开伞器-精密机械设计基础课程设计说明书zz

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 班 级： 1101102 设 计 者： 张 哲 学 号： 1110100401 指导教师： 刘永猛 设计时间： 2014.2.17-2012.3.7 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名：张 哲 院 （系）：电气学院 专 业：测控技术与仪器 班 号：1101102 任务起至日期： 2014 年 2月17 日 至 2014 年 3 月7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： 500

2、m- 7000m 。 2延迟时间： 5.5s 。 3弹簧释放力： 264.6N 。 4大小弹簧力比： 2.5:1 。 5弹簧端部冲程： 70mm 。 6弹簧予紧力和释放力之比： 0.23 。 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. 展开图一张(2号图纸)3. 零、部件图五张 (3号图纸)4. 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 4日2. 总装配图、

3、展开图设计 6日3. 部件图、零件图设计 2日4. 编写说明书 2日5. 答辩 1日 同组设计者及分工： 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哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）目 录设计任务书1目录31正文4 1.1航空开伞器简介4 1.2开伞器具体参数设计91.2.1开伞器能源机构的动力弹簧设计91.2.2开伞器时控机构设计11 1.3开伞器高控机构的设计14 1.4开伞器形状尺寸设计16 1.5结构分析、调整环节182改进意见193心得体会194参考资料201.正文1.1航空开伞器简介1.1.1航空开伞器的用途

4、自降落伞问世以来，现已制造出救生伞、伞兵伞、运动伞、投物伞、减速伞等各种不同型号的人用和物用降落伞。降落伞现在广泛应用于航空航天的乘员救生、飞行器回收系统和物资空投，空降兵部队的伞降作战以及体育运动休闲等领域。最初的空降设备不用开伞控制器，人和物离开飞机后降落伞立即打开。这种开伞控制方式称为“即开式开伞控制”，它是在人和物离机时通过拉绳拉出伞包插销，伞包立即打开，降落伞自动张开。这种开伞方式主要应用于低空人员空降、投物和重载空投中。它的装备简单、成本低，但是，由于在这种开伞方式下的降落伞张开距离飞机较近，受飞机飞行气流影响较大，安全性不好，因此，目前大部分空降空投装配都使用了不同的自动开伞控制

5、器。与降落伞大量配套使用的安全保证设备就是自动开伞控制器。开伞器是一种短时段延时控制机构，并且可以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，开伞器可以控制在经过一定时间和达到一定高度时自动将伞包打开。因此保证了空投的安全；另外，开伞器也可用延时引爆，例如鱼雷的引爆。1.1.2开伞器的种类1.延迟时间开伞控制器在人和物离开飞机后延迟一定时间自动打开降落伞。主要由钟表机构和动力弹簧装置两部分组成。动力弹簧产生不小于275N的拉力，通过钢索拉开伞包脱离锁并打开伞包，动力弹簧的工作受到钟表机构的控制。钟表机构由动力弹簧的推力使其齿轮系转动，调节摆片由于惯性的推动下产

6、生周期性摆动，以实现仪表经过一定时间的延时后才释放动力弹簧。2.高度/时间开伞器在人和物离开飞机后，延时一定时间并判断高度，决定降落伞是否打开。时间高度开伞控制器为机械仪表，主要由钟表机构、膜盒、动力弹簧装置三部分组成动力输出和钟表机构部分与“时间开伞控制器”类似。只是动力弹簧的工作受到钟表机构以及膜盒的联合控制。开伞器预定的工作高度和工作时间是通过对高度刻度盘和时间指针的调整而实现的。当绳索拉脱锁住开伞器的软锁针，钟表机构在弹簧推动下开始工作。在下降到预定的高度以前，由于膜盒的膨胀使膜盒上的制动杆挡住杠杆，钟表机构经过一定时间转动到一定位置后立即停止工作。当下降到预定的高度时，膜盒被大气压压

