Основы конструирования исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Воздушный транспорт
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 391
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-16-016512-7
ISBN-онлайн: 978-5-16-108778-7
Артикул: 738593.02.01
Доступ онлайн
В корзину
В учебнике предлагается системный подход к конструированию исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов, в том числе к построению архитектуры кинематических, конструктивных и структурных схем, а также выбору элементного состава исполнительных механизмов, используемых в авиационной технике и других областях, в которых рассматриваются задачи минимизации массогабаритных показателей и компоновка этих механизмов в заданном ограниченном объеме. Предложен морфологический синтез конструктивно-кинематических схем исполнительных механизмов с последующим расчетом их основных параметров, определяющих их статические и динамические характеристики и влияющих на габаритные размеры. Представлен анализ достоинств и недостатков различных типов электро-, пневмо- и гидродвигателей и различных типов механических передач. Приведены их основные конструктивные зависимости и методики расчета с минимизацией габаритных размеров исполнительных механизмов. Дан сравнительный анализ относительных объемов различных типов механических передач, используемых в качестве выходной пары редуктора в зависимости от передаточного числа.
Составлены расчетные математические модели, включающие инерционность и жесткость звеньев, а также люфт в механической передаче, для оценки динамики приводной системы в целом. Даны примеры расчета габаритов исполнительных механизмов с минимизированными параметрами.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов-специалистов, магистрантов, аспирантов и инженеров, занимающихся конструированием и проектированием исполнительных механизмов приводных систем.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.05: Двигатели летательных аппаратов
- ВО - Специалитет
- 24.05.03: Испытание летательных аппаратов
- 24.05.05: Интегрированные системы летательных аппаратов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С МИНИМИЗАЦИЕЙ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ С.Л. САМСОНОВИЧ В.А. ПОДШИБНЕВ Под редакцией С.Л. Самсоновича Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 24.05.05 «Интегрированные системы летательных аппаратов» (квалификация «инженер») (протокол № 1 от 12.01.2022) Москва ИНФРА-М 202УЧЕБНИК
УДК 62(075.8) ББК 34.42я73 C17 Р е ц е н з е н т ы : Левин А.В., доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник Экспериментальной мастерской «НаукаСофт»; Горячев О.В., доктор технических наук, заведующий кафедры системы управления Тульского государственного университета ISBN 978-5-16-016512-7 (print) ISBN 978-5-16-108778-7 (online) © Самсонович С.Л., Подшиб нев В.А., 2022 Самсонович С.Л. C17 Основы конструирования исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров : учебник / С.Л. Самсонович, В.А. Подшибнев ; под ред. С.Л. Самсоновича. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 391 с. — (Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/1171992. ISBN 978-5-16-016512-7 (print) ISBN 978-5-16-108778-7 (online) В учебнике предлагается системный подход к конструированию исполни- тельных механизмов приводных систем летательных аппаратов, в том числе к построению архитектуры кинематических, конструктивных и структурных схем, а также выбору элементного состава исполнительных механизмов, ис- пользуемых в авиационной технике и других областях, в которых рассматри- ваются задачи минимизации массогабаритных показателей и компоновка этих механизмов в заданном ограниченном объеме. Предложен морфологический синтез конструктивно-кинематических схем исполнительных механизмов с последующим расчетом их основных параметров, определяющих их стати- ческие и динамические характеристики и влияющих на габаритные размеры. Представлен анализ достоинств и недостатков различных типов электро-, пнев- мо- и гидродвигателей и различных типов механических передач. Приведены их основные конструктивные зависимости и методики расчета с минимизацией габаритных размеров исполнительных механизмов. Дан сравнительный ана- лиз относительных объемов различных типов механических передач, исполь- зуемых в качестве выходной пары редуктора в зависимости от передаточного числа. Составлены расчетные математические модели, включающие инерцион- ность и жесткость звеньев, а также люфт в механической передаче, для оценки динамики приводной системы в целом. Даны примеры расчета габаритов испол- нительных механизмов с минимизированными параметрами. Соответствует требованиям федеральных государственных образователь- ных стандартов высшего образования последнего поколения. Для студентов-специалистов, магистрантов, аспирантов и инженеров, зани- мающихся конструированием и проектированием исполнительных механиз- мов приводных систем. УДК 62(075.8) ББК 34.42я73
