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Die Erfindung betrifft ein Ventilblockmodul für einen Stellzylinder, insbesondere zur primären Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs.
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Bei typischen Aktuatoren für die Anwendung bei Primary Flight Control Systemen sind zahlreiche Ventile für den ordnungsgemäßen Betrieb des Stellzylinders notwendig. Dazu zählen unter anderem ein Servoventil zur zielgerechten Ansteuerung des Stellzylinders, ein Mode-Ventil zur Auswahl der geforderten Betriebsart, ein Magnetventil (Solenoidventil), Differenzdrucksensoren sowie Überlastventile. Daneben kann ein Fluidspeicher zum Ausgleich von Druckschwankungen, hervorgerufen durch thermische Effekte und Leckagen, notwendig sein.
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Die notwendigen Komponenten werden entweder als einzelne Komponenten bereitgestellt und bilden den externen Hydraulikblock, oder werden auf einem am Aussenumfang des Stellzylinders montierten Ventilblock als einzelne Modulpatronen angeordnet.
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Wichtige Baugruppen wie z. B. das Servoventil, sind als Line replaceable unit (LRU) ausgeführt, um diese im Defektfall separat austauschen zu können.
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Die vorliegende Erfindung soll nun nach Möglichkeiten zur Reduzierung der Herstellungskosten sowie des Gesamtgewichtes von Flugsteuerungsaktuatoren suchen.
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Diese Aufgabe wir durch ein Ventilblockmodul für einen Stellzylinder, insbesondere zur primären Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, alle notwendigen Komponenten des Hydraulikblocks zur Ansteuerung des Stellzylinders in einen gemeinsamen Ventilblock zu integrieren. Dadurch wird nicht nur die Anzahl der benötigten Gesamtteile, sondern zudem auch das erforderliche Bauvolumen erheblich reduziert. Durch die Integration aller Komponenten des Hydraulikblocks in einen gemeinsamen Ventilblock kann die Verwendung eines externen Hydraulikblocks ersatzlos gestrichen werden.
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Dadurch dass der komplette Ventilblock als Modul ausgeführt wird, kann dieser ohne Einstellarbeiten getauscht werden. Hierdurch wird ein direkter Tausch im eingebauten Zustand am Luftfahrzeug ermöglicht. Der Zeitaufwand und die Kosten für die anfallenden Wartungsarbeiten lassen sich spürbar verringern.
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Zu den wesentlichen Komponenten des Hydraulikblocks gehören wenigstens ein Servoventil, ein Magnetventil (Solenoid Ventil), ein Mode-Ventil, d. h. ein Ventil zur Einstellung der Betriebsart, eine Druckmesseinrichtung sowie ein Ventil zur Kraftbegrenzung. Es entsteht folglich ein hoch integrierter Ventilblock zur Steuerung und/oder Regelung eines Stellzylinders für die primäre Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs.
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Bevorzugt wird das Ventilgehäuse des Servoventils als gemeinsames Ventilgehäuse zumindest für einen Teil der integrierten Komponenten verwendet. Idealerweise nutzen das Servoventil, das Magnetventil, das Mode-Ventil, die Druckmesseinrichtung und das Ventil zur Kraftbegrenzung ein gemeinsames Ventilgehäuse, das vorzugsweise einteilig ausgeführt ist.
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Vorzugsweise dient ein übliches Überdruckventil zur Kraftbegrenzung. Die Druckmesseinrichtung arbeitet als sogenannter Differenzdrucksensor (differential Pressure transducer „DPT”).
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In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung wird der Ventilblock, insbesondere das gemeinsame Ventilgehäuse, zumindest teilweise entweder in rostfreiem Stahl oder in Titan ausgeführt. Ansonsten notwendige Schieberhülsen für die einzelnen Steuerschieber der Ventile können entfallen, d. h. die Steuerschieber können direkt ohne Schieberhülse in den gemeinsamen Ventilblock integriert werden. Durch diese Maßnahme lässt sich eine wesentlich kompaktere Bauart des erfindungsgemäßen Ventilblockmoduls erreichen. Zudem kann die Anzahl und die Länge der notwendigen Verbindungsbohrungen erheblich reduziert werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Schieber des Mode-Ventils direkt im Ventilblock ohne Schieberhülse geführt ist. Gleiches gilt für die Schieber der Differenzdruckmessung und/oder der Kraftbegrenzung, d. h. des Überdruckventils. Idealerweise werden sämtliche Schieber dieser Ventile direkt im Ventilblock ohne Schieberhülse geführt.
