DE10065367C2

DE10065367C2 - Regelung der Drehzahl eines hydrostatischen Motors

Info

Publication number: DE10065367C2
Application number: DE10065367A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schievelbusch; Olaf Biedermann; Gerhard Geerling
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: DE10065367A1

Description

Die Erfindung betrifft die Regelung der Drehzahl eines hydrostatischen Motors, vor zugsweise eines Axialkolbenmotors, der von einem Konstantdrucknetz mit hydrau lischer Flüssigkeit gespeist wird, vorzugsweise für eine hydromechanische An triebseinheit zur Verstellung der Landeklappen von Großraumflugzeugen.

Die zentralen hydromechanischen Antriebseinheiten von Landeklappensystemen heutiger Großraumflugzeuge werden üblicherweise über hydraulische Widerstände gesteuert. Dabei gilt die Forderung, daß die Klappen eine definierte Position unter allen definierten Lastbedingungen und Versorgungsdrücken kontrolliert in der vor gegebenen Stellzeit erreichen müssen. Erfolgt die Regelung der hydromechani schen Antriebseinheit durch hydraulische Widerstände, gilt bei im Regelbereich konstanter Drehzahl folgende Gleichung:

M_var.n_konst = (p₀ - p_R)_konst.Q_konst.η_var

M_var, = variables Lastmoment
n_konst = durch Regelung konstant gehaltene Motordrehzahl
p₀ = Druck des Konstantdrucknetzes
p_R = Druck in der Niederdruckleitung
η_var = veränderlicher hydraulischer Wirkungsgrad

Für die von der hydromechanischen Antriebseinheit abgegebene Leistung gilt:

P_mech = P_hyd.η_ges

Soll also im Regelbereich die Drehzahl n konstant sein, muß bei variabler mechani scher Leistung der Wirkungsgrad η_ges proportional zur Last verändert werden. Im Stand der Technik erfolgt somit die Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsregelung durch Verlustregelung. Es gilt daher bei der Regelung nach dem Stand der Technik

η~M_L,

wobei M_L das Lastmoment ist.

Untersuchungen an bestehenden Antriebseinheiten für Landeklappensysteme ha ben gezeigt, daß die durch die Verlustregelung entstehenden Druckverluste bei Raumtemperatur zwischen 50% und 80% der zugeführten hydraulischen Leistung betragen können.

Aus der DE 39 20 131 A1 ist bespielsweise ein Steuerblock für einen hydrostatischen Konstantmotor in einem Flugzeug, z. B. zum Antrieb der Vorflügel oder Landeklappen bekannt, bei dem ein unerwünschter Hochlauf des Motors, beispielsweise auf Grund unterstüt zend wirkender äußerer Kräfte, durch ein in der Fluidleitung des Motors angeord netes Regelventil vermieden wird, das einerseits auf einen erniedrigten System- Fluiddruck und andererseits im Zusammenwirken mit einer Messdrossel als Durch flussbegrenzer auf zu hohen Hydraulikdurchfluss anspricht, um in beiden Fällen den Durchfluss durch die Fluidleitung und damit durch den Hydraulikmotor zu dros seln.

Hydrostatische Motore gibt es in Form von Konstantmotoren und Verstellmotoren, deren Drehzahl beispielsweise bei Axialkolbenmotoren durch eine Schrägschei benverstellung einstellbar ist. Bei derartigen Verstellmotoren berechnet sich das Antriebsmoment aus der Druckdifferenz, die sich zwischen Eingang und Ausgang des Verstellmotors einstellt und aus dem geometrischen Schluckvolumen, das von dem eingestellten Winkel der Schrägscheibe abhängt. Grundsätzlich wird das An triebsmoment weder von dem Lastmoment, noch von der Drehzahl beeinflußt. Hy drostatische Verstellmotore können daher bei Ausfall der Regelung unkontrolliert in Ihrer Drehzahl hochlaufen, so daß bisher hydrostatische Verstellmotore wegen die ses unkontrollierten Durchgehens als ungeeignet für die Regelung von Landeklap pensystemen angesehen wurden.

