BRPI0711081A2 - atuador hidráulico linear com toleráncia balìstica - Google Patents

Abstract

ATUADOR HIDRáULICO LINEAR COM TOLERáNCIA BALìSTICA. Trata-se de um atuador hidráulico que possui uma seção blindada com cilindros concêntricos e uma seção não blindada contendo um cilindro com um pistão frágil e uma porca vedadora superior frágil. O atuador hidráulico pode ter orificios de respiro de escoamento adaptados para impedir vazamento entre os sistemas hidráulicos utilizados para alimentação dos cilindros. O atuador hidráulico também pode dispor de uma gaxeta devedação para vedar uma extremidade do cilindro da seção não blindada, e de uma porta de sensoriamento adaptada para permitir a detecção de vazamento de fluido devido a danos na gaxeta de vedação.

Description

Patente de Invenção para "ATUADORHIDRÁULICO LINEAR COM TOLERÂNCIABALÍSTICA".

Campo Técnico

O campo técnico a que se refere esta invenção éo de atuadores hidráulicos lineares com tolerância balística.

Descrição do Estado da Técnica

Muitos tipos de atuadores hidráulicos linearessão utilizados em aeronaves para posicionar os componentes daaeronave. Exemplos desses componentes incluem superfícies decontrole de vôo, freios aerodinâmicos e o trem de pouso. Com ointuito de propiciar redundância nos sistemas, costuma-se utilizaratuadores duais ou tríplexs, podendo ser utilizados com dois oumais sistemas hidráulicos para alimentação dos atuadores.

Um exemplo de atuador concêntrico dual,ilustrado na Figura 1, vem sendo utilizado nos freiosaerodinâmicos da aeronave Boeing F/A-18. O atuador 11compreende uma câmara de retração hidráulica central 13contendo um pistão 15 conectado à extremidade fixa e umacâmara de retração externa do atuador hidráulico 17 contendo umpistão 19 conectado à extremidade móvel. Para a extensão doatuador, há uma câmara de extensão única 20.

No momento, existem duas tecnologiasutilizadas para obter redundância tripla nos atuadores de controlede vôo fundamentais utilizados em helicópteros e aeronaves derotor inclinável (tíltrotors). A Figura 2 ilustra uma configuraçãojá existente de um sistema de atuador hidráulico 21 para osatuadores de controle de vôo 23, 25, como utilizado na aeronavede rotor inclinável Bell/Boeing V-22. O sistema 21 é utilizado,por exemplo, para posicionar um dispositivo de controle de vôo27. Uma vez que a configuração de três cilindros atuadores deponta a ponta em tandem resulta em um invólucro de atuadorextremamente grande, o sistema 21 utiliza um atuador dual emtandem 23 e utiliza uma válvula de comutação 29 para permitirque um dentre dois sistemas hidráulicos diferentes 31, 33alimente um dos dois cilindros dentro do atuador 23. Aconfiguração do sistema 21 não oferece redundância tripla total,não sendo, portanto, tão confiável quanto um verdadeiro sistemaatuador tríplex.

A Figura 3 ilustra uma configuração já existentede um sistema de atuador hidráulico 35 para os atuadores decontrole de vôo 37, 39, 41, como utilizado na aeronave de rotorinclinável Bell/Agusta BA609. O sistema 35 é utilizado, porexemplo, para posicionar um dispositivo de controle de vôo 43. Osistema 35 propicia um sistema atuador totalmente tríplexposicionando os três cilindros 45, 47, 49 lado a lado numaconfiguração triangular; essa configuração oferece maiorconfiabilidade do que a dual em tandem com a configuração deválvula de comutação do sistema 21 da Figura 2. No entanto, umavez que todos os três êmbolos expostos 51, 53, 55 e os cilindros45, 47, 49 devem ser blindados ou projetados de alguma outraforma para oferecer proteção balística, essa configuração nãoserve para aplicações militares.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista esquemática em cortetransversal de um atuador hidráulico concêntrico dual do estadoda técnica.

A Figura 2 é uma vista esquemática de umaconfiguração de um sistema atuador hidráulico do estado datécnica.

A Figura 3 é uma vista esquemática de umaconfiguração de um sistema atuador hidráulico do estado datécnica.

A Figura 4 é uma vista esquemática em cortetransversal de uma concretização de um atuador hidráulico comtolerância balística.

