一次性机械设计论文

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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=0.2303N•m。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80N•m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