倪笑宇 羅明宇 陳璐斌 孫東武 趙瑩瑩

摘 要：為了滿足航空機(jī)電類產(chǎn)品體積小、重量輕、可靠性高的要求，文章設(shè)計(jì)了一種航空用電磁離合器。以某型自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，介紹了該種電磁離合器的功能，并詳細(xì)分析了電磁離合器的設(shè)計(jì)方案和工作過程。研究表明，銅—陶瓷摩擦副電磁離合器在滿足結(jié)構(gòu)連接、力矩傳輸?shù)墓δ芟?，性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，縮減了體積和重量。

關(guān)鍵詞：機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)；電磁離合器；銅—陶瓷摩擦副；油門機(jī)構(gòu)

機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)是航空航天、軍事、交通和工農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中一類位置伺服控制系統(tǒng)的總稱，通過控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行直接或間接地控制負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的位置控制[1-3]。目前在國內(nèi)航空自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)，一般多會(huì)使用磁粉離合器。對(duì)于磁粉離合器，在機(jī)電行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，具有諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。然而，一般的磁粉離合器雖然可以達(dá)到力矩傳輸?shù)氖褂靡螅瞧毡轶w積較大，重量難以控制。由于磁粉離合器的轉(zhuǎn)矩是靠電流精確控制的，在高低溫狀態(tài)下，磁粉離合器的力矩性能難以保證。同時(shí)，磁粉性能的好壞也是影響磁粉離合器質(zhì)量的關(guān)鍵因素，磁粉黏結(jié)會(huì)造成產(chǎn)品失效故障。而隨著現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)操縱性能和可靠性的要求越來越高，航空機(jī)電類產(chǎn)品對(duì)自身體積和重量的限制也就越來越嚴(yán)格。為了達(dá)到減小離合器體積和重量的目的，滿足航空機(jī)電類產(chǎn)品的要求，本文設(shè)計(jì)了一種銅—陶瓷摩擦副電磁離合器。

1 航空產(chǎn)品中電磁離合器的功能

以某型飛機(jī)自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，介紹離合器的功能。本產(chǎn)品為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)為電機(jī)雙余度控制。電機(jī)A與電機(jī)B都可以接收飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送來的位置指令信號(hào)，電機(jī)通過離合器A與離合器B帶動(dòng)輸出軸將位置信號(hào)傳遞給油門桿，進(jìn)而達(dá)到油門自動(dòng)控制的目的。其中，電磁離合器A、B的吸合與分離，可以實(shí)現(xiàn)油門自動(dòng)與手動(dòng)功能的切換。要求離合器要有穩(wěn)定的摩擦力矩，既可以保證動(dòng)力的傳輸，又可以防止離合器在無法正常分離時(shí)，飛行員可以操控油門桿，克服摩擦力矩完成手動(dòng)駕駛，避免事故的發(fā)生。它是自動(dòng)油門機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)連接電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切換功能。因此，需要有穩(wěn)定的力矩傳輸，耐磨損，耐腐蝕性，而且它的大小和重量直接影響到自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外形參數(shù)。

