飛機剎車系統結構工作原理和應用特點研究

張紅 張越

摘 要：飛機剎車系統是飛機上具有相對獨立功能的子系統，作用是承受飛機的靜態重量、動態沖擊載荷以及吸收飛機著陸時的動能、實現飛機的起飛、著陸、滑行、轉彎的制動和控制。飛行器剎車裝置主要有液壓剎車裝置和全電剎車裝置。目前液壓剎車裝置在國內外應用最多，下一代飛機的高性能剎車系統是電剎車系統，利用剎車裝置中的電機作動器，提供動力去實現剎車。

關鍵詞：飛機剎車系統;液壓剎車系統;全電剎車系統;剎車系統工作原理

1 飛機剎車系統概述

飛機剎車系統用來控制機輪剎車裝置的工作，結構通常采用盤式結構，剎車裝置部分由動盤、靜盤、壓緊盤、承壓盤、剎車殼體、氣缸座、扭力筒等組成，機輪部分有輪轂、輪緣、半卡環，導軌、連接耳片等零件組成。飛機的剎車系統有液壓剎車系統和全電剎車系統，在液壓剎車系統中，飛機著陸時，機輪帶動剎車殼體、動盤繞輪軸旋轉，需要剎車時液壓系統提供動力推動活塞組件的活塞水平運動，將靜盤與動盤壓緊，靜盤與動盤接觸摩擦，產生剎車力矩從而使飛行器剎停。在全電剎車系統中，需要剎車時旋轉的機電作動器帶動滾珠絲杠向前運動，將靜盤與動盤壓緊，靜盤與動盤接觸摩擦，產生剎車力矩從而使飛行器剎停。目前國內外液壓剎車系統在各類飛機型號中應用最廣，但下一代的飛機剎車系統是全電剎車系統。

1.1液壓剎車系統

液壓剎車系統在現有各類飛機類型中是應用最多的，由機輪剎車裝置、機輪速度傳感器、防滑控制盒、防滑伺服閥在內的液壓作動器等部件組成。機輪轉速經速度傳感器轉換為電信號輸送給控制盒，控制盒根據速度的大小輸出相應的防滑電流到防滑伺服閥，控制伺服閥輸出剎車壓力到達剎車裝置后，通過液壓活塞作用于壓力盤調節剎車裝置剎車裝置之間的壓緊力，從而改變剎車力矩，力矩于輪胎和跑道之間的結合力矩共同控制機輪的轉速，形成一個以機輪速度為負反饋的閉環控制系統。結構復雜，重量體積大，液壓油易泄露，容易引發火災，經常出現故障后難以找到原因和維修費用高。

1.2全電剎車系統

下一代飛機的高性能剎車系統是電剎車系統，由電作動剎車機架、力矩傳感器及其托架、機輪速度傳感器、EMA控制器和剎車防滑控制器、電源及備用電池、起落架開關和防滑控制開關、起落架觸地開關等部件組成。基本原理和液壓剎車系統相似，其特點為：機輪速度信號和剎車力矩信號經速度傳感器和力矩傳感器送入剎車控制盒，再由機電作動器產生相應的控制信號控制電作動機構，輸出剎車壓力到剎車盤，產生相應的剎車力矩，所以全電剎車系統形成了以機輪速度和剎車力矩雙層負反饋的閉環控制系統。結構簡單，重量輕，反應迅速，剎車過程平穩，剎車效率高，耐熱性好，在無人機上應用前景廣闊。同時提高剎車系統故障診斷能力、防滑性能，安全性和冗余度，減少剎車系統的維護費用和時間。

雖然整個機電作動機構的體積和重量比液壓剎車系統減少了許多，但機電作動機構的體積比液壓活塞作動機構要大，在滿足功能、強度和剛度的要求上需要充分的利用空間。由于全電剎車機電作動所占的空間比較大，因此很可能要對整個剎車裝置（包括起落架和剎車殼體及機構速度傳感器）的結構重新進行設計，一般來講，中、大型飛機的機輪直徑比較大，容納剎車裝置的空間也比較大，機電作動機構的設計要容易一些。而小型飛機對剎車系統體積和重量有苛刻的要求，機電作動機構的設計更具挑戰性。在使用時電機具有響應慢、有慣性、位移大的特點。

2 飛機剎車系統的剎車原理

飛機剎車系統用來實現剎車減速或停放，控制地面轉彎等功能，是飛機必不可少的子系統。機載人員的安全、飛機的可靠性和穩定性都和剎車系統性能好壞有關。飛機剎車過程中，剎車壓力根據跑道條件的變化進行調節，剎車裝置將飛機的動能轉化為熱能。液壓剎車系統中，剎車著陸時，機輪帶動剎車裝置繞輪軸旋轉，由液壓或氣壓系統提供動力推動活塞水平運動，直至壓上壓緊盤，后活塞繼續運動，將交替靜盤、動盤壓緊，使動靜盤接觸摩擦，產生剎車力矩剎停飛行器;全電剎車系統中，區別于液壓剎車系統的是剎車時機電作動器中的電機旋轉帶動滾珠絲杠向前運動，直至壓緊壓緊盤，其他與液壓剎車過程基本是一致的。

