CN101395405B - 耐受故障的致动器 - Google Patents

Abstract

一种致动器(2)包括第一和第二直线运动装置，各个直线运动装置能够伸展致动器(2)，并且设置成：第一或第二直线运动装置中的一个装置的故障不妨碍另一个装置的操作。该第一直线运动装置包括第一直线螺杆(10)、第一螺母(12)和第一原动机(14)，该第一原动机设置成在螺杆和螺母之间施加相对直线运动。类似地，该第二直线运动装置包括第二直线螺杆(20)、第二螺母(22)和第二原动机(24)，该第二原动机设置成在第二螺杆和螺母之间施加相对直线运动。第一直线螺杆(10)可以具有内腔(18)，当致动器(2)处于缩回位置时，第二直线螺杆(20)容纳在该内腔中。

Description

耐受故障的致动器

背景技术

本发明涉及一种致动器，具体地但非排它地说，涉及一种用于运动飞机部件的耐受故障的电机致动器。

致动器可用来使诸如飞机起落架之类的飞机部件运动。用于伸展飞机起落架的致动器系统当然应该具有高的完整性，且应该具有非常低的失效风险。例如，万一正常的伸展系统失效，重要的是提供辅助的、或紧急的伸展系统，用于将起落架从上部锁定的位置(在着陆之前)伸展出来，并且用于打开起落架舱门。这种紧急伸展系统应该不仅可将起落架从其上部锁定位置伸展出来，而且例如在万一起落架失效时可将起落架从任何中间位置伸展出来。

现有技术的起落架伸展系统使用液压机械致动器，该起落架伸展系统包括正常伸展系统和紧急伸展系统，正常伸展系统依靠液压机械致动器来有效地工作。紧急伸展系统也称为自由下落系统，其通过在重力下使起落架伸展且使门打开来工作。在紧急伸展系统的使用过程中，液压致动器内的液压流体动力在(朝向起落架下部锁定位置)伸展过程中提供足够的缓冲，以使起落架不受损伤。当起落架已达到其完全展开位置时，液压机械致动器的结构使致动器不会对抗由起落架或机身挠曲引起的任何负载(假如不能用其它方法来防止液压致动器的活塞滑入致动器的液压缸内的话)。

人们希望在大型商用飞机中降低对液压系统的依赖性，因此目前希望在过去使用液压机械致动器的地方使用电致动器。可以使用两种类型的电致动器，即，间接传动致动器或直接传动致动器。间接传动致动器使用齿轮箱、蜗杆或类似机构，来将电动机的转动转换成低速/高推力的直线运动或低速/高扭矩的转动，而直接传动致动器(也称为直线电动机)直接将电能转换成直线运动。

直接传动致动器是高度可靠的，但是可能不能满足飞机中特定应用的伸展/缩回的要求。间接传动致动器能够满足许多要求(诸如质量、占据的体积、功率输出和可获得的伸展范围)，但是由于用来将电动机的运动转换到所需致动运动的机构的缘故，间接传动致动器比直接传动致动器或液压缸更容易故障。本发明寻求提供一种致动器，其可减轻上述缺点中的一个或多个缺点。替换地或附加地，本发明寻求提供一种改进的致动器。替换地或附加地，本发明寻求提供一种用在飞机上的耐受故障的致动器，其不必依赖于飞机的中央液压系统，该致动器例如是间接传动的电致动器的形式。