Предисловие Учебник содержит сведения, необходимые для освоения дис- циплины «Основы конструирования исполнительных механизмов приводных систем летательных аппаратов с минимизацией габа- ритных размеров», являющейся частью подготовки инженеров по специальности «Системы приводов летательных аппаратов», направление подготовки «Интегрированные системы летательных аппаратов». Исполнительным механизмом (ИМ) приводной системы на- зывается механизм, состоящий из двигателя, механической пере- дачи и датчика положения и (или) скорости органа управления наземной, воздушной, космической или подводной технической системы. Разработка любого нового исполнительного механизма привода (любого изделия) осуществляется путем проектирования, кон- струирования и изготовления. Проектирование и конструирование являются результатами умственной деятельности, взаимосвязан- ными между собой и дополняющими друг друга. Проектирование возможно только при предварительно принятых вариантах кон- структивного исполнения. Конструирование базируется на при- менении методов проектирования: расчетах основных параметров, прочностных расчетах, оптимизации и др. Результатом проектирования является проект разрабатывае- мого исполнительного механизма привода, включающий научное обоснование технических решений и расчеты, подтверждающие их экономическую целесообразность. Результатом конструирования является конструкторская доку- ментация на конкретное изделие. Конструкторская документация отражает все инженерные ре- шения, принятые при проектировании, а также требования к изго- товлению и эксплуатации. Проектирование и конструирование служат одной цели: раз- работке нового изделия, которое не существует или существует в другой форме и имеет иные размеры. Проектирование и кон- струирование — виды умственной деятельности на основе научных знаний. Если эти знания можно выразить в виде программы ЭВМ с выпуском конструкторской документации — это решение инже- нерной задачи, в остальных случаях это инженерное творчество — задача поискового конструирования.
Итак, настоящий курс предназначен для освоения комплексных задач конструирования и компоновки исполнительных механизмов приводных систем. Пусть нужно разработать привод управления полетом лета- тельного аппарата в безвоздушном пространстве. Какие возможны варианты? Привод поворотных аэродинамических рулей неэффек- тивен в безвоздушном пространстве, по это му рассмотрим варианты управления направлением реактивной тяги (рис. П1). а д б в г е ж Рис. П1. Варианты схем управления направлением реактивной тяги Дополнительно к тяге маршевого двигателя можно создать тягу от двигателя управления. Для регулирования положения управля- ющего двигателя можно использовать два привода перемещения двигателя управления в двух плоскостях (см. рис. П1, а). Допол- нительно к маршевому двигателю можно использовать четыре дви-
гателя управления, каждый из которых снабжен одним приводом для перемещения двигателя управления в плоскости, перпендику- лярной оси маршевого двигателя (см. рис. П1, б). Управление можно реализовать за счет регулирования направ- ления потока в сопле в его узкой части (см. рис. П1, в) или в вы- ходной части сопла (см. рис. П1, ж). Дополнительно к маршевому двигателю можно использовать четыре сопла, расположенных перпендикулярно к продольной оси маршевого двигателя. Управление заключается во включении того или иного сопла или совокупности сопел (см. рис. П1, г). Можно также осуществлять управление газовыми рулями, рас- положенными на выходе из сопла (см. рис. П1, д). Наконец, возможно управление направлением газового потока в сопле маршевого двигателя путем отжимания струи или исполь- зования эффекта эжекции (см. рис. П1, е). Очевидно, что потребная мощность для управления будет зави- сеть от схемы и компоновки. Итак, выбрали конструктивную схему управления, а какой вы- брать привод: электрический, пневматический, гидравлический? На рис. П2, а–д представлены варианты схем автономного при- вода. а АБ АБ КС КС ПУ ПУ К А РМ РМ РМ РЕД ВАД ТР ТР ТР РМ РМ ГГ ГГ г д б в Рис. П2. Варианты схем приводных систем: АБ — аккумуляторная батарея; КС — кабельная сеть; РМ — рулевые машинки; ПУ — гидравлическая питающая установка; ТР — трубопровод; ВАД — воздушный аккумулятор давления; РЕД — редуктор (газовый); ГГ — газогенератор
