航空用機電作動系統電磁離合器的設計研究

倪笑宇 羅明宇 陳璐斌 孫東武 趙瑩瑩

摘 要：為了滿足航空機電類產品體積小、重量輕、可靠性高的要求，文章設計了一種航空用電磁離合器。以某型自動油門執行機構為例，介紹了該種電磁離合器的功能，并詳細分析了電磁離合器的設計方案和工作過程。研究表明，銅—陶瓷摩擦副電磁離合器在滿足結構連接、力矩傳輸的功能下，性能可靠，結構簡單緊湊，縮減了體積和重量。

關鍵詞：機電作動系統；電磁離合器；銅—陶瓷摩擦副；油門機構

機電作動系統是航空航天、軍事、交通和工農業機械設備中一類位置伺服控制系統的總稱，通過控制電動機的運行直接或間接地控制負載的運動，實現目標的位置控制[1-3]。目前在國內航空自動控制領域的機電作動系統，一般多會使用磁粉離合器。對于磁粉離合器，在機電行業中應用十分廣泛，具有諸多優點[4]。然而，一般的磁粉離合器雖然可以達到力矩傳輸的使用要求，但是普遍體積較大，重量難以控制。由于磁粉離合器的轉矩是靠電流精確控制的，在高低溫狀態下，磁粉離合器的力矩性能難以保證。同時，磁粉性能的好壞也是影響磁粉離合器質量的關鍵因素，磁粉黏結會造成產品失效故障。而隨著現代飛機對操縱性能和可靠性的要求越來越高，航空機電類產品對自身體積和重量的限制也就越來越嚴格。為了達到減小離合器體積和重量的目的，滿足航空機電類產品的要求，本文設計了一種銅—陶瓷摩擦副電磁離合器。

1 航空產品中電磁離合器的功能

以某型飛機自動油門執行機構為例，介紹離合器的功能。本產品為了提高系統的可靠性，設計為電機雙余度控制。電機A與電機B都可以接收飛控計算機發送來的位置指令信號，電機通過離合器A與離合器B帶動輸出軸將位置信號傳遞給油門桿，進而達到油門自動控制的目的。其中，電磁離合器A、B的吸合與分離，可以實現油門自動與手動功能的切換。要求離合器要有穩定的摩擦力矩，既可以保證動力的傳輸，又可以防止離合器在無法正常分離時，飛行員可以操控油門桿，克服摩擦力矩完成手動駕駛，避免事故的發生。它是自動油門機構的關鍵部件，負責連接電機與傳動機構、切換功能。因此，需要有穩定的力矩傳輸，耐磨損，耐腐蝕性，而且它的大小和重量直接影響到自動油門執行機構的外形參數。

2 電磁離合器的設計

針對上述產品對離合器的要求，設計了一種航空作動器類電磁離合器。其基本結構包括殼體組件、定子組件和轉子組件。定子組件通過軸承安裝在殼體組件內部，轉子組件的軸通過定子組件內部的支撐軸承，穿入定子組件中，與殼體組件形成組合體，轉子組件可與定子組件、殼體組件保持相對運動。殼體組件安裝有金屬摩擦片，轉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現轉子組件和殼體組件的吸合或分離。采取此種結構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，增強電磁離合器的使用性能。

具體結構如圖1所示，定子組件通過前、后兩支軸承安放在殼體組件內部，轉子組件的軸通過定子組件內部前、后兩支支撐軸承穿入定子組件與殼體組件形成的組合體，轉子組件可與定子組件、殼體組件保持相對運動。電磁離合器轉子組件中采用漸開線式內花鍵以固定銜鐵。漸開線式內花鍵可以使銜鐵均勻受力，使相對硬度較低的銜鐵變形量較小。殼體組件內腔留有凸緣，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導致摩擦副性能不穩定，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，并具有高強度耐磨性。轉子組件中銜鐵表面留有環狀凸臺，與金屬摩擦片對應的表面上設有噴涂陶瓷層，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、強度大、抗沖擊和抗腐蝕，可以使摩擦力矩保持穩定。兩者吸合時所組成的銅—陶瓷摩擦副可保證離合器通電時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復位，實現轉子組件與殼體組件的分離。蝶形彈簧的結構形式決定了其可以在較小的空間內部實現相對較大的承載能力，同時性能相對穩定。

3 工作過程

本文設計的電磁離合器，轉子組件應與定子組件、殼體組件保持相對運動，定子組件為產生勵磁電流的必要元件，由分布兩端的引線饋電。通電時，磁通沿殼體組件、定子組件、轉子組件形成閉合回路，在氣隙中產生磁拉力，使殼體組件與轉子組件吸合。安裝于殼體組件上的金屬摩擦片與安裝于轉子組件上的噴涂陶瓷層銜鐵接觸產生摩擦力，在不克服靜摩擦力時，殼體組件與轉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子組件。斷電時，勵磁電流消失，繼而磁通消失，磁拉力消失，安裝在轉子組件上的蝶形彈簧復位，殼體組件與轉子組件分離，殼體組件的齒輪不再將力矩傳遞給轉子組件。電機與電磁離合器的殼體組件相連，當需要向外傳遞動力時，接通離合器，此時轉子組件將動力傳輸給油門桿，進入自動控制模式。反之，斷開離合器，動力切斷，進入手動控制模式。

4 結語

本文設計的電磁離合器，在為自動油門執行機構、電動舵機、油門操縱臺等航空機電類產品提供結構連接、力矩傳輸功能的同時，可極大減小電磁離合器所占用的體積，使得機電類產品體積更小、重量更輕、結構更緊湊，且陶瓷噴涂層具有耐磨損，耐腐蝕性，更適合航空機電產品的使用環境，應用前景廣泛。

[參考文獻]

[1]郭宏，邢偉.機電作動系統發展[J].航空學報，2007（3）：620-627.

[2]倪笑宇，徐軍，梁建明，等.三余度舵機控制器可靠性設計[J].微特電機，2016（1）：24-26.

[3]倪笑宇，徐軍，戴美魁，等.LabWindows/CVI多線程技術在油門測試軟件中的應用[J].自動化與儀表，2015（5）：62-64.

[4]趙典軍，王玉詳.磁粉離合器伺服機構[J].機械設計，1993（1）：12-16.

[5]羅曉曄，李雅嫻，陳錫偉，等.離合器摩擦片摩擦性能影響因素研究[J].制造技術與機床，2011（3）：148-153.