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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung einer aerodynamisch wirksamen Fläche, insbesondere zur Verwendung in oder an einem Tragflügel eines Starrflügel-Flugzeuges. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Fehlern im Antrieb einer Betätigungsvorrichtung der eingangs genannten Art.
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Die
DE 103 13 728 A1 offenbart ein Klappensystem am Tragflügel eines Starrflügel-Flugzeuges, wobei das Klappensystem von einer flugzeuginternen Flugsteuerungseinrichtung zentral überwacht wird, wobei die Flugsteuerungseinrichtung während des Fluges mit aktuellen Flugdaten versorgt wird und in Abhängigkeit dieser Daten entsprechende Stellinformationen zur Veränderung von am Tragflügel angeordneten Vorder- und Hinterkantenklappen ableitet. Die einzelnen Hinterkantenklappen verfügen zur Änderung der individuellen Position über Antriebsstationen, welche über eine gemeinsame Transmissionswelle mit einer zentralen Antriebseinheit verbunden sind. Die zentrale Antriebseinheit verfügt über jeweils einer Bremse, wobei eine Bremse funktional der Transmissionswelle in dem linken Flügel zugeordnet ist und eine weitere Bremse der Transmissionswelle in dem rechten Flügel zugeordnet ist. Beide Antriebe treiben ein Differenzialgetriebe mit zwei Freiheitsgraden an. D.h. beide Bremsen an zentraler Antriebseinheit müssen funktionieren, um den Transmissionswellenstrang zu fixieren. Nach dem Differenzialgetriebe sind alle Wellen fest miteinander gekoppelt, sodass dort eine Bremse ausreichend ist, um das gesamte System zu halten. Darüber hinaus verfügt jede Transmissionswelle im Bereich des jeweiligen Flügelendes über eine Wellenbremse der Transmissionswelle.
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Die
DE 10 2007 023 394 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Fehlern in einem redundanten linear Aktuator, insbesondere zur Betätigung von Hochauftriebsflächen eines Flugzeugs. Das beschriebene Fehlerdetektionsverfahren eignet sich dabei insbesondere zur Durchführung zu Beginn eines Flugzyklus vor dem Start am Boden, und/oder am Ende eines Flugzyklus nach der Landung, ebenfalls am Boden.
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Unter einem Aktuator ist dabei ein Wandler bzw. Antriebselement zu verstehen, welches Signale, insbesondere elektrische Signale (beispielsweise eines Steuerungscomputers) in eine mechanische Bewegung umsetzt. Insbesondere ist ein Aktuator eine Einheit, die eine Rotation beispielsweise der zentralen Transmissionswelle in eine Antriebsbewegung der Klappen umwandelt.
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Bei einem linearen Aktuator erfolgt eine Umwandlung einer Rotationsbewegung, beispielsweise der Rotorwelle eines Elektromotors in eine lineare Bewegung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Betätigungsvorrichtung einer aerodynamisch wirksamen Flächen der eingangs genannten Art vorzuschlagen, wobei die Betätigungsvorrichtung aufgrund ihrer Auslegung und Gestaltung eine hohe Zuverlässigkeit bezüglich der Möglichkeit einer Fehlerdetektion aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Betätigungsvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Betätigungsvorrichtung einer aerodynamisch wirksamen Fläche weist wenigstens eine erste Antriebseinheit und eine zu der ersten Antriebseinheit baugleiche zweite Antriebseinheit auf.
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Eine aerodynamisch wirksame Fläche bezeichnet dabei bevorzugt ein Flügelelement eines Flugzeugs, wobei das Flügelelement durch eine Positionsänderung Einfluss auf das Strömungsverhalten des Flügels nimmt. Beispiele für die beschriebenen Flügelelemente sind Landeklappen. Aerodynamisch wirksame Flächen können dabei durch einen Aktuator eine rein rotatorische Positionsänderung erfahren, oder auch eine translatorische Positionsänderung. In Verbindung mit einem Schwenkmechanismus ist auch eine Schwenkbewegung um einen Schwenkpunkt ausgehend von der translatorischen Positionsänderung denkbar.
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Eine Stelleinheit stellt im weitesten Sinne eine mechanische Kopplung zwischen einem Antrieb und einer aerodynamisch wirksamen Fläche her. Je nach Ausführung kann in der Stelleinheit auch eine Umwandlung einer rotatorischen Bewegung in eine translatorische Bewegung stattfinden.
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Unter einem Sensor ist nachfolgend ein technisches Bauteil zu verstehen, welches definierte physikalische oder chemische Eigenschaften als Messgröße quantitativ oder qualitativ erfassen kann. In der erfindungsgemäßen Verwendung handelt es sich bevorzugt um Drehwinkelsensoren. Alternativ sind Ausführungen mit Drehmomentsensoren ebenfalls denkbar, jedoch ist unter Umständen eine Anpassung des Systems erforderlich. Die Sensoren können dabei beispielsweise optisch, induktiv oder in sonstiger Weise elektronisch wirken.