7、缩到一定程度，制动杆这时已挡不住杠杆，于是钟表机构重新转动，再经过0.81.2 S。活塞脱离制动片，弹簧迅速伸张，拉动钢索，输出工作力。当在预定的工作高度以下进行工作时，由于膜盒被大气压压缩，其制动杆对钟表机构没有锁紧作用，当绳索拉脱锁住开伞器的软锁针时，钟表机构连续工作，经过预定的时间后及时地释放动力弹簧从而使伞包脱离锁启动，完成开伞控制。3.高度速度开伞器开伞控制器在人和物离开飞机后下降至一定高度时判断下降速度决定降落伞是否打开，为电子式。下文主要介绍高度时间开伞器。1.1.3开伞器的工作原理与结构开伞器的工作原理如下图：图1 航空开伞器的结构示意图1.能源开伞器工作时所需要的能量是由压缩

8、弹簧2供给的。开伞器不工作时，弹簧处于放松状态(虚线位置)。开伞器工作前拉钢索1，将弹簧压缩(实线位置)。开伞器工作时弹簧恢复力做功，释放能量。2.时间控制结构时间控制部分主要由一个轮系和一个无固有周期擒纵调速器组成。擒纵轮12和擒纵叉13组成无固有周期擒纵调速器,开伞器工作前软锁针15插入惯性轮14 缺口中，将整个机构锁住。压缩弹簧的动作是在空投前事先作好的；当空投者跳出飞机。软锁针被拔出。此时在弹簧恢复力P的作用下，滑轮3推动制动块4，使扇形齿轮5转动。经过三级升速齿轮传动，运动和力矩传到擒纵轮，使擒纵调速器工作。图2 擒纵调速器工作原理由于弹簧2恢复力的作用，在擒纵轮上作用力矩M，使其逆

9、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Ml擒纵叉逆时针转过1角后，擒纵轮齿与进瓦脱开。在Ml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相接触。此时，轮齿作用于出瓦的力为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作用下，擒纵轮又转过一定角度。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要的时间为一个周期。周期近似计算公式如下： 式中：T周期J擒纵叉轴上的所有零件的转动惯量M1擒纵轮齿与进瓦接触时，

10、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落，擒纵叉轴转过的角度2出瓦与擒纵轮接触到脱落，擒纵叉轴转过的角度控制时间为：式中：t=5.5s延时的时间i=i1i2i3=138Z=20擒纵轮齿数计算得知：擒纵调速器可使弹簧的能量均匀释放，轮系保持近似等速转动，从而达到延时的功能。 3.高度控制机构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。由于变形与高度有这样的关系，所以可以利用膜盒变形控制高度。当扇形齿轮转过一定角度后，销6与主动杆7接触，扇形齿轮继续转动时，销6推动扛杆7带动杆8转动，当杆8与膜盒中心轴O4相接触

11、时，时控机构被卡住，停止了工作。当下降到所调高度时，中心杆下降到上平板以下。杆 8可继续转动，时控机构继续工作，直至制动块转到图3虚线所示位置。此时滑轮3和弹簧恢复力作用下，在一瞬间将弹簧力释放，把伞包打开实现开伞动作。 图3 制动块动作示意图高度控制的调整，从开伞器侧面的窗口中、可以看到控制高度的示值。将钥匙插入开器后面方孔中，转动钥匙，可以调整高度。高度刻盘上的示值是海拔高度，调整高度的刻度值，应该等于空投地区的海拔高度加开伞时人或物与地面的距离。1.2开伞器具体参数设计1.2.1开伞器能源（力弹簧）分析计算1.已知条件：（1）弹簧释放力：；（2）冲程：；（3）对应时控机构弹簧的行程：；（

12、4）弹簧预紧力为释放力的0.23倍；（5）容纳弹簧丝的钢管直径为18mm；（6）内外弹簧释放力之比为：2.5：1。2.双层弹簧（内外弹簧）设计：（1）弹簧受力分析：由可得又因为；计算出；同样，因为：；计算得知：。选用弹簧材料为：碳素弹簧钢丝D级，查表得知：；（2）大弹簧的设计初选大弹簧中径：；弹簧丝直径：。由精密机械学基础P362表15-4可知：；计算得知：所以，经计算可知：由精密机械学基础P367表15-8可知：；计算实际最大的应力：从上式看出，弹簧中径：；弹簧丝直径：满足强度条件，可以使用。计算弹簧的匝数n：计算得知；取（3）小弹簧的设计初选大弹簧中径：；弹簧丝直径：。由精密机械学基础P3

