DE102011117620A1

DE102011117620A1 - Vorrichtung zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung

Info

Publication number: DE102011117620A1
Application number: DE201110117620
Authority: DE
Inventors: Konrad Lentner
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2013064136A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Hydrauliktechnik, insbesondere die Kompensation von Druckschwankungen in einem Hydrauliksystem (10). Die erfindungsgemäße Vorrichtung (2) verwendet ein aktiv steuerbares Aktuatorelement (18), welches einen ersten Fluiddruck (14a) in einer Fluidleitung (10), welcher insbesondere einen dynamisch schwankenden Teildruck (16b) aufweist, derart kompensiert, so dass im Wesentlichen der konstante Leitungsdruck (16a) in der Fluidleitung (10) nach Passage durch die erfindungsgemäße Vorrichtung (2) verbleibt. Die Vorrichtung (2) ist hierbei balanciert ausgestaltet, so dass sie durch einen konstanten Leitungsdruck (16a) nicht belastet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hydrauliksysteme in Transportmitteln. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reduzierung von Druckschwankungen in einer fluidgefüllten Leitung eines Transportmittels, insbesondere eines Flugzeuges. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung, insbesondere in einem Flugzeug, ein Hydrauliksystem sowie ein Flugzeug.
Hydrauliksysteme werden in Transportmitteln, zum Beispiel Flugzeugen, verwendet, um vielfältige Steuerungs- und Regelungsvorgänge vorzunehmen. Hierbei kann es vorkommen, dass hierfür benötigte Hydraulikleitungen großräumig im Verkehrsmittel verteilt bzw. angeordnet sind. So können in einer Flugzeugkabine, zum Beispiel im Bereich der Seitenverkleidung zwischen Flugzeughülle und Passagierkabine, oder aber im Überkopfbereich, im Bereich der Overheadracks, großvolumige Hydraulikleitungen im Wesentlichen durch das gesamte Flugzeug laufen.
Zum Betrieb von Hydraulikleitungen sind Pumpelemente notwendig, welche einen geforderten Betriebsdruck für das Hydrauliksystem bereitstellen.
Derartige Hydraulikpumpen können beispielsweise als Axialkolbenpumpen ausgebildet sein. Bekannte Hydraulikpumpen erzeugen jedoch aufgrund ihrer Bauart potentiell neben dem geforderten, im Wesentlichen konstanten Systemdruck auch Druckschwankungen, welche sich z. B. als eine hydraulische Druckpulsation, aufmoduliert addiert zum Systemdruck, darstellen können. In einem Hydraulikleitungssystem, beispielsweise einem großformatigen Leitungssystem, wie es in einem Flugzeug zum Einsatz kommen kann, können durch diese hydraulischen Pulsationen Schwingungen im Leitungssystem auftreten, welche zusätzliche Belastungen des System darstellen können und auch, über verschiedene Übertragungswege, beispielsweise die Anbindung von Hydraulikleitungen an die Flugzeugstruktur, akustische Störungen bereitstellen können. Derartige akustische Störungen können beispielsweise in einer ruhigen Flugzeugumgebung für einen Passagier wahrnehmbar sein und dessen Komfortempfinden im Flugzeug verringern.
Bekannte Lösungen zur Reduzierung dieser Pulsationen in Flugzeugen sind passive Verfahren bzw. Vorrichtungen, wie beispielsweise Resonatoren oder Absorber. Resonatoren stellen sich jedoch meist, bedingt durch die Abmalte der benötigten Wellenlängen, als vergleichsweise große Vorrichtungen dar, welche gleichfalls nur einen gewissen, schmalbandigen Einsatzfrequenzbereich aufweisen, da die Abmessungen der Resonatoren eine gewisse Frequenzabhängigkeit bedingt. Absorber wiederum entziehen dem Hydrauliksystem Energie, was nicht erwünscht ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung kann somit darin gesehen werden, eine bevorzugte, flexible, insbesondere frequenzflexible Möglichkeit zur Reduzierung von Druckschwankungen in einer fluidgefüllten Leitung bereitzustellen, somit eine Reduzierung von hydraulischen Pulsationen in dieser Leitung und damit eine Reduzierung von akustischen Störungen sowie mechanischen Belastungen des Leitungssystems.