CN114044126A - 一种全电刹车机轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全电刹车机轮，包括机轮和电作动器；机轮包括轮毂，轮缘固定在轮毂外圆周面，导轨固定在轮毂上，刹车盘安装在导轨上，刹车盘能够随轮毂一起转动；齿轮盘固定在轮毂的端面；电作动器包括集成在电作动器的壳体上的速度传感器、力传感器、变送器电路、霍尔传感器、滚珠丝杠组件、组合电机。

Description

一种全电刹车机轮

技术领域

本发明属于机械领域，尤其涉及一种全电刹车机轮。

背景技术

随着科学技术的发展，国内对小型无人机的需求越来越多，为了方便无人机起飞、降落及停机，使用刹车机轮的无人机用户也越来越多，由于小型无人机的本身重量较轻，所使用的刹车机轮的规格也就较小，受刹车机轮内部空间限制，目前小型无人机的刹车轮都是采用液压钳式刹车机轮，并且对刹车机轮的重量、密封性及油液污染度等技术要求也越来越高。因为液压刹车系统的固有特性，以液压油为传动介质的液压刹车机轮存在着下列难以克服的缺点：

(1)体积重量较大；

(2)结构复杂笨重；

(3)易损、维修量大，维修成本高；

(4)出现故障不容易判断原因。

发明内容

发明目的

基于液压刹车机轮存在上述的问题，本发明提供了一种全电刹车机轮，以实现承载飞机的静态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制。因全电刹车机轮采用的是电作动形式进行刹车，因此，全电刹车机轮不再需要管道、泵和阀等液压组件，完全避免了漏油故障，从而实现节油和节约成本。

发明技术解决方案

一种全电刹车机轮，包括机轮和电作动器；机轮包括轮毂，轮缘固定在轮毂外圆周面，导轨固定在轮毂上，刹车盘安装在导轨上，刹车盘能够随轮毂一起转动；齿轮盘固定在轮毂的端面；

电作动器包括集成在电作动器的壳体上的速度传感器、力传感器、变送器电路、霍尔传感器、滚珠丝杠、组合电机；组合电机正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮、小齿轮啮合驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片压紧刹车盘，同时压紧力传感器，检测滚珠丝杠作用在刹车片的推力，当达到要求的推力值时，组合电机停止工作，力传感器输出电压信号，经变送器电路转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机反转，电作动器松刹车，当滚珠丝杠运动至初始位置，霍尔传感器输出低电平信号，组合电机停止工作，速度传感器输出高、低电平反馈机轮的运动速度。

优选的，刹车片、速度传感器固定在壳体上，组合电机、霍尔传感器固定在壳体内，小齿轮固定在组合电机的轴上，大齿轮连接在滚珠丝杠上；护盖固定在壳体上，变送器电路、承力座固定在护盖上，力传感器设置于护盖和承力座之间；霍尔传感器的感应部位与滚珠丝杠上的磁钢之间具有一定间隙。

优选的，轮缘通过两半卡环固定在轮毂上，且轮缘通过半卡环限位。

优选的，采用钢丝挡圈对大齿轮进行轴向限位。

优选的，大齿轮远离滚珠丝杠一端设置有承压滑块，承压滑块固定在护盖上，在大齿轮和承压滑块之间设置有推力滚针和保持架组件。

优选的，为增强力传感器输出信号的抗干扰能力，变送器电路将力传感器输出的电压信号转换成电流信号，并放大后再进行反馈，同时力传感器采用闭环控制，同时力传感器采用闭环控，实现连续可调，便于差动刹车、防滑功能的实现。变送器电路见图5。变送器电路包括可调电阻RF1、RF2、电阻R1～R12、运算放大器U1、三极管Q1，可调电阻RF2、电阻R1一端连接运算放大器U1A的反相输入端，电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的另一端连接电阻R11一端、运算放大器U1C的同相输入端、电阻R9一端，运算放大器U1A的输出端连接O+，可调电阻RF2另一端连接可调电阻RF1一端，可调电阻RF1另一端、电阻R2一端连接运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接O-，电阻R2的另一端、电阻R4的一端连接运算放大器U1B的输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1C的反相输入端、电阻R12一端、电阻R8一端，电阻R9另一端连接运算放大器U1D的反相输入端和输出端，运算放大器U1C的输出端连接Q1的基极，Q1的发射极连接电阻R8的另一端、电阻R5～R8一端，电阻R5～R8另一端连接运算放大器U1D的同相输入端，电阻R11另一端连接Z+。

