电机选型基础知识第4部分：如何计算径向载荷和轴向载荷

除了负载转矩、加速转矩、速度和负载惯性之外，在电机选型过程中忽略某些选型参数实际上可能会造就或毁掉您的机器。

电机的性能特征由其扭矩和速度规格描述。电机的结构强度由其径向载荷和轴向载荷规格描述。电机的扭矩和速度规格表明电机是否可以执行任务。电机的径向负载和轴向负载规格表示电机可以执行任务的时间。

电机的结构强度来自其外壳、法兰支架和输出轴组件的综合机械刚度。对于齿轮电机，它还包括齿轮和附加轴承。然而，最靠近负载的轴承“承受”了大部分这种负担。不用说，电机或减速机的径向和轴向载荷规格与其轴承有很大关系。

我们在下面展示了交流电机及其减速机的内部结构。相同的轴向载荷和径向载荷概念适用于所有类型的电机。

让我们从里到外开始。电机唯一的旋转元件是转子 (4) 和轴 (5) 组件，它们由两端的两个滚珠轴承 (6) 支撑。定子 (2) 在转子外部并由非常薄的气隙隔开。法兰支架 (1) 和电机外壳 (3) 构成了外部结构。整个组件在额定负载下支持电机内的所有静态和动态力。

在安装在电机小齿轮轴上的齿轮箱(或齿轮箱)中，每个齿轮和输出轴均由其自身的轴承支撑，而输入轴(电机小齿轮)仍由电机轴承支撑。请注意，支撑齿轮轴(和负载)的轴承是最大的。齿轮法兰和齿轮箱完善了外部结构。整个组件在额定负载下支持齿轮箱内的所有静态和动态力。

齿轮箱中的输出轴轴承通常比电机中的输出轴轴承大，因为齿轮箱轴上的负载会比电机轴上的负载大得多。

下图显示了作用在电机轴和减速机上的径向载荷(悬臂载荷)和轴向载荷(推力载荷)力。

 

径向载荷(也称为悬臂载荷)

径向载荷定义为可以在径向方向(垂直于电机轴轴线的任何方向)施加到轴上的最大力。径向负载也称为“悬臂负载”，因为负载可能“悬挂”在轴上。径向载荷随悬臂载荷安装点与其支撑轴承之间的距离而变化。

轴向载荷(也称为推力载荷)

轴向载荷定义为可以在轴向方向(与电机轴同轴或平行)施加到轴上的最大力。轴向载荷也称为“推力载荷”，因为推力和推力载荷是作用在完全相同的轴上的力。典型的轴向负载大约是电机重量的一半，尽管多年来这一比例有所增加。

这些力可以作用于任何方向。

例如，如果电机具有 100 N 轴向载荷规格，则表示电机可以在其轴上悬挂 100 N 载荷(如果轴朝下)，或者在其轴上支撑载荷(如果轴朝下)向上)。100 N(牛顿)约等于 10 kg。

为什么这些规格很重要?

径向和轴向载荷规格都与轴承、轴和外壳组件的强度或机械刚度有关。 超过这些规格可能会导致滚珠轴承损坏，例如滚道和滚动元件剥落，或损坏输出轴。

 

例如，如果超过允许的径向载荷，则轴可能开始弯曲并最终断裂。如果超过允许的轴向载荷，则电机或齿轮箱轴承可能会老化并最终失效。无论哪种方式，电机都会停止运行或寿命缩短。最靠近负载的支撑元件通常是第一个损坏的部件。

提示：简单的滚珠轴承测试

要检查电机或齿轮箱是否有内部损坏，可以断开电源并将电机从齿轮箱上拆下，然后手动顺时针和逆时针旋转轴。如果电机或减速机损坏，您会感觉到从一个方向到另一个方向的阻力不同，听到异常噪音，或者根本无法旋转轴。

寿命结束的时间与超出这些规格的程度和时间长短成正比。例如，由于我们的滚珠轴承的额定寿命为 10,000 小时，因此超出径向或轴向载荷规格 10% 可能会使其寿命缩短约 1,000 小时。

如果您对基于轴承寿命的使用寿命估算感兴趣，请知识渊博的技术支持工程师。

这些规格是如何显示的?

