DE102018127830A1

DE102018127830A1 - Elektro-hydrostatisches Betätigungssystem

Info

Publication number: DE102018127830A1
Application number: DE102018127830.6A
Authority: DE
Inventors: Marcelo Duval; Reinhold Kleinhans; Stefan Kienle; Stefan Bassett
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektro-hydrostatisches Betätigungssystem, umfassend eine Pumpenanordnung zum Ausgeben eines unter Druck stehenden Fluids, einen ersten Aktuator, der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, einen zweiten Aktuator, der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, eine Druckleitung zum Leiten des unter Druck stehenden Fluids von der Pumpenanordnung an den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator, ein in der Druckleitung angeordnetes erstes Steuerventil zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung mit dem ersten Aktuator, und ein in der Druckleitung angeordnetes zweites Steuerventil zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung mit dem zweiten Aktuator, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Steuerventil stromaufwärts des zweiten Steuerventils angeordnet ist, und das erste Steuerventil dazu ausgelegt ist, bei einem Verbinden der Druckleitung mit dem zugehörigen ersten Aktuator das in Reihe stromabwärts geschaltete zweite Steuerventil von der Druckleitung abzukoppeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektro-hydrostatisches Betätigungssystem zum Betätigen von Aktuatoren. Solche Systeme werden beispielsweise bei der Flugsteuerung moderner Flugzeuge eingesetzt und können auch als Backup zu verwendeten hydraulischen Aktuatoren, die an ein zentrales hydraulisches System angebunden sind, verwendet werden.
Bei komplexer ausgestalteten Betätigungssystemen ist es typischerweise der Fall, dass die mehreren Aktuatoren des Betätigungssystems nur zu einem gewissen Zeitpunkt, in der Regel abhängig von einem Betätigungszustand anderer Aktuatoren, betrieben werden darf. So ist beispielsweise beim Ausfahren eines Landefahrwerks eines Flugzeugs oder eines anderen Fluggeräts nicht gewollt, dass eine einmal geöffnete Landefahrwerkklappe in einem ausgefahrenen Zustand des Landefahrwerks geschlossen werden kann. Daher ist durch eine übergeordnete Steuerung darauf zu achten, dass solche ungewollten Zustände nicht auftreten können. Jedoch sind gerade in einem so kritischen Bereich wie bei Flugzeugen die Ausfallsicherheit und die Minimierung der Wahrscheinlichkeit eines Ausführungsfehlers von besonderer Wichtigkeit, so dass eine entsprechende Steuerung einen hohen Entwicklungsaufwand mit sich bringt und eine entsprechende Validierung erfordert. Alternativ dazu gibt es bei manchen Anwendungen auch die Möglichkeit, nicht erlaubte Funktionen beziehungsweise das Einnehmen von nicht erlaubten Zuständen von Aktuatoren hardwareseitig zu gewährleisten. Damit geht jedoch ein verkomplizierter hardwareseitiger Aufbau des Betätigungssystems einher, der aufgrund seiner erhöhten Anzahl von Bauteilen hardwareseitig gesehen eine höhere Fehlerwahrscheinlichkeit und Wartungsintensität aufweist.
Aus der US 2014/0151501 A1 ist ein elektro-hydrostatisches Betätigungssystem zum Ausfahren bzw. Einfahren eines Landefahrwerks bekannt, das zum Ausführen der mehreren Aktuatoren in einer gewünschten Reihenfolge eine ganz spezifische Stellungsabfolge der darin aufgeführten Schaltventile erfordert. Das Ansteuern der entsprechenden Ventile wird dabei wieder über ein Steuergerät bewerkstelligt, das somit auch entsprechend aufwendigen Tests zu unterziehen ist, die die korrekte Funktionalität gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung überwindet die vorstehend aufgeführten Nachteile und kommt mit einem Steuergerät aus, das in Hinblick auf seine Komplexität optimiert worden ist. Das Priorisieren von gewissen Aktuatoren des Betätigungssystems wird dabei auf eine besonders geschickte Hardwarestruktur umgesetzt, sodass eine softwareseitige Prüfung sehr einfach gehalten werden kann und dabei trotzdem die Funktionalität gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße elektro-hydrostatische Betätigungssystem umfasst dabei eine Pumpenanordnung zum Ausgeben eines unter Druck stehenden Fluids, einen ersten Aktuator, der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, einen zweiten Aktuator, der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, eine Druckleitung zum Leiten des unter Druck stehenden Fluids von der Pumpenanordnung an den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator, ein in der Druckleitung angeordnetes erstes Steuerventil zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung mit dem ersten Aktuator, und ein in der Druckleitung angeordnetes zweites Steuerventil zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung mit dem zweiten Aktuator. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Steuerventil stromaufwärts des zweiten Steuerventils angeordnet ist, und das erste Steuerventil dazu ausgelegt ist, bei einem Verbinden der Druckleitung mit dem zugehörigen ersten Aktuator das in Reihe geschaltete zweite Steuerventil von der Druckleitung abzukoppeln.
Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Betätigen des Aktuators, der mit einem stromaufwärtigen Steuerventil verbunden ist, derjenige Aktuator, der mit einem stromabwärtigen Steuerventil verbunden ist, nicht mit unter Druck stehendem Fluid von der Druckleitung versorgt wird, was zu einer Inaktivität beziehungsweise Deaktivierung des stromabwärtigen Aktuators führt.
In anderen Worten ist die von einer Pumpenanordnung abgehende Druckleitung von Steuerventilen ... bzw. durchsetzt, die zueinander in der Druckleitung in Reihe geschaltet sind. Ist das Steuerventil, das auch als Freigabeventil bezeichnet werden kann, in einer Stellung, welche eine Betätigung des an das Steuerventil angeschlossenen Aktuators nicht ausführt, so verbindet das Steuerventil den stromaufwärtigen Bereich der Druckleitung einfach mit dem von ihm abgehenden stromabwärtigen Bereich der zu ihm führenden Druckleitung, der zu dem zweiten Steuerventil führt. In einem solchen Zustand ist es also möglich, dass der zweite Aktuator, der ja mit dem stromabwärtigen, zweiten Steuerventil zusammen wirkt, betätigt werden kann, da unter Druck stehendes Fluid über die Druckleitung am zweiten Aktuator anliegt.
Ist hingegen der stromaufwärtige Aktuator, der mit dem stromaufwärtigen, ersten Steuerventil zusammenwirkt, in Betrieb, so bedeutet das, dass das Steuerventil das von der Druckseite der Pumpenanordnung herrührende unter Druck stehende Fluid zu seinem zugehörigen Aktuator leitet und dabei gleichzeitig keinerlei unter Druck stehendes Fluid an stromabwärtig angeordnete Bauteile weiterreicht. Im Ergebnis kann sich also das stromabwärtige, zweite Steuerventil in einer beliebigen Stellung befinden, eine Betätigung des zugehörigen Aktuators findet nicht statt, da kein unter Druck stehendes Fluid zur Verfügung steht. Dieses wird ausschließlich für den Aktuator verwendet, der mit dem stromaufwärtig angeordneten Steuerventil zusammenwirkt.
Dadurch ergibt sich eine ganz intuitive logische Priorisierung der verschiedenen Aktuatoren, die mit einem jeweiligen Steuerventil zusammenwirken. Derjenige Aktuator, der mit dem am stromaufwärtigsten Punkt der Druckleitung angeordneten Steuerventil verbunden ist, besitzt die höchste Priorität, kann also unabhängig von einem Ventilzustand der dazu stromabwärtigeren Steuerventile betrieben werden.
Damit ist es nun nichtmehr länger notwendig, in ihrer Priorität unterschiedliche Aktuatoren mithilfe einer Steuerung beziehungsweise einem Steuergerät überwachen zu lassen. Schließlich wird bereits aufgrund der vorliegenden Struktur des Betätigungssystems ausgeschlossen, dass niedrig priorisierte Aktuatoren ausgeführt werden, sofern ein höher priorisierter Aktuator in Betrieb ist.
Dem Fachmann ist aus dem vorstehend Gesagten unmittelbar klar, dass das darin beschriebene Betätigungssystem nicht auf das Vorhandensein von lediglich zwei Steuerventilen beziehungsweise damit in Verbindung stehenden Aktuatoren beschränkt ist, sondern sich auch auf eine Vielzahl von zueinander in Reihe geschalteten Steuerventilen mit jeweils zugehörigem Aktuator erstreckt. Der stromabwärtigste Aktuator kann dabei nur betätigt werden, wenn sämtliche stromaufwärtig angeordnete Aktuatoren beziehungsweise deren zugehörige Steuerventile das von der Pumpenanordnung stammende unter Druck stehende Fluid durchleiten, also nicht für die Betätigung eines stromaufwärtig angeordneten Aktuators abzweigen.
Der Gegenstand der nachfolgend beschriebenen unabhängigen Ansprüche bildet die Idee der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise weiter.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das erste Steuerventil ferner dazu ausgelegt ist, bei einem Nichtverbinden der Druckleitung mit dem zugehörigen ersten Aktuator das in Reihe stromabwärts geschaltete zweite Steuerventil mit der Druckleitung zu koppeln.
Dadurch wird sichergestellt, dass dann, wenn der erste Aktuator nicht betätigt wird, der hierzu stromabwärtig angeordnete Aktuator beziehungsweise das zugehörige Steuerventil mit der Druckseite der Pumpenanordnung verknüpft ist, sodass der zugehörige Aktuator bei entsprechender Ventilstellung betätigt wird.
