基于某型电动舵机减速装置的一次性机械设计理念及实践

陈芳

摘要：与常规机械装置或零件相比，一次性机械的主要特点体现在体积小、重量轻，且在实际的使用过程中一般一次性机械不会发生高周疲劳现象。目前关于一次性机械的设计理论并不十分完善和成熟。文章基于某型电动舵机减速装置进行了一次性机械设计理念的分析和实践。文章首先针对一次性机械的特点和设计理念进行了综合阐述;其次以箭用舵机为例分析了箭用舵机关键零件这一类一次性机械的强度设计方法，从传动方案和总体结构、锥齿轮的设计、柔轮的设计三个角度进行了详细阐述;最后针对箭用舵機性能进行了测试，得到了一次性使用的谐波减速器的测试装置照片。文章认为，对于该型号电动舵机减速装置而言在相同载体条件下，可以通过将齿轮模数减少至40%，从而满足一次性机械设计的设计指标要求。

关键词：一次性机械;电动舵机;减速装置;设计理念;实践

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1001—5922（2021）02一0130—04

0引言

通常情况下，机械零部件和设备整机等在进行设计和制造时均需要满足用户进行长期使用的需求。例如机床、发动机、大型建筑设备及其零部件等，其通常需要满足社会生产数年甚至数十年的长期高频率使用。我们通常将这种设备称为常规机械。与常规机械相比，一次性机械装置的使用寿命较短，通常情况下不会进行二次时用。这种仅供用户进行单次使用的设备属于一次性、短寿命机械设备，因此通常被成为一次性机械。

一次性机械的使用场景多见于军事、航空航天、高端航海设备等领域。一次性机械使用场景的这一特点主要需要满足该领域对有效载荷的要求，在能够满足一次性使用场景传动要求的同时，对一次性机构或设备的体积、质量等要求均比常规机械更高。本文提出了一次性机械的设计理念，针对航空领域中的某型号电动舵机减速装置在有限体积条件下的一次性机械设计体系进行了研究和分析，并最终进行了该型号箭用舵机性能测试，结果表明本次设计的谐波减速器完全能够胜任一次性设计理念下的性能需求。

1概述

与常规的可重复使用机械设计理念相比，一次性机械设计方法是从传统常规设计中进行的特殊场合和对象的设计方法优化。一次性机械设计理念的设计方法中，同样有许多常规机械设计理念的影子，一次性机械设计是在现代机械应用场景多元化的背景下对传统机械设计方法的有效补充。对于一次性机械设计理念应用频率较高的多见于军事、航空等领域，如一次性使用的攻击性飞行装置、一次性使用的航空设备等。这些设备的使用寿命通常只有一次，因而通常不需要考虑传统机械设备的耐久陛、损耗度等。在进行该类型设备的设计和加工过程中，往往容易处于设计→实验→改进→再设计的设计流程中。这种传统设计理念具有较高的盲目性，同时由于传统设计理念在进行设计时不具备明确的实验目标，因而往往需要通过多次设计、改良来确定最终的设计方案，大大延长了设计实验周期。而实际上针对这种一次性损耗零件的设计，目前并没有—个完整、成熟并且可以供人们遵循的可靠流程和方法，尚需要进行充分研究和论证。

2设计特点与设计方法分析

2.1使用条件

与常规机械设计相比，一次性机械设计通常需要不需要较长的使用寿命或循环使用，因此并不需要对设计进行过多的余量设计。因此一次陛机械设计通常体积小、重量轻，材料在优先寿命里能够保证完成既定功能即可。

2.2失效形式

与常规机械相比，一次性机械的失效形式多考虑传递动力，并不需要对疲劳、磨损等失效形式投入更多关注，只要一次陛机械设计不至于受力折断即可。因此，一次性机械设计失效形式方面设计应主要保证系统的动静强度和刚度而非地应力高周疲劳。

2.3设计方法

一次性机械设计尚且没有一个固定、成熟以及可以供行业内普遍遵循的设计理论。一次性机械设计所生产的零件和产品通常不具备较高的使用寿命，在短期内零件并不会因为疲劳、磨损或腐蚀等形成疲劳破坏。疲劳破坏通常实在长时间内经过多次反复载荷下产生的破坏，当静强度极限或屈服强度远大于交变应力时，才有可能在机械设计中出现疲劳损坏现象。然而，由于一次性机械设计并不需要像传统机械设计一样考虑机械疲劳现象，通常在机械发生疲劳破坏之前通常就已经完成了设计使命，只要保证一次性机械设计产品不会在使用过程中手里破坏即可。因而，对于一次性机械设计而言，在进行机械设计时主要考虑静力破坏即可。当机械设计最大载荷对应的屈服强度或强度极限大于机械所受静力时，通常就不会发生静力破坏。因而，在不需要考虑零件整体疲劳破坏其他因素的情况下，只需要根据静强度要求对机械进行设计即可。一次性机械设计通常可以获得较低的机械重量和较为简单的机械结构。

