DE10054643B4 - Component with controllable deformation - Google Patents
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- B64C3/44—Varying camber
- B64C3/48—Varying camber by relatively-movable parts of wing structures
Abstract
Bauelement
mit steuerbarer Verformung,
mit mindestens einem Aktuator (8)
zur Steuerung der Verformung des Bauelement (1),
mit einem
Körper
(4), der zwischen zwei Befestigungspunkten (2, 3) angeordnet ist,
und
mit einer Schwächung
(6, 61) in dem Körper
(4),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwächung (6,
61) eine einseitige, gezielte Schwächung des Körpers (4) ist,
dass der
Aktuator (8) im Bereich der Schwächung
(6, 61) angeordnet ist, und
dass der Aktuator so angeordnet
ist, dass er gegen die Hauptbelastungsrichtung der Schwächung wirkt.Component with controllable deformation,
with at least one actuator (8) for controlling the deformation of the component (1),
with a body (4) arranged between two attachment points (2, 3),
and with a weakening (6, 61) in the body (4),
characterized,
the weakening (6, 61) is a one-sided, targeted weakening of the body (4),
that the actuator (8) in the region of the weakening (6, 61) is arranged, and
that the actuator is arranged so that it acts against the main load direction of the weakening.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit steuerbarer Verformung, mit mindestens einem Aktuator zur Steuerung der Verformung des Bauelements, mit einem Körper, der zwischen zwei Befestigungspunkten angeordnet ist, und mit einer Schwächung in dem Körper. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements.The The invention relates to a device with controllable deformation, with at least one actuator for controlling the deformation of the component, with a body, which is arranged between two attachment points, and with a weakening in the body. The invention also relates to a Use of the device according to the invention.
In vielen Anwendungsbereichen werden heutzutage Aktuatoren für steuerbare Verformungen eingesetzt. insbesondere in der Luftfahrttechnik ermöglichen sie ein steuerbares Verformungsverhalten entsprechend ausgerüsteter Bauelemente. Zu denken ist dabei beispielsweise an ausfahrbare Landeklappensysteme, sogenannte Fowlerklappen moderner Verkehrsflugzeuge. Diese unterliegen nämlich im ausgefahrenen Zustand einer besonderen Beanspruchung. Zum einen ist die Klappenposition gezielt zu verändern. Zum zweiten treten auch Manöverlasten auf, die zu einer elastischen Verformung, etwa Biegung und Torsinn der Klappe beitragen. Strukturmechanisch wird dem durch aufwendige und gewichtserhöhende Stützstellen, sogenannte Tracks, entgegengewirkt.In Many applications today become controllable actuators Deformations used. especially in aviation technology they have a controllable deformation behavior of appropriately equipped components. To think about, for example, extendable landing flap systems, so-called Fowler flaps of modern commercial aircraft. These are subject namely in the extended state of a special stress. On the one hand the flap position has to be changed specifically. The second step also Maneuvering, which leads to elastic deformation, such as bending and torsion of the Contribute flap. Structurally, this is complicated by and gewichtserhöhende Reference points, called tracks, counteracted.
Der Einsatz von Aktuatoren gerade bei solchen Anwendungsfällen ist sehr problematisch. Eine an sich gewünschte Integration von Aktuatoren, hier also Translatoren bzw. Stellelementen in eine Struktur mit einer Steifigkeit cS war bisher wegen mangelnder Effizienz nicht möglich. Bei einem Einsatz erfolgt nämlich aufgrund der sich ergebenden Wegabhängigkeit der auf den Translator wirkenden Kraft eine Minderung der Effizienz dieses Translators. Alle Anwendungen, bei denen ein Stellelement mit der Steifigkeit cT gegen eine Feder oder gegen eine Wand drückt, fallen unter diesen Gesichtspunkt. Dabei ist die Kraft umso größer, je mehr sich der Translator ausdehnt.The use of actuators especially in such applications is very problematic. An inherently desired integration of actuators, in this case translators or adjusting elements in a structure with a stiffness c S was previously not possible because of lack of efficiency. In fact, in use, due to the resulting path dependence of the force acting on the translator force is a reduction in the efficiency of this translator. All applications in which a control element with the stiffness c T presses against a spring or against a wall fall under this point of view. The force is greater, the more the translator expands.