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung, eingerichtet zum Anschluss an eine Fluidleitung, mit einer Zuleitungsseite und einer Ableitungsseite bereitgestellt. Die Vorrichtung weist hierbei ein aktiv steuerbares Aktuatorelement auf, welches an der Fluidleitung zwischen der Zuleitungsseite und der Ableitungsseite angeordnet ist. In der Fluidleitung herrscht im Betriebszustand ein erster Fluiddruck, welcher sich im Wesentlichen aus einem ersten Fluidteildruck, mithin dem (konstanten) Systemdruck, sowie einem zweiten Fluidteildruck, welcher sich als die hydraulische Pulsation im Hydrauliksystem, somit als Druckschwankung bzw. als sich dynamisch ändernder Druck darstellt, zusammensetzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll den ersten Fluiddruck auf der Zuleitungsseite in einem im Wesentlichen konstanten zweiten Fluiddruck auf der Ableitungsseite kompensieren. Hierbei ist das Aktuatorelement zur Erzeugung einer Kompensationskraft steuerbar, wobei die Kompensationskraft den zweiten Fluidteildruck derart kompensiert, so dass der zweite Fluiddruck im Wesentlichen dem ersten Fluidteildruck entspricht. In anderen Worten soll das Aktuatorelement den zweiten Fluidteildruck durch einen passenden zweiten Gegenfluidteildruck im Wesentlichen zu Null kompensieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Hydrauliksystem, insbesondere für ein Flugzeug, bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Flugzeug, aufweisend ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem und/oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung, bereitgestellt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hierbei derart mit der Hydraulikleitung verbunden, so dass ein in der Hydraulikleitung an einer Zuleitungsseite der Vorrichtung eintreffender Leitungsdruck, welcher sich zusammensetzt aus einem im Wesentlichen konstanten Systemdruck sowie einer hydraulischen Pulsation bzw. einem Pulsationsdruck, durch geeignete Maßnahmen an einer Ableitungsseite der Vorrichtung in einen im Wesentlichen konstanten Systemdruck wandelbar ist.
Die Vorrichtung kann hierbei in einem Abschnitt der Hydraulikleitung, welcher auch als Pumpkammer bezeichnet werden kann, das Volumen der Hydraulikleitung bzw. der Pumpkammer dahingehend verändern, so dass der Pulsationsdruck ausgeglichen wird. Beispielsweise in einem Zustand erhöhten Drucks, somit einem positiven Pulsationsdruck, kann das Volumen der Pumpkammer derart vergrößert werden, dass der positive Pulsationsdruck zu Null korrigiert wird. Gleichfalls kann im Zustand eines Druckes, welcher unter dem Systemdruck liegt, das Volumen in der Pumpkammer verkleinert werden, so dass gleichfalls der nun vorliegende negative Pulsationsdruck zu Null kompensiert wird.
Um eine entsprechende Kompensation des Pulsationsdruckes bereitzustellen, ist zunächst ein Wissen um einen gewünschten bzw. geforderten Systemdruck notwendig, sowie im Weiteren Information zu einem aktuell vorliegenden Druck im fluidgefüllten Leitungssystem. Dieser Leitungsdruck kann zunächst speziell für die erfindungsgemäße Vorrichtung bestimmt werden, beispielsweise über ein geeignet angeordnetes Sensorelement, oder aber mag aus anderen Steuerungs- bzw. Regelsystemen bekannt sein. Der geforderte bzw. gewünschte Systemdruck kann auch aus einem per Sensorelement bestimmten Systemdruck berechnet werden, beispielsweise durch eine einfache Mittelwertbildung. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung flexibel einsetzbar, da sie nicht ausschließlich auf einen vorbestimmten Systemdruck bezogen ist, sondern vielmehr den konstanten Systemdruck selbst aus einem gemessenen dynamischen Leitungsdruck bestimmen kann. Gleichfalls lässt sich auch ein definierter, gewünschter Systemdruck vorgeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hierbei auch eine mögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von zu kompensierenden Druckschwankungen berücksichtigen, welche beispielsweise dazu verwendet werden kann, an einem Sensorelement gemessene Druckschwankungen verzögert zu kompensieren, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckschwankungen im Fluid zu berücksichtigen.
Ein Steuer- bzw. Regelelement kann das erfindungsgemäße aktive Aktuatorelement, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, welches z. B. an ein Kolbenelement angekoppelt ist, derart ansteuern, so dass eine Volumenvariation einer Pumpkammer realisierbar ist.
