МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОВОРОТА НОСОВОЙ ОПОРЫ ШАССИ САМОЛЕТА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
MULTI-MOTOR ELECTRIC DRIVE FOR TURNING NOSE LANDING GEAR AND OPERATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к авиастроению, а именно к конструкциям шасси самолета.
Известна носовая опора шасси, на неподвижной относительно вертикальной оси части стойки которой установлен электропривод поворота штока с поперечной осью и колесами (патенты GB №2511856 от 15.03.2013, US №8752790 от 29.04.2009, US №8177160 от 31.03.2009, RU №2485015 от 06.04.2010). На выходном валу электродвигателя имеется шестерня, взаимодействующая с зубчатым колесом, закрепленным на штоке амортизатора (GB №2511856) непосредственно или через управляемую муфту (RU №2485015, US №8177160). Зубчатое колесо может быть входным звеном волнового или планетарного (US №8177160) редуктора (US №8752790).
Известные электроприводы поворота носовой опоры шасси имеют ряд существенных недостатков: при одноступенчатых зубчатых передачах электродвигатель должен иметь низкую частоту вращения ротора и, следовательно, большие габариты и массу; при безмуфтовом приводе зубья зубчатой передачи подвержены интенсивному износу и поломкам под воздействием вибраций (шимми) колес при посадке и взлете самолета, и при наличии муфты существенно возрастают габариты зубчатого редуктора; при двухступенчатом редукторе одна из ступеней которого является зубчатой волновой, поэтому понижается надежность электропривода.
Известен многодвигательный электропривод с зубчатым и волновым редукторами (патент US №8117945 от 26.09.2005), имеющий корпус с несколькими закрепленными на корпусе электродвигателями, на выходных валах которых установлены зубчатые шестерни, взаимодействующие с зубчатым колесом первой ступени зубчатого редуктора, на ступице которого установлено зубчатое колесо второй ступени зубчатого редуктора, которое взаимодействует с зубчатыми шестернями, закрепленными на входных валах с эксцентриками, размещенными внутри колеса эксцентриково-циклоидальной волновой передачи, к главному валу которой подсоединяется приводимый объект [патент US №8117945, фиг. 1с]
Недостатки данного многодвигательного электромеханического привода - в его сложности, значительных габаритах и невысокой надежности двухступенчатого зубчатого редуктора, а также в отсутствии механизма, позволяющего отключать многодвигательный электропривод от главного вала для его свободного вращения.
Известно эксцентриково-циклоидальное внутреннее или внешнее зацепление составных зубчатых профилей (патент RU №2385435 от 22.12.2008), состоящее из нескольких смещенных по фазе относительно друг друга колес с циклоидальным венцом, взаимодействующим с эксцентриковым валом с числом эксцентриков, равным числу колес. Каждый эксцентрик является цилиндрическим и имеет подшипник, установленный на эксцентрично смещенный участок общего вала. Вал приводится во вращение от одного двигателя любого типа, в том числе электродвигателя.
Недостаток электромеханического привода с редуктором, имеющим описанное зацепление, - сложность конструкции зацепления, высокая трудоемкость изготовления и пониженная надежность, обусловленная отсутствием резервирования электроприводов.
Известен многодвигательный электропривод поворота носовой опоры самолета (патент US №7854411 от 22.08.2006, прототип), включающий два электродвигателя, каждый из которых соединен с зубчатым редуктором первой ступени и с зубчатым волновым редуктором второй ступени, выходной вал которого соединен через управляемую муфту с зубчатой шестерней, взаимодействующей с зубчатым колесом, размещенным внутри корпуса, закрепленного на поворотной колонне носовой опоры шасси.
Недостатком известного многодвигательного электропривода является сложность и пониженная надежность трехступенчатого зубчато-волнового редуктора с включенной между второй и третьей ступенями управляемой зубчатой муфтой, имеющего пониженную надежность в условиях шимми-эффекта, возникающего при движении самолета по взлетно-посадочной полосе.
Известны система и устройство многодвигательного следящего безредукторного электропривода (заявка US №2014/0097859 от 12.12.2013), включающие:
- множество электродвигателей, каждый с датчиком углового положения вала и определителем скорости его вращения;
- множество блоков управления электродвигателями, каждый из которых обеспечивает подачу электрического тока каждому электродвигателю;
- микропроцессорные средства управления, образующие главный блок (контроллер), соединенный с множеством блоков управления электродвигателями и с датчиками положения валов электродвигателей, выдающий команды блокам управления электродвигателями в соответствии с заданными параметрами и положением валов.
