聶鑫

摘 要：全電剎車系統(tǒng)具有重量輕，反映快，結(jié)構(gòu)可靠性高等突出的特點(diǎn)，因此全電剎車系統(tǒng)已經(jīng)成為下一代多電飛機(jī)采用的關(guān)鍵技術(shù)。目前在這一領(lǐng)域先進(jìn)的國(guó)家在開展了大量的技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行了較為嚴(yán)密的專利布局。該文從專利的角度對(duì)飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并從專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上為今后全電剎車系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)提供一些啟示。

關(guān)鍵詞：飛機(jī) 全電剎車 電作動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器

中圖分類號(hào)：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0067-02

全電剎車系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外正在研制中的新一代飛機(jī)剎車系統(tǒng)，它用機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)取代現(xiàn)有剎車系統(tǒng)的液壓作動(dòng)機(jī)構(gòu)，不再需要任何液壓管道、泵和閥等液壓組件，且系統(tǒng)的控制信號(hào)和功率信號(hào)都是電傳輸?shù)模虼讼啾纫簤簞x車系統(tǒng)可以有效防止液壓燃油泄漏造成的安全隱患，顯著地減少整個(gè)剎車系統(tǒng)的重量和體積，提高剎車系統(tǒng)的故障診斷能力，減少剎車系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。該文主要從專利分析的角度對(duì)全電剎車系統(tǒng)的專利分布狀況及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期為全電剎車技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供一些啟示[1]。

1 飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)發(fā)展概況

飛機(jī)全電剎車是隨著多電飛機(jī)（全電飛機(jī)） 的概念而隨之出現(xiàn)的。美國(guó)固特異公司在1979年首次提出了飛機(jī)全電剎車的思想，并在美國(guó)的A10軍機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，雖然取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果，但由于當(dāng)時(shí)還較低的電作動(dòng)器傳動(dòng)效率，以及起落架滑跑中的意外走步現(xiàn)象而沒有在飛機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用推廣。隨后美國(guó)麥道公司聯(lián)合美國(guó)古德里奇公司將全電剎車技術(shù)列為重點(diǎn)的研發(fā)項(xiàng)目，同時(shí)研發(fā)的全電剎車系統(tǒng)成功的應(yīng)用在了F16戰(zhàn)機(jī)上，該系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異性能引起了飛機(jī)制造商對(duì)全電剎車系統(tǒng)的興趣。2004年11月波音公司宣布，將由古德里奇公司和梅西埃公司分別為其新一代客機(jī)B787提供全電剎車系統(tǒng)[2]。B787飛機(jī)客戶可以根據(jù)需要選用古德里奇公司或梅西埃公司的全電剎車產(chǎn)品。因此本文擬從專利的視角來(lái)對(duì)全電剎車領(lǐng)域的專利做一個(gè)概況的分析，經(jīng)過(guò)初步的檢索和分析，當(dāng)前全電剎車技術(shù)主要集中如下幾個(gè)分類中。

該文所分析的專利均以德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)作為檢索源，關(guān)鍵詞取剎車+電+飛機(jī)，并在德溫特改寫的摘要進(jìn)行檢索，加上專利所在的IPC分類號(hào)，德溫特分類號(hào)，年代從1975年開始，共檢索出專利1608篇，去除同族專利之后還剩下429篇，所以分析專利將針這429篇專利進(jìn)行。

2 專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

對(duì)所檢索到的專利文獻(xiàn)進(jìn)行國(guó)別—年代統(tǒng)計(jì)作圖。

從圖1可以看出整體專利申請(qǐng)整體呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但大體可以分為三個(gè)階段，即起步期（1982-1997增長(zhǎng)期（1997-2006）和穩(wěn)定期（2006之后），究其原因，起步期可能是電剎車系統(tǒng)的構(gòu)想初期，因?yàn)橄嚓P(guān)配套技術(shù)的成熟度限制，試驗(yàn)驗(yàn)證開展的規(guī)模有限，該領(lǐng)域的專利數(shù)量還相對(duì)較少。而到了1997年之后，隨著電剎車系統(tǒng)開始在美國(guó)軍機(jī)上進(jìn)行一定范圍的試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果也表明電剎車有著比傳統(tǒng)液壓剎車更好的技術(shù)效果，大量航空制造企業(yè)開始關(guān)注電剎車技術(shù)，因此該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而到了2006年之后隨著全電剎車進(jìn)入民機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，該專利申請(qǐng)也逐步呈現(xiàn)從技術(shù)原產(chǎn)地不斷向新興市場(chǎng)進(jìn)行布局轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，特別是2006年之后，電剎車技術(shù)的專利進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而這一現(xiàn)象也正好反映了中國(guó)航空市場(chǎng)對(duì)這些技術(shù)擁有方越來(lái)越具有強(qiáng)大的吸引力。

