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Die vorliegende Erfindung betrifft eine primäre Flugsteuerung mit elektromechanischem Stellantrieb und Kupplung.
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Primäre Flugsteuerungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und kontrollieren beispielsweise die Fluglage eines Luftfahrzeugs um dessen Quer-, Hoch- und Längsachse. Bei größeren Luftfahrzeugen ist es dabei bekannt, dass die Steuerungsbefehle des Piloten verstärkt werden. Dies geschieht beispielsweise mit linearen hydraulischen Servo-Stellantrieben, die direkt mit den Steuerflächen des Luftfahrzeugs verbunden sind. Diese Stellantriebe sind in der Lage, große Stellkräfte exakt zu übertragen. Außerdem besteht dabei die Möglichkeit, zusätzliche Kommandos des Autopiloten zu überlagern.
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Die Erfindung betrifft primäre Steuerungen bei Flugzeugen, die mit jeweils mehreren hydraulischen Stellantrieben pro Steuerfläche ausgerüstet sind. Dabei können die Stellantriebe in unterschiedlichen Modi betrieben werden, wie zum Beispiel „active/active“ oder „active/standby“.
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Im Rahmen von Systemvereinfachungen, Kostenreduzierungen und/oder umwelttechnischen Gesichtspunkten geht der Trend bei Flugsteuerungssystemen in Richtung elektromechanischer Stellantriebe. Das heißt, dass die üblichen hydraulischen Stellantriebe durch elektromechanische Servo-Stellantriebe ersetzt werden. Die Drehbewegung eines Elektromotors wird darin über ein mehrstufiges Getriebe entweder für einen linearen Spindelantrieb oder für einen Drehantrieb untersetzt.
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Bei bisher üblichen hydraulischen Stellantrieben kann bauartbedingt von einer Klemmfreiheit der Vorrichtung ausgegangen werden, die zum Beispiel mittels einer Bypass-Schaltung sichergestellt wird. Da immer zwei Stellantriebe gemeinsam mit einer Steuerfläche verbunden sind, ist diese Klemmfreiheit für einen sicheren Flugbetrieb zwingend notwendig, insbesondere dann, wenn einer der zwei Stellantriebe einen Defekt aufweist und die Steuerfläche zu blockieren droht.
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Bei einem mechanischen beziehungsweise elektromechanischen Stellantrieb ist ein blockierter Antriebsstrang als möglicher Fehlerfall durchaus denkbar. So kann bei einem Defekt von einem der beiden Stellantriebe der defekte Stellantrieb ein korrektes Bewegen der Steuerfläche mittels des zweiten, funktionsfähigen Stellantriebs durch Verklemmen verhindern. Diese Problematik stellt ein Sicherheitsrisiko für den Flugbetrieb dar.
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Die
FR 2 970 697 A1 zeigt bereits eine primäre Flugsteuerung mit elektromechanischen Stellantrieb, Getriebe, Kupplung und Abtrieb, wobei die Kupplung zwischen dem elektromechanischen Stellantrieb und dem Abtrieb vorgesehen ist. Aus der
DE 10 2011 108 535 A1 ist grundsätzlich eine hydraulische Motor- Pumpen- Anordnung und ein Hydrauliksystem für ein Fahrzeug bekannt. Weitere gattungsgemäße Antriebe oder diese betreffende Komponenten sind aus der
GB 2017 843 A ,
US 4 762 205 A und der
DE 195 47 316 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine primäre Flugsteuerung mit elektromechanischem Stellantrieb in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine primäre Flugsteuerung mit elektromechanischem Stellantrieb, Getriebe, Kupplung und Abtrieb nach Anspruch 1 gelöst, wobei die Kupplung zwischen dem elektromechanischen Stellantrieb und dem Abtrieb vorgesehen ist. Des Weiteren wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Um die Verfügbarkeit beziehungsweise Beweglichkeit der Steuerfläche bei fehlerhafter Blockade eines der Stellantriebe weiterhin sicherzustellen, ist es notwendig, die Verbindung zwischen der Steuerfläche und dem blockierten Stellantrieb mechanisch zu trennen. Dies wird erfindungsgemäß durch die rasche Trennung des Antriebsstrangs des elektromechanischen Stellantriebs mittels der lösbaren und formschlüssigen Kupplung zwischen beispielsweise der letzten Getriebestufe und dem Abtrieb beziehungsweise der Steuerfläche ermöglicht. Die Trennung kann dabei unter allen Betriebsbedingungen, insbesondere auch unter Last und in kürzester Zeit sicher und dauerhaft erfolgen. Vergleichbare Anwendungen im Bereich von Flugsteuerungen sind bisher nicht bekannt, da elektromechanische Stellantriebe üblicherweise nur dort eingesetzt werden, wo ein Klemmen auf Systemebene ausgeglichen werden kann.
