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【摘 要】电动机构也称电动执行机构，广泛应用于航空航天以及现代工业控制系统中。公司研制的油门电动机构主要用于驱动发动机油门操纵组件，从而控制发动机燃油柱塞泵调节器油门的角度。锁定力矩作为基本技术性能指标在油门电动机构提出，主要满足油门电动机构故障时，依靠油门电动机构自身锁定力矩保证机构输出轴锁定于故障當前状态，防止输出轴任意方向上的转动，从而保证系统在一定条件下处于安全状态。本文针对公司在研制油门电动机构过程中，锁定力矩偏小问题，提出一种提高油门电动机构锁定力矩的设计改进方法，这些方法经验证有效，并进行推广应用。
【关键词】油门电动机构；锁定力矩；改进方法
1 电磁离合结构
锁定力矩也叫保持力矩，顾名思义当油门电动机构故障时，依靠油门电动机构自身锁定力矩保证机构输出轴锁定于故障当前状态，以防止输出轴任意方向上的转动，从而保证系统在一定条件下处于安全状态。电磁离合器刹车装置因结构简单，可靠性高，在公司研制的油门电动机构产品中被广泛用作保证锁定力矩，以消除机构输出轴惯性滑移，电磁离合器结构如图1所示。
电磁离合器主要由：制动盘、圆盘部件、弹簧、线圈部件、壳体部件、调整垫圈、引出线以及轴组成。工作原理：在引出线端施加一定工作电压的情况下，线圈部件绕组因有电流流过产生感应磁场，圆盘部件在磁场力作用下克服弹簧弹力作用，使制动盘与圆盘部件脱开，制动盘与轴固联在一起处于自由状态，当有外力作用时，圆盘部件和轴一起转动；反之，当引出线端未施加一定工作电压的情况下，线圈部件绕组因无电流流过，不能产生感应磁场，圆盘部件在弹簧弹力作用，使圆盘部件与制动盘紧密贴合，由于制动盘与轴固联在一起，依靠摩擦力作用使轴以及制动盘处于制动状态，轴无法转动，从而使产品处于锁定状态。调整垫圈用于调整弹簧弹力以改变线圈部件吸合电压。
2 电磁离合器改进设计
设计改进前后，电磁离合器安装示意图如图2所示。原有状态电磁离合器安装于油门电动机构输出轴端，如图3所示。该结构电磁离合器体积较大，输出轴锁定力矩有限。采取的改进措施是将电磁离合器安装位置放置电机端，并调整电磁离合器参数，通过行星轮减速器减速之后，使输出轴可获得较大的锁定力矩，结构如图4所示。
2.1 改进前后电磁离合器绕组参数对比
电磁离合器绕组参数见表1。
2.2 电磁离合器相关计算
说明：计算时采用名义尺寸计算，忽略公差对计算结果的影响，考虑电磁离合器最小吸力F吸。根据图3-1，得出电磁离合器吸力计算公式：
（2-1）
式中：
—导磁率， ×10^-7 H/mπ×10^-7 H/m；
—气隙面积（mm2）；
d—漆包线直径（mm）；
U—工作电压（V）；
—铜的电阻率，20℃时，0.0175Ω·mm2/m；
D2—绕线外径（mm）；
D1—绕线内径（mm）；
δ—气隙长度（mm），即行程。
2.2.1 原状态电磁离合器吸力F吸原、T摩擦原计算：
2.2.1.1电磁离合器吸力F吸原计算：
查设计图，得：D2=34.3mm，D1=26.7mm，U=28V，d=0.2mm，D3=40mm，D4=59mm，D5=16.2mm，D6=60mm，δ=0.4mm。
气隙面积：
根据式（2-1）得：
2.2.1.2 电磁离合器最大摩擦力矩计算T摩擦原
查设计图，弹簧参数：弹性系数K=4.28 N/mm，弹簧最大变形量
Δx=22.4mm，弹簧最大弹力：F弹簧=K×Δx=4.28×22.4=95.872N。
电磁离合器最大摩擦力矩：T摩擦原=F弹簧×L×μ=
钢对石棉橡胶板材料，取最大μ=0.4；
L=（D3+D4）/2=（40+59）/2=44.5 mm。
根据计算结果可知，F吸原>F弹簧原，电磁离合器正常吸合。
2.2.2改进后电磁离合器吸力F吸改、T摩擦改计算：
2.2.2.1 改进后电磁离合器吸力F吸原计算：
查设计图，得：D2=33mm，D1=21.5mm，U=28V，d=0.17mm，D3=27mm，D4=36.5mm，D5=12.5mm，D6=37mm，δ=0.4mm。
