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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit einem Spindeltrieb, an dessen Spindelmutter eine translatorische Bewegung abgreifbar ist, und mit einem elektrischen Antrieb zur Betätigung der Spindel.
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Linearaktuatoren mit Spindeltrieb werden zur Ausführung einer translatorischen Bewegung verwendet. Oftmals wird eine Rotationsbewegung der Spindel mit Hilfe eines Antriebs, beispielsweise eines Elektromotors erzeugt. Die entrichtete Antriebsarbeit kann als translatorische Bewegung an der Spindelmutter abgegriffen werden.
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Häufig finden Linearaktuatoren Verwendung in Luftfahrzeugen, um bestimmte Flugzeugkomponenten linear zu bewegen. Hierzu zählt beispielsweise das Fahrwerkbein eines Helikopters bzw. eines Flächenflugzeuges. Die Drehbewegung des Antriebs wird hierbei in eine Axialbewegung umgewandelt, um das Fahrzeugbein ein- bzw. auszufahren.
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Aufgrund der sehr hohen Sicherheitsanforderungen im Luftfahrzeugsektor sind wenigstens zwei unabhängige Betätigungsmechanismen zum Ausfahren des Fahrwerks gefordert, wobei ein erster Betätigungsmechanismus im regulären Betrieb arbeitet und der zweite Betätigungsmechanismus nur im Notfall greifen soll. Beispielsweise soll trotz Fehlfunktion des ersten Betätigungsmechanismus das Fahrwerk zumindest einmalig durch einen weiteren Betätigungsmechanismus ausfahrbar sein.
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Die Verwendung eines redundanten Antriebs zum Verfahren des Linearaktuators ist kostenintensiv, erfordert einen großen Bauraum und führt zugleich zu einer deutlichen und unerwünschten Gewichtszunahme.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lösung für einen Linearaktuator aufzuzeigen, der in einfachster Weise Maßnahmen zur Einhaltung der oben genannten Sicherheitsanforderungen vorsieht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Linearaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Linearaktuators sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
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Die Erfindung schlägt demnach einen Linearaktuator mit einem Spindeltrieb vor, wobei die Spindel durch einen gekoppelten elektrischen Antrieb in Rotation versetzt wird und an dessen Spindelmutter eine translatorische Bewegung abgreifbar ist.
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Erfindungsgemäß ist die Spindel in axialer Richtung auf einer Stange verschiebbar gelagert und bildet mit der Stange einen abgeschlossenen Hohlraum. Der Hohlraum ist durch ein Hydraulikmedium mit Druck beaufschlagt, wodurch die Spindel in der regulären Arbeitsposition auf der Stange gehalten wird. In dieser Arbeitsposition wird eine translatorische Bewegung des Linearaktuators ausschließlich über die Rotation der Spindel und die resultierende Bewegung der Spindelmutter bewirkt. Die Spindel bzw. der Spindeltrieb wird ausschliesslich durch die Flüssigkeitssäule im Hohlraum in der Arbeitsposition gehalten.
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Als alternativer Betätigungsmechanismus sind Mittel vorgesehen, die bedarfsweise eine Druckreduzierung innerhalb des Hohlraums ausführen. Die Druckreduzierung innerhalb des Hohlraums bewirkt, dass der Spindeltrieb, d. h. die Kombination aus Spindel und Spindelmutter, aufgrund ihrer Gewichtskraft in axialer Richtung auf der Stange bewegt wird. In diesem Fall wird eine translatorische Bewegung des Linearaktuators ausschließlich über die Gewichtskraft des Spindeltriebs bzw. einer mit der Spindelmutter verbundenen und zu betätigenden Komponente bewirkt.
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Der erfindungsgemäße Linearantrieb umfasst zwei unabhängige Lastpfade, nämlich einen elektrischen Antrieb unter Verwendung eines Spindeltriebs sowie einen hydraulischen Antrieb durch das Zusammenwirken der hohlen Spindel mit der Kolbenstange. Folglich stehen zwei unabhängige Betätigungsmechanismen des Linearaktuators zur Verfügung, wobei während des regulären Betriebs eine translatorische Bewegung durch den elektrischen Antrieb erreicht wird. Lediglich hilfsweise soll durch Betätigung des Mittels eine Entkopplung vom elektrischen Antrieb erzeugt und eine translatorische Bewegung aufgrund der angreifenden Zuglasten ausgeführt werden.
