DE102005062346A1

DE102005062346A1 - Hydraulischer Linear-Stellantrieb

Info

Publication number: DE102005062346A1
Application number: DE102005062346A
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl.-Ing. Paulmann
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US20070144342A1; KR101232522B1; CN1987129B; US7698990B2; KR20070066874A; CN1987129A

Abstract

Hydraulischer Linear-Stellantrieb mit einem Zylinder (2), einem in dem Zylinder (2) geführten, beweglichen, druckbeaufschlagbaren Arbeitskolben (4), mindestens einer an dem Arbeitskolben (4) befestigten Kolbenstange (6, 8) sowie mindestens einer Kolbendichtung, die mindestens zwei voneinander beabstandete Dichtungselemente (18, 20) besitzt, die zwischen sich, einer Innenwand (2a) des Zylinders (2) und einem Außenrand des Arbeitskolbens (4) einen Dichtungs-Zwischenraum (22) definieren, wobei der hydraulische Linear-Stellantrieb mindestens einen mit dem Arbeitskolben (4) mitbeweglichen Leckagekanal (26; 26a, 26b) besitzt, der mit einem ersten Ende in den Dichtungs-Zwischenraum (22) und eine dort angeordnete Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung mündet und mit dem anderen, zweiten Ende in eine außerhalb des Zylinders (2) angeordnete Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung (30) mündet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Linear-Stellantrieb.
STAND DER TECHNIK
Hydraulische Linear-Stellantriebe sind mit einem in einem Zylinder geführten, beweglichen, durckbeaufschlagbaren Arbeitskolben sowie einer daran befestigten Kolbenstange ausgestattet. Der Arbeitskolben ist mit mindestens einer Kolbendichtung versehen, welche an der Innenwand des Zylinders anliegt. Im Betrieb des Stellantriebs wird der Arbeitskolben mittels einer unter einem hohen Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit im Zylinder linear bewegt und kann hierbei über die Kolbenstange eine Stellkraft auf ein daran angeschlossenes Stellglied übertragen. Aufgrund von Verschleiß oder Versagen der Kolbendichtung kann es zu internen, d.h. innerhalb des Zylinders auftretenden Leckagen an der Kolbendichtung kommen. Diese internen Kolbendichtungsleckagen können nach bisher bekannten Verfahren

a) nur durch einen direkten Test der Stellantriebskraft bzw. des Hydraulikdrucks, oder
b) nur durch Messung der internen Leckage mittels Kontrolle der Durchflussmenge bestimmt bzw. überprüft werden.

