Отсек летательного аппарата класса «Воздух-Воздух»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра____403___До захисту допускаю Завідувач кафедри__403___

д-р.техн.наук, проф. Гайдачук В.Є.

Рульовий відсік літального апарату класу «Повітря — поверхня «

Пояснювальна записка до випускної роботи бакалавра Напрямок 6.51 101—" Авіата ракетобудування"

Фахівний напрямок — «Ракетні та космічні комплекси»

ХАІ.403.446.12 В.51 101.0804153ПЗ Виконавець: студент__446__групи Труш А.Є.

Керівник роботи: професор Кириченко В.В.

Нормоконтролер:професор ЦирюкО.А.

ХАРКІВ — 2012

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТО СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра 403ЗАТВЕРДЖУЮ Завідувач кафедри 403,

д-р.техн.наук, проф. ГайдачукВ.Є.

ЗАВДАННЯ на випускну роботу бакалавр Студенту 446 групи Трушу Олексію Євгенійовичу

1.Тема випускної роботи :

«Рульовий відсік літального апарату класу «Повітря-Поверхня»

Вихідні дані:

Класс ЛА… Воздух-Поверхность Стартовая масса ЛА, (кг)… 375

Максимальная дальность полета (км)… 40

Максимальная скорость полета, м/с (число М)… 2.4

Диапазон высот, (км)… 0.15Ї20

Тип БЧ… Осколочно-фугасная Тип системы наведения… полуактивная РЛГСН Тип СУ… РДТТ Тяга двигателя, Н…48 930

Время работы двигателя, с…8

Длина корпуса ЛА, (м)… 3,531

Диаметр миделя корпуса ЛА, (м)… 0,350

Длина носовой части ЛА, (м)… 0,570

Форма носовой части ЛА… Оживальная Угол стреловидности передней кромки крыла…72°

Угол стреловидности задней кромки крыла…15°

Угол стреловидности передней кромки руля…22°

Угол стреловидности задней кромки руля…15°

а)конструкторська частина роботи:

розробити конструкцію відсіка корпусу, зпроектувати з'єднання двох відсіків, розрахувати и зпроектувати основні елементи силового приводу.

Консультант професор Кириченко В.В.

б) технологічна частина роботи:

розробити технологічний процесс виготовлення деталі холодним штампуванням, зпроектувати штамп послідової дії.

Консультант ст. викладач Труш А.Є.

в) економічна частина роботи:

розрахувати собівартість виробу, прибуток, оптову і відпускну ціну.

Консультант доцент ГаркушаЮ. О.

г) розділ охорона праці :

провести аналіз шкідливих та небезпечних чинників на виробництві, вплив небезпек на людину, методи по зниженню рівня цих небезпек, розрахунок потрібного повітрообміну ливарного цеху по шкідливих речовин.

Консультант канд.техн.наук, доцент Кручина В. В.

2. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік запитань, які належать розробці):

— Конструкторська частина: проектування відсіку корпусу; розрахунок з'єднання двох відсіків корпусу; проектування пневматичного силового приводу; проектування механізму управління ЛА; конструювання та проектування з'єднань (важеля зі штоком, важеля з приводним валом).

— Спеціальна частина: приведення методики розрахунку навантажень, діючих на ЛА,інструкції з використання програми автоматизації визначення цих навантажень.

— Технологічна частина: конструктивно-технологічний аналіз деталі, одержуваної яка одержана листовим штампуванням; вибір раціонального розкрою листа стандартних розмірів і схеми штампування; проектувальний розрахунок елементів штампа і вибір пресового обладнання; розробка технологічного процесу листового штампування.

— Економічна частина: розрахунок собівартості виготовлення деталі.

— Охорона праці: опис виробничого цеху, визначення шкідливих факторів виробничого процесу, вплив небезпек на людину розрахунок потрібного повітрообміну ливарного цех по шкідливих речовин.

3 Перелік графічного матеріалу (з точною вказівкою обов’язкових креслень):

схема розташування агрегатів (1 аркуш формату А1); креслення загального виду рульового відсіку (1 аркуш формату А0); складальне креслення штампа вирубки-пробивки (1 аркуш формату А2); робочекресленняпуансона

(1 аркушформатуА4), робоче креслення матриці(1 аркушформатуА3), таблиця «Аналіз шкідливих та небезпечних виробничих працівника штамповочного цеху» (1 аркуш формату А2).

4 Дата видання завдання: ____________26 квітня 2012 року_____________

5 Дата представлення закінченої роботи: _____________________________

Керівник _______________________

(підпис) Завдання прийняв до виконання __26 квітня 2012 року___________________

(дата, підпис студента)

Аннотация Воронкевич Я. С. Рулевой. Отсек летательного аппарата класса «ВоздухВоздух». Выпускная работа на получение степени бакалавра по специальности «Ракетные и космические комплексы»

В записке содержится:

136 — страниц;

50 — рисунок;

12 — таблицы;

2- приложения.

В данной работе проводится проектирование и разработка рулевого отсека механизма управления ЛА класса «ВоздухВоздух»: расчет нагрузок на корпус ЛА, построение эпюр нагрузок, проектирование пневматического силового привода, а также спроектировано соединение отсеков корпуса.

Главной частью выпускной работы является конструкторская часть, которая содержит все расчёты по проектированию рулевого отсека, а также рассчитывается специальная, технологическая, экономическая и безопасность жизнедеятельности части.

В специальной части приведена методика расчетов нагрузок, действующих на ЛА. На основании этой методики разработана программа «НагрузкаМК», написанная в математическом пакете MathCAD 14.

В технологической части выполняется разработка технологического процесса изготовления детали «пластина», проектирование штампа последовательного действия.

В экономической части осуществляется расчёт себестоимости изделия, прибыли оптовая и отпускная цена.

В части охрана труда проводится анализ вредных и опасных производственных факторов, и их влияние на человека, методы по снижению уровня этих факторов, а также осуществляется расчёт требуемого воздухообмена литейного цеха по вредным веществам.

Ключевые слова: летательный аппарат, отсек корпуса, механизм управления, рулевая машинка, нагрузка ЛА, программа, штамп, пуансон, матрица, деталь, себестоимость изделия, прибыль, цена, охрана труда, воздухообмен.

