JP5384974B2 - 電動ブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、車輪の制動部材を電動モータで駆動する電動ブレーキに関するものである。

近年、航空機に搭載される油圧源を縮小若しくは廃止するために、車輪を制動するブレーキを油圧ブレーキから電動ブレーキに替える傾向がある。

ところで、ディスク形式のブレーキでは制動解除時にピストンがディスクに当接しないように、ピストンとディスクとの間に所定のクリアランスが設けられる。このクリアランスによって、電動ブレーキを操作してから制動し始めるまでに時間がかかり、航空機はその間空走することとなる。そのため、ピストンをディスクに近付けて当接させるまでの動作をできるだけ短時間のうちに行う必要がある。

特許文献１には、電動ブレーキを備えたブレーキシステムにおけるサーボコントロールの方法が開示されている。

特開２００６−２３２２７０号公報

しかしながら、短時間でピストンをディスクに当接させるためにピストンを高速で移動させると、ピストンとディスクとが接触するときに衝撃力が発生する。この衝撃力によって、ブレーキ力が瞬間的に過大に上昇するおそれがあった。

そこで、本発明では短時間のうちにピストンをディスクに当接させることができ、かつピストンがディスクと接触するときの衝撃を和らげることのできる電動ブレーキを提供することを目的とする。

本発明は、車輪と共に回転する回転ディスクと、機体に対して回転不能に支持され、前記回転ディスクに向けて変位可能である制輪手段と、前記制輪手段に向けて進退可能であるピストンと、前記ピストンを直線移動させる電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータの作動を制御するコントローラと、操縦者によって操作され、その操作に基づいて前記コントローラに対して制動指令を出力する制動指令装置と、を備え、前記電動アクチュエータが前記ピストンを介して前記制輪手段を前記回転ディスクに向けて押圧することによって制動トルクを発生する電動ブレーキであって、前記コントローラは、前記ピストンと前記制輪手段との間のクリアランスを記憶するクリアランス記憶手段と、前記制動指令装置が操作されたか否かを検出する操作検出手段と、前記操作検出手段が前記制動指令装置の操作を検出すると、前記クリアランス記憶手段が記憶しているクリアランスの分だけ前記ピストンを前記制輪手段に向けて移動させる信号を発するピストン当接手段と、前記ピストン当接手段からの信号を処理して、前記ピストンが前記制輪手段に当接する前に前記ピストンを減速する一次遅れ系の第一の制御信号を出力する減速手段と、前記制動指令装置が出力する制動指令に基づいて前記ピストンが前記制輪手段に当接してからの前記ピストンの作動ストロークを算出し、当該作動ストロークに対応する第二の制御信号を出力するブレーキ指令・ピストンストローク変換部と、前記第一の制御信号と前記第二の制御信号とを加算して出力する加算器と、を備え、前記加算器が出力した信号に基づいて前記電動アクチュエータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、制動指令装置から制動指令が入力され、制動指令によってピストン当接手段がピストンをクリアランス分だけ移動させ非回転ディスクに当接させる前に、減速手段によってピストンを減速する。そのため、ピストンがディスクに接触するときに衝撃力が発生することを防止できる。

したがって、短時間のうちにピストンをディスクに近接させることができ、かつピストンがディスクと接触するときの衝撃を和らげることができる。

本発明の実施の形態に係る電動ブレーキの中心軸より上半分を断面で示した図である。 電動ブレーキの制御のブロック図である。 電動ブレーキ作動時における時間に対するピストン変位のグラフ図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係る電動ブレーキ１００について説明する。

まず、図１を参照しながら電動ブレーキ１００の構成について説明する。図１における中心軸Ｏは、図示しない機体に固定されている図示しない機体シャフト（以下、「車軸」という。）の中心軸である。

電動ブレーキ１００は、車輪（図示省略）の内側に設けられる多板ディスク形式のブレーキである。電動ブレーキ１００は、航空機の車輪を制動するブレーキとして用いられる。

車輪は、ホイール（図示省略）の外周にタイヤ（図示省略）が取り付けられて構成される。ホイールは、軸受（図示省略）を介して車軸に取り付けられる。つまり、ホイールが回転しても車軸は回転しない。