В данной системе исключается соединение блоков управления с электродвигателями, не соответствующее заданному главным блоком управления.
В описании данного изобретения отсутствуют данные о работе множества электродвигателей на общий вал.
Известен многодвигательный электропривод, включающий несколько одинаковых по мощности электроприводов (патент RU №2326488 от 24.10.2006). Каждый электропривод включает электродвигатель, передаточный механизм (мультипликатор момента), датчик скорости вращения и угла поворота ротора электродвигателя, задатчик текущей угловой скорости и регулятор скорости вращения ротора электродвигателя, соединенные с микропроцессорными средствами управления в виде блока управления моментом электродвигателя и силового преобразователя, подключенного к обмоткам электродвигателя и соединенного с блоком управления. В данном многодвигательном электромеханическом приводе не раскрыта конструкция главного передаточного механизма от выходных валов электроприводов на главный вал, соединенный с объектом нагрузки, отсутствуют средства отсоединения множества электроприводов от главного вала для его свободного вращения.
Известен способ выработки команд для управления поворотом носовой опоры шасси самолета (US №2014/0156113 от 27.02.2013). Способ регламентирует сервоуправление двигателем для поворота носовой опоры на вычисляемый компьютером предельный угол, зависящий от скорости движения самолета и его длины.
Известен способ, включающий последовательность действий, связанных с управлением носовой опорой шасси самолета в процессе его передвижения по аэродрому (US №2011/0046819 от 07.10.2008). В способе предписывается определение углового положения носовой опоры на основе сигналов, поступающих от датчика углового положения к компьютеру, определение параметров углового перемещения носовой опоры и передвижения самолета, ограничение времени обработки данных, выдачи сигналов управления и информации для пилота.
Описанные способы не учитывают типа привода поворота носовой опоры шасси и особенности конструкции привода, влияющие на выполнение команд, вырабатываемых системой управления.
Известен способ работы многодвигательного электромеханического привода с вентильными электродвигателями с датчиками положения ротора (http://www.kaskod.ru/product/motorsrm/srm_article01/) с микропроцессорным блоком управления, электронным коммутатором и электромеханическим преобразователем, включающий:
- пуск МЭМП по сигналам, подаваемым ГБУ в блоки управления следящих электроприводов в соответствии с алгоритмами, заложенными в программы управления;
- разгон и торможение приводимого объекта с необходимым ускорением по программе, задаваемой ГБУ и выдаваемым сигналам, преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов;
- отслеживание углового положения главного выходного вала и приводимого объекта по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов;
- остановка всех электродвигателей и приводимого объекта в заданном ГБУ угловом положении валов по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов;
- изменение направления вращения главного вала с приводимым объектом по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов.
В данном способе работы многодвигательного электромеханического привода не предусмотрена возможность свободного вращения главного вала с приводимым объектом.
Техническая задача изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности многодвигательного электропривода поворота носовой опоры самолета.
Техническая задача решена в многодвигательном электроприводе поворота носовой опоры шасси самолета, состоящей из неподвижной части стойки и подвижной части стойки со штоком с поперечной осью и закрепленным на ней, по меньшей мере, одним колесом, который содержит:
- корпус многодвигательного привода поворота подвижной части стойки, закрепленный на неподвижной части стойки;
- несколько электроприводов с электродвигателями с редукторами, закрепленные на корпусе так, что оси электроприводов параллельны продольной оси носовой опоры, выходные валы редукторов имеют средства зацепления с цилиндрическим зубчатым колесом, установленным на подвижной части стойки;
- датчик углового положения штока относительно стойки;
- блоков управления следящими электроприводами;
- главного блока управления, соединенного интерфейсной шиной с датчиком углового положения подвижной части стойки и с блоками управления следящими электроприводами, при этом
- каждый электродвигатель следящего электропривода является бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
- количество следящих электроприводов не менее трех;
- редуктор каждого следящего электропривода является волновым с телами вращения;
- выходной вал каждого следящего электропривода имеет датчик углового положения, соединенный интерфейсной шиной с блоком управления соответствующего следящего электропривода и с главным блоком управления;
- цилиндрическое зубчатое колесо имеет зубья, образованные циклоидальной поверхностью;
- каждый выходной вал следящего электропривода является эксцентриковым с одним цилиндрическим эксцентриком и установленным на нем подшипником качения, взаимодействующим при вращении выходного вала с зубьями, образованными циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса, при этом оси выходных валов размещены на окружности, радиус которой определяется по зависимости:
e
max
п
R=R-e±r,
e
где R - радиус окружности, на которой размещены оси валов следящих электроприводов, описанной относительно оси подвижной части стойки носовой опоры;
max
R - радиус окружности, на которой расположены вершины зубьев или впадины колеса соответственно внешнего (фиг. 7, 8) или внутреннего (фиг. 4, 5) эксцентриково-циклоидального зацепления, описанной относительно оси подвижной части стойки носовой опоры;
e - эксцентриситет цилиндрического эксцентрика;
п
r - внешний радиус подшипника качения, установленного на цилиндрическом эксцентрике;
п
+r - для внешнего эксцентриково-циклоидального зацепления;
п
-r - для внутреннего эксцентриково-циклоидального зацепления.
