BRPI0702022B1

BRPI0702022B1 - Transdutor de força de frenagem para freios elétricos

Info

Publication number: BRPI0702022B1
Application number: BRPI0702022-8A
Authority: BR
Inventors: Kevin M. Dalton; Kurt Burkhalter; Michael P. Osburn; Harold R. Booher
Original assignee: Aircraft Braking Systems Corporation
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2019-08-06
Also published as: ES2330158T3; US7565953B2; BRPI0702022A; CA2587978A1; DE602007001487D1; US20070261926A1; US20090266652A1; EP1857705A1; EP1857705B1; ATE435984T1; CA2587978C; IL183071A; IL183071A0

Abstract

transdutor de força de frenagem para freios elétricos a presente invenção refere-se a um atuador de freio elétrico para o sistema de freio de uma aeronave. um atuador de freio inclui um pistão acionado por uma disposição de porca e parafuso cilíndricos, acionado por um motor apropriado do atuador. a aplicação da força de freio resulta em uma força reacionária que deflete a cobertura superior do atuador. o componente axial desta deflexão é correlacionado diretamente com a força de freio aplicada. um feixe é interposto entre esta cobertura e uma tampa superior, de tal modo que a deflexão do feixe seja correlacionada à face de freio aplicada. dispositivos piezorresistivos são conectados ao feixe e, através de uma ponte de whetstone, apresentam um sinal de saída elétrico que é correlacionado à força de freio aplicada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para TRANSDUTOR DE FORÇA DE FRENAGEM PARA FREIOS ELÉTRICOS.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se à técnica de sistemas de frenagem de veículos, e, mais particularmente, a um sistema de frenagem de aeronave. Especifica mente, a invenção refere-se a sistemas de freios elétricos para uso em aeronaves, nos quais atuadores acionados a motor controlam a aplicação e a liberação da força de freio gerada em uma pilha de disco de freio. A invenção especifica mente refere-se a um transdutor de força de frenagem para uso em tais sistemas de freio elétrico.

TÉCNICA ANTECEDENTE

O uso de freios elétricos em sistemas de aeronaves tem se tornado cada vez mais popular. Em tais sistemas, motores elétricos são empregados para acionar um pistão através de engrenagens, parafusos e similares, em uma placa de pressão de uma pilha de disco de freio. Tipicamente, há uma pluralidade de atuadores em torno de cada montagem de freio, geralmente distribuídos uniformemente em torno da mesma.

O controle de frenagem elétrica exige que a força de sujeição do atuador seja conhecida e ajustada similar ao ajuste da pressão do pedal para um freio hidráulico. Com a hidráulica, uma mudança na pressão é proporcional a uma mudança na força de sujeição e o controle de freio se baseia nisto. Não existe nenhuma relação simples similar com o acionamento elétrico, visto que a potência de entrada medida na tensão e na corrente pode variar amplamente com a força de sujeição dependendo se o motor está funcionando rápido ou lento, para frente ou em sentido contrário, ou sob carga. Quando nenhum sensor de realimentação prático puder ser integrado no atuador elétrico, métodos de avaliação de força serão empregados freqüentemente com base na posição do motor a partir de um ponto de referência, na rigidez assumida da carcaça do freio, na extração de corrente do motor e em outros fatores. Estes se tornam algoritmos complexos e, na melhor das hipóteses, propiciam apenas uma saída de força estimada que pode ocorrer em um erro relativamente grande devido a mudanças na rigidez da carcaça, à torção na carcaça durante a frenagem, e a um desgaste irregular do disco de freio, só para citar alguns. Por isso, é altamente desejável se ter um sensor confiável e independente da força de sujeição do motor, como descreve a presente invenção.

Em sistemas de freios elétricos, é importante que a força de freio aplicada pelos atuadores seja controlável e, sob esse aspecto, prontamente monitorada. No passado, células de carga foram propostas e usadas. Em tais sistemas, as células de carga foram colocadas sobre o alojamento de atuador de freio ou placa transportadora. Entretanto, vários problemas inerentes a esta estrutura foram encontrados. Particularmente, à medida que a placa transportadora e/ou alojamento são deformados sob carga, as células de carga se deformam e perdem a precisão. Além disso, a deflexão e a deformação da placa transportadora ou alojamento, e a conseqüente deformação das células de carga, acrescentam um componente não-axial à leitura de força. Contudo, é sabido que a força de frenagem efetiva de um atuador de disco de freio elétrico é axial. Consequentemente, a célula de carga na técnica anterior foi considerada como lendo componentes que não são componentes de força de freio, e que ou não resultam na geração de força de freio, ou resultam em mais força de freio do que foi solicitado pelo controlador. Isto grandemente reduz a precisão dos dados obtidos de tais células de carga, uma vez que apenas o componente axial de força de qualquer atuador contribui para a força de freio. Como conseqüência, a precisão e a integridade do sistema de monitoramento são grandemente comprometidas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

À luz do antecedente, é um primeiro aspecto da invenção o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que responda ao componente axial de aplicação de força de freio.