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Die Verwendung von Stahl oder Titan erhöht zudem die Lebensdauer der Ventile, da die Festigkeit von Stahl und Titan gegenüber Aluminium höher ist. Die hohen inneren Spannungen aufgrund der vorherrschenden Druckschwankungen werden von einem aus Titan oder Stahl gefertigten Ventilgehäuse besser aufgenommen. Die damit verbundene Gewichtszunahme kann durch die erfindungsgemäße kompakte Bauart des Ventilblockmoduls kompensiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrischen Komponenten des Ventilblockmoduls ohne Zwischenstecker mit dem Hauptgerätestecker verbunden. Da jeder zusätzliche Stecker eine potentielle Fehlerquelle darstellt, kann durch den Verzicht auf etwaige Zwischenstecker zwischen den einzelnen elektrischen Komponenten des Ventilblockmoduls eine geringere Fehlerrate bzw. Ausfahlwahrscheinlichkeit erreicht werden. Nebenbei kann eine weitere Reduktion des erforderlichen Bauraumbedarfs des resultierenden Ventilblocks erreicht werden, während zugleich der erforderliche Montageaufwand abnimmt. Mit dem Verzicht auf Zwischenstecker ist gleichzeitig eine Optimierung der Herstellungskosten verbunden.
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Idealerweise ist nur der Weggeber des Stellzylinders über einen Zwischenstecker mit dem Hauptgerätestecker verbunden, sodass der Ventilblock selbst als Modul, d. h. als sogenannte Line replaceable unit (LRU) direkt am Luftfahrzeug austauschbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Schieberhülse des Servoventils als sogenannte „Käferhülse” ausgeführt. Die Mantelfläche der Schieberhülse ist mit mindestens einem Strömungskanal zur Übertragung eines Steuerstroms und/oder Volumenstroms versehen. Wenigstens einer der Strömungskanäle wird durch eine in der Oberfläche der Steuerschieberhülse angeordnete Nut gebildet, die abschnittsweise oder insgesamt nicht in Umfangsrichtung der Steuerschieberhülse verläuft. Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der Schieberhülse bzw. vorteilhafter Weiterbildungen dieser Steuerschieberhülse wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung
DE 10 2012 002 921 verwiesen, auf deren Inhalt in diesem Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen werden soll. Die Ausgestaltung der Schieberhülse des Servoventils verringert die Anzahl notwendiger Bohrungen im Ventilblock und verkürzt zugleich deren Länge. Zudem ist nur noch eine geringere Schieberlänge notwendig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das Käferdesign ein geringerer Druckabfall im Ventilblock erreicht wird.
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Es kann besonders zweckmäßig sein, wenn für alle im Ventilblock verwendeten Wegmesseinrichtungen ein einheitlicher Weggebertyp eingesetzt wird.
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Vorzugsweise sind alle elektrischen Leitungen in einem Verkabelungsgehäuse zusammengeführt, das zum einen den Hauptgerätestecker beinhaltet und gleichzeitig als Schutzgehäuse für die Wegmesseinrichtungen dient. Hierdurch vereinfacht sich der notwendige Verkabelungsaufwand. Zudem benötigen die einzelnen Weggeber kein aufwendiges Gehäuse und können mit einfachem Kabelschwanz ausgeführt sein.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Flugsteuerungsaktuator mit einem Stellzylinder und einem Ventilblockmodul gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Offensichtlich ergeben sich für das erfindungsgemäße System dieselben Vorteile und Eigenschaften wie zu dem erfindungsgemäßen Ventilblockmodul, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein benötigter Fluidspeicher zum Ausgleich eines möglichen Druckabfalls nicht Bestandteil des erfindungsgemäßen Ventilblockmoduls ist, sondern in den Stellzylinder integriert ist.
