航空开伞器设计说明书.docx
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航空开伞器设计说明书
航空开伞器设计说明书
1概述
开伞器是一种机械式短时段延时机构。
实验通过对开伞器原理及
结构的分析，引导学生设计航空开伞器，并对其中的重要结构进行具体分析，提高学生的设计能力和理论分析的能力。
2原理
开伞器使用前，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。
至此，开伞器做好了全部的准备工作。
若需要开伞器工作，可将止动软锁针拔出，由于弹簧的恢复力作用，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。
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。
开伞器的工作到此结束。
开伞器的传动原理如下图所示：
1.钢索2.弹簧3.滑轮4.制动块5.扇形齿轮6.销子
7.杠杆18.杠杆29.膜盒组件10.中心轮组件11.过轮组件
12.擒纵轮组件13.擒纵叉14.惯性轮15.软锁针
1）能源
开伞器工作时的能源是由压缩弹簧2提供的，开伞器不工作时弹簧处于预紧状态，工作前拉钢索1，，将弹簧压缩，开伞器工作时，弹簧恢复力做功，释放能量。
2）时间控制机构
工作结束后，扇形齿轮轴上的扭簧恢复力矩将使它恢复到工作之前的位置（图示的位置）。
由于擒纵轮不能反转，因而在过轮组件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。
在准备工作阶段，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。
3）高度控制机构
当调整好指定的开伞高度后，在伞兵离开飞机降至此高度时，开伞器即自动打开伞包。
它的原理如下：
机构工作时立杆O2将绕O点顺时针转动，当它运动至杠杆7并与其接触后，推杠杆7绕O1点顺时针转动。
杠杆7的末端则推动杠杆8绕O3点逆时针转动，是杠杆8的另一端向真空膜盒9的中心杆O4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大，在伞兵未降至指定高度时，真空膜盒中心杆O4高出杠杆8运动的平面，所以中心杆能阻挡杠杆8的运动。
当降至指定高度时，大气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，使整个机构重新开始工作（时间大约持续1s）,直至滑轮被释放为止。
这样，开伞器又实现了高度控制。
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，整个膜盒可沿轴向移动，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。
高度控制的调整，从开伞器的侧面窗口中，可以看到控制高度的示值，将钥匙插入开锁器后面方孔中，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。
3用途
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段时间和达到一定高度是自动将伞包打开，因此保证了空投的安全，另外，开伞器也可以用于延时引爆，例如鱼雷的引爆。
4设计过程
1）理论计算部分
1.动力弹簧的设计
1.1.概述
根据已知条件，先求出内外弹簧所受的最大力Fmax外，Fmax内。
再根据已知参数，结构条件和强度条件，完成动力弹簧的设计。
已知：
F放=264.6N；
；
；
；
；
装载动力弹簧的套筒内径：
Φ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：
弹簧受力与位移关系示意图
1.2.求内外弹簧所受的最大力Fmax外，Fmax内
内外弹簧的释放力：
；
由图列方程可知：
Fmax=277.6N。
1.3.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。
1.3.1.外弹簧的设计
因为Φ内=18.5mm，根据《精密机械学基础》P364表15-5，初选
D外=14mm,d=2.5mm;
外径D2=14mm+2.5mm=16.5mm<Φ内=18.5mm；符合结构要求
旋绕比
；符合《精密机械学基础》P365表15-7
曲度系数
=1.273
若选择碳素弹簧钢丝D级，则许用剪应力[τ]=0.5σB。
σB最小值为1760MPa，[τ]=880MPa。
由强度条件，
由刚度条件，
=
由于要选尾数为1/4，1/2，3/4的弹簧，故可取47.25；旋向为右旋。
长度H0=pn+1.5d=0.28Dn+1.5d=192.45mm
1.3.2.内弹簧的设计
因为D内1=（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旋绕比
；符合《精密机械学基础》P365表15-7
曲度系数
=1.234
外弹簧选用碳素弹簧钢丝D级，由《精密机械学基础》P362，表15-4可知，当d=1.4mm时，选取σB=2150MPa；许用剪应力[τ]=0.5σB=1075MPa。
由强度条件，
由刚度条件，
选取n=70.5；
故长度H0=pn+1.5d=0.3Dn+1.5D=192.45mm
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D
D=Cd
14mm
9mm
内径D1
D1=D-d
11.5mm
7.6mm
外径D2
D2=D+d
16.5mm
10.4mm
旋绕比C
C=D/d
5.6
6.429
钢丝直径d
d=D/C
2.5mm
1.4mm
压缩弹簧细长比b
13.5
21.38
b>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+（1.5~2）d
两端并紧，不磨平：