发明内容

本发明提供一种致动器，包括第一和第二直线运动装置，其中，

该第一直线运动装置包括第一直线螺杆、第一螺母和第一原动机，该第一原动机设置成在第一直线螺杆和第一螺母之间施加相对直线运动，

该第二直线运动装置包括第二直线螺杆、第二螺母和第二原动机，该第二原动机设置成在第二直线螺杆和第二螺母之间施加相对直线运动，

该致动器设置成由于第一直线螺杆和第一螺母之间的相对直线运动或第二直线螺杆和第二螺母之间的相对直线运动而伸展，以及

第一和第二直线运动装置设置成，第一和第二直线运动装置中的一个装置的故障不妨碍第一和第二直线运动装置中的另一个装置的工作。

该致动器因此是耐受故障的，因为假如第一和第二直线运动装置中一个发生故障，则另一个仍然可以用来伸展致动器。在一些实施例中，第一和第二直线运动装置可设置成：通过仅仅操作所述第一直线移动装置或通过仅仅操作所述第二直线运动装置，该致动器可移动到完全伸展位置。换句话说，第一和第二直线运动装置可设置成：万一另一直线运动装置失效时独立地完全伸展致动器。

当然，第一和第二直线运动装置中的至少一个、较佳地两个直线运动装置设置成可引起缩回致动器的运动。在某些应用中，与可靠伸展致动器的能力相比，致动器的缩回能力可以是较不重要的。

现有技术电致动器的例子提供了对于故障的耐受性，包括美国专利US4,637,272和US5,144,851的内容。以上美国专利各描述了一种电致动器，该电致动器是耐受故障的，并且具有一定量的二重余度，但是两种电致动器都有显著的缺点。美国专利US4,637,272的致动器设有单个公共直线螺杆，其与两个单独的、独立的驱动单元相关联。这种布置的不理想结果是，致动器的长度比所需的要长。美国专利US5,144,851的致动器设有单个公共电动机，但是具有双重动力路径，能使致动器耐受任一动力路径的故障。然而，美国专利US5,144,851的致动器不耐受电动机的失效或故障。

较佳地，第一和第二直线螺杆的轴线设置成平行的。第一和第二直线螺杆的部分可以设置成：当致动器处于缩回位置时，处于沿着螺杆长度方向的相同位置。这种布置可显著节省致动器所占据的空间。第一和第二直线螺杆的一部分可以设置成：当致动器处于缩回位置时，容纳在第一和第二直线螺杆中的另一个螺杆的至少一部分内。例如，直线螺杆中的一个螺杆可以具有沿着其长度的至少部分形成的内腔，该内腔在螺杆一端形成开口，而直线螺杆中的另一个螺杆容纳在该内腔内。

第一直线运动装置可以是可反向驱动的。在致动器的使用过程中，这就允许致动器有开始运动的有限运动，例如这是由致动器作用于其上的部件的挠曲、或容纳致动器的结构的挠曲所引起的，由此能够降低或消除通过致动器作用引起的任何负载。

第一直线运动装置可以设置成用于引起致动器伸展和缩回的主要装置。因此，第二直线运动装置可以被认为是万一第一直线运动装置失效时的备用装置。尤其在第二直线运动装置用作备用装置的情况下，第二直线运动装置可以设置成不可反向驱动的。第二直线运动装置因此不仅能够用作致动装置，而且能够在负载下保持位置，而无需第二电动机对装置的任何部分施加扭矩。第二直线运动装置可以是可用低效率反向驱动的。第一和第二直线运动装置都可以是可反向驱动的，但是第二装置可具有比第一装置低的机械效率。第二装置因此可能需要附加地设有制动器，以能在负载下保持位置。

第一和第二直线运动装置中的一个或两个装置可以设置成：该装置的直线螺杆和螺母采取滚柱螺杆和螺母组件的形式。滚柱螺杆和螺母组件可以是任何合适的形式，并且可以例如是行星滚柱螺杆和螺母组件或循环滚柱螺杆和螺母组件。直线螺杆和螺母还可以是循环滚珠螺杆和螺母组件的形式。直线螺杆和螺母还可以是梯形螺杆和螺母组件的形式。