План Введение

1. Конструкторская часть. Исходные данные

1.1 Расчет нагрузок

1.1.1 Нагрузки от крыла и оперения

1.1.2 Нагрузки, действующие на корпус

1.1.3 Построение эпюр N, Q, M, Nэкв

1.2 Проектировочный расчет бесстрингерного отсека

1.3 Проектировочный расчет фланцевого соединения отсеков корпуса

1.4 Силовые приводы аэродинамических органов управления

1.4.1 Требования к силовым приводам

1.4.2 Проектировочный расчет пневматического силового привода

1.4.2.1 Определение линейных размеров рулевой машинки

1.4.2.2 Определение размеров баллона со сжатым воздухом

1.5 Конструкция и проектирование приводного вала

1.5.1 Нагрузки, действующие на приводной вал

1.5.2 Проектировочный расчет приводного вала

1.5.3 Соединение рычага с приводным валом

1.5.4 Проектировочный расчет опорных узлов

1.6 Конструкция и проектирование рычага механизма управления

1.7 Конструкция и проектирование соединения штока с рычагом

1.7.1 Расчет уха (законцовки рычага)

1.7.2 Расчет вилки (наконечника тяги)

2. Спецчасть

2.1 Автоматизация определения нагрузок, действющих на ЛА

2.1.1 Нагрузки, действующие на крыло

2.1.2 Нагрузки, действующие на корпус ЛА

3. Технологическая часть

3.1 Конструктивно-технологический анализ детали, выбор заготовки и схемы штамповки детали

3.1.1 Изучение конструкции детали и анализ ее технологичности

3.1.2 Выбор рационального раскроя материала

3.1.3 Разработка схемы вырубки-пробивки и технологического процесса изготовления детали

3.1.4 Определение суммарного потребного усилия штамповки для изготовления детали

3.2 Проектирование штампа для листовой штамповки и выбор оборудования

3.2.1 Выбор схемы штампа с учетом разработанной схемы вырубки-пробивки

3.2.2 Расчет деталей штампа на прочность

3.2.2.1 Конструирование и расчет матрицы

3.2.2.2 Расчет пуансона для пробивки отверстия диаметром 5 мм

3.2.2.3 Расчет пуансона для пробивки пазового отверстия

3.2.2.4 Расчет пуансона для вырубки детали

3.2.3 Расчет исполнительных размеров рабочих деталей штампа и определение центра давления штампа

3.2.4 Описание конструкции штампа и подбор деталей

3.2.5 Выбор пресса для спроектированного штампа

4 Экономическая часть 4

4.1Расчет себестоимости изделия и цены единицы изделия

4.1.1 Определение технологической себестоимости

4.1.2 Определение цеховой себестоимости

4.1.3 Определение производственной себестоимости

4.1.4 Определение полной себестоимости

4.1.5 Определение прибыли

4.1.6 Виды цен и порядок их формировани

5 Охрана труда

5.1Выявление и анализ опасных и вредных производственных факторов, действующих в рабочей зоне проектируемого изделия

5.1.1 Краткое описание прототипа объекта проектирования и его упрощенная функциональная схема

5.1.2 Выявление опасных и вредных производственных факторов, действующих в рабочей зоне проектируемого изделия

5.1.3 Характеристика источников опасных и вредных производственных факторов

5.1.4 Анализ возможных последствий воздействия негативных факторов на работающих

5.2Разработка мероприятий по предотвращению или ослаблению возможного воздействия опасных и вредных производственных факторов на рабочих

5.2.1 Обоснование возможностей устранения из состава проектируемого объекта опасных и вредных производственных факторов

5.2.2 Анализ возможных методов и устройств ослабления воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов

5.2.3 Определение требуемого воздухообмена в помещении по вредным веществам

5.3Обеспечение экологической безопасности функционирования проектируемого объекта при воздействии опасных и вредных производственных факторов Заключение Приложение, А — Определение диаметра приводного вала в среде Excel

Приложение Б — Инструкция по использованию программы «Нагрузки МК»

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

В выпускной работе бакалавра спроектирован рулевой отсек ЛА класса «ВоздухВоздух».

Движение ЛА по заданной траектории осуществляется в том случае, когда действующие на него силы и моменты изменяются по определенным законам. Управление — процесс изменения этих сил и моментов для формирования требуемой траектории. Для управления движением ЛА в плотных слоях атмосферы широко применяются аэродинамические органы управления. Для преодоления шарнирного момента, возникающего при отклонении органа управления, необходим источник энергии — силовой привод. В данной работе произведен расчет пневматического силового привода, который имеет такие основные преимущества: простота устройства и функционирования; высокая надежность работы.

Данная работа включает в себя следующие части: конструкторская, спецчасть, технологическая, экономическая и охрана труда.

В конструкторской части работы разрабатывается конструкция отсека корпуса, проектируется соединение двух отсеков, рассчитываются основные элементы силового привода.

В спецчасти приведена методика расчета нагрузок, действующих на ЛА и инструкция для пользователя программы «НАГРУЗКА МК», разработанная по данной методике.

В технологической части разработан технологический процесс изготовления пластины, а также спроектирован штамп последовательного действия, оформлен комплект документов данного технологического процесса.

В экономической части рассчитана себестоимость пластины, ее оптовая и отпускная цены.

Заключительной частью данной работы является охрана труда, в которой произведен анализ вредных факторов производственного процесса при работе в литейном цеху.

1. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ Исходные данные на проектирование агрегата Летательный аппарат, агрегаты которого спроектированы в данной работе, является ракета класса «воздух-воздух». Аэродинамическая схема — поворотное крыло. Расположение консолей Х-Х. Геометрические и массовые характеристики представлены в таблице 1.1. Компоновочная схема ЛА изображена на рисунке 1.1.

