CN101802454B - 用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法和装置 - Google Patents

用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法和装置，所述轴致动器设置成用于致动空气动力面、特别是飞行器的高升力面(1、2)，其中，轴致动器(3)具有由轴(11)和同心地设置的辅助连接部(21)形成的冗余载荷路径，轴(11)和辅助连接部(21)在从动侧以彼此旋转固定的方式连接并耦接到待致动的面(1、2)并且在驱动侧分配有分开的载荷路径(10、20)，分开的载荷路径中的主载荷路径(10)包括主轴(11)，主轴(11)可以由马达(14)驱动并且在其旋转运动中可以通过主制动器(13)固定，并且分开的载荷路径中的辅助载荷路径(20)包括辅助内部连接部(21)，辅助内部连接部在其旋转运动中可以通过辅助制动器(23)固定，并且所述装置包括至少一个转动位置传感器(15)，转动位置传感器通过所述主轴(11)设置在驱动侧上以便产生代表所述轴(11)的转动位置的输出信号。根据本发明，设置成通过辅助制动器(23)将处于旋转运动中的辅助连接部(21)固定，并且当所述主制动器(13)松开时，通过驱动主轴(11)的马达(4)经由主轴(11)和辅助连接部(21)的从动侧的旋转固定连接部(29)以预定扭矩对冗余载荷路径(10、20)加载，直到辅助制动器(23)固定辅助连接部(21)，并且当耦接到主轴(11)的转动位置传感器(15)检测到处于针对完好的轴致动器预定的公差范围之外的转动位置变化时，发出表示检测到故障的输出信号。

Description

用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法，所述轴致动器设置成用于致动空气动力面、特别是飞行器的高升力面，以及一种根据权利要求11的前序部分所述的用于这种轴致动器的载荷路径中的故障检测的装置。 
背景技术
文献WO2007/024220A1公开了一种容错冗余致动器系统，该系统能容许单点故障。 
在目前普遍的飞行器高升力系统中，单独的高升力面或者襟翼以彼此机械耦接的方式通过由中央驱动器驱动的中央轴系致动。这种中央驱动的高升力系统例如用于空客A340飞行器中。但是，前瞻性发展方向是朝向如下的高升力系统发展，其中通过电气触发的单独的驱动器来致动襟翼。这种单独驱动的襟翼使得可以在襟翼的致动方面实现较高的灵活性，并且允许高升力系统实现利用迄今为止的中央驱动的襟翼无法实现的功能。例如，在DE 10313728A1中描述了一种具有这种单独驱动器的襟翼系统。在其中所描述的其中一个示例性实施方式中，提供了用于致动单个高升力襟翼的两个单独的驱动器，所述驱动器在彼此隔开的位置耦接到襟翼并且彼此之间电子同步以及与其它襟翼的单独的驱动器电子同步。 
为了使高升力系统的襟翼在它们的位置上不会有任何不期望的改变的情况下可以可靠地吸收在它们的展开过程中产生的高空气动力载荷，将制动器设置在高升力系统中的适当位置处，通过所述装置能够按照需要将轴系或者驱动器固定在相应的位置。特别是在高升力系统中的承载部件损坏或者发生其它类型的故障的情况下，该情况虽罕见但是不能被排除，这种制动器应当防止一个或者多个高升力襟翼的任何不受控制的位置突变，这种突变将导致飞行状态可能无法再得到控制。 
目前对于航空运输中安全的要求需要：首先，所述类型的所有临界载荷路径应当设计成冗余的，从而在主载荷路径发生故障的情况下，其功能至少部分地由辅助载荷路径所取代并因此避免无法得到控制的状态；其次，采取措施以便及早检测高升力系统的临界部件中已经存在的故障或已告知的故障。特别地，重要的是在飞行周期中避免所谓的“隐性故障”并且尽可能地检测到相应的故障。 
发明内容
本发明的目的是提供用于前述类型的轴致动器的载荷路径中的故障检测的一种改进的方法和一种改进的装置。特别地，可以实施早期故障检测，该早期故障检测可以以常规方式执行而无需显著增加花费并且无需维护工作。 
该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。该目的还通过具有权利要求11的特征的装置实现。 
在相应的从属权利要求中描述了所述方法和装置的有利实施方式和其它改进。 
附图说明
