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一次性机械设计论文
一次性机械设计论文 1一次性机械的特点和设计理念 与常规机械相比，一次性机械的主要特点如下。(1)使用条件：通常常规 机械需长期可靠的使用和循环使用，余量都留的较大，故体积、重量大，材料优 良；而一次性机械使用时间短，是有限寿命里的特殊情况，只使用一次，只要保 证在特定时间内完成功能即可，无须留太大的余量，因此体积小、重量轻。(2) 失效形式：常规机械多由于疲劳、磨损而失效[10]，其中，常规机械的疲劳多为 低应力高周疲劳。在实际设计中，一般认为导致高周疲劳的载荷状态为正常工况， 因此，本文接下来所说的疲劳破坏指高周疲劳破坏。一次性机械主要考虑传递动 力，不至于受力折断即可，因而设计时要保证动静强度和刚度。(3)设计方法：
常规机械设计理论已经很成熟，而一次性机械还没有一个成熟的可遵循的理论。
一次性机械的使用寿命很短，不会发生疲劳、磨损、腐蚀等由于长时间工作而引 起的失效。疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的， 当交变应力远小于静强度极限，甚至小于屈服强度时，疲劳破坏也可能发生。所 以在常规机械的设计中，为了预防疲劳，许用应力的选取远小于静强度极限和屈 服强度。一次性机械的工作寿命很短，在发生疲劳破坏之前就完成了工作，所以 只要保证其在使用中不致受力破坏即可。静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏， 当静应力小于屈服强度或强度极限时，静力破坏就不会发生。对于一次性机械， 设计过程中不考虑疲劳等因素，可以去除这些余量，根据静强度要求进行设计， 最大限度地减小机械结构的体积和重量。
2箭用舵机关键零件的强度设计 电动舵机是由电动机驱动的用于航行器方向控制的机构。而箭用电动舵机 是用在火箭上的航向控制机构，会随着火箭发射完成而自毁。由于火箭空间结构 对舵机体积的限制，目前普遍采用小体积高速直流伺服电动机驱动，再配以大减 速比的减速装置以输出大转矩低速角位移运动的技术方案。在选定驱动电动机后， 最主要的工作就是舵机减速装置的设计，需要注意的是，以额定输出转矩为设计 目标，按常规的机械减速器设计方法，一般在体积上达不到箭用舵机特殊的尺寸 要求。
2.1传动方案和总体结构 电动舵机的结构需要尽量简单、紧凑，需要结构简单，体积小、重量轻，且传动效率高、承载能力大的大速比传动形式，所以采用了一对锥齿轮副和谐波 齿轮传动的传动方案。
2.2锥齿轮的设计 齿轮材料分别为：小锥齿轮选用45钢，调质处理；
大锥齿轮选用45钢，正 火处理。小齿轮传递转矩：T=0.2303Nm。小锥齿轮齿数z1=22；
大锥齿齿数z2=66。
齿轮的失效形式主要有齿面疲劳点蚀和齿根疲劳折断，为防止其发生，传统设计 方法多采用齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行设计校核。如果按齿面接 触疲劳强度计算的齿轮模数结果为m=0.6mm，按齿根弯曲疲劳强度计算的结果 为m=0.5mm。舵机减速机构中的齿轮在发生疲劳点蚀或者疲劳折断之前就完成 了特定的工作。因此可不予考虑疲劳强度计算，只能按照静强度条件计算其过载 折断时的模数，即只是校核轮齿能不能承载那么大的弯矩。把齿轮的轮齿看作悬 臂梁(图2)，一般情况，梁的横截面上同时存在正应力和切应力，由于切应力比 弯曲应力小得多，可忽略不计，故仅按齿根危险截面的弯曲应力进行计算。
2.3柔轮的设计 材料：柔轮选用40CrNiMoA其硬度为32～36HRC。按齿面耐磨计算柔轮 模数为m=0.2mm。普通齿轮传动一般只有1～2对齿参与啮合，而谐波齿轮同时 参与啮合的齿对数很多，可达到总齿数的30％左右，因此不存在单对齿啮合情况。
这样载荷作用点便只有一种情况，即作用于轮齿的齿顶，并且力应由啮合齿均分。
3箭用舵机性能测试 本文基于一次性机械零件设计理念，得到的一次性使用的谐波减速器照片 见图1。其中主要部件直筒柔轮的设计参数见表1。本次试验总共加工了4套谐波 减速器。受研究条件和时间限制，谐波减速器中除柔轮是按照一次性机械零件设 计理念进行设计外，其他部件仍然采用标准的常规机械零件或按照传统，如薄壁 轴承等。图1中所示的箭用舵机减速器在图3所示的测试装置上进行性能测试。该 测试装置的加载采用板弹簧，属于被动加载，但加载精度较高，箭用舵机减速器 需要与直流伺服电动机、旋转电位计等其他部件安装组成舵机系统，然后进行测 试，该测试装置能够一次性完成8套舵机系统的测试。本文对箭用舵机减速器进 行试验测试，主要测试所设计产品在最大载荷下的寿命，具体测试方法为：将箭 用舵机系统安装在测试台上，并确定机械零位和电气零位后，通过直流电动机控 制器控制直流电动机旋转，由于板弹簧提供的负载转矩与谐波减速器的转角有关，根据板弹簧的刚度，计算得到负载转矩达到80Nm时的旋转角约为60°，旋转角通 过舵机系统的旋转电位计测试并反馈给控制端，当旋转角达到60°后，认为完成 一次加载。然后将舵机系统回复到零位，反向再加载直至旋转角达到60°，完成 第二次加载，以此类推，记录加载次数、单次旋转角度、减速器转速。当出现噪 声超标、减速器卡死以及电动机烧坏时，需终止试验，此时认为舵机系统失效。
4结论 (1)提出了一次性机械的概念，对比分析了一次性机械和常规机械在使用 条件、失效方式、设计方法等方面的不同点。(2)提出了一次性机械的设计理念， 即采用静强度校核，不考虑摩擦、磨损和疲劳等其他失效方式。(3)结合箭用电 动舵机减速装置的设计，采用新设计方法可明显减小机械的体积和重量。电动舵 机减速装置的性能测试结果表明该型减速器符合设计要求，证明了一次性机械设 计理念的可行性。
作者：王广林 潘旭东 李跃峰 工作单位：哈尔滨工业大学机电工程学院
