BRPI0402913B1 - atuador para um freio eletromecânico, freio eletromecânico, veículo, e, método para implementar um atuador para um freio eletromecânico - Google Patents

Abstract

"atuador para um freio eletromecânico, freio eletromecânico, veículo, e, método para implementar um atuador para um freio eletromecânico" a invenção é relativa a um atuador para um freio eletromecânico, o atuador compreendendo um impulsor (12), um primeiro elemento acionador (20) arranjado para mover o impulsor (12) em nível com uma pilha de discos e para aplicar uma pressão de frenagem à pilha de discos, o atuador incluindo um segundo elemento acionador que compreende um conjunto piezelétrico (23) adequado para modular a pressão de frenagem aplicada à pilha de discos. de acordo com a invenção, o conjunto piezelétrico (23) é colocado dentro do atuador de modo a apresentar uma extremidade (23b) que é estacionária.

Description

“ATUADOR PARA UM FREIO ELETROMECÂNICO, FREIO ELETROMECÂNICO, VEÍCULO, E, MÉTODO PARA IMPLEMENTAR UM ATUADOR PARA UM FREIO ELETROMECÂNICO” A invenção é relativa a um atuador para um freio eletromecânico, um freio que inclui um tal atuador, um veículo que inclui pelo menos um tal freio, e um método de implementar dito atuador. FUNDAMENTO DA INVENÇÃO Freios eletromecânicos são conhecidos, os quais compreendem uma pilha de discos e pelo menos um atuador que compreende um impulsor e um motor elétrico arranjado para mover o impulsor em nível com a pilha de discos, de modo a comprimir o impulsor contra a pilha. O motor elétrico é controlado para pressionar o impulsor contra a pilha de discos com pressão que é igual a uma pressão nominal que é uma função da intensidade de frenagem desejada, cuja pressão nominal pode ser modulada em resposta à detecção de deslizamento de rodas freadas desta maneira, de modo a impedir que ditas rodas travem. O motor elétrico deve, portanto, ser dimensionado para realizar as seguintes funções: uma aproximação rápida do impulsor no sentido da pilha de discos, sob torque desprezível; a aplicação de pressão nominal à pilha de discos, a uma velocidade controlada que é genericamente lenta, porém sob torque elevado; e modular a pressão nominal, o que requer que deslocamentos sejam realizados, os quais são curtos porém muito rápidos, e sob torque elevado. A terceira condição é muito restritiva e requer que motores potentes sejam utilizados, e assim motores que são pesados e que apresentam a desvantagem de grande inércia.

Foram feitas propostas, por exemplo, no documento DE 198 58 764 A para colocar um conjunto piezelétrico no impulsor do atuador, o conjunto piezelétrico servindo para modular a pressão nominal enquanto o motor elétrico é utilizado apenas para aplicar a pressão nominal, tomando assim possível utilizar motores elétricos de potência mais baixa, os quais são assim mais leves em peso e consomem menos eletricidade. Não obstante, na configuração proposta naquele documento, o conjunto piezelétrico se move com o impulsor, complicando com isto a provisão de conexões elétricas ao conjunto piezelétrico. O estado da técnica está também ilustrado pelos seguintes documentos U.S. 5.090.518 A, U.S. 6.179.097 A ou ainda EP 0 984 190 A.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

Um objetivo da invenção é fornecer um atuador para freio eletromecânico, o atuador incluindo um conjunto piezelétrico no qual conexão elétrica ao elemento piezelétrico é particularmente simples.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Mais precisamente, a invenção fornece um atuador para freio eletromecânico, o atuador compreendendo um impulsor e um primeiro elemento acionador arranjado para mover o impulsor em nível com uma pilha de discos e para aplicar uma pressão de frenagem à pilha de discos, com o atuador incluindo um segundo elemento acionador que compreende um conjunto piezelétrico adequado para modular a pressão de frenagem aplicada à pilha de discos, no qual, de acordo com a invenção, o conjunto piezelétrico é colocado dentro do atuador, de modo a apresentar uma extremidade que é estacionária.