A Figura 5 é uma vista detalhada em cortetransversal de uma concretização de um atuador hidráulico comtolerância balística.

A Figura 6A é uma vista em corte transversalampliada de uma parte do atuador hidráulico com tolerânciabalística da Figura 5.

A Figura 6B é uma vista em corte transversalampliada de uma parte do atuador hidráulico com tolerânciabalística da Figura 5.

Descrição da Concretização PreferidaPara solucionar as questões balísticas dosatuadores de configuração paralela, lado a lado, umaconcretização de um atuador prevê um atuador tríplex em tandemque se encaixa em um invólucro de atuador que é apenas umpouco maior do que um atuador dual em tandem do V-22 com omesmo comprimento de curso. A configuração do atuador tríplexem tandem com cilindros inferiores concêntricos propicia maiorproteção balística pelo emprego de dois cilindros blindados maisum cilindro não blindado, comparado à configuração atual do ν-22, na qual se utiliza um cilindro blindado e outro não blindado.Além disso, o atuador tem orifícios de respiro para escoamentoatravés do êmbolo para impedir vazamento dentro do sistema, euma porta de sensoriamento que serve para detectar a presença dedanos na gaxeta de vedação superior. A confiabilidade também é aprimorada pela eliminação das válvulas de comutação e pelaprovisão de redundância tripla total.

A Figura 4 é uma vista esquemática em cortetransversal de uma concretização de um atuador em tandemtríplex 57. O atuador 57 compreende uma configuração decilindro concêntrico dual em uma seção blindada 59 e umaconfiguração de cilindro único em uma seção não blindada 61. Aseção blindada 59 compreende uma parede externa blindada 63que minimiza os danos provocados por impactos balísticos naseção 59. A parede blindada 63 pode ser formada de qualquer material apropriado, tal como uma chapa de proteção blindada, eencerra um volume dividido em dois cilindros concêntricos doatuador, ao passo que a seção não blindada 61 compreende umaparede externa 65 que encerra um volume configurado para atuarcomo um cilindro do atuador. As seções 59, 61 são unidas uma àoutra em uma disposição coaxial.

Um êmbolo 67 se estende através da seção 61 epara dentro da seção 59.0 êmbolo 67 tem uma parte cilíndrica 69localizada dentro da seção 61, e um pistão circunferencial frágil71 é formado na superfície externa da parte cilíndrica 69. O pistão71 tem superfícies opostas 73, 75 e o pistão 71 é vedado nasuperfície interna da parede externa 65 com a vedação 77,definindo os volumes de fluido anulares 79, 81 dentro da seção61. Uma porta de extensão 83 se estende através da paredeexterna 65 e se comunica com o volume de fluido 79, e uma portaretrátil 85 se estende através da parede externa 65 e se comunicacom o volume de fluido 81. Uma vedação 87 se engata de formavedada ao êmbolo 67 e à parede externa 65, vedando assim aextremidade do pistão oposto 71 do volume de fluido 79. Umconjunto de vedação de porca e gaxeta frágil 89 também se engatade forma vedada ao êmbolo 67 e à parede externa 65 para vedar aextremidade do pistão oposto 71 do volume de fluido 81.

O êmbolo 67 tem uma parte de saia 91 que seestende para dentro da seção 59 e termina em um pistão 93. Asuperfície externa do pistão 93 é vedada na parede externa 63 coma vedação 95, e a saia 91 é vedada na parede externa 63 com avedação 97. A saia 91 encerra um membro de válvula interno 99que é conectado à parede externa 63 e termina em um pistão 101.Uma vedação 103 engata de forma vedada o pistão 101 àsuperfície interna 105 da saia 91, definindo um volume de fluido109. Uma vedação 111 veda a superfície interna do pistão 93 doêmbolo 67 no membro de válvula 99, e as vedações 103, 111cooperam para definir o volume de fluido anular 113. Asvedações 95, 97 cooperam para definir o volume de fluido anular115, e as vedações 95, 111 cooperam para definir o volume defluido anular 117.

Uma porta de extensão 119 se estende atravésda parede externa 63 e se comunica com o volume de fluido 117,e uma porta retrátil 121 se estende através da parede externa 63 ese comunica com o volume de fluido 115. A pressão no volumede fluido 117 age sobre a superfície 123 do pistão 93, e a pressãono volume de fluido 115 age sobre a superfície 125 do pistão 93.

