電機選型基礎(chǔ)知識第4部分：如何計算徑向載荷和軸向載荷

除了負載轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩、速度和負載慣性之外，在電機選型過程中忽略某些選型參數(shù)實際上可能會造就或毀掉您的機器。

電機的性能特征由其扭矩和速度規(guī)格描述。電機的結(jié)構(gòu)強度由其徑向載荷和軸向載荷規(guī)格描述。電機的扭矩和速度規(guī)格表明電機是否可以執(zhí)行任務(wù)。電機的徑向負載和軸向負載規(guī)格表示電機可以執(zhí)行任務(wù)的時間。

電機的結(jié)構(gòu)強度來自其外殼、法蘭支架和輸出軸組件的綜合機械剛度。對于齒輪電機，它還包括齒輪和附加軸承。然而，最靠近負載的軸承“承受”了大部分這種負擔。不用說，電機或減速機的徑向和軸向載荷規(guī)格與其軸承有很大關(guān)系。

我們在下面展示了交流電機及其減速機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相同的軸向載荷和徑向載荷概念適用于所有類型的電機。

讓我們從里到外開始。電機唯一的旋轉(zhuǎn)元件是轉(zhuǎn)子 (4) 和軸 (5) 組件，它們由兩端的兩個滾珠軸承 (6) 支撐。定子 (2) 在轉(zhuǎn)子外部并由非常薄的氣隙隔開。法蘭支架 (1) 和電機外殼 (3) 構(gòu)成了外部結(jié)構(gòu)。整個組件在額定負載下支持電機內(nèi)的所有靜態(tài)和動態(tài)力。

在安裝在電機小齒輪軸上的齒輪箱(或齒輪箱)中，每個齒輪和輸出軸均由其自身的軸承支撐，而輸入軸(電機小齒輪)仍由電機軸承支撐。請注意，支撐齒輪軸(和負載)的軸承是最大的。齒輪法蘭和齒輪箱完善了外部結(jié)構(gòu)。整個組件在額定負載下支持齒輪箱內(nèi)的所有靜態(tài)和動態(tài)力。

齒輪箱中的輸出軸軸承通常比電機中的輸出軸軸承大，因為齒輪箱軸上的負載會比電機軸上的負載大得多。

下圖顯示了作用在電機軸和減速機上的徑向載荷(懸臂載荷)和軸向載荷(推力載荷)力。

徑向載荷(也稱為懸臂載荷)

徑向載荷定義為可以在徑向方向(垂直于電機軸軸線的任何方向)施加到軸上的最大力。徑向負載也稱為“懸臂負載”，因為負載可能“懸掛”在軸上。徑向載荷隨懸臂載荷安裝點與其支撐軸承之間的距離而變化。

軸向載荷(也稱為推力載荷)

軸向載荷定義為可以在軸向方向(與電機軸同軸或平行)施加到軸上的最大力。軸向載荷也稱為“推力載荷”，因為推力和推力載荷是作用在完全相同的軸上的力。典型的軸向負載大約是電機重量的一半，盡管多年來這一比例有所增加。

這些力可以作用于任何方向。

例如，如果電機具有 100 N 軸向載荷規(guī)格，則表示電機可以在其軸上懸掛 100 N 載荷(如果軸朝下)，或者在其軸上支撐載荷(如果軸朝下)向上)。100 N(牛頓)約等于 10 kg。

為什么這些規(guī)格很重要?

徑向和軸向載荷規(guī)格都與軸承、軸和外殼組件的強度或機械剛度有關(guān)。 超過這些規(guī)格可能會導(dǎo)致滾珠軸承損壞，例如滾道和滾動元件剝落，或損壞輸出軸。

例如，如果超過允許的徑向載荷，則軸可能開始彎曲并最終斷裂。如果超過允許的軸向載荷，則電機或齒輪箱軸承可能會老化并最終失效。無論哪種方式，電機都會停止運行或壽命縮短。最靠近負載的支撐元件通常是第一個損壞的部件。

提示：簡單的滾珠軸承測試

要檢查電機或齒輪箱是否有內(nèi)部損壞，可以斷開電源并將電機從齒輪箱上拆下，然后手動順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)軸。如果電機或減速機損壞，您會感覺到從一個方向到另一個方向的阻力不同，聽到異常噪音，或者根本無法旋轉(zhuǎn)軸。

壽命結(jié)束的時間與超出這些規(guī)格的程度和時間長短成正比。例如，由于我們的滾珠軸承的額定壽命為 10,000 小時，因此超出徑向或軸向載荷規(guī)格 10% 可能會使其壽命縮短約 1,000 小時。

如果您對基于軸承壽命的使用壽命估算感興趣，請知識淵博的技術(shù)支持工程師。

這些規(guī)格是如何顯示的?