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In einem besonderen Ausführungsbeispiel ist dabei denkbar, dass als Abtrieb eine Steuerfläche und/oder eine Abtriebskinematik vorgesehen ist.
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Die Erfindung kann somit vorteilhafterweise sowohl direkt an Steuerflächen als auch an periphere mechanische Bereiche angeschlossen sein, wodurch eine vorteilhaft hohe Flexibilität beim Einsatz der Erfindung ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß weist die Kupplung eine Nabe und eine Hülse auf. Darin vorgesehen sind ein Auslösemechanismus, eine Schaltwelle, wenigstens ein Klemmkörper und wenigstens eine Strebe, wobei die Schaltwelle mittels des Auslösemechanismus bewegbar ist und mittels der wenigstens eine Strebe mit dem wenigstens einen Klemmkörper verbindbar ist, und wobei der wenigstens eine Klemmkörper mittels der wenigstens einen Strebe relativ zu Nabe und Hülse zum Ändern des Kupplungszustands der Kupplung bewegbar ist.
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Vorteilhafterweise wird so eine besonders kompakte Flugsteuerung mit Kupplung bereitgestellt, welche eine modulare Bauweise ermöglicht. Für die Kupplung selbst ist dabei keine zusätzliche Lagerung erforderlich, was ihren Einsatz in Luftfahrzeugen erleichtert. Ihre auch dadurch leichte Integrierbarkeit ermöglicht mannigfaltige und flexible Betätigungsvarianten beziehungsweise Einsatzmöglichkeiten.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass an der Nabe wenigstens eine Führungsöffnung und an der Hülse wenigstens eine Mitnehmerausnehmung für den wenigstens einen Klemmkörper vorgesehen ist.
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Durch die entsprechend angeordneten Führungsöffnungen beziehungsweise Mitnehmerausnehmung kann ein besonders vorteilhaft spielfreier Betrieb der Kupplung auch bei wechselnden Lastrichtungen sichergestellt werden und eine hohe Drehmomentkapazität durch Formschluss im Bereich des maximalen Durchmessers der Kupplung erreicht werden. Es wird somit vorteilhafterweise die maximale, insbesondere radiale Ausdehnung der Kupplungskomponenten zur Momentübertragung genutzt, auch kann dabei die Trennung des Antriebsstrangs vorteilhafterweise unter maximalen Betriebslasten durchgeführt werden.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass an der Schaltwelle wenigstens eine Ausnehmung vorgesehen ist, in die die wenigstens eine Strebe einklappbar und/oder aus der die wenigstens eine Strebe ausklappbar ist. Die Ausnehmung an der Schaltwelle ermöglicht dabei eine vorteilhaft kompakte Bauweise der Kupplung.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist denkbar, dass die Schaltwelle über eine Feder mit Nabe oder Hülse gekoppelt ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dabei denkbar, dass die Kupplung durch die Federkraft der Feder schließbar oder öffenbar ist.
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Dies kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn ein Öffnen oder Schließen der Kupplung passiv, das heißt ohne Einwirken durch Pilot oder Autopilot erwünscht ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann dabei vorgesehen sein, dass der Kupplungszustand durch Betätigen des Auslösemechanismus änderbar ist.
