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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug mit einem rotativen Antrieb und einer linearen Stellbewegung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb einer Stellvorrichtung.
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Bei Flugzeugen mit Kraftverstärkung in der Flugsteuerung wird die Höhenflosse üblicherweise von einem einzelnen, kraftverstärkten Stellgerät betätigt. Üblicherweise wird hierfür ein Lineargetriebe mit Gewindespindel verwendet.
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Ein Bruch in der Kette bzw. Gruppe lastübertragender Teile (Lastpfad) innerhalb dieses Stellgerätes hätte die Freigängigkeit der Höhenflosse und somit den Absturz des Flugzeuges zur Folge. Um dies zu verhindern, wird üblicherweise innerhalb dieses Stellgerätes der Lastpfad doppelt ausgeführt, in der Art, dass bei Bruch des ersten, im fehlerfreien Flugbetrieb fastübertragenden Lastpfades der zweite, im fehlerfreien Flugbetrieb unbelastete Lastpfad die Last übernimmt, jedoch die Höhenflosse nicht mehr bewegt, sondern in der aktuellen Position hält. Die Höhenflosse muss in diesem Fehlerfall nicht mehr steuerbar sein, da die Steuerfunktion nach wie vor von den Höhenrudern gewährleistet wird.
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Ein Bruch in den Lastpfaden muss erkannt und behoben werden. Ein unerkannter Bruch würde dazu führen, dass das Stellgerät nur noch einen Lastpfad besitzt und dass bei einem Bruch dieses verbleibenden Lastpfades das Flugzeug abstürzt.
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Bei Lineargetrieben mit Gewindespindel wird der zweite Lastpfad üblicherweise zweigeteilt ausgeführt.
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Der erste Teil sichert einen Bruch ab, welcher im Lastpfad „Spindel-Flugzeugstruktur” auftreten kann. Dieser Lastpfad beginnt an der Gewindespindel am Ort des Mutterneingriffs und endet an der Anbindung des Stellgerätes an die Flugzeugstruktur. Die Gewindespindel wird bei diesem Lastpfad üblicherweise mit einem Zuganker abgesichert, welcher sich in einer konzentrischen, durchgängigen Bohrung in der Gewindespindel befindet. Der zweite Teil sichert einen Bruch ab, welcher im Lastpfad „Spindelmutter-Höhenflossenstruktur” auftreten kann. Dieser Lastpfad beginnt am Ort, an welchem die Spindelmutter in das Gewinde der Spindel eingreift und endet an der Anbindung des Stellgerätes an die Höhenflossenstruktur. Die Spindelmutter wird hier üblicherweise dadurch abgesichert, dass sie doppelt ausgeführt wird.
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Aus der
EP 1 955 947 A2 ist bereits eine Aktuator für ein Luftfahrzeug bekannt, der eine Brucherkennung von Komponenten des Aktuators mittels einer Bremse und einer Überwachungsvorrichtung ermöglicht. Allerdings ist eine Überprüfung des Aktuators mittels der Überwachungsvorrichtung nur nach Eintritt des Fehlerfalls möglich. Außerdem ist die Überwachungsvorrichtung durch einen komplexen, mechanischen Kugelrampenmechanismus ausgebildet, was sehr aufwändig ist.
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Bekannt ist ferner, sogenannte No-back-Systeme bzw. Rücklaufsperren wie Klinkenräder mit einem Gesperre im zweiten Lastpfad einer Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug einzusetzen. Ferner ist bekannt, eine aktive Bremse im ersten Lastpfad einer Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug einzusetzen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass eine einfache und zuverlässige Fehlererkennung auch während des Fluges möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass eine Stellvorrichtung, insbesondere Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug, mit rotativem Antrieb und linearer Stehbewegung geschaffen wird, die lastübertragende Bauteile aufweist, wobei mittels der lastübertragenden Bauteile zumindest eine Kraft und/oder ein Drehmoment übertragbar ist, wobei zumindest ein Teil der lastübertragenden Bauteile redundant ausgeführt ist, wobei wenigstens ein erster Lastpfad durch eine erste Gruppe lastübertragender Bauteile gebildet ist, wobei der rotative Antrieb einen rotativen Anteil eines Getriebes aufweist, der Bestandteil des ersten Lastpfades ist, und wobei wenigstens ein zweiter Lastpfad durch eine zweite Gruppe lastübertragender Bauteile gebildet ist, wobei im zweiten Lastpfad wenigstens ein Überwachungsmittel zur Fehlererkennung, insbesondere zur Erkennung von Funktionsstörungen und/oder zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit wenigstens des zweiten Lastpfades, vorgesehen ist und wobei das Überwachungsmittel wenigstens ein aktiv betätigbares Bremsmittel aufweist.
