航空开伞器课程设计说明书

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： * 班 级： * 设 计 者： * 学 号： * 指导教师： * 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- 000m 。 2延迟时间： s 。 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：

3、 指导教师签字_ 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。3目录目录1说明书正文21航空开伞器课设介绍 21.1课设任务分析21.2开伞器的用途 21.3开伞器的工作原理31.3.1时控机构原理3 1.3.2高控机构原理42航空开伞器设计 52.1伞器时控机构设计62.1.1已知条件52.1.2三级升速齿轮设计62.1.3擒纵调速器工作原理介绍及扇形齿轮转角的计算122.2伞器高控机构设计142.2.1已知条件142.2.2膜盒组件设计142.2.3杆机构设计152设计体会173参考资料194鸣谢191哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）

4、1. 说明书正文1. 航空开伞器课设介绍1.1课设任务分析 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日其中还包括7日的考试周，时间非常的紧张。方案制定如下：(一) 首先得进行理论计算，包括3级加速轮系、膜盒、制动块和连杆机构的设计和计算；(二) 然后绘制草图，关键是3级加速轮系、膜盒和调速擒纵轮的位置大小的确定；(三) 绘制总装配图，这个是本次课设的核心；(四) 绘制部件图和两个零件图；(五) 编写说明书；(六) 准备答辩。1.2开伞器的用途航空开伞器是

5、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。1.3开伞器的工作原理开伞器主要由能源、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：图1-1 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-

6、惯性轮 15-软锁针1.3.1时控机构原理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

7、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。 1.3.2高控机构原

8、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可以继续转动，时控机构继续工作，直至弹簧被释放把伞包打开。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。在准备工作阶段，制动块可以绕O2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

9、到图示的位置，并且不能再绕O2点做顺时针转动。整个工作过程可用流程图描述如下：图1-2开伞器工作流程2航空开伞器设计2.1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。2.1.1已知条件（1）延时时间：t=5.5s（2）擒纵调速器周期：T=0.032s（3）擒纵轮齿数：z=20（4）传动比：i=1382.1.2三级升速齿轮设计（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i=i1i2i3=6×5.75×4（2）模数及齿数的设

10、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。m=2az(i+1)需要注意的是中心距和空间分配要在100*80mm以内。综上，三级齿轮的模数及齿数选择如下：第一级：i1=6，m1=0.8，z11=90，z12=15第二级：i2=5.75，m2=0.5，z21=69，z22=12第三级：i3=4，m3=0.5，z31=48，z32=12（3）变位系数的选取由于齿轮齿数小于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：第一级：min=17-zz=0.1176，由参

11、考资料1第87页变位系数图取11=-0.4，12=0.4第二级：min=17-zz=0.294，由参考资料1第87页变位系数图取21=-0.35，22=0.35第三级：min=17-zz=0.294，由参考资料1第87页变位系数图取31=-0.35，32=0.35（4）各级齿轮的详细参数如下：公式：1.中心距：a=m（z1+z2）22.分度圆直径d：d = m * z3.齿根圆直径df：df1=d1-2ha*+c*-1m1df2=d2-2ha*+c*-2m14.齿顶圆直径da：da1=2a1-df2-2c*m1da2=2a1-df1-2c*m15.基圆直径db：大齿轮db1=d1cos小齿轮d

12、b2=d2cos6.分度圆齿厚S：大齿轮S1=2+21tanm1小齿轮S2=2+22tanm1第一级：传动比i1=6 ，模数m1=0.8，啮合角1=20°齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.35变位系数：大齿轮11=-0.4，小齿轮12=0.4齿数：大齿轮z11=90，小齿轮z12=151.中心距：a1=m1（z11+z12）2=42.00mm2.分度圆直径d：大齿轮d11=m1z11=72mm小齿轮d12=m1z12=12mm3.齿根圆直径df：大齿轮df11=d11-2ha*+c*-11m1=69.2mm小齿轮df12=d12-2ha*+c*-12m1=10.48mm4.齿顶

13、圆直径da：大齿轮da11=2a1-df12-2c*m1=72.96mm小齿轮da12=2a1-df11-2c*m1=14.24mm5.基圆直径db：大齿轮db11=d11cos=67.66mm小齿轮db12=d12cos=11.28mm6.分度圆齿厚S：大齿轮S11=2+211tanm1=1.02mm小齿轮S12=2+212tanm1=1.49mm第二级：传动比i2=5.75 ，模数m2=0.5，啮合角2=20°齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.35变位系数：大齿轮21=-0.35，小齿轮22=0.35齿数：大齿轮z21=69，小齿轮z22=121.中心距：a2=m2（z21