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Die in der Betätigungsvorrichtung verwendeten Getriebe dienen in erster Linie zur Umlenkung einer Rotationsbewegung. Bevorzugt sind die Getriebe einstufig ausgeführt, sodass ein festes Übersetzungsverhältnis definiert ist. Jedoch sind auch davon abweichende Getriebekonzepte, beispielsweise eine Anordnung unter Verwendung von Planetengetrieben zur Erzielung unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse denkbar. Je nach Ausführung können die Getriebe darüber hinaus in einer Richtung selbsthemmend ausgeführt sein. Neben der Umlenkung einer Rotationsbewegung kann unter Verwendung eines Getriebes auch eine Änderung der Drehzahl bzw. des Drehmoments erreicht werden.
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Unter einem Antriebselement ist ein Element zu verstehen, welches eine Bewegung in die Betätigungsvorrichtung einleitet, welche zu einer Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche führt. Hierunter sind beispielsweise Motoren zu verstehen, wobei diese elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ausgeführt sein können. Darüber hinaus kann jedoch auch über das Antriebselement eine Verbindung zu einer Transmissionswelle aufweisen, welche weiter mit einem dezentralen Antrieb bzw. Motor verbunden ist.
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Eine Bremse beschreibt ein Bauteil, durch welches selektiv eine feste Verbindung bzw. ein Schlupf- oder Freilauf zwischen einem feststehenden Element, beispielsweise einem Gehäuse oder einem Flugzeugflügel und einem rotierbaren Element, beispielsweise einer Welle, herstellbar ist. Bremsen können dabei grundsätzlich formschlüssig oder reibschlüssig ausgeführt sein. Bei einer formschlüssigen Bremse findet eine Verbindung des rotierbaren Elements mit dem feststehenden Element durch einen Kontureingriff der beiden Bauteile statt. Bei geöffneter formschlüssiger Bremse ist das rotierbare Element frei bewegbar gegenüber dem feststehenden Element. Formschlüssige Bremsen eignen sich insbesondere zur Übertragung von hohen Drehmomenten bei vergleichsweise kleinem Bauraum. Unter Umständen ist je nach Anwendung eine Gegenbewegung zu der Krafteinleitungsrichtung erforderlich, um eine formschlüssige Bremse unter Last zu öffnen. Dies ist damit begründet, dass die ineinander greifenden Konturen sich unter Lasteinwirkung verklemmen können. Eine formschlüssige Bremse bietet dabei eine endliche Anzahl an Positionen, in denen ein Formschluss dargestellt werden kann. Die Anzahl an unterschiedlichen Positionen zur Herstellung eines Formschlusses hängt dabei von der Ausgestaltung der Kontur des rotierbaren Elements und des feststehenden Elements im Bereich der Bremse ab.
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Reibschlüssige Bremsen bieten im Gegensatz zu formschlüssigen Bremsen den Vorteil, dass sie einerseits einfach herstellbar sind und andererseits einen gut dosierbaren Schlupf zwischen rotierbarem Element und feststehendem Element erlauben. Darüber hinaus bieten reibschlüssige Bremsen die Möglichkeit, das rotierbare Element in jeder beliebigen Position zu dem feststehenden Element fest zu halten. In geschlossenem Zustand ist zwischen dem rotierbaren Element und dem feststehenden Element ein definiertes maximales Drehmoment übertragbar.
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Unter einem geöffneten Zustand ist jeder Zustand einer Bremse zu verstehen, der nicht geschlossen ist. Die Bremsen in der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung einer aerodynamisch wirksamen Fläche sind bevorzugt als reibschlüssige Bremsen ausgeführt.
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In der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung ist eine Rotationsbewegung der Antriebselemente jeweils über eine Welle in das erste Getriebe einleitbar und von dem ersten Getriebe über eine zweite Welle auf die Stelleinheit übertragbar. Die Stelleinheit ist weiter gelenkig mit der aerodynamisch wirksamen Fläche derart verbunden, dass die von den Antriebselementen in das erste Getriebe einleitbare Rotationsbewegung eine Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche bewirkt.
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Eine Welle bezeichnet dabei ein mechanisches, mit einer definierten Steifigkeit versehenes Bauteil, durch welches bevorzugt Drehmomente und Drehbewegungen zwischen zwei mit der Welle verbundenen Bauteilen übertragbar sind. Je nach Ausführung können jedoch auch translatorische Bewegungen, d. h. durch Zug- oder Druckkräfte hervorgerufene Bewegungen, beispielsweise entlang einer Rotationsachse einer Welle übertragen werden.
