一次性機械設計的理念和應用

王剛++賈潔

[摘 要]由于使用壽命較短，類似于當下較為流行的“一次性”制品，我們將這樣一類的單次使用機械產品稱之為屬 “一次性機械”。一次性機械往往在軍事武器、航空航天等場所得到應用。文章主要介紹了一次性機械設計的理念以及應用實踐的案例。

[關鍵詞]一次性；機械設計

通常我們所見的機器、設備和機械構件，如車床、汽車、起重機等都需要長期使用，因此可以稱為“常規機械”。而還有一些機械產品的壽命就相對較短，通常情況下使用一次就不再使用。由于使用壽命較短，類似于當下較為流行的“一次性”制品，我們將這樣一類的單次使用機械產品稱之為屬 “一次性機械”。一次性機械往往在軍事武器、航空航天等場所得到應用。這些領域中的機械制品往往對載荷程度有一定的要求，尤其是傳動機構還有體積、質量等方面有更為嚴格的需求保障。本文主要分析了一次性機械的特點和設計理念，并在航空航天領域中針對有限體積條件提出了一次性機械設計概念的應用與實踐。

一、一次性機械的特點和設計理念

1. 使用條件

常見的機械產品的通常是長時間和循環的，并留有較大的余量范圍，因此顯現出體積大、重量大的特點；而一次性機械產品是單次使用，壽命有限，只要在特點時間段內發揮它的應有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以體積和重量相對來講也更小更輕。

2. 失效形式

常規機械的功效損耗的原因大多為疲勞、磨損，其中，最常見的疲勞效應表現為低應力高周疲勞。但是在實際應用過程中，正常的機械工況載荷就會產生高周疲勞，因此，通常所見的疲勞破壞均是指高周疲勞破壞。一次性機械的失效形式主要表現為傳遞動力導致其受力折斷，因此在設計過程中主要考慮到的是動靜強度和剛度。

3. 設計方法

針對常規機械的設計方法已經較為完善，但是一次性機械產品的設計的理論構建還沒有成熟。一次性機械在其有限的使用時間內，發生失效的原因不可能是長時間的疲勞、磨損、腐蝕等。多次反復載荷作用下才可能導致疲勞破壞，并不是短期內能夠發生的，但是當當交變應力遠小于靜強度極限，或是小于屈服強度時，也有可能發生疲勞破壞。因此，在設計常規機械的時候，許用應力的設定往往遠小于靜強度極限和屈服強度。一次性機械的使用期限較短，往往還沒有發生疲勞破壞壽命已經結束，因此只要避免機械產品的受力破壞。靜力破壞指的是載荷度最大情況下的破壞，為避免靜力破壞，就要保證其小于屈服強度或強度極限。由于一次性機械能夠免除疲勞等因素對其的破壞，因而可以按照根據靜強度要求進行設計，不必在體積和重量上留有余量，使其變得更小更輕。

二、一次性機械設計遵循的基本原則

機械零件的基本原則主要考慮到了以下兩方面因素：

是材料強度特性和機械零件幾何強度特性。材料強度特性屬于材料自身的基本屬性，在機械設計領域內的材料強度涉及到更為廣泛的金屬度材料應用，尤其指的是金屬材料的機械特性。體現在機械零件的設計準則中就成為了強度設計準則，主要內容有涉及斷裂和屈服的靜強度，循環載荷的疲勞強度，還有一些在特殊情況下會發生的抗沖擊、抗磨損、抗腐蝕等性能的設計；針對幾何強度就要涉及到零件的幾何以及其所包括的及約束條件等，與之相對應的機械設計準則是剛度設計準則，能夠有效避免由于變形、失穩以及彈性變形導致的差過大等失效的結果。由此可見，一次性機械零件設計的時候應該具備以下幾方面的原則：第一，靜強度設計。這方面的涉及與常規機械零件的靜強度設計準則相類似。第二，疲勞強度設計。這方面的設計應遵循一次性機械零件的自我需求準則，尤其是對于某些具有特殊用途的一次性機械零件，更要有針對性的設計準則。

三、一次性機械設計的應用與實踐

火箭主要依靠電動舵機的電動機驅動機械來控制航行方向，但是火箭的電動舵機會隨著火箭的上升而逐漸自毀。但是由于受到空間上特征性的限制，使高速直流伺服電動機在設計實踐過程中就要保證一定的體積，依靠大減速比的減速裝置來保證輸出的位移運動具有大轉矩低速角。

第一，傳動方案設計和總體體系。要在一次性設計的原理的指導下進行電動舵機結構的設計，使其結構較為簡易，穩定性較高，能夠使其傳動水準與強度能力有較大的提升，不斷優化設計方案。

第二，錐齒輪的設計。不同尺寸的齒輪選用的材料有所不同：小錐齒輪需要45鋼進行調質處理；大錐齒輪需要45 鋼進行正火處理。齒面疲勞點蝕和齒根疲勞折斷均會導致齒輪失效。若要避免齒輪失效，就要擯棄傳統的設計方式。通過靜強度計算一次性機械設計相較于傳統機械設計，在相同載荷的情況下的齒面接觸疲勞強度或齒根彎曲疲勞強度設計方案，從而有效降低模數。

第三，柔輪的設計。柔輪的結構較為復雜，需要40CrNiMoA的材料，使硬度能夠達到32～36HRC。按齒面耐磨計算得到的柔輪模數大約為0.3毫米。普通設計下的齒輪傳動的咬合齒輪只有1～2對，而諧波齒輪需要更多的要和齒輪來滿足協合程度。這樣載荷作用點就能夠通過更多的咬合齒輪來共同承擔。

一次性機械產品是單次使用，壽命有限，只要在特點時間段內發揮它的應有功效就行，因此不需要留有太大的余量，所以體積和重量相對來講也更小更輕。機械零件的基本原則主要考慮到了以下兩方面因素：是材料強度特性和機械零件幾何強度特性。

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