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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mechanischen Lösemechanismus für wenigstens einen elektromechanischen Aktuator, welcher insbesondere für die Betätigung bzw. Verstellung von Elementen der primären und/oder sekundären Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs verwendet wird, gemäß Anspruch 1 sowie einen Aktuator mit einem mechanischen Lösemechanismus nach Anspruch 12.
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Aktuatoren werden bekannterweise dort eingesetzt, wo lineare Bewegungen auszuführen sind. Bisher kamen für unterschiedliche Verstellbewegungen hydraulisch oder pneumatisch betriebene Systeme zum Einsatz. Dabei erzeugt ein Hydraulik- oder Druckluftaggregat, meist angetrieben von einem Verbrennungsmotor, den erforderlichen Druck. Mithilfe des Übertragungsmediums Hydrauliköl oder Luft werden die Zylinder mit diesem Druck beaufschlagt, so dass die gewünschte lineare Bewegung entsteht.
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Bekannterweise werden Aktuatoren auch für die verschiedenen Luftfahrtanwendungen verwendet und zwar nicht nur bei der primären Flugsteuerung, die das Luftfahrzeug um seine drei Achsen, nämlich Längsachse, Querachse und Hochachse bewegt, wofür die Querruder, Höhenruder und das Seitenruder eingesetzt werden, sondern auch bei der sekundären Flugsteuerung, zu der die Landeklappen, Nasenklappen, Vorflügel, Bremsklappen, Störklappen und der Auto-Pilot zählen.
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In primären Flugsteuerungssystemen wurde bisher der Antrieb von hydraulisch betätigbaren Aktuatoren dominiert. Hydraulik- und Druckluftsysteme gelten zwar als robust und zuverlässig, neueren Entwicklungen in der Leistungstechnologie sowie die Umweltfolgen der Hydraulikanlagen haben jedoch dazu geführt, dass die Entwicklung eher in Richtung elektrisch angetriebener Betätigung auch in der Luftfahrtindustrie geht.
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Eine Vielzahl von Luftfahrtanwendungen wurden durch die Verwendung von elektrischer Leistung, wie bei der sekundären Flugsteuerung, beispielsweise bei den Landeklappe-/Vorflügel-Getrieben („Flap/Slat Transmission”), gelöst. Elektrisch-hydraulische Lösungen, bei denen die Elektrizität verwendet wird, um lokalen Hydraulikdruck zu erzeugen, sind ebenfalls bekannt.
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Beim praktischen Einsatz der Betätigung der Primärsteuerflächen führte die Notwendigkeit für „Active-Standby” Linearaktuatoren zu dem Einsatz von Aktuatoren, bei denen die Hydraulikleistung genutzt wird, da jeder Aktuator eine Umschaltung in einem Standby-Zustand erlauben soll, ohne dass die Systemleistung als Ganzes dadurch beeinflusst oder gar beeinträchtigt wird.
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In jungster Zeit etabliert sich jedoch mit den elektromechanischen Aktuatoren eine weitere Technik, die dank diverser Vorteile den herkömmlichen Lösungen ersetzen kann. Ein elektromechanischer Aktuator ist bekannterweise eine Kombination aus einem Elektromotor und einer mechanischen Schubeinheit, wie einem Getriebe sowie einer Gewindespindel, die aus der Drehbewegung des Motors eine Linearbewegung eines Kolbens erzeugt.
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Das Ersetzen von hydraulischen oder pneumatischen Zylindern durch elektrische Linearaktuatoren bringt in der Regel die folgenden Vorteile mit sich: eine vereinfachte und platzsparende Installation; vereinfache Steuerung; geringerer Energieverbrauch; höhere Genauigkeit; geringerer Wartungsaufwand; sowie niedrigere Geräuschpegel. All diese Vorteile sind insbesondere in der Luftfahrttechnik, bei der bisher elektromechanische Aktuatoren bei experimentellen Anwendungen in primären Flugsteuerungssystemen verwendet wurden, von großer Bedeutung.
