收获了很多经验 在课程设计 的过程中 巩固了大量的基础知识 总结整个课程设计的过程 我的心得体会主要 可以分为以下几个方面 4 1 课程设计是理论联系实际的过程 机械学基础课程设计的题目航空开伞器是一个综合性很强的题目 全面考察了 学生在前一段时间对机械学基础课程内容的掌握与应用程度 开伞器中 杠杆机构 的设计涉及到第一章杆传动机构的内容 棘轮部件中棘轮的应用体现了第二章棘轮 单向运动的原理 复杂的齿轮轮系构成很好地检验了学生对于第三章与第十五章齿 轮的相关内容的掌握程度 螺纹的联接与紧固 配合公差带的选用 很好地体现了 第七章 第九章联接与机械精度设计的相关内容 中心轮部件 棘轮部件 擒纵轮 部件 惯性轮部件 这些航空开伞器的核心部件 都包含了第八章 第十章中轴和 轴承的设计的内容 模盒 弹簧等 既涉及到了涉及第十五章弹性元件的基本选用 原则 总的来说 航空开伞器的设计全面地包含了前段时间机械学基础课程的基本 学习内容 掌握航空开伞器的设计方法 不仅需要讲学过的知识融会贯通 而且需 要理论联系实际 站在生产实际的角度思考 4 2 课程设计巩固了工程制图能力 航空开伞器设计的主要任务是该装置装配图的手工绘制 零号图纸是我们这次 课程设计的重头戏 也是我们画过的最大的图纸 第一次绘制这么大的图纸 对我 们着实是一个挑战 课程设计中 如此复杂的工程图纸的绘制 不仅让我的手工绘 图能力有了较大的提高 而且让我更加深刻地了解到设备中零件的位置关系 提高 了识图 读图的能力 4 3 课程设计提高了自学能力与资料搜索能力 课程设计的过程中 我们第一次独立地设计一个机械装置 装置中的所有零部 件都需要自行设计 需要查询的资料很多 包括各类标准间的标准 经验公式 实 验图表 公差配合等级 应用背景等诸多资料 这些资料都不是我们已经掌握了的 都需要我们现学现用 活学活用 这对我们搜集和学习资料的能力提出了很高的要 求 使我们得到了不少的锻炼 哈尔滨工业大学课程设计说明书 论文 18 4 4 学习的重点在与方法 课程设计的过程中 我们运用到了很多课堂上学过的知识 也运用了很多从来 没有接触过的知识 在这个过程中 我深刻地体会到了学习方法的重要性 大学的 学习并不再是简单的重复 不再是授之以鱼 而是授之以渔 我们从课堂上获得的 除了知识 更重要的应该是主动获取 运用知识的能力 人能记住的东西毕竟是少 数 只懂得做题纸上谈兵的学生不是好学生 通过这次课程设计