N10齒輪減速電機(jī)疲勞壽命研究

王彥科

摘要：本文研究了齒輪箱減速比和電機(jī)工作狀態(tài)對(duì)N10齒輪減速電機(jī)疲勞壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)的疲勞壽命均超過20萬次，齒輪箱減速比和電機(jī)工作狀態(tài)對(duì)其疲勞壽命未產(chǎn)生影響;在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)疲勞壽命相對(duì)于空載和負(fù)載狀態(tài)下大幅降低;此外，隨著減速比的增大，電機(jī)的疲勞壽命減小。其原因在于，在空載和負(fù)載狀態(tài)下，減速箱齒輪所受的力較小，齒輪所受力在其容許強(qiáng)度內(nèi);在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，減速箱齒輪所受的力將會(huì)急劇增加;更為重要的是，在堵轉(zhuǎn)發(fā)生的瞬間，減速箱內(nèi)齒輪受到極大的沖擊力，由于該沖擊力的作用，齒輪的疲勞壽命急劇減小;齒輪箱的減速比越大，沖擊力越大，齒輪的疲勞壽命也就越小。

關(guān)鍵詞：N10齒輪減速電機(jī);減速比;疲勞壽命

1 緒論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)中的機(jī)電設(shè)備呈現(xiàn)出智能化、自動(dòng)化、信息化等特點(diǎn)。微電機(jī)作為基礎(chǔ)性的電子器件廣泛存在于各種機(jī)電設(shè)備中，主要應(yīng)用于智能家居、機(jī)器人、無人機(jī)等新興領(lǐng)域。微電機(jī)分類方法較多，主要為無刷電機(jī)、直流電機(jī)、交流電機(jī)、串激電機(jī)、齒輪減速電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等6類。微電機(jī)中最常用的是齒輪減速電機(jī)，齒輪減速電機(jī)是指減速器和電機(jī)的集成體，由專業(yè)廠家進(jìn)行集成組裝后，與電機(jī)一體成套供貨。N10齒輪減速電機(jī)是常見的一種齒輪減速電機(jī)，其因體積小、轉(zhuǎn)矩大、壽命高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能家居行業(yè)等小型設(shè)備中。

N10齒輪減速電機(jī)可以按電機(jī)類型、齒輪箱減速比、電機(jī)輸出軸長度等參數(shù)分類。電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是其使用過程中最重要的參數(shù)，而齒輪箱減速比直接決定電機(jī)輸出參數(shù)。另一方面，電機(jī)在機(jī)電設(shè)備中工作時(shí)呈現(xiàn)三種工作狀態(tài)：空載狀態(tài)、負(fù)載狀態(tài)、堵轉(zhuǎn)狀態(tài)?？蛰d狀態(tài)下，電機(jī)輸出軸不受任何力;負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)輸出軸提供輸出轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩在其容許的額定轉(zhuǎn)矩內(nèi);在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，負(fù)載力超過輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)輸出軸將不再轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩提供電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)的使用過程中，齒輪箱的減速比和電機(jī)的工作狀態(tài)將直接影響電機(jī)的疲勞壽命。

2 實(shí)驗(yàn)

N10電機(jī)可按齒輪箱減速比分類，齒輪箱減速比包括：1∶10，1∶20，1∶30，1∶50，1∶100，1∶150，1∶210，1∶298等?，F(xiàn)選取常用減速比1∶50、1∶210、1∶298三種類型減速比電機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，每種減速比包括三個(gè)電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)選取負(fù)載為10g金屬塊，其上開有與電機(jī)輸出軸配合孔。N10齒輪減速電機(jī)輸出軸無負(fù)載時(shí)，電機(jī)處于空載狀態(tài);電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載與限位塊接觸時(shí)，負(fù)載不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在空載和負(fù)載狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)先正轉(zhuǎn)180°后，斷電1s，然后再反轉(zhuǎn)180°，此過程記為一次疲勞壽命;在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)正轉(zhuǎn)180°后發(fā)生堵轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)時(shí)間約05s，然后電機(jī)再反轉(zhuǎn)180°后再次發(fā)生堵轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)時(shí)間約0.5s，此過程為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的一次疲勞壽命。

實(shí)驗(yàn)過程中，記錄電機(jī)疲勞壽命，當(dāng)電機(jī)發(fā)生損壞時(shí)，則停止疲勞試驗(yàn)并記錄疲勞壽命次數(shù)，并對(duì)三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值;若電機(jī)疲勞壽命達(dá)到20萬次時(shí)（額定疲勞壽命），則停止實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

N10齒輪減速電機(jī)疲勞壽命表

3.1 空載和負(fù)載狀態(tài)

在空載和負(fù)載狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)的疲勞壽命均超過20萬次，超過其額定壽命。進(jìn)一步，不同的齒輪減速箱的減速比對(duì)電機(jī)的疲勞壽命并未產(chǎn)生影響;在空載和負(fù)載兩種狀態(tài)下，同一減速比電機(jī)壽命也超過額定壽命，電機(jī)的工作狀態(tài)并未對(duì)其疲勞壽命產(chǎn)生影響。在空載狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)下，齒輪箱的減速比和動(dòng)作狀態(tài)對(duì)電機(jī)的疲勞壽命并未產(chǎn)生影響，電機(jī)的疲勞壽命達(dá)到額定值。

3.2 堵轉(zhuǎn)狀態(tài)

在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)疲勞壽命均不超過2.5萬次。相對(duì)于空載和負(fù)載狀態(tài)下，堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機(jī)疲勞壽命急劇降低。另一方面，隨著齒輪箱減速比的增加，電機(jī)的疲勞壽命也在逐步降低。在相同減速比下，堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機(jī)疲勞壽命相對(duì)于空載和負(fù)載狀態(tài)下的壽命急劇降低，其原因是電機(jī)堵轉(zhuǎn)瞬間，減速箱內(nèi)齒輪收到較大的沖擊力，此沖擊力大大高于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的力，由此導(dǎo)致齒輪壽命急劇減小，電機(jī)疲勞壽命減小。此外，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，減速比的增加，導(dǎo)致齒輪在堵轉(zhuǎn)時(shí)受到的沖擊力增加，齒輪壽命減小，電機(jī)疲勞壽命降低。

4 結(jié)語

在空載和負(fù)載狀態(tài)下，N10齒輪減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程都在其額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)工作，減速箱內(nèi)齒輪所受力在其承受力范圍內(nèi)，因此，無論何種減速比和工作狀態(tài)，電機(jī)的疲勞壽命均在允許工作的范圍之內(nèi)。但N10齒輪減速電機(jī)在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于電機(jī)瞬間的堵轉(zhuǎn)，減速箱內(nèi)部齒輪所受的力將大大增加，加上堵轉(zhuǎn)一瞬間所產(chǎn)生的沖擊力，此作用力大大降低了減速箱齒輪的疲勞壽命，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的疲勞壽命急劇減小;隨著減速比的增加，齒輪減速箱所受的力逐漸增大，齒輪的疲勞壽命逐漸減小，電機(jī)的疲勞壽命也隨之減少。

綜上可知，在空載和負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)疲勞壽命達(dá)到額定疲勞壽命。在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定疲勞壽命。因此，在電機(jī)的使用過程中，應(yīng)盡量避免電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，提高電機(jī)的使用壽命。