2 電磁離合器的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述產(chǎn)品對(duì)離合器的要求，設(shè)計(jì)了一種航空作動(dòng)器類電磁離合器。其基本結(jié)構(gòu)包括殼體組件、定子組件和轉(zhuǎn)子組件。定子組件通過軸承安裝在殼體組件內(nèi)部，轉(zhuǎn)子組件的軸通過定子組件內(nèi)部的支撐軸承，穿入定子組件中，與殼體組件形成組合體，轉(zhuǎn)子組件可與定子組件、殼體組件保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)。殼體組件安裝有金屬摩擦片，轉(zhuǎn)子組件上安裝有銜鐵，通過金屬摩擦片與銜鐵的吸合或分離實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子組件和殼體組件的吸合或分離。采取此種結(jié)構(gòu)形式可以充分利用空間，提高電磁離合器的功率密度。摩擦部分采用銅—陶瓷摩擦副，在金屬基體上噴涂陶瓷，磨損較小、摩擦力矩保持穩(wěn)定[5]，并增加膠接與焊接工藝方法的手段來安裝固定金屬摩擦片，以減小電磁離合器的體積和重量，增強(qiáng)電磁離合器的使用性能。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，定子組件通過前、后兩支軸承安放在殼體組件內(nèi)部，轉(zhuǎn)子組件的軸通過定子組件內(nèi)部前、后兩支支撐軸承穿入定子組件與殼體組件形成的組合體，轉(zhuǎn)子組件可與定子組件、殼體組件保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電磁離合器轉(zhuǎn)子組件中采用漸開線式內(nèi)花鍵以固定銜鐵。漸開線式內(nèi)花鍵可以使銜鐵均勻受力，使相對(duì)硬度較低的銜鐵變形量較小。殼體組件內(nèi)腔留有凸緣，并留有倒角以安裝金屬摩擦片，且殼體組件、金屬摩擦片之間應(yīng)膠合，并采用激光焊接連接。由于金屬摩擦片的局部微小變形會(huì)導(dǎo)致摩擦副性能不穩(wěn)定，故采取膠合和局部激光焊接可使其變形量最小化。金屬摩擦片采用銅材料QSn6.5-0.1制成。此材料具有較高的硬度和抗微塑性變形能力，并具有高強(qiáng)度耐磨性。轉(zhuǎn)子組件中銜鐵表面留有環(huán)狀凸臺(tái)，與金屬摩擦片對(duì)應(yīng)的表面上設(shè)有噴涂陶瓷層，作為金屬基體和陶瓷噴涂面，以噴涂陶瓷涂層工作層。銜鐵所采用磁性材料相對(duì)硬度較低，在其上噴涂陶瓷層提供了更好的硬度和耐磨性能，而且耐高溫、強(qiáng)度大、抗沖擊和抗腐蝕，可以使摩擦力矩保持穩(wěn)定。兩者吸合時(shí)所組成的銅—陶瓷摩擦副可保證離合器通電時(shí)使銜鐵在與殼體組件吸合在一起的摩擦力矩，使離合器可靠接通傳遞力矩。

銜鐵后固定蝶形彈簧，蝶形彈簧使銜鐵在斷電時(shí)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子組件與殼體組件的分離。蝶形彈簧的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其可以在較小的空間內(nèi)部實(shí)現(xiàn)相對(duì)較大的承載能力，同時(shí)性能相對(duì)穩(wěn)定。

3 工作過程

本文設(shè)計(jì)的電磁離合器，轉(zhuǎn)子組件應(yīng)與定子組件、殼體組件保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定子組件為產(chǎn)生勵(lì)磁電流的必要元件，由分布兩端的引線饋電。通電時(shí)，磁通沿殼體組件、定子組件、轉(zhuǎn)子組件形成閉合回路，在氣隙中產(chǎn)生磁拉力，使殼體組件與轉(zhuǎn)子組件吸合。安裝于殼體組件上的金屬摩擦片與安裝于轉(zhuǎn)子組件上的噴涂陶瓷層銜鐵接觸產(chǎn)生摩擦力，在不克服靜摩擦力時(shí)，殼體組件與轉(zhuǎn)子組件形成一剛性連接體，將殼體組件的齒輪的力矩傳遞給轉(zhuǎn)子組件。斷電時(shí)，勵(lì)磁電流消失，繼而磁通消失，磁拉力消失，安裝在轉(zhuǎn)子組件上的蝶形彈簧復(fù)位，殼體組件與轉(zhuǎn)子組件分離，殼體組件的齒輪不再將力矩傳遞給轉(zhuǎn)子組件。電機(jī)與電磁離合器的殼體組件相連，當(dāng)需要向外傳遞動(dòng)力時(shí)，接通離合器，此時(shí)轉(zhuǎn)子組件將動(dòng)力傳輸給油門桿，進(jìn)入自動(dòng)控制模式。反之，斷開離合器，動(dòng)力切斷，進(jìn)入手動(dòng)控制模式。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的電磁離合器，在為自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)舵機(jī)、油門操縱臺(tái)等航空機(jī)電類產(chǎn)品提供結(jié)構(gòu)連接、力矩傳輸功能的同時(shí)，可極大減小電磁離合器所占用的體積，使得機(jī)電類產(chǎn)品體積更小、重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊，且陶瓷噴涂層具有耐磨損，耐腐蝕性，更適合航空機(jī)電產(chǎn)品的使用環(huán)境，應(yīng)用前景廣泛。

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