Hierzu ist in beiden Fällen ein Ausbau des Stellantriebs aus einem bestehenden Hydrauliksystem (z.B. das Hydrauliksystem eines Luftfahrzeugs) und der Einsatz eines Prüfstandes mit hydraulischer Druckversorgung und entsprechenden Druck- oder Durchfluss-Sensoren notwendig. Ferner ist es zwingend erforderlich, das Hydrauliksystem bzw. sogar den ausgebauten Stellantrieb zu öffnen. Dies führt zu weiteren Demontage- und Montage- bzw. Folgearbeiten. Die zuvor beschriebenen Maßnahmen werden in der Luftfahrzeugtechnik durch sog. Überholzeiten (auch „time between overhaul" genannt) festgelegt.
Eine Kolbenleckage infolge eines Versagens der Kolbendichtung führt zu einem Verlust der hydraulischen Kraftverstärkung und der Stellgenauigkeit des betroffenen Stellantriebs. Insbesondere bei in der Luftfahrzeugtechnik üblichen redundanten Systemen, z.B. hydraulische Linear-Stellantriebe in aktiv/aktiv Tandemanordnung, sowie bei einer komplexen Einbausituation kann ein solches Versagen nicht immer sofort erkannt werden. Dies degradiert die Redundanz des betreffenden Hydrauliksystems, was sicherheitskritisch ist. Diese Degradierung wird auch als schlafender Fehler bezeichnet.
Während der Qualifizierung von Kolbendichtungen insbesondere für luftfahrzeugtechnische Hydrauliksysteme sind deshalb langwierige Verschleißtests notwendig, die i.d.R. jedoch nicht die gesamte Einsatzdauer des Stellantriebs simulieren bzw. widerspiegeln können. Deshalb werden die zuvor genannten Überholzeiten festgelegt, d.h. die sichere Funktion des Stellantriebs wird in genau festgelegten Intervallen kontrolliert.
Es ist ersichtlich, dass diese Kontrollen mit einem erheblichen technischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden sind. Bei einer solchen Überprüfung stellt sich auch zumeist heraus, dass die Kolbendichtung noch intakt ist, so dass dann ein Ausbau des Stellantriebs aus dem Hydrauliksystem faktisch unnötig war.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem zugrunde, einen hydraulischen Linear-Stellantrieb zu schaffen, bei dem eine interne Kolbendichtungsleckage sicher und einfach erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen hydraulischen Linear-Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dieser hydraulische Linear-Stellantrieb ist versehen mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder geführten, beweglichen, durckbeaufschlagbaren Arbeitskolben, mindestens einer an dem Arbeitskolben befestigten Kolbenstange sowie mindestens einer Kolbendichtung, die mindestens zwei voneinander beabstandete Dichtungselemente besitzt, die zwischen sich, einer Innenwand des Zylinders und einem Außenrand des Arbeitskolbens einen Dichtungs-Zwischenraum definieren. Der hydraulischer Linear-Stellantrieb besitzt mindestens einen mit dem Arbeitskolben mitbeweglichen Leckagekanal, der mit einem ersten Ende in den Dichtungs-Zwischenraum und eine dort angeordnete Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung mündet und mit dem anderen, zweiten Ende in eine außerhalb des Zylinders angeordnete Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung mündet.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb kommt es im Fall einer Kolbendichtungsleckage zu einem illegalen Leckage-Ölstrom (Anm.: als Ölstrom wird hier der Strom der Hydraulikflüssigkeit bezeichnet, mit dem der Arbeitskolben mit einem Druck beaufschlagt wird) über mindestens ein Dichtungselement hinweg in den Dichtungs-Zwischenraum und in die Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung. Dieser Leckage-Ölstrom unterscheidet sich mengenmäßig beachtlich von den regulären Minimal-Leckagen einer intakten Kolbendichtung. Der Leckage-Ölstrom wird aufgrund des starken Druckgefälles bei Überströmen von der (jeweiligen) Arbeitskammer des Zylinders über die Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung in den Leckagekanal eindringen und schließlich über die außerhalb des Zylinders angeordnete Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung wieder austreten. Dort ist der Leckage-Ölstrom sofort deutlich zu erkennen.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb kann eine Kolbendichtungsleckage daher zuverlässig durch Sichtkontrolle detektiert werden, ohne dass es hier erforderlich ist, den Stellantrieb aus dem gesamten Hydrauliksystem auszubauen und in der oben beschrieben Weise nach Variante a) oder b) zu prüfen. Auf den Einsatz eines aufwendigen und teueren Prüfstands kann daher verzichtet werden. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Stellantrieb auch im eingebauten Zustand überprüft werden. Z.B. bei hydraulischen Systemen in Luftfahrzeugen ist es deshalb möglich, eine Überprüfung auf Kolbendichtungsleckage bereits im Rahmen der sog. Vorflugkontrolle oder Nachflugkontrolle vorzunehmen. Auch eine Überwachung im Rahmen zeitlich geplanter Inspektionsmaßnahmen (auch „on condition monitoring" genannt) ist realisierbar. Somit ist eine permanente Überwachung über die gesamte Einsatzdauer des Stellantriebs hinweg möglich. Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet daher auch schlafende Fehler und trägt damit wesentlich zur Sicherheit des Hydrauliksystems bzw. eines Gerätes oder Luftfahrzeugs, in welches der erfindungsgemäße Stellantrieb eingebaut ist, bei.

