CN103241368B - 线性致动器和包括线性致动器的飞行器部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了线性致动器和包括线性致动器的飞行器部件，特别地，是可适用于飞行器控制表面的两级线性致动器。第一级包括由电机驱动的在其内端的外表面中具有螺旋螺纹区域的旋转输入轴以及构造为在其螺旋螺纹区域中与旋转输入轴接合以便一起旋转的多个第一螺旋辊齿轮。第二级包括构造为与第一螺旋辊齿轮接合以便一起旋转的多个第二螺旋辊齿轮以及在其内端外表面中具有螺旋螺纹区域的输出轴，以便将第二螺旋辊齿轮的旋转转换成输出轴的线性移动。

Description

线性致动器和包括线性致动器的飞行器部件

技术领域

本发明涉及一种电子机械致动器，并且更具体地，涉及一种在其内部机械部件阻塞的情况下仍能够工作的电子机械致动器。

背景技术

线性致动器用于多种工业产品中。在航空工业中，特别地用作飞行器控制表面和其它飞行器部件的致动器。

通常，每个飞行器控制表面都由并联的多个线性致动器致动，使得在它们中的一个的能量损失的情形中，该表面可以通过剩余的致动器控制。由于该构造具有一个致动器的阻塞可能产生表面的阻塞的弊端，因此航空法规要求对所述致动器的极低的阻塞可能性(10e-9的级别)。液压致动器能够满足该要求。

一种趋势是，减小系统重量和维护成本，飞行器具有更高的电气化(“更多的电子飞行器”，MEA)，这已经导致在飞行指令系统中引入包括主要飞行指令系统的新技术。

电液压致动器(EHA)已经结合在新的平台(A380，A400，A350，F35，..)中。这种类型的致动器具有集成的液压系统，使得与飞行器的动力系统的相互连接是纯电的，但是其到达飞行器控制表面的动力传送是通过集成液压致动器。由于传输到表面的动力，通过液压致动器而实现了阻塞可能性目标，并且与此同时，允许省略了飞行器的飞行器液压系统。该技术被认为是飞行器致动系统的进步电器化中的中间步骤。

尽管它们在复杂度、效率、重量和可维护性方面具有潜在优点，在初级飞行指令系统中(除了用于实验应用以外)，电子机械致动器(EMA)仍未被应用。为什么EMA没有引入到初级飞行指挥系统控制的主要原因是：

-目前可获得的致动器的阻塞的可能性不如要求的那么低。

-在电能损失的情形中，特别地如果电机与输出之间的机械优点很高，则这些致动器的可逆性不像液压输出阶段的致动器的情形中那么好。

在EMA致动器(主要滚珠螺钉和机械减速箱)的输出阶段中通常应用的技术不能充分确保上述要求，因为：

-通常连接在电机与螺钉之间的机械变速箱比该应用所要求的具有更高的阻塞可能性。滚珠螺钉由于包括再循环机械元件而具有相同的问题，其当阻塞时，妨碍或劣化螺钉的移动，直到非功能性(不能工作)的程度。

-因为通常使用很小的间距以使电机的尺寸最小化，因此在阻塞情形中滚珠螺钉的可逆性很低。

行星辊螺钉在以相同效率在强度、寿命和载荷能力等方面具有优于滚珠螺钉的优点。它们的设计较简单并且不包括循环元件。然而，由于外部污染、断裂等的存在，在其移动部分中(辊、同步冠、齿轮等)不具有阻塞，由此阻塞致动器的输出轴。

US7,410,132和US7,610,828公开了包括用于在阻塞的情形中释放输出轴的装置的滚珠螺钉线性致动器。

这些建议的一个弊端是，滚珠螺钉使再循环元件易于在再循环通道中受到阻塞。它们因此涉及阻塞的较高可能性。

另一个弊端是，在两种建议中，输出线性元件的解锁在螺杆的螺母的高度执行。然后，在释放输出线性元件以后，平行致动器(在上述情形中，通过一组平行致动器致动的飞行控制表面)应该拖拉螺钉和螺母两者。这意味着，致动器应该设计为，使得由螺钉和螺母沿着平行致动器的整个行程扫过的空间放松(free)。此外，通过平行致动器拖拉的惯性是螺钉和螺母的惯性。