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Insbesondere ist möglich, dass das aktiv betätigbare Bremsmittel jederzeit, d. h. auch während des Fluges betätigbar ist, um die Unversehrtheit bzw. Fehlerfreiheit der Stellvorrichtung zu überprüfen.
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Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass bei der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, welche beispielsweise mit einer Gewindespindel nach dem Prinzip „Schraube-Mutter” eine lineare Bewegung zur Verstellung einer Flugzeug-Höhenflosse erzeugt, eine Auslegung dahingehend erreicht werden kann, dass beim Auftreten eines Einzelfehlers des Gerätes oder des Steuerungssystems ein kontrollierter Weiterflug des Fluggerätes gewährleistet ist. Somit ist es möglich, ausfallsichere („fail-safe”) Designprinzipien mit mehreren Lastpfaden aller lasttragenden Teile anwenden zu können. Es kann also eine Fail-Safe-Konstruktion mit zwei Lastpfaden aller lasttragenden Teile und eine vollständige Testbarkeit des zweiten Lastpfades vorteilhafterweise realisiert werden.
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So kann im konkreten Fall eines Bruches im ersten Lastpfad die Last automatisch und detektierbar auf den zweiten Lastpfad übertragen werden. Es ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die geforderten Fehler- und Zuverlässigkeitsraten von Sicherheitsanalysen eingehalten werden können, da eine besonders einfache Fehlerdetektierung mittels des Überwachungsmittels zur Fehlererkennung ermöglicht ist. Insbesondere ergebt sich eine besonders einfache Überwachbarkeit des zweiten Lastpfads, was der Aufrechterhaltung des Status der Ausfallsicherheit dient.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich noch dadurch, dass aufgrund des aktiv betätigbaren Bremsmittels auch eine Überwachung und Überprüfung des zweiten Lastpfades (tie rod) hinsichtlich Fehlern während des Fluges möglich ist. Grundsätzlich ist auch möglich, eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit beider Lastpfade und des Bremsmittels durch einen pre- oder post-flight-check vorzunehmen.
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Bei der Stellvorrichtung handelt es sich vorteilhafterweise um die Stellvorrichtung zur Betätigung des Höhenflossenantriebes eines Luftfahrzeuges. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, dass eine ausfallsichere Ansteuerung und Betätigung des Höhenflossenantriebs möglich ist.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das aktiv betätigbare Bremsmittel eine Reibscheibenbremse und/oder eine Formschlussbremse und/oder eine Rücklaufsperre bzw. Rotationssperre ist und/oder umfasst. Die Rücklaufsperre bzw. Rotationssperre kann beispielsweise eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung sein, wobei die Wellenanordnung zwei Stirnverzahnungen mit jeweils zueinander gegenläufiger Verzahnung aufweist, die mit Stirnverzahnungen einer inneren und einer äußeren Zahnscheibe in Eingriff bringbar sind, die in einem Gehäuse derart drehfest und axial verschiebbar angeordnet sind, dass die Zahnscheiben nacheinander mit den Verzahnungen der Stirnverzahnungen beim Schließen der Sperre in Eingriff kommen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der erste Lastpfad zur Übertragung eines Drehmoments ein Spindelelement, insbesondere eine Spindel, aufweist und dass der zweite Lastpfad ein zur Spindel koaxial angeordnetes Zug- und Drehstabelement, insbesondere einen Zug- und Drehstab, aufweist, wobei das aktiv betätigbare Bremsmittel mittelbar und/oder unmittelbar mit dem Zug und Drehstabelement verbunden ist.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das aktiv betätigbare Bremsmittel elektrisch und/oder hydraulisch betätigbar ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass das aktiv betätigbare Bremsmittel derart beschaffen und ausgebildet ist, dass es im Normalbetrieb in einer geöffneten Stellung ist und dass es im Fehlerfall in eine geschlossene Stellung überführbar ist.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Überwachungsmittel wenigstens einen Drehratensensor aufweist, der mit dem ersten Lastpfad und dem zweiten Lastpfad mittelbar und/oder unmittelbar verbunden ist. Die Überwachung erfolgt somit vorteilhafterweise elektronisch bzw. besonders vorteilhaft vollelektronisch.
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Außerdem ist möglich, dass der Drehratensensor ein Drehratensensor mit wenigstens zwei Kanälen ist.