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Unter einer gelenkigen Verbindung ist eine Verbindung mindestens zweier Elemente unter Beibehaltung mindestens eines Freiheitsgrades zu verstehen. Die gelenkige Verbindung der Stelleinheit mit der aerodynamisch wirksamen Fläche wird bevorzugt über ein oder mehrere Scharniergelenke hergestellt, wobei auch Kugelgelenke oder jede andere Art von Gelenken zur Herstellung der gelenkigen Verbindung zwischen den genannten Bauteilen denkbar ist. Die bevorzugte Verwendung zweier hintereinander angeordneter Gelenke bietet den Vorteil, dass beispielsweise über einen Hebelmechanismus aus einer translatorischen Bewegung eine Schwenkbewegung um einen Schwenkpunkt bewirkt werden kann.
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Weiter weisen die Antriebseinheiten der Betätigungsvorrichtung jeweils einen ersten Lastpfad und einen zweiten Lastpfad auf, um einer Krafteinleitung von im Flugbetrieb auftretenden Luftlasten durch die aerodynamisch wirksame Fläche in die Antriebseinheiten derart entgegenzuwirken, dass eine unerwünschte Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche aufgrund der Luftlasten redundant blockierbar ist.
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Ein Lastpfad beschreibt dabei eine Wirkverbindung zur Übertragung von Belastungen zwischen zwei Bauteilen. Belastungen können dabei durch Drehmomente oder auch Kräfte dargestellt werden.
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Unter Luftlasten sind beispielsweise Kräfte zu verstehen, die im Flugbetrieb eines Flugzeugs die aerodynamisch wirksame Fläche derart belasten, dass ohne eine Arretierung die aerodynamisch wirksame Fläche nicht in ihrer ursprünglicher Position gehalten werden kann. Insbesondere wird die aerodynamisch wirksame Fläche durch die Luftlasten in eine Nullposition zurückgedrängt. Unter einer Nullposition ist dabei ein eingefahrener Zustand zu verstehen, das heißt, die aerodynamisch wirksame Fläche befindet sich beispielsweise in dem Flugzeugflügel und nimmt keinen Einfluss auf das Strömungsverhalten des Flugzeugflügels.
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Je nach Ausführung der Betätigungsvorrichtung ist auch eine Anordnung denkbar, bei der auf das zweite Getriebe verzichtet wird. Dies hat unter Umständen zur Folge, dass, soweit eine Übersetzung mit i ≠ 1 vorgesehen war, die dazugehörige Bremse entsprechend in ihrer Auslegung angepasst werden muss. Gleiches gilt je nach Ausführung für das erste Getriebe. Jedoch ist in diesem Fall auch eine entsprechende Anpassung des Antriebselements vorzusehen.
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Weiter bevorzugt ist in jedem Lastpfad jeweils mindestens eine Bremse angeordnet. Dies führt vorteilhaft dazu, dass in Bezug auf die im Flugbetrieb auftretenden Luftlasten und die dadurch hervorgerufene Krafteinleitung durch die aerodynamisch wirksame Fläche in die Antriebseinheiten jeder Lastpfad der Antriebseinheiten blockierbar ist. Darüber hinaus können auch mehr als eine Bremse je Lastpfad vorgesehen werden, beispielsweise um eine weitere Redundanz zu schaffen. Die Bremsen können dabei in einer aktiven oder in einer passiven Redundanz betrieben werden.
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Unter einer aktiven Redundanz ist zu verstehen, dass die erste Bremse und die zweite Bremse parallel betätigt, d.h. geschlossen werden. Die im Flugbetrieb auftretenden Luftlasten bzw. die dadurch hervorgerufene Krafteinleitung verteilt sich im Idealfall gleichmäßig, oder zumindest annähernd gleichmäßig auf beide Lastpfade und somit auf beide Bremsen. Dies führt zu einer geringeren Beanspruchung bzw. Bauteilbelastung. Unter einer passiven Redundanz ist zu verstehen, dass die Krafteinleitung nur auf einen der beiden Lastpfade wirkt, da beispielsweise nur die erste Bremse betätigt ist und sich die zweite Bremse in einem unbetätigten Zustand befindet. Bei einem Versagen der ersten Bremse wird die zweite Bremse zugeschaltet, d.h. betätigt. Auch eine von der gerade beschriebenen Anordnung umgekehrte Anordnung ist denkbar, dies bedeutet, dass im Falle einer passiven Redundanz auch die zweite Bremse betätigt sein könnte, während die erste Bremse zugeschaltet wird, sobald ein Versagen der zweiten Bremse auftritt.
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Weiter bevorzugt sind der erste Sensor, der zweite Sensor und der dritte Sensor jeweils auf einer der aerodynamisch wirksamen Fläche abgewandten Seite der ersten Bremse, der zweiten Bremse und der Stelleinheit angebracht. Davon abweichend ist jedoch auch eine Positionierung der Sensoren auf einer jeweils der aerodynamisch wirksamen Fläche zugewandten Seite der ersten Bremsen, der zweiten Bremse und der Stelleinheit möglich.
