JP5364579B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、共通出力部材を駆動する２個のモータを有するアクチュエータに関する。

この種のアクチュエータは特許文献１（米国特許出願公開第２００５／０２２９７２９号）に記載されている。これらモータを、遊星歯車減速機を介して出力部材に連結する。もし一方のモータが故障した場合、出力部材を他方のモータのみによって駆動する。このアクチュエータを使用して、航空機の着陸装置を格納状態にロックする。

米国特許出願公開第２００５／０２２９７２９号明細書

本発明の第１態様は、
第１モータおよび高減速比変速装置を有する高速駆動経路と、
第２モータおよび高トルク変速装置を有する高トルク駆動経路と、
出力部材と、および
ハーモニックギアと
を備え、このハーモニックギアは、
楕円波動ジェネレータコンポーネントと、
この波動ジェネレータコンポーネントに対して軸受により連結し、また前記波動ジェネレータコンポーネントの楕円形状に適合するように撓む可撓スプラインコンポーネントと、および
この可撓スプラインコンポーネントを包囲し、またそれと噛合する円形スプラインコンポーネントと、
を有するものとした、該アクチュエータにおいて、
前記ハーモニックギアにおける１個のコンポーネントを前記出力部材連結し、また前記ハーモニックギアにおける他のコンポーネントそれぞれは、それぞれに対応する駆動経路の一部を形成する構成とした、
アクチュエータを提供する。

アクチュエータは、通常、多数の障害条件の下で作動し続けすることができ、障害条件としては、モータのうち一方のモータ障害、一方のモータと出力部材との間における駆動経路の故障、ハーモニックギアの故障がある。ハーモニックギアは、遊星歯車と比較して様々な利点があり、例えば低重量との兼ね合いでの高ギア比、コンパクトなサイズ、とくに軸線方向の小形サイズ、低バックラッシュ、低慣性モーメントの利点がある。

ハーモニックギアにおけるコンポーネントのいずれも出力部材に連結することができるが、以下に記載する好適な実施形態においては、可撓スプラインコンポーネントを出力部材に連結する。

アクチュエータは、さらに２個のブレーキを備え、各ブレーキは、ハーモニックギアにおけるコンポーネントの各個に制動力を加えるように構成することができ、この制動力は、コンポーネントを係合させる、そのハーモニックギアコンポーネントに関連する駆動経路における素子を係合させて加える。これにより、一方のモータが動力を供給し（または減衰力を発生するよう短絡する）、かつ他方のモータをブレーキによりロックするモードで、アクチュエータを作動させることができる。

一般的に、アクチュエータは、さらに、２個のギアを備え、各ギアは、前記第１モータおよび第２モータを異なるモータとする。

一般的に、前記出力部材と前記第１モータとの間におけるギア比を、前記出力部材と前記第２モータとの間におけるギア比と異なるものとする。このことにより、異なるモータを使用でき、このことにより、これらモータが同時に故障する可能性が少なくなる。

本発明の第２の態様は、本発明の第１態様によるアクチュエータを作動させる方法を提供し、この方法はモータを同時に駆動するステップを有する。

モータは、出力部材に対して逆方向および／または同方向にパワーを供給する。モータを同時に駆動させる状態でアクチュエータを作動させるとともに、；アクチュエータは、
・モータのうち少なくとも一方を、ハーモニックギアおける対応コンポーネントにより逆駆動する他のモード、
・モータのうち一方を短絡させて、減衰力を発生するさらに他のモード、および／または、
・ハーモニックギアにおける少なくとも１個のコンポーネントをロックするさらにまた別のモードで、作動させることができる。

航空機は、ランディングギアを展開もしくは操舵するために、またはフラップもしくは補助翼などの空力制御面を展開するために、このようなアクチュエータを組み込むことができる。

本発明の別の態様は、一個またはそれ以上の車輪と、本発明の第１態様によるアクチュエータであって、その出力部材を車輪に連結し、この出力部材の動きにより車輪を操縦する構成とした、航空機ランディングギアを提供する。
本発明の実施形態を、以下に、添付図面につき説明する。