第一和第二直线运动装置中的一个或两个装置的原动机可以是电动机。与第一直线运动装置相关联的原动机可以比第二直线运动装置的原动机更大、更重和/或功率更高。

第一和第二直线运动装置中的一个或两个装置的原动机可以直接联接至直线螺杆和螺母组件。原动机还可以例如通过齿轮箱间接联接至直线螺杆和螺母组件。

能由第一和第二直线运动装置中的一个装置引起的相对直线运动可产生直线运动装置的螺母和原动机之间的相对直线运动。能由第一和第二直线运动装置中的一个装置引起的相对直线运动可产生直线运动装置的直线螺杆和原动机之间的相对直线运动。直线运动装置中的一个直线运动装置可引起该直线运动装置的螺母和原动机之间的相对运动，而另一直线运动装置可引起该另一直线运动装置的直线螺杆和原动机之间的相对运动。能由第一和第二直线运动装置中的一个装置引起的相对直线运动可产生第一和第二原动机中的至少一个原动机的直线运动。

致动器较佳地构造成适于引起诸如起落架之类的飞机部件的运动。

本发明还提供一种起落架组件，包括用于支承飞机的至少一个轮子的起落架支脚、以及设置成伸展该起落架支脚的致动器，该致动器是根据在此描述的本发明任一方面的致动器。本发明还提供一种飞机，该飞机包括这种起落架组件。飞机净重可以超过50吨，更佳地可以超过200吨。飞机的尺寸可以相当于设计成乘坐超过75名乘客、更佳地超过200名乘客的飞机。当然应该意识到，可将涉及本发明致动器的、本发明诸方面的特征结合入本发明的起落架组件和飞机中。

还提供一种用于形成根据在此描述的本发明任一方面的致动器的套件。该套件可以包括至少第一和第二直线螺杆、以及第一和第二直线螺母。该套件还可包括第一和第二原动机。当然应该意识到，可将涉及本发明致动器的、本发明诸方面的特征结合入本发明涉及套件的该方面中。

附图说明

现在将参见附图仅仅以示例方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明一实施例的致动器的剖视图，

图2a-2c一起示出了图1所示部件的分解剖视图，以及

图3a-3d示出了处于各种不同状态的致动器的剖视图。

具体实施方式

附图示出了涉及一种耐受故障的间接传动电机致动器，该致动器用在大型商乘飞机上的前端起落架伸展和缩回系统中。根据本实施例的致动器相对于直接传动直线电动机的优点是，能够将来自电动机的高速低扭矩转动转换成低速/高扭矩运动。

图1以剖视图的形式示出了根据本发明一实施例的间接传动致动器。致动器2包括第一和第二直线运动装置，根据装置的驱动方向，第一和第二直线运动装置各能引起致动器伸展，并且假如先前已通过该装置伸展的话能使致动器缩回。致动器可在致动器的相对端4a和4b分别连接至固定结构和待运动部件，因此，致动器的相对端4a和4b可远离彼此或朝向彼此运动。通过将致动器2的可动端4b连接至起落架支脚，致动器联接至前端起落架。每个直线运动装置包括呈滚柱螺杆形式的直线螺杆，安装成围绕螺杆转动并在螺杆长度上上下移动的行星滚柱螺母，以及用于在螺母和螺杆之间施加相对运动的无刷式直流电动机。因此，第一直线螺杆10、第一螺母12和第一电动机14形成第一直线运动装置，而第二直线螺杆20、第二螺母22和第二电动机24形成第二直线运动装置。电动机14、24都容纳在主罩壳30的一端，该主罩壳30延伸越过电动机，从而当致动器2处于缩回位置(图1所示的位置)时，沿着螺杆的基本整个长度容纳两根直线螺杆10、20。

第一直线螺杆10的内表面限定一内腔18，第二直线螺杆20容纳在该内腔中。第一直线螺杆10是高效的、可反向驱动的螺杆，其直接联接至第一电动机14，从而避免使用齿轮箱，否则会增加故障的风险。第二直线螺杆20是低效的(小螺距的)、不可反向驱动的螺杆。还有，通过第二电动机24直接驱动第二螺杆20，该第二电动机24比第一电动机14体积小且功率小。致动器2连接至飞机相邻固定结构的一端4a定位在第二直线螺杆20的端部。连接至前端起落架支脚的另一端4b由螺母罩壳32的端部来限定，该螺母罩壳32联接至且容纳第一螺母12。因此，致动器2的一端4a可称为固定端4a，而另一端4b可称为可动端4b。

