在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與扭矩測(cè)量系統(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)重要組成部分。本文將簡(jiǎn)述兩種不同的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)應(yīng)的兩種不同的扭矩測(cè)量方法。
1. 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源是電機(jī)，一般電機(jī)的轉(zhuǎn)速非?？欤~定轉(zhuǎn)速一般為3000rpm或1500rpm），而輸出扭矩又非常?。ㄒ话憬橛?.5Nm~20Nm之間），所以必須借助于齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)，利用其減速及放大扭矩的功能，一方面把輸出轉(zhuǎn)速降到理想速度，另一方面將較小的電機(jī)輸出扭矩放大到閥門操作所需要的較大的扭矩輸出。同時(shí)，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)特性也可用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩的測(cè)量。

1.1 蝸輪蝸桿傳動(dòng) 不同電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采用的齒輪傳動(dòng)型式各不相同，但一般都包含有蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如單級(jí)傳動(dòng)比大、輪系接觸面積大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、特定螺旋角下可實(shí)現(xiàn)自鎖等。然而蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)因自身的結(jié)構(gòu)也同時(shí)存在這較大的缺點(diǎn)：
1） 傳動(dòng)效率低：由于輪系接觸面積大，相對(duì)滑動(dòng)摩擦較大，傳動(dòng)效率一般僅為10~20%。另外由于較大的滑動(dòng)摩擦造成的齒面磨損也較大，輪系發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，需要較好的潤(rùn)滑與散熱。
2） 蝸桿軸向力大：蝸輪蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，當(dāng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪傳動(dòng)時(shí)，受反作用力的影響，在蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，蝸桿會(huì)受到與蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的軸向力。負(fù)載越大，軸向力越大。較大的軸向力會(huì)造成蝸桿支持部件的磨損，從而使蝸桿的軸向定位產(chǎn)生間隙，使系統(tǒng)傳動(dòng)的精度降低，并且會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)震蕩及噪音。
1.2 行星齒輪傳動(dòng) 為了在利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又盡量降低其缺點(diǎn)的影響，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可采用兩級(jí)傳動(dòng)，常用的選擇是采用行星齒輪傳動(dòng)+蝸輪蝸桿傳動(dòng)的組合型式。

行星齒輪傳動(dòng)的原理：
行星齒輪系統(tǒng)由三個(gè)主要傳動(dòng)部件組成：太陽(yáng)輪、行星輪及齒圈。所有的行星輪一般固定在一個(gè)行星架上。行星齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)有雙自由度的特性，即在三個(gè)傳動(dòng)部件中，固定任意一個(gè)部件，另外兩個(gè)就可傳動(dòng)。在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，常常固定齒圈，太陽(yáng)輪與電機(jī)主軸相聯(lián)，行星架與蝸桿相聯(lián)。這樣，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)輪會(huì)驅(qū)動(dòng)行星輪帶著行星架圍繞太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出動(dòng)力。

行星齒輪傳動(dòng)的特性：
行星齒輪傳動(dòng)相對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，恰好彌補(bǔ)克服上述蝸輪蝸桿傳動(dòng)的缺點(diǎn)：
1） 機(jī)構(gòu)緊湊：占用空間小，無軸向力。
2） 工作平穩(wěn)：震蕩及噪音小。
3） 滑動(dòng)摩擦小：摩擦損耗小，傳動(dòng)效率高。
兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合使用，既能實(shí)現(xiàn)自鎖的性能，又能獲得較高的傳動(dòng)效率，降低電機(jī)功率，減少能耗。下表即采用不同傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)比較。

