哈工大机械学基础课设——航空开伞器说明书全解

1、哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）目录1说明书正文 11.1任务分析、方案确定 11.2开伞器的用途 11.3工作原理 21.3.1 时控机构原理 21.3.2 高控机构原理 31.4开伞器时控机构设计 4已知条件 4三级升速齿轮设计 4擒纵调速器工作原理及扇形齿轮转角的计算 7制动块设计 81.5开伞器高控机构设计 9已知条件 9膜盒组件设计 101.5.3 杆机构设计 1.11.6机构调整方法 122改进意见 123心得体会 13参考文献 14哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1说明书正文1.1 任务分析、方案确定整个课程设计安排 12 个设计日，进度如下：1. 任务分析、理论计算、草

2、图 2.5 日2. 总装配图、展开图设计 7 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 日故安排具体实施步骤如下：1. 结合机械学基础所学知识对航空开伞器对基本原理进行了解 和分析；2. 进行初步理论计算，包括时控机构设计和高控机构设计，主要 是齿轮设计、膜盒设计和制动块设计；3. 绘制装配图草图，主要绘制各级齿轮、轴和膜盒，注意其相对 关系和投影关系；4. 根据绘制的草图的相对位置和投影关系，绘制总装配图、展开 图；5. 由总装配图、展开图绘制部件图和零件图；6. 完成所有图纸绘制之后，进行检查和修改；7. 进行总结，撰写说明书。1.2 开伞器的用途开伞器

3、是一种机械式短时间延时控制机构，也可实现高度控 制，被广泛地应用于空投、救生等领域。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 高度时自动将降落伞打开，以保证安全着落。除此以外，开伞器 也可以用来延时引爆，例如鱼雷的引爆。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1.3 工作原理由以上功能分析可知，航空开伞器由高控结构、时控机构、654321O215图 1-1 航空开伞器工作原理图航空开伞器工作原理图中各个部件分别为：1.钢索 2.弹簧 3.滑轮 4.制动块 5.扇形齿轮 6.柱销7.杠杆 1 8.杠杆 2 9.膜盒组件 10.中心轮组件 11.过轮组 件 12.

4、 擒纵轮组件 13.擒纵叉 14.惯性轮 15.软锁针1.3.1 时控机构原理开伞器使用前，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 O1 点逆时针转动，当滑轮移至制动块下方时，制动块哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）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， 零件间将保持相对静止。 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

5、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

6、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。 在准备工作阶段，制动块可以绕 O1 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 O1 点做顺时针转动。1.3.2 高控机构原理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，因此可以利用膜盒变形 控制高度。当扇形齿轮 5 转过一定角度后，其上的销 6与主动杆 7 接触，扇形齿轮继续转动时，销 6 推动杠杆 7 带动杆 8 转动， 当杆 8 与膜盒中心杆下降到上平板一下。杆 8 可以继续

7、转动，时 控机构继续工作，直至弹簧被释放把伞包打开。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1.4 开伞器时控机构设计时控机构由三级升速齿轮和擒纵调速器组成。1.4.1 已知条件（ 1）延时时间： 5s（ 2）擒纵调速器周期： 0.032s（ 3）擒纵轮齿数： 20（ 4）传动比： 1381.4.2 三级升速齿轮设计（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 6，5.75，以及 4。（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

8、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。由于空间大小所限制，齿轮尺寸不宜过大，因此应适当选 取各级模数，可以在 0.51.0 之间适当选取。综上，三级齿轮的模数及齿数选择如下：第一级： m 0.8， z1 90 ， z2 15 ；第二级： m 0.5， z3 69， z4 12；第三级： m 0.5 ， z5 48 ， z6 12 。（3）变位系数的选取 由于部分齿轮齿数小于 17，为了保证加工时不发生根切现 象，需采用高度变位齿轮，即 大 小 0 。并且由于小齿轮齿数 少，容易发生根切，因此小齿轮应当取正变位而大齿轮应当取负 变位。哈尔滨工业大学课

9、程设计说明书(论文)根据变位系数 的计算公式：17-z4 17-12根据上面的计算，实际采用的变位系数 如下： 第一级： 1 0.15， 2 0.15 ；第二级：3 0.30 ，第三级：5 0.30 ，4 0.30 ；6 0.30 。4) 各级齿轮的详细参数如下 ：第一级：传动比 i21 6 ，模数 m 0.8 ；齿顶高系数 ha* 1，顶隙系数 c* 0.35； 变位系数：大齿轮 1 0.15，小齿轮 2 0.15 ； 齿数：大齿轮 z1 90 ，小齿轮 z2 15 ； 中心距： a 42mm 。分度圆直径 d ：大齿轮 d1 72mm ，小齿轮 d2 12mm ； 齿根圆直径 d f ：大