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Die Kombination aus Stange und hohler Spindel kann als Hydraulikzylinder verstanden werden, wobei die Stange die Kolbenstange und die Spindel den Hydraulikzylinder darstellt. Die Stange erstreckt sich durch den Hohlraum der Spindel. Durch die axiale Verschiebung der Spindel entlang der Stange wird das Volumen des Hohlraums verändert. Die durch die angreifende Gewichtskraft erzeugte axiale Verschiebung des Spindeltriebs führt zu einer Volumenverkleinerung des Hohlraums.
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Üblicherweise ist die Stange ortsfest verbunden und die Linearbewegung wird durch den Zylinder bzw. die Spindel ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Mittel einen steuerbaren Ventilblock, um das Hydraulikmedium bei Bedarf aus dem Hohlraum der Spindel abzulassen und somit das Druckniveau innerhalb des Zylinders zu reduzieren. Vorzugsweise wird das verwendete Hydraulikmedium, beispielsweise ein Hydraulikfluid, besonders bevorzugt Hydrauliköl, in einen Hydrauliktank abgelassen, um zu einem späteren Zeitpunkt darauf zurückgreifen zu können, beispielsweise zur Wiederherstellung der regulären Betriebsposition des Linearaktuators.
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Der Ventilblock steht mit dem Hohlraum über wenigstens einen Kanal fluidisch in Verbindung. Als vorteilhaft erweist sich eine axiale Bohrung durch die Stange, die einerseits in den Hohlraum der Gewindespindel und andererseits in den Ventilblock mündet.
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Zweckmäßig ist die Verwendung eines Kugelgewindetriebes als Spindeltrieb für den erfindungsgemäßen Linearaktuator. Ein Kugelgewindetrieb hat gegenüber herkömmlichen Gleit- bzw. sonstigen Spindeltrieben den Vorteil einer präziseren Ansteuerungsmöglichkeit und zeichnet sich zudem durch geringere Verschleißerscheinungen aufgrund der minimierten Reibungskräfte aus. Die Spindelmutter ist in an sich bekannter Art und Weise mit entsprechenden Kugeln versehen, um eine wälzende Spindel-Mutter-Verbindung zu ermöglichen.
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Der elektrische Antrieb bzw. der Abtrieb des Elektromotors kann unmittelbar mit der Spindel zur Übertragung der Rotationsbewegung in Verbindung stehen. Alternativ kann der Antriebsstrang ein Getriebe zur Auswahl eines gewünschten Übersetzungsverhältnisses zwischen Motordrehzahl und Spindeldrehzahl aufweisen.
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Die Kopplung zwischen Getriebe und Spindel kann idealerweise über eine Axialverzahnung erfolgen, die stirnseitig an der rohrförmigen Spindel vorgesehen ist und in den entsprechenden Gegenpart des Getriebes eingreift. Durch eine axiale Verschiebung der Spindel entlang der Stange wird der Eingriff der Axialverzahnung unterbrochen und eine vollständige mechanische Entkopplung des Spindeltriebs von den Getriebekomponenten bzw. dem elektrischen Antrieb erreicht. In diesem Fall entsteht eine Entkopplung mit zwei Freiheitsgraden, da der Spindeltrieb nicht nur in axialer Richtung frei beweglich, sondern auch frei um seine Längsachse drehbar auf der Stange gelagert ist.
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Es ist denkbar, keine vollständige mechanische Trennung zwischen Getriebe und Spindel herbeizuführen, sondern die Spindel nur in axialer Richtung zu entkoppeln. Dies ermöglicht eine axiale Verschiebung der Spindel aufgrund ihrer Gewichtskraft, gewährleistet jedoch, dass die Spindel weiterhin drehsteif mit dem Getriebe verbunden bleibt.
