開傘器機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）課程名稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 航空開傘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 系： 電氣學(xué)院1系 班 級(jí)： 0901102 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 劉永猛 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012.2.27-2012.3.16 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 李寶駒 院 （系）：電氣學(xué)院 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器（電子測(cè)量） 班 號(hào)：0901102 任務(wù)起至日期： 2012 年 2 月27 日 至 2012 年 3 月16日 課程設(shè)計(jì)題目： 航空開傘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 已知主要技術(shù)參數(shù)： 1高度控制范圍： 500m-

2、 7000m 。 2延遲時(shí)間： 5s 。 3彈簧釋放力： 264.6N 。 4大小彈簧力比： 2：1 。 5彈簧端部沖程： 70mm 。 6彈簧予緊力和釋放力之比： 0.21 。 7彈簧從最大壓縮位置到釋放前的行程為： 4.3mm 。 8擒縱調(diào)速器周期為： 0.032s 。 9機(jī)芯總體尺寸 100mm80mm30mm 工作量：1. 總裝配圖一張 (1號(hào)圖紙)2. 草圖一張(2號(hào)圖紙)3. 展開圖一張(2號(hào)圖紙)4. 零、部件圖五張 (3號(hào)圖紙)5. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份 (15頁(yè)左右) 目錄1說(shuō)明書正文51.1任務(wù)分析、方案確定51.2工作原理及原理框圖51.3時(shí)控機(jī)構(gòu)中的輪系設(shè)計(jì)、制動(dòng)塊位置確定8

3、1.4高控機(jī)構(gòu)的膜盒組件設(shè)計(jì)、桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)121.5能源機(jī)構(gòu)的動(dòng)力彈簧設(shè)計(jì)141.6結(jié)構(gòu)分析、調(diào)整環(huán)節(jié)162改進(jìn)意見173心得體會(huì)184參考資料191說(shuō)明書正文1.1任務(wù)分析、方案確定本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是航空開傘器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，航空開傘器是一種機(jī)械式短時(shí)間延時(shí)控制機(jī)構(gòu)。也可實(shí)現(xiàn)高度控制，可用于空投和駕駛員救生。將開傘器裝在空投的人或物體上，跳離飛機(jī)后，開傘器可以控制在一定時(shí)間和達(dá)到一定高度時(shí)自動(dòng)打開傘包，從而保證了空投的安全。此外，開傘器也可以用來(lái)延時(shí)引爆，例如魚雷的引爆。航空開傘器可以分為時(shí)控機(jī)構(gòu)，高空機(jī)構(gòu)和能源機(jī)構(gòu)。其中時(shí)控機(jī)構(gòu)包括輪系設(shè)計(jì)和制動(dòng)塊的位置確定；高空機(jī)構(gòu)包括膜盒組件設(shè)計(jì)和桿機(jī)構(gòu)設(shè)

4、計(jì)；能源機(jī)構(gòu)主要包括動(dòng)力彈簧的設(shè)計(jì)。本次任務(wù)的工作量為：總裝配圖一張 (1號(hào)圖紙)，草圖一張(2號(hào)圖紙)，展開圖一張(2號(hào)圖紙)，零、部件圖五張 (3號(hào)圖紙)，設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份 (15頁(yè)左右)，共計(jì)八張圖紙和一份說(shuō)明書。本次任務(wù)的時(shí)間安排為15個(gè)工作日，具體時(shí)間分派如下：1任務(wù)分析、理論計(jì)算、草圖 4.5日2.展開圖設(shè)計(jì) 1日 3.總裝配圖設(shè)計(jì) 4.5日4.部件圖、零件圖設(shè)計(jì) 2日5.編寫說(shuō)明書 2日 6.答辯 1日1.2工作原理及原理框圖開傘器主要由能源、時(shí)間控制機(jī)構(gòu)和高度控制機(jī)構(gòu)三部分組成。工作原理見圖1：1鋼索 2彈簧 3滑輪 4制動(dòng)塊 5扇形齒輪 6銷 7杠桿一 8杠桿二 9膜盒組件 1