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Bevorzugt sind die Antriebselemente, die Bremsen, die Sensoren und die Stelleinheit signalübertragend mit einem Steuergerät verbunden, wobei das Steuergerät empfangene Signale verarbeitet und bedarfsgerecht Steuersignale an die Antriebselemente und die Bremsen sendet. Unter der signalübertragenden Verbindung der Bauteile mit dem Steuergerät ist eine Interaktion bezüglich Soll- und Ist-Werten bzw. daraus resultierenden Steuersignalen zu verstehen. Die Signalübertragung erfolgt bevorzugt digital, aber auch eine analoge Übertragung ist denkbar.
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Weiter bevorzugt weist die Betätigungsvorrichtung eine dritte Welle in jeder der Antriebseinheiten auf, wobei die dritte Welle jeweils das zweite Getriebe mit einem Torsionselement verbindet und das Torsionselement weiter über die erste Welle mit dem jeweiligen Antriebselement und dem ersten Lastpfad verbunden ist.
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Ein Torsionselement stellt dabei ein Bauteil dar, welches ein Verdrehen zweier Bauteilenden zueinander im Rahmen einer definierten Drehwinkeländerung zulässt bzw. ausgleicht bis beispielsweise über einen Formschluss der beiden Bauteilenden eine Kraft- bzw. Drehmomentübertragung stattfindet. Das Torsionselement kann dabei beispielsweise durch zwei ineinander greifende Klauen in Verbindung mit einer oder mehreren Federn realisiert werden, wobei über die Federn und ein entsprechendes Spiel in den Klauen eine Drehwinkeländerung zwischen den beiden Bauteilenden einstellbar ist. Durch das Torsionselement soll ein Verspannen innerhalb eines mechanischen Systems reduziert bzw. gänzlich eliminiert werden. Jedoch soll beispielsweise bei Vorliegen eines Defekts nach Überschreiten einer definierten zulässigen Drehwinkeländerung eine Drehmomentübertragung bzw. eine Kraftübertragung ermöglicht werden. Zu Detektionszwecken können somit der erste Lastpfad und der zweite Lastpfad gegeneinander verspannt werden, um einen Fehler, beispielsweise einen Bruch oder einen Defekt einer Bremse zu detektieren. Gleichzeitig wird jedoch ein sicherer Zustand dahingehend erreicht, dass im Schadensfall über die Verbindung der Lastpfade sowohl im antreibenden Betrieb, als auch im abtreibenden Betrieb eine Redundanz bezüglich der Funktion der Betätigungsvorrichtung vorliegt. Unter dem antreibenden Betrieb ist ein Betriebszustand zu verstehen, in welchem das Antriebselement einer Antriebseinheit betätigt wird, wodurch eine Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche erzielt werden soll. Im abtreibenden Betriebszustand erfolgt hingegen die Einleitung eines Drehmoments bzw. einer Kraft nicht durch das Antriebselement einer Antriebseinheit, sondern durch eine Krafteinleitung von im Flugbetrieb auftretenden Luftlasten.
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In einer weiteren bevorzugten Form der Ausgestaltung weist jeder Lastpfad in einer Antriebseinheit jeweils ein Antriebselement auf. Einerseits wird hierdurch vorteilhaft eine weitere Redundanz im antreibenden Betrieb einer Betätigungsvorrichtung erreicht. Andererseits können die Antriebselemente kleiner dimensioniert werden. Eine Verbindung zwischen den einzelnen Lastpfaden bzw. darüber hinaus auch der Antriebseinheiten ist hierdurch nicht erforderlich. Komplexe Bauteile, wie eine Transmissionswelle zum Einleiten einer Rotationsbewegung in die Antriebseinheiten über einen dezentral angeordneten Motor, müssen nicht vorgesehen werden. Darüber hinaus kann durch eine entsprechende Ansteuerung bei Vorliegen eines Defekts eine Verschränkung in einem der Lastpfade ausgeglichen werden.
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Weiter bevorzugt sind der erste Lastpfad und der zweite Lastpfad mittels der zweiten Welle in einem Verbindungspunkt miteinander und darüber hinaus mit der Stelleinheit verbunden. Ein Verbindungspunkt beschreibt dabei eine kraft- bzw. drehmomentschlüssige Verbindung zweier Bauteile. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass eine Einleitung einer Bewegungsänderung im abtreibenden Betriebszustand in den ersten und/oder zweiten Lastpfad erfolgt bzw. umgekehrt über den ersten und/oder zweiten Lastpfad im antreibenden Betriebszustand einer Einleitung einer Drehbewegung in die Stelleinheit erfolgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung ist jede Antriebseinheit auf einer der aerodynamisch wirksamen Fläche zugewandten Seite der Antriebseinheiten über ein Verbindungselement mit der aerodynamisch wirksamen Fläche verbunden. Das Verbindungselement weist dabei analog zu den Antriebseinheiten einen ersten Lastpfad und einen zweiten Lastpfad zur Koppelung des ersten und zweiten Lastpfades der Antriebseinheiten mit der aerodynamisch wirksamen Fläche auf. Das Verbindungselement zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass der erste Lastpfad und der zweite Lastpfad gegeneinander axial verschiebbar ausgeführt sind. Dies wird bevorzugt durch eine entsprechende Lagerung erreicht. Darüber hinaus verfügt das Verbindungselement bevorzugt über Gelenke, um die gelenkige Verbindung zwischen der aerodynamisch wirksamen Fläche und der Stelleinheit herzustellen.
