關于機芯馬達軸承測試失效分析

李鳳

（喬山健康科技（上海）有限公司，上海 201815）

0 引言

按摩椅機芯的兩大主要功能是揉捏和敲打，在產品測試過程中，經常發生揉捏馬達軸承或者敲打馬達軸承異音或者損壞，我們通過了解并到現場實地確認，發現這個機芯軸承通常會產生一種強金屬的異音直到后來損壞停止不動[1]。本文從以下三個方面來推斷這個異音產生的原因：一是設計的載荷是否合理；二是潤滑劑是否不足或潤滑是否產生異常；三是安裝方法是否正確。下面我們主要通過對這三個方向的分析來判定按摩椅機芯軸承異常的原因并提供相應對策。

1 設計的載荷是否合理

我們主要通過對機芯馬達芯軸的受力分析，對馬達轉動線速度計算，有效圓周力計算，皮帶對芯軸的作用力，算出機芯芯軸對所求軸承的作用力，以確認是否符合所選用軸承的靜態負荷和動態負荷，進一步確認是否是設計上的問題導致機芯馬達的軸承測試失效[2]。此次分析主要包括以下三大方面。

1.1 理論計算按摩球前端最大支撐力

圖1為公司目前使用的3D機芯，機芯的揉捏動作是實現寬中窄的按摩動作，其軌跡是弧形，揉捏動作在正轉時，對背部肌肉有拉伸作用，在反轉時對背部肌肉有擠壓作用。機芯的捶打動作是機芯揉捏臂以揉捏軸為中心點藉以捶打軸傳遞的偏擺量形成鐘擺式的振幅產生捶打動作，捶打軸的偏心距通常是1 mm，且左右兩邊必須反向。

圖1 機芯按摩球的受力分析Fig. 1 Force analysis of movement massage ball

假設馬達功率在沒有損耗的情況下，功率傳動效率為1：1，則敲打動作在圖示F1方向1s內可以做30W的功，馬達的額定功率為30 W，按照公司的設計要求，按摩球的最快敲擊速度為700次/min，則最快敲擊速度為：700/60=11.67次/s，即每次敲擊動作可做的最大功為：2.57W，因為偏心距離為1 mm，則每次敲擊的位移為：2 mm，由W=Fs可以得出該支撐桿可提供的最大壓力F=2.57/0.002=1285.35 N。由力矩平衡可以得出按摩球可以提供的最大壓力為F2=（1285.35*50.39/69.73）=928.85 N，即92.9 kg

1.2 軸承的動態受力分析

1.2.1 馬達芯軸的受力分析

圖2 馬達芯軸的受力分析Fig. 2 Force analysis of motor mandrel

如圖2所示，馬達芯軸在運動過程中，僅承受兩個軸承的支撐力F2、F3與傳動皮帶提供的壓力F1，而F1的大小因為皮帶處于運動狀態，張力與靜態有所不同，因此我們根據馬達的極限輸出功率30 W進行計算。

1.2.2 馬達轉動線速度計算

（1）敲打處的馬達轉動線速度計算。因為該傳動系統的大皮帶輪轉動一周，計為一次敲打，則皮帶輪的最大轉動線速度為：V1=（700/60）*52.42*3.14=1920.3 mm/s（公司要求敲打速度最大為700次/min）。

（2）揉捏處的馬達轉動線速度計算。因為該傳動系統的大皮帶輪轉動23周，才可以使渦輪完成一周的揉捏過程，則皮帶輪的最大線速度為：V2=（40/60）*23*39.5*3.14=1901.8 mm/s（要求揉捏速度最大為40次/min）。

1.2.3 有效圓周力計算

揉捏、敲擊馬達的額定功率為：30 W。

根據多楔帶的計算公式，則設計功率：

上式中，KA為工況系數，取值1.6。

敲打的有效圓周力：

揉捏的有效圓周力：

1.2.4 皮帶對芯軸的作用力

圖3 皮帶對芯軸的作用力分析Fig. 3 Force analysis of belt on mandrel

根據公司編制的皮帶設計規范中的公式（如圖3所示）：

計算出作用于軸上的力：Kr為帶與帶輪的楔合系數（工況系數），Ft為皮帶張力，a1為小輪包角，一般應≧120°則揉捏處皮帶對芯軸的壓力：

敲打處皮帶對芯軸的壓力：

1.2.5 芯軸對所求軸承的作用力

根據力矩平衡公式：F2*84.4=F1*93.2（受力分析同圖2）。

揉捏處芯軸對該軸承的壓力最大為：

敲打處芯軸對該軸承的壓力為：

表1 防塵蓋軸承與密封圈軸承的比對測試Table 1 Comparison test of dust cover bearing and sealing ring bearing

1.2.6 公司所用軸承廠商對外宣稱的動態負荷

查公司使用的軸承廠商型錄，此廠商對外宣稱的基本額定動負荷為3300 N，遠遠大于我們的使用環境（揉捏處芯軸對該軸承的壓力為228.6 N，敲打處芯軸對該軸承的壓力為241.4 N）。

