浅析一次性机械设计的概念与应用

摘要：文章主要研究了一次性机械设计的相关内容。首先阐述了一次性机械的特征，并将该内容与常规设备对比，全面分析了一次性机械设计特征；其次在该基础上提出基于静强度校验的新设计理念，以某型箭用电动舵机减速装置为例，对一次性机械的静强度设计进行分析，证明了新方法的有效性和可靠性。文章对一次性机械设计的研究和发展具有一定的贡献性作用。

关键词：一次性机械；静强度校验；设计理念；设计方法；柔轮强度 文献标识码：A

中图分类号：TH122 文章编号：1009-2374（2015）03-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0206

一次性机械使用寿命较短，多运用于军事领域、航空领域等，是工业生产和社会建设的重要内容。但当前我国工业生产和社会建设过程中缺乏完善一次性机械设计理念，没有依照具体设计需求及指标对一次性机械设计内容进行调整和创新，这在很大程度上影响了一次性机械设计的发展。如何构建高质量、高效益一次性机械设计体系，形成新型设计方案在一次性机械体系构建中势在必行。

1 一次性机械的基本设计理念

工业生产过程中为了降低成本投入常选取一些短寿命设备，仅使用一次就不再对上述设备进行运用，这种设备被称为“一次性机械”。一次性机械可以有效满足系统负荷需求，实现短时期传动，但无法长期进行负荷运转。

一次性机械设计过程中要从一次性机械特性着手，依照其具体运行需求及运行环境实施设计指标的构建，其设计需保证：

1.1 与一次性机械使用条件相协调

与一次性机械使用相协调即与一次性机械使用状况、运行状况相协调。在该设计过程中，人员需要对一次性机械特征进行把握，依照其运行余量、使用时间、使用环境等确定设计参数，如体积参数、重量参数等。

1.2 与一次性机械失效形式相协调

长期使用的设备非常容易出现由磨损、疲劳造成的设备失效，导致设备故障。因此，在设备设计过程中相关人员对疲劳破坏进行了全面分析，形成了以高周疲劳为核心的设计体系。而一次性机械运行时间较短，运行周期过程中出现磨损的可能性较小，在设备设计过程中可以省略高周疲劳设计及分析内容。该设计过程中需从一次性机械传递动力出发，将一次性机械传递动力内容作为设计核心，最大限度提升一次性机械动静强度及

刚度。

2 一次性机械的静强度设计及分析

电动舵机主要由电动机驱动实现航行器方向控制，在工业领域应用非常广泛。受到设备空间的限制，电动舵机体系一般较小。运用长期使用设备设计方法对电动舵机减速装置进行设计时非常容易出现设计尺寸不匹配现象，即减速装置尺寸远大于箭用舵机尺寸指标。因此，电动舵机减速装置设计时需适当运用一次性机械设计理念，结合实际内容形成电动舵机减速装置设计新方法，从而实现装置效益的最大化。

本次一次性机械设计研究过程中笔者主要以某型箭用电动舵机减速装置为例，从该装置设计方案出发对一次性机械设计新方法进行研究，现研究结果如下：

2.1 电动舵机传动设计分析

电动舵机传动设计过程中需要对系统结构进行合理调整，要尽量降低电动舵机复杂程度，减小舵机质量，为其传动效益的提升创建良好的设备条件。与此同时，电动舵机传动设计过程中还需要对传动效率和传动能力进行分析，依照该指标合理确定电动舵机传动形式，形成系统化传动方案。本次研究过程中为了实现传动效益的最大化，电动舵机装置主要选取一对锥齿轮副和谐波齿轮传动的传动方案。

2.2 电动舵机锥齿轮设计分析

电动舵机锥齿轮设计的过程中需要对锥齿轮材料、锥齿轮失效形式等进行合理分析，依照电动舵机指标对上述内容进行合理优化，形成最佳设计指标及设计方法。本次电动舵机锥齿轮设计过程中主要选取45钢小锥齿轮作为主要材料，齿轮数z1为22，调整其传动转矩为T=0.2303N·m。与此同时，锥齿轮设计过程中还使用45钢大锥齿轮，使用前对其进行正火处理。

相关资料显示：电动舵机锥齿轮的失效形式主要表现为齿面疲劳点蚀和齿根疲劳折断。在对该失效形式进行控制的过程中相关人员需要对齿面接触面疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度进行合理控制，依照指标分析结果设计对应校验方式，从而纠正齿面疲劳点蚀和齿根疲劳折断问题。如果按齿面接触疲劳强度计算的齿轮模数结果为m=0.6mm，按齿根弯曲疲劳强度计算的结果为m=0.5mm。

载荷作用于单对齿啮合区研究过程可以直接将轮齿作为悬臂梁，依照弯曲关系中的正切力、应切力状况对梁截面中的力学数据进行合理分析，对弯曲应力计算内容进行明确，其具体内容见图1：

因弯曲过程中切应力远远小于弯曲应力，计算时可以仅考虑齿根危险截面弯曲应力，其具体计算内容如下：对单对齿啮合区上界点载荷进行分析，则齿根抗弯强度为：

式中：b为齿轮的齿宽；Fn为齿面所受正压力；αF为单齿啮合最高点的载荷角；SF为齿根宽度；[σF]为许用应力；hf为单齿啮合最高点处的弯曲力臂。

取SF=2.48mm，[σF]静强度为960MPa，则：

标准模数m=0.2mm。

由上述计算结果可知：静强度计算齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度时可靠性较高，依照该计算方法形成合理设计内容可以明显提升锥齿轮设计效益，改善其指标性能及设备性能。

2.3 电动舵机柔轮设计分析

电动舵机柔轮设计过程中可以选取40CrNiMoA作为主要材料。该柔轮设计过程中计算模数m=0.2mm。在基于静强度计算指标体系构建时与锥齿轮构建原理一致，其抗弯强度为：

由锥齿轮计算中的相关参数及对应柔轮参数，则柔轮模数为：

标准模数m=0.1mm。

由上述计算结果可知：静强度计算柔轮强度时可靠性较高，依照该计算内容形成对应设计体系对改善电动舵机性能具有非常积极的意义。

3 结语

一次性机械可以有效改善设备、系统的负荷效果，改善体系经济指标效益，已经成为人们关注到的焦点。在对该设备进行运用的过程中人员需把握好一次性机械的使用条件，要依照静强度校核设计原理对设计内容进行调整，实现一次性机械使用效益的最大化，从本质上加速一次机械设计发展进程。

参考文献

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作者简介：刘慧茹，女，河南省焦作市技师学院专职教师，研究方向：机械制造与电器工程及其自动化。

（责任编辑：周 琼）