CN109305339A - 一种三余度全电刹车作动系统 - Google Patents

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Abstract

一种三余度全电刹车作动系统，涉及飞行器驻停技术领域；包括3个作动器、作动支架、刹车盘组件和机轮；其中，机轮为竖直放置的圆柱体结构；刹车盘组件固定安装在机轮的轴向顶端；作动支架为圆盘结构；作动支架水平同轴放置在刹车盘组件的上表面；3个作动器固定安装在作动支架的上表面；3个作动器以作动支架轴心为圆心均匀环形分布；作动器的中心与作动支架轴心距离为83‑87mm；相邻2个作动器以作动支架轴心为圆心的夹角为120°；本发明实现了为全电飞行器/重型卡车等提供体积小、重量轻的高可靠制动方案。

Description

一种三余度全电刹车作动系统
技术领域
本发明涉及一种飞行器驻停技术领域，特别是一种三余度全电刹车作动系统。
背景技术
刹车系统是飞机的重要子系统之一，用于完成飞机的安全驻停，其可靠性对于飞机的起飞和着陆具有极其重要的作用，刹车性能的好坏直接影响到飞机及机载人员的飞行安全。传统的飞机刹车系统通常采用液压装置，对系统的密封性要求高，存在泄漏的风险，维护性较差。全电刹车系统伴随多/全电飞机的发展应运而生。与传统的液压刹车系统相比，全电刹车系统具有体积小、重量轻、安全性高、动态性能好等优点。
机电作动系统作为电刹车系统的关键子系统,是刹车过程中产生制动力矩的核心环节。但是，相较于传统液压刹车系统，全电刹车系统余度设计复杂，尤其针对空间环境的飞行器，目前最高为双余度全电刹车系统。故该新型三余度全电刹车作动系统极大程度提高了全电刹车系统可靠性。
1、相关现有技术的内容
经过查阅文献，发现当前载人飞行器多采用传动液压刹车系统，该方案具有设计简单，加载方便，可靠性高的优点。但是其需要长期维护，并且对系统的密封性能要求很高，需要定期维护，检查。随着飞行器向小型化、无人化发展，全电/多电飞机走入科研人员的视野。因此，全电/多电飞行器上刹车子系统也需要进行全电化设计。
初期，全电刹车子系统由于其系统的复杂性，均不考虑余度设计，由于该系统中存在多个薄弱单点，其可靠性没有保证。随着设计水平的不断进步以及加工制造技术的提升，双余度全电刹车子系统的出现，提高了全电刹车子系统的可靠性。
2、该现有技术所存在的问题和缺陷
全电刹车的作动系统主要由电机以及精密传动系统组成。受限于安装空间以及出力需求，一般全电刹车做东系统均采用平行式设计，既电机与传动部件(丝杠等)平行设计，通过减速齿轮进行动力传动。因此其加载是通过丝杠推动刹车盘组件的方式进行加载。受限于该结构特性，其加载面面积有限，因此采用180°安装的双余度全电刹车子系统易出现刹车盘加载不均衡的现象，刹车盘组件之间接触面积减小，减小刹车效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种三余度全电刹车作动系统，实现了为全电飞行器/重型卡车等提供体积小、重量轻的高可靠制动方案。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种三余度全电刹车作动系统，包括3个作动器、作动支架、刹车盘组件和机轮；其中，机轮为竖直放置的圆柱体结构；刹车盘组件固定安装在机轮的轴向顶端；作动支架为圆盘结构；作动支架水平同轴放置在刹车盘组件的上表面；3个作动器固定安装在作动支架的上表面。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述的3个作动器以作动支架轴心为圆心均匀环形分布；作动器的中心与作动支架轴心距离为83-87mm；相邻2个作动器以作动支架轴心为圆心的夹角为120°。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述的作动器包括第一作动器壳体、第二作动器壳体、第三作动器壳体、电机电连接器和压力传感器电连接器；其中，第一作动器壳体、第二作动器壳体和第三作动器壳体均为内部设置有空腔的壳体；第三作动器壳体固定安装在作动支架的上表面；第二作动器壳体固定安装在第三作动器壳体的顶端；第一作动器壳体固定安装在第二作动器壳体的顶端；电机电连接器水平固定安装在第一作动器壳体的侧壁处；压力传感器电连接器水平固定安装在第二作动器壳体的侧壁处。