Таблица 1.1 — Характеристики летательного аппарата

Рисунок 1.1 — Компоновочная схема ЛА

1 ?головка самонаведения + блок аппаратуры; 2 -боевая часть + детонатор; 3 — -предохранительный исполнительный механизм; 4 — взрыватель; 5 — автопилот; 6 — преобразователь тока; 7 — источник энергии; 8 — ВАД с редуктором;

9 — механизм рулевых машинок; 10 — механизм управления рулями; 11 — РДТТ;

12 — механизм управления элеронами; 13 — корпус; 14 — консоли крыльев;

13 — консоли оперения

1.1 Расчет загрузок

1.2

Нагрузки, действующие на корпус ЛА в полете:

нагрузки от крыла и оперения (подъемные силы, сопротивления, масса крыла и оперения). Это поверхностные сосредоточенные силы, приложенные в узлах крепления консолей крыла и оперения к корпусу;

сила тяги двигателя (поверхностная сила, приложенная в узлах крепления двигателя);

аэродинамические силы, создаваемые корпусом в полете (поверхностная распределенная нагрузка);

инерционные силы (массовая распределенная нагрузка).

Массовые силы уравновешивают приложенные к корпусу поверхностные силы.

Расчет нагрузок, действующих на корпус данного ЛА приведен в спецчасти.

Ниже приведены только таблицы значений и эпюры нагрузок.

1.1.1 Нагрузки от крыла и оперения В полёте на крыло ЛА действуют следующие виды силового воздействия:

Аэродинамические силы;

Распределённые массовые силы конструкции крыла.

Таблица1.2? Значения поперечной силы и моментов (изгибающего и крутящего) в характерных точках (z) консоли первых несущих поверхностей

Рисунок1.2- Эпюры, и

Таблица 1.3? Значения поперечной силы и моментов (изгибающего и крутящего) в характерных точках консоли вторых несущих поверхностей

Рисунок1.3- Эпюры, и

Нагрузки, действующие на корпус Таблица 1.4 ?Значения массовой нагрузки от линейного поперечного ускорения в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.4 — Эпюра

Таблица 1.5? Значения массовой нагрузки от линейного продольного ускорения в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.5? Эпюра

Таблица 1.6 — Значения массовой нагрузки от углового ускорения в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.6? Эпюра

Таблица 1.7-Значения суммарной массовой нагрузки в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.7? Эпюра

1.1.3 Построение эпюр N, M, Q, Nэкв Таблица 1.8? Значения продольной силы N в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.8? Эпюра N

Таблица 1.9? Значения поперечной силы Q в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.9? Эпюра Q

Таблица 1.10? Значения изгибающего момента M вдоль всего корпуса ЛА

Рисунок 1.10? Эпюра M

Таблица 1.11? Значения эквивалентной сжимающая нагрузки в характерных точках корпуса ЛА

Рисунок 1.11? Эпюра

1.2 Проектировочный расчет бесстрингерного отсека Это конструктивно-силовая схема предусматривает наличие двух элементов: обшивки и шпангоутов (причем во многих случаях лишь стыковых).

Обшивку изготавливаем штамповкой.

Из полученных эпюр:

Определим температуру нагрева обшивки:

(1.1)

— температура воздуха на высоте 10 000 м.

Практика проектирования показывает, что для алюминиевых сплавов при температуре влияние нагрева можно не учитывать.

Обшивку отсека изготавливаем штамповкой листового материала в целях уменьшения веса конструкции.

Выбираем материал обшивки отсека корпуса —алюминиевый сплав Д16Т (термообработка+закалка и естественное старение) с механическими характеристиками:

Усилия сдвига незначительны, поэтому расчёт ведётся по эквивалентной сжимающей нагрузке.

При изгибе устойчивость на 25% выше, чем при осевом сжатии. Это учитывается введением поправочного коэффициента:

Определим расчётную эквивалентную нагрузку:

f — коэффициент безопасности.

Найдём толщину обшивки из условия равенства расчётных и эксплуатационныхнапряжений, но при этом расчетные напряжения не должны превышать критические напряжения местной потери устойчивости, а эксплуатационные напряжения не должны превышать предела текучести:

— радиус корпуса.

Принимаем

Определим коэффициент опирания:

Определим критические напряжения местной потери устойчивости:

Так как, то

Необходимо выполнить проверочный расчёт. Проверим 2 условия:

Условие выполняется.

Условие выполняется.

Определим погонную массу бесстрингерного отсека по следующей формуле:

1.3 Проектировочный расчет фланцевого соединения отсеков корпуса Рисунок 1.12? Расчётная схема фланцевого соединения Выбираем для проектирования фланцевое соединение с утопленными шпильками. В этом соединении изгибающий момент передается за счет растяжения шпилек, а поперечная сила и крутящий момент за счет среза чистовых шпилек. При проектировании фланцевого соединения учитывается только изгибающий момент, остальные нагрузки учитываются при проверочном расчете.

Принимаем модель нежесткого шпангоута. При этом раскрытие стыка может произойти относительно нейтральной оси.

Расположение этой оси представлено на рисунке 1.12.Чтобы предотвратить раскрытие стыка шпильки ставят с предварительной затяжкой.

Определим расчетные значения продольной силы и изгибающего момента, действующих в сечении стыка:

f=1.3 -коэффициент безопасности.

Характеристики материала (30ХГСА) крепежного элемента:

коэффициент запаса по плотности стыка;

коэффициент, учитывающий податливость.

Из конструктивных соображений принимаем размеры фланца и количество крепёжных элементов:

внутренний диаметр шпангоута:

;

площадь сечения шпангоута:

;

радиус окружности, на которой расположены болты:

положение оси раскрытия стыка:

— количество крепёжных элементов (шпилек).

Найдём момент инерции сечения стыка:

Минимальные напряжения в стыке от внешней нагрузки:

Площадь поперечного сечения крепёжного элемента считаем по формуле:

Потребный диаметр крепёжного элемента:

Принимаем

Таким образом, площадь поперечного сечения крепёжного элемента равна:

Определим необходимое напряжение предварительной затяжки крепёжного элемента:

Определим напряжение в стыке от затяжки шпилек (контактное напряжение между стыковыми шпангоутами):

Проверим выполнение условия плотности стыка:

Условие плотности стыка выполняется.

