一次性机械设计的理念和应用

王刚++贾洁

[摘 要]由于使用寿命较短，类似于当下较为流行的“一次性”制品，我们将这样一类的单次使用机械产品称之为属 “一次性机械”。一次性机械往往在军事武器、航空航天等场所得到应用。文章主要介绍了一次性机械设计的理念以及应用实践的案例。

[关键词]一次性；机械设计

通常我们所见的机器、设备和机械构件，如车床、汽车、起重机等都需要长期使用，因此可以称为“常规机械”。而还有一些机械产品的寿命就相对较短，通常情况下使用一次就不再使用。由于使用寿命较短，类似于当下较为流行的“一次性”制品，我们将这样一类的单次使用机械产品称之为属 “一次性机械”。一次性机械往往在军事武器、航空航天等场所得到应用。这些领域中的机械制品往往对载荷程度有一定的要求，尤其是传动机构还有体积、质量等方面有更为严格的需求保障。本文主要分析了一次性机械的特点和设计理念，并在航空航天领域中针对有限体积条件提出了一次性机械设计概念的应用与实践。

一、一次性机械的特点和设计理念

1. 使用条件

常见的机械产品的通常是长时间和循环的，并留有较大的余量范围，因此显现出体积大、重量大的特点；而一次性机械产品是单次使用，寿命有限，只要在特点时间段内发挥它的应有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以体积和重量相对来讲也更小更轻。

2. 失效形式

常规机械的功效损耗的原因大多为疲劳、磨损，其中，最常见的疲劳效应表现为低应力高周疲劳。但是在实际应用过程中，正常的机械工况载荷就会产生高周疲劳，因此，通常所见的疲劳破坏均是指高周疲劳破坏。一次性机械的失效形式主要表现为传递动力导致其受力折断，因此在设计过程中主要考虑到的是动静强度和刚度。

3. 设计方法

针对常规机械的设计方法已经较为完善，但是一次性机械产品的设计的理论构建还没有成熟。一次性机械在其有限的使用时间内，发生失效的原因不可能是长时间的疲劳、磨损、腐蚀等。多次反复载荷作用下才可能导致疲劳破坏，并不是短期内能够发生的，但是当当交变应力远小于静强度极限，或是小于屈服强度时，也有可能发生疲劳破坏。因此，在设计常规机械的时候，许用应力的设定往往远小于静强度极限和屈服强度。一次性机械的使用期限较短，往往还没有发生疲劳破坏寿命已经结束，因此只要避免机械产品的受力破坏。静力破坏指的是载荷度最大情况下的破坏，为避免静力破坏，就要保证其小于屈服强度或强度极限。由于一次性机械能够免除疲劳等因素对其的破坏，因而可以按照根据静强度要求进行设计，不必在体积和重量上留有余量，使其变得更小更轻。

二、一次性机械设计遵循的基本原则

机械零件的基本原则主要考虑到了以下两方面因素：

是材料强度特性和机械零件几何强度特性。材料强度特性属于材料自身的基本属性，在机械设计领域内的材料强度涉及到更为广泛的金属度材料应用，尤其指的是金属材料的机械特性。体现在机械零件的设计准则中就成为了强度设计准则，主要内容有涉及断裂和屈服的静强度，循环载荷的疲劳强度，还有一些在特殊情况下会发生的抗冲击、抗磨损、抗腐蚀等性能的设计；针对几何强度就要涉及到零件的几何以及其所包括的及约束条件等，与之相对应的机械设计准则是刚度设计准则，能够有效避免由于变形、失稳以及弹性变形导致的差过大等失效的结果。由此可见，一次性机械零件设计的时候应该具备以下几方面的原则：第一，静强度设计。这方面的涉及与常规机械零件的静强度设计准则相类似。第二，疲劳强度设计。这方面的设计应遵循一次性机械零件的自我需求准则，尤其是对于某些具有特殊用途的一次性机械零件，更要有针对性的设计准则。

三、一次性机械设计的应用与实践

火箭主要依靠电动舵机的电动机驱动机械来控制航行方向，但是火箭的电动舵机会随着火箭的上升而逐渐自毁。但是由于受到空间上特征性的限制，使高速直流伺服电动机在设计实践过程中就要保证一定的体积，依靠大减速比的减速装置来保证输出的位移运动具有大转矩低速角。

第一，传动方案设计和总体体系。要在一次性设计的原理的指导下进行电动舵机结构的设计，使其结构较为简易，稳定性较高，能够使其传动水准与强度能力有较大的提升，不断优化设计方案。

第二，锥齿轮的设计。不同尺寸的齿轮选用的材料有所不同：小锥齿轮需要45钢进行调质处理；大锥齿轮需要45 钢进行正火处理。齿面疲劳点蚀和齿根疲劳折断均会导致齿轮失效。若要避免齿轮失效，就要摈弃传统的设计方式。通过静强度计算一次性机械设计相较于传统机械设计，在相同载荷的情况下的齿面接触疲劳强度或齿根弯曲疲劳强度设计方案，从而有效降低模数。

第三，柔轮的设计。柔轮的结构较为复杂，需要40CrNiMoA的材料，使硬度能够达到32～36HRC。按齿面耐磨计算得到的柔轮模数大约为0.3毫米。普通设计下的齿轮传动的咬合齿轮只有1～2对，而谐波齿轮需要更多的要和齿轮来满足协合程度。这样载荷作用点就能够通过更多的咬合齿轮来共同承担。

一次性机械产品是单次使用，寿命有限，只要在特点时间段内发挥它的应有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以体积和重量相对来讲也更小更轻。机械零件的基本原则主要考虑到了以下两方面因素：是材料强度特性和机械零件几何强度特性。

参考文献：

[1]强宝钢.关于机械设计方法趋势的探讨[J].丹东纺专学报，2015，01：10-11.

[2]欧阳中和.齿轮机构两种设汁方法的对比设计研究[J].贵州工业大学学报，2015，37（1）：43-47.

[3]范雪兵.“机械设计课程设计”多理念融合教学改革实践探讨[J].中国电力教育，2015，26：69-70.

[4]孙海燕，高清冉.《机械设计基础》优质核心课程建设研究[J].济源职业技术学院学报，2015，01：91-94.