Assim, o conjunto piezelétrico não se move com o impulsor, facilitando com isto, de maneira considerável, a provisão de conexões elétricas a ele, seja a conexão para a finalidade de energizá-lo ou para ler uma voltagem através de seus terminais. Não há mais qualquer necessidade de fornecer conexões com fios livres, ou mesmo com contatos deslizantes ou anéis deslizantes, que são fatores que reduzem a confiabilidade do atuador.

Em uma configuração preferencial da invenção o atuador compreende: uma carcaça na qual o impulsor desliza ao longo de um eixo deslizante; uma luva colocada dentro da carcaça ao redor do impulsor, para girar ao redor de dito eixo deslizante que é conectado à dito impulsor por meio de uma conexão helicoidal; um motor elétrico que forma o primeiro elemento acionador que é colocado dentro da carcaça ao redor da luva, e que é arranjado para acionar dita luva em rotação; e o conjunto piezelétrico que é tubular em forma, e que é colocado dentro da carcaça e ao redor do motor elétrico, dito conjunto piezelétrico tendo, em adição à extremidade estacionária, uma outra extremidade que forma um encontro axial para a luva, o conjunto piezelétrico sendo arranjado para fazer com que a luva se mova em uma direção paralela ao eixo deslizante.

Em um aspecto particular da invenção, o motor elétrico é conectado ao impulsor por meio de um sistema acionador irreversível.

Vantajosamente, o atuador é associado com dispositivo para medir uma voltagem elétrica através dos terminais do conjunto piezelétrico. A invenção também fornece um freio que inclui pelo menos um tal atuador, e um veículo que inclui pelo menos um tal freio. A invenção também fornece um método para implementar um atuador eletromecânico da invenção, no qual a voltagem através dos terminais do conjunto piezelétrico é detectada, pelo menos enquanto o atuador não está ativo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A invenção será melhor entendida à luz da descrição a seguir fornecida com referência às Figuras dos desenhos que acompanham, nos quais: A Figura 1 é uma vista em corte de um freio eletromecânico de aeronave da invenção; A Figura 2 é uma vista em corte de um atuador eletromecânico ajustado ao freio mostrado na Figura 1; A Figura 3 é um diagrama de torque/velocidade que mostra como o motor elétrico do atuador mostrado na Figura 2 é selecionado; e A Figura 4 é um diagrama de blocos de um circuito para controlar o atuador da Figura 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Com referência à Figura 1, uma roda de aeroplano 1 é montada para girar sobre um eixo 2 através de mancais 3 ao redor de um eixo de rotação X. A roda 1 é equipada com um freio que compreende uma pilha de discos que têm um eixo central que coincide com o eixo X e constituída de discos motores 4 que são restringidos para girar com a roda 1 por meio de ranhuras periféricas 5, e discos do estator 6 que são colocados alternados com os discos motores 4 e que são restringidos em rotação com um tubo de torção 7 por meio de ranhuras internas 8. O tubo de torção 7 é, ele mesmo, conectado a um anel 8 por meio de parafusos 10. O anel 9 é impedido de girar em relação ao eixo 2 por meio de dispositivo batente (não mostrado aqui), de modo que os discos do estator 7 não giram. O anel 9 carrega atuadores eletromecânicos 11, somente um dos quais está mostrado na Figura 1. Cada atuador 11 tem um em impulsor 12 que é móvel em translação, e que é atuado por meio de um elemento acionador (não mostrado aqui) para comprimir a pilha de discos por meio de uma placa compressora 13.

Os atuadores eletromecânicos 11 são arranjados circunferencialmente ao redor do anel 9, sendo distribuídos ao redor do eixo central X.

