JP2010203561A - 電動ブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】ディスクとピストンとの間のクリアランスを一定に調節できる電動ブレーキを提供すること。
【解決手段】
車輪と共に回転する回転ディスク６と、機体に対して回転不能に支持され回転ディスク６に向けて変位可能である非回転ディスク４と、非回転ディスク４に向けて進退可能であるピストン２８と、ピストン２８を直線移動させる電動モータ２１と、電動モータ２１の作動を制御するコントローラ３０とを備え、電動モータ２１がピストン２８を介して非回転ディスク４を回転ディスク６に向けて押圧することで制動トルクを発生する電動ブレーキであって、ピストン２８を非回転ディスク４に押圧するまで駆動した後に停止させる手段と、電動モータ２１の作動を停止した際の反力によって押し戻されてピストン２８が停止する位置を検出する手段と、停止位置に基づいてピストン２８の初期位置を調節する手段とを備える。
【選択図】図２

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ディスクが摩耗するとディスクとピストンとの間のクリアランスが大きくなる。クリアランスが大きくなると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、ディスクの摩耗によって空走時間が長くなることを防止するために、ディスクが摩耗してもディスクとピストンとの間のクリアランスを一定に保つ必要がある。

特許文献１には、電動モータの回転角センサを用いてクリアランスを調節する電動ブレーキが開示されている。

特開２００６−１０５２２４号公報

しかしながら、ピストンがディスクに当接したことを検出した位置に基づいてクリアランスを調節する方式では、クリアランス調節時に、ピストンとディスクとが当接すると同時に瞬時にモータ電流が大きく上昇するため、ソフトウェアの処理周期などによっては検出遅れが生じ、ピストンとディスクとの正確な当接位置の検出が困難だった。そのため、ディスクとピストンとの間のクリアランスを常に一定に調節できないおそれがあった。

そこで、本発明ではディスクとピストンとの間のクリアランスを一定に調節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、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、前記ピストンの初期位置調節時に、前記ピストンを前記制輪手段に押圧するまで駆動した後に前記電動アクチュエータの作動を停止させる駆動停止手段と、前記電動アクチュエータの作動を停止した際の反力によって押し戻されて前記ピストンが停止する位置に基づいて前記ピストンの初期位置を調節するピストン初期位置調節手段と、を備えることを特徴とする。

本発明では、ピストンが反力によって押し戻されて停止する位置に基づいて、ピストン初期位置調節手段でピストンの初期位置を調節する。ピストンを押し戻す反力は、電動ブレーキを構成する部材によって機械的に定まる力であるため、常に略一定である。

したがって、ディスクとピストンとの間のクリアランスを一定に調節できる電動ブレーキを得ることができる。

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。 電動ブレーキのクリアランス変数を決定する制御のフローチャート図である。 電動ブレーキのクリアランス変数を決定する制御の他の実施形態に係るフローチャート図である。

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、車輪と一体として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、電動モータ２１によって調節される。非回転ディスク４の厚さが摩耗によって変化すると、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は大きくなる。そこで電動ブレーキ１００では、クリアランスＸ０を一定に保つような制御を行っている。制御の内容は、後で図２を参照しながら詳細に説明する。

電動モータ２１は、ハウジング２内部に複数個（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には、例えばＡＣサーボモータやステッピングモータのように回転角度及び回転数を検出できる回転角検出手段を備えるモータが利用される。又は、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ブレーキペダルの操作量等に応じてピストン押付力指令値信号を出力する。航空機には、出力されたピストン押付力指令値信号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が図示しない回転角検出手段により検出され、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。

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を参照しながら電動ブレーキ１００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調節制御について説明する。このクリアランス調節制御は、例えば点検時などに航空機側からリクエストがあったような場合に行う。

まず、ステップ１１では、コントローラ３０の指令によって電動モータ２１を正方向に回転作動させるための微小電流を印加する。電動モータ２１の回転によってピストン２８は非回転ディスク４に向かってゆっくりと突出する。

次に、ステップ１２では、電動モータ２１が停止したか否かを判定する。ピストン２８がピストン２８と対峙する非回転ディスク４に接触すると、ピストン２８はそれ以上進むことができない。電動モータ２１の駆動トルクによってピストン２８を進行させられなくなったとき、電動モータ２１は停止する。このとき、電動モータ２１は正方向に回転しようとしたまま停止する。よって、ピストン２８と非回転ディスク４との間、及び非回転ディスク４と回転ディスク６との間は互いに当接するように押圧されている。ステップ１２では、電動モータ２１が停止するまでステップ１２の判定を繰り返し、電動モータ２１が停止したと判定するとステップ１３へと移行する。