下面将参照附图说明所述方法和装置的示例性实施方式。 
图1是高升力系统的两个襟翼的示意性俯视图，所述襟翼分别由电子触发且同步的两个驱动器致动，其中，单独的驱动器实现为根据本发明一个示例性实施方式的具有冗余载荷路径的轴驱动器的形式； 
图2是通过具有冗余载荷路径的轴的示意性横截面图，该轴例如可以在图1中所示的高升力系统的单独的驱动器中使用； 
图3是部分为框图形式的示意性图表，其示出了例如可以作为图1中所示的高升力系统示例性实施方式中的单独的驱动器的轴驱动器； 
图4示出了在根据本发明示例性实施方式的故障检测中的主要过程步骤的简化流程图；以及 
图5和图6分别以简图示出了所检测到的转动位置变化与施加到根据本发明示例性实施方式的主轴上的扭矩的关系曲线。 
具体实施方式
图1示意性地示出了部分飞行器高升力系统的俯视图，此处为设置在机翼后缘上的两个高升力襟翼1、2的形式，每个高升力襟翼能够由两个单独的驱动器3致动。单独的驱动器3以轴驱动器的形式构造，其能够分别由马达14驱动。轴致动器3分别具有带有螺纹12a的主轴11，所述螺纹12a与轴螺母12b协同作用。所述轴螺母12b以自身已知并且在图1中未详细示出的方式耦接到相应的襟翼，以使得当轴11旋转时实现襟翼位置的对应变化。在每个轴致动器3上还提供了相应的主制动器13，该主制动器用于将主轴11固定到预定的位置并因此固定襟翼1或2以预防其位置的不期望的变化。 
如图2和3详细示出，每个轴致动器3设置有基本上由两个同心设置的轴11、21形成的冗余的载荷路径，所述两个轴在从动侧上以彼此旋转固定的方式连接。所述两个轴包括：主轴11，其以外部管的形式构造；以及辅助内部连接部21，并且所述辅助内部连接部21以同心的方式设置在所述主轴中。同心设置的元件--轴11和内部连接部21--在从动侧29上以彼此旋转固定的方式连接并且耦接到面1、2，所述面通过设置在主轴11上的轴螺母12b以如前述的自身已知的方式致动，所述轴螺母12b与该处设置的螺纹12a协同作用。 
在驱动侧，轴11和内部连接部21分配有各自的载荷路径10、20，其中参见图3，包括主轴11的主载荷路径10可以通过马达14驱动并且在旋转运动中可以通过前述的主制动器13固定。辅助载荷路径20包括内部连接部或者辅助轴21，就该内部连接部或者辅助轴21而言，在其旋转运动中可以通过设置为另外的制动器的辅助制动器23固定。 
在所示的示例性实施方式中，轴头16包括变位齿轮18，通过该装置，所述主路径10与所述辅助路径20呈直角结合。在所述轴头16与所述轴11和所述辅助内部连接部21的从动侧端部之间设置双法兰连接部19，该双法兰连接部形成为既用于所述主轴11的可拆卸连接也用于所述内部连接部21的可拆卸连接。 
在包括主轴11的主载荷路径10和包括所述内部连接部21的辅助载荷路径20的驱动侧端部上还设置有相应的转动位置传感器15或25，所述转动位置传感器产生代表相应的轴11和所述内部连接部21的瞬时转动位置、并因此代表所述襟翼驱动器的瞬时转动位置的输出信号。 
如图3所示，至少马达14、主制动器和辅助制动器13或14以及主转动位置传感器和辅助转动位置传感器15或25分别通过相应的控制线或信号线耦接到控制及评估装置30。本发明中没有介绍的其它部件也可以耦接到控制及评估装置30，该控制及评估装置可以是用于命令高升力系统的襟翼的评估及控制装置的一部分。 
所述评估装置30设置为用以执行在轴致动器3的载荷路径中的故障检测，其基于：通过马达14在冗余载荷路径10、20中执行限定的扭转并且通过设置在所述主轴11上的主转动位置传感器检测该限定的扭转。在这种情况下，可以清楚地将轴致动器3的完好状态--其中在主轴11和内部连接部21内部仅产生限定的取决于扭矩的轻微扭转--与如下发生故障的状态进行区别，即：在主载荷路径10和/或辅助载荷路径20中发生例如主轴11损坏或者辅助内部连接部21损坏或者其它点处损坏的故障。在这种情况下，由于发生故障的载荷路径无法吸收施加在其上的扭矩或者仅能够以较小的程度吸收施加在其上的扭矩，因此将检测到较大的扭转。 
同时，所述内部连接部21在其旋转运动中通过辅助制动器23固定，并且当所述主制动器13松开时，通过马达14从主轴11经由主轴11和辅助内部连接部21的从动侧的旋转固定连接部29对载荷路径10、20以预定扭矩加载，直到所述辅助制动器23固定所述连接部。这样导致了所述冗余载荷路径10、20内的所述扭转，该扭转是在耦接到主传感器11的转动位置传感器15处进行检测。然后，检查所检测到的转动位置变化ΔΦ是否处于针对完好的轴致动器预定的公差范围之外，并且如果在公差范围之外，则评估为检测到故障。该故障检测可以由控制及评估装置30例如通过软件控制。 
