CN101776417B - 一种火炮自动机浮动弹簧机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火炮自动机浮动弹簧机构，主要由炮身、炮箱、弹簧、弹簧端盖、滚轮、承力轴、承力环组成。炮身上由左到右依次套有左弹簧端盖、弹簧、右弹簧端盖、承力环和炮箱，左弹簧端盖与炮身固连，炮箱与外部结构相连，承力环相对于炮身的轴线方向固定。右弹簧端盖的周向均匀制有三个主工作曲面，分别与套在三根承力轴上的内滚轮相配合，炮箱的周向均匀制有三个工作曲面和导向面，分别与右弹簧端盖上的三个滚轮以及套在三根承力轴上的外滚轮相配合。本发明可作为火炮浮动机的浮动弹簧，以及小口径自动炮的缓冲、复进弹簧。

Description

一种火炮自动机浮动弹簧机构

技术领域

本发明涉及一种弹簧机构，特别是一种火炮自动机浮动弹簧机构。

背景技术

小口径自动炮大多采用弹簧液压式浮动机，采用浮动自动机的火炮连续射击时，炮箱受力一直是向后的。若在t时间内共发射了n发弹丸，则由动量定理可知：

${\∫}_0^{\′}\mathrm{Fdt}=\mathrm{nmv}+p$

式中，F炮箱受力，mv是每发弹丸的动量，p是t时刻浮动部分和浮动弹簧的动量。F在时域上分布越均匀，则F的峰值越小。所以射击时保持浮动弹簧对浮动部分的力为定值可以减小炮箱受力。

在设计浮动弹簧时为了使炮架受力小且均匀，浮动弹簧的压缩比应尽可能的小。最理想的情况是压缩比为一，这就需要使在一定范围内，弹簧刚度系数变为零。目前常见的弹簧的特性线大致有三种类型：直线型、渐增型、渐减型。有些弹簧的特性线可以是以上两种或三种类型的组合，称为组合型特征线。但目前绝大部分弹簧的弹力都随着弹性变形的增加而增加，还未见弹力会出现平台期的弹簧目前。因此，要在现有弹簧基础上实现弹力为常数只能从机构设计方面入手。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种可以减小火炮后坐力的火炮自动机浮动弹簧机构。

实现本发明目的的技术解决方案为：火炮自动机浮动弹簧机构，包括炮身、炮箱、弹簧、左弹簧端盖、右弹簧端盖，还包括外滚轮、内滚轮、承力轴、承力环、滚轮轴、滚轮；炮身上由左到右依次套有左弹簧端盖、弹簧、右弹簧端盖、承力环和炮箱，且炮身与这些组件同轴，左弹簧端盖与炮身固连，并与弹簧的左端相紧靠，右弹簧端盖与弹簧的右端紧靠，右弹簧端盖既可以相对于炮身的轴线转动，也可以沿着炮身的轴线左右滑动，该弹簧端盖的左端圆柱形外表面上固连有三根滚轮轴，该滚轮轴均匀分布在垂直于炮身轴线的平面上，且每根滚轮轴都套有一个滚轮，右弹簧端盖的右端制有三个主工作曲面和三个辅工作曲面，这两种工作曲面都沿右弹簧端盖的周向均匀分布；承力环嵌套在右弹簧端盖内部并可以相对于炮身的轴线转动，但不可相对于炮身的轴线左右滑动，承力环外表面上固连三根承力轴，该承力轴均匀分布在垂直于炮身轴线的平面上，且每根滚轮轴上都套有一个内滚轮和一个外滚轮，所述内滚轮与右弹簧端盖上的主工作曲面相配合；炮箱套在炮身的外部，炮箱左端制有三个工作曲面和三个导向面，所述工作曲面和导向面沿炮箱的周向均匀分布，所述工作曲面与右弹簧端盖上的滚轮相配合，炮箱上的导向面与承力轴上的外滚轮相配合。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明结构简单紧凑，在对现有结构改动不大的情况下大大减小了后坐力峰值，有利于减轻结构重量。同时，弹力的恒定不变还有利于减小火炮的震动，进而提高射击精度。另外，本发明还可担当首发不浮动自动机的首发缓冲机构，防止首发射击时后坐力过大。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的火炮自动机浮动弹簧机构主视图。

