一次性機械設計論文

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1一次性機械的特點和設計理念

與常規機械相比，一次性機械的主要特點如下。(1)使用條件：通常常規機械需長期可靠的使用和循環使用，余量都留的較大，故體積、重量大，材料優良；而一次性機械使用時間短，是有限壽命里的特殊情況，只使用一次，只要保證在特定時間內完成功能即可，無須留太大的余量，因此體積小、重量輕。(2)失效形式：常規機械多由于疲勞、磨損而失效[10]，其中，常規機械的疲勞多為低應力高周疲勞。在實際設計中，一般認為導致高周疲勞的載荷狀態為正常工況，因此，本文接下來所說的疲勞破壞指高周疲勞破壞。一次性機械主要考慮傳遞動力，不至于受力折斷即可，因而設計時要保證動靜強度和剛度。(3)設計方法：常規機械設計理論已經很成熟，而一次性機械還沒有一個成熟的可遵循的理論。一次性機械的使用壽命很短，不會發生疲勞、磨損、腐蝕等由于長時間工作而引起的失效。疲勞破壞是多次反復載荷作用下產生的破壞，它不是短期內發生的，當交變應力遠小于靜強度極限，甚至小于屈服強度時，疲勞破壞也可能發生。所以在常規機械的設計中，為了預防疲勞，許用應力的選取遠小于靜強度極限和屈服強度。一次性機械的工作壽命很短，在發生疲勞破壞之前就完成了工作，所以只要保證其在使用中不致受力破壞即可。靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞，當靜應力小于屈服強度或強度極限時，靜力破壞就不會發生。對于一次性機械，設計過程中不考慮疲勞等因素，可以去除這些余量，根據靜強度要求進行設計，最大限度地減小機械結構的體積和重量。

2箭用舵機關鍵零件的強度設計

電動舵機是由電動機驅動的用于航行器方向控制的機構。而箭用電動舵機是用在火箭上的航向控制機構，會隨著火箭發射完成而自毀。由于火箭空間結構對舵機體積的限制，目前普遍采用小體積高速直流伺服電動機驅動，再配以大減速比的減速裝置以輸出大轉矩低速角位移運動的技術方案。在選定驅動電動機后，最主要的工作就是舵機減速裝置的設計，需要注意的是，以額定輸出轉矩為設計目標，按常規的機械減速器設計方法，一般在體積上達不到箭用舵機特殊的尺寸要求。

2.1傳動方案和總體結構

電動舵機的結構需要盡量簡單、緊湊，需要結構簡單，體積小、重量輕，且傳動效率高、承載能力大的大速比傳動形式，所以采用了一對錐齒輪副和諧波齒輪傳動的傳動方案。

2.2錐齒輪的設計

齒輪材料分別為：小錐齒輪選用45鋼，調質處理；大錐齒輪選用45鋼，正火處理。小齒輪傳遞轉矩：T=0.2303N•m。小錐齒輪齒數z1=22；大錐齒齒數z2=66。齒輪的失效形式主要有齒面疲勞點蝕和齒根疲勞折斷，為防止其發生，傳統設計方法多采用齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度進行設計校核。如果按齒面接觸疲勞強度計算的齒輪模數結果為m=0.6mm，按齒根彎曲疲勞強度計算的結果為m=0.5mm。舵機減速機構中的齒輪在發生疲勞點蝕或者疲勞折斷之前就完成了特定的工作。因此可不予考慮疲勞強度計算，只能按照靜強度條件計算其過載折斷時的模數，即只是校核輪齒能不能承載那么大的彎矩。把齒輪的輪齒看作懸臂梁(圖2)，一般情況，梁的橫截面上同時存在正應力和切應力，由于切應力比彎曲應力小得多，可忽略不計，故僅按齒根危險截面的彎曲應力進行計算。

2.3柔輪的設計

材料：柔輪選用40CrNiMoA其硬度為32～36HRC。按齒面耐磨計算柔輪模數為m=0.2mm。普通齒輪傳動一般只有1～2對齒參與嚙合，而諧波齒輪同時參與嚙合的齒對數很多，可達到總齒數的30％左右，因此不存在單對齒嚙合情況。這樣載荷作用點便只有一種情況，即作用于輪齒的齒頂，并且力應由嚙合齒均分。

3箭用舵機性能測試

本文基于一次性機械零件設計理念，得到的一次性使用的諧波減速器照片見圖1。其中主要部件直筒柔輪的設計參數見表1。本次試驗總共加工了4套諧波減速器。受研究條件和時間限制，諧波減速器中除柔輪是按照一次性機械零件設計理念進行設計外，其他部件仍然采用標準的常規機械零件或按照傳統，如薄壁軸承等。圖1中所示的箭用舵機減速器在圖3所示的測試裝置上進行性能測試。該測試裝置的加載采用板彈簧，屬于被動加載，但加載精度較高，箭用舵機減速器需要與直流伺服電動機、旋轉電位計等其他部件安裝組成舵機系統，然后進行測試，該測試裝置能夠一次性完成8套舵機系統的測試。本文對箭用舵機減速器進行試驗測試，主要測試所設計產品在最大載荷下的壽命，具體測試方法為：將箭用舵機系統安裝在測試臺上，并確定機械零位和電氣零位后，通過直流電動機控制器控制直流電動機旋轉，由于板彈簧提供的負載轉矩與諧波減速器的轉角有關，根據板彈簧的剛度，計算得到負載轉矩達到80N•m時的旋轉角約為60°，旋轉角通過舵機系統的旋轉電位計測試并反饋給控制端，當旋轉角達到60°后，認為完成一次加載。然后將舵機系統回復到零位，反向再加載直至旋轉角達到60°，完成第二次加載，以此類推，記錄加載次數、單次旋轉角度、減速器轉速。當出現噪聲超標、減速器卡死以及電動機燒壞時，需終止試驗，此時認為舵機系統失效。

4結論

(1)提出了一次性機械的概念，對比分析了一次性機械和常規機械在使用條件、失效方式、設計方法等方面的不同點。(2)提出了一次性機械的設計理念，即采用靜強度校核，不考慮摩擦、磨損和疲勞等其他失效方式。(3)結合箭用電動舵機減速裝置的設計，采用新設計方法可明顯減小機械的體積和重量。電動舵機減速裝置的性能測試結果表明該型減速器符合設計要求，證明了一次性機械設計理念的可行性。

作者：王廣林潘旭東李躍峰工作單位：哈爾濱工業大學機電工程學院