现场可更换制动器的制作方法

本发明涉及一种用于致动器或发动机的制动系统。更具体地，本发明涉及一种用于致动器或发动机的现场可更换的模块化制动系统。

背景技术：

在越来越多的系统中会使用到大量的机电致动器。很多此类系统包括制动元件，其用于停止致动器以及在停止时从一个方向防止致动器部件的运动。

取决于致动器的使用情况，制动元件由于磨损可能是最先需要更换的。然而，这是难以预测和确定的。对磨损或损坏的验证常常需要从相关的系统卸下致动器，并随后对致动器进行拆解以便接近制动元件。而这是一种会导致系统停机时间延长的耗时的过程。在被拆解开时，制动元件和/或致动器可能暴露于异物碎片和/或可能成为异物碎片的来源。这些污染物可能给致动器或与之相关的系统以及其他的系统——比如交通工具(例如飞机)——带来重大的风险。

致动器通常是为特定的系统设计的，或者被开发成具有低影响的形状因数，从而最大化其中能够整合此类致动器的系统的数量。此外，整合致动器的系统必须包括机械的和电气的接口，从而对致动器进行耦接、供电和利用。由于专门的布置或者占用空间很小的配置形式，致动器——甚至其元件，比如制动子系统——的重新设计可能给设计人员带来很大的问题。

因此，在降低维护难度的同时能与现有系统共同使用的制动系统将是有益的。

技术实现要素：

本发明在很大程度上满足了上述需求，其中，在本发明的一个方面中公开了一种现场可更换制动器。

根据一个方面，致动系统包括：具有一体式制动器壳体的模块化的制动部件，其被配置成要安装至发动机，其中一体式制动器壳体被环境密封；在一体式制动器壳体内的驱动联轴器(drivecoupling)，其被配置成与发动机的输出轴机械地耦接；布置在一体式制动器壳体内的一个或多个制动盘，其被配置成在接合时对驱动联轴器的运动进行制动；以及，在一体式制动器壳体内的电枢，其被配置成将一个或多个制动盘与驱动联轴器接合或去接合。

根据一个方面，一种用于实现致动系统的方法包括：提供具有一体式制动器壳体的模块化的制动部件，其被配置成要安装至发动机；提供在一体式制动器壳体内的驱动联轴器，其被配置成与发动机的输出轴机械地耦接；通过在一体式制动器壳体中的窗口可视地检查制动元件；确定制动元件受磨损；释放不松脱硬件元件，从而将模块化的制动部件从发动机拆除；以及，将新的或被翻新的模块化的制动部件安装至发动机。

以上已经概括性地阐释了本发明的某些方面，以便能够更好地理解在本文中所记载的对本发明的详细说明，以及更好地领会本发明对现有技术的贡献。当然，本发明的其他部分将在下面进行描述，并且其构成所附权利要求的主题。

在这方面，在详细说明本发明的至少一个方面之前，应当理解的是，本发明并不将其应用局限于在以下说明书中阐述的或在附图中示出的具体结构或组件排布。本发明还能够包括除已描述的方面之外的方面，并且以各种方式来实现和执行。另外，还应理解的是，本文以及摘要中所使用的措辞和术语都是出于描述的目的，并且不应被视为是限制性的。

由此，本领域技术人员将认识到的是，本发明所基于的概念被方便地作为设计用于实现本发明的多个目的的其他结构、方法和系统的基础来使用。因此重要的是，权利要求被视为包括不偏离本发明的精神和范围的等同结构。

附图简述

图1示出了包括本文公开的现场可更换制动单元的致动器的示例性方面。

图2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g和2h示出了本文公开的现场可更换制动单元的示例性方面。

具体实施方式

此处，本发明是关于一种现场可更换制动器，其包括致动器的制动器模块之前无法获得的方面。

所公开的现场可更换制动器在各方面与各种传统的致动器相兼容。由于例如与尺寸、形状、重量、接口等等有关的参数，在多种用于使用中的系统的发动机无法被重新设计，以具有一体化的制动器并且满足新的和/或更多的需求而不必对整个系统进行大幅的调整。相应地，其可能有利于兼容的被改进的组件或模块以符合现有的机械接口、电接口和其他接口。兼容的组件还可避免干扰其他操作，所述干扰可能在添加新的电子设备或磁体或者重量或尺寸增大时发生。在许多系统中，此类约束限制了对子组件——比如致动器和/或相关的制动器——的形状因数或操作进行巨大调整的可能性。