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Weiter bevorzugt ist in der aerodynamisch wirksamen Fläche eine Lastbrücke angeordnet, welche eine lastübertragende Verbindung zwischen dem ersten Lastpfad und dem zweiten Lastpfad des Verbindungselements herstellt.
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Unter einer Lastbrücke ist dabei ein Element zur gezielten Aufnahme von Kräften oder Momenten zu verstehen, wobei die Kräfte oder Momente durch beispielsweise zwei Lastpfade in ein Bauteil eingeleitet werden. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um eine aerodynamisch wirksame Fläche eines Flugzeugflügels handeln. Die oben beschriebene Anordnung führt zu einer Entlastung des Bauteils, da es lediglich durch die Funktion des Bauteils auftretenden Belastungen beansprucht wird ohne zusätzliche Belastungen beispielsweise aus einem Verdrehen des ersten Lastpfades zu dem zweiten Lastpfad, hergerufen durch eine Fehlfunktion oder ein gewolltes Detektionsverfahren der Betätigungsvorrichtung, erfahren zu müssen. Dies führt vorteilhaft dazu, dass das Bauteil, beispielsweise der Flugzeugflügel, entsprechend schwächer ausgelegt werden kann. Dies führt besonders vorteilhaft zu einer Reduzierung von Kosten und insbesondere zu einer Reduzierung des Gewichts des Bauteils.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion eines Bruchs in einem Lastpfad beispielsweise einer Antriebseinheit einer Betätigungsvorrichtung mit Hilfe von Luftlasten vorgeschlagen. Dabei erfolgen bevorzugt zunächst das Schließen aller Bremsen und das nachfolgende Öffnen einer der Bremsen, solange kein Drehwinkel beispielsweise mittels eines Sensors detektiert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion eines Bruchs in einem Lastpfad beispielsweise einer Antriebseinheit einer Betätigungsvorrichtung mit Hilfe von Luftlasten vorgeschlagen, wobei ein Schließen der geöffneten Bremse erfolgt sobald die Bremse maximal geöffnet wurde, ohne das ein Drehwinkel durch benachbarten Sensor detektiert wurde oder das Vorliegen eines Bruchs des benachbarten Lastpfades aufgrund eines Drehwinkels durch den der soeben geschlossenen Bremse benachbarten Sensor detektiert wurde.
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Weiter bevorzugt wird ein Verfahren zur Detektion eines Bruchs in einem Lastpfad einer Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 11 vorgeschlagen, wobei das Verfahren gemäß Anspruch 11 nacheinander für alle Bremse einer der Antriebseinheiten und anschließend für jede Antriebseinheit nach dem gleichen Vorgehen durchgeführt wird, bis ein Bruch detektiert oder alle Lastpfade erfolgreich auf ein Vorliegen eines Bruchs überprüft wurden.
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Weiter bevorzugt wird ein Verfahren zur Detektion eines Bruchs in einem Lastpfad einer Antriebseinheit einer Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9 vorgeschlagen, wobei über ein Antriebselement eines Lastpfades ein Drehmoment eingeleitet, die in diesem Lastpfad angeordnete Bremse geöffnet und über den der geöffneten Bremse zugeordneten Sensor ein Drehwinkel detektiert wird, wobei während der Drehmomenteinleitung unter definierten Bedingungen eine Umkehrung der Drehrichtung erfolgt, um an dem Verbindungselement abwechselnd eine Druck- und Zugbelastung zu erzeugen.
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Die abwechselnde Beaufschlagung des Verbindungselements mit einer Druck- und Zugbelastung führt vorteilhaft dazu, dass ein Bruch mit einer höheren Zuverlässigkeit detektiert werden kann. Dies ist damit zu begründen, dass bei Auftreten eines Bruchs eines Übertragungselements die Bruchstellen noch immer aneinander liegen können und somit eine Kraftübertragung beispielsweise in einem rechten Winkel zu der Bruchfläche weiter möglich ist. Erst durch die abwechselnde Druck- und Zugbelastung kann ein Bruch sicher detektiert werden.
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Weiter bevorzugt wird ein Verfahren zur Detektion eines Bruchs in einem Lastpfad einer Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 vorgeschlagen, wobei bei der Detektion eines Bruchs das Detektionsverfahren abgebrochen wird, alle Bremsen geschlossen werden und die Ausgabe eines Fehlersignals durch das Steuergerät erfolgt.
