航空开伞器机械设计课程设计.doc

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1、一任务分析，方案确定开伞器是一种机械式短时段延时控制机构，并且可以实现高度控制，可用于空投，跳伞和驾驶员救生。例如5.12大地震的救灾过程中，先头的救援部队就有空降兵。 将开伞器装在空投的人或物体上，当跳离飞机后，开伞器可以控制在经过一定时间和一定高度时自动将伞包打开。因此保证了空投的安全，另外，开伞器也可用于延时引爆，例如鱼类的引爆等。通过开伞器的功能描述我们可以看出，开伞器作为一种航空器件，需要在具备较小的体积提供较好的性能，从而保证在高空的恶劣环境下能正常工作。而同时它直接关系到人们的生命安全，对于时控及高控的精度的要求也很高。因此，本次航空开伞器的主要设计原则可总结为体积小，安全稳定，

2、时控、高控精度高。经过分析后，航空开伞器的设计分为动力部分、时间控制部分和高度控制部分三部分可满足要求。1. 动力部分：在一些小型设备中，常用的动力机构通常为电源或弹性元件。而在本次设计中，由于开伞器体积较小，电池及相应电路不易安装。同时在高空环境中作业时，具有气压低，温度低等特殊条件，一般的电池在这种环境下会出现放电性能下降，易爆等缺点。因此本次设计中，采取力弹性元件作为能源。考虑到成本、安全性，体积及需要短时间释放较大力等要求，弹簧选择为压簧。2. 时间控制部分：时控机构主要作用是使弹簧蓄能够均匀释放，从而达到延时的目的。由于本次设计中总体的传动比，所以应采取轮系的方式传动。又，故用三级升

3、速的设计方案。参照本次的设计原则，轮系的传动比设计采用最小体积原则及高传动精度的原则，即。综上此处应选用无固定周期擒纵调速器和轮系的组合来实现。3. 高度控制部分：对于高度的测量，可以用声，光，气压等物理因数进行测量。而在对于高度精确度要求并不高的情况下（米或者十米级时），通常可以采用对于气压的测量的方式。高度越高，气压相应降低。因此可以用弹性敏感元件对气压进行测量。由于膜盒的厚度可随气压变化产生相应变化，而高度控制部分关键点在于可以延时到一定高度开伞，因而可以设计为阻挡住时控机构的运行，直到达到相应高度之使时控机构继续运行直至开伞。经过对相应高度的轴的长度计算，可以清楚的得出高空机构的尺寸。

4、综上，我们可以确定出在本次开伞器的设计方案中，我们将主要进行弹簧，齿轮，膜盒这三部分的计算设计。二工作原理及原理框图：1.工作原理：由第一部分中航空开伞器的分析可知，开伞器有三大部分组成，分别为动力机构、时控机构和高控机构。动力机构给整个设备提供动力；时控机构能保证跳伞人员能与飞行器保持一定安全距离；而高度控制可以保证在降落到相应高度的时候能够开伞。具体机芯的结构如下图所示：（1）.动力机构：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）.时控机构：时间控制部分主

5、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。擒纵调速器工作原理如图所示。由于弹簧 2 恢复力的作用，在擒纵轮上作用力矩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，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

6、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： T周期J擒纵叉轴上所有零件的转动惯量Ml擒纵轮齿与进瓦接触时，对叉轴作用的力M2擒纵轮齿与出瓦接触时，对叉轴作用的力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： 式中：扇形齿轮的

7、工作角度 擒纵轮齿数秒 擒纵器周期 t = 6.0秒 延时时间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）.高控机构：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4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，直至制动块转到下图虚线所示位置。此时滑轮3和弹簧恢复力作用下，在一瞬

8、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。（2）原理框图三时控机构轮系设计1传动比的分配及齿数安排按照技术要求的规定，本次设计需设计延时时间为6秒的航空开伞器，而齿系的传动比为138，擒纵轮齿数为20，。由得经过技术要求及参数分析，最终并参考实物，决定选择三级增速形式：由于部分齿数较小，有可能产生根切，从而影响轮齿强度。因此需要对部分齿轮进行变位调整。2确定各级齿轮参数依次将各齿轮编号

