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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur meßtechnischen
Erfassung von Lagerspielen in einer hochdynamischen mechanischen Übertragungskette
mit einem auf ein Funktionsglied wirkenden Stellglied, deren Zusammenwirken
das zu messende Lagerspiel bewirkt.
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Bei
hochfrequenten mechanischen Übertragungsketten
werden Stellglieder in hoher Frequenz insbesondere zur Ausführung einer
Regelung bewegt. Ein dabei auftretendes Lagerspiel der Übertragungsglieder
kann sich dadurch sehr schnell vergrößern. Wenn das dabei auftretende
Lagerspiel eine bestimmte Größe überschreitet,
tritt der Fall auf, daß bei
einem kommandierende Übertragungskette
in einer bestimmten Richtung des daran angeschlossenen Stellglied
mit einem Phasenverzug bewegt wird. Der Phasenverzug kann dabei –180° betragen,
wodurch der durch das Stellglied beabsichtigte Steuer- bzw. Dämpfungseffekt
nicht erreicht wird, sondern eine entgegengesetzte Wirkung. Insbesondere
besteht jedoch auch die Gefahr, daß vor dem Eintreten eines derartigen
Phasenverzugs aufgrund massiver Nachsteuer-Bewegungen Strukturteile
der mechanischen Übertragungskette
zu Bruch gegangen sind.
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Ein
Beispiel, für
das das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden kann, ist die Überprüfung des
Lagerspiels an geregelten Flugzeugen. Bei diesen muß das Lagerspiel
in regelmäßigen Abständen beobachtet
und überprüft werden.
Neben der Häufigkeit
der erforderlichen Überprüfungen aufgrund
der auftretenden Dauerbelastungen ist die große Häufigkeit der erforderlichen
Lagerspiel-Messungen auch dadurch verursacht, daß eine solche Messung bei jeder
Veränderung
im System Tragfläche/Steuerfläche vorgenommen
werden muß.
Jedoch bezieht sich der Erfindung nicht nur auf die Überprüfung des
Lagerspiels an geregelten Flugzeugen. Die Erfindung kann genau so
gut auf die Überprüfung des
Lagerspiels an jeder Art von Fluggeräten sowie allgemein auf hochdynamische
mechanische Übertragungsketten
angewendet werden.
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Eine
weitere Vorrichtung bzw. ein weiteres Verfahren aus dem Flugzeugbau
zur Messung des Lagerspiels von Steuerflächen ist aus der
DE 199 43 481 A1 bekannt.
Dabei wird der Aktuator durch Aufbringen eines vorbestimmten Hydraulikdrucks,
durch Aktivierung der Elektrik und durch Einstellen eines vorbestimmten
Betriebszustands des Flugreglers in eine arretierte Stellung gebracht.
Weiterhin wird die zu überprüfende Steuerfläche mittels
eines Gewichtes zunächst
in einer ersten Bewegungsrichtung belastet und in diesem Belastungszustand
mittels einer Meßuhr
die Auslenkung gemessen. Danach wird in einem zweiten Schritt die
Steuerfläche
in der entgegengesetzten Richtung belastet. Aus den Angaben der
Meßuhr
läßt sich
dann auf das Lagerspiel schließen.
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Ein
Nachteil dieses Verfahren ist, daß zur Aufbringung eines Gewichtes
in den entgegengesetzten Richtungen zumindest für eine Richtung ein großer Galgen
aufzustellen ist, so daß der
Geräteaufwand
nicht unbeträchtlich
ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Vorgang des Aufliegens
und Abnehmens von relativ großen
Gewichten pro Messung zweimal durchzuführen und für sämtliche Steuerflächen zu wiederholen
ist. Dabei ist zum einen der arbeitsmäßige Aufwand und zum andern
der Lageraufwand der Gewichte und des Meßaufbaus sehr groß. Da weiterhin
Gewichte von bis zu 300 kg in Teilgewichten zu 20 kg aufzubringen
sind, ist das Tragen der Gewichte für die Meßtechniker nicht ungefährlich.