對(duì)目前該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，情況如下。

從表1分析，目前梅西埃公司，古德里奇公司以及波音公司在該領(lǐng)域?qū)＠季謹(jǐn)?shù)量最多，而古德里奇和梅西埃公司正是波音787飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)的供應(yīng)商。同時(shí)美國(guó)霍尼韋爾公司以及空客的母公司歐洲宇航集團(tuán)也均在此領(lǐng)域有較多的專利申請(qǐng)，霍尼韋爾公司曾經(jīng)為美軍X45A無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)開發(fā)全電剎車系統(tǒng)，而空客的A320也曾試用過(guò)梅西埃公司的全電剎車系統(tǒng)，因此這幾家企業(yè)的電剎車系統(tǒng)的專利布局情況與其產(chǎn)品和業(yè)務(wù)領(lǐng)域發(fā)展方向保持一致。

3 關(guān)鍵技術(shù)狀況及典型專利分析

全電剎車系統(tǒng)一般可分為全電剎車防滑控制盒、機(jī)輪剎車驅(qū)動(dòng)盒和機(jī)電作動(dòng)器（EMA）及受剎機(jī)輪四個(gè)部分等。根據(jù)近年來(lái)的專利分布也可以看到，該領(lǐng)域的專利主要集中機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)電作動(dòng)器布局，以及電剎車控制器上，因此重點(diǎn)對(duì)上述涉及三個(gè)技術(shù)點(diǎn)的典型專利情況進(jìn)行分析，以期找到該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及狀況。

3.1 機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)電作動(dòng)器是全電剎車系統(tǒng)中最為重要的部件，現(xiàn)有的電作動(dòng)器包括了電機(jī)，螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件。其中螺旋傳動(dòng)部件的主要作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)剎車盤軸向位移的直線運(yùn)動(dòng)[3]，齒輪減速器的作用主要是將電機(jī)的力矩進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)螺旋傳動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。從專利發(fā)展脈絡(luò)來(lái)看，專利的布局從螺旋傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的技術(shù)的更新上不斷進(jìn)行發(fā)展。1979年是美國(guó)固特異公司首次提出電剎車構(gòu)型（US4381049）的年代，該專利中給出了減速齒輪與滾珠絲杠副來(lái)配合從而驅(qū)動(dòng)剎車盤施加剎車力矩的機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)方案。6年后，在此基礎(chǔ)上該公司又提出新的電剎車構(gòu)型（US4596316），其將原有的滾珠絲杠副替換為SKF公司的行星滾柱絲杠副或再循環(huán)滾柱絲杠副，并搭配相應(yīng)的環(huán)形齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加剎車力矩，從而提高螺旋傳動(dòng)部件的承載能力。1986年從固特異公司獨(dú)立出來(lái)的飛機(jī)剎車系統(tǒng)公司提出了利用圍繞螺紋滾柱的多個(gè)行星滾柱絲杠來(lái)驅(qū)動(dòng)剎車盤工作的方案（US4865162）。除了螺旋傳動(dòng)部件，在與螺旋傳動(dòng)部件相配合的齒輪減速器方面也呈現(xiàn)技術(shù)更新的趨勢(shì)，2000年古德里奇公司提出了利用錐齒輪與直齒圓柱齒輪來(lái)構(gòu)建的二級(jí)減速器搭配滾珠絲杠副的組合來(lái)驅(qū)動(dòng)剎車的方案（US6471015），2012年一家俄羅斯公司中提到了一種利用諧波齒輪來(lái)搭配滾珠絲杠的飛機(jī)剎車電作動(dòng)器（RU20120131689），因諧波齒輪今年發(fā)展出來(lái)的一種新型齒輪，相比傳統(tǒng)齒輪具有傳動(dòng)噪音小，減速比例高等特點(diǎn)，因此非常適合應(yīng)用于對(duì)對(duì)體積、傳動(dòng)比有著較高要求的電剎車領(lǐng)域。綜上來(lái)看，采用更為高效的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將是未來(lái)的電剎車作動(dòng)器發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

