DE102017003153A1

DE102017003153A1 - Elektro-hydraulisches Modul zum Antreiben wenigstens eines Bauteils eines Luftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102017003153A1
Application number: DE102017003153.3A
Authority: DE
Inventors: Dirk Metzler; Marcelo Duval; Reinhold Kleinhans
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-05-17
Also published as: WO2018091475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektro-hydraulisches Modul zum Antreiben wenigstens eines Bauteils eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Flugzeuges, wobei das elektro-hydraulische Modul wenigstens einen Elektromotor und wenigstens eine mit dem Elektromotor gekoppelte kompensierte Innenzahnradpumpe umfasst. Die Erfindung ist ferner auf ein Luftfahrzeug mit einem entsprechend elektro-hydraulischen Modul gerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-hydraulisches Modul zum Antreiben wenigstens eines Bauteils eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Die Erfindung ist auch auf ein Luftfahrzeugs mit einem entsprechenden Modul gerichtet.
In der Luftfahrt werden für elektro-hydraulische Module (EHA) bzw. Aktuatoren üblicherweise Axialkolbenpumpen (AKP) in Schrägscheibenbauweise eingesetzt.
Airbus Flugzeuge wie die A380 haben z.B. sogenannte Electro Hydraulic Back Up Actuator (EBHA) für die Spoiler-Anwendung mit einer AKP und für alle anderen primären Flächen reine EHA Anwendungen, welche beim Ausfall der zweifach redundanten hydraulischen Steuerung zum Einsatz kommen. Das militärische Airbus Flugzeug A400M und das neue zivile Flugzeug A350 haben auch EHA Anwendungen für alle primären Steuerflächen.
Bei allen eingesetzten EHA's wird bis dato die AKP-Technologie mit einer Konstantförderpumpe eingesetzt. Die EHA-Basisarchitektur ist in der 1 dargestellt, bei der Pumpe des Elektro Hydraulik Moduls (EHM) handelt es sich gemäß dem Stand der Technik immer um eine bidirektionale AKP. Wie 1 entnehmbar ist, kann der Begriff EHM ein Modul mit wenigstens einer Pumpe und wenigstens einem Elektromotor bezeichnen, während der Begriff EHA ein EHM mit wenigstens einem zusätzlichen Aktuator bezeichnen kann.
Das AKP Funktionsprinzip ist in 1 dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Charakteristische Bauteile einer Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise sind die durchgehende Antriebswelle, welche eine Kolbentrommel antreibt. In der Kolbentrommel bewegen sich die Kolben in einer Linearführung und stützen sich wiederum über Gleitschuhe auf einer stehenden Schrägscheibe 5 ab. Die Schrägscheibe 5 kann konstant (für EHA Anwendungen) oder verstellbar ausgeführt sein, so dass sich ein konstantes oder variables Schluckvolumen ergibt. Die Umsteuerung zwischen Hoch- und Niederdruck wird durch einen Steuerspiegel 2 realisiert. Durch die Relativbewegung der Kolben zur Kolbentrommel wird während einer halben Umdrehung Hydraulikflüssigkeit aus dem Niederdrucktank angesaugt und diese während einer halben Umdrehung in den Hochdruckzweig eingespeist. Die Förderströme der einzelnen Kolben überlagern sich dann zu einem Gesamtvolumenstrom. Das Bezugszeichen 1 beschreibt einen Zylinderblock, das Bezugszeichen 3 eine sphärische Wellenverzahnung und das Bezugszeichen 4 ein Wellenlager.
Nachteile des Standes der Technik sind die hohe Komplexität und dadurch verursachte hohe Kosten, eine verminderte Lebensdauer durch viele bewegliche Teile, ein höheres Gewicht der Vorrichtung, ein höheres rotatorisches Massenträgheitsmoment und Pulsation im Fluid (Fluidschall), was Dämpfungsmaßnahmen im Flugzeug erforderlich mach und Sekundäreffekte wie Geräuschbeeinflussungen in der Passagierkabine verursacht.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektro-hydraulisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile nicht oder verringert aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektro-hydraulisches Modul gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach umfasst das elektro-hydraulisches Modul wenigstens einen Elektromotor und wenigstens eine mit dem Elektromotor gekoppelte kompensierte Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Hydraulikmediums. Die Innenzahnradpumpe kann radial und/oder axial kompensiert sein.
