DE102014102283A1

DE102014102283A1 - Verstellsystem zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs, Verfahren zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs und Flugzeug mit einem Flügel und mindestens einer daran bewegbar angeordneten Klappe

Info

Publication number: DE102014102283A1
Application number: DE102014102283.1A
Authority: DE
Inventors: Tanno Zantz
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-27
Anticipated expiration: 2034-02-22
Also published as: DE102014102283B4

Abstract

Ein Verstellsystem zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs, weist einen Verstellhebel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einen Stützhebel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, eine Antriebseinheit und eine Stützvorrichtung auf, wobei die Antriebseinheit dazu eingerichtet ist, ein Verstellelement entlang einer ersten Bewegungsachse des Verstellsystems zu verschieben. Das erste Ende des Verstellhebels ist mit der Klappe gekoppelt und das zweite Ende ist schwenkbar mit dem Verstellelement gekoppelt. Das erste Ende des Stützhebels ist weiterhin mit einem an dem Verstellhebel angeordneten Schwenkpunkt gekoppelt, wobei der Schwenkpunkt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Verstellhebels liegt. Das zweite Ende des Stützhebels ist mit einer Aufnahmeeinrichtung der Stützvorrichtung ausschließlich um eine von der Aufnahmeeinrichtung definierte zweite Achse verschwenkbar gekoppelt. Schließlich ist die Stützvorrichtung dazu eingerichtet, die Aufnahmeeinrichtung bedarfsweise derart zu bewegen, dass die Ausrichtung der zweiten Achse gegenüber der ersten Achse geändert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verstellsystem zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs, ein Verfahren zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs sowie ein Flugzeug mit einem Flügel und mindestens einer daran bewegbar angeordneten Klappe.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zum Bewegen von Klappen an einem Flügel eines Flugzeugs sind zahlreiche Systeme bekannt, mit denen durch Einwirkung eines Aktuators eine Klappe auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn bewegt wird. Dies kann Zahnstangenantriebe, Mehrgelenkketten und Scherenmechaniken einschließen.
Aus US 2011/0006155 A1 ist etwa eine Scherenmechanik zum Bewegen eines Vorflügels bekannt, bei der ein Verstellhebel an einem ersten Ende schwenkbar mit dem Vorflügel verbunden ist und dessen zweites Ende entlang einer ersten Achse verschiebbar ist. Ein um eine zweite Achse schwenkbar gelagerter Stützarm ist mit dem Aktuatorarm an einem zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordneten Schwenkpunkt gekoppelt. Durch Verschieben des Verstellelements entlang der ersten Achse, durch die sich das Verstellelement der zweiten Achse annähert oder sich davon entfernt, wird das erste Ende von der ersten Achse weg oder zu der ersten Achse hin bewegt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verstellsystem zum Verstellen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs vorzuschlagen, welches auf einer Scherenkinematik basiert, dennoch eine verbesserte Bewegbarkeit der zu bewegenden Klappe ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verstellsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Verstellsystem zum Bewegen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs vorgeschlagen, welches mindestens einen Verstellhebel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, mindestens einen Stützhebel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, eine Antriebseinheit und mindestens eine Stützvorrichtung aufweist. Die Antriebseinheit ist dazu eingerichtet, ein Verstellelement entlang einer ersten Achse des Verstellsystems zu verschieben. Das erste Ende des Verstellhebels ist mit der Klappe gekoppelt und das zweite Ende ist schwenkbar mit dem Verstellelement gekoppelt. Das erste Ende des Stützhebels ist mit einem an dem Verstellhebel angeordneten Schwenkpunkt gekoppelt, wobei der Schwenkpunkt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Verstellhebels liegt. Das zweite Ende des Stützhebels ist mit einer Aufnahmeeinrichtung der Stützvorrichtung ausschließlich um eine von der Aufnahmeeinrichtung definierte zweite Achse verschwenkbar gekoppelt. Die Stützvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Aufnahmeeinrichtung bedarfsweise zu bewegen, um die Ausrichtung der zweiten Achse gegenüber der ersten Achse zu ändern.
Der Verstellhebel im Sinne der Erfindung ist als Hauptelement zum Halten und zum Bewegen der Klappe zu verstehen. Der Stützhebel schränkt die Bewegbarkeit des Verstellhebels dadurch ein, dass der an dem Verstellhebel angeordnete Schwenkpunkt jeweils nur auf einer durch die Länge des Stützhebels vorgegebenen Bahn relativ zu der Stützvorrichtung bewegt werden kann.
Die Antriebseinheit ist dazu eingerichtet, das zweite Ende des Verstellelements entlang der ersten Bewegungsachse des Verstellsystems zu verschieben. Aus der kinematischen Kopplung zwischen dem Verstellhebel und dem Stützhebel folgt zwangsläufig eine Bewegung des ersten Endes des Verstellhebels in Abhängigkeit von der Bewegung des Verstellelements.
Die erste Achse ist bevorzugt derart zu wählen, dass eine Bewegung des Verstellelements zu einem sich vergrößernden oder verringernden Abstand des Verstellelements zu dem zweiten Ende des Stützhebels führt. Der Verstellhebel und der Stützhebel bilden somit eine Scherenmechanik, bei der sich das erste Ende des Verstellhebels von der ersten Achse entfernt, wenn das Verstellelement zu dem zweiten Ende des Stützhebels bewegt wird. Das erste Ende des Verstellhebels wird zu der ersten Achse hin bewegt, wenn das Verstellelement von dem zweiten Ende des Stützhebels entfernt wird. Dies entspricht bei einem an einem Flügel eines Flugzeugs angeordneten Verstellsystem dem Ausfahren der Klappe bzw. dem Einfahren.
