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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremseinheit eines Antriebssystems für Landeklappen und/oder Vorflügel zum Festhalten eines Antriebselements.
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Bei solchen Antriebssystemen ist es wichtig, hohe Lastspitzen auch bei Fehlfunktionen zu vermeiden, wozu entsprechende Schutzvorrichtungen vorgesehen sind. Die Schutzvorrichtungen sind notwendig, um im Fehlerfall einer Blockierung einer Landeklappe, eines Klappenantriebs oder bei einem Klemmfall im leistungsübertragenden Antriebsstrang den Aufbau hoher Drehmoment- oder Stellkraftspitzen zwischen der Blockierstelle und der zentralen Antriebseinheit zu unterbinden.
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Die unerwünschten Belastungsspitzen entstehen dabei zu einem wesentlichen Teil durch die Verzögerung der Massenträgheitsmomente von schnelldrehenden Antriebselementen, wobei die größten Energieanteile von den elektrischen oder hydraulischen Antriebsmotoren eingebracht werden. Deshalb ist es wichtig, gerade den Energieeintrag der Antriebsmotoren in einem Fehlerfall möglichst klein zu halten.
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1 zeigt in einem Prinzipschaubild ein Antriebssystems mit Schutzvorrichtungen nach dem Stand der Technik:
- Das Antriebssystem umfasst dabei eine zentrale Antriebseinheit 31, welche über eine Zentraltransmission 32 mit einem Verteilergetriebe 33 verbunden ist. Von diesem verzweigt der Leistungsfluss in den linken und den rechten Halbflügel durch die Transmissionswellen 35 zu den Abzweiggetrieben 36. Diese leiten die Antriebsleistung weiter zu den Aktuatoren 38, welche die rotatorische Bewegung in translatorische Bewegung umsetzen und über die Führungsgetriebe 39 die Landeklappen oder Vorflügel 40 verstehen.
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Als Überlastschutzvorrichtung sind nun zwischen den Abzweiggetrieben 36 und den Aktuatoren 38 sogenannte Stationsdrehmomentbegrenzer 37 installiert, die bei einem Lastanstieg auf ca. 130% der für diese Station definierten Betriebslast mechanisch ausgelöst werden und einen weiteren Anstieg der Last dadurch verhindern, dass die von der zentralen Antriebseinheit 31 weiter zugeführte Antriebsleistung auf die Struktur abgeleitet wird. Die Funktion solcher Drehmomentbegrenzer ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb hier nicht weiter beschrieben.
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Nach dem Ansprechen eines Drehmomentbegrenzers ist eine weitere Bewegung der Transmission unterbunden und die zentrale Antriebseinheit 31 wird abgewürgt. Dabei wird der leistungsführende Strang bis zum aktiven Drehmomentbegrenzer mit dem Abwürgemoment der Antriebseinheit 31 belastet. Da der Vorgang des Abbremsens innerhalb weniger Millisekunden erfolgt, entstehen zusätzlich erhebliche Beschleunigungsmomente. Die dabei entstehenden summierten Momentspitzen können bis zum 2,5-fachen des normalen maximalen Betriebsmoments ansteigen.
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Um eine weitere Verringerung der Bauteilbelastung zu erreichen, sind zusätzlich Halbflügeldrehmomentbegrenzer 34 zwischen dem Verteilergetriebe 33 und den ersten Abzweiggetrieben 36 angeordnet. Diese werden ausgelöst, wenn das Drehmoment des Transmissionsstrangs ca. 130% des Betriebsmomentes des Halbflügels erreicht. Damit ist der Teil der Transmission zwischen Halbflügeldrehmomentbegrenzer 34 und dem aktivierten Stationsdrehmomentbegrenzer vor dem Abwürgemoment und den dynamischen Lastspitzen der Antriebseinheit geschützt.
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Bei bekannten Antriebssystemen weisen die Antriebsmotoren zudem eine Bremse auf, welche zum Positionieren in den gewünschten Systempositionen gesetzt wird und die Abstützung der auf das System einwirkenden Luftlasten übernimmt. Die Bremsen sind dabei sogenannte Power-Off-Brakes, das heißt sie werden durch elektrische oder hydraulische Energie geöffnet und durch integrierte Federn gesetzt.
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Z. B. kann die zentrale Antriebseinheit zwei solche Antriebsmotoren mit jeweiligen Bremsen umfassen, welche ihre Antriebsenergie in ein drehzahl-summierendes Differentialgetriebe übertragen.