还已知的是，文献US2007/295125披露的线性致动器包括：

-由电机驱动的旋转输入轴；

-输出轴，所述输出轴在其内端的外表面具有螺旋螺纹区域；

-第一辊齿轮(roller gear，滚柱齿轮)，构造为当所述输入轴旋转时相对于其轴旋转；

-多个第二辊齿轮，多个第二辊齿轮构造为与第一辊齿轮接合并且在其螺旋螺纹区域中与输出轴接合，使得第一辊齿轮的旋转首先传送到第二辊齿轮，其相对于它们的轴旋转，并且其次地转换成输出轴的线性运动。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种由电机驱动的线性致动器，其阻塞可能性比具有再循环元件的这些已知的线性致动更低。

本发明的另一个目的是，提供一种允许将输出轴与传送链的其它部分断开(去耦)的线性致动器。

这些和其它目的通过两级线性致动器实现，第一级包括：旋转输入轴，由在其内端的外表面中具有螺旋螺纹区域的电机驱动；以及多个第一螺旋辊齿轮，构造为在旋转输入轴的螺旋螺纹区域中与旋转输入轴接合，以便一起旋转。第二级包括多个第二螺旋辊齿轮，其构造为与输出轴接合，输出轴在其内端部的外表面中具有螺旋螺纹区域，以便将第二螺旋辊齿轮的旋转转换成输出轴的线性移动，第二螺旋辊齿轮也构造为与第一螺旋辊齿轮接合以便一起旋转。

有利地，输入轴是中空轴并且输出轴布置在包括输入轴的内侧的内管道中。

有利地，第二螺旋辊齿轮在不同的高度处具有两个螺纹区域：用于与第一螺旋辊齿轮接合的第一螺纹区域以及用于与输出轴的螺旋螺纹区域接合的第二螺纹区域。

在本发明的一个实施方式中，第一螺旋辊齿轮和第二螺旋辊齿轮的配合对相对于第一螺旋辊齿轮的轴，以枢转方式安装在齿轮承载件中，使得它们可以将第二螺旋辊齿轮相对于输出轴保持在接合与脱接(disengaging，脱离接合)位置中。因此，线性致动器设置有用于在阻塞情况中或在探测到机械部件的危险变差的情形中用于释放输出轴的装置。

通过齿轮承载件(carrier)与可旋转地安装在输出轴上的圆盘的相互作用来实现释放系统，以便将齿轮承载件与第二螺旋辊齿轮保持成相对于输出轴接合或脱接。

本发明的线性致动器的一个特别的应用领域是飞行器部件的以及特别地飞行器控制表面的致动。

根据本发明的线性致动器的其它期望的特征和优点参照附图，从本发明随后详细描述和所附权利要求将会变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的线性致动器的立体图；

图2是根据本发明的实施方式的线性致动器的局部横截面视图；

图3是根据本发明的实施方式的线性致动器的主要部件的立体图；

图4a和图4b是包括相应地处于接合与脱接位置中的输出轴的释放装置的根据本发明的实施方式的线性致动器的主要部件的立体图；

图5是包括输出轴的释放装置的根据本发明的实施方式的线性致动器的主要部件的立体图，示出了用于驱动释放装置的装置。

具体实施方式

图1示出了现在将要描述的根据本发明的一个实施方式的用于线性地移动致动件30的线性致动器10的概视图。

例如，可以使用一组线性致动器10，以便致动飞行器的控制表面。

线性致动器10将位于壳体11内的输入轴(由电机7通过变速箱9驱动)的旋转运动转换成致动件30所连接的输出轴29的受控线性运动。线性致动器10可以被电机直接驱动。

图2和图3示出了线性致动器10的主要部件：输入轴13、输出轴29、三个第一螺旋辊齿轮21、21’、21”以及三个第二螺旋辊齿轮23、23’、23”(尽管在图3中仅清晰地示出了第一辊齿轮21、21’和第二辊齿轮23、23’，在图3中还包括用于第一辊齿轮21”和用于第二辊齿轮23”的相应的附图标记并且将在本说明书中使用)。

输入轴13通过一对轴向预加载的接触轴承16可旋转地安装在壳体11上，以实现要求的硬度。其构造为中空圆柱，在其内端的外表面中具有螺旋螺纹区域15。其外端连接至变速箱9。

