電磁離合器在閥門行業的應用及嚙合齒的強度計算

張靜，郁春琳，師曉東，李佳陳，秦金健，姜淋

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇啟東226232）

0 引言

本文主要研究牙嵌式電磁離合器（以下簡稱離合器）的工作原理及在閥門中的應用，并計算了離合器在傳遞轉矩下的嚙合齒強度，分析了影響離合器傳遞轉矩的相關因素，為后續的產品改進提供了重要依據。

離合器由主動側和從動側組成，其結合端面上帶有傳動齒用于傳遞轉矩。從動側通過螺釘固定在過渡盤上，過渡盤另一側與蝸輪蝸桿等傳動裝置連接，主動側用導向平鍵或花鍵等方式與傳動軸聯接。主動側離合器內部繞有線圈，當通電時線圈得電產生電磁吸力，離合器主動側與從動側通過電磁力吸合，傳遞轉矩。此時從動側離合器內部彈簧壓縮蓄能，斷電時壓縮彈簧復位，兩離合器脫開，斷開傳遞的轉矩。根據現場工況的要求，可以智能控制離合器得電、失電，控制裝置的輸出轉矩，從而可以控制現場閥門的啟閉。

為了保證離合器主動側和從動側的對中性，在傳動軸上設有自潤滑性能的導向套，用于限制從動側離合器的徑向傳動（軸向可以移動和旋轉）。牙嵌式離合器的操縱通過電磁的吸力方式進行，牙的數量和大小根據傳遞轉矩的大小進行計算確認。牙形有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等多種形式。不同的牙形所傳遞的轉矩大小和形式都不一樣，但是在工作中由于同時參與嵌合的牙數多，故相比其它形式的離合器承載轉矩大，適用范圍廣泛。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

電磁離合器主要由主動側、從動側和傳動軸三大部分組成[2]，結構如圖1所示。其中：主動部件由下半離合、磁軛、線圈、軸承、齒盤Ⅰ、接線端子等零部件組成，零件間通過螺釘、擋圈連接；從動部件由上半離合、齒盤Ⅱ、連接盤、螺釘Ⅰ和對應的彈簧等零部件組成，零件間通過螺釘連接；傳動部件由傳動軸、鍵、導向套、過渡盤、蝸輪蝸桿、螺釘、軸承Ⅰ和鎖緊螺母等零部件組成。

主動部件和從動部件之間通過端面齒連接傳遞轉矩，端面齒采用自鎖結構的梯形齒，在設計傳遞轉矩有效范圍內即可保證離合器有效連接不松脫[2]。N個均布螺釘Ⅰ穿過齒盤Ⅱ擰入連接盤中，并且螺釘Ⅰ和齒盤Ⅱ之間設有對應的彈簧，此時彈簧處于微量壓縮狀態。N個均布螺釘Ⅱ穿過連接盤，擰入過渡盤中，從而把離合器的從動部分與過渡盤連接。過渡盤的另一面通過螺釘把蝸輪連接固定，蝸桿與蝸輪配合進行轉矩輸入，蝸輪和傳動軸之間設有滾動軸承，滾動軸承上部通過軸套和鎖緊螺母固定，下部通過導向套進行固定。導向套的另一端用于固定離合器的主動側，并保證離合器從動側的軸向移動。

離合器的接線端子與外部電源連接，給離合器的線圈通電，產生電磁吸力，用于齒盤Ⅰ和齒盤Ⅱ齒面的吸合，從而可以傳遞轉矩。

1.2 工作原理

通過蝸輪蝸桿的轉動進行轉矩的輸入，當線圈沒有通電時，軸承Ⅰ僅帶動過渡盤和離合器的從動側進行空轉，此時蝸輪蝸桿的轉矩無法傳遞給下一級裝置。當線圈通電時，產生的電磁吸力把離合器從動側的齒盤Ⅱ向下吸合[1]，齒盤Ⅰ和齒盤Ⅱ的齒面吸合，此時螺釘Ⅰ和齒盤Ⅱ之間的彈簧壓縮蓄能（當線圈斷電后，電磁吸力消失，彈簧復位使兩齒面分離），蝸輪蝸桿的轉矩通過過渡盤、離合器的從動側傳遞給離合器的主動側，離合器的主動側通過鍵把轉矩傳遞給傳動軸，并通過齒輪、齒條及撥叉等裝置傳遞給閥門，用于實現閥門的開關。根據現場工況的要求，可以智能控制離合器得電、失電，控制裝置的輸出轉矩，從而可以控制現場閥門的啟閉[9]。

