DE102013010084A1

DE102013010084A1 - Ein- Ausfahrmechanik mit mechanischer Verriegelung in den Endstellungen für Triebwerke / Antriebe in Flugzeugen

Info

Publication number: DE102013010084A1
Application number: DE201310010084
Authority: DE
Inventors: Christian Etter; Felix Ruof
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Ausfahrmechanik für Flugzeuge welche eine Antriebseinheit (1) und mindestens einer Befestigungsplatte (6) und mindestens einem Befestigungsspannt (12) im Flugzeugrumpf (17), mit mindestens einem Antriebsarm (5) und mindestens eine Triebwerksbefestigung (7) aufweist, an der eine Triebwerksaufnahme (9), auf der ein Triebwerk (8) sitzt, befestigt ist, wobei das Triebwerk (8) aufgrund der Ausfahrmechanik zwischen einer ein- und ausgefahrenen Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsarm (5) um eine Schwenkachse (22) drehend antreibbar gelagert ist und über eine Kulissenführung (16), die eine Kulissenachse (25) aufweist, in der mindestens ein Kulissenstein (20) geführt ist, welcher an einem Kulissensteinhebel (3), der eine Hebelachse (24) aufweist in einer Antriebsachse (21) drehend antreibbar gelagert ist, befestigt ist, wobei zwischen der Hebelachse (24) und der Kulissenachse (25) in eingefahrener und/oder in ausgefahrener Stellung ein Winkel α vorliegt, der in einem Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere von 90° liegt was eine selbsthemmende mechanische Verriegelung erzeugt, bei der die Antriebseinheit (1), welche den Kulissensteinhebel (3) über die Antriebsachse (21) antreibt, im Wesentlichen nur noch geringe Kräfte und Haltemomente ausgesetzt ist, betätigt wird.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Ausfahrmechanik für ein Triebwerk in einem Flugzeug.
Solche Ausfahrmechaniken bestehen bereits und sind in dem Video http://vimeo.com/43021417 und auf den Internetseiten http://www.lf-technik.de/shop/Ausfahr-Impeller-Klapp-Impeller/Jet-Extender-10-Ausfahr-Impeller-Klapp-Impeller::4876.html sowie auf http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/388259-Klappimpeller-ist-fertig dargestellt und beschrieben.
Die Idee ein ausfahrbares Triebwerk in einem Flugzeug, speziell in einem Segelflugzeug, zu integrieren, hatte bereits in den 50er Jahren der deutsche Segelflugpionier Wolf Hirth. Bei Streckenflügen konnte dadurch das Risiko einer Außenlandung, bei fehlenden Aufwindfeldern, verringert werden.
Bei bisherigen Ausfahrmechaniken für Flugzeuge werden die Triebwerke mittels eines Klappmechanismus oder einer Linearführung ausgefahren. Bei einem Klappmechanismus wird ein Tragarm um eine Schwenkachse heraus geschwenkt, wobei das Triebwerk im Rumpf bzw. am Ende des Tragarmes sich befindet und direkt über einen Zahn- und Keilriemen angetrieben wird. Bei einer Linearführung wird das Triebwerk über eine Führung geradlinig aus- und eingefahren und mittels eines Zahnstangen- oder Spindelantriebes betätigt. Bei diesen beiden Varianten werden die Haltekräfte ausschließlich von den Antrieben aufgenommen und sind somit Schockbelastungen bei z. B. Landungen, Turbulenzen oder hohen G-Belastungen ausgesetzt und dadurch stark belastet. Durch diese ständigen Belastungen wird die Lebensdauer der Antriebe deutlich gesenkt.
Bei heutigen Ausfahrmechaniken mittels Klappmechanismus sind die Schwerpunktveränderungen beim Ein- und Ausfahren relativ groß. Zudem benötigen sie großvolumige Rümpfe, um die Mechanik im Rumpf unter zu bringen. Im ein- und ausgefahrenen Zustand werden diese Mechaniken nicht bzw. nicht ausreichend verriegelt, um einen sicheren Betrieb bei Belastungen zu gewährleisten.