1.3 軸承的靜態受力分析

查公司使用的軸承廠商型錄，此廠商對外宣稱的額定靜載為1370N，目前機芯軸承所需靜載因軸承使用位置不同而變化，我們取其中最大規格之最大負載作為參考標準。設測試沙袋最大重量全部承載在單一軸承上，則為600N，遠低于上述公司所用軸承的廠商對外宣稱的額定靜載。

另說明：以上計算均以單一軸承為受力對象，但實際上所有重量不可能承受在單一軸承上，根據實測靜態皮帶張力所算出的軸承受力最大僅為122N，遠小于上述假設狀態。

經過以上對機芯馬達軸承的動態和靜態受力分析可以看出，目前設計使用的軸承的動態負荷及靜態負荷遠小于此軸承對外宣稱的動態負荷和靜態負荷，所以機芯馬達的軸承測試失效不是設計上的問題[3]。

2 潤滑劑不足或潤滑產生異常是否會導致軸承損壞

經過查看幾個異音損壞的軸承，我們發現軸承防塵蓋上或多或少都有一些油脂存在，我們初步判定這個油脂溢出可以作為我們原因分析的一個切入點。在機械行業我們知道防塵蓋軸承和密封圈軸承存在如下產品性能差異。

（1）防塵蓋軸承。由沖壓鋼板制成，通常在防塵蓋內徑處帶有一個圓柱形延展，與內圈肩部形成一個長的密封間隙；某些防塵蓋不帶延展，主要應用在內圈轉動的工況，如果是外圈轉動，在高速運轉情況下，會導致潤滑脂泄漏[4]。

（2）密封圈軸承。由帶抗油的鋼骨架與抗磨損的丁晴橡膠制成的密封圈與內圈肩部的圓柱形表面或內圈凹型輪廓間形成一個極窄的間隙，實際上是不接觸的，因此可以與同規格防塵蓋軸承在同等轉速下使用，但密封性更好[5]。

為了進一步確認防塵蓋軸承和密封圈軸承對機芯不良產生的影響，我們加嚴加速對這兩個軸承進行了測試。

經過加嚴加速測試，防塵蓋軸承在測試46小時后，甩出少量點狀油脂，測試72小時后，有片狀油脂溢出，而密封圈軸承在測試72小時后基本無異常，如表1所述。

由上述的測試結果我們可以看出，密封圈軸承在測試后各方面性能明顯優于防塵蓋軸承，特別是在潤滑脂的保持方面。而軸承依靠潤滑脂的潤滑來達到良好的使用效果, 耐久性才能達到軸承的設計壽命. 油脂的漏出,將直接導致軸承失效產生異音, 進而縮短軸承的壽命[6]。機芯按摩球的最快敲擊速度為70次/min，也是一個高速運轉運動，所以選擇的防塵蓋軸承的規格也是影響整個機芯異音甚至損環的一個強相關因素，需要進行改善。

3 按摩椅機芯軸承的安裝是否存在問題

我們知道，安裝軸承時，可以根據其類型和尺寸，選擇機械，加熱或液壓等方法進行。但在任何情況下，都不可以直接敲擊軸承圈，保持架，滾動體或密封件。安裝時對軸承施加的作用力，絕不可能通過滾動體從一個軸承圈傳遞到另一個軸承圈，否則可能會對滾道造成損壞[7-8]。安裝配合不是太緊的小軸承時，我們一般是用冷安裝的方式，可以通過一個套筒并以錘擊的方法，輕輕敲擊套筒把軸承裝到合適的位置，敲擊時應盡量均勻地作用在軸承圈上，以防止軸承傾斜或歪斜。所以軸承安裝最重要的兩點是：① 以套筒安裝軸承；② 不可以通過滾動體從一個軸承圈傳遞到另一個軸承圈，經過現場實地考察，我們機芯軸承的壓配治具及壓配方法合理。

經過上述一系列的分析，我們初步判定我們選擇的防塵蓋軸承不適合我們的機芯運動，它會因為潤滑脂的溢出而使我們的軸承更易產生異音甚至損壞，所以我們決定把防塵蓋軸承更換為密封圈軸承，而且我們更加規范了對軸承的使用。我們作出如下要求：

（1）使用時要定期點檢，點檢中要認真檢查軸承的聲音，震動，溫度潤滑劑的情況等；

（2）通過對馬達震動的測定，根據其變化情況可推斷軸承是否異常；

（3）除聲音和震動外，通過測定軸承座的溫度也可推斷軸承的潤滑情況，如果潤滑或安裝不良，則軸承的溫度急劇上升，會出現異常高溫，此時我們必須停止按摩椅機芯的運轉，分析原因并采取必要的防范措施[9-10]。

4 結論

軸承的過早損壞也不單單來自于上述幾個原因，也有可能來自軸承的制造缺陷和軸承材料的不良，也有可能來自軸承在存放和運輸過程中的損壞，也有可能來自其他相關零配件在運動過程中對其產生的不良運動阻礙，這也要求我們對軸承的選擇和使用上要更加嚴格，更加規范。