陳芳

摘要：與常規(guī)機(jī)械裝置或零件相比，一次性機(jī)械的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在體積小、重量輕，且在實(shí)際的使用過程中一般一次性機(jī)械不會(huì)發(fā)生高周疲勞現(xiàn)象。目前關(guān)于一次性機(jī)械的設(shè)計(jì)理論并不十分完善和成熟。文章基于某型電動(dòng)舵機(jī)減速裝置進(jìn)行了一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念的分析和實(shí)踐。文章首先針對(duì)一次性機(jī)械的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了綜合闡述;其次以箭用舵機(jī)為例分析了箭用舵機(jī)關(guān)鍵零件這一類一次性機(jī)械的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，從傳動(dòng)方案和總體結(jié)構(gòu)、錐齒輪的設(shè)計(jì)、柔輪的設(shè)計(jì)三個(gè)角度進(jìn)行了詳細(xì)闡述;最后針對(duì)箭用舵機(jī)性能進(jìn)行了測試，得到了一次性使用的諧波減速器的測試裝置照片。文章認(rèn)為，對(duì)于該型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)減速裝置而言在相同載體條件下，可以通過將齒輪模數(shù)減少至40%，從而滿足一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：一次性機(jī)械;電動(dòng)舵機(jī);減速裝置;設(shè)計(jì)理念;實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—5922（2021）02一0130—04

0引言

通常情況下，機(jī)械零部件和設(shè)備整機(jī)等在進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造時(shí)均需要滿足用戶進(jìn)行長期使用的需求。例如機(jī)床、發(fā)動(dòng)機(jī)、大型建筑設(shè)備及其零部件等，其通常需要滿足社會(huì)生產(chǎn)數(shù)年甚至數(shù)十年的長期高頻率使用。我們通常將這種設(shè)備稱為常規(guī)機(jī)械。與常規(guī)機(jī)械相比，一次性機(jī)械裝置的使用壽命較短，通常情況下不會(huì)進(jìn)行二次時(shí)用。這種僅供用戶進(jìn)行單次使用的設(shè)備屬于一次性、短壽命機(jī)械設(shè)備，因此通常被成為一次性機(jī)械。

一次性機(jī)械的使用場景多見于軍事、航空航天、高端航海設(shè)備等領(lǐng)域。一次性機(jī)械使用場景的這一特點(diǎn)主要需要滿足該領(lǐng)域?qū)τ行лd荷的要求，在能夠滿足一次性使用場景傳動(dòng)要求的同時(shí)，對(duì)一次性機(jī)構(gòu)或設(shè)備的體積、質(zhì)量等要求均比常規(guī)機(jī)械更高。本文提出了一次性機(jī)械的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)航空領(lǐng)域中的某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)減速裝置在有限體積條件下的一次性機(jī)械設(shè)計(jì)體系進(jìn)行了研究和分析，并最終進(jìn)行了該型號(hào)箭用舵機(jī)性能測試，結(jié)果表明本次設(shè)計(jì)的諧波減速器完全能夠勝任一次性設(shè)計(jì)理念下的性能需求。

1概述

與常規(guī)的可重復(fù)使用機(jī)械設(shè)計(jì)理念相比，一次性機(jī)械設(shè)計(jì)方法是從傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行的特殊場合和對(duì)象的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化。一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念的設(shè)計(jì)方法中，同樣有許多常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)理念的影子，一次性機(jī)械設(shè)計(jì)是在現(xiàn)代機(jī)械應(yīng)用場景多元化的背景下對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法的有效補(bǔ)充。對(duì)于一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念應(yīng)用頻率較高的多見于軍事、航空等領(lǐng)域，如一次性使用的攻擊性飛行裝置、一次性使用的航空設(shè)備等。這些設(shè)備的使用壽命通常只有一次，因而通常不需要考慮傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的耐久陛、損耗度等。在進(jìn)行該類型設(shè)備的設(shè)計(jì)和加工過程中，往往容易處于設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)→改進(jìn)→再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程中。這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念具有較高的盲目性，同時(shí)由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不具備明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，因而往往需要通過多次設(shè)計(jì)、改良來確定最終的設(shè)計(jì)方案，大大延長了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期。而實(shí)際上針對(duì)這種一次性損耗零件的設(shè)計(jì)，目前并沒有—個(gè)完整、成熟并且可以供人們遵循的可靠流程和方法，尚需要進(jìn)行充分研究和論證。

