飛機(jī)全電剎車(chē)機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由環(huán)家

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324）

飛機(jī)全電剎車(chē)機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由環(huán)家

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324）

機(jī)電作動(dòng)器（EBA）組件是全電剎車(chē)區(qū)別于電液、液壓剎車(chē)的重要部件，其作用是將控制器輸出的控制電信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成剎車(chē)壓力，是全電剎車(chē)中最重要的一個(gè)能量轉(zhuǎn)化模塊。機(jī)電作動(dòng)器由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪組、滾珠絲杠組件和機(jī)架組成，控制電信號(hào)直接輸送到無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器中，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，通過(guò)減速齒輪系帶動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠軸向直線(xiàn)移動(dòng)，對(duì)剎車(chē)組件施加壓力或釋放壓力，最終對(duì)剎車(chē)力矩進(jìn)行調(diào)整控制。

飛機(jī)全電剎車(chē)；機(jī)電作動(dòng)器（EBA）；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電作動(dòng)器是全電剎車(chē)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換部件，它接受控制信號(hào)和電功率，輸出剎車(chē)壓力，壓緊剎車(chē)盤(pán)工作[1]，是全電剎車(chē)的關(guān)鍵部件[2]。本文旨在對(duì)機(jī)電作動(dòng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索性設(shè)計(jì)。

1機(jī)電作動(dòng)器布局形式與結(jié)構(gòu)研究

機(jī)電作動(dòng)器是機(jī)電一體化部件，主要有兩種布局，如圖1所示，一種是電機(jī)和滾珠絲杠直列式布局，電機(jī)軸線(xiàn)與滾珠絲杠軸線(xiàn)相互垂直，通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)，該布局結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，電機(jī)直接將力矩傳遞給滾珠絲杠組件，能量傳遞效率高，但剎車(chē)系統(tǒng)工作時(shí)的震動(dòng)較大，也不易承受外來(lái)震動(dòng)；另一種是電機(jī)和滾珠絲杠并列式布局，電機(jī)軸線(xiàn)與滾珠絲杠軸線(xiàn)相互平行，通過(guò)齒輪組減速傳動(dòng)，該布局體積小，電機(jī)的輸出力矩通過(guò)減速齒輪組傳遞給滾珠絲杠，并列式布局能有效降低剎車(chē)系統(tǒng)工作時(shí)的震動(dòng)，此外結(jié)構(gòu)緊湊，能有效抵抗外界震動(dòng)對(duì)其正常工作的干擾。因?yàn)樵诳拐鸱矫娉錾膬?yōu)越性，選用并列式布局構(gòu)型。

圖1 兩種布局構(gòu)型

根據(jù)電機(jī)和滾珠絲杠是否設(shè)計(jì)成一體，并列式機(jī)電作動(dòng)器又可分為兩種結(jié)構(gòu)：（1）電機(jī)和絲杠組件一體式結(jié)構(gòu)；（2）電機(jī)和絲杠組件分開(kāi)式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。一體式結(jié)構(gòu)是將電和滾珠絲杠密封在同一整體結(jié)構(gòu)內(nèi)，對(duì)外界振動(dòng)和污染不敏感，在外界振動(dòng)和污染都比較大的起落架上，其可靠性較高，但是，不管是電機(jī)或滾珠絲杠需要維修的時(shí)候，都需要拆下整個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行維修，導(dǎo)致維護(hù)成本上升。分開(kāi)式結(jié)構(gòu)的電機(jī)和滾珠絲杠是分別固定在機(jī)架上的，二者可獨(dú)立拆下，就不存在需要拆下整個(gè)作動(dòng)器來(lái)進(jìn)行維修的問(wèn)題，維修成本比較低，但是電機(jī)和滾珠絲杠是靠減速齒輪系進(jìn)行傳動(dòng)，此處與齒輪系配合的是兩個(gè)獨(dú)立安裝的部件，因而配合精度和傳動(dòng)精度都不如一體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)傳動(dòng)腔的密封性同樣受影響，同時(shí)飛機(jī)滑跑時(shí)起落架上振動(dòng)較大，會(huì)降低整個(gè)機(jī)電作動(dòng)器的可靠性，為了維持同水平的可靠性，相應(yīng)的維修成本就會(huì)上升。一體式結(jié)構(gòu)的密封腔內(nèi)能夠存有一定量的潤(rùn)滑油，不用定期進(jìn)行潤(rùn)滑工作，分開(kāi)式結(jié)構(gòu)在對(duì)作動(dòng)器維修時(shí)還要進(jìn)行潤(rùn)滑，使人為差錯(cuò)的可能性增加。綜合考慮按照一體式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 一體式（左）和分開(kāi)式（右）結(jié)構(gòu)圖

