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： 0901102 设 计 者： 学 号： 指导教师： 刘永猛 设计时间： 2012.2.27-2012.3.16 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 李宝驹 院 （系）：电气学院 专 业：测控技术与仪器（电子测量） 班 号：0901102 任务起至日期： 2012 年 2 月27 日 至 2012 年 3 月16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-

2、 7000m 。 2延迟时间： 5s 。 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： 0.21 。 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 100mm80mm30mm 工作量：1. 总装配图一张 (1号图纸)2. 草图一张(2号图纸)3. 展开图一张(2号图纸)4. 零、部件图五张 (3号图纸)5. 设计说明书一份 (15页左右) 目录1说明书正文51.1任务分析、方案确定51.2工作原理及原理框图51.3时控机构中的轮系设计、制动块位置确定8

3、1.4高控机构的膜盒组件设计、杆机构设计121.5能源机构的动力弹簧设计141.6结构分析、调整环节162改进意见173心得体会184参考资料191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

4、计；能源机构主要包括动力弹簧的设计。本次任务的工作量为：总装配图一张 (1号图纸)，草图一张(2号图纸)，展开图一张(2号图纸)，零、部件图五张 (3号图纸)，设计说明书一份 (15页左右)，共计八张图纸和一份说明书。本次任务的时间安排为15个工作日，具体时间分派如下：1任务分析、理论计算、草图 4.5日2.展开图设计 1日 3.总装配图设计 4.5日4.部件图、零件图设计 2日5.编写说明书 2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 6销 7杠杆一 8杠杆二 9膜盒组件 1

5、0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器控制机构的延时时间，并使机构匀速运动。

6、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到图示的位置，并且不能再绕O2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。当调整好指定的开伞高度后，在伞兵离开飞机将至此

7、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。转动膜盒组件，整个膜盒组件可沿轴

8、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：t=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=138轮系设计1.3.2.1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

9、级传动比。从精度看，应按照“先大后小”的原则。考虑到要求中传动比为138，所以经过计算，这里将各级传动比定为i=138=i1i2i3=65.754。1.3.2.2膜数与齿数的设计因为开伞器中各个力矩较小，所以我们忽略强度因素。这里我们根据开伞器的外形大致确定了齿轮的中心距a，之后根据前面已经确定的传动比i以及所估计的齿数z按照公式求出模数：m=2az(i+1)我们给定的齿数为z扇形=90，z中心（小）=15，z中心（大）=69，z过渡（小）=12，z过渡（大）=48，z棘轮=12。将上述数据代入公式有，三级齿轮的模数及齿数选择如下：第一级（扇形-中心）：i1=6，m1=0.7，z扇形=90，z

10、中心（小）=15第二级（中心-过渡）：i2=5.75，m2=0.5，z中心（大）=69，z过渡（小）=12第三级（过渡-棘轮）：i3=4，m3=0.5，z过渡（大）=48，z棘轮=121.3.2.3变位系数的设计由于齿轮齿数小于17，为了保证加工时不发生根切现象，需采用高度变位齿轮。第一级：min=17-zz=0.1176，由参考资料1第87页变位系数图取11=-0.2，12=0.2第二级：min=17-zz=0.294，由参考资料1第87页变位系数图取21=-0.3，22=0.3第三级：min=17-zz=0.294，由参考资料1第87页变位系数图取31=-0.3，32=0.31.3.2.4

11、齿轮参数的计算由公式：分度圆d=mz齿根圆df=d-2ha*+c*-m齿顶圆da=2a-df-2c*m计算出各级齿轮的详细参数：第一级（扇形齿轮-中心轮）：传动比i1=6 ，模数m1=0.7，啮合角1=20，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.35变位系数：扇形=-0.25，中心小=0.25齿数：z扇形=90，z中心（小）=15中心距：a1=36.75mm分度圆直径d：d扇形=63mm，d中心（小）=10.5mm齿根圆直径df：df扇形=60.76mm，df中心（小）=8.96mm齿顶圆直径da：da扇形=64.05mm，da中心（小）=12.25mm第二级（中心轮-过渡轮）：传动比i2=

12、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：中心（大）=-0.4，过渡（小）=0.4齿数：z中心（大）=69， z过渡（小）=12中心距：a2=20.25mm分度圆直径d：d中心（大）=34.5mm，d过渡（小）=6mm齿根圆直径df：df中心（大）=32.75mm，df过渡（小）=5.05mm齿顶圆直径da：da中心（大）=35.1mm，da过渡（小）=7.4mm第三级（过渡轮-棘轮）：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：过渡（大）=-0.4，棘轮=0.4齿数： z过渡（

