DE102012009149A1

DE102012009149A1 - Bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre

Info

Publication number: DE102012009149A1
Application number: DE102012009149A
Authority: DE
Inventors: Markus Bildstein
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: FR2975151A1; DE102012009149B4; FR2975151B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung mit wenigstens einer Welle. Erfindungsgemäß weist die Sperre eine mechanische Vorrichtung auf, die mit einem Ende mit der Wellenanordnung derart verbunden ist, dass ein Rotationsformschluss realisierbar ist, und mit dem anderen Ende mit einer trägen Masse gekoppelt ist, so dass beim Anlegen eines erhöhten Drehmoments, die Kupplung lösbar und die mechanische Vorrichtung in axialer Richtung beweerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung mit wenigstens einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Bremssystem für einen Antriebsstrang oder für Gewindespindelantriebe von Flugsteuerungen nach Anspruch 15 sowie einen Gewindespindelantrieb für die Positionierung eines trimmbaren Höhenleitwerks nach Anspruch 16.
In der Flugsteuerung von Luftfahrzeugen sind Anordnungen bekannt, die Drehbewegungen in kurzer Zeit beenden und danach die erreichte Drehposition halten. Beispiele hierfür sind Drehmomentbegrenzer und Sperren im Antriebsstrang von Vorflügel- und Landeklappenantrieben und Gewindespindelantrieben zur Betätigung trimmbarer Höhenleitwerke.
Üblicherweise werden hierzu Reibbremsen verwendet. Um das in der Luftfahrt geforderte geringe Gewicht der Sperre zu erreichen, ist ein möglichst hoher Reibwert erforderlich. Hierzu bieten sich Sperren an, bei welchen die Reibbeläge trocken sind. Aufgrund der extremen Umweltbedingungen in Luftfahrzeugen ist es jedoch schwierig, die für die korrekte Bremsfunktion erforderliche trockene Atmosphäre zu gewährleisten. Um nun den Einfluss der Umwelt auf den Reibwert gering zu halten, werden alternativ Bremsanordnungen realisiert, bei welchen die Reibflächen in Öl oder Fett laufen. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist der hierdurch bedingte geringe Reibwert, was wiederum zu einem größeren Gewicht führt.
Das systembedingte geringste Gewicht hat eine Sperre, das heißt eine Anordnung, bei der die Drehbewegung durch Herstellung eines Formschlusses mit einem feststehenden Körper sehr schnell beendet wird. Nachteilig bei dieser Bauart ist die Eigenschaft, dass die Rotationsenergie nicht in Wärme umgewandelt und somit abgebaut wird, sondern in Form von elastischer Verformung betroffener Bauelemente selbst gespeichert wird. Dies führt bei drehsteifen Konstruktionen zu hohen, bei der Dimensionierung zu berücksichtigenden Drehmomentspitzen.
Im speziellen Fall einer Anwendung in der Flugsteuerung relativiert sich der vorgenannte Nachteil jedoch, da hier vergleichsweise drehelastische Systeme mit niedriger Drehzahl eingesetzt werden. Bei derartigen Systemen kann eine Sperre in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, da hier die vorgenannten Vorteile überwiegen. Nachteilig ist es bei bekannten Sperren, welche auf ineinander greifenden Klauen basieren, dass die Anordnung im gebremsten Zustand ein vergleichsweise großes Drehspiel aufweist. Dies ist bei den ineinander greifenden Klauen dadurch bedingt, dass sie ein entsprechend hohes Drehspiel benötigen, um das Einfallen der Sperren aus der Drehung heraus zu ermöglichen.
Aus der DE 698 26 565 T2 ist ein Drehmomentbegrenzer bekannt, welcher aus der Drehung heraus die Antriebswelle im Formschluss zum feststehenden Gehäuse bringt. Der Formschluss wird über ineinander greifende Klauen erzeugt. Die Antriebswelle hat im gebremsten Zustand ein großes Drehspiel, das in erster Linie durch eine Kugelrampenanordnung definiert wird.