Ein zweites Sensorelement kann im Ableitungsbereich der Hydraulikleitung eingesetzt werden, um die Kompensation des Pulsationsdruckes zu verifizieren. Beide Sensorsignale können im Steuer- bzw. Regelelement zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen aktiven Aktuatorelementes verwendet werden. Auch kann ein Sensorelement im Ableitungsbereich als einziges Sensorelement verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Membranelement mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite aufweisen. Das Aktuatorelement kann hierbei an das Membranelement angebunden sein, zum Beispiel mit diesem in Kontakt stehen. Das Aktuatorelement kann an der zweiten Seite des Membranelementes angebunden sein, um somit eine Kompensationskraft an das Membranelement abzugeben. Das Membranelement kann hierbei seine Form derart verändern, dass die Kompensationskraft in die Fluidleitung eingebracht wird bzw. die geforderte Volumenvariation in der Pumpkammer zur Kompensation des Pulsationsdruckes realisiert wird. Auf der dem Aktuatorelement gegenüberliegenden ersten Seite des Membranelementes kann die Pumpkammer angeordnet sein und im Wesentlichen der erste Fluidteildruck wirken.
Das Membranelement kann somit als seitlich befestigtes Kolbenelement angesehen werden. Die Verwendung eines Kolbenelementes ist gleichfalls möglich, wobei ein seitlich befestigtes Membranelement die Notwendigkeit einer Abdichtung des Kolbenelementes zu seiner Kolbenwandung entfallen lässt. Das Membranelement kann eine mechanisch stabile Ausgestaltung haben, z. B. ein Metallelement mit exemplarisch 4 mm Wandstärke sein, und beispielsweise auch großen Drücken von zum Beispiel 200 bar oder mehr widerstehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Membranelement auf der Seite des Aktuatorelementes ein Abstützelement auf. Das Abstützelement kann hierbei den ersten Fluidteildruck auf die zweite Seite des Membranelementes aufbringen, während auf der ersten Seite des Membranelementes der erste Fluiddruck wirkt. Somit wirkt effektiv auf das Membranelement auf der ersten Seite im Wesentlichen der zweite Fluidteildruck, somit der Pulsationsdruck, da der konstante Systemdruck, somit der erste Fluidteildruck, durch das Abstützelement im Wesentlichen kompensiert ist. Die Vorrichtung bzw. das Membranelement ist somit balanciert ausgestaltet, so dass es durch einen konstanten Leitungsdruck nicht belastet wird.
Der erste Fluidteildruck kann somit unter Verwendung eines Federelementes als Abstützelement auf die zweite Seite des Membranelementes aufgebracht werden. Das Federelement soll hierbei derart steif eingerichtet sein, eine Abstützung des Membranelementes gegenüber dem ersten Fluidteildruck bereitzustellen, jedoch gleichfalls derart flexibel eingerichtet, dass eine Bewegung des Membranelementes durch das Aktuatorelement zur Kompensation des zweiten Fluidteildrucks ermöglicht wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Abstützelement eine erste und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite des Abstützelementes am Membranelement angebracht ist und wobei die zweite Seite des Abstützelement an die Fluidleitung angebunden ist, insbesondere unter Verwendung eines Übertragungselementes, so dass auf die zweite Seite des Abstützelementes der erste Fluiddruck wirkt. Das Übertragungselement kann hierbei derart träge und/oder verlustbehaftet ausgebildet sein, so dass im Wesentlichen ausschließlich der erste Fluidteildruck auf die zweite Seite des Abstützelementes wirkt, somit nur der erste Fluidteildruck über das Abstützelement auf das Membranelement, insbesondere auf dessen zweite Seite weitergegeben wird.
Hierdurch ist eine Unterstützung bzw. Abstützung des Membranelementes bzw. dessen nicht in der Fluidleitung angeordneten Seite möglich, so dass von einer Seite, der ersten Seite, der erste Fluiddruck wirkt, während von der zweiten Seite des Membranelementes der erste Fluidteildruck wirkt. Die effektive Belastung des Membranelementes stellt sich somit ausschließlich als der zweite Fluidteildruck, somit der Pulsationsdruck dar. Hierdurch ist das Membranelement über einen großen Druckeinsatzbereich verwendbar, da nur der zu kompensierende Differenzdruck auf das Membranelement wirken kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Übertragungselement als ein Kolbenelement ausgebildet. Das Kolbenelement weist hierbei eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite des Kolbenelementes mit der zweiten Seite des Abstützelementes verbunden ist und die zweite Seite des Kolbenelementes mit der Fluidleitung verbunden ist.
Hierdurch kann der in der Fluidleitung vorherrschende erste Fluiddruck über das Kolbenelement und das Abstützelement die zweite Seite des Membranelementes abstützen. Der erste Fluidteildruck, somit der Systemdruck, kann als ein Druck angesehen werden, welcher im Wesentlichen nur eine sehr niederfrequente Änderung erfährt. Demgegenüber kann der zweite Fluidteildruck, der Pulsationsdruck, als ein Druck angesehen werden, welcher eine vergleichsweise hohe Änderungsfrequenz aufweist.