2機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾珠絲杠在機(jī)電作動(dòng)器中是重要的組件，它將電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩最終轉(zhuǎn)換成絲杠的直線(xiàn)移動(dòng)和對(duì)剎車(chē)組件的剎車(chē)壓力，根據(jù)其要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里采用螺母固定，絲杠做直線(xiàn)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)布局，具體布局形式見(jiàn)圖3.

圖3 滾珠絲杠組件布局結(jié)構(gòu)圖

由圖3中可以看出，整套滾珠絲杠組件包括螺母、絲杠、兩組推力軸承、兩組滾柱軸承、導(dǎo)向桿件、隔熱墊塊和整個(gè)機(jī)架，所有組件都是根據(jù)其要完成的特定功能而存在的，下面分別對(duì)各部分的結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行分析。

絲杠是整個(gè)組件中最主要的部分，是提供剎車(chē)壓力的最終執(zhí)行元件，這里絲杠為中空的圓筒形式，之所以有中空形式的設(shè)計(jì)，首先考慮到這是飛機(jī)上的機(jī)載部件，應(yīng)該按照重量輕的目標(biāo)設(shè)計(jì)，其次為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，這里將為絲杠導(dǎo)向的部件設(shè)計(jì)在了中空的部分。絲杠在軸向的移動(dòng)由螺母驅(qū)動(dòng)，絲杠和螺母通過(guò)滾珠嚙合，當(dāng)螺母相對(duì)于絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠就相對(duì)螺母有直線(xiàn)的移動(dòng)，通過(guò)和螺母中的滾珠接觸，對(duì)絲杠在與軸線(xiàn)垂直的平面里進(jìn)行了定位，限制了絲杠兩個(gè)方向的移動(dòng)和兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)自由度，絲杠通過(guò)和其內(nèi)部的導(dǎo)向桿件配合，對(duì)絲杠在軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了定位，此時(shí)的絲杠只剩下一個(gè)沿軸向移動(dòng)的自由度，這個(gè)自由度通過(guò)螺母的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)，因而對(duì)絲杠進(jìn)行了完全定位。

螺母是與絲杠配合傳動(dòng)的裝置，這里為了使整個(gè)機(jī)電作動(dòng)器組件的結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，因而對(duì)螺母的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)。螺母上設(shè)計(jì)有齒輪，并且螺母和齒輪是一體的，這樣設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)：一是使整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，減輕重量，二是免去了齒輪和螺母連接的部件，使結(jié)構(gòu)可靠，因而采用了齒輪和螺母一體化的結(jié)構(gòu)形式。螺母的右邊是與絲杠?chē)Ш系臐L珠部分，這樣可以縮短絲杠受螺母作用力的作用點(diǎn)和受壓力盤(pán)壓力作用點(diǎn)的距離，改善了絲杠的受力情況，增加了絲杠的受力穩(wěn)定性。螺母的左邊是螺母的定位部分，通過(guò)兩組推力軸承對(duì)螺母的軸向移動(dòng)進(jìn)行了定位，通過(guò)兩組滾柱軸承對(duì)螺母在垂直軸向的面內(nèi)進(jìn)行了定位，共限制了螺母的五個(gè)自由度，只剩下螺母沿周向的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣對(duì)螺母進(jìn)行了完全的定位。

