电磁离合器在阀门行业的应用及啮合齿的强度计算

张静，郁春琳，师晓东，李佳陈，秦金健，姜淋

（江苏神通阀门股份有限公司，江苏启东226232）

0 引言

本文主要研究牙嵌式电磁离合器（以下简称离合器）的工作原理及在阀门中的应用，并计算了离合器在传递转矩下的啮合齿强度，分析了影响离合器传递转矩的相关因素，为后续的产品改进提供了重要依据。

离合器由主动侧和从动侧组成，其结合端面上带有传动齿用于传递转矩。从动侧通过螺钉固定在过渡盘上，过渡盘另一侧与蜗轮蜗杆等传动装置连接，主动侧用导向平键或花键等方式与传动轴联接。主动侧离合器内部绕有线圈，当通电时线圈得电产生电磁吸力，离合器主动侧与从动侧通过电磁力吸合，传递转矩。此时从动侧离合器内部弹簧压缩蓄能，断电时压缩弹簧复位，两离合器脱开，断开传递的转矩。根据现场工况的要求，可以智能控制离合器得电、失电，控制装置的输出转矩，从而可以控制现场阀门的启闭。

为了保证离合器主动侧和从动侧的对中性，在传动轴上设有自润滑性能的导向套，用于限制从动侧离合器的径向传动（轴向可以移动和旋转）。牙嵌式离合器的操纵通过电磁的吸力方式进行，牙的数量和大小根据传递转矩的大小进行计算确认。牙形有矩形、梯形、三角形、锯齿形和螺旋形等多种形式。不同的牙形所传递的转矩大小和形式都不一样，但是在工作中由于同时参与嵌合的牙数多，故相比其它形式的离合器承载转矩大，适用范围广泛。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

电磁离合器主要由主动侧、从动侧和传动轴三大部分组成[2]，结构如图1所示。其中：主动部件由下半离合、磁轭、线圈、轴承、齿盘Ⅰ、接线端子等零部件组成，零件间通过螺钉、挡圈连接；从动部件由上半离合、齿盘Ⅱ、连接盘、螺钉Ⅰ和对应的弹簧等零部件组成，零件间通过螺钉连接；传动部件由传动轴、键、导向套、过渡盘、蜗轮蜗杆、螺钉、轴承Ⅰ和锁紧螺母等零部件组成。

主动部件和从动部件之间通过端面齿连接传递转矩，端面齿采用自锁结构的梯形齿，在设计传递转矩有效范围内即可保证离合器有效连接不松脱[2]。N个均布螺钉Ⅰ穿过齿盘Ⅱ拧入连接盘中，并且螺钉Ⅰ和齿盘Ⅱ之间设有对应的弹簧，此时弹簧处于微量压缩状态。N个均布螺钉Ⅱ穿过连接盘，拧入过渡盘中，从而把离合器的从动部分与过渡盘连接。过渡盘的另一面通过螺钉把蜗轮连接固定，蜗杆与蜗轮配合进行转矩输入，蜗轮和传动轴之间设有滚动轴承，滚动轴承上部通过轴套和锁紧螺母固定，下部通过导向套进行固定。导向套的另一端用于固定离合器的主动侧，并保证离合器从动侧的轴向移动。

离合器的接线端子与外部电源连接，给离合器的线圈通电，产生电磁吸力，用于齿盘Ⅰ和齿盘Ⅱ齿面的吸合，从而可以传递转矩。

1.2 工作原理

通过蜗轮蜗杆的转动进行转矩的输入，当线圈没有通电时，轴承Ⅰ仅带动过渡盘和离合器的从动侧进行空转，此时蜗轮蜗杆的转矩无法传递给下一级装置。当线圈通电时，产生的电磁吸力把离合器从动侧的齿盘Ⅱ向下吸合[1]，齿盘Ⅰ和齿盘Ⅱ的齿面吸合，此时螺钉Ⅰ和齿盘Ⅱ之间的弹簧压缩蓄能（当线圈断电后，电磁吸力消失，弹簧复位使两齿面分离），蜗轮蜗杆的转矩通过过渡盘、离合器的从动侧传递给离合器的主动侧，离合器的主动侧通过键把转矩传递给传动轴，并通过齿轮、齿条及拨叉等装置传递给阀门，用于实现阀门的开关。根据现场工况的要求，可以智能控制离合器得电、失电，控制装置的输出转矩，从而可以控制现场阀门的启闭[9]。