Die Stützvorrichtung, welche die Aufnahmeeinrichtung beherbergt und mit einer Flügelstruktur verbindbar ist, kann durch Ändern der Ausrichtung der zweiten Achse die Bewegung des ersten Endes des Verstellhebels direkt beeinflussen. Bei fester Ausrichtung der zweiten Achse gegenüber der ersten Achse würde das erste Ende des Verstellhebels einer räumlich fest vorgegebenen Bewegungsbahn folgen. Dies wird dadurch bedingt, dass der Schwenkpunkt des Verstellhebels ausschließlich um eine im Raum fest ausgerichtete Kreisbahn um die zweite Achse herum bewegbar ist. Wird die räumliche Ausrichtung der zweiten Achse gegenüber der ersten Achse jedoch geändert, kann die Bewegung des Schwenkpunktes beim Verstellen des Verstellelements deutlich beeinflusst werden. Folglich ist es durch Beeinflussung der Ausrichtung der zweiten Achse gegenüber der ersten Achse möglich, bei ausgefahrener Klappe, die einen festen Abstand von der zweiten Achse einnimmt, oder bei sich bewegender Klappe eine translatorische oder rotatorische Bewegung der Klappe in jeweils mindestens einer Raumrichtung zu ermöglichen.
Ist die zu bewegende Klappe ein Vorflügel (Slat) können somit ausgefahrene Klappenpositionen in großem Maße an geforderte aerodynamische Eigenschaften des Flügels und der Klappe angepasst werden. Beispielsweise kann die Größe des zwischen dem Vorflügel und dem Flügel eingestellten Spalts unabhängig von dem Abstand des Vorflügels zu dem Flügel gewählt werden. Somit kann etwa die effektive Flügelfläche unabhängig von der Spaltgröße bestimmt werden. Dies bezieht sich weiterhin auch auf den Abstand von einer tangentenstetigen Profilsehnenverlängerung, so dass durch Beeinflussen der Stützvorrichtung die Krümmung des Flügels beeinflussbar ist. Ist die Trajektorie die Lösung eines Optimierungsproblems, das die in DE 102010027771 A1 genannten Voraussetzungen erfüllt, kann die Steuerung gemäß des dort angegebenen Verfahrens erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verstellsystem erlaubt somit eine sehr kompakte Gestaltung, ohne Bauraum zu erfordern, der in eine flügelfeste Struktur ragt und gleichzeitig eine besonders flexible Ausrichtung der Klappe zum Beeinflussen der aerodynamischen Eigenschaften unter Nutzung mehrerer geometrischer Freiheitsgrade erlaubt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet das zweite Ende des Stützhebels zum Umgreifen der Stützvorrichtung eine Gabel mit zwei Schenkeln aus. Die Aufnahmeeinrichtung besitzt zwei entlang der zweiten Achse voneinander beabstandete Aufnahmelager zum Aufnehmen der Schenkel. Die Gabel kann durch den Abstand zwischen den beiden Schenkeln somit die Stützvorrichtung umgreifen, wobei aufgrund des Abstands der Schenkel ein hohes Moment übertragbar ist. Zudem kann die Konstruktion der Stützvorrichtung relativ einfach gestaltet werden, wobei Kernaspekt bei der Gestaltung das Verdrehen zweier Komponenten zueinander ist.
Weiter vorteilhaft weist die Stützvorrichtung einen Basiskörper auf, der mit einer flügelfesten Struktur verbindbar ist. Die Stützvorrichtung besitzt mindestens eine Antriebsvorrichtung zum Verdrehen der Aufnahmeeinrichtung um mindestens eine Drehachse gegenüber dem Basiskörper. Der Basiskörper könnte beispielhaft von anderen Komponenten umschlossen werden, die gegenüber dem Basiskörper zu verdrehen sind. Die Ausgestaltung des Stützhebels mit einer Gabel kann somit ohne Umlenkungen direkt an einer Außenseite der Stützvorrichtung angebracht werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Stützvorrichtung zwei Antriebsvorrichtungen zum Verdrehen der Aufnahmeeinrichtung um zwei sich schneidende und zueinander rechtwinkligen Drehachsen auf. Die Stützvorrichtung ist somit wie ein kardanisches Gelenk ausgestaltet, dessen Komponenten aktiv zueinander verdrehbar sind. Als aktive Komponenten der Antriebsvorrichtungen können Elektromotoren, insbesondere intern redundante, Elektromotoren zum Einsatz kommen. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Veröffentlichung DE 102011016336 A1 verwiesen, in der die Verwendung derartiger Motoren beschrieben wird. Die zweite Achse kann folglich beliebig innerhalb eines großen Raumwinkels liegen, wobei der Ursprung dieses Raumwinkels durch das Zentrum der Stützvorrichtung gebildet wird. Die Größe des Raumwinkels ist abhängig von der jeweiligen Ausführung der beiden Antriebsvorrichtungen und kann in einem Kreiskegel mit einem Öffnungswinkel von 90° oder mehr liegen.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist die Stützvorrichtung mindestens ein Mittel zum Detektieren der Ausrichtung der zweiten Achse relativ zu der ersten Achse auf. Das Ansteuern der Stützvorrichtung zum Ändern der Ausrichtung der zweiten Achse relativ zu der ersten Achse sollte zum Erreichen einer hohen Präzision und Wiederkehrgenauigkeit durch einen geschlossenen Regelkreis erfolgen. In diesem wird eine Abweichung einer gewünschten Ausrichtung zwischen der zweiten Achse und der ersten Achse ermittelt, um über eine geeignete Übertragungsfunktion ein Steuersignal zu generieren, so dass die Antriebsvorrichtungen zum Erreichen der gewünschten Ausrichtung angesteuert werden. Ist der Regler adaptiver Natur und geht das veränderbare Regelgesetz aus einem Optimierungsproblem hervor, das die in DE 102010027771 A1 genannten Voraussetzungen erfüllt, kann die Regelung gemäß des in DE 102010027771 A1 beschriebenen Verfahrens erfolgen. Je nach Aufbau der Stützvorrichtung können ein oder mehrere ebene Winkel zwischen Komponenten der Stützvorrichtung gemessen werden, die dann von einer Regeleinheit interpretiert bzw. zum Generieren eines Ansteuersignals genutzt werden. Demnach ist es besonders vorteilhaft, Mittel zum Detektieren der Ausrichtung einzusetzen.