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Weiter wird ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 vorgeschlagen, wobei das Einfahren der aerodynamisch wirksamen Fläche erfolgt, soweit zuvor kein Bruch in einem der Lastpfade detektiert wurde, wobei ein Abbruch des Einfahrvorgangs der aerodynamisch wirksamen Fläche und ein Schließen aller Bremsen erfolgt, sobald eine Abweichung des Drehwinkels außerhalb einer Toleranz zwischen dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem dritten Sensor detektiert wird. Eine nicht tolerierte Abweichung des Drehwinkels kann beispielsweise durch ein Blockieren oder Verklemmen, das sogenannten Jamming, hervorgerufen wird. Ein tolerierter Drehwinkel kann der Steifigkeit der einzelnen Bauteile oder auch Fertigungstoleranzen geschuldet sein. Aber auch die Verwendung eines Torsionselements kann dazu führen, dass eine Drehwinkeländerung in einem Toleranzbereich zulässig und erforderlich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Linienzeichnung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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2: eine Linienzeichnung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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3: eine Linienzeichnung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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4: eine Linienzeichnung einer Ausführungsform eines Verbindungselements einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
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1 zeigt in einer Linienzeichnung einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Betätigungsvorrichtung 1. Eine aerodynamisch wirksame Fläche 2 ist mit einer Stelleinheit 4 verbunden. Die Stelleinheit ist weiter mit einem ersten Getriebe 8 verbunden. Darüber hinaus weist die Stelleinheit 4 eine Verbindung mit einem zweiten Getriebe 9 auf. Das erste Getriebe 8 und das zweite Getriebe 9 sind untereinander ebenfalls verbunden, wobei über einen Verbindungspunkt 17 das erste Getriebe 8 mit der Stelleinheit 4, die Stelleinheit 4 mit dem zweiten Getriebe 9 und das erste Getriebe 8 und das zweite Getriebe 9 miteinander wirkverbunden sind. Zwischen dem Verbindungspunkt 17 und der Stelleinheit 4 ist ein dritter Sensor 7 angeordnet. Auf einer dem Verbindungspunkt 17 abgewandten Seite des ersten Getriebes 8 ist das erste Getriebe 8 weiter mit einer ersten Bremse 10 verbunden. Die erste Bremse 10 weist weiter eine Verbindung mit einem Antriebselement 12 auf, wobei zwischen der ersten Bremse 10 und dem Antriebselement 12 ein erster Sensor 5 angeordnet ist. Die Anordnung beginnend an dem Verbindungspunkt 17 über das erste Getriebe 8, die erste Bremse 10, den ersten Sensor 5 und das Antriebselement 12 beschreibt dabei einen ersten Lastpfad 13 einer Antriebseinheit 3. Auf einer dem Verbindungspunkt 17 abgewandten Seite des zweiten Getriebes 9 ist das zweite Getriebe 9 weiter mit einer zweiten Bremse 11 verbunden. Auf einer dem zweiten Getriebe 9 abgewandten Seite der zweiten Bremse 11 ist ein zweiter Sensor 6 angeordnet. Die Anordnung beginnend an dem Verbindungspunkt 17 weiter über das zweite Getriebe 9, die zweite Bremse 11 bis zu dem zweiten Sensor 6 beschreibt einen zweiten Lastpfad 14 der Antriebseinheit 3. Der erste Sensor 5 detektiert in der gezeigten Anordnung eine Drehbewegung, welche zwischen dem Antriebselement 12 und der ersten Bremse 10 auftreten kann. Der zweite Sensor 6 detektiert eine Drehbewegung im zweiten Lastpfad 14 und der dritte Sensor 7 detektiert eine Drehbewegung zwischen dem Verbindungspunkt 17 und der Stelleinheit 4. Eine Rotationsbewegung des Antriebselements 12 kann über das erste Getriebe 8 in die Stelleinheit 4 eingeleitet werden, wodurch eine Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 hervorgerufen wird. Sobald die aerodynamisch wirksame Fläche mit einer Luftlast beaufschlagt wird, leitet diese eine Bewegungsänderung in die Stelleinheit 4 ein, was eine Rotationsbewegung in dem ersten Lastpfad 13 und dem zweiten Lastpfad 14 hervorruft. Eine unerwünschte Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 kann durch Schließen der ersten Bremse 10 und/oder der zweiten Bremse 11 bewirkt werden. Um einer unerwünschten Positionsänderung der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 