优选的，组合电机由直流无刷电机和减速器组成，组合电机上装配防水盖，并采用密封圈三密封。

优选的，导轨采用槽式导轨，导轨与轮毂之间采用过盈配合方式装配，与刹车盘的键配合。

优选的，轮毂上还设置有气门咀。

优选的，大齿轮、小齿轮采用不锈钢制成，并进行钝化处理。

本发明的优点：

(1)降低整个刹车机轮的重量和体积；

(2)大大减少刹车机轮的维护费用和时间；

(3)提高刹车机轮的防滑性能、安全性；

(4)控制精度更高，有利于实现飞机的自动控制系统，提高经济性。

附图说明

图1为本发明的一种全电刹车机轮的结构图。

图2为机轮的结构图。

图3为电作动器的结构图。

图4为本发明的一种全电刹车机轮的原理图。

图5为变送器电路图。

具体实施方式

本发明是通过如下技术方案予以实现的。

一种全电刹车机轮，电作动机构取代传统液压作动机构的机轮来实现承载飞机的静态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能，实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制。其结构示意图如附图1所示。

全电刹车机轮由机轮和电作动器两部分组成。

如图2，机轮包括轮缘1、密封圈12、圆锥滚子轴承3、轮毂4、气门咀5、挡油环6、半卡环7、刹车盘8、导轨9、挡块10、齿轮盘11。

如图3，电作动器包括速度传感器12、密封圈二13、滚珠丝杠14、大齿轮15、护盖16、承力座17、力传感器18、钢丝挡圈19、变送器电路20、紧定螺钉21、小齿轮22、插座23、防水盖24、密封圈三25、组合电机26(由直流无刷电机和减速器组成)、螺钉27、壳体28、刹车片29(由骨架和摩擦材料组成)、推力滚针和保持架组件30、霍尔传感器31、磁钢32、承压滑块33。

轮毂4、轮缘1通过两半卡环7连接，半卡环7对轮缘进行限位，轮缘1与轮毂4间采用密封圈一2进行固定密封，圆锥滚子轴承3压入轮毂4中，挡油环6对圆锥滚子轴承3涂抹的润滑脂进行密封，防止润滑脂的流失。6个导轨9压入轮毂4里，并用沉头螺钉进行固定，用于刹车盘8的安装，使刹车盘8随机轮一起转动，实现产品的刹车功能。并用挡块10对刹车盘8进行限位，防止刹车盘8在工作过程中脱离导轨9而影响刹车性能，将齿轮盘11采用螺钉固定在轮毂4的端面上，使齿轮盘11随机轮一起转动，与速度传感器12配套使用，实时检测机轮的速度。

电作动器是实现全电刹车的关键部件，为提高电作动器的集成性，将速度传感器12、力传感器18、变送器电路20、霍尔传感器31、滚珠丝杠14、组合电机26都集成在电作动器的壳体28上，组合电机26正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮15、小齿轮22啮合驱动滚珠丝杠14，滚珠丝杠组件14将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片29压紧刹车盘8，同时压紧力传感器18，根据作用和反作用力的原理，检测滚珠丝杠14作用在刹车片29的推力，当达到要求的推力值时，组合电机26停止工作，力传感器18输出为电压信号，经变送器电路20转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机26反转，电作动器进行松刹车，当滚珠丝杠14运动至初始位置，霍尔组件31输出低电平信号，电机停止工作，速度传感器12输出高低电平进行反馈机轮的运动速度，通过护盖16、承力座17对速度传感器12、力传感器18、变送器电路20、霍尔传感器31、滚珠丝杠14、组合电机26进行防护，其线束最终集成插座23上，护盖16、承力座17、壳体28采用螺钉连接成整体。