Gemäß dem Stand der Technik wurde versucht, eine neuartige Verriegelung im ein- und ausgefahrenem Zustand der Mechanik zu entwerfen, die Einbaumaße der Mechanik für schlanke Rümpfe zu realisieren sowie die Schwerpunktverlagerung zu minimieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ausfahrmechanik für Flugzeuge zu entwickeln, speziell für Segelflugzeuge oder Motorsegler, welche eine Entkoppelung der Haltekräfte und Momente auf die Antriebseinheit im ein- und ausgefahrenem Zustand ermöglicht. Die Antriebseinheit muss hauptsächlich die Kraft bzw. Moment für den Ein- und Ausfahrvorgang aufbringen. Zudem sollen die Einbaumaße der Ausfahrmechanik für extrem schlanke Rümpfe minimiert und die Schwerpunktverlagerung beim Ein- und Ausfahren gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Ausfahrmechanik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Diese Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, dass die Ausfahrmechanik im Heck des Rumpfes befestigt wird, wobei das Triebwerk vor der Mechanik, nahe des Schwerpunktes des Flugzeuges angeordnet ist. Die Ein- und Ausfahrbewegung des Triebwerkes wird mittels eines Antriebsarmes durchgeführt. Der Antriebsarm ist schwenkbar gelagert und weist eine Kulissenführung auf, in der ein Kulissenstein linear geführt ist. Der Kulissenstein führt mittels eines Hebels, welcher in der Antriebsachse gelagert ist, eine Schwenkbewegung aus. Dieser Hebel steht im ein- und ausgefahrenem Zustand in einem Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere von 90°, zur Kulissenführung und erzeugt dabei eine mechanische Verriegelung wobei keine Momente auf die Antriebsachse wirken. Somit wirken auf die Antriebseinheit keinerlei Kräfte und Momente.
Durch diese spezielle Einbauweise und dem kompakten Design kann die Ausfahrmechanik in extrem schlanken bzw. stark einschnürenden Rümpfen problemlos verbaut werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das schwere Triebwerk im eingefahrenem Zustand näher als bestehende Ausfahrmechaniken am Schwerpunkt platziert werden und dadurch Gewichtsersparnisse, wie z. B. Ausgleichsgewicht in der Rumpfnase, realisiert werden.
Da die Positionen des Triebwerkes im ein- und ausgefahrenem Zustand nahezu auf einer Linie senkrecht zur Flugachse liegen, verändert sich der Schwerpunkt des Flugzeuges in den beiden Endpositionen nur sehr gering.
Durch die Anordnung der Drehachse für den Führungs- und Antriebsarm, wird das Triebwerk im eingefahrenem Zustand in Richtung der oberen Rumpfkontur parallel geneigt. Wiederum im ausgefahrenen Zustand wird dadurch eine optimale Neigung des Triebwerkes erreicht, um dem aufkommendem Nickmoment, welches durch die Schubkraft und dem Abstand zum Flugzeugschwerpunkt erzeugt wird, verringert.
Macht es die Abstimmung notwendig, kann ein Triebwerk mit langem Auslasskonus verbaut werden, welcher im eingefahrenen Zustand zwischen den Befestigungsplatten ausreichend Platz hat. Die Abmessungen und Gegebenheiten der Ausfahrmechanik müssen bei solch einem Triebwerk nicht verändert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Antriebsmotor, insbesondere ein Elektromotor, zum Betätigen des Kulissenstein-Hebels für das Ein- und Ausfahren der Mechanik vorgesehen ist. Diese Antriebseinheit kann beispielsweise durch einen Servo, Linearmotor oder Motor betrieben werden.
Der Antriebshebel kann unter anderem durch ein Zahnrad, Schneckenrad, Riemenrad oder eine Torsionsstange betätigt werden. Des Weiteren kann die Antriebseinheit direkt auf die Drehachse des Kulissensteines positioniert werden.
Für den Ein- und Ausfahrvorgang wirkt eine Torsionsfeder entgegen der Gewichtskraft des Triebwerkes. Diese sitzt auf der Drehachse des Antriebsarmes und erzeugt nahezu ein Kräftegleichgewicht um die Kräfte und Momente auf die Antriebseinheit so gering wie möglich zu halten.
