哈工大开伞器机械设计基础课程设计说明书

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 机械学基础课程设计 设计题目： 航空开伞器结构设计 院 系： 电气学院6系 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 刘永猛 设计时间： 2013.12.23-2014.1.3 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 2013 年12月23日 至 2014 年 1 月3日 课程设计题目： 航空开伞器结构设计 已知主要技术参数： 1高度控制范围： 500m- 7000m 。 2延迟时间： 4.5s 。 3弹簧释放力： 264.6N 。

2、4大小弹簧力比： 2:1 。 5弹簧端部冲程： 70mm 。 6弹簧予紧力和释放力之比： 0.2 。 7弹簧从最大压缩位置到释放前的行程为： 4.3mm 。 8擒纵调速器周期为： 0.032s 。 9机芯总体尺寸100mm×80mm×30mm 工作量：1. 总装配图一张 (1号图纸)2. 零、部件图三张 (3号图纸)3. 设计说明书一份 (15页左右) 工作计划安排：整个课程设计安排10个设计日，进度如下：1. 任务分析、理论计算、草图 1.5日2. 总装配图、展开图设计 5日3. 部件图、零件图设计 1.5日4. 编写说明书 1日5. 答辩 1日 同组设计者及分工： 指导

3、教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日*注：此任务书由课程设计指导教师填写。24目 录设计任务书目录 1正文 1.1任务分析、方案确定 1.2工作原理及原理框图1.3时控机构中的轮系设计、制动块位置确定1.4高控机构的膜盒组件设计、杆机构设计1.5结构分析、调整环节2改进意见3心得体会4参考资料1说明书正文1.1任务分析、方案确定本次课程设计的任务是航空开伞器的结构设计，航空开伞器是一种机械式短时间延时控制机构。也可实现高度控制，可用于空投和驾驶员救生。将开伞器装在空投的人或物体上，跳离飞机后，开伞器可以控制在一定时间和达到一定高度时自动打开伞包，从而保证了空投

4、的安全。此外，开伞器也可以用来延时引爆，例如鱼雷的引爆。航空开伞器可以分为时控机构，高空机构和能源机构。其中时控机构包括轮系设计和制动块的位置确定；高空机构包括膜盒组件设计和杆机构设计；能源机构主要包括动力弹簧的设计。本次任务一共有4张图纸，包括一张总装配图，三张部件、零件图。本次任务的时间安排为10个工作日，具体时间分派如下：1任务分析、理论计算、草图 1.5日 2.总装配图设计 5日3.部件图、零件图设计 1.5日5.编写说明书 1日 6.答辩 1日1.2工作原理及原理框图开伞器主要由能源、时间控制机构和高度控制机构三部分组成。工作原理见图1：1钢索 2弹簧 3滑轮 4制动块 5扇形齿轮

5、6销 7杠杆一 8杠杆二 9膜盒组件 10中心轮组件 11过渡轮组件 12擒纵轮组件 13擒纵叉 14惯性轮 15软锁针图1 开锁器结构示意图开锁器准备阶段：开锁器使用前，先将钢索1拉紧，使圆柱弹簧2压缩。弹簧顶部的滑轮3被扇形齿轮5上的制动块4锁住。此时，机构由于止动软锁针15的阻挡而不能工作（它阻止擒纵叉13和制动块4的摆动），并将钢索末端的环扣在需要开锁的对象（如降落伞）的锁针上。开锁器工作阶段：将止动软锁针拔出，由于弹簧恢复力的作用，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

6、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。若用于开伞，此力就可以将伞包上的锁针拔出，使降落伞开启。工作结束后，扇形齿轮轴上扭簧的恢复力矩将使它恢复到工作前的位置（图示的位置）。由于擒纵轮不能反转，因而在过渡轮组件11上装有棘轮式单向离合器，以保证扇形齿轮在工作结束后反转时，不损伤擒纵调速器。在准备阶段，制动块可以绕点逆时针转动以让开下移的滑轮，然后在扭簧的作用下立即恢复到图示的位置，并且不能再绕点做顺时针转动。开锁器中还有一个高度控制机构，它用于伞兵延时开伞。当调整好指定的