13、62表15-4可知：；计算得知：所以，经计算可知：由精密机械学基础P367表15-8可知：；计算实际最大的应力：从上式看出，弹簧中径：；弹簧丝直径：满足强度条件，可以使用。计算弹簧的匝数n：计算得知；取1.2.2航空开伞器时控机构设计1.组成：（1）杠杆机构；线位移转变成角位移（2）齿轮传动：三级增速传动（3）擒纵轮调速器：使弹簧能量均匀释放2.已知条件：（1）调速器周期：；（2）总的延时时间：；（3）擒纵轮齿数：；（4）齿轮总的传动比：。1.2.3航空开伞器齿轮系设计1.各个齿轮参数的计算选择模数：；按照传动比从小到大的原则选取合适的传动比：；。根据传动比和限定的体积大小，选定各齿轮齿数：扇

14、形齿轮：；中心轮：；棘轮：；擒纵轮：。通过选择的齿数，需要对各个齿轮进行变位处理，需要计算出各个齿轮的变位系数：。根据变位系数的计算公式：；。根据上面的计算，实际采用的变位系数为：；。2.各齿轮几何参数的计算（1）各齿轮分度圆直径：本设计中采用了高度变位，因此，对于齿轮的分度圆没有任何影响。仍可采用进行计算。因此，各齿轮分度圆直径如下：；。由分度圆直径可通过公式计算各个齿轮的齿顶圆直径：；。1.2.4扇形齿轮转角的设计由开伞器时控机构工作原理可知，利用公式可计算出扇形齿轮转角。由可得：；1.2.5画出结构图图4 轮系结构示意图1.3开伞器高控机构的设计1.3.1控制原理利用滑动螺旋传动来调节膜

15、盒上长销顶端与上夹板之间距离，从而控制开伞高度。1.3.2已知条件1.高度控制范围：500m-7000m；2.零件对应500m（716mmHg）；3.转对应7000m（307.85mmHg）；4.螺旋参数：p=0.75mm，s=1.5mm，z=2。1.3.3设计E型膜盒1.初选E型膜盒材料：；直径：。初选E型膜盒直径D=45mm。设计膜盒组件结构如下：图5 膜盒组件示意图2.膜盒相关参数计算两个膜片的位移（一个膜盒有两个膜片组成）：；E型膜盒的相对灵敏度：由精密机械学基础P375图15-29查得：D/h=430；膜片的安全系数计算：最大压强：取海平面标准压强：；由精密机械学基础P375图15-

16、30查得：非线性度约为2.7%；破损压强约为；膜片的安全系数：；满足要求。1.4开伞器形状尺寸的设计1.4.1制动块的设计制动块画图设计如下：图6 制动块示意图已知：；设：；而已知。初选；同时选取制动块中心轴为。1.4.2杆机构的设计杆机构的设计示意图如下：图6 杆机构的设计示意图设计参数如下：（以扇形齿轮中心为（0 , 0）点；x轴水平向左；y轴垂直向上）扇形齿轮长销中心：（0, 17）；杠杆1中心：（2, 10）；杠杆1与杠杆2交点中心：（0, 46）；杠杆2中心：（57, 5）；膜盒中心：（68, 25.5）。1.5结构分析、调整环节1.5.1高度控制机构的调整方法装配时，膜盒在航空开伞

17、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500m7000m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（），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。1.5.2时间控制机构的调整方法刻度盘指针的初始位置指向5.5s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

18、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。1.5.3结构分析（1）采用双层螺旋压簧：单个弹簧能提供的极限弹力是有限的，故采用双层结构，增大弹力。（2）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抽之间的位置关系来确定并保证同轴度。（3）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。2.改进意见2.1提高精度膜盒的调节依赖旋钮调节螺钉实现，难以保证延时精度，可考虑采用更为精良的调节机构。此外，膜盒本身是依赖外界大气压工作的零件，在某些情况下，此种高控机构会有较大的误差。适用性较差，可考虑采用更加合理的高度控制机构。2.2使用传感器进行高精度的控制通过合理的设计，在机构上添加一定的电气设备，在不增加开伞器体积和重量的基础上，理论上可以使得开伞器的控制精度得到提高。而且，现在的电气设备精度很高，体积上可以做的很小，完全可以实现要求。添加电气设备之后，可以在一定程度上实现智能化控制，可根据实际的下降速度控制是否开伞，相对于纯机械的开伞器，安全性更高。3心得体会为期两周的机械学基础课