10、齿轮 d f1d12m(ha*c*1)69.6，小齿轮 df 2d22m(ha*c*2)10.08；齿顶圆直径 da ：大齿轮 da1 d1 2m(ha* 1) 73.36，小齿轮 da2 d2 2m(ha* 2) 13.84；第二级：传动比 i43 5.75，模数 m 0.5 ；齿顶高系数 ha* 1，顶隙系数 c* 0.35；哈尔滨工业大学课程设计说明书(论文)变位系数：大齿轮 3 0.30，小齿轮 4 0.30 ； 齿数：大齿轮 z3 69 ，小齿轮 z4 12 ； 中心距： a 20.25mm 。分度圆直径 d ：大齿轮 d3 34.5mm ，小齿轮 d4 6mm； 齿根圆直径 d f

11、 ：大齿轮 d f 3d32m(hac3)32.85 ，小齿轮 df 4d42m(ha*c*4)4.95；齿顶圆直径 da ：大齿轮 da3 d3 2m(ha* 3) 35.2 ，小齿轮 da4 d4 2m(ha* 4) 7.3 ； 第三级：传动比 i65 4，模数 m 0.5 ； 齿顶高系数 ha* 1，顶隙系数 c* 0.35； 变位系数：大齿轮 5 0.30，小齿轮 6 0.30 ； 齿数：大齿轮 z5 48，小齿轮 z6 12 ； 中心距： a 15mm 。分度圆直径 d ：大齿轮 d5 24mm，小齿轮 d6 6mm； 齿根圆直径 d f ：大齿轮 df 5d52m(ha*c*5)2

12、2.35，小齿轮 df 6d62m(ha*c*6)4.95；齿顶圆直径 da ：大齿轮 da5 d5 2m(h*a 5) 24.7 ，小齿轮 da6 d6 2m(ha* 6) 7.3；哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1.4.3 擒纵调速器工作原理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。图 1-2 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 ，沿进瓦的法线方向，偏离擒纵轮齿的回

13、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 角 1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 ，力产生使擒纵叉顺时针转动的力矩 M2 。当擒纵叉顺 时针转过角 2 后，轮齿与出瓦脱开，在力矩 M 2的作用下，擒纵轮又转过一定的角度。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）式中： T 周期J 擒纵叉上所有零件的的转动惯量M 1 擒纵轮齿与进瓦接触时，对叉轴作用的力矩 M

14、2 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 i Z T360 对于本航空开伞器，式中： 总传动比 i i1 i2 i3 138 ； 擒纵轮齿数 z 20 ； 擒纵调速器周期 T 0.032s； 延时的时间 t 5s 。 由已知条件控制时间秒可得扇形齿轮的工作角度 20 30 。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。1.4.4 制动块设计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，

15、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 20 30 。由此条件，可根据几何关系得出制动块长度的大小。示 意图见图 1-3。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）图 1-3 制动块设计示意图1.5 开伞器高控机构设计高度控制机构主要由真空膜盒组件和杆机构组成。膜盒的形 变和其所处的空间的压强有关，而大气压强与海拔高度成正比， 由于变形与高度有这样的关系，所以可以利用膜盒变形来控制高 度。在未达到开伞高度时，膜盒组件的中心杆会将杆机构卡住， 是时控机构停止工作。 当达到开伞工作后， 膜盒被大气压强压缩， 中心杆下降，时控机构又开始工作，延时结束后，将伞打开。通 过调节

16、螺旋可以调节控制高度与膜盒中心杆的位置间的对应关 系。在开伞器的侧面有窗口，可以看到控制高度的示值。将钥匙 插入开伞器后面的孔中，转动钥匙就可以调节高度。不过，膜盒 刻度盘上的示值是海拔高度， 空投时须注意考虑空投地的海拔高。1.5.1 已知条件1）高度控制范围： 5006000m;2）零位对应 500m（716mmHg），即 9.54 104Pa 。3）转 250对应 6000m（353.9mmHg），即 4.72 104Pa 。4）螺旋参数： p 0.75mm ， S 1.5mm， Z 2。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1.5.2 膜盒组件设计由于需要考虑到膜盒的安全系数，因此在选择