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Die Bremsen haben neben der Systempositionierung noch die Aufgabe, im Falle eines durch eine fehlerhafte Motoransteuerung ungewollt anlaufenden Motors diesen durch ein ausreichend hohes Bremsmoment festzuhalten. In der Regel sind die Bremsen deshalb für ein Bremsmoment von 1,5 bis 2 mal Antriebsmoment ausgelegt.
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Mit solchen bekannten Systemen entstehen jedoch weiterhin unerwünscht hohe Belastungsspitzen, insbesondere im Bereich zwischen Antriebsmotor und Halbflügeldrehmomentbegrenzern. Hierdurch müssen die Systemkomponenten bis zu diesen Punkten entsprechend massiv und damit schwer ausgeführt werden. Zudem ergibt sich eine Vielzahl von Komponenten, welche ebenfalls das Gewicht und die Kosten erhöhen.
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Die US 2004 / 0 200 677 A1 beschreibt eine Drehmomenttransferbegrenzungsvorrichtung für eine Drehantriebswelle. Dabei misst ein Sensor in der Antriebswelle das Drehmoment und leitet die Information weiter. Weiter ist eine elektrische Einheit die, in Reaktion auf das Überschreiten eines Schwellwertes, eine Bremsvorrichtung, die die Rotation der Drehantriebswelle begrenzt, auslösen kann, vorhanden.
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Die
EP 0 873 937 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Drehmomentbegrenzung, in der die Information über die Rotationsgeschwindigkeit einer Input-Welle genutzt wird, um den Drehmomentschwellwert einzustellen, ab dem eine Begrenzung des Drehmoments vollzogen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile der Systemtopologie nach dem Stand der Technik, insbesondere den hohen Energieeintrag durch die Motoren, durch eine verbesserte Bremseinheit des Antriebssystems, zu eliminieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einer Bremseinheit eines Antriebssystems für Landeklappen und/oder Vorflügel eines Flugzeuges zum Festlegen eines Antriebselementes nach Anspruch 1 gelöst. In die erfindungsgemäße Bremseinheit ist dabei ein mechanisch betätigter Drehmomentbegrenzer integriert. Hierdurch werden im Blockierfall die aus den Massenträgheitsmomenten der Antriebsmotoren resultierenden Momente, plus das Abwürgemoment, von den Bremsen aufgenommen, so dass sie nicht mehr auf die Bauteile der Transmission und die Strang- und Abzweiggetriebe hinter der Bremseinheit wirken.
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Hierzu ist die Bremseinheit vorteilhafterweise wie schon im Stand der Technik direkt hinter den zentralen Antriebsmotoren angeordnet. Zusätzlich zum Abstützen der auf das System einwirkenden Luftlasten sowie dem Festhalten des Motors bei einer Fehlansteuerung dient die erfindungsgemäße Bremseinheit nun auch als Drehmomentbegrenzer, welcher die nachgeschalteten Bauteile des Antriebsstrangs schützt. Mit einer solchen Anordnung kann das Momentniveau im Klemmfall soweit abgesenkt werden, dass die Halbflügeldrehmomentbegrenzer entfallen können. Auch kann der Transmissionswellenabschnitt zwischen der zentralen Antriebseinheit und der Position der Halbflügeldrehmomentbegrenzer auf ein deutlich niedrigeres Moment ausgelegt werden. Die erfindungsgemäße Bremseinheit ermöglicht damit sowohl eine signifikante Gewichtsreduzierung als auch eine Verringerung der Systemkosten. Durch die mechanische Betätigung des Drehmomentbegrenzers kann dabei auf zusätzliche Sensoren und eine komplizierte elektronische Ansteuerung verzichtet werden.
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Weiterhin vorteilhafterweise umfasst die Bremseinheit dabei eine Bremse, welche zum Festlegen und/oder Freigeben des Antriebselements elektrisch oder hydraulisch betätigbar ist, wobei die Bremse zugleich mechanisch zur Begrenzung des Drehmoments betätigt wird. Hierdurch muss nur eine Bremse für beide Funktionen vorgesehen werden, was wiederum Kosten und Gewicht spart.
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Vorteilhafterweise ist die Bremse dabei eine Power-Off-Bremse, welche durch elektrische oder hydraulische Energie geöffnet und durch integrierte Federn gesetzt wird. Dies erhöht die Sicherheit der gesamtenSystemtopologie.
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Weiterhin vorteilhafterweise wird die Bremse zur Begrenzung des Drehmoments über eine mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung, insbesondere einen Kugelrampenmechanismus, betätigt. Eine solche mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung erlaubt eine einfache und sichere Drehmomentbegrenzung, welche komplett ohne elektronische Sensoren und ohne eine aufwendige Ansteuerung der Komponenten auskommt.