ステップ１３では、電動モータ２１の実際の駆動電流ｉが所定の値以上になったか否かを判定する。所定の値以上になっていないと判定した場合には、ステップ１４で指令電流を上昇させ、ステップ１２へと戻って再び電動モータ２１が停止したか否かの判定を繰返す。電動モータ２１の実際の駆動電流ｉが所定の値以上になったと判定した場合には、ステップ１５へと移行する。このとき、所定の駆動電流に相当する駆動トルクによってピストンに２８押付力が発生し、ディスク４，６やトルクチューブ３が撓む。

ステップ１５では、電動モータ２１の作動を停止する。このとき、電動モータ２１はサーボオフの状態になり、モータシャフト２９がフリーにされる。電動モータ２１の作動が停止されるとステップ１６へと移行する。ステップ１１からステップ１５までが、駆動停止手段に該当する。

ステップ１６では、電動モータ２１の作動が停止されてから所定の時間を経過したか否かを判定する。所定の時間を経過していないと判定された場合はステップ１６の判定を繰り返し、所定の時間を経過したと判定された場合にはステップ１７へと移行する。

電動モータ２１の作動が停止されると、非回転ディスク４を押圧していた力の反力によってピストン２８は押し戻される。ピストン２８はその押し戻される力によって非回転ディスク４から離間し、所定の間隔をあけたところで自然に停止する。ピストン２８が押し戻されて停止するまでの動作には時間が必要なため、ステップ１６では所定の時間を経過したか否かを判定する。ここで、所定の時間とはピストン２８が押し戻されて自然に停止するまでの充分な時間である。

ピストン２８が反力によって押し戻されると、ピストン２８が固定されているボールナット２６が非回転ディスク４から離間する方向へ、即ちハウジング２内へと押し込まれる。ボールナット２６が押し込まれることによってボールスクリュ２５は回転させられ、その回転はボールスクリュ２５が固定されている減速機構２４のドリブンギア２３へと伝達される。ドリブンギア２３が回転させられると、ドリブンギア２３と噛み合っているドライブギア２２も回転させられ、ドライブギア２２に連結されている電動モータ２１のモータシャフト２９も回転させられる。

このように、ピストン２８が反力によって押し戻されたことによってボールナット２６，ドリブンギア２３，ドライブギア２２，モータシャフト２９が回転させられる。よって、これらの回転させられる部材の回転が自然に停止するまでピストン２８は移動する。つまり、最初はピストン２８が受ける反力によって移動させられていたピストン２８は、停止直前には回転させられた部材の回転慣性によって移動させられることとなる。

ここで、ピストン２８を押し戻す力は、電動ブレーキ１００を構成する部品によって機械的に定められる。具体的には、撓んだトルクチューブ３が元に戻ろうとする力、互いに当接するように押圧されて圧縮されていた回転ディスク６及び非回転ディスク４が元に戻ろうとする力などである。よって、ピストン２８が押し戻されて停止するまでに離間する距離は、常に略一定である。

ステップ１７では、反力によって押し戻されたピストン２８が停止した位置を、その時の電動モータ２１の回転角θから検出する。つまり、ピストン２８と非回転ディスク４との間のクリアランスを検出する。ステップ１６及びステップ１７が、ピストン停止位置検出手段に該当する。ピストン２８が停止した位置を検出したら、ステップ１８へと移行する。

ステップ１８では、クリアランス変数をリセットする。つまり、ピストン２８が自然に停止したこの位置をクリアランスＸ０の初期値に設定する。このステップ１８が、ピストン初期位置調節手段に該当する。

このようにピストン２８が自然に停止した位置をクリアランスＸ０の初期値に設定してもよいが、ピストン２８を押し戻す力が大きくクリアランスＸ０が大きすぎる場合には、自然に停止した位置からピストン２８を非回転ディスク４に向けて所定のストロークだけ移動させ、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を更に小さくしてからクリアランス変数をリセットしてもよい。これは、例えばトルクチューブ３の剛性が高くなく、電動ブレーキ１００の制動時に比較的大きく撓むような場合が該当する。このように、クリアランスＸ０を更に小さくしておくことによって、ピストン２８と非回転ディスク４との間隔を微小にして、電動ブレーキ１００の応答性を高めることができる。

以上の実施の形態によれば、以下のような効果を奏する。

電動ブレーキ１００では、ピストン２８が反力によって押し戻されて停止した位置を検出し、その検出した値に基づいてクリアランスＸ０の初期値を設定する。このとき、ピストン２８を押し戻す反力は電動ブレーキ１００を構成する部材によって機械的に定まる力であるため、常に略一定である。