Je steifer eine Einspannung ist, je größer also die erwähnte Federkonstante cS dieser Einspannung oder Struktur wird, desto kleiner wird der Weg, den das Stellelement bzw. der Translator oder Aktuator beim Betrieb mit seiner maximalen Feldstärke ausführen kann. Ein Teil der erzeugten Längenänderung wird durch die eigene Elastizität des Elements cT wieder zusammengedrückt. Die nach außen wirksame Ausdehnung ΔI beträgt nämlich The stiffer a clamping, the greater the mentioned spring constant c S of this clamping or structure, the smaller the path that the actuator or the translator or actuator can perform during operation with its maximum field strength. Part of the change in length produced is compressed by the elasticity of the element c T again. The effective outward expansion ΔI is namely
Dabei stellt Δ I0 die ohne Krafteinwirkung erreichbare Längenänderung des Elementes dar. Die Aktuatoreffizienzschwankt zwischen 0 und 1.Δ I 0 represents the change in length of the element which can be achieved without the action of force. The actuator efficiency varies between 0 and 1.
Je größer die Steifigkeit cS ist, desto schlechter wird die Aktuatoreffizienz, das heißt, desto mehr geht sie gegen 0.The greater the stiffness c S , the worse the actuator efficiency becomes, that is, the more it approaches 0.
Genau die gleichen Gesetzmäßigkeiten gelten nicht nur für Translatoren, also Längsaktuatoren, sondern auch für Biegeaktuatoren.Exactly the same laws not only apply to Translators, ie longitudinal actuators, but also for Bending actuators.
Landeklappen von Flugzeugen sind sehr steife Bauteile, so dass bei ihnen genau diese Aktuatoreffizienz sehr schlecht wird. Es ist auch nicht einfach möglich, nun diese mangelhafte Effizienz einfach durch den Einsatz mehrerer Aktuatoren auszugleichen, da Aktuatormaterialien sich anders verhalten als der Rest der Struktur. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Aktuatoren werden damit die Eigenschaften der Landeklappen insgesamt zu ihrem Nachteil verändert.flaps of airplanes are very rigid components, so that with them exactly this actuator efficiency gets very bad. It is not easy either possible, Now this poor efficiency simply by using several Actuators compensate because actuator materials behave differently as the rest of the structure. By using a variety of Actuators will allow the characteristics of the flaps overall changed to their disadvantage.
Die gleiche Problematik gilt natürlich für alle Bauteile, bei denen aufgrund ihrer hohen Steifigkeit Aktuatoren bisher nicht oder nur mit Nachteilen und Bedenken eingesetzt werden konnten.The of course the same problem applies for all components, where due to their high stiffness actuators not yet or could be used only with disadvantages and concerns.
Der
Einsatz von Aktuatoren in Bauelementen mit steuerbarer Verformung
an sich ist bekannt, beispielsweise aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit einem integrierten Aktuator zu schaffen, das auch bei einem Ausfall des Aktuators nicht zu einem Sicherheitsrisiko wird und trotzdem während seiner Lebensdauer effektiv arbeitet.Of the Invention is based on the object, a component with an integrated Actuator to create, even with a failure of the actuator not to becomes a security risk and still effective during its lifetime is working.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelementes vorzuschlagen.Of the Invention is also based on the object, a use of the Component according to the invention propose.
Die erstgenannte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Bauelement dadurch gelöst, dass die Schwächung eine einseitige, gezielte Schwächung des Körpers ist, dass der Aktuator im Bereich der Schwächung angeordnet ist, und dass der Aktuator so angeordnet ist, dass er gegen die Hauptbelastungsrichtung der Schwächung wirkt.The The first object is achieved in a generic device in that the weakening a one-sided, targeted weakening of the body is that the actuator is arranged in the region of weakening, and that the actuator is arranged so that it is against the main loading direction the weakening acts.
