航空开伞器--哈工大机械设计课程设计说明书

1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称： 机械设计基础课程设计 设计题目： 航空开伞器结构设计 院 系： 电气学院1系 班 级： 1001101班 设 计 者： 学 号： 指导教师： 刘永猛 设计时间：2013.2.252013.3.14 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）：电气学院 专 业： 电子测量 班 号：1001101 任务起至日期： 2013 年 2 月 25 日 至 2013年 3 月 15 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

2、时间： 5 s 。 3弹簧释放力： 264.6N 。 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： 0.23 。 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机壳总体尺寸 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15个设计日，进度如下：1. 任务分析、理论计算、草图 2日2. 总装配图设计 6.5日3. 展开图设计 1

3、.5日4. 部件图、零件图设计 2日5. 编写说明书 1.5日6. 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。23目 录1.航空开伞器 4 1.1.1航空开伞器的用途41.1.2开伞器的种类 4 1.1.3开伞器的工作原理与结构 5 1.2 开伞器具体参数设计 91.2.1开伞器能源（力弹簧）分析计算 91.2.2航空开伞器时控机构设计121.2.3航空开伞器齿轮系设计131.2.4 扇形齿轮转角的设计141.2.5 齿轮衔接结构图151.3 开伞器高控机构的设计151.3.1 高度控制原理1

4、51.3.2 设计E型膜盒 151.4 开伞器形状尺寸的设计171.4.1 制动块的设计171.4.2 杆机构的设计172.改进意见 212.1 精度要求212.2 控制系统中参入电子设备212.3 加入手控装置213心得体会211.航空开伞器1.1.1航空开伞器的用途降落伞是利用空气阻力，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器，使人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。是空降兵作战和训练、航空航天人员的救生和训练、跳伞运动员进行训练、比赛和表演，空投物资、回收飞行器的设备器材。现已制造出救生伞、伞兵伞、运动伞、减速伞、投物伞等型号不同的人用和物用降落伞。降落伞现在广泛应用于航空航天

5、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

6、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，例如深水炸弹的引爆。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

7、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1.3s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

8、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，该类开伞器多为电子式。本次课程设计主要研究的是高度时间开伞器。1.1.3开伞器的工作原理与结构开伞器的结构图如下：图一 开伞器的结构图1能源机构开伞器工作时所需要的能量是由压缩弹簧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

9、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。图二 擒纵调速器工作方式由于弹簧2恢复力的作用，在擒纵轮上作用力矩，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，沿进瓦的法线方向，偏离擒纵轮齿的回转中心。力产生使擒纵叉逆时针转动的力矩擒纵叉逆时针转过角后，擒纵轮齿与进瓦

10、脱开。在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，力产生使擒纵叉顺时针转动的力矩。当擒纵叉顺时针转过角后，轮齿与出瓦脱开，在力矩作用下，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：周期擒纵叉轴上的所有零件的转动惯量擒纵轮齿与进瓦接触时，对叉轴作用的力矩擒纵轮齿与出瓦接触时，对叉轴作用的力矩进瓦与擒纵轮接触到脱落，擒纵叉轴转过的角度出瓦与擒纵轮接触到脱落，擒纵叉轴转过的角度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

11、机构图三 高度控制机构结构高度控制部分主要由真空膜盒组件和时控杆机构组成。随着高度的下降、气压逐渐增大，膜盒变形增大。由于膜盒变形与高度有一定的对应关系，因此能够利用膜盒形变来控制降落伞的打开高度。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与膜盒中心轴相接触时，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。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

12、匙插入开伞器后面方孔中，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：；（4）弹簧预紧力为释放力的倍； （5）容纳弹簧丝的钢管直径为； （6）外内（大小）弹簧释放力之比为：。2. 双层弹簧（内外弹簧）设计：弹簧受力分析：选用弹簧材料为：碳素弹簧钢丝D级，查表得知：装载动力弹簧的套筒内径：内=18.5mm，弹簧载荷性质为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