Aus der AT 409 533 B ist eine schaltbare Klauenkupplung bekannt, welche bei arretierter Abtriebswelle ebenfalls als Sperre verwendet werden könnte. Diese Bauart kann jedoch das Drehmoment nur in eine Drehrichtung übertragen und ist nahezu freigängig in die entgegengesetzte Drehrichtung.
Des Weiteren vergeht zwischen Betätigungsanforderung und vollständiger mechanischer Zustandsänderung der Sperre üblicherweise Zeit in der Größenordnung von 100 ms.
Es sind Anwendungen bekannt, bei welchen diese Zeitspanne jedoch nicht zur Verfügung steht. Ein Beispiel ist der Gewindespindelantrieb zur Positionierung eines trimmbaren Höhenleitwerks. Im Falle eines Bruchs drehmomentübertragender Bauteile in diesem Antrieb können in Folge aerodynamischer Lasten sehr hohe Drehbeschleunigungen an der Gewindespindel auftreten, was innerhalb weniger 10 ms zu einer flugkritischen Verstellung des Höhenleitwerks führen kann.
Um ein solches „Weglaufen” des Höhenleitwerks zu vermeiden, gehört es bereits zu einer Lösung des Standes der Technik, die Gewindespindel mit einer Rücklauf-Reibbremse auszustatten, wie sie beispielhaft in der US 6,109,415 A beschrieben ist.
Rücklauf-Reibbremsen haben jedoch die Nachteile, dass sie einerseits in Folge des Verschleißes der Reibbremsen aufwendige Wartung erfordern und andererseits eine um die Reibleistung erhöhte Antriebsleistung benötigen. Weiterhin ist die Sicherstellung der Funktion wegen der großen Reibwerttoleranz schwierig und schließlich ist die Funktion nur mit hohem Aufwand prüfbar, wobei die Funktionsprüfung nur unter Werkstattbedingungen durchgeführt werden kann. Somit werden Fehlfunktionen, die durch reale Umweltbedingungen des Flugbetriebs (z. B. Vereisung) hervorgerufen werden, nicht erkannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Rotationssperre, insbesondere eine bidirektional wirkende Rotationssperre, für eine Wellenanordnung bereitzustellen, die eine besonders kurze Reaktionszeit aufweist, wobei diese drehrichtungsunabhängig ist, aus der Drehung heraus einlegbar ist und im gebremsten Zustand ein nur geringes Drehspiel aufweist.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die bidirektional wirkende Rotationssperre eine drehbeschleunigungssensitive mechanische Vorrichtung auf, die mit ihrem einen Ende mit der Wellenanordnung derart verbunden ist, dass ein Rotationsformschluss realisierbar ist, und mit dem anderen Ende mit einer trägen Masse gekoppelt ist, so dass beim Anlegen eines erhöhten Drehmoments, die Kupplung lösbar und die mechanische Vorrichtung in axialer Richtung bewegt werden kann, so dass ein Einfallen der Sperre erfolgt. Um ein sehr schnelles Einfallen der Sperranordnung mit hochbeschleunigendem Rücktreibfall zu gewährleisten, wird die mechanische Anordnung einer einhergehenden elektrischen Abschaltung eines Elektromagneten kombiniert, welches mit der mechanischen Vorrichtung in Verbindung steht und im selben Gehäuse angebracht ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die mechanische Vorrichtung entlang der Längsachse der Sperre und weist eine Welle auf, welche an einem ihren Enden eine Kugel-Kulissen-Anordnung hat. Durch die Kugel-Kulissen-Anordnung ist die mechanische Vorrichtung mit der trägen Masse gekoppelt. Die Kugel-Kulissen-Anordnung weist dabei mindestens eine Kugel auf, die in einer Kulisse drehbar gelagert ist.
Vorzugsweise ist die träge Masse ein Schwungrad, welches mindestens eine Kugel-Kulisse zur Aufnahme wenigstens eine Kugel aufweist, wobei die Kugel-Kulisse mit der Kugel-Kulissen-Anordnung der mechanischen Vorrichtung korrespondiert.