絲杠在工作時(shí)對(duì)剎車(chē)組件施加壓力，同時(shí)也受到壓力盤(pán)對(duì)絲杠的反作用力，因此絲杠受到的力是向左的作用力，這個(gè)作用力通過(guò)滾珠作用在了螺母上，螺母通過(guò)右邊的推力軸承將作用力傳給了機(jī)架；當(dāng)絲杠需要回程運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到向右的慣性力，通過(guò)滾珠作用在螺母上后，此時(shí)左邊的推力軸承就把這個(gè)力傳給了機(jī)架，保證了整個(gè)滾珠絲杠在工作時(shí)的受力狀態(tài)。

最左邊的導(dǎo)向桿件的主要作用就是對(duì)絲杠在周向進(jìn)行定位，保證絲杠和螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其次作為絲杠向左運(yùn)動(dòng)的極限位置限制，防止絲杠由于錯(cuò)誤向左運(yùn)動(dòng)過(guò)多而與螺母脫離嚙合。

在絲杠的最右端安裝有隔熱墊塊。在剎車(chē)過(guò)程中剎車(chē)組件由于動(dòng)靜盤(pán)的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，從而使壓力盤(pán)的溫度上升，如果絲杠與壓力盤(pán)直接接觸，會(huì)導(dǎo)致絲杠的溫度上升，由于金屬熱脹冷縮的特性，溫度的上升會(huì)使得絲杠上與滾珠嚙合的溝槽的尺寸發(fā)生變化，使絲杠與螺母的配合出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，還有可能出現(xiàn)絲杠卡死等現(xiàn)象，對(duì)剎車(chē)系統(tǒng)的正常運(yùn)作產(chǎn)生影響；在絲杠的末端安裝的隔熱墊塊，能夠阻止或減緩壓力盤(pán)向絲杠的熱量傳遞，使絲杠不受壓力盤(pán)升溫的影響，保證了絲杠的正常工作。

減速齒輪組的結(jié)構(gòu)根據(jù)橫列式布局形式的要求確定，這里三組齒輪的軸線(xiàn)相互平行，垂直軸的平面內(nèi)軸是錯(cuò)開(kāi)分布的，為了縮小機(jī)電作動(dòng)器所占的空間沿軸線(xiàn)展開(kāi)后的布局形式如圖4所示。

圖4 減速齒輪組的結(jié)構(gòu)布局示意圖

3結(jié)束語(yǔ)

對(duì)大型民航客機(jī)的全電剎車(chē)系統(tǒng)中的機(jī)電作動(dòng)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方面的研究，根據(jù)其要實(shí)現(xiàn)的功能[3]，全面設(shè)計(jì)了機(jī)電作動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)，為國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)的全電剎車(chē)系統(tǒng)的理論研究提供一些參考。

[1]何恒，吳瑞祥，黃偉明.基于ANN與FNN的飛機(jī)防滑剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航空學(xué)報(bào)，2005，26（1）：116-120

[2]張秋紅.飛機(jī)電剎車(chē)系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].工程與技術(shù)，2006（9）：38-39.

[3]智維列夫ИИ，科柯寧CC.航空機(jī)輪和剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

Study on ElectromechanicalActuator of Aircraft AllElectric Brake

YOU Huan-jia
（Shanghai AircraftManufacturing Co.，Ltd.，Shanghai201324，China）

Electromechanical actuator（EBA）component is an important part of electric braking from electric hydraulic，hydraulic brake，its role is to control the electrical signal output from the controller directly into the brake pressure，the electric energy is amost important brake in conversionmodule.The electromechanical actuator consists of brushless DC motor，reduction gears，ball screw assembly and a machine frame，an electric control signal is delivered directly to the drive controller of the brushless DC motor，control motor speed and steering gear，by lacing nut rotation so as to drive the ball screw axial linear movement of brake assembly pressure or release the pressure，finally to adjust brake torque control.

aircraft all electric brake；electromechanical actuator（EBA）；structure design

V227

A

1672-545X（2016）12-0153-02

2016-09-20

由環(huán)家（1988-），男，河北人，工學(xué)碩士，工程技術(shù)員，研究方向：飛機(jī)全電剎車(chē)、環(huán)控。