Wenn nun das Kolbenelement zum Beispiel in seiner Anbindung bzw. Abdichtung an die Kolbenwandung eine hohe Reibung bzw. einen hohen Verlust aufweist, wird im Wesentlichen über das Kolbenelement nur der erste Fluidteildruck, nicht jedoch der zweite Fluidteildruck über das Abstützelement an die zweite Seite des Membranelementes weitergegeben. Das Kolbenelement kann somit als ein Tiefpasselement für Druckschwankungen verstanden werden, welches den niederfrequenten oder nicht ändernden Systemdruck über das Abstützelement an das Membranelement weitergeben kann, nicht jedoch den hochfrequenten Pulsationsdruck, da beispielsweise über geeignet ausgebildete Reibung des Kolbenelementes dieses zu träge reagieren würde, um einem hochfrequenten Pulsationsdruck zu folgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Kolbenelement als ein Kolbenelement aus der Gruppe, bestehend aus Kreiskolbenelement und Zylinderkolbenelement, ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Aktuatorelement als ein piezoelektrisches Aktuatorelement ausgebildet sein.
Ein derartiges Aktuatorelement kann geforderte geringfügige Auslenkungen bei vergleichsweise hoher Kraft bereitstellen. Das piezoelektrische Aktuatorelement kann hierbei beispielsweise als ein zylindrischer Stapelaktuator ausgebildet sein und in der Mitte einen Hohlraum aufweisen. Hierdurch ergibt sich ein günstiges Verhältnis von zu kühlender Oberfläche zu Wärme generierendem Volumen. Zusätzlich kann im Innenbereich des piezoelektrischen Aktuators eine geeignete Kühlung vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung weiterhin zumindest ein Sensorelement zur Bestimmung des ersten Fluiddrucks und/oder des zweiten Fluiddrucks aufweisen, sowie ein Steuer- bzw. Regelelement zur Ansteuerung des Aktuatorelementes.
Hierzu kann ein aktuell vorherrschender erster Fluiddruck bestimmt werden, welcher im Steuer- bzw. Regelelement verarbeitet wird, um den ersten Fluidteildruck und den zweiten Fluidteildruck zu bestimmen. Basierend auf dem zweiten Fluidteildruck kann nachfolgend eine Ansteuerung des Aktuatorelementes erfolgen.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Figuren näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Figuren sind hierbei nicht maßstäblich, können jedoch qualitative Größenverhältnisse wiedergeben.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Komponenten.
Es zeigen:
1 eine exemplarische Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung;
2 eine erste exemplarische Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3, 4 eine zweite exemplarische Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine exemplarische Darstellung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt Fluidleitung 10 mit Zuleitung 4a und Ableitung 4b. Auf der Zuleitungsseite 4a herrscht ein erster Fluiddruck Q₁ 14a, welcher sich zusammensetzt aus dem ersten Fluidteildruck Q 16a, dem im Wesentlichen konstanten Systemdruck sowie dem zweiten Fluidteildruck Δq 16b, der hydraulischen Pulsation bzw. dem Pulsationsdruck. Die Vorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung soll hierbei den ersten Fluiddruck Q₁ 14a zu einem zweiten Fluiddruck Q₂ 14b kompensieren, welcher im Wesentlichen dem ersten Fluidteildruck Q 16a entsprechen soll.
Zwischen Zuleitung 4a und Ableitung 4b ist Pumpkammer 6 angeordnet, in welcher Aktuatorelement 18 an ein Kolbenelement 20 oder Membranelement 20 angebunden ist. Der zweite Fluidteildruck Δq 16b soll durch Auslenkung des Kolben- bzw. Membranelementes 20 unter Verwendung des Aktuatorelementes 18 kompensiert, d. h. zu null korrigiert werden.
Sensorelement 12a kann hierbei den ersten Fluiddruck Q₁ 14a bestimmen. Steuer- bzw. Regelelement 22 kann aus dem durch Sensor 12a bestimmten, sich dynamisch verändernden ersten Fluiddruck Q₁ 14a den ersten Fluidteildruck Q 16a bestimmen, beispielsweise durch Mittelwertbildung und aus Q1 und Q nachfolgend den zweiten Fluidteildruck Δq 16b. Steuer- bzw. Regelelement 22 kann diese Information zur Ansteuerung des Aktuatorelementes 18 verwenden, so dass dieses einen Gegendruck bzw. einen negativen zweiten Fluidteildruck – Δq 16c erzeugt, welcher den zweiten Fluidteildruck Δq 16b im Wesentlichen zu Null kompensiert. Hierdurch wird auf der Ableitungsseite 4b der zweite Fluiddruck Q₂ 14b im Wesentlichen zum ersten Fluidteildruck Q 16a. Alternativ oder zusätzlich kann Sensorelement 12b vorgesehen sein, welches im Wesentlichen den zweiten Fluiddruck Q₂ 14b bestimmen kann. im Nicht kompensierten Fall weist auch der zweite Fluiddruck Q₂ einen Pulsationsanteil Δq auf, welcher zur Ansteuerung des Steuer- bzw. Regelelementes 22 verwenden werden kann.