Тип фланцевого соединения представлен на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 — Вариант исполнения фланцевого соединения с утопленными шпильками

1.3 Силовые приводы аэродинамических органов управления

1.4

1.4.1 Требования к силовым приводам Чтобы отклонить аэродинамические органы управления на заданный угол системой управления, необходимо преодолеть шарнирные моменты, возникающие на них. Эти функции возложены на силовые приводы органов управления, которые являются собственно исполнительными элементами системы управления полетом. Основной частью силового привода являются приводной двигатель, работающий в соответствии с поступающими сигналами управления. Причем эти сигналы должны быть предварительно усилены и преобразованы. Чаше всего усилитель — преобразователь и приводной двигатель конструктивно выполнены в виде одного агрегата, называемого рулевой машинкой (РМ).

РМ должны удовлетворять целому ряду требований:

высокий коэффициент усиления управляющего сигнала по мощности;

малую инерционность;

высокий КПД;

небольшую массу и малые габариты;

высокую надежность работы в заданном диапазоне внешних условий.

В зависимости от типа приводного двигателя различают РМ: пневматические, гидравлические, электромагнитные, электромеханические.

В рамках данного проекта будет выполнено проектирование пневматической РМ, как наиболее подходящей для заданного типа ЛА, обладающего небольшой массой, малым временем полета и умеренной скоростью.

Рисунок 1.14? Кинематическая схема механизма отклонения консолей

1.4.2 Проектировочный расчет пневматического силового привода В состав пневматического силового привода входят:

пневматические РМ;

баллон со сжатым воздухом (ВАД);

золотниковое устройство;

понижающие редукторы;

трубопроводы.

В результате проектировочного расчета могут быть получены линейные размеры РМ и ВАД, а также массовые характеристики привода.

1.4.2.1 Определение линейных размеров рулевой машинки Рисунок 1.15 — Положение оси вращения поворотного крыла Моменты сил, действующих на органы управления относительно оси вращения, называются шарнирными моментами и определяются уравнением:

? расстояние от оси вращения крыла до центра давления (рисунок 1.14);

— подъемная сила консоли крыла.

Определим плече шарнирного момента:

— средняя аэродинамическая хорда крыла.

Определим величину шарнирного момента:

Для изготовления корпуса рулевой машинки используется алюминиевый сплав Д16ТГОСТ4784−97, с физико-механическими характеристиками:

Рисунок 1.16 -Конструктивная схема рулевой машинки:

1 — крышка; 2 — корпус; 3 — поршень; 4 — шток; 5 — шкала потенциометра; 6 — скользящий контакт Для изготовления штока используется Сталь 45 ГОСТ 1050–88, обладающие следующими физико-механические характеристики:

Для определения размеров рулевой машинки необходимо знать величину усилия, развиваемого приводом.

Максимальное давление в рабочей полости силового цилиндра рулевой машинки, тогда максимальный перепад давлений в рабочих полостяхрулевой машинки:

Ход поршня рулевой машинки составляет удвоенное произведение длинны рычага на синус наибольшего угла отклонения управляющей поверхности (рисунок 4.4):

— конструктивно принятая длина рычага;

— величина максимального угла отклонения руля.

.

Максимальную скорость перемещения поршня определяем из кинематической схемы (рисунок 1.17):

— величина угловой скорости отклонения руля.

.

Рисунок 1.17-Кинематическая схема механизма управления Определим максимальный нагрузочный момент:

— величина шарнирного момента руля.

— количество поверхностей, которыми управляет рулевая машинка.

Определим величину усилия, развиваемого приводом:

— количество рулевых машинок;

— количество поверхностей, которыми управляет рулевая машинка.

Определим эффективную площадь поршня:

Определим длину цилиндра:

Определим длину штока:

Диаметр штока рассчитывается из условия потери устойчивости (рисунок 1.18).

Рисунок 1.18? Расчетная схема для определения диаметра штока Принимаем .

Определим диаметр силового цилиндра:

Принимаем

Диаметр корпуса датчика обратной связи:

Толщина стенки силового цилиндра определяется из условий прочности, а ее значение рассчитывают по формуле:

— коэффициент безопасности силового цилиндра.

Принимаем

Наружный диаметр силового цилиндра:

Общая длина рулевой машинки:

1.4.2.2 Определение размеров баллона со сжатым воздухом Сжатый воздух, используемый в качестве рабочего тела в рулевых машинках, на борту ЛА хранится в специальных баллонах воздушных аккумуляторах давления (ВАД) под большим давлением .

В качестве материала ВАДа принимаем титановый сплав ВТ14

ГОСТ 19 807–91, обладающий следующими физико-механическими свойствами:

.

Геометрические размеры баллона зависят от выбранной формы (сферическая, цилиндрическая или торовая) и потребного объема. В свою очередь, потребный для хранения воздуха объем будет зависеть от расхода газа рулевыми машинками.

Максимальный объемный расход воздуха одной рулевой машиной может быть найден по формуле:

? эффективная площадь;

? максимальная площадь перемещения поршня в силовом цилиндре рулевой машинки.

Так как ВАД один для рулей и элеронов, то необходимо рассчитать и для рулевоймашинки, которая управляет элеронами.

Рисунок 1.19? Создание управляющей силы и момента отклонением аэродинамического руля, расположенного на неподвижной несущей поверхности Для определения и необходимо найти величину шарнирного момента для элеронов аналогично, как и для рулей:

— средняя аэродинамическая хорда элерона;

Определим подъемную силу элерона из следующего соотношения:

— подъемная сила консоли стабилизаторов;

— площадь консоли стабилизаторов;

— площадь элерона.

Определим, усилие на штоке рулевой машинки, для этого аналогично, как и для рулей необходимо приравнять потребную и располагаемую мощности.

Потребная мощность — мощность необходимая для преодоления шарнирного момента, чтобы отклонить элероны:

где (1.46)

— максимальный нагрузочный момент, т. к. помимо шарнирного момента необходимо преодолеть момент связанный с трение и момент связанный с инерционностью механической системы управления;

— количество поверхностей, которыми управляет рулевая машинка ();

— скорость вращения элерона (.