Mittels des elektro-hydraulischen Moduls kann beispielsweise ein autonomes Bugfahrwerk (ESTER) oder eine primäre oder sekundäre Steuerfläche versorgt bzw. bewegt werden. Hierbei wird eine für die Luftfahrt neue Hydraulikpumpentechnologien mit konstantem Fördervolumen genutzt, welche verminderte Pulsationen, das heißt einen leiseren Betrieb, eine geringere Komplexität, niedrigere Kosten, eine erhöhte Zuverlässigkeit sowie ein geringeres Gewicht bei vergleichbaren Wirkungsgrad aufweist.
Innenzahnradpumpen (IZP) sind Verdrängerpumpen mit einer angetriebenen Ritzelwelle und einem durch die Ritzelwelle angetriebenen Hohlrad. Das Medium wird von einer Niederdruckzone durch den Verzahnungsausgriff angesaugt und zu einer Hochdruckzone innerhalb der Zahnlückenzwischenräume gefördert. Die Verdrängung erfolgt auf der Hochdruckseite durch den Verzahnungseingriff. Das Ansaugen und Ausstoßen aus der Verzahnung erfolgt üblicherweise über radiale Bohrungen im Hohlrad. Entsprechend sind Saug- und Druckanschlüsse am Gehäuse radial ausgeführt. Über die Hohlradbohrungen dann auch ein hydrostatisches Lager für das Hohlrad gesteuert. Je nach Anwendungsfall werden Pumpen jedoch auch mit axialen Anschlüssen ausgeführt, wobei dann zumeist die Hohlradbohrungen teilweise oder ganz entfallen und entweder ein Gleitlager das Hohlrad aufnimmt oder über entsprechende Bohrungen im Gehäuse und Deckel ebenfalls ein hydrostatisches Lager angesteuert wird.
In der IZP erfolgt die Abdichtung zwischen Niederdruck- und Hochdruckzone hauptsächlich über sog. Segmente (Füllstück), die sich radial an den Zahnköpfen von Ritzelwelle und Hohlrad sowie in Deckeln oder Gehäuse eingebrachten und drehbar gelagerten Haltestiften abstützen. Zwischen den Segmenten befindet sich eine Dichtrolle, welche die Abdichtung zur Niederdruckzone gewährleistet und über eine vorgespannte Blattfeder ein Selbstansaugen der Pumpen ermöglicht. Hierdurch ist unter typischen Betriebsbedingungen keine zusätzliche Speisung erforderlich. Näheres hierzu ist der 2 entnehmbar. Diese zeigt eine Innenzahnradpumpe mit großem Eingriffsfeld und Verzahnungsprofilen am Innenradpaar. Ferner ist eine Evolventen-Kurzverzahnung a, eine empirische Spezialverzahnung b und eine Trochoidenverzahnung c gezeigt und kann erfindungsgemäß vorgesehen sein.
Eine Speisung wird erst dann erforderlich, wenn aufgrund hoher Drehzahlen der Saugunterdruck zu Ausgasen und Kavitation führt. An den Stirnflächen der Verzahnung liegen auf der Seite der Hochdruckzone sogenannte Axialscheiben.
Diese dienen zum einen der axialen Spaltkompensation zum anderen der Steuerung von Druckaufbau und Druckabbau in den Zahnlückenzwischenräumen über entsprechende Nuten und Steuerkanten. Die Axialscheiben werden hierbei durch Bohrungen in den Scheiben auf der Rückseite druckbeaufschlagt und überkompensieren leicht die von innen kommenden Druckkräfte. Gemeinsam mit der Dichtrollenposition bestimmen die Lagen und Tiefen der Steuernuten die radiale und axiale Spaltkompensation der Pumpe.
Die axiale Kompensation wird bei Pumpen angewendet, die bei Drücken oberhalb 100 bar oder mit Drehzahlen <500 min-1 betrieben werden und noch sehr gute volumetrische Wirkungsgrade erreichen müssen. In Bidirektionalen bzw. Vierquadrantpumpen sind die Axialscheiben symmetrisch ausgeführt.
Bevorzugte Ausführung der IZP für eine EHA Anwendung ist daher eine IZP mit radialer und axialer Spaltkompensation da hierbei vergleichbare Wirkungsgrade erreicht werden, jedoch sind auch IZP's ohne Füllstück, sogenannte Zahnringpumpen oder auch Gerotorpumpen wie in 3 dargestellt denkbar, wenn die Wirkungsgrade für diese Applikation ausreichend sind.