Darüber
hinaus ist das Verfahren insgesamt mit Risiko behaftet, da nie ganz
auszuschließen
ist, daß eine
der Steuerflächen
sich infolge von Regelbewegungen der Dynamik in Bewegung gerät und dadurch
den Meßaufbau mit
den Gewichten umwirft. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens nach
dem Stand der Technik ist, daß jeder
Meßwert
der Meßuhr
abgelesen und von Hand in einem Protokollblatt eingetragen werden
muß, da
in Abhängigkeit
der manuell aufzubringenden Gewichte, die anzeigende Meßuhr für jeden
Arbeitsschritt erfaßt
werden müßen. Abgesehen
von der Mühseligkeit
des Aufschreibens birgt diese Methode ein hohes Risiko von Fehlern.
Ebenso stellt die manuelle Eingabe der Meßwerte in einen Computer eine
nicht zu vernachläßigende
Fehlerquelle dar.
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In
der
US 5,814,724 ist
ein Verfahren zur Erfassung des Lagerspiels einer mechanischen Übertragungskette,
gebildet aus Kolben-Pleuel-Kurbelwelle eines Kolbenmotors, beschrieben.
Mittels eines Sensors wird der Abstand des Zylinderkopfs zum Kolbenboden
gemessen, und zwar am oberen und am unteren Umkehrpunkt des Kolbens.
Bei bekannter Zylindergeometrie kann aus der Differenz der beiden
Messungen unmittelbar das Gesamtlagerspiel berechnet werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
meßtechnischen
Erfassung von Lagerspielen in einer hochdynamischen mechanischen Übertragungskette
zu schaffen, die bzw. das einfach im Aufbau und sicher in der Anwendung
ist und eine hohe Genauigkeit gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Verfahrensanspruchs 1 gelöst. Weitere
Ausführungsformen
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in
den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben,
die zeigen:
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1 als
Beispiel einer hochdynamischen mechanischen Übertragungskette schematisch
einen Tragflügel
mit einer Steuerfläche,
mit dem diese bewegenden Stellzylinder sowie der erfindungsgemäßen meßtechnischen
Vorrichtung
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2 in
einer oberen Darstellung ein beispielhafter Verlauf für das erfindungsgmäße Kommandosignal
der Steuereinheit an das Stellglied und in einer unteren Darstellung
der aus der Bewegung eines vorbestimmten Bezugspunktes an der Steuerfläche resultierende
Verlauf des Antwortsignals.
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Der
dargestellte Tragflügel 1 weist
ein Übertragungsglied
oder ein Bewegungsmittel 3, das im beschriebenen Ausführungsbeispiel
eine Steuerfläche
ist, auf, die über
ein Lager 5 an der Tragfläche 1 beweglich angeordnet
ist. Um die Steuerfläche 3 zu bewegen,
ist an dieser ein Steuerhorn oder ein Krafteinleitungs-Beschlag 7 mit
einem Lager 9 angebracht. An dem Lager 9 greift
eine Kolbenstange 11 eines Stellzylinders 13 an,
der wiederum über
ein Lager 15 und einem Krafteinleitungs-Beschlag 17 mit dem
Tragflügel 1 verbunden
ist. Diese Anordnung aus Tragflügel 1,
Steuerfläche 3 und
Stellzylinder 13 gilt insbesondere für geregelte Flugzeuge, die
aufgrund des Flugzeug-Regelkreises sowie aufgrund des inneren Stellantriebs-Regelkreises
mit einer Regeleinrichtung eine Vielzahl von schnellen Steuerflächen-Bewegungen kommandieren,
wodurch sich das Lagerspiel innerhalb verhältnismäßig kurzer Zeit verschlechtern
kann.
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In
der Darstellung des Gegenstands der 1 hat der
Stellzylinder 13 die Funktion eines Stellglieds und die
Steuerfläche 3 die
Funktion eines Übertragungsglieds.
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Um
die erfindungsgemäße Erfassung
von Lagerspielen vorzunehmen, wird zur Befestigung einer Meßvorrichtung 25 in
Bezug auf das am Lager 5 gelagerte Funktions- oder Übertragungsglied
oder Bewegungsmittel 3 ein Befestigungsmittel vorgesehen,
das eine definierte Positionierung der Meßvorrichtung in Bezug auf das
Bewegungsmittel gewährleistet.
Dazu wird bei dem beschriebenen Anwendungsbeispiel auf der Tragfläche 1 eines
Flugzeugs beispielsweise ein Tragarm 20 an der Stelle 21 der Tragfläche befestigt.