Weiter Bezug nehmend auf 2 wird eine erste exemplarische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
2 zeigt eine exemplarische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 im Querschnitt. Zwischen Zuleitung 4a und Zuleitung 4b ist Pumpkammer 6 angeordnet, welche im Wesentlichen als ein sich in der Hydraulikleitung 10 bzw. in einer Öffnung deren Wandung angeordnete Membranelement 20 darstellt. Membranelement 20 ist hierbei fest in der Wandung der Hydraulikleitung verankert und somit seitlich durch diese abgestützt. Die Membran 20 kann jedoch durch Aktuatorelement 18 in einem Mittenbereich senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Hydraulikleitung 10 bewegt werden. Hiermit kann das Volumen der Pumpkammer 6 variiert werden, was im Wesentlichen einem Druckabbau bzw. Druckaufbau im Bereich der Pumpkammer 6 entspricht. Somit kann im Bereich der Pumpkammer 6 über die Auslenkung des Aktuators 18 und damit der Bewegung der Membran 20 ein Kompensationsdruck – Δq 16c aufgebaut werden, welcher den zweiten Fluidteildruck Δq 16b im Wesentlichen zu Null kompensiert.
Das Aktuatorelement 18 ist exemplarisch ausgeführt als piezoelektrischer, zylindrischer Stapelaktuator mit einem mittigen Hohlraum 38. Aktuatorelement 18 ist auf der zweiten Seite 40b des Membranelementes 20 angeordnet und auf der gegenüberliegenden Seite durch ein Gegendruckelement 32 abgestützt. Das Gegendruckelement 32 ist am Gehäuse 46 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 befestigt, in welcher auch das Membranelement 20 aufgenommen ist. Somit ist das Aktuatorelement 18 zwischen dem Membranelement 20 und dem Gegendruckelement 32 eingespannt.
Ebenfalls auf der zweiten Seite 40b des Membranelementes ist Abstützelement 28, beispielsweise ein Federelement 28, exemplarisch ausgebildet als eine Tellerfeder, mit seiner erster Seite 42a angebracht. Die zweite Seite 42b des Abstützelementes 28 ist an einem Kolbenelement 24 angeordnet. Das Kolbenelement weist auf seiner ersten Seite 44a die Anbindung zum Abstützelement 28 auf. Auf der zweiten Seite 44b des Kolbenelementes 24 wirkt im Wesentlichen der erste Fluidteildruck Q 16a bzw. der zweite Fluiddruck Q₂ 14b. Zumindest auf dem in 2 links gezeigten Abschnitt des Zylinderelementes 24 würde mittels der Verbindungsleitung 30 zunächst der erste Fluiddruck Q₁ 14a lasten. Um den zweiten Fluidteildruck Δq 16b, somit den Pulsationsdruck, am Kolbenelement 24 zu kompensieren, ist dieses an der Seitenwandung mit einer Dichtung 26 angebracht, welche eine derart hohe Reibung aufweist, so dass Kolbenelement 24 für den dynamischen Pulsationsdruck Δq 16b zu träge reagieren würde, als dass sich dieser in einer effektiven Auslenkung des Kolbenelementes 24 niederschlagen würde.
Die mit Reibung behaftete Dichtung 26 stellt somit eine Art Tiefpasselement dar, welches einerseits den konstanten Leitungsdruck Q 16a über Abstützelement 28 an Membran 20 weitergeben mag, jedoch derart verlustbehaftet bzw. träge reagiert, so dass der variable zweite Fluidteildruck Δq 16b nicht weitergegeben wird.
Somit erfolgt über Kolbenelement 24 und Abstützelement 28 eine Abstützung des Membranelementes 20 auf dessen zweiter Seite 40b gegenüber dem ersten Fluidteildruck Q 16a. Dadurch werden sowohl Membranelement 20 als auch Aktuatorelement 18 gegenüber einem möglicherweise sehr hohen Leitungsdruck Q der Fluidleitung 10 entlastet; im Wesentlichen wirkt nur der dynamisch variable zweite Fluidteildruck Δq 16b. Da Membran 20 sowohl auf ihrer ersten Seite 40a als auch auf ihrer zweiten Seite 40b mit dem ersten Fluidteildruck Q 16a belastet ist, stellt sich Membran 40 als balanciert dar.