Com referência à Figura 2, cada atuador 11 compreende uma carcaça, que neste caso compreende um corpo cilíndrico 14, uma parede extrema 15 que forma uma placa para fixar ao anel 9 e uma tampa 16. O impulsor 12 é montado para deslizar na carcaça ao longo de um eixo deslizante Y que é essencialmente paralelo ao eixo X quando o atuador 11 está montado sobre o anel 9. Uma haste 17 presa à parede extrema 15 de perfil que é não circular, por exemplo hexagonal, é engatada em uma cavidade de forma complementar no impulsor 12, para impedir o impulsor 12 de girar em relação à carcaça do atuador.

Uma luva 18 se estende ao redor do impulsor 12 e é montada para girar ao redor do eixo Y dentro da carcaça. A luva 18 é conectada ao impulsor 12 por meio de uma conexão helicoidal fornecida por roletes satélites rosqueados 19 que são restringidos para se moverem juntos longitudinalmente com o impulsor 12, e que operam em conjunto com uma rosca interna da luva (não mostrado).

Um motor elétrico 20 se estende ao redor da luva 18 e compreende um motor 20A restringido para girar com a luva 18 e um estator 20B montado de maneira estacionária dentro da carcaça.

Quando o motor elétrico 20 é energizado, rotação é impressa ao motor 20A que arrasta a luva 18. A rotação da luva 18 conduz assim a que o impulsor 12 seja movido axialmente na direção correspondente ao longo do eixo Y. A luva 18 é parada axialmente por meio de um encontro do rolete 21 que se apóia contra uma arruela 22. A arruela 22, ela mesma, se apóia contra uma das extremidades 23A de um conjunto piezelétrico 23 que, neste caso, é um conjunto unitário na forma de um cilindro oco que se estende ao redor do motor 20, que é acomodado no corpo cilíndrico 14 da carcaça.

De acordo com uma disposição essencial da invenção, o conjunto piezelétrico 23 é colocado no atuador de modo a apresentar uma extremidade que é estacionária, neste caso a extremidade 23B, que pressiona contra uma porção estacionária da carcaça, especificamente uma face interna do corpo cilíndrico 14.

Esta disposição toma muito simples organizar o fornecimento de energia elétrica para o conjunto piezelétrico 23, uma vez que, diferentemente da técnica precedente, o conjunto não se move dentro do atuador.

Quando uma voltagem elétrica é aplicada ao conjunto piezelétrico 23 entre dois terminais de dito conjunto piezelétrico, e em particular entre a periferia externa e a periferia interna de dito conjunto, ele se expande ou se contrai (efeito piezelétrico inverso) em uma direção paralela ao eixo Y. O atuador opera como a seguir. O motor elétrico 20 é energizada de modo a provocar primeiramente um movimento de aproximação do impulsor 12 a partir de uma posição de espera que é afastada da pilha de discos, até uma posição onde ele está em contato com a pilha de discos e, em segundo lugar, um deslocamento que aplica pressão que atua sobre a pilha de discos, para aplicar pressão de frenagem igual a uma pressão nominal que é determinada como uma função da intensidade de frenagem desejada.

Quando a pressão nominal é aplicada, o impulsor 12 está em compressão, e a luva 18 está em extensão sob a mesma força que aquela à qual o impulsor 12 está submetido. O encontro do rolete 21 transmite esta força para a arruela 22 e assim para o conjunto piezelétrico 23, que está, portanto, em compressão sob a mesma força que a força à qual o impulsor 12 está submetido.

Fazer uma leitura da diferença de potencial através dos terminais do conjunto piezelétrico 23 fornece assim uma medição direta representativa da forçar à qual o impulsor 12 está submetido, e assim da pressão que ele está imprimindo à pilha de discos (efeito piezelétrico para a frente).

Pode-se tirar vantagem desta característica para fazer uso do conjunto piezelétrico 23 como um sensor de força durante estágios nos quais ele não está em uso de maneira ativa para modular ffenagem, por exemplo, ao aplicar uma força de freio de estacionamento. Para esta finalidade o atuador é associado com dispositivo para medir a voltagem através dos terminais do conjunto piezelétrico 23, cujo dispositivo pode ser contido, por exemplo, em uma unidade de controle para o atuador.