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Hierzu kann es zweckmäßig sein, das Getriebe der Spindel in axialer Richtung nachzuführen. Es besteht die Möglichkeit, das Getriebe bzw. die auf der Stange angeordnete Getriebekomponente mit einem Teleskopmechanismus zu versehen, der bei einer axialen Bewegung der Spindel in axialer Richtung ein Nachführen des Getriebes bzw. der spindelseitig angrenzenden Getriebekomponente erlaubt. Diese Maßnahme gestattet zumindest für einen Teil des axialen Verschiebewegs eine ein Moment übertragende Verbindung zwischen Getriebe und Spindel. Insbesondere bleibt in diesem Fall das Ineinandergreifen der Axialverzahnung zwischen Getriebe und Spindel bestehen.
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Ein weiterer Vorteil dieser vorteilhaften Ausgestaltung liegt in der möglichen Reversibilität. Aufgrund der aufrechterhaltenen Kopplung zwischen Antrieb und Spindeltrieb kann der durch Gewichtskraft axial verlagerte Spindeltrieb über den elektrischen Antrieb betätigbar und in die Ausgangsstellung zurückversetzbar sein. Im Gegensatz dazu ist bei einer vollständig manuellen Entkopplung zwischen Antrieb und Spindel ein manuelles Zurückführen notwendig.
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Sicherheitsbestimmungen bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Linearaktuators setzen möglicherweise Funktionstests zur Gewährleistung der Integrität des zweiten Betätigungsmechanismus voraus. Beispielsweise sollte in regelmäßigen Abständen überprüft werden, ob bei einer Druckabsenkung eine translatorische Bewegung aufgrund der Gewichtskraft ausgeführt wird. Die oben genannte Reversibilität vereinfacht derartige Tests, da sich diese idealerweise turnusgemäß im Hintergrund unbemerkt ausführen lassen.
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Der Ösenkopf des Linearaktuators, d. h. der Teil des Linearaktuators, der starr mit der Maschine in Verbindung steht, ist vorzugsweise drehsteif und axial unbeweglich mit der Stange, insbesondere der Kolbenstange verbunden. Drucklasten auf den Spindeltrieb lassen sich über eine Schulter in den Ösenkopf des Linearaktuators einleiten, beispielsweise unmittelbar über eine an der Kolbenstange eingeprägte Schulter. Die auf den Spindeltrieb einwirkenden Zuglasten werden, wie bereits vorangehend erläutert, über die Ölsäule innerhalb der Spindel abgefangen.
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Der verwendete Ventilblock umfasst in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einen Druckspeicher, über den der Hohlraum mit einem definierten Druckniveau beaufschlagbar ist. Während des regulären Arbeitsbetriebs des Linearaktuators wird der Druckspeicher über den Ventilblock mit dem Hohlraum der Spindel verschaltet. Über den Druckspeicher wird ein definiertes Druckniveau innerhalb der Spindel gewährleistet. Weiterhin lassen sich geringe Leckagen innerhalb des Systems durch den Druckspeicher ausgleichen.
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Es bietet sich an, die Füllmenge des Druckspeichers sensorisch zu überwachen, beispielsweise unter Verwendung eines Differentialtransformators.
