Проектирование узла системы управления рулем высоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Воронежский государственный технический университет»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ»)

Институт Машиностроения и Аэрокосмической Техники

Кафедра самолетостроения

Специальность самолёто- и вертолетостроение

Самостоятельная работа

по дисциплине Конструкция агрегатов планера

тема: Проектирование узла системы управления рулем высоты

Разработал студент группы СД-111 Нагорный П.В.

Воронеж 2015

Содержание

Введение

1. Методика проектирования узла системы управления рулем высоты

1.1 Исходные данные

1.2 Задание

2. Проектирование качалки

2.1 Определение нагрузок, действующих на качалку

2.2 Проектирование качалки

3. Проектирование кронштейна

4. Расчет крепления кронштейна

5. Усиление лонжерона и нервюры стабилизатора

5.1 Расчет крепления накладки к лонжерону

5.2 Крепление фитингов

Вывод

Введение

Целью данной самостоятельной работы является подробное знакомство с методикой расчета одного и важнейших узлов системы управления самолетом - узла управления рулем высоты.

Основные приемы проектирования, с учетом конструктивных особенностей, остается теми же и для узлов управления рулем направления, элеронами и т.д.

Основные требования к проектируемому узлу - прочность, жесткость, минимальный вес. Требования прочности и минимума веса - противоречивые требования, они выполняются с учетом норм проектирования авиационной техники, норм летной годности с учетом типа воздушного судна и условий его эксплуатации.

1. Методика проектирования узла системы управления рулем высоты

1.1 Исходные данные

Известна конструкция и размеры поперечных сечений силовых элементов лонжерона и нервюры, к которым крепится проектируемый узел и на которые передаются нагрузки при работе руля высоты. Известны координаты оси вращения качалки (точка А, рис.1) управления рулем (а и в) относительно указанного лонжерона и нервюры.

Заданы габариты плеч качалки r₁ и r₂, угол раствора качалки б (или, по-другому, угол между плечами качалки), а также отклонение качалки под действием сил Р₁ и Р₂ от нейтрального положения - угол в. Силы Р₁ и Р₂ перпендикулярны нейтральному положению качалки.

Необходимо выполнить расчеты и дать чертежи для отклоненного, рабочего положения качалки.

1.2 Задание

1) Спроектировать качалку и кронштейн для ее установки на лонжероне стабилизатора.

2) Предусмотреть усиление лонжерона и нервюры стабилизатора.

3) Провести проверочные расчеты элементов узла и элементов крепления.

4) Выполнить сборочный чертеж узла и рабочие чертежи качалки, кронштейна фитингов.

Таблица 1

б	в	P1	r1	r2	a	b	B	t1	t2	H1	e1	e2	e3
96	19	920	140	150	75	20	25	2,5	2,0	110	16	15	1,8

2. Проектирование качалки

2.1 Определение нагрузок, действующих на качалку

Известно, что силы Р₁ и Р₂ перпендикулярны нейтральному положению качалки. Принята следующая расчетная схема - рис.1.

На качалку действуют нагрузки Р₁, Р₂ и их реакции R_ax R_ay неизвестными являются Р₂‚ R_аx, R_ау они определены таким образом.

Плечи сил Р₁ и Р₂ относительно точки А соответственно h₁ и h₂. Определим их.

АВ=h₁=r₁·cosв=140·cos19°=132,37 мм

AC=h₂=r₂·cosв=150·cos19°=141,83 мм

Условием равновесия качалки будет следующее уравнение моментов всех сил, действующих на качалку относительно точки А.

УМ_А=0; P₁·h₁-P₂·h₂=0

Известно‚ что: б=90°+д=90+6=96°

где д - угол между осью АУ системы координат ХАУ и осью АВ, соответствующей нейтральному положению одного из плеч качалки (рис.1).

Определение реакций действующих сил в точке А (R_ax‚ R_ау).

Для определения реакций R_ах, R_ау составлено два уравнения равновесия.

Сумма проекций всех действующих сил на ось АХ равна нулю.