图2为本发明的火炮自动机浮动弹簧机构的工作状态主视图。

图3为图1的左视图。

图4为图1的B-B剖视图。

图5为承力环与炮身配合关系示意图。

图6为炮箱示意图。

图7为右弹簧端盖示意图。

图8后坐力减小效果图。

图9受力分析示意图。

具体实施方式

结合图1～图7，本发明的一种火炮自动机浮动弹簧机构，包括炮身1、炮箱2、弹簧5、左弹簧端盖6、右弹簧端盖7，还包括外滚轮3、内滚轮10、承力轴4、承力环11、滚轮轴8、滚轮9；炮身1上由左到右依次套有左弹簧端盖6、弹簧5、右弹簧端盖7、承力环11和炮箱2，且炮身1与这些组件同轴，左弹簧端盖6与炮身1固连，并与弹簧5的左端相紧靠，右弹簧端盖7与弹簧5的右端紧靠，右弹簧端盖7既可以相对于炮身1的轴线转动，也可以沿着炮身1的轴线左右滑动，该弹簧端盖的左端圆柱形外表面上固连有三根滚轮轴8，该滚轮轴均匀分布在垂直于炮身1轴线的平面上，且每根滚轮轴都套有一个滚轮9，右弹簧端盖7的右端制有三个主工作曲面14和三个辅工作曲面15，这两种工作曲面都沿右弹簧端盖7的周向均匀分布；承力环11嵌套在右弹簧端盖7内部并可以相对于炮身1的轴线转动，但不可相对于炮身1的轴线左右滑动，承力环11外表面上固连三根承力轴4，该承力轴均匀分布在垂直于炮身1轴线的平面上，且每根滚轮轴上都套有一个内滚轮10和一个外滚轮3，所述内滚轮10与右弹簧端盖7上的主工作曲面14相配合；炮箱2套在炮身1的外部，炮箱2左端制有三个工作曲面12和三个导向面13，所述工作曲面和导向面沿炮箱2的周向均匀分布，所述工作曲面12与右弹簧端盖7上的滚轮9相配合，炮箱2上的导向面13与承力轴4上的外滚轮3相配合。

结合图1、图7，将一条与右弹簧端盖7的轴线呈夹角的直线包覆在右弹簧端盖7的圆柱形外表面上，得到一条空间曲线，一个旋转半径与内滚轮10的半径相同、转轴与右弹簧端盖7的轴线共面且垂直的的刀具沿该空间曲线走刀，加工出的左右两个曲面即分别为所述右弹簧端盖7上的主工作曲面14和辅工作曲面15。包覆在右弹簧端盖7的圆柱形外表面上的直线与右弹簧端盖7的轴线夹角为20°～80°，优选45°。

结合图1、图6、图9，将一条由圆弧和一段抛物线组成的平面曲线包覆在炮箱2的圆柱形外表面上，得到一条空间曲线，一个旋转半径与滚轮9的半径相同、转轴与炮箱2的轴线共面且垂直的的刀具沿该空间曲线走刀，加工出的右侧的曲面即为所述炮箱2的工作曲面12，该工作曲面中由圆弧和抛物线控制的部分分别为导引面12_A和控制面12_B，上述圆弧与抛物线相切。抛物线方程为：

$y_1=\frac{k{\tan }^2\mathrm{\β}}{{2F}_0}{x}^2$

式中，k为弹簧刚度系数，y₁是纵坐标，x为横坐标，β为工作曲面14的控制线炮身轴线的夹角，所述控制线为包覆在右弹簧端盖7的圆柱形外表面上的直线，F₀为弹簧5的初力。