无法方便地重新配置系统的子组件可能会导致效率低下。在传统的系统中，如果一个组件或模块具有短于该发动机或系统中的其他元件的使用寿命，那么即使在其他组件还能使用时仍可能需要使整个系统离线并且进行拆解以更换受磨损的部件。例如，未使用所公开的现场可更换制动器的系统可利用一体化的制动器，其不能够作为模块化的“附件”被拆除和重新安装，并且无法在不卸下和拆解整个致动器的情况下进行检查。因为难以预测此类子组件何时需要维修或者发生故障，所以要制定非定期的维护计划并且频繁地过早卸下子组件。如果在需要较大系统时要将子组件拆除或者子组件发生故障，则可能导致严重的组织结构的中断。

在一个具体的示例中，所描述的发动机可为飞机中的表面控制致动器。飞机包括各种致动器，这些致动器中的一些被用作备用的致动器并且在不需要时进行反向驱动。然而，如果飞机被更新和重新设计，此类致动器可被重新调整用途作为(用于进行控制的)主要驱动系统，比如在飞行期间调平(trim)表面的驱动系统。被重新调整用途的致动器可包括制动器，该制动器在运行时可停止致动器并且保持驱动位置直至脱离接合为止。由于制动器最初被设计为用于备用致动器的故障安全(fail-safe)制动器，新的用途或应用可能会使制动器有多倍于以最初设想的用途或应用为基础所预计的占空比。由于占空比的增加和较高的工作温度(由于占空比不允许热量完全散发)会导致磨损率增大。

这种过度的磨损会导致系统功能出现大量问题。例如，当制动元件受磨损时，致动器和相关的驱动装置会有：过度的滑行和/或位置误差(例如在已发信号停止时驱动装置仍继续旋转)，低的保持扭矩和/或在所耦接的元件中的位置漂移(例如在被制动时，驱动装置无法保持固定以及固定相关的组件)，以及，高的释放电压(例如需要更大的功率将制动器去接合，这可能是由于例如制动器中的气隙超过电磁力在普通电压下能够去接合的气隙)。在不具有所公开的现场可更换制动器的系统中，对磨损的检查需要将致动器从飞机卸下并将其放在地上。如果制动系统无法工作，则维修人员要拆解致动器以便更换受磨损的部分。而这会延迟致动器的重新安装，并使得一体化的制动器、致动器、其他元件、与致动器相关的飞机以及其他飞机暴露于异物碎片的风险中。

为了解决这些问题，开发了本发明所公开的现场可更换制动器，其可应用于任何利用了此类制动器(例如故障安全制动器)的发动机。该新型制动器的一些方面包括允许查看制动元件以进行现场检查的窗口。该窗口可与制动器电枢和制动器核(brakecore)对齐，从而能够轻松地检查制动盘/垫的磨损。其他方面则包括现场可更换制动器和制动模块的环境密封，以及现场可更换制动器利用不松脱硬件和相匹配的安装特征部从而进行快速且无污染的拆卸和安装。其他方面可包括使用专门的轴承和锁定螺帽以保持现场可更换制动器驱动装置的预设位置从而加快安装到发动机上的速度。

本发明还提供了方便且快速地拆卸和更换制动器而没有异物碎片风险的可能性。在航空业，异物碎片(fod：foreignobjectdebris)是指有可能对交通工具或系统造成损害的任何物质、碎片或外来物。对现代喷气式发动机而言，即使仅仅是很小的物体被吸入发动机中都可能对其造成严重的破坏。在国际上，fod每年为航空业产生了合计130亿美元的直接和间接成本。其中，间接成本十倍于直接成本的价值，这表示延误、换机、由此带来的燃料成本、计划外的维护等等会导致对飞机及其零部件造成成本高昂且严重的破坏，以及会导致工作人员、飞行员和乘客的伤亡。

已经确定本发明所公开的现场可更换制动器是——在无需从飞机上卸下致动器总成的情况下——实现满足使用寿命的设计要求的目的的最佳方案。而其他解决方案——比如使用电子设备——也会增加更大的重量、围护结构、成本、设计风险、维护计划以及导致有所降低的可靠性。此外，本发明还解决了以下问题，即消除了为了进行制动器维修而从飞机上卸下致动器的需求。

本发明所公开的现场可更换制动器使得能够通过通道(比如窗口)检查制动器的磨损，而无需从飞机卸下制动器总成或者整个表面控制致动器。本发明还提供了监控磨损的能力，其防止了制动器故障和飞机停机，为“飞机操作人员”节省了大量的时间和成本，同时又满足了这些挑战性要求的所有目标。

