摘. . 要：电动机作为一种将电能转化为机械能的驱动设备，广泛应用于机械制造、石油、化工、家电等多个领域，做好电机转轴的结构设计，对于解决转轴生产中常见的问题，延长电动机使用寿命、减小振动、节约生产成本起到重要的作用。
关键词：电动机；转轴；结构设计
电动机是一种将电能转化为机械能的驱动设备，转轴作为电动机的主要传动零件，起到了支承转动零件、传递转矩、连接传动设备等多种作用。结构设计合理的转轴，可以延长电动机使用寿命、减小振动、节约生产成本。电机转轴的结构设计，不仅要注意方法、讲究策略，还要解决好常见的问题。
1 明确设计输入
在进行转轴的设计和计算之前，首先要明确转轴的设计输入，包括但不限于与轴伸连接的下级传动结构（多为联轴器或皮带轮）的安装尺寸、电动机的安装方式（卧式还是立式）、轴上承受何种载荷（性质、方向、大小）等。不准确的设计输入可能会造成转轴的工作能力无法达到客户的要求，或因设计性能过剩导致生产成本的浪费。
以矿山机械中常见的颚式破碎机主驱电机为例，在设计此类电机转轴的时候，破碎机主要承受非周期的冲击性载荷，因此首先要进行转轴的强度计算，根据计算结果决定轴伸直径和轴承型号；其次，破碎机多为露天工作，粉尘较大，设计转轴及进行轴上零件布局时，要考虑到前后轴承的防护等级要求，以避免因粉尘接触轴承而导致的轴承失效。
2 转轴材料的选择及计算
电动机转轴常用的材料多为碳素钢或合金钢，一般来说，碳钢的价格比合金钢要低，同时对应力集中也没有合金钢那么敏感，在日常生产中应用更广泛；合金钢有比碳钢更强的淬火性能和更好的力学性能，多用于特种电机或性能要求较高的电机。按受载方式区分，大部分的电动机转轴属于传动轴（即主要承受扭矩），此时一般按照扭转强度来进行计算，公式[1] 如下] [2 . 0955000t3tt t ? ? =dnPWTT（1）可进一步推导3033] [ 2 . 09550000nPAnPdt= ?
t
(2)
日常设计中常用材料的[τ t ]及 A 0 取值如下表 1 所示表 1 常用材料的[τ t ]及 A 0 值材料 45 钢 35 钢 40Cr[τ t ]/MPa 25-45 20-35 35-55A 0 126-103 135-112 112-97对电动机转轴来说，[τ t ]取值一般往较大值取，A 0 一般取较小值。另外，转轴为了与传动设备连接或固定轴上零部件，会带有键槽、挡圈槽等结构，这些在结构都会一定程度上削弱轴的强度，在计算时应当综合考虑。
3 轴上零件的结构布局
首先确定转轴上需要安装的零部件，如转子铁心、轴承等。
其次预设计装配方案，转轴设计在原则上应该是中间粗，两头细，电动机转轴一般转子铁心在正中位置。
实际设计中，电机内部和外部冷却介质的推动方法、转子铁心的构成、轴承的选用等因素都会影响轴上零件的结构布局。
以一种 IC411（机壳表面冷却、内部风冷自循环、外部风冷自循环）、IP54（防尘防溅水）、B3（卧式底脚安装）的铸铝转子的结构为例，转子铁心、前轴承内盖、前轴承、甩油盘、前轴承外盖依次从转轴的右端向左安装；导风筒、内风扇、后轴承内盖、后轴承、甩油盘、后轴承外盖、外风扇依次从转轴的左端向右安装。转轴结构布局遵循中间粗两头细的排列原则，转子铁心右端的轴定位台阶轴段的轴径最粗。
4 轴上零件的定位
电动机转轴的转速一般较高，常用的交流三相异步电动机在 50Hz 交流电下转速一般在 3000～500r/min 之间，轴上零部件定位的牢固、可靠尤为重要。设计轴上零件的固定方案时，需要考虑轴向定位和径向定位。
轴向定位的目的是为了防止零部件沿着转轴的轴线方向相对运动，常用的定位方法有轴肩、轴承盖、弹性挡圈、紧定螺钉、圆螺母等。
轴肩定位在电动机转轴的设计中是最便捷可靠同时也是使用最多的定位方式。但轴肩定位是以不断加粗轴径来达到的，那么在轴肩处就必然会存在因横截面积的突然变化引起的应力集中，这些在设计时都需要考虑到。
轴承盖定位是通过轴承盖的止口与电机轴承外圈之间的相互配合来得到轴向固定。同时，整个电机轴的轴向定位也是通过端盖和轴承盖来实现的。
弹性挡圈、紧定螺钉定位是通过标准件来辅助固定零件，这种固定方式适用于轴向力不大的场合。对于轴向力较大的场合，多用圆螺母进行定位，但轴上加工外螺纹有工艺复杂、应力集中的缺点。
径向定位即防止零件与转轴之间相对转动，一般常见的定位方式有键、销、过盈配合、紧定螺钉等。其中平键定位虽然会对转轴强度造成一定的影响，但由于其加工方便、定位可靠，应用最为广泛；花键定位比平键定位更加可靠，但加工工艺也更加复杂。过盈配合虽不会降低转轴本身的强度，但却存在装配、拆卸困难的缺点，同时过盈量太大也会导致相应轴段的应力集中[2] 。
5 转轴粗糙度的选择
表面粗糙度通俗的说就是零件表面的光滑程度，它是由加工方法、机床精度、转轴材料等多个因素共同决定的。表面粗糙度对零件之间的配合性能、转轴的疲劳强度及表面耐磨性、电机运转时的噪声振动等都会产生影响。表面粗糙度提高，生产成本随之上升。
6 问题实例及解决办法
以上文提到过的矿山颚式破碎机主驱电机为例，设计时已经经过了相关计算，但实际使用过程中仍旧出现了轴伸断裂、轴承失效的问题。经过对返修电动机的拆解、分析后得知，轴伸断裂主要发生在轴伸安装轴肩以及前轴承甩油盘挡圈槽处。
在经过重新计算及评审后，将轴伸的过渡圆角尺寸加大并取消前轴承甩油盘的挡圈槽结构（甩油盘与轴改用 H8/m5 过渡配合+紧定螺钉定位）。在对失效轴承进行分析后确定是由外部粉尘进入轴承内部而导致。最后决定提高电机的防护等级，具体措施为甩油盘与轴承外盖内端面之间增加迷宫密封结构，另外在轴承外盖止口位置增加密封圈槽，加装 O 型密封圈，将电机防护等级提升，转轴结构及公差相应更改。经过上述更改措施之后，很好的解决了现场发生的断轴及轴承失效问题，并已广泛适用。
7 小结
电动机转轴结构设计要明确设计输入，进行转轴材料的选择及计算，做好轴上零件的结构布局与定位以及转轴粗糙度的选择，解决好有关问题。当然，转轴的结构设计远不止这些，还有扭转强度计算、尺寸及形位公差、转轴受力分析等方面。
在实际的设计生产生活中，更多的还是要注意理论知识与实践的相互结合。
参考文献：
[1]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013：366.
[2]吴宗泽.机械机构设计准则与实例[M].北京：机械工业出版社，2006：283-284.