9、为。各齿轮齿数及相应变位系数：；。；。（变位系数选择参照机械学基础P101页变位系数线图）分度圆直径计算：中心距计算：；齿顶圆直径计算：变位系数：，取；，取；具体参数表（单位mm）：序号分度圆直径分度圆半径齿顶圆直径齿顶圆半径齿厚1723673.2836.642212613.926.967334.517.2535.117.5514637.43.765241224.612.316637.43.74擒纵轮20101擒纵叉20103惯性轮7四膜盒组件设计已知参数： 高度控制范围：5007000m零位对应500m（716mmHg）转300度对应7000m（307.9mmHg）安全系数1.5地面压强=M

10、Pa735mmHg=PaE=1.35MPa （铍青铜）E=1.11MPa （磷青铜）膜盒直径D50mm设计计算：1. 选定所用膜片类型:膜盒作为弹性敏感元件，在高空机构中起到关键作用。此处由于出于测量气压简便的原因，希望能采用线性膜盒。此处选择E型膜盒，因为其中心位移与压力之间具有良好的线性关系，可有效的简化设计。此处材料初步选为铍青铜。2 根据高度要求计算膜片系数根据指标，要求能在500-7000米范围内正常开伞。而根据参数可求出压力差：p=0.555Pa由=1.5的安全系数要求，有1.5Pa。再由1.5Pa查课本P424页图15-27得：=1.5Pa 时，=425根据尺寸限制，可取D=45

11、mm，则h=0.106mm由=425查课本P423页图15-26得对应的灵敏度：=0.05所以，S=0.625mmS=2S=1. 25mm=Zp，选取Z=2，p=0.75综上，膜盒工作直径D=45mm，膜片厚度h=0.106mm，安全系数=1.5,S=1.25，螺旋螺距p=0.75，头数Z=2（膜盒具体尺寸参数参见课本P423页图15-26）五设计说明1.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度，画出齿轮转过后的

12、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。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。通过设计，制动块下沿确定距齿轮转轴8mm，制动块转轴的距离为16mm。2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

13、量到开伞。在具体的设计中，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。3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

14、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：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。七改进建议在整个的设计过程中，最深的体会就是空间的最优化问题。最早在草图上确定位置，更多的只是满足齿轮相交，并没有考虑空间的最佳利用。而在后期的杠杆设计时，再次发现很多前期的齿轮定位将直接影响到后期杠杆设计等的优化问题。希望下次设计时能介绍一些优化方法及策略。本次设计由于时间紧迫。对于各部分强度的校核并不是非常充分，对于齿轮杠杆等的设计更多的考虑的是位置关系及尺寸问题。相信在具体设计中，一定会有仔细的计

15、算与校验的过程。最后，在整体的设计中，没有考虑整体的强度。如抗冲击等问题。在实际的应用中，各种磕碰冲击在所难免，相应的问题也应当考虑到。因此对于整体的牢固程度，如果可能应该有计算或者相应的实验检验。八心得体会机械设计是一门非常严谨而综合的学科。在实际问题当中，需要考虑的问题非常多。初次设计中，无法考虑的或者根本不再考虑范围之内的东西太多。而单纯的草图也无法考虑完成所有的问题。所以边设计边修改是非常关键的。着也体现了现在计算机应用的好处。能够轻松的修改不完善的部分，比手绘相对简单轻松。机械设计是一门繁琐的事情，由于他的综合性，使得在实际的过程中，对于我一个平时不太严谨的人来说，往往会没有考虑一些东西。而有些东西在思考之后却发现远远超过了我们实际所学的内容。只能说深深的体会到能力上的不足，有较强的挫败感。而在画图的过程中，由于曾经转专业，学的是土木类的工图，对于剖面线，齿轮，弹簧的绘制并不熟悉。在画图时也遇到了一些问题，但是相对于知识上的匮乏还是可以接受的。当然也觉得机械设计确实和以前想象中的设计不同。以前更多的考虑的是一些理想情况，而现在，最深的感悟就是世界并不完美，我们的努力就是希望尽量趋向于完美。九参考资料1 张晓光 机械学基础综合训练指导书2 蒋秀珍 机械学基础3 蒋秀珍 机械学基础综合训练图册4 机械设计手册 18