Hierbei ist per se kein Mittel von vornherein auszuschließen, solange es geeignet ist, eine Ausrichtung oder einen bestimmten Ausrichtungsanteil zu ermitteln. Dennoch können berührungslos wirkende Sensoren bevorzugt eingesetzt werden, die beispielsweise in Form von Differentialtransformatoren (LVDT, Linear Variable Differential Transformer oder RVDT, Rotary Variable Differential Transformer) ausgeführt sind. Gleichzeitig können auch optische oder akustische Einrichtungen eingesetzt werden, um beispielsweise den Abstand zwischen zwei zueinander bewegbaren Komponenten der Stützvorrichtung zu messen. Neben ultraschallbasierten Systemen können auch laserbasierte Systeme Verwendung finden. Es kann weiterhin aus Gründen des vorhandenen Bauraums für derartige Mittel sinnvoll sein, durch Getriebe oder andere Einrichtungen zu detektierende Bewegungen in die verwendeten Sensoren einzukoppeln.
Die Stützvorrichtung kann weiterhin eine erste Antriebsvorrichtung aufweisen, die eine Verdrehung der Aufnahmeeinrichtung um eine erste Drehachse durchführt, die parallel zu einer Längserstreckung des Basiskörpers verläuft und in einer Ebene mit der Aufnahmeeinrichtung liegt. Diese erste Antriebsvorrichtung könnte etwa eine Verdrehung um eine mit der ersten Achse zusammenfallende erste Drehachse durchführen, so dass die zu bewegende Klappe durch entsprechendes Ansteuern der ersten Antriebsvorrichtung um einen gewünschten Winkel um die erste Achse rotieren kann.
Um komplexere Bewegungen durchführen zu können, kann die Stützvorrichtung eine zweite Antriebsvorrichtung aufweisen, die eine Verdrehung der Aufnahmeeinrichtung um eine zweite Drehachse durchführt, die senkrecht zu der ersten Drehachse verläuft und in einer Ebene mit der Aufnahmeeinrichtung liegt. Somit wird mit der ersten Antriebsvorrichtung zusammen eine deutlich verbesserte Bewegbarkeit erreicht, die der eines kardanischen Gelenks entsprechen würde.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass zur Berücksichtigung der Lageänderung des Stützhebels besonders vorteilhaft ist, wenn das zweite Ende des Verstellhebels über ein Kugelgelenk mit dem Verstellelement gekoppelt ist, oder wenn das Verstellelement eine gewisse Rotation um die erste Achse ermöglicht. Verspannungen innerhalb der durch das Verstellsystem realisierten Scherenmechanik können somit verhindert werden.
Desweiteren wird erwähnt, dass „schwenkbar gelagert“ das Vorsehen eines Gelenks umfasst, welches insbesondere ein Bewegen um eine Drehachse erlaubt.
Die Antriebseinheit ist bevorzugt als Linearaktuator ausgeführt, der eine lineare Bewegung des Verstellelements entlang der ersten Achse durchführt. Zur Halterung einer Klappe sind, sobald keine separate Bahnführungskinematik vorliegt, an mindestens zwei Punkten zu führen, wobei diese Punkte zu einer starren Halterung der Klappe führen sollten. Dies kann etwa ermöglicht werden, indem diese Gelenkpunkte eine Rotation um eine Achse erlauben, die nicht mit der ersten Achse zusammenfällt, wenn die Gelenkpunkte parallel zu der ersten Achse an der Klappe angeordnet werden.
Die Stützvorrichtung weist bevorzugt eine Öffnung auf, die ein Durchführen der Antriebseinheit ermöglicht, so dass diese sich durch mehrere Stützvorrichtungen erstrecken kann. Weist das betreffende Flugzeug mehrere Klappen beispielsweise entlang einer Flügelvorderkante auf, ist es sinnvoll, eine einzelne Antriebseinheit zu verwenden, um mehrere Verstellhebel gleichzeitig entlang der ersten Achse bewegen zu können. Dafür ist sinnvoll, eine lineare Erstreckung der Antriebseinheit durch mehrere Stützvorrichtungen zu gewährleisten. Weist die Stützvorrichtung etwa einen Basiskörper auf, könnte dieser beispielsweise eine zylindrische Durchgangsbohrung aufweisen.
