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Die
Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Klappensteuerung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekannte
Systeme zur Steuerung von Klappen, insbesondere zur Betätigung von
Servoklappen eines Hubschrauberrotorblattes oder einer Flugzeugtragfläche, enthalten
einen Stellantrieb, der zumeist einen aus einem geschichteten Piezostapel
bestehenden Festkörperaktuator
umfasst, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine elastische
Längenänderung
erfährt.
Dabei entspricht das Elastizitätsverhalten
des Festkörperaktuators
annähernd
einer linearen Kraft-Weg-Funktion. Um eine vor allem für dynamische
Stellaufgaben erforderliche Vorspannung des Aktuators zu erzielen,
wird parallel zu diesem eine auf den Ausgang des Stellantriebs wirkende
Vorlastfeder angeordnet, die die Steifigkeit des Antriebssystems
im Arbeitsbereich des Aktuators additiv zur Eigensteifigkeit des
Aktuators erhöht.
Nachteilig an der bekannten Klappensteuerung ist das geringe nutzbare
Arbeitsvermögen,
welches für
viele Anwendungsfälle
nicht ausreicht.
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Aus
Drucksschrift
DE 198
09544 C2 ist eine Stellvorrichtung bekannt, welche ein
Stellelement umfasst, dem eine negative Steifigkeit in einem Nulldurchgang
ihre Federkernlinie aufweisende Feder parallel geschaltet ist, um
die positive Steifigkeit der Rückstellkraft über einen
Arbeitsbereich des Stellwegs zumindest teilweise zu kompensieren.
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Ferner
ist aus der Druckschrift
DE
20004499 U1 die Ausgestaltung eines Festkörperaktuators
in Form eines geschichteten Piezostapels sowie die Verwendung einer
piezoelektrischen Klappensteuerung in Hubschraubern oder Flugzeugen
beschrieben.
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Im
Hinblick des durch die Druckschrift
DE 198 09544 C2 beschriebenen nächstliegenden
Standes der Technik, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine
piezoelektrische Klappensteuerung mit einer alternativen Ausführungsform
einer Kompensationsfederanordnung, welche dem Festkörperaktuator parallel
geschaltet ist und eine im Arbeitsbereich des Festkörperaktuators
der Steifigkeit des Aktuators entgegenwirkende, negativ geneigte
Federkernlinie aufweist, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Patentanspruch 1 gekennzeichneten piezoelektrische Klappensteuerung
gelöst.
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Durch
die Kombination von Aktuator und Kompensationsfederanordnung mit
im Lastbereich abfallender Federkernlinie, wird die Eigensteifigkeit und
dadurch die innere Rückhaltekraft
des Festkörperaktuators,
die einer piezoelektrischen Längenänderung
entgegenwirkt und ansonsten für
das Arbeitsvermögen
verlorengeht, auf baulich einfache Weise elastisch so kompensiert,
dass das Kraft-Hub Kennlinienfeld im Arbeitsbereich des Stellantriebs
in Richtung einer Hubvergrößerung aufgeweitet
und dadurch das nutzbare Arbeitsvermögen in erheblichem Umfang gesteigert
wird.
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Somit
wird, um die Kennlinie der Aktuatorik an den Verlauf der Luftlasten
besser anzupassen und den Klappenanschlag bei Luftlast zu erhöhen, eine mechanische
Kompensationseinrichtung eingeführt. Diese
besteht aus einer Federkoppel und einem Hebel. Die Federkoppel setzt
sich wiederum aus einer vorgespannten Feder und einem Hebel zusammen. Diese
Vorrichtung kompensiert die Aktuatorkennlinie elastisch und dreht
diese in der Winkel-Moment-Ebene im Uhrzeigersinn.
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Eine
bezüglich
des Kennlinienverlaufs besonders günstige Ausgestaltung der Kompensationsfederanordnung
besteht erfindungsgemäß darin, dass
diese nach Art eines Kurbeltriebs als pendelbeweglich gelagerte,
im Arbeitsbereich des Festkörperaktuators
die instabile Totpunktlage durchlaufende Federkoppel ausgebildet
ist, wodurch sich eine stetig abfallende Kompensations-Federkennlinie
und damit eine besonders ausgeprägte
Abflachung der Kraft-Hub-Funktion des Aktuators und dadurch eine entsprechend
hohe Steigerung des nutzbaren Arbeitsvermögens der piezoelektrischen
Klappensteuerung erhalten lässt.