Im Prinzip wird das Bauteil mit einer einseitigen Schwächung versehen. Diese Schwächung ist gezielt angeordnet und/oder ausgebildet. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.in the Principle, the component is provided with a one-sided weakening. This weakening is specifically arranged and / or trained. Further developments of Invention are in the dependent claims characterized.
Die zweite Aufgabe wird durch eine Verwendung des Bauelements in einem Flugzeugflügel gelöst. Das Bauelement zeichnet sich dabei dadurch aus, dass das Bauelement in Längsrichtung eines Flugzeugflügels eingesetzt ist, oder das Bauelement quer zur Längsrichtung eines Flugzeugflügels eingesetzt ist, oder das Bauelement in eine Landeklappe eines Flugzeugs eingesetzt ist.The second object is achieved by using the device in one aircraft wing solved. The component is characterized in that the component longitudinal an airplane wing is used, or the device used transversely to the longitudinal direction of an aircraft wing is, or the component used in a landing flap of an aircraft is.
Mit einer derartigen Konzeption ist ein asymmetrisch wirkender Aktuator möglich. Das Bauelement wird zwischen zwei Befestigungspunkten, zum Beispiel Verschraubungen oder bei Fowlerklappen (Klappenstützpunkten) „Tracks" geschwächt, beispielsweise durch einen Einschnitt. Das Bauelement wird in den Holm der Klappe, das ist der spannweitige Längsträger, eingebaut. Dieser hat eine neutrale Faser. Der auf einer Seite der neutralen Faser des zu verformenden Bauelements infolge der Schwächung verbleibende Balkenquerschnitt wirkt als Biegefeder. Das dadurch entstehende Festkörpergelenk kann je nach Ausführungsform auf der Zugseite oder auch auf der Druckseite des Bauelementes ausgebildet werden. Der Aktuator wird jeweils auf der der so gebildeten Biegefeder gegenüberliegenden Balkenseite zur neutralen Faser angeordnet.With Such a conception is an asymmetrically acting actuator possible. The device is between two attachment points, for example Glands or weakened at Fowlerklappen (flap bases) "tracks", for example through an incision. The device is in the spar of the flap, This is the tension-type side member. This one has a neutral fiber. The one on one side of the neutral Fiber of the component to be deformed due to the weakening remaining Beam cross section acts as a bending spring. The resulting Solid joint can depending on the embodiment be formed on the tension side or on the pressure side of the device. The actuator is in each case opposite to the bending spring thus formed Beam side to the neutral fiber arranged.
In Richtung der äußeren Belastung ist die Biegefestigkeit jetzt groß. In diesem Falle wirken nämlich die Steifigkeiten der Biegefeder und des Aktuators gemeinsam.In Direction of external stress the flexural strength is now great. In this case, the effect Stiffnesses of the spiral spring and the actuator together.
In Richtung der durch den Aktuator erfolgenden Krafteinleitung dagegen ist die Biegefestigkeit nur mehr gering, so dass die Aktuatoreffizienz groß wird.In Direction of the force introduced by the actuator on the other hand the flexural strength is only low, so the actuator efficiency gets big.
Für den Falls eines Strukturversagens des Aktuators ist eine Sicherung nach dem fail-safe-Prinzip vorgesehen. Diese Sicherung kann beispielsweise die Form eines Anschlages haben, durch die ein Bruch des gesamten Bauelementes verhindert wird. Die Gestaltung dieses Anschlages sollte so erfolgen, dass sie auch bei einer entgegengesetzt zur Hauptbelastungsrichtung wirkenden Kraft eine Sicherungsfunktion übernehmen kann. Die Verbindung des Aktuators und der Struktur erfolgt kraftschlüssig, um eine Zugbelastung des Druckaktuators und eine Druckbelastung des Zugaktuators zu vermeiden.For the case a structural failure of the actuator is a fuse after the fail-safe principle provided. This backup can, for example have the shape of a stop, by which a break of the whole Component is prevented. The design of this stop should be done so that they are also opposite to the main load direction acting force can take over a backup function. The connection the actuator and the structure is frictionally connected to a tensile load of the pressure actuator and to avoid a pressure load of the Zugaktuators.