Besonders vorteilhaft weist die Stützvorrichtung mindestens ein Gleitelement auf, welches durch die erste Antriebsvorrichtung um die erste Achse herum verdrehbar ist und in einer Gleitführung geführt wird. Der Gleitkörper kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein, wobei bei mehrteiliger Ausführung mehrere Gleitblöcke regelmäßig über den Umfang beispielsweise eines Basiskörpers verteilt sind und durch eine entsprechende Verbindungseinrichtung in diesem bestimmten geometrischen Verhältnis zueinander fixiert werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung mit zwei Gleitblöcken, die um 180° um die erste Achse herum versetzt angeordnet sind. Bei einteiliger Ausführung des Gleitkörpers ist besonders vorteilhaft, den Basiskörper mehrteilig auszuführen, wobei die zueinander gewandten Flächen der Basiskörperabschnitte eine mit dem Gleitkörper korrespondierend ausgestaltete Nut aufweisen, an der der Gleitkörper rotierbar geführt wird. Der Gleitkörper kann im Folgenden auch stets als integraler Bestandteil der ersten Antriebsvorrichtung angesehen werden.
Besonders vorteilhaft weist der mindestens eine Gleitkörper eine Verzahnung auf, wobei die erste Antriebseinrichtung mindestens einen Motor mit einem damit gekoppelten Zahnrad umfasst, wobei das Zahnrad in die Verzahnung eingreift. Die Verzahnung ist hierbei regelmäßig um die erste Drehachse herum angeordnet, so dass bei Rotation des in die Verzahnung eingreifenden Zahnrads ein Gleiten des mindestens einen Gleitkörpers um die erste Drehachse herum erfolgen kann. Die Verzahnung kann dabei als Stirnradverzahnung, Innenverzahnung oder als Kronenradverzahnung ausgeführt sein, wobei das betreffende, mit dem Motor gekoppelte Zahnrad in seiner Dimensionierung und Ausrichtung daran angepasst ist.
Zum Detektieren der Lage des mindestens einen Gleitkörpers um die erste Drehachse herum kann eine weitere Verzahnung auf einer entlang der ersten Drehachse gegenüberliegenden Seite des mindestens einen Gleitkörpers vorhanden sein, in die ein Zahnrad eines Drehsensors eingreift. Sobald der mindestens eine Gleitkörper durch die erste Antriebseinrichtung in Drehung versetzt wird, kann diese Drehung durch den Drehsensor detektiert werden.
Die zweite Antriebseinrichtung kann weiterhin mindestens einen Rotationskörper aufweisen, der eine Verzahnung aufweist, in die mindestens ein Zahnrad, welches mit einem Motor gekoppelt ist, eingreift. Auch hier kann die Verzahnung als Innenverzahnung, Stirnradverzahnung und Kronenradverzahnung ausgeführt sein. Der mindestens eine Rotationskörper ist derart ausgerichtet, dass sich die Verzahnung zumindest teilweise über einen Kreis erstreckt, der in einer Ebene mit der Aufnahmeeinrichtung und parallel zu der ersten Drehachse verläuft.
Es versteht sich, dass eine jeweilige Antriebseinrichtung mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt ist oder koppelbar ist. Weist die Stützvorrichtung beispielsweise lediglich eine einzige Antriebsvorrichtung auf, kann das darin angetriebene Element, zum Beispiel mindestens ein Gleitkörper oder mindestens ein Rotationskörper, mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt sein. Wird eine Bewegbarkeit um eine erste Drehachse und um eine zweite Drehachse gleichzeitig gewünscht, bilden die erste Antriebsvorrichtung und die zweite Antriebsvorrichtung eine kinematische Kette. Dies bedeutet, dass die beiden Antriebsvorrichtungen miteinander gekoppelt sind, wobei eine der beiden Antriebsvorrichtungen mit einer flügelfesten Struktur verbindbar ist, während die andere Antriebsvorrichtung mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist die erste Antriebsvorrichtung mit einer flügelfesten Struktur verbindbar, zum Beispiel mit einem Basiskörper, der mit der flügelfesten Struktur fest verbindbar ist. Die zweite Antriebsvorrichtung ist dann mit der ersten Antriebsvorrichtung gekoppelt. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass der Rotationskörper auf dem mindestens einen Gleitkörper gelagert ist und der zum Antrieb des Rotationskörpers notwendige Motor in dem Gleitkörper angeordnet ist und über ein damit gekoppeltes Zahnrad in die Verzahnung des Rotationskörpers eingreift. Der Rotationskörper ist dann mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelt oder weist diese auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Verstellhebel zwischen dem Schwenkpunkt und dem zweiten Ende und der Stützhebel als aktiv verstellbare Teleskoparme auszuführen. Damit wird die Flexibilität der Bewegung der Klappe noch deutlich weiter erhöht.
Desweiteren kann auch der Verstellhebel zwischen dem Schwenkpunkt und dem zweiten Ende als aktiv verstellbarer Teleskoparm und eines der Gelenke im zweiten Ende, im Schwenkpunkt 24 oder zweiten Ende als aktiv verstellbar ausgeführt werden.
Vorteilhaft kann auch sein, den Stützhebel als aktiv verstellbaren Teleskoparm und eines der Gelenke im zweiten Ende, im Schwenkpunkt oder im zweiten Ende als aktiv verstellbar auszuführen.
