飛機全電剎車系統專利分析

聶鑫

摘 要：全電剎車系統具有重量輕，反映快，結構可靠性高等突出的特點，因此全電剎車系統已經成為下一代多電飛機采用的關鍵技術。目前在這一領域先進的國家在開展了大量的技術攻關，進行了較為嚴密的專利布局。該文從專利的角度對飛機全電剎車系統的應用進行了分析，并從專利技術發展趨勢上為今后全電剎車系統的應用開發提供一些啟示。

關鍵詞：飛機 全電剎車 電作動器 驅動器

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0067-02

全電剎車系統是國內外正在研制中的新一代飛機剎車系統，它用機電作動機構取代現有剎車系統的液壓作動機構，不再需要任何液壓管道、泵和閥等液壓組件，且系統的控制信號和功率信號都是電傳輸的，因此相比液壓剎車系統可以有效防止液壓燃油泄漏造成的安全隱患，顯著地減少整個剎車系統的重量和體積，提高剎車系統的故障診斷能力，減少剎車系統的維護費用和時間。該文主要從專利分析的角度對全電剎車系統的專利分布狀況及技術發展趨勢進行了分析，以期為全電剎車技術的研發與應用提供一些啟示[1]。

1 飛機全電剎車系統發展概況

飛機全電剎車是隨著多電飛機（全電飛機） 的概念而隨之出現的。美國固特異公司在1979年首次提出了飛機全電剎車的思想，并在美國的A10軍機上進行了應用，雖然取得了較好的試驗結果，但由于當時還較低的電作動器傳動效率，以及起落架滑跑中的意外走步現象而沒有在飛機中得到廣泛的應用推廣。隨后美國麥道公司聯合美國古德里奇公司將全電剎車技術列為重點的研發項目，同時研發的全電剎車系統成功的應用在了F16戰機上，該系統所表現出來的優異性能引起了飛機制造商對全電剎車系統的興趣。2004年11月波音公司宣布，將由古德里奇公司和梅西埃公司分別為其新一代客機B787提供全電剎車系統[2]。B787飛機客戶可以根據需要選用古德里奇公司或梅西埃公司的全電剎車產品。因此本文擬從專利的視角來對全電剎車領域的專利做一個概況的分析，經過初步的檢索和分析，當前全電剎車技術主要集中如下幾個分類中。

該文所分析的專利均以德溫特數據庫作為檢索源，關鍵詞取剎車+電+飛機，并在德溫特改寫的摘要進行檢索，加上專利所在的IPC分類號，德溫特分類號，年代從1975年開始，共檢索出專利1608篇，去除同族專利之后還剩下429篇，所以分析專利將針這429篇專利進行。

2 專利申請態勢分析

對所檢索到的專利文獻進行國別—年代統計作圖。

從圖1可以看出整體專利申請整體呈現不斷增長的態勢，但大體可以分為三個階段，即起步期（1982-1997增長期（1997-2006）和穩定期（2006之后），究其原因，起步期可能是電剎車系統的構想初期，因為相關配套技術的成熟度限制，試驗驗證開展的規模有限，該領域的專利數量還相對較少。而到了1997年之后，隨著電剎車系統開始在美國軍機上進行一定范圍的試驗，試驗的結果也表明電剎車有著比傳統液壓剎車更好的技術效果，大量航空制造企業開始關注電剎車技術，因此該領域專利申請量出現了快速增長的態勢，而到了2006年之后隨著全電剎車進入民機應用領域，該專利申請也逐步呈現從技術原產地不斷向新興市場進行布局轉移的趨勢，特別是2006年之后，電剎車技術的專利進入中國國家階段的數量呈現快速增長的態勢，而這一現象也正好反映了中國航空市場對這些技術擁有方越來越具有強大的吸引力。

對目前該領域的專利申請人進行統計，情況如下。

從表1分析，目前梅西埃公司，古德里奇公司以及波音公司在該領域專利布局數量最多，而古德里奇和梅西埃公司正是波音787飛機全電剎車系統的供應商。同時美國霍尼韋爾公司以及空客的母公司歐洲宇航集團也均在此領域有較多的專利申請，霍尼韋爾公司曾經為美軍X45A無人戰斗機機開發全電剎車系統，而空客的A320也曾試用過梅西埃公司的全電剎車系統，因此這幾家企業的電剎車系統的專利布局情況與其產品和業務領域發展方向保持一致。

3 關鍵技術狀況及典型專利分析

全電剎車系統一般可分為全電剎車防滑控制盒、機輪剎車驅動盒和機電作動器（EMA）及受剎機輪四個部分等。根據近年來的專利分布也可以看到，該領域的專利主要集中機電作動機構，機電作動器布局，以及電剎車控制器上，因此重點對上述涉及三個技術點的典型專利情況進行分析，以期找到該領域技術發展的趨勢及狀況。