13、大）=48， z棘轮=12中心距：a3=15mm分度圆直径d：d过渡（大）=24mm，d棘轮=m3z32=6mm齿根圆直径df：df过渡（大）=22.25mm，df棘轮=5.05mm齿顶圆直径da：da过渡（大）=24.6mm，da棘轮=7.4mm1.3.2制动块位置设计延迟时间为：t=360iZT，其中总传动比 i=138 ，擒纵轮齿数 Z=20 ，擒纵调速器周期 T=0.032s 由已知条件控制时间t=5s，可得扇形齿轮的工作角度为=20.38 。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

14、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r=1mm，y=10mm，计算可得，l=8.48mm。1.4高控机构的膜盒组1.4高控机构的膜盒组件设计、杆机构设计该开伞器的高控机构是由膜盒与上夹板上的杆机构共同构成的，这里就这两种组件设计进行分析。1.4.1设计目标及已知参数这里我们选择铍青铜材料、E型膜片的膜盒，其工作直径初定D=50mm，因为本设计所要求高控最大高度为7000m，

15、查表可知7000m对应角度为300，那么可算得此时两个膜片的总位移为2s=tz360300=1.25mm，其中t为螺距0.75mm，z表示头数取2。通过查询可知，500m高度对应的大气压强为716mmHg，7000m对应的大气压强为307.9mmHg，而760mmHg对应压强为1.01325105Pa，则E型膜片的相对灵敏度为2spD=1.25501.01325716-307.9760105=0.045910-5pa-1查参考资料1图15-29可得，Dh=420，因为D=50mm，所以计算得h=0.11mm。另查参考资料1图15-30可以标出破坏压强约为1.6105pa。由上述数据，可以算出安

16、全系数为S=p破pmax=1.61057167601.01325105=1.676此时S1.4，满足条件，因而上述假设中所取D=50mm，h=0.11mm可用。由参考资料1表15-9可知，当工作直径D=50mm时，外径应取D1=54mm，不小于假设h的最小h应取为0.14mm。膜盒图示如下：图4膜盒结构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

17、1转动角度。1.5能源机构的动力弹簧设计1.5.1设计目标及已知参数动力弹簧的作用是让滑轮推动制动块，使扇形齿轮绕O点顺时针转动，从而使开伞器开始工作。弹簧的设计需要考虑其强度条件和刚度条件。我们主要设计大弹簧的参数，已经给定的弹簧参数有：弹簧释放力=264.6N，弹簧端部冲程=70mm，弹簧予紧力和释放力之比=0.21，弹簧从最大压缩位置到释放前的行程为=4.3，大小弹簧力比=2：1。大弹簧受载时的强度条件设计我们用的弹簧的材料是碳素弹簧钢丝D级类弹簧，假定D大=15 mm，d大=2.00mm，由参考资料1表15-3可以查出弹簧的许用切应力=0.5B，切变模量G=82000MPa，再从参考资

18、料1表15-4查出弹簧钢丝的拉伸强度极限，则B可取1910-2200，可以先取B的最小值1910，那么=955MPa，由公式=K8FCd大2，可以推导出8KC2D大2F大max。由弹簧已经给定的参数先求整体弹簧的最大弹力，Fmax=F释-F预704.3+F释=264.6-0.21264.6704.3+264.6=277.4N，则大弹簧的最大弹力F大max=23Fmax=184.9N，那么8KC2D大2F大max=955152184.9=1162.11，取8KC2=1146.1，由参考资料1表15-8，查出C=7.2,即D大d大=7.2，得到d大=2.0833mm，与预先假定的d大不一致，由参考资料1表15-4查出，当d大=2.2mm时B也可以取到1910，所以d大=2.2mm也成立，此时D大=15.84mm。大弹簧的刚度条件设计使弹簧产生单位形变所需要的载荷为弹簧刚度，即KF=F大maxSmax，由已给参数可以算出弹簧的最大形变，Smax=70F预F释-F预+70+4.3=92.9mm，KF=F大maxSmax=184.992.9=1.99，又有KF=Gd大48D大3n=1.99，前面已经查出切变模量G=82000MPa，所以n=30.36，取n=31。综上所述，动力弹簧的参数为D=15.84mm，d=2.2mm，n=31圈1.6结构分析、调