3.2 機(jī)電作動(dòng)器布局

因電剎車系統(tǒng)中的空間限制，電作動(dòng)器的體積空間對(duì)于裝配極為重要。為了減少電作動(dòng)器中體積，當(dāng)前的電機(jī)與作動(dòng)部件的布置往往采用臥式布局，雖然臥式布局不如立式布局的傳動(dòng)比大。體積大，橫向設(shè)計(jì)體積小，抗震強(qiáng)，雖然傳動(dòng)比不及立式作動(dòng)器布置，但在現(xiàn)有的電機(jī)功率體積比下，是較為經(jīng)濟(jì)的選擇[4]。目前從專利分析的角度來(lái)看，大部分專利的作動(dòng)器布局在臥式傳動(dòng)的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。2000年古德里奇公司首次提出了一種模塊化的電作動(dòng)器（US6095293），可以在驅(qū)動(dòng)部件損壞時(shí)方便更換進(jìn)行驅(qū)動(dòng)部件的更換，而無(wú)需對(duì)整個(gè)機(jī)電作動(dòng)部件進(jìn)行拆解。在此基礎(chǔ)上，該公司又對(duì)該模塊化的機(jī)電作動(dòng)器進(jìn)行了改進(jìn)（US7717240），該專利采用了模塊化的機(jī)架設(shè)計(jì)，增加了集成化的電纜接口實(shí)現(xiàn)快捷電連接。而作為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，梅西埃公司也加緊步伐，在古德里奇公司的模塊化機(jī)電作動(dòng)器的基礎(chǔ)上提出了可進(jìn)行作動(dòng)器快速拆卸和安裝方案（US20060090970）。另外一家全電剎車系統(tǒng)的供應(yīng)商美國(guó)霍尼韋爾公司也提出了一種可以方便模塊化的電機(jī)作動(dòng)器（US2011013704，US7527129），該作動(dòng)器除了考慮可能的機(jī)電作動(dòng)器作動(dòng)機(jī)構(gòu)的更換維護(hù)外，還考慮到電機(jī)可能的失效，設(shè)計(jì)了可以單獨(dú)進(jìn)行分離拆卸電機(jī)的機(jī)架。綜上可以看出，各家公司都在電作動(dòng)器的維護(hù)和可靠性提升上大做文章，因此體積更小，高度模塊化設(shè)計(jì)的電作動(dòng)器將是應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)。

3.3 電剎車控制器

電剎車控制器是電剎車系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)器僅僅采集轉(zhuǎn)速信號(hào)的反饋信號(hào)，從而對(duì)剎車力矩進(jìn)行控制，而電作動(dòng)器因?yàn)槠涮攸c(diǎn)可以提供機(jī)輪轉(zhuǎn)速、電流、力矩的反饋控制，對(duì)于剎車信號(hào)的響應(yīng)速度更為靈敏。從專利方面來(lái)看，飛機(jī)剎車系統(tǒng)公司最早于1989年提出了采用微控制器對(duì)飛機(jī)員腳踏信號(hào)，防滑盒信號(hào)，電機(jī)位置以及剎車盤的夾緊力的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車盤壓力的精確控制的系統(tǒng)（US4995483）。1997年古德里奇公司提出了一種電剎車作動(dòng)器構(gòu)型（US6471015），其在電作動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行端（絲杠螺母）連有一個(gè)位移傳感器，以對(duì)作動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的位置伺服（相當(dāng)于壓力伺服），同時(shí)剎車機(jī)架上還設(shè)有力矩傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)輪力矩的測(cè)量反饋。除了通常的剎車盤位置反饋，古德里奇公司還于2010年提出了一種通過(guò)檢測(cè)總線中電流變化的測(cè)量來(lái)快速判斷剎車狀態(tài)的方法（US9028014）。作為電剎車領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，梅西埃公司于2004年提出了一種可以通過(guò)電連接器組成的電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)剎車力工作狀態(tài)的專利（FR1361383），并聲稱這種方法相比電流檢測(cè)方法更加及時(shí)，且不會(huì)因?yàn)殡娏鞣答伒臏蠼档蜏y(cè)量的靈敏度。由此可見，當(dāng)前各大廠商均在剎車系統(tǒng)控制器的傳感器設(shè)計(jì)方法著手，實(shí)現(xiàn)剎車系統(tǒng)的剎車力矩控制更實(shí)時(shí)靈敏，隨著軟硬件的進(jìn)步，未來(lái)可能有更多樣的現(xiàn)代控制方法被應(yīng)用在剎車控制器中來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前飛機(jī)電剎車系統(tǒng)在美歐已經(jīng)進(jìn)入可以裝配飛機(jī)的產(chǎn)品化階段，而在國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究還較為薄弱，從專利保護(hù)的態(tài)勢(shì)也可以看到，大部分的重要專利都掌握在一些大型剎車系統(tǒng)的供應(yīng)商手中，國(guó)內(nèi)在這方面的專利數(shù)量極少，專利分布的技術(shù)領(lǐng)域也往往集中在電剎車系統(tǒng)的外圍，這與國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)少，缺少相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備有著直接關(guān)系。因此建議在該領(lǐng)域應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)預(yù)研工作，整合企業(yè)高校的研究能力發(fā)展該技術(shù)，從專利等角度對(duì)國(guó)外大型的企業(yè)進(jìn)行跟蹤研發(fā)，從而不斷提升該領(lǐng)域我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)能力。

參考文獻(xiàn)

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