图4示出了以这种方式执行的故障检测中的主要的各个过程步骤的概述。所述故障检测以S10开始。在S20中固定所述辅助制动器23。在S30中检查所述主制动器13是否松开或者选择性的给出了相应的信号。在S40中以预定的扭矩驱动马达14。在S50中在主位置传感器15 处检测转动位置变化ΔΦ。在S60中将在主位置传感器15处检测的转动位置变化ΔΦ与预定的公差范围进行比较。如果没有超过预定的公差范围，则认为故障检测以否的结果结束(S70)，即没有检测到故障并且认为轴致动器3是完好的。但是如果在S60中检测到超出了预定的公差范围，则在S80中输出故障信息，该故障信息表示在轴致动器3的冗余载荷路径10、20中出现故障。 
可以按照所述方式以单一预定扭矩对所述冗余载荷路径10、20加载，并且将在所述主转动位置传感器15处检测到的转动位置变化ΔΦ与相应的公差范围进行比较。 
然而，也可以设置成以不同的预定扭矩对所述冗余载荷路径10、20加载，并且将由所述主转动位置传感器15检测到的转动位置变化与针对完好的轴致动器3预定的相对应的各个不同的公差范围进行比较。 
图5和6分别以简图示出了在耦接到所述主轴11的转动位置传感器15处检测到的转动位置变化ΔΦ与由马达14施加到主轴11上的扭矩M的关系曲线。假定对于小角度而言所述冗余载荷路径10、20抗扭的弹性刚度是常数，则获得了分别由图5和图6中的实线示出的这两个参数之间的线性关系。 
在图5中，以逐渐增大的扭矩对所述冗余载荷路径10、20加载，并且将各个检测到的转动位置变化ΔΦ与针对完好的轴致动器3预定的相对应的不同预定公差范围进行比较，这由图中的虚线表示。 
另一方面，在图6中，以连续增大的扭矩对所述冗余载荷路径10、20加载，并且相应地，将检测到的转动位置变化ΔΦ与连续公差范围进行比较，这由图中的虚线表示。 
对于故障检测，可以根据图5和图6中的右手侧所示的关系曲线沿一个旋转方向对所述冗余载荷路径10、20加载，或者沿两个旋转方向以预定的扭矩连续或者交替地对所述冗余载荷路径10、20加载，即，马达14以预定的扭矩首先沿一个方向并且然后沿另一个方向连续转动，在每种情况下检测正或负的转动位置变化ΔΦ，从而获得图5和图6中的两侧所示的马达扭矩M与转动位置变化ΔΦ之间的关系。 
还可以用于在地面检查期间的全部制动器的自测，并且通过选择性 地松开单独的制动器并由马达产生扭矩来测试传动系是否卡住。 
对于该程序的示例： 
松开两个制动器13、23，然后通过从马达引入扭矩来进行空转测试：如果发生阻碍：则为一个制动器无法松开或者卡住(例如，在齿轮中)。通过利用已经描述的方法测量传动系的刚度可以确定故障源。 
松开主制动器13，应用辅助制动器23，然后通过从马达14引入扭矩来进行空转测试。如果空转：则辅助制动器23未连接或者产生过小扭矩。 
松开辅助制动器23，应用主制动器13，然后通过从马达14引入扭矩来进行空转测试。如果空转：则辅助制动器23未连接或者产生过小扭矩。 
通过在马达14处利用传感器15测量的角度与在辅助制动器23处利用传感器25测量的角度之间的不一致能够检测出传动系(主路径或辅助路径)的损坏，即，利用本地计算机以使得在着陆襟翼的操作期间制动器13、23可以在本地被快速起动以限制故障的影响。 
设置旋转固定连接部29，使得其还可以传递轴向载荷，但是限定轴向间隙。这确保在主路径10损坏的情况下，轴向载荷可以由辅助路径20和辅助止推轴承承受，但是所述辅助路径20在驱动器无故障的状态下没有轴向载荷。 
可以设置控制及评估装置30，以便将在转动位置传感器15处检测到的转动位置变化ΔΦ作为由马达14产生的扭矩的函数记录并储存。 
所述故障检测可以周期性重复，优选地在每个飞行周期的特定阶段，例如，在起飞之前在地面上于飞行周期开始时和/或再次在着陆之后在地面上于飞行周期结束时。因此，该测试可以在飞行周期的对于轴致动器3中的缺陷状况并不危急的阶段中执行，并且可以以尽可能快的维护工作来实现。 
为了记录轴致动器3的状态，能够将记录并储存的多个连续故障检测过程的数据彼此比较并且评估它们的时序。例如，这可以用来及时检测在冗余载荷路径10、20中的早期疲劳或者逐渐变得明显的其它缺陷 (例如齿轮间隙增大)，并且在明显故障发生之前进行修理。 