-1
Для уменьшения габаритов электропривода частота вращения ротора каждого электродвигателя находится в интервале 7000…100000 мин, а волновой редуктор с телами вращения имеет от одной до трех ступеней.
Для повышения надежности многодвигательного электропривода путем резервирования он имеет четыре следящих электропривода, закрепленных на корпусе попарно на осевых линиях, расположенных под углом ±45° к направлению движения самолета на противоположных сторонах от оси носовой опоры.
Технический эффект достигается при способе работы многодвигательного электропривода носовой опоры шасси самолета, включающем:
- пуск следящих электроприводов после посадки самолета по сигналу, поступающему в ГБУ от системы управления самолетом в соответствии с заданной скоростью самолета и алгоритмом, заложенным в программу управления;
- выполнение поворота штока с колесами при рулежке по сигналам, поступающим от ГБУ в блоки управления следящих электроприводов, и преобразуемым в них, в процессе отслеживания углового положения штока с колесами и выходных валов следящих электроприводов;
- вывод выходных валов следящих электроприводов из зацепления с зубчатым колесом и остановку всех следящих электроприводов в заданном ГБУ угловом положении выходных валов по сигналам, поступающим от ГБУ и преобразуемым в блоках управления следящих электроприводов; при этом
- пуск следящих электроприводов для рулежки после посадки или перед взлетом самолета и достижения заданной скорости по сигналу, поступающему в ГБУ на определение углового положения выходных валов электроприводов, формирование и подачу от блоков управления последовательности управляющих сигналов для установки каждого из выходных валов поворотом в заданное взаимное угловое положение линий симметрии эксцентриков при вводе в зацепление с зубьями, образованными циклоидальной поверхностью зубчатого колеса;
- поворот подвижной части стойки со штоком на заданный угол при рулежке после посадки или перед взлетом осуществляется при поддержании заданного взаимного углового положения линий симметрии эксцентриков всех следящих электроприводов в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе ГБУ;
- вывод следящих электроприводов из зацепления с зубчатым колесом при буксировке самолета осуществляется остановкой всех следящих электроприводов в заданном угловом положении их выходных валов по сигналу от ГБУ в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, для занятия центрами всех эксцентриков положения на радиальных линиях, соединяющих ось зубчатого колеса с осью вала каждого следящего электропривода.
Технический эффект - упрощение конструкции и повышение надежности многодвигательного электропривода поворота носовой опоры самолета - обеспечивается следующей совокупностью отличительных признаков:
- каждый электродвигатель следящего электропривода является бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
- количество следящих электроприводов не менее трех;
- редуктор каждого следящего электропривода является волновым с телами вращения;
- выходной вал каждого следящего электропривода имеет датчик углового положения, соединенный интерфейсной шиной с блоком управления соответствующего следящего электропривода и с главным блоком управления;
- цилиндрическое зубчатое колесо имеет зубья, образованные циклоидальной поверхностью;
- каждый выходной вал следящего электропривода является эксцентриковым с одним цилиндрическим эксцентриком и установленным на нем подшипником качения, взаимодействующим при вращении выходного вала с зубьями, образованными циклоидальной поверхностью цилиндрического зубчатого колеса, при этом оси выходных валов размещены на окружности, радиус которой определяется по зависимости:
e
max
п
R=R-e±r.
-1
Для уменьшения габаритов электропривода частота вращения ротора каждого электродвигателя находится в интервале 7000…100000 мин, а волновой редуктор с телами вращения имеет от одной до трех ступеней.
Для повышения надежности многодвигательного электропривода путем резервирования он имеет четыре следящих электропривода, закрепленных на корпусе попарно на осевых линиях, расположенных под углом ±45° к направлению движения самолета на противоположных сторонах от оси носовой опоры.
