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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Detektion der Schiefstellung einer bewegbaren Komponente eines Luftfahrzeuges.
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Es sind Sensorsysteme zur Überwachung der korrekten Funktion von Steuerflächen, insbesondere an den Tragflächen eines Flugzeugs aus dem Stand der Technik bekannt. Die Flugzeuge sind bekannter Weise mit Steuerflächen, wie Vorflügeln und Landeklappen ausgerüstet, um die aerodynamischen Eigenschaften der Tragflächen zu verändern.
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Einzelne Klappen derartiger Auftriebshilfen werden in der Regel gemeinsam durch mehrere Aktuatoren angetrieben, wobei die Aktuatoren über die Klappenlänge versetzt angeordnet sind und damit unterschiedliche Teilbereich der Klappe antreiben. Laufen beide Aktuatoren nicht synchron, kommt es zu einer Schiefstellung der Klappe („Skewing”) bis zum Totalausfall aufgrund mechanischer Verklemmung. Dies wiederum führt zu einer unerwünschten Beeinträchtigung der aerodynamischen Eigenschaften der Tragfläche oder zum strukturellen Verlust der betroffenen Klappe.
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Um Fehler dieser Art möglichst frühzeitig zu erkennen und den Schadensverlauf zu stoppen, sind aus dem Stand der Technik Sensorsysteme bekannt, die einen Schieflauf- bzw. Synchronfehler oder gar den Verlust einzelner Auftriebshilfe frühzeitig detektieren können. Wenn ein Fehler erkannt wird, wird ein Signal erzeugt, welches ein entsprechendes Warnsignal auslöst und vorzugsweise zum Stopp des Antriebssystems führen kann.
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Es wird daher nach einem System und Verfahren gesucht, dass eine zuverlässige Detektion derartiger Störfälle erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße System gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Systems sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein System zur Detektion der Schiefstellung einer bewegbaren Komponente eines Luftfahrzeuges vorgeschlagen. Das System eignet sich vorzugsweise zur Detektion der Schiefstellung einer betätigbaren Auftriebshilfe für eine Auftriebshilfe, besonders bevorzugt eines Vorflügels oder einer Landeklappe. Die Komponente ist daher bevorzugt eine Klappe, insbesondere eine Klappe für eine Auftriebshilfe eines Luftfahrzeuges, beispielsweise ein verstellbarer Vorflügel.
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Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Aktuatoren pro Klappe parallel und verlaufen synchron und unabhängig voneinander.
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Die Kinematik der Komponente wird durch zwei zueinander versetzt angeordnete Aktuatoren erzeugt, die an unterschiedlichen Positionen der Komponente einwirken und eine Bewegung erzeugen. Abweichungen der synchronisierten Aktuatoren führen zu einer Schiefstellung der bewegbaren Komponente. Es ist wenigstens ein Sensor pro Aktuator bzw. Antriebsstrang vorgesehen, der eine mechanische Bewegung des dem Aktuator zugeordneten Antriebsstrangs überwacht. Als Antriebsstrang wird die Kraftübertragung eines Aktuators auf die betätigte Komponente verstanden. Für die wenigstens zwei Aktuatoren liegen folglich unabhängige Antriebsstränge vor. Denkbar ist es, dass die Antriebsstränge etwaige Getriebe- oder Transformationsmittel umfassen, wie beispielsweise eine Zahnstangen-Zahnrad-Kombination. Besonders bevorzugt detektieren die Sensoren eine Bewegung ihrer zugeordneten Getriebe- und/oder Transformationsmittel.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr eine Überwachungseinrichtung integriert, um die die erzeugten Sensorsignale auszuwerten. Die Ausgangssignale der Sensoren ändern sich bei einer erfassten Bewegung. Die Überwachungseinrichtung ist derart ausgestaltet, so dass diese bewegungsbedingte Signaländerungen für jeden der wenigstens zwei Sensoren zählt und auf Grundlage eines Vergleichs der Sensorzählwerte eine Schiefstellung der Komponente erkennt.