ハーモニックギアクチュエータの断面図である。 ランディングギア操舵機構の横断面図である。 ランディングギア操舵機構の縦断面図である。 操舵機構のための電子制御システムの線図的説明図である。 ２７０ＶのＤＣバスで駆動したときの２個の駆動経路における、最大定格トルク出力を示すグラフである。 非常時の２８ＶのＤＣバスで駆動したときの２個の駆動経路における、最大定格トルク出力を示すグラフである。

図１は、アクチュエータ１を示す。アクチュエータ１はハウジング２を備え、また高速駆動経路および高トルク駆動経路を備え、これら経路は、それぞれ共通の出力部材に連結する。高速駆動経路は、ブレーキ４と、電動モータ５と、互いに連動する５個の歯車６〜１０よりなる歯車セットを有する高減速比変速装置と、および円形スプライン１１とを備える。高トルク駆動経路は、ブレーキ１２と、電動モータ１３と、３個の歯車１４〜１６を有する高トルク変速装置と、および波動ジェネレータ１７とを備える。

高速駆動経路および高トルク駆動経路は並列的に動作し、また双方の経路を可撓性スプライン１８に連結し、この可撓性スプライン１８は、ハウジングから突出してアクチュエータの出力部材として作用するシャフトを有する。２個の駆動経路を駆動して同一の機械的動力を伝達するとき、高速駆動経路におけるモータ５は、高トルク駆動経路におけるモータ１３よりも相当高速で回転する。例えば高速駆動経路のギア比は１６００：１とすることができ、高トルク駆動経路のギア比は５３：１とすることができる。言い換えれば、出力部材は、高速モータ５の１６００回転毎、および高トルクモータ１３の５３回転毎に、１回転する。

図１からは明らかではないが、波動ジェネレータ１７は輪郭が楕円形である。可撓スプライン１８は波動ジェネレータを包囲し、またこの波動ジェネレータに対して接触面（インタフェース）軸受１９により連結する。可撓スプライン１８は、波動ジェネレータ１７の楕円形状に適合するよう可撓性材料から形成する。可撓スプライン１８は、環状の円形スプライン１１の内周縁における歯と噛合する多数の歯を外周縁に有する。可撓スプライン１８は円形スプラインより歯が２個少ない。したがって、波動ジェネレータ１７が時計方向に一回転する毎に、可撓スプラインは２個の歯ずつ反時計方向回転し、したがって、高ギア比Ｒを生ずる。ギア比Ｒは円形スプライン１１の１／２が担持する歯数により決定される。このギア比Ｒは、一般的に３０〜１６０の間における値である。

従来のハーモニックギアにおいて、円形スプラインは固定されている。これとは対照的に、アクチュエータ１において、円形スプライン１１は、代わりに、高速駆動経路の一部を形成する。アクチュエータ１を試作設計する例として、一般的に選択すると考えられるコンポーネント（構成部材）を、以下の表１に示す。

注：上記推定に基づくアクチュエータの総重量は２８ｋｇである。

アクチュエータ１は、航空機の多数の箇所に、または航空機でない用途に実装することができる。例えば、アクチュエータを補助翼などの翼の制御面に使用することができる。図２〜６につき以下に説明する実施形態においては、アクチュエータ１を、操舵トルクをノーズランディングギアのレッグピニオンに加えるのに使用する。

図２および３を参照すると、ノーズランディングギアのレッグピニオン２０を、航空機機首（図示せず）から下方に突出する支柱内２１内に、回転可能に収容する。

可撓スプラインから突出する出力軸上のかさ歯車２２は、ピニオン２０上のかさ歯車２３に噛合する。したがって、可撓スプライン１８が回転すると、ピニオン２０がその軸線の周りに回転し、ノーズランディングギアの車輪を操舵する。かさ歯車２２，２３は、最終減速比２：１を生ずる。