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述的作动器还包括电机伸出轴、减速齿轮、丝杠螺母、丝杠、旋转变压器和电机；其中，电机轴向竖直固定安装在作动器内部，且电机沿轴向依次穿过第一作动器壳体、第二作动器壳体和第三作动器壳体；电机伸出轴轴向竖直固定安装在电机的轴心处；且电机伸出轴的竖直上端与电机电连接器对应；旋转变压器套装在电机伸出轴的竖直上端外壁；减速齿轮轴向竖直固定安装在第三作动器壳体内部；且减速齿轮与电机伸出轴竖直下端啮合传动；丝杠轴向竖直从第三作动器壳体底部伸入，且穿过第二作动器壳体；丝杠螺母套装在丝杠的中部外壁，且丝杠螺母与减速齿轮啮合传动。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述的作动器还包括导向机构和压力传感器；其中，导向机构的截面为T字型结构；导向机构从第一作动器壳体伸入第二作动器壳体；且导向机构沿轴向从丝杠的顶部伸入丝杠；压力传感器固定安装在导向机构的顶部；且压力传感器与压力传感器电连接器对应。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述电机的供电电压为160V。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述减速齿轮硬度为58-62HRC。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述丝杠导程为3；减速齿轮的传动比为16-22.5。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述刹车作动系统的工作温度为-50℃～150℃。
在上述的一种三余度全电刹车作动系统，所述刹车作动系统的工作过程为：
电机通过电机伸出轴，将电机的旋转运动通过减速齿轮传递给丝杠螺母；并通过丝杠将旋转运动转换为直线运动；电机和旋转变压器通过电机电连接器与外部驱动控制器和电源连接；当丝杠做直线运动压到刹车盘组件时，刹车盘组件的反作用力传输至压力传感器；压力传感器将弹性形变转换为电信号，并通过压力传感器电连接器将电信号传至外部驱动控制器，获得刹车子系统的输出压力值。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明具有双路故障容错能力，可实现单余度故障、双余度故障，通过独立布置三台机电作动器，实现系统级余度切换，保证刹车装置仍能够达到满功率输出要求，大大提高了刹车系统的可靠性指标，尤其适合起落架等收放装置。；
(2)本发明进行高集成度、减重化设计，机电作动器内部采用传动部件一体化设计，即电机输出端与传动齿轮一体式同轴加工/滚珠丝杠螺母与传动齿轮一体式加工等设计方法，电机与滚珠丝杠采用平行式布局，整体结构小巧、紧凑，为整个系统减轻重量；
(3)本发明采用模块化设计，作动器可以直接插入作动支架上，并通过凸台进行轴向限位；作动器与作动支架通过螺钉进行轴向限位，可在不分解刹车装置其余部件的条件下快速拆装；
(4)本发明作动器动力输出直线运行部件进行受力优化设计，三个作动器输出端在360°范围内均布，可均匀压紧刹车盘组件，使刹车盘组件之间摩擦接触面积大，吸收能量效率高，刹车距离小；
(5)本发明作动器进行电磁屏蔽设计。考虑到强电/弱点互相干扰，设计双路电器输出通道，分别为电机/旋转变压器输出通道与压力传感器输出通道，该两路通道相互电磁屏蔽，避免强电信号对弱电信号的干扰，提高压力传感器的准确度，从而保证整个系统控制精度；
(6)本发明机电作动器采用分体式设计，通过三个分体式壳体相互连接，实现了便捷安装，快速故障排查与方便维护的功能；
(7)本发明作动器可以精准进行刹车力控制与采集。通过最测量最直接的内部力传导路径，直接在滚珠丝杠的螺母端进行刹车力测量，可以在保证系统集成度以及小型化的同时，准确测量实时刹车力，为全电刹车系统的精准测量提供保障。
附图说明
图1为本发明三余度作动系统的布置示意图；
图2为本发明三余度作动系统的俯视示意图；
图3为本发明单独作动器的组件布置示意图；
图4为本发明单独作动器的内部剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种三余度全电刹车作动系统，电机23通过电机伸出轴16，将电机23的旋转运动通过一组齿轮传递给丝杠螺母18，并通过滚珠丝杠19将旋转运动转换为直线运动。电机23以及旋转变压器22通过电机电连接器14与外部驱动控制器、电源相连接。当丝杠19向前做直线运动压到刹车盘组件3时，刹车盘组件3的反作用力通过导向机构传导给推力轴承以及压力传感器21，压力传感器21将弹性形变转换为电信号传导至信号处理芯片，并通过压力传感器电连接器15传给外部驱动控制器，以获得刹车子系统的输出压力值。实现了为全电飞行器/重型卡车等提供体积小、重量轻的高可靠制动方案。