Com freios para aeronaves, é convencional modular a pressão de ffenagem de modo a evitar que a roda 1 trave, onde o travamento é caracterizado por uma queda súbita na velocidade de rotação de dita roda. Em atuadores conhecidos, que não são equipados com um conjunto piezelétrico, é o motor elétrico que é controlado para modular a pressão de ffenagem.

Neste caso, o conjunto piezelétrico 23 é utilizado para modular ffenagem, com o motor 20 sendo utilizado apenas para fornecer um movimento de aproximação e o movimento de aplicação de pressão do impulsor 12. Para esta finalidade, uma voltagem elétrica é aplicada através dos terminais do conjunto piezelétrico 23, de modo a fazer com que o comprimento axial do conjunto piezelétrico 23 varie. Esta variação pode assim conduzir a um pequeno deslocamento axial da luva 18 (da ordem de alguns centésimos de um milímetro), e assim o impulsor 12 na direção que tende a modular, isto é diminuir ou aumentar, a força exercida pelo impulsor r 12 sobre a pilha de discos. E assim possível reduzir o efeito piezelétrico relativo a uma força estática máxima ou, inversamente, utilizar o efeito piezelétrico para aumentar a força aplicada à pilha de discos começando de uma força estática mínima. Durante este tempo o motor 20 é mantido estacionário em sua posição angular. O deslocamento do impulsor, obtido desta maneira, é da ordem de alguns centésimos de um milímetro, o que, dada a rigidez do freio e da pilha de discos, é bastante suficiente para conduzir à variação significativa na força de frenagem. A utilização de um segundo elemento acionador para modular frenagem apresenta diversas vantagens.

Com referência, em primeiro lugar, ao motor elétrico 20, verificou-se que o movimento de aproximação é realizado a torque desprezível e a alta velocidade. Isto corresponde a um ponto de operação PF1 mostrado no diagrama da Figura 3. Com relação ao deslocamento que aplica pressão, este é realizado sob um nível elevado de torque, porém a baixa velocidade. Isto corresponde a um ponto de operação PF2 sobre o mesmo diagrama.

Se a modulação de frenagem deve ser realizada utilizando o mesmo motor elétrico 20, então seria necessário que o motor fosse capaz de operar em pontos de operação que se situam na região R que está delineada em uma linha tracejada no diagrama, que corresponde a movimentos rápidos sob torque elevado, que são característica de modulação de pressão de frenagem. Esta opção deveria então tomar necessário selecionar um motor elétrico de potência P (característica representada por uma linha tracejada) e que precisa ser compatível com todos os pontos de operação desejados.

Contudo, quando a modulação de pressão de frenagem é fornecida pelo conjunto piezelétrico 23, o motor elétrico 20 não precisa mais ser capaz de ocupar aqueles pontos de operação situados na região R do diagrama que corresponde à modulação de pressão de frenagem, porém precisa ser capaz somente de ocupar pontos de operação PF1 e PF2. E então possível selecionar um motor de potência P', cuja característica está ilustrada por uma linha contínua na Figura 3, que é consideravelmente menor do que a potência P. O motor elétrico 20 quando selecionado desta maneira é assim muito mais leve em peso e consome consideravelmente menos eletricidade.

Com referência ao conjunto piezelétrico 23, este é particularmente bem adaptado para realizar a modulação da pressão de frenagem. O conjunto piezelétrico 23 apresenta uma resposta que é muito rápida comparada com aquela do motor elétrico que está em desvantagem por inércia considerável, tomando assim possível ao conjunto piezelétrico alcançar velocidades de deslocamento que são muito elevadas, e particularmente vantajosas para modular pressão de frenagem. O curso limitado do conjunto piezelétrico 23 é, não obstante, compatível com o curso necessário para modular pressão de frenagem, dado o nível elevado de rigidez do freio na direção axial.