Располагаемая мощность — это мощность, которую может создавать рулевая машинка:

где (1.47)

— усилие на штоке рулевой машинки;

— количество рулевых машинок, управляемых элеронами ();

— максимальная скорость перемещения поршня определяется из кинематической схемы:

Приравнявполучим:

Определим эффективную площадь поршня из условия:

где — максимальный перепад давлений в рабочих полостях рулевой машинки.

Рассчитаем объемный расход воздуха для рулевой машинки управляемой элеронами:

Объемный расход воздуха для рулевой машинки управляемой рулями:

Суммарный расход воздуха для 3-х рулевых машинок:

Найдем объем баллона для хранения сжатого воздуха:

— коэффициент остаточного воздуха в ВАДе необходимого для устойчивой работы редуктора и рулевых машинок;

— время работы рулевых машинок;

— максимальное давление в рабочей полости силового цилиндра;

— давление в баллоне;

— показатель политропы для воздуха, тогда:

Масса воздуха находящегося в ВАДе найдем из уравнения Менделеева — Клапейрона:

— универсальная газовая постоянная;

— температура воздуха в баллоне, тогда:

С точки зрения минимума массы наиболее рациональны сферические ВАДы:

Принимаем .

Определим объем ВАДа с заданным радиусом:

Определим толщину стенки ВАДа:

— коэффициент безопасности;

— коэффициент, учитывающий уменьшение толщины стенки баллона при штамповке;

— коэффициент, учитывающий уменьшение прочности за счет сварного шва.

Принимаем

Рассчитаем массу ВАДа:

— плотность материала ВАДа;

— статистический коэффициент, учитывающий увеличение массы за счет утолщения под установку арматуры и оборудования, узлов крепления;

Масса снаряженного баллона:

1.5 Конструкция и проектирование приводного вала Приводной вал является опорой для органов управления и последним звеном в кинематической цепи передачи усилия от рулевой машинки. В данном ЛА использована схема, изображенная на рисунке 1.20. В данной схеме вал жестко связывает между собою консоли управляющих поверхностей и проходит через весь корпус ЛА.

Рисунок 1.20 — Схема расположения приводного вала Нагрузкой на приводной вал служат изгибающие, крутящие моменты и перерезывающая силаQ, передаваемые на него с органов управления. Расчетная схема приводного вала — двухопорная балка, нагруженная сосредоточенными силами, крутящим и изгибающим моментами, показана нарисунке 1.21.

Рисунок 1.21 — Схема нагружения приводного вала

1.5.1 Нагрузки, действующие на приводной вал Исходные данные:

— изгибающий момент;

— крутящий момент;

— перерезывающая сила;

— продольная сила, действующая вдоль штока;

— расстояние от точки приложения силы до ближайшей опоры;

— расстояние между опорами;

— расстояние от точки, А до плоскости действия силы ;

— расстояние от точки В до плоскости действия силы .

— расстояние от оси вала до линии действия силы .

Определим реакции в опорахА и В:

Построение эпюры перерезывающих сил:

Участок I-I:

Участок II-II:

Участок III-III:

Участок IV-IV:

Построение эпюр изгибающих моментов, :

Участок I-I:

Участок II-II:

Участок III-III:

Участок IV-IV:

Построение эпюр изгибающих моментов, :

Участок I-I:

Участок II-II:

Участок III-III:

Участок IV-IV:

Построение эпюр изгибающих моментов, :

Участок I-I:

Участок II-II:

Участок III-III:

Участок IV-IV:

Эпюры приведены на рисунке 1.22.

Рисунок 1.22? Эпюры внутренних силовых факторов в приводном валу

1.5.2 Проектировочный расчет приводного вала Рисунок 1.23 — Конструктивная схема пустотелого приводного вала В качестве материала конструкции вала выбираем Сталь 30ХГСА, обладающая следующими физико-механическими свойствами:

? модуль упругости;

? предел прочности.

Оптимальные размеры вала можно найти, используя следующую математическую модель:

Целевая функция:

— площадь сечения вала,

где

Ограничения:

где

— эквивалентное напряжение по IVтеории прочности;

— нормальные напряжения вала от изгибающего момента

— касательные напряжения от крутящего момента ;

— минимальный конструктивно-принятый внешний диаметр вала.

Решение приведенной математической модели выполнялось в среде Excel с помощью надстройки «поиск решения» (см. Приложение А). Полученные результаты оптимизации:

;;; ,

, .

1.5.3 Соединения рычага с приводным валом С целью обеспечения удобства сборки опорного узла органа управления соединение рычага с приводным валом выполняется разъемным. Для фиксации втулки на валу применяется болтовое соединение. Для передачи крутящего момента с рычага на приводной вал механизма управления применяют коническое болтовое соединение. Посадку вала в отверстие втулки чаще всего применяют с гарантированным зазором. Для исключения люфтов в соединении устанавливаются конические болты, при затяжке которого удается выбрать зазоры и обеспечить неподвижное сочленение вала и втулки. Для увеличения надежности сочленения применяем два болта, и устанавливаем их во взаимно перпендикулярных плоскостях с некоторым смещением вдоль оси вала.

Рисунок 1.24 — Болтовое соединение рычага с полым приводным валом В качестве материала конического болта выбираем Сталь 30ХГСА, обладающий следующими физико-механическими свойствами:

Їплотность;

Ї модуль упругости;

Ї предел текучести;

Ї предел прочности;

Ї предел прочности на сдвиг.

Размеры конического болта выбирают из условия работы его на срез:

— диаметр конического болта;

— число болтов;

— количество плоскостей среза;

— крутящий момент;

— диаметр вала.

Принимаем .

Для соединения рычага с приводным валомвыбираем болт конический3033А-4−34[5, с. 73], шайбу радиусную 1272С50−4-28 [5, с. 74], гайку М4−6H.026 ОСТ92−4705−86.

1.5.4 Проектировочный расчет опорных узлов валов Органы управления соединяют неподвижно с приводными валами. Последние представляют собой двухопорные балки. В качестве опор выступают подшипники качения или скольжения. Если приводной вал проходит через весь корпус и соединяет жестко между собой обе консоли поверхности управления, то в опорном узле достаточно установить только один подшипник.