5、0中心輪組件 11過(guò)渡輪組件 12擒縱輪組件 13擒縱叉 14慣性輪 15軟鎖針圖1 開鎖器結(jié)構(gòu)示意圖開鎖器準(zhǔn)備階段：開鎖器使用前，先將鋼索1拉緊，使圓柱彈簧2壓縮。彈簧頂部的滑輪3被扇形齒輪5上的制動(dòng)塊4鎖住。此時(shí)，機(jī)構(gòu)由于止動(dòng)軟鎖針15的阻擋而不能工作（它阻止擒縱叉13和制動(dòng)塊4的擺動(dòng)），并將鋼索末端的環(huán)扣在需要開鎖的對(duì)象（如降落傘）的鎖針上。開鎖器工作階段：將止動(dòng)軟鎖針拔出，由于彈簧恢復(fù)力的作用，機(jī)構(gòu)開始工作，滑輪推動(dòng)制動(dòng)塊，使扇形齒輪繞O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)三級(jí)升速齒輪傳動(dòng)將力矩傳至擒縱輪組件12，擒縱輪組件12與擒縱叉13組成的無(wú)固有周期擒縱調(diào)速器控制機(jī)構(gòu)的延時(shí)時(shí)間，并使機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)動(dòng)。

6、由于扇形齒輪與它上面的制動(dòng)塊一起順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)塊的最外端轉(zhuǎn)過(guò)滑輪3圓周右側(cè)邊界點(diǎn)后，滑輪被釋放，鋼索將彈簧的恢復(fù)力傳出。若用于開傘，此力就可以將傘包上的鎖針拔出，使降落傘開啟。工作結(jié)束后，扇形齒輪軸上扭簧的恢復(fù)力矩將使它恢復(fù)到工作前的位置（圖示的位置）。由于擒縱輪不能反轉(zhuǎn)，因而在過(guò)渡輪組件11上裝有棘輪式單向離合器，以保證扇形齒輪在工作結(jié)束后反轉(zhuǎn)時(shí)，不損傷擒縱調(diào)速器。在準(zhǔn)備階段，制動(dòng)塊可以繞O2點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)以讓開下移的滑輪，然后在扭簧的作用下立即恢復(fù)到圖示的位置，并且不能再繞O2點(diǎn)做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。開鎖器中還有一個(gè)高度控制機(jī)構(gòu)，它用于傘兵延時(shí)開傘。當(dāng)調(diào)整好指定的開傘高度后，在傘兵離開飛機(jī)將至此

7、高度時(shí)，開鎖器即自動(dòng)打開傘包。它的原理如下：機(jī)構(gòu)工作時(shí)立桿O_2 將繞O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到杠桿7并與其接觸后，推杠桿7繞O_1點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。杠桿7的末端則推動(dòng)杠桿8繞O_3點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使杠桿8的另一端向真空膜盒9的中心桿O_4靠攏，直至二者接觸，杠桿8停止運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)也就停止工作。真空膜盒是感受高度的元件。由于氣壓隨高度的降低而增加，在傘兵未降至指定高度時(shí)，大氣的壓力的增加使中心桿降至杠桿8運(yùn)動(dòng)平面以下，釋放了杠桿8的運(yùn)動(dòng)。使整個(gè)機(jī)構(gòu)重新開始工作，直至滑輪被釋放為止。這樣，開鎖器又實(shí)現(xiàn)的高度的控制。真空膜盒下部硬心件上帶有螺紋。膜盒周邊上有高度刻度值。轉(zhuǎn)動(dòng)膜盒組件，整個(gè)膜盒組件可沿軸