УF_X=0, R_AX+P₁·cosд=0

R_AX=-Р₁·cosд=-920·cos6°=-914,96 кгс

где д=а-90=96-90=6°

И сумма проекций всех действующих сил на ось АУ равна нулю.

УF_y=0

Откуда находим неизвестную реакцию Rау:

P₂+P₁·sinд+Ray=0,

Ray=-P₂-P₁·sinд=-920-858,67·sin6°=954,83 кгс

По знакам R_АХ и R_АУ определено, что эти реакции направлены в сторону, противоположную положительному направлению соответствующих осей АХ и АУ, (рис. 1). Показанные на рис.1 реакции имеют знак «минус».

Рисунок 1 - Расчетная схема качалки.

2.2 Проектирование качалки

Каждое плечо качалки необходимо рассчитать по трем сечениям: 1-1‚ 2-2‚ 3-3.

Сечение 1-1 проходит по оси болта крепления качалки и тяги. Сечение 2-2 дано в середине плеча качалки. Сечение 3-3 максимально удаленное от линии действия силы (оси болта крепления качалки и тяги) сечение.

Сечение 1-1 работает на срез.

Необходимо определить максимально допустимую нагрузку по срезу [Рср]^1-1 и сравнить ее c действующей.

При проектировании проушина качалки (сечение 1-1) необходимо чтобы:

[Pcp]^1-1>Pi (i=1, 2).

При этом коэффициент запаса прочности по срезу должен составлять:

где: у_в=40 кг/мм²

[фср]=0,6у_в=0,6·40=24 кг/мм²

Примем с₁=6 мм, d₁=5 мм, b₁=10 мм, H₁=20 мм.

Fcp=(H₁-d₁)·(b₁-c₁)=(20-5)·(10-6)=60 мм²

[Рср]^1-1=[фср]·Fср= 24·60=1440 кгс

Сечение 2-2 (также и сечение 3-3) воспринимает изгибные напряжения от силы Р_і на плече h^2-2 (для сечения 3-3 на плече h^3-3)‚ сжимающие для левого плеча качалки, от составляющей силы Р₁, (Р₁sіnв) и растягивающие для правого плеча от составляющей силы Р₂ (Р₂sіnв).

Приближение первое:

Примем с₂=7 мм, b₂=18 мм, h₂=32 мм, H₂=40 мм, h^2-2=65 мм.

Изгибающий момент в сечении 2-2 составит:

M_i^2-2=Pi·cosв·h^2-2 (i=1, 2)

i=1 левое плечо, i=2 правое плечо.

M₁^2-2=920·cos19°·65=56542,01 кгс·мм

M₂^2-2=858,67·cos19°·65=52772,54 кгс·мм

Момент сопротивления сечения 2-2 относительно оси z:

Напряжения от изгибающего момента в сечении 2-2.

Напряжение от сжимающей нагрузки в сечении 2-2 (для левого плеча):

где: F ^2-2- площадь сечения 2-2.

F^2-2=b₂·(H₂-h₂)+(b₂-2·c₂)·h₂= 18·(40-32)+(18-2·7)·32=272 мм²

Напряжение от растягивающей нагрузки во втором сечении правого плеча.

Суммарные напряжения для сечения 2-2:

у_У1^2-2= у_M^2-2·у_СЖ^2-2=23,45·1,1=24,56

у_У2^2-2= у_M^2-2+у_P^2-2=21,89+1,03=22,92

Напряжения будут максимальны для внутренней полки левого плеча (здесь сжимающие напряжения складываются) и наружней полки правого плеча (складываются растягивающие напряжения).

Параметры с₂, b₂, h₂, H₂ подбираются исходя из требуемого коэффициента запаса прочности.

Коэффициенты запаса прочности для левого и правого плеча очень высокие, поэтому изменим параметры с₂, b₂, h₂, H₂.

Приближение второе:

Примем с₂=4 мм, b₂=13 мм, h₂=33 мм, H₂=38 мм, h^2-2=65 мм.

Изгибающий момент в сечении 2-2 составит:

M₁^2-2=920·cos19°·65=56542,01 кгс·мм

M₂^2-2=858,67·cos19°·65=52772,54 кгс·мм

Момент сопротивления сечения 2-2 относительно оси z:

Напряжения от изгибающего момента в сечении 2-2.