Der Verstellhebel kann vorteilhafterweise auch als verstellbarer Teleskophebel ausgeführt sein.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Verstellsystem auch dazu eingerichtet sein, einen eventuellen Strömungsabriss zu eliminieren, indem eine Klappe rasch in eine sichere Lage gebracht werden kann. Hierzu kann das erfindungsgemäße Verstellsystem über eine Torsionsfeder verfügen, die mechanisch mit der Klappe, beispielsweise über ein Gelenk zwischen der Klappe und dem Verstellhebel, gekoppelt ist und bedarfsweise über eine lösbare Kupplung die Klappe in zumindest einem Freiheitsgrad von dem Verstellsystem lösbar ist, um von der Torsionsfeder in eine besonders günstige Position gebracht zu werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen einer Klappe an einem Flügel eines Flugzeugs, aufweisend die Schritte des Bewegens eines Verstellhebels, der ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen dazwischen liegenden Schwenkpunkt aufweist, wobei das erste Ende mit der Klappe und das zweite Ende mit einem Verstellelement gekoppelt ist, welches zum Bewegen des zweiten Endes entlang einer ersten Achse bewegt wird, so dass sich der Verstellhebel über den Schwenkpunkt an einem zweiten Ende eines Stützhebel abstützt, der mit einem ersten Ende ausschließlich um eine von einer Aufnahmeeinrichtung einer Stützvorrichtung vorgegebene zweite Achse schwenkbar ist, und des Bewegens der Stützvorrichtung zum Ändern der Ausrichtung der zweiten Achse relativ zu der ersten Achse.
Das Bewegen des Verstellelements und der Stützvorrichtung kann gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Flugzeug mit mindestens einem Flügel, mindestens einer zu bewegenden Klappe und mindestens einem Verstellsystem zum Bewegen der Klappe an dem Flügel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt ein Verstellsystem in einer dreidimensionalen Ansicht mit Teilschnitten.
2 zeigt die Stützvorrichtung in einer Zwei-Seiten-Darstellung.
3 zeigt ein in der Klappe anzuordnendes Detail des Verstellsystems.
4 bis 7 zeigen jeweils eine Abwandlung der Stützvorrichtung aus 2.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen aussagekräftigen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verstellsystems 2 mit einer hierdurch bewegbaren Klappe 4, welche beispielhaft als ein Vorflügel (slat) ausgeführt ist. Das Verstellsystem 2 weist einen Verstellhebel 6 mit einem ersten Ende 8 und einem zweiten Ende 10 auf, wobei das erste Ende 8 mit einem entsprechenden Krafteinleitungselement 12 gekoppelt ist, welches strukturfest mit der Klappe 4 verbunden ist. Aufgrund der ausgeprägten Relativbewegung der Klappe 4 zu einer flügelfesten Struktur ist diese Kopplung schwenkbar, das heißt, der Verstellhebel 6 und das Krafteinleitungselement 12 können gegeneinander verschwenkt werden. Das zweite Ende 10 des Verstellhebels 6 ist mit einem Verstellelement 14 gekoppelt, welches entlang einer ersten Achse 16 verschiebbar ist. Durch die Kopplung mit dem Verstellelement 14 wird das zweite Ende 10 entlang der ersten Achse 16 bewegt.
Das Verstellsystem 2 weist ferner einen Stützhebel 18 auf, der ein erstes Ende 20 und ein zweites Ende 22 besitzt, wobei das erste Ende 20 mit einem Schwenkpunkt 24 an dem Verstellhebel 6 gekoppelt ist, wobei der Schwenkpunkt 24 zwischen dem ersten Ende 8 und dem zweiten Ende 10 des Verstellhebels 6 positioniert ist. Dies kann beispielsweise in einer geometrischen Mitte sein, aus Auslegungsgründen aber auch zu dem ersten Ende 8 oder dem zweiten Ende 10 verschoben sein. Das zweite Ende 22 des Stützhebels 18 ist exemplarisch gabelförmig ausgebildet und weist somit zwei Schenkel 26 auf. Das zweite Ende 22 ist mit einer Aufnahmeeinrichtung 28 einer Stützvorrichtung 30 verbunden. Das zweite Ende 22 des Stützhebels 18 ist ausschließlich um eine von der Aufnahmeeinrichtung 28 definierte zweite Achse 32 verschwenkbar.
Das Verstellsystem 2 basiert somit auf einer Scherenmechanik, bei der das Verstellelement 14 zu der Stützvorrichtung 30 verfahrbar ist, um eine Bewegung des ersten Endes 8 des Verstellhebels 6 durchzuführen. Die erreichbare räumliche Bahnkurve des ersten Endes 8 ist von dem räumlichen Verhältnis zwischen der ersten Achse 16 und der zweiten Achse 32 abhängig. Bleibt das Verhältnis dieser beiden Achsen 16, 32 zueinander konstant, kann die Klappe 4 nur einer einzigen, starr vorgegebenen räumlichen Bahnkurve folgen, das heißt ein individuelles Einstellen einer räumlichen Position der Klappe 4 zu einer flügelfesten Struktur in einer oder zwei Raumrichtungen ist nicht möglich.
Die Stützvorrichtung 30 erlaubt allerdings das Einstellen einer räumlichen Position der Aufnahmeeinrichtung 28 relativ zu der ersten Achse 16, wie weiter nachfolgend detailliert dargestellt wird. Durch diese Einstellbarkeit erhöht sich drastisch die Flexibilität der Bewegung der Klappe 4, was eine deutlich verbesserte Eigenschaft zur Einstellung von Spaltmaßen und dergleichen erlaubt.
2 stellt die Stützvorrichtung 30 in einer Zwei-Seiten-Darstellung dar, wobei links in der Zeichnungsebene der Schnitt B-B und rechts in der Zeichnungsebene der Schnitt A-A dargestellt werden, wobei die Schnittrichtung jeweils auf der anderen Seite der Zeichnungsebene gezeigt wird.