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Dabei ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel denkbar, das so ausgeführt ist, dass der Auslösemechanismus wenigstens einen Elektromagneten und/oder wenigstens einen elektromechanischen Stellantrieb und/oder wenigstens einen pyrotechnischen Aktuator und/oder wenigstens einen Hydraulikzylinder und/oder wenigstens einen Pneumatikzylinder und/oder wenigstens eine manuelle Verriegelung umfasst.
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Der Auslösemechanismus kann somit vorteilhafterweise an das jeweilige spezielle Anwendungsgebiet angepasst werden und beispielsweise unabhängig von etwaigen Hauptsystemen der primären Flugsteuerung beziehungsweise des Luftfahrzeugs betrieben werden. Ein elektromechanischer Stellantrieb kann dabei je nach Anforderung als Spindel, Exzenter oder als Kurvenscheibe ausgeführt sein.
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Weiterhin ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel denkbar, dass Nabe und Hülse einen Verbindungsbereich mit Drehlager aufweisen.
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Kommt es zu einem Öffnen der Kupplung, können somit vorteilhafterweise Nabe und Hülse reibungsarm relativ zueinander rotieren, so dass eine erwünschte Relativbewegung zwischen Steuerfläche und defektem Stellantrieb nicht behindert wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißreduktion des Getriebes der Flugsteuerung im Betrieb. Typisch regelt ein Flugsteuerungsantrieb um die Nullposition oder im Bereich typischer Ausschläge der Klappe, und es entsteht an diesen Stellen ein erhöhter Verschleiß. Da diese Kupplung nur im Fehlerfall, typischerweise beim Klemmen, betätigt wird, kann durch gezielte Neupositionierung der Kupplung, d.h. durch Öffnen und Schließen der Kupplung beispielsweise nach einer 120° Drehung, als Verbindung zwischen Getriebe und Steuerfläche eine Lebensdauerverlängerung erreicht werden. Das Erkennen eines erhöhten Verschleißes kann durch sogenanntes „Health Monitoring“ - in diesem Fall typisch durch Vergleich der Motorwellenposition und der Klappenposition als Hysteresetest festgestellt werden. Dieses Verfahren kann sowohl im Flugzeug „in situ“ oder am Prüfstand als Fehlerbehebung für zu großes Spiel oder Hysterese im Rahmen von Wartungsarbeiten durchgeführt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher dargestellt werden.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung von Flugsteuerungen und Steuerfläche;
- 2a: eine seitliche Schnittansicht einer Kupplung;
- 2b: eine frontale Schnittansicht einer Kupplung;
- 3a: eine seitliche Schnittansicht einer Kupplung in geschlossenem Zustand; und
- 3b: eine seitliche Schnittansicht einer Kupplung in geöffnetem Zustand.
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1 zeigt zwei primäre Flugsteuerungen 1, die mit einer Steuerfläche 100 gekoppelt sind und diese schwenken können. Fällt eine der beiden Flugsteuerungen 1 aus, so besteht die Möglichkeit, dass die defekte Flugsteuerung 1 blockiert und so ein Verschwenken der Steuerfläche 100 durch die andere, nicht defekte Flugsteuerung 1 unmöglich macht. Die erfindungsgemäße Flugsteuerung 1 ermöglicht es, die blockierende Flugsteuerung 1 der beiden Flugsteuerungen 1 von der Steuerfläche 100 zu entkoppeln und so einen weiteren sicheren Flugbetrieb zu gewährleisten. Anderenfalls müsste eine klemmende Flugsteuerung 1 an einer Steuerfläche 100 auf eine andere Art und Weise kompensiert werden. Die Flugsteuerung 1 müsste zum Beispiel so ausgelegt sein, dass mit einer voll ausgefahrenen klemmenden Steuerfläche 100 das Flugzeug noch sicher kontrolliert werden kann. Der Flug muss dabei meistens abgebrochen werden, woraus in der Regel Sicherheitslandungen mit erhöhter Crewbelastung resultieren.