Технический эффект достигается при способе работы многодвигательного электропривода носовой опоры шасси самолета по п. 1, включающем:
- пуск следящих электроприводов для рулежки после посадки или перед взлетом самолета и достижения заданной скорости по сигналу, поступающему в ГБУ на определение углового положения выходных валов электроприводов, формирование и подачу от блоков управления последовательности управляющих сигналов для установки каждого из выходных валов поворотом в заданное взаимное угловое положение линий симметрии эксцентриков при вводе в зацепление с зубьями, образованными циклоидальной поверхностью зубчатого колеса;
- поворот подвижной части стойки со штоком на заданный угол при рулежке после посадки или перед взлетом осуществляется при поддержании заданного взаимного углового положения линий симметрии эксцентриков всех следящих электроприводов в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе ГБУ;
- вывод следящих электроприводов из зацепления с зубчатым колесом при буксировке самолета осуществляется остановкой всех следящих электроприводов в заданном угловом положении их выходных валов по сигналу от ГБУ в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, для занятия центрами всех (от 1 до n) эксцентриков положения на радиальных линиях, соединяющих ось зубчатого колеса с осью вала каждого следящего электропривода.
Данная совокупность отличительных признаков не обнаружена в ходе проведенного патентно-информационного поиска, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Данная совокупность отличительных признаков не следует явно из уровня техники, поэтому изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показана носовая опора самолета с многодвигательным электроприводом поворота.
На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.
На фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 2 (при внутреннем эксцентриково-циклоидальном зацеплении).
На фиг. 4 - сечение С-С на фиг. 3 (эксцентрики в состоянии зацепления с зубчатым колесом).
На фиг. 5 - сечение D-D на фиг. 4 (эксцентрики выведены из зацепления с зубчатым колесом).
На фиг. 6 - сечение В-В на фиг. 2 (при внешнем эксцентриково-циклоидальном зацеплении).
На фиг. 7 - сечение Е-Е на фиг. 6 (эксцентрики в состоянии зацепления с зубчатым колесом).
На фиг. 8 - сечение Е-Е на фиг. 6 (эксцентрики выведены из зацепления с зубчатым колесом).
На фиг. 9 - блок-схема системы управления поворотом носовой опоры шасси.
Многодвигательный электропривод поворота носовой опоры 1 шасси самолета (фиг. 1-9) состоит из:
- неподвижной части 2 стойки 3 (фиг. 1, 2) и подвижной части 4 стойки 3 со штоком 5 с поперечной осью 6 и закрепленным на ней, по меньшей мере, одним колесом 7;
- корпуса 8 многодвигательного привода 9 поворота подвижной части 4 стойки 3, закрепленного на неподвижной части 2 стойки 3;
- датчика 10 (фиг. 3) углового положения подвижной части 4 стойки 3 относительно неподвижной части 2;
- четырех следящих электроприводов 11 (фиг. 1, 2, 9) с блоками управления 12 (фиг. 9), с бесколлекторными электродвигателями 13 постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и с волновыми редукторами 14 (фиг. 3, 6) с телами вращения, закрепленных на корпусе 8 так, что оси электроприводов параллельны продольной оси носовой опоры 1, выходные валы 15 редукторов 14 являются уравновешенными выходными валами следящих электроприводов 11 и имеют средства зацепления в виде выполняющих роль однозубой шестерни цилиндрических эксцентриков 16 с закрепленным на подвижной части 4 стойки 3 цилиндрическим зубчатым колесом 17, зубья 18 которого (фиг. 4, 5, 7, 8) образованы циклоидальной поверхностью 19 (гипо-циклоидальной для внутреннего зацепления, фиг. 4, 5 и эпициклоидальной - для внешнего зацепления, фиг. 7, 8), а количество зубьев 18 равно или более семи. Так как передаточное отношение такой передачи равно числу зубьев, то при меньшем количестве зубьев эксцентриково-циклоидального зацепления можно использовать зубчатую передачу с эвольвентным зацеплением. Датчики 20 углового положения выходных валов 15 соединены интерфейсной шиной 21 (фиг. 9) с блоками управления 12 соответствующих следящих электроприводов 11, а каждый электродвигатель 13 имеет собственный датчик 13а углового положения ротора (фиг. 3, 6) соединенный с блоком управления 12;
- на цилиндрическом эксцентрике 16, имеющем симметрию относительно линии 16а (фиг. 4, 7) каждого выходного вала 15 следящего электропривода 11 установлен подшипник качения 22 (фиг. 3-8), взаимодействующий при вращении выходного вала 15 с зубьями 18, цилиндрического зубчатого колеса 17, при этом оси выходных валов 15 размещены на окружности, радиус которой определяется по зависимости (фиг. 4, 7):
e
max
п
R=R-e±r,
e
где R - радиус окружности, описанной относительно оси стойки 3, на которой размещены оси выходных валов 15 следящих электроприводов 11;
max
R - радиус окружности, описанной относительно оси главного вала, на которой расположены вершины зубьев 18 колеса 17 внутреннего эксцентриково-циклоидального зацепления (фиг. 4, 5) или впадины колеса 17 внешнего эксцентриково-циклоидального зацепления (фиг. 7, 8);
e - эксцентриситет цилиндрического эксцентрика 16;
п
r - внешний радиус подшипника 22 качения, установленного на цилиндрическом эксцентрике 16;
п
-r - для внутреннего эксцентриково-циклоидального зацепления (фиг. 4);
п
+r - для внешнего эксцентриково-циклоидального зацепления (фиг. 7);
Система управления многодвигательным электроприводом имеет главный блок управления 23 (фиг. 9), соединенный интерфейсной шиной 24 с датчиком 10 углового положения подвижной части 4 стойки 3 и с блоками управления 12 следящими электроприводами 11.