したがって、非回転ディスク４とピストン２８との間のクリアランスＸ０を一定に調節することができる。

以下では、図３を参照しながら他の実施形態について説明する。この実施形態では、制動状態にある電動ブレーキ１００の制動が解除され始めたときにクリアランスＸ０の調節制御を行う。この実施形態では、電動モータ２１に回転角検出手段を設けずにクリアランスＸ０を一定に調節することが可能である。

ステップ２１では、パイロットによってブレーキペダルを戻す操作が開始されたことによってブレーキ解除指令がなされたことを検出する。つまり、ブレーキペダルを戻す操作が開始されたことによって電動ブレーキ１００の制動が解除され始めたものとみなす。ブレーキ解除指令が検出されるまでステップ２１の判定を繰り返し、ブレーキ解除指令が検出されるとステップ２２へと移行する。

ステップ２２では、電動モータ２１の電流が指令値以下であるか否かを判定する。電動モータ２１の電流が指令値以上であると判定されるとステップ２３で指令電流を減少させ、電動モータ２１の電流が指令値以下であると判定するとステップ２４へと移行する。つまり、電動モータ２１の電流が指令値以下になるように漸減させる。

ステップ２４では、電動モータ２１の電流が指令値以上であるか否かを判定する。電動モータ２１の電流が指令値以上であると判定されるとステップ２５で指令電流を上昇させ、電動モータ２１の電流が指令値以上であると判定するとステップ２６へと移行する。つまり、電動モータ２１の電流が指令値以上になるように漸増させる。

ここで、ステップ２４におけるモータ電流指令値は、ステップ２２におけるモータ電流指令値よりも大きく設定される。そのため、ステップ２６へと移行するときのモータ電流指令値は、常にステップ２４におけるモータ電流指令値以上になったときの値で略一定になる。このようにして、ステップ２２からステップ２５では電動モータ２１に印加される電流値が所定の値になるように調節している。

ステップ２６では、電動モータ２１の作動を停止する。このとき、電動モータ２１はサーボオフの状態になり、モータシャフト２９がフリーにされる。電動モータ２１の作動が停止されるとステップ２７へと移行する。ステップ２１からステップ２６までが、駆動停止手段に該当する。

ステップ２７では、電動モータ２１の作動が停止されてから所定の時間を経過したか否かを判定する。所定の時間を経過していないと判定された場合はステップ２７の判定を繰り返し、所定の時間を経過したと判定された場合にはステップ２８へと移行する。ここで、所定の時間とはピストン２８が押し戻されて自然に停止するまでの充分な時間である。

ステップ２８では、クリアランス変数をリセットする。つまり、ピストン２８が自然に停止したこの位置をクリアランスＸ０の初期値に設定する。このステップ２８が、ピストン初期位置調節手段に該当する。

ここで、電動モータ２１の作動を停止するときのモータ電流指令値は略一定である。即ち、電動モータ２１によってピストン２８を非回転ディスク４へと押し付ける押付力は略一定である。よって、電動モータ２１の作動を停止してからピストン２８が押し戻されてから停止するまでに離間する距離は略一定である。したがって、このときのクリアランスＸ０を初期値として設定すれば、常にクリアランスＸ０を略一定に保つことが可能である。

以上の実施の形態によれば、電動ブレーキ１００では、ピストン２８が非回転ディスク４に所定の押付力で押し付けられている状態から電動モータ２１の作動を停止する。そして、ピストン２８が反力によって押し戻されて停止した位置を検出し、その検出した値に基づいてクリアランスＸ０の初期値を設定する。このとき、クリアランスＸ０は所定の押付力による略一定の値である。

したがって、回転角検出手段を設けることなく、非回転ディスク４とピストン２８との間のクリアランスＸ０を一定に調節することができる。

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

Claims (6)

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、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、
   前記ピストンの初期位置調節時に、前記ピストンを前記制輪手段に押圧するまで駆動した後に前記電動アクチュエータの作動を停止させる駆動停止手段と、
   前記電動アクチュエータの作動を停止した際の反力によって押し戻されて前記ピストンが停止する位置に基づいて前記ピストンの初期位置を調節するピストン初期位置調節手段と、を備え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. 前記ピストンが停止する位置を検出するピストン停止位置検出手段を備え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. 前記ピストン初期位置調節手段は、前記停止位置を前記ピストンの初期位置とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電動ブレーキ。
5. 前記ピストン初期位置調節手段は、前記停止位置から前記ピストンを所定のストロークだけ移動させ、前記ピストンの初期位置とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電動ブレーキ。
6. 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なピストンと、を備え、
   前記ピストンが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のピストン初期位置調節方法であって、
   前記ピストンを前記制輪手段に押圧して停止させ、
   前記ピストンを停止した際の反力によって前記ピストンが押し戻されて停止する位置に基づいて前記ピストンの初期位置を調節することを特徴とする電動ブレーキのピストン初期位置調節方法。

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