第一电动机14设置成转动第一直线螺杆10，从而引起螺母12沿着直线螺杆的长度直线地移动。联接至螺母罩壳32的螺母的运动引起螺母罩壳32以及因此致动器的可动端4b相对于固定端4a运动。因此，由于在第一直线螺杆10和第一螺母12之间的相对直线运动，致动器2能够伸展或缩回。

第二电动机24设置成转动第二螺母22，从而引起螺母22沿着直线螺杆20的长度直线地移动。联接至第二电动机(第二电动机则联接至主罩壳30)的螺母22与主罩壳30、电动机14、24、第一直线螺杆10、第一螺母12和螺母罩壳32一起运动。螺母22的运动因此引起致动器的可动端4b相对于固定端4a运动。因此，由于在第二直线螺杆20和第二螺母22之间的相对直线运动，致动器2能够伸展或缩回。

第一和第二直线运动装置设置成可彼此独立地工作。因此，第一直线运动装置的故障不会妨碍第二直线运动装置的工作。该致动器因此是耐受故障的，因为通过提供第一和第二独立的直线运动装置，在致动器中就有二重余度。

致动器2的第一直线运动装置10、12、14用作起落架的正常伸展/缩回系统，因此设计成用于整个工作周期(即飞机的整个使用年限)。在正常的操作下，通过操作第一直线运动装置10、12、14，致动器2能够在12秒内伸展(或缩回)起落架。如上所述，第一直线运动装置的滚柱螺杆和螺母组件10、12是可反向驱动的，因此在任何构型的致动器中(完全伸展的或缩回的)，能够降低在机身/起落架挠曲的过程作用的负载。第一直线运动装置包括制动器(未示出)，以制动电动机14并因此将致动器2保持在伸展位置。第二直线运动装置20、22、24提供万一第一装置失去动力或故障时的紧急伸展能力。第二直线运动装置的螺杆20和螺母22名义上是不可反向驱动的，而制动器36设置成用于制动电动机24。假如将第二直线运动装置仅仅设置成主要用于紧急情况的备用系统，则第二直线运动装置20、22、24设计成仅仅用于有限的工作周期是可以接受的。第二直线运动装置20、22、24仅仅用于有限工作周期的设计，可使第二直线运动装置20、22、24的尺寸减小(例如，与第一直线运动装置10、12、14相比)。因此，在所示的实施例中，第二直线运动装置20、22、24定尺寸为配装在第一直线运动装置10、12、14内，由此有助于保持致动器的整个长度较短。

致动器冲程约为350mm，而致动器行程约为370mm(在两端各有约10mm的超越行程)。致动器完全缩回时的长度约为850mm，其直径在其最宽处约为240mm。当第一直线运动装置工作时，致动器推力约为75kN。产生该推力所需的最大机械功率约为2.2kW，这对应于该致动器的第一电动机14约为5kW的最大电功率输出。致动器的总重量约为20kg。

在图2a、2b和2c中以分解剖视图示出了致动器的组成部件。图2示出了致动器一体形成的第二直线螺杆20和左侧固定端4a。图2b示出了容纳在主罩壳30的第一部分30a中的第一电动机14，该第一部分30a还容纳了第一中空螺杆10。图2b还示出了容纳在主罩壳30的第二部分30b中的第二电动机24，该第二部分30b还容纳了第二螺母22和制动器36，该制动器36安装在螺母22和主罩壳30的第二部分30b之间。在使用中，借助因此设置的多个螺栓34将罩壳30的两个部分30a、30b螺栓连接在一起。图2c示出了螺母罩壳32，该螺母罩壳32容纳第一螺母12且包括致动器2的右侧可动端4b。例如通过花键(未示出)来连接螺母罩壳32和主罩壳30，以防止这两个部件之间的相对转动，但允许相对的直线运动。