气隙面积：
根据式（2-1）得： 。
2.2.2.2 改进后电磁离合器最小摩擦力矩计算T摩擦
查设计图，弹簧参数：弹性系数K=1.965 N/mm，弹簧最小变形量Δx=8.6mm，弹簧最小弹力：F弹簧=K×Δx=1.965×8.6=16.9N。
电磁离合器最小摩擦力矩：T摩擦=F弹簧×L×μ=
钢对石棉橡胶板材料，取最小μ=0.25；
L=（D3+D4）/2=（27+36.5）/2=31.75 mm。
根据计算结果可知，F吸改>F弹簧，电磁离合器正常吸合。
由上述计算可知，原结构将电磁离合器安装在油门电动机构输出轴端，电磁离合器产生的摩擦力矩仅为1.9N·m，加上行星直齿轮减速器摩擦力矩，经实测能满足锁定力矩不小于3N·m的要求。但不能满足不小于5N·m。将电磁离合器安装到电机端，电磁离合器产生的摩擦力矩为0.134N·m，经行星直齿轮减速器（传动比i=2538.46，减速器效率按20%计算）减速后，产生锁定力矩为：
T锁定=0.107×2538.46×0.2=68N·m>5N·m
因此，将电磁离合器安装到电机端，通过电磁离合器较小的摩擦力矩，经减速器后，即可提升产品产生锁定力矩，从而满足锁定力矩要求。
3 验证
上述改进措施实施后，油门电动机构按照产品规范要求进行了锁定力矩检查，即：在5N·m负载条下检查产品锁定力矩下，输出轴角度值不应发生变化。
改进后的产品按照鉴定试验大纲规定要求完成了鉴定试验，过程中未出现锁定力矩不满主要的故障。同时改进后的油门电动机构随飞机/发动机完成了装机试验试飞考核，均达到技术协议的技术指标要求。
4 结论
本文针对油门电动机构在研制过程出现的锁定力矩不满足要求问题，提出了将电磁离合器装置安装位置由油门电动机构前端调整到后端的方法，制定了相应的改进措施，这些改进措施经过试验试飞考核验证，满足飞机、发动机的使用要求，改进达到了预期目的，改进措施并推广应用到后续研制的类似产品中。该改进方法成功解决了油门控制电机锁定力矩不合格的问题，采取的改进措施后的油门电动机构锁定力矩成倍增大，体积及重量进一步缩小，满足了客户的使用要求，具有一定参考价值。
参考文献：
[1] 王宝龄主编.电磁电器设计基础（修订版），北京：国防工业出版社，1989
[2] 机械工程手册（第4卷 机械设计（一）），北京：机械工业出版社，1982
（作者单位：贵阳万江航空机电有限公司）
【关键词】油门电动机构；锁定力矩；改进方法
1 电磁离合结构
锁定力矩也叫保持力矩，顾名思义当油门电动机构故障时，依靠油门电动机构自身锁定力矩保证机构输出轴锁定于故障当前状态，以防止输出轴任意方向上的转动，从而保证系统在一定条件下处于安全状态。电磁离合器刹车装置因结构简单，可靠性高，在公司研制的油门电动机构产品中被广泛用作保证锁定力矩，以消除机构输出轴惯性滑移，电磁离合器结构如图1所示。
电磁离合器主要由：制动盘、圆盘部件、弹簧、线圈部件、壳体部件、调整垫圈、引出线以及轴组成。工作原理：在引出线端施加一定工作电压的情况下，线圈部件绕组因有电流流过产生感应磁场，圆盘部件在磁场力作用下克服弹簧弹力作用，使制动盘与圆盘部件脱开，制动盘与轴固联在一起处于自由状态，当有外力作用时，圆盘部件和轴一起转动；反之，当引出线端未施加一定工作电压的情况下，线圈部件绕组因无电流流过，不能产生感应磁场，圆盘部件在弹簧弹力作用，使圆盘部件与制动盘紧密贴合，由于制动盘与轴固联在一起，依靠摩擦力作用使轴以及制动盘处于制动状态，轴无法转动，从而使产品处于锁定状态。调整垫圈用于调整弹簧弹力以改变线圈部件吸合电压。
2 电磁离合器改进设计
设计改进前后，电磁离合器安装示意图如图2所示。原有状态电磁离合器安装于油门电动机构输出轴端，如图3所示。该结构电磁离合器体积较大，输出轴锁定力矩有限。采取的改进措施是将电磁离合器安装位置放置电机端，并调整电磁离合器参数，通过行星轮减速器减速之后，使输出轴可获得较大的锁定力矩，结构如图4所示。
2.1 改进前后电磁离合器绕组参数对比
电磁离合器绕组参数见表1。
2.2 电磁离合器相关计算