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Weiterhin kann der Ventilblock ein elektrisch betätigbares Kegelsitzventil umfassen, dass den Hohlraum wahlweise mit dem Druckspeicher oder einem Hydrauliktank verschaltet. Die Verschaltung mit einem Hydrauliktank ist nicht zwingend notwendig, da das verwendete Hydraulikmedium für den zweiten Betätigungsmechanismus lediglich abgelassen werden muss. Das Kegelsitzventil ist beispielsweise ein 4/2-Wegeventil, das über einen bekannten elektromagnetischen Mechanismus schaltbar ist. Denkbar ist es, dass das verwendete Kegelsitzventil während des regulären Arbeitsbetriebs des Linearaktuators den Druckspeicher mit dem Hohlraum über ein Rückschlagventil verbindet, so dass lediglich ein Volumenstrom vom Druckspeicher in den Hohlraum der Spindel möglich ist. Zur Absenkung des Druckniveaus kann der Hohlraum über das Wegeventil mit einem Hydrauliktank verschaltet werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass der Hohlraum mit dem Hydrauliktank über eine Drossel in Verbindung steht. Hierdurch wird die Geschwindigkeit des Druckabfalls reduziert, um die axiale Verschiebung des Spindeltriebs abzubremsen. Es ist denkbar, das Drosselventil als Stromregelventil zu gestalten, um so eine Entlagendämpfung für den Linearaktuator zu realisieren.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Fahrwerk für ein Luftfahrzeug, insbesondere für ein Flugzeug oder einen Helikopter, das wenigstens einen erfindungsgemäßen Linearaktuator bzw. eine vorteilhafte Ausgestaltung des Linearaktuators aufweist. Die Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fahrwerks entsprechen offensichtlich denen des Linearaktuators, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
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Der verwendete Linearaktuator dient zum Aus- und Einfahren des Fahrwerks, wobei während des regulären Flugbetriebs der Aus- und Einfahrprozess durch die translatorische Bewegung der Spindelmutter bewirkt wird und während eines Notfallbetriebs, d. h. beim technischen Versagen des regulären Antriebsstrangs, durch eine Reduzierung des Druckniveaus innerhalb der Spindel ein notfallartiges Ausfahren des Fahrwerks aufgrund der Gewichtskraft des gesamten Fahrwerks erreicht wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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In der einzigen Figur ist ein elektromechanischer Linearaktuator EMA gezeigt, der zum Ein- und Ausfahren eines Fahrwerkbeins für Helikopter und Flächenflugzeuge geeignet ist. Aufgrund sehr hoher Sicherheitsanforderungen sind zwei unabhängige Betätigungsmechanismen zum Ausfahren des Fahrwerks gefordert. Dabei muss die Kinematik des Fahrwerks so gestaltet sein, dass dieses aufgrund des Eigengewichts („free fall”) ausfährt. Hierzu verfügt der dargestellte EMA über einen hydraulischen Teil.
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Der dargestellte Linearaktuator ist über seinen Ösenkopf 10 am Luftfahrzeug angeordnet. Mit dem Ösenkopf 10 ist eine Kolbenstange 20 drehsteif und axial unbeweglich verbunden.
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Der reguläre Betätigungsmechanismus zum Ausfahren des Fahrwerks wird durch die Bewegung eines Kugelgewindetriebes bereitgestellt. Dieser umfasst eine auf der Kolbenstange 20 sitzende Kugelgewindespindel 30. Ein Drehmoment wird von einem nicht dargestellten Elektromotor über das Getriebe 70 auf die Kugelgewindespindel 30 übertragen, wodurch diese um ihre Längsachse rotiert.
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Die Kugelgewindespindel 30 weist am Außenumfang ein Gewinde 31 auf, das die Kugelgewindemutter 40 aufnimmt und aufgrund der Rotationsbewegung der Spindel 30 drehrichtungsabhängig in axialer Richtung nach oben bzw. unten bewegt. Die Kugelgewindemutter 40 umfasst in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von Kugeln, die eine wälzende Bewegung der Mutter 40 über das Gewinde 31 der Spindel 30 ermöglichen. An der Kugelgewindemutter 40 ist ein Kardanring 60 angeordnet.
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Das Fahrwerk, d. h. die Kugelgewindespindel 30, kann anwendungs- bzw. situationsabhängig unter Zug- bzw. Drucklast stehen. Die Spindel 30 grenzt stirnseitig an eine in der Kolbenstange 20 ausgeprägte Schulter 32 an. Die auf die Spindel 30 einwirkenden Drucklasten werden unmittelbar in die Kolbenstange 20 bzw. den Ösenkopf 10 eingeleitet.