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Während der Betätigung der Komponente ändern sich die Signalausgänge der Sensoren, so dass die den Sensoren zugeordnete Zählerstände inkrementiert bzw. dekrementiert werden. Bei einem Synchronlauf beider Aktuatoren sollten beide Zählerstände keine bzw. nur geringfügige Abweichungen aufzeigen. Ein fehlender Synchronlauf der Aktuatoren führt hingegen zu abweichenden Zählerständen, was durch die Überwachungseinheit erkannt wird.
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Vorzugsweise wird zur Ausblendung geringfügiger und für die Sicherheit unbedeutender Abweichung der Zählwerte beider Aktuatoren ein Schwellwert für tolerierbare Abweichungen definiert. Eine Schiefstellung wird erst dann detektiert, falls der gebildete Differenzbetrag zwischen den Zählerständen der Sensoren diesen Schwellwert überschreitet. Es besteht die Möglichkeit, dass dieser Schwellwert der Überwachungseinrichtung frei konfigurierbar ist.
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Empfehlenswert ist der Einsatz von Inkrementalgebern als Sensoren, die auf Grundlage eines optischen und/oder magnetischen Messprinzips arbeiten. Die Erfassung der mechanischen Bewegung kann demnach berührungslos erfolgen.
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Besonders bevorzugt nehmen die wenigstens zwei Sensoren binäre Zustandswerte an bzw. geben diese als Sensorsignale aus, sodass die Überwachungseinrichtung den Zustandswechsel der jeweiligen Sensoren zählt. Beispielsweise liegt am Sensorausgang ein „High” oder „Low” Signal an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich wenigstens ein Positionssensor zur Richtungserkennung der Kinematik der Komponente vorgesehen. Unter Berücksichtigung der Richtungserkennung können die Zählerstände inkrementiert oder dekrementiert werden. Die Auswertung der Signaldaten des Positionssensors kann innerhalb der Überwachungseinheit erfolgen, insbesondere lässt sich anhand der gesammelten Messdaten des Positionssensors die Bewegungsrichtung ableiten.
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Sinnvollerweise ist der Schwellwert der Überwachungseinrichtung zu Detektion der Schiefstellung konfigurierbar. Idealerweise sollte der Schwellwert der Überwachungseinrichtung auf ein Vielfaches der Auflösung der Maßverkörperung, besonders bevorzugt auf ein geradzeiliges Vielfaches der Maßverkörperung, konfigurierbar sein, um systembedingte Ungenauigkeiten auszugleichen.
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Zur Erhöhung der Systemsicherheit ist es vorteilhaft, wenn die Sensorik der Aktuator eine gewisse Redundanz zeigt. Denkbar ist es, pro Aktuator wenigstens zwei redundante Sensoren einzusetzen. Bei Verwendung von Inkrementalgebern kann beispielsweise die Leseeinheit des Sensors und/oder die Maßverkörperung redundant vorliegen. In der Regel ist eine redundante Ausführung der Leseeinheit auf Grund der ungleich größeren Ausfallwahrscheinlichkeit ausreichend. Eine Redundanz der Leseeinheit kann durch separate Leseköpfe mit eigenem Sensorgehäuse oder durch einen einzelnen Sensor, bei dem zwei Leseköpfe innerhalb eines Sensorgehäuses integriert sind, geschaffen werden. Bevorzugt liefern die redundanten Sensoren getrennte Messwerte an die Überwachungseinrichtung. Es besteht die Möglichkeit, dass die Sensorwerte der redundanten Sensoren parallel von der Überwachungseinrichtung ausgewertet werden. Alternativ bietet es sich an, lediglich den Sensorwert eines Sensors auszuwerten und nur im Fehlerfall auf den Sensorwert des redundanten Sensors zurückzugreifen. Ferner kann auch die Überwachungseinrichtung selbst redundant ausgeführt sein. Sinvoll ist es jedoch, wenn die Überwachungseinheit für jede Leseeinheit eines redundanten Sensors getrennte Zählerstände verwaltet.