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Eine weitere Verwendung elektromechanischer Aktuatoren in der Luftfahrttechnik wurde bisher auf Anwendungen begrenzt, bei denen eine Blockierung oder ein Einklemmen des Aktuators verträglich für das System und somit zugelassen werden könnte.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen mechanischen Lösemechanismus bereitzustellen, durch welchen ein sicherer Aktuatorbetrieb selbst im Störungsfall auf eine einfache und kostengünstige Weise realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen mechanischen Lösemechanismus für wenigstens einen elektromechanischen Aktuator, welcher insbesondere für die Betätigung bzw. Verstellung von Elementen der primären und/oder sekundären Flugsteuerung eines Luftfahrzeuges anwendbar ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße mechanische Lösemechanismus zum Freisetzen eines blockierten oder eingeklemmten elektromechanischen Aktuators und insbesondere eines Linearaktuators ist vorzugsweise für Aktuatoren bestimmt, die in der Luftfahrt Anwendung finden, ist aber nicht nur auf solche Anwendungen beschränkt.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, mittels eines mechanischen Lösemechanismus, welcher als eine Freigabevorrichtung bezeichnet werden kann, einen eingeklemmten oder blockierten Aktuator, insbesondere einen Linearaktuator, der nicht mehr in der Lage ist, die von ihm durchzuführende Bewegung auszuführen, in eine nicht aktive Position oder in eine Ruheposition („standby state”) umzuschalten und zwar lediglich durch ein einfaches Betreiben des erfindungsgemäßen Lösemechanismus. Der erfindungsgemäße Lösemechanismus ist dabei ein aktiver mechanischer Mechanismus, welcher mittels einer Antriebseinheit betätigt werden kann und mit wenigstens einem Aktuator in Verbindung steht.
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Der erfindungsgemäße Lösemechanismus kann beispielsweise bei der Überprüfung von Aktuatoren in einem Doppelaktuatorsystem erfolgreich verwendet werden und somit die zeit- und kostenaufwendige Testvorrichtungen ohne weiteres ersetzen.
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Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße mechanische Lösemechanismus mittels eines Antriebsmechanismus betätigt, der bevorzugt im Aktuatorgehäuse angebracht ist und mit dem mechanischen Lösemechanismus in geeigneter Weise verbunden ist, so dass der Lösemechanismus in Bewegung gesetzt wird. Der Antriebsmechanismus ist derart im Aktuatorgehäuse angebracht, dass er geeignet ist, den äußeren Ring in eine Drehbewegung zu versetzen.
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Der erfindungsgemäße Lösemechanismus weist wenigstens einen inneren Ring sowie wenigstens einen äußeren Ring auf, die drehbeweglich und axial verschieblich zueinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Der wenigstens eine innere Ring ist dabei axial mit der Aktuatorspindel und radial mit dem Aktuatorgehäuse, vorzugsweise mittels einer Keillängsnut, verbunden. Der äußere Ring ist mit dem Aktuatorgehäuse axial verbunden.
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Es wird als besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Lösemechanismus angesehen, dass zwischen dem wenigstens einen inneren Ring und dem wenigstens einen äußeren Ring eine Kugelanordnung vorgesehen ist, welche aus zumindest einer, vorzugsweise aus wenigstens zwei drehbaren Kugeln besteht, so dass bei einer relativen Bewegung der beiden Ringen zueinander sich auch die Kugel in dafür vorgesehenen Aussparrungen drehen können.
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Vorzugsweise ist der innere Ring mittels eines Axiallagers mit der Aktuatorspindel verbunden, wobei der äußere Ring vorzugsweise mittels eines Kugellagers mit dem Aktuatorgehäuse axial verbindbar ist.
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Der innere Ring des Lösemechanismus ist vorzugsweise geeignet, der durch die Antriebsspindel gebildete axiale Lastpfad über die Kugelanordnung an den äußeren Ring zu übertragen. Der innere Ring weist dabei taschenförmige Öffnungen auf, in welchen abgeschrägten Ausnehmungen vorgesehen sind, die vorzugsweise an der Oberfläche des inneren Rings eingefräst sind. Der äußere Ring weist Kerben auf, so dass in einer geschlossenen Position des Lösemechanismus die Kerben und die taschenförmigen Öffnungen derart korrespondierend zueinander angebracht sind, dass die mindestens eine Kugel der Kugelanordnung in diesen aufgenommen und festgehalten werden.
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Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Lösemechanismus aus einer Vielzahl von Kugeln, die in kurzen Rillen eingesetzt werden, welche in zwei getrennten Platten gefräst werden und geeignet sind, ähnlich wie bei einem Schrägkugellager, die Axialkräfte, die sie implizieren zu tragen. Bei Einschaltung des Lösemechanismus verlassen die Kugeln diese Verbindung und somit wird der Lastweg getrennt.
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Vorzugsweise sind die taschenförmigen Öffnungen des inneren Ringes derart dimensioniert, dass die wenigstens eine Kugel der Kugelanordnung bei einer relativen Drehbewegung des äußeren Rings zu dem inneren Ring in diese Öffnungen fluchten, wobei die Kugeln in Ausläufen aufnehmbar sind, die sich an die Öffnungen anschließen. Der äußere Ring wird somit gedreht und der innere Ring bewegt sich axial entlang der Aktuatorspindel. Dabei können die Ausläufe, in denen die Kugeln aufgenommen werden, im inneren Ring oder aber auch im äußeren Ring ausgebildet werden, wobei die Ausläufe jeweils eine Federung, vorzugsweise eine Druckfeder aufweisen, die auf die Kugel(n) eine Kraft ausübt und bei einer Drehung in die umgekehrten Richtung, aus dem Auslauf hinausfördert.