Подшипники, работающие в условиях неполного вращения, рассчитываются на статическую грузоподъемность по условию:

— эквивалентная статическая радиальная нагрузка;

— статическая грузоподъемность радиального и радиально-упорного подшипников.

Величина определяется по формуле:

— постоянная по величине и направлению радиальная нагрузка

— постоянная по величине и направлению осевая нагрузка .

— некоторые безразмерные коэффициенты равные для шариковыхрадиально-упорных подшипников: ;.

Полученную величину сравниваем с величиной статической грузоподъемности радиального подшипника, легкой серии с номером 1 000 905, имеющего следующие параметры; .

Эквивалентная статическая радиальная нагрузка не превышает статическую грузоподъемность радиального подшипника. Условие выполняется.

1.6 Конструкция и проектирование рычага механизма управления Рычаг (рисунок1.25), устанавливают непосредственно на органах управления, имеет только одно плечо. В нейтральном положении угол между штоком и рычагом прямой. При отклонении органов управления угол изменяется. Это вызывает появление продольной составляющей нагрузки в рычаге. Поэтому рычаги работают также на изгиб и растяжение-сжатие, но поскольку углы отклонения малы, то расчетным случаем нагружения является изгиб.

Так как рычаг работает на изгиб, оптимальным будет сечение в форме двутавра, но исходя из конструктивных и технологических соображений форму поперечного сечения рычага принимаем прямоугольной.

Рисунок 1.25? Рычаг В качестве материала конструкциирычага выбираем алюминиевый сплав В95оч ГОСТ 4784–97, обладающий следующими физико-механическими характеристиками:

Определим изгибающий момент, действующий в опасном сечении А-А рычага по формуле:

— усилие на штоке рулевой машинки;

— плечо.

Условие прочности:

— осевой момент сопротивления прямоугольного сечения рычага;

— конструктивно принятая толщина рычага;

— коэффициент безопасности.

Из условия прочности (1.66) определяем размер в сечении А-А:

Так как нагрузки малы, то зададимся размером h и проведем проверочный расчет:

Принимаем

Условие 1.66 выполняется.

1.7 Конструкция и проектирование соединения штока с рычагом В соединении подшипник Гука запрессовывается в проушину рычага, обеспечивая посадку без зазора. В результате соединение подшипника с проушиной становится неподвижным, а взаимное перемещение элементов узла обеспечивается внутренним кольцом.

Рисунок 1.26? Соединение штока срычагом:

1 — наконечник тяги (вилка);2 — шайба;3 — соединительный валик;4 — подшипник;5 — рычаг (проушина);6 — шплинт.

1.7.1 Расчет уха (законцовки рычага) В качестве материала конструкции валика (рисунок 1.26) возьмем Сталь 40, обладающий следующими физико-механическими свойствами:

1)определим диаметр соединительного валика,. Валик работает на срез:

— усилие штока;

? коэффициент безопасности;

?количество плоскостей среза.

.70

Принимаем .

2) по статической грузоподъемности выбираем шарнирный антифрикционный подшипник (рисунок 1.27), при этом обращаем внимание, чтобы внутренний диаметр подшипника равнялся диаметру соединительного валика:

Рисунок 1.27? Антифрикционный шарнирный подшипник

3)расчет проушины на разрыв. Расчетная схемапредставлена на рисунке 1.28:

— усилие штока;

— величина перемычки;

— толщина проушины;

— ограничение на ширину уха;

— коэффициент концентрации напряжений;

Принимаем для алюминиевых сплавов.

Рисунок 1.28- Проушинарычага, работающая на разрыв

4) расчет проушины на смятие:

— усилие штока;

— наружный диаметр шарнирного подшипника;

— толщина подшипника.

Условие выполняется.

5) расчет проушины на срез. Расчетная схема представлена на 1.29

— усилие штока;

— перемычка проушины рычага при срезе;

— толщина проушины.

Из конструктивных соображений принимаем .

Рисунок 1.29- Проушина рычага, работающая на срез

1.7.2 Расчет вилки (наконечника штока) Для изготовления наконечника штока используется сталь 45 ГОСТ 1050–88, механические характеристики:

1) потребная толщина проушины вилки () из условия смятия материала под болтом (рисунок 1.30):

Рисунок 1.30? Наконечник штока

— коэффициент безопасности;

— усилие штока;

— диаметр отверстия проушины;

Из конструктивных соображений принимаем

2) найдем величину перемычки (е) проушины штока из условия разрыва (рисунок 1.31):

Рисунок 1.31? Проушина штока, работающая на разрыв Из конструктивных соображений принимаем

3) найдем величину перемычки проушины штока из условия среза (рисунок 1.32):

Рисунок 1.32? Проушина штока, работающая на срез Из конструктивных соображений принимаем

2. СПЕЦЧАСТЬ

2.1 Автоматизация определения нагрузок, действующих на ЛА В полете на летательный аппарат действуют распределенные аэродинамические нагрузки, вызванные давлением (или разрежением) и трением между поверхностью летательного аппарата и воздушным потоком. Кроме того, летательный аппарат испытывает весовые и инерционные нагрузки и тягу двигателя.

В данном разделе приведена методика расчетов нагрузок, действующих на ЛА.

Методика расчетов основана на предположении, что аэродинамические нагрузки, создаваемые аэродинамическими поверхностями, пропорциональны производным по углу атаки от коэффициентов подъёмной силы этих поверхностей.

На основании этой методики разработана программа «НагрузкаМК», написанная в математическом пакете MathCAD 14.

2.1.1 Нагрузки, действующие на крыло В полете на крыло ЛА действуют в общей сложности следующие

виды силового воздействия:

— аэродинамические силы;

— распределенные массовые силы конструкции крыла;

— сосредоточенные силы от масс грузов, находящихся в крыле или

на крыле;

— инерционные нагрузки, связанные с колебательным режимом полета. При определении аэродинамических нагрузок на крыло необходимо учитывать следующее:

— при проектировании крыла силой лобового сопротивления

можно пренебречь (по сравнению с подъемной силой), так как

;

— момент сопротивления крыла относительно продольной оси хорды

значительно ниже, чем соответствующий момент относительно

оси, перпендикулярной к хорде;

— подъемная сила крыла ЛА образуется из подъемных сил, создаваемых как консолями крыла, так и подкорпусной частью.

