基于DTAS的電機(jī)裝配尺寸鏈分析計(jì)算

1、基于dtas的電機(jī)裝配尺寸鏈分析計(jì)算賀建煒，張慧博，常安然(棣拓軟件技術(shù)(上海)有限公司，上海普陀200333 )摘要：尺寸鏈分析計(jì)算在整個電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占很有重要地位。尺寸鏈一方面可以校驗(yàn)當(dāng)前零件尺寸公差設(shè)計(jì)的合理性；另 一方面也可以借助尺寸鏈分析計(jì)算軟件對不合理的零部件尺寸公差設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文引入尺寸鏈計(jì)算軟件dtas對電 機(jī)徑向與軸向尺寸鏈進(jìn)行分析計(jì)算、仿真計(jì)算；判斷仿真計(jì)算結(jié)果是否滿足用戶要求；若不滿足,根據(jù)彳既率法計(jì)算結(jié)果中各 組成環(huán)貢獻(xiàn)度大小找岀需要的優(yōu)化的環(huán),對其進(jìn)行合理優(yōu)化。dtas軟件的使用可以給用戶提供一套完整的、高效的、合理 的解決公差問題的方法，對提高電機(jī)的電氣性

2、能和機(jī)械性能有重要意義。以電機(jī)實(shí)例對dtas尺寸鏈計(jì)算、優(yōu)化過程進(jìn)行說 明。關(guān)鍵詞：電機(jī)；尺寸鏈；dtas1尺寸鏈公差分析軟件dtas介紹dtas公差分析軟件是由棣拓軟件技術(shù)(上海)有限公司自主研發(fā)的一款針對機(jī)械制造行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)過程中 尺寸鏈的計(jì)算及公差分析軟件。dtas作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要工具，可以幫助產(chǎn)品工程師實(shí)現(xiàn)以下目的：1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段公差分析(1) 從根本上預(yù)測并解決開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的尺寸問題,協(xié)調(diào)各相關(guān)部門和供應(yīng)商對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的優(yōu)化和改 進(jìn),減少后期設(shè)計(jì)的被動變更,加快產(chǎn)品投向市場的速度；(2) 合理設(shè)計(jì)零件的公差,而不單單是基于經(jīng)驗(yàn)；(3) 預(yù)測現(xiàn)有公差下產(chǎn)品

3、的關(guān)鍵尺寸是否滿足外觀、質(zhì)量以及功能等要求；(4) 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì),降低成本。通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不滿足要求時,通常是提高零件公差水平來達(dá)到要求，但 會增加零件的制造成本，往往不可取。通過公差分析可以在不增加制造成本的前提下優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而達(dá)到功 能要求。2. 量產(chǎn)階段公差分析(1) 尋找問題的根本原因，加快尺寸問題的解決速度，識別各尺寸環(huán)對最后結(jié)果的影響權(quán)重，為尺寸調(diào)整優(yōu)化提供理 論依據(jù)；(2) 為新產(chǎn)品的開發(fā)提供寶貴的knowhow ,提升公司的開發(fā)能力。dtas公差分析軟件操作方便友好，大大提高效率和計(jì)算精度,它可以快速的校驗(yàn)產(chǎn)品、零部件公差設(shè)計(jì)的合理性。校 驗(yàn)結(jié)果以概率的形式顯示在

4、軟件界面上,然后將顯示的概率結(jié)果與6g水平(99.73% )進(jìn)行對比來判斷公差設(shè)計(jì)是否滿足要 求，如果不滿足用戶要求，用戶可以以dtas計(jì)算得到貢獻(xiàn)度作為指標(biāo)來優(yōu)化調(diào)整零部件公差，以達(dá)到性能成本最優(yōu)。2問題提岀電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙尺寸與定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向距離偏差是電磁設(shè)計(jì)和電機(jī)工作中兩個重要技術(shù)參數(shù)，其二 者數(shù)值大小直接影響電機(jī)的工作性能。電機(jī)氣隙值過小可造成電機(jī)裝配困難或掃膛；氣隙值過大會影響電機(jī)性能變壞；氣隙 不均勻可導(dǎo)致電機(jī)磁路不對稱、產(chǎn)生振動和噪聲,嚴(yán)重時造成電機(jī)損壞,電機(jī)裝配后氣隙值不易測量。為使電機(jī)氣隙值和 氣隙均勻度控制在允許的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需對氣隙和氣隙均勻度尺寸鏈