电作动器连接：速度传感器12用4个螺钉固定在壳体28上，防水盖24用3个螺钉固定在组合电机26端面上，用防水盖24及密封圈三25对组合电机26进行防水，组合电机26通过4个螺钉固定在壳体28里，用紧定螺钉21将小齿轮22固定在组合电机轴上，大齿轮15与滚珠丝杠组件14配合连接，用钢丝挡圈19对大齿轮15进行轴向限位，在大齿轮15和承压滑块33之间用推力滚针和保持架组件30来避免大齿轮15在工作过程中与金属零件产生摩擦而诱发噪音，承压滑块33对推力滚针和保持架组件30进行限位及支撑，同时对力传感器18进行支撑，用承力座17及密封圈对力传感器18进性限位，变送器电路20采用4个螺钉固定在护盖16上，密封圈二13对滚珠丝杠组件14在工作过程中进行防尘、防水及润滑脂的渗漏，霍尔传感器31用粘胶粘接在壳体28的相应槽里，霍尔传感器31的感应部位与滚珠丝杠组件14的磁钢保持合理的间隙，组合电机26及变送器电路20的电缆采取在壳体28的内部走线，而霍尔传感器31、速度传感器12的电缆有部分裸露在壳体28外表面，其进出口采用硅胶进行固定及防水，组合电机26、变送器电路20、霍尔传感器31、速度传感器12的线束最终集成在插座上，刹车片29用2个螺钉27固定壳体28上，螺钉27的光杆对刹车片29在刹车及松刹车过程中进行导向，壳体28、护盖16、承力座17配合表面涂抹防水胶及硅胶进行防水保护。

轮毂4、轮缘1是机轮的主要承力件，选用成熟度高、工艺性好、力学性能相对较好的锻铝材料，广泛运用于国内、外航空机轮上，经济可靠；外形尺寸按轮辋协调图尺寸要求进行协调设计；表面防护采用表面阳极化后喷漆；轮毂尾部圆柱体延伸，并均布适当数量的导轨槽，用于刹车盘的安装，使刹车盘随机轮一起转动，实现产品的刹车功能；轮毂4设计有密封圈槽，用于轮毂4、轮缘1的配合密封。

半卡环7是对轮缘1进行限位，为了便于装配、降低加工难度，将半卡环设计成整个环形，待加工完成后，再切断。

圆锥滚子轴承3主要承受以径向为主的径-侧向联合载荷，根据协议书要求最高转速及额定动、静载荷及轮轴连接尺寸合理选择圆锥滚子轴承的型号。

气门咀5主要是机轮充气、放气及防止轮胎漏气部件，根据航空标准选用标准件，为了提高螺纹连接间的密封性能，螺纹连接间涂螺纹密封胶加强密封性能。

挡油环6是为了防止轴承润滑脂外泄，以及使用过程中外来异物进入轴承，导致滚动部件的异常磨损，使轴承过早损坏。

导轨9主要是为保证轮毂4在传递刹车力矩过程中，不会出现损坏情况，在轮毂的导轨槽里设计有导轨，导轨为槽式导轨，采用沉淀硬化不绣钢材料制成。安装在轮毂导轨凸台上，采用过盈配合方式装配，并用沉头螺钉连接在轮毂的导轨槽里，与刹车盘的键配合，用于传递刹车力矩和轴向导向，螺钉端面通过冲点进行防松。

挡块10是选用不锈钢钢材料，并进行钝化进行防腐。

齿轮盘11是选用永磁体材料,在圆周方向分布合理的齿数，用3个螺钉固定在轮毂上。为了保证防腐性能，表面进行化学镀镍处理。与速度传感器12配套使用，实时检测机轮的速度。

壳体28、护盖16、承力座17采用一体式结构设计，选用锻铝材料，在配合面涂抹防水胶进行防水，安装接口需满足主机接口要求；强度方面进过强度仿真分析计算，按照一定的安全系数计算，强度需满足使用要求。

刹车盘8、刹车片29作为全电刹车机轮制动和吸收动能的主要载体，在滚珠丝杠组件14产生推力的作用下，刹车盘8、刹车片29通过摩擦接触产生摩擦力，摩擦力形成制动力矩并吸收摩擦产生的热量。制动载体不仅要求其具有较为合适的动、静摩擦系数，还要求其具有较好的耐热性和热容性。合理选择刹车盘8、刹车片29的材料。

组合电机26由直流无刷电机和减速器组成，为确保防水性能，在组合电机26尾部装配防水盖24，并采用密封圈三25间隙密封。其根据输入的信号进行正转、反转和停转，通过减速器增大电机的转矩及降低转速，以产生或取消刹车推力，实现全电刹车机轮的刹车和松刹车。通过计算得出当电机输出转矩、输出转速和功率，选用直流无刷电机及减速器，需满足要求。