正如在本文中详细描述的，本发明实现了摩擦材料的优化使用，同时降低了发生制动器故障的可能性，这是通过相比于传统的盖包封式制动器设计而言增加了检查通道来实现的。通过包封(密封)制动器并提供不松脱的安装硬件，本发明还降低了将任何fod引入到表面控制致动器或飞机中的风险。

尽管本发明的一些方面是结合致动器或发动机描述的，但此类组件在本发明所公开的所有系统中并非是必需的，并且其他的组件可存在于其他的系统中。在一些方面，可更换制动器模块可配有与致动器、发动机或其他元件的机械接口(例如变速箱)，而无需包括致动器、发动机或其他元件。

现在将参考附图对本发明进行描述，在所有附图中相同的附图标记指示相同的部件。

图1示出了一个示例性的致动器100，其包括现场可更换制动器200。图1仅用于提供上下文参考，而不应当被视为对所示致动器100的模型、所示现场可更换制动器200的模型，和/或应用、形状因数或二者的规格进行限制。

该示例性的致动器100可包括三相交流电感应发动机、两级行星齿轮系、扭矩限制器和电磁离合器(例如28伏直流离合器)。然而，还可考虑致动器100的其他实现方式，其包括不同工作功率、不同发动机、不同传动类型等等中的一个或多个。然而，致动器可具有更少或更多个如上所述的组件。致动器还可包括致动器输出。致动器输出可被配置成进行旋转运动、线性运动或其他运动。在一方面，致动器输出可为旋转轴，其可包括花键表面。致动器100还可包括电连接，其用于向致动器100提供控制和/或电力。在一方面，致动器100还可包括电连接，其用于向致动器100和现场可更换制动器200提供控制和/或电力。在一方面，电连接可包括用于容纳插头的插座。在一方面，致动器100还可包括在其一端上的安装法兰。致动器100的相对端可以是自由端，其能够由维修人员自由接近。该安装法兰可包括安装孔，其被配置成接收机械紧固件，其用于将致动器100附接到飞机系统。在一方面，致动器100可被配置成致动用于飞机的飞机组件。在一方面，致动器100可被配置成致动飞机的飞行表面。在一方面，致动器100可被配置成致动飞机的飞行表面，其中包括副翼、升降机、前缘襟翼、前缘槽、地面扰流板、内侧襟翼、内侧副翼、舷内副翼片、舷外襟翼、平衡片、舷外副翼、飞行扰流板、调平片、板条、空气制动器、升降机调平片、控制杆、方向舵调平片、副翼调平片等等中的一个。

现场可更换制动器200能够为一体化的机电故障安全制动器。正如所建议的一样，故障安全制动器被用于按照指令及时停止发动机从而到达某一位置，或者在发生故障的情况下以其他方式将输出元件(例如驱动轴)保持给定的方向、位置和/或旋转角。在一方面，现场可更换制动器200被配置成可从致动器100方便地卸下以便进行更换。特别地，现场可更换制动器200可被配置成具有模块化的结构。在一方面，该模块化的结构可被配置成单个组件，其可从致动器100方便地卸下并且根据需要更换成新的或被翻新的现场可更换制动器200。在一方面，现场可更换制动器200可被附接到致动器100的自由端。还可设想的是，现场可更换制动器200也可被实现为非故障安全制动器，允许在发生故障之后进行旋转(如果特定设计需要这一功能的话)。

图2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g和2h示出了一个如本文所描述的示例性的现场可更换制动器200。特别地，图2a和2b示出了现场可更换制动器200的局部剖面视图，其中包括未安装好的窗盖230(图2a)和安装好的窗盖230(图2b)。图2c示出了现场可更换制动器200的透视图，而图2d示出了现场可更换制动器200中的主要组件的分解图。图2e图示了现场可更换制动器200的外壳210的透视图，并且图2f示出了窗盖230和相关的组件。图2g显示了现场可更换制动器200的部分剖面视图，其重点在于制动元件的布置，并且图2h提供了锁定螺帽250的透视图。

现场可更换制动器200包括外壳210，其与核壳(coreshell)212配合，从而实质上限定现场可更换制动器200的外轮廓。外壳210和核壳212形成一模块化的结构，从而固定现场可更换制动器200的组件。

连接件218提供了在现场可更换制动器200与(其上安装有现场可更换制动器200的)发动机或系统之间的接口。在一方面，连接件218可将现场可更换制动器200的组件电连接到致动器100。在一方面，连接件218可将现场可更换制动器200的组件电连接到致动器100，从而为现场可更换制动器200提供电力和/或控制。在一方面，连接件218被配置、构造和布置成，在现场可更换制动器200附接到致动器时，该连接件218延伸到并且连接到相应的连接件(未示出)。这减少了更换维修的时间。