Die Stützvorrichtung 30 weist einen Basiskörper 34 auf, der eine Öffnung 36 zum Durchführen des Verstellelements 14 besitzt. Diese Darstellung lässt erkennen, dass das in 1 gezeigte Verstellelement 14 sich über eine relativ große Länge erstrecken kann, um mit mehreren ersten Enden 10 mehrerer Verstellhebel 6 gekoppelt zu werden, so dass lediglich ein einziger Aktuator zum Bewegen des Verstellelements 14 notwendig ist. Jede Klappe 4, die zu bewegen ist, kann beispielsweise über zwei Verstellhebel 6 bewegt werden, was eine präzise Führung und eine ausreichende Haltekraft verursacht. Da sich dann auch mehrere Stützvorrichtungen 30 in dem Verstellsystem 2 befinden, können diese berührungslos das Verstellelement 14 durch die Öffnung 36 durchführen.
Der Basiskörper 34 weist eine ringförmige Nut 38 auf, in der zwei um 180° um die erste Achse 16 versetzte Gleitblöcke 40 positioniert sind, welche zumindest bereichsweise auf die kreisrunde Form der Ringnut 38 angepasst sind. Die Gleitblöcke 40 weisen somit eine ringsegmentförmige Gleitfläche 42 auf, die gleitend in der Ringnut 38 läuft. Zum Sicherstellen der exakten Ausrichtung von 180° zueinander sind die Gleitblöcke 40 über eine Verbindungseinrichtung 43 miteinander verbunden. Diese ist beliebig gestaltbar, um ein freies Gleiten der Gleitblöcke 40 in der Ringnut 38 zu erlauben.
Jeder Gleitblock 40 weist entlang der ersten Achse 16 voneinander beabstandete Verzahnungen 44 auf. In dem Basiskörper 34 sind ferner Motoren 46 angeordnet, die jeweils mit einem Zahnrad 48 gekoppelt sind, welches in eine jeweilige Verzahnung 44 eingreift. Beim Rotieren eines Zahnrades kann somit ein Gleiten der Gleitblöcke 40 um die erste Achse 16 durchgeführt werden. Aufgrund der Verbindungseinrichtung 43 erfolgt diese Bewegung der Gleitblöcke 40 stets derart, dass der Versatz um 180° aufrechterhalten wird. Hiermit kann eine Verdrehung um eine erste Drehachse erfolgen, die der ersten Achse 16 entspricht. Durch eine mechanische Kopplung zwischen den Gleitblöcken 40 und der Aufnahmeeinrichtung 28 zum Aufnehmen der Schenkel 26 des Stützhebels 18 kann somit eine Ausrichtung der zweiten Achse 32 erfolgen. Die verursachte Drehung kann hierbei über Messeinrichtungen 50 erfolgen, die ebenfalls in dem Basiskörper 34 positioniert und mit Zahnrädern 52 gekoppelt sind, die in jeweils eine Verzahnung 44 eines Gleitblocks 40 eingreifen. Diese Messeinrichtungen können beispielsweise in Form von RVDTs (Drehmelder bzw. „Rotary Variable Differential Transformer“) ausgeführt sein. Die Messeinrichtungen 50 und die Motoren 46 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gleitblöcke 40 in dem Basiskörper 34 angeordnet.
Wie aus 2 ersichtlich ist, erfolgt die mechanische Kopplung zwischen den Gleitblöcken 40 und der Aufnahmeeinrichtung 28 über weitere mechanische Elemente. Während die Motoren 46, die Zahnräder 48, die Verzahnung 44, die Ringnut 38 und die Gleitblöcke 40 eine erste Antriebseinrichtung 54 darstellen, erfolgt die mechanische Kopplung mit der Aufnahmeeinrichtung 28 über eine zweite Antriebseinrichtung 56.
Die zweite Antriebseinrichtung 56 weist Motoren 58 auf, wobei jeweils ein Motor 58 in einem Gleitblock 40 angeordnet ist und mit jeweils einem Zahnrad 60 gekoppelt ist. Jedes Zahnrad 60 greift in eine Innenverzahnung 62 eines Kreisbogensegments in einem Rotationsblock 64 ein, wobei die Innenverzahnung 62 jeweils zu dem Basiskörper 34 gewandt ist. Die Innenverzahnungen 62 sind derart ausgestaltet, dass beim Rotieren der Zahnräder 60 die Gleitblöcke 40 um eine zweite Drehachse 64 verdreht werden, wobei diese senkrecht zu der ersten Achse 16 ausgerichtet ist und in einer Ebene liegt, die auch die Aufnahmeeinrichtung 28 umfasst. Der Zahngrund der Innenverzahnung 62 weist somit einen Radius auf, der dem Abstand von einem Mittelpunkt 66 der Stützeinrichtung 30 zu dem Zahngrund 68 entspricht.
Zum Ermitteln der momentanen Verdrehung sind Messeinrichtungen 70 vorgesehen, die jeweils mit einem Zahnrad 72 gekoppelt sind, welches in einer weiteren Innenverzahnung 62 eingreift. Die Messeinrichtungen 70 sind in den Gleitblöcken 40 angeordnet. Die Rotationsblöcke 64 sind weiterhin derart ausgestaltet, dass sie eine deutliche Überlappung mit den Gleitblöcken 40 entlang der zweiten Drehachse 64 schaffen, wobei die Zahnräder 60 und 72 an gegenüberliegenden Seiten der Gleitblöcke 40 angeordnet sind.
Exemplarisch wird in der Schnittansicht A-A eine flügelfeste Struktur 74 angedeutet.
