典型一次性機械零件的設計及應用分析

王娟

（徐州機電工程學校機械工程系，江蘇徐州221131）

典型一次性機械零件的設計及應用分析

王娟

（徐州機電工程學校機械工程系，江蘇徐州221131）

一次性機械零件與常規機械零件存在差異，其只用承擔短時間的交變載荷，并且工作壽命短，大部分在一次使用后就不再使用，因此在設計方法上一次性零件也與常規機械零件存在差別。筆者結合工作經驗從一次性機械零件的設計特點與原則入手，對典型一次性機械零件設計及其應用效果進行了分析，借以為一次性零件的研究提供參考。

一次性機械零件；設計原則；設計方法；應用效果

在一般的情況，機械設備和零件都是需要長期使用的，如車床、汽車、常規齒輪零件等，因此對常規零件設計均要考慮其較長的使用壽命。與需要長期使用的常規機械和零件相比，還有一種使用壽命非常短的機械與零件，通常被稱為一次性機械零件，這類機械零件往往在使用一次后便不再使用，多用于軍事武器、航空、航天等領域。這類一次性機械零件一方面要確保機械能夠滿足有效荷載、傳動要求，同時對其傳動機構的質量與體積也有著嚴苛的要求。筆者結合工作經驗介紹了一次性機械零件的特點與設計準則，并結合設計實例對典型一次性機械零件設計及其應用效果進行了分析。

1　一次性機械零件概念及特點

站在整體與局部的角度上看，一次性機械是一個整體的概念，而一次性機械零件則是局部概念，對一次性機械的設計可看做是和各種一次性機械零件的設計，與常規機械零件進行比較，其具有多個方面的特征[1]：

第一，使用條件方面的特征。常用的常規零件通常必須要滿足長期的、可靠的使用與循環使用條件，并且有較大的余量，因此其質量、體積往往較大，并且制造材料優良。一次性機械零件則使用壽命較短，時間有限，絕大多數僅適用一次便不能再次使用，只需要確保其能夠在特定時間里成功的完成功能即可，對余量要求小，因此其質量較輕，體積較小。

第二，失效特征。常規機械零件失效大多是由于長期使用發生磨損和疲勞造成的，這種疲勞破壞通常是指的高周疲勞破壞，因此在設計中將導致高周疲勞的荷載認為是處于正常工況下的。一次性機械零件與之不同的是，由于僅適用一次，因此只要保證機械零件不會因為遭到外力破壞發生折斷即可，因此設計中主要考慮其剛度與靜強度。

第三，設計方法上的特點。對常規機械零件設計已經有了一套很成熟的設計理論，但是一次性機械與零件的設計理論并不成熟，一次性機械零件的使用壽命很短，機械零件在發生疲勞破壞前就完成其使命，因此使用中發生磨損、腐蝕和疲勞等均不是引起零件失效的因素，所以針對一次性機械零件只要保證不受外力破壞便可完成工作。靜力破壞是一種最大載荷下發生的破壞，當靜應力低于屈服強度，或者低于強度極限時，靜力破壞并不會發生。因此一次性機械零件設計不用考慮疲勞、磨損等因素，因此可去除大量的余量，減少機械零件的體積與質量，然后根據靜強度合理的設計。

2　一次性機械零件設計的基本原則

2.1靜強度設計

對靜強度進行設計是以材料靜載特性作為基礎，幾種典型的金屬材料應力-應變曲線（σ-ε曲線）見圖1.根據靜拉伸試驗，獲得應力-應變曲線的特點，在金屬材料具體的機械零件設計過程中，通常將材料彈性變形區作為零件允許使用的范圍。獲得靜拉強度數據（采用靜拉伸試驗），運用強度理論轉換為不同類型強度參數[2]。由于靜強度設計準則與機械零件使用壽命無相關性，因此在一次性機械零件的設計中要滿足材料的靜強度要求。