Bei einer Beschleunigung der Welle der Wellenanordnung führt das anliegende Drehmoment über die Kugel-Kulissen-Anordnung eine Übertragung auf die träge Masse herbei. Wenn eine hohe Beschleunigung, die durch die zu bremsende Welle hervorgerufen wird, auftritt, wird dann entsprechend ein hohes Drehmoment angelegt, welches über die Kupplung nicht mehr übertragen werden kann, weil das Schwungrad zu träge ist.
Es wird als besonders bevorzugt angesehen, wenn die beiden korrespondierenden Kugel-Kulissen derart ausgebildet sind, dass ein Drehen der Kugel im konstanten Abstand von der Drehachse der Welle der mechanischen Vorrichtung gewährleistet ist, wobei sich die Tiefe der Kugel-Kulissen während des Rollens der Kugel in beiden Richtungen symmetrisch reduziert, so dass ein einfaches Lösen der Kupplung realisierbar ist.
Vorzugsweise werden zum Einlegen der Sperre eine Federanordnung und zum Lösen der Sperre ein Elektromagnet vorgesehen, wobei das Elektromagnet und die mechanische Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht sind, so dass seine Längsachse mit der Drehachse der Welle der mechanischen Vorrichtung zusammenfällt. Dabei ist der Anker des Elektromagneten vorzugsweise mit der Welle mittels einer Lagerung verbunden und kann sich in axialer Richtung zusammen mit der Welle bewegen. Dies geschieht, wenn die Kupplung gelöst wird. Der Anker bewegt sich dabei aus der ihm umgebenden Spule so viel, dass das elektromagnetische Feld abgeschwächt wird, was zu einem Einfallen der Sperre führt.
Die Wellenanordnung der bidirektional wirkenden Rotationssperre bzw. Sperre weist vorzugsweise zwei Stirnverzahnungen mit jeweils zueinander gegenläufiger Verzahnung auf, die mit Stirnverzahnungen einer inneren und einer äußeren Zahnscheibe in Eingriff bringbar sind. Diese sind in einem Gehäuse derart drehfest und axial verschiebbar angeordnet, dass die Zahnscheiben nacheinander mit den Verzahnungen der Stirnverzahnungen beim Schließen der Sperre in Eingriff kommen. Durch diese Anordnung kann einerseits eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre bereitgestellt werden, die im gebremsten Zustand nur ein sehr geringes Drehspiel aufweist und die andererseits drehrichtungsunabhängig aus der Drehung heraus einlegbar ist.
Als besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn die Sperre Federn aufweist, die zum Einlegen der Sperre dienen, während das Elektromagnet zum Lösen der Sperre entgegen der Federkraft wirkt. In Flugzeugen führt üblicherweise ein Computer die Betätigung derart aus, dass nach einer Betätigungsanforderung zuerst die Richtigkeit der Anforderung überprüft und nach erfolgreicher Prüfung, die Stromversorgung zum Elektromagneten, der die entsprechende Sperre löst, geschaltet wird.
In Folge wird das Magnetfeld im Elektromagneten auf- bzw. abgebaut. Danach steht Kraft zur Verfügung, um die Sperre zu schalten.
Weiterhin kann bevorzugt ein übliches Monitorkonzept bereitgestellt werden, um das Einfallen sicherzustellen, wenn die Drehbeschleunigung für das Ansprechen des drehbeschleunigungssensitiven Mechanismus zu gering ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann in geöffneter Stellung der Sperre die axiale Wegstrecke, die die innere Zahnscheibe bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung zurücklegt, mindestens doppelt so groß sein, wie die axiale Wegstrecke, die die äußere Zahnscheibe bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung benötigt. Hierdurch wird gewährleistet, dass sich die Stirnverzahnungen beim Eingriffsvorgang nicht gegenseitig behindern.