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Aufgrund des örtlichen Versatzes der redundanten Sensoren bzw. Leseköpfe zur Maßverkörperung besteht die Möglichkeit, dass die Überwachungseinrichtung für beide Sensoren unterschiedliche Zählwerte erfasst. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, dass die beiden Sensoren mit möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet sind, idealerweise in einem Abstand zueinander, der geringer als die Auflösung der Maßverkörperung ist. Besonders bevorzugt ist der örtliche Abstand zwischen den Sensoren kleiner oder gleich einem Viertel der Auflösung der Maßverkörperung.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, den Schwellwert für die Erkennung einer Klappenschiefstellung entsprechend anzuheben, sodass mögliche Zählwertunterschiede der Sensorwerte der redundanten Sensoren unerkannt bleiben. Beispielsweise sollte der Schwellwert in diesem Fall größer sein, als die Zählabweichung der beiden Zählerstände der redundanten Sensoren.
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Neben dem erfindungsgemäßen System betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Detektion der Schiefstellung einer bewegbaren Komponente eines Luftfahrzeuges, insbesondere einer betätigbaren Auftriebshilfe des Luftfahrzeuges, bevorzugt eines Vorflügels bzw. einer Landeklappe, wobei diese über wenigstens zwei zueinander versetzte Aktuatoren betätigt wird und pro Aktuator wenigstens ein Sensor vorgesehen ist. Die Sensoren erfassen eine mechanische Bewegung des dem Aktuator zugeordneten Antriebsstrangs, wobei erfindungsgemäß bewegungsbedingte Signalwechsel für jeden Sensor gezählt werden und durch einen Vergleich der Sensorzählwerte eine Schiefstellung der Komponente erkannt werden kann.
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Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäße Verfahren entsprechen offensichtlich den Merkmalen des erfindungsgemäßen Systems, weshalb vorstehend erläuterte Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Systems ohne Einschränkung für das erfindungsgemäße Verfahren gelten.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Differenzbetrag zwischen den Sensorzählwerten gebildet wird und gegen einen Schwellwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung eines definierten Schwellwertes eine Schiefstellung der Komponente erkannt wird.
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Weiterhin ist es vorstellbar, dass die Bewegungsrichtung der Bewegung mittels wenigstens eines Positionssensors erkannt wird und in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung der Sensorzählwert inkrementiert oder dekrementiert wird.
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Weiterhin ist es denkbar, dass vor der Aktivierung des Systems ein Initialisierungsdurchlauf gestartet wird, um die Zählerstände der Sensoren zu initialisieren. Beispielsweise werden bei einem Erreichen der Komponentenendlage die Zählerstande entsprechend zurückgesetzt bzw. auf einen vorbestimmten Zählwert gesetzt.
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Denkbar ist es beispielsweise, dass für den Fall, dass bei einer Betätigung des Aktuators für einen bestimmten Zeitraum keine Änderung des Sensorsignals erkannt wird, auf das Erreichen einer entsprechenden Endlage der betätigbaren Komponente geschlossen wird. In diesem Fall wird der Zählerstand auf den entsprechenden hinterlegten Wert für die Endstellung gesetzt.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
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1: eine schematische Übersicht des erfindungsgemäßen Systems zur Detektion einer Klappenschiefstellung,
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2: eine Darstellung eines Sensorsignals mit dem gegenübergestellten Zählerstand und
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3: ein Blockdiagramm des Systems zur Detektion einer Klappenschiefstellung.
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1 zeigt eine schematische Konstruktionsdarstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Detektion einer Klappenschiefstellung für ein Luftfahrzeug. Die Darstellung zeigt zwei ein- und ausfahrbare Klappen, insbesondere in Form der verstellbaren Vorderflügel der Tragfläche eines Luftfahrzeuges, die jeweils über zwei Aktuatoren 20 betätigt werden können.
