基于某型電動舵機減速裝置的一次性機械設(shè)計理念及實踐

陳芳

摘要：與常規(guī)機械裝置或零件相比，一次性機械的主要特點體現(xiàn)在體積小、重量輕，且在實際的使用過程中一般一次性機械不會發(fā)生高周疲勞現(xiàn)象。目前關(guān)于一次性機械的設(shè)計理論并不十分完善和成熟。文章基于某型電動舵機減速裝置進行了一次性機械設(shè)計理念的分析和實踐。文章首先針對一次性機械的特點和設(shè)計理念進行了綜合闡述;其次以箭用舵機為例分析了箭用舵機關(guān)鍵零件這一類一次性機械的強度設(shè)計方法，從傳動方案和總體結(jié)構(gòu)、錐齒輪的設(shè)計、柔輪的設(shè)計三個角度進行了詳細闡述;最后針對箭用舵機性能進行了測試，得到了一次性使用的諧波減速器的測試裝置照片。文章認為，對于該型號電動舵機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%，從而滿足一次性機械設(shè)計的設(shè)計指標要求。

關(guān)鍵詞：一次性機械;電動舵機;減速裝置;設(shè)計理念;實踐

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）02一0130—04

0引言

通常情況下，機械零部件和設(shè)備整機等在進行設(shè)計和制造時均需要滿足用戶進行長期使用的需求。例如機床、發(fā)動機、大型建筑設(shè)備及其零部件等，其通常需要滿足社會生產(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)機械。與常規(guī)機械相比，一次性機械裝置的使用壽命較短，通常情況下不會進行二次時用。這種僅供用戶進行單次使用的設(shè)備屬于一次性、短壽命機械設(shè)備，因此通常被成為一次性機械。

一次性機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。一次性機械使用場景的這一特點主要需要滿足該領(lǐng)域?qū)τ行лd荷的要求，在能夠滿足一次性使用場景傳動要求的同時，對一次性機構(gòu)或設(shè)備的體積、質(zhì)量等要求均比常規(guī)機械更高。本文提出了一次性機械的設(shè)計理念，針對航空領(lǐng)域中的某型號電動舵機減速裝置在有限體積條件下的一次性機械設(shè)計體系進行了研究和分析，并最終進行了該型號箭用舵機性能測試，結(jié)果表明本次設(shè)計的諧波減速器完全能夠勝任一次性設(shè)計理念下的性能需求。

1概述

與常規(guī)的可重復(fù)使用機械設(shè)計理念相比，一次性機械設(shè)計方法是從傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計中進行的特殊場合和對象的設(shè)計方法優(yōu)化。一次性機械設(shè)計理念的設(shè)計方法中，同樣有許多常規(guī)機械設(shè)計理念的影子，一次性機械設(shè)計是在現(xiàn)代機械應(yīng)用場景多元化的背景下對傳統(tǒng)機械設(shè)計方法的有效補充。對于一次性機械設(shè)計理念應(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)機械設(shè)備的耐久陛、損耗度等。在進行該類型設(shè)備的設(shè)計和加工過程中，往往容易處于設(shè)計→實驗→改進→再設(shè)計的設(shè)計流程中。這種傳統(tǒng)設(shè)計理念具有較高的盲目性，同時由于傳統(tǒng)設(shè)計理念在進行設(shè)計時不具備明確的實驗?zāi)繕耍蚨枰ㄟ^多次設(shè)計、改良來確定最終的設(shè)計方案，大大延長了設(shè)計實驗周期。而實際上針對這種一次性損耗零件的設(shè)計，目前并沒有—個完整、成熟并且可以供人們遵循的可靠流程和方法，尚需要進行充分研究和論證。

2設(shè)計特點與設(shè)計方法分析

2.1使用條件

與常規(guī)機械設(shè)計相比，一次性機械設(shè)計通常需要不需要較長的使用壽命或循環(huán)使用，因此并不需要對設(shè)計進行過多的余量設(shè)計。因此一次陛機械設(shè)計通常體積小、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)機械相比，一次性機械的失效形式多考慮傳遞動力，并不需要對疲勞、磨損等失效形式投入更多關(guān)注，只要一次陛機械設(shè)計不至于受力折斷即可。因此，一次性機械設(shè)計失效形式方面設(shè)計應(yīng)主要保證系統(tǒng)的動靜強度和剛度而非地應(yīng)力高周疲勞。

2.3設(shè)計方法

一次性機械設(shè)計尚且沒有一個固定、成熟以及可以供行業(yè)內(nèi)普遍遵循的設(shè)計理論。一次性機械設(shè)計所生產(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)零件并不會因為疲勞、磨損或腐蝕等形成疲勞破壞。疲勞破壞通常實在長時間內(nèi)經(jīng)過多次反復(fù)載荷下產(chǎn)生的破壞，當靜強度極限或屈服強度遠大于交變應(yīng)力時，才有可能在機械設(shè)計中出現(xiàn)疲勞損壞現(xiàn)象。然而，由于一次性機械設(shè)計并不需要像傳統(tǒng)機械設(shè)計一樣考慮機械疲勞現(xiàn)象，通常在機械發(fā)生疲勞破壞之前通常就已經(jīng)完成了設(shè)計使命，只要保證一次性機械設(shè)計產(chǎn)品不會在使用過程中手里破壞即可。因而，對于一次性機械設(shè)計而言，在進行機械設(shè)計時主要考慮靜力破壞即可。當機械設(shè)計最大載荷對應(yīng)的屈服強度或強度極限大于機械所受靜力時，通常就不會發(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)靜強度要求對機械進行設(shè)計即可。一次性機械設(shè)計通?？梢垣@得較低的機械重量和較為簡單的機械結(jié)構(gòu)。