Als Druckaktuatoren kommen zum Beispiel Piezo-Stapelaktuatoren (sog. Stacks), Hydraulikzylinder, elektrodynamische Aktuatoren und hydraulische ode elektrische Spindeltriebe in Frage.When Pressure actuators are, for example, piezo stack actuators (so-called. Stacks), hydraulic cylinders, electrodynamic actuators and hydraulic ode electric spindle drives in question.
Zugaktuatoren können dagegen bevorzugt durch Hydraulikzylinder, Spindeltriebe oder Drähte aus Formgedächtnislegierungen (sog. Shape-Memory-Alloys) realisiert werden.Zugaktuatoren can on the other hand preferably by hydraulic cylinders, spindle drives or wires Shape Memory Alloys (so-called shape memory alloys) can be realized.
Bezüglich der Hautanbindung wird dabei die Ausführungsform mit einem Zugaktuator bevorzugt. Hier kann die Haut über die gesamte Länge am Bauelement befestigt werden, da die ertragbaren Dehnungen der Haut im Allgemeinen mindestens genauso groß sind wie die des als Biegebalken funktionierenden Bauelementes.Regarding the Skin connection is doing the embodiment with a Zugaktuator prefers. Here the skin can over the entire length be attached to the component, since the tolerable strains of the Skin is generally at least as big as that of the bending beam functioning component.
Bei der Ausführungsform mit einem Druckaktuator wird die gesamte Hautdehnung ausschließlich im Bereich der Schwächung bzw. Aussparung oder des Einschnittes im Bauelement, also im Biegebalken, aufgebracht. Das führt dazu, dass dieser Bereich sehr groß sein muss, damit die zulässige Dehnung der elastischen Haut nicht überschritten wird.at the embodiment with a pressure actuator, the entire skin strain is exclusively in the Area of weakening or recess or incision in the component, ie in the bending beam, applied. Leading This area must be very large so that the allowable elongation the elastic skin is not exceeded becomes.
Alternativ dazu kann die Hautanbindung auch so erfolgen, dass ein Längsgleiten rechts und links der Aktuatoraussparung bzw. des Einschnittes ermöglicht wird. Auf diese Weise wird der Bereich, im dem eine Dehnung der Haut erfolgen kann, vergrößert, ohne dass ein Ablösen der Haut vom Bauelement bzw. Biegebalken erfolgt.alternative In addition, the skin connection can be made so that a longitudinal sliding right and left of Aktuatoraussparung or the incision is made possible. In this way, the area in which an elongation of the skin occurs can, magnified, without that a detachment the skin of the component or bending beam takes place.
Im folgenden werden anhand der Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:in the The following are several embodiments with reference to the drawings For example, the invention closer explained. Show it:
Die Schwächung eines Bauelementes, in diesem Fall des Holmes, kann gezielt oder nicht gezielt erfolgen. Eine „nicht gezielte Schwächung" entsteht zum Beispiel durch das Versagen eines Holmteiles (Holmgurt oder Holmsteg) durch äußere Einwirkung (impact) oder Überbeanspruchung (Bruch, Reißen). Die Schwächung ist nicht beabsichtigt und wird auch bei der Auslegung eines Bauteils ausgeschlossen (entsprechende Dimensionierung!).The weakening a component, in this case the spar, can be targeted or not targeted. A "not targeted weakening "arises, for example by the failure of a spar part (Holmgurt or Holmsteg) by external influence (impact) or overuse (Breakage, tearing). The weakening is not intended and is also used in the design of a component excluded (appropriate dimensioning!).
