CN111322333B - 减少飞机制动器磨损的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供用于连续监视和控制飞机制动的系统和方法，该系统和方法能够通过保持来自制动器的碳制动器粉或在相对于制动盘堆安装的装置中添加碳粉来减少制动器磨损和飞机运行成本。碳粉的使用通过在制动盘之间提供小颗粒来减少制动器磨损，当将制动堆夹紧在一起时，碳粉充当制动盘之间的缓冲。此外，当在应用中使用碳粉或小颗粒时，这种使用降低了碳表面的粗糙度，并减少了从碳表面上脱落的大颗粒的数量，从而减少了制动器磨损。自适应或选择性制动可以与碳粉结合使用，以进一步减少碳制动器磨损。

Description

减少飞机制动器磨损的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月14日提交的美国申请No.62/780,134的优先权，其内容通过引用完全并入本文。

背景技术

本发明总体上涉及用于减少飞机制动器(aircraft brake)磨损的设备和方法，并且更具体地涉及用于在各种制动条件下减小碳制动器的磨损的设备和方法。

现代飞机可以在每个主起落架齿轮上装备碳制动器。碳制动器比钢制动器更可取，因为它们的重量减轻且性能增强。碳制动器通常包括活塞壳体(其包括活塞)、扭矩管和碳制动堆。碳制动堆由多个键合到固定的扭矩管上的制动盘(定子)和键合到轮内轮辋并随轮旋转的交错式制动盘(转子)组成。制动堆由压紧定子和转子的一侧的活塞壳体和压板以及另一侧的背板界定。当活塞压缩制动堆时会发生摩擦制动，使得产生的摩擦降低轮速并因此降低飞机速度。制动期间，制动产生的摩擦能量会大量转化为热。

认识到大量的碳制动盘的磨损量在滑行期间发生，其中需要更普遍数量的制动器应用来维持适当的速度参数并解决滑行道的交通问题。制动器磨损的增加是由于碳制动器表面具有极强的磨蚀性，当首先将制动堆压在一起时，配对的两个研磨表面的相互作用会导致碳块脱落。这些块卡在制动盘之间，它们本身可能会进一步侵蚀碳表面。随着这些块被研磨成颗粒，磨蚀条件会降低。当制动器被释放后，相配合的摩擦表面分开并且许多粉尘会掉落。

在制动器的重复应用时该过程继续，当首先将转子和定子压在一起时，未加热的碳表面更易于从表面磨损掉更大的颗粒。相反，在通过制动动作加热了碳表面之后，这些颗粒的脱落倾向要低得多。已知在“冷”制动期间损失较大的颗粒会导致更快的制动器磨损，应尽可能避免。

另外，被设计为减少制动器磨损的已知飞机制动系统使用传感器检测制动器参数来连续监视制动器的使用量。确定并存储估计的制动器的使用量，以供地面人员使用，但是系统仅监视并提供制动器使用量的数据；需要一种监视和控制引起制动器磨损的因素的系统。

还已知选择性制动器禁用可减少飞机上的碳制动器磨损。制动器禁用或选择性制动器操作涉及在飞机滑行期间应用少于可用的制动器总数的制动器。使用这样的系统，可以基于直行制动器应用计数器来禁用不同的制动器。另外，为了控制滑行速度并使飞机转弯，使用了多个低强度制动器应用或“紧急制动(snub)”。为了避免多次踩踏制动器，也可以连续应用柔和的制动，在滑行期间拖曳制动。从燃料消耗的角度来看，这些策略效率低下，并且制动器磨损更快，因此通常需要避免。

减少碳制动器磨损的另一种技术是允许飞机的滑行速度从低于目标速度增加到远高于目标速度，然后使用单个牢固的制动器应用使飞机减速到远低于目标速度。然后释放制动器，使飞机能够再次增速并再次重复整个过程，而不是在需要制动时自然而然地应用制动器。该技术具有许多缺点，诸如与机场布局不兼容、由于滑行转弯次数而引起的复杂性以及交通量引起的安全问题。因此，期望提供允许在低磨损条件下根据需要频繁地应用制动器的系统和方法。