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Es wird als besonders bevorzugt angesehen, dass der Antriebsmechanismus geeignet ist, den Lösemechanismus in beiden Drehrichtungen zu betätigen, so dass der damit verbundene Aktuator in einer offenen oder in einer geschlossenen Position gebracht werden kann.
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Die Testbarkeit des erfindungsgemäßen Lösemechanismus wird dadurch gegeben, dass der Umschaltungsablauf aktiv und rückgängig ist, d. h. durch eine Drehbewegung des Antriebsmechanismus in umgekehrte Richtung, kann der Lösemechanismus wieder von einer offenen in eine geschlossene Stellung gebracht werden.
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Der erfindungsgemäße mechanische Lösemechanismus kann in einem Aktuatorsystem, vorzugsweise mit einem Linearaktuatorpaar verbunden werden. Die Aktuatoren können derart miteinander in Verbindung stehen, dass die Aktuatorspindel des einen Aktuators durch den anderen Aktuator bewegbar ist, so dass der Lösemechanismus in geschlossener bzw. in offener Position gebracht werden kann.
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Der erfindungsgemäße mechanische Lösemechanismus kann bei Aktuatoren verwendet werden, die beispielsweise für die elektromechanische Betätigung des Fahrgestells eines Flugzeugs sowie bei dem elektromechanischen Antrieb des Fahrwerks eingesetzt werden. Bei den Aktuatoren, die für das Ausfahren bzw. Einfahren des Fahrgestells zuständig sind, kann im Falle eines Einklemmens des Aktuators mithilfe des erfindungsgemäßen Lösemechanismus das sogenannte „Freifall” initiiert werden.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Lösemechanismus beispielsweise für die elektromechanische Betätigung von Klappen, insbesondere von Landeklappen und des Querruders oder sonstigen Klappen, wie flaps, slats, spoiler etc. eingesetzt werden, aber auch bei der primären Flugsteuerung, bei welcher ein ständig blockierter Zustand des Querruders, Höhenruders und des Seitenruders unzulässig ist.
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Bei der sekundären Flugsteuerung ist es inakzeptabel, dass zum Beispiel ein Flügelklappenaktuator eingeklemmt wird, da somit extrem hohe Lasten auf der Flugzeugstruktur erzeugt werden, so dass der erfindungsgemäße Lösemechanismus auch bei der sekundären Flugsteuerung Verwendung finden kann.
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Der erfindungsgemäße mechanische Lösemechanismus kann auch weiterhin bei der elektromechanischen Betätigung der Taumelscheibe eines Hubschraubers, zum Beispiel bei einem Doppelaktuator-System, bei welchem ein Einklemmen nicht toleriert werden kann, erfolgreich eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Ausführungsbeispiele mithilfe der Zeichnung näher erläutert. Gleiche oder vergleichbare Komponenten sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen in den Figuren versehen. Es zeigen:
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1: eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lösemechanismus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, im geschlossenen Zustand,
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2: der erfindungsgemäße Lösemechanismus gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, im offenen Zustand,
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3: eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lösemechanismus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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4, 5: eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lösemechanismus gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lösemechanismus 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Der mechanische Lösemechanismus 20 ist mit einem, hier nicht dargestellten, Aktuatorgehäuse verbunden und mittels eines Antriebsmechanismus 6 in Rotationsbewegung gebracht. Der Lösemechanismus 20 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen inneren Ring 1 sowie einen äußeren Ring 5 auf, wobei der äußere Ring 5 relativ zu dem inneren Ring 1 drehbar angebracht ist sowie drehbar mit dem Aktuatorgehäuse verbunden ist. Der innere Ring 1 ist mit der Aktuatorspindel drehfest verbunden.
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Des Weiteren weist der in den 1 bis 5 dargestellte mechanische Lösemechanismus 20 eine Kugelanordnung auf, die aus mehreren Kugeln 2 besteht, wobei die Anordnung vorzugsweise mindestens zwei Kugeln aufweisen kann, um ihre Funktion zu erfüllen.
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Der innere Ring 1 und der äußere Ring 5 sind drehbeweglich und axial verschieblich zueinander ausgebildet. Der innere Ring 1 kann mit der Aktuatorspindel mittels eines Axiallagers in Verbindung stehen und der äußere Ring 5 kann mit dem Aktuatorgehäuse beispielsweise mittels eines Kugellagers verbunden sein.
