某永磁直流力矩电动机转轴倾斜现象质量改进

李文俊，唐玉春，张学敏，秦祖和，张 瑗

(1.装备发展部军事代表局驻上海地区军事代表室，上海 200437；2.中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

某永磁直流力矩电动机(以下简称电机)用于配套某武器平台位标器系统，用户反馈有个别电机存在转轴倾斜的现象，造成整机部分指标临界，电机使用时可能存在转轴松动、结构失效的风险。针对用户方反馈的质量信息后，我们组织专业技术人员进行了摸排、分析与整改。

1 转轴倾斜现象分析与定位

在该型电机的技术要求中，对电机的外观要求：表面应无锈蚀、碰伤、划痕或涂覆层脱落，紧固件连接应牢固，引出线标记及铭牌字迹应清楚无误，引出线应完整无损。通过复查转轴倾斜的电机发现，使用0.5 mm塞尺塞进转轴与护罩间隙，一周均能塞进，电机安装配合面同轴度复测值为φ0.012 mm，符合技术要求。可以得出结论：电机虽然出现转轴倾斜现象但仍符合技术要求，因此该现象并非质量问题[1]。考虑到电机转轴倾斜现象可能会影响总体装备的部分性能指标以及电机应用场景的敏感性，根据转轴倾斜现象和电机结构特点，建立以转轴倾斜为顶事件的故障树，如图1所示。通过拆解转轴倾斜的电机，复测有关尺寸、检查轴承收入检验记录和投料记录以及多余物情况，可以排除底事件X1、X2、X3、X4。电机技术状态已固化且生产过多个批次，通过分析，尤其与上个批次生产条件对比，装配工序与装配人员均未发生变化，底事件X5的可能性不能排除。因此，将电机转轴倾斜的原因定位为转轴安装不到位。

2 机理分析与复现

2.1 机理分析

根据电机转轴安装工艺，转轴与转子通过止口配合，端面使用均匀分布的3颗3-M2沉头螺钉锁紧，保证转子左侧端面与转轴右侧的沉孔底面靠平压紧，使转轴与转子满足同轴要求。由于配合间隙小、摩擦阻力大，假如转轴开始推入转子时就发生偏斜，则会存在一高一低的情况，如图2所示。接触点1和接触点2的摩擦阻力，使得转轴不容易回到正常位置。如果此时正好靠近低点位置的螺钉1先被拧紧，摩擦阻力随着接触点1的轴向压力加大而增大，使得接触点1无法滑动，螺钉2、3随后拧紧时，接触点2的摩擦阻力也随之增大，使得转轴无法在螺钉2、3的轴向压力下回正，从而造成转轴安装倾斜。

可以看出，转轴最终安装倾斜需要同时满足以下几个条件：

1)转轴初始安装时没有一步推入到位，初始状态倾斜；

2)其中有一个螺钉位置正好在转轴低点附近；

3)第一个拧紧的螺钉正好处在上述低点附近；

4)倾斜幅度足够大，以至于在第一个螺钉拧紧时产生的轴向压力不能克服接触点1的摩擦阻力发生位移，后续拧紧螺钉产生的轴向压力无法克服接触点2的摩擦阻力发生位移。

2.2 现行测试方法分析

该型电机为组装式结构，由定子、转子、刷架组件、护罩、转轴、轴承等零部件组成。产品规范中关于同轴度的试验方法引用的是GJB 361B—2015《控制电机通用规范》4.5.6条款 “电机转轴(φ8 mm)垂直放置并固定，千分表的测量头置于安装配合面(φ56.5 mm)上，转动定子，判断千分表的最大与最小读数之差是否小于φ0.05 mm”[2]，具体如图3所示。

从图3可以看出，该型电机无论转轴1装配是否倾斜，测试转轴与机壳同轴度时，机壳均以转轴2旋转，无法通过测试同轴度判断转轴1是否倾斜。另外，转轴与电机护罩之间的间隙很小，即使转轴倾斜也很难通过肉眼查觉。

2.3 轴伸径向圆跳动测试

基于上述分析，提出测试轴向垂直方向的径向指标——轴伸径向圆跳动来判断此类电机转轴是否倾斜。根据轴伸径向圆跳动的测试方法[2]，以定子安装面φ56.5 mm为基准，将电机机壳固定，千分表的测量头置于转轴φ8 mm上，并尽可能靠近轴伸端，慢慢地转动转轴，判断千分表的最大与最小读数之间是否符合要求，具体方法如图4所示。

该型电机转轴是通过螺钉固定在转子轴套上的，转轴的圆跳动主要由轴承径向间隙、轴承与转子内孔的配合间隙、转子内孔与外圆的同心度、转子外圆与转轴内孔的配合间隙、转轴内孔和转轴轴伸的同心度等组成，通过查阅相关参数得知，该电机轴伸径向圆跳动理论最大值为0.112 mm。出现转轴倾斜现象电机的轴伸径向圆跳动测试值为0.20 mm，超出了理论最大值。松开该电机转轴固定螺钉后将轴松动，把转轴装配到位后重新拧紧固定螺钉，测试该电机的轴伸径向圆跳动，结果为0.022 mm，转轴倾斜现象消失。随后按照前文所述条件，对电机转轴倾斜现象进行了复现，轴伸径向圆跳动测试值为0.18 mm，超出了理论最大值。