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Weiterhin vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Bremseinheit zwischen einer ersten, vorteilhafterweise antriebsseitigen Welle und einer zweiten, vorteilhafterweise abtriebseitigen Welle eine Rotorwelle einer Bremse und eine mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung zur Betätigung der Bremse angeordnet. Eine solche Anordnung ergibt eine besonders einfache und sichere Drehmomentbegrenzung.
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Vorteilhafterweise ist dabei die Rotorwelle der Bremse mit der zweiten Welle über die mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung verbunden, wobei das über die mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung übertragene Drehmoment eine Relativbewegung von Rotorwelle und zweiter Welle erzeugt, welche die Bremse betätigt. Hierdurch ist eine rein mechanische Drehmomentbegrenzung durch die durch das Drehmoment erzeugte Relativbewegung zwischen Rotorwelle und zweiter Welle möglich.
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Vorteilhafterweise umfasst die Relativbewegung dabei eine Bewegung in Längsrichtung, welche zum Abbremsen der Rotorwelle auf mit der Rotorwelle verbundene Bremselemente einwirkt. Die Bremskraft wird damit auf die Bremselemente durch eine Bewegung der Rotorwelle in Längsrichtung eingebracht.
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Vorteilhafterweise ist die Rotorwelle der Bremse dabei drehmoment-steif, aber längs-verschieblich mit der ersten Welle verbunden. So kann die Rotorwelle der Bremse zur Drehmomentbegrenzung längs verschoben werden, wobei das Drehmoment über die drehmoment-steife Verbindung von der ersten, vorteilhafterweise antriebsseitigen Welle auf die Rotorwelle aufgebracht wird bzw. durch das Abbremsen der Rotorwelle die Drehmomente von der ersten Welle aufgenommen werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung bei der erfindungsgemäßen Bremseinheit einen Kugelrampen-Mechanismus zur Drehmomentbegrenzung. Insbesondere weisen dabei die Rotorwelle und die zweite Welle vorteilhafterweise Kugelrampen-Scheiben auf, zwischen welchen Kugeln angeordnet sind, und welche über eine Feder gegeneinander vorgespannt sind. Im Falle einer unter Bewegung unzulässig hoch ansteigenden Last werden die Kugeln des Kugelrampenmechanismus dann durch die sich relativ zueinander bewegenden Wellenabschnitte an den Rampen tangential bewegt und erzeugen eine Spreizwirkung zwischen der zweiten Welle und der Rotorwelle, wodurch eine in Längsrichtung wirkende Bremskraft auf die an der Rotorwelle angeordneten Bremselemente ausgeübt wird.
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Weiterhin vorteilhafterweise sind dabei an der Rotorwelle der Bremse Bremselemente angeordnet, welche durch ein Federpaket sowie durch die mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung gegen Gegenelemente am Gehäuse der Bremseinheit gepresst werden können. Durch diese Bremselemente können somit sowohl das Antriebselement festgelegt werden, indem die elektrischen oder hydraulischen Aktuatoren abgeschaltet werden, oder aber das durch die Bremseinheit durchgeleitete Drehmoment begrenzt werden, wobei die mechanische drehmoment-sensitive Vorrichtung die Bremselemente gegen Gegenelemente am Gehäuse der Bremseinheit presst und so die Drehmomente auf die Struktur ableitet.
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Neben der erfindungsgemäßen Bremseinheit umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin eine entsprechende erfindungsgemäße Systemtopologie.
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Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung dabei ein Antriebssystem für Landeklappen und/oder Vorflügel eines Flugzeugs mit einem Antriebsmotor und einer Bremseinheit, wobei die Bremseinheit sowohl zum Festlegen des Antriebsmotors als auch als Drehmomentbegrenzer arbeitet. Durch eine solche erfindungsgemäße Systemtopologie ergibt sich der Vorteil, dass im Klemmfall die insbesondere durch die Verzögerung der Massenträgheitsmomente des Antriebsmotors eingebrachten unerwünschten Belastungsspitzen sofort von der Bremseinheit aufgenommen werden, so dass die weiteren Systemkomponenten geschützt werden. Weiterhin sind hierdurch keine zusätzlichen Komponenten von Nöten, da die Bremseinheit ohnehin vorgesehen ist.