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Angreifende Zuglasten, beispielsweise aufgrund der Gewichtskraft des Fahrwerkbeins bzw. des Spindeltriebs, werden durch die Ölsäule im Hohlraum 50 der Kugelgewindespindel 30 gehalten. Die Spindel 30 ist hohl und sitzt koaxial auf der Kolbenstange 20 bzw. ummantelt diese, wodurch Spindel 30 und Kolbenstange einen abgeschlossenen Zylinderraum 50 bilden. Der Zylinderraum ist nach unten hin durch die Kolbenstange 20 verschlossen. Der gegenüberliegende Stirnbereich, der an der Kolbenschulter 32 anliegt, weist eine Öffnung 33 zur Durchführung der Kolbenstange auf. Dichtmittel im Bereich der Öffnung 33 dichten den Zylinderraum 50 nach aussen ab.
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Der Hohlraum 50 der Kugelgewindespindel 30 bildet zusammen mit der Kolbenstange 20 einen Hydraulikzylinder, wobei die Kugelgewindespindel 30 in axialer Richtung verschieblich auf der Kolbenstange gelagert ist. In den Zylinderraum 50 ist ein Hydrauliköl eingelassen, dessen Druckniveau die Spindel 30 in der dargestellten Position hält, da eine axiale Verschiebung der Spindel 30 entlang der Kolbenstange 20 in der Zeichnungsebene nach unten zu einer Volumenverringerung des Zylinderraums 50 führen würde. Damit bleibt die Spindel 30 während des regulären Arbeitsbetriebs des Fahrwerks über eine Axialverzahnung 90 in mechanischem Eingriff mit dem Getriebe 70. Das von dem Getriebe 70 von dem Elektromotor übertragene Drehmoment wird somit über die Axialverzahnung 90 auf die Spindel 30 übertragen und versetzt diese in die notwendige Rotationsbewegung.
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Die Kolbenstange 20 weist eine axiale Bohrung 100 auf, die in den Zylinderraum 50 mündet. Zudem steht die axiale Bohrung 100 fluidisch mit dem Ventilblock 110 in Verbindung, so dass Hydrauliköl 50 über die Bohrung 100 in Richtung des Ventilblocks 110 strömen kann.
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Der Hydraulikblock 110 sieht eine Ventilanordnung zur Steuerung des Hydraulikdrucks innerhalb des Zylinderraums 50 vor. Im Einzelnen umfasst der Ventilblock 110 einen Ölfilter 111, der eingangsseitig mit der Axialbohrung 100 in Verbindung steht. Stromabwärts zum Ölfilter 111 befindet sich das 4/2-Wegeventil 112, das elektrisch über eine zentrale Aktuatorsteuerung 118 betätigbar ist.
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Mit dem Wegeventil 112 steht einerseits der Druckspeicher 113 sowie andererseits ein Drosselventil 117 in Verbindung. Die zwei Schaltstellungen des Wegeventils 112 können somit den Zylinderraum 50 wahlweise mit dem Druckspeicher 113 sowie alternativ mit dem Drosselventil 117 und dem nachfolgenden Hydrauliktank T verbinden.
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Über den Druckspeicher 113 wird der Zylinderraum 50 mit einem konstanten Hydraulikdruck beaufschlagt. Zur Sicherheit weist das Wegeventil in dieser Stellung ein Rückschlagventil auf, um einen Rückfluss des Hydrauliköls aus dem Zylinder 50 in Richtung des Druckspeichers 113 zu sperren. Der Druckspeicher sorgt für ein konstantes Druckniveau innerhalb des Hohlraums 5, um die Spindel über die Axialverzahnung 90 in Eingriff mit dem Getriebe 70 zu halten. Daneben lassen sich über den Druckspeicher 113 geringfügige Leckagen ausgleichen.
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Die Füllmenge des Druckspeichers 113 kann über den Differentialtransformator 114 gemessen werden. Über die kommunikative Verbindung wird die Steuerung 118 stets in Kenntnis über den aktuellen Speicherfüllstand gesetzt.
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In einer zweiten Schaltstellung kann der Zylinderraum 50 über das Drosselventil 117 mit einem Hydraulikreservoir T verbunden werden, wodurch das im Zylinderraum 50 befindliche Hydrauliköl in den Tank T abgelassen wird. Das Druckniveau innerhalb des Zylinderraums 50 fällt ab und die Gewichtskraft des Fahrwerkbeins bewirkt eine axiale Verschiebung der Kugelgewindespindel 30 zusammen mit der Gewindemutter 40 entlang des Kolbens 20 nach unten. Hierdurch wird das Fahrwerkbein allein durch seine Gewichtskraft automatisch ausgefahren.