Напряжение от сжимающей нагрузки в сечении 2-2 (для левого плеча):

F^2-2=13·(38-33)+(13-2·4)·33=230 мм²

Напряжение от растягивающей нагрузки во втором сечении правого плеча.

Суммарные напряжения для сечения 2-2:

у_У1^2-2=33,72·1,3=35,03

у_У2^2-2=31,47+1,22=32,69

Коэффициенты запаса прочности:

Коэффициенты в пределах нормы.

Сечение 3-3

Примем с₃=5 мм, b₃=16 мм, h₃=45 мм, H₃=50 мм, h^3-3=100 мм.

Изгибающий момент в сечении 3-3 составит:

M₁^3-3=920·cos19°·100=86987,71 кгс·мм

M₂^3-3=858,67·cos19°·100=81188,53 кгс·мм

Момент сопротивления сечения 2-2 относительно оси z:

Напряжения от изгибающего момента в сечении 2-2.

Напряжение от сжимающей нагрузки в сечении 3-3 (для левого плеча):

F^3-3=16·(50-45)+(16-2·5)·45=230 мм²

Напряжение от растягивающей нагрузки во втором сечении правого плеча.

Суммарные напряжения для сечения 2-2:

у_У1^3-3=·=27,28

у_У2^3-3=+=25,46

Коэффициенты запаса прочности:

Коэффициенты в пределах нормы.

3. Проектирование кронштейна

Определение нагрузок, действующих на кронштейн

На кронштейн действуют две силы R'ay и R'ax равные по модулю силам R_ay и R_ax, но противоположно направленные, поэтому:

|R'_ax|=|R_ax|=914,96 кгс

|R'_ay|=|R_ay|=954,83 кгс

Далее проектируем проушину кронштейна - сечение 5-5 и определяем диаметр болта - d₆ крепления качалки.

Сечение 5-5 работает на срез и растяжение (от силы R'_ay - на срез, от R'_ax - на растяжение).

F_cp^5-5 - площадь среза проушины кронштейна.

F_p^5-5 - площадь разрыва проушины кронштейна - площадь сечения 5-5.

F_cp^5-5=F_p^5-5=(b₅-c₅)·(H₅-d₆)

Диаметр болта d₆ определяется по справочным материалам по суммарной нагрузке R^У

d₆=6 мм.

Размеры проушины b₅, c₅, H₅ определяются проектировочным расчетом с учетом следующего. В первом приближении можно принять, что:

H₅=18 мм, с₅=22 мм, b₅=26 мм.

F_cp^5-5=F_p^5-5=(26-22)·(18-6)=48 мм²

Первое соотношение:



Второе соотношение:

Коэффициенты запаса прочности в пределах нормы.

Далее рассчитываются сечения 6-6 и 7-7. Методика расчета данных сечений аналогична. Разница состоит в уровне действующих нагрузок.

Сечения 6-6 расположено на расстоянии равном половине высоты кронштейна, т.е. на расстоянии a/2 от подошвы кронштейна. В сечении 6-6 и 7-7 действует растягивающая сила R'_ax и изгибающий момент:

Кроме того, известны из предыдущих расчетов следующие размеры

b₅=b₆=b₇;

c₅=c₆=c₇;

Размеры e₆ и е₇ могут быть выбраны из следующих соотношений:

Из-за габаритов качалки примем e₆=0 мм.

Проведем расчет сечения 6-6.

Примем Н₆=40 мм

где: - момент сопротивления сечения 6-6 относительно оси z.

F^6-6 - площадь сечения 6-6

F^6-6=H₆·b₆+c₆·e₆-c₆·H₆=40·26+22·2-22·40=160 мм²

Коэффициент запаса прочности в пределах нормы.

Проведем расчет сечения 7-7.

Примем Н₇=40 мм

где: - момент сопротивления сечения 7-7 относительно оси z.

F^7-7 - площадь сечения 7-7.

F^7-7=H₇· b₇+c₇·e₇-c₇·H₇=55·26+22·2-22·55=264 мм²

Коэффициент запаса прочности в пределах нормы.

4. Расчет крепления кронштейна

Кронштейн крепится к лонжерону четырьмя болтами - №1, №2, №3, №4.

Необходимо определить нагрузки, действующие на каждый из болтов и по данным нагрузкам подобрать из справочника диаметры болтов. Используем болты из материала 30ХГСА.

Все четыре болта испытывают нагрузку на разрыв от силы R'_ax.

Кроме того, от изгибающего момента два болта №3 и №4 догружаются осевыми силами на разрыв, два другие болта - №1 и №2 наоборот разгружаются.

При этом все четыре болта работают на срез от силы R'_ay.

Найдем нагрузку на разрыв, приходящуюся на каждый из четырех болтов от силы R'_ax.

Далее найдём нагрузку на разрыв, приходящаяся на болты №3 и №4 от изгибающего момента.

Так как болты №1 и №2 разгружаются на разрыв от момента М=R'_ay·а, то далее рассмотрены более нагруженные болты №3 и №4.

Суммарная нагрузка на разрыв болтов №3 и №4:

где - расстояние между болтами вдоль лонжерона. Нагрузки от силы среза:

По двум нагрузкам - и из справочника определяют диаметр болтов №3 и №4. Диаметры №1 и №2 выбираются аналогично.

d_{№1, №2, №3, №4}=4 мм.

качалка кронштейн лонжерон фитинг

5. Усиление лонжерона и нервюры стабилизатора

Для усиления лонжерона от местных нагрузок, приходящихся на кронштейн и передаваемых на лонжерон установлена накладка, толщина которой равна толщине стенки лонжерона.

Для усиления нервюры и корректной передачи нагрузок на нее от кронштейна использованы четыре фитинга - по два от оси нервюры.

5.1 Расчет крепления накладки к лонжерону

Крепление накладки к стенке лонжерона рассчитывается от действующей вдоль оси лонжерона нагрузки - в данном случае от силы R'_ay.

Крепление осуществляется заклепками, которые частично установлены впотай под подошвой кронштейна и равными частями перед подошвой кронштейна и за ней.

Общее количество заклепок крепления накладки к стенке лонжерона (П_н) может быть определено следующим образом:

где [P_ср] - максимальная нагрузка на срез, которую может выдержать заклепка данного диаметра.

Выбираем заклепки диаметром d=3 мм -

Минимальное количество заклепок Пн=14 шт.

5.2 Крепление фитингов

Фитинги (4 шт.) крепятся одной полкой (вдоль оси лонжерона) к стенке лонжерона (болтами крепления кронштейна и совместно - заклепками крепления усиливающей накладки и стенки лонжерона), другой полкой (вдоль оси нервюры) к полке и стенке нервюры.

Крепление фитингов к полке и стенке нервюры рассчитывается от нагрузки R'_ax.

B первом приближении можно принять, что на каждую полку фитинга вдоль оси нервюры приходится сила R'_ax/4.

Количество заклепок (n_Ш) крепления данной полки фитинга (каждого) к нервюре может быть подсчитано следующим образом:

Минимальное количество n_Ш=5 шт. Кроме того, полка фитинга, приходящаяся под горизонтальную полку пояса лонжерона‚ крепится (в данном месте) совместно с полкой лонжерона и обшивкой с помощью заклепок установленных по обшивке.

Толщины полок фитингов приравниваются к соответствующим толщинам полок нервюры и лонжерона (к которым они прилегают), а общие габариты определяются исходя из габаритов кронштейна и количества заклепок крепления к нервюре n_Ш с учетом стандартного шага между заклепками: t=(4ч5)·d=4·3=12 мм

Вывод

В ходе выполнения данной самостоятельной работы была изучена методика расчета узла управления рулем высоты. Были произведены расчеты качалки, кронштейна, крепления кронштейна, усиления лонжерона и нервюры стабилизатора (крепления накладки к лонжерону и крепления фитингов). Выполнены рабочие чертежи качалки, кронштейна, фитингов и сборочный чертеж узла.

Размещено на Allbest.ru