根据本发明的故障检测允许使用在高升力系统中已经存在的传感器，从而不需要额外的安装费用。另外，不会通过额外的部件而引入其它故障源。该故障检测方法可以通过已经提供的控制及评估装置中的软件实现。可以在任何飞行周期中的一个或者多个特定时间点检测可能的故障。修理和维护工作可以明确地有的放矢。 
附图标记列表 
1襟翼 
2襟翼 
3轴致动器 
10主载荷路径 
11主轴 
12a螺纹 
12b轴螺母 
13主制动器 
14马达 
15主转动位置传感器 
16轴头 
17止推轴承 
18变位齿轮 
19双法兰连接部 
20辅助载荷路径 
21辅助(内部)连接部 
23辅助制动器 
25辅助转动位置传感器 
29旋转固定连接部 
30控制及评估装置 

Claims (22)

1.一种用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的方法，所述轴致动器设置成用于致动空气动力面(1、2)，其中，所述轴致动器(3)具有由轴(11)和辅助连接部(21)形成的冗余载荷路径，所述轴和所述辅助连接部在从动侧以彼此旋转固定的方式连接并且耦接到待致动的所述空气动力面(1、2)并且在驱动侧分配有分开的载荷路径(10、20)，所述分开的载荷路径中的主载荷路径(10)包括所述轴(11)，所述轴由马达(14)驱动并且在其旋转运动中能够通过主制动器(13)固定，并且所述分开的载荷路径中的辅助载荷路径(20)包括所述辅助连接部(21)，所述辅助连接部以同心的方式设置在所述轴(11)中，所述辅助连接部在其旋转运动中能够通过辅助制动器(23)固定，其中对代表所述轴(11)的转动位置的输出信号进行检测和评估，所述输出信号通过在驱动侧上耦接到所述轴(11)的至少一个转动位置传感器(15)产生，
其特征在于，
所述辅助连接部(21)在其旋转运动中通过所述辅助制动器(23)固定，并且当所述主制动器(13)松开时，通过所述马达(14)以预定的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载，直到所述辅助制动器(23)固定所述辅助连接部(21)，并且当在耦接到所述轴(11)的所述转动位置传感器(15)处检测到处于针对完好的轴致动器预定的公差范围之外的转动位置变化时，评估为检测到故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气动力面是飞行器的高升力襟翼。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以不同的预定扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载，并且将在耦接到所述轴(11)的所述转动位置传感器(15)处检测到的转动位置变化与针对完好的轴致动器预定的相对应的不同的公差范围进行比较。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以逐渐增大的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以连续增大的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，沿两个旋转方向以预定的扭矩连续地对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将在耦接到所述轴(11)的所述转动位置传感器(15)处检测到的转动位置变化作为表现由所述马达(14)产生的扭矩的数据的函数进行记录并储存。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，周期性地重复故障检测。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在起飞之前在地面上于飞行周期开始时执行故障检测。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在着陆之后在地面上于飞行周期结束时执行故障检测。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，将记录并储存的多个不同的故障检测过程的数据彼此比较并评估。