vorzubeugen, können die Bremsen 10, 11 auch bereits vor Auftreten einer externen Last geschlossen werden. Zur Detektion eines Bruchs unter der Einwirkung äußerer Lasten, bespielsweise Luftlasten, in einem der Lastpfade 13, 14 werden zunächst beide Bremsen 10, 11 geschlossen und anschließend beispielsweise zunächst die erste Bremse 10 langsam geöffnet. Die zweite Bremse 11 bleibt geschlossen. Soweit die zweite Bremse 11 intakt ist und in dem zweiten Lastpfad 14 kein Bruch vorliegt, ist durch den zweiten Sensor 5 keine oder eine tolerierbare Drehwinkeländerung im ersten Lastpfad 13 detektierbar. Bei Vorliegen eines Bruchs würde durch den ersten Sensor 5 ein nicht tolerierbarer Drehwinkel detektiert, was das sofortige Schließen der ersten Bremse 10 zur Folge hätte. Ebenso ist ein Überprüfen eines Bruchs in dem ersten Lastpfad 13 möglich. Hierzu erfolgt ein Verfahren in analoger Anwendung zu dem gerade beschriebenen Verfahren. Das sofortige Schließen der ersten Bremse 10 und der zweiten Bremse 11 bei der Detektion eines Bruchs in einem der beiden Lastpfade 13, 14 erfolgt vor dem Hintergrund, dass unverzüglich der sichere Zustand im Flugbetrieb, nämlich das Halten der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 in der vorherigen Position erreicht werden soll. Weiter ist ein Detektionsverfahren zur Detektion eines Bruchs durch das Einleiten einer Rotationsbewegung durch das Antriebselement 12 möglich. Hierzu befindet sich die aerodynamisch wirksame Fläche 2 zunächst in einem eingefahrenen Zustand. Die erste Bremse 10 und die zweite Bremse 11 sind geschlossen. Nun wird eine Rotationsbewegung durch das Antriebselement 12 in die Antriebseinheit 3 eingebracht. Nachfolgend wird die erste Bremse 10 langsam geöffnet. Bei Vorliegen eines Bruchs zwischen dem ersten Sensor 5 und der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 bzw. dem zweiten Sensor 6 erfolgt eine nicht tolerierbare Drehwinkeländerung, welche durch den ersten Sensor 5 detektiert wird. Liegt kein Bruch in einem der gerade beschriebenen Bereich vor, so wird die eingeleitete Drehbewegung über den ersten Lastpfad in den zweiten Lastpfad 14 eingeleitet und hier von der zweiten Bremse 11 aufgefangen.
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Nicht gezeigt sind in der 1 das Steuergerät und die signalübertragende Verbindung zwischen dem Steuergerät, dem Antriebselement 12, den Sensoren 5, 6, 7, den Bremsen 10, 11 und der Stelleinheit 4. Ebenfalls nicht gezeigt ist die zweite Antriebseinheit 20, welche baugleich zu der Antriebseinheit 3 ist.
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2 zeigt in einer Linienzeichnung eine weitere Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 1. Die Antriebseinheit 3 unterscheidet sich zu der in 1 beschriebenen Antriebseinheit 3 dahingehend, dass die zweite Bremse 11 auf der dem zweiten Getriebe 9 abgewandten Seite der zweiten Bremse 11 über eine dritte Welle 18 weiter mit einem Torsionselement 19 verbunden ist und das Torsionselement 19 weiter mit der ersten Welle 15 verbunden ist. Im Gegensatz zu der in 1 beschriebenen Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 1 weist die Antriebseinheit 3 in der hier gezeigten Ausführung zusätzlich somit eine Redundanz bezüglich des Antriebs durch das Antriebselement 12 auf. Neben dem in 1 beschriebenen Detektionsverfahren ist durch die in 2 gezeigte Anordnung der Antriebseinheit 3 auch ein Detektionsverfahren bezüglich eines Bruchs in einem der beiden Lastpfade 13, 14 durch das Einleiten einer Rotationsbewegung durch das Antriebselement 12 möglich. Das Torsionselement 19 gewährleistet dabei, das ein Verspannen aufgrund der gemeinsamen Verbindung des ersten Lastpfades 13 und des zweiten Lastpfades 14 über die erste Welle 15 erfolgt. Das Torsionselement 19 lässt dabei eine Drehwinkeländerung innerhalb eines definierten Bereichs zu, wobei der Toleranzbereich durch die Steifigkeit der Elemente der Antriebseinheit 3 definiert wird. Darüber hinaus zeigt die 2 eine zweite Antriebseinheit 20, welche baugleich zu der Antriebseinheit 3 ist und sich in paralleler Anordnung zu der Antriebseinheit 3 befindet. Anstatt der gezeigten Anordnung mit zwei Antriebselementen ist ein dezentraler Antrieb der Antriebseinheiten 12 beispielsweise über eine Zentralwelle ebenfalls denkbar.