4 zeigt zum direkten Vergleich den gleichen EHA mit einer konventionellen AKP als Pumpe als Stand der Technik.
Vorteil der Erfindung eines EHA mit IZP anstatt AKP sind dessen geringere Komplexität, da weniger bewegliche Teile verbaut werden müsse, eine erhöhte Lebensdauer aufgrund weniger beweglicher Teile, eine preisgünstigere Herstellung, ein geringeres Gewicht der rotierenden Elemente, wodurch die rotierende Massenträgheit verkleinert wird und hierdurch der Antriebsmotor kleiner dimensioniert werden kann, da die dynamische Spitzenlast bei EHAs dimensionierend ist, ein geringerer Fluidschall und hierdurch entfallenden sekundäre Dämpfungsmaßnahmen, sowie das Fehlen separater Gehäuseleckageleitung (englisch: Case Drain) und hierdurch entsprechend entfallender Aufwand für Leitung und Filterung.
In einer bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Bauteil je wenigstens eine primäre Steuerfläche, eine sekundäre Steuerfläche, ein Bugfahrwerk, eine Lenkung insbesondere eines Bugfahrwerks, ein Hauptfahrwerk, eine Bremse insbesondere eines Hauptfahrwerks und/oder eine Frachtraumtür ist. Das elektro-hydraulische Modul kann jeweils direkt an einem entsprechenden hydraulischen Aktuator des jeweiligen Bauteils angeordnet sein oder auch davon beabstandet oder über entsprechende Leitungen mit einem Aktuator des Bauteils verbunden sein. Es ist auch denkbar ein einzelnes elektro-hydraulisches Modul zum Antreiben zweier auch voneinander beabstandeter Bauteile des Luftfahrzeugs zu nutzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Innenzahnradpumpe eine unidirektionale oder eine bidirektionale Innenzahnradpumpe und/oder eine Hochdruck-Zahnradpumpe ist. Hierdurch kann entweder ein reiner, unidirektionaler Pumpenbetrieb oder ein bidirektionaler EHA-Einsatz gut integriert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung kann ferner vorgesehen sein, dass die Innenzahnradpumpe eine radiale und/oder axiale Spaltkompensation, insbesondere mit wenigstens einem entsprechenden Füllstück umfasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass eine Steuerelektronik zur Steuerung des Elektromotors vorgesehen ist. Diese Steuerelektronik kann als integraler Bestandteil des elektro-hydraulischem Moduls ausgebildet und beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses verbaut sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Innenzahnradpumpe eine Zahnringpumpe oder eine Gerotorpumpe ist. Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein insbesondere bidirektionaler Aktuator vorgesehen ist, der von der Innenzahnradpumpe antreibbar ist. Der Aktuator kann somit ebenfalls als integrierter Bestandteil des elektro-hydraulischem Moduls und beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses vorgesehen sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ferner denkbar, dass ein Ventilblock zum Ansteuern des Aktuators vorgesehen ist. Das elektro-hydraulische Modul kann ferner zum Antreiben einer zentralen Antriebseinheit eines Highliftsystems oder eines Wingfoldingsystems, zum Antreiben wenigstens einer in einem Flügel vorgesehenen Antriebseinheit eines Highliftsystems und/oder zum Antreiben wenigstens einer in einem Flügel vorgesehen Antriebseinheit eines Wingfoldingsystems ausgebildet sein.
Die Erfindung ist ferner auf ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit wenigstens einem elektro-hydraulische Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gerichtet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile sind anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungen beispielhaft erläutert. Dabei zeigen:

1: Schema einer Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise;
2: Innenzahnradpumpe mit Spaltkompensation;
3: Zahnringpumpe; Gerotorpumpe;
4: elektro-hydraulischer Aktuator mit konventioneller Axialkolbenpumpe gemäß dem Stand der Technik;
5: Architektur eines elektro-hydraulischen Aktuators für ein autonomes Bugfahrwerk (ESTER); und
6: Basisarchitektur einer elektro-hydraulischen Einheit mit Innenzahnradpumpe für Luftfahrtanwendungen.

