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摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的航空工程的发展也有了很大的进步，现代化建设的发展也越来越迅速，人们的生活水平也逐渐的提高。机电作动系统是航空航天、军事、交通和工农业机械设备中一类位置伺服控制系统的总称，通过控制电动机的运行直接或间接地控制负载的运动，实现目标的位置控制。目前在国内航空自动控制领域的机电作动系统，一般多会使用磁粉离合器。对于磁粉离合器，在机电行业中应用十分广泛，具有诸多优点。然而，一般的磁粉离合器虽然可以达到力矩传输的使用要求，但是普遍体积较大，重量难以控制。由于磁粉离合器的转矩是靠电流精确控制的，在高低温状态下，磁粉离合器的力矩性能难以保证。同时，磁粉性能的好坏也是影响磁粉离合器质量的关键因素，磁粉黏结会造成产品失效故障。而随着现代飞机对操纵性能和可靠性的要求越来越高，航空机电类产品对自身体积和重量的限制也就越来越严格。为了达到减小离合器体积和重量的目的，满足航空机电类产品的要求，本文设计了一种铜—陶瓷摩擦副电磁离合器。
关键词：航空用机电作动系统；电磁离合器；设计研究
引言
电磁离合器是磁力机械产品中常见的一种传动部件，广泛应用到各个领域。电磁离合器的研究涉及到电磁学、热学、机械动力学及材料学等多个学科，是电磁场、温度场、结构场等多个物理场综合作用的复杂多场耦合问题，场内及场间耦合关系决定着电磁离合器工作的可靠性。为了提升电磁离合器工作性能，本文在研究电磁场、温度场、结构场多场耦合关系基础上，构建了电磁离合器多场耦合特性求解及多学科优化体系框架，分析了多场耦合作用下的电磁特性、温度特性及结构特性，并利用多学科协同优化方法解决电磁离合器多场耦合优化问题，旨在为磁力机械多场耦合问题提供一种可行的求解方法。
1航空产品中电磁离合器的功能
以某型飞机自动油门执行机构为例，介绍离合器的功能。本产品为了提高系统的可靠性，设计为电机双余度控制。电机A与电机B都可以接收飞控计算机发送来的位置指令信号，电机通过离合器A与离合器B带动输出轴将位置信号传递给油门杆，进而达到油门自动控制的目的。其中，电磁离合器A、B的吸合与分离，可以实现油门自动与手动功能的切换。要求离合器要有稳定的摩擦力矩，既可以保证动力的传输，又可以防止离合器在无法正常分离时，飞行员可以操控油门杆，克服摩擦力矩完成手动驾驶，避免事故的发生。它是自动油门机构的关键部件，负责连接电机与传动机构、切换功能。因此，需要有稳定的力矩传输，耐磨损，耐腐蚀性，而且它的大小和重量直接影响到自动油门执行机构的外形参数。
2工作过程
本文设计的电磁离合器，转子组件应与定子组件、壳体组件保持相对运动，定子组件为产生励磁电流的必要元件，由分布两端的引线馈电。通电时，磁通沿壳体组件、定子组件、转子组件形成闭合回路，在气隙中产生磁拉力，使壳体组件与转子组件吸合。安装于壳体组件上的金属摩擦片与安装于转子组件上的喷涂陶瓷层衔铁接触产生摩擦力，在不克服静摩擦力时，壳体组件与转子组件形成一刚性连接体，将壳体组件的齿轮的力矩传递给转子组件。断电时，励磁电流消失，继而磁通消失，磁拉力消失，安装在转子组件上的蝶形弹簧复位，壳体组件与转子组件分离，壳体组件的齿轮不再将力矩传递给转子组件。电机与电磁离合器的壳体组件相连，当需要向外传递动力时，接通离合器，此时转子组件将动力传输给油门杆，进入自动控制模式。反之，断开离合器，动力切断，进入手动控制模式。
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3电磁离合器的设计
针对上述产品对离合器的要求，设计了一种航空作动器类电磁离合器。其基本结构包括壳体组件、定子组件和转子组件。定子组件通过轴承安装在壳体组件内部，转子组件的轴通过定子组件内部的支撑轴承，穿入定子组件中，与壳体组件形成组合体，转子组件可与定子组件、壳体组件保持相对运动。壳体组件安装有金属摩擦片，转子组件上安装有衔铁，通过金属摩擦片与衔铁的吸合或分离实现转子组件和壳体组件的吸合或分离。采取此种结构形式可以充分利用空间，提高电磁离合器的功率密度。摩擦部分采用铜—陶瓷摩擦副，在金属基体上喷涂陶瓷，磨损较小、摩擦力矩保持稳定，并增加胶接与焊接工艺方法的手段来安装固定金属摩擦片，以减小电磁离合器的体积和重量，增强电磁离合器的使用性能。具体结构如图1所示，定子组件通过前、后两支轴承安放在壳体组件内部，转子组件的轴通过定子组件内部前、后两支支撑轴承穿入定子组件与壳体组件形成的组合体，转子组件可与定子组件、壳体组件保持相对运动。电磁离合器转子组件中采用渐开线式内花键以固定衔铁。渐开线式内花键可以使衔铁均匀受力，使相对硬度较低的衔铁变形量较小。壳体组件内腔留有凸缘，并留有倒角以安装金属摩擦片，且壳体组件、金属摩擦片之间应胶合，并采用激光焊接连接。由于金属摩擦片的局部微小变形会导致摩擦副性能不稳定，故采取胶合和局部激光焊接可使其变形量最小化。金属摩擦片采用铜材料QSn6.5-0.1制成。此材料具有较高的硬度和抗微塑性变形能力，并具有高强度耐磨性。转子组件中衔铁表面留有环状凸台，与金属摩擦片对应的表面上设有喷涂陶瓷层，作为金属基体和陶瓷喷涂面，以喷涂陶瓷涂层工作层。衔铁所采用磁性材料相对硬度较低，在其上喷涂陶瓷层提供了更好的硬度和耐磨性能，而且耐高温、强度大、抗冲击和抗腐蚀，可以使摩擦力矩保持稳定。两者吸合时所组成的铜—陶瓷摩擦副可保证离合器通电时使衔铁在与壳体组件吸合在一起的摩擦力矩，使离合器可靠接通传递力矩。
结语
以设计的新型电磁离合器为研究对象，通过理论计算和仿真分析，可得如下结论：1）电磁转矩随转差角的增大，基本呈正弦规律变化；2）在产生最大电磁转矩的转差角附近，电磁力很小；3）磁路未达到饱和状态时，可以通过调节线圈的安匝数来改变离合器的最大转矩，使之满足设计和工作要求；4）新型离合器正常工作时，负载转矩要小于电磁转矩，否则会发生跳齿现象，影响离合器功能的实现。综上可知：此新型电磁离合器的设计方案是可行的，有良好的工程实用价值，接下来将研制样机，进行试验，以仿真分析结果为基础，对离合器进行进一步的优化设计，以满足工程需求。本文设计的电磁离合器，在为自动油门执行机构、电动舵机、油门操纵台等航空机电类产品提供结构连接、力矩传输功能的同时，可极大减小电磁离合器所占用的体积，使得机电类产品体积更小、重量更轻、结构更紧凑，且陶瓷喷涂层具有耐磨损，耐腐蚀性，更适合航空机电产品的使用环境，应用前景广泛。
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论文作者:唐崎文
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第4期
论文发表时间:2019/9/20
标签：组件论文; 壳体论文; 离合器论文; 转子论文; 定子论文; 衔铁论文; 力矩论文; 《建筑细部》2019年第4期论文;