5、進(jìn)行正確計(jì)算，以保證當(dāng)前各組成環(huán)的設(shè)計(jì)公差 滿足電磁設(shè)計(jì)要求。電機(jī)運(yùn)行時定、轉(zhuǎn)子溫升不同,一般定子散熱條件較好,定子部分機(jī)座、端蓋溫州氐于轉(zhuǎn)子的溫升,轉(zhuǎn) 軸熱膨脹要大于定子部件軸向尺寸的熱膨脹變形，導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向發(fā)生偏移。定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向距離偏差 對電機(jī)性能也會造成影響,其相當(dāng)于縮短鐵心有效長度。氣隙有效截面積減小，相當(dāng)于激磁電流增大,功率因數(shù)降低；同時 定子電流大,定子銅耗大,則效率低，溫升高；另外轉(zhuǎn)子受到一個軸向力，加快了軸承磨損。為改善電機(jī)性能,必須縮小定、 轉(zhuǎn)子鐵心中心的軸向距離偏差。在電機(jī)的裝配關(guān)系中，由相關(guān)零部件的軸向尺寸組成的尺寸鏈與徑向尺寸組成的尺寸鏈統(tǒng)稱為電機(jī)裝

6、配尺寸鏈。電機(jī)裝 配尺寸鏈的分析與計(jì)算，對保證電機(jī)各零部件的裝配精度，消除各零部件累積誤差對電機(jī)性能與質(zhì)量造成的影響，有著重要作用。筆者借助尺寸鏈計(jì)算軟件dtas對裝配尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算；通過蒙特卡羅法仿真計(jì)算結(jié)果判斷當(dāng)前零件尺寸公差設(shè)計(jì)是 否合理；若當(dāng)前設(shè)計(jì)不合理,根據(jù)概率法計(jì)算結(jié)果中各組成環(huán)的貢獻(xiàn)度大小選取需要優(yōu)化的組成環(huán),對其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化之 后定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心中心的軸向距離偏差和徑向間隙都將滿足各自的技術(shù)要求。3電機(jī)軸向裝配尺寸鏈分析圖1為電機(jī)誹$由伸端裝配圖。設(shè)計(jì)意圖是在裝配時，要求非軸伸端的軸承蓋把深溝球軸承的外圈固定，使得定子鐵心與 轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)R（即中心重合）。圖1電機(jī)軸伸端裝

7、配圖1 機(jī)殼；2定子鐵心；3轉(zhuǎn)子鐵心；4轉(zhuǎn)軸；5 端蓋；6軸承蓋；7深溝球軸承3.1電機(jī)軸向裝配尺寸鏈計(jì)算參數(shù)電機(jī)軸向尺寸鏈計(jì)算參數(shù)（僅供參考）如表1所示:表1電機(jī)4由向尺寸鏈計(jì)算參數(shù)（僅供參考）環(huán)說明環(huán)代號名義尺寸上偏差下偏差軸承蓋止口高度c50-0.075端蓋軸承室左端面至止口端面距離b16010機(jī)座端面至定子鐵芯端面距離a12301.5-1.5定子鐵心越l129021主軸軸承擋軸肩至轉(zhuǎn)子鐵芯端面距離a225112轉(zhuǎn)子鐵心長度l22902.503.2尺寸鏈建模根據(jù)各零部件的裝配關(guān)系，在dtas軟件中建立的電機(jī)軸向裝配尺寸鏈如圖2所示:圖2電機(jī)4由向裝配尺寸鏈3.3尺寸鏈計(jì)算尺寸鏈計(jì)算的方法