Outro aspecto da invenção é o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que permaneça preciso por toda a sua operação.

Ainda outro aspecto da invenção é a provisão de um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que apresente uma saída

0°l correlacionada linearmente com a força de freio.

Ainda outro aspecto da invenção é o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que seja pré-carregado para assegurar a precisão por toda a sua existência.

Ainda outro aspecto da invenção é o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que seja protegido dos elementos e do ambiente.

Um aspecto adicional da invenção é o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força usando dispositivos piezelétricos em uma disposição de ponte para um uso confiável e durável.

Ainda um aspecto adicional da invenção é o de prover um atuador de freio elétrico apresentando um transdutor de força que seja fácil de ser implementado com os componentes atualmente existentes e que seja empregado nos sistemas atualmente existentes.

O antecedente e outros aspectos da invenção que se tornarão evidentes à medida que a descrição detalhada procede são alcançados por um atuador de freio elétrico que compreende: uma montagem de parafuso e porca acionada a engrenagem motriz mantida dentro de um alojamento; um pistão conectado à dita montagem de parafuso e porca para o engate acionado com uma placa de pressão para uma pilha de disco de freio; uma cobertura superior presa ao dito alojamento para receber uma força reacionária da dita montagem de parafuso e porca com o acionamento do freio; uma tampa recebida sobre a dita cobertura, e um transdutor de força interposto entre a dita cobertura superior e a dita tampa e que reage à dita força reacionária para apresentar uma saída elétrica que corresponde a uma força de aplicação de freio.

Outros aspectos da invenção que se tornarão evidentes aqui são conseguidos com o aperfeiçoamento em um atuador de freio elétrico apresentando uma montagem de parafuso e porca acionada a engrenagem motriz mantida dentro de um alojamento: um pistão conectado à dita montagem de parafuso e porca para o engate de acionamento com uma placa de pressão para uma pilha de disco de freio; uma cobertura superior presa ao dito alojamento para receber uma força reacionária proveniente da dita montagem de parafuso e porca com o acionamento do freio, e uma tampa recebida sobre a dita cobertura, o aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio compreendendo um membro alongado interposto e limitado entre a dita tampa e a cobertura superior e respondendo à dita força reacionária para apresentar uma saída elétrica que corresponde a uma força de aplicação de freio.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para um completo entendimento dos vários aspectos da invenção, será feita referência à seguinte descrição detalhada e aos desenhos anexos, nos quais:

a figura 1 é uma vista em seção transversal parcial de um atuador de freio elétrico que emprega um transdutor de força criado de acordo com a invenção;

a figura 2 é uma vista em perspectiva do feixe de transdutor de força empregado na concretização da figura 1;

a figura 3 é uma vista em seção transversal do feixe da figura 2, que mostra o mesmo com os dispositivos piezelétricos; e a figura 4 é um diagrama esquemático da interconexão elétrica dos dispositivos piezelétricos da figura 3 em uma configuração de ponte de heatstone.

MELHOR MODO DE SE EXECUTAR A INVENÇÃO

Com referência agora aos desenhos, e, mais particularmente à figura 1, pode ser visto que um atuador de pistão de freio para um freio elétrico, formado de acordo com a invenção, é indicado geralmente pelo numeral 10. Será apreciado por aqueles versados na técnica que o atuador de freio 10 seja associado com um mecanismo motorizado apropriado, um circuito de controle e engrenagens para acionar um pistão para dentro e fora do engate com uma pilha de disco de freio. Em uma típica montagem de freio, uma pluralidade de tais atuadores seria montada em uma montagem de alojamento de freio circunferencialmente em torno da mesma, e em alinhamento com a pilha de disco de freio. O atuador 10 inclui uma cobertura superior 12 que é integral com uma haste central 14, conforme mostrado. Um parafuso cilíndrico de cabeça esférica 16 está em engate operativo com uma porca cilíndrica 18, com o parafuso e a porca sendo acionadamente interengatados por meio de esferas recebidas dentro dos percursos espirais 20 definidos entre elas. Conforme mostrado na figura 1, uma metade de cada um dos percursos espirais está em cada um dos parafusos cilíndricos de cabeça esférica 16 e a porca cilíndrica 18, formando juntos os percursos ou canais.