In
Der
Aktuator
In
Neben
einer Aktuatorik für
Biegeverformungen sind in ähnlicher
Form auch Aktuatoren für
andere Verformungsarten wie zum Beispiel Torsinn oder eine Kombination
von Biegeverformung und Torsinn denkbar. Die Federn können mit
verschiedenen Kennlinien, nämlich
linear, degressiv oder progressiv, ausgeführt werden. Ein aktives Balkensegment,
das heißt
ein Balkensegment mit Aktuator, kann als selbständige Baueinheit ausgebildet
werden, das mit Struktureinheiten eines Flugzeuges wie Landeklappen,
Flügel
usw. eingesetzt werden kann. Da bei der Verwendung eines Piezo-Stapelaktuators
eine Druckvorspannung vorzusehen ist, kann in diesem Fall der Anschlag
Die
Bauelemente in den
Die
gezielte Schwächung
(Schlitz) ist hier vertikal rechts des Aktuators
Die Stärke der Federn (Federkonstante) hängt von der zu erwartenden Belastung und dem eigentlichen Piezoaktuator (Stack) ab. Die Federn sind zur Druck-Vorspannung des Piezoaktuators erforderlich, da dieser auf keinen Fall auf Zug beansprucht werden darf.The Strength the springs (spring constant) hangs from the expected load and the actual piezoactuator (Stack). The springs are for the pressure bias of the piezo actuator required, as this is never claimed on train may.
Einsatzorte für die soweit beschriebene Erfindung sind alle aktiven Systeme mit einer dominanten Belastungsrichtung, bei denen der Einsatz einer als Baueinheit ausgeführten Aktuatorik mit hoher Steifigkeit und großem Verformungspotential Sinn macht.locations for the So far described invention are all active systems with a dominant loading direction, where the use of a as a unit executed Actuator with high rigidity and great deformation potential makes sense.
Mit
Hilfe dieser integrierten Aktuatorik ist die Möglichkeit gegeben, unerwünschte Biegeverformungen
zu kompensieren. Hierdurch kann die Klappenverformung, das heißt die Verschiebungen
der Klappenvorderkante, derart an die Hauptflügelhinterkantenverformung angepasst
werden, dass sich ein aus aerodynamischer Sicht optimaler Spalt
einstellt. Durch den Einsatz eines solchen Aktuatorsegmentes ist
es zugleich möglich,
die durch wechselnde Luftkräfte
verursachten Klappenvibrationen aktiv zu mindern. Der Einsatz eines
solchen Aktuatorsegmentes ist zudem an allen Steuerflächen eines
Flugzeuges mit ähnlicher
Problemstellung denkbar. Der Einsatz eines solchen Aktuatorsegmentes
ist im Besonderen auch in der Vorderkantenklappe (auch Vorflügel genannt)
möglich.
Der Aktuator
Grundsätzlich sind
alle Anwendungen, bei denen es auf eine Verbiegung ankommt, für den Einsatz
dieses Bauelementes
Grundsätzlich müssen die Bauteile keine standardisierten Abmessungen haben, da die individuell an das vorhandene Problem angepasst werden. Es ist aber durchaus denkbar und möglich, Standardabmessungen für gewisse Einsatzbereiche vorzusehen.Basically, the Components do not have standardized dimensions as the individual adapted to the existing problem. But it is quite conceivable and possible, standard dimensions for certain Provide areas of application.
- 11
- Bauelementmodule
- 2, 32, 3
- Befestigungspunkteattachment points
- 44
- Balkenbar
- 55
- Hautskin
- 66
- Schwächungweakening
- 6161
- Schlitzslot
- 77
- Restbalkenrest bar
- 88th
- Aktuatoractuator
- 9, 109 10
- Seitenwände (der Schwächung)Sidewalls (the Weakening)
- 1111
- Sicherung, anschlagassurance, attack
- 1212
- Stützfedersupport spring
- 1313
- Stützfedersupport spring
- 1414
- Pfeilarrow
- 1515
- Gehäuse (Vorspannfeder)Housing (preload spring)
- 1616
- Vorspannfederbiasing spring
- 1717
- Hauptflügelmain wing
- 1818
- Vorflügelvane
- 1919
-
Holm
der Klappe
20 Holm the flap20 - 2020
- Klappeflap
- 2121
- Klappenstützpunkt (Track)base flap (Track)
- 2222
- Klappenstützpunktbase flap
- 2323
- Klappenstützpunktbase flap
- 4141
- neutrale Faserneutral fiber
- 4242
- Nutgroove
- 4343
- hakenförmiger Vorsprunghook-shaped projection
- 4444
- Vorsprung (Hakenteil)head Start (Hook part)
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