H0=pn+（3~3.5）d
188.97mm
192.45mm
两端并紧，磨平，
H0=pn+1.5d
有效圈数n
47.25
70.5
节距p
p=（0.28~0.5）D
3.92mm
2.7mm
外：
p=0.28D；
内：
p=0.3D
2.齿轮的设计
2.1.概述
分配传动比从而确定齿数。
判断是否需要对齿轮进行变位，并综合确定齿轮的几何参数。
已知：
总传动比：
;
第一级传动：
模数m=0.7;压力角α=20°;
第二级传动：
模数m=0.5;压力角α=20°;
2.2.分配传动比
令：
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；
2.3.确定齿轮的几何参数
齿轮的三级传动中，最小齿数
。
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：
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，χmin1=0.118,χmin2=0.294,χmin3=0.294;
因而，选取χ1=0.12,χ2=0.295,χ3=0.295
轮齿为正常齿，故
m<1,故c*=0.35；根据《精密机械学基础》P65表3-4计算：
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
z1
z2
z3
z4
z5
z6
齿数
z
90
15
69
12
48
12
模数
m
0.7
0.5
变位系数
χ
根据使用条件选定
-0.12
0.12
-0.295
0.295
-0.295
0.295
啮合角
α’
α’=α
20
分度圆直径
d/mm
d=mz
63
10.5
34.5
6
24
6
中心距
a’/mm
a’=a=（d1+d2）、2
36.75
20.25
15
齿根圆直径
df/mm
60.95
8.775
32.86
4.944
22.356
4.944
齿顶圆直径
da/mm
64.235
12.1
35.2
7.294
24.7
7.294
3.高控机构设计
3.1.概述
已知：
（1）高度控制范围：
500m~4000m
零位对应500m（716mmHg）
转300度对应7000M（307.85mmHg）
735mmHg=105Pa
（2）螺旋参数：
p=0.75mm,S=1.5mm,Z=2
安全系数S>1.4
2s=
根据E型膜盒相对灵敏度曲线可知D/h=400，
膜片承受的最大压力pmax=1.01325×105Pa<破坏压力1.833
选D=50mm，h=0.125，Dmax=55非线性度2.5%
安全系数S=1.88>1.4。
所以满足要求
2）实体设计部分
实体设计主要进行了扇形齿轮制动块长度设计及杠杆长度及位置设计，由于两者均能采用作图法，此处仅简述。
预定制动块下缘距转轴10mm，已知5s制动块上升（4.3-d外/2）mm，转角为20.38
。
图中放大4倍，制动块下缘长度s=
=42.22mm
杠杆已知条件：
3.7s扇形齿轮长销碰到杠杆1并开始带其运动，1s后杠杆二碰到膜盒销子，停止运动。
可以有尺规作图将其位置及长度确定。
膜盒调节齿轮，大齿轮z=40，m=0.8，d=32，da=33.6；小齿轮z=18，m=0.8，d=14.4，da=16
3）绘图部分（包括手绘及电脑绘图）
手绘过程按照层层剖视的方法完成，易于初学者完成。
电脑绘图由SolidWorks及AutoCAD辅助完成。
5机构调整方法
高度控制的机构，从开锁器侧面的窗口中，可以看到控制高度的示值。
将钥匙插入开锁器后面方孔中，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。
时控机构的调整，可通过调节杠杆1两侧螺钉进行粗调
6改进意见
可以改为手动自动两种控制方法，以免自动机构失灵造成事故。
时控机构的调节不够精确，应该引入差动螺旋机构使精度变高。
纯机械式易损坏，应改进成为电气设备。
7心得
1.此次课程设计，让我学会自主设计复杂零件，理论联系实际，使机械课变得生动有趣。
2.前期装配图的绘制，培养我们对三维形状与相关位置的空间逻辑思维和形象思维能力，培养了绘制和阅读工程图样的基本能力，更重要的是培养了我们认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。
3.前期理论计算的时候，感觉和平时做作业感觉不一样。
平时做作业的时候是老师直接给了题目，数据条件都做了处理，我们只需要选择公式即可，而在开锁器的理论计算过程中，数据多条件多，可供选择的公式也多，还要选各种参数，各种参数自定，给人一种茫然的感觉。
可见我们的学习还是离工程实践相距很远。
4.在使用SolidWorks做实体设计时，自主学习了很多以前不知道的知识，这对以后的学习有很大帮助。
同时培养了我们查阅相关资料的能力。
5.机械学基础课程设计的题目航空开锁器是一个综合性很强的题目，全面考察了学生在前一段时间对机械学基础课程内容的掌握与应用程度。
开伞器中，杠杆机构的设计涉及到第一章杆传动机构的内容；棘轮部件中棘轮的应用体现了第二章棘轮单向运动的原理；复杂的齿轮轮系构成很好地检验了学生对于第三章与第15章齿轮的相关内容的掌握程度；螺纹的联接与紧固，配合公差带的选用，很好地体现了第七章、第九章联接与机械精度设计的相关内容；中心轮部件、棘轮部件、擒纵轮部件、惯性轮部件，这些航空开锁器的核心部件，都包含了第八章、第十章中轴和轴承的设计的内容；波纹管、弹簧等，既涉及到了第六章材料力学的相关知识，同时也牵涉到第十五章弹性元件的基本选用原则。
课程设计使我对所学知识有了更深的了解。
8参考资料
[1]蒋秀珍、马惠萍，精密机械学基础，科学出版社，2009.1
[2]蒋秀珍，机械学基础综合训练图册，科学出版社，2002.1
[3]成大先,机械设计手册,化学工业出版社,2010年1月
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