8、向移動(dòng)，能使膜盒中心桿調(diào)整至所需要的位置，以保證在指定的高度上釋放杠桿8。整個(gè)工作過(guò)程可用流程圖描述：跳傘t1高控機(jī)構(gòu)有效？是否t 指定高度t2開傘圖2開鎖器工作流程圖1.3時(shí)控機(jī)構(gòu)中的輪系設(shè)計(jì)、制動(dòng)塊位置確定1.3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)及已知參數(shù)該開傘器的時(shí)空機(jī)構(gòu)是由扇形齒輪、中心輪、過(guò)渡輪、棘輪、制動(dòng)塊組成，這里分別就輪系以及制動(dòng)塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知參數(shù)：（1）延時(shí)時(shí)間：t=5s（2）擒縱調(diào)速器周期：T=0.032s（3）擒縱輪齒數(shù)：z=20（4）傳動(dòng)比：i=138輪系設(shè)計(jì)1.3.2.1傳動(dòng)比設(shè)計(jì)由于圓柱齒輪的單級(jí)傳動(dòng)比不宜過(guò)大，一般小于10，所以傳動(dòng)級(jí)數(shù)選為三級(jí)，按照誤差最小原則以及體積最小原則分配各

9、級(jí)傳動(dòng)比。從精度看，應(yīng)按照“先大后小”的原則?？紤]到要求中傳動(dòng)比為138，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算，這里將各級(jí)傳動(dòng)比定為i=138=i1i2i3=65.754。1.3.2.2膜數(shù)與齒數(shù)的設(shè)計(jì)因?yàn)殚_傘器中各個(gè)力矩較小，所以我們忽略強(qiáng)度因素。這里我們根據(jù)開傘器的外形大致確定了齒輪的中心距a，之后根據(jù)前面已經(jīng)確定的傳動(dòng)比i以及所估計(jì)的齒數(shù)z按照公式求出模數(shù)：m=2az(i+1)我們給定的齒數(shù)為z扇形=90，z中心（?。?15，z中心（大）=69，z過(guò)渡（?。?12，z過(guò)渡（大）=48，z棘輪=12。將上述數(shù)據(jù)代入公式有，三級(jí)齒輪的模數(shù)及齒數(shù)選擇如下：第一級(jí)（扇形-中心）：i1=6，m1=0.7，z扇形=90，z

10、中心（?。?15第二級(jí)（中心-過(guò)渡）：i2=5.75，m2=0.5，z中心（大）=69，z過(guò)渡（小）=12第三級(jí)（過(guò)渡-棘輪）：i3=4，m3=0.5，z過(guò)渡（大）=48，z棘輪=121.3.2.3變位系數(shù)的設(shè)計(jì)由于齒輪齒數(shù)小于17，為了保證加工時(shí)不發(fā)生根切現(xiàn)象，需采用高度變位齒輪。第一級(jí)：min=17-zz=0.1176，由參考資料1第87頁(yè)變位系數(shù)圖取11=-0.2，12=0.2第二級(jí)：min=17-zz=0.294，由參考資料1第87頁(yè)變位系數(shù)圖取21=-0.3，22=0.3第三級(jí)：min=17-zz=0.294，由參考資料1第87頁(yè)變位系數(shù)圖取31=-0.3，32=0.31.3.2.4

11、齒輪參數(shù)的計(jì)算由公式：分度圓d=mz齒根圓df=d-2ha*+c*-m齒頂圓da=2a-df-2c*m計(jì)算出各級(jí)齒輪的詳細(xì)參數(shù)：第一級(jí)（扇形齒輪-中心輪）：傳動(dòng)比i1=6 ，模數(shù)m1=0.7，嚙合角1=20，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.35變位系數(shù)：扇形=-0.25，中心小=0.25齒數(shù)：z扇形=90，z中心（?。?15中心距：a1=36.75mm分度圓直徑d：d扇形=63mm，d中心（?。?10.5mm齒根圓直徑df：df扇形=60.76mm，df中心（?。?8.96mm齒頂圓直徑da：da扇形=64.05mm，da中心（?。?12.25mm第二級(jí)（中心輪-過(guò)渡輪）：傳動(dòng)比i2=