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2a zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Kupplung 2 einer primären Flugsteuerung 1 in einem passiv geschlossenen Zustand. Hierbei wird eine in der Nabe 8 axial verschiebbar gelagerte Schaltwelle 4 von einer Feder 5 in einer äußerst linken Stellung der Schaltwelle 4 gehalten. Hierdurch wird wenigstens ein Klemmkörper 6 mit wenigstens einer Strebe 7, die den Klemmkörper 6 mit der Schaltwelle 4 koppelt, in einer radial maximal äußeren Stellung gehalten. Dadurch kann der Klemmkörper 6 in Formschluss mit sowohl der Nabe 8 als auch der Hülse 9 treten, wodurch ein Drehmoment zwischen Nabe 8 und Hülse 9 mittels des Klemmkörpers 6 übertragbar ist.
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Stellt nun die Nabe 8 einen Kupplungsausgang 10 und die Hülse 9 einen Getriebeausgang 11 der Kupplung 2 dar, wobei zum Beispiel die Hülse 9 mit der Abtriebskinematik oder direkt mit der Steuerfläche 100 verbunden sein kann, so befindet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kupplung 2 in einem geschlossenen Zustand und die drei Klemmkörper 6 in 2b verbinden über Eingriffszonen 12 Nabe 8 und Hülse 9 formschlüssig miteinander.
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Der Auslösemechanismus 13 kann die Schaltwelle 4 entgegen der Feder 5 bei Bedarf nach rechts bewegen, so dass Klemmkörper 6 von ihrer radial äußersten Stellung mittels der Strebe 7 nach innen bewegt werden und die Kupplung 2 geöffnet wird. Um dabei im geöffneten Zustand der Kupplung 2 ein reibungsarmes Rotieren von Nabe 8 und Hülse 9 relativ zueinander zu ermöglichen, sind Nabe 8 und Hülse 9 über einen Verbindungsbereich 14 mit Drehlagern verbunden.
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3a zeigt eine Kupplung 2 in detaillierter Schnittansicht und in eingekuppeltem Zustand. Hierbei ist zu erkennen, dass der über eine Strebe 7 mit der Schaltwelle 4 schwenkbar gekoppelte Klemmkörper 6 durch axiale Bewegung (Pfeil) der Schaltwelle 4 in radiale Bewegung versetzt werden kann.
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So ist in 3b der Klemmkörper 6 von der Hülse 9 nach innen versetzt dargestellt, da die Schaltwelle 4 axial in Pfeilrichtung nach rechts versetzt ist.
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Die Streben 7 können bei maximaler Verschiebung in einer Endposition, das heißt in einer Position, in der die Klemmkörper 6 an einem radial äußersten Punkt positioniert sind, auch verkniet sein, wie dies in 3a angedeutet ist. Somit ist eine Kupplung 2 realisierbar, in der keine zusätzlichen externen Lasten auftreten und die durch die in ihr auftretende perfekte Kräftebalance minimale Deaktivierungskräfte und minimale Schließkräfte benötigt. Die Formgebung der Klemmkörper 6 ist dabei so gestaltet, dass bei hoher Umfangslast auch eine radiale Last auf die Klemmkörper 6 und die Verknieung der Streben 7 einwirkt. Diese Gestaltung und die Verknieung sind für die hohe Drehmomentkapazität und zugleich vergleichsweise niedrigen Betätigungs-/Haltekräfte der Kupplung 2 verantwortlich. Eine Lasttrennung ist dabei auch unter maximaler Belastung durch die Geometrie der Klemmkörper 6 einstellbar.
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Allgemein ist die Kupplung 2 dabei je nach Positionierung der Feder 5 in den folgenden beiden Kupplungsvarianten realisierbar:
- a) Kupplung 2 passiv geschlossen - Kupplung 2 wird durch Federkraft der Feder 5 geschlossen gehalten; und
- b) Kupplung 2 passiv geöffnet - Kupplung 2 wird durch Federkraft der Feder 5 geöffnet gehalten.