如图1所示为三余度作动系统的布置示意图，由图可知，一种三余度全电刹车作动系统，包括3个作动器1、作动支架2、刹车盘组件3和机轮4；其中，机轮4为竖直放置的圆柱体结构；刹车盘组件3固定安装在机轮4的轴向顶端；作动支架2为圆盘结构；作动支架2水平同轴放置在刹车盘组件3的上表面；3个作动器1固定安装在作动支架2的上表面。
如图2所示为三余度作动系统的俯视示意图，由图可知，3个作动器1以作动支架2轴心为圆心均匀环形分布；作动器1的中心与作动支架2轴心距离为83-87mm；相邻2个作动器1以作动支架2轴心为圆心的夹角为120°。
如图3所示为单独作动器的组件布置示意图，有图可知，作动器1包括第一作动器壳体11、第二作动器壳体12、第三作动器壳体13、电机电连接器14和压力传感器电连接器15；其中，第一作动器壳体11、第二作动器壳体12和第三作动器壳体13均为内部设置有空腔的壳体；第三作动器壳体13固定安装在作动支架2的上表面；第二作动器壳体12固定安装在第三作动器壳体13的顶端；第一作动器壳体11固定安装在第二作动器壳体12的顶端；电机电连接器14水平固定安装在第一作动器壳体11的侧壁处；压力传感器电连接器15水平固定安装在第二作动器壳体12的侧壁处。
如图4所示为单独作动器的内部剖面示意图，有图可知，作动器1还包括电机伸出轴16、减速齿轮17、丝杠螺母18、丝杠19、导向机构20、压力传感器21、旋转变压器22和电机23；其中，电机23轴向竖直固定安装在作动器1内部，且电机23沿轴向依次穿过第一作动器壳体11、第二作动器壳体12和第三作动器壳体13；电机伸出轴16轴向竖直固定安装在电机23的轴心处；且电机伸出轴16的竖直上端与电机电连接器14对应；旋转变压器22套装在电机伸出轴16的竖直上端外壁；减速齿轮17轴向竖直固定安装在第三作动器壳体13内部；且减速齿轮17与电机伸出轴16竖直下端啮合传动；丝杠19轴向竖直从第三作动器壳体13底部伸入，且穿过第二作动器壳体12；丝杠螺母18套装在丝杠19的中部外壁，且丝杠螺母18与减速齿轮17啮合传动。导向机构20的截面为T字型结构；导向机构20从第一作动器壳体11伸入第二作动器壳体12；且导向机构20沿轴向从丝杠19的顶部伸入丝杠19；压力传感器21固定安装在导向机构20的顶部；且压力传感器21与压力传感器电连接器15对应。
考虑到空间飞行器/飞机供电电压偏低，所述电机23的供电电压为160V。同时由于电流升高，因此电机电连接器14选型考虑到最大电流通过能力，选择合适的型号。
丝杠螺母18以及减速齿轮17一体化设计，根据工况所需，需要考虑减速齿轮17间齿面避免冷焊发生，因此减速齿轮17表面需要进行特殊表面处理，减速齿轮17需要进行硬度设计，所述减速齿轮17硬度为58-62HRC。
考虑到地面/以及近地轨道运行环境，以及免维护需求，因此该刹车作动系统选用宽温域航空润滑脂/或真空长贮润滑脂进行传动机构的减磨手段。
由于全电刹车机构体积紧凑，出力较大，因此所述丝杠19导程为3；减速齿轮17的传动比为16-22.5。
由于该刹车装置面向工况极其复杂，因此在设计过程中需要考虑到使用温度，刹车作动系统的工作温度为-50℃～150℃。
工作过程：
电机23连接电源后进行供电，根据外部控制驱动器的指令，电机伸出轴16做旋转运动，同时旋转变压器22根据外部驱动控制器的输入信号，对电机23的旋转运动记录旋转速度与圈数，并将信号输出给外部驱动控制器进行数据处理。以上信号传递以及电源供电全部通过电机电连接器14。
当伸出丝杠19压向承压盘，产生压力值时，压力传感器21受压可以产生电信号，该电信号通过导线传递至信号处理芯片，进行信号处理，将处理结果通过压力传感器电连接器15传递给外部驱动控制器。以上信号传递以及信号处理芯片的供电全部通过压力传感器电连接器15完成。
2、余度模式切换原理
根据本发明专利的结构示意图，其工作原理分为正常工作模式以及余度工作模式。正常工作模式时，三个作动器均可以工作，并对刹车盘组件施加压力，驱动控制器根据反馈信号进行压力调整。