Es sind erfindungsgemäß für die Lagerung der Wellen und Achsen des Kulissensteins, Antriebarms, Führungsarms und Triebwerksaufnahme Lagerbuchsen vorgesehen.
Die Positionen der Achsen für Antriebs- und Führungsarm in der Befestigungsplatte erzeugen die gewünschte Neigung des Triebwerkes im ein- und ausgefahrenem Zustand.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Führungsarm, im Bereich der Triebwerksaufnahme eine Krümmung auf, um keine Kollision mit dem Triebwerk zu erzeugen.
Die Befestigungspunkte der Triebwerksaufnahme sind mit einem optimalen Abstand zueinander positioniert, um eine größtmögliche Steifigkeit der Ausfahrmechanik zu erreichen.
Es ist erfindungsgemäß eine unkomplizierte Befestigung des Triebwerkes mittels einer Triebwerksbefestigung, welches an das Triebwerk angebracht werden kann und über eine Schraube schnell und einfach an die Ausfahrmechanik montiert bzw. demontiert wird. Die Triebwerksbefestigung sitzt formschlüssig in der Triebwerksaufnahme und kann somit nicht falsch montiert werden.
1 zeigt eine Seitenansicht der Ausfahrmechanik in ausgefahrener Stellung mit der entsprechenden mechanischen Verriegelung zwischen Kulissensteinführung und Kulissensteinhebel mit vergrößerter Einzelheit.
2 zeigt eine Seitenansicht der Ausfahrmechanik in ausgefahrener Stellung, mit vergrößerter Darstellung der mechanischen Verriegelung zwischen Kulissensteinführung und Kulissensteinhebel.
3 zeigt eine Seitenansicht der Ausfahrmechanik in eingefahrener Stellung mit der entsprechenden mechanischen Verriegelung.
4 zeigt eine Vorderansicht der Ausfahrmechanik in ausgefahrener Stellung mit der entsprechenden mechanischen Verriegelung zwischen Kulissensteinführung und Kulissensteinhebel.
Die in 1 dargestellte Ausfahrmechanik verfügt über zwei gegenüber liegende Befestigungsplatten (6), welche am Befestigungsspannt (12) montiert sind. Die Befestigungsplatten (6) sind vorzugsweise in CFK. Sandwichbauweise ausgeführt. In den Befestigungsplatten (6) befinden sich die Hauptlagerstellen für den Antriebsarm (5), Führungsarm (4) und Kulissensteinhebel (3).
Der Kulissensteinhebel (3) ist mittig zwischen den beiden Befestigungsplatten (6) positioniert und greift mit dem Kulissenstein (20) in die Kulissenführung (16) des Antriebsarmes (5) ein.
Der Kulissensteinhebel (3) wird über die Antriebsachse (21) mittels des Antriebshebels (2) betätigt. In den Endstellungen steht der Kulissensteinhebel (3) jeweils nahezu senkrecht in einem Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere von 90°, zur Kulissenführung (16), welches eine mechanische Verriegelung bzw. Selbsthemmung erzeugt und dadurch keinerlei entstehende Kräfte und Momente durch Erschütterungen auf die Antriebseinheit (1) übertragen werden. Die Antriebseinheit (1) muss somit hauptsächlich die Kraft bzw. Moment für die Aus- und Einfahrbewegung aufbringen und ist keinerlei Haltekräften und Momenten im ein- und ausgefahrenem Zustand ausgesetzt.
Der Antriebshebel (2) wird über die Antriebseinheit (1), welche auf der Befestigungsplatte (6) montiert sein kann, angetrieben.
Für das Ein- und Ausfahren der Ausfahrmechanik sitzt eine Torsionsfeder (15) auf der Schwenkachse (22) des Antriebsarmes (5), welche der Gewichtskraft FG des Triebwerkes (8) und den aufkommenden Momenten entgegenwirkt und die Kräfte und Momente auf die Antriebseinheit für das Ein- und Ausfahren gering hält.