12、5.75 ，模數(shù)m2=0.5，嚙合角2=20齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.35變位系數(shù)：中心（大）=-0.4，過(guò)渡（小）=0.4齒數(shù)：z中心（大）=69， z過(guò)渡（?。?12中心距：a2=20.25mm分度圓直徑d：d中心（大）=34.5mm，d過(guò)渡（小）=6mm齒根圓直徑df：df中心（大）=32.75mm，df過(guò)渡（小）=5.05mm齒頂圓直徑da：da中心（大）=35.1mm，da過(guò)渡（?。?7.4mm第三級(jí)（過(guò)渡輪-棘輪）：傳動(dòng)比i3=4 ，模數(shù)m3=0.5，嚙合角3=20齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.35變位系數(shù)：過(guò)渡（大）=-0.4，棘輪=0.4齒數(shù)： z過(guò)渡（

13、大）=48， z棘輪=12中心距：a3=15mm分度圓直徑d：d過(guò)渡（大）=24mm，d棘輪=m3z32=6mm齒根圓直徑df：df過(guò)渡（大）=22.25mm，df棘輪=5.05mm齒頂圓直徑da：da過(guò)渡（大）=24.6mm，da棘輪=7.4mm1.3.2制動(dòng)塊位置設(shè)計(jì)延遲時(shí)間為：t=360iZT，其中總傳動(dòng)比 i=138 ，擒縱輪齒數(shù) Z=20 ，擒縱調(diào)速器周期 T=0.032s 由已知條件控制時(shí)間t=5s，可得扇形齒輪的工作角度為=20.38 。時(shí)控機(jī)構(gòu)工作對(duì)應(yīng)的彈簧行程為4.3mm，即裝在彈簧上的滑輪推動(dòng)固定在扇形齒輪上的制動(dòng)塊繞扇形齒輪軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)彈簧的行程為4.3mm時(shí)，滑輪與制動(dòng)塊

14、相切，扇形齒輪剛好轉(zhuǎn)過(guò)了。由此條件，可根據(jù)幾何關(guān)系得出制動(dòng)塊長(zhǎng)度的大小。示意圖見圖3。圖3制動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)示意圖由圖可得出制動(dòng)塊長(zhǎng)度l與其距扇形齒輪軸中心距離y的關(guān)系l=ytan2+4.3-rsin，其中r為滑輪的半徑。由于要保證彈簧可以正常的復(fù)位，l必須小于y。取r=1mm，y=10mm，計(jì)算可得，l=8.48mm。1.4高控機(jī)構(gòu)的膜盒組1.4高控機(jī)構(gòu)的膜盒組件設(shè)計(jì)、桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)該開傘器的高控機(jī)構(gòu)是由膜盒與上夾板上的桿機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成的，這里就這兩種組件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。1.4.1設(shè)計(jì)目標(biāo)及已知參數(shù)這里我們選擇鈹青銅材料、E型膜片的膜盒，其工作直徑初定D=50mm，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所要求高控最大高度為7000m，

15、查表可知7000m對(duì)應(yīng)角度為300，那么可算得此時(shí)兩個(gè)膜片的總位移為2s=tz360300=1.25mm，其中t為螺距0.75mm，z表示頭數(shù)取2。通過(guò)查詢可知，500m高度對(duì)應(yīng)的大氣壓強(qiáng)為716mmHg，7000m對(duì)應(yīng)的大氣壓強(qiáng)為307.9mmHg，而760mmHg對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為1.01325105Pa，則E型膜片的相對(duì)靈敏度為2spD=1.25501.01325716-307.9760105=0.045910-5pa-1查參考資料1圖15-29可得，Dh=420，因?yàn)镈=50mm，所以計(jì)算得h=0.11mm。另查參考資料1圖15-30可以標(biāo)出破壞壓強(qiáng)約為1.6105pa。由上述數(shù)據(jù)，可以算出安

