致动器.pdf

摘要
申请专利号：	CN200780035373.0	申请日：	2007.09.11
公开号：	CN101517271A	公开日：	2009.08.26
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效\|\|\|公开
IPC分类号：	F16H37/06; B64C25/50	主分类号：	F16H37/06
申请人：	空中客车英国有限公司
发明人：	马修·奈特
地址：	英国布里斯托尔
优先权：	2006.9.25 GB 0618902.1
专利代理机构：	北京三友知识产权代理有限公司	代理人：	党晓林
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内容摘要

一种致动器(1)包括：两个电机(5，13)；一输出构件；以及一谐波齿轮，该谐波齿轮包括：椭圆形波发生器(5)部件；柔轮(18)部件，该柔轮通过轴承(19)与所述波发生器联接，并挠曲成与所述波发生器的椭圆形形状相符；以及刚轮(11)部件，该刚轮环绕所述柔轮部件并与之啮合。所述谐波齿轮部件中的一个谐波齿轮部件联接至所述输出构件，而所述其它谐波齿轮部件均联接至所述电机中的相应一个电机上。

权利要求书

1.  一种致动器，该致动器包括：
两个电机；
一输出构件；以及
一谐波齿轮，该谐波齿轮包括：
椭圆形波发生器部件；
柔轮部件，该柔轮部件通过轴承与所述波发生器联接，并挠曲成与所述波发生器的椭圆形形状相符；以及
刚轮部件，该刚轮部件环绕所述柔轮部件并与该柔轮部件啮合；
其中，所述谐波齿轮部件中的一个谐波齿轮部件联接至所述输出构件，而所述其它谐波齿轮部件均联接至所述电机中的相应一个电机上。

2.  根据权利要求1所述的致动器，其中，所述柔轮部件联接至所述输出构件。

3.  根据前述任一权利要求所述的致动器，该致动器还包括两个制动器，每个所述制动器均构造成向所述谐波齿轮部件的相应一个谐波齿轮部件施加制动力。

4.  根据前述任一权利要求所述的致动器，该致动器还包括两个齿轮，每个齿轮均使所述电机中的相应一个电机与其谐波齿轮部件联接。

5.  根据前述任一权利要求所述的致动器，其中，所述输出构件和所述电机中的第一个电机之间的传动比与所述输出构件和所述电机中的第二个电机之间的传动比不同。

6.  一种操作前述任一权利要求所述的致动器的方法，该方法包括同时驱动所述电机。

7.  根据权利要求6所述的方法，该方法包括驱动所述电机，以向所述输出构件施加反向功率。

8.  根据权利要求6或7所述的方法，该方法包括：
以其中所述电机被同时驱动的模式操作所述致动器；以及
以使其中至少一个电机通过其相应的谐波齿轮部件而被反向驱动的另一模式操作所述致动器。

9、  根据权利要求6、7或8所述的方法，该方法包括：
以其中所述电机被同时驱动的模式操作所述致动器；以及
以其中一个电机被短路以产生阻尼力的另一模式操作所述致动器。

10.  根据权利要求6至9中任一项所述的方法，该方法包括：
以其中所述电机被同时驱动的模式操作所述致动器；以及
以其中至少一个所述谐波齿轮部件被锁定的另一模式操作所述致动器。

11.  根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，所述输出构件与航空器的部件联接。

12.  一种包括根据权利要求1至5中任一项所述的致动器的航空器。

13.  一种航空器起落架，该起落架包括一个或多个轮以及根据权利要求1至5中任一项所述的致动器，所述致动器的输出构件与所述一个或多个轮联接，从而所述输出构件的运动使所述轮转向。