Hierdurch kann Aktuatorelement 18a, zum Beispiel aus Kosten- oder Platzgründen, so klein als möglich ausgeführt werden, so dass es zwar die erforderlichen dynamischen Impulse zur Kompensation des zweiten Fluidteildrucks Δq 16b erzeugen kann, jedoch dem statischen, ersten Fluidteildruck Q 16a nicht ausgesetzt ist, welchem er gegebenenfalls gar nicht standhalten könnte.
Diese Abstützung der statischen Drucklast ist im Nachfolgenden nochmals beschrieben.
Die Trennstelle zwischen Aktuatorelement 18 und Pumpkammer 6 kann möglicherweise, bedingt durch den geringen mechanischen Hub bei gleichzeitig möglicherweise hohem Druck und hoher Betriebsfrequenz durch gewöhnlich verfügbare Dichtsysteme in Kombination mit einem Kolben nicht dauerhaft abgedichtet werden, insbesondere aufgrund der Haftreibung eines derartigen Kolbens mit adäquat dimensionierten Dichtsystemen, beispielsweise, falls der Leitungsdruck in der Fluidleitung 200 bar oder dergleichen entsprechen würde und einem daraus resultierenden signifikanten Verschleiß eines möglichen Kolbendichtsystems.
Die Übertragung zwischen dem Aktuatorelement 18 und dem Hydraulikmedium in der Hydraulikleitung 10 erfolgt daher erfindungsgemäß und in 2 exemplarisch durch ein Membranelement 20, beispielsweise eine Stahlmembran, welche derart ausgelegt bzw. eingerichtet ist, dass deren Eigensteifigkeit um eine Größenordnung geringer ist als die des Aktuatorelementes 18.
Die zum Schutz des Membranelementes 20 und des Aktuatorelementes 18 erforderliche Abstützung wird durch ein Abstützelement 28, exemplarisch ausgebildet als eine Tellerfeder, bereitgestellt. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass die dynamische Steifigkeit des Abstützelementes 28 bzw. der Tellerfeder deutlich unter der des Aktuatorelementes 18, beispielsweise des piezoelektrischen Stapelaktuators liegen sollte, um die erforderlichen Zusatzkräfte auf ein Minimum reduzieren zu können. Hierbei kann die inhärente Eigenschaft einer degressiven Kennlinie einer Tellerfeder genutzt werden.
Da das Hydrauliksystem 10 in abgeschaltetem Zustand druckfrei fällt, muss in diesem Betriebsfall die durch die Tellerfeder eingeleitete Kraft zu Null werden, um Beschädigungen, insbesondere eines als Piezo ausgebildeten Aktuatorelementes 18 zu vermeiden. Die Tellerfeder wird daher durch den in eingezeichneten ringförmigen Kolben 24 vorgespannt, der über Verbindungsleitung 30 an das Hydrauliksystem 10 angekoppelt ist. Im Wesentlichen wird die Tellerfeder aufgrund des Leitungsdruckes Q der Hydraulikleitung 10, welche sowohl über die erste Seite 40a des Membranelementes 20 als auch über die zweite Seite 44b des Kolbenelement 24 auf die Tellerfeder eingekoppelt wird, vorgespannt.
Das Dichtsystem 26 des Kolbenelementes 24 soll hierbei mit einer hohen Reibung behaftet sein, um in Kombination mit einer möglicherweise hohen Masse des Kolbenelementes 24 eine Einkopplung der zu eliminierenden Pulsation Δq 16b über die Tellerfeder zu verhindern. Zusätzlich ist die Kopplung des Kolbenelementes 24 an der beruhigten Seite der Strömung, somit an der Ableitungsseite 4b, zu bevorzugen.
Der Kolben kann, wie in gezeigt, als Ringkolben ausgebildet sein, welcher direkt am hydraulischen Leitungssystem 10 angebunden ist. Die Vorrichtung 2 ist hierbei als ein geschlossenes, druckfestes System ausgeführt, in dem die in 2 dargestellte Gehäusewandung 46 vollkommen und insbesondere unter Verwendung des Gegendruckelementes 32 gegenüber der Hydraulikleitung 10 geschlossen ist. Im Falle, dass somit ein Element der Vorrichtung 2, zum Beispiel Federelement 28, Kolbenelement 24 oder Aktuatorelement 18, beschädigt wird, z. B. einbricht, stellt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 2, gegenüber der Öffnung in der Hydraulikleitung 10, als geschlossenes System dar, so dass der Betrieb der Hydraulikleitung 10 nicht beeinträchtigt wird. Somit besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 selbst im Falle einer Zerstörung des Membranelementes 28 ein Fail-Save-Verhalten, lediglich die geforderte Kompensation des zweiten Fluidteildrucks 16b ist in diesem Fall nicht mehr realisierbar.
