飞机全电刹车机电作动器结构设计

由环家

（上海飞机制造有限公司，上海201324）

飞机全电刹车机电作动器结构设计

由环家

（上海飞机制造有限公司，上海201324）

机电作动器（EBA）组件是全电刹车区别于电液、液压刹车的重要部件，其作用是将控制器输出的控制电信号直接转化成刹车压力，是全电刹车中最重要的一个能量转化模块。机电作动器由无刷直流电动机、减速齿轮组、滚珠丝杠组件和机架组成，控制电信号直接输送到无刷直流电机的驱动控制器中，控制电机的转速和转向，通过减速齿轮系带动螺母转动，从而带动滚珠丝杠轴向直线移动，对刹车组件施加压力或释放压力，最终对刹车力矩进行调整控制。

飞机全电刹车；机电作动器（EBA）；结构设计

机电作动器是全电刹车系统的能量转换部件，它接受控制信号和电功率，输出刹车压力，压紧刹车盘工作[1]，是全电刹车的关键部件[2]。本文旨在对机电作动的结构进行探索性设计。

1机电作动器布局形式与结构研究

机电作动器是机电一体化部件，主要有两种布局，如图1所示，一种是电机和滚珠丝杠直列式布局，电机轴线与滚珠丝杠轴线相互垂直，通过锥齿轮传动，该布局结构简单、重量轻，电机直接将力矩传递给滚珠丝杠组件，能量传递效率高，但刹车系统工作时的震动较大，也不易承受外来震动；另一种是电机和滚珠丝杠并列式布局，电机轴线与滚珠丝杠轴线相互平行，通过齿轮组减速传动，该布局体积小，电机的输出力矩通过减速齿轮组传递给滚珠丝杠，并列式布局能有效降低刹车系统工作时的震动，此外结构紧凑，能有效抵抗外界震动对其正常工作的干扰。因为在抗震方面出色的优越性，选用并列式布局构型。

图1 两种布局构型

根据电机和滚珠丝杠是否设计成一体，并列式机电作动器又可分为两种结构：（1）电机和丝杠组件一体式结构；（2）电机和丝杠组件分开式结构，如图2所示，两者各有优缺点。一体式结构是将电和滚珠丝杠密封在同一整体结构内，对外界振动和污染不敏感，在外界振动和污染都比较大的起落架上，其可靠性较高，但是，不管是电机或滚珠丝杠需要维修的时候，都需要拆下整个作动器进行维修，导致维护成本上升。分开式结构的电机和滚珠丝杠是分别固定在机架上的，二者可独立拆下，就不存在需要拆下整个作动器来进行维修的问题，维修成本比较低，但是电机和滚珠丝杠是靠减速齿轮系进行传动，此处与齿轮系配合的是两个独立安装的部件，因而配合精度和传动精度都不如一体式结构，整个传动腔的密封性同样受影响，同时飞机滑跑时起落架上振动较大，会降低整个机电作动器的可靠性，为了维持同水平的可靠性，相应的维修成本就会上升。一体式结构的密封腔内能够存有一定量的润滑油，不用定期进行润滑工作，分开式结构在对作动器维修时还要进行润滑，使人为差错的可能性增加。综合考虑按照一体式结构进行设计。

图2 一体式（左）和分开式（右）结构图

2机电作动器结构设计

滚珠丝杠在机电作动器中是重要的组件，它将电机输出的旋转运动和转矩最终转换成丝杠的直线移动和对刹车组件的刹车压力，根据其要实现的功能对其结构进行设计。这里采用螺母固定，丝杠做直线移动的结构布局，具体布局形式见图3.