Uma porta de extensão 127 se estende atravésdo membro de válvula 99 e se comunica com o volume de fluido109, e uma porta retrátil 129 se estende através do membro deválvula 99 e se comunica com o volume de fluido 113. A pressãono volume de fluido 109 age sobre a superfície de pistão 131 doêmbolo 67, e a pressão no volume de fluido 113 age sobre asuperfície 133 do pistão 93.

Em operação, o êmbolo 67 pode ser estendidoaplicando-se pressão hidrostática através de qualquer uma dasportas de extensão 83, 119 e 127 e em direção aos volumes defluido correspondentes 79, 109, 117. A pressão hidrostática agesobre a superfície de pistão 73, 123, 131 associada para fazer comque o êmbolo se estenda para fora do atuador 57. De modosimilar, o êmbolo 67 pode ser retraído aplicando-se pressãohidrostática através de qualquer uma das portas de retração 85,121 e 129 e em direção aos volumes de fluido 81, 113, 115correspondentes. A pressão hidrostática age sobre a superfície depistão 75, 125, 133 associada para fazer com que o êmbolo seretraia para dentro do atuador 57. No caso de danos balísticos naseção não blindada 61, o êmbolo 67 pode ainda ser estendido eretraído utilizando-se os cilindros dentro da seção blindada 59.Caso um dos cilindros concêntricos dentro da seção blindada 59seja danificado, o cilindro restante ainda pode ser usado paraposicionar o êmbolo 67.

A Figura 5 é uma vista em corte transversaldetalhada de outra concretização de um atuador tríplex emtandem, e as Figuras 6A e 6B são vistas em corte transversalampliadas, detalhadas, do atuador da Figura 5.

A Figura 5 ilustra um atuador tríplex em tandem135 que tem uma configuração similar à do atuador 57, que foidescrito acima. O atuador 135 compreende uma configuração decilindro concêntrico dual em uma seção blindada 137 e umaconfiguração de cilindro único em uma seção não blindada 139. AFigura 6A é uma vista ampliada da seção não blindada 139 e aFigura 6B é uma vista ampliada da seção não blindada 137.

A seção não blindada 139 tem uma paredeexterna não blindada 141 que forma um único atuador de cilindropara mover o êmbolo 143. Uma porta de extensão 145 se estendeatravés da parede externa 141 e se comunica com o volume defluido anular 147, e uma porta retrátil 149 se estende através daparede externa 141 e se comunica com o volume de fluido anular151. De maneira similar à descrita acima para o atuador 57, apressão no volume de fluido 147 age sobre a superfíciecorrespondente de um pistão frágil 153 para estender o êmbolo143, e a pressão no volume de fluido 151 age sobre a superfícieoposta do pistão 153 para retrair o êmbolo 143. Um conjunto devedação de porca e gaxeta frágil 155 é utilizado para vedar aextremidade do pistão oposto 153 do volume de fluido 151. Umrespiro de escoamento 157 é proporcionado no êmbolo 143 parapermitir o respiro do fluido que escoou do sistema hidráulico naseção 139. Além disso, uma porta de sensoriamento 159 éproporcionada na parede externa 141 para permitir osensoriamento de vazamento de fluido, o que indica a presença dedanos na gaxeta de vedação no conjunto 155. Um transformadordiferencial variável linear tríplex 161 é utilizado para medir aquantidade de deslocamento do êmbolo 143 durante a operaçãodo atuador 135.

O uso da porta de sensoriamento 159 permiteproteção da seção de alimentação do sistema hidráulico 139. Casoseja detectado fluxo em direção à porta 159 (indicando umconjunto de gaxeta de vedação 155 danificado), o computador decontrole de vôo pode configurar uma seção de alimentaçãomúltipla 139 (não ilustrada) em uma configuração dedesvio/interrupção para isolar o vazamento. Isso impede que aseção 139 esgote o fluido no sistema após danos no conjunto degaxeta de vedação 155 e isole o vazamento em sua origem.