システムの電気的インタフェースを図４に示す。この電気的インタフェースを、名目上は２７０Ｖで動作する２個の高電圧ＤＣバス３０，３１により、駆動する。電気的操舵制御装置３２，３３の対は、ＤＣバス３０，３１に接続し、また三相機器である電動モータ５，１３を駆動するのに必要な電力ブリッジ装置を収容する。各操舵制御装置３２，３３は、操舵輪３４およびラダーペダル３５からの入力を受信する。各操舵制御は、さらに、ブレーキ４，１２およびモータ５，１３に接続した制御ラインを有する。パワーアップの際には、すべてのコンポーネントを１個のチャネル、すなわち操舵制御装置３２または操舵制御装置３３によってのみ制御する。代案として、各操舵制御装置３２，３３は、１個のブレーキおよび１個のモータのみに作用するようにすることができる。この場合、ブレーキ制御ライン４０，４１およびモータ制御ライン４２，４３を取り外すことにより、ランディングギアにおける一層の軽量化を行うことができる。

アクチュエータ１の動作挙動を以下に表２で説明する。表２において、２個の駆動経路内に供給されるパワーの意味に以下のキーワードを付与する。
開：駆動経路が開回路であり、逆駆動が自由である。
ロック：駆動経路を機械的にロックする。
差込み：駆動経路内部のモータがその位相にわたり短絡し、回転速度にほぼ正比例する割合で運動に対抗する機械的減衰力を発生する。
ｌ：加わるトルク／速度が正方向である。
−ｌ：加わるトルク／速度が負方向である。

このように、通常作動中、アクチュエータは、表２に示した作動モード間で任意の一個に切り替えることができ、この切替えは、種々の状態の間でモータに対して選択的にブレーキおよび／または切替えを加えることによって行う。故障やパワー異常が生じた場合に、アクチュエータは等価の障害モードで作動する。

非アクティブ／非アクティブモード
このモードにおいて、アクチュエータの出力は完全に逆駆動可能である。双方のＤＣバスが故障した、または供給ケーブルが切断したときに、等価障害モードにする。システムは、このモードでは逆駆動可能である。地上で航空機をけん引するときにこのモードを使用することができる。

非アクティブ／ブレーキ（ブレーキ／非アクティブ）モード
これら２つのモードにおいて、アクチュエータの出力は完全に逆駆動可能である。ブレーキをかけた経路内に機械的故障が起こったときに、等価障害モードにする。非アクティブのフリーな経路内には慣性減衰が発生する。

差込み／ブレーキ（ブレーキ／差込み）モード
これらの２つのモードにおいて、フリーなモータが短絡して、速度の関数としての減衰力を与える。各モータには、これらモードにおいて再発生したパワーを吸収するパワー抵抗器（図示せず）などのシンクを設けることができる。これらモードのどちらか一方を使用して、航空機の着陸に際して、いわゆる「異常振動減衰(shimmy damping)」を行うことができる。等価障害モードにおいて、機械的故障がブレーキをかけた経路内に起こる。他の差込み／差込みモード（表２には示さず）もまた、異常振動減衰の代替モードとして使用することができる。

高速モード
このモードにおいて、ハーモニックギアを１：１の変速装置として使用し、言い換えれば円形スプラインと波動ジェネレータが一緒に回転する。力干渉の危険性はない。等価障害モードはハーモニックギア内部の故障である。この等価障害モードにおいて、システムは２個の入力モータから直接トルクを伝達する能力を維持する。しかし、この等価障害モードにおいて、２個の変速装置は互いを回転し合うことを余儀なくして、変速装置間のねじれに関する不一致が、力干渉および熱的および電気的負荷を生ずることになる。

高トルクモード
このモードにおいて、２つの駆動経路に供給されるパワーの符号は反対であり、異なるギア比を使用する。等価障害モードは存在しない。

高速経路ブレーキモード
このモードにおいて、完全に異なるギア比を使用する。アクチュエータは減少した速度で作動すべきであるが、賢明なギア比の選択により、アクチュエータは１００％の出力トルク利用可能性を維持しなくてはならない。等価障害モードにおいて、高速経路内に故障が存在する。