制动器核212可包围电枢224和线圈226。在一些方面，制动器核212可为生成磁场的直流线圈绕芯。外壳210包括窗孔(windowaperture)216，其在一些方面，可以包括或不包括透明的窗格(pane)214。窗孔216通过窗盖230密封或不通过窗盖230密封。在工作时，窗孔216可通过卸下窗盖230被去密封，以便提供由维修人员进行检查的能力，正如在下面进一步详细描述的。现场可更换制动器200的其他主要元件包括驱动联轴器260、轴承240和锁定螺帽250。

在现场可更换制动器200的外壳210和/或制动器核212内包括各种内部元件。其可包括一个或多个用于制动的盘。所述盘可包括例如静态盘270、浮动盘272以及动态盘274和276。在使用动态盘274和276的情况下，动态盘274和276的内径可直接地或者经由联动装置(比如驱动联轴器260)与发动机轴耦接。驱动联轴器260用作在所耦接的发动机(例如致动器100)与现场可更换制动器200之间的机械接口。在其他方面，现场可更换制动器200可通过单个制动盘实现。在其他方面，现场可更换制动器200可通过其他类型的制动器技术实现。

所述盘中的一个或多个可通过窗孔216进行观察，从而方便由维修人员进行检查而无需卸下或拆除现场可更换制动器200或者与现场可更换制动器200耦接的系统(例如致动器100)。制动器堆栈(例如一组静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276)的观察和气隙尺寸允许更快地检查会对现场可更换制动器200的运行、可维修性或状态造成不利影响的摩擦材料的磨损或者其他条件。

现场可更换制动器200的内部元件还可包括一个或多个压缩弹簧290。尽管各种情况下可包括一个或多个弹簧，而所示情况下，在静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276中的一个或多个的角部处(或者关于边缘对称)提供四个弹簧，以便通过在一个或多个制动盘上的压缩弹簧290提供均匀的负载。此外，虽然该部分说明书描述了一个或多个压缩弹簧290，但也可使用其他的组件。在一些布置方式中，非压缩弹簧可单独使用或者与一个或多个其他弹簧组合使用。在备选的或可替换的方面，还可使用不同于弹簧的弹性构件。

此外，在现场可更换制动器200的外壳210和/或制动器核212上或者在外壳210和/或制动器核212中可包括各种硬件元件。此类硬件元件可用于装配现场可更换制动器200，或者将现场可更换制动器200耦接到(与之协作的)系统(例如致动器100)。此类硬件元件可包括不松脱螺钉(captivescrew)292和292’。通过使用不松脱螺钉292和292’作为安装硬件，可降低异物碎片的风险。换而言之，不松脱螺钉292和292’被配置成固定在现场可更换制动器200中，从而使得其不易从该现场可更换制动器200分离。在其他方面，不松脱螺钉可用其他类型的机械紧固件实现，所述机械紧固件包括螺栓、柳钉等等。现场可更换制动器200还可包括各种密封件，包括密封件282、284和286。在一些方面，一个或多个密封件可为o形环。密封件282、284和286(和/或其他密封件)能够在例如外壳210和核壳212、窗盖230和外壳210和/或连接件218与所耦接的发动机(例如致动器100)之间提供被环境密封的接口。硬件还可包括引导销288。在一方面，包括有四个引导销288。在一方面，引导销288可引导电枢224、浮动盘272和/或静态盘270。

在窗盖230遮挡窗孔216时，额外的不松脱螺钉232和234可被用于固定窗盖230。与窗盖230相关联的额外硬件可包括：窗盖系索236，其在一端与窗盖230耦接而在另一端与与外壳210和/或制动器核212中的一个或两个耦接。在一些方面，窗盖系索236在一端经由不松脱螺钉232与窗盖230耦接而在另一端通过不松脱螺钉292与外壳210和/或核壳212耦接。这防止了窗盖230丢失，并且防止了窗盖230或相关硬件变成异物碎片的风险。

与现场可更换制动器200耦接的其他硬件可包括轴承240和锁定螺帽250。在一些方面，轴承240可至少部分地支撑驱动联轴器260。在一方面，轴承240可被实现为球轴承。锁定螺帽250也可至少部分地支撑驱动联轴器260。锁定螺帽250的一些方面可包括螺母底座252、螺母凸台254、检查槽256以及套环258。检查槽256可被用于气隙检查。使用检查槽256的气隙检查能够被用于调平(例如与驱动联轴器260对齐)。套环258可提供锁定功能，这是通过与所耦接的发动机的转子的轴截面形状匹配的孔口。虽然套环258被显示为具有“双d形”的轮廓，但其仅仅是出于示例性和说明性的目的，在不偏离本发明的范围或精神的前提下可利用其他的驱动装置轮廓。锁定螺帽250可包括额外的锁定方面，比如径向形变的螺纹。