图3 滚珠丝杠组件布局结构图

由图3中可以看出，整套滚珠丝杠组件包括螺母、丝杠、两组推力轴承、两组滚柱轴承、导向杆件、隔热垫块和整个机架，所有组件都是根据其要完成的特定功能而存在的，下面分别对各部分的结构功能进行分析。

丝杠是整个组件中最主要的部分，是提供刹车压力的最终执行元件，这里丝杠为中空的圆筒形式，之所以有中空形式的设计，首先考虑到这是飞机上的机载部件，应该按照重量轻的目标设计，其次为了使结构更加紧凑，这里将为丝杠导向的部件设计在了中空的部分。丝杠在轴向的移动由螺母驱动，丝杠和螺母通过滚珠啮合，当螺母相对于丝杠转动时，丝杠就相对螺母有直线的移动，通过和螺母中的滚珠接触，对丝杠在与轴线垂直的平面里进行了定位，限制了丝杠两个方向的移动和两个方向的转动共四个自由度，丝杠通过和其内部的导向杆件配合，对丝杠在轴向的转动进行了定位，此时的丝杠只剩下一个沿轴向移动的自由度，这个自由度通过螺母的驱动进行移动，因而对丝杠进行了完全定位。

螺母是与丝杠配合传动的装置，这里为了使整个机电作动器组件的结构紧凑，重量轻，因而对螺母的结构进行了特殊的设计。螺母上设计有齿轮，并且螺母和齿轮是一体的，这样设计的目的有两个：一是使整个结构紧凑，减轻重量，二是免去了齿轮和螺母连接的部件，使结构可靠，因而采用了齿轮和螺母一体化的结构形式。螺母的右边是与丝杠啮合的滚珠部分，这样可以缩短丝杠受螺母作用力的作用点和受压力盘压力作用点的距离，改善了丝杠的受力情况，增加了丝杠的受力稳定性。螺母的左边是螺母的定位部分，通过两组推力轴承对螺母的轴向移动进行了定位，通过两组滚柱轴承对螺母在垂直轴向的面内进行了定位，共限制了螺母的五个自由度，只剩下螺母沿周向的转动，这样对螺母进行了完全的定位。

丝杠在工作时对刹车组件施加压力，同时也受到压力盘对丝杠的反作用力，因此丝杠受到的力是向左的作用力，这个作用力通过滚珠作用在了螺母上，螺母通过右边的推力轴承将作用力传给了机架；当丝杠需要回程运动时，受到向右的惯性力，通过滚珠作用在螺母上后，此时左边的推力轴承就把这个力传给了机架，保证了整个滚珠丝杠在工作时的受力状态。

最左边的导向杆件的主要作用就是对丝杠在周向进行定位，保证丝杠和螺母的相对运动，其次作为丝杠向左运动的极限位置限制，防止丝杠由于错误向左运动过多而与螺母脱离啮合。

在丝杠的最右端安装有隔热垫块。在刹车过程中刹车组件由于动静盘的摩擦会产生大量的热，从而使压力盘的温度上升，如果丝杠与压力盘直接接触，会导致丝杠的温度上升，由于金属热胀冷缩的特性，温度的上升会使得丝杠上与滚珠啮合的沟槽的尺寸发生变化，使丝杠与螺母的配合出现不稳定的现象，还有可能出现丝杠卡死等现象，对刹车系统的正常运作产生影响；在丝杠的末端安装的隔热垫块，能够阻止或减缓压力盘向丝杠的热量传递，使丝杠不受压力盘升温的影响，保证了丝杠的正常工作。

减速齿轮组的结构根据横列式布局形式的要求确定，这里三组齿轮的轴线相互平行，垂直轴的平面内轴是错开分布的，为了缩小机电作动器所占的空间沿轴线展开后的布局形式如图4所示。

图4 减速齿轮组的结构布局示意图

3结束语

对大型民航客机的全电刹车系统中的机电作动器进行了结构方面的研究，根据其要实现的功能[3]，全面设计了机电作动器的整体结构，为国产大型客机的全电刹车系统的理论研究提供一些参考。

[1]何恒，吴瑞祥，黄伟明.基于ANN与FNN的飞机防滑刹车系统设计[J].航空学报，2005，26（1）：116-120

[2]张秋红.飞机电刹车系统的发展与展望[J].工程与技术，2006（9）：38-39.

[3]智维列夫ИИ，科柯宁CC.航空机轮和刹车系统设计[M].北京：国防工业出版社，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

由环家（1988-），男，河北人，工学硕士，工程技术员，研究方向：飞机全电刹车、环控。