Выбрали тип привода. Что дальше? Известны двигатели поступательного и вращательного дей- ствия; передачи, преобразующие поступательное движение во вра- щательное и вращательное в поступательное; высокоскоростные и моментные двигатели. Так какую комбинацию выбрать? Какие существуют критерии выбора? При какой комбинации устройств и их параметров можно обеспечить оптимальные по массе и габа- ритам характеристики? Ответы на эти вопросы — одна из задач курса. Далее, после выбора схемы приводной системы, расчета по- требной мощности исполнительного двигателя (ИД) и выбора оп- тимального передаточного числа редуктора, необходимо ответить на вопросы: • Как расположить элемен ты привода, как скомпоновать их с объ- ектом регулирования (ОР) и неподвижным основанием, чтобы вписаться в требуемые габариты? • Какую выбрать кинематическую схему редуктора и из каких ки- нематических пар он должен состоять? • Какие выбрать опоры на выходном валу привода и как располо- жить их так, чтобы замкнуть на них действующие возмущения? • Как обеспечить жесткость конструкции? • Как осуществить соединение подвижных частей с минимальной величиной люфта и максимальным значением жесткости? • Как рассчитать кинематический люфт и жесткость исполни- тельного механизма привода для выбранной схемы и принятых допусков на размеры или какие использовать элемен ты и какие задать допуски на размеры передач исполнительного механизма, чтобы получить требуемые статические ошибки привода? • Как построить и реализовать кинематическую схему обратной связи в приводе? Ответы на эти вопросы являются основой настоящего курса, который предназначен для обучения навыкам поиска новых более эффективных, конструктивных решений и освоения формы состав- ления заявки на изобретение. Существует мнение, что умение находить и решать изобрета- тельские задачи — «дар божий», которому нельзя научить. Как относиться к такой точке зрения? Может ли каждый научиться изобретать? Здесь аналогично спорту: каждого здорового человека можно научить играть в волейбол или шахматы, но у спортсменов, имеющих соответствующие природные данные, результаты будут выше. Состояние творческого поиска и возбуждения в момент от- крытия истины и нового решения — ни с чем не сравнимое и ничем
не заменимое особое удовольствие и наслаждение, которое инте- ресно испытать. Рассмотрим, чем отличается данный курс по конструированию от традиционных учебных курсов и как он будет построен. Почти все учебные курсы, начиная с математики и механики и заканчивая специальными дисциплинами, дают знания и навыки решения четко определенных инженерных задач (например, определение момен тов инерции тел сложной формы в математике, расчеты устойчивости и точности в курсе следящих приводов, расчеты па- раметров определенного типа редуктора). Различия творческих и четко определенных расчетных инженерных задач приведены в табл. П1. Таблица П1 Таблица сравнения инженерных дисциплин Показатель срав- нения В обыч ных курсах, четко определены задачи В настоящем курсе Постановка за- дачи Имеется Неконкретна («Постарайся мне добыть то, чего не может быть», — Л.А. Филатов) Метод (способ) решения Как правило, указан один или несколько Интуиция и опыт Обучающий пример, анало- гичный задаче Имеется Отсутствует (если есть пример, то задача решена) Результат ре- шения Как правило, одно- значен и известен преподавателю Как правило, многозначен и неизвестен преподавателю Различия между этими курсами требуют и принципиально новой формы обучения. По программе этого курса будут прово- диться «деловые игры» по созданию новых конструкций приводов с использованием методов решения изобретательских задач. Таким образом, в результате освоения курса «Основы кон- струирования исполнительных механизмов приводных систем ле- тательных аппаратов с минимизацией габаритных размеров» обуча- ющийся будет обладать следующими компетенциями: знать • многообразные возможности реализации конструкций испол- нительного механизма привода летательного аппарата (ЛА) с различным элементным составом, отличающихся видом ис-
пользуемой энергии, функцио нальными свойствами и пара- метрическим синтезом параметров, которые обеспечивают ми- нимальные габаритные размеры конструируемой приводной системы; • достоинства и недостатки различных функцио нальных элемен тов исполнительных механизмов летательных аппаратов; • способы минимизации массогабаритных показателей; • особо важные конструктивные параметры, влияющие на дина- мические характеристики приводных систем; уметь • обоснованно выбирать конструктивную схему приводной системы ЛА; • рассчитывать конструктивные параметры деталей и узлов кон- струкции; • соблюдать требования технического задания (ТЗ) с минимиза- цией массогабаритных параметров; владеть • основами конструирования; • способами конструирования с использованием методов, ме- тодик, программных продуктов и каталогов современных го- товых покупных изделий, необходимых для реализации кон- струкции исполнительного механизма с минимизацией массо- габаритных параметров. Учебник предназначен для специалистов, бакалавров и маги- странтов, а также инженеров, занимающихся вопросами конструи- рования исполнительных механизмов приводных систем в раз- личных областях техники, для которых важна минимизация массо- габаритных параметров. Предисловие, главы 1, 2 и 4 написаны С.Л. Самсоновичем; главы 3, 5–10 — С.Л. Самсоновичем и В.А. Подшибневым.
