CN111824400A - 一种机电作动刹车装置 - Google Patents

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陈同辉
徐福建
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Abstract

本发明属于直升机刹车技术领域，公开了一种机电作动刹车装置，包括电机、齿轮组、刹车盘、第一刹车片、第二刹车片和丝杠螺母；电机通过齿轮组带动丝杠螺母，丝杠螺母与第一刹车片连接，刹车盘设在第一刹车片和第二刹车片之间。本装置可以用于直升机的刹车系统，尤其是无人直升机的刹车系统，并且显著减少产品的重量和安装空间，利用控制器组件提高了刹车故障诊断能力，维护、维修时间短，维修费用低。

Description

一种机电作动刹车装置
技术领域
本发明属于直升机刹车技术领域，涉及一种直升机电刹车装置，具体是一种机电作动刹车装置。
背景技术
目前国内直升机所使用的刹车装置有液压驱动、气压驱动以及机械驱动式三种。液压驱动刹车装置，是通过刹车系统向刹车装置的液压活塞腔输入刹车压力，活塞在刹车压力的作用下，与螺盖一起向前移动，压缩回力弹簧，使静盘和动盘轴向压紧，静止不动的静盘和旋转的动盘之间产生摩擦力矩，使机轮组件制动，从而制动飞机。气压驱动刹车装置，一般作为应急刹车，工作原理与液压驱动一致，只是将刹车介质更换为压缩气体。机械驱动刹车装置，是利用机械结构对动盘进行挤压达到一定的静力矩指标，以实现对机轮上锁。
但是，目前随着无人直升机的全电自动化、高度集成化的发展，采用电作为刹车系统的动力源将更加便于电动无人直升机的刹车。
发明内容
本发明提供了一种机电作动刹车装置，取代现有的机械操纵式和液压作动机构，来实现直升机刹车制动动作的机构。
本发明的技术方案是：一种机电作动刹车装置，包括电机、齿轮组、刹车盘、第一刹车片、第二刹车片和丝杠螺母；电机通过齿轮组带动丝杠螺母，丝杠螺母与第一刹车片连接，刹车盘设在第一刹车片和第二刹车片之间。
进一步的，齿轮组包括减速器、一级齿轮、二级齿轮，其中，一级齿轮是小齿轮，二级齿轮是大齿轮，电机输出轴连接减速器输入轴，减速器输出轴与一级齿轮轴连，一级齿轮与二级齿轮齿连，二级齿轮与丝杠螺母轴连。
进一步的，二级齿轮与丝杠螺母连接处设有滚针轴承。
进一步的，减速器是行星齿轮减速器。
或是，减速器是斜波齿轮减速机构。
进一步的，电机是高转速、小力矩和小功率的直流无刷电机。
进一步的，还包括刹车壳体，电机、齿轮组、刹车盘、第一刹车片、第二刹车片和丝杠螺母设置在刹车壳体内，第二刹车片外侧紧靠刹车壳体。
还包括控制器组件，控制器组件连接并控制电机，实施刹车制动动作时，控制器组件控制电机正转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩、低转速的输出，来驱动丝杠螺母上的丝杆转动，使丝杠螺母上的螺母产生直线运动，推动第一刹车片压紧刹车盘，实现刹车；实施刹车松开动作时候，控制器组件控制电机反转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩低转速的输出，来驱动丝杠螺母上的丝杆转动，使丝杠螺母上的螺母产生反向的直线运动，使第一刹车片和刹车盘松开，实现松刹车。
还包括力传感器，力传感器设在第二刹车片与刹车壳体之间。用于测量刹车力。
还包括霍尔传感器，霍尔传感器连接丝杠螺母。用于测量丝杠螺母的直线运动量。
力传感器与霍尔传感器连接控制器组件，控制器组件通过力传感器与霍尔传感器传输的数据判断刹车状态。
本发明的优点是：
1、相对于液压刹车系统，本申请的直升机电刹车避免了液压油泄露带来的故障问题；
2、显著减少产品的重量和安装空间；
3、利用控制器组件提高了刹车故障诊断能力；
4、维护、维修时间短，维修费用低。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的功能结构框图；
图3是本发明实施例的机构原理图；
其中，1—电机，2—齿轮组，3—刹车盘，4—第一刹车片，5—第二刹车片，6—丝杠螺母7—刹车壳体，8—控制器组件，9—力传感器，10—霍尔传感器。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
一种机电作动刹车装置，包括电机1、齿轮组2、刹车盘3、第一刹车片4、第二刹车片5、丝杠螺母6；电机1通过齿轮组2带动丝杠螺母5，丝杠螺母5 与第一刹车片4连接，刹车盘3设在第一刹车片4和第二刹车片5之间，上述部件都设置在刹车壳体7内，第二刹车片5外侧紧靠刹车壳体7，由刹车壳体7 对第二刹车片5提供承压力。
齿轮组2具体包括减速器、一级齿轮、二级齿轮，其中，一级齿轮是小齿轮，二级齿轮是大齿轮，即一级齿轮的直径小于二级齿轮的直径，差异比例根据具体的刹车扭力计算得到，电机输出轴与减速器输入轴对轴连接，减速器输出轴与一级齿轮轴连，一级齿轮与二级齿轮齿连，二级齿轮与丝杠螺母6轴连，二级齿轮与丝杠螺母6连接处设有滚针轴承。
减速器可以是行星齿轮减速器，也可以是斜波齿轮减速机构。
电机1选用高转速、小力矩和小功率的直流无刷电机。
还设有控制器组件8，控制器组件8连接并控制电机1，实施刹车制动动作时，控制器组件8控制电机正转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩、低转速的输出，来驱动丝杠螺母6上的丝杆转动，使丝杠螺母6上的螺母产生直线运动，推动第一刹车片4压紧刹车盘3，实现刹车；实施刹车松开动作时候，控制器组件8控制电机反转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩低转速的输出，来驱动丝杠螺母6上的丝杆转动，使丝杠螺母6上的螺母产生反向的直线运动，使第一刹车片4和刹车盘3松开，实现松刹车。
还包括力传感器9和霍尔传感器10，力传感器9设在第二刹车片5与刹车壳体之间，用于测量刹车力。霍尔传感器10连接丝杠螺母6，用于测量丝杠螺母6的直线运动量。力传感器9与霍尔传感器10连接控制器组件8，控制器组件8通过力传感器9与霍尔传感器10传输的数据判断刹车状态。
下面结合附图说明本发明另一个实施例。
本申请的机电作动刹车装置由刹车壳体7、电机1、齿轮组2、丝杠螺母6、刹车盘4、第一刹车片4、第二刹车片5、力传感器9和霍尔传感器10等零、组件组成，如图1。
机电作动刹车装置的功能框图见附图2，机构原理如图3所示。其刹车制动动作：电机1正转通过行星减速器减速，再经齿轮组2转向，使电机的小转矩、高转速输出变为大转矩、低转速的输出，来驱动丝杆转动，使丝杆上的螺母产生直线运动，通过推动第一刹车片4压紧刹车盘3，来实现刹车功能；刹车松开动作：电机1反转带动行星减速器减速反转，再经齿轮组2转向，使电机的小转矩、高转速输出变为大转矩低转速的输出，来驱动丝杆转动，使丝杆上的螺母产生反向的直线运动，使第一刹车片4和刹车盘3松开，来实现松刹车功能。
本申请的其他关键设计点如下：
1、机构的结构设计
机电作动刹车装置的结构设计存在的问题主要有三个，a机电作动刹车装置的布局和安装空间是其主要的约束条件，因为机电作动刹车装置的安装空间比械操纵机构和液压活塞机构的安装空间大；b机电作动刹车装置设计中选择滚动螺旋副和齿轮组时，要求其有合理的传动比和较高的传动效率，因为机电作动刹车装置的传动效率直接影响到刹车的控制方式和效率；c电机的优劣直接影响整个机电作动刹车装置的性能。
为解决安装空间问题选用了空间利用率高的行星齿轮减速机构，利于布局经过多次优化分析设计了一组大齿轮(即二级齿轮)和一组小齿轮(即一级齿轮)；为提高机构的工作效率采用传动效率高的丝杆螺母，推力轴承；为提高机构的快速响应性采用高转速、小力矩和小功率的直流无刷电机。
2、如何避免温度场及热传导对力传感器的热影响
测力传感器对温度变化比较敏感，测力传感器的使用温度范围为-40℃～ 70℃、贮存温度为-45℃～85℃。刹车装置在刹车时，由于刹车热量传导会造成刹车壳体贴合刹车片的位置处温度上升至120℃左右，随飞机在空中常航时传感器周围的最底温度可达-55℃，因此在超过传感器规定的使用温度和传感器无保护措施的情况下，在刹车时传感器将会影响全电刹车指令的正确性和稳定性，如何保护传感器不受外界极限温度的影响将显得极为重要。
为克服极限温度对测力传感器的影响，设计时通过以下三方面来解决：a 在结构设计时将传感尽可能的远离热辐射源，减少高温对其性能的影响；b给传感器进行热防护或隔热处理，防止高温对其性能的影响；c传感器通过专业改进，使本身具有耐-55℃低温的环境性能，或给传感器进行耐低温保护。
3、机构的重量控制
机电作动刹车装置的安装空间和重量比械操纵机构和液压活塞作动机构的大，需在满足功能、强度和刚度要求的基础上要充分利用空间，特别是小型无人直升机对整个机电作动刹车装置的安装空间和重量要求更为苛刻，其机电作动刹车装置的设计更具有挑战性，机电作动刹车装置的安装空间和重量，将成为衡量整个产品优劣的重要指标。
为减小机电作动刹车装置的安装空间和重量，减速机构将选用空间小和质量轻的行星轮系减速机构(或斜波齿轮减速机构)；刹车盘和其它结构零件在满足强度的前提下实行优化减重；设计时机电作动刹车装置的结构布尽可能局紧促，壳体、护盖等零件材料采用密度较小的铝合金。

Claims (10)

1.一种机电作动刹车装置，其特征在于，包括电机(1)、齿轮组(2)、刹车盘(3)、第一刹车片(4)、第二刹车片(5)和丝杠螺母(6)；电机(1)通过齿轮组(2)带动丝杠螺母(5)，丝杠螺母(5)与第一刹车片(4)连接，刹车盘(3)设在第一刹车片(4)和第二刹车片(5)之间。
2.根据权利要求1所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的齿轮组(2)包括减速器、一级齿轮、二级齿轮，其中，一级齿轮是小齿轮，二级齿轮是大齿轮，电机输出轴连接减速器输入轴，减速器输出轴与一级齿轮轴连，一级齿轮与二级齿轮齿连，二级齿轮与丝杠螺母(6)轴连。
3.根据权利要求2所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的二级齿轮与丝杠螺母(6)连接处设有滚针轴承。
4.根据权利要求2所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的减速器是行星齿轮减速器。
5.根据权利要求2所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的减速器是斜波齿轮减速机构。
6.根据权利要求1所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的电机(1)是高转速、小力矩和小功率的直流无刷电机。
7.根据权利要求1所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，还包括刹车壳体(7)，电机(1)、齿轮组(2)、刹车盘(3)、第一刹车片(4)、第二刹车片(5)和丝杠螺母(6)设置在刹车壳体内，第二刹车片(5)外侧紧靠刹车壳体(7)。
8.根据权利要求1所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的还包括控制器组件(8)，控制器组件(8)连接并控制电机(1)，实施刹车制动动作时，控制器组件(8)控制电机正转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩、低转速的输出，来驱动丝杠螺母(6)上的丝杆转动，使丝杠螺母(6)上的螺母产生直线运动，推动第一刹车片(4)压紧刹车盘(3)，实现刹车；实施刹车松开动作时候，控制器组件(8)控制电机反转，经过齿轮组后电机的小转矩、高转速输出变为大转矩低转速的输出，来驱动丝杠螺母(6)上的丝杆转动，使丝杠螺母(6)上的螺母产生反向的直线运动，使第一刹车片(4)和刹车盘(3)松开，实现松刹车。
9.根据权利要求8所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，还包括力传感器(9)和霍尔传感器(10)，力传感器(9)设在第二刹车片(5)与刹车壳体之间，霍尔传感器(10)连接丝杠螺母(6)。
10.根据权利要求9所述的一种机电作动刹车装置，其特征在于，所述的力传感器(9)与霍尔传感器(10)连接控制器组件(8)，控制器组件(8)通过力传感器(9)与霍尔传感器(10)传输的数据判断刹车状态。
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