Membranelement 20 kann exemplarisch eine Dicke von 4 mm aufweisen und hierbei eine Verformung im Bereich von 10–20 μm bereitstellen. Aktuatorelement 18, ausgeführt als ein piezoelektrisches Aktuatorelement, kann beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm bei einer Höhe von 50 mm bis hin zu einem Durchmesser von 42 mm oder mehr bei einer Höhe von 100 mm aufweisen. Abstützelement 28 kann als Tellerfeder exemplarisch einen Durchmesser von 200 mm aufweisen. Die aktive Fläche von Membranelement 20 kann exemplarisch einen Durchmesser von 100 mm aufweisen. Mögliche Leitungsdrücke des Hydrauliksystems 1 liegen bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit Stahlmembran bei bis zu 200 bar oder mehr.
Weiter Bezug nehmen auf 3 und 4 wird eine zweite exemplarische Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Im Falle, dass Kolbenelement 24 nicht als ein Ringkolbenelement ausgeführt werden soll, kann dieses auch durch ein Ringelement 34 sowie mehrere Einzelkolbenelemente 24 ausgebildet sein. Exemplarisch können hierzu vier Kolbenelemente 24 Verwendung finden, um insbesondere einen symmetrischen Aufbau zu realisieren. Hierzu ist in Verbindungsleitung 30 eine Ringleitung 36 vorgesehen, welche die Druckkammern auf deren zweiten Seiten 44b derart mit der Hydraulikleitung 10 verbindet, so dass der erste 14a bzw. zweite Fluiddruck 14b auf der zweiten Seite 44b der Kolbenelemente 24 lastet. Zur Anbindung eines als Tellerfeder ausgebildeten Abstützelementes 28 an diskrete Kolbenelemente 24 ist Ringelement 34 vorgesehen. Bei geeigneter Ausgestaltung der Tellerfeder kann Ringelement 34 jedoch gleichfalls entfallen, Ringelement 34 dient dabei im Wesentlichen der Kraftübertragung zwischen Kolbenelementen 24 und Abstützelement 28.
Eine Abdichtung und Schwingungsisolation gegenüber dem zweiten Fluidteildruck Δq 16b wird durch die einzelnen Kolbenelemente 24 bereitgestellt. In 3 mittig angeordnet ist das an Aktuatorelement 18 angebundene runde Membranelement 20. Abstützelement 32 ist in 3 nicht separat dargestellt, jedoch gemäß 4 mit Gehäuse 46 verbunden.
Vorrichtung 2 kann hierbei als ein Bauteil ausgeführt sein, welches auf eine geeignete Öffnung in einer Hydraulikleitung 10 aufgesetzt wird und diese zum Bereitstellen der erfindungsgemäßen Funktionalität passend abschließt. In anderen Worten kann eine Hydraulikleitung 10 beispielsweise eine genormte Öffnung aufweisen, welche zunächst mit einer reinen Abdeckung verschlossen werden kann. Im Falle, dass die in der Hydraulikleitung 10 auftretenden Druckschwankungen kompensiert werden sollen, kann eine solche Abdeckung einfach von einer Hydraulikleitung 10 entfernt und die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 aufgesetzt werden.
