半球動壓電機裝配鎖緊力矩量化控制技術

崔 硯，侯 建，王長峰，周 曦，焦春波，張福禮

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

半球動壓軸承電機在裝配過程中，電機軸與兩端螺母鎖緊配合。鎖緊力過小，陀螺電機在測試過程中，配合零件易發生松動，會引起軸向間隙變化，質心不穩定[1-2]；鎖緊力過大，會造成電機軸承微變形，導致電機軸承間隙變化及性能參數變化，影響電機的精度穩定性和可靠性[3-4]。

本文對半球動壓軸承電機兩端螺母的鎖緊力矩控制進行研究，通過電機裝配預緊力仿真計算，結合電機裝配驗證試驗，對螺母鎖緊力矩進行量化控制，并對試驗數據進行分析研究，解決了半球動壓軸承電機裝配過程中的瓶頸問題，使電機自身的可靠性和穩定性大幅提高。

1 動壓電機螺母預緊力分析

半球動壓電機(見圖1)定子部分由軸系兩端用鎖緊螺母鎖緊左右兩端半球，保證電機軸系的質心穩定性，同時在氣膜支承作用下，在一定程度上保證轉子的質心穩定性。因此，螺母鎖緊力矩的大小對電機質心的穩定性起著重要的作用[5-6]。目前，電機兩端螺母的鎖緊力矩是由裝配人員根據經驗及手勁的大小控制，擰緊力矩分散性較大。

圖1 半球動壓電機局部示意圖

若螺母鎖緊力矩過小：1)可能會導致電機在長期固定位置放置或通電后，存在精度穩定性問題[7]；2)在過載條件下，軸承負載增加，會增大半球與軸肩端面間沿負載方向的作用力，導致振動精度超差等問題[8]。

若螺母鎖緊力矩過大：1)會導致電機軸、半球產生較大的內應力，會增加應力釋放、平衡的時間，同樣不利于電機的穩定性[9-10]；2)會增大電機半球球面的變形量，降低軸承的壽命和可靠性。

因此，生產過程中需要通過電機精密裝配鎖緊力矩試驗，結合鎖緊力矩仿真，確定合理的擰緊力矩值，提高動壓電機自身可靠性和精度穩定性。

2 螺母最小預緊力計算

電機在工作狀態時，定子部分的軸與螺母鎖緊配合(見圖2)。在過載條件下，軸承負載增加，會增大半球與軸肩端面間沿負載方向的作用力。過載20 g所需的最小預緊力：按過載20 g計算，則沿負載方向的作用力為：F=20×9.8×60g=11.76(N)；半球與軸肩端面間的摩擦因數按0.15計算，則所需的最小預緊力為：F0=F/2μ=39.2 (N)。

3 鎖緊力矩仿真

3.1 應力仿真分析

應用ABAQUS仿真軟件，對電機在不同鎖緊力矩下的應力及變形情況進行仿真。根據應力大小及分布情況，應力主要集中在徑向安裝面與軸向安裝面交接部位(見圖3)，軸、半球的應力仿真結果見表1，當鎖緊力矩>60 N·cm時，應力達到58.75 MPa，考慮到軸材料的微屈服強度為50～60 MPa，電機的鎖緊力矩應控制在50 N·cm以下。當螺母鎖緊力矩為10 N·cm時，對應預緊力為61.25 N，即可滿足預緊力大于過載20 g所需的最小預緊力(39.2 N)，螺母的鎖緊力矩控制范圍為10～50 N·cm。

圖2 軸與螺母的鎖緊配合示意圖

圖3 電機在鎖緊力矩作用下的應力仿真結果

表1 軸、半球的應力仿真結果

3.2 變形仿真分析

應用ABAQUS仿真軟件，對電機在不同鎖緊力矩下電機的軸和半球變形情況進行仿真。電機軸的變形主要集中在軸端部位，半球的變形主要集中在半球中間區域至靠近大端面部位(見圖4)，半球大端面、中間截面、小端面處變形量不同，小端面處變形最小，靠近大端面最大，同時鎖緊力矩越大，半球的變形量越大。

圖4 電機在鎖緊力矩作用下的變形仿真結果

電機的軸和半球變形仿真結果見表2。當鎖緊力矩為30 N·cm時，變形量達到0.13 μm；當鎖緊力矩為40 N·cm時，變形量達到0.2 μm；當鎖緊力矩為50 N·cm時，變形量達到0.21 μm；當鎖緊力矩達到60 N·cm時，變形量達到0.25 μm；當鎖緊力矩達到80 N·cm時，變形量達到0.33 μm，動壓電機軸承間隙為1～2 μm，半球零件的圓度通常約為軸承間隙的1/10，半球徑向變形越大，對軸承間隙影響越大，從而影響電機的自身可靠性，因此為減小半球的變形，鎖緊力矩應盡量小，可控制在40 N·cm以下，半球變形量0.2 μm以下。綜上考慮，經過仿真，螺母的鎖緊力矩控制范圍為10～40 N·cm，生產中為保證產品一致性，可以確定為20～30 N·cm。

表2 軸、半球的變形仿真結果

4 電機裝配驗證試驗

結合應力及變形的仿真結果，使用力矩扳手，對電機鎖緊力矩進行量化控制，共裝配8個電機，鎖緊力矩控制分別為5、10、20、30、40、50、60和70 N·cm，并跟蹤電機在振動試驗和溫循試驗中的性能檢測。振動試驗結果見表3，可以看出鎖緊力矩為5 N·cm時，電機SY01在振動試驗過程中電流變化較大，為32 mA，其余電機在振動試驗過程中電流變化較小，變化量為2～4 mA，從振動試驗結果來看，鎖緊力矩為10～70 N·cm時電機性能較為穩定，螺母未發生松動。溫循試驗結果見表4。電機SY01在溫循試驗前和試驗后，動不平衡質量分別變化0.02和0.03 mg，電機SY08在溫循試驗前和試驗后，動不平衡質量分別變化0.01和0.01 mg，其余6個電機在溫循試驗前和試驗后動不平衡質量基本不變，從溫循試驗結果來看，當鎖緊力矩為10～60 N·cm時電機性能較為穩定。生產中為提高電機軸承可靠性和精度穩定性，確保電機產品一致性，可以將螺母鎖緊力矩確定為20～30 N·cm。

表3 振動試驗過程中電流變化情況

表4 溫循試驗過程中動不平衡質量變化情況

5 結語

通過電機裝配預緊力的仿真計算，結合電機裝配驗證試驗，對裝配過程中的螺母鎖緊力矩進行量化控制。為提高電機軸承的可靠性和精度穩定性，確保產品一致性，可以將螺母鎖緊力矩確定為20～30 N·cm。目前，該研究成果已應用到生產中，解決了動壓電機量化控制難題，使半球動壓軸承陀螺電機自身的可靠性和穩定性大幅提高，同時為同類產品精密裝配提供了參考和借鑒。