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Die Erfindung betrifft eine Gewindespindelstellvorrichtung mit doppeltem Lastpfad zur Betätigung eines beweglichen Teils, vorzugsweise ein trimmbares Höhenleitwerk eines Flugzeuges. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur elektrischen oder hydraulischen Verstellung eines trimmbaren Höhenleitwerks mit einer Gewindespindelstellvorrichtung.
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Bei Flugzeugen mit Kraftverstärkung in der Flugsteuerung wird das trimmbare Höhenleitwerk üblicherweise von einer einzelnen, elektrisch oder hydraulisch betriebenen Gewindespindelstellvorrichtung positioniert. Üblicherweise wird dieses Stellgerät in der Luftfahrtindustrie als „trimmable horizontal stabilizer actuator“ (THSA) oder „horizontal stabilizer trim actuator“ (HSTA) bezeichnet. Bei einer derartigen Gewindespindelstellvorrichtung handelt es sich um ein kritisches Teil, da ein Bruch in der Kette der lastübergreifenden Teile (dem sogenannten Lastpfad) innerhalb dieser Gewindespindelstellvorrichtung die Freigängigkeit des trimmbaren Höhenleitwerks zur Folge hätte und somit zum Absturz des Flugzeuges führte. Um dies zu verhindern, wird üblicherweise in der Gewindespindelstellvorrichtung der Lastpfad doppelt ausgeführt und zwar derart, daß bei Bruch des ersten Lastpfades der zweite Lastpfad die Position des trimmbaren Höhenleitwerks hält.
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Der zweite Lastpfad besteht üblicherweise aus einem Zuganker, welcher sich in einer konzentrischen, durchgängigen Bohrung in der Gewindespindel befindet und ein Trennen der Gewindespindel bei Bruch verhindert, und aus einer zweiten Spindelmutter, welche bei Versagen einer ersten Spindelmutter diese zur Übertragung der Bewegung auf das trimmbare Höhenleitwerk ersetzt. Ein derartiger Bruch des ersten Lastpfades muß jedoch erkannt und behoben werden. Ein unerkannter Bruch würde ja dazu führen, daß die Gewindespindelstellvorrichtung nur noch einen Lastpfad besitzt und daß bei einem Versagen dieses verbleibenden Lastpfades das Flugzeug abstürzt.
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Aus der
DE 603 02 403 T2 ist bereits grundsätzlich ein Verfahren bekannt, bei welchem der Verlust des ersten Lastpfades durch die Unterbrechung eines elektrischen Leiters erkannt wird. Hierzu wird ein elektrischer Leiter von einem Scherungsbolzen abgerissen.
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Die Trennung eines Scherbolzens mittels einem innen liegenden elektrischen Leiters zu erkennen, ist bereits aus der
US 5017912 bekannt. Bei der vorbekannten Lösung, das heißt dem Vorsehen eines entsprechenden Scherbolzens, ist eine vergleichsweise hohe Kraft aufzuwenden, was hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Erkennung eines Lastpfadbruchs problematisch ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kostengünstige und zuverlässige elektrische Erkennung des Verlustes des ersten Lastpfades bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Gewindespindelstellvorrichtung mit doppeltem Lastpfad durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierzu ist mindestens ein isolierter elektrischer Leiter und mindestens eine Schneideinrichtung vorgesehen, durch die im Falle des Versagens von den lastpfadbildenden Bauteilen der elektrische Leiter aufgrund einer Relativbewegung des die Last aufnehmenden Lastpfades durchtrennbar ist. Entsprechend dieser erfindungsgemäßen Lösung wird auf die aus dem Stand der Technik bekannten Scherbolzen verzichtet. Die mit dem Verlust des ersten Lastpfades verbundene Relativbewegung wird unmittelbar zum Durchtrennen des elektrischen Leiters verwendet, wobei hier ein direkter Schnitt mittels sich relativ zueinander bewegender Scherkanten erzeugt werden kann, der zum radialen Abschnitt des isolierten elektrischen Leiters führt. Die Unterbrechung des Stromflusses im elektrischen Leiter kann mittels eines Detektors, der die Widerstandsänderung beim Durchtrennen des isolierten elektrischen Leiters feststellt, detektiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sehr hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der Erkennung eines Lastpfadbruchs, da nur ein geringer Teil der möglichen Fehlfunktionen die Erkennung verhindert. Grundsätzlich sind bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen System zwei Fehlfunktionen denkbar.