Vorteilhaft sind die Verzahnungen als gegenläufiges Sägezahnprofil ausgestaltet. Durch eine Reduzierung der Zähnezahl kann die maximale Drehzahl, bei welcher eine Bremsung eingeleitet werden kann, erhöht werden. Hierdurch verringert sich jedoch das maximal übertragbare Drehmoment. Je nach Bedarf kann hier eine Optimierung vorgenommen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Wellenanordnung mittels Wälzlagern drehbar im Gehäuse gelagert ist.
Die Wellenanordnung kann vorteilhaft aus einer Welle und einer gezahnten Buchse bestehen, die mit einem Schraubring und einer Steckverzahnung fest miteinander verbunden sind.
Die im Gehäuse vorgesehenen Zahnscheiben können über auf Umfang gleichverteilt angeordnete Stifte drehfest und axial verschiebbar angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bremssystem für einen Antriebsstrang von Vorflügel- und Landeklappenantrieben oder für Gewindespindelantriebe zur Betätigung von trimmbaren Höhenleitwerken, die jeweils eine Sperre mit den zuvor näher beschriebenen Merkmalen aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Gewindespindelantrieb für die Positionierung eines trimmbaren Höhenleitwerks eines Flugzeugs mit mindestens einer Sperre, welche die vorgenannten erfindungsgemäßen Merkmale aufweist. Vorteilhaft entspricht die Wellenanordnung dem in der Gewindespindel verlaufenden Zuganker des Gewindespindelantriebs.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer bidirektional wirkenden Sperre,
2: eine perspektivische Darstellung eines Teils der Sperre gemäß 1 in auseinandergezogener Darstellung,
3: ein weiteres Detail der Sperre entsprechend 1, jedoch im zusammengebauten Zustand,
4: ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sperre gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
4a: eine vergrößerte Schnittansicht im Bereich einer Kugel-Kulissen-Anordnung entlang der Linie A-A gemäß 4,
5: eine perspektivische Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Rotationssperre gemäß 4.
1 zeigt beispielhaft eine Ausführung einer Sperre, bei welcher das Einlegen der Sperre durch Federkraft und das Lösen mittels eines Elektromagneten 150, 160, 170, 180 erfolgt. Eine zu bremsende Wellenanordnung 20, die beispielsweise der Zuganker eines Gewindespindelantriebs zur Betätigung von trimmbaren Höhenleitwerken eines Flugzeugs sein kann, ist mittels Wälzlager 24 drehbar in einem feststehenden Gehäuse 100 gelagert und besteht aus einer Welle 22 und einer gezahnten Buchse 26, die mit einem Schraubring 50 und einer Steckverzahnung 60 fest miteinander verbunden sind.
Die Wellenanordnung 20 besitzt zwei Stirnverzahnungen mit gegenläufigem Sägezahnprofil, wie dies in 2 gezeigt ist. Möglich sind zur Realisierung der vorliegenden Erfindung gemäß 4 aber auch andere Zahnformen. Diesen Stirnverzahnungen gegenüber liegen eine äußere Zahnscheibe 70 und eine innere Zahnscheibe 80, die beide ebenfalls Stirnverzahnungen aufweisen, so dass sie mit den Stirnverzahnungen der Wellenanordnung 20 in Eingriff gehen können, wie dies ebenfalls in der 2 dargestellt ist.
Die Zahnscheiben 70 und 80 sind über Stifte 90 drehfest, jedoch axial verschiebbar mit dem feststehenden Gehäuse 100 verbunden. Die äußere Zahnscheibe 70 wird von mehreren Federn 110 in Richtung der gegenüberliegenden Verzahnung mit Kraft beaufschlagt (vgl. 3), wobei die Kraft von Federtellern 120 übertragen wird, die durch Bohrungen, die in der inneren Zahnscheibe 80 vorgesehen sind, hindurchreichen. Entsprechend wird die innere Zahnscheibe 80 von mehreren Federn 130 in Richtung der gegenüberliegenden Verzahnung mit Kraft beaufschlagt, wobei die Kraft von Federtellern 140 direkt auf die innere Zahnscheibe 80 übertragen wird.