上表中可以看出，兩個(gè)型號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程時(shí)間基本相同，即傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比基本一樣，但對(duì)于同樣的輸出扭矩，所需要的電機(jī)功率及運(yùn)行電流相差很大，這說明在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采用行星齒輪傳動(dòng)可大大降低能耗。
2. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩的測(cè)量：
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作時(shí)，其輸出扭矩隨負(fù)載（閥門操作扭矩）的變化而變化。當(dāng)閥門運(yùn)行到終點(diǎn)（全開或全關(guān)）的位置或在運(yùn)行過程中閥芯發(fā)生卡住不動(dòng)的時(shí)候，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩會(huì)急劇升高。為了不至于損壞閥座密封面或閥桿，需要限制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出扭矩。而這就需要扭矩測(cè)量系統(tǒng)來實(shí)時(shí)測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩。
測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩一般有兩種途徑：利用蝸桿的軸向位移，或利用行星齒輪齒圈的周向位移。（還有一種測(cè)量方法是利用測(cè)量電機(jī)的速度來計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩，屬于間接測(cè)量法，不在本篇論述之列。）
2.1 蝸桿軸向位移測(cè)量法： 蝸桿軸向位移測(cè)量系統(tǒng)由碟形彈簧、撥桿及微動(dòng)開關(guān)組成。碟形彈簧頂在蝸桿的兩端，撥桿端部卡在蝸桿上。如前所述，在蝸輪蝸桿傳動(dòng)過程中，蝸桿由于受軸向力的作用，會(huì)產(chǎn)生軸向位移。軸向位移的蝸桿會(huì)壓縮碟形彈簧，當(dāng)?shù)螐椈蓧嚎s產(chǎn)生的彈簧力與軸向力平衡時(shí)，蝸桿的軸向位移停止。負(fù)載（執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩）越大，蝸桿軸向位移越大，當(dāng)負(fù)載（輸出扭矩）達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)定扭矩時(shí)，撥桿會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，從而切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的電源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 蝸桿軸向位移測(cè)量扭矩的方法是一種簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，存在這一定的缺陷：
1） 測(cè)量精度差：由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，為了避免產(chǎn)生較大的振動(dòng)及保持定位的準(zhǔn)確型，需要把蝸桿的軸向位移限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，所以必須采用彈性模量較大的碟形彈簧。因而，單位彈簧形變對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩就會(huì)較大，測(cè)量精度不高。
2） 測(cè)量精度隨運(yùn)行時(shí)間降低：蝸桿是高速旋轉(zhuǎn)部件，在動(dòng)作過程中蝸桿、蝸輪、蝸桿支持部件及撥桿等部件均會(huì)發(fā)生磨損，因而會(huì)造成各種間隙的增大，測(cè)量精度也會(huì)隨之降低。
2.2 行星齒輪齒圈周向位移測(cè)量法：
行星齒輪齒圈周向位移測(cè)量系統(tǒng)由螺旋彈簧、撥桿及微動(dòng)開關(guān)組成。螺旋彈簧頂在滑塊上，滑塊卡在齒圈上。撥桿端部卡在齒圈上。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，太陽(yáng)輪驅(qū)動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)通過滑塊壓縮螺旋彈簧。當(dāng)彈簧形變產(chǎn)生的彈簧力與齒圈受到的周向力平衡時(shí)，齒圈就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載（執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩）越大，齒圈周向位移越大，當(dāng)負(fù)載（輸出扭矩）達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)定扭矩時(shí)，撥桿會(huì)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，從而切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的電源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

行星齒輪齒圈周向位移測(cè)量法相對(duì)于蝸桿軸向位移測(cè)量法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
1） 測(cè)量精度高：齒圈周向位移比蝸桿軸向位移大，螺旋彈簧彈性模量小，彈簧單位形變對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩變化相對(duì)小，因而測(cè)量精度較高。
2） 測(cè)量精度保持時(shí)間長(zhǎng)：行星齒輪外圈不是高速旋轉(zhuǎn)部件，摩擦磨損小，測(cè)量精度不隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間增加而降低，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久的高精度測(cè)量。
總結(jié)： 裝備有行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要比單純使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率高，在同樣的輸出扭矩及操作時(shí)間的條件下，裝備有行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)功率小，能耗低。
利用行星齒輪外圈周向位移要比利用蝸桿軸向位移的方法測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩精度高，更能實(shí)現(xiàn)持久可靠的測(cè)量。