13、：图四 弹簧受力与位移关系示意图3. 求内外弹簧所受的最大力Fmax外，Fmax内内外弹簧的释放力：F放外=264.6N×23=176.4N；F放内=264.6N×13=88.2N由图列方程可知：Fmax-F放S时=F放-F预S冲；可得Fmax=277.12N4. 根据相关条件，确定弹簧的各项参数由题意知，所选动力弹簧为压缩弹簧，为了避免内外弹簧镶嵌，内外弹簧的旋向应相反，不妨设外弹簧的旋向为右旋，内弹簧的旋向为左旋。5 外弹簧的设计因为内=18.5mm，根据精密机械学基础P364表15-5，初选D中=14mm,d=2.2mm;外径D=14mm+2.2mm=16.5mm&l

14、t;内=18.5mm，符合结构要求。旋绕比C=Dd=14mm2.2mm=6.36；符合精密机械学基础P365表15-7，曲度系数：K=4C-14C-4+0.615C=1.236若选择碳素弹簧钢丝D级，则许用剪应力=0.5B。B最小值为1760MPa，=880MPa。由强度条件，=K8FmaxCd2max=K8FmaxCd2=1.273×8×277.12×2/3×6.36×2.22=592MPa=880MPa由刚度条件，KF=Gd8C3n=FmaxSmax=F放-F预S冲=(176.4N-40.57N)70mm=1.940Nmmn=Gd8KFC3

15、=80000×2.28×1.940×6.363=44.08；由于要选尾数为1/4，1/2，3/4的弹簧，故可取44.25；旋向为右旋。长度H0=pn+1.5d=0.28Dn+1.5d=176.76mm1.2.6 内弹簧的设计因为D内=（D外-d）=11.5mm，根据精密机械学基础P364表15-5，初选D内=9mm,d=1.4mm;因此，外径D2=9mm+1.4mm=10.4mm<D内1=11.5mm，符合要求。旋绕比C=Dd=9mm1.4mm=6.429；符合精密机械学基础P365表15-7曲度系数K=4C-14C-4+0.615C=1.234外弹簧选用碳

16、素弹簧钢丝D级，由精密机械学基础P362，表15-4可知，当d=1.4mm时，选取B=2300MPa；许用剪应力=0.5B=1150MPa。由强度条件，=K8FmaxCd2=K8FmaxCd2=1.234×8×277.12×1/3×6.429×1.42=950MPa=1150MPa由刚度条件，KF=Gd8C3n=FmaxSmax=F放-F预S冲=（88.2N-20.29N）70mm=0.970Nmmn=Gd8KFC3=80000×1.48×0.970×6.4293=54.32；选取n=54.50,旋向左旋；故长度H

17、0=pn+1.5d=0.356Dn+1.5d=176.5mm6. 内外弹簧参数表如下：参数名称及代号计算公式外弹簧取值内弹簧取值备注中径DD=Cd14mm9mm内径D1D1=D-d11.8mm7.6mm外径D2D2=D+d16.2mm10.4mm旋绕比CC=D/d6.366.429钢丝直径dd=D/C2.2mm1.4mm压缩弹簧细长比bb=H0D12.619.6b>3.7，内侧应加入导向心杆自由高度或长度H0两端并紧，磨平：H0=pn+（1.52）d两端并紧，不磨平：H0=pn+（33.5）d176.7mm176.5mm两端并紧，磨平：H0=pn+1.5d有效圈数n44.2554.50节

18、距pp=(0.280.5)D3.92mm3.20mm外：p=0.280D；内：p=0.356D表一1.2.2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. 轮系设计已知：总传动比：i=i1*i2*i3=138;第一级传动：模数m=0.7;压力角=20°第二级传动：模数m=0.5;压力角=20°2. 分配传动比令i=i1*i2*i3=9015*6912*481

19、2=138,因此，第一级齿轮齿数分别为Z1=90,Z2=15；第二级齿轮齿数分别为Z3=69,Z4=12；第三级齿轮齿数分别为Z5=48,Z6=12；3. 确定齿轮的几何参数齿轮的三级传动中，最小齿数zmin<17。因此，为避免根切现象，应对齿轮进行高度变位。对小齿轮进行正变位，对大齿轮进行负变位。根据最小变位系数公式：min=17-Z17因为，对于一、二、三级传动，最小齿数分别为：Z2=15,Z4=12,Z6=12；求得，min1=0.118, min2=0.294, min3=0.294;因而，选取1=0.12, 2=0.3, 3=0.3;轮齿为正常齿，故ha*=1;m<1,故