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Wie
bereits erwähnt,
empfiehlt es sich vor allem bei dynamischen Stellaufgaben, den Festkörperaktuator
in Längsrichtung
vorzuspannen. Nach Anspruch 4 wird als Festkörperaktuator zweckmäßigerweise
ein geschichteter Piezostapel verwendet.
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Die
erfindungsgemäße piezoelektrische Klappensteuerung
findet insbesondere zur Betätigung
von Servoklappen eines Hubschrauberblattes oder einer Flugzeugtragfläche Anwendung.
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Die
Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit den Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Klappensteuerung in teilweise geschnittener Ansicht;
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2a,
b die Arbeitskennlinien des Stellantriebs der piezoelektrischen
Klappensteuerung nach 1;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Klappensteuerung; und
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4a,
b, c die Arbeitskennlinien des Stellantriebs der piezoelektrischen
Klappensteuerung nach 3.
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Die
in 1 gezeigte piezoelektrische Klappensteuerung enthält einen
Festkörperaktuator 2 in Form
eines geschichteten Piezostapels aus keramischem Material, der sich
beim Anlegen einer elektrischen Spannung U in Längsrichtung ausdehnt und dabei
den bei 4 am Gehäuse 6 angelenkten Übersetzungshebel 8 entgegen
der X-Richtung verstellt. An der dem bei 4 angelegten Ende
gegenüberliegenden Seite
des Übersetzungshebels 8 ist
um einen Drehpunkt 8a die Steuerklappe 16a schwenkbeweglich gelagert.
Die Steuerklappe 16a ist mit Hilfe des Festkörperaktuators 2 entgegen
der im Flug auf die Klappe 16a einwirkenden Luftlasten
verstellbar. Zum Schutz vor schädigenden
Querzugspannungen, die durch die Querkontraktion des Piezostapels 2 verursacht
werden, ist dieser endseitig über
in Längsrichtung
möglichst
steife, in Querrichtung jedoch weiche Zwischenstücke 10 zwischen Gehäuse 6 und Übersetzungshebel 8 eingspannt.
Parallel zum Aktuator 2 wirkt zwischen Gehäuse 6 und Übersetzungshebel 8 eine
aus einer oder mehreren Tellerfedern bestehende Kompensationsfeder 12,
deren Wirkungsweise weiter unten erläutert wird.
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Entsprechend
der Steifigkeit des keramischen Materials besitzt der Aktuator 2 eine
annähernd
lineare Kraft(F)-Weg(X)-Funktion, die sich entsprechend der anliegenden
Spannung entgegen der X-Richtung verschiebt, wie dies in 2a in
dünnen Linien
für den
spannungslosen und mit größerer Strichstärke für den Zustand
maximaler Betriebsspannung dargestellt ist. Wirkt auf den Übersetzungshebel 8 eine äußere Last
L, so wandert der Arbeitspunkt des Aktuators nach Maßgabe der
anliegenden elektrischen Spannung von A1 in spannungslosem Zustand
nach A2 bei maximaler Betriebsspannung. Der Arbeitshub des Aktuators 2 entspricht
dabei der Strecke A1–A2
und die Nutzarbeit der in 2a schraffierten
Rechteckfläche.
Gleichzeitig wirkt aber auch die Kompensationsfeder 12,
die so ausgelegt ist, dass ihre Kennlinie zunächst ansteigt, im Arbeitsbereich
des Aktuators 2 jedoch abfällt, wie die in 2a durch
die strichpunktiert gezeichnete Federkennlinie C1 mit einem negativ
geneigten Kennlinienabschnitt zwischen den beiden linearen Aktuator-Kennlinien dargestellt
ist. Demgemäß besitzen
die Kennlinien der Aktuator-Federkombination 2, 12,
die sich durch Addition der Aktuator-Kennlinien mit der Kompensations-Federkennlinie
C1 ergeben, den in 2b für den elektrisch spannungsfreien
Zustand und – in
größerer Strichstärke – für den Zustand
maximaler Betriebsspannung gezeigten, im Lastbereich abgeflachten
Kurvenverlauf, mit dem Ergebnis, dass das Kennlinienfeld des Stellantriebs
in Richtung einer Hubvergrößerung aufgeweitet
und das nutzbare Arbeitsvermögen des
Stellantriebs deutlich gesteigert wird, wie sich dies aus einem
Vergleich der beiden Hubstrecken A1, A2 bzw. B1, B2 unter der Last
L sowie der entsprechend vergrößerten,
in 2b ebenfalls schraffierten Nutzarbeitsfläche ergibt.