14、+z22）2=20.25mm2.分度圆直径d：大齿轮d21=m2z21=34.5mm小齿轮d22=m2z22=6mm3.齿根圆直径df：大齿轮df21=d21-2ha*+c*-21m1=32.75mm小齿轮df22=d22-2ha*+c*-22m1=5.05mm4.齿顶圆直径da：大齿轮da21=2a2-df22-2c*m2=35.1mm小齿轮da22=2a2-df21-2c*m2=7.4mm5.基圆直径db：大齿轮db21=d21cos=32.42mm小齿轮db22=d22cos=5.638mm6.分度圆齿厚S：大齿轮S21=2+221tanm2=0.66mm小齿轮S22=2+222tanm

15、2=0.91mm第三级：传动比i3=4 ，模数m3=0.5，啮合角3=20°齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.35变位系数：大齿轮31=-0.35，小齿轮32=0.35齿数：大齿轮z31=48，小齿轮z32=121.中心距：a3=m3（z31+z32）2=15.0mm2.分度圆直径d：大齿轮d31=m3z31=24mm小齿轮d32=m3z32=6mm3.齿根圆直径df：大齿轮df31=d31-2ha*+c*-31m3=22.25mm小齿轮df32=d32-2ha*+c*-32m3=5.05mm4.齿顶圆直径da：大齿轮da31=2a3-df32-2c*m3=24.6mm小齿轮d

16、a32=2a3-df31-2c*m3=7.4mm5.基圆直径db：大齿轮db31=d31cos=22.55mm小齿轮db32=d32cos=5.64mm6.分度圆齿厚S：大齿轮S31=2+231tanm3=0.66mm小齿轮S32=2+232tanm3=0.91mm2.1.3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

17、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：T=T1+T2=2J1M1+2J2M2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

18、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°iZT对于本航空开伞器式中：i=138总传动比Z=20擒纵轮齿数T=0.032秒 擒纵调速器周期由已知条件控制时间t=5.2秒可得扇形齿轮的工作角度=21.20° 。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。2.2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。大气压强与海拔高度成正比。在未达到开伞高度时，膜盒组件的中心杆会将杆机构卡住

19、，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度。2.2.1已知条件（1）高度控制范围：500m4000m（2）高度调节螺纹的螺距：t=0.75mm（3）高度调节螺纹的头数：z=22.2.2膜盒组件设计选择工作直径D=45mm、铍青铜材料、E型膜片的膜盒。两个膜片的总位移为2s=t×z360

20、76;×200°=0.833mm500m高度对应的大气压强为0.954×105Pa，4000m对应的大气压强为0.616×105Pa，则E型膜片的相对灵敏度为2spD=0.8330.954-0.616×105×45=0.056×10-5/Pa由参考资料1的图15-29可得Dh=440，由参考资料1的图15-30可得此膜盒的非线性度约为3.2%，破坏压力为约为p破=1.38×105Pa。所以安全系数为S=p破pmax=1.38×1050.954×105=1.45>1.4满足安全要求。所以，选

21、择膜盒的工作直径为D=45mm，膜盒的最大直径为Dmax=1.15D=57.5mm。膜盒组件的结构如图2-2所示。图2-2膜盒组件结构2.2.3杆机构设计（1）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，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21.20°。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2-3。图2-3制动块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l=ytan2+4.3-rsin其中，r为滑轮的半径。由于要保证弹簧可以正常的复位，l必须小于y。取

22、r=1.5mm，y=12mm，可得，l=9.98mm。（2）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。图2-4连杆的设计2. 设计体会为期十天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 为什么学校要开办课设项目呢？主要就是为了锻炼学生的自主动手，自行设计和理论联系实际的能力。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

23、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，所有

24、零件都得注意查询国家标准。4.2.课程设计巩固了工程制图能力大一学过工程制图基础，现在大三再画航空开锁器，巩固了我们工程制图的能力。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。尤其是一些需要剖分的复杂视图，更是需要耐心和细心以及经验。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

25、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。当然也少不了老师的帮助。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，我深刻地认识到了这一点，这位我接下来的学