说明：计算时采用名义尺寸计算，忽略公差对计算结果的影响，考虑电磁离合器最小吸力F吸。根据图3-1，得出电磁离合器吸力计算公式：
（2-1）
式中：
—导磁率， ×10^-7 H/mπ×10^-7 H/m；
—气隙面积（mm2）；
d—漆包线直径（mm）；
U—工作电压（V）；
—铜的电阻率，20℃时，0.0175Ω·mm2/m；
D2—绕线外径（mm）；
D1—绕线内径（mm）；
δ—气隙长度（mm），即行程。
2.2.1 原状态电磁离合器吸力F吸原、T摩擦原计算：
2.2.1.1电磁离合器吸力F吸原计算：
查设计图，得：D2=34.3mm，D1=26.7mm，U=28V，d=0.2mm，D3=40mm，D4=59mm，D5=16.2mm，D6=60mm，δ=0.4mm。
气隙面积：
根据式（2-1）得：
2.2.1.2 电磁离合器最大摩擦力矩计算T摩擦原
查设计图，弹簧参数：弹性系数K=4.28 N/mm，弹簧最大变形量
Δx=22.4mm，弹簧最大弹力：F弹簧=K×Δx=4.28×22.4=95.872N。
电磁离合器最大摩擦力矩：T摩擦原=F弹簧×L×μ=
钢对石棉橡胶板材料，取最大μ=0.4；
L=（D3+D4）/2=（40+59）/2=44.5 mm。
根据计算结果可知，F吸原>F弹簧原，电磁离合器正常吸合。
2.2.2改进后电磁离合器吸力F吸改、T摩擦改计算：
2.2.2.1 改进后电磁离合器吸力F吸原计算：
查设计图，得：D2=33mm，D1=21.5mm，U=28V，d=0.17mm，D3=27mm，D4=36.5mm，D5=12.5mm，D6=37mm，δ=0.4mm。
气隙面积：
根据式（2-1）得： 。
2.2.2.2 改进后电磁离合器最小摩擦力矩计算T摩擦
查设计图，弹簧参数：弹性系数K=1.965 N/mm，弹簧最小变形量Δx=8.6mm，弹簧最小弹力：F弹簧=K×Δx=1.965×8.6=16.9N。
电磁离合器最小摩擦力矩：T摩擦=F弹簧×L×μ=
钢对石棉橡胶板材料，取最小μ=0.25；
L=（D3+D4）/2=（27+36.5）/2=31.75 mm。
根据计算结果可知，F吸改>F弹簧，电磁离合器正常吸合。
由上述计算可知，原结构将电磁离合器安装在油门电动机构输出轴端，电磁离合器产生的摩擦力矩仅为1.9N·m，加上行星直齿轮减速器摩擦力矩，经实测能满足锁定力矩不小于3N·m的要求。但不能满足不小于5N·m。将电磁离合器安装到电机端，电磁离合器产生的摩擦力矩为0.134N·m，经行星直齿轮减速器（传动比i=2538.46，减速器效率按20%计算）减速后，产生锁定力矩为：
T锁定=0.107×2538.46×0.2=68N·m>5N·m
因此，将电磁离合器安装到电机端，通过电磁离合器较小的摩擦力矩，经减速器后，即可提升产品产生锁定力矩，从而满足锁定力矩要求。
3 验证
上述改进措施实施后，油门电动机构按照产品规范要求进行了锁定力矩检查，即：在5N·m负载条下检查产品锁定力矩下，输出轴角度值不应发生变化。
改进后的产品按照鉴定试验大纲规定要求完成了鉴定试验，过程中未出现锁定力矩不满主要的故障。同时改进后的油门电动机构随飞机/发动机完成了装机试验试飞考核，均达到技术协议的技术指标要求。
4 结论
本文针对油门电动机构在研制过程出现的锁定力矩不满足要求问题，提出了将电磁离合器装置安装位置由油门电动机构前端调整到后端的方法，制定了相应的改进措施，这些改进措施经过试验试飞考核验证，满足飞机、发动机的使用要求，改进达到了预期目的，改进措施并推广应用到后续研制的类似产品中。该改进方法成功解决了油门控制电机锁定力矩不合格的问题，采取的改进措施后的油门电动机构锁定力矩成倍增大，体积及重量进一步缩小，满足了客户的使用要求，具有一定参考价值。
参考文献：
[1] 王宝龄主编.电磁电器设计基础（修订版），北京：国防工业出版社，1989
[2] 机械工程手册（第4卷 机械设计（一）），北京：机械工业出版社，1982
（作者单位：贵阳万江航空机电有限公司）