8、有兩種：極值法、概率法。極值法是在尺寸鏈各環(huán)都處于極值的條件下解析封閉環(huán)與組成環(huán)尺寸之間 的關(guān)系。極值法計(jì)算簡單,不受其他因素的影響。但是當(dāng)尺寸鏈組成環(huán)個數(shù)較多，封閉環(huán)精度要求較高的情況下，其組成環(huán) 的精度要求更高，這會導(dǎo)致零件加工難度大，成本高。概率法相對極值法而言，同等條件下對各組成環(huán)的精度要求相對較低。 概率法是正態(tài)分布作為理論基礎(chǔ)的,該算法計(jì)算過程中假設(shè)各組成環(huán)都服從正態(tài)分布，并且各個組成環(huán)都相互獨(dú)立。但是實(shí) 際工程問題中,各組成環(huán)公差分布不一定是正態(tài)分布，且各個組成環(huán)之間也不一定相互獨(dú)立。因此該算法計(jì)算得到的尺寸鏈 目標(biāo)值不是很精確。iff圖3電機(jī)4由向裝配尺寸鏈計(jì)算結(jié)果個務(wù)o糧檢山

9、o由圖3可知，極值法計(jì)算得到的定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向偏移量為 巧；概率法計(jì)算得到的定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向 偏移量為 用戶給定的技術(shù)要求為±1.5,若用極值法和概率法計(jì)算結(jié)果與技術(shù)要求直接t匕較很難得出產(chǎn)品的 是否合格、合格率為多少。因此本文應(yīng)用dtas仿真算法計(jì)算產(chǎn)品合格率。3.4尺寸鏈仿真計(jì)算極值法與概率法在進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算時都存在一些假設(shè)，所以目標(biāo)值計(jì)算結(jié)果都存在不同程度的偏差。本文引入另夕種 算法：蒙特卡洛法。蒙特卡洛法又稱統(tǒng)計(jì)模擬法、隨機(jī)抽樣技術(shù),是一種隨機(jī)模擬方法，以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ)的一 種計(jì)算方法，是使用隨機(jī)數(shù)來解決工程問題的方法。蒙特卡洛理論基礎(chǔ)是當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)足夠多時，

10、可以用事件的頻率來代替事 件的概率。原理是通過大量隨機(jī)樣本，去了解一個系統(tǒng)，進(jìn)而得到所要計(jì)算的值。蒙特卡羅方法是一種計(jì)算方法,它非常 強(qiáng)大和靈活。對于許多問題來說,它往往是最簡單的計(jì)算方法,有時甚至是唯一可行的方法。dtas軟件中,進(jìn)行蒙特卡洛計(jì)算之前,需要定義各組成環(huán)的公差分布類型,尺寸鏈仿真計(jì)算界面中還需設(shè)置仿真次數(shù) 及輸入用戶提供的技術(shù)要求，以上數(shù)據(jù)輸入完成之后，通過仿真計(jì)算和結(jié)果分析可分別得到目標(biāo)值的分布情況和模擬10000 次目標(biāo)值落在技術(shù)要求范圍內(nèi)的概率,即目標(biāo)值合格率。圖4尺寸鏈仿真計(jì)算由圖4可知,蒙特卡洛模擬10000次,目標(biāo)值落在(-1.5,1.5 )范圍內(nèi)的概率為94.21

11、% ,即當(dāng)前零件尺寸公差下，電機(jī) 軸向裝配合格率為94.21%。該合格率沒有達(dá)到用戶要求的99.97% ( 6。水平)，所以需要對當(dāng)前部分零件尺寸公差進(jìn)行調(diào)整, 以滿足客戶需求。3.5優(yōu)化計(jì)算dtas軟件中,以組成環(huán)的貢獻(xiàn)度大小作為指標(biāo)來選擇需要進(jìn)行公差調(diào)整的組成環(huán)。具體操作如下，根據(jù)圖3中概率法 結(jié)果中貢獻(xiàn)度柱狀圖，選擇柱狀圖最高的三個組成環(huán)心、人2、l1。組成環(huán)al、a2、l1的貢獻(xiàn)度大，說明心、a2、l1組 成環(huán)的公差對目標(biāo)值公差的影響比較敏感,當(dāng)對三者公差有微小變動時,目標(biāo)值公差將會有較大的波動。因此,調(diào)整a1、 a2、l1對應(yīng)零件的尺寸公差,可以有效的提高電機(jī)軸向裝配合格率。具體調(diào)整

