电磁自辅助起动与制动齿轮的研发与应用

孙鸿基，董小平，范衍泽，肖志敏，高天翔

（1.河北大学质量技术监督学院，河北保定 071002；2.汽车制造质量教育社会实践基地（河北大学—长安汽车），河北保定 071002；3.河北大学电子信息工程学院，河北保定 071002）

0 引言

在“中国制造2025”战略环境下，当前许多国内大型工程面临大型设备制造与使用的难题。针对其中大型齿轮起动和制动时因齿轮转动惯量过大[1]而导致起动与制动困难的问题，开展本创新项目的研究。本创新项目采用设置齿轮内部通电线圈的方式，设计了一种电磁自辅助起动与制动齿轮[2]（以下简称“电磁自辅助齿轮”），通过电磁力给齿轮施加转矩，利用单片机控制电流从而控制转矩大小，同时还可以减少振动。本项目的实施，对大型工程的效率提高和成本节约均起到重大作用，具有深远的社会意义和巨大的工业价值。

1 电磁自辅助起动与制动齿轮结构和工作原理

电磁自辅助齿轮结构上是在普通的渐开线齿轮齿中内置线圈，沿圆周分布（图1）。每个线圈都单独连一根总线，自成一路，单独受单片机控制。

两齿轮啮合运转时，在齿1 即将于齿4 啮合之时，齿1 线圈通以逆时针电流，同时齿4 线圈通以顺时针电流，产生一适当大小的电磁斥力，随着两齿距离越来越靠近，该力也会随之增大，在完全接触以后，停止通电，电磁力也同时消失，该行为可起到辅助制动和减振作用；如果通之以同方向的电流，则可起到辅助启动的作用（图2）。同理，齿2、齿3、齿5 可以根据需要选择电流方向与大小来进行调节。在此过程中，未参与啮合运动的齿内线圈将不予通电。

图1 电磁自辅助齿轮结构

图2 工作原理示意

2 供电方案

在其他条件相同的情况下，电磁力的大小完全取决于电流的大小，因此需要根据需求的力的大小设定相应的电流大小。根据康玉宽[3]等人的研究，两同轴通电圆柱形螺线管间电磁作用力F 如下：

可是在实际啮合的过程中，线圈并不是同轴接触，所以需要加上修正系数Φ，即Fa=ΦF。该系数应该根据实际情况由实验测定。

3 结论

（1）齿轮线圈内置于齿内，每捆线圈单独受控，线圈通电产生电磁力辅助起动与制动。

（2）采用反向通电消磁。

（3）可应用于大型齿轮的起动、制动和减振。