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИИ И КОНЦЕПЦИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРИВОДНЫХ СИСТЕМ 1.1. ПОНЯТИЕ И ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕХНИКИ Прежде всего установим, что означают термины «разработка но- вого исполнительного механизма» или «новая техника». Каждое новое изделие, разрабатываемое на производстве, соот- ветствует новым техническим требованиям — как правило, более ужесточенным, чем требования к предшествующим изделиям. Но каждое ли новое изделие соответствует определению «новая техника» и в каком случае оно превышает по своим функцио- нальным и техническим характеристикам известные зарубежные и отечественные аналоги. К новой технике относят: • впервые реализуемые результаты научных исследований и при- кладных разработок, содержащие изобретения; • новые или более совершенные технологические процессы, также содержащие изобретения. Изделия новой техники должны задействовать новые решения, быть лучше, чем аналогичные изделия, отвечающие тем же требо- ваниям. Если новое изделие только повторяет уже достигнутое на ми- ровом уровне, то в ближайшем будущем на этапе широкого вне- дрения оно будет отставать от достигнутого уровня. В результате изделие будет неконкурентоспособно и не принесет прибыли. Отметим, что на современном этапе при наличии рыночных от- ношений очень большое значение приобретает создание новой техники на уровне изобретений. Итак, любое изделие является новым, если принцип его действия основан на новых физических процессах, или использованы известные физические процессы в новом исполнении, или известные устройства соединены так, что получены новые свойства. Рассмотрим этапы разработки новой техники.
Этапы разработки классифицируются следующим образом: • фундаментальные научные исследования, охватывающие самые общие вопросы материального мира. Они заключаются в от- крытии сущности и действия природных процессов с целью применения в практических разработках. За последние два десятилетия можно выделить в качестве ре- зультатов фундаментальных исследований, которые начали ис- пользовать и будут иметь дальнейшее развитие в приводных сис- темах, — это технология изготовления вычислительной техники и, как результат, внедрение в приводные системы элемен тов вычисли- тельной техники (микросхемы); создание материалов с памятью; создание жидкостей, изменяющих свои физические свойства в результате действия магнитного поля; осознание принципов по- строения исполнительных механизмов привода на основе волно- вого принципа действия; • поисковые исследования, включающие в себя выбор идеи. В ходе поисковых работ создается научный задел, на котором основы- ваются последующие работы. Результатом поисковой работы являются открытия и изобретения. Например, разработка новых типов исполнительных механизмов приводов, ряд функций ко- торых выполняют элемен ты вычислительной техники, или раз- работка приводов на основе материалов с памятью, магнитных жидкостей, механизмов, действующих на волновом принципе. Научно-исследовательские работы (НИР) и опытно-конструк- торские работы (ОКР) являются прикладными исследованиями. В результате НИР и ОКР информация о возможностях создания новой техники превращается в разработку конкретного образца изделия. При этом проверяется и обосновывается экономическая целесообразность конструкторского и технологического решения. Каждый этап разработки нового изделия состоит из нескольких стадий, определенных в ГОСТ 2.103–2013 (табл. 1.1) [1]. Таблица 1.1 Стадии разработки нового изделия Стадия разработки Этап выполнения работ Разработка проектной конструк- торской докумен- тации (КД) Разра- ботка тех- нического предло- жения Изучение и анализ технического задания Подбор материалов Разработка КД технического предложения Рассмотрение и утверждение КД технического предложения с присвоением КД литеры «П»
Доступ онлайн
В корзину