Das erfindungsgemäße Verstellsystem 2 kann eine weitere, besonders vorteilhafte Gestaltungsvariante aufweisen, die in 3 gezeigt wird. Exemplarisch werden zwei Halteblöcke 12 einer Klappe 4 gezeigt, wobei an einem Antriebsblock 12 ein Motor 76 angeordnet ist, welcher über eine Welle 78 mit einem Getriebe 80 verbunden ist, das wiederum über eine Welle 82 über eine Kupplung 84 eine Verdrehung der Klappe 4 um eine dritte Drehachse 86 durchführen kann. Die Kupplung 84 ist über eine Welle 88 mit der Klappe 4 mechanisch gekoppelt, wobei die Welle 88 auch dazu eingerichtet ist, eine Torsionsfeder 90 zu spannen. Im Falle eines Strömungsabrisses kann die Kupplung 84 schlagartig geöffnet werden, so dass über die vorgespannte Torsionsfeder 90 eine Rotation der Klappe 4 zum Öffnen eines Spalts durchgeführt wird.
Der Motor 76 ist bevorzugt mit einer internen Bremse ausgestattet und sollte ferner über eine Positionserfassungseinrichtung verfügen, ebenso wie die Torsionsfeder 90.
Abweichend zu 2 kann, wie in 4 dargestellt wird, in einer weiteren Ausführungsform die Stützvorrichtung 30 auch einen zweigeteilten Basiskörper 34 aufweisen, wobei die Unterteilung durch einen Schnitt senkrecht zur Achse 16 derart in zwei Basiskörperabschnitte 34a und 34b erfolgen kann, dass beide Basiskörperabschnitte 34a und 34b eine oder mehrere Ringnuten an ihren zueinander gewandten Stirnflächen aufweisen. Der Gleitkörper 40 kann indes einteilig aufgeführt sein und eine (hohl-)zylindrische Gestalt aufweisen, der zwischen den beiden Basiskörperabschnitten 34a und 34b sitzt. Ferner kann der Gleitkörper 40 auf seinen kreisförmigen Stirnflächen eine oder mehrere ringförmige Stege aufweisen, mit denen er in Ringnuten der Basiskörperabschnitte 34a und 34b eingreift.
Ist der Durchmesser des Gleitkörpers 40 größer als der des Basiskörpers lassen sich die Antriebseinrichtungen 54 und 56 sowie die Messeinrichtungen 50 und 72 wie in 2 anordnen.
Ist der Durchmesser des Gleitkörpers 40 allerdings kleiner oder gleich dem des Basiskörpers 34 aus 2 müssen die Achsen der Motoren 46 und der Sensoren 50 so gedreht werden, dass ihre Achsen mit der Achse 16 parallel verlaufen. Bei hinreichender Dicke der Wand des Basiskörpers 34 können der Motor 46 und der Sensor 50 in der Wand des Basiskörpers 34 bzw. der Basiskörperabschnitte 34c, 34d integriert sein, wie etwa in 5 dargestellt. Der dort gezeigte Gleitkörper 40a weist an seinen Stirnflächen jeweils eine Verzahnung 44a in Form eines entsprechenden Zahnkranzes oder eines geeigneten Zahnrades auf.
Bei nicht hinreichender Dicke der Wand des Basiskörpers 34 können der Motor 46 und der Sensor 50 das Verstellelement 14 umschließen, d.h. ihre Achsen fallen mit der ersten Achse 16 zusammen. Da diese Bauweise eine deutlich geringere Höhe aufweist, lassen sich die beiden Motoren 46 und die beiden Sensoren 50 zu jeweils einer Einheit 40a bzw. 50a zusammenziehen und mittig anordnen und zwar derart, dass ihre Achsen die Achse 16 schneiden. Dies kann etwa wie in 6 oder 7 ausgeführt sein, wobei dort der Motor 46a direkt in die erste Antriebseinheit 54a integriert ist, so dass keine Verzahnung notwendig ist, etwa durch direkte Integration von Stator und Rotor in die jeweiligen Bauteile Basiskörper 34e und 34f sowie einen Gleitkörper 40b.
