一次性机械设计理念及典型零件一次性机械设计方法研究

提出一次性机械新设计理念和典型零件一次性机械设计新方法。针对应用在航天航空、军事武器等军工领域一些机械产品（如火箭、导弹、鱼雷的传动机构等）的特点，即短时间工作，并且随着其任务的完成而自毁而具有一次性使用的特征，提出这类机械可称为"一次性机械"。目前这些机械的开发方法采用试制方法进行，盲目性大，成本高。首先研究忽略疲劳并应用静强度理论的一次性机械设计理念。然后根据一次性机械设计理念研究齿轮和传动轴等典型零件的一次性机械设计方法，并进行典型零件的一次性机械设计和常规机械设计对比分析和实验研究，获得设计零件的功率-体积（重量）比和应力计算结果，论证一次性机械理论的合理性和可行性。最后研究多因素作用下的一次性机械和常规机械之间的临界点，给出两者之间精确界限判断的数学模型，解决两种设计方法的应用场合问题。研究成果在航空、航天、国防等诸多领域中有着广阔的应用前景，对完善机械设计理论有重要意义。

一次性机械零件在航空航天领域有着广泛的应用，这类机械零件受到苛刻的尺寸重量限制，传统的基于常规机械零件使用要求而建立的方法无法满足其设计要求。本项目对一次性机械零件的概念和设计方法进行了研究。. 首先，对一次性机械零件的概念及其设计应遵循的原则进行了研究。通过对比常规机械零件和一次性机械零件在设计和使用要求上的不同，给出了一次性机械零件的定义和设计应遵循的基本原则。. 然后，针对一次性机械和常规机械的区分界限进行了研究。通过试验研究了40Cr在较高循环应力水平下的低周疲劳失效和棘轮失效特征，定义产生0.2%的总塑性变形时所对应的循环载荷作用次数为疲劳弹性失效寿命，提出将疲劳弹性失效寿命作为一次性机械和常规机械的区分界限。. 在此基础上，展开了一次性齿轮零件设计方法及其应用研究。研究了基于啮合过程的承受较高载荷的齿轮有限元分析模型，利用该模型研究了较高的应力水平带来的齿间载荷分布特征的变化，并获取相应的应力应变信息，在此基础上，基于多轴疲劳的临界平面理论，建立了齿根弯曲低周疲劳寿命预测模型。为验证该模型，研制了专用于小模数齿轮疲劳试验机，利用该试验机测试了小模数40Cr钢制齿轮在较高对称循环应力作用下的疲劳寿命，验证了寿命预测模型的有效性。综合一次性齿轮零件所用材料疲劳试验和齿根弯曲疲劳寿命试验，验证了一次性机械零件设计理念的可行性。. 最后，基于一次性机械零件设计理论进行了某型号箭用舵机减速器的设计研究。该减速器为采用具有直筒形柔轮和输出刚轮的复波输出结构的谐波减速器。采用了一次性机械零件设计方法，利用基于临界平面理论的疲劳强度设计模型，进行了直筒形柔轮的疲劳强度设计。最后，采用了新设计柔轮的箭用舵机减速器经专用测试台测试，其性能指标满足设计要求。