Im geöffneten Zustand, wie er in 1 dargestellt ist, stehen die Zahnscheiben 70 und 80 nicht mit ihren gegenüberliegenden Verzahnungen in Eingriff, da sie von einem Elektromagneten, zurückgehalten werden. Wie in der 1 dargestellt, besteht der Elektromagnet aus einer Spule 150 (die auch aus mehreren Einzelspulen aufgebaut sein kann), einem Topfkörper 160, einem Anker 170 und einem Rückflusskörper 180. Der Anker 170 ist aufgrund der Storm durchflossenen Spule 150 bis auf einen Anschlag an dem Topfkörper 160 angezogen und hält über einen axialen Anschlag 190 (vgl. 1) die innere Zahnscheibe 80 entgegen ihrer Federkraft in geöffneter Stellung, die ihrerseits wiederum eine geöffnete Stellung der äußeren Zahnscheibe 70 über einen axialen Anschlag 200 entgegen ihrer Federkraft herbeiführt.
Um zu verhindern, dass sich die Stirnverzahnung beim Eingriffsvorgang gegenseitig behindert, ist es erforderlich, dass in der geöffneten Stellung der Sperre die axiale Wegstrecke, die die innere Zahnscheibe 80 bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung zurücklegt, mindestens doppelt so groß ist wie die axiale Wegstrecke, die die äußere Zahnscheibe 70 bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung benötigt.
Wird die Bestromung der Spule 150 unterbrochen und die Welle 20 gegen den Uhrzeigersinn mit Drehmoment beaufschlagt (gleiche Blickrichtung in 3), so kann sie sich drehen, bis die innere Stirnverzahnung in Eingriff geht und die Drehung formschlüssig beendet. Die äußere Verzahnung behindert diese Drehung nicht, da die Sägezähne aufgrund ihrer Orientierung aneinander abgleiten. Ist die oben genannte Drehung der Welle 30 infolge Eingriffs der inneren Sternverzahnung beendet, so hat auch die äußere Stirnverzahnung eine Drehposition zueinander erreicht, die dazu führt, dass auch diese in Folge ihrer Federkraft ineinander eingreift. Die Wellenanordnung 20 ist somit spielarm in beide Drehrichtungen blockiert.
Bei Drehung der Welle 20 im Uhrzeigersinn vollzieht sich ebenso die Blockierung in beide Drehrichtungen, die Abfolge der Eingriffnahme von inneren und äußeren Verzahnung ist jedoch umgedreht.
Eine bevorzugte Anwendung der vorgenannten Sperre ergibt sich bei der Realisierung eines Gewindespindelantriebs für die Positionierung eines trimmbaren Höhenleitwerks, bei welchem der Zuganker in der Gewindespindel gebremst wird. In dieser Anwendung sind Drehzahl und Drehsteifigkeit des Zugankers sehr gering.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Sperre gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei besitzt die Wellenanordnung 20, ähnlich wie in den 2 und 3 dargestellt, zwei Stirnverzahnungen mit gegenläufigem Sägezahnprofil, wobei diese an die besondere Ausführung der Wellenanordnung nach der vorliegenden Erfindung angepasst sind.
Bei einer Anwendung in einem Gewindespindelstellgerät zur Trimmung von Flugzeughöhenleitwerken kann die Welle 22 der Wellenanordnung 20 mit der Gewindespindel in der Form verbunden sein, dass das Drehmoment und die Axiallast übertragen werden können. Das Gehäuse 100 kann hierzu mit der Flugzeugstruktur verbunden sein, um die Axiallast und das Sperrmoment in die Flugzeugstruktur einleiten zu können.