6 zeigt das Funktionskonzept eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Moduls 1, wobei das Modul 1 in dem Fall, in dem es auch einen Aktuator umfasst, als elektro-hydraulischer Aktuator EHA bezeichnet werden kann. Das elektro-hydraulische Modul 1 umfasst wenigstens einen Elektromotor 2 und wenigstens eine mit dem Elektromotor 2 gekoppelte kompensierte. Innenzahnradpumpe 3. Die Innezahnradpumpe 3 dient zum Fördern eines Hydraulikmediums zu einem Aktuator 6. Denkbar ist auch, dass eine Mehrzahl an Aktuatoren 6 mittels des elektro-hydraulischen Moduls 1 mit einem Hydraulikmedium versorgt wird.
Bei dem von dem elektro-hydraulischen Modul 1 angetriebenen Bauteil kann es sich beispielsweise um eine primäre Steuerfläche, ein Bugfahrwerk und/oder um eine sekundäre Steuerfläche eines Luftfahrzeugs handeln. Der Begriff der sekundären Steuerfläche ist hierbei weit auszulegen und kann alle verstellbaren Steuerflächen an Flügeln eines Luftfahrzeugs bezeichnen, die keine primären Steuerflächen sind.
Eine Steuerelektronik 5 kann insbesondere als integraler Teil des elektro-hydraulischen Moduls 1 vorgesehen sein. Ferner kann ein Ventilblock 4 zum Ansteuern des Aktuators 6 vorgesehen sein, der als integraler Teil des elektro-hydraulischen Moduls 1 ausgebildet sein kann. Weiterhin kann das elektro-hydraulischen Modul 1 einen Druckspeicher 7 und einen Schalter zum Einstellen unterschiedlicher Betriebsarten des Ventilblocks 4 umfassen.
5 zeigt die Architektur des EHAs in der Anwendung für ein autonomes Bugfahrwerk (ESTER) zur Betätigung der Bugradlenkung.
6 zeigt die allgemeingültige Architektur eines EHA mit IZP für Luftfahrtanwendungen. Dabei steuert eine Motorkontrollelektronik bzw. eine Steuerelektronik 5 einen Elektromotor 2, der wiederum die Innenzahnradpumpe 3 zum Fördern eines Hydraulikmediums dreht. Über den Ventilblock 4 kann die Innenzahnradpumpe 3 einen beispielsweise als bidirektionalen Aktuator ausgebildeten Aktuator 6 antreiben.
Der Aktuator 6 kann an einem oder an zwei seiner Enden einen Anschluss zum Koppeln des Aktuators 6 mit einem Verbraucher, wie einem autonomen Bugfahrwerk oder einer primären oder sekundären Steuerfläche umfassen.

Claims

Elektro-hydraulisches Modul zum Antreiben wenigstens eines Bauteils eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Flugzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-hydraulische Modul wenigstens einen Elektromotor und wenigstens eine mit dem Elektromotor gekoppelte kompensierte Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Hydraulikmediums umfasst.
Elektro-hydraulisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil je wenigstens eine primäre Steuerfläche, eine sekundäre Steuerfläche, ein Bugfahrwerk, eine Lenkung insbesondere eines Bugfahrwerks, ein Hauptfahrwerk, eine Bremse insbesondere eines Hauptfahrwerks und/oder eine Frachtraumtür ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe eine unidirektionale oder eine bidirektionale Innenzahnradpumpe und/oder eine Hochdruck-Zahnradpumpe ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe eine radiale und/oder axiale Spaltkompensation, insbesondere mit wenigstens einem entsprechenden Füllstück umfasst.
Elektro-hydraulisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerelektronik zur Steuerung des Elektromotors vorgesehen ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenzahnradpumpe eine Zahnringpumpe oder ein Gerotorpumpe ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere bidirektionaler Aktuator vorgesehen ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilblock zum Ansteuern des Aktuators vorgesehen ist.
Elektro-hydraulisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-hydraulische Modul wenigstens eine zentrale Antriebseinheit eines Highliftsystems oder eines Wingfoldingsystems, wenigstens eine in einem Flügel vorgesehene Antriebseinheit eines Highliftsystems und/oder wenigstens eine in einem Flügel vorgesehene Antriebseinheit eines Wingfoldingsystems antreibt.
Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit wenigstens einem elektro-hydraulischen Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9.