输入轴29布置在由输入轴13和壳体11中的管状壳12限定的纵向管道中，使得其可以沿着所述管道纵向地移动。它在其外表面中具有螺纹螺旋区域18。螺纹螺旋区域18的长度是预见的输出轴29的位移的最大长度。在其外端，输出轴29连接到形状设计为适于用作通过线性致动器10执行的致动件30。

第一螺旋辊齿轮21、21’、21”布置为，在螺旋线区域15中与输入轴13接合。它们相对于输入轴13切向地布置，使得输入轴13的旋转产生三个辊齿轮21、21’、21”围绕它们轴22、22’、22”的旋转。

第二螺旋辊齿轮23、23’、23”布置为，使得它们的轴24、24’、24”平行于第一螺旋辊齿轮21、21’、21”的轴22、22’、22”，以便在一侧上与第一螺旋辊齿轮21、21’、21”接合，并且在另一侧上在其螺旋线区域18中与输出轴29接合。第一螺旋辊齿轮21、21’、21”的旋转被传送到第二螺旋辊齿轮23、23’、23”，并且第二螺旋辊齿轮23、23’、23”的旋转转换成输出轴29的线性运动。在第一螺旋螺纹区域25、25’、25’中完成第二螺旋辊齿轮23、23’、23”与第一螺旋辊齿轮21、21’、21”的接合，并且在第二螺旋螺纹区域27、27’、27”中完成第二螺旋辊齿轮23、23’、23”与输出轴29的螺旋螺纹区域18的接合。

所述第一螺旋螺纹区域25、25’、25’和第二螺旋螺纹区域27、27’、27”布置在不同的高度处，以允许第二螺旋辊齿轮23、23’、23”同时地接合到第一螺旋辊齿轮21、21’、21”以及输出轴29。

图4a和图4b示出了当线性致动器10的任何部件故障时允许输出轴29完全释放的第一螺旋辊齿轮21、21’、21”和第二螺旋辊齿轮23、23’、23”的布置的主要部件。

第一螺旋辊齿轮21、21’、21”和第二螺旋辊齿轮23、23’、23”通过成对的21，23；21’，23’；21”，23”安装在齿轮承载件31、31’、31”中，其允许相对于与可旋转安装在输出轴29上的圆盘41配合的输出轴29而将第二螺旋辊齿轮23、23’、23”定位在接合或脱接的位置处。

齿轮承载件31、31’、31”安装为通过弹簧39(参见图2)围绕第一螺旋辊齿轮21、21’、21”(可旋转地安装在壳体11上)的轴22、22’、22”枢转，并且在圆盘41的前端的边缘中包括凸出片33、33’、33”。

圆盘41包括具有轴向延伸，该轴向延伸构造为其边缘通过一些列交替突出部43、43’、43”和凹入部45、45’、45”而位于齿轮承载件31、31’、31”的前部。

当齿轮承载件31、31、31’安装为使得它们的凸出片33、33’、33’与圆盘41的突出部43、43’、43”接触时(参见图4a)，齿轮承载件31、31’、31”根据预限定的预载荷以及第二螺旋辊齿轮23、23’、23”的相对于输出轴29的调节状态而布置在接合位置处，以最小化或者防止其任何轴向移动。

当圆盘41旋转并且齿轮承载件31、31’、31的凸出片33、33’、33’定位在圆盘41的凹入部45、45’、45”的前方时，齿轮承载件31、31’、31通过弹簧39枢转到脱接位置(参见图4b)。

作为旋转装置，圆盘41包括环齿轮47，其连接到由适当的例如电机或螺线管的驱动装置51驱动的蜗杆传送件49。可以考虑像螺旋齿轮(当它们未被操作时，通过制动件保持在适当位置处)的用于环形齿轮47的其它类型的驱动元件。

线性致动器10还包括连接到监控装置的控制装置，以便当通过监控装置探测到释放输出轴29的需要时，探测用于致动驱动装置51的任何部件的阻塞或变差。

所述监控装置包括集成在线性致动器中的作为探测装置的专用传感器(加速度，力)，或者利用线性致动器(电流、电压、速度、位置)的控制变量的装置，或者二者的结合，以及可以实时估计选定参数(在时域或者频域)的发展并且使它们与在线性致动器没有缺陷的情况下的期望发展相比的数字诊断系统。