3箭用舵機關(guān)鍵零件的強度設(shè)計

箭用電動舵機是電動舵機的一種，主要工作原理是利用電動機驅(qū)動從而改變航空器如火箭等的航行方向。箭用電動舵機通常會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)雜且對質(zhì)量、零件體積的限制性較高，通常在對箭用電動舵機進行設(shè)汁時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機對電動舵機進行驅(qū)動，同時配以大減速比的減速裝置確定驅(qū)動電機的參數(shù)。然而，假設(shè)按照常規(guī)機械設(shè)計方法以伺服電動機額定輸出轉(zhuǎn)矩低速角位移運動的技術(shù)方案確定箭用舵機尺寸的話，通常無法滿足航空航天器對零件尺寸和質(zhì)量的要求。因而，需要按照以下方法，采用一次性機械設(shè)計理念進行設(shè)計。

3.1傳動方案和總體結(jié)構(gòu)

箭用電動舵機對機械結(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效率目.零件提供的大速比傳動形式需要提供盡可能大的承載能力。因此本文設(shè)計的傳動方案采用了如圖1所示的一對錐齒輪副和諧波齒輪傳動形式的總體傳動方案和結(jié)構(gòu)。

3.2錐齒輪的設(shè)計

錐齒輪的設(shè)計參數(shù)及使用材料如表1所示。

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

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

根據(jù)式（2），可按一次性機械設(shè)計理念進行柔輪的設(shè)計計算，將相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)代人式（2）中可得柔輪模數(shù)為M=O.05mm，取標準模數(shù)m=0.1mm。

4箭用舵機性能測試

本文所研究的某型號箭用電動舵機減速裝置的參數(shù)要求如表2所示。

根據(jù)多方專家論證，按照傳統(tǒng)的機械設(shè)計工藝無法在減速器體積要求如此高的條件下，達到轉(zhuǎn)矩和功率傳遞的性能要求。因此，本文針對這一問題對國外相關(guān)文獻進行了查閱，認為可以按照21世紀初，西方某國家的類似產(chǎn)品設(shè)計理念進行魁法，在傳統(tǒng)設(shè)計理念的指導(dǎo)下，按照有效體系設(shè)計系統(tǒng)最大功率，完成樣機生產(chǎn)后對性能進行實驗，發(fā)現(xiàn)其中不合理、不適用的地方進行修改直至所生產(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，但是由于實驗過程具備一定的盲目性，通常需要在設(shè)計過程中融入其他的新型設(shè)計理念，用于制造這種—次性機械設(shè)備。按照—次性設(shè)計理念對西方類似裝置設(shè)計方案進行優(yōu)化，在完成產(chǎn)品設(shè)計和樣機生產(chǎn)以后，可以按照最終實驗進行產(chǎn)品性能考量。最終得到了本文所沒計的一次性使用的某型電動舵機諧波減速器。

本文所設(shè)計的基于一次性設(shè)計理念的某型電動舵機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)計成功的10套裝置中隨機篩選出的4套。受實驗條件影響，本次設(shè)計的某型電動舵機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)的機械設(shè)計理念進行參數(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電動舵機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上;

第2步，確定機械和電氣零位;

第3步，通過直流電動機控制器，控制裝置進^運轉(zhuǎn)狀態(tài)

第4步，根據(jù)測試臺板彈簧提供的數(shù)據(jù)和剛度，計算負載轉(zhuǎn)矩達到80N.m時的旋轉(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，當旋轉(zhuǎn)角達到標定值60°時，記錄完成一次加載;

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

第7步，反復(fù)進行第5、6步實驗，當發(fā)生系統(tǒng)噪聲超標、減速器卡死以及電動機燒壞時停止實驗，認定本次實驗完成。

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，本試驗采用一次性設(shè)計理念所得到的某型電動減速裝置失效形式，僅有只有刺耳噪聲是由于柔輪齒磨損造成的，設(shè)計參數(shù)和設(shè)計方法完全符合實際的箭用電動舵機減速裝置工藝要求。

5結(jié)語

綜上所述，針對目前一次性接卸設(shè)計理論研究相對匱乏的現(xiàn)狀開發(fā)了一種基于一次陛機械設(shè)計理念的電動舵機減速裝置設(shè)計方法。在不考慮電動舵機減速裝置摩擦、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舵機減速裝置的設(shè)計數(shù)據(jù)并完成了具體的事物生產(chǎn)。一次性機械目前并沒有可以嚴格遵循的設(shè)計理念，因此本文所提出的一次性沒計特點和設(shè)計理念，能夠證明一次性機械設(shè)計理念的可行性，為今后在軍事、航空航天等領(lǐng)域的一次性機械設(shè)計工作提供理論和數(shù)據(jù)支持。