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Wie aus den 1 und 2, welche den erfindungsgemäßen Lösemechanismus 20 in einer geschlossenen bzw. offenen Position gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels zeigen, ersichtlich ist, weist der innere Ring 1 taschenförmige Öffnungen 10 auf, in welchen abgeschrägten Ausnehmungen 9 an der Oberfläche des inneren Rings 1 ausgebildet sind.
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Der äußere Ring 5 weist Kerben 8 auf, die derart angeordnet sind, dass in der in 1 gezeigten geschlossenen Position des Lösemechanismus 20, die Kerben 8 und die taschenförmigen Öffnungen 10 des inneren Ringes 1 miteinander korrespondieren. Somit werden die Kugeln 2 von diesen aufgenommen und gehalten.
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Nach Blockieren des Aktuators, wird der Antriebsmechanismus 6 aktiviert und der äußere Ring 5 wird um die gemeinsame Aktuatorachse 7 gedreht. Die Kugeln 2 fangen dabei an, sich um ein Kugellager, das vom inneren Ring 1 und äußeren Ring 5 gebildet wird, zu drehen. Da die Bewegung der Kugel 2 langsamer als die Bewegung des äußeren Ringes 5 ist, positioniert sich der äußre Ring 5 relativ zu den Kugeln 2 und dem inneren Ring 1, so dass die Kugel 2 die Kerbe oder die Vertiefung 8 verfassen und zwar kurz bevor sie den Auslauf 9, welcher in der taschenförmigen Öffnung 10 im Innenring 5 eingefräst ist, erreichen. Dies wird in 2 verdeutlicht.
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Die Kugeln 2 fangen an entlang des Auslaufs 9 zu rollen und verlassen die taschenförmigen Öffnungen 10, welche im inneren Ring 1 eingefräst sind, so dass sie über Ausläufe 4, die sich im äußeren Ring 5 ausgebildet sind, die Verbindung verlassen.
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An einem bestimmbaren Punkt während dieser Bewegung befindet sich der Kontaktpunkt zwischen den Kugeln 2 und dem inneren Ring 1 auf einer Ebene, die im Verhältnis zu dem Kugellager 11, das im inneren Ring 1 vorgesehen ist, derart angeordnet ist, dass auf die Kugeln 2 eine axiale Last wirkt, so dass diese entlang des jeweiligen Auslaufs 4 hineinfluchten und gegen eine in jedem Auslauf 4 angebrachte Druckfeder 3 gedrückt werden. Der innere Ring 1 wird jetzt nicht mehr axial zurückgehalten und verschiebt sich entlang der gemeinsamen Aktuatorachse 7. Der äußere Ring 5 dreht sich weiterhin, während der innere Ring 1 die Kugeln 2, die sich in den Ausläufen 4 befinden, abdeckt.
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Um den Lösemechanismus oder die Lösevorrichtung insbesondere im Testfall im geschlossenen Zustand in einem Doppelaktuatorsystem zurückzubringen, muss ein zweiter angeschlossener Aktuator den derart geöffneten Aktuator zu seiner ursprünglichen Position zurückzufahren. Der Antriebsmechanismus 6 wird in der entgegen gesetzter Richtung betätigt, so dass die Kugeln 2 die Ausläufe 4 verlassen, wobei die Druckfeder 3 die Kugeln 2 zurück in die taschenförmigen Ausnehmungen 10 des inneren Rings 1 versetzt.
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3 zeigt einen verzahnten Lösemechanismus. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 gezeigten dadurch, dass die Kugelbewegung in zusätzlichen Rillen erfolgt, um die Verbindung zwischen dem inneren und äußeren Ring 1 und 5 zu lösen. Dafür ist ein Planetenträger und Käfig 13 vorgesehen. Hier wird der Antriebsmechanismus des erfindungsgemäßen Lösemechanismus gezeigt, welcher durch ein Planetengetriebe in Bewegung gesetzt wird. Der innere Ring 1 ist, wie im ersten Ausführungsbeispiel, drehbeweglich mit der Aktuatorspindel verbunden, ist jedoch freibeweglich entlang der gemeinsamen Aktuatordrehachse 7 angeordnet. Die Funktionsweise ist zwar identisch, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2, jedoch wird hier die Kugelbewegung eingeschränkt im Hinblick auf ihre Rotation innerhalb des rillenförmigen Käfigs 13, welcher auch die Funktion hat, die Kugeln 2 in den Ausläufen 4 zu halten.
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Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lösungsmechanismus 20 jeweils in einer geschlossenen und einer offenen Position, wobei hier der Antriebsmechanismus nicht gezeigt ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten dadurch, dass die Ausläufe 4, in denen die Kugeln 2 aufgenommen werden, nicht im äußeren sondern im inneren Ring 1 ausgebildet sind.
