电机轴优化设计

一、文献综述

1、目前现状

某一生产汽车零配件的专业厂家，各种金属加工机床每天运转时间达 12 小时，机床零件的失效量很大.根据多年来金属加工机床用 Y 系列三相异步电机轴的维修更换情况，该系列电机轴的断口位置位于电机轴轴伸端直径为 d1 和 d2 的台阶处（图 1）. 修配一台电机轴的费用是更换一台新电机轴成本的12%.因此提高维修电机的使用寿命可以大大降低工厂机床维护费用. 

                   电机轴断裂位置（图1）

2、断裂原因分析

以金属加工机床 Y 系列 YEJ132M-4 三相异步电机为列.电机轴断口的形貌见图 2.断口呈灰色，比较平整，无明显塑性变形，断口面与电机轴轴线垂直.断口为典型的疲劳破坏，其上有三个不同的区域：（1）带状区为疲劳源区，初始裂纹由此形成并扩展开去；（2）光滑区为疲劳扩展区，有明显的裂纹传播所形成的痕迹， 在裂纹扩展过程中，由于应力反复交变，裂纹时张、时合，类似研磨过程，从而形成疲劳断口上的光滑区；（3）粗糙区为突然断裂的颗粒状区域，是脆性断裂的特征.带状区比较薄，厚度约 1mm 左右，沿断口圆周方向分布；光滑区颜色比较光亮，面积约占断口总面积的 10%；粗糙区颜色比较灰暗，约占断口总面积的 90%.光滑区为疲劳裂纹稳态扩展区，粗糙区为最终瞬断区. 

断口形貌（图2）

电机轴的断裂面存在着截面尺寸的急剧变化， 因此该处必然产生严重的应力集中，而断裂处的台阶过渡圆弧半径 R 是产生应力集中的重要影响因素.

应力集中的存在不仅促使初始疲劳裂纹的形成，而且促使裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限，因此合理设计电机轴结构可以降低应力集中.

文献[2]指出，进行结构设计时，所选用的电机轴材料应具有良好的抗疲劳性能.提高材料纯度，减少夹杂物，将大大提高其疲劳强度，特别是高周疲劳.因为材料纯度的提高，裂纹形成寿命加长，高周疲劳的裂纹形成寿命占总寿命的比值较大.因此合理地选择材料是疲劳强度设计应考虑的一个重要问题.此外，由于机械零件的疲劳裂纹常始于表层，粗糙的表面存在很多缺口，当机械零件在承受载荷时， 疲劳源也就较多地自表面缺口开始.所以强化表层也是提高零件疲劳强度的有效方法.

综合考虑影响疲劳寿命的因素，本文选用了两种材料两种热处理方案估算电机轴的疲劳应力，并用Solidworks软件模拟疲劳应力.从而对电机轴的结构进行优化设计，结合合理的机械加工工艺和安装工艺，可以提高电机轴的疲劳寿命.

二、论文提纲

（一）Y 系列三相异步电机电机轴疲劳破坏应力和疲劳强度估算

1、估算电机轴疲劳破坏应力

2、电机轴疲劳强度计算

（二）Solidworks软件分析电机轴的疲劳极限应力

（三）结论

三、参考文献：

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