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Weiterhin ist von der Erfindung ein Luftfahrzeug erfasst, dass das erfindungsgemäße Ventilblockmodul bzw. ein vorteilhafte Ausgestaltung des Ventilblockmoduls aufweist oder den erfindungsgemäßen Flugsteuerungsaktuator umfasst.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1: einen aus dem Stand der Technik bekannten Flugsteuerungsaktuator,
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2: den erfindungsgemäßen Flugsteuerungsaktuator mit Stellzylinder und Ventilblock,
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3: das erfindungsgemäße Ventilblockmodul aus 2,
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4: eine Schnittdarstellung durch das Mode-Ventil des Ventilblockmoduls der 2 und 3 und
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5: Schnittdarstellungen durch den Stellzylinder gemäß 2.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Flugsteuerungsaktuator bestehend aus einem Stellzylinder und einem darauf befestigten Ventilblock 2, der die notwendigen hydraulischen Komponenten zur Steuerung des Stellzylinders umfasst.
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Der Stellzylinder besteht aus einem Zylindermantel 1, in dessen Zylinderraum die linear bewegliche Kolbenstange 3 gelagert ist. Zur Steuerung des Stellzylinders umfasst der Ventilblock eine Reihe an hydraulischen Komponenten, als einzelne Modulpatronen am Ventilblock 2 eingebaut sind. Hierunter fallen beispielsweise das Servoventil 4, die Druckmesseinrichtung 6, das Magnetventil 7 und das Mode-Ventil 8.
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Wichtige Baugruppen, wie z. B. das Servoventil 4, sind als LRU ausgeführt, damit dieses im Bedarfsfall separat getauscht werden kann. Zusätzlich ist in den Ventilblock ein Fluidspeicher 5 integriert, der bei einem Druckabfall innerhalb der hydraulischen Versorgung die Dämpfungsfunktion für die Kolbenstange 3 des Stellzylinders aufrechterhalten soll.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Flugsteuerungsaktuator, der neben dem Stellzylinder, bestehend aus dem Zylindermantel 10 und der linear verschieblich gelagerten Kolbenstange 30, ein Ventilblockmodul 20 umfasst. Das Ventilblockmodul 20 besteht aus dem Ventilgehäuse 21, das die zweite Stufe 23 des Servoventils beinhaltet. Gleichzeitig wird das Ventilgehäuse 21 als Ventilgehäuse für die beiden Sensoren 29 der Druckmesseinrichtung in Form eines DPTs, für das Mode-Ventil 27 sowie für das Druckbegrenzungsventil 22 genutzt. Es werden folglich alle Komponenten des Hydraulikblocks im Ventilblock 21 des Servoventils 23 integriert, wodurch ein Hydraulikblock ersatzlos entfällt. Die erste Stufe des Servoventils ist mit dem Bezugszeichen 23' gekennzeichnet.
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In der dargestellten Ausführung ist das Magnetventil (Solenoidventil) 24 aussen am Ventilgehäuse 21 montiert, insbesondere verschraubt. Zusätzlich sind ein Blocking Relief Valve 90 sowie ein Check Blocking Valve 91 in das Ventilgehäuse 21 integriert.
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Das Ventilgehäuse 21 ist entweder aus rostfreiem Stahl oder aus Titan gefertigt, sodass die Steuerschieber der einzelnen Ventile direkt ohne Schieberhülse in den Block 21 integriert werden können. Der gesamte Aufbau 20 ist modulartig ausgeführt, wodurch das Ventilblockmodul 20 ohne Einstellarbeiten besonders einfach austauschbar ist, insbesondere direkt im eingebauten Zustand am Luftfahrzeug austauschbar ist.
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3 zeigt eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Ventilblockmoduls 20. Endseitig an dem Ventilblock 21 schliesst sich das Verkabelungsgehäuse 26 an, das den Hauptgerätestecker 25 beinhaltet. Gleichzeitig dient das Verkabelungsgehäuse 26 als Schutzgehäuse für die einzelnen Wegmesseinrichtungen der jeweiligen Ventile, die alle vom gleichen Bautyp sind und innerhalb des Gehäuses 26 angeordnet sind. Folglich benötigen die einzelnen Weggeber kein aufwendiges Gehäuse und können mit einfachem Kabelschwanz ausgeführt werden.