3.1 機電作動機構

機電作動器是全電剎車系統中最為重要的部件，現有的電作動器包括了電機，螺旋傳動機構，齒輪傳動機構等部件。其中螺旋傳動部件的主要作用是將旋轉運動轉換為驅動剎車盤軸向位移的直線運動[3]，齒輪減速器的作用主要是將電機的力矩進行放大，以驅動螺旋傳動部件運動。從專利發展脈絡來看，專利的布局從螺旋傳動與齒輪傳動的技術的更新上不斷進行發展。1979年是美國固特異公司首次提出電剎車構型（US4381049）的年代，該專利中給出了減速齒輪與滾珠絲杠副來配合從而驅動剎車盤施加剎車力矩的機電作動系統方案。6年后，在此基礎上該公司又提出新的電剎車構型（US4596316），其將原有的滾珠絲杠副替換為SKF公司的行星滾柱絲杠副或再循環滾柱絲杠副，并搭配相應的環形齒輪來驅動傳動機構施加剎車力矩，從而提高螺旋傳動部件的承載能力。1986年從固特異公司獨立出來的飛機剎車系統公司提出了利用圍繞螺紋滾柱的多個行星滾柱絲杠來驅動剎車盤工作的方案（US4865162）。除了螺旋傳動部件，在與螺旋傳動部件相配合的齒輪減速器方面也呈現技術更新的趨勢，2000年古德里奇公司提出了利用錐齒輪與直齒圓柱齒輪來構建的二級減速器搭配滾珠絲杠副的組合來驅動剎車的方案（US6471015），2012年一家俄羅斯公司中提到了一種利用諧波齒輪來搭配滾珠絲杠的飛機剎車電作動器（RU20120131689），因諧波齒輪今年發展出來的一種新型齒輪，相比傳統齒輪具有傳動噪音小，減速比例高等特點，因此非常適合應用于對對體積、傳動比有著較高要求的電剎車領域。綜上來看，采用更為高效的螺旋傳動機構及齒輪傳動機構將是未來的電剎車作動器發展的一個重點發展方向。

3.2 機電作動器布局

因電剎車系統中的空間限制，電作動器的體積空間對于裝配極為重要。為了減少電作動器中體積，當前的電機與作動部件的布置往往采用臥式布局，雖然臥式布局不如立式布局的傳動比大。體積大，橫向設計體積小，抗震強，雖然傳動比不及立式作動器布置，但在現有的電機功率體積比下，是較為經濟的選擇[4]。目前從專利分析的角度來看，大部分專利的作動器布局在臥式傳動的基礎上呈現模塊化設計的趨勢。2000年古德里奇公司首次提出了一種模塊化的電作動器（US6095293），可以在驅動部件損壞時方便更換進行驅動部件的更換，而無需對整個機電作動部件進行拆解。在此基礎上，該公司又對該模塊化的機電作動器進行了改進（US7717240），該專利采用了模塊化的機架設計，增加了集成化的電纜接口實現快捷電連接。而作為競爭對手，梅西埃公司也加緊步伐，在古德里奇公司的模塊化機電作動器的基礎上提出了可進行作動器快速拆卸和安裝方案（US20060090970）。另外一家全電剎車系統的供應商美國霍尼韋爾公司也提出了一種可以方便模塊化的電機作動器（US2011013704，US7527129），該作動器除了考慮可能的機電作動器作動機構的更換維護外，還考慮到電機可能的失效，設計了可以單獨進行分離拆卸電機的機架。綜上可以看出，各家公司都在電作動器的維護和可靠性提升上大做文章，因此體積更小，高度模塊化設計的電作動器將是應用發展的重點。

3.3 電剎車控制器

電剎車控制器是電剎車系統的重要組成部分，傳統的液壓作動器僅僅采集轉速信號的反饋信號，從而對剎車力矩進行控制，而電作動器因為其特點可以提供機輪轉速、電流、力矩的反饋控制，對于剎車信號的響應速度更為靈敏。從專利方面來看，飛機剎車系統公司最早于1989年提出了采用微控制器對飛機員腳踏信號，防滑盒信號，電機位置以及剎車盤的夾緊力的反饋來實現剎車盤壓力的精確控制的系統（US4995483）。1997年古德里奇公司提出了一種電剎車作動器構型（US6471015），其在電作動機構的執行端（絲杠螺母）連有一個位移傳感器，以對作動機構進行精確的位置伺服（相當于壓力伺服），同時剎車機架上還設有力矩傳感器實現機輪力矩的測量反饋。除了通常的剎車盤位置反饋，古德里奇公司還于2010年提出了一種通過檢測總線中電流變化的測量來快速判斷剎車狀態的方法（US9028014）。作為電剎車領域的競爭對手，梅西埃公司于2004年提出了一種可以通過電連接器組成的電路網絡來實時檢測剎車力工作狀態的專利（FR1361383），并聲稱這種方法相比電流檢測方法更加及時，且不會因為電流反饋的滯后降低測量的靈敏度。由此可見，當前各大廠商均在剎車系統控制器的傳感器設計方法著手，實現剎車系統的剎車力矩控制更實時靈敏，隨著軟硬件的進步，未來可能有更多樣的現代控制方法被應用在剎車控制器中來。

4 結語

當前飛機電剎車系統在美歐已經進入可以裝配飛機的產品化階段，而在國內在該領域的研究還較為薄弱，從專利保護的態勢也可以看到，大部分的重要專利都掌握在一些大型剎車系統的供應商手中，國內在這方面的專利數量極少，專利分布的技術領域也往往集中在電剎車系統的外圍，這與國內研究機構少，缺少相應的技術儲備有著直接關系。因此建議在該領域應加強技術預研工作，整合企業高校的研究能力發展該技術，從專利等角度對國外大型的企業進行跟蹤研發，從而不斷提升該領域我國在該領域的技術能力。

參考文獻

[1] 丁斌，黃偉明，楊新文，等.飛機全電剎車系統的機電作動機構[J].航空制造技術，2006（1）：36-39.

[2] 李暉暉，劉航，謝利理.飛機全電剎車系統研究[J].飛機設計，2003（1）：62-65.

[3] 李化良.飛機全電剎車控制系統的研究與設計[D].西安：西北工業大學，2006.

[4] 謝世杰，林輝，戴志勇.飛機電剎車驅動器設計與研究[J].微型電機，2012（5）：55-57.