3箭用舵机关键零件的强度设计

箭用电动舵机是电动舵机的一种，主要工作原理是利用电动机驱动从而改变航空器如火箭等的航行方向。箭用电动舵机通常会在使用功能完成后随火箭发射完成自毁。

由于航天器内部结构复杂且对质量、零件体积的限制性较高，通常在对箭用电动舵机进行设汁时要求零件具有尽可能小的体积。因此，目前普遍采用小体积高速伺服电动机对电动舵机进行驱动，同时配以大减速比的减速装置确定驱动电机的参数。然而，假设按照常规机械设计方法以伺服电动机额定输出转矩低速角位移运动的技术方案确定箭用舵机尺寸的话，通常无法满足航空航天器对零件尺寸和质量的要求。因而，需要按照以下方法，采用一次性机械设计理念进行设计。

3.1传动方案和总体结构

箭用电动舵机对机械结构的总体要求是：结构简单、体积小、重量轻，在工作过程中能够提供较高的传动效率目.零件提供的大速比传动形式需要提供尽可能大的承载能力。因此本文设计的传动方案采用了如图1所示的一对锥齿轮副和谐波齿轮传动形式的总体传动方案和结构。

3.2锥齿轮的设计

锥齿轮的设计参数及使用材料如表1所示。

在传统设计理念中，为解决锥齿轮的失效问题，通常多采用齿面接触疲劳强度和齿根完全疲劳强度的方式防止齿轮实效现象的出现。假设按照传统设计形式对齿轮参数进行确定可得：齿轮模数=0.5mm（齿根弯曲疲劳强度计算）或0.6mm（齿面接触疲劳强度计算）。然而由于箭用舵机减速器中的齿轮在发生失效现象之前便已經完成了整个使用寿命，因而并不需要按照以上参数进行设计，只需要按照锥齿轮承载的最大弯度进行计算即可。

利用一次性设计理念将齿轮的轮齿当悬臂梁。通常情况下，悬臂梁的横截面上弯曲应力要远大于切应力，因此通常在计算过程中只考虑切应力。按照式（1）进行箭用舵机减速装置齿根抗弯强度的计算：

根据式（2），可按一次性机械设计理念进行柔轮的设计计算，将相应的设计参数代人式（2）中可得柔轮模数为M=O.05mm，取标准模数m=0.1mm。

4箭用舵机性能测试

本文所研究的某型号箭用电动舵机减速装置的参数要求如表2所示。

根据多方专家论证，按照传统的机械设计工艺无法在减速器体积要求如此高的条件下，达到转矩和功率传递的性能要求。因此，本文针对这一问题对国外相关文献进行了查阅，认为可以按照21世纪初，西方某国家的类似产品设计理念进行魁法，在传统设计理念的指导下，按照有效体系设计系统最大功率，完成样机生产后对性能进行实验，发现其中不合理、不适用的地方进行修改直至所生产的产品符合性能要求和产品尺寸要求。这一方法尽管最终得到了所需要的产品特陛，但是由于实验过程具备一定的盲目性，通常需要在设计过程中融入其他的新型设计理念，用于制造这种—次性机械设备。按照—次性设计理念对西方类似装置设计方案进行优化，在完成产品设计和样机生产以后，可以按照最终实验进行产品性能考量。最终得到了本文所没计的一次性使用的某型电动舵机谐波减速器。

本文所设计的基于一次性设计理念的某型电动舵机谐波减速器主要性能参数如表3所示。本次论述总共参考设计成功的10套装置中随机筛选出的4套。受实验条件影响，本次设计的某型电动舵机谐波减速器除谐波减速器中的柔轮以外，其他装置仍按照传统的机械设计理念进行参数确定和加工工艺确定。

本文通过以下测试，获得了一次性没汁理念条件下某型号电动舵机减速装置柔性齿轮在最大载荷下的寿命。

第1步，将待检测工件固定在专有测试台上;

第2步，确定机械和电气零位;

第3步，通过直流电动机控制器，控制装置进^运转状态

第4步，根据测试台板弹簧提供的数据和刚度，计算负载转矩达到80N.m时的旋转角约为60°;

第5步，旋转角通过测试装置反馈系统控制单元，当旋转角达到标定值60°时，记录完成一次加载;

第6步，将舵机系统复零，反向加载至旋转角达到标定值60°时，完成第二次加载;

第7步，反复进行第5、6步实验，当发生系统噪声超标、减速器卡死以及电动机烧坏时停止实验，认定本次实验完成。

由此得到了表3所示的4组装置在相同条件下的不同失效情形。由表2可知，本试验采用一次性设计理念所得到的某型电动减速装置失效形式，仅有只有刺耳噪声是由于柔轮齿磨损造成的，设计参数和设计方法完全符合实际的箭用电动舵机减速装置工艺要求。

5结语

综上所述，针对目前一次性接卸设计理论研究相对匮乏的现状开发了一种基于一次陛机械设计理念的电动舵机减速装置设计方法。在不考虑电动舵机减速装置摩擦、磨损和疲劳等其他失效方式的条件下，获得了体积更小、重量更轻的新型箭用电动舵机减速装置的设计数据并完成了具体的事物生产。一次性机械目前并没有可以严格遵循的设计理念，因此本文所提出的一次性没计特点和设计理念，能够证明一次性机械设计理念的可行性，为今后在军事、航空航天等领域的一次性机械设计工作提供理论和数据支持。