Durch das Gewicht des Triebwerks (8) und der Hebellänge des Antriebsarmes (5) kann das entstehende Moment variieren und mittels der Torsionsfeder (15) in verschiedenen Ausführungsstärken kompensiert werden.
Die Ein- und Ausfahrbewegung der Mechanik geht vom Antriebsarm (5) aus. Das benötigte Moment für die Ein- und Ausfahrbewegung wird über die Antriebsachse (21) auf der ein Kulissensteinhebel (3) mit Kulissenstein (20) sitzt über die Kulissenführung (16) auf den Antriebsarm (5) übertragen.
Die Lagerstellen des Führungsarmes (4) sind so positioniert, dass in der Hubbewegung das Triebwerk (8) sich im eingefahrenem Zustand parallel zur oberen Rumpfkontur neigt und im ausgefahrenem Zustand parallel zur Flugrichtung (19) liegt.
Im oberen Bereich der Befestigungsplatten (6) ist für den Auslasskonus (14) des Triebwerkes (8) ausreichend Platz im eingefahrenen Zustand.
Die Befestigung des Triebwerkes (8) an der Mechanik erfolgt über die Triebwerksbefestigung (7) welche über eine Befestigungsschraube (13) an der Triebwerksaufnahme (9) formschlüssig verschraubt wird.
Die Stromkabel für das Triebwerk (8) werden durch die Triebwerksbefestigung (7) entlang des Antriebsarmes (5) in den Flugzeugrumpf (17) geführt.
Durch die nahezu senkrechte Ein- und Ausfahrbewegung der Ausfahrmechanik gegenüber der Flugrichtung (19) können die Triebwerksklappen (18) im Flugzeugrumpf (17) auf ein Minimum der benötigten Klappengröße reduziert werden.
Die herausragenden Vorteile der Ausfahrmechanik bestehen darin, dass die Antriebseinheit im ein- und ausgefahrenem Zustand keinerlei Haltekräften und Momenten ausgesetzt ist. Dies wird ermöglicht durch einen Kulissensteinhebel der über eine Antriebsachse betätigt wird, welcher in den Endstellungen einen Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere 90°, zur Kulissenführung bildet, wodurch eine mechanische Verriegelung bzw. Selbsthemmung erzeugt wird und keinerlei entstehenden Kräfte und Momente durch Erschütterungen auf die Antriebseinheit übertragen werden. Die Antriebseinheit muss somit hauptsächlich die Kräfte und Momente für die Aus- und Einfahrbewegung aufbringen und ist keinerlei Haltekräften und Momenten im ein- und ausgefahrenem Zustand ausgesetzt. Aufgrund der Anordnung der Ausfahrmechanik ist das Gewicht des Triebwerkes unmittelbar am Flugzeugschwerpunkt positionierbar. Dadurch können die Trimmgewichte in der Rumpfnase reduziert werden, was ein deutlicher Gewichtsvorteil ergibt. Für Wartung, Umbau und Reparaturen kann die Ausfahrmechanik einfach durch die Triebwerksöffnung im Rumpf entnommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Antriebshebel
3: Kulissensteinhebel
4: Führungsarm
5: Antriebsarm
6: Befestigungsplatte
7: Triebwerksbefestigung
8: Triebwerk
9: Triebwerksaufnahme
10: Lagerbuchse
11: Flugzeugschwerpunkt
12: Befestigungsspannt
13: Befestigungsschraube
14: Auslasskonus des Triebwerkes
15: Torsionsfeder
16: Kulissenführung
17: Flugzeugrumpf
18: Triebwerksklappen
19: Flugrichtung
20: Kulissenstein
21: Antriebsachse
22: Schwenkachse
23: Führungsachse
24: Hebelachse
25: Kulissenachse
26: Winkel α

Materialiste:
Die Befestigungsplatten (6), Führungsarm (4), Antriebsarm (5), Kulissensteinhebel (3), Kulissenstein (20), Triebwerksbefestigung (7), Triebwerksaufnahme (9) und Befestigungsspannt (12) kann mit folgenden Materialien hergestellt werden: CFK, GFK, AFK, Alu, Titan, Stahl, PE, PA, Peek, Holz, ...