Для повышения надежности многодвигательного электропривода путем резервирования он имеет четыре следящих электропривода 11, закрепленных на корпусе 8 попарно на осевых линиях, расположенных под углом ±45° (фиг. 2) к направлению движения самолета на противоположных сторонах от оси носовой опоры 1.
-1
Для уменьшения габаритов электроприводов 11 частота вращения ротора каждого электродвигателя 13 находится в интервале 7000…100000 мин, а волновой редуктор 14 с телами вращения имеет от одной (фиг. 3, 6) до трех ступеней (не показаны). Результирующее передаточное отношение волнового редуктора и эксцентриково-циклоидальной передачи может достигать при одноступенчатом волновом редукторе - 1200, при двухступенчатом - 30000, при трехступенчатом - 100000, что позволяет существенно уменьшить габариты многодвигательного электропривода.
Способ работы многодвигательного электропривода носовой опоры 1 шасси самолета включает:
- пуск следящих электроприводов 11 для рулежки после посадки или перед взлетом самолета и достижения заданной скорости (в интервале 20…40 км/час) по сигналу, поступающему от ГБУ 23 (фиг. 9) на определение углового положения выходных валов 15 с помощью датчиков 20, формирование и подачу от блоков управления 12 последовательности управляющих сигналов для установки поворотом каждого из выходных валов 15 в заданное взаимное угловое положение линий 16а симметрии эксцентриков 16 (фиг. 4, 7) при вводе из нейтрального положения (фиг. 5, 8) в зацепление с зубьями 18, образованными циклоидальной поверхностью 19 зубчатого колеса 17;
- поворот подвижной части 14 стойки 3 со штоком 5 и колесами 7 на заданный угол (меньший ±80°) при рулежке после посадки или перед взлетом осуществляется по сигналам, поступающим от ГБУ 23 в блоки управления 12 следящих электроприводов 11 и преобразуемым в них, в процессе отслеживания углового положения подвижной части 4 стойки 3 относительно неподвижной части 2 и выходных валов 15 следящих электроприводов 11 при сохранении взаимного углового положения линий 16а симметрии эксцентриков 16 (фиг. 4, 7) всех следящих электроприводов 11 в соответствии с алгоритмом, заложенным в программе ГБУ 23;
- вывод эксцентриков 16 из зацепления с зубчатым колесом 17 при буксировке самолета осуществляется поворотом всех следящих электроприводов 11 до заданного углового положения их выходных валов 15 по сигналам, поступающим от ГБУ 23 и преобразуемым в блоках управления 12 следящих электроприводов 11 в соответствии с программой управления, задаваемой алгоритмом, до занятия центрами 16b всех (от 1 до n) эксцентриков 16 положения на радиальных линиях 25 (фиг. 7, 8), соединяющих ось зубчатого колеса 17 с осью выходных валов 15 каждого следящего электропривода 11.
Предложенная конструкция многодвигательного электромеханического привода позволяет снизить габариты и массу электропривода поворота стойки шасси за счет использования высокооборотных малогабаритных вентильных электродвигателей при повышении надежности, так как современные вентильные электродвигатели, волновые редукторы и системы микропроцессорного управления электроприводами весьма надежны.