本发明的一个优点在于，线性致动器不具有涉及阻塞的高度可能性的再循环元件。

本发明的另一个优点是，释放机构在输出轴上方动作。因此，在释放输出轴以后，平行致动器(在上述飞行控制表面的情形中，被一组平行致动器致动)应该仅拖动输出轴，以允许线性致动器的更紧凑设计并且方便平行致动器的操作。

Claims (11)

1.一种线性致动器(10)，该线性致动器包括：

-由电机驱动的旋转输入轴(13)；

-输出轴(29)，所述输出轴在其内端的外表面中具有螺旋螺纹区域(18)；

-第一螺旋辊齿轮，构造为当所述输入轴(13)旋转时相对于所述第一螺旋辊齿轮的轴而旋转；

-多个第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)，构造为与所述第一螺旋辊齿轮接合并且在所述输出轴(29)的所述螺旋螺纹区域(18)中与所述输出轴接合，使得所述第一螺旋辊齿轮的旋转首先传送到所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)，所述第二螺旋辊齿轮相对于它们的轴(24、24’、24”)旋转，并且所述第一螺旋辊齿轮的旋转其次地转换成所述输出轴(29)的线性移动，其特征在于，

-所述输入轴在其内端的外表面中具有螺旋螺纹区域(15)；

-所述线性致动器进一步包括多个第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)，所述多个第一螺旋辊齿轮是被构造成在所述旋转输入轴(13)的所述螺旋螺纹区域(15)中与所述旋转输入轴接合的螺旋齿轮，以及

-所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)是被构造成与所述第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)接合的螺旋齿轮。

2.根据权利要求1所述的线性致动器(10)，其中，所述输入轴(13)是中空轴，并且所述输出轴(29)布置在一内管道中，所述内管道包括所述输入轴(13)的内侧。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的线性致动器(10)，其中，所述第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)相对于所述输入轴(13)切向地布置，并且所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)相对于所述输出轴(29)切向地布置，使得所述第二螺旋辊齿轮的轴(24、24’、24”)平行于所述第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)的所述轴(22、22’、22”)。

4.根据权利要求3所述的线性致动器(10)，其中，所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)在两个不同高度具有两个螺纹区域，即：用于与所述第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)接合的第一螺纹区域(25、25’、25”)以及用于与所述输出轴(29)的所述螺旋螺纹区域(18)接合的第二螺纹区域(27、27’、27”)。

5.根据权利要求4所述的线性致动器(10)，其中，第一螺旋辊齿轮和第二螺旋辊齿轮的配合对(21、23；21’、23’；21”、23”)相对于所述第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)的所述轴(22、22’、22”)以枢转方式安装在齿轮承载件(31、31’、31”)中，使得齿轮承载件能够将所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)相对于所述输出轴(29)保持在接合位置或脱接位置中。

6.根据权利要求5所述的线性致动器(10)，进一步包括可旋转地安装在所述输出轴(29)上的圆盘(41)，其中，所述齿轮承载件(31、31’、31”)和所述圆盘(41)包括配合装置，所述配合装置用于将所述第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)相对于所述输出轴(29)保持在接合位置或脱接位置中。

7.根据权利要求6所述的线性致动器(10)，其中，所述配合装置是位于所述齿轮承载件(31、31’、31”)中的凸出片(33、33’、33”)以及位于所述圆盘(41)中的多个突出部(43、43’、43”)和凹入部(45、45’、45”)，使得当所述齿轮承载件的凸出片(33、33’、33”)与所述圆盘(41)的所述突出部(43、43’、43”)接触时所述齿轮承载件(31、31’、31”)保持在接合位置中，否则处于脱接位置中。

8.根据权利要求6或7所述的线性致动器，包括三个第一螺旋辊齿轮(21、21’、21”)和三个第二螺旋辊齿轮(23、23’、23”)。

9.根据权利要求8所述的线性致动器(10)，其中，所述圆盘(41)在其外边缘中进一步包括环形齿轮(47)，所述环形齿轮耦接到由驱动装置(51)所驱动的蜗杆传动件(49)，用于旋转所述圆盘(41)。

10.根据权利要求9所述的线性致动器(10)，进一步包括用于探测一个部件的阻塞或劣化的监控装置以及控制装置，当探测到一个部件的阻塞或劣化时，所述控制装置致动所述驱动装置(51)。

11.一种飞行器部件，该飞行器部件包括根据权利要求1至10中任一项所述的线性致动器(10)。