半球动压电机装配锁紧力矩量化控制技术

崔 砚，侯 建，王长峰，周 曦，焦春波，张福礼

(北京航天控制仪器研究所，北京 100039)

半球动压轴承电机在装配过程中，电机轴与两端螺母锁紧配合。锁紧力过小，陀螺电机在测试过程中，配合零件易发生松动，会引起轴向间隙变化，质心不稳定[1-2]；锁紧力过大，会造成电机轴承微变形，导致电机轴承间隙变化及性能参数变化，影响电机的精度稳定性和可靠性[3-4]。

本文对半球动压轴承电机两端螺母的锁紧力矩控制进行研究，通过电机装配预紧力仿真计算，结合电机装配验证试验，对螺母锁紧力矩进行量化控制，并对试验数据进行分析研究，解决了半球动压轴承电机装配过程中的瓶颈问题，使电机自身的可靠性和稳定性大幅提高。

1 动压电机螺母预紧力分析

半球动压电机(见图1)定子部分由轴系两端用锁紧螺母锁紧左右两端半球，保证电机轴系的质心稳定性，同时在气膜支承作用下，在一定程度上保证转子的质心稳定性。因此，螺母锁紧力矩的大小对电机质心的稳定性起着重要的作用[5-6]。目前，电机两端螺母的锁紧力矩是由装配人员根据经验及手劲的大小控制，拧紧力矩分散性较大。

图1 半球动压电机局部示意图

若螺母锁紧力矩过小：1)可能会导致电机在长期固定位置放置或通电后，存在精度稳定性问题[7]；2)在过载条件下，轴承负载增加，会增大半球与轴肩端面间沿负载方向的作用力，导致振动精度超差等问题[8]。

若螺母锁紧力矩过大：1)会导致电机轴、半球产生较大的内应力，会增加应力释放、平衡的时间，同样不利于电机的稳定性[9-10]；2)会增大电机半球球面的变形量，降低轴承的寿命和可靠性。

因此，生产过程中需要通过电机精密装配锁紧力矩试验，结合锁紧力矩仿真，确定合理的拧紧力矩值，提高动压电机自身可靠性和精度稳定性。

2 螺母最小预紧力计算

电机在工作状态时，定子部分的轴与螺母锁紧配合(见图2)。在过载条件下，轴承负载增加，会增大半球与轴肩端面间沿负载方向的作用力。过载20 g所需的最小预紧力：按过载20 g计算，则沿负载方向的作用力为：F=20×9.8×60g=11.76(N)；半球与轴肩端面间的摩擦因数按0.15计算，则所需的最小预紧力为：F0=F/2μ=39.2 (N)。

3 锁紧力矩仿真

3.1 应力仿真分析

应用ABAQUS仿真软件，对电机在不同锁紧力矩下的应力及变形情况进行仿真。根据应力大小及分布情况，应力主要集中在径向安装面与轴向安装面交接部位(见图3)，轴、半球的应力仿真结果见表1，当锁紧力矩>60 N·cm时，应力达到58.75 MPa，考虑到轴材料的微屈服强度为50～60 MPa，电机的锁紧力矩应控制在50 N·cm以下。当螺母锁紧力矩为10 N·cm时，对应预紧力为61.25 N，即可满足预紧力大于过载20 g所需的最小预紧力(39.2 N)，螺母的锁紧力矩控制范围为10～50 N·cm。

图2 轴与螺母的锁紧配合示意图

图3 电机在锁紧力矩作用下的应力仿真结果

表1 轴、半球的应力仿真结果

3.2 变形仿真分析

应用ABAQUS仿真软件，对电机在不同锁紧力矩下电机的轴和半球变形情况进行仿真。电机轴的变形主要集中在轴端部位，半球的变形主要集中在半球中间区域至靠近大端面部位(见图4)，半球大端面、中间截面、小端面处变形量不同，小端面处变形最小，靠近大端面最大，同时锁紧力矩越大，半球的变形量越大。

图4 电机在锁紧力矩作用下的变形仿真结果

电机的轴和半球变形仿真结果见表2。当锁紧力矩为30 N·cm时，变形量达到0.13 μm；当锁紧力矩为40 N·cm时，变形量达到0.2 μm；当锁紧力矩为50 N·cm时，变形量达到0.21 μm；当锁紧力矩达到60 N·cm时，变形量达到0.25 μm；当锁紧力矩达到80 N·cm时，变形量达到0.33 μm，动压电机轴承间隙为1～2 μm，半球零件的圆度通常约为轴承间隙的1/10，半球径向变形越大，对轴承间隙影响越大，从而影响电机的自身可靠性，因此为减小半球的变形，锁紧力矩应尽量小，可控制在40 N·cm以下，半球变形量0.2 μm以下。综上考虑，经过仿真，螺母的锁紧力矩控制范围为10～40 N·cm，生产中为保证产品一致性，可以确定为20～30 N·cm。

表2 轴、半球的变形仿真结果

4 电机装配验证试验

结合应力及变形的仿真结果，使用力矩扳手，对电机锁紧力矩进行量化控制，共装配8个电机，锁紧力矩控制分别为5、10、20、30、40、50、60和70 N·cm，并跟踪电机在振动试验和温循试验中的性能检测。振动试验结果见表3，可以看出锁紧力矩为5 N·cm时，电机SY01在振动试验过程中电流变化较大，为32 mA，其余电机在振动试验过程中电流变化较小，变化量为2～4 mA，从振动试验结果来看，锁紧力矩为10～70 N·cm时电机性能较为稳定，螺母未发生松动。温循试验结果见表4。电机SY01在温循试验前和试验后，动不平衡质量分别变化0.02和0.03 mg，电机SY08在温循试验前和试验后，动不平衡质量分别变化0.01和0.01 mg，其余6个电机在温循试验前和试验后动不平衡质量基本不变，从温循试验结果来看，当锁紧力矩为10～60 N·cm时电机性能较为稳定。生产中为提高电机轴承可靠性和精度稳定性，确保电机产品一致性，可以将螺母锁紧力矩确定为20～30 N·cm。

表3 振动试验过程中电流变化情况

表4 温循试验过程中动不平衡质量变化情况

5 结语

通过电机装配预紧力的仿真计算，结合电机装配验证试验，对装配过程中的螺母锁紧力矩进行量化控制。为提高电机轴承的可靠性和精度稳定性，确保产品一致性，可以将螺母锁紧力矩确定为20～30 N·cm。目前，该研究成果已应用到生产中，解决了动压电机量化控制难题，使半球动压轴承陀螺电机自身的可靠性和稳定性大幅提高，同时为同类产品精密装配提供了参考和借鉴。