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Mit dieser Anordnung kann das Momentniveau im Klemmfall dann soweit abgesenkt werden, dass die im Stand der Technik notwendigen Halbflügeldrehmomentbegrenzer entfallen können. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem sind der oder die Antriebsmotoren dabei über die Bremseinheit mit einem Verteilerbetriebe verbunden, welches wiederum durch Transmissionswellen mit Abzweiggetrieben in den Flügeln verbunden ist, ohne dass zwischen dem Verteilergetriebe und den Abzweiggetrieben Halbflügeldrehmomentbegrenzer angeordnet werden. Auch kann der Transmissionswellenabschnitt zwischen der zentralen Antriebseinheit und der Position, an welcher im Stand der Technik die Halbflügeldrehmomentbegrenzer angeordnet waren, auf ein deutlich niedrigeres Moment ausgelegt werden.
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Die erfindungsgemäße Systemtopologie ermöglicht damit sowohl eine signifikante Gewichtsreduktion als auch eine Verringerung der Systemkosten. Weiterhin sind bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem aber die Stationsdrehmomentebegrenzer vorgesehen.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Drehmomentbegrenzung durch die Bremseinheit dabei mechanisch. So kann auf teure und störanfällige elektronische Sensoren und Ansteuerungen verzichtet werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Flugzeug nach den Merkmalen des Anspruchs 9 mit einer Bremseinheit, wie sie oben beschrieben wurden. Durch ein solches Flugzeug ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie oben im Bezug auf die Bremseinheit beschrieben wurden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1: ein Antriebssystem für Landeklappen und/oder Vorflügel eines Flugzeugs nach dem Stand der Technik, und
- 2: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bremseinheit.
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Das in 1 gezeigte Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik wurde bereits einleitend näher beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems unterscheidet sich dabei von dem in 1 gezeigten Antriebssystem dadurch, dass auf die Halbflügeldrehmomentbegrenzer 34 zwischen dem Verteilergetriebe 33 und den Abzweiggetrieben 36 verzichtet werden kann, während der oder die Antriebsmotoren der zentralen Antriebseinheit 31 mit der erfindungsgemäßen Bremseinheit ausgestattet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer solchen erfindungsgemäßen Bremseinheit eines Antriebssystems für Landeklappen und/oder Vorflügel eines Flugzeugs ist nun in 2 dargestellt. Der Momentenfluss geht dabei vom Motor in die motorseitige Welle 1, wird über eine Steckverzahnung 2 an die Rotorwelle 3 der Bremse geleitet und über einen Kugelrampenmechanismus 4 an die abtriebsseitige Welle, hier die Getriebewelle 5, geführt.
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Die erfindungsgemäße Bremseinheit umfasst dabei ringförmig angeordnete Hydraulikkolben 6 sowie ebenfalls ringförmig angeordnete Federn 7, welche aus entgegengesetzten Richtungen an die Druckscheibe 8 angreifen. Im gesetzten Zustand der Bremse sind die Hydraulikkolben 6 dabei drucklos, so dass die Federn 7 über die Druckscheibe 8 und den Druckring 9 eine Normalkraft auf das Bremspaket 10, welches an der Rotorachse 3 der Bremse angeordnet ist, ausüben. Diese Normalkraft wird vom Druckring 11 ins Bremsgehäuse 12 übertragen und dort reagiert. Im drucklosen Zustand der Hydraulikkolben ist die Bremse damit gesetzt.
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Um die Bremse zu lösen, werden die Kolben 6 mit Hydraulikdruck beaufschlagt, so dass die Kolbenkraft über die Druckscheibe 8 gegen die Federkraft wirkt und die Normalkraft auf das Bremspaket 10 zu Null wird. Durch das Beaufschlagen der Hydraulikkolben 6 mit Druck wird die Bremse damit frei.
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Durch den oben beschriebenen Mechanismus kann die erfindungsgemäße Bremseinheit wie im Stand der Technik dazu eingesetzt werden, in einer gewünschten Systemposition die Abstützung der auf das System einwirkenden Luftlasten zu übernehmen, indem die Bremse in der entsprechenden Position gesetzt wird. Ebenso kann sie im Falle eines durch eine fehlerhafte Motoransteuerung ungewollt anlaufenden Motors diesen durch ein ausreichend hohes Bremsmoment festhalten.