圖1　一次性機械零件載荷譜

2.2疲勞強度設計

對疲勞強度的設計是以承受循環荷載的材料疲勞特性為基礎的。在常規機械零件疲勞設計中參照應力幅-壽命曲線、應變幅-壽命曲線，以應力控制疲勞試驗數據為依據的，即應力幅-壽命曲線，采用無限壽命設計法，即設計應力＜疲勞極限，或者采用有限壽命設計法，即設計應力＞疲勞極限[3]。應力幅-壽命曲線可采用WO¨hler公式來描述：

其中，循環應力幅值以σa表示，C和m均表示材料的常數。

通常情況下，σa與平均應力共同來完整地描述循環應力特征需要的，但是在WO¨hler公式中，并未體現平均應力，該結果意味著平均應力并不是高周疲勞并的顯著影響因素，高周疲勞則需要通過對該類材料進行疲勞試驗，通過數據擬合來獲得。由公式（1）可獲得，當零件的應力與屈服極限相接近時，將發生失效，因此，在常規機械零件設計過程中，過載能力分析中需要應用應變控制疲勞數據也就是應變幅-壽命曲線，其可用下述規律表達：

其中，εa、εap、εac分別表示的是應變幅值、塑性，以及與彈性應變幅值，Cp、Ce、p、e分別表示的是材料常數。

在常規機械零件的設計過程中，其使用壽命是與疲勞強度緊密相關的，因此將疲勞強度設計準則認為是壽命設計準則，但一次性機械零件則不同，根據其使用特點，在疲勞強度設計上也具有特殊性。

綜上所述，一次性機械零件的設計準則為：

（1）靜強度設計時，按照靜強度設計準則對常規機械零件設計；

（2）疲勞強度設計時，遵循一次性機械零件使用要求相匹配的疲勞強度設計準則，在有特殊需要的情況下要輔助采用特殊設計準則。

3　典型一次性機械零件的設計及應用

3.1典型一次性機械零件設計關鍵點分析

以一次性齒輪零件為例，在實際應用中齒輪零件使用要求上有所差異，例如箭用舵機減速器中的齒輪，其使用時間很短（幾十秒到幾十分鐘），在導彈命中后自毀，減速器工作也停止，因此箭用舵機減速器中的齒輪并不需要像常規常規齒輪零件一樣滿足其長期運行穩定要求，長期穩定運行假設也就不適用，甚至會造成設計結果的大量冗余，對導彈有效荷載指標造成影響[4]。基于此，一次性機械零件被廣泛地應用在航天軍事領域中。箭用舵機減速器是一種典型的一次性機械，而減速器中的齒輪就是一次性齒輪零件。

與常規機械齒輪一樣，一次性齒輪零件在外形上并無差異，制造加工工藝也基本一致，但是二者所處的環境與承受的荷載具有明顯的差異，并且在失效形式上區別十分顯著。假設一次性齒輪零件和常規齒輪參數是相同的，那么一次性齒輪所具有的承載力則比常規齒輪更高，而這一切都是以一次性齒輪工作壽命短為前提條件的。齒輪參數相同及再荷載水平增加的情況下，齒根彎曲應力也隨之明顯增加，并且應力增加的速度也要比齒面接觸應力的增加速度更快，這就決定了在一次性機械齒輪的強度設計中，齒根彎曲應力的計算是關鍵。一次性齒輪設計的主要內容為齒根彎曲強度的設計，表達公式為：

其中，σD表示齒根彎曲應力，[σ]D表示一次性齒輪使用下材料許用強度。

3.2實踐設計與應用分析

箭用舵機是用于火箭的航向控制機構，在完成發射后自行毀滅，由于活檢空間結構有限，為了滿足要求，舵機體積不能過大，而當前高速直流、小體積的伺服電動機是最為普遍應用的。舵機減速裝置的設計非常的關鍵，設計目標為額定輸出轉矩，但采用常規機械設計方案并不能達到體積上的要求。因此，舵機減速裝置關鍵零件采用一次性機械零件設計方案。