制造商可能會以不同方式顯示這些規(guī)格。通常，表格(見下例)根據(jù)齒輪箱尺寸和齒輪比列出了允許的徑向載荷和軸向載荷。雖然允許的軸向載荷保持不變，但允許的徑向載荷會根據(jù)“距減速機輸出軸端部的距離”而變化。

PS：該表僅列出了普通齒輪交流電機的允許徑向和軸向載荷。當使用鏈條、齒輪、皮帶等作為傳動機構(gòu)時，徑向載荷始終作用在減速機軸上。對于步進電機，顯示了電機允許的徑向和軸向載荷。

“蹺蹺板/支點”效應(yīng)(用于徑向載荷)

在上表中，您可以看到徑向載荷根據(jù)“距減速機輸出軸端部的距離”而變化。這是從負載軸末端到軸上受力點(也是安裝負載的位置)的距離。允許的徑向載荷隨著距軸端部距離的增加而增加，因為這也意味著載荷更靠近位于齒輪箱法蘭內(nèi)的支撐軸承。如果負載“掛”得更靠近支撐軸承，則可以支撐更多的負載，在這種情況下，支撐軸承是支點。

通常使用“蹺蹺板/支點”來解釋這個概念。

靜態(tài)和動態(tài)徑向和軸向載荷

與動態(tài)和靜態(tài)力矩載荷類似，徑向載荷或軸向載荷也具有動態(tài)和靜態(tài)分量。上表用于確定兩者。

例如，靜態(tài)徑向載荷包括皮帶輪的重量和靜止時的皮帶張力。需要計算的動態(tài)徑向載荷包括來自相同皮帶輪重量和運動中皮帶張力的力。如果電機軸處于垂直方向，則靜態(tài)軸向載荷將是皮帶輪的重量。動態(tài)軸向載荷將低于靜態(tài)軸向載荷，因此通常只考慮靜態(tài)軸向載荷。確保這些值低于圖表中發(fā)布的值。

提示：請記住將皮帶張力作為徑向力包括在內(nèi)

請記住選擇適合皮帶張力的尺寸!在我作為技術(shù)支持工程師的美好時光中，皮帶張力過大是許多情況下電機問題的原因。

為確保正確處理所有徑向和軸向載荷，請確保滿足以下條件：

徑向靜載荷低于圖表中的值。

動態(tài)徑向載荷低于圖表中的值。

軸向靜載荷低于圖表中的值。

動態(tài) 徑向載荷的方程式

對于徑向載荷，還有一個“動態(tài)”徑向載荷的附加分量，即運動時的徑向載荷。還要確保計算值低于圖表中的值(見上文)。

當采用皮帶輪、皮帶、齒輪、鏈輪、鏈條等作為傳動機構(gòu)時，徑向動載荷按下式計算。

W = T / y

對于帶式輸送機，電機扭矩提供產(chǎn)生工作的驅(qū)動力。這顯示為 T，它是以 N·m 為單位的扭矩量。如果我們將 y(以米為單位的有效半徑)視為滑輪的半徑，那么我們可以計算徑向載荷或 W(工作量)。

由于考慮了負載系數(shù)和服務(wù)系數(shù)，實際方程稍微復(fù)雜一些。

其他因素，如驅(qū)動方式和負載類型，需要考慮徑向負載。例如，當使用平皮帶驅(qū)動方法時，徑向載荷值會增加。

至于與使用條件有關(guān)的使用系數(shù)，負載的頻繁啟動和停止以及旋轉(zhuǎn)方向的改變等因素都會影響徑向負載。

好的練習(xí)時間。

示例：計算輸送機的徑向載荷

請看下面的帶式輸送機應(yīng)用示例。您將如何計算電機所需的所需徑向載荷值?

我正在研究鏈條和齒形(鏈輪)輸送機，并使用帶 360:1 齒輪箱的 2IK6 電機。我需要 0.1 米(有效)直徑鏈輪上的 10 N·m 扭矩。我估計鏈條張力大約是 10 N。我只打算朝一個方向旋轉(zhuǎn)。我的鏈輪安裝在距軸端 10 毫米處。

我的齒輪電機能否處理應(yīng)用中的徑向和軸向負載?

我問自己的第一個問題是：我使用什么方程式(我們知道這一點)，我是否擁有所有變量?

由于我們生活在一個完美的世界中，因此計算所需的所有變量都以首選單位進行布局和提供。實際上，這通常需要更多的工作。例如，注意沒有給出負載系數(shù)和服務(wù)系數(shù)，但給出了驅(qū)動方法和負載類型。此外，提供的值可能采用不同的單位，因此可能需要額外的單位轉(zhuǎn)換步驟。

再一次，我們需要：

確保這些條件為真：

徑向靜載荷低于圖表中的值。

動態(tài)徑向載荷低于圖表中的值。

軸向靜載荷低于圖表中的值。

靜態(tài)徑向載荷 = OK

靜態(tài)徑向載荷將是皮帶張力。10 N 是一個估計值，但這是我們目前掌握的最好信息，因此我們將使用它。在距軸端 10 毫米處，我們 2IK6 電機的最大徑向載荷為 200 N，所以我們在這里很好。

動態(tài)徑向載荷 = OK

在動態(tài)徑向載荷方程中插入每個變量的值。

W = 我們要解決的以牛頓為單位的徑向載荷。

K = 1; 鏈條和齒帶輸送機

T = 10 ?！っ?/p>

f = 1; 均勻負載/單向連續(xù)運行

y = 皮帶輪的有效半徑 = 0.1 米(有效半徑是皮帶接觸皮帶輪表面的位置)

W = K x T xf / y

W = 1 x 10 x 1 / 0.1

W = 100 N

100 N 低于 200 N 的允許徑向載荷值，所以我們在這里很好。

靜態(tài)軸向載荷 = OK

靜態(tài)軸向載荷此時實際上是未知的，但是從應(yīng)用圖像來看，我們應(yīng)該不會有很多靜態(tài)軸向載荷，它肯定應(yīng)該低于圖表中的 40 N 值，所以我們在這里也很好.

結(jié)論

具有 360:1 傳動比減速機的 2IK6 電機將能夠處理徑向和軸向負載。

大多數(shù)電機選型軟件不考慮軸向或徑向載荷，因此在選型電機后不要忘記確認徑向載荷和軸向載荷。

審核編輯：湯梓紅