7、开伞高度后，在伞兵离开飞机将至此高度时，开锁器即自动打开伞包。它的原理如下：机构工作时立杆O_2 将绕O点顺时针转动，当其运动到杠杆7并与其接触后，推杠杆7绕O_1点顺时针转动。杠杆7的末端则推动杠杆8绕O_3点逆时针转动，使杠杆8的另一端向真空膜盒9的中心杆O_4靠拢，直至二者接触，杠杆8停止运动，整个机构也就停止工作。真空膜盒是感受高度的元件。由于气压随高度的降低而增加，在伞兵未降至指定高度时，大气的压力的增加使中心杆降至杠杆8运动平面以下，释放了杠杆8的运动。使整个机构重新开始工作，直至滑轮被释放为止。这样，开锁器又实现的高度的控制。真空膜盒下部硬心件上带有螺纹。膜盒周边上有高度刻度值。

8、转动膜盒组件，整个膜盒组件可沿轴向移动，能使膜盒中心杆调整至所需要的位置，以保证在指定的高度上释放杠杆8。整个工作过程可用流程图描述：跳伞t1高控机构有效？是否t 指定高度t2开伞图2开锁器工作流程图1.3时控机构中的轮系设计、制动块位置确定1.3.1设计目标及已知参数该开伞器的时空机构是由扇形齿轮、中心轮、过渡轮、棘轮、制动块组成，这里分别就轮系以及制动块进行设计。已知参数：（1）延时时间：4.5s（2）擒纵调速器周期：0.032s （3）擒纵轮齿数：20 （4）传动比：1381.3.2轮系设计（1）传动比设计由于圆柱齿轮的单级传动比不宜过大，一般小于10，所以传动级数选为三级，按照误差最小

9、原则以及体积最小原则分配各级传动比。从精度看，应按照“先大后小”的原则，各级传动比可定为（2）模数及齿数的设计在开伞器中，齿轮传递的力矩较小，可按结构工艺条件确定，不必按强度计算。根据开伞器的外廓尺寸可大致确定齿轮的中心距a，再根据所选定的传动比i和齿数z可按下式求出模数。综上，三级齿轮的模数及齿数选择如下：第一级：，取中心距为36.75mm，得 z11= 90, z12= 15第二级：，取中心距为20.25mm，得，第三级：，取中心距为15mm，得，（3）变位系数的选取（高度变位）由于齿轮齿数小于17，为了保证加工时不发生根切现象，需采用高度变位齿轮。公式见参考书一66页公式3-6。第一级：

10、综合计算结果和变位系数图取-0.2，+0.2。 第二级：综合计算结果和变位系数图取-0.35，+0.35。第三级：综合计算结果和变位系数图取-0.4，+0.4。（4）各级齿轮的详细参数如下：第一级：传动比 ，模数，啮合角齿顶高系数，顶隙系数变位系数：大齿轮变位系数-0.3，小齿轮变位系数+0.3。齿数：大齿轮z11=84，小齿轮z12=14。中心距：a1=36.75mm 分度圆直径：大齿轮：d11=m1z1=63mm小齿轮：d12=m2z2=10.5mm齿根圆直径：大齿轮，得df11=60.83mm小齿轮，得df12=8.89mm齿顶圆直径：大齿轮，得64.12mm小齿轮，得12.18mm基圆

11、直径：大齿轮，得59.2mm小齿轮，得9.87mm分度圆齿厚S：大齿轮，得0.998mm小齿轮，得1.201mm第二级：传动比 ，模数，啮合角齿顶高系数，顶隙系数变位系数：大齿轮变位系数-0.35，小齿轮变位系数+0.35。齿数：大齿轮，小齿轮中心距：20.25mm分度圆直径d：大齿轮小齿轮齿根圆直径：大齿轮，得32.8mm小齿轮，得5mm齿顶圆直径：大齿轮，得35.1mm小齿轮，得7.4mm基圆直径：大齿轮，得32.42mm小齿轮，得5.638mm分度圆齿厚S：大齿轮，得0.658mm小齿轮，得0.913mm第三级：传动比 ，模数，啮合角齿顶高系数，顶隙系数变位系数：大齿轮变位系数-0.4，