2設(shè)計(jì)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法分析

2.1使用條件

與常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)相比，一次性機(jī)械設(shè)計(jì)通常需要不需要較長的使用壽命或循環(huán)使用，因此并不需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行過多的余量設(shè)計(jì)。因此一次陛機(jī)械設(shè)計(jì)通常體積小、重量輕，材料在優(yōu)先壽命里能夠保證完成既定功能即可。

2.2失效形式

與常規(guī)機(jī)械相比，一次性機(jī)械的失效形式多考慮傳遞動(dòng)力，并不需要對(duì)疲勞、磨損等失效形式投入更多關(guān)注，只要一次陛機(jī)械設(shè)計(jì)不至于受力折斷即可。因此，一次性機(jī)械設(shè)計(jì)失效形式方面設(shè)計(jì)應(yīng)主要保證系統(tǒng)的動(dòng)靜強(qiáng)度和剛度而非地應(yīng)力高周疲勞。

2.3設(shè)計(jì)方法

一次性機(jī)械設(shè)計(jì)尚且沒有一個(gè)固定、成熟以及可以供行業(yè)內(nèi)普遍遵循的設(shè)計(jì)理論。一次性機(jī)械設(shè)計(jì)所生產(chǎn)的零件和產(chǎn)品通常不具備較高的使用壽命，在短期內(nèi)零件并不會(huì)因?yàn)槠?、磨損或腐蝕等形成疲勞破壞。疲勞破壞通常實(shí)在長時(shí)間內(nèi)經(jīng)過多次反復(fù)載荷下產(chǎn)生的破壞，當(dāng)靜強(qiáng)度極限或屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于交變應(yīng)力時(shí)，才有可能在機(jī)械設(shè)計(jì)中出現(xiàn)疲勞損壞現(xiàn)象。然而，由于一次性機(jī)械設(shè)計(jì)并不需要像傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)一樣考慮機(jī)械疲勞現(xiàn)象，通常在機(jī)械發(fā)生疲勞破壞之前通常就已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)使命，只要保證一次性機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品不會(huì)在使用過程中手里破壞即可。因而，對(duì)于一次性機(jī)械設(shè)計(jì)而言，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮靜力破壞即可。當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)最大載荷對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限大于機(jī)械所受靜力時(shí)，通常就不會(huì)發(fā)生靜力破壞。因而，在不需要考慮零件整體疲勞破壞其他因素的情況下，只需要根據(jù)靜強(qiáng)度要求對(duì)機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。一次性機(jī)械設(shè)計(jì)通?？梢垣@得較低的機(jī)械重量和較為簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3箭用舵機(jī)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

箭用電動(dòng)舵機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的一種，主要工作原理是利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)從而改變航空器如火箭等的航行方向。箭用電動(dòng)舵機(jī)通常會(huì)在使用功能完成后隨火箭發(fā)射完成自毀。

由于航天器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)質(zhì)量、零件體積的限制性較高，通常在對(duì)箭用電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行設(shè)汁時(shí)要求零件具有盡可能小的體積。因此，目前普遍采用小體積高速伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)配以大減速比的減速裝置確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)。然而，假設(shè)按照常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)方法以伺服電動(dòng)機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩低速角位移運(yùn)動(dòng)的技術(shù)方案確定箭用舵機(jī)尺寸的話，通常無法滿足航空航天器對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的要求。因而，需要按照以下方法，采用一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1傳動(dòng)方案和總體結(jié)構(gòu)

箭用電動(dòng)舵機(jī)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體要求是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，在工作過程中能夠提供較高的傳動(dòng)效率目.零件提供的大速比傳動(dòng)形式需要提供盡可能大的承載能力。因此本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案采用了如圖1所示的一對(duì)錐齒輪副和諧波齒輪傳動(dòng)形式的總體傳動(dòng)方案和結(jié)構(gòu)。

3.2錐齒輪的設(shè)計(jì)

錐齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)及使用材料如表1所示。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中，為解決錐齒輪的失效問題，通常多采用齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根完全疲勞強(qiáng)度的方式防止齒輪實(shí)效現(xiàn)象的出現(xiàn)。假設(shè)按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行確定可得：齒輪模數(shù)=0.5mm（齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算）或0.6mm（齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算）。然而由于箭用舵機(jī)減速器中的齒輪在發(fā)生失效現(xiàn)象之前便已經(jīng)完成了整個(gè)使用壽命，因而并不需要按照以上參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需要按照錐齒輪承載的最大彎度進(jìn)行計(jì)算即可。

利用一次性設(shè)計(jì)理念將齒輪的輪齒當(dāng)懸臂梁。通常情況下，懸臂梁的橫截面上彎曲應(yīng)力要遠(yuǎn)大于切應(yīng)力，因此通常在計(jì)算過程中只考慮切應(yīng)力。按照式（1）進(jìn)行箭用舵機(jī)減速裝置齒根抗彎強(qiáng)度的計(jì)算：