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Weiterhin ist in die erfindungsgemäße Bremseinheit nun ein mechanisch betätigter Drehmomentbegrenzer integriert. Hierzu dient der Kugelrampen-Mechanismus 4 im Zusammenspiel mit der längs ihrer Achse gegen das Gehäuse bewegbaren Rotorwelle 3 der Bremse. Der Kugelrampenmechanismus bildet dabei eine drehmoment-sensitive Vorrichtung, welche auf die Bremse einwirkt. Im Falle einer unter Bewegung unzulässig hoch ansteigenden Last werden dabei die Kugeln des Kugelrampen-Mechanismus 4 durch die sich relativ zueinander bewegenden Wellenabschnitte 5 und 1 und hierdurch durch die sich relativ zueinander bewegenden Kugelrampen-Flächen der Rotorwelle 3 und der Getriebewelle 5 an den Rampen tangential bewegt. Hierdurch erzeugen sie eine Spreizwirkung zwischen der Getriebewelle 5 und der Rotorwelle 3, durch welche die Rotorwelle 3 von den Kugeln gegen die Kraft des Federpaketes 13, und in der Steckverzahnung 2 gleitend, bewegt wird und ihrerseits eine Normalkraft auf das Bremspaket 10 ausübt. Hierbei wird die Längsbewegung von der Rotorwelle 3 ebenso wie die Bewegung der Hydraulikkolben 6 auf den Druckring 9 übertragen.
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Durch die Wahl der Rampensteigung und der Kraft des Federpaketes 13 kann das resultierende Bremsmoment so ausgelegt werden, dass das Antriebsmoment des Motors summiert mit der aus dem dynamischen Bremsvorgang entstehenden Momentenspitze vollständig in das Bremsengehäuse 12 abgeleitet wird. Insbesondere kann der Drehmomentbegrenzer hierzu ab einem Drehmoment von 130% des maximalen Solldrehmoments aktiv werden. Alle nachfolgenden Bauteile des Systems sind dadurch von der Energieeintragung des Motors entkoppelt. Dieser Vorgang wird dabei allein durch die rein mechanische Anordnung ausgelöst, ohne dass irgendwelche Sensoren oder elektrische Steuereinheiten benötigt würden.
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Alternativ zu der im Bremsbetrieb über die Hydraulikkolben 6 betätigten Bremseinheit, wie sie in 2 dargestellt ist, können in einem elektrisch betätigten System für den Lösevorgang anstelle der Hydraulikkolben 6 auch ein oder mehrere Elektromagnete verwendet werden. Alle anderen Funktionselemente bleiben bei einer solchen Ausführung gleich.
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Mit der gezeigten Anordnung können im Klemmfall hohe Drehmomente oder Stellkraftspitzen zwischen der Blockierstelle und der zentralen Antriebseinheit effektiv unterbunden werden. Insbesondere können unerwünschte Belastungsspitzen, welche sich aus der Verzögerung der Massenträgheitsmomente der Antriebsmotoren ergeben, durch den erfindungsgemäßen mechanischen Drehmomentbegrenzer in der Bremseinheit abgefangen werden. Mit einer solchen Anordnung kann das Drehmomentniveau dabei im Klemmfall soweit abgesenkt werden, dass die Halbflügeldrehmomentbegrenzer, welche im Stand der Technik noch zum Schutz der Antriebsstränge notwendig waren, entfallen können. Auch kann der Transmissionswellenabschnitt hinter der erfindungsgemäßen Bremseinheit auf ein deutlich niedrigeres Moment ausgelegt werden.
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Hierdurch ermöglicht die erfindungsgemäßen Systemtopologie sowohl eine signifikante Gewichtsreduzierung also auch eine Verringerung der Systemkosten, wobei neben der erfindungsgemäßen Bremseinheit keine zusätzlichen Komponenten benötigt werden. Ebenso erhöht sich die Sicherheit des erfindungsgemäßen Antriebssystems, da der Energieeintrag der Antriebsmotoren im Fehlerfall deutlich reduziert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorseitige Welle
- 2
- Steckverzahnung
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Kugelrampenmechanismus
- 5
- Antriebsseitige Welle, Getriebewelle
- 6
- Hydraulikkolben
- 7
- Federn
- 8
- Druckscheibe
- 9
- Druckring
- 10
- Bremspaket
- 11
- Druckring
- 12
- Bremsgehäuse
- 13
- Federpaket
- 31
- Zentrale Antriebseinheit
- 32
- Zentraltransmission
- 33
- Verteilergetriebe
- 34
- Halbflügeldrehmomentbegrenzer
- 35
- Transmissionswellen
- 36
- Abzweiggetriebe
- 37
- Stationsdrehmomentbegrenzer
- 38
- Aktuatoren
- 39
- Führungsgetriebe
- 40
- Landeklappen oder Vorflügel