Подъемная сила консолей i-ых несущих поверхностей может быть рассчитана при известной величине подъемной силы i-ых несущих поверхностей по формуле 2.1

где (2.1)

— коэффициент, учитывающий долю консоли в создании подъемной силы крыла:

— диаметр фюзеляжа;

— размах двух консолей i-ых несущих поверхностей с подкорпусной частью.

— подъемная сила i-ых несущих поверхностей.

— подъёмная сила летательного аппарата:

— масса летательного аппарата;

— ускорение свободного падения;

— располагаемая поперечная перегрузка;

— суммарная производная по углу атаки коэффициента подъемной силы всего ЛА;

— производная по углу атаки коэффициента подъемной силы изолированных консолей i-ых несущих поверхностей;

— производная по углу атаки коэффициента подъемной силы, возникающей из-за влияния корпуса на подъёмную силу консолей i-ых несущих поверхностей.

Величина подъемной силы одной консоли зависит от пространственного расположения консолей относительно корпуса ЛAиможет быть определена из следующих соотношений:

— для «+» — образной схемы (рис. 2.1,а)

— для «х» — образной схемы (рис. 2.1,б)

— поправка на неравномерность нагрузки между верхними и нижними крыльями.

— угол атаки ЛА в радианах;

Рисунок 2.1 — Пространственное расположение крыльев: а — «+" — образное; б — «x" — образное.

При проектировании консолей крыла с учетом требований прочности и жесткости недостаточно знать только величину подъемной силы консоли. Крайне необходимо знать и закон распределения подъемной силы по поверхности консоли, что в конечном итоге позволит рассчитать в любом сечении консоли перерезывающую силу, изгибающий и крутящий моменты, необходимые для проведения расчетов на прочность.

При проведении проектировочных расчетов обычно пользуются

приближенными законами распределения подъемной силы консоли

крыла вдоль ее размаха, которые описываются аналитически и дают

погрешность в определении изгибающих моментов, не превышающую

5%. При этом используют следующие формулы:

— для прямоугольных, трапециевидных и стреловидных крыльев

средних удлинений (2 << 6):

— погонная аэродинамическая нагрузка, действующая на консоли i-ых несущих поверхностей;

— площадь консоли i-ых несущих поверхностей;

— текущая хорда консоли i-ых несущих поверхностей в системе координат (см. рис. 2.2):

— уравнение линии контура передней кромки консоли i-ых несущих поверхностей в системе координат (см. рис. 2.2);

— уравнение линии контура задней кромки консоли крыла в системе координат (см. рис. 2.2).

Рисунок 2.2? Консоль i-ых несущих поверхностей в расчетной системе координат Для треугольных крыльев:

— длина одной консоли i-ых несущих поверхностей.

Массовые нагрузки на крыло зависят не только от массы конструкции крыла, но и от массы агрегатов, расположенных в нем. Погонная массовая нагрузка определяется формулой

— величина погонной массы;

— располагаемая поперечная перегрузка.

Зависимости, приведенные выше, можно применять для расчета в любом сечении вдоль размаха консоли крыла или оперения значений перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов. При этом используются формулы (координату отсчитывают от концевой хорды):

— перерезывающая сила в расчетном сечении консоли i-ых несущих поверхностей;

— изгибающий момент в расчетном сечении;

— крутящий момент в расчетном сечении.

2.1.2 Нагрузки, действующие на корпус ЛА

При рассмотрении нагрузок на корпус надо иметь в виду две группы случаев нагружения: полетные расчетные случаи и случаи наземной эксплуатации и транспортировки.

В полетных случаях на корпус действуют:

нагрузки от крыла (подъемная сила, сопротивление, масса крыла). Это поверхностные сосредоточенные силы, приложенные в узлах крепления консолей крыла к корпусу;

нагрузки от рулей (в данном случае от стабилизаторов);

сила тяги двигателя (поверхностная сила, приложенная в узлах крепления двигателя);

аэродинамические силы, создаваемые корпусом в полете (поверхностная распределенная нагрузка);

инерционные силы (массовая распределенная нагрузка).

Последние (массовые силы) уравновешивают приложенные к корпусу ЛА поверхностные силы.

Нагрузки от крыла определяются заданным режимом полета. Характер и распределение их по корпусу зависят от конструкции соединения крыла с корпусом, а величины определяются при расчете на прочность консолей крыла. Эти нагрузки приводят к равнодействующим силам и моменту. Так как положение узлов крепления консолей неизвестно, то реакции консолей прикладываются к середине их бортовой хорды.

Нагрузки от оперения определяются и прикладываются аналогично нагрузкам от консолей крыла.

Сила тяги прикладывается на переднем днище двигателя ЛА.

Аэродинамическую нагрузку определяют по данным, полученным с помощью программы расчета аэродинамических коэффициентов «Aerodinamika» (см. рис. 2.3).

Рисунок 2.4 — Ввод геометрических параметров исходного варианта ЛА в программу"Aerodinamika"

отсек летательный аэродинамический нагрузка Рисунок 2.5 — Задание диапазона расчетных точек в программу"Aerodinamika"

Из данной программы после ввода в нее летно-геометрических параметров (см. рис. 2.4 и 2.5) исходного варианта ЛА мы получаем необходимые нам для дальнейшего проектировочного расчета аэродинамические коэффициенты и координаты приложения подъемных сил:

(SF*CYALF) — производная по б коэффициента подъемной силы изолированного корпуса;

(KALF (K1)*KT1*S1*CYALK1) — производная по б коэффициента подъемной силы, возникающей на корпусе из-за влияния консолей первых несущих поверхностей;

((1-E/AR)*KALF (K2)*KT2*S2*CYALK2) — производная по б коэффициента подъемной силы, возникающей из-за влияния консолей вторых несущих поверхностей на подъёмную силу корпуса;

(K1*S1*CYALK1) — производная по б коэффициента подъемной силы изолированных консолей первых несущих поверхностей;

(KALK1(F)*KT1*S1*CYALK1) — производная по б коэффициента подъемной силы, возникающей из-за влияния корпуса на подъёмную силу консолей первых несущих поверхностей ;

((1-E/AR)*KT2*S2*CYALK2) — производная по б коэффициента подъемной силы изолированных консолей вторых несущих поверхностей;

((1-E/AR)*KALK2(F)*KT2*S2*CYALK2) — производная по б коэффициента подъемной силы, возникающей из-за влияния корпуса на подъёмную силу консолей вторых несущих поверхностей;

(CYA/AR) — суммарная производная по б коэффициента подъемной силы всего ЛА;

(XFF) — координата приложения подъемной силы изолированного корпуса;

(XFF (K1)) — координата приложения подъемной силы, возникающей на корпусе из-за влияния консолей первых несущих поверхностей;

(XFF (K2)) — координата приложения подъемной силы, возникающей на корпусе из-за влияния консолей вторых несущих поверхностей.