现在将参见图3a-3d来描述致动器的操作。图3a示出了处于完全缩回位置的致动器。在该位置中，第一螺母12定位在第一螺杆10的左侧端(如图3a所示)，而第二螺母22定位在第二螺杆20的左侧端。在正常的操作中，第一直线运动装置用来伸展和缩回致动器2，而该致动器2则伸展和缩回飞机的起落架。图3b示出了仅仅由于第一直线运动装置的操作而处于伸展位置的致动器。在该位置中，第一螺母12定位在第一螺杆10的右侧端，而第二螺母22定位在第二螺杆20的左侧端。假如第一直线运动装置失效从而它无法用来实施致动器的任何伸展，则第二直线运动装置可用来伸展致动器2和因此的起落架。图3c示出了仅仅由于第二直线运动装置的操作而处于伸展位置的致动器。在该位置中，第一螺母12定位在第一螺杆10的左侧端，而第二螺母22定位在第二螺杆20的右侧端。假如第一直线运动装置在致动器伸展过程中失效从而它无法用来完成伸展，则尽管第一直线运动装置伸展了一部分，第二直线运动装置也可用来完成致动器的伸展。图3d示出了由于第一直线运动装置将致动器移动到中途位置的操作和第二直线运动装置完成伸展的后续操作，移动到完全伸展位置的致动器2。在该位置，第一螺母12定位在沿着第一螺杆10的中途，而第二螺母22定位在沿着第二螺杆20的中途。从图3c和3d中显然可以看到，万一采用第二紧急直线运动装置来操作致动器，包括电动机14、24在内的主罩壳30就与致动器2的可动端4b一起运动。

总之，本发明的实施例提供一种串联余度致动器，该致动器包括两个背靠背的滚柱螺杆，每个滚柱螺杆具有独立的电动机。由于第一和第二直线运动装置的布置和独立性，无需断开或重构失效的直线运动装置，就能提供紧急伸展能力。

有利的是，本发明的实施例提供一种致动器，其中，致动器设有两个完全独立的直线运动装置。例如，根据本发明特定实施例的致动器的直线运动装置并不相互连接或相互依赖，因为每个运动装置设有独立的螺杆、螺母和电动机。每个运动装置可独立地工作以完全伸展致动器。尽管已经参照特定实施例来描述和说明了本发明，但是熟悉本领域的技术人员会意识到，本发明本身可作出在此没有特别说明的许多不同的变型。在上述的实施例中，只有第一直线运动装置能够用来缩回致动器(一旦被该装置伸展)，并因此将起落架从展开位置或中间位置移动到储藏位置。因此在该实施例中，假如第一直线运动装置在部分或完全伸展位置发生故障，则第二直线运动装置不能完全缩回致动器。然而假如第一直线运动装置在完全缩回位置发生故障或失效，第二直线运动装置将能够完全伸展然后完全缩回致动器。可将致动器修改成，万一致动器的第一直线运动装置在任何位置发生故障或以其它方式失效，也可用第二直线运动装置来缩回致动器。例如，可以通过使第二螺杆的长度加倍并使螺杆居中于螺母上(在第二直线运动装置的中间位置)，来提供这种功能。这种改型的重量不利性是很有限的，因为螺杆单元长度较短。第二直线运动装置因此可在有限时限中(例如直到期限结束)用来伸展和缩回致动器并因此伸展和缩回起落架，而不管第一直线运动装置在何位置失效或发生故障。因此可提高飞机运输的可靠性。

可通过专用健康监测系统来主动地监测第一直线螺杆，以检测和防止可能导致故障的任何性能劣化。通过在螺杆劣化到会有很大故障风险的状态之前监测螺杆健康并修复任何微小缺陷，可以保留第二冗余直线螺杆严格地只用于紧急情况，而在其使用年限中非常低的循环次数中需要可靠性。这种健康监测系统可以包括位置、力和电流传感器，来监测由致动器产生的力，并检测磨损和劣化。