说明书

致动器
技术领域
本发明涉及一种具有驱动一公共输出构件的两个电机的致动器。
背景技术
US2005/0229729描述了这类致动器。电机通过行星差动减速齿轮与输出构件联接。输出构件仅通过其中一个电机驱动，而另一个电机却中断。该致动器用于将航空器的起落架锁定在缩进位置。
发明内容
本发明的第一方面提供一种致动器，该致动器包括：
两个电机；
一输出构件；以及
一谐波齿轮，该谐波齿轮包括：
椭圆形波发生器部件；
柔轮部件，其通过轴承与所述波发生器联接，并挠曲成与所述波发生器的椭圆形形状相符；以及
刚轮部件，其环绕所述柔轮部件并与之啮合；
其中，所述谐波齿轮部件中的一个谐波齿轮部件联接至所述输出构件，而所述其它谐波齿轮部件均联接至所述电机中的相应一个电机上。
所述致动器通常可在多个故障状态下连续运行，所述多个故障状态包括其中一个电机发生故障、一个电机与所述输出构件之间的传动路径发生卡阻以及谐波齿轮发生卡阻。所述谐波齿轮与行星齿轮相比具有以下各种优点：与低重量相结合的高传动比；尺寸紧凑，特别是沿轴线方向尺寸紧凑；齿隙低；以及惯性矩低。
谐波齿轮部件中的任一个均可与所述输出构件联接，但在下述的优选实施方式中，柔轮部件与所述输出构件联接。
所述致动器还可包括两个制动器，每个所述制动器均构造成通过接合所述部件或通过接合在传动路径中与谐波齿轮部件相关联的元件，而向所述谐波齿轮部件中的相应一个谐波齿轮部件施加制动力。这使得所述致动器以其中一个电机供应电力(或者短路以产生阻尼力)而另一个电机通过制动器锁定的方式操作。
通常，所述致动器还包括两个齿轮，每个齿轮均使所述电机中的相应一个电机与其谐波齿轮部件联接。
通常，所述输出构件和所述电机中的第一个电机之间的传动比与所述输出构件和所述电机中的第二个电机之间的传动比不同。这使得构成相异电机，这种电机与相似的电机相比同时发生故障的可能性较小。
本发明的第二方面提供一种操作本发明第一方面的致动器的方法，该方法包括同时驱动所述电机。
所述电机可向所述输出构件施加反向以及/或者同向功率。除了以其中所述电机被同时驱动的模式操作所述致动器以外，所述致动器还能以以下方式操作：
·其中至少一个电机通过其相应的谐波齿轮部件而被反向驱动的另一模式；
·其中一个电机被短路以产生阻尼力的另一模式；以及/或者
·其中至少一个所述谐波齿轮部件被锁定的另一模式。
一种航空器可结合这样的致动器，该致动器用于使起落架展开或转向，或者用于展开例如襟翼或副翼的空气动力学控制表面。
本发明的另一方面提供一种航空器起落架，该起落架包括一个或多个轮以及根据本发明第一方面的致动器，所述致动器的输出构件联接至所述一个或多个轮，从而所述输出构件的运动使所述轮转向。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施方式，附图中：
图1是通过谐波齿轮致动器的剖面图；
图2是通过起落架转向机构的水平剖面图；
图3是通过起落架转向机构的垂直剖面图；
图4是转向机构的电子控制系统的示意图；
图5是表示在两条传动路径由270V的直流(DC)总线驱动时该两条传动路径的最大转矩值的曲线图；
图6是表示在两条传动路径由28V的应急DC总线驱动时该两条传动路径的最大转矩值的曲线图。
具体实施方式
参照图1，其示出了致动器1。该致动器包括壳体2，并且包括均联接至公共输出构件的高速率传动路径和高转矩传动路径。高速率传动路径包括制动器4、电机5、高速率变速器以及刚轮11，高速率变速器包括成一组的五个联锁齿轮6至10。高转矩传动路径包括制动器12、电机13、高转矩变速器、以及波发生器17，高转矩变速器包括三个齿轮14至16。
高速率传动路径与高转矩传动路径并行操作，并且两者均联接到柔轮18，柔轮18具有从壳体伸出的轴，该轴用作致动器的输出构件。当两条传动路径被驱动成传送相同的机械功率时，高速率路径中的电机5以比高转矩路径中的电机13高得多的速度旋转。例如，高速率路径的传动比可以是1600∶1，而高转矩路径的传动比可以是53∶1。换言之，高速率电机5每转1600圈而高转矩电机13每转53圈使得输出构件转一圈。
波发生器17为椭圆形轮廓，不过未在图1明显示出。柔轮18环绕波发生器并通过接触轴承19与之联接。柔轮18由柔性材料形成，以使其与波发生器17的椭圆形形状相符。柔轮18的外周缘上具有许多个齿，这些齿与环形刚轮11内周缘上的齿啮合。柔轮18比刚轮少两个齿。因此，波发生器17顺时针每转一圈，柔轮就逆时针转过两个齿，从而提供高传动比R。传动比R取决于由刚轮11的一半所承载的齿数。传动比R通常介于30至160之间。
在传统的谐波齿轮中，刚轮被固定。与此相反，在致动器1中，刚轮11相反地形成高速率传动路径的部件。在一个例示致动器的设计应用中，以下表1示出了通常可能选择的部件。
表1