Составляющие подъемной силы корпуса соответственно подъемная сила изолированного корпуса; подъемная сила, возникающая на корпусе из-за влияния консолей первых несущих поверхностей; подъемная сила консолей первых несущих поверхностей; подъемная сила, возникающая на корпусе из-за влияния консолей вторых несущих поверхностей; подъемная сила консолей вторых несущих поверхностей можно определить как

Приближенно можно определить подъемную силу корпуса ЛА, зная ее вклад в создание подъемной силы ЛА, с использованием уравнения:

Схема приложения поверхностных сил к корпусу ЛА показана на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 — Схема приложения поверхностных нагрузок к корпусу ЛА Поверхностные силы, приложенные к корпусу ЛА, должны уравновешиваться массовыми нагрузками.

Массовые нагрузки можно представить в виде распределенных и сосредоточенных усилий.

Приближенно будем считать, что плотность компоновки корпуса постоянна, т. е. массовые нагрузки распределены по длине корпуса пропорционально площади его поперечного сечения.

Массовую нагрузку от линейного поперечного ускорения определяем

— плотность компоновки ЛА;(2.24)

— масса корпуса ЛА (с оборудованием, полезным грузом и т. д.);

— объем корпуса;

— величина поперечной перегрузки;

— площадь поперечного сечения корпуса.

Массовая нагрузка от углового ускорения

— угловое ускорение ЛА;

— момент поверхностных сил, действующих на корпус, относительно центра масс:

— координата приложения подъемной силы консолей первых несущих поверхностей;(2.27)

— координата приложения подъемной силы консолей вторых несущих поверхностей;(2.28)

— расстояние от носка фюзеляжа до бортовой нервюры консоли первых несущих поверхностей;

— расстояние от носка фюзеляжа до бортовой нервюры консоли вторых несущих поверхностей;

— длина бортовой нервюры консоли первых несущих поверхностей;

— длина бортовой нервюры консоли вторых несущих поверхностей;

— массовый момент инерции ЛА:

.(2.29)

— центр тяжести ЛА:

— координата от центра масс ЛА.

Суммарную массовую нагрузку определяем как сумму массовых нагрузок от линейного поперечного ускорения и от углового ускорения:

Массовая нагрузка от линейного продольного ускорения определяется формулой

— величина продольной перегрузки;(2.33)

— тяга двигателя.

Характер эпюр массовых нагрузок, приложенных к корпусу ЛА, показан на рисунке2.7.

Рисунок 2.7 — Схема приложения уравновешивающих массовых нагрузок к корпусу ЛА После определения всех нагрузок и уравновешивания корпуса строят эпюры поперечных сил, изгибающих моментов, продольных сил и сжимающих сил .

Уравнения, выражающие зависимость продольной силы от координаты по участкам:

Система уравнений для построения эпюр осевой силы по участкам имеет вид:

Уравнения, выражающие зависимость поперечной силы от координаты по участкам:

Система уравнений для построения эпюр поперечной силы по участкам имеет вид:

Для построения эпюры изгибающего момента необходимо проинтегрировать по координате :

Система уравнений для построения эпюр изгибающего момента по участкам имеет вид:

(2.39)

Определение эквивалентной сжимающей нагрузки. Уравнение, выражающие зависимость от координаты имеет вид:

Рассмотренный алгоритм реализован в программе «Нагрузка МК». Программа разработана в математическом пакете Mathcad 14. Инструкция пользователю приведена в Приложении Б.

Программа «Нагрузка МК» внедрена в учебный процесс.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Конструктивно-технологический анализ детали

3.1.1 Изучение конструкции детали и анализ ее технологичности Рисунок 3.1-Деталь Габаритные размеры детали:

— длина-144мм;

— ширина-36мм;

— толщина-1,5 мм.

Деталь плоская не симметрична относительно обеих осей. Имеет 2 круглых отверстия и одно пазовое: одно на вертикальной оси (d=5мм) и удалено на 4,5 мм и 26 мм от левой боковой и нижней стороны детали соответственно; второе отверстие горизонтальной оси (d=5мм) на расстоянии 20 мм от правой боковой стороны детали;

пазовое отверстие горизонтальной оси на расстоянии 52,5 мм от правой боковой стороны детали Наружный контур представляет собой Г-образный контур из двух прямоугольников. Первый имеет размеры 36×9. Второй имеет размеры 9×135. В месте соединения этих прямоугольников имеется одно скругление радиусом 5 мм.

Деталь имеет толщину 1,5 мм. Материал детали лист Ст 3 ГОСТ 380–94 обладает следующими механическими характеристиками:

Технологичность — это сочетание конструктивных элементов, которые обеспечивают наиболее простое экономичное изготовление деталей при соблюдении технических и эксплуатационных требований к ним. Основные технологические требованияк конструкции плоских деталей, получаемых вырубкой и пробивкой:

Необходимо избегать сложных конфигураций с узкими и длинными вырезами контура или очень узкими прорезями: минимальная ширина контура равна 9 мм.

Сопряжения сторон наружного контура следует выполнять с закруглениями лишь при вырубке детали по всему контуру: все радиусы скругления равны.

Наименьшие размеры пробиваемых отверстий: диаметр наименьшего пробиваемого отверстия равен 5 мм.