Uma engrenagem de acionamento 22 é operativamente conectada e acionada por um atuador a motor e serve para acionar um anel de engrenagem 24 que é acionada mente conectado ao parafuso cilíndrico de cabeça esférica 16. O parafuso de cabeça esférica 16 serve para acionar a porca cilíndrica 18 através do acionamento de esferas discutido acima.

Um mancai de rolamento anular chato 26, com ou sem uma arruela de empuxo, é interposto entre o anel de engrenagem 24 e a cobertura superior 12, conforme ilustrado. Um isolador de pistão 28 é conectado à porca cilíndrica 18 e acionado pela mesma na placa de pressão 46 de uma pilha de disco de freio associada. Este engate é efetuado por um motor (não mostrado) que aciona a engrenagem de acionamento 22, que, por sua vez, aciona o anel de engrenagem 24, acionando o parafuso cilíndrico de cabeça esférica 16 e, conseqüentemente, a porca cilíndrica 18. Os mancais 30 são interpostos em torno da haste central 14, mantendo o parafuso cilíndrico de cabeça esférica 16 em alinhamento axial com os mesmos. O atuador 10 inclui um alojamento 32, mantendo a estrutura operativa do mesmo, o alojamento 32 sendo montado em um alojamento de freio associado. Uma tampa 34, que serve como uma cobertura ambiental que protege a estrutura operativa do atuador 10 do ambiente, é presa e posicionada sobre a cobertura superior 12.

Aqueles versados na técnica irão apreciar que o atuador de freio 10 opera de tal modo que a engrenagem de acionamento 22 aciona o anel de engrenagem 24 que, por sua vez, aciona o parafuso cilíndrico de cabeça esférica 16 e a porca cilíndrica 18 para mover o pistão 28 para a placa de pressão 46 da pilha de disco de freio. Uma força reacionária para a aplicação de freio passa em uma ordem inversa através desta cadeia, do isolador de pistão 28 para o mancai de empuxo 26 e depois para a cobertura superior

12. Em resposta a esta força reacionária, a cobertura superior 12 é defletida. O grau de deflexão axial é correlacionado à aplicação de força de freio. Foi determinado, de acordo com a invenção, que o monitoramento do componente axial da deflexão da cobertura superior 12 constitui um meio preciso para monitorar a força de acionamento de freio do motor que aciona o atuador. Conseqüentemente, a deflexão da cobertura superior 12 constitui uma fonte de sinal precisa para a atividade de força de freio e pode ser usada em uma rede de realimentação para controlar o motor de acionamento do atuador para controlar a aplicação e a liberação de força de freio.

De acordo com a invenção, um transdutor de força de freio 36 é interposto entre a tampa 34 e a cobertura superior 12. O transdutor de força 36 pode ser de várias configurações geométricas, mas, na concretização mostrada, se apresenta na forma de um feixe 38 que é preso entre a cobertura superior 12 e a tampa 34. O feixe 38 apresenta extremidades 40 que são pressionadas para cima para o contato e o engate firme com a tampa 34 por meio da força direcionada para cima conferida por meio de um parafuso fixador 42 rosqueadamente recebido pelo feixe 38 em alinhamento axial com a cobertura superior 12 e a haste central 14, e pressionadas contra a cobertura superior 12. Uma contraporca 44 pode ser usada para garantire travara posição do parafuso fixador 42 para garantir e manter a posição do parafuso fixador 42 e, conseqüentemente, do feixe 38, para efetuar e manter uma précarga do feixe 38. Também é contemplado que um parafuso fixador de autotravamento ou adesivo de travamento apropriado possa ser empregado, se o espaço não acomodar uma contraporca. Aqueles versados na técnica irão apreciar que, à medida que o parafuso 42 é rosqueado através do feixe 38, o feixe 38 será pressionado para cima, conforme mostrado no desenho da figura 1, de tal modo que as extremidades 40 engatem a porção superior do interior da tampa 34 e sejam assim impedidas do movimento ascendente adicional, de tal modo que o ajuste adicional do parafuso fixador 42 tenda a forçosamente pré-carregar o feixe 38 em uma direção ascendente. Será apreciado que uma abertura pode ser provida na porção central axial da tampa 34 para permitir o acesso ao parafuso fixador 42 e à contraporca 44, ou o ajuste do parafuso fixador e da contraporca 42, 44 pode ser formado antes do engate fixo da tampa superior 34 sobre a cobertura superior 12, com o pré-carregamento sendo assim efetuado. Esta pré-carga do feixe 38 é operativa para assegurar leituras precisas através da vida da unidade, e estabelece um sinal de saída limite para um estado imóvel onde os freios não são acionados.