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Die Aktuatoren 20 sind als Drehantriebe ausgeführt, an deren Ausgangswelle ein Zahnrad 31 angeflanscht ist, das eine zugeordnete Zahnstange 30 kämmt. Mittels der Zahnstangenkombination 30, 31 wird die rotatorische Leistung der Abtriebswelle des Drehantriebs 20 in die benötigte Linearbewegung der Zahnstange 30 zum Aus- und Einfahren der Klappe 10 gewandelt. Erkennbar ist zudem, dass die Kraftübertragung der Zahnstangen 30 an unterschiedlichen Positionen der Klappe 10 erfolgt. Sofern die Antriebe 20 nicht ausreichend synchron arbeiten, kommt es zu einer Schiefstellung der Klappe, wie dies in der 1 durch die rechte Klappe angedeutet ist.
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Zur Überwachung einer möglichen Schiefstellung ist deswegen für jeden Aktuator 20 ein eigener Sensor 40 vorgesehen, der die Bewegung des dem Aktuators 20 zugeordneten Zahnrades 31 erkennt. Die Sensorausgänge werden durch die Überwachungseinrichtung 50 über getrennte Signalleitungen abgegriffen. Die Überwachungseinrichtung 50 wertet die Sensorsignale aus und erkennt auf Grundlage der Sensorwerte eine mögliche Klappenschiefstellung.
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Die Sensoren 40 sind als Inkrementalgeber in Form von Hallsensoren ausgeführt, wobei als Maßkörper ein mit dem Zahnrad 31 verbundenes Magnetrad dient, das sich periodisch wiederholende magnetische Teilbereich sowie nichtmagnetischen Teilbereichen aufweist. Detektiert der Hall-Sensor 40 in seinem Lesebereich einen magnetischen Teilbereich, erzeugt dieser an seinem Signalausgang ein „High” Signal. Wird kein magnetischer Teilbereich erkannt, erzeugt der Sensor ein „Low”-Signal. Die Signalkodierung kann selbstverständlich auch umgekehrt erfolgen.
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Der Signalverlauf eines Sensors 40 ist im Signaldiagramm der 2 wiedergegeben. Die Überwachungseinrichtung 50 zählt nunmehr für jeden Sensor 40 die Anzahl der Signalübergänge von „Low” nach „High” bzw. von „High” nach „Low” inkrementiert bzw. dekrementiert den dem Sensor 40 zugeordneten Zählerstand entsprechend. Insgesamt erkennt die Überwachungseinrichtung 50 insgesamt 3 Signalübergänge des Sensors 40, so dass der Zählerstand 3 beträgt.
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Für die Entscheidung, ob der Zählerstand dekrementiert oder inkrementiert werden soll, wird das Signal eines Positionssensors ausgewertet, anhand dessen ein Rückschluss auf die Bewegungsrichtung getroffen wird. Der Positionssensor kann beispielsweise im Bereich der Zahnstange 30 angeordnet sein. Durch Kenntnis der Bewegungsrichtung der Klappe 10 und entsprechender Zählregelung kann anhand des Zählerstandes die tatsächliche Klappenposition ausgewertet werden.
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3 zeigt ein Blockdiagramm, das den Aufbau der Überwachungseinrichtung 50 verdeutlichen soll. Zudem ist erkennbar, dass beie Aktuatoren 20a, 20b einer Klappe 10 einen redundant ausgeführten Sensor 40a, 40b umfassen. Dazu ist jeder Sensor 40a, 40b mit einem dualen Lesekopf ausgestattet, wobei die Leseköpfe eines Sensors 40a, 40b zwei redundante Ausgangssignale L1, L2 liefern. Diese Ausgangssignale L1, L2 jedes Sensors 40a, 40b werden der redundant ausgeführten Überwachungseinrichtung 50 zur Verfügung gestellt. Diese unterteilt sich in zwei unabhängige Einheiten 50a, 50b mit identischem Aufbau. Beide Einheiten 50a, 50b erhalten zudem dieselben Eingangssignale L1, L2 der Sensoren 40a, 40b, so dass der Einfachheit halber im Folgenden nur auf den Aufbau der Einheit 40a näher eingegangen wird.