圖1 離合器連接結構形式

2 牙嵌式電磁離合器齒形強度計算

離合器用于傳遞輸出裝置的輸入轉矩，為了保證離合器在工作過程中的穩定性及安全性，所以要對齒形進行強度計算，保證齒形的強度。根據離合器傳遞轉矩的大小，一般對其齒形進行剪切應力、彎曲應力及擠壓應力的計算。下面以LHQ-1600型號為例說明牙嵌式電磁離合器基本參數及強度計算。具體如圖2所示。

圖2 離合器結構形式

2.1 端面齒的結構形式及相關參數

端面齒外徑D1=195 mm；端面齒內徑D0=185 mm；齒寬b=（D1-D0）/2=5 mm；端面齒高度h=2 mm；端面齒結合高度h0=1.6 mm；端面齒摩擦因數μ=0.2；齒頂厚Lm=0.7 mm；齒底厚L=2.6 mm；齒形半角α=25°；齒的平均直徑D=（D1+D0）/2=190 mm；齒數z=190；電磁吸合力Fxh；離合器的額定傳遞轉矩T=1600 N·m。

2.2 端面齒的受力分析及相關計算

1）受力分析。端面齒結合傳遞轉矩，從動側的力傳遞給主動側，由于力的作用是相互的，現以從動側為研究對象，其受力形式如圖3所示，不僅受到齒給齒的力，還受到電磁吸合力。

2）受力計算[4]。如圖3所示，右側的主動齒給左側的從動齒一個力F，以及應F產生的摩擦力Ff，在X軸和Y軸上的分力如圖3所示。

把已知數據代入上述公式，根據式（3）可得，（F·cos 25°+0.2·F·sin 25°）·190 mm=1600000 N·mm，得F=8499 N。將F代入式（2）得Fz=8424 N，將F代入公式（1）得電磁吸合力Fxh=2051.3 N。

3）強度計算[6]。從圖3可以看出，齒面主要受到了剪切應力、擠壓應力和彎曲應力，齒面強度具體計算如下：

剪切應力τ=FS/A=T/（D·z·b·L）=1600000÷（190×190×5×2.6）=3.4 MPa；擠壓應力σbs=F/A=F/（z·b·h0/cos α）=8499÷（190×5×1.6÷cos 25°）=5.1 MPa；彎曲應力σw=M/W=T·h /（D·z·b2·h/6）=1600000×2÷（190×190×52×2÷6）=5.32 MPa。

基于端面齒的防磁性及抗磨性考慮，兩嚙合齒的材料選用45鋼調質處理[7]，硬度控制在217～255 HBW，抗拉強度Rm=600 MPa，屈服強度Re=355 MPa。

根據材料力學可以算出材料的許用應力[σ]=Re/2.5=142 MPa，許用剪切應力[τ]=0.8[σ]=113.6 MPa，許用擠壓應力[σbs]=2[σ]=284 MPa，許用彎曲應力[σw]=1.1[σ]=156.2 MPa[5]。

根據上述計算結果可以看出，離合器在傳遞1600 N·m的轉矩過程中，剪切應力、擠壓應力和彎曲應力都小于材料的許用應力，滿足強度要求。

4）影響轉矩傳遞的參數計算[8]。影響離合器轉矩傳遞的參數有很多，最主要的是離合器齒的平均直徑和齒形半角α的大小。在同樣周向力的作用下，直徑越大其所傳遞的轉矩也就越大，在同樣的直徑下，齒形半角α越小其周向分力就越大，傳遞的轉矩也就越大。下面僅改變齒形半角α的大小，保持離合器平均直徑和電磁吸力不變的情況下，來計算離合器的輸出轉矩。相比原來的齒形半角25°現在改為20°，齒形半角減小了20%。

根據式（1）可以算出F=13313.1 N。根據式（3）可以算出T=2550 N·m，相比1600 N·m增加了59.37%，所以減小齒形半角對于提高離合器的傳遞轉矩有著非常顯著的效果。

圖3 端面齒的受力形式

3 結語

本文通過對牙嵌式電磁離合器的基本描述，明確了離合器的零部件組成、工作原理及其在閥門行業的應用。并選取了LHQ-1600型號的牙嵌式電磁離合器，對其基本參數進行了確定并對其強度進行了計算，驗證了其設計的合理性。通過對影響離合器轉矩傳遞的參數進行了分析，并在對減小齒形半角后其所能傳遞轉矩進行計算后發現，當齒形半角減小了20%后，其所傳遞的轉矩增加了59.37%，減小齒形半角對于提高離合器的傳遞轉矩有著非常顯著的效果。這對后續的產品改進提供了重要依據。