DE102012009149A1 - Bidirectional operable rotational lock for tie rod of braking system to actuate horizontal tail units of airplane, has mechanical device connected with mass so that device is movable along axial direction when applying torque - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a bidirectional rotation lock or lock for a shaft assembly with at least one shaft according to the preamble of claim 1, a brake system for a drive train or threaded spindle drives of flight controls according to claim 15 and a threaded spindle drive for the positioning of a trim tailplane according to claim 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.In the flight control of aircraft arrangements are known to stop the rotational movements in a short time and then hold the achieved rotational position. Examples include torque limiters and locks in the drive train of slat and flapper drives and threaded spindle drives for operating trimmable horizontal stabilizers.
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.Usually friction brakes are used for this purpose. In order to achieve the required in aviation low weight of the lock, the highest possible coefficient of friction is required. For this purpose, locks are available in which the friction linings are dry. Due to the extreme environmental conditions in aircraft, however, it is difficult to ensure the required for the correct braking function dry atmosphere. In order to keep the influence of the environment on the coefficient of friction low, braking arrangements are alternatively realized in which the friction surfaces run in oil or grease. A disadvantage of these arrangements is the resulting low coefficient of friction, which in turn leads to a greater weight.
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.The systemic least weight has a barrier, that is an arrangement in which the rotational movement is terminated very quickly by establishing a positive engagement with a stationary body. A disadvantage of this design is the property that the rotational energy is not converted into heat and thus degraded, but is stored in the form of elastic deformation of affected components themselves. This leads to torsionally stiff constructions to high, to be considered in the dimensioning torque peaks.
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.However, in the specific case of an application in flight control, the aforementioned disadvantage is put into perspective, since comparatively torsionally flexible systems with low rotational speed are used here. In such systems, a lock can be used in an advantageous manner, since here outweigh the aforementioned advantages. A disadvantage of known locks, which are based on interlocking claws, that the arrangement in the braked state has a relatively large rotational play. This is due to the interlocking claws in that they require a correspondingly high rotational play in order to allow the collapse of the locks out of rotation.
Aus der
Aus der
Des Weiteren vergeht zwischen Betätigungsanforderung und vollständiger mechanischer Zustandsänderung der Sperre üblicherweise Zeit in der Größenordnung von 100 ms.Furthermore, between actuation request and complete mechanical change of state of the lock usually takes time on the order of 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.There are known applications in which this period of time is not available. One example is the threaded spindle drive for positioning a trimable tailplane. In the case of a breakage of torque transmitting components in this drive very high spins on the threaded spindle can occur as a result of aerodynamic loads, which can lead to a flight-critical adjustment of the horizontal stabilizer within 10 ms.
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
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.Return friction brakes, however, have the disadvantages that they require expensive maintenance on the one hand as a result of the wear of the friction brakes and on the other hand require a drive power increased by the friction power. Furthermore, ensuring the function is difficult because of the large coefficient of friction and, finally, the function can be tested only with great effort, the function test can be performed only under workshop conditions. Thus, malfunctions that are caused by real environmental conditions of the flight operation (eg icing), not recognized.
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.Object of the present invention is therefore to provide a rotation lock, in particular a bidirectional rotation lock, for a shaft assembly having a particularly short reaction time, which is independent of the direction of rotation, can be inserted from the rotation out and in the braked state has only a slight rotational play.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch eine bidirektional wirkende Rotationssperre bzw. Sperre für eine Wellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The above object is achieved by a bidirectionally acting rotation lock or lock for a shaft assembly having the features of claim 1.
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.According to the invention, the bidirectional rotation lock comprises a spin-sensitive mechanical device connected at one end to the shaft assembly such that a rotational mold closure is feasible and coupled to the other end with an inertial mass such that when an increased torque is applied, the clutch can be released and the mechanical device can be moved in the axial direction, so that a collapse of the lock takes place. In order to ensure a very rapid collapse of the locking arrangement with hochbeschleunigendem Rücktreibfall, the mechanical arrangement of a concomitant electrical shutdown of an electromagnet is combined, which is in communication with the mechanical device and mounted in the same housing.
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.Preferably, the mechanical device extends along the longitudinal axis of the barrier and has a shaft having a ball-and-slot arrangement at one end thereof. Due to the ball-and-gate arrangement, the mechanical device is coupled to the inertial mass. The ball-and-slot arrangement has at least one ball, which is rotatably mounted in a gate.
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.Preferably, the inertial mass is a flywheel, which has at least one ball backdrop for receiving at least one ball, wherein the ball backdrop corresponds to the ball-and-slot arrangement of the mechanical device.
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.With an acceleration of the shaft of the shaft assembly, the applied torque via the ball-and-slot arrangement causes a transmission to the inertial mass. If a high acceleration, which is caused by the shaft to be braked occurs, then a corresponding high torque is applied, which can not be transmitted via the clutch, because the flywheel is too sluggish.
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.It is considered to be particularly preferred if the two corresponding ball sliders are designed such that a rotation of the ball is ensured at a constant distance from the axis of rotation of the shaft of the mechanical device, wherein the depth of the ball sliders during the rolling of the ball symmetrically reduced in both directions, so that a simple release of the clutch can be realized.