当三个作动器其中一个或者两个出现故障时，既切换至余度工作模式。首先将故障作动器电机反转，丝杠与刹车盘脱离并收回至极限位置。然后，驱动控制器根据需要将压力指令发送至未故障的作动器，使其输出合适的力，保证整个刹车子系统正常工作并保证飞行器的制动效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：包括3个作动器(1)、作动支架(2)、刹车盘组件(3)和机轮(4)；其中，机轮(4)为竖直放置的圆柱体结构；刹车盘组件(3)固定安装在机轮(4)的轴向顶端；作动支架(2)为圆盘结构；作动支架(2)水平同轴放置在刹车盘组件(3)的上表面；3个作动器(1)固定安装在作动支架(2)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述的3个作动器(1)以作动支架(2)轴心为圆心均匀环形分布；作动器(1)的中心与作动支架(2)轴心距离为83-87mm；相邻2个作动器(1)以作动支架(2)轴心为圆心的夹角为120°。
3.根据权利要求2所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述的作动器(1)包括第一作动器壳体(11)、第二作动器壳体(12)、第三作动器壳体(13)、电机电连接器(14)和压力传感器电连接器(15)；其中，第一作动器壳体(11)、第二作动器壳体(12)和第三作动器壳体(13)均为内部设置有空腔的壳体；第三作动器壳体(13)固定安装在作动支架(2)的上表面；第二作动器壳体(12)固定安装在第三作动器壳体(13)的顶端；第一作动器壳体(11)固定安装在第二作动器壳体(12)的顶端；电机电连接器(14)水平固定安装在第一作动器壳体(11)的侧壁处；压力传感器电连接器(15)水平固定安装在第二作动器壳体(12)的侧壁处。
4.根据权利要求3所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述的作动器(1)还包括电机伸出轴(16)、减速齿轮(17)、丝杠螺母(18)、丝杠(19)、旋转变压器(22)和电机(23)；其中，电机(23)轴向竖直固定安装在作动器(1)内部，且电机(23)沿轴向依次穿过第一作动器壳体(11)、第二作动器壳体(12)和第三作动器壳体(13)；电机伸出轴(16)轴向竖直固定安装在电机(23)的轴心处；且电机伸出轴(16)的竖直上端与电机电连接器(14)对应；旋转变压器(22)套装在电机伸出轴(16)的竖直上端外壁；减速齿轮(17)轴向竖直固定安装在第三作动器壳体(13)内部；且减速齿轮(17)与电机伸出轴(16)竖直下端啮合传动；丝杠(19)轴向竖直从第三作动器壳体(13)底部伸入，且穿过第二作动器壳体(12)；丝杠螺母(18)套装在丝杠(19)的中部外壁，且丝杠螺母(18)与减速齿轮(17)啮合传动。
5.根据权利要求4所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述的作动器(1)还包括导向机构(20)和压力传感器(21)；其中，导向机构(20)的截面为T字型结构；导向机构(20)从第一作动器壳体(11)伸入第二作动器壳体(12)；且导向机构(20)沿轴向从丝杠(19)的顶部伸入丝杠(19)；压力传感器(21)固定安装在导向机构(20)的顶部；且压力传感器(21)与压力传感器电连接器(15)对应。
6.根据权利要求5所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述电机(23)的供电电压为160V。
7.根据权利要求6所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述减速齿轮(17)硬度为58-62HRC。
8.根据权利要求7所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述丝杠(19)导程为3；减速齿轮(17)的传动比为16-22.5。
9.根据权利要求8所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述刹车作动系统的工作温度为-50℃～150℃。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种三余度全电刹车作动系统，其特征在于：所述刹车作动系统的工作过程为：
电机(23)通过电机伸出轴(16)，将电机(23)的旋转运动通过减速齿轮(17)传递给丝杠螺母(18)；并通过丝杠(19)将旋转运动转换为直线运动；电机(23)和旋转变压器(22)通过电机电连接器(14)与外部驱动控制器和电源连接；当丝杠(19)做直线运动压到刹车盘组件(3)时，刹车盘组件(3)的反作用力传输至压力传感器(21)；压力传感器(21)将弹性形变转换为电信号，并通过压力传感器电连接器(15)将电信号传至外部驱动控制器，获得刹车子系统的输出压力值。
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