電動ブレーキ１００は、車輪と一体に回転する回転ディスク６と、車軸に取り付けられて回転しない非回転ディスク４とを備える。電動ブレーキ１００は、回転ディスク６と非回転ディスク４とを当接させるように押圧し、摩擦力によって制動トルクを発生する。

回転ディスク６は、所定の間隔をおいて複数枚設けられる。回転ディスク６の両面には、非回転ディスク４が設けられる。よって、非回転ディスク４もまた、所定の間隔をおいて複数枚設けられる。電動ブレーキ１００では、４枚の非回転ディスク４の間に３枚の回転ディスク６が挟まれるように配置されている。この非回転ディスク４，回転ディスク６のそれぞれの枚数は、要求される制動力などによって設定するものであるため、この枚数に限られるものではない。

回転ディスク６は、中心に円形の穴が形成される円盤形状である。回転ディスク６は、外周がホイールの内周に支持され、車輪と一体として回転する。回転ディスク６は、ホイールに対して車軸方向に変位可能に、即ちスライド可能に支持される。

非回転ディスク４は、中心に円形の穴が形成される円盤形状である。非回転ディスク４は、内周がトルクチューブ３を介して車軸に支持される。非回転ディスク４は、車輪が回転しても回転しない。非回転ディスク４は、車軸方向に変位可能に、即ちスライド可能に支持される。この非回転ディスク４が制輪手段に該当する。電動ブレーキ１００のようにマルチディスクタイプではなく、例えばキャリパータイプのディスクブレーキの場合には、制輪手段として、ブレーキパッドを設けることも可能である。

トルクチューブ３は、円筒形の円筒部３ａの軸方向両端に円盤状の鍔部３ｂ，３ｃが設けられたボビン形状である。鍔部３ｂ、３ｃは円盤状でなくてもよく、例えばピストン２８及びディスク押え３ｄが設けられる位置に対応した突起を複数形成してもよい。トルクチューブ３は、円筒部３ａの外周に複数の非回転ディスク４を支持する。トルクチューブ３と回転ディスク６との間には隙間が設けられ、トルクチューブ３と回転ディスク６とは接触しない。つまり、回転ディスク６の径方向中心に形成される穴の径は、トルクチューブ３と接触しないような大きさで形成されるため、非回転ディスク４の径方向中心に形成される穴の径よりも大きく形成される。

トルクチューブ３の一方の鍔部３ｃは、ハウジング２を介して車軸に取り付けられる。トルクチューブ３の他方の鍔部３ｂには、ディスク押え３ｄが設けられる。ハウジング２から突出するピストン２８とディスク押え３ｄとの間で、回転ディスク６と非回転ディスク４とは互いに当接するように押圧される。よって、トルクチューブ３は、回転ディスク６と非回転ディスク４とを押圧する力の反力を受ける。

ハウジング２は車軸に固定され、電動ブレーキ１００を駆動する電動アクチュエータとしての電動モータ２１と、電動モータ２１の回転を減速してボールスクリュ２５に伝達する減速機構２４と、ボールスクリュ２５によって押し出されるピストン２８とを内部に備える。

ピストン２８は、非回転ディスク４に向けて進退可能に、非回転ディスク４と対峙して設けられる。ピストン２８は、ボールスクリュ・ナット機構２７のボールナット２６と一体に形成される。図１中のＸ０は、ピストン２８と非回転ディスク４とのクリアランスである。即ち、ピストン２８は、非回転ディスク４との間にクリアランスＸ０だけ離れて対峙する。ピストン２８は、電動モータ２１によって非回転ディスク４に対して進退するように駆動される。ピストン２８は、車輪の回転周方向に所定の間隔をあけて複数配置される。ピストン２８の個数，電動モータ２１の個数は、電動ブレーキ１００に要求される制動力等に応じて任意に設定される。