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.Preferably, a spring assembly and to release the lock, an electromagnet are provided for inserting the lock, wherein the electromagnet and the mechanical device are mounted in a common housing, so that its longitudinal axis coincides with the axis of rotation of the shaft of the mechanical device. In this case, the armature of the electromagnet is preferably connected to the shaft by means of a bearing and can move in the axial direction together with the shaft. This happens when the clutch is released. The armature moves from the surrounding coil so much that the electromagnetic field is weakened, resulting in a collapse of the lock.
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.The shaft arrangement of the bidirectionally acting rotation lock or lock preferably has two serrations each with mutually opposite teeth, which can be brought into engagement with serrations of an inner and an outer toothed disc. These are rotatably and axially displaceably arranged in a housing so that the toothed disks successively engage with the teeth of the spur gear teeth when closing the lock. By this arrangement, on the one hand, a bidirectional rotation lock or lock can be provided, which has only a very low rotational play in the braked state and on the other hand rotational direction independent from the turn out can be inserted.
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.Particularly advantageous is considered when the lock has springs which serve to engage the lock, while the electromagnet acts to release the lock against the spring force. In airplanes, a computer typically executes the operation such that upon an actuation request, the correctness of the request is first checked and, upon successful verification, the power supply to the solenoid, which triggers the corresponding lock, is switched.
In Folge wird das Magnetfeld im Elektromagneten auf- bzw. abgebaut. Danach steht Kraft zur Verfügung, um die Sperre zu schalten.As a result, the magnetic field in the electromagnet is built up or broken down. Then there is power available to switch the lock.
Weiterhin kann bevorzugt ein übliches Monitorkonzept bereitgestellt werden, um das Einfallen sicherzustellen, wenn die Drehbeschleunigung für das Ansprechen des drehbeschleunigungssensitiven Mechanismus zu gering ist.Furthermore, it may be preferable to provide a conventional monitor concept to assure incidence when the rotational acceleration for the response of the spin acceleration sensitive mechanism is too low.
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.According to a further preferred embodiment of the invention, in the open position of the barrier, the axial path, the inner Tooth disc covers to its full engagement with its opposite toothing, at least twice as large as the axial distance that the outer toothed disc requires until its complete engagement with its opposite teeth. This ensures that the serrations do not interfere with each other during the engagement process.
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.Advantageously, the teeth are designed as opposite sawtooth profile. By reducing the number of teeth, the maximum speed at which braking can be initiated can be increased. However, this reduces the maximum transmissible torque. Depending on requirements, an optimization can be made here.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Wellenanordnung mittels Wälzlagern drehbar im Gehäuse gelagert ist.A further advantageous embodiment of the invention is that the shaft assembly is rotatably mounted in the housing by means of rolling bearings.
Die Wellenanordnung kann vorteilhaft aus einer Welle und einer gezahnten Buchse bestehen, die mit einem Schraubring und einer Steckverzahnung fest miteinander verbunden sind.The shaft assembly may advantageously consist of a shaft and a toothed sleeve, which are firmly connected to each other with a threaded ring and a spline.
Die im Gehäuse vorgesehenen Zahnscheiben können über auf Umfang gleichverteilt angeordnete Stifte drehfest und axial verschiebbar angeordnet sein.The toothed disks provided in the housing can be arranged in a rotationally fixed and axially displaceable manner via pins distributed uniformly over the circumference.
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.The invention further relates to a brake system for a drive train of slats and landing flap drives or threaded spindle drives for operating trimmable horizontal stabilizers, each having a lock with the features described in more detail above.
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.Furthermore, the invention relates to a threaded spindle drive for the positioning of a trimmable horizontal stabilizer of an aircraft with at least one barrier, which has the aforementioned inventive features. Advantageously, the shaft arrangement corresponds to the running in the threaded spindle of the threaded spindle drive.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:Further features, details and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
Die Wellenanordnung
Die Zahnscheiben
Im geöffneten Zustand, wie er in
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
Wird die Bestromung der Spule
Bei Drehung der Welle
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.A preferred application of the aforementioned barrier results in the realization of a threaded spindle drive for the positioning of a trimable tailplane, in which the tie rod is braked in the threaded spindle. In this application, the speed and torsional rigidity of the tie rod are very low.
Bei einer Anwendung in einem Gewindespindelstellgerät zur Trimmung von Flugzeughöhenleitwerken kann die Welle
Die erfindungsgemäße Sperre weist dabei eine mechanische Vorrichtung
Diese Anordnung ist in der Lage, die Welle
Die mechanische Vorrichtung
Die Welle
Die Welle
Die Form der Kugelkulisse
Wird die Welle
Die Anordnung besitzt zusätzlich eine übliche Überwachung zur Erkennung einer Fehlfunktion in der Art, dass mittels kontinuierlichem Vergleich der kommandierten Drehposition der Welle
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.By reducing the magnitude of the current through the solenoid, the magnetic force, and thus the spin acceleration required to engage the barrier, can be reduced. This situation can be used to advantage for checking the arrangement, such that the current intensity is reduced to such an extent that the maximum spin, which can be generated regularly by the drive of the spindle, is sufficient to cause the barrier to engage. There is thus no access to the threaded spindle actuator required and the test can be carried out automatically. Advantageously, this functional test is carried out immediately after the landing of the aircraft, for example during taxiing of the aircraft to its stand, since at this time the probability is high that an optionally existing, dysfunctional icing is still present within the actuator.
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