Aufgrund einer in sich geschlossenen Ausgestaltung mit beispielsweise separaten Sensorelementen 12a, 12b, angeordnet im Zuleitungsbereich 4a bzw. Ableitungsbereich 4b kann die erfindungsgemäße Vorrichtung im Wesentlichen autark ausschließlichen mit einer Energieversorgung verbunden arbeiten. Auch Steuer/Regelelement 22 kann beispielsweise direkt an der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 verbaut sein, um das regelungstechnische Verfahren zur Kompensation des Pulsationsdruckes bereitzustellen, welches im Wesentlichen ausschließlich Informationen der Sensorelemente 12a, 12b benötigt.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
4a, b: Zuleitung, Ableitung
6: Pumpkammer
10: Hydraulikleitung
12a, b: Sensorelement
14a, b: erster, zweiter Fluiddruck
16a, b, c: erster, zweiter, negativer zweiter Fluiddruck
18: Aktuatorelement
20: Membranelement/Kolbenelement
22: Steuer-/Regelelement
24: Kolbenelement
26: Dichtung mit Reibung
28: Abstützelement/Federelement
30: Verbindungsleitung
32: Gegendruckelement
34: Ringelement
36: Ringleitung
38: Hohlraum
40a, b: erste, zweite Seite des Membranelementes
42a, b: erste, zweite Seite des Abstützelementes
44a, b: erste, zweite Seite des Kolbenelementes
46: Gehäuse

Claims

Vorrichtung (2) zur Reduzierung einer Druckschwankung in einer fluidgefüllten Leitung, eingerichtet zum Anschluss an eine Fluid-Leitung mit einer Zuleitungsseite und einer Ableitungsseite, die Vorrichtung aufweisend ein aktiv steuerbares Aktuatorelement (18), angeordnet an der Fluid-Leitung (10) zwischen der Zuleitungsseite (4a) und der Ableitungsseite (4b); wobei die Fluid-Leitung (10) im Betriebszustand auf der Zuleitungsseite (4a) einen ersten Fluid-Druck (14a) und auf der Ableitungsseite (4b) einen zweiten Fluid-Druck (14b) aufweist; wobei der erste Fluid-Druck (14a) einen ersten Fluid-Teildruck (16a) und einem zweiten Fluid-Teildruck (16b) aufweist; wobei der erste Fluid-Teildruck (16a) als ein im Wesentlichen konstanter Druck Q ausgebildet ist; wobei der zweite Fluid-Teildruck (16b) als ein sich dynamisch ändernder Druck Δq ausgebildet ist; und wobei das Aktuatorelement (18) zur Erzeugung einer Kompensationskraft steuerbar ist, wobei die Kompensationskraft den zweiten Fluid-Teildruck (16b) derart kompensiert, so dass der zweite Fluid-Druck (14b) im Wesentlichen dem ersten Fluid-Teildruck (16a) entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein Membranelement (20) mit einer ersten Seite (40a) und einer zweiten Seite (40b); wobei das Aktuatorelement (18) an das Membranelement (20) angebunden ist; wobei das Membranelement (20) eingerichtet ist auf der zweiten Seite (40b) die Kompensationskraft des Aktuatorelementes (18) aufzubringen und in die Fluidleitung (10) einzubringen; und wobei auf die ersten Seite (40a) im Wesentlichen der ersten Fluid-Teildruck (16a) wirkt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Fluid-Teildruck (16a) unter Verwendung eines Abstützelementes (28) auf die zweite Seite (40b) des Membranelementes (20) aufgebracht wird; wobei das Abstützelement (28) derart steif eingerichtet ist, eine Abstützung des Membranelementes (20) gegenüber dem ersten Fluid-Teildruck (16a) bereitzustellen; und wobei das Abstützelement (28) derart flexibel eingerichtet ist, eine Bewegung des Membranelementes (20) durch das Aktuatorelement (18) zur Kompensation des zweiten Fluid-Teildrucks (16b) zu ermöglichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Abstützelement (28) eine erste (42a) und eine zweite Seite (42b) aufweist; wobei die erste Seite (42a) des Abstützelementes (28) am Membranelement (20) angebracht ist; wobei die zweite Seite (42b) des Abstützelementes (28) unter Verwendung eines Übertragungselementes (24) an die Fluid-Leitung (10) angebunden ist; und wobei das Übertragungselement (24) derart träge und/oder verlustbehaftet ausgebildet ist, so dass im Wesentlichen ausschließlich der erste Fluid-Druck (14a) auf die zweite Seite (42b) des Abstützelementes (28) wirkt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übertragungselement (24) als ein Kolbenelement mit einer ersten Seite (44a) und einer zweiten Seite (44b) ausgebildet ist, welche erste Seite (44a) des Kolbenelementes (24) mit der zweiten Seite (42b) des Abstützelementes (28) verbunden ist und welche zweite Seite (33b) des Kolbenelementes (24) mit der Fluid-Leitung (10) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Kolbenelement (24) ausgebildet ist als ein Kolbenelement aus der Gruppe bestehend aus Kreiskolbenelement und Zylinderkolbenelement.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aktuatorelement (18) ausgebildet ist als ein piezoelektrisches Aktuatorelement.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend zumindest ein Sensorelement (12a, b) zur Bestimmung des ersten Fluid-Drucks (14a) und/oder des zweiten Fluid-Drucks (14b); und ein Steuer/Regelelement (22) zur Ansteuerung des Aktuatorelementes (18).
Hydraulik-System, insbesondere für ein Flugzeug, aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Flugzeug aufweisend ein Hydraulik-System gemäß Anspruch 9 und/oder eine Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.