A seção blindada 137 tem uma parede externablindada 163 que forma um atuador de cilindro concêntrico dualpara mover o êmbolo 143. Uma porta de extensão 165 se estendeatravés da parede externa 163 e se comunica com o volume defluido anular 167, e uma porta retrátil 169 se estende através daparede externa 163 e se comunica com o volume de fluido anular171. Um membro de válvula 173 está localizado dentro de umaparte de saia 175 do êmbolo 143, e uma porta de extensão 177 euma porta de retração 179 se estendem através do membro deválvula 173. O membro de válvula 173 é conectado à paredeexterna 163 e não se move com o êmbolo 143. A porta deextensão 177 se comunica com o volume de fluido 181, e a portade retração 179 se comunica com o volume de fluido anular 183.De maneira similar à descrita acima para o atuador 57, a pressãono volume de fluido 167 age sobre a superfície correspondente deum pistão 185 para estender o êmbolo 143, e a pressão no volumede fluido 171 age sobre a superfície oposta do pistão 185 pararetrair o êmbolo 143. De maneira similar, a pressão no volume defluido 181 age sobre a superfície interna 187 do êmbolo 143 paraestender o êmbolo 143, e a pressão no volume de fluido 183 agesobre uma superfície correspondente do pistão 185 para retrair oêmbolo 143. Um respiro de escoamento 189 é disposto próximo àinterface da seção 137, 139 para permitir o respiro do fluido queescoou de um ou de ambos os sistemas hidráulicos na seção 137.Na concretização preferida, o tamanho e o pesodo conjunto de cilindros do atuador tríplex em tandem é apenasum pouco maior do que o de um atuador dual em tandem similar.O grande diâmetro de êmbolo exigido cria o espaço necessáriopara o terceiro cilindro dentro do êmbolo. Uma vez que a V-22 emuitas aeronaves novas utilizam sistemas hidráulicos que operamna faixa de 5.000 psi, pouquíssima área efetiva do pistão énecessária para produzir a operação desejada do cilindro. A únicadiferença de peso significativa entre um atuador dual em tandem eo atuador tríplex em tandem é a adição de um terceiro distribuidorde controle para operar o terceiro cilindro, apesar de este ganhode peso ser contrabalançado pela eliminação das válvulas decomutação e isolamento.

Qualquer que seja sua configuração, dual outríplex, cada cilindro do atuador deve ser dimensionado pela cargaexigida para operação segura em um cilindro de operação. Vistoque a blindagem da seção blindada protege dois sistemas, danosna seção não blindada não deterioram simbolicamente o envelopede vôo.

O atuador tríplex em tandem oferece diversasvantagens, dentre elas: 1) oferece acionamento de controle de vôoessencial para aeronaves militares que necessitam de proteçãobalística; 2) propicia maior confiabilidade sem nenhum impactosignificativo sobre o peso ou o conjunto; e 3) oferece tolerânciabalística sem nenhum impacto significativo sobre o peso ou oconjunto.A presente descrição inclui referência aconcretizações ilustrativas, mas não deve ser interpretada emsentido restrito. Várias modificações e combinações dasconcretizações ilustrativas, bem como outras concretizações,ficarão visíveis aos versados na técnica ao tomar como referênciaa descrição.

Claims (7)

1. Atuador hidráulico linear, caracterizado porcompreender:uma seção blindada contendo cilindrosconcêntricos; euma seção não blindada contendo um cilindrocom um pistão frágil e uma porca vedadora superior frágil.

2. Atuador hidráulico, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender:orifícios de respiro de escoamento adaptadospara impedir vazamento entre os sistemas hidráulicos utilizadospara alimentação dos cilindros.

3. Atuador hidráulico, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender:uma gaxeta de vedação para vedar umaextremidade do cilindro da seção não blindada;uma porta de sensoriamento adaptada parapermitir a detecção de vazamento de fluido devido a danos nagaxeta de vedação.

4. Atuador hidráulico, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção blindada ea seção não blindada são adjacentes uma à outra em umaconfiguração em tandem.

5. Sistema de atuador hidráulico tríplex,caracterizado por compreender:um atuador linear hidráulico concêntrico dualblindado;um atuador hidráulico linear não blindado;em que o atuador linear hidráulico concêntricodual e o atuador hidráulico linear não blindado são adjacentes umao outro em uma configuração em tandem.

6. - Sistema de atuador hidráulico, de acordocom a reivindicação 5, caracterizado por adicionalmentecompreender:orifícios de respiro de escoamento adaptadospara impedir vazamento entre os sistemas hidráulicos utilizadospara alimentação dos atuadores.

7. - Sistema de atuador hidráulico, de acordocom a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmentecompreender:uma gaxeta de vedação para vedar umaextremidade do atuador hidráulico linear não blindado;uma porta de sensoriamento adaptada parapermitir a detecção de vazamento de fluido devido a danos nagaxeta de vedação.