12、過程如表2所示:表2各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化環(huán)編號尺寸公差環(huán)說明貢獻(xiàn)度調(diào)整后尺寸公差a1機(jī)座端面至定子鐵芯端面距離41.23%a2主軸軸承擋軸肩至轉(zhuǎn)子鐵芯端面距離41.23%l1機(jī)座端面至定子鐵芯端面距離10%注：調(diào)整后的尺寸公差待確定,需再討論各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化后,重新進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為99.75%。優(yōu)化后定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向偏移量落在(-1.5, 1.5)范圍的概率為99.75% ,達(dá)到6。水平(99.73% ),上述過程對電機(jī)電氣性能和機(jī)械性能有較大改善。圖5公差優(yōu)化后尺寸鏈仿真計(jì)算4電機(jī)徑向裝配尺寸鏈分析圖6為某款電機(jī)的總裝圖，電機(jī)徑向裝配尺寸鏈用來計(jì)算定、轉(zhuǎn)子之間的間隙。定、轉(zhuǎn)子

13、間隙過小可能會造成電機(jī)裝配 困難或掃膛；定、轉(zhuǎn)子間隙過大會影響電機(jī)的輸出功率；氣隙不均勻可導(dǎo)致電動機(jī)磁路不對稱、產(chǎn)生振動和噪聲，嚴(yán)重時造 成電機(jī)損壞。因此，定、轉(zhuǎn)子間隙是評價電氣性能的一個重要指標(biāo)。根據(jù)電機(jī)各零咅阱之間的裝配關(guān)系，定、轉(zhuǎn)子間隙與定 子、轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、轉(zhuǎn)軸、端蓋以及轉(zhuǎn)軸兩端的軸承等琴部件有關(guān)，因此以上零部件的尺寸公差均要參與定、轉(zhuǎn)子間隙尺寸鏈 計(jì)算。w7圖6電機(jī)總裝圖4.1電機(jī)軸向裝配尺寸鏈計(jì)算參數(shù)表3電機(jī)各零部件參數(shù)參數(shù)說明名義尺寸上偏差下偏差機(jī)殼內(nèi)徑85-0.04-0.13轉(zhuǎn)軸直徑160.030.01轉(zhuǎn)子內(nèi)徑16002-0.02轉(zhuǎn)子外徑40.50.02-0.02磁環(huán)內(nèi)徑40.5

14、00.05磁環(huán)外徑49.50-0.1定子內(nèi)徑510.02-0.02定子外徑850.020機(jī)殼內(nèi)徑相對軸承室中心線的同軸度0.02前軸承游隙00.0085-0.0085后軸承游隙00.006-0.006轉(zhuǎn)子外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02磁環(huán)外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02定子外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02前軸承安裝處圓射渤0.024.2尺寸鏈建模根據(jù)各部件的裝配關(guān)系進(jìn)行尺寸鏈建模。由于機(jī)殼與定子之間是過盈配合,所以尺寸鏈中不能直接引入機(jī)殼內(nèi)徑和定子 夕卜徑，首先需要確定二者接觸面的位置,然后再確定二者中心到二者接觸面的距離。具體處理過程如下,機(jī)殼內(nèi)徑與定子外 徑是過盈配合,在此過程中,機(jī)殼內(nèi)徑與定子外徑

15、均發(fā)生變形”因此該接觸面落在二者的最小過盈量與最大過盈量之間。根 據(jù)機(jī)殼內(nèi)徑尺寸公差和外徑尺寸公差計(jì)算定子與機(jī)殼的最大過盈量0.15和最小過盈量0.04 ,最后計(jì)算機(jī)殼內(nèi)徑與定刊卜徑 的接觸面到二者中心線的距離為 聲嘴。通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，前、后端軸承的游隙及前、后端軸承位置的同軸度、止 口配合導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸相對于水平方向有一個角度,而轉(zhuǎn)子裝配在轉(zhuǎn)軸上,則轉(zhuǎn)子相對于水平方向也會有一個角度，該角度會使電 機(jī)氣隙分布不均勻。因此，尺寸鏈計(jì)算過程中，需要計(jì)算的參數(shù)如下：1、轉(zhuǎn)子與定子前端間隙；2、轉(zhuǎn)子與定子后端間隙。 在dtas軟件中建立的尺寸鏈如圖7、圖8所示：圖7定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸鏈圖8定子與轉(zhuǎn)子