Die erfindungsgemäße Sperre weist dabei eine mechanische Vorrichtung 220, 240, 250 auf, die, wie der 4 entnehmbar ist, mit einem Ende mit der Wellenanordnung 20 derart verbunden ist, dass ein Rotationsformschluss realisierbar ist, und mit dem anderen Ende mit einer trägen Masse, hier ein Schwungrad 230, gekoppelt ist, so dass beim Anlegen eines erhöhten Drehmoments, die Kupplung lösbar und die mechanische Vorrichtung 220, 240, 250 in axialer sich vom Schwungrad 230 entfernender Richtung bewegt, wenn ein hohes Drehmoment anliegt.
Diese Anordnung ist in der Lage, die Welle 22 bei hoher Drehbeschleunigung sehr schnell zu sperren. Die hohe Sperrgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass es sich um einen rein mechanischen Sperrablauf handelt, ohne Mitwirkung elektrischer und/oder magnetischer Vorgänge.
Die mechanische Vorrichtung 220, 240, 250 weist eine Welle 220 sowie eine damit verbundene Kugel-Kulissen-Anordnung 240, 250 auf, die sich wie in 5 gezeigt an dem Ende der Welle 220, welches dem Schwungrad 230 angrenzt, befindet. Die mechanische Vorrichtung ist, wie aus 4 ersichtlich, im Gehäuse 100 der Sperre derart angebracht, dass die Drehachse 220' der Welle 220 mit der Längsachse der Sperre zusammenfällt.
Die Welle 22 ist über ein Kupplungsrad 210 und die Welle 220 mit dem Schwungrad 230 verbunden. Das Kupplungsrad 210 besitzt eine Innen- und Außensteckverzahnung, stellt somit einen Rotationsformschluss zwischen Welle 22 und Welle 220 her und erlaubt eine axiale Bewegung der Welle 220 und die Aufbringung einer Kraft mittels Feder 260, welche, wie in 4 dargestellt, in eine konusförmige Ausnehmung 28 der Welle 22 angebracht ist.
Die Welle 220 ist über die Kugelkulissen-Anordnung 240, 250 mit dem Schwungrad 230 verbunden. Die Kugelkulissen-Anordnung 240, 250 kann aus wenigstens einer Kugel bestehen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel drei Kugeln 240 und je drei Kugelkulissen 250 (vgl. 5), welche in der Welle 220 eingearbeitet sind, vorgesehen sind. Das Schwungrad 230 weist ebenfalls korrespondierende Kugelkulissen 250' auf, wie der vergrößerten Darstellung in 4a entnehmbar ist. Somit dienen beide Kugelkulissen 250, 250' zur Aufnahme der jeweiligen Kugel 230.
Die Form der Kugelkulisse 250 ist in 5 und im Schnitt A-A der 4 gezeigt. Sie gewährleistet ein Rollen der Kugel im konstanten Abstand von der Drehachse der Welle 220, wobei die Tiefe der Kulisse und somit die „Eintauchtiefe” der Kugel sich während des Rollens reduziert. Ausgehend vom tiefsten Punkt der Kugel ist die Reduzierung der Kulissentiefe für beide Rollrichtungen identisch. Die Kugelkulissen in der Welle 220 und dem Schwungrad 230 stehen sich gegenüber und nehmen die Kugeln 240 auf. Die Welle 220 und das Schwungrad 230 werden durch die Feder 260 und durch die elektromagnetische Kraft, die bei erregter Spule 150 auf den Anker 170 ausgeübt wird, axial über Kugeln 240 in Kontakt gehalten. Die durch Feder- und Magnetkraft zusammengehaltene Kugelkulissen-Anordnung gewährleistet zum Einen eine Drehmomenteinleitung von der Welle 220 in das Schwungrad 230 und zum Anderen eine sich vom Schwungrad 230 entfernende, axiale Bewegung der Welle 220 in Abhängigkeit der Höhe des Drehmoments, jedoch unabhängig von der Richtung.