Com referência agora à figura 2, pode ser obtida uma apreciação de uma concretização do transdutor de força 36. Conforme mostrado na figura 2, o feixe 38 inclui uma seção central 50 que tem substancialmente a forma de disco e que apresenta pernas 56 que se estendem para fora a partir daí. A seção central 50 pode ser mais grossa do que o restante do feixe 38, para ter uma abertura central 52, que inclui roscas 54 para receber o parafuso fixador 42. É também contemplado que o feixe 38 possa ser de espessura uniforme, apresentando uma bossa no centro 50 para receber o parafuso fixador 42. Em qualquer caso, as pernas 56 se afilam extemamente a partir da seção central 50, conforme mostrado. Aqueles versados na técnica irão apreciar que esta configuração apresenta uma área de tamanho significativo sobre as pernas 56, que é adjacente a cada lado da seção central 50 e que exibe uma área de deformação constante grande, a amplitude da qual varia com a deflexão. São estas áreas, deslocadas da seção central 50 na direção das respectivas extremidades 40, nas quais os dispositivos de detecção de deflexão ou deformação apropriados são posicionados tanto no topo quanto na base do feixe 38 para fins de monitorar a tensão e a compressão aí como uma conseqüência da deflexão axial da cobertura superior 12. Com o afilamento do feixe 38 nestas áreas, são providas grandes áreas de deformação constante em qualquer momento no tempo. Conseqüentemente, a localização e a instalação de aferidores de deformação são menos problemáticas, uma vez que a área de trabalho para instalação do aferidor (dispositivo piezelétrico) é maior do que teria sido em um feixe não-cônico.

Conforme mostrado na figura 3, em uma vista em seção transversal parcial do feixe da figura 2, os elementos piezorresistivos 58 são presos às superfícies superior e inferior alinhadas do feixe 58 em uma seção das mesmas que demonstra um deformação constante sob deflexão. Aqueles versados na técnica irão apreciar que tal deflexão irá resultar em uma compressão em um lado do feixe 38 e em uma tensão correspondente no outro lado, quando tal deflexão ocorrer. A tensão e a compressão foram consideradas como estando correlacionadas diretamentè à deflexão do feixe 38 e, conseqüentemente, à cobertura superior 12. Uma vez que a única força conferida ao feixe 38 é a força axial através do parafuso fixador de 42, que é coaxial com a cobertura 12 e a haste central 14, esta força está correlacionada diretamente à aplicação de força de freio. Nenhum componente de força radial apreciável está presente, nem eles são desejados, uma vez que tais componentes não têm qualquer correlação com a aplicação de força de freio.

Conforme mostrado na figura 4, os elementos piezorresistivos 58 são conectados em um circuito de ponte apropriado, de tal modo que o monitoramento do desequilíbrio da ponte seja correlacionado diretamente à deflexão e, conseqüentemente, à aplicação de força de freio. Na concretização mostrada na figura 4, é empregada uma ponte de Wheatstone. Naturalmente, qualquer das inúmeras pontes ou circuitos de monitoramento pode ser substituído. Conforme mostrado, uma fonte de energia 62, 64 é conectada através de pernas ou nós opostos da ponte 60, com a saída, tipicamente em miliampères correspondendo à deflexão e à aplicação de força, sendo monitorada através dos terminais de saída conectados aos nós restantes.

Enquanto na concretização preferida da invenção apresentada aqui os dispositivos piezelétricos foram empregados, a invenção contempla a utilização de vários sensores capazes de detectarem deformação ou mudança posicionai. Será apreciado que o transdutor apresentado e descrito aqui pode empregar dispositivos piezelétricos, aferidores de deformação, sensores ópticos, dispositivos de deslocamento linear e similares.

Agora irá ficar evidente que a estrutura apresentada acima pro picia a implementação de um transdutor de força de freio que é operativo para detectar apenas o componente axial da força reacionária de um atuador de pistão de freio. Desta maneira, é obtida uma leitura precisa da aplicação de força de freio instantânea, com esta leitura sendo adaptada para uso em 5 um sistema de controle de realimentação da aplicação de freio.

Desse modo, pode ser visto que os vários aspectos da invenção foram atingidos pela estrutura apresentada e descrita acima. Enquanto de acordo com os estatutos de patente apenas o melhor modo e a concretização preferida da invenção foram apresentados e descritos em detalhes, será 10 entendido que a invenção não é limitada aos mesmos ou pelos mesmos.

