電磁離合器在閥門行業(yè)的應(yīng)用及嚙合齒的強(qiáng)度計(jì)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(yīng)用，并計(jì)算了離合器在傳遞轉(zhuǎn)矩下的嚙合齒強(qiáng)度，分析了影響離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的相關(guān)因素，為后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)提供了重要依據(jù)。

離合器由主動(dòng)側(cè)和從動(dòng)側(cè)組成，其結(jié)合端面上帶有傳動(dòng)齒用于傳遞轉(zhuǎn)矩。從動(dòng)側(cè)通過螺釘固定在過渡盤上，過渡盤另一側(cè)與蝸輪蝸桿等傳動(dòng)裝置連接，主動(dòng)側(cè)用導(dǎo)向平鍵或花鍵等方式與傳動(dòng)軸聯(lián)接。主動(dòng)側(cè)離合器內(nèi)部繞有線圈，當(dāng)通電時(shí)線圈得電產(chǎn)生電磁吸力，離合器主動(dòng)側(cè)與從動(dòng)側(cè)通過電磁力吸合，傳遞轉(zhuǎn)矩。此時(shí)從動(dòng)側(cè)離合器內(nèi)部彈簧壓縮蓄能，斷電時(shí)壓縮彈簧復(fù)位，兩離合器脫開，斷開傳遞的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhuǎn)矩，從而可以控制現(xiàn)場(chǎng)閥門的啟閉。

為了保證離合器主動(dòng)側(cè)和從動(dòng)側(cè)的對(duì)中性，在傳動(dòng)軸上設(shè)有自潤滑性能的導(dǎo)向套，用于限制從動(dòng)側(cè)離合器的徑向傳動(dòng)（軸向可以移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)）。牙嵌式離合器的操縱通過電磁的吸力方式進(jìn)行，牙的數(shù)量和大小根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)。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(zhuǎn)矩大小和形式都不一樣，但是在工作中由于同時(shí)參與嵌合的牙數(shù)多，故相比其它形式的離合器承載轉(zhuǎn)矩大，適用范圍廣泛。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

電磁離合器主要由主動(dòng)側(cè)、從動(dòng)側(cè)和傳動(dòng)軸三大部分組成[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：主動(dòng)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(dòng)部件由上半離合、齒盤Ⅱ、連接盤、螺釘Ⅰ和對(duì)應(yīng)的彈簧等零部件組成，零件間通過螺釘連接；傳動(dòng)部件由傳動(dòng)軸、鍵、導(dǎo)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(dòng)部件和從動(dòng)部件之間通過端面齒連接傳遞轉(zhuǎn)矩，端面齒采用自鎖結(jié)構(gòu)的梯形齒，在設(shè)計(jì)傳遞轉(zhuǎn)矩有效范圍內(nèi)即可保證離合器有效連接不松脫[2]。N個(gè)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(shè)有對(duì)應(yīng)的彈簧，此時(shí)彈簧處于微量壓縮狀態(tài)。N個(gè)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(dòng)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(jìn)行轉(zhuǎn)矩輸入，蝸輪和傳動(dòng)軸之間設(shè)有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承上部通過軸套和鎖緊螺母固定，下部通過導(dǎo)向套進(jìn)行固定。導(dǎo)向套的另一端用于固定離合器的主動(dòng)側(cè)，并保證離合器從動(dòng)側(cè)的軸向移動(dòng)。

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(chǎn)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(zhuǎn)矩。

1.2 工作原理

通過蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的輸入，當(dāng)線圈沒有通電時(shí)，軸承Ⅰ僅帶動(dòng)過渡盤和離合器的從動(dòng)側(cè)進(jìn)行空轉(zhuǎn)，此時(shí)蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)矩?zé)o法傳遞給下一級(jí)裝置。當(dāng)線圈通電時(shí)，產(chǎn)生的電磁吸力把離合器從動(dòng)側(cè)的齒盤Ⅱ向下吸合[1]，齒盤Ⅰ和齒盤Ⅱ的齒面吸合，此時(shí)螺釘Ⅰ和齒盤Ⅱ之間的彈簧壓縮蓄能（當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力消失，彈簧復(fù)位使兩齒面分離），蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)矩通過過渡盤、離合器的從動(dòng)側(cè)傳遞給離合器的主動(dòng)側(cè)，離合器的主動(dòng)側(cè)通過鍵把轉(zhuǎn)矩傳遞給傳動(dòng)軸，并通過齒輪、齒條及撥叉等裝置傳遞給閥門，用于實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhuǎn)矩，從而可以控制現(xiàn)場(chǎng)閥門的啟閉[9]。