Da also die bekannte Drehzahlregelung durch Verlustregelung sehr ungünstig in die Leistungsbilanz bzw. Energiebilanz eines Großraumflugzeugs eingeht, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Regelung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die zu einer Leistungseinsparung führt und somit günstig in die Energie bilanz eingeht, gleichzeitig jedoch eine systeminhärente Sicherheit gegen Durchge hen bei Reglerausfall bietet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Motor ein Verstell motor mit durch eine Stelleinrichtung einstellbaren Verdrängervolumen (Schluck volumen V_M) ist, daß der Volumenstrom durch eine dem Stellmotor vorgeschaltete Drossel gedrosselt wird und daß die Regelung der Drehzahl n durch Steuerung des Verdrängervolumens mittels der Stelleinrichtung durch eine Regeleinrichtung er folgt.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden keine veränderlichen hydraulischen Widerstände zugeschaltet, die zu beträchtlichen Verlusten führen, sondern es folgt eine Regelung durch Verstellung der Stelleinrichtung in der Weise, daß entspre chend der Größe des Lastmoments das Verdrängervolumen durch die Regeleinrichtung kontrolliert wird, wobei es möglich ist, die Drehzahl entsprechend der Grö ße des Lastmoments zu verändern oder aber auch konstant zu halten.

Die erfindungsgemäße Kombination von verstellbarem Hydraulikmotor mit einer Blende oder Drossel verhindert ein unkontrolliertes Durchgehen und macht daher den verstellbaren Hydraulikmotor zu einem leistungsstarken und verlustarmen An trieb von Landeklappensystemen und anderen Antriebssystemen des Flugzeuges.

An der erfindungsgemäß vorgesehenen Drossel fallen bis zu 33% der Leistung ab, so daß der maximale Wirkungsgrad des erfindungsgemäß eingesetzten Systems mehr als 67% beträgt. Die bei dem erfindungsgemäßen System in Kauf zu neh mende Verlustleistung ist jedoch immer noch wesentlich geringer als bei bekannter, Regelung von hydrostatischen Motoren durch Verlustregelung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Drehzahl des Motors gemessen und von der Regeleinrichtung der Volumenstrom in der Weise an das jeweils auftretende Lastmoment M_L angepaßt wird, daß bei steigender Last die Drehzahl abgesenkt, jedoch auf einer Höhe gehalten wird, daß die Klappen ihre definierten Positionen innerhalb der vorgegebenen Stellzeit erreichen. Bei dieser Art der Regelung kann die Drehzahl bei hohem Lastmoment abgesenkt und bei sich verringerndem Lastmoment wieder erhöht werden, wobei jedoch die Regelung insgesamt so erfolgen muß, daß die Klappen ihre definierten Positionen innerhalb der vorgegebenen Stellzeit erreichen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß von der Regeleinheit die Drehzahl n zwischen dem Start-Hochlauf und dem Stopp-Herunterlauf durch Verstellung des Volumenstroms entsprechend dem Lastmoment M_L derart konstant gehalten wird, daß die Klappen ihre definierten Po sitionen innerhalb der vorgegebenen Stellzeit erreichen.

Für diese Art der erfindungsgemäßen Regelung gilt, daß im Regelbereich, in dem die Drehzahl n konstant ist, die entnommene hydraulische Leistung proportional zur Last ist. Dies bedeutet, daß bei variabler mechanischer Leistung der Volumenstrom Q proportional zur Last verändert werden muß, und zwar nach folgender Gleichung:

M_var.n_konst = (p₀ - p_r)_konst.Q_var.η_konst

Nach dem Lösungsvorschlag erfolgt also eine Drehzahl- oder Geschwindigkeitsre gelung durch Regelung des Volumenstroms, so daß gilt:

Q~M_L

Zweckmäßigerweise ist die Stelleinrichtung die verschwenkbare Schrägscheiben anordnung eines verstellbaren hydraulischen Schrägscheibenmotors.

Zweckmäßigerweise ist die Regeleinrichtung ein von einem Mikroprozessor ge steuerter Rechner.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines geregelten hydrostatischen Verstellmotors, dessen Ausgang durch ein Differentialge triebe mit dem Ausgang eines entsprechenden und nicht dargestellten Verstellmotors zusammengefaßt ist,

Fig. 2 in einem Diagramm den Regelbereich des Verstellmotors nach Fig. 1,

Fig. 3 das stationäre Drehzahlkennfeld im 1. und 111. Qua dranten eines gedrosselten Verstellmotors,

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung des Kennfel des eines gedrosselten Verstellmotors und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Regelung des Verstellmotors nach Fig. 1.

