基于某型電動舵機減速裝置的一次性機械設計理念及實踐

陳芳

摘要：與常規機械裝置或零件相比，一次性機械的主要特點體現在體積小、重量輕，且在實際的使用過程中一般一次性機械不會發生高周疲勞現象。目前關于一次性機械的設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鍵零件這一類一次性機械的強度設計方法，從傳動方案和總體結構、錐齒輪的設計、柔輪的設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減少至40%，從而滿足一次性機械設計的設計指標要求。

關鍵詞：一次性機械;電動舵機;減速裝置;設計理念;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，機械零部件和設備整機等在進行設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、發動機、大型建筑設備及其零部件等，其通常需要滿足社會生產數年甚至數十年的長期高頻率使用。我們通常將這種設備稱為常規機械。與常規機械相比，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備屬于一次性、短壽命機械設備，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、高端航海設備等領域。一次性機械使用場景的這一特點主要需要滿足該領域對有效載荷的要求，在能夠滿足一次性使用場景傳動要求的同時，對一次性機構或設備的體積、質量等要求均比常規機械更高。本文提出了一次性機械的設計理念，針對航空領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，結果表明本次設計的諧波減速器完全能夠勝任一次性設計理念下的性能需求。

1概述

與常規的可重復使用機械設計理念相比，一次性機械設計方法是從傳統常規設計中進行的特殊場合和對象的設計方法優化。一次性機械設計理念的設計方法中，同樣有許多常規機械設計理念的影子，一次性機械設計是在現代機械應用場景多元化的背景下對傳統機械設計方法的有效補充。對于一次性機械設計理念應用頻率較高的多見于軍事、航空等領域，如一次性使用的攻擊性飛行裝置、一次性使用的航空設備等。這些設備的使用壽命通常只有一次，因而通常不需要考慮傳統機械設備的耐久陛、損耗度等。在進行該類型設備的設計和加工過程中，往往容易處于設計→實驗→改進→再設計的設計流程中。這種傳統設計理念具有較高的盲目性，同時由于傳統設計理念在進行設計時不具備明確的實驗目標，因而往往需要通過多次設計、改良來確定最終的設計方案，大大延長了設計實驗周期。而實際上針對這種一次性損耗零件的設計，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設計特點與設計方法分析

2.1使用條件

與常規機械設計相比，一次性機械設計通常需要不需要較長的使用壽命或循環使用，因此并不需要對設計進行過多的余量設計。因此一次陛機械設計通常體積小、重量輕，材料在優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注，只要一次陛機械設計不至于受力折斷即可。因此，一次性機械設計失效形式方面設計應主要保證系統的動靜強度和剛度而非地應力高周疲勞。

2.3設計方法

一次性機械設計尚且沒有一個固定、成熟以及可以供行業內普遍遵循的設計理論。一次性機械設計所生產的零件和產品通常不具備較高的使用壽命，在短期內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經過多次反復載荷下產生的破壞，當靜強度極限或屈服強度遠大于交變應力時，才有可能在機械設計中出現疲勞損壞現象。然而，由于一次性機械設計并不需要像傳統機械設計一樣考慮機械疲勞現象，通常在機械發生疲勞破壞之前通常就已經完成了設計使命，只要保證一次性機械設計產品不會在使用過程中手里破壞即可。因而，對于一次性機械設計而言，在進行機械設計時主要考慮靜力破壞即可。當機械設計最大載荷對應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，只需要根據靜強度要求對機械進行設計即可。一次性機械設計通常可以獲得較低的機械重量和較為簡單的機械結構。

3箭用舵機關鍵零件的強度設計

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射完成自毀。

由于航天器內部結構復雜且對質量、零件體積的限制性較高，通常在對箭用電動舵機進行設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動，同時配以大減速比的減速裝置確定驅動電機的參數。然而，假設按照常規機械設計方法以伺服電動機額定輸出轉矩低速角位移運動的技術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量的要求。因而，需要按照以下方法，采用一次性機械設計理念進行設計。

3.1傳動方案和總體結構

箭用電動舵機對機械結構的總體要求是：結構簡單、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構。

3.2錐齒輪的設計

錐齒輪的設計參數及使用材料如表1所示。

在傳統設計理念中，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象的出現。假設按照傳統設計形式對齒輪參數進行確定可得：齒輪模數=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生失效現象之前便已經完成了整個使用壽命，因而并不需要按照以上參數進行設計，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力要遠大于切應力，因此通常在計算過程中只考慮切應力。按照式（1）進行箭用舵機減速裝置齒根抗彎強度的計算：

根據式（2），可按一次性機械設計理念進行柔輪的設計計算，將相應的設計參數代人式（2）中可得柔輪模數為M=O.05mm，取標準模數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要求如表2所示。

根據多方專家論證，按照傳統的機械設計工藝無法在減速器體積要求如此高的條件下，達到轉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品設計理念進行魁法，在傳統設計理念的指導下，按照有效體系設計系統最大功率，完成樣機生產后對性能進行實驗，發現其中不合理、不適用的地方進行修改直至所生產的產品符合性能要求和產品尺寸要求。這一方法盡管最終得到了所需要的產品特陛，但是由于實驗過程具備一定的盲目性，通常需要在設計過程中融入其他的新型設計理念，用于制造這種—次性機械設備。按照—次性設計理念對西方類似裝置設計方案進行優化，在完成產品設計和樣機生產以后，可以按照最終實驗進行產品性能考量。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。

本文所設計的基于一次性設計理念的某型電動舵機諧波減速器主要性能參數如表3所示。本次論述總共參考設計成功的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的機械設計理念進行參數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^運轉狀態

第4步，根據測試臺板彈簧提供的數據和剛度，計算負載轉矩達到80N.m時的旋轉角約為60°;

第5步，旋轉角通過測試裝置反饋系統控制單元，當旋轉角達到標定值60°時，記錄完成一次加載;

第6步，將舵機系統復零，反向加載至旋轉角達到標定值60°時，完成第二次加載;

第7步，反復進行第5、6步實驗，當發生系統噪聲超標、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，設計參數和設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結語

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