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Die erste Fehlfunktion könnte darin liegen, daß der elektrische Leiter unterbrochen wird, obwohl kein Bruch des Lastpfades vorliegt. Dieser Fehler ist hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Erkennung nicht relevant, da ja kein Lastpfadbruch vorliegt. Ein solcher Fehler wird erkannt und führt zur Instandsetzung. Er reduziert lediglich die Verfügbarkeit der Erkennung, jedoch nur in einem geringen Maße, da es sich um ein sehr einfach aufgebautes System handelt.
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Der zweite Fehler kann darin liegen, daß ein Bruch des Lastpfades vorliegt, wobei der elektrische Leiter jedoch nicht unterbrochen wird. Dieser Fehler ist grundsätzlich sicherheitskritisch und definiert die Zuverlässigkeit der gesamten Erkennung. Die Ursache kann nur ein Versagen des Schneidmechanismus sein. Durch eine entsprechend robuste Gestaltung dieses rein mechanischen Systems kann aber die Wahrscheinlichkeit dieses Fehlers bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung sehr gering gehalten werden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine Gewindespindelstellvorrichtung mindestens eine Primärmutter und eine Sekundärmutter aufweisen, wobei die Sekundärmutter im nicht belasteten Zustand beidseitig eine axiale geometrische Freigängigkeit gegenüber der Primärmutter aufweist. Die Sekundärmutter ist nun derart mit der Schneideinrichtung verbunden, daß bei Versagen der Primärmutter oder ihrer Aufhängung das Spiel der Sekundärmutter überbrückt wird und aufgrund dieser Überbrückungsbewegung der elektrisch isolierte Leiter durchtrennt wird. Aufgrund dieser Lastaufnahme wird die Sekundärmutter axial bewegt und überbrückt das Spiel. Diese Bewegung wird als Relativbewegung zur Durchtrennung des isolierten elektrischen Leiters verwendet.
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Um hier eine möglichst schnelle Ansprechbarkeit des Systems sicherzustellen und um das Axialspiel im Falle eines Bruchs gering zu halten, kann die Schneideinrichtung auch über eine Kinematik betätigbar sein, die ein Durchtrennen des isolierten elektrischen Leiters schon dann erlaubt, wenn die Sekundärmutter erst einen Teil des Spiels überwunden hat.
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Alternativ kann die Schneideinrichtung zumindest teilweise aus einer vorgespannten Feder betätigt werden, welche bereits bei teilweiser Überbrückung des Spiels der Sekundärmutter auslösbar ist.
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Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß mindestens eine die Gewindespindel aufnehmende Antriebseinheit und eine einen in der Gewindespindel laufenden Zuganker drehbar lagernde Halteeinheit vorhanden ist. Hier ist die Halteeinheit im nicht belasteten Zustand beidseitig mit Spiel gegenüber der Antriebseinheit gelagert. Dabei ist die Schneideinrichtung derart mit Antriebs- und Halteeinheit verbunden, daß bei Überleiten der Last auf den Zuganker und die dadurch bedingte Überbrückung des Spiels der elektrisch isolierte Leiter durchtrennbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der mindestens eine isolierte elektrische Leiter mit einem weiteren vorhandenen isolierten elektrischen Leiter, der zur Überwachung von Spindel und Spindelanbindung dient, in Serienschaltung verbunden sein. Hierdurch bedarf es nur einer einzelnen Auswerteelektronik zur Erkennung einer Leiterunterbrechung und somit zur Erkennung eines Lastpfadbruches. Dabei handelt es sich letztendlich um einen einzelnen, sehr einfach aufgebauten Sensor zur Erkennung eines Versagens des ersten Lastpfades.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Gewindespindelstellvorrichtung in perspektivischer Darstellung,
- 2 - 4: Schnitte durch die Darstellung gemäß 1 und
- 5: einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Gewindespindelstellvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, in welcher die Funktionsfähigkeit einer Spindelmutter eines THSA (trimmable horizontal stabilizer actuator) überwacht wird. Eine Spindel 10 ist hierzu an einem Ende über eine Antriebseinheit in hier nicht näher dargestellter Weise am Flugzeugrumpf befestigt. Eine Mutteranordnung 20 ist kardanisch über Anbindungslaschen 30 eines hier ebenfalls nicht dargestellten im Flugzeugrumpf drehbar gelagerten trimmbaren Höhenleitwerks des nicht dargestellten Flugzeuges verbunden. Durch Antrieb der Spindel 10 kann damit die Position des trimmbaren Höhenleitwerks eingestellt werden.