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Neben der durch den Druckverlust im Zylinderraum 50 axialen Bewegungsfreiheit der Spindel 30 ergibt sich auch ein Drehfreiheitsgrad, da die Axialverzahnung 90 nicht mehr eingreift.
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Das Drosselventil 117 besteht aus einer Kombination eines Druckbegrenzungsventils 115 mit einem Stromregelventil 116. Über das Stromregelventil 116 lässt sich die Abflussgeschwindigkeit des Hydrauliköls aus dem Zylinderraum 50 präzise einstellen bzw. regeln. Der gedrosselte Abfluss ermöglicht ohne grossen Aufwand eine Entlagendämpfung des Fahrwerkbeins, wodurch Verriegelungsstreben aufgrund der niedrigeren Strukturlasten kleiner und leichter dimensioniert werden können.
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Die Rücksetzung des Spindeltriebes in die Ausgangslage, d. h. in die dargestellte reguläre Arbeitsposition, erfolgt mit Hilfe einer Wartungsvorrichtung oder einer integrierten hydraulische Pumpen, um den notwendigen Zylinderdruck wiederherstellen zu können.
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In einer alternativen Variante ist es vorstellbar, dass die Getriebeeinheit 70 einer axialen Bewegung der Spindelmuttereinheit 30, 40 nachgeführt wird, beispielsweise durch Einsatz eines Teleskopmechanismus. Dadurch verbleibt die Axialverzahnung 90 während der Axialbewegung in Eingriff. Die Spindel 30 ist durch die Druckreduzierung zwar in axialer Richtung frei beweglich, bleibt aber drehsteif mit dem Getriebe 70 verbunden. Auch bei abgesenktem Spindeltrieb kann ein Drehmoment auf die Spindel erzeugt werden, wodurch sich der Linearaktuator eigenständig in die reguläre Betriebsposition zurückversetzen lässt. Ein Vorteil dieser Anordnung würde darin bestehen, dass turnusgemäße Funktionstests zur Überprüfung des Notfallmechanismus automatisch im Hintergrund ablaufen könnten.
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Der dargestellte erfindungsgemäße Linearaktuator weist einen mechanischen, d. h. ersten Lastpfad, und einen hydraulischen, d. h. zweiten Lastpfad auf. Bei Verklemmen der Spindel oder sonstiger Elemente innerhalb des primären Lastpfades, z. B. einem Getriebeschaden bzw. dem Ausfall des elektrischen Antriebs bzw. dessen elektronischer Ansteuerung, kann durch Betätigung des Kegelsitzventils 112 der mechanische Lastpfad getrennt werden, um das Fahrwerk aufgrund seiner Gewichtskraft ausfahren zu können. Ein Defekt innerhalb des mechanischen Antriebsstrangs lässt sich durch eine geeignete Sensorik feststellen, die mit der Steuerung 118 kommunikativ in Verbindung steht. Daraufhin wird von der Steuerung 118 ein Schaltvorgang des Kegelsitzventils 120 ausgelöst, um die Ölmenge im Zylinderraum 50 zu reduzieren und das Fahrwerk aufgrund seines Eigengewichtes auszufahren.
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Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der vorgeschlagene Linearaktuator eine rein elektrische Ansteuerung ermöglicht. Zudem lässt sich der Aktuator mit einer integrierten Entlagendämpfung ohne zusätzliche Komponenten realisieren. Die Entkopplung der Lastpfade wird allein durch eine hydraulische Schaltung umgesetzt. Optional kann eine automatische Rücksetzbarkeit erreicht werden, indem das Getriebe 70 der Axialbewegung der Spindel 30 nachgeführt wird. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass die Kugelspindel 30 eine doppelte Verwendung findet, nämlich als Spindel eines Spindeltriebes sowie als Hydraulikzylinder einer hydraulischen Anordnung aus Spindel 30 und Kolbenstange 20.