制造商可能会以不同方式显示这些规格。通常，表格(见下例)根据齿轮箱尺寸和齿轮比列出了允许的径向载荷和轴向载荷。虽然允许的轴向载荷保持不变，但允许的径向载荷会根据“距减速机输出轴端部的距离”而变化。

PS：该表仅列出了普通齿轮交流电机的允许径向和轴向载荷。当使用链条、齿轮、皮带等作为传动机构时，径向载荷始终作用在减速机轴上。对于步进电机，显示了电机允许的径向和轴向载荷。

“跷跷板/支点”效应(用于径向载荷)

在上表中，您可以看到径向载荷根据“距减速机输出轴端部的距离”而变化。这是从负载轴末端到轴上受力点(也是安装负载的位置)的距离。允许的径向载荷随着距轴端部距离的增加而增加，因为这也意味着载荷更靠近位于齿轮箱法兰内的支撑轴承。如果负载“挂”得更靠近支撑轴承，则可以支撑更多的负载，在这种情况下，支撑轴承是支点。

通常使用“跷跷板/支点”来解释这个概念。

静态和动态径向和轴向载荷

与动态和静态力矩载荷类似，径向载荷或轴向载荷也具有动态和静态分量。上表用于确定两者。

例如，静态径向载荷包括皮带轮的重量和静止时的皮带张力。需要计算的动态径向载荷包括来自相同皮带轮重量和运动中皮带张力的力。如果电机轴处于垂直方向，则静态轴向载荷将是皮带轮的重量。动态轴向载荷将低于静态轴向载荷，因此通常只考虑静态轴向载荷。确保这些值低于图表中发布的值。

提示：请记住将皮带张力作为径向力包括在内

请记住选择适合皮带张力的尺寸!在我作为技术支持工程师的美好时光中，皮带张力过大是许多情况下电机问题的原因。

为确保正确处理所有径向和轴向载荷，请确保满足以下条件：

径向静载荷低于图表中的值。

动态径向载荷低于图表中的值。

轴向静载荷低于图表中的值。

动态 径向载荷的方程式

对于径向载荷，还有一个“动态”径向载荷的附加分量，即运动时的径向载荷。还要确保计算值低于图表中的值(见上文)。

当采用皮带轮、皮带、齿轮、链轮、链条等作为传动机构时，径向动载荷按下式计算。

W = T / y

对于带式输送机，电机扭矩提供产生工作的驱动力。这显示为 T，它是以 N·m 为单位的扭矩量。如果我们将 y(以米为单位的有效半径)视为滑轮的半径，那么我们可以计算径向载荷或 W(工作量)。

由于考虑了负载系数和服务系数，实际方程稍微复杂一些。

其他因素，如驱动方式和负载类型，需要考虑径向负载。例如，当使用平皮带驱动方法时，径向载荷值会增加。

至于与使用条件有关的使用系数，负载的频繁启动和停止以及旋转方向的改变等因素都会影响径向负载。

好的练习时间。

示例：计算输送机的径向载荷

请看下面的带式输送机应用示例。您将如何计算电机所需的所需径向载荷值?

我正在研究链条和齿形(链轮)输送机，并使用带 360:1 齿轮箱的 2IK6 电机。我需要 0.1 米(有效)直径链轮上的 10 N·m 扭矩。我估计链条张力大约是 10 N。我只打算朝一个方向旋转。我的链轮安装在距轴端 10 毫米处。

我的齿轮电机能否处理应用中的径向和轴向负载?

我问自己的第一个问题是：我使用什么方程式(我们知道这一点)，我是否拥有所有变量?

由于我们生活在一个完美的世界中，因此计算所需的所有变量都以首选单位进行布局和提供。实际上，这通常需要更多的工作。例如，注意没有给出负载系数和服务系数，但给出了驱动方法和负载类型。此外，提供的值可能采用不同的单位，因此可能需要额外的单位转换步骤。

再一次，我们需要：

确保这些条件为真：

径向静载荷低于图表中的值。

动态径向载荷低于图表中的值。

轴向静载荷低于图表中的值。

静态径向载荷 = OK

静态径向载荷将是皮带张力。10 N 是一个估计值，但这是我们目前掌握的最好信息，因此我们将使用它。在距轴端 10 毫米处，我们 2IK6 电机的最大径向载荷为 200 N，所以我们在这里很好。

动态径向载荷 = OK

在动态径向载荷方程中插入每个变量的值。

W = 我们要解决的以牛顿为单位的径向载荷。

K = 1; 链条和齿带输送机

T = 10 牛·米

f = 1; 均匀负载/单向连续运行

y = 皮带轮的有效半径 = 0.1 米(有效半径是皮带接触皮带轮表面的位置)

W = K x T xf / y

W = 1 x 10 x 1 / 0.1

W = 100 N

100 N 低于 200 N 的允许径向载荷值，所以我们在这里很好。

静态轴向载荷 = OK

静态轴向载荷此时实际上是未知的，但是从应用图像来看，我们应该不会有很多静态轴向载荷，它肯定应该低于图表中的 40 N 值，所以我们在这里也很好.

结论

具有 360:1 传动比减速机的 2IK6 电机将能够处理径向和轴向负载。

大多数电机选型软件不考虑轴向或径向载荷，因此在选型电机后不要忘记确认径向载荷和轴向载荷。

审核编辑：汤梓红