Die Befestigungsstelle 21 auf der Tragfläche 1 muß eindeutig
definiert sein, um die erfindungsgemäß durchgeführten Messungen reproduzierbar
zu machen. Darüberhinaus
muß die
Befestigungsstelle 21 eine stabile Befestigung des Tragarms 20 gewährleisten,
da am freien Ende 23 des Tragarms 20 eine Meßvorrichtung 25 mit
einem Sensor 27 angeordnet ist, wobei der Sensor 27 seinen Abstand
vom freien Ende 29 des Übertragungsglieds oder
der Steuerfläche 3 oder
an einer geeigneten Stelle in dessen Nähe mißt. Im folgenden bezieht sich
die Beschreibung auf die Messung des Abstandes zwischen dem Sensor
und dem freien Ende 29. Das erfinderische Verfahren kann
jedoch ohne weiteres auf andere Stellen der Steuerfläche 3 angewendet
werden.
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Der
Sensor 27 mißt
den Abstand zur Lage des freien Endes 29 der Steuerfläche 3,
die von der kommandierten Stellung der Steuerfläche 3 zuzüglich des
Lagerspiels abhängt.
Der Sensor 27 ist vorzugsweise als Lasersensor nach dem
Stand der Technik gestaltet, der Laserlicht aussendet und der das
am freien Ende 29 reflektierte Laserlicht empfängt und
daraus den Abstand zum freien Ende 29 ermittelt. Die Meßdatenerfassung
und deren Auswertung erfolgt in einer Steuereinheit (nicht gezeigt),
die am Sensor oder entfernt von der Meßeinrichtung angeordnet sein
kann.
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In
dem in der 1 dargestellten Beispiel einer
Tragfläche 1,
der Steuerfläche 3 und
des Stellzylinders 13 sind die Lagerspiele der Lager 5, 9, 15 zu überprüfen. Es
sind generell diejenigen Lager zu überprüfen, die die Position oder
Stellung des Übertragungsgliedes
oder Bewegungsmittels 3 beeinflussen. Hierzu wird erfindungsgemäß der Stellzylinder 13,
also das Stellglied, zunächst mit
einem rechteckförmigen
Kommandosignal zumindest einer halben Periode in einer Richtung
kommandiert.
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Dieses
Kommandosignal ist in der oberen Darstellung der 2 mit
dem Bezugszeichen 31 bezeichnet. Aufgrund der Trägheit der Übertragungsglieder
sowie durch weitere Effekte wie z. B. die Elastizität des Hydraulikkreises
im Beispiel der 1 fährt der Stellzylinder 13 aufgrund
des Kommandosignals 31 ein im wesentlichen rampenförmiges Antwortsignal 33,
das an diesem mittels Weggeber oder anderer Sensoren erfaßbar ist.
In der unteren Darstellung der 2 ist die
Bewegung eines vorbestimmten Punktes am freien Ende 29 der
Steuerfläche 3,
also eines Bezugspunkts am Funktionsglied, mit dem Bezugszeichen 35 aufgrund
des Antwortsignals 33 des Stellgliedes 13 dargestellt.
Das Kommandosignal 31 ist so definiert, daß die Steuerfläche 3 bzw.
deren freies Ende 29 eine vorgegebene Auslenkung 37 aufgrund
eines entsprechenden Kommandos an das Stellglied 13 einnehmen
soll. Diese kommandierte Position 37 ist eine Bezugsgröße, gegen die
die tatsächliche
Auslenkung des freien Endes 29, die anhand der Kurve oder
Linie 35 gezeigt wird, ins Verhältnis gesetzt wird.
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Wie
aus der unteren Darstellung der 2 ersichtlich
ist, bewegt sich beim Vorhandensein eines Lagerspiels die tatsächliche
Auslenkung mit einer Verzögerung 38 bis
zu einer Maximalauslenkung 39 des freien Endes 29 der
Steuerfläche 3,
die eine Differenz 40 unterhalb der Sollstellung 37 gelegen
ist. Diese Differenz 40 kommt einerseits durch das zu überprüfende Lagerspiel
der Lager 5, 9, 15 zu Stande. Es können in
die Differenz 40 jedoch auch noch weitere Lager und/oder
Elastizitäten
von Stellelementen eingehen. Diese Nebeneffekte werden erfindungsgemäß toleriert,
da sie als verhältnismäßig klein
gegenüber
dem zu überprüfenden Lagerspiel angenommen
werden. Die Nebeneffekte sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
entweder vorbekannt oder durch Vorversuche feststellbar. Die Nebeneffekte
können
entweder aus der Differenz 40 herausgerechnet werden oder,
in dem Falle, daß sie vernachlässigbar
sind, in der Rechnung mitgeführt werden.