根據(jù)式（2），可按一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念進(jìn)行柔輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，將相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)代人式（2）中可得柔輪模數(shù)為M=O.05mm，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=0.1mm。

4箭用舵機(jī)性能測試

本文所研究的某型號(hào)箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置的參數(shù)要求如表2所示。

根據(jù)多方專家論證，按照傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)工藝無法在減速器體積要求如此高的條件下，達(dá)到轉(zhuǎn)矩和功率傳遞的性能要求。因此，本文針對(duì)這一問題對(duì)國外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了查閱，認(rèn)為可以按照21世紀(jì)初，西方某國家的類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念進(jìn)行魁法，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，按照有效體系設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大功率，完成樣機(jī)生產(chǎn)后對(duì)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中不合理、不適用的地方進(jìn)行修改直至所生產(chǎn)的產(chǎn)品符合性能要求和產(chǎn)品尺寸要求。這一方法盡管最終得到了所需要的產(chǎn)品特陛，但是由于實(shí)驗(yàn)過程具備一定的盲目性，通常需要在設(shè)計(jì)過程中融入其他的新型設(shè)計(jì)理念，用于制造這種—次性機(jī)械設(shè)備。按照—次性設(shè)計(jì)理念對(duì)西方類似裝置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和樣機(jī)生產(chǎn)以后，可以按照最終實(shí)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品性能考量。最終得到了本文所沒計(jì)的一次性使用的某型電動(dòng)舵機(jī)諧波減速器。

本文所設(shè)計(jì)的基于一次性設(shè)計(jì)理念的某型電動(dòng)舵機(jī)諧波減速器主要性能參數(shù)如表3所示。本次論述總共參考設(shè)計(jì)成功的10套裝置中隨機(jī)篩選出的4套。受實(shí)驗(yàn)條件影響，本次設(shè)計(jì)的某型電動(dòng)舵機(jī)諧波減速器除諧波減速器中的柔輪以外，其他裝置仍按照傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念進(jìn)行參數(shù)確定和加工工藝確定。

本文通過以下測試，獲得了一次性沒汁理念條件下某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)減速裝置柔性齒輪在最大載荷下的壽命。

第1步，將待檢測工件固定在專有測試臺(tái)上;

第2步，確定機(jī)械和電氣零位;

第3步，通過直流電動(dòng)機(jī)控制器，控制裝置進(jìn)^運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

第4步，根據(jù)測試臺(tái)板彈簧提供的數(shù)據(jù)和剛度，計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到80N.m時(shí)的旋轉(zhuǎn)角約為60°;

第5步，旋轉(zhuǎn)角通過測試裝置反饋系統(tǒng)控制單元，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角達(dá)到標(biāo)定值60°時(shí)，記錄完成一次加載;

第6步，將舵機(jī)系統(tǒng)復(fù)零，反向加載至旋轉(zhuǎn)角達(dá)到標(biāo)定值60°時(shí)，完成第二次加載;

第7步，反復(fù)進(jìn)行第5、6步實(shí)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)噪聲超標(biāo)、減速器卡死以及電動(dòng)機(jī)燒壞時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，認(rèn)定本次實(shí)驗(yàn)完成。

由此得到了表3所示的4組裝置在相同條件下的不同失效情形。由表2可知，本試驗(yàn)采用一次性設(shè)計(jì)理念所得到的某型電動(dòng)減速裝置失效形式，僅有只有刺耳噪聲是由于柔輪齒磨損造成的，設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法完全符合實(shí)際的箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置工藝要求。

5結(jié)語

綜上所述，針對(duì)目前一次性接卸設(shè)計(jì)理論研究相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀開發(fā)了一種基于一次陛機(jī)械設(shè)計(jì)理念的電動(dòng)舵機(jī)減速裝置設(shè)計(jì)方法。在不考慮電動(dòng)舵機(jī)減速裝置摩擦、磨損和疲勞等其他失效方式的條件下，獲得了體積更小、重量更輕的新型箭用電動(dòng)舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并完成了具體的事物生產(chǎn)。一次性機(jī)械目前并沒有可以嚴(yán)格遵循的設(shè)計(jì)理念，因此本文所提出的一次性沒計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)理念，能夠證明一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念的可行性，為今后在軍事、航空航天等領(lǐng)域的一次性機(jī)械設(shè)計(jì)工作提供理論和數(shù)據(jù)支持。