（1）總體結構與傳動結構的設計

箭用舵機結構要最大程度的緊湊與簡單，并且傳動效率、承載能力都要盡可能的高，所以箭用舵機減速裝置采用了一對錐齒輪副、諧波齒輪傳動方式，結構見圖2所示。

圖2　舵機總體結構

（2）錐齒輪設計

材料選擇：大錐齒輪為45#鋼，齒數為66，進行正火處理；小錐齒輪為45#鋼，齒數為22，進行調質處理，傳遞轉矩為0.230 3 N·m.為了防止齒輪由于齒面疲勞點蝕、齒根疲勞折斷而失效，因此對強度設計校核采用齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度來進行，根據二者的計算公式獲得的齒輪模數分別為0.60 mm、0.50 mm.

在舵機減速器齒輪發生疲勞點蝕、折斷時它的工作已經完成了，因此忽略疲勞強度的計算，然后根據靜強度條件計算過載折斷下的模數，對齒輪是否能夠承載這么大的彎矩進行校核。將齒輪輪齒看作為懸臂梁（圖3），在一般情況下梁橫截面有正應力與切應力同時存在，并且切應力是比彎曲應力要顯著更小的，因此忽略不計，因此按照齒根危險截面彎曲應力計算。

圖3　單對齒嚙合區荷載作用

由公式（3），考慮單對齒嚙合區荷載作用，齒根抗彎強度計算公式為：

各參數代入得模數m≥0.16，取標準模數0.2 mm，荷載相同的情況下，通過常規齒面接觸疲勞強度、靜強度、齒根彎曲疲勞強度的校核比較，使用模數所占的比例達到40%.

（3）柔輪的設計

柔輪模數采用0.2 mm，硬度在34~36 HRC之間。常規齒輪傳動齒和嚙合一般有1~2對，而在諧波齒輪的參與下，齒嚙合對數則占到總數的30%，并無單對齒嚙合情況。這種情況下，荷載僅作用在輪齒齒頂，力與嚙合齒平分，則（4）式可改為

各參數代入得模數m=0.05 mm，取標準模數0.1 mm.

上述設計主要是對舵機減速器最大荷載下的壽命進行的，最終測試結果見表1.設計的諧波減速器完全滿足設計要求。

表1　諧波減速器性能

4　結束語

同常規零件比較，一次性機械零件在使用條件、失效方法與設計方法都存在較大的差異，在一次性機械零件的設計中要遵循靜強度校核，而非磨損、疲勞等失效方式。結合工作需求、使用條件合理設計一次性機械零件是可行的。

[1]李群松，朱穎，譚海林，等.變摩擦條件下三維接觸問題有限元分析改進[J].中國機械工程，2012，（16）：1929-1933.

[2]許金泉，郭鳳明.疲勞損傷演化的機理及損傷演化律[J].機械工程學報，2010，（46）：40-46.

[3]王廣林，潘旭東，李躍峰.一次性機械設計理念及實踐[J].機械工程學報，2014，（1）：153-155.

[4]劉慧茹.淺析一次性機械設計的概念與應用[J].中國高新技術企業，2015，（3）：26-27.

Design and Application Analysis of Typical Disposable Mechanical Parts

WANG Juan
（Xuzhou Mechanical and Electrical Engineering School Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Jiangsu 221131，China）

Disposable mechanical parts and conventional mechanical parts are different，the only bear the short time alternating load，and short service life，most used in time after it is no longer used，so the design method of disposable parts also with conventional mechanical parts are different.The author of the work experience starting from the design features and principles of disposable mechanical parts，on the design and application effect of typical disposable mechanical parts are analyzed，through research thought to provide reference disposable parts.

disposable mechanical parts；design principles；design method；application effect

TH122

A

1672-545X（2016）10-0114-04

2016-07-07

王娟（1983-），女，江蘇揚州人，本科，講師，長期從事機電類教學和研究工作。