Diese Materialien können auch als Laminat, Sandwich oder Guss verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://vimeo.com/43021417 [0002]
http://www.lf-technik.de/shop/Ausfahr-Impeller-Klapp-Impeller/Jet-Extender-10-Ausfahr-Impeller-Klapp-Impeller::4876.html [0002]
http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/388259-Klappimpeller-ist-fertig [0002]

Claims

Ausfahrmechanik für Flugzeuge welche eine Antriebseinheit (1) und mindestens einer Befestigungsplatte (6) und mindestens einem Befestigungsspannt (12) im Flugzeugrumpf (17), mit mindestens einem Antriebsarm (5) und mindestens eine Triebwerksbefestigung (7) aufweist, an der eine Triebwerksaufnahme (9), auf der ein Triebwerk (8) sitzt, befestigt ist, wobei das Triebwerk (8) aufgrund der Ausfahrmechanik zwischen einer ein- und ausgefahrenen Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsarm (5) um eine Schwenkachse (22) drehend antreibbar gelagert ist und über eine Kulissenführung (16), die eine Kulissenachse (25) aufweist, in der mindestens ein Kulissenstein (20) geführt ist, welcher an einem Kulissensteinhebel (3), der eine Hebelachse (24) aufweist in einer Antriebsachse (21) drehend antreibbar gelagert ist, befestigt ist, wobei zwischen der Hebelachse (24) und der Kulissenachse (25) in eingefahrener und/oder in ausgefahrener Stellung ein Winkel α vorliegt, der in einem Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere von 90° liegt was eine selbsthemmende mechanische Verriegelung erzeugt, bei der die Antriebseinheit (1), welche den Kulissensteinhebel (3) über die Antriebsachse (21) antreibt, im Wesentlichen nur noch geringe Kräfte und Haltemomente ausgesetzt ist, betätigt wird.
Ausfahrmechanik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jede Befestigungsplatte (6) je eine Antriebsachse (21) in der ein Kulissensteinhebel (3), eine Schwenkachse (22) in der ein Antriebsarm (5) und eine Führungsachse (23) in der ein Führungsarm (4) gelagert ist, aufweist.
Ausfahrmechanik nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungsplatte (6) eine Befestigungsmöglichkeit aufweist, an der eine Antriebseinheit (1) zum Antreiben des Antriebshebels (2) positioniert ist.
Ausfahrmechanik gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebshebel (2) über eine Welle, welche in der Antriebsachse (21) gelagert ist, starr mit dem Kulissenstein (3) verbunden ist.
Ausfahrmechanik gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (22) und Führungsachse (23) jeweils mit einer Buchse (10) gelagert ist.
Ausfahrmechanik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hebelachse (24) und der Kulissenachse (25) im ein- und ausgefahrenem Zustand ein Winkel α vorliegt, der in einem Winkelbereich von 70° bis 110°, insbesondere von 90°, liegt und somit in diesem Winkelbereich eine selbsthemmende mechanische Verriegelung erzeugen, wodurch keine mechanischen Haltekräfte und Haltemomente auf die Antriebseinheit (1) wirken.
Ausfahrmechanik gemäß einen der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsarm (5) die Hubbewegung der Ausfahrmechanik steuert, wobei der Führungsarm (4) die Neigung des Triebwerkes bestimmt.
Ausfahrmechanik gemäß einen der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Triebwerk (8) im ein- und ausgefahrenem Zustand nahe des Flugzeugschwerpunktes (11) und durch die nahezu senkrechte Ein- und Ausfahrbewegung zur Flugrichtung (17) keine Schwerpunktveränderungen des Flugzeuges erzeugt werden.
Ausfahrmechanik gemäß einen der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Momente und Kräfte, welche durch die Masse des Triebwerkes (8) und der Hebellänge des Antriebsarmes (5) entstehen, über eine Torsionsfeder (15) ausgeglichen werden.
Ausfahrmechanik gemäß einen der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksaufnahme (9) formschlüssig mit der Triebwerksbefestigung (7) mittels einer Befestigungsschraube (13) verbunden ist.