图1 离合器连接结构形式

2 牙嵌式电磁离合器齿形强度计算

离合器用于传递输出装置的输入转矩，为了保证离合器在工作过程中的稳定性及安全性，所以要对齿形进行强度计算，保证齿形的强度。根据离合器传递转矩的大小，一般对其齿形进行剪切应力、弯曲应力及挤压应力的计算。下面以LHQ-1600型号为例说明牙嵌式电磁离合器基本参数及强度计算。具体如图2所示。

图2 离合器结构形式

2.1 端面齿的结构形式及相关参数

端面齿外径D1=195 mm；端面齿内径D0=185 mm；齿宽b=（D1-D0）/2=5 mm；端面齿高度h=2 mm；端面齿结合高度h0=1.6 mm；端面齿摩擦因数μ=0.2；齿顶厚Lm=0.7 mm；齿底厚L=2.6 mm；齿形半角α=25°；齿的平均直径D=（D1+D0）/2=190 mm；齿数z=190；电磁吸合力Fxh；离合器的额定传递转矩T=1600 N·m。

2.2 端面齿的受力分析及相关计算

1）受力分析。端面齿结合传递转矩，从动侧的力传递给主动侧，由于力的作用是相互的，现以从动侧为研究对象，其受力形式如图3所示，不仅受到齿给齿的力，还受到电磁吸合力。

2）受力计算[4]。如图3所示，右侧的主动齿给左侧的从动齿一个力F，以及应F产生的摩擦力Ff，在X轴和Y轴上的分力如图3所示。

把已知数据代入上述公式，根据式（3）可得，（F·cos 25°+0.2·F·sin 25°）·190 mm=1600000 N·mm，得F=8499 N。将F代入式（2）得Fz=8424 N，将F代入公式（1）得电磁吸合力Fxh=2051.3 N。

3）强度计算[6]。从图3可以看出，齿面主要受到了剪切应力、挤压应力和弯曲应力，齿面强度具体计算如下：

剪切应力τ=FS/A=T/（D·z·b·L）=1600000÷（190×190×5×2.6）=3.4 MPa；挤压应力σbs=F/A=F/（z·b·h0/cos α）=8499÷（190×5×1.6÷cos 25°）=5.1 MPa；弯曲应力σw=M/W=T·h /（D·z·b2·h/6）=1600000×2÷（190×190×52×2÷6）=5.32 MPa。

基于端面齿的防磁性及抗磨性考虑，两啮合齿的材料选用45钢调质处理[7]，硬度控制在217～255 HBW，抗拉强度Rm=600 MPa，屈服强度Re=355 MPa。

根据材料力学可以算出材料的许用应力[σ]=Re/2.5=142 MPa，许用剪切应力[τ]=0.8[σ]=113.6 MPa，许用挤压应力[σbs]=2[σ]=284 MPa，许用弯曲应力[σw]=1.1[σ]=156.2 MPa[5]。

根据上述计算结果可以看出，离合器在传递1600 N·m的转矩过程中，剪切应力、挤压应力和弯曲应力都小于材料的许用应力，满足强度要求。

4）影响转矩传递的参数计算[8]。影响离合器转矩传递的参数有很多，最主要的是离合器齿的平均直径和齿形半角α的大小。在同样周向力的作用下，直径越大其所传递的转矩也就越大，在同样的直径下，齿形半角α越小其周向分力就越大，传递的转矩也就越大。下面仅改变齿形半角α的大小，保持离合器平均直径和电磁吸力不变的情况下，来计算离合器的输出转矩。相比原来的齿形半角25°现在改为20°，齿形半角减小了20%。

根据式（1）可以算出F=13313.1 N。根据式（3）可以算出T=2550 N·m，相比1600 N·m增加了59.37%，所以减小齿形半角对于提高离合器的传递转矩有着非常显著的效果。

图3 端面齿的受力形式

3 结语

本文通过对牙嵌式电磁离合器的基本描述，明确了离合器的零部件组成、工作原理及其在阀门行业的应用。并选取了LHQ-1600型号的牙嵌式电磁离合器，对其基本参数进行了确定并对其强度进行了计算，验证了其设计的合理性。通过对影响离合器转矩传递的参数进行了分析，并在对减小齿形半角后其所能传递转矩进行计算后发现，当齿形半角减小了20%后，其所传递的转矩增加了59.37%，减小齿形半角对于提高离合器的传递转矩有着非常显著的效果。这对后续的产品改进提供了重要依据。