Assim, utilizando dois elementos acionadores, especificamente o motor elétrico 20 e o conjunto piezelétrico 23, cada um dedicado a uma tarefa particular, a operação do atuador é otimizada, ao mesmo tempo que obtém uma economia apreciável em peso.

Uma outra vantagem das disposições da invenção se situa no fato que os requisitos para o rendimento e precisão no sistema que transmite acionamento a partir do motor elétrico 20 para o impulsor 12 podem ser relaxados de maneira significativa. Em um atuador eletromecânico convencional sem um conjunto piezelétrico, é importante alcançar o rendimento excelente para evitar perdas de atrito que conduzem a aquecimento e a consumo elevado de eletricidade, e também é necessário ter precisão elevada para ser capaz de controlar de maneira fina a pressão de frenagem que é aplicada. No atuador da invenção, precisão com relação à pressão aplicada por meio do motor elétrico 20 pode ser relaxada, na medida que o conjunto piezelétrico 23 regula a pressão de frenagem. Relaxar requisitos de rendimento e precisão tomam possível alcançar assim economias significativas na fabricação do atuador. O sistema acionador entre o motor elétrico 20 e o impulsor 12 pode também ser projetado para ser irreversível, o que é difícil de considerar com um atuador eletromecânico convencional. A desvantagem principal associada com irreversibilidade é o risco de emperramento. Para evitar este risco, atuadores convencionais são projetados com um sistema acionador que é reversível, o que significa que o motor elétrico deve ser energizado de maneira contínua durante a frenagem para manter a força de ffenagem, e que significa que um elemento de bloqueio precisa ser fornecido para assegurar que pressão de bloqueio é mantida sobre o freio quando o aeroplano está em uma parada e o motor elétrico não está energizado.

Por meio do conjunto piezelétrico 23, o risco de emperramento é consideravelmente reduzido. Antes de operar o motor elétrico 20 na direção inversa para mover o impulsor 12 para longe da pilha de discos, uma voltagem elétrica é aplicada aos'terminais do conjunto piezelétrico 23 para fazer com que dito conjunto contraia por uma quantidade desejada. Esta contração conduz a redução significativa em pressão de frenagem, r possibilitando assim ao impulsor 12 ser arrastado pelo motor elétrico 20. E assim possível fornecer um sistema acionador irreversível entre o motor elétrico 20 e o impulsor 12, tomando assim possível não apenas cortar o suprimento de energia para o motor elétrico uma vez que o nível desejado de pressão tenha sido aplicado, conseguindo com isto economias de energia significativas, mas também omitir um elemento de bloqueio. A Figura 4 mostra uma maneira de controlar o motor elétrico 20 e o conjunto piezelétrico 23. A posição angular de referência Cn0m para o motor elétrico 20 é gerada por meio de um calculador de frenagem (não mostrado). Esta referência corresponde à pressão de frenagem nominal que é selecionada como uma função da intensidade de frenagem desejada. Esta referência é ou constante ou também varia lentamente. O motor elétrico 20 então move o impulsor 12 em resposta a referência Cn0m, movendo com isto o impulsor 12 através de uma distância de.

Este movimento pode ser encurtado por uma distância Dp que é o resultado de aplicar uma voltagem de referência Vp através dos terminais do conjunto piezelétrico 23. O movimento resultante do impulsor 12 é assim igual a: d = de - dp Dada a rigidez axial do freio, este movimento d conduz a uma pressão de frenagem correspondente ser aplicada à pilha de discos, cuja pressão, por sua vez, gera um torque de frenagem C sobre a roda 1. A redução na velocidade de rotação da roda 1 é medida para detectar qualquer deslizamento da roda. Um filtro anti-deslizamento 30 utiliza esta medição de velocidade de rotação para gerar a voltagem de referência Vp que é zero quando não há qualquer deslizamento. A invenção não está limitada às características particulares da invenção descrita acima, porém, ao contrário, cobre qualquer variante que venha dentro do âmbito da invenção como definida pelas reivindicações.