这些方法基于诸如飞机速度、制动压力、温度等的测量条件来选择或控制轮制动，但是不依赖于特定制动器的诸如由制动器制造商提供的优选的操作制动器温度范围的最佳特性。与现有方法相比，结合这些信息将改善制动器的性能并减少磨损。因此，期望提供使用这种固有的制动器特性来控制轮制动以更好地优化碳制动效率的系统和方法。

发明内容

本发明用于通过在制动器操作期间影响碳对碳界面的磨损性来减少制动器磨损并增加制动器寿命。从制动器被最初应用直到制动器被充分加热的周期，本发明的制动系统通过捕获或注入，在碳制动盘之间引入诸如碳粉的摩擦调节材料。摩擦调节材料用于在滑行的初始阶段润滑配对的碳表面，最小化了温度在表面层处引起的摩擦损耗。

碳粉用作摩擦调节材料通过在制动盘之间提供充当制动盘之间的缓冲器的小颗粒来减小碳制动器磨损。此外，当在制动器应用中使用碳粉(例如石墨和石墨烯)或小颗粒时，这种使用会降低碳表面的有效粗糙度并减小大颗粒在非最佳温度接触期间从碳盘表面脱落的趋势，从而减少制动器磨损。

为了将粉末放置在制动堆中，可以从安装在制动器组件的固定部分的与制动表面相邻的容器注入材料。喷射器通过吹入将摩擦调节材料分配到制动盘堆中，分配到转子盘和定子盘之间。喷射器可以包括诸如风箱或其它装置的在将粉末吹入制动堆时接收命令的机械装置。在使用风箱的情况下，活塞的缩回可以从容器中吸出碳制动器粉尘，而活塞的伸出可以分配摩擦调节材料。

在另一实施方式中，将摩擦调节材料引导通过扭矩管中的通道，并在扭矩管键槽(keyway)203的顶部注入。定子在至少一个摩擦表面上包含螺旋槽(未示出)，并与键槽表面的顶部对准以在制动盘之间分配摩擦调节材料。

吹入装置的另一用途可以是在制动盘之间连续吹送冷空气。

可选地，制动器的扭矩管上的键槽可以包括沿键槽的内径表面的长度延伸并沿键槽朝向孔打埋头孔的窄槽。另外，为了有利地增加键槽处的废碳尘的收集，在定子板的至少一个摩擦表面上(刚好在键槽上方)放置了凹槽。

诸如石墨和石墨烯的废摩擦调节材料可以诸如通过将碳引导至保持容器的电磁收集器被捕获以便再利用。可选地，可以将摩擦调节材料向心地或重力地收集在容器中，以与分配摩擦控制剂的系统一起使用。来自制动踏板和/或制动控制系统的命令可用于启动废摩擦调节材料的收集/回收或分配。颗粒的收集通常也减少了引入跑道或机场环境的颗粒物质的量。

在没有实质性安全问题的情况下，制动器磨损和/或制动器磨损预测也可以用于选择在轻度到中等制动期间应用哪些制动器。另外，制动磨损系统可以使用前轮转向位置来确定要应用哪些制动器以减少轮胎磨损和擦洗。在本发明的一个优选方面中，基于制动器磨损、前轮转向位置、制动器温度和其它因素改变制动压力水平被有利地用于控制制动器系统中的制动器磨损和有意的制动器加热。

在本发明的一个方面中，可以结合例如将碳粉施加到碳制动器表面来使用自适应制动(即，选择要应用的制动器)，以进一步减少碳制动器磨损。当响应于基于多种条件的制动命令而应用制动器时，能够使制动器磨损最小化。这样的条件可以包括例如飞机速度、飞机减速率、飞机重量、制动器温度、制动命令、制动压力、机场滑行道模式、制造商的制动器特性、轮胎压力、滑行速度、制动器磨损、打滑状况和磨损率。通过自适应制动，能够同时使用多种制动器特性，允许飞机上的各制造商的制动器混合在一起。能够自动应用制动器以维持滑行道速度限制和最佳制动器温度。自适应制动能够用于平衡制动器磨损、平衡制动器能量并为维护提供预测数据。平衡制动器磨损涉及调整制动，以便在条件允许的情况下，多个碳制动堆(carbon brake stack)均匀地磨损。

根据以下结合附图对优选实施方式的详细说明，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，所述附图以示例的方式示出了本发明的操作。

附图说明

图1是用于飞机的现有技术的轮和碳制动器组件的立体图；

图2是本发明的碳制动器组件的截面图；

图3是本发明的轮和碳制动器组件的截面示意图；

图4是粉末喷射器/分配器控制系统的示意图；以及

图5是用于基于最佳磨损条件应用制动命令的逻辑流程图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的飞机轮和制动器组件(wheel and brake assembly)100，其中轮109包围(encompass)沿着中心线117安装的制动器组件的多个制动盘，这些制动盘协作以在致动器114的影响下抑制飞机的速度。碳制动器通常包括活塞壳体202(其包括活塞)、扭矩管和碳制动堆。碳制动堆由多个键合到固定的扭矩管的制动盘(定子)和键合到轮内轮辋并随轮旋转的交错式制动盘(转子)组成。制动堆由压紧定子和转子的一侧的活塞壳体202和压板205以及另一侧的背板204界定。在制动盘的相互作用期间，会提前磨损制动盘的颗粒51围绕制动盘的内径和外径移动。最终，大多数颗粒51从制动器组件100中排出，并从轮壳体109抛弃到大气中。

参照图2，其示出了本发明的制动器组件的截面图。飞机制动器组件102包括具有多个致动器114的活塞壳体202、制动堆144和扭矩管124。

参照图3，其示出了本发明的轮和碳制动器组件的截面图。飞机制动器组件102通过例如制动螺栓132联接到车轴法兰128。活塞壳体202中的致动器114被构造成接合和解除接合包括交替的转子盘136和定子盘138的制动堆144。转子盘136通过例如转子驱动键140与轮122接合，而定子盘138通过扭矩管键203接合。

本发明的优选实施方式允许在轮制动盘之间使用碳粉作为润滑剂以进一步减少制动器的磨损。在一个示例性实施方式中，每个轮制动器均包括接近轮制动器地安装的一个或多个粉末分配器60。粉末分配器60优选地安装在轮制动器的托架组件(未示出)上或附近，以访问转子盘136和定子盘138之间的表面，但是可替代地可以邻近轮制动器地安装在诸如轴118上。粉末分配器60可以包括喷射器62和容纳碳粉的接收器70、至少一个用于将碳粉分配到一个或多个制动盘之间的表面的出口64、用于接收在飞机制动期间从表面脱落的碳颗粒的入口66和用于将较大的碳颗粒研磨成粉末以放入接收器70中的研磨机68。粉末分配器60可以电连接到制动器致动控制器26(图3)以响应制动命令38或其它飞机制动条件28地激活。

在一种使用方法中，制动器致动控制器26从飞行员或自动制动系统接收制动命令，并且致动一个或多个轮制动器10A、10B。这进而导致活塞压紧制动堆144。当释放制动并且转子和定子的表面分开时，生成的任何碳颗粒都将通过入口66(通过真空或其它方法)移除并传送到碳粉接收器70。在传送到接收器70之前，可以在研磨机68中进一步粉碎该颗粒。因此，在接收器70和研磨机68被示出为从喷射器62被应用在制动器表面处的碳粉源的状态下，当制动重新接合时，由于移除了大的碳颗粒，所以制动盘堆的磨蚀状态降低，从而减少了制动器的磨损。

粉末分配器60的机构和布置的前述说明表明了一个当前优选的实施方式，并且不旨在限于任何特定的机构或布置。例如，在保持本发明的精神和范围的情况下，除了用于接收碳粉的真空装置或用于喷撒碳粉的泵以外的机构可以用于粉末分配器60。另外，粉末分配器60相对于制动堆144的布置可以发生在托架组件或轴之外。而且，尽管上述实施方式说明了将单个粉末分配器用于制动堆，但是多个粉末分配器可以用于单个轮制动器。例如，每个粉末分配器60均可以被布置成使得其出口64对应于一对转子136和定子138。可选地，可以使用具有多个分别对应于一对转子和定子的出口64的单个粉末分配器。

粉末分配器60优选地在制动堆被活塞压紧之前将碳粉施加到制动盘的表面。例如，在制动命令被接收到制动器致动控制器中之后，但是在制动堆被压紧之前，制动器致动控制器26激活粉末分配器60。此时，转子136和定子138的表面解除接合并分开。接收器70中的碳粉通过出口64注入并注入到一个或多个制动盘的内表面。例如，粉末分配器60可以在转子转动的同时将碳粉注入到每个转子的摩擦表面以完全覆盖转子的表面。粉末分配器60还可以在分配碳粉之前、期间或之后从单独的容器(未示出)喷撒弱粘接剂以促进碳粉在制动盘上的保持。因此，当制动器致动控制器26随后致动轮制动器时，由于添加了小的碳颗粒或碳粉而减轻了制动盘堆的磨损状况，进一步减小了制动器磨损。

在图4中，制动盘响应于由制动器致动控制器26监视的制动命令38而接合。制动命令38可以例如通过飞行员或自动制动系统对制动踏板的致动来启动。一旦接收到制动命令，制动器致动控制器26就监视一个或多个飞机制动条件28，作为响应，制动器致动控制器致动轮22处的多个轮制动器10A、10B。这些条件28可以包括但不限于：飞机速度30、飞机减速度32、飞机重量34、制动器温度36、机场滑行道模式40、滑行速度42、轮胎压力44、制动器磨损46、磨损率48、轮胎磨损39和制动压力47。基于本领域技术人员的知识来完成对前述条件的监视；例如，可以在轮制动器附近设置轮速度传感器(未示出)以接收被传输到制动器致动控制器的轮速度数据，并且制动器致动控制器处理该数据以得出飞机速度30。使用该数据，也根据本领域技术人员的知识响应于一个或多个飞机制动条件，制动器致动控制器26禁用一个或多个轮制动器10A、10B。例如，制动器致动控制器可以结合其它条件28根据飞机速度来指示轮制动器之一不施加制动。

在本发明的优选实施方式中，飞机制动条件之一包括制造商制动特性50。这里，飞机上的每个轮制动器10A、10B均可以属于不同制造商，并且制动器致动控制器26响应于制造商制动特性禁用一个或多个轮制动器10A、10B。制造商制动特性50的示例是用于该轮制动器的最佳制动器温度操作范围52。在一个示例性实施方式中，制动器致动控制器26与包括针对每架飞机的每个轮制动器的最佳制动器温度操作范围52的制造商制动特性的数据库54通信，并且根据感测到的制动器温度36选择性地禁用轮制动器10A、10B。

例如，当制动器致动控制器监视并接收每个轮制动器的制动器温度36时，将制动器温度与数据库54进行比较以确定轮制动器是否落在其最佳制动器温度操作范围之外，如果是的话，则相应地禁用制动器10A或10B。根据本领域技术人员的知识，存储在数据库54中的该特征以及其它制造商制动特性50可以与制动器致动控制器所感测到的飞机制动条件结合使用以执行自适应制动，同时进一步允许一架飞机使用不同制造商的轮制动器(这在常规自适应制动技术中是通常不存在的)，以平衡和减少制动器磨损。

图5示出了使用本发明进行制动操作的示例性流程图。输入每个制动器制造商的制动器特性/磨损率，以便确定每个轮的最佳制动器磨损特性。然后，将最佳制动器磨损输入到控制器中，该控制器使用该输入为每个轮发出自适应制动磨损命令。如果飞机处于滑行模式，则发出制动命令，并相应地施加制动。如果飞机处于着陆阶段，则确定制动器温度数据并将其存储在制动器温度存储器中。然后，当飞机处于滑行模式时，该温度与当前制动器温度一起被调用，以便为每个制造商的制动器确定正确的制动命令。

从前述内容将显而易见的是，尽管已经图示并说明了本发明的特定形式，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种变型。因此，除所附权利要求限定的范围外，不旨在限制本发明。

Claims (17)

1.一种用于监视和控制飞机的制动以减少制动器磨损的系统，所述飞机包括多个轮制动器，每个轮制动器均具有多个制动盘，所述制动盘响应于制动命令而接合以使所述飞机减速，所述系统包括：

制动器致动控制器，其被构造为监视制动命令并且响应于所述制动命令而致动所述多个轮制动器中的一个或多个轮制动器；和

粉末分配器，其相对于所述多个轮制动器中的每个轮制动器地安装并被构造成接收碳颗粒或在所述多个制动盘之间施加碳粉，所述粉末分配器包括：用于容纳碳粉的接收器、用于将碳粉分配到所述多个制动盘的一个或多个表面的出口、用于通过真空接收从所述多个制动盘的表面脱落的碳颗粒的入口以及用于将所述脱落的碳颗粒研磨成粉末并放入所述接收器中的研磨机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制动器致动控制器被构造为监视一个或多个飞机制动条件，并且被构造为响应于所述一个或多个飞机制动条件而禁用所述轮制动器中的一个或多个轮制动器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一个或多个飞机制动条件选自由飞机速度、飞机减速度、飞机重量、制动器温度、制动命令、机场滑行道模式、滑行速度、轮胎压力、轮胎磨损、制动器磨损和磨损率构成的组。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述制动器致动控制器被构造为与存储所述多个轮制动器中的每一个轮制动器的制造商制动特性的数据库通信，并且所述制动器致动控制器被构造为基于所述制造商制动特性而禁用所述轮制动器中的一个或多个轮制动器。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述制造商制动特性包括针对所述多个轮制动器中的每一个轮制动器的最佳制动器温度操作范围，所述一个或多个飞机制动条件是制动器温度，并且所述制动器致动控制器被构造为：如果所述制动器温度落在所述最佳制动器温度操作范围之外，则为所述轮制动器中的一个或多个轮制动器调节制动压力。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粉末分配器安装于每个轮制动器的托架组件。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粉末分配器安装于与每个轮制动器相邻的轴。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个制动盘包括多对转子和定子，并且所述粉末分配器包括多个出口，每个出口均用于将碳粉分别分配给每对转子和定子。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制动器致动控制器被构造为响应于所述制动命令激活所述粉末分配器。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述制动器致动控制器被构造为响应于所述一个或多个飞机制动条件激活所述粉末分配器。

11.一种监视和控制飞机的制动以减少制动器磨损的方法，所述飞机包括多个轮制动器，每个轮制动器均具有多个制动盘，所述制动盘响应于制动命令而接合以制动所述飞机，所述方法包括以下步骤：

监视制动命令并响应于所述制动命令而致动所述多个轮制动器中的一个或多个轮制动器；和

将来自接收器的预定尺寸的碳粉通过粉末分配器的出口喷撒到所述多个制动盘的一个或多个表面上；

喷撒预定尺寸的碳粉的步骤包括：

通过所述粉末分配器的入口抽吸从所述多个制动盘的一个或多个表面脱落的碳颗粒；

用所述粉末分配器的研磨机将所述碳颗粒粉碎，以形成比所述碳颗粒的直径小的碳粉；以及

将来自所述研磨机的碳粉保留在所述粉末分配器的接收器中。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在致动所述多个轮制动器中的一个或多个轮制动器之前，激活所述粉末分配器。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，喷撒碳粉的所述步骤还包括：

将来自所述粉末分配器的粘接剂喷撒到所述多个制动盘的一个或多个表面上以促进所述碳粉在所述制动盘上的保持。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

监视飞机制动条件并响应于所述飞机制动条件而致动所述多个轮制动器中的一个或多个轮制动器；并且

接收颗粒或分配粉末的步骤响应于所述飞机制动条件而发生。

15.一种监视和控制飞机的制动以减少制动器磨损的方法，所述飞机包括多个轮制动器，每个轮制动器均具有多个制动盘，所述制动盘响应于制动命令而接合以制动所述飞机，所述方法包括以下步骤：

监视飞机制动条件并响应于所述飞机制动条件而致动所述多个轮制动器中的一个或多个轮制动器；以及

响应于所述飞机制动条件在所述多个制动盘之间喷撒来自粉末分配器的粉末，

其中，喷撒粉末包括：通过所述粉末分配器的入口抽吸从所述多个制动盘的一个或多个表面脱落的碳颗粒；用所述粉末分配器的研磨机将所述碳颗粒粉碎以形成预定直径的碳粉；以及将所述碳粉保留在所述粉末分配器的接收器中。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，喷撒粉末的步骤包括：

通过出口将来自所述粉末分配器的接收器的碳粉喷撒到所述多个制动盘的一个或多个表面上；以及

将来自所述粉末分配器的粘接剂喷撒到所述多个制动盘的一个或多个表面上以促进所述碳粉在所述制动盘上的保持。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在制动堆上吹送冷空气的步骤。

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