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Die Einrichtung 50a sieht zwei Blöcke 51, 52 vor, die entsprechende Signalübergänge der Sensorsignale L1, L2 der Sensoren 40a, 40b zählen und den jeweiligen Zählerstand verwalten. Die Verdrahtung lässt erkennen, dass der Block 51 die Übergänge der Sensorsignale L1, L2 des ersten Sensors 40a des Aktuators 20a zählt, während der Block 52 für die Sensorsignale L1, L2 des zweiten Sensors 40b zuständig ist. Zu beachten ist hierbei, dass zwar für beide Sensorsignale L1, L2 eines Sensors 40a, 40b die Zählerstände erfasst werden, jedoch nur der Zählerstand eines Sensorsignals, bspw. des Signals L1 für die nachfolgende Auswertung verwendet wird. Nur im Fehlerfall wird das sekundäre Sensorsignal L2 verwendet.
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Im Block 53 wird für die Zählerstände der Sensoren 40a, 40b die Differenz gebildet, die am Ausgang des Blocks 54 als Differenzbetrag ausgegeben wird. Der Differenzbetrag wird im Block 56 gegen einen konfigurierbaren Schwellwert 55 verglichen und bei Überschreiten des Schwellwertes eine Klappenschiefstellung erkannt. Bei Vorliegen einer Schiefstellung wird das System bzw. die Klappe 10 in eine sichere Stellung verbracht um größere Folgeschäden abzuwenden.
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Die Überwachungseinrichtungen 50a, 50b arbeiten parallel. Mittels Vergleich des Ergebnisses bzw. einzelner Teilergebnisse lassen sich mögliche Fehlerfälle erkennen.
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Denkbar ist auch ein Überwachungssystem, das nicht nur die Schiefstellung (skew), sondern auch das Lösen der Klappe vom Akutator (disconnect) erfasst. Dazu werden die Sensoren vorzugsweise mit zwei Kanälen (unabhängig) ausgeführt. Um die Auflösung bei der disconnect Erfassung zu erhöhen, werden die pro Sensor erfassten Signale zwischen den Kanälen ausgetauscht (2. Kanal ist um 90° versetzt). Denkbar ist es, dass die beiden Signale zueinander versetzte Rechteckprofile sind. Eine Zählung der Signale kann beispielsweise in Abhängigkeit davon durchgeführt werden, ob der Pegel eines Signals auf einem hohen Niveau ist, wenn der Pegel des anderen Signals auf einem geringen Niveau ist etc.
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Diese Zählung kann für mindestens zwei Aktuatoren pro Klappe durchgeführt werden und es kann auf den Disconnect-Zustand geschlossen werden, wenn die Differenz zwischen den beiden Zählern einen Grenzwert übersteigt.
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Eine Überwachung auf disconnect ist in diesem Falle möglich, wenn pro Sensor zwei Kanäle zur Verfügung stehen, eine Überwachung auf Schiefstellung ist bereits dann möglich, wenn auch nur ein Kanal verfügbar ist.
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Dabei ist es denkbar, dass der Skew-Fall immer überwacht wird, während eine Disconnect-Überwachung nur bei der Verfügbarkeit zweier Kanäle pro Sensor erfolgt. Dies ist so möglich, da der Disconnect-Fall nicht unmittelbar zu einem „catastrophic event” führt und der Fehler des disconnet über eine bestimmte Anzahl von Zyklen als schlafend akzeptiert werden kann.