上述实施例使用行星滚柱螺杆，但是也可使用任何用于将转动转换成直线运动的合适装置，例如滚珠螺杆。

在上述的描述中，所提到的整体或元件可具有已知的、显然的或可预测的等同物，而这些等同物可被结合于此就好像单独阐述了一样。应该参照权利要求书来确定本发明的真实范围，该真实范围应被理解成包括任何这种等同物。读者还会意识到，在此描述成较佳的、有利的、方便的等的发明整体或特征是可供选择的，并不限制独立权利要求的范围。

Claims (17)

1.一种致动器(2)，用于对起落架致动，所述致动器包括第一和第二直线运动装置，其中，

所述第一直线运动装置包括第一直线螺杆(10)、第一螺母(12)和第一原动机(14)，所述第一原动机设置成在所述第一直线螺杆和所述第一螺母之间施加相对直线运动，

所述第二直线运动装置包括第二直线螺杆(20)、第二螺母(22)和第二原动机(24)，所述第二原动机设置成在所述第二直线螺杆和所述第二螺母之间施加相对直线运动，

所述致动器设置成由于所述第一直线螺杆和所述第一螺母之间的相对直线运动或所述第二直线螺杆和所述第二螺母之间的相对直线运动而伸展，

所述第一和第二直线运动装置设置成：所述第一和第二直线运动装置中的一个装置的故障不妨碍所述第一和第二直线运动装置中的另一个装置的工作，以及

所述第一直线运动装置是可反向驱动的。

2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第一和第二直线运动装置设置成：通过仅仅操作所述第一直线运动装置或通过仅仅操作所述第二直线运动装置，所述致动器可移动到完全伸展位置。

3.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，所述第一直线运动装置设计成用于整个工作周期，而所述第二直线运动装置设计成用于有限工作周期。

4.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第一和第二直线螺杆中的一个螺杆的至少一部分设置成：当所述致动器处于缩回位置时，容纳在所述第一和第二直线螺杆中的另一个螺杆的至少一部分内。

5.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第二直线运动装置是不可反向驱动的，或是可以显著小于所述第一直线运动装置的机械效率反向驱动的。

6.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第一直线运动装置是用于引起所述致动器伸展的主要装置，而所述第二直线运动装置是万一所述第一直线运动装置失效时的备用装置。

7.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第一直线运动装置的所述第一直线螺杆和所述第一螺母采取滚柱螺杆和螺母组件的形式。 

8.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第二直线运动装置的所述第二直线螺杆和所述第二螺母采取滚柱螺杆和螺母组件的形式。

9.如权利要求7或8所述的致动器，其特征在于，所述滚柱螺杆和螺母组件是行星滚柱螺杆和螺母组件。

10.如权利要求8或9所述的致动器，其特征在于，所述滚柱螺杆和螺母组件是循环滚柱螺杆和螺母组件。

11.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述第一原动机和所述第二原动机分别采取第一电动机和第二电动机的形式。

12.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，能由所述第一和第二直线运动装置中的一个装置引起的所述相对直线运动产生所述直线运动装置的所述螺母和所述原动机之间的相对直线运动，而能由所述第一和第二直线运动装置中的另一个装置引起的所述相对直线运动产生所述直线运动装置的所述直线螺杆和所述原动机之间的相对直线运动。

13.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，能由所述第一和第二直线运动装置中的一个装置引起的所述相对直线运动产生所述第一和第二原动机中的至少一个原动机的直线运动。

14.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述致动器构造成适于引起飞机部件的运动。

15.一种起落架组件，包括用于支承飞机的至少一个轮子的起落架支脚、以及设置成伸展所述起落架支脚的致动器，所述致动器是如权利要求1所述的致动器。

16.一种飞机，包括如权利要求15所述的起落架组件。

17.一种用于形成如权利要求1至14中任一项所述的致动器的套件，所述套件包括至少所述第一和第二直线螺杆、以及所述第一和第二直线螺母。 

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