Schließlich zeigt 7 eine weitere Modifikation des Ausführungsbeispiels aus 2, bei der ein Rotationskörper 65 eine Innenverzahnung 62 aufweist, in die direkt Zahnräder 60a bzw. 72a eines Motors 50a bzw. eines Rotationssensors 70a eingreifen, deren Rotationsachsen allerdings mit der ersten Achse 16 bzw. der ersten Drehachse 16 zusammenfallen. In einer ersten Antriebseinrichtung 54a wird der Motor 46a und ein Sensor 50a wie in 6 eingesetzt. Dadurch wird eine besonders kompakte Einheit realisiert.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0006155 A1 [0003]
DE 102010027771 A1 [0011, 0016, 0016]
DE 102011016336 A1 [0015]

Claims

Verstellsystem (2) zum Bewegen einer Klappe (4) an einem Flügel (5) eines Flugzeugs, aufweisend: – einen Verstellhebel (6) mit einem ersten Ende (8) und einem zweiten Ende (10), – einen Stützhebel (18) mit einem ersten Ende (20) und einem zweiten Ende (22), – eine Antriebseinheit (15) und – eine Stützvorrichtung (30), wobei die Antriebseinheit dazu eingerichtet ist, ein Verstellelement (14) entlang einer ersten Achse (16) des Verstellsystems (2) zu verschieben, wobei das erste Ende (8) des Verstellhebels (6) mit der Klappe (4) gekoppelt ist und das zweite Ende (10) schwenkbar mit dem Verstellelement (14) gekoppelt ist, wobei das erste Ende (20) des Stützhebels (18) mit einem an dem Verstellhebel (6) angeordneten Schwenkpunkt (24) gekoppelt ist, wobei der Schwenkpunkt (24) zwischen dem ersten Ende (8) und dem zweiten Ende (10) des Verstellhebels (6) liegt, wobei das zweite Ende (22) des Stützhebels (18) mit einer Aufnahmeeinrichtung (28) der Stützvorrichtung (30) ausschließlich um eine von der Aufnahmeeinrichtung (28) definierte zweite Achse (32) verschwenkbar gekoppelt ist, und wobei die Stützvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, die Aufnahmeeinrichtung (28) bedarfsweise derart zu bewegen, dass die Ausrichtung der zweiten Achse (32) gegenüber der ersten Achse (16) geändert wird.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende (22) des Stützhebels (18) zum Umgreifen der Stützvorrichtung (30) eine Gabel mit zwei Schenkeln (26) ausbildet und wobei die Aufnahmeeinrichtung (28) zwei entlang der zweiten Achse (32) voneinander beabstandete Aufnahmelager (29) zum Aufnehmen der Schenkel (26) besitzt.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützvorrichtung (30) einen Basiskörper (34) aufweist, der mit einer flügelfesten Struktur (74) verbindbar ist und wobei die Stützvorrichtung (30) mindestens eine Antriebsvorrichtung zum Verdrehen der Aufnahmeeinrichtung um mindestens eine Drehachse gegenüber dem Basiskörper (34) besitzt.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 3, wobei die Stützvorrichtung (30) zwei Antriebsvorrichtungen (54, 56) zum Verdrehen der Aufnahmeeinrichtung (28) um zwei sich schneidende und zueinander rechtwinkligen Drehachsen (16, 64) aufweist.
Verstellsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützvorrichtung (30) mindestens ein Mittel (50, 70) zum Detektieren der Ausrichtung der zweiten Achse (32) relativ zu der ersten Achse (16) aufweist.
Verstellsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützvorrichtung (30) eine erste Antriebsvorrichtung (54) aufweist, die eine Verdrehung der Aufnahmeeinrichtung (28) um eine erste Drehachse (16) durchführt, welche parallel zu einer Längserstreckung des Basiskörpers (34) verläuft und in einer Ebene mit der Aufnahmeeinrichtung (28) liegt.
Verstellsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützvorrichtung (30) eine zweite Antriebsvorrichtung (56) aufweist, die eine Verdrehung der Aufnahmeeinrichtung (28) um eine zweite Drehachse (64) durchführt, welche senkrecht zu der ersten Drehachse (16) verläuft und in einer Ebene mit der Aufnahmeeinrichtung (28) liegt.
Verstellsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützvorrichtung (30) eine Öffnung (37) zum mindestens teilweise Durchführen der Antriebseinheit (15) durch die Stützvorrichtung (30) aufweist.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 6, wobei die Stützvorrichtung (30) mindestens einen um die erste Drehachse (16) herum in einer Gleitführung (38) verdrehbar geführten Gleitkörper (40) aufweist, welcher durch die erste Antriebsvorrichtung (54) drehbar ist.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Gleitkörper (40) eine Kronenradverzahnung (44) aufweist, wobei die erste Antriebseinrichtung (54) mindestens einen Motor (46) mit einem damit gekoppelten Zahnrad (48) umfasst und wobei das Zahnrad (48) in die Kronenradverzahnung des Gleitkörpers (40) eingreift.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 7, wobei die Stützvorrichtung (30) mindestens einen Rotationskörper (64) aufweist, der um die zweite Drehachse (65) herum drehbar geführt ist und mit der zweiten Antriebsvorrichtung (56) drehbar gekoppelt ist.
Verstellsystem (2) nach Anspruch 6 und 7, wobei die erste Antriebsvorrichtung (54) und die zweite Antriebsvorrichtung (56) eine kinematische Kette bilden.
Verfahren zum Verstellen einer Klappe (4) an einem Flügel (5) eines Flugzeugs, aufweisend die Schritte: – Bewegen eines Verstellhebels (6), der ein erstes Ende (8), ein zweites Ende (10) und einen dazwischen liegenden Schwenkpunkt (24) aufweist, wobei das erste Ende (8) mit der Klappe (4) und das zweite Ende (10) mit einem Verstellelement (14) gekoppelt ist, welches zum Bewegen des zweiten Endes (10) entlang einer ersten Achse (16) bewegt wird, so dass sich der Verstellhebel (6) über den Schwenkpunkt (24) an einem zweiten Ende (22) eines Stützhebel (18) abstützt, der mit einem ersten Ende (20) ausschließlich um eine von einer Aufnahmeeinrichtung (28) einer Stützvorrichtung (30) vorgegebene zweite Achse (32) schwenkbar ist, und Bewegen der Stützvorrichtung (30) zum Ändern der Ausrichtung der zweiten Achse (32) relativ zu der ersten Achse (16).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bewegen des Verstellelements (16) und der Stützvorrichtung (30) bedarfsweise gleichzeitig oder nacheinander zum Einstellen eines gewünschten räumlichen Verhältnisses zwischen der Klappe (4) und dem Flügel (5) durchgeführt wird.
Flugzeug mit mindestens einem Flügel (5), mindestens einer zu bewegenden Klappe und mindestens einem Verstellsystem (2) zum Bewegen der Klappe (4) an dem Flügel (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verstellsystem (2) mit dem Flügel (5) und der Klappe (4) gekoppelt ist.