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3 zeigt in einer Linienzeichnung eine weitere Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 1. Die Betätigungsvorrichtung 1 umfasst dabei die Antriebseinheit 3 und eine zu der Antriebseinheit 3 baugleiche zweite Antriebseinheit 20. Die Antriebseinheit 3 und die zweite Antriebseinheit 20 befinden sich in paralleler Anordnung zueinander und sind jeweils an einem Ende mit der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 verbunden. Die in 3 dargestellte Antriebseinheit 3 unterscheidet sich von der in 1 beschriebenen Antriebseinheit 3 dahingehend, dass in dem zweiten Lastpfad 14 die zweite Bremse 11 auf der dem zweiten Getriebe 9 abgewandten Seite über die dritte Welle 18 mit einem Antriebselement 12 verbunden ist. Die hier gezeigte Antriebseinheit 3 bietet im Vergleich zu der in 1 gezeigten Antriebseinheit 3 den Vorteil, dass eine redundante Auslegung der Antriebselemente 12 vorliegt. Neben der redundanten Einleitung von Luftlasten über die aerodynamisch wirksame Fläche 2 in den ersten Lastpfad 13 oder den zweiten Lastpfad 14 ist somit auch eine Redundanz bezüglich des Antriebs durch die Antriebselemente 12 gegeben.
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4 zeigt in einer Linienzeichnung eine Ausführungsform eines Verbindungselements 21. Das Verbindungselement 21 weist dabei ebenfalls einen ersten Lastpfad 13 und einen zweiten Lastpfad 14 auf. Darüber hinaus verfügen sowohl der erste Lastpfad 13, als auch der zweite Lastpfad 14 über Gelenke 24, wodurch das Verbindungselement 21 eine gelenkige Verbindung zwischen einer hier nicht gezeigten Antriebseinheit 3, 20 und der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 herstellt. Auf einer der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 abgewandten Seite des Verbindungselements 21 sind der erste Lastpfad 13 und der zweite Lastpfad 14 jeweils mit dem ersten Lastpfad 13 und dem zweiten Lastpfad 14 einer der hier nicht gezeigten Antriebseinheiten 3, 20 verbunden. In einem Bereich in Längsrichtung des Verbindungselements 21 zwischen den Gelenken 24 befinden sich zwei Lager 23. Durch die Lager 23 sind die Lastpfade 13, 14 derart gelagert, dass sie gegeneinander axial verschiebbar sind. Dies führt dazu, dass der erste Lastpfad 13 und der zweite Lastpfad 14 in ihrer Funktion unabhängig voneinander und damit redundant ausgeführt sind. In einem Bereich der aerodynamischen Fläche 2 ist das Verbindungslement 21 mit der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 fest verbunden, was durch die Schraffierungen angedeutet wird. Im Bereich der aerodynamischen Fläche 2 werden der erste Lastpfad 13 und der zweite Lastpfad 14 über eine Lastbrücke 22 in der aerodynamischen Fläche 2 zusammengeführt. Somit sind sowohl der erste Lastpfad 13, als auch der zweite Lastpfad 14 jeweils mit der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 gekoppelt.
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Die Koppelung des ersten Lastpfads 13 und des zweiten Lastpfads 14 in der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 mittels einer Lastbrücke bewirkt vorteilhaft, dass bei Durchführung eines Detektionsverfahrens zur Detektion eines Bruchs in einem der Lastpfade eingeleitete Verspannungen und Verschränkungen über die jeweiligen Lastpfade 13, 14 abgeführt werden und nicht in die aerodynamische Fläche 2 eingeleitet werden. Eine Belastung der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 während des Detektionsverfahrens wird somit verhindert und die aerodynamisch wirksame Fläche 2 kann ausschließlich entsprechend ihrer funktionalen Anforderungen ausgelegt und dimensioniert werden.
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Bei der Verwendung eines Verbindungselements 21 wie in 4 beschrieben in einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung 1 dürfen die Lastpfade 13, 14 bzw. die Getriebe 8, 9 nicht miteinander verbunden sein. Vielmehr ist beispielsweise eine parallele Anordnung der Lastpfade zu wählen. Dabei ist auch die Kopplung der einzelnen Lastpfade 13, 14 mit der aerodynamisch wirksamen Fläche 2 mittels einer gemeinsamen Stelleinheit 4 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betätigungsvorrichtung
- 2
- aerodynamisch wirksame Fläche
- 3
- Antriebseinheit
- 4
- Stelleinheit
- 5
- erster Sensor
- 6
- zweiter Sensor
- 7
- dritter Sensor
- 8
- erstes Getriebe
- 9
- zweites Getriebe
- 10
- erste Bremse
- 11
- zweite Bremse
- 12
- Antriebselement
- 13
- erster Lastpfad
- 14
- zweiter Lastpfad
- 15
- erste Welle
- 16
- zweite Welle
- 17
- Verbindungspunkt
- 18
- dritte Welle
- 19
- Torsionselement
- 20
- zweite Antriebseinheit
- 21
- Verbindungselement
- 22
- Lastbrücke
- 23
- Lager
- 24
- Gelenk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10313728 A1 [0002]
- DE 102007023394 A1 [0003]