電動ブレーキ１００の制動解除時におけるピストン２８と非回転ディスク４との間のクリアランスＸ０は、非回転ディスク４と回転ディスク６の摩耗量によって変化する。即ち、非回転ディスク及び回転ディスク６の厚さが摩耗によって減少すると、ピストン２８が戻ったときのピストン２８と非回転ディスク４との間のクリアランスＸ０が大きくなる。そのため、電動ブレーキ１００の制動前にクリアランスＸ０を確認しておく必要がある。

電動ブレーキ１００では、前回制動時におけるピストン２８と非回転ディスク４との間のクリアランスＸ０、即ち制動を解除したときにピストン２８が非回転ディスク４から離間した距離をクリアランス記憶手段としてのクリアランス測定部３４（図２参照）に記憶しておく。これにより、直近の制動時に記憶しておいたＸ０に基づいて電動ブレーキ１００の制御を行うことが可能である。ピストン２８と非回転ディスク４とのクリアランスＸ０を所定の値に保つように制御するような場合には、所定の値であるＸ０を記憶させておく。

電動モータ２１は、ハウジング２内部にピストン２８の個数に対応して複数個（例えば４〜６個）設けられる。電動モータ２１が減速機構２４を介してピストン２８を直線移動させ、ピストン２８を非回転ディスク４に押し付けることにより非回転ディスク４と回転ディスク６が互いに当接するように押圧される。これにより、非回転ディスク４と回転ディスク６との摺動面部分で摩擦力が発生し、制動トルクが得られるように構成されている。

電動モータ２１は、回転角度及び回転数を検出できる回転角検出手段としての回転角センサ２１ａ（図２参照）を備える。電動モータ２１には、ＡＣサーボモータやステッピングモータのように回転角検出手段を備えるモータを使用する。電動モータ２１とは別部材として、ロータリエンコーダなどの回転角検出手段を設ける構成にしてもよい。

減速機構２４は、電動モータ２１の回転をボールスクリュ２５に伝達するように構成されている。減速機構２４は、電動モータ２１のモータシャフト２９に連結されるドライブギア２２と、ボールスクリュ２５の基端部に連結されるドリブンギア２３とを備える。減速機構２４は、ドライブギア２２の回転をドリブンギア２３に伝達する。電動ブレーキ１００では、歯数が少なく径の小さなギアをドライブギア２２として用い、ドライブギア２２よりも歯数が多く径の大きなギアをドリブンギア２３として用いる。つまり、電動モータ２１の回転は減速されてボールスクリュ２５へと伝達される。

ボールスクリュ・ナット機構２７は、ピストン２８の内側に介装される。ボールスクリュ・ナット機構２７は、ピストン２８の内側へと突出しドリブンギア２３に固定されて一体として回転するボールスクリュ２５と、ピストン２８に固定されて非回転ディスク４に対して進退するボールナット２６とを備える。ボールナット２６は、ボールスクリュ２５に多数のボール（図示省略）を介して螺合する。ボールスクリュ・ナット機構２７は、ボールスクリュ２５の回転運動を直線運動に変換し、ピストン２８を非回転ディスク４に対して進退させる。

ところで、航空機の制御系は、パイロットによって操作される制動指令装置としてのブレーキペダル（図示省略）の操作量等に応じて制動指令を出力する。航空機には、出力された制動指令に基づいて電動モータ２１の作動を制御するコントローラ３０が設けられる。

コントローラ３０は、電動ブレーキ１００の制御を行うものであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは接続された機器との情報の入出力に使用される。ＣＰＵやＲＡＭなどをＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作させることによって電動ブレーキ１００の制御が実現される。

ＣＰＵには、Ｉ／Ｏインターフェースを介してブレーキペダルからの信号が入力される。ＣＰＵでは、入力された信号に応じたピストン押付力指令値信号を演算する。ＣＰＵは、Ｉ／Ｏインターフェースを介してピストン押付力指令値信号に応じた指令駆動電流ｉｏを電動モータ２１に出力し、電動モータ２１は回転作動させられる。電動モータ２１の駆動力は、減速機構２４とボールスクリュ・ナット機構２７とを介してピストン２８に伝達され、ピストン押付力が発生する。このとき、電動モータ２１のモータシャフト２９の回転角θが回転角センサ２１ａにより検出され、電動モータ２１の実際の駆動電流ｉと共にコントローラ３０に入力される。図２に示す電流センサ２１ｂは、コントローラ３０の内部に設けられる。ピストン押付力の制御については、後で図２を参照しながら詳細に説明する。