3 质量改进措施

对于电机转轴倾斜现象，主要担心的是电机在工作时可能会产生转轴松动、结构失效的风险。所以，在提出质量改进措施前，首先进行理论分析与试验验证，以判断电机在使用时转轴是否松动。

3.1 理论分析

电机工作时，转轴通过钢丝绳输出转矩，电机转轴受钢丝绳产生的径向力F1、F2作用，轴向受3-M2螺钉锁紧后的预紧力F3、F4、F5作用，具体如图5所示。转轴安装倾斜时，由于下侧间隙的存在，在外力F1、F2作用时，间隙有减小的趋势，需计算转轴倾斜发生回正时的F1、F2最小值，来判断正常工作时径向外力F1、F2是否会引起转轴倾斜回正，导致螺钉松动、结构失效。

通过查阅螺钉紧固扭矩、螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数、螺钉公称直径等相关参数，可以计算得到轴向预紧力F3、F4、F5值为450 N，电机在整机上受力F1、F2设计值为200 N，对应的力臂L3=2.2 mm，L4=L5=16 mm，L1=3.85 mm，L2=9.35 mm。F1、F2向下外力产生弯矩W1、W2与螺钉预紧力F3、F4、F5产生弯矩W3、W4、W5同向。在外力F1、F2作用下，随着W1、W2增大，W3、W4、W5减小，总力矩保持不变，与阻力矩W6平衡。当F1、F2为0时，可以计算得到阻力矩：

W6=W3+W4+W5=F3L3+F4L4+F5L5=

450×2.2+450×16+450×16=

15 390 N·mm

当W1+W2=15 390 N·mm时，螺钉预紧力降为0，

W1+W2=F1L1+F2L2，且F1=F2，则可以计算得到此时对应的外力F1=F2=1 166 N。如果继续加大W1、W2，需要的阻力矩开始加大，结构存在松动失效风险。换言之，当F1、F2大于1 166 N时，接触点存在滑动位移的可能，会造成倾斜的转轴回正、螺钉松动。通过理论计算可以得出结论，在当前F1、F2为200 N条件下，电机结构不会在转动过程中发生松动失效。

3.2 试验验证

选取2台转轴倾斜的电机进行振动(随机振动Ⅰ、机动抖振、自主飞行振动)和冲击(冲击Ⅰ、冲击Ⅱ)试验，试验结束后测试电机轴伸径向圆跳动，结果如表1所示。另选取2台转轴倾斜的电机，模拟电机在整机中的使用环境，对转轴径向加载200 N的外力F1、F2，测试外力加载前后轴伸径向圆跳动，结果如表2所示。

表1 振动和冲击试验前后轴伸径向圆跳动测试值对比

表2 径向力加载试验前后轴伸径向圆跳动测试值对比

从表1、表2可知，转轴倾斜的电机在振动和冲击试验、径向力加载试验前后轴伸径向圆跳动没有明显变化，电机转轴也没有发生松动，印证了本文理论分析的正确性。

3.3 质量改进措施

针对电机转轴倾斜现象制定如下措施：

1)对于已交付且已装机的电机，经理论分析和试验验证，转轴倾斜不会造成电机松动，并且整机对应的测试合格，不影响整机性能，可以正常使用，用户对该方案予以认可。

2)对于已交付未装机的电机，补测转轴轴伸径向圆跳动，对圆跳动超差的电机由承制单位重新安装转轴，轴伸径向圆跳动复测合格后用户予以接收。

3)承制单位生产的电机中只有该型电机转轴为组装式结构，为此，转轴倾斜现象质量改进只涉及该型电机。

对于后续该型电机，改进措施包括：

1)增加技术要求。考虑到电机实际使用需求，承制单位与用户方商定增加轴伸径向圆跳动不大于0.07 mm的技术要求。

2)修改工艺文件，增加过程质量控制点。修改电机生产工艺文件，要求转轴装入转子后旋转一周应能转动灵活、无卡壳，确保安装到位；3-M2螺钉固紧时，按照紧固件间相互影响最小原则，3个螺钉先初步预拧紧，再使用力矩螺丝刀按力矩要求(0.4 N·m)拧紧到位；转轴安装工序完成后，将电机放置专用工装上，通电1 V，测试转轴φ8 mm径向圆跳动，要求不大于0.07 mm。

3)修订产品规范，增加测试项。按照本文所述方法，在电机产品规范中增加轴伸径向圆跳动A组测试项，后续电机的检验验收按照新修订的产品规范进行。

4 结 语

本文电机转轴为组装式结构，转轴与机壳之间的间隙很小，即使转轴安装倾斜，仅通过测试转轴与机壳之间的同轴度也无法判断出转轴安装是否倾斜。本文结合电机结构特点，通过事前增加轴伸径向圆跳动的技术要求、事中修改工艺操作方法、事后增加测试项等措施，有效提升了电机质量水平。