高トルク経路ブレーキモード
このモードにおいて、完全に異なるギア比を使用する。アクチュエータは減少した速度で作動すべきであるが、賢明なギア比の選択により、アクチュエータは１００％の出力トルク利用可能性を維持しなくてはならない。等価障害モードにおいて、高トルク経路内に故障が存在する。

ブレーキ／ブレーキモード
記載した実施形態において、適度なサイズのブレーキはシステムを逆駆動できないようにするのを確実にするのに十分である。

高速コンポーネント（すなわちモータ５、変速装置（ギアボックス）６〜１０およびブレーキ４）は、全負荷トルクを支持できなければならず、なぜならそれらは高トルク経路と並列に連結しているからである。このことは、高速コンポーネントを分解点検することを、高負荷で作動しているとき高トルクコンポーネントが妨害する。

図１に示したアクチュエータ１は可撓スプライン１８を出力部材として使用する。高速経路（円形スプライン１１を含む）をロックするときのギア比は、したがって−Ｒである。同様に、高トルク経路（波動ジェネレータ１７を含む）をロックするときのギア比はＲ／Ｒ＋１である。

アクチュエータが逆駆動される（可撓スプライン１８が入力部材となる場合）場合、ギア比は、円形スプライン１１がロックされているときに−１／Ｒであり、波動ジェネレータ１７がロックされているときに（Ｒ＋１）／Ｒである。

代替の変速装置（図示せず）において、可撓スプライン１８をロックするためにブレーキを設けることができる。このことは、２つのさらなる可能性をもたらす。すなわち、
・円形スプライン１１が入力、また波動ジェネレータ１７が出力であるとき、ギア比を１／Ｒ＋１とする、また
・波動ジェネレータ１７が入力、また円形スプライン１１が出力であるとき、ギア比をＲ＋１とする。

ブレーキ４，１２は、各モータ５，１３が故障時に、これらモータをブレーキにより駆動するような大きさとする。

双方の変速装置は逆駆動可能であることに留意されたい。

逆モードおよび障害モードにおいて、アクチュエータはある用途内で全トルク能力を提供すべきであるが、しばしば達成可能な速度の減少も許容すべきである。

２個のアクチュエータの負荷経路における定格負荷能力を図５に示す。（図５は、出力における、他の２：１のかさ歯車減速比に先立つ能力を示す。）供給電圧に基づいて、モータ速度は人工的に制限しなければならず、これは、変速装置およびブレーキコンポーネントが許容角速度に対して物理的上限を有するためである。

ハーモニックギアは差動装置として作用し、したがって高速経路の能力がカバーする全負荷および速度は、二つの負荷経路からの入力の組み合わせにより効率的に達成されることに留意されたい。

２８Ｖの非常用バス４４を設け、高電圧ＤＣバス３０，３１の双方に障害を生じた場合にアクチュエータ１を作動させるようにする。この非常用バスの作動中、大幅に低下した性能を容認しなければならないことが想定される。図６は、最小２８Ｖでの作動中の速度能力に対する負荷経路の負荷を示す。システムは、０．９ｄｅｇ／ｓに速度で最大トルク状態、および４ｄｅｇ／ｓの無負荷最大速度を達成することができる。減衰およびフリーキャスターモードは依然として完全に利用可能である。

通常の操舵条件下では、２個のモータを、高速モードおよび高トルクモードの両極端ケース間におけるある時点で、制御則に基づいて同時に駆動する。制御則は、通常条件下において、規定最適性能限界内で作動する。例えば、各モータによる電力入力の制御により、モータ電流または供給電流を最小化するようにシステムを制御することができる。

ブレーキ４，１２を双安定装置に交換することができる。

また、減衰、すなわち、高速モータ５を制動する、高トルクモータ１３を短絡または差込みする機会もあり、これにより、高速モータ５に大きな機械的利点をもたらす。予備推定では、８０ｋＮｍｓ／ｒａｄの減衰率を発生するであろうことが示されている（磁気的スリップが０であると仮定して）。このことは、減衰要件の大部分に対して十分過ぎると考えられる。