所述炮箱2的导向面13为平面且与炮箱2的轴线平行，两者距离为外滚轮3的半径。

结合图1、图2、图7，火炮后坐时，炮身1沿着自身轴线向右运动，带动左弹簧端盖6，压缩弹簧5。同时，炮身1也带动承力环11、承力轴4、外滚轮3、内滚轮10向后运动。当承力轴4带着内滚轮10向后运动时，会给右弹簧端盖6让出运动空间。右弹簧端盖7在弹簧5右端传来的弹力的作用下以及在炮箱2的工作曲面12的导向作用下，会绕自身轴线转动的同时向右平动，从而保证右弹簧端盖7的主工作曲面14与承力轴4上的内滚轮10始终贴紧，进而使承力轴4在平行于炮身1轴线方向上受到向右的力Fx，这个力通过承力环11传到炮身1上。同时，而炮身1通过左弹簧端盖6受到弹簧5左端传来的沿炮身轴线向左的力F₁，且F₁大于F₂。通过对弹簧端盖6的主工作曲面14以及炮箱2的工作曲面12的合理设计，可使F₁-F₂＝F₀=数常。炮身1复进时，各部件的运动与后坐时相反，若不计摩擦力，F₁与Fx之差仍为常数。

在承力轴4受到弹簧端盖6的主工作曲面14传来的压力时，会产生绕炮身1的轴线转动的趋势，但在炮箱2的导向面13的导向作用下无法转动。之所以将承力轴4设计成可以绕炮身1转动，是为了防止炮身1受到扭矩作用。这样一来，炮箱2既受到工作曲面12传来的压力，又受到导向面13传来的压力，从而使其受到的合力始终沿着炮身1的轴线向右。

后坐开始时，炮身1的加速度很大，而右弹簧端盖7由于自身惯性以及摩擦力的作用可能来不及反应，为解决这个问题，采取了三个措施：第一，如图7所示，在右弹簧端盖7上设置了辅工作曲面15，在后坐初期强制右弹簧端盖7转动；第二，在炮箱2的工作曲面12开始部分设置导引面12_A，以减小滚轮9与工作曲面12之间的压力角；第三，在右弹簧端盖7上开有若干减重孔16，以减轻重量。通过这三项措施，可有效减小右弹簧端盖7惯性的影响，如图8所示，后坐力峰值明显减小。

对炮箱2的工作曲面12和右弹簧端盖7的主工作曲面14的合理设计是本发明顺利实施的核心工作。如图9所示，将控制工作曲面12和工作曲面14空间曲线展平，对其进行受力分析。不考虑各个滚轮的影响，并忽略惯性力的影响，设炮箱2受到的恒力与弹簧5的初力相等，列出平衡方程如下：

对炮箱2：

F_Acosα+F_Af_Asinα+FXf_C＝F₀

F_Asinα-F_Af_Acosα-F_C＝0

对承力轴4：

F_Bf_Bcosβ+F_C-F_Bsinβ＝0

对右弹簧端盖7：

F_Acosα+F_Af_Asinα+F_Bcosβ+F_Bf_Bsinβ＝F

F＝F₀+ky

以上各式中，各符号代表的含义为：F_A、F_B、F分别表示滚轮轴8对工作曲面12的正压力、主工作曲面14对承力轴4的正压力、弹簧5右端对右弹簧端盖7的力，α、β分别表示工作曲面12、工作曲面14的控制线与竖直方向的夹角(炮身1的轴线水平)，f_A、f_B、f_C分别滚轮轴8与工作曲面12、承力轴4与主工作曲面14、承力轴4与导向面13的摩擦系数，k为弹簧刚度系数，y为弹簧变形量。由以上五式可解得

$y=[\frac{(1-f_A{f}_B)\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})-(f_A+f_B)\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{M(\sin \mathrm{\β}-f_B\cos \mathrm{\β})}-1]\frac{F_0}{k}$

其中，

M＝(1-f_Af_C)cosα+(f_A+f_C)sinα

在理想情况下，三个摩擦系数都为零，则上式转化为

$y=[\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}-1]\frac{F_0}{k}=\frac{\tan \mathrm{\α}}{\tan \mathrm{\β}}\frac{F_0}{k}$

其中，

(β取为定值)

$\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{dy}}_1}{\mathrm{dx}}$

式中，y₁是炮身1的位移与弹簧5的压缩量之差

所以，

${\mathrm{dy}}_1=\frac{k{\tan }^2\mathrm{\β}}{F_0}\mathrm{xdx}$

由初始条件y₁＝x＝0，对上式积分可得工作曲面12的控制线为一段抛物线，方程如下

$y_1=\frac{k{\tan }^2\mathrm{\β}}{{2F}_0}{x}^2.$

Claims (7)