12.一种用于轴致动器的载荷路径中的故障检测的装置，所述轴致动器设置成用于致动空气动力面(1、2)，其中，所述轴致动器(3)具有由轴(11)和辅助连接部(21)形成的冗余载荷路径，所述轴(11)和所述辅助连接部(21)在从动侧以彼此旋转固定的方式连接并且耦接到待致动的所述空气动力面(1、2)并且在驱动侧分配有分开的载荷路径(10、20)，所述分开的载荷路径中的主载荷路径(10)包括所述轴(11)，所述轴由马达(14)驱动并且在其旋转运动中能够通过主制动器(13)固定，并且所述分开的载荷路径中的辅助载荷路径(20)包括所述辅助连接部(21)，所述辅助连接部以同心的方式设置在所述轴(11)中，所述辅助连接部在其旋转运动中能够通过辅助制动器(23)固定，并且所述装置包括至少一个转动位置传感器(15)，所述转动位置传感器通过所述轴(11)设置在驱动侧上以便产生代表所述轴(11)的转动位置的输出信号，并且所述装置包括控制及评估装置(30)，所述控制及评估装置至少耦接到所述马达(14)、所述主制动器(13)和所述转动位置传感器(15)并且设置成用于检测及评估代表至少所述轴(11)的转动位置的输出信号，
其特征在于，
所述控制及评估装置(30)包括故障检测功能：
所述控制及评估装置应用所述辅助制动器(23)将处于旋转运动中的所述辅助连接部(21)固定，松开所述主制动器(13)，并且通过驱动所述轴(11)的所述马达(4)以预定的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载，直到所述辅助制动器(23)固定所述辅助连接部(21)，
所述控制及评估装置通过所述转动位置传感器(15)检测转动位置变化，并且
当通过所述转动位置传感器(15)检测到处于针对完好的轴致动器预定的公差范围之外的转动位置变化时，所述控制及评估装置发出表示检测到故障的输出信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述空气动力面是飞行器的高升力面。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成以不同的预定扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载，并且将在耦接到所述轴(11)的所述转动位置传感器(15)处检测到的转动位置变化与针对完好的轴致动器预定的相对应的不同的公差范围进行比较。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成以逐渐增大的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成以连续增大的扭矩对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
17.根据权利要求12到16中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成沿两个旋转方向以预定的扭矩连续地对所述冗余载荷路径(10、20)加载。
18.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成将在耦接到所述轴(11)的所述转动位置传感器(15)处检测到的转动位置变化作为表现由所述马达(14)产生的扭矩的数据的函数进行记录并储存。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成周期性地重复执行故障检测。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成用于在起飞之前在地面上于飞行周期开始时的故障检测。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成用于在着陆之后在地面上于飞行周期结束时的故障检测。
22.根据权利要求20或21所述的装置，其特征在于，所述控制及评估装置(30)设置成将记录并储存的多个不同的故障检测过程的数据进行比较和评估。
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