Em particular, embora esteja descrito acima que o conjunto piezelétrico, ele mesmo, fornece toda a modulação de pressão de frenagem, é possível enquanto permanecendo dentro do âmbito da invenção, controlar o motor elétrico 20 de tal maneira que ele fornece apenas uma parte desta modulação. Isto pode se aplicar em particular se o curso do conjunto piezelétrico não o possibilita a alcançar alívio quase completo da pressão de frenagem, o que pode ser necessário, por exemplo, se a roda está sobre uma folha de gelo. Sob tais circunstâncias o motor elétrico é controlado de modo a liberar a pressão de frenagem, auxiliando com isto o conjunto piezelétrico. Assim, sob a maior parte das condições de frenagem, toda a modulação da pressão de frenagem é fornecida pelo conjunto piezelétrico. É apenas sob certas circunstâncias excepcionais que o conjunto piezelétrico é auxiliado pelo motor elétrico. Sob tais situações o conjunto piezelétrico fornece apenas uma porção da modulação de pressão de ffenagem.

Embora um conjunto piezelétrico unitário esteja mostrado, também seria possível fornecer um conjunto constituído de uma pluralidade de elementos unitários arranjados em série.

Embora um conjunto piezelétrico esteja mostrado como sendo tubular em estrutura, é possível utilizar outros arranjos, por exemplo, uma pluralidade de barras piezelétricas dispostas paralelas umas às outras ao redor de uma superfície tubular, as barras piezelétricas operando então em paralelo.

Em um outro arranjo também seria possível fornecer uma única barra piezelétrica que se estende ao longo do eixo do ,impulsor, isto é dentro de dito impulsor, enquanto ainda tendo uma extremidade que é estacionária.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Atuador para um freio eletromecânico, o atuador compreendendo um impulsor (12), um primeiro elemento acionador (20) arranjado para mover o impulsor (12) em nível com uma pilha de discos e para aplicar uma pressão de frenagem à pilha de discos, o atuador incluindo um segundo elemento acionador que compreende um conjunto piezelétrico (23) adequado para modular a pressão de frenagem aplicada à pilha de discos, caracterizado pelo fato de o conjunto piezelétrico (23) ser colocado dentro do atuador de modo a apresentar uma extremidade (23 B) que é estacionária.

2. Atuador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: uma carcaça (14, 15, 16) na qual o impulsor (12) desliza ao longo de um eixo deslizante (Y); uma luva (18) colocada dentro da carcaça ao redor do impulsor (12) para girar ao redor de dito eixo deslizante (Y) e conectada a dito impulsor (12) por meio de uma conexão helicoidal; um motor elétrico (20) que forma o primeiro elemento acionador que é colocado dentro da carcaça ao redor da luva (18) e que é arranjado para acionar dita luva (18) em rotação; e o conjunto piezelétrico (23) que é tubular em forma, e que é colocado dentro da carcaça e ao redor do motor elétrico (20), dito conjunto piezelétrico (23) tendo em adição à extremidade estacionária (23B), uma outra extremidade (23A) que forma um encontro axial para a luva (18), o conjunto piezelétrico sendo arranjado para fazer com que a luva (18) se mova em uma direção paralela ao eixo de deslizante (Y).

3. Atuador de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o motor elétrico (20) ser conectado ao impulsor (12) por meio de um sistema acionador irreversível.

4. Atuador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de ser associado com dispositivo para medir uma voltagem elétrica através dos terminais do conjunto piezelétrico (23).

5. Freio eletromecânico, caracterizado pelo fato de incluir pelo menos um atuador como definido em qualquer reivindicação precedente.

6. Veículo, caracterizado pelo fato de incluir pelo menos um freio de acordo com a reivindicação 5.

7. Método para implementar um atuador para um freio eletromecânico como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de uma voltagem elétrica ser retirada através dos terminais do conjunto piezelétrico (23), pelo menos enquanto o atuador não está ativo.