軽量で障害耐性がある電気−機械的アクチュエータのコンセプトは、一般的に以下の設計上の利点を有することがわかった。
１．極めて高いパワー−重量比。
２．完全に機械的冗長性と故障許容性。
３．休止状態になる障害モードが存在しない。
４．異なる初期駆動経路（モータおよび変速装置は異なるタイプとすることができ、しかし、必ず異なるサイズとする）。
５．通常条件下では力干渉を生じないアクチュエータ。
６．ブレーキ質量のオーバーヘッドが極めて低い。
７．連続的に変化する超広範囲なトルク／速度特性。
８．逆駆動条件による損傷が減少する。
９．通常状態における自由な逆駆動可能性（この機能のための追加コンポーネントを加えることなく可能である）。
１０．第１障害後の設計に内在する痕跡を追跡できない。
１１．３重および４重アーキテクチャの範囲での電気的システム冗長性。
１２．支持する航空機アーキテクチャ融通性の範囲。
１３．極めて高い減衰能力。
１４．広範囲の作動電圧での作動

本発明を一つ以上の好適な実施形態につき説明したが、当然のことながら添付の特許請求の範囲に定義した本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変および変更をすることができる。

Claims (10)

1. アクチュエータであって、
   第１モータおよび第１ブレーキを有する第１駆動経路と、
   第２モータおよび第２ブレーキを有する第２駆動経路と、
   出力部材と、および
   ハーモニックギアと
   を備え、このハーモニックギアは、
   楕円波動ジェネレータコンポーネントと、
   この波動ジェネレータコンポーネントに対して軸受により連結し、また前記波動ジェネレータコンポーネントの楕円形状に適合するように撓む可撓スプラインコンポーネントと、および
   この可撓スプラインコンポーネントを包囲し、またそれと噛合する円形スプラインコンポーネントと、
   を有するものとした、該アクチュエータにおいて、
   前記可撓スプラインコンポーネントが前記出力部材に連結され、前記波動ジェネレータコンポーネントが前記第１駆動経路の前記第１モータに連結され、前記円形スプラインコンポーネントが前記第２駆動経路の前記第２モータに連結され、
   前記第１ブレーキは、前記波動ジェネレータコンポーネントに制動力を加え、前記第２ブレーキは、前記円形スプラインコンポーネントに制動力を加えるように構成した、アクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、さらに、前記第１モータおよび第２モータを異なるモータとした、アクチュエータ。
3. 請求項１または２に記載のアクチュエータにおいて、前記出力部材と前記第１モータとの間におけるギア比を、前記出力部材と前記第２モータとの間におけるギア比と異なるものとした、アクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータを作動させる方法において、
   前記モータを同時に駆動するようなモードで前記アクチュエータを作動させ、
   前記波動ジェネレータコンポーネントと前記円形スプラインコンポーネントのいずれか一方がそれぞれ前記第１または第２のブレーキにロックされる他のモードで前記アクチュエータを作動させる、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記出力部材に対して逆方向にパワーを供給するようモータを駆動するさらに他のモードで前記アクチュエータを作動させる方法。
6. 請求項４または５に記載の方法において、
   前記モータのうち少なくとも一方を、前記ハーモニックギアにおける対応コンポーネントにより逆駆動するさらに他のモードで、前記アクチュエータを作動させる、方法。
7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法において、
   前記モータのうち一方を短絡させて、減衰力を発生するさらに他のモードでアクチュエータを作動させる、方法。
8. 請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法において、前記出力部材を航空機のコンポーネントに連結する、方法。
9. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータを備える航空機。
10. 航空機ランディングギアであって、１個またはそれ以上の車輪と、請求項１〜３のいずれか一項記載のアクチュエータであって、その出力部材を前記車輪に連結し、この出力部材の動きにより前記車輪を操舵するアクチュエータとを有する構成とした、航空機ランディングギア。

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