Conseqüentemente, para uma apreciação do verdadeiro escopo e amplitude da invenção, será feita referência às seguintes reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Atuador de freio elétrico, caracterizado pelo fato de compreender:

uma montagem de parafuso e porca acionada a engrenagem motriz mantida dentro de um alojamento;

um pistão conectado à dita montagem de parafuso e porca para o engate acionado com uma placa de pressão para uma pilha de disco de freio;

uma cobertura superior presa ao dito alojamento para receber uma força reacionária da dita montagem de parafuso e porca com o acionamento do freio;

uma tampa recebida sobre a dita cobertura; e um transdutor de força interposto entre a dita cobertura superior e a dita tampa e que reage à dita força reacionária para apresentar uma saída elétrica que corresponde a uma força de aplicação de freio.

2. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o dito transdutor de força compreender um membro limitado em uma porção externa do mesmo pela dita tampa e em uma porção interna do mesmo pela dita cobertura superior.

3. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a dita porção interna de limitação do dito membro ser coaxial com a dita montagem de parafuso e porca.

4. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de o dito transdutor de força ser deslocável pela dita força reacionária aplicada à dita porção interna onde o dito membro é restrito pela dita cobertura superior.

5. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o dito transdutor de força compreender um membro alongado.

6. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o dito transdutor de força compreender sensores piezelétrícos conectados ao dito membro alongado.

7. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de os ditos sensores piezelétricos responderem ao movimento do dito membro alongado resultando da dita força reacionária e se correlacionando com a dita força reacionária.

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8. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o dito membro alongado receber um membro de pressionamento centralmente do mesmo e coaxial com a dita montagem de parafuso e porca.

9. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 8,

10 uma saída elétrica que corresponde a uma força de aplicação de freio.

10. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o dito membro de pressionamento ser rosquea-

10 caracterizado pelo fato de o dito membro de pressionamento pressionar o dito membro alongado longe da dita cobertura superior e na direção da dita tampa.

11. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o dito membro alongado compreender um feixe e

20 os ditos sensores compreenderem dispositivos piezelétricos nos lados opostos do dito feixe.

12. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o dito feixe ser de uma massa ampliada em uma porção central entre as extremidades opostas, os ditos dispositivos piezelé-

25 tricôs sendo posicionados entre a dita porção central e a dita extremidade.

13. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de os ditos dispositivos piezelétricos serem conectados a um circuito de ponte para monitorar a deflexão do dito feixe.

14. Atuador de freio elétrico, de acordo com a reivindicação 13, 30 caracterizado pelo fato de os ditos dispositivos piezelétricos compreenderem resistores piezelétricos.

15. Atuador de freio elétrico, caracterizado pelo fato de apresen3 tar uma montagem de parafuso e porca acionada a engrenagem motriz man tida dentro de um alojamento, um pistão conectado à dita montagem de parafuso e porca para o engate acionado com uma placa de pressão para uma pilha de disco de freio, uma cobertura superior presa ao dito alojamento para 5 receber uma força reacionária da dita montagem de parafuso e porca com o acionamento de freio, e uma tampa recebida sobre a dita cobertura, o aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio compreendendo:

um membro alongado interposto e limitado entre a dita tampa e a cobertura superior e respondendo à dita força reacionária para apresentar

15 damente recebido pelo dito membro alongado, apresentando uma extremidade do mesmo engatando a dita cobertura superior coaxialmente com a dita montagem de parafuso e porca.

16. Aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio, de a· cordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o dito membro a longado ser limitado em uma porção central do mesmo pela dita cobertura superior, a dita porção central sendo coaxial com a dita montagem de para15 fuso e porca.

17. Aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o dito membro alongado ser preso nas extremidades opostas do mesmo à dita tampa em pontos eqüidistantes a partir da dita porção central.

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18. Aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o dito membro alongado apresentar dispositivos piezorresistivos conectados às superfícies superior e inferior dos mesmos entre as ditas extremidades e a dita porção central.

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19. Aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de um parafuso fixador ser rosqueadamente recebido pela dita porção central, em contato com a dita cobertura superior, e coaxial com a dita montagem de parafuso e porca, o dito parafuso fixador pressionando o dito membro alongado com uma pré30 carga entre a dita cobertura superior e a dita tampa.

20. Aperfeiçoamento de um transdutor de força de freio, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de o dito membro a4 longado compreender um feixe único, pressionado na dita porção central longe da dita cobertura superior e limitado em suas extremidades pela dita cobertura.