Wird die Welle 20 beschleunigt, dann benötigt das Schwungrad 230 ein seiner Massenträgheit entsprechendes Beschleunigungsmoment. Dieses wird von der Kugelkulissen-Anordnung eingeleitet, welche wiederum Axialkraft benötigt. Ist die Axialkraft zu gering, dann erfolgt eine Axialbewegung der Welle 220 und davon hervorgerufen ein Einfallen der Sperre. Die Axialbewegung der Welle hat zudem zur Folge, dass sich der Anker 170 des Elektromagneten so viel bewegt, dass er aus der Spule bewegt wird, dass diese den Anker nicht mehr halten kann, so dass die Sperre einfällt. Die Bewegung des Ankers führt zu einer Änderung der Stromstärke (bei Versorgung des Elektromagneten mit konstanter Spannung) bzw. zu einer Änderung des PWM-Verhältnisses (PWM = Pulsweitenmodulation bei Versorgung des Elektromagneten mit konstantem Strom mittels PWM-Stromregelung). Diese Änderung wird detektiert und führt zur Abschaltung des Elektromagneten, um eine dauerhafte Sperrung zu gewährleisten.
Die Anordnung besitzt zusätzlich eine übliche Überwachung zur Erkennung einer Fehlfunktion in der Art, dass mittels kontinuierlichem Vergleich der kommandierten Drehposition der Welle 22 der von einem Drehwinkelsensor 270 gemessenen tatsächlichen Drehposition eine Diskrepanz erkannt, in Folge der Elektromagnet abgeschaltet und somit die Sperrung herbeigeführt wird. Ist die Beschleunigung der Welle 10 für ein ansprechendes drehbeschleunigungssensitiven Mechanismus zu gering, dann erfolgt die Abschaltung durch diese Überwachungsfunktion.
Durch Reduzierung der Stärke des Stroms durch den Elektromagneten kann die Magnetkraft und somit die für das Einfallen der Sperre erforderliche Drehbeschleunigung reduziert werden. Dieser Sachverhalt kann vorteilhaft für das Prüfen der Anordnung verwendet werden, in der Form, dass die Stromstärke so weit reduziert wird, dass die maximale Drehbeschleunigung, welche regulär vom Antrieb der Spindel erzeugt werden kann, ausreicht, um ein Einfallen der Sperre hervorzurufen. Es ist somit kein Zugang zum Gewindespindelstellgerät erforderlich und die Prüfung kann automatisiert durchgeführt werden. Vorteilhaft erfolgt diese Funktionsprüfung unmittelbar nach dem Landen des Flugzeuges, beispielsweise während des Rollens des Flugzeugs an seinen Standplatz, da zu dieser Zeit die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass eine gegebenenfalls vorhandene, funktionsstörende Vereisung innerhalb des Stellgerätes noch vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69826565 T2 [0006]
AT 409533 B [0007]
US 6109415 A [0010]

Claims

Bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung (20) mit wenigstens einer Welle (22), dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Vorrichtung (220, 240, 250) vorgesehen ist, die mit einem Ende mit der Wellenanordnung (20) derart verbunden ist, dass ein Rotationsformschluss realisierbar ist, und mit dem anderen Ende mit einer trägen Masse (230) gekoppelt ist, so dass beim Anlegen eines erhöhten Drehmoments, die Kupplung lösbar und die mechanische Vorrichtung (220, 240, 250) in axialer Richtung bewegbar ist, so dass ein Einfallen der Sperre realisierbar ist.
Sperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorrichtung (220, 240, 250) sich entlang der Längsachse (220') der Sperre erstreckt und eine Welle (220) sowie eine Kugel-Kulissen-Anordnung (240, 250) mit mindestens einer Kugel (240), die in einer Kulisse (250) drehbar gelagert ist, aufweist.