Das erfindungsgemäßes Lösungsprinzip ist auch bei sog. doppeltwirkenden Hydraulikzylindern oder bei Zylindern möglich, die auf beiden Seiten des Arbeitskolbens über eine Kolbenstange verfügen.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen hydraulischen Linear-Stellantriebs sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen hydraulischen Linear-Stellantrieb;
2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs von 1 entlang der Linie II-II in 1;
3 ein erstes Detail des erfindungsgemäßen Stellantriebs an dem in 1 gekennzeichneten Bereich X; und
4 ein zweites Detail des erfindungsgemäßen Stellantriebs an dem in 1 gekennzeichneten Bereich X.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen hydraulischen Linear-Stellantrieb dargestellt. 2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs von 1 entlang der Linie II-II in 1.
Der Stellantrieb besitzt einen Zylinder 2, einen in dem Zylinder 2 geführten, beweglichen, druckbeaufschlagbaren Arbeitskolben 4, zwei Kolbenstangen 6, 8, die an der Ober- und Unterseite des Arbeitskolbens 4 befestigt sind und an entgegengesetzten Enden des Zylinders 2 aus diesem herausragen. Es handelt sich hierbei um einen sog. doppelt wirkenden Antrieb, d.h. jede Seite des Arbeitskolbens kann bei Bedarf mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt werden. Das hydraulische Arbeitsmedium, sog. Hydrauliköl, wird über Öffnungen 10, 12 in den jeweiligen linken und/oder rechten Arbeitsraum 14, 16 des Zylinders 2 eingeleitet.
Der Stellantrieb verfügt ferner über eine Kolbendichtung, die zwei voneinander beabstandete Dichtungselemente 18, 20 aufweist. Bei den Dichtungselementen handelt es sich hier um Dichtungsringe, die jeweils in einer im Außenumfang des Arbeitskolbens 4 vorgesehenen Nut aufgenommen sind. Die Dichtungsringe 18, 20 begrenzen zwischen sich, einer Innenwand 42 des Zylinders 4 und dem Außenumfang bzw. Außenrand des Arbeitskolbens 4 einen Dichtungs-Zwischenraum 22.
3 zeigt ein erstes Detail des erfindungsgemäßen Stellantriebs an dem in 1 gekennzeichneten Bereich X; und 4 ein zweites Detail des erfindungsgemäßen Stellantriebs an dem in 1 gekennzeichneten Bereich X. Sowohl bei der Variante nach 3 als auch 4 ist in dem Dichtungs-Zwischenraum 22 zwischen den zwei voneinander beabstandeten Dichtungsringen 18, 20 eine umlaufende Leckage- Nut 24 am Außenumfang des Arbeitskolbens 4 vorgesehen. Bei der Ausführungsform nach 3 bildet ein Teil der Außenwandung des Arbeitskolbens 4 die Seitenwände der Leckage-Nut 24, während bei der Ausführungsform nach 3 die Seitenwände der Leckage-Nut 24 durch einen seitlichen Teilbereich der Dichtungsringe 18, 20 selbst begrenzt sind.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist des Weiteren mit einem mit dem Arbeitskolben mitbeweglichen Leckagekanal 26 ausgerüstet. Dieser Leckagekanal 26 mündet mit einem ersten Ende in den Dichtungs-Zwischenraum 22 und eine dort angeordnete Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung, die wiederum in die Leckage-Nut 24 mündet. Dies gilt sowohl für die Detailvariante nach 3 als auch 4. Mit dem anderen, zweiten Ende mündet er in eine außerhalb des Zylinders 2 angeordnete Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung. Der Leckagekanal 26 besitzt einen ersten Kanalschnitt, der sich von der Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung in radialer Richtung durch den Arbeitskolben 4 zu dessen Mittenbereich erstreckt.
Wie in der 2 zu erkennen ist, die eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Stellantriebs von 1 entlang der Linie II-II in 1 zeigt, ist der erste Kanalabschnitt durch vier gleichmäßig über den Umfang des Arbeitskolbens 4 verteilte Radialbohrungen 26a indem Arbeitskolben 4 gebildet, die in eine zentrale Kammer 28 des Arbeitskolbens 4 münden. Die Zahl der Radialbohrung kann je nach Anwendungsfall variieren.
Des Weiteren besitzt der Leckagekanal 26 einen zweiten Kanalschnitt 26b, der in die zentrale Kammer 28 und damit in den ersten Kanalschnitt 26a mündet. Der zweite Kanalabschnitt 26b ist ausgehend von der zentralen Kammer 28 durch die in der 1 linke Kolbenstange 6 hindurch zu einer über den gesamten maximalen Stellweg des Arbeitskolbens 4 außerhalb des Zylinders 2 an dieser Kolbenstange 6 vorgesehenen Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung geführt. Der zweite Kanalschnitt 26b erstreckt sich hierbei koaxial durch die Kolbenstange 6 hindurch.
In der Nähe des in der 1 linken Endes der Kolbenstange 6 ist ausgehend vom Außenumfang der Kolbenstange 6 eine radiale Prüfbohrung 30 angebracht, die in den zweiten Kanalschnitt 26b mündet. Die Bohrungsöffnung der Prüfbohrung 30 bildet hier die Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung. Auf der Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung wiederum ist eine zur Außenseite des Leckagekanals 26 öffnende und zur Innenseite des Leckagekanals 26 schließende Ventileinrichtung 32 vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 32 ist in diesem Beispiel als eine Gummi-Membrane ausgeführt, die gleichzeitig verhindert, das Schmutz in den Leckage-Kanal eindringt.
Bei dem in den Figuren gezeigten, zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Stellantrieb können Leckage sowohl an dem ersten als auch zweiten Dichtungsring 18, 20 zuverlässig detektiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Rahmen des Schutzumfangs kann der erfindungsgemäße Stellantrieb auch andere als die oben konkret beschriebene Ausgestaltungsform annehmen. Der zweite Kanalabschnitt 26b könnte alternativ oder zusätzlich auch in der zweiten Kolbenstange 8 vorgesehen sein. Ferner könnte der zweite Kanalabschnitt 26b eine Öffnung in dem stirnseitigen Ende der Kolbenstange 6 aufweisen, so dass der zweite Kanalabschnitt 26b leicht durch Bohren hergestellt werden kann. Da an dem stirnseitigen Ende der Kolbenstangen 6, 8 i.d.R. Anschlussbeschläge befestigt werden, wäre eine dortige Lage der Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung für Sichtinspektionen jedoch sehr ungünstig. Nach dem Bohren des zweiten Kanalabschnitts 26b könnte die Bohrungs-Öffnung daher wieder verschlossen werden und z.B. mittels der Prüfbohrung 32 wiederum die in 1 gezeigte Konfiguration hergestellt werden.
Der Leckage-Kanal könnte in Teilbereichen auch über ein schlauchartiges Element geführt werden, welches der Bewegungen des Arbeitskolbens dauerhaft und ohne eine Kollision folgen kann. Dieses schlauchartige Element bzw. die Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung könnten dann sogar auch durch die Wandung des Zylinders hindurch treten, und es könnte auf den zweiten Kanalabschnitt in der oder den Kolbenstangen gänzlich verzichtet werden.