部件供应商部件编号质量估计(kg) 电机5 Kollmorgen 01812 0.8 电机13 Kollmorgen 01513 0.5 制动器4 Intorque BFK457-6 1.1 制动器12 Intorque BFK457-6 1.1 变速器6至10 HDS CSF系列 1.7(+0.2) 变速器14至16 Neugart PLE60 1.1 谐波驱动器 HDS CSF系列 12.4 壳体、轴承以及旋转变压器 9.1

注意，根据上述估计，致动器的总重为28kg。
致动器1可实施在航空器上的许多地方，或者实施在非航空器应用中。例如，该致动器可用于机翼(例如副翼)的控制表面。在下述参照图2至图6描述的实施例中，致动器1用于向机头起落架支腿小齿轮施加转向扭矩。
参照图2和图3，机头起落架支腿小齿轮20可转动地容纳在支柱21中，支柱从航空器机头(未示出)向下延伸。
斜齿轮22位于从柔轮18伸出的输出轴上，并与小齿轮20上的斜齿轮23啮合。因而当柔轮18旋转时，小齿轮20也绕其轴线旋转，从而使机头起落架的轮转向。斜齿轮22、23提供的最终减速比为2∶1。
图4示出了该系统的电连接。该电连接由两个理论上在270V下操作的高压直流总线30、31驱动。一对电子转向控制装置32、33与直流总线30、31联接，并容纳必要的电桥装置，以驱动电机5、13，电机5、13为三相装置。各转向控制装置32、33从手轮34和脚舵35接收输入。各转向控制装置还具有连接至制动器4、12以及连接至电机5、13的控制线路。当供电时，所有部件仅通过一个通路控制，也就是说仅通过转向控制装置32或通过转向控制装置33控制。在可选情况下，每个转向控制装置32、33可仅响应于一个制动器和一个电机。在这种情况下，通过移除制动器控制线路40、41和电机控制线路42、43，可使起落架的重量进一步减轻。
以下表2描述了致动器1的运行情况。在表2中，下列关键词(字)用于表示两条传动路径中所施加的功率的含义。
断开：传动路径为开路，因而可自由地被反向驱动。
锁定：传动路径被机械锁定。
插通：传动路径内的电机越过其相位短路，并产生机械阻尼力，该阻尼力阻止以与转速近似成比例的速率运动。
1：所施加的转矩/速率的含义为正值。
-1：所施加的转矩/速率的含义为负值。
表2
高速率路径高转矩路径正常工作模式等效故障模式断开断开被动/被动模式总功率损失锁定断开被动/制动模式高转矩路径功率损失断开锁定制动/被动模式高速率路径功率损失插通锁定插通/制动模式锁定插通制动/插通模式 1 1 高速率模式谐波齿轮内卡阻 1 -1 高转矩模式锁定 1 高速率路径制动模式高速率路径内卡阻 1 锁定高转矩路径制动模式高转矩路径内卡阻锁定锁定制动/制动模式