当运行时，在不向线圈226提供电力的情况下，压缩弹簧290迫使电枢224抵靠盘堆栈(其可包括静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276)。该压力使得制动器阻止或停止所耦接的发动机的旋转。在使用动态盘274和276的情况下，当动态盘274和276被压缩在电枢224、静态盘270和浮动盘272之间时，动态盘274和276不能够旋转并因此接合用于进行制动的现场可更换制动器200，并且限制了现场可更换制动器200所耦接的发动机的旋转。在向线圈226提供电力的情况下，生成电磁力，该电磁力克服了压缩弹簧290的力。这允许电枢224释放在盘堆栈(该盘堆栈可包括静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276)上的力，由此卸下制动器。在使用动态盘274和276的情况下，当盘堆栈没有被压缩弹簧209施加力时，动态盘274和276自由旋转，由此允许耦接到发动机的驱动轴旋转。在一方面，动态盘274位于电枢224与浮动盘272之间，并且，动态盘276位于浮动盘272与静态盘270之间。在一方面，动态盘274和276可包括内花键(spline)，其与驱动联轴器260的外花键接合。

每当现场可更换制动器200接合或去接合时，制动元件——比如电枢224、静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276——发生摩擦并随后生热，由此导致材料磨损。窗孔216和相关的元件允许进行气隙检查，以便计算在电枢224、静态盘270、浮动盘272和/或动态盘274和276中的一个或多个上的材料磨损。

一旦元件驱动完成(例如，飞机控制表面到达预期位置)，则致动器必须停止而不会明显过度行进。此处，现场可更换制动器停止发动机并且保持其位置。因为现场可更换制动器的制动元件能够被简单地且定期地检查，因此能够更有把握地得出与其可维修性相关的结论，从而有效地提高了制动器在指定的转数范围内停止发动机从而防止发动机和所耦接的组件(例如飞机控制表面)过度行进的可能性。

有各种方法能够与现场可更换制动器的使用和管理相关联。此类方法的一个方面可包括已下方法，该方法包括通过安装在被环境(environmentally)密封的发动机上的被环境密封的现场可更换制动器模块中的窗口来可视地检查制动元件。另一个方面可包括，通过可视检查，确定制动元件是否有磨损。另一个方面可包括释放不松脱硬件元件，从而将被环境密封的现场可更换制动器模块从被环境密封的发动机拆除。在此之后，可将新的或被翻新的现场可更换制动器模块附接到被环境密封的发动机。

因此，本发明提出了一种现场可更换制动单元，其克服了典型的制动器磨损问题(惯性滑行、低保持扭矩、高释放电压等等)和由此导致的不定期的维护计划和为了进行维修而过早地拆除相关的致动器。本发明提出了一种现场可更换制动单元，其引入了一种用于致动器的磨损检查的容易接近的检查窗口，从而大大地降低了制动器摩擦材料过度磨损或发生过早拆除的风险。本发明还阐述了一种无需拆下整个致动器即可更换制动器的快速且简单的方式。此外，本发明提出一种用于检查摩擦材料的磨损的、具有通道的组件，特别是提出了一种具有现场可更换制动单元的致动器，其允许方便地检查制动器的磨损。本发明还提出了一种可用于任何需要制动器的电动机的可更换制动器，特别是提出了一种具有现场可更换制动器的致动器，所述现场可更换制动器能够被方便地拆除和更换，而异物碎片(fod)的风险可忽略不计。

在本文中可使用相对术语——比如“以下”或“以上”或“上部”或“下部”或“顶部”或“底部”——来描述一元件、层或区域相对于另一元件、层或区域的关系，如附图中所示。应理解的是，这些术语还旨在涵盖除了附图中所示的方向之外的不同设备方向。

根据详细的说明，本发明的多个特征和优势是显而易见的，并因此希望的是，所附权利要求覆盖落入本发明的真实精神和范围内的本发明的所有特征和优势。此外，由于本领域技术人员可容易地进行多种修改和变型，因此不希望将本发明局限于所示出和描述的具体结构和操作，并且相应地，所有适合的修改和等效物都可被认为是落入本发明的范围内的。