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Die Spindel 10 ist hohlgebohrt und nimmt einen Zuganker 15 auf, der Bestandteil des zweiten Lastpfades der Spindel 10 ist, was hier im dargestellten Ausführungsbeispiel für die Funktion der Erfindung nicht relevant und daher nur der Vollständigkeit halber erwähnt ist.
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Die Mutternanordnung 20 besteht aus zwei Muttern, einer Primärmutter 40 und einer Sekundärmutter 50, wie aus der 2 hervorgeht. Nur beispielhaft ist die Primärmutter 40 in Kugelumlauf- und die Sekundärmutter in Gleitgewindeausführung dargestellt. Hier kann an Stelle des dargestellten Gewindeausführungen jede Gewindeart eingesetzt werden.
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Die Primärmutter 40 ist mit einem inneren Kardanring 60 verbunden, der in 3 erkennbar ist. Dieser Kardanring 60 ist wiederum in den Anbindungslaschen 30 gelagert (vgl. 2 und 1). Die Sekundärmutter 50 ist in einer Traverse 70 gelagert. Diese steht mit dem äußeren Kardanring 80 in Eingriff (vgl. 3), der wiederum mit den Anbindungslaschen 30 verbunden ist (vgl. hierzu 2 und 1).
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Die Sekundärmutter 50 kann sich in der Traverse 70 nicht drehen, was im dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert wird, daß die Sekundärmutter 50 einen rechteckigen Flansch 90 besitzt, welcher mit der Traverse 70 in Eingriff steht (vgl. 4). Die Sekundärmutter 50 hat in der Traverse 70 jedoch beidseitig axiale Freigängigkeit, die in der 2 mit den Maßen a1 und a2 bezeichnet ist. Die axiale Freigängigkeit, die auch als Spiel bezeichnet werden kann, ergibt sich dadurch, daß einerseits die Höhenlage der Sekundärmutter 50 von ihrem Eingriff in die Spindel und andererseits die Höhenlage der Traverse 70 von ihrer Verbindung mit der Primärmutter 40 herbeigeführt wird. Die Sekundärmutter 50 ist somit bei Vernachlässigung ihres Eigengewichts lastfrei und kann bei entsprechend konstruktiver Gestaltung bei der Montage derart eingestellt werden, daß sich die Spiele a1 und a2 einstellen.
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Nur bei Versagen der Primärmutter 40 oder ihrer Anbindung an das trimmbare Höhenleitwerk, die den ersten Lastpfad bildet, wird in Abhängigkeit der Lastrichtung das Spiel a1 oder a2 überwunden, wobei die Sekundärmutter 50 die Last aufnimmt.
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Dieser im Fall des Versagens des ersten Lastpfades auftretende Axialversatz wird von einer Leiterschneidanordnung 100 erkennt, wie in den 3 und 4 dargestellt.
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Die Leiterschneidanordnung 100 besteht aus einer scharfkantigen Nut 110, welche in die Sekundärmutter 50 eingebracht oder als eigenständiges Bauteil mit der Sekundärmutter 50 verbunden ist und aus einer Schleife eines elektrisch isolierten Leiters 120, welche in scharfkantigen Bohrungen des Halters 130 gehalten ist, wobei der Halter 130 fest mit der Traverse 70 verbunden ist.
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Die Ausführung als Leiterschleife ist nur beispielhaft. Es kann auch jede andere beliebige Art der Leiterführung verwendet werden.
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Im Fall des Versagens des ersten Lastpfades bewegt sich lastrichtungsabhängig eine der zwei scharfen Kanten der Nut 110 auf die scharfe Bohrungskante des Halters 130 zu, kommt in Überlappung mit ihr und schneidet so den Leiter ab. Diese Trennung des Leiters führt zu einer Erhöhung des Durchgangswiderstandes, welche von einer an den Leiter angeschlossenen Auswerteelektronik erkannt wird. Übersteigt der Durchgangswiderstand einen Grenzwert, wird dies als Fehler interpretiert und dem Piloten gemeldet. Die Ursache dieses Fehlers kann entweder ein Versagen des ersten Lastpfades oder aber auch elektrischer Natur sein. Ein Versagen des ersten Lastpfades wird somit in jedem Fall erkannt.