電動ブレーキ１００では、コントローラ３０からの出力によって電動モータ２１が正方向に回転することにより、ピストン２８が非回転ディスク４に当接して各非回転ディスク４を各回転ディスク６に押付け、制動トルクが得られる。一方、指令駆動電流ｉｏにより電動モータ２１が逆方向に回転することにより、ピストン２８が非回転ディスク４から離間し、各非回転ディスク４を各回転ディスク６に押付けることがなくなり、制動が解除される。

以下、図２及び図３を参照しながら、電動ブレーキ１００のピストン押付力の制御について説明する。

ペダル入力センサ３１は、パイロットによるブレーキペダルからの入力、即ち制動指令を検出する。ペダル入力センサ３１は、ブレーキペダルからの入力があったことの検出のみでなく、ブレーキペダルの踏み込み量や踏み込み加速度の検出も可能である。

ブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２では、ブレーキペダルから入力されたブレーキ指令に基づいてピストン２８の作動ストロークを算出する。ピストン２８の作動ストロークは、ブレーキ指令に比例して作動ストロークが大きくなるマップによって予め定められている。マップは複数あってもよく、その中から状況によって最適のものが選択される。

ブレーキ指令をピストン２８の作動ストロークに変換するマップは、例えば図２に示すようにブレーキ指令に対して作動ストロークが比例的に増加するものである。ブレーキペダルの踏み込み量が小さい場合には、ピストン２８の作動ストロークは小さくなり、ブレーキペダルの踏み込み量が大きい場合には、ピストン２８の作動ストロークは大きくなる。

ペダル入力判定部３３では、パイロットによるペダル入力があったか否かを判定する。ペダル入力判定部３３では、ペダルの踏み込み量や踏み込み加速度を検出するのを待たずに、制動指令を出力し得る最小限の量だけブレーキペダルが操作されたか否かのみを判定する。具体的には、最小限の量として予め設定したブレーキペダルの操作量を、実際のブレーキペダルの操作量が超えたか否かを判定する。このペダル入力判定部３３が操作検出手段に該当する。ブレーキペダルからの入力があったと判定した場合には、スイッチ４０が切り換えられる。

スイッチ４０は、通常の状態ではゼロ入力部４１に導通している。ゼロ入力部４１は常に０を出力している。スイッチ４０が切り換えられると、クリアランス測定部３４からの信号をローパスフィルタ５０に伝達することが可能になる。

クリアランス測定部３４は、前回制動時におけるクリアランスＸ０の値を記憶しておき、またクリアランスＸ０の分だけピストン２８を移動させる信号を発する。この信号は、図３に破線で示すようなステップ入力である。クリアランス測定部３４とスイッチ４０とがピストン当接手段に該当する。

ローパスフィルタ５０は、スイッチ４０と加算部３５との間に設けられる。このローパスフィルタ５０が減速手段に該当する。ローパスフィルタ５０は、設定された周波数以上の高周波の周波数をカットする。その結果、図３に実線で示すようなステップ入力に対して一次遅れ系の出力を得ることができる。ローパスフィルタ５０を設けずに、コントローラ３０内のソフトウェア処理により同様の制御を行うことも可能である。

ローパスフィルタ５０を設けることによって、比例的に増加していたピストン２８の作動ストロークは、徐々に増加量が少なくなる。そして、所定の値に達するころには充分に緩やかな曲線を描くこととなる。よって、ピストン２８は非回転ディスク４と当接する際には作動ストロークの増加量、即ち移動速度が極めて小さくなり、ピストン２８が非回転ディスク４に当接するときに衝撃力が発生することを防止できる。