12、小齿轮变位系数+0.4。齿数：大齿轮，小齿轮中心距：分度圆直径d：大齿轮小齿轮齿根圆直径：大齿轮，得22.25mm小齿轮，得5.05mm齿顶圆直径：大齿轮小齿轮基圆直径：大齿轮小齿轮分度圆齿厚S：大齿轮，得0.64mm小齿轮，得0.93mm1.3.2制动块位置设计延迟时间为：4.5，其中总传动比138，擒纵轮齿数20，擒纵调速器周期0.032s。 由公式可知，扇形齿轮的工作角度为18.342度 。时控机构工作对应的弹簧行程为4.3mm，即装在弹簧上的滑轮推动固定在扇形齿轮上的制动块绕扇形齿轮轴旋转，当弹簧的行程为4.3mm时，滑轮与制动块相切，扇形齿轮刚好转过了。由此条件，可根据几何关系得出制

13、动块长度的大小。示意图见图3。图3制动块运动示意图由图可得出制动块长度l与其距扇形齿轮轴中心距离y的关系，即，其中r为滑轮的半径。在我的开伞器中，设计y=5mm,r=2.5mm,可以解得l=6.6mm。1.4高控机构的膜盒组件设计、杆机构设计1.4.1膜盒组件设计图4膜盒结构（1）已知：高度调节范围：500m7000m。转300度时对应7000m(307.9mmHg)其中1Mpa=735mmHg。安全系数S不小于1.4，E=135000N/mm2（铍青铜）（2）选材：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

14、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。使用E型线性膜盒，铍青铜。（3）两膜盒位移由可知，2s=1.25mm（4）相对灵敏度x:由于相对灵敏度x可用式子确定，可知x=0.05005*10-5pa-1。初步设置D=45mm。由表15-29可知，D/h=465，外径D1=50mm。可以求得h=0.105mm。（5）强度校核:由表15-30可知，膜盒非线性度大约为3.1%，极限应力为1.47*105Pa。安全系数S=1.509，因为大于1.4满足要求，所以取S=1.509。1.4.2杆机构设计这里我们通过作图的方法确定杆机构的形状，作图如下：其中弹簧推动制动块使

15、从动杆1转动，继而带动从动杆2转动，此时时控机构工作；当从动杆2运动到途中虚线位置时，从动杆2碰到膜盒立柱，时控机构停止工作。之后由高空机构发生作用，当到达指定高度时，立柱收回，从动杆2继续运动，直至从动杆1转动角度。 T1:制动块立销从杆1子左侧运动到右侧螺钉过程的时间。 T1=4.5-t2-t3=2.5s。对应转角：18.342*2.5/4=11.46度。 T2:制动块立销推动杆1，并带动杆2运动到膜盒中心杆过程时间0.7s。对应转角：0.7/4.5*18.342=2.85度。 T3=膜盒中心杆下降后，直到运动到扇形齿轮最大位置时间。对应转角1.3/4.5*18.342=5.3度。 在制图

16、中，应该保留一定的角度余量。1.5结构分析、调整环节将开伞器装在空头的人或物体上，跳离飞机后，开伞器器可以控制在延迟一定时间和达到制定的安全高度后自动将降落伞打开，以保证安全着落。由以上功能分析可知，航空开伞器由高控结构、时控机构、能源机构组成。开伞器工作时所需要的能量是由压缩弹簧提供。开伞器不工作时弹簧处于预紧状态。开伞器工作前先将弹簧压缩，开伞器工作时被压缩的弹簧被释放，经历一定的冲程后，将能量释放用于打开降落伞。高度控制部分主要由真空膜盒组件和杆机构组成。处在高空状态时，大气压力较小，膜盒膨胀，锁死连杆机构；当到达指定的高度后由于大气压的增大，使得膜盒被压缩，连杆机构正常工作。时间控制部分主要由轮系和擒纵调速器组成。软锁针控制开伞起始时刻，在弹簧的带动下，轮系开始转动，添加擒纵调速器，使得弹簧均匀释放能量，轮系保持匀速转动，以达到准确延时的功能。 2改进意见总体而言本次设计是符合要求的，但仍有部分地方有所瑕疵，有待改进，现列举如下：（1）图纸保洁不够。（2）装配图上有些加粗的线条手工加粗，有些毛刺。（3）在设计之初，没有把握整体，未准确的按照老师的进度进行，导致一些结构上的考虑不周全，而做了无用功。 （4）开始某些部分单纯的按照原图放大，没有考虑到相关配合问题。比如弹簧套筒部分，虽然考虑到了大小弹簧与套筒的关系