16、后端間隙尺寸鏈43尺寸鏈計(jì)算應(yīng)用dtas軟件對上述尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示:圖9定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸計(jì)算結(jié)果由圖9可知，極值法計(jì)算得到轉(zhuǎn)子前端與定子間隙為；概率法計(jì)算得到轉(zhuǎn)子前端與定子間隙為08025±00582。mui t,o/sooou o siasoo 01 >mx> osmoooaouoooooou ooooi1i4wbw mmmo ea/omo oommommmoo01)00000<010000 ooigooo oa/cooo mmt <kxxmm> /m»< u ;-mom/soooo/4ctfoo/4&l

17、t;mo iv40o>mm*ooooooooocmma/%l 0000000 0/00000 00000o<m(kmx>«u0 400000i mwm/aooooonooiooooauooofwoooomu oaooooi «m»v .oimktuimkt11 ” 11 0 1 2 1wr| 2： 1 |1"112 1t w iv x0.7sooooosasooo.isjoo0.4120000000000o(xxx>3x0b0?s600058? 12cos82j20.h646so.oocoooooooca7$1 0000000.0

18、?0000oxvoooo00400000 $0000048ma7$1000000002000000/000000400000500000m7oxxwooo0.0100000x)100000.020000-11x)0000r1m700000000d10000*00100000.020000mu-1x)00000圖10定子與轉(zhuǎn)子后端間隙尺寸計(jì)算結(jié)果由圖10可知，極值法計(jì)算得到轉(zhuǎn)子后端與定子間隙為鋼翩，概率法計(jì)算得到轉(zhuǎn)子后端與定子間隙為0.8025±0.07744.4尺寸鏈仿真計(jì)算對定子導(dǎo)專子前.后端間隙尺寸鏈進(jìn)行仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖1k圖12所示:anqua!% «4 010

19、% mm via<oi«>cmuv: 1圖11定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸鏈仿真計(jì)算定子與轉(zhuǎn)子前端、轉(zhuǎn)子后端間隙不一致。由計(jì)算結(jié)果可知，定子與轉(zhuǎn)子前端尺寸變化范圍是定子與轉(zhuǎn)子后端尺寸變化范 圍的一個子集,因此只需要分析定子與轉(zhuǎn)子后端間隙合格率。由圖12可知,蒙特卡洛模擬10000次，目標(biāo)值落在(0.7,0.8 ) 范圍內(nèi)的概率為45.49% ,即當(dāng)前零件尺寸公差下，電機(jī)徑向裝配合格率只有45.49%。當(dāng)前公差設(shè)計(jì)下，電機(jī)徑向裝配合格 率偏低,所以需要對當(dāng)前部分零件尺寸公差進(jìn)行調(diào)整,以提高電機(jī)徑向裝配合格率。4.5優(yōu)化計(jì)算dtas軟件以組成環(huán)的貢獻(xiàn)度大小作為指標(biāo)來選擇需要調(diào)整的組成環(huán)。具體操作如下，根據(jù)圖10中概率法結(jié)果中貢獻(xiàn) 度柱狀圖，找出柱狀圖最高的四個組成環(huán)m9、al、a8、a6。然后，對m9、al、a8、a6對應(yīng)零件的尺寸公差進(jìn)行調(diào)整，使電機(jī)徑向裝配合格率達(dá)提高。具體調(diào)整過程如表4所示:表4各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化環(huán)編號尺寸公差環(huán)說明貢獻(xiàn)度調(diào)整后的尺寸公差說明m9±0.05后端蓋止口與機(jī)殼裝配偏移41.7%±0.025m9與后端蓋止口與機(jī)殼止口有關(guān)a1»sf機(jī)殼與走子接觸面至護(hù)幾殼中心線的距離12.6%a 1、a8與機(jī)殼內(nèi)徑與定子外 徑有關(guān),將機(jī)殼內(nèi)徑調(diào)整為a8定子與機(jī)殼接觸面到定子內(nèi)徑中心線的距離12.6%m