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Die 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
der piezoelektrischen Klappensteuerung mit einer um den Drehpunkt 14 schwenkbeweglich
gelagerten Steuerklappe 16, die mit Hilfe eines piezoelektrischen
Festkörperaktuators 18 entgegen der
im Flug auf die Steuerklappe 16 einwirkenden Luftlast verstellbar
ist.
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Der
Aktuator 18 ist ähnlich
wie beim ersten Ausführungsbeispiel
aufgebaut und enthält
einen Piezostapel 20 mit endseitig angeordneten Zwischenstücken 22 und
wirkt über
eine Steuerstange 24 auf den starr mit der Steuerklappe 16 verbundenen Übersetzungshebel 26.
Zwischen dem Aktuatorgehäuse 28,
welches bei 30 kippbeweglich gelagert ist, und dem Piezostapel 20 ist
eine den Piezostapel 20 in Druckrichtung beaufschlagende
Vorspannfeder 32 angeordnet, um den Piezostapel 20 im
dynamischen Steuerklappenbetrieb vor Zugspannungen zu schützen.
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3 zeigt
die Steuerklappe 16 in der oberen Endstellung, in der sich
der Aktuator 18 im elektrisch spannungslosen Zustand befindet.
Die entsprechende Elastizitätskennlinie
des Aktuators 18 einschließlich Vorlastfeder 32 ist
in 4a mit K1 bezeichnet, und K2 entspricht der Aktuator-Kennlinie
im Zustand maximaler Betriebsspannung, während S die Momentenkennlinie
der Steuerklappen-Luftlast darstellt. Wie ersichtlich, ist nur ein
stark begrenzter Klappenausschlag, der einem Winkelbereich von ±α1 entspricht,
erzielbar.
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Durch
Zuschaltung einer Kompensationsfederanordnung gelingt es jedoch,
den Winkelverstellbereich des Stellantriebs unter Last erheblich
aufzuweiten. Gemäß 3 besteht
diese Federanordnung aus einer um den Drehpunkt 34 pendelbeweglich
gelagerten Druckstütze 36,
die am freien Ende – bei 38 – drehbar
mit dem Übersetzungshebel 26 verbunden und
durch eine Druckfeder 40 in Längsrichtung vorgespannt ist.
Auf diese Weise entsteht eine Art federbelasteter Kurbeltrieb mit
einer negativ geneigten Federkennlinie C2 (4b), die
in der instabilen Totpunktlage des Kurbeltriebs (α = 0) einen
Nulldurchgang besitzt.
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Durch
Addition der Aktuator-Kennlinien K1 und K2 mit der Kompensations-Federkennlinie
C2 ergeben sich die Arbeitskennlinien des Gesamtsystems, K11 und
K22 für
den elektrisch spannungslosen bzw. den Aktuatorzustand maximaler
elektrischer Betriebsspannung gemäß 4c, wo
die Aktuator-Kennlinien K1 und K2 ohne Kompensationsfeder sowie
die Luftlast-Momentenlinie S nochmals zum Vergleich eingezeichnet
sind. Man erkennt, dass die Arbeitskennlinien des Stellantriebs
von ursprünglich
K1 und K2 durch die Zuschaltung der Kompensationsfederanordnung
in Richtung eines reduzierten Steifigkeitsverhaltens nach K11 und
K22 verdreht und der Winkelverstellbereich erheblich, nämlich von ±α1 auf ±β1 vergrößert wurde.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel
mit zwei antagonistisch arbeitenden Festkörperaktuatoren konnte durch
Zuschaltung einer Kompensationsfederanordnung der Klappenverstellbereich
für Luftgeschwindigkeiten
von 0,75 Mach von ±4,5° auf nahezu
10°, also
etwa auf das Doppelte, gesteigert werden.