滚珠丝杠14的功用是将旋转运动转化为直线运动，并结合本系统的工况，采用内循环滚珠丝杠副。根据动、静载荷，选用滚珠丝杠副，额定动载荷、额定静载荷、能承受扭矩需满足设计要求。为了反馈松刹车信号，根据滚珠丝杠副起始位置，在其相应的位置装配1个磁钢与霍尔传感器配套使用，根据霍尔传感器31输出的高低电平进行判断滚珠丝杠组件的位置。滚珠丝杠14与壳体28采用密封圈2进行密封，防止水和粉尘进入工作腔。

推力滚针和保持架组件30为了避免大齿轮在旋转过程中端面磨损，并能承收较大的轴向力，同时结合本电作动器的安装空间及滚珠丝杠副额定静载荷。选用推力滚针和保持架组能承受的载荷，并且占用空间小。

大齿轮15、小齿轮22材料选用不锈钢，并进行钝化，同时为了提高其硬度及耐磨性，进行淬火HRC45以上。根据本系统的特点及使用工况，并结合齿轮传动的特点(效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长)，采用直齿圆柱齿轮传动。为了保证齿轮正确啮合、磨损均匀及传动平稳，两齿轮的模数及压力角分别相等，并且两齿轮的齿数互质。

速度传感器12与齿轮盘(永磁体)配套使用，根据霍尔的使用要求给出相应的配合间隙。当旋转的齿轮盘转动或平移分别经过速度传感器一个感应点时，感应点的磁通密度发生变化，速度传感器在给定工作电压下感应磁场变化而被触发，输出脉冲信号，以检测齿轮的转速。

力传感器18通过计算，需滚珠丝杠副在工作过程中产生需求的轴向力，并考虑2倍的结构强度。

变送器电路20主要电路模块包含为敏感元件供电、信号放大、VI转换等。根据半导体材料本身的特点，力传感器本身的满量程输出信号只有几到几十毫伏，结合产品装机的实际情况，毫伏级电压在传输过程中极易受干扰，系统工作不可靠，为了保证力传感器的输出信号正常传输，需对毫伏级电压进行放大处理，并转换为电流信号输出。

为增强力传感器18输出信号的抗干扰能力，变送器电路20将力传感器18输出的电压信号转换成电流信号，并放大后再进行反馈，同时力传感器采用闭环控制，同时力传感器18采用闭环控，实现连续可调，便于差动刹车、防滑功能的实现。变送器电路20见图5。变送器电路20包括可调电阻RF1、RF2、电阻R1～R12、运算放大器U1、三极管Q1，可调电阻RF2、电阻R1一端连接运算放大器U1A的反相输入端，电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的另一端连接电阻R11一端、运算放大器U1C的同相输入端、电阻R9一端，运算放大器U1A的输出端连接O+，可调电阻RF2另一端连接可调电阻RF1一端，可调电阻RF1另一端、电阻R2一端连接运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接O-，电阻R2的另一端、电阻R4的一端连接运算放大器U1B的输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1C的反相输入端、电阻R12一端、电阻R8一端，电阻R9另一端连接运算放大器U1D的反相输入端和输出端，运算放大器U1C的输出端连接Q1的基极，Q1的发射极连接电阻R8的另一端、电阻R5～R8一端，电阻R5～R8另一端连接运算放大器U1D的同相输入端，电阻R11另一端连接Z+。

霍尔传感器31与装配在滚珠丝杠14上的磁钢32配套使用，根据霍尔的使用要求给出相应的配合间隙。当磁钢经过霍尔传感器的感应点时，感应点的磁通密度发生变化，霍尔传感器在给定工作电压下感应磁场变化而被触发，输出电压信号，以检测滚珠丝杠14的初始位置。

本发明的工作原理

当速度传感器测量刹车盘的转速为一定值时，刹车控制盒驱动电机后，电机正转经减速器增大转矩，驱动滚珠丝杠副运动，推动刹车片至压紧刹车盘，若力传感器反馈给刹车控制盒的压力达到要求值时，则控制电机停转，即达到要求的刹车力矩，对刹车盘刹车，同时机轮停止转动。