Nach einer weiteren optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung sind das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil baugleich, wobei vorzugsweise sämtliche in der Druckleitung in Reihe geschaltete Steuerventile zum Verbinden eines zugehörigen Aktuators mit der Druckleitung baugleich sind.
Hinsichtlich der baugleichen Ausführungen der mehreren Steuerventile ergeben sich Skalierungseffekte in Bezug auf den Beschaffungspreis, sodass sich der insgesamt Anschaffungspreis des Betätigungssystems verringert. Darüber hinaus kann sich die baugleiche Ausführung der Steuerventile auch bei einer Validierung hinsichtlich der Betriebssicherheit positiv auswirken, da die verwendeten Steuerventile in Bezug auf Ausfallsicherheit oder dergleichen identisch sind und daher denselben Testprozeduren zu unterziehen sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass sämtliche im Betätigungssystem vorhandene Aktuatoren über ein jeweiliges Steuerventil betreibbar sind, wobei diese Steuerventile in der Druckleitung in Reihe zueinander angeordnet sind. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn das Betätigungssystem Aktuatoren umfasst, die hinsichtlich ihrer Priorisierung unterschiedlich gestuft sind. Dann ist der niedrigst priorisierte Aktuator mit einem Steuerventil verknüpft, das an der stromabwärtigsten Stelle der Druckleitung vorgesehen ist. Je höher der Aktuator in der Priorisierung steigt, desto weiter rückt das zugehörige Steuerventil in der Druckleitung stromaufwärts auf. Der Aktuator mit der höchsten Priorisierung ist dann an der stromaufwärtigsten Stelle mit dem zugehörigen Steuerventil verknüpft. Es gibt demnach kein weiteres Steuerventil mehr zwischen dem zugehörigen Steuerventil und einem Hochdruckauslass der Pumpenanordnung.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil in einer direkten Verbindung zu einer Saugleitung stehen, die dazu ausgelegt ist, Fluid einer Saugseite der Pumpenanordnung zuzuführen. Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einem Ventilzustand eines Steuerventils, in dem der zugehörige Aktuator nicht mit der Druckleitung in Verbindung steht, die beiden Fluidzugänge zu dem Aktuator mit einer Saugseite der Pumpenanordnung beziehungsweise einem Systemrücklauf verbunden sind. Dies ermöglicht theoretisch das Bewegen des Aktuators mithilfe eines weiteren durch die Erfindung nicht beschriebenen Betätigungssystems auch dann, wenn der Aktuator vom erfindungsgemäßen Betätigungssystem nicht mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. Dies ist insbesondere hilfreich, wenn man Wartungsarbeiten durchführen möchte und im normalen Betrieb nicht gestattete Betätigungen von Aktuatoren ausführt.
Die vorliegende Erfindung kann ferner dadurch fortgebildet werden, dass das erste Steuerventil und das zweite Steuerventil jeweils zwei Schaltzustände einnehmen können, nämlich einen ersten Schaltzustand zum Durchleiten des auf der Druckleitung befindlichen Fluids, und einen zweiten Schaltzustand zum Leiten des auf der Druckleitung befindlichen Fluids zum zugehörigen Aktuator und gleichzeitigen Unterbrechen eines stromabwärtigen Durchleitens.
Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung ist das Betätigungssystem dazu ausgelegt, Aktuatoren eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs, vorzugsweise zum Ausfahren eines Landefahrwerks eines Flugzeugs zu steuern.
Insbesondere bei Aktuatoren, die zum Ausfahren eines Landefahrwerks eines Flugzeugs betätigt werden, ist die vorliegend umgesetzt Priorisierung von Aktuatoren von Vorteil.
Ferner kann vorgesehen sein, dass durch ein Abkoppeln des in Reihe stromabwärts geschalteten zweiten Steuerventils von der Druckleitung durch Verbinden der Druckleitung mit dem zugehörigen Aktuator im ersten Steuerventil, der zweite Aktuator unabhängig von einer Ventilposition des zweiten Steuerventils deaktiviert ist.
Die Deaktivierung des zweiten Aktuators ergibt sich aus dem Umstand, dass durch das Schalten des ersten Steuerventils kein unter Druck stehendes Fluid an das zweite Steuerventil durchgeleitet wird. Infolgedessen ist es nun auch nicht möglich, den zweiten Aktuator mit unter Druck stehendem Fluid zu versorgen und eine Betätigung dieses Aktuators hervorzurufen. Diese Inaktivität des zweiten Aktuators bleibt dabei unabhängig von der Ventilstellung des zugehörigen zweiten Steuerventils bestehen.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner den Aspekt, wonach mehr als die genannten Aktuatoren und jeweils zugehörigen Steuerventile vorhanden sind, wobei die mehreren Steuerventile in der Druckleitung in Reihe angeordnet sind und jeweