Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание: Спроектировать привод механизма управления стреловидностью крыла по следующим данным и схеме (рис. 1):

Рис. 1: 1 - двигатель, 2 ? опора и муфты, 3 - редуктор, 4 ? быстроходная ступень редуктора, 5 ? тихоходная ступень редуктора, 6 - винтовой преобразователь

Максимальная аэродинамическая сила, действующая на винт F = 110 кН; привод крыло преобразователь гайка

время перемещения штока на рабочий ход t = 46 c;

ход гайки L = 450 мм;

срок службы L_h = 2000 час;

частота вращения вала двигателя 110 мин^-1.

Режим нагрузки: средний равновероятный.

Техническое предложение

Современный многорежимный самолёт может летать на различных скоростях: от дозвуковых до сверхзвуковых.

Для каждой скорости полёта существует оптимальная конфигурация крыла, которая зависит от его стреловидности. Для уменьшения сопротивления на сверхзвуковых скоростях стреловидность крыла должна быть максимальна, а на дозвуковых для улучшения посадочных характеристик и увеличения подъёмной силы желательна меньшая стреловидность. Для этих целей на борту самолёта существует система привода крыла, которая плавно изменяет угол стреловидности крыла за один цикл, то есть за рабочий ход из одного крайнего положения в другое и обратно с помощью перевода штоков винтовых преобразователей.

Система, изображённая на рис. 2, состоит из следующих агрегатов: гидропривода 1, редуктора привода 3, карданных шарниров и опор 2, с помощью которых соединены между собой гидропривод, редуктор и винтовые преобразователи, винтового преобразователя 6. Примером реализации подобной схемы может служить механизм управления геометрией крыла, который приведён в [1].

Размещено на http://www.allbest.ru/



Функции элементов привода:

Редуктор привода предназначен для преобразования крутящего момента и частоты вращения при передаче их от гидропривода к винтовым преобразователям.

Карданные шарниры соединяют гидропривод, редуктор и винтовые преобразователи и позволяют компенсировать угловые смещения валов, возникающие в процессе работы как в результате поворота винтовых преобразователей, так и за счёт деформации всех элементов кинематической цени под действием нагрузок.

Винтовой преобразователь является механизмом, который преобразует вращение вала редуктора в поступательное перемещение штока, осуществляющего поворота крыла.

Преимущества шариковинтового преобразователя по сравнению с аналогичным с резьбой скольжения:

- возможность передачи больших осевых усилий;

- низкие потери на трение и высокий кпд;

- возможность устранения зазоров в механизме, высокая точность;

- почти полная независимость сил трения от скорости, что обеспечивает равномерность движения;

- малый износ;

- возможность работы без смазки.

Недостатки:

- большие диаметральные размеры резьбы;

- отсутствие самоторможения;

- высокая стоимость и сложность изготовления;

- чувствительность к контактным нагрузкам;

- сложность конструкции.

Силовым исполнительным механизмом является винтовой преобразователь (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

К винту 11 через шестерню 4 и колесо 5 передается вращение вала редуктора. При вращении винта гайка 10 перемещается поступательно и через шток 18, вилку 16 и ушко карданного шарнира 13, соединенное с неподвижной частью крыла, изменяет стреловидность крыла.

Уменьшение или увеличение стреловидности крыла происходит в зависимости от перемещения гайки 10 вправо или влево, которое определяется направлением вращения шестерни 4, а, следовательно, и вала трансмиссии.

Винтовая пара представляет собой пару качения, между гайкой 10 и винтом 11 уложены шарики 15. При вращении винта шарики передвигаются по независимым рабочим виткам резьбы гайки 10. Это передвижение осуществляется устройством возврата с помощью вкладышей 9. Каждый вкладыш соединяет своим каналом две соседние резьбовые канавки. Перемещение гайки 10 ограничено двумя концевыми упорами 7 и 17. Шестерни редуктора и винтовая пара преобразователя закреплены в корпусе редуктора 3. Для соединения с узлом подвески на фюзеляже самолёта установлено ушко 1 на шарнирной оси 2, соединяющей это ушко проушинами корпуса 3. Масленки 12 служат для смазывания соединения. Кожух 8, фиксированный контровочным кольцом 14, установленный на цилиндрический выступ крышки 6, предохраняет винтовой преобразователь от загрязнения.



Расчет винта

Материалы винтовой пары

Выбраны следующие материалы:

для винта 20Х2Н4А (ГОСТ 4543-71) (среднелегированная конструкционная сталь высококачественная; углерода - 0,2 %, хрома - 2%, никеля - 4%), временное сопротивление разрыву 1300 МПа; предел текучести 1100 МПа;

для гайки 18ХГТ (ГОСТ 4543-71) (среднелегированная конструкционная сталь; углерода - 0,18%, хрома ? 1%, марганец ? 1%, титан ? 1%), временное сопротивление разрыву 700 МПа; предел текучести 430 МПа.

Проектировочный расчет

Диаметр винта определён из условий прочности стержня, нагруженного продольной силой, и контактной прочности резьбы.

Условие прочности на сжатие с учетом устойчивости

,

откуда

,

где F - заданная внешняя нагрузка; d₁ - внутренний диаметр резьбы винта; - коэффициент, учитывающий скручивание тела винта моментом в опасном сечении, = 1,3; ц - коэффициент уменьшения основного допускаемого напряжения; для винта из 20Х2Н4А и предварительно заданной допускаемой гибкости = 100; ц = 0,45; - отношение внутреннего диаметра полого сечения d₀ к внешнему, которым является внутренний диаметр резьбы винта d₃ , 0,8; - допускаемое напряжение; - предел текучести материала винта; S - коэффициент запаса прочности, S = 3.

Допускаемое напряжение

МПа.

Тогда

55, 3 мм.

Для определения среднего диаметра резьбы из условия контактной прочности используем формулу из [2]:

,

где - средний диаметр резьбы; - допускаемое контактное напряжение, принято = 2500 МПа, E - модуль упругости, для легированной стали E = 2,1?10⁵ МПа.

Таким образом



мм.

По рекомендациям [2] подбираем резьбу с диаметрами d₁ и большими, чем рассчитанные. Параметры выбранной резьбы представлены в таблице.

Шаг резьбы Р, мм	Диаметры резьбы, мм	Диаметр шарика, мм	Радиус желоба, мм
	внутренний винта d1, мм	средний винта и гайки d2, мм	внутренний гайки D1, мм
16	59,59	70	80,41	10,319	5,31

Угол подъёма средней винтовой линии однозаходной резьбы

.

Приведенный угол трения с':

,

где угол контакта овального профиля с шариком, k = 0,01 мм коэффициент трения качения при скудной смазке.

Моменты сил трения и полезного сопротивления в резьбе при прямом ходе

Нмм.

Коэффициент полезного действия винтовой пары качения

Проверочный расчет

Проверим условие прочности в опасном сечении. Поскольку в сечении действуют одновременно нормальные и касательные напряжения, приведенные напряжения вычисляются по третьей теории прочности:

,

где нормальные напряжения от сжатия:

МПа;

касательные напряжения от кручения:

МПа;

МПа.

Тогда

МПа,

условие прочности выполняется.

Расчет количества шариков

Для определения количества шариков z используем формулу [3]

.

Допускаемая нормальная сила

2613 Н.

Здесь коэффициент - функция от отношения максимального и минимального радиусов кривизны поверхности в точке контакта:

.

Максимальный радиус кривизны

мм,

минимальный -

мм.

Тогда

Значение коэффициента находим по аппроксимирующей зависимости:

Количество шариков Z

.

Количество витков для полученного числа шариков

.

Принимаем ближайшее рекомендованное количество витков в гайке
N = 4,5 и пересчитываем число шариков:

.

Расчет гайки

Гайка в осевом направлении разбита на две равные части и закреплена неподвижно в корпусе. Длина рабочей части гайки:

мм.

Возврат шариков осуществляется через перепускной канал в теле гайки, поэтому наружный диаметр гайки должен быть не менее



D_Г = D₁ + D_ш + (3…4) = 80,41 +10,32 + 3 ? 95 мм.

Расчёт стенки корпуса

Корпус винтового преобразователя выполним из дюралюминия Д16 с временным сопротивлением разрыву 400 МПа. Примем из технологических соображений толщину стенки д = 5 мм. Тогда наружный диаметр корпуса в соединении с гайкой

D_Н = D_Г + 2д = 95 + 2?5 = 105 мм.

Материал корпуса испытывает напряжения растяжения/сжатия от силы F и напряжения кручения от действия момента винтовой пары T_ВП.

Рассчитаем эквивалентные напряжения с использованием третьей теории прочности:

,

где - напряжения сжатия; - напряжения кручения; [у] - допускаемое напряжение, [у] = 0,3 120 МПа.

Коэффициент полноты опасного сечения:

.

Напряжение сжатия

МПа.



Напряжение кручения

МПа.

Тогда

МПа.

Таким образом, условие прочности выполнено.

РАСЧЁТ соединения корпуса с гайкой

Для передачи осевой силы с корпуса на гайку используем втулки с болтами (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материал болтов - сталь 30ХГСА (ГОСТ 4543-71), втулок - бронза БрА9Ж3Л, у которой 392 МПа,

0,8314 МПа,

0,3120 МПа.

Диаметр втулок определим из условия их прочности на срез:

.

Примем количество втулок, воспринимающих нагрузку, q = 12 и коэффициент полноты сечения втулки б = 0,6. Тогда наружный диаметр втулки:

мм.

Внутренний диаметр втулки

мм.

Толщину корпуса проверим по условию прочности на смятие в месте контакта его с втулкой:

МПа,

условие выполнено.

Для закрепления втулки используем стандартный болт по ГОСТ 15589-70) с номинальным диаметром 6 мм.

Расчёт соединения винта с приводной вилкой

Для болта (рис. 5) выбрана сталь 12ХН3А (ГОСТ 4543-71), у которой 190 МПа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диаметр болта определим из условия его прочности на срез:

,

где q = 2 - количество плоскостей среза. Тогда

мм.

Установка болта большого диаметра сильно ослабит сечение, поэтому используем два болта во взаимно перпендикулярных плоскостях. Тогда
q = 4 и диаметр болтов

мм.

Полученное значение округляем до стандартного d = 14 мм.

Толщину соединяемых деталей определим из условия прочности на смятие вилки, как наименее прочной по сравнению с болтом и винтом:

.

Вилка сделана из стали 30ГСЛ с 210 МПа, поэтому

мм.

Полученное значение округлим до 10 мм.

Расчёт уха вилки

Для материала вилки (рис. 5) [??_р] = 140 МПа, для болта в шарнирной муфте.

Диаметр отверстия в ухе вилки, так же, как и диаметр болта, соединяющего винт и вилку (см. выше), можно определить из условия прочности на срез. Если применить в шарнирной муфте болт из того же материала, что болт, соединяющий вилку с винтом, то [ф_ср] = 220 МПа и количество плоскостей среза q = 2:

мм,

округляем до 18 мм.

Толщина вилки в радиальном направлении

мм,

округляем до 14 мм.

Толщину уха вилки в сечении, ослабленном отверстием (Д, рис. 5) определим из условия прочности вилки на растяжение:

,

где D - наружный диаметр (см. рис. 5), количество плоскостей смятия
q = 2. Тогда наружный диаметр

мм;

Округлим до нормального размера D = 45 мм.

Расчёт ушей корпуса

К корпусу болтами прикреплена крышка с двумя симметрично расположенными ушами, которыми винтовой преобразователь присоединен к механизму поворота крыла (рис. 6). Подберём размеры ушей и рассчитаем диаметры болтов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На эти уши, как и на уши вилки, действует сила F, поэтому рационально выполнить их из того же материала и с теми же геометрическим параметрам: наружный диаметр D = 45 мм, диаметр отверстия в ухе d = 18 мм, и высота уха h = 14 мм.

Диаметр шести крепёжных болтов определим из условия их прочности на растяжение с учётом условия нераскрытия стыка. В этом случае сила затяжки

,

где k - коэффициент запаса затяжки (при постоянных нагрузках k = 1,3…1,5, принимаем k = 1,3); F_вн - внешнее усилие, действующее на каждый болт:

F_вн = F / Z = 110000 / 6 = 18 300 Н;

- коэффициент основной нагрузки, среднее значение которого для соединений металлических деталей без прокладок равно 0,1…0,4. Поскольку корпус сделан из относительно мягкого материала, принимаем = 0,3.

Тогда суммарное усилие в болте после приложения внешней нагрузки

Н,

где F_Z - часть внешнего усилия, догружающего болт.

Условие прочности на растяжение

,

где в - коэффициент, учитывающий скручивание болта моментом винтовой пары, для метрической резьбы в = 1,3; допускаемое напряжение при растяжении для материала болта 30ХГСА после закалки [??_р] = 510 МПа. Тогда внутренний диаметр резьбы болта

8,51 мм.

Выбираем стандартную метрическую резьбу, у которой внутренний диаметр больше рассчитанного: М10х1 (d₁ = 8,92 мм).



Литература

1. Кестельман В.Н., Федоров А.В. Механизмы управления самолетом. - М.: Машиностроение, 1987. - 184 с.

2. Проектирование механизмов с передачей винт-гайка / В.И. Назин. - Учеб. пособие. - http://www.khai202.ho.ua/files/dm/es_screw_nut_v5.zip

3. Основы расчета и конструирования деталей и механизмов летательных аппаратов: Учеб. пособие для втузов / Н.А. Алексеева, Л.А. Бонч-Осмоловский, В.В. Волгин и др./Под ред. В.Н. Кестельмана, Г.Н. Рощина. - М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

Размещено на Allbest.ru

...