松刹车时，刹车控制盒驱动电机后，电机反转驱动滚珠丝杠副运动至初始位置，则霍尔传感器将信号反馈给刹车控制盒，控制电机停转，即对刹车盘松刹车，同时机轮可以自由滚动。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神本质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖本发明的保护范围内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种全电刹车机轮，其特征在于，包括机轮和电作动器；机轮包括轮毂(4)，轮缘(1)固定在轮毂(4)外圆周面，导轨(9)固定在轮毂(4)上，刹车盘(8)安装在导轨(9)上，刹车盘(8)能够随轮毂(4)一起转动；齿轮盘(11)固定在轮毂(4)的端面；

电作动器包括集成在电作动器的壳体(28)上的速度传感器(12)、力传感器(18)、变送器电路(20)、霍尔传感器(31)、滚珠丝杠(14)、组合电机(26)；组合电机(26)正转，电作动器进行刹车，通过大齿轮(15)、小齿轮(22)啮合驱动滚珠丝杠(14)，滚珠丝杠(14)将旋转运动转换成直线运动，推动刹车片(29)压紧刹车盘(8)，同时压紧力传感器(18)，检测滚珠丝杠(14)作用在刹车片(29)的推力，当达到要求的推力值时，组合电机(26)停止工作，力传感器(18)输出电压信号，经变送器电路(20)转换成电流信号并进行放大再进行反馈；组合电机(26)反转，电作动器松刹车，当滚珠丝杠(14)运动至初始位置，霍尔传感器(31)输出低电平信号，组合电机(26)停止工作，速度传感器(12)输出高、低电平反馈机轮的运动速度。

2.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，刹车片(29)、速度传感器(12)固定在壳体(28)上，组合电机(26)、霍尔传感器(31)固定在壳体(28)内，小齿轮(22)固定在组合电机(26)的轴上，大齿轮(15)连接在滚珠丝杠(14)上；护盖(16)固定在壳体(28)上，变送器电路(20)、承力座(17)固定在护盖(16)上，力传感器(18)设置于护盖(16)和承力座(17)之间；霍尔传感器(31)的感应部位与滚珠丝杠(14)上的磁钢之间具有一定间隙。

3.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，轮缘(1)通过两半卡环(7)固定在轮毂(4)上，且轮缘(1)通过半卡环(7)限位。

4.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，采用钢丝挡圈(19)对大齿轮(15)进行轴向限位。

5.如权利要求2所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，大齿轮(15)远离滚珠丝杠(14)一端设置有承压滑块(33)，承压滑块(33)固定在护盖(16)上，在大齿轮(15)和承压滑块(33)之间设置有推力滚针和保持架组件(30)。

6.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，变送器电路(20)包括可调电阻RF1、RF2、电阻R1～R12、运算放大器U1、三极管Q1，可调电阻RF2、电阻R1一端连接运算放大器U1A的反相输入端，电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R3的另一端连接电阻R11一端、运算放大器U1C的同相输入端、电阻R9一端，运算放大器U1A的输出端连接O+，可调电阻RF2另一端连接可调电阻RF1一端，可调电阻RF1另一端、电阻R2一端连接运算放大器U1B的反相输入端，运算放大器U1B的同相输入端连接O-，电阻R2的另一端、电阻R4的一端连接运算放大器U1B的输出端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1C的反相输入端、电阻R12一端、电阻R8一端，电阻R9另一端连接运算放大器U1D的反相输入端和输出端，运算放大器U1C的输出端连接Q1的基极，Q1的发射极连接电阻R8的另一端、电阻R5～R8一端，电阻R5～R8另一端连接运算放大器U1D的同相输入端，电阻R11另一端连接Z+。

7.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，组合电机(26)由直流无刷电机和减速器组成，组合电机(26)上装配防水盖(24)，并采用密封圈三(25)密封。

8.如权利要求1所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，导轨9采用槽式导轨，导轨9与轮毂之间采用过盈配合方式装配，与刹车盘的键配合。

9.如权利要求2所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，轮毂(4)上还设置有气门咀(5)。

10.如权利要求2所述的一种全电刹车机轮，其特征在于，大齿轮(15)、小齿轮(22)采用不锈钢制成，并进行钝化处理。

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