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Die Schieberhülse der zweiten Stufe
23 des Servoventils ist als Käferhülse ausgeführt und weist wenigstens eine in der Oberfläche der Steuerschieberhülse angeordnete Nut zur Ausbildung wenigstens eines Strömungskanals zur Übertragung des Steuerstroms und/oder Volumenstroms auf. Die Nut verläuft abschnittsweise oder insgesamt nicht in Umfangsrichtung der Steuerschieberhülse. An dieser Stelle wird nochmals auf die deutsche nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung
DE 10 2012 002 921 Bezug genommen.
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Durch die Ausführung des Ventilblocks 21 aus rostfreiem Stahl oder aus Titan kann zumindest ein Teil der notwendigen Steuerschieber unmittelbar ohne Schieberhülse in das Gehäuse 21 integriert werden. Dies gilt für die Schieber der Druckmesseinrichtung 29 sowie den Steuerschieber des Überdruckventils 22 sowie möglicher weiterer Ventile. Dadurch wird die Bauweise des Ventilblockmoduls wesentlich kompakter gestaltet und die Anzahl und die Länge der notwendigen Verbindungsbohrungen zwischen den einzelnen Komponenten kann merklich reduziert werden.
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Beispielsweise ist der 4 das Mode-Ventil in einer Schnittdarstellung zu entnehmen. Das Mode-Ventil umfasst einen Steuerschieber 28 der unmittelbar innerhalb des Ventilgehäuses 21 gelagert ist. Auf die Verwendung einer etwaigen Schieberhülse kann verzichtet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Ventilblockmoduls 20 ergeben sich folgende Vorteile:
- 1. Das Volumen des Ventilblockmoduls 20 wird gegenüber der Standardlösung massiv reduziert, wodurch der Grad der Individualisierung zur Anpassung an die verschiedenen Einbauräume massiv reduziert wird.
- 2. Die Anzahl der Einzelteile im Ventilblockmodul 20 wird gegenüber der Lösung aus 1 um 40% reduziert.
- 3. Es gibt fast keine internen Dichtungen mehr, womit das Risiko von Leckagen massiv reduziert wird und die Zuverlässigkeit des Ventilblockmoduls 20 zunimmt.
- 4. Durch den Entfall der Zwischenstecker reduziert sich die Fehlerrate und der Montageaufwand wird ebenfalls stark reduziert.
- 5. Das Gewicht des Ventilblockmoduls 20 ist trotz Verwendung von Stahl gegenüber einem Ventilblock aus Aluminium reduziert.
- 6. Durch die Verwendung von Stahl als Ventilblockmaterial ist das Problem der Dauerfestigkeit von Ventilblöcken nicht mehr gegeben. Die Lebensdauer von alubasierten Ventilblöcken ist aufgrund der hohen im Inneren auftretenden Spannungen, hervorgerufen durch den hohen Hydraulikdruck, begrenzt.
- 7. Trotz des hohen Integrationsgrades kann das Ventilblockmodul 20 im Luftfahrzeug getauscht werden. Da der Betreiber nur eine Komponente auf Lager halten muss (früher: viele verschiedene LRUs), entstehen auch hier geringe Kosten. Ein möglicher höherer Kostenaufwand für das erfindungsgemäße Ventilblockmodul 20 kann im Vergleich zu den einzelnen LRUs dadurch kompensiert werden.
- 8. In Summe können die Kosten für ein Ventilblockmodul 20 nach dieser Bauart gegenüber einem Standardventilblock 2 gemäß 1 um ca. 30% gesenkt werden.
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Der eventuell notwendige Fluidspeicher ist nicht mehr Bestandteil des erfindungsgemäßen Ventilblockmoduls 20. Dieser wird im Stellzylinder selbst integriert. Dadurch ergibt sich ein deutlich kompakteres Ventilblockmodul 20 der dadurch universell für verschiedene Einbauräume verwendet werden kann, ohne vorab eine individuelle Anpassung des Ventilblocks an den jeweiligen Einbauraum vornehmen zu müssen.