Sperre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschleunigung der Welle (22) der Wellenanordnung (20) eine Übertragung des Drehmoments über die Kugel-Kulissen-Anordnung (240, 250) auf die träge Masse (230) herbeiführt.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die träge Masse vorzugsweise ein Schwungrad (230) ist, welches mindestens eine der Kugel-Kulisse (250) der Kugel-Kulissen-Anordnung (240, 250) korrespondierende Kugel-Kulisse (250') zur Aufnahme der Kugel (240) aufweist.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden korrespondierenden Kugel-Kulissen (250, 250') derart ausgebildet sind, dass ein Drehen der Kugel (240) im konstanten Abstand von der Drehachse der Welle (220) gewährleistet ist, wobei sich die Tiefe der Kugel-Kulissen (250, 250') während des Rollens der Kugel (240) in beiden Richtungen symmetrisch reduziert, so dass ein Lösen der Kupplung realisierbar ist.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einlegen der Sperre eine Federanordnung (110, 130) und zum Lösen der Sperre ein Elektromagnet (150, 160, 170, 180) vorgesehen sind, wobei das Elektromagnet derart in einem gemeinsamen Gehäuse (100) mit der mechanischen Vorrichtung (220, 240, 250) angeordnet ist, dass seine Längsachse mit der Drehachse der Welle (220) zusammenfällt, und wobei der Anker (170) des Elektromagneten mit der Welle (220) vorzugsweise mittels einer Lagerung verbunden ist.
Sperre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale sich vom Schwungrad (230) entfernende Bewegung der mechanischen Vorrichtung (220, 240, 250) eine axiale Bewegung des damit verbundenen Ankers (170) des Elektromagneten (150, 160, 170, 180) herbeiführt, so dass er sich aus der umgebenden Spule (150) so viel bewegt, dass das elektromagnetische Feld geschwächt wird, so dass die Sperre einfällt.
Sperre nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Reduzierung der Stärke des Stromes durch den Elektromagneten die Magnetkraft und somit die für das Einfallen der Sperre erforderliche Drehbeschleunigung reduzierbar ist.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad (230) im Gehäuse (100) angeordnet ist, oder in einem Gehäuse (100'), das mit dem Gehäuse (100) fest verbunden ist.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanordnung (20) zwei Stirnverzahnungen mit jeweils zueinander gegenläufiger Verzahnung aufweist, die mit Stirnverzahnungen einer inneren und einer äußeren Zahnscheibe (80, 70) in Eingriff bringbar sind, die im Gehäuse (100) derart drehfest und axial verschiebbar angeordnet sind, dass die Zahnscheiben (80, 70) nacheinander mit den Verzahnungen der Stirnverzahnungen beim Schließen der Sperre in Eingriff kommen.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in geöffneter Stellung der Sperre die axiale Wegstrecke, die die innere Zahnscheibe (80) bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung zurücklegt, mindestens doppelt so groß ist wie die axiale Wegstrecke, die die äußere Zahnscheibe (70) bis zu ihrem vollständigen Eingriff mit ihrer gegenüberliegenden Verzahnung benötigt.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen ein Zahnprofil aufweisen, z. B. ein Sägezahnprofil, welches gewährleistet, dass bei Aufbringung eines Drehmoments, die zahntragenden Körper in einer Drehrichtung zueinander Formschluß erfahren und in der entgegengesetzten Drehrichtung zueinander Drehung erlauben.
Sperre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanordnung (20) mittels Wälzlagern (24) drehbar im Gehäuse (100) gelagert ist.
Sperre gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanordnung (20) aus der zu bremsenden Welle (22) und einer gezahnten Buchse (26) besteht, die mit einem Schraubring und einer Steckverzahnung (28) fest miteinander verbunden sind.
Sperre gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnscheiben (70, 80) über auf Umfang gleichverteilt angeordnete Stifte (90) drehfest und axial verschiebbar angeordnet sind.
Bremssytem für einen Antriebsstrang von Vorflügel- und Landeklappenantrieben oder für Gewindespindelantriebe zur Betätigung von trimmbaren Höhenleitwerken mit einer Sperre nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Gewindespindelantrieb für die Positionierung eines trimmbaren Höhenleitwerks mit mindestens einer Sperre nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Gewindespindelantrieb gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (22) der in der Gewindespindel verlaufende Zuganker des Gewindespindelantriebs ist.