17、膜盒直径时不 宜过小。 根据航 空开伞 器的外 形尺寸 ，初步 选取膜 盒直径 D 40mm 。选择材料为铍青铜的 E 型膜片。其中铍青铜的杨氏 弹性模量为 E 1.35 105MPa 。从 6000m的高度下降到 500m时 E型膜片膜盒的中心位移（即 两个膜片的总位移）为：2502s S 1.5 1.04mm2 3602spD可求得 E 型膜片的相对灵敏度为：74 5.39 10 7(9.54 4.72) 104 40对应机械学基础图 15-29（E型膜盒的相对灵敏度曲线）可以查得 D 420 。h于是 h 0.10mm。对应机械学基础图 15-30（E 型膜片非 线性度曲线及其破坏区），

18、可以查得破坏压力约为 1.58 105Pa ， 于是膜片的安全系数为：51.58 105S 4 1.6 1.49.54 104满足安全要求。所以，选择膜盒的工作直径为 D 40mm ；膜盒的最大直径为 Dmax 1.1D 44mm膜盒组件的结构如图 1-4 所示10哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1.5.3 杆机构设计图 1-5 连杆的设计具体设计方法如下：当扇形齿轮转过 3 秒后转过 1 角度，扇形齿轮长销与杠杆 1 相接触。扇形齿轮再转过 0.7秒，走过 2角度，此时杠杆 1 带动 杠杆 2转过一定的角度，与膜盒的轴相接触。 5 秒延迟时间到时， 扇形齿轮转过 20 30 ，杠杆 1继

19、续带动杠杆 2运动。图 2-4中的 即为杆 2 的角度。11哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）由于将角度与时间的关系视为线性关系，因此可以求得20.5 20.51 3 12.3 ， 2 0.7 2.87 。551.6 机构调整方法 开伞高度调整：通过旋转下夹板上的齿轮，调整膜盒中心轴 伸出长度的大小，从而调整开伞高度。保证同轴度：用扇形齿轮轴与下夹板之间的垂直关系保证垂 直度，同时通过其他轴孔与扇形齿轮轴之间的位置关系来确定并 保证同轴度。杆机构时间调节： 采用两螺母调节长梢， 通过改变空隙大小， 调整齿轮旋转的角度分配，来改变各个部分的时间。拆装机芯时应调整指针指向 5s 处。同时，为了保

20、证各个轴的 轴向间距，应当适当地增加垫片。2改进意见（ 1）画图过程中应注意保持纸面清洁， 做到：画第一遍时采用高 硬度的铅笔，质量好的橡皮，避免用手擦拭图线等。（ 2）注意图纸保管，以免污损。 在课设过程中，由于图纸保管不 善导致图纸落地，故出现了一些纸面污损的情况。看到自己的成 果被损坏，我感到很痛心。今后画图时应该更加注意。（ 3）加强优化空间的思维能力。 航空开伞器是航空级产品， 不但 对可靠性有要求，还对占用空间和重量有限制。在课设中，包括 我在内的许多同学一开始都遇到了无法在规定空间内安放所有部 件的问题。在经过老师指导后，我们分析了干涉情况，并进行了 平移，最终解决了这一问题。这

21、从侧面反映了我们缺乏空间最优 化的思维，需要进一步加强。由于时间和水平有限，图中仍然存在一些错误和不足。现有 的设计方案中，都是在开伞器的体积限制下，通过不断作图尝试12哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）而产生的满足设计条件的设计方案，并非是最优方案。可以在此 基础之上进行优化设计，在保证各个齿轮模数和齿数不变的前提 下，做到各个轴与齿轮之间不相交，并且尽量保证开伞器的体积 最小，以此来达到开伞器的最优化设计。此外各个零件的加工工 艺的选择可能过于复杂，不利于加工，并且可能成本过高，可以 在对加工工艺和原材料成本有一定了解后重新选择材料和几何精3心得体会本次课程设计是我经历的第一次正式、完整的课程设计。课 程设计的题目是航空开伞器，参考着图册和实物，自己从头开始 比较完整的设计了一个航空开伞器。感觉每个机械机构都是一门 艺术，各个看似非常的普通的零件， 按照一定的关系组合在一起， 构成了一个完成一定的功能的精妙的机械。刚开始的时候，无论 是观察实物还是看大图册上的原理图，我都有一点迷惑，感觉开 伞器的设计过于复杂，尤其是图册上的线条更是让人眼花缭乱。 可是两三天之后，我发现其实开伞器的设计并没有我想象的那么 复杂，实物上的部件也只有几个大的部分而已，不过要想没有错 误地完成开伞器的设计还是有一定挑战性的。如果说要让我自己 完全自己没有参照从头设计，