導(dǎo)語：一次性機(jī)械設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1一次性機(jī)械的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)理念

與常規(guī)機(jī)械相比，一次性機(jī)械的主要特點(diǎn)如下。(1)使用條件：通常常規(guī)機(jī)械需長期可靠的使用和循環(huán)使用，余量都留的較大，故體積、重量大，材料優(yōu)良；而一次性機(jī)械使用時(shí)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(shí)間內(nèi)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(guī)機(jī)械多由于疲勞、磨損而失效[10]，其中，常規(guī)機(jī)械的疲勞多為低應(yīng)力高周疲勞。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般認(rèn)為導(dǎo)致高周疲勞的載荷狀態(tài)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(jī)械主要考慮傳遞動(dòng)力，不至于受力折斷即可，因而設(shè)計(jì)時(shí)要保證動(dòng)靜強(qiáng)度和剛度。(3)設(shè)計(jì)方法：常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)理論已經(jīng)很成熟，而一次性機(jī)械還沒有一個(gè)成熟的可遵循的理論。一次性機(jī)械的使用壽命很短，不會(huì)發(fā)生疲勞、磨損、腐蝕等由于長時(shí)間工作而引起的失效。疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的，當(dāng)交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服強(qiáng)度時(shí)，疲勞破壞也可能發(fā)生。所以在常規(guī)機(jī)械的設(shè)計(jì)中，為了預(yù)防疲勞，許用應(yīng)力的選取遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度。一次性機(jī)械的工作壽命很短，在發(fā)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(dāng)靜應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限時(shí)，靜力破壞就不會(huì)發(fā)生。對(duì)于一次性機(jī)械，設(shè)計(jì)過程中不考慮疲勞等因素，可以去除這些余量，根據(jù)靜強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大限度地減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的體積和重量。

2箭用舵機(jī)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

電動(dòng)舵機(jī)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的用于航行器方向控制的機(jī)構(gòu)。而箭用電動(dòng)舵機(jī)是用在火箭上的航向控制機(jī)構(gòu)，會(huì)隨著火箭發(fā)射完成而自毀。由于火箭空間結(jié)構(gòu)對(duì)舵機(jī)體積的限制，目前普遍采用小體積高速直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，再配以大減速比的減速裝置以輸出大轉(zhuǎn)矩低速角位移運(yùn)動(dòng)的技術(shù)方案。在選定驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)后，最主要的工作就是舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)，需要注意的是，以額定輸出轉(zhuǎn)矩為設(shè)計(jì)目標(biāo)，按常規(guī)的機(jī)械減速器設(shè)計(jì)方法，一般在體積上達(dá)不到箭用舵機(jī)特殊的尺寸要求。

2.1傳動(dòng)方案和總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)需要盡量簡單、緊湊，需要結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，且傳動(dòng)效率高、承載能力大的大速比傳動(dòng)形式，所以采用了一對(duì)錐齒輪副和諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)方案。

2.2錐齒輪的設(shè)計(jì)

齒輪材料分別為：小錐齒輪選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理；大錐齒輪選用45鋼，正火處理。小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩：T=0.2303N•m。小錐齒輪齒數(shù)z1=22；大錐齒齒數(shù)z2=66。齒輪的失效形式主要有齒面疲勞點(diǎn)蝕和齒根疲勞折斷，為防止其發(fā)生，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法多采用齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。如果按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的齒輪模數(shù)結(jié)果為m=0.6mm，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果為m=0.5mm。舵機(jī)減速機(jī)構(gòu)中的齒輪在發(fā)生疲勞點(diǎn)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(qiáng)度計(jì)算，只能按照靜強(qiáng)度條件計(jì)算其過載折斷時(shí)的模數(shù)，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(shí)存在正應(yīng)力和切應(yīng)力，由于切應(yīng)力比彎曲應(yīng)力小得多，可忽略不計(jì)，故僅按齒根危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

2.3柔輪的設(shè)計(jì)

材料：柔輪選用40CrNiMoA其硬度為32～36HRC。按齒面耐磨計(jì)算柔輪模數(shù)為m=0.2mm。普通齒輪傳動(dòng)一般只有1～2對(duì)齒參與嚙合，而諧波齒輪同時(shí)參與嚙合的齒對(duì)數(shù)很多，可達(dá)到總齒數(shù)的30％左右，因此不存在單對(duì)齒嚙合情況。這樣載荷作用點(diǎn)便只有一種情況，即作用于輪齒的齒頂，并且力應(yīng)由嚙合齒均分。

3箭用舵機(jī)性能測試

本文基于一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)見表1。本次試驗(yàn)總共加工了4套諧波減速器。受研究條件和時(shí)間限制，諧波減速器中除柔輪是按照一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)外，其他部件仍然采用標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)機(jī)械零件或按照傳統(tǒng)，如薄壁軸承等。圖1中所示的箭用舵機(jī)減速器在圖3所示的測試裝置上進(jìn)行性能測試。該測試裝置的加載采用板彈簧，屬于被動(dòng)加載，但加載精度較高，箭用舵機(jī)減速器需要與直流伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)電位計(jì)等其他部件安裝組成舵機(jī)系統(tǒng)，然后進(jìn)行測試，該測試裝置能夠一次性完成8套舵機(jī)系統(tǒng)的測試。本文對(duì)箭用舵機(jī)減速器進(jìn)行試驗(yàn)測試，主要測試所設(shè)計(jì)產(chǎn)品在最大載荷下的壽命，具體測試方法為：將箭用舵機(jī)系統(tǒng)安裝在測試臺(tái)上，并確定機(jī)械零位和電氣零位后，通過直流電動(dòng)機(jī)控制器控制直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，由于板彈簧提供的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與諧波減速器的轉(zhuǎn)角有關(guān)，根據(jù)板彈簧的剛度，計(jì)算得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到80N•m時(shí)的旋轉(zhuǎn)角約為60°，旋轉(zhuǎn)角通過舵機(jī)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電位計(jì)測試并反饋給控制端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角達(dá)到60°后，認(rèn)為完成一次加載。然后將舵機(jī)系統(tǒng)回復(fù)到零位，反向再加載直至旋轉(zhuǎn)角達(dá)到60°，完成第二次加載，以此類推，記錄加載次數(shù)、單次旋轉(zhuǎn)角度、減速器轉(zhuǎn)速。當(dāng)出現(xiàn)噪聲超標(biāo)、減速器卡死以及電動(dòng)機(jī)燒壞時(shí)，需終止試驗(yàn)，此時(shí)認(rèn)為舵機(jī)系統(tǒng)失效。

4結(jié)論

(1)提出了一次性機(jī)械的概念，對(duì)比分析了一次性機(jī)械和常規(guī)機(jī)械在使用條件、失效方式、設(shè)計(jì)方法等方面的不同點(diǎn)。(2)提出了一次性機(jī)械的設(shè)計(jì)理念，即采用靜強(qiáng)度校核，不考慮摩擦、磨損和疲勞等其他失效方式。(3)結(jié)合箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)，采用新設(shè)計(jì)方法可明顯減小機(jī)械的體積和重量。電動(dòng)舵機(jī)減速裝置的性能測試結(jié)果表明該型減速器符合設(shè)計(jì)要求，證明了一次性機(jī)械設(shè)計(jì)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(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院