圖1 離合器連接結(jié)構(gòu)形式

2 牙嵌式電磁離合器齒形強(qiáng)度計(jì)算

離合器用于傳遞輸出裝置的輸入轉(zhuǎn)矩，為了保證離合器在工作過程中的穩(wěn)定性及安全性，所以要對(duì)齒形進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，保證齒形的強(qiáng)度。根據(jù)離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小，一般對(duì)其齒形進(jìn)行剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及擠壓應(yīng)力的計(jì)算。下面以LHQ-1600型號(hào)為例說明牙嵌式電磁離合器基本參數(shù)及強(qiáng)度計(jì)算。具體如圖2所示。

圖2 離合器結(jié)構(gòu)形式

2.1 端面齒的結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)參數(shù)

端面齒外徑D1=195 mm；端面齒內(nèi)徑D0=185 mm；齒寬b=（D1-D0）/2=5 mm；端面齒高度h=2 mm；端面齒結(jié)合高度h0=1.6 mm；端面齒摩擦因數(shù)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(shù)z=190；電磁吸合力Fxh；離合器的額定傳遞轉(zhuǎn)矩T=1600 N·m。

2.2 端面齒的受力分析及相關(guān)計(jì)算

1）受力分析。端面齒結(jié)合傳遞轉(zhuǎn)矩，從動(dòng)側(cè)的力傳遞給主動(dòng)側(cè)，由于力的作用是相互的，現(xiàn)以從動(dòng)側(cè)為研究對(duì)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(jì)算[4]。如圖3所示，右側(cè)的主動(dòng)齒給左側(cè)的從動(dòng)齒一個(gè)力F，以及應(yīng)F產(chǎn)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(shù)據(jù)代入上述公式，根據(jù)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(qiáng)度計(jì)算[6]。從圖3可以看出，齒面主要受到了剪切應(yīng)力、擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，齒面強(qiáng)度具體計(jì)算如下：

剪切應(yīng)力τ=FS/A=T/（D·z·b·L）=1600000÷（190×190×5×2.6）=3.4 MPa；擠壓應(yīng)力σbs=F/A=F/（z·b·h0/cos α）=8499÷（190×5×1.6÷cos 25°）=5.1 MPa；彎曲應(yīng)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(diào)質(zhì)處理[7]，硬度控制在217～255 HBW，抗拉強(qiáng)度Rm=600 MPa，屈服強(qiáng)度Re=355 MPa。

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

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以看出，離合器在傳遞1600 N·m的轉(zhuǎn)矩過程中，剪切應(yīng)力、擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力都小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

4）影響轉(zhuǎn)矩傳遞的參數(shù)計(jì)算[8]。影響離合器轉(zhuǎn)矩傳遞的參數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)算離合器的輸出轉(zhuǎn)矩。相比原來的齒形半角25°現(xiàn)在改為20°，齒形半角減小了20%。

根據(jù)式（1）可以算出F=13313.1 N。根據(jù)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(duì)于提高離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著非常顯著的效果。

圖3 端面齒的受力形式

3 結(jié)語

本文通過對(duì)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(yè)的應(yīng)用。并選取了LHQ-1600型號(hào)的牙嵌式電磁離合器，對(duì)其基本參數(shù)進(jìn)行了確定并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。通過對(duì)影響離合器轉(zhuǎn)矩傳遞的參數(shù)進(jìn)行了分析，并在對(duì)減小齒形半角后其所能傳遞轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒形半角減小了20%后，其所傳遞的轉(zhuǎn)矩增加了59.37%，減小齒形半角對(duì)于提高離合器的傳遞轉(zhuǎn)矩有著非常顯著的效果。這對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)提供了重要依據(jù)。