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Der 2 verdeutlicht den Umfang der Größenreduktion des Ventilblockmoduls 20 aufgrund der Verlagerung des Fluidspeichers in den Stellzylinder, d. h. in dessen Zylindergehäuse 10. Die 2 zeigt ebenfalls eine Aussparung 11 in der Mantelfläche 10, die einen Einblick in den Innenraum des Stellzylinders zulässt. Insbesondere kann mit Hilfe der Aussparung 11 der aktuelle Füllstand des Fluidspeichers abgelesen werden.
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Der prinzipielle Aufbau des Fluidspeichers soll im Folgenden anhand der 5a, 5b näher erläutert werden. 5a zeigt eine vollständige Schnittdarstellung entlang der Zylinderlängsachse. Der Stellzylinder ist als Gleichlaufzylinder ausgeführt, wobei die beiden entgegen gerichteten Kolbenflächen des Kolbens 31 ausgeglichen sind. Der Fluidzylinder ist im hinteren Teil des Zylindermantels 10 untergebracht, wobei die Bohrtiefe der Zylinderbohrung für die lineare Führung der Kolbenstange 30 in Richtung des Zylinderbodens verlängert wurde.
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5b zeigt eine Detailaufnahme des hinteren Zylinderbereichs. Der Fluidzylinder basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Federspeichers mit der Feder 40, die im Ausführungsbeispiel der 5a, 5b als Spiralfeder ausgeführt ist. Die Feder 40 spannt den Trennkolben 50 vor. Wird der den Speicherbehälter bildende Raum 60 der Zylinderbohrung mit Hydrauliköl gefüllt, so wirkt der Trennkolben 50 entgegen der Federkraft der Feder 40 und drückt diese zusammen. Druckenergie wird in Form der Federkraft gespeichert.
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Der Trennkolben 50 nutzt den Zylindermantel 10 als äußere Lauffläche. Eine hintere Führungsbuchse 70 dient als Hülse zur Aufnahme und Führung des hinteren Teils der Kolbenstange 30, wobei die Hülse 70 gleichzeitig als innere Führung und Lauffläche für die Dichtungen 51 des Trennkolbens 50 genutzt wird. Die Abdichtung gegenüber dem Zylindermantel 10 erfolgt über die beiden Ringdichtungen 52.
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Die beiden Zuleitungen 32, 33 dienen zur Druckbeaufschlagung der jeweiligen Zylinderkammern des Stellzylinders. Der Zufluss zum Fluidspeicher wird über die Bohrung 61 bereitgestellt.
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Der innenliegende Weggeber 80 zur Erfassung der Kolbenposition wird dazu genutzt, die hintere Führungsbuchse 70 in Position zu halten, insbesondere in axialer Richtung zu fixieren.
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Wird der Zylinder mit obigen Merkmalen ausgeführt, sind für die Realisierung der Speicherfunktionalität lediglich zwei zusätzliche Komponenten in das Zylindergehäuse zu integrieren, nämlich die Feder 40 sowie der Trennkolben 50. Durch den dargelegten Speicheraufbau ergeben sich die folgenden Vorteile:
- 1. Einfachere Bauart des Ventilblockmoduls 20, da der Speicher in den Stellzylinder integriert wird.
- 2. In Summe wird der Platzbedarf für den Speicher reduziert, da der Raum um die hintere Kolbenstange 30 in der Regel ungenutzt ist und daher für die Realisierung des Fluidspeichers zur Verfügung steht.
- 3. Das Gesamtgerät kann kleiner bauen, wodurch sich der Bauraumbedarf innerhalb eines Luftfahrzeugs reduziert.
- 4. Das Gesamtgerät wird aufgrund der reduzierten Teilezahl und der einfachen Integration des Speichers preisgünstiger.
- 5. Das Gesamtgerät wird in Summe leichter, da das am Zylinder 10 entstehende Mehrgewicht geringer ist als das Gewicht eines autarken Fluidspeichers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012002921 [0017, 0036]