20、c*=0.35。各齿轮的相关几何参数如下表所示：名称符号公式几何尺寸z1z2z3z4z5z6齿数z901569124812模数m0.70.5变位系数min=17-Z17-0.120.12-0.30.295-0.30.3啮合角=20°分度圆直径d/mmd=mz6310.534.56246中心距a /mma=a=（d1+d2）、236.7520.2515齿根圆直径df/mmdf=d-2(ha*+c*-)m60.958.77832.354.9522.354.95齿顶圆直径da/mmda=d+2(ha*+)m64.23212.06835.27.324.77.3表二1.2.4 扇形齿轮转角的设

21、计由开伞器时控机构工作原理可知，利用公式，计算得知扇形齿轮转角：D· · · °式中：s延时的时间齿轮的总传动比擒纵轮齿数1.2.5 齿轮衔接结构图图五 齿轮衔接结构图1.3 开伞器高控机构的设计1.3.1 高度控制原理利用滑动螺旋传动来调节膜盒上长销顶端与上夹板之间距离，从而控制开伞高度。已知条件如下：1）高度控制范围：；2）零件对应；3）转对应； 4）螺旋参数：。1.3.2 设计E型膜盒1. 初选E型膜盒材料：（铍青铜）直径：。初选E型膜盒直径。设计膜盒组件结构如下：图六 膜盒组件结构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

22、型膜盒的相对灵敏度：由精密机械学基础P375图15-29查得：；膜片的安全系数计算：最大压强位于500米处：由机械学基础图15-30查得：非线性度约为；破损压强约为；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：图七 制动块结构设计时取。代入前面得出的可得：1.4.2 杆机构的设计1. 杆机构的设计示意图如下：图八 杆机构的设计示意图2. 制动块位置确定制动块作为连接机芯和弹簧的部分，其外形的设计直接关系着延时的时间。而在本次课程设计中，制动块的尺寸设计采用了图解的办法。在扇形齿轮图中任意选取一点后，将其对扇形齿轮边沿做垂线，再由延时时间计算扇形齿轮转过的角

23、度，画出齿轮转过后的边沿线。同一点再做垂线。由要求可知弹簧行程为4.3mm，在两线间取相应的距离。确定的点即为制动块的端点。具体的作图过程如下：图九 制动块的端点参数在制动块的设计中，不可忽视的一点是对于制动块的转动问题。在弹簧的压紧过程中，制动块有一个摆动压紧的过程。此时制动块会向下转动，其顶部有可能碰到扇形齿轮的转轴，因此在图解的时候应注意用图解的办法验证是否能顺利摆到相应的位置。3. 根据时间要求设计杆机构在航空开伞器中，延时的时间分为三部分。第一部分是正常的延时部分。此时杠杆并不摆动。第二部分杠杆开始摆动至碰到膜盒处的杠杆停止。第三部分为达到相应高度时继续释放能量到开伞。在具体的设计中

24、，忽略弹簧力的变化，使齿轮的转动角度与时间呈线性关系。按照时间的安排，可计算出相应部分摆动的角度。在设计的过程中，由于时间紧迫，具体的杠杆结构采取了图解法。其中两杠杆的转轴位置由自己拟定。当确定转轴之后，根据第三部分的时间的其实位置，可确定左侧杠杆的角度。再根据各个时段的起始点，可以确定杠杆的各个位置。由于在取点的时候横坐标相同，在确定位置的时候相对简便，但是左侧杠杆的摆动幅度并不大，不利于精确定时。但是由于实际情况下，各时段间有相应的允许误差，故认为该设计方法可行。具体示意图如下。图十 杠杆运动示意4时间调整环节设计由于在具体应用中需要能调节具体三部分的时间，这样有利于调整减小误差。故在设计杠杆时需要考虑到相应的时间调整部分。具体设计如下：图十一 时间调整螺钉两螺母通过调整中间的空隙大小，调整齿轮旋转的角度分配，来改变各个部分的时间。下弹簧可用来调整时间，上弹簧用于调整第一和第三部分的时间分配。2.改进意见2.1 精度要求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。杠杆的调节对于时间控制系统的影响很大，微小的杠杆定点