Die Differenz 40 ist unmittelbar aus der Messung durch
die Messvorrichtung 25 mit dem Sensor 25 ableitbar.
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Die
tatsächliche
Bewegung 35 des freien Endes 29 verbleibt aufgrund
von Reibungs- und Dämpfungseffekten
in etwa in der Position der Maximalauslenkung 39. Ein etwaiges
Absinken der Auslenkung von der Maximalauslenkung 39 geht
in die genannten Nebeneffekte ein. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne 41 nach
Hochfahren des Kommandosignals 31 wird das Kommandosignal
erfindungsgemäß auf den
Ausgangswert oder Bezugswert gefahren, wie mit der Linie 43 in
der 2 gezeigt ist. Daraus resultiert wiederum aufgrund
von Trägheiten
und Elastizitätseffekten
in der Übertragungskette
im wesentlichen eine auf den Ausgangswert oder Bezugswert abfallende
Rampenlinie 44 im Antwortsignal 33.
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Aus
dem rampenförmigen
Abfall 44 des Antwortssignals 33 ergibt sich mit
einer Verzögerung 47 ebenfalls
ein rampenförmiger
Abfall 49 der tatsächlichen
Auslenkung 35 des freien Endes 29. Die Verzögerung 47 tritt
dadurch auf, daß durch
die Maximalauslenkung 39 sämtliche zu überprüfenden Lager der Übertragungkette
in eine erste Endstellung gefahren wird, die der der Endstellung
entgegengerichteten Übertragungsrichtung
entspricht. Die abfallende Rampe 49 des Antwortsignals 35 verläuft nur
bis zu einem Wert 50 oberhalb der Neutrallinie 51,
bzw. dem Wert 51 auf den das Kommandosignal 31 zurückgefahren
worden ist.
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Das
Lagerspiel wird erfindungsgemäß aus dem
Vergleich der tatsächlichen
Auslenkung 35 mit dem Kommandosignal 31 bzw. dem
Antwortsignal 33 des Stellzylinders ermittelt. Dabei wird
insbesondere die Verzögerung 47,
die Maximalauslenkung 39 sowie der Endwert 50 des
Antwortsignals der Stellfläche
bzw. des freien Endes 29 zugrunde gelegt.
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Alternativ
kann statt dem freien Ende 29 eines Stellglieds auch ein
beliebiger anderer geeigneter Bezugspunkt verwendet werden, um durch
die tatsächliche
Bewegung eines solchen Bezugspunkts im Vergleich zu einem Kommandosignal
das Lagerspiel zu ermitteln. Die Größe der kommandierten Auslenkung 37 hängt vom
Anwendungsfall ab. Diese muß nicht
zu einem Maximalwert in Bezug auf das jeweilige Stellglied gehen,
sondern kann auch auf einen relativ geringen Betrag gerichtet sein.
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Vorzugsweise
ist das Kommandosignal lediglich eine Halbperiode. Alternativ kann
jedoch auch, je nach Anwendungsfall, dieses Verfahren fortgesetzt
werden. Beispielsweise kann dabei das Kommandosignal eine vollständige Periode
oder mehrere Perioden durchlaufen.
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Das Übertragungsglied
oder Bewegungsmittel 3, das in der Ausführungsform der 1 die
Steuerfläche 3 ist,
wird erfindungsgemäß mittels
eines Stellglieds, das in der 1 der Stellzylinder 13 ist, kommandiert.
Das Antwortsignal 33 des Stellglieds (2)
wird erfindungsgemäß mittels
entsprechender Positionsgeber am oder im Stellglied ermittelt. Das
Stellglied wird mittels einer entsprechenden Steuereinheit kommandiert,
die das Kommandosignal 31 generiert und auf das Stellglied überträgt. Die Steuereinheit
nimmt weiterhin die durch die Messvorrichtung 25 generierten
Meßsignale
auf und führt
die dargestellten Vergleiche zur Ermittlung des Lagerspiels durch.