航空用机电作动系统电磁离合器的设计研究

倪笑宇 罗明宇 陈璐斌 孙东武 赵莹莹

摘 要：为了满足航空机电类产品体积小、重量轻、可靠性高的要求，文章设计了一种航空用电磁离合器。以某型自动油门执行机构为例，介绍了该种电磁离合器的功能，并详细分析了电磁离合器的设计方案和工作过程。研究表明，铜—陶瓷摩擦副电磁离合器在满足结构连接、力矩传输的功能下，性能可靠，结构简单紧凑，缩减了体积和重量。

关键词：机电作动系统；电磁离合器；铜—陶瓷摩擦副；油门机构

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[1-3]。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[4]。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。

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 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[5]，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。

衔铁后固定蝶形弹簧，蝶形弹簧使衔铁在断电时复位，实现转子组件与壳体组件的分离。蝶形弹簧的结构形式决定了其可以在较小的空间内部实现相对较大的承载能力，同时性能相对稳定。

3 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，繼而磁通消失，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。

4 结语

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。

[参考文献]

[1]郭宏，邢伟.机电作动系统发展[J].航空学报，2007（3）：620-627.

[2]倪笑宇，徐军，梁建明，等.三余度舵机控制器可靠性设计[J].微特电机，2016（1）：24-26.

[3]倪笑宇，徐军，戴美魁，等.LabWindows/CVI多线程技术在油门测试软件中的应用[J].自动化与仪表，2015（5）：62-64.

[4]赵典军，王玉详.磁粉离合器伺服机构[J].机械设计，1993（1）：12-16.

[5]罗晓晔，李雅娴，陈锡伟，等.离合器摩擦片摩擦性能影响因素研究[J].制造技术与机床，2011（3）：148-153.