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Des Weiteren ist denkbar, dass jeder der zwei Kanäle mit einem unabhängigen Auswertemittel verbunden ist und dass mittels des Überwachungsmittels die mittels des Drehratensensors erfassten Signale vergleichbar sind.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, eine kontinuierliche Überwachung des fail-safe-Status durch Verwendung von getrennten Duplex-Sensoren auf dem ersten und dem zweiten Lastpfad vorzusehen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Danach ist vorgesehen, dass ein Luftfahrzeug wenigstens eine Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Danach ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Fehlererkennung bei einer Stellvorrichtung für ein Luftfahrzeug, die Stellvorrichtung eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ist und die Fehlererkennung dadurch erfolgt, dass das Bremsmittel aktiv betätigt wird, wobei die Fehlererkennung vorzugsweise während des Flugbetriebes durch aktive Betätigung des Bremsmittels erfolgt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die einzige Figur zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung 10 ist mit einer Reibscheibenbremse 20 versehen, die mit einem zur Antriebsspindel 30, die Bestandteil des ersten Lastpfades ist, koaxial angeordnetem Zug- und Drehstab 40 verbunden ist. Dieser Zugstab 40 nimmt im Fehlerfall Zugkräfte und Drehmomente auf, die aus Luftlasten an der Höhenflosse entstehen. Die Reibscheibenbremse 20 wird elektrisch bzw. hydraulisch geöffnet. Es handelt sich somit um ein sogenanntes „power-off”- bzw. „pressure-off”-Bremssystem. Das Bremsmoment wird bei Verlust der elektrischen bzw. hydraulischen Versorgung aufgebracht.
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Die Reibscheiben der Reibscheibenbremse 20 unterliegen im Normalbetrieb keinem Verschleiß, da die Reibscheibenbremse 20 elektrisch bzw. hydraulisch geöffnet ist und nur im Fehlerfall bzw. im Rahmen des sogenannten „Health Monitoring” betätigt wird. Die Reibscheibenbremse 20 ist im in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel eine sogenannte Duplex Electrical Power OFF Brake (DEPOB) 20.
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Der primäre Lastpfad ist über die Antriebsspindel 30, der sekundäre Lastpfad ist über den Zugstab mit einem Drehratensensor 60 verbunden. Dieser Drehratensensor 60 ist ein sogenannter Duplex Tie Rod Sensor TRS 60 und weist zwei Kanäle 62, 64 auf, wobei jeder Kanal 62, 64 auf einen eigenen Rechner M geführt und die Signale von primären und sekundären Lastpfaden miteinander verglichen werden.
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Weitere Sensoren zur Erfassung des Zustandes des ersten Lastpfades sind insbesondere zwei Sensoren 70, die sogenannte Simplex Nut Sensoren NS (LVDT) 70 sind, sowie ferner eine weitere TAPPU-Einheit 72, die eine sogenannte Duplex Trim Actuator Position Pickoff Unit TAPPU (Resolver) 72.
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Die EPOB-Bremseinheiten 80 (sog. Simplex Power Off Brake EPOB 80) mit einem PMSM Motor 82 (sog. Permanent Magnet Synchronous Motor PMSM 82) sind mit Motor Resolvern 84 versehen.
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Im Fall einer defekten Komponente im Lastpfad ergeben sich Signaldifferenzen zwischen den Sensoren. Bewegen sich diese Differenzen außerhalb der zulässigen Grenzwerte, liegt ein Fehler vor und das System wird mit Hilfe der Fehlerfallbremse 20 bzw. der Reibscheibenbremse 20 festgesetzt.
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Die Intaktheit des primären und sekundären Lastpfads – hier insbesondere von Spindel 30 und Zugstab 40 – kann mit Hilfe der vorgestellten Architektur automatisiert, ohne Verwendung von Werkzeug und während des Flugbetriebs erfolgen. Hierzu wird die elektrische bzw. hydraulische Versorgung der Bremse 20 abgeschaltet, so dass die Bremse 20 geschlossen ist. Dann wird mit den elektrischen bzw. hydraulischen Motoren ein Drehmoment auf die Spindel 30 aufgebracht. Die Fehlererkennung erfolgt, wie dies vorstehend bereits für den Fall einer defekten Komponente im Lastpfad beschrieben wurde.
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Die Stellvorrichtung 10 wird über eine Eingabevorrichtung 100 (sog. Pitch Trim Switch PTS 100) gesteuert, die mit entsprechenden Kontroll-, Überwachungs- und Steuerelementen versehen ist. Hierzu zählen Kontrollelemente C (sog. Pitch Trim Control Electronic PTCE C), zwei Energiekontrollelektronikeinheiten PCE (sog. Power Control Electronic PCE) und die Rechner M (sog. Monitor Channel M).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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