16、全系數(shù)為S=p破pmax=1.61057167601.01325105=1.676此時(shí)S1.4，滿足條件，因而上述假設(shè)中所取D=50mm，h=0.11mm可用。由參考資料1表15-9可知，當(dāng)工作直徑D=50mm時(shí)，外徑應(yīng)取D1=54mm，不小于假設(shè)h的最小h應(yīng)取為0.14mm。膜盒圖示如下：圖4膜盒結(jié)構(gòu)1.4.2桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)這里我們通過(guò)作圖的方法確定桿機(jī)構(gòu)的形狀，作圖如下：其中彈簧推動(dòng)制動(dòng)塊使從動(dòng)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)從動(dòng)桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)時(shí)控機(jī)構(gòu)工作；當(dāng)從動(dòng)桿2運(yùn)動(dòng)到途中虛線位置時(shí)，從動(dòng)桿2碰到膜盒立柱，時(shí)控機(jī)構(gòu)停止工作。之后由高空機(jī)構(gòu)發(fā)生作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定高度時(shí)，立柱收回，從動(dòng)桿2繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至從動(dòng)桿

17、1轉(zhuǎn)動(dòng)角度。1.5能源機(jī)構(gòu)的動(dòng)力彈簧設(shè)計(jì)1.5.1設(shè)計(jì)目標(biāo)及已知參數(shù)動(dòng)力彈簧的作用是讓滑輪推動(dòng)制動(dòng)塊，使扇形齒輪繞O點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使開傘器開始工作。彈簧的設(shè)計(jì)需要考慮其強(qiáng)度條件和剛度條件。我們主要設(shè)計(jì)大彈簧的參數(shù)，已經(jīng)給定的彈簧參數(shù)有：彈簧釋放力=264.6N，彈簧端部沖程=70mm，彈簧予緊力和釋放力之比=0.21，彈簧從最大壓縮位置到釋放前的行程為=4.3，大小彈簧力比=2：1。大彈簧受載時(shí)的強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)我們用的彈簧的材料是碳素彈簧鋼絲D級(jí)類彈簧，假定D大=15 mm，d大=2.00mm，由參考資料1表15-3可以查出彈簧的許用切應(yīng)力=0.5B，切變模量G=82000MPa，再?gòu)膮⒖假Y

18、料1表15-4查出彈簧鋼絲的拉伸強(qiáng)度極限，則B可取1910-2200，可以先取B的最小值1910，那么=955MPa，由公式=K8FCd大2，可以推導(dǎo)出8KC2D大2F大max。由彈簧已經(jīng)給定的參數(shù)先求整體彈簧的最大彈力，F(xiàn)max=F釋-F預(yù)704.3+F釋=264.6-0.21264.6704.3+264.6=277.4N，則大彈簧的最大彈力F大max=23Fmax=184.9N，那么8KC2D大2F大max=955152184.9=1162.11，取8KC2=1146.1，由參考資料1表15-8，查出C=7.2,即D大d大=7.2，得到d大=2.0833mm，與預(yù)先假定的d大不一致，由參考資料1表15-4查出，當(dāng)d大=2.2mm時(shí)B也可以取到1910，所以d大=2.2mm也成立，此時(shí)D大=15.84mm。大彈簧的剛度條件設(shè)計(jì)使彈簧產(chǎn)生單位形變所需要的載荷為彈簧剛度，即KF=F大maxSmax，由已給參數(shù)可以算出彈簧的最大形變，Smax=70F預(yù)F釋-F預(yù)+70+4.3=92.9mm，KF=F大maxSmax=184.992.9=1.99，又有KF=Gd大48D大3n=1.99，前面已經(jīng)查出切變模量G=82000MPa，所以n=30.36，取n=31。綜上所述，動(dòng)力彈簧的參數(shù)為D=15.84mm，d=2.2mm，n=31圈1.6結(jié)構(gòu)分析、調(diào)