加算部３５では、ブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２からの信号（第二の制御信号）と、ローパスフィルタ５０を通って流れてきた信号（第一の制御信号）とを加算して設定値Ｘ１を出力する。設定値Ｘ１は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｔｅｇｒａｌ，Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ：比例，積分，微分）タイプの２つの伝達関数Ｇ，Ｈによってフィードバック制御されながら電動モータ２１へと指示される。

伝達関数Ｇ，Ｈでは、加算部３５から出力された設定値Ｘ１及び電動モータ２１を駆動するための指令駆動電流ｉｏと、ピストン２８の実際の位置及び駆動電流ｉとを比較しながらフィードバック制御を行う。具体的には以下の通りである。

電動モータ２１に設けられる回転角センサ２１ａによって、モータシャフト２９の回転角を検出し、ピストン２８の実際の位置を算出する。加算部３５から出力された設定値Ｘ１からピストン２８の実際の位置を減ずることにより、制御偏差εｘが算出される。この制御偏差εｘが伝達関数Ｇによって処理され、電流設定値ｉ１に変換される。

この電流設定値ｉ１を、電流値検出手段によって検出した電動モータ２１の実際の電流値から減ずることによって、制御偏差εｉが算出される。この制御偏差εｉは伝達関数Ｈによって処理され、出力値である指令駆動電流ｉｏが電動モータ２１に入力される。

以下、電動ブレーキ１００の作用について説明する。

パイロットによってブレーキペダルが操作されていない場合は、スイッチ４０はゼロ入力部４１側と接続されている。このとき、クリアランス測定部３４からクリアランスＸ０の分だけピストン２８を移動させるための信号が発せられているが、ゼロ入力部４１によって信号は０となり、ローパスフィルタ５０へは何も入力されていない状態となる。

ブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２は、ブレーキペダルが操作されていないのでブレーキ指令が無いと判断して信号を発しない。

以上より、クリアランスＸ０の分だけピストン２８を移動させるための信号は０であり、ブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２からの信号は発せられていないため、電動モータ２１には指令駆動電流ｉｏが付加されない。即ち、電動ブレーキ１００は作動しない。

パイロットによってブレーキペダルが操作されると、ペダル入力判定部３３は、制動指令を出力し得る最小限の量だけブレーキペダルが操作されたことを判定してスイッチ４０を切り換える。スイッチ４０は、クリアランス測定部３４からの信号が伝達される側に切り換えられ、クリアランス測定部３４からの信号がローパスフィルタ５０に入力される。

クリアランス測定部３４から発せられたピストン２８を非回転ディスク４に当接させるためのステップ入力信号は、ローパスフィルタ５０によって一次遅れ系に変換される。そのため、図３に破線で示す入力信号が実線の信号に変換されて出力される。

ローパスフィルタ５０で一次遅れ系に変換された作動ストロークは、ブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２で変換された作動ストロークと併され、伝達関数Ｇ，Ｈでフィードバック処理されて電動モータ２１へと出力される。

以上より、ブレーキペダルからブレーキ指令が入力されると、まずはローパスフィルタ５０によって一次遅れ系に変換された信号によってピストン２８と非回転ディスク４との間のクリアランスＸ０だけピストン２８は移動させられる。よって、ピストン２８は非回転ディスク４に当接させられる。

このとき、ローパスフィルタ５０によって得られた一次遅れ系の信号により、ピストン２８が非回転ディスク４と当接する際の作動ストロークの増加量、即ち移動速度は極めて小さくなり、ピストン２８が非回転ディスク４に当接するときに衝撃力が発生することを防止できる。

その後、ブレーキペダルから入力された制動指令の態様に対応してブレーキ指令・ピストンストローク変換部３２から出力されるマップに従い、ピストン２８の作動ストロークは制御される。

以上の実施の形態によれば、以下のような効果を奏する。

ブレーキペダルから制動指令が入力され、その制動指令によってピストン２８をクリアランスＸ０の分だけ移動させ非回転ディスク４に当接させる前に、ローパスフィルタ５０によって得られた一次遅れ系の信号によってピストン２８は減速される。これにより、ピストン２８が非回転ディスク４に接触するときに衝撃力が発生することを防止できる。