2.1液壓剎車系統結構和工作原理

液壓剎車系統結構主要包括防滑控制系統、電液伺服閥、機輪剎車調節系統、機輪速度傳感器等部分。該剎車系統結構通常主要采用多碳盤的盤式結構，包括一個機架。剎車裝置部分主要由多個動盤和靜盤、壓緊盤、承壓盤、剎車殼體、氣缸座、扭力筒、背部板等組成，機輪部分主要由輪轂、輪緣、半卡環，導軌、連接耳片等零件組成。全部靜盤與扭力筒采用軸向鍵槽配合且與剎車殼體內側不接觸;剎車殼體側面開槽，動盤與該開槽以凸鍵配合，動盤與扭力管不接觸，與殼體一起轉動;機架組合起多個液壓活塞機構。液體流動時，液壓活塞受壓力，輪流迫使壓緊盤壓緊動靜盤，產生摩擦力剎停飛機。

液壓剎車系統出現的較早，在各類飛機中應用也最廣。包含機輪剎車裝置、機輪速度傳感器、防滑剎車控制盒、電液伺服閥、活塞作動機構、機輪組件、等部件。機輪剎車裝置為盤式結構，動靜盤采用碳-碳耐高溫剎車材料。每個機輪都裝有速度傳感器，需要剎車時機輪速度傳感器采集和監控機輪速度信號，輸出與機輪速度大小成正比的頻率信號傳遞給防滑控制系統。電液伺服閥控制每個機輪剎車裝置中的剎車壓力。

液壓剎車系統經過多年的不斷發展，目前技術應用上比較成熟，但是一直以來都存在著以下幾點不足：首先其結構復雜，重量體積大，系統工作時液壓油泄露問題頻發，易引發火災，其次系統燃料消耗占所需燃料比例大，以及因結構復雜經常出現故障后難以找到原因，后期維修費用高、液壓油可壓縮性導致控制系統控制精度降低等問題。這些不足也是全電剎車系統迅速發展的重要原因。

2.2全電剎車系統結構和工作原理

電子技術的不斷發展，隨著多電飛機開年的出現，利用高性能電子設備控制電機作動壓緊剎車盤產生摩擦實現飛機滑跑剎車的全電剎車系統成為下一代飛機的發展趨勢，它使用電子傳輸代替了原有液壓剎車系統的液壓輸油管路。整個系統主要包括剎車組件、控制單元和機輪組件三個部分。與液壓剎車系統結構不同的：機電作動機構取代液壓活塞作動機構，完全解決了一致以來液壓剎車系統都存在的液壓油泄露、燃燒的問題，提高飛機安全性的同時也減輕了其重量，因其先進性成為剎車系統一個全新的技術領域，該高性能剎車系統將來肯定會應用在越來越多的飛機上。

全電剎車系統結構主要包含機電作動機構、機輪速度傳感器、無刷直流電機、力矩傳感器、溫度傳感器、滾珠絲杠、減速齒輪組、防滑剎車控制盒等部件。機電作動機構布局包含四臺無刷直流電機（剎車時兩個工作，兩個是余度設計）。無刷直流電機接收電流信號后可驅動滾珠絲杠正反旋轉，帶動螺母前后直線運動，從而對剎車盤循環壓緊產生摩擦力剎停飛機。單個機輪用旋轉速度、電信號雙閉環調速方法。

與液壓剎車系統相比，飛機全電剎車系統的基本原理和結構不同之處是：機輪速度和剎車力矩雙層負反饋的閉環控制系統的應用使得整體剎車效果更好，動態性能更穩定，也是全電剎車系統內的優勢特點之一。

除了上文敘述的系統內優勢外，在實際使用中也有很多優點：取消液壓管路和設備使得飛機重量大大減輕，同時成本降低，使得系統結構更簡單;使用電子系統解決了無液壓油泄露問題和潛在的火災風險;兩套備用的無刷直流電機增加大大增加了剎車系統的冗余度，使得系統可靠性提高。

參考文獻：

[1]《飛機低壓全電剎車驅動控制器設計與研究》 ?西北工業大學 ?林輝，謝世杰，李兵強

[2]《飛機全電剎車系統機電作動器的研究與設計》 ?西北工業大學 ?陜西華興航空機輪剎車系統公司 ?常順宏 田廣來等

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