Aus Fig. 1 ist ein Verstellmotor 1 in einer erfindungsgemäßen Anordnung ersicht lich, wobei die Abtriebswelle 2 des Verstellmotors 1 einen Eingang eines Differenti algetriebe bildet, dessen zweiter Eingang die Abtriebswelle 2' eines identischen Verstellmotors mit entsprechender Schaltung ist, so daß das Differentialgetriebe 3 ein Summierungsgetriebe bildet, dessen Abtriebswelle 4 beispielsweise mit das Landeklappensystem eines Großraumflugzeugs verstellenden Wellen gekuppelt ist.

Der Verstellmotor 1 wird von dem Konstantdrucknetz po, beispielsweise eines Flugzeugs, gespeist. Um ein Durchgehen des Verstellmotors im Falle des Ausfalls der Regelung zu verhindern, ist dem Hochdruckeingang des Verstellmotors 1 eine Drossel 12 vorgeschaltet, die ein unkontrolliertes Durchgehen des Verstellmotors verhindert. Die Verstellung des Volumenstroms bzw. der Schluckmenge des Ver stellmotors erfolgt durch den Stellhebel 5, der im Falle eines Axialkolbenmotors mit schwenkbarer Schrägscheibenanordnung der Verstellmechanismus dieser Schräg scheibenanordnung ist. Die Verstellung der Stelleinrichtung 5 erfolgt über einen Stellzylinder 6, dessen Zylinderraum durch den Stellkolben 7 in zwei Kammern un terteilt ist. Dieser doppelt beaufschlagbare Stellkolben 7 wird von einem elektrohy draulischen Servoventil 8 gesteuert, wobei die Verstellung durch einen Stellma gneten entsprechend dem von der Regeleinrichtung zugeführten Stellstrom I_sv er folgt. Von dem Verstellmotor 1 führt eine Niederdruckleitung 9 zu dem Tank.

Entsprechend definierter Stellungen der Welle 4 sind die Wellen 2, 2' der Verstell motoren mit Feststellbremsen 10 versehen, die von dem Schaltventil 11 betätigt werden, die über eine Magnetsteuerung von einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung geschaltet werden.

Erfolgt die Regelung des Landeklappensystems, also die Einstellung der Klappen in eine definierte Position unter allen definierten Lastbedingungen und Versorgungs drücken kontrolliert in der vorgegebenen Stellzeit, dadurch, daß die Motordrehzah len konstant gehalten werden, gilt die aus dem Diagramm gemäß Fig. 2 ersichtliche Beziehung. Abgesehen von dem Hochlauf und dem Herunterlauf wird die Drehzahl n konstant gehalten. In dem Regelbereich wird also entsprechend unterschiedli chen auftretenden Lastmomenten der Volumenstrom Q diesen unterschiedlichen Lastmomenten angepaßt. Die Grenzlinie Q_A stellt den lastabhängigen Durchfluß bei Verwendung einer Drossel mit maximalem Durchflußbeiwert dar, die zwar größt mögliche Sicherheit gegen Durchgehen bietet, andererseits im Punkt maximaler Last jedoch keinen Vorteil beim Verbrauch ergibt. Die Grenzlinie Q_B ist die Ver brauchskennlinie eines ungedrosselten Verstellmotors. In diesem Fall ist keine zusätzliche Sicherheit gegen Durchgehen vorhanden, jedoch ist der Verbrauchsvorteil maximiert.

Die Auslegung der Drossel ist eine Optimierungsaufgabe. Für die ausgeführte Kon struktion wird eine Kennlinie innerhalb des durch Q_A und Q_B begrenzten Feldes, das den Optimierungsbereich darstellt, ausgewählt.

Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Regelung ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt das stationäre Drehzahlenkennfeld n_M(M_th, M_t) eines gedrosselten Verstell motors über dem theoretischen Antriebsmoment M_th für Linien konstanter Lastmo mente M_t im I. und III. Quadranten eines gedrosselten Verstellmotors. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, weisen die Linien konstanter Lastmomente Maxima auf, hinter denen die Drehzahlkurve n_M bei Erreichen eines bestimmten Volumenstroms Q abknickt. Werden sämtliche Maxima der Drehzahlkurven miteinander durch die Linien verbunden, ergibt sich eine Sattellinie 15, 15' konstanten Volumenstroms. Diese Linien 15, 15' kennzeichnen die maximal umsetzbare hydraulische Leistung.

Für die erfindungsgemäße Regelung bilden die Linien 15, 15' Begrenzungslinien.