また、ブレーキペダルの踏み込み量や踏み込み加速度を検出するのを待たずに、制動指令を出力し得る最小限の量だけブレーキペダルが操作されたか否かのみを判定して、記憶しておいたクリアランスＸ０の分だけピストン２８を移動させるものである。よって、制動指令があってから電動ブレーキ１００が制動するまでの時間を短くすることができる。

したがって、短時間のうちにピストン２８を非回転ディスク４に近接させることができ、かつピストン２８が非回転ディスク４と接触するときの衝撃を和らげることができる。

また、ローパスフィルタ５０は一次遅れ系のフィルタであるため、ピストン２８が非回転ディスク４へと当接するときの速度は、クリアランスＸ０の大きさが変化したとしても、ほぼ同じ速度となる。よって、クリアランスＸ０が変化した場合でもフィルタ特性を変更する必要がない。そのため、１つのローパスフィルタ５０を設けることによって、クリアランスＸ０の調節を行わなくても電動ブレーキ１００の制動までの空走距離を抑制でき、かつピストン２８が非回転ディスク４に接触するときの衝撃力を緩和できる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明に係る電動ブレーキは、航空機用の車輪を制動するものに限らず、他の車両や機械等に設けられるものや、キャリパ型等の他の形式の電動ブレーキにも利用できる。

１００ 電動ブレーキ
３ トルクチューブ
４ 非回転ディスク
６ 回転ディスク
２１ 電動モータ
２４ 減速機構
２７ ボールスクリュ・ナット機構
２８ ピストン
３０ コントローラ
３１ ペダル入力センサ
３２ ブレーキ指令・ピストンストローク変換部
３３ ペダル入力判定部
３４ クリアランス測定部
５０ ローパスフィルタ

Claims (5)

1. 車輪と共に回転する回転ディスクと、
   機体に対して回転不能に支持され、前記回転ディスクに向けて変位可能である制輪手段と、
   前記制輪手段に向けて進退可能であるピストンと、
   前記ピストンを直線移動させる電動アクチュエータと、
   前記電動アクチュエータの作動を制御するコントローラと、
   操縦者によって操作され、その操作に基づいて前記コントローラに対して制動指令を出力する制動指令装置と、を備え、
   前記電動アクチュエータが前記ピストンを介して前記制輪手段を前記回転ディスクに向けて押圧することによって制動トルクを発生する電動ブレーキであって、
   前記コントローラは、
   前記ピストンと前記制輪手段との間のクリアランスを記憶するクリアランス記憶手段と、
   前記制動指令装置が操作されたか否かを検出する操作検出手段と、
   前記操作検出手段が前記制動指令装置の操作を検出すると、前記クリアランス記憶手段が記憶しているクリアランスの分だけ前記ピストンを前記制輪手段に向けて移動させる信号を発するピストン当接手段と、
   前記ピストン当接手段からの信号を処理して、前記ピストンが前記制輪手段に当接する前に前記ピストンを減速する一次遅れ系の第一の制御信号を出力する減速手段と、
   前記制動指令装置が出力する制動指令に基づいて前記ピストンが前記制輪手段に当接してからの前記ピストンの作動ストロークを算出し、当該作動ストロークに対応する第二の制御信号を出力するブレーキ指令・ピストンストローク変換部と、
   前記第一の制御信号と前記第二の制御信号とを加算して出力する加算器と、を備え、前記加算器が出力した信号に基づいて前記電動アクチュエータを制御することを特徴とする電動ブレーキ。
2. 前記制輪手段は、非回転ディスクであることを特徴とする請求項１に記載の電動ブレーキ。
3. 前記操作検出手段は、制動指令を出力し得る最小限の量だけ前記制動指令装置が操作されたことを検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動ブレーキ。
4. 前記クリアランス記憶手段は、前回の制動解除後における前記ピストンと前記非回転ディスクとの間のクリアランスを記憶することを特徴とする請求項２に記載の電動ブレーキ。
5. 前記減速手段は、ローパスフィルタであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電動ブレーキ。

Images