因而在正常运行期间，致动器可通过有选择地应用制动器和/或在各个状态之间转换电机，而在表2所示的任一工作模式之间转换。在卡阻或断电情况下，致动器以等效故障模式运行。
被动/被动模式
在该模式中，致动器的输出为可完全反向驱动。当两个直流总线均有故障或者供电电缆被切断时，实施等效故障模式。在该模式中系统可被反向驱动。当航空器在地面上进行牵引时可采用这种模式。
被动/制动(制动/被动)
在这两个模式中，致动器输出为可完全反向驱动。当在制动通路中发生机械卡阻时，实施等效故障模式。在被动自由路径中存在惯性阻尼。
插通/制动(制动/插通)模式
在这两个模式中，自由电机短路，并提供作为速率的函数的阻尼力。每个电机可设置有储如功率电阻器(未示出)的接收器，以吸收这两个模式的再生功率。这两个模式中的任一模式均可用于航空器着陆，以提供所谓的“减摆”。在等效故障模式中，在制动通路中发生了机械卡阻。也可采用另外的插通/插通模式(未在表2中示出)作为减摆的可选模式。
高速率模式
在该模式中，谐波齿轮被用作1∶1的变速器，换句话说，刚轮11与波发生器17一起旋转。因而不存在力抵抗的风险。等效故障模式是谐波齿轮内的卡阻故障。在该故障模式中，系统保持其从两个输入电机直接接受力矩的能力。然而，在该故障模式中，两个变速器限制成相互旋转，并且两变速器之间的扭转错配可导致形成抵抗以及热电负荷。
高转矩模式
在该模式中，对两条传动路径所施加的功率符号相反，并且采用差动传动比。因而不存在等效故障模式。
高速率路径制动模式
在该模式中，采用全差动传动比。致动器以降低了的速率运行，但是通过谨慎选择传动比，致动器将保持100％的转矩输出有效性。在等效故障模式中，高速率路径中存在卡阻。
高转矩路径制动模式
在该模式中，采用全差动传动比。致动器以降低了的速率运行，但是通过谨慎选择传动比，致动器将保持100％的转矩输出有效性。在等效故障模式中，高转矩路径中存在卡阻。
制动/制动模式
在所述实施方式中，适当大小的制动器将足以确保该系统不会反向驱动。
高速率部件(即电机5、变速器6至10以及制动器4)必须能够支撑全负载转矩，因为它们与高转矩路径并联。这防止了在大负荷下运行时高速率部件被高转矩部件超越(overhaul)。
图1所示的致动器1利用柔轮18作为输出构件。因而，在高速率路径(包含刚轮11)锁定时，传动比为-R。类似地，在高转矩路径(包含波发生器17)锁定时，传动比为R/R+1。
如果致动器被反向驱动(在柔轮18变为输入构件的情况下)，那么在刚轮11锁定时，传动比为-1/R，在波发生器17锁定时，传动比为(R+1)/R。
在可选的变速器布置(未示出)中，可将制动器设置成锁定柔轮18。这提供了另外两种可能：
·在刚轮11作为输入部件，而波发生器17作为输出构件的情况下，传动比为1/R+1；以及
·在波发生器17作为输入部件，而刚轮11作为输出构件的情况下，传动比为R+1。
制动器4、12的大小使得它们相应的电机5、13在故障情况下可穿过制动器4、12。
注意，两个变速器都可反向驱动。
在反转模式或故障模式中，致动器在给定应用中通常会提供全转矩能力，但可实现速率的降低通常也是能够接受的。
图5示出了致动器的两条负载路径的负荷速率能力。(图5示出了在另一2∶1的斜齿轮减速比之前输出构件的能力)。根据电源电压，电机速率可能必须受到人工限制，因为变速器和制动器部件对于它们的容许角速度具有物理上限。
注意，由于谐波齿轮作为差动齿轮，因而通过结合两条负载路径的输入，可以有效地实现高速率路径能力所具有的全部负荷和速率。
在两个高压直流总线30、31故障的情况下，可提供28V的应急总线44来操作致动器1。设想在应急总线操作期间，明显的性能降低也是可接受的。图6示出了以额定电压28V操作期间负载路径负荷与速率的能力。系统在速率达至0.9度/秒以及在空载峰值速率为4度/秒时能够达到峰值转矩状态。阻尼模式和自由脚轮模式仍完全可用。
在正常的转向条件下，两个电机在高速率模式与高转矩模式的极值情况之间的某些点处，将根据控制规律被同时驱动。控制规律在正常条件下会在限定的最佳工作指标情况下操作。例如，该系统可被控制成使电机最小或通过控制各电机输入的功率来提供电流。
制动器4、12可由双稳态式装置取代。
还存在以下阻尼时机：制动高速率电机5，并使高转矩电机13短路或插通，从而在高速率电机5处形成大规模机械效益。初步估算表明能够产生80kNms/rad的阻尼率(假定为零磁差(magnetic slip))。这也被认为对于大多数的阻尼要求更加有效。
已提出了重量轻、故障容错的机电致动器的概念，其通常具有以下设计优点：
1.非常高的功率与重量比。
2.充分的机械冗余度与卡阻公差。
3.无潜在故障模式。
4.主要传动路径相异(电机与变速器可以为不同类型，而尺寸当然也不同)。
5.在正常情况下不可能抵抗致动力。
6.制动器批量制造费用很低。
7.转矩/速率特性连续可变且范围广。
8.由于反向驱动状况而损坏的可能性降低。
9.在正常模式中可自由反向驱动(不增加用于该功能的附加部件)。
10.最初故障之后设计内固有的迹线失效。
11.电系统冗余，具有三重或四重构造机会。
12.支撑航空器结构内的范围灵活。
13.非常高的阻尼能力。
14.在各种不同的工作电压下操作。
尽管以上已经参照一个或多个优选实施方式描述了本发明，但是应理解的是，在不偏离所附权利要求中限定的本发明范围的情况下可做出各种变化或改变。