Zweckmäßigerweise erfolgt die erfindungsgemäße Drehzahlregelung anhand des aus Fig. 4 ersichtlichen Drehzahlkennfeldes. Wenn man die Drehzahlmaxima der Lastkurvenschar verbindet, erhält man die sogenannte Sattelkurve. Es kann gezeigt werden, daß die Punkte auf dieser Kurve die Wirkungsgradmaxima für alle Be triebszustände darstellen. Damit ist es sinnvoll, diese Drehzahlwerte, welche vom Systemdruck, vom Lastmoment des Motors und verschiedenen Systemkonstanten abhängen, über eine Regelung einzustellen. Der Wirkungsgrad des Systems be trägt dann mehr als 67%, d. h. über der vorgeschalteten Blende fallen bis zu 33% Verlustleistung an.

Die Gleichung für die Drehzahlvorgabe lautet:

Die Meßgrößen wurden verwendet, um die Motorlast Tmot und den Systemdiffe renzdruck ΔPs zu bestimmen.

In Fig. 4 ist die sogenannte Sattelkurve 16, 16' in einer gestrichelten Linie darge stellt. In der Praxis wird jedoch aus Gründen von Meßunsicherheiten und Toleran zen auf eine Kurve eingeregelt, die etwas unterhalb der Sattelkurve liegt und in Fig. 4 als Vollinien 15, 15' eingezeichnet ist.

Aus Fig. 5 ist in einem Blockdiagramm die erfindungsgemäße Regeleinrichtung für den gedrosselten Verstellmotor ersichtlich. Der gedrosselte Verstellmotor ist durch den VDHM-Block 20 gebildet. Die Regeleinrichtung 21 besteht aus einem P- Controller und aus einem PI-Controller.

In die Regelung gehen der Konstantdruck des Konstantdrucknetzes, der Stellwinkel der Abtriebswelle 4 und die Start- und Stoppbefehle ein. Die Regeleinrichtung er rechnet aus zusätzlich eingegebenen Werten und der vorgegebenen Stellzeit den die Position der Stelleinrichtung. Die Regeleinrichtung beaufschlagt das elektrohy draulische Servoventil 8 mit einem von dieser errechneten Strom.

Es werden zeitparallel drei von einander unabhängige Solldrehzahlen erzeugt:

- Nenndrehzahl (Festwert)
- PMT-Drehzahl (abhängig von P₀)
- Adaptive Drehzahl (abhängig von der Last und dem ma ximal zulässigen Schrägscheiben winkel)

Aus diesen drei Drehzahlwerten wird der niedrigste als Sollwert - innerhalb der von dem Speed-limiter zulassigen Maxima - auf den Sollwerteingang des PI-Reglers geführt.

Ein unterlagerter Positionsregelkreis für den Schrägscheibenwinkel dient der Ver besserung der Reglerstabilität, sowie zur Einstellung einer definierten Startposition.

Claims

1. Regelung der Drehzahl eines hydrostatischen Motors, vorzugsweise eines Axialkolbenmotors, der von einem Konstantdrucknetz mit hydraulischer Flüssigkeit gespeist wird, vorzugsweise für eine hydromechanische An triebseinheit zur Verstellung der Landeklappen und anderen Stellflächen so wie Klappen und Toren von Großraumflugzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor ein Verstellmotor (1) mit durch eine Stelleinrichtung einstellbarem Verdrängervolumen (Schluckvolumen Vm) ist,
daß der Volumenstrom durch eine dem Verstellmotor (1) vorge schaltete Drossel (12) gedrosselt wird und
daß die Regelung der Drehzahl n durch Steuerung des Volumenstroms mit tels der Stelleinrichtung (5) durch eine Regeleinrichtung erfolgt.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Verstellmotors unmittelbar oder mittelbar gemessen und von der Regeleinrichtung das Verdrängervolumen in der Weise an das jeweils auftretende Lastmo ment angepaßt wird, daß bei steigender Last die Drehzahl abgesenkt, insge samt jedoch auf einer Höhe gehalten wird, daß die Klappen ihre definierten Positionen innerhalb der vorgegebenen Stellzeit erreichen.

3. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regel einheit die Drehzahl n zwischen dem Start-Hochlauf und dem Stopp-Herunter lauf des Verstellmotors (1) durch Verstellung des Verdrängervolumens entspre chend dem Lastmoment derart konstant gehalten wird, daß die Klappen ihre definierten Positionen innerhalb der vorgegebenen Stellzeit erreichen.

4. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (5) eine verschwenkbare Schrägscheibenanordnung eines verstellbaren hydraulischen Axialkolbenmotors ist.

5. Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein von einem Mikroprozessor gesteuerter Rechner ist.