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Die Breite der scharfkantigen Nut ist größer als der Leiterdurchmesser. Damit wird die durch die im fehlerfreien Betrieb aufgrund elastischer Verformung auftretende Relativbewegung der Schneidkanten den Leiter nicht verletzten.
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Die Bauteile, welche die scharfen Kanten bereitstellen, sind vorteilhafterweise aus für den Schneidvorgang geeignetem Metall hergestellt. Sind diese Metallteile wiederum direkt an metallischen Bauteilen befestigt, wird sich bei einem Lastpfadbruch zumindest kurzzeitig ein Masseschluß des Leiters einstellen. Sollte dies nicht erwünscht sein, können entweder die Bauteile, welche die scharfen Kanten bereitstellen aus elektrisch-isolierendem Werkstoff hergestellt werden (beispielsweise Keramik) oder die Metallteile werden über elektrische Isolationskörper befestigt.
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Im Fall des Versagens des ersten Lastpfades stellt sich ein axiales Spiel mit dem Wert a1 + a2 ein, wie sich aus 2 ergibt. Um dieses Spiel zusätzlich zu reduzieren, kann die Leiterschneidanordnung 100 über eine in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nicht näher gezeigte Kinematik betätigt werden, welche es grundsätzlich erlaubt, die erforderliche Schneidbewegung mit geringen Werten von a1 und a2 zu erreichen.
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Eine weitere hier ebenfalls nicht dargestellte Variante zur Reduzierung des Axialspiels im Falle des Versagens des ersten Lastpfades besteht darin, die Schneidbewegung von einer vorgespannten Feder ausführen zu lassen, welche von bereits sehr kleinen Werten von a1 und a2 ausgelöst werden kann.
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Schließlich besteht eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung des Spiels im Falle des Versagens des ersten Lastpfades darin, fertigungsbedingte Axialspiele der Muttern 40 und 50 zu minimieren, indem in ebenfalls nicht dargestellter Art und Weise der jeweiligen Mutter ein axial verschiebbarer Gewindeabschnitt hinzugefügt wird, welcher bei der Montage bis zur Axialspielfreiheit der Mutter verschoben und danach relativ zum nicht verschiebbaren Gewinde festgesetzt werden kann.
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Im ersten Ausführungsbeispiel wurde der Mechanismus zur Überwachung des Ausfalls des ersten Lastpfades am Beispiel einer Überwachung der Spindelmutter beschrieben. Dasselbe Verfahren kann auch zur Überwachung der Spindel und der Spindelaufhängung im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Eine entsprechend beispielhafte Anordnung ist im Ausführungsbeispiel gemäß 5 dargestellt. Die Funktion der Brucherkennung über den Leiterschnitt ist identisch. Lediglich die Anordnung ist angepaßt. Diese leitet sich aus der Anordnung gemäß 2 in der Form ab, daß die Anordnung gemäß 2 horizontal gespiegelt wird. Des weiteren wird die Primärmutter 40 als eine die Spindel 10 aufnehmende und antreibende Antriebseinheit 40a ausgeführt und die Sekundärmutter 50 wird dadurch geändert, daß sie als eine einen Zuganker 15 drehbar lagernde Zuganker-Halteeinheit 50a ausgeführt ist.
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Der elektrische Leiter zur Überwachung der Spindelmutter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und ein elektrischer Leiter zur Überwachung von Spindel und Spindelanbindung (hier nicht näher dargestellt) können mittels Serienschaltung miteinander verbunden werden, so daß je Überwachungseinrichtung nur eine einzelne Auswerteelektronik zur Erkennung einer Leiterunterbrechung und somit zur Erkennung eines Lastpfadbruches erforderlich ist. Es handelt sich somit letztendlich um nur einen einzelnen, sehr einfach aufgebauten Sensor zur Erkennung eines Versagens des ersten Lastpfades eines Systems zur elektrischen und hydraulischen Verstellung eines trimmbaren Flugzeughöhenleitwerks.