2: Zylinder
2a: Innenwand von 2
4: Arbeitskolben
6: Kolbenstange
8: Kolbenstange
10: Öffnung für Hydraulikflüssigkeit
12: Öffnung für Hydraulikflüssigkeit
14: Arbeitsraum
16: Arbeitsraum
18: Dichtungsring
20: Dichtungsring
22: Dichtungs-Zwischenraum
24: Leckage-Nut
26: Leckagekanal
26a: Erster Kanalabschnitt von 26
26b: Zweiter Kanalschnitt von 26
28: Zentrale Kammer
30: Prüfbohrung
32: Ventileinrichtung
X: Detailbereich in 1

Claims

Hydraulischer Linear-Stellantrieb mit einem Zylinder (2), einem in dem Zylinder (2) geführten, beweglichen, durckbeaufschlagbaren Arbeitskolben (4), mindestens einer an dem Arbeitskolben (4) befestigten Kolbenstange (6, 8) sowie mindestens einer Kolbendichtung, die mindestens zwei voneinander beabstandete Dichtungselemente (18, 20) besitzt, die zwischen sich, einer Innenwand (2a) des Zylinders (2) und einem Außenrand des Arbeitskolbens (4) einen Dichtungs-Zwischenraum (22) definieren, wobei der hydraulischer Linear-Stellantrieb mindestens einen mit dem Arbeitskolben (4) mitbeweglichen Leckagekanal (26; 26a, 26b) besitzt, der mit einem ersten Ende in den Dichtungs-Zwischenraum (22) und eine dort angeordnete Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung mündet und mit dem anderen, zweiten Ende in eine außerhalb des Zylinders (2) angeordnete Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung (30) mündet.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagekanal (26) mindestens einen ersten Kanalschnitt (26a) besitzt, der sich von der Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung in radialer Richtung durch den Arbeitskolben (4) zu dessen Mittenbereich (28) erstreckt.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagekanal (26) mindestens einen zweiten Kanalschnitt (26b) besitzt, der in den mindestens einen ersten Kanalschnitt (26a) mündet und der durch die mindestens eine Kolbenstange (6) hindurch zu einer über den gesamten maximalen Stellweg des Arbeitskolbens (4) außerhalb des Zylinders (2) an der Kolbenstange (6) vorgesehenen Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung (30) führt.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweiten Kanalschnitt (26b) koaxial durch die mindestens eine Kolbenstange (6) erstreckt.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Außenumfang der Kolbenstange (6) mindestens eine Prüfbohrung (30) in den zweiten Kanalschnitt (26b) mündet und mit ihrer Bohrungsöffnung die Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung bildet.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leckageflüssigkeits-Austrittsöffnung (30) eine zur Außenseite des Leckagekanals (26) hin öffnende und zur Innenseite des Leckagekanals hin schließende Ventileinrichtung (32) vorgesehen ist.
Hydraulischer Linear-Stellantrieb nach einem oder mehreren der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dichtungs-Zwischenraum (22) zwischen den zwei voneinander beabstandeten Dichtungselementen (18, 20) eine Leckage-Nut (24) am Außenumfang des Arbeitskolbens (4) vorgesehen ist und die Leckageflüssigkeits-Eintrittsöffnung in diese Leckage-Nut (24) mündet.