1.一种火炮自动机浮动弹簧机构，包括炮身[1]、炮箱[2]、弹簧[5]、左弹簧端盖[6]、右弹簧端盖[7]，其特征在于：还包括外滚轮[3]、内滚轮[10]、承力轴[4]、承力环[11]、滚轮轴[8]、滚轮[9]；炮身[1]上由左到右依次套有左弹簧端盖[6]、弹簧[5]、右弹簧端盖[7]、承力环[11]和炮箱[2]，且炮身[1]与这些组件同轴，左弹簧端盖[6]与炮身[1]固连，并与弹簧[5]的左端相紧靠，右弹簧端盖[7]与弹簧[5]的右端紧靠，右弹簧端盖[7]既可以相对于炮身[1]的轴线转动，也可以沿着炮身[1]的轴线左右滑动，右弹簧端盖[7]的左端圆柱形外表面上固连有三根滚轮轴[8]，该滚轮轴均匀分布在垂直于炮身[1]轴线的平面上，且每根滚轮轴都套有一个滚轮[9]，右弹簧端盖[7]的右端制有三个主工作曲面[14]和三个辅工作曲面[15]，这两种工作曲面都沿右弹簧端盖[7]的周向均匀分布；承力环[11]嵌套在右弹簧端盖[7]内部，并可以相对于炮身[1]的轴线转动，但不可相对于炮身[1]的轴线左右滑动，承力环[11]外表面上固连三根承力轴[4]，该承力轴均匀分布在垂直于炮身[1]轴线的平面上，且每根承力轴上都套有一个内滚轮[10]和一个外滚轮[3]，所述内滚轮[10]与右弹簧端盖[7]上的主工作曲面[14]相配合；炮箱[2]左端制有三个工作曲面[12]和三个导向面[13]，所述工作曲面和导向面沿炮箱[2]的周向均匀分布，所述工作曲面[12]与右弹簧端盖[7]上的滚轮[9]相配合，炮箱[2]上的导向面[13]与承力轴[4]上的外滚轮[3]相配合。

2.根据权利要求1所述的火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于，将一条与右弹簧端盖[7]的轴线呈夹角的直线包覆在右弹簧端盖[7]的圆柱形外表面上，得到一条空间曲线，一个旋转半径与内滚轮[10]的半径相同、转轴与右弹簧端盖[7]的轴线共面且垂直的的刀具沿该空间曲线走刀，加工出的左右两个曲面即分别为所述右弹簧端盖[7]上的主工作曲面[14]和辅工作曲面[15]。

3.根据权利要求2所述的火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于，包覆在右弹簧端盖[7]的圆柱形外表面上的直线与右弹簧端盖[7]的轴线夹角为20°～80°。

4.根据权利要求3所述的火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于，包覆在右弹簧端盖[7]的圆柱形外表面上的直线与右弹簧端盖[7]的轴线夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于，将一条由圆弧和一段抛物线组成的平面曲线包覆在炮箱[2]的圆柱形外表面上，得到一条空间曲线，一个旋转半径与滚轮[9]的半径相同、转轴与炮箱[2]的轴线共面且垂直的的刀具沿该空间曲线走刀，加工出的右侧的曲面即为所述炮箱[2]的工作曲面[12]，该工作曲面中由圆弧和抛物线控制的部分分别为导引面[12_A]和控制面[12_B]，上述圆弧与抛物线相切。

6.根据权利要求5所述的火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于，抛物线方程为：

$y_1=\frac{k{\tan }^2\mathrm{\β}}{{2F}_0}{x}^2$

式中，k为弹簧刚度系数，y₁是纵坐标，x为横坐标，β为主工作曲面[14]的控制线与炮身轴线的夹角，所述控制线为包覆在右弹簧端盖[7]的圆柱形外表面上的直线，F₀为弹簧[5]的初力。

7.根据权利要求1所述的一种火炮自动机浮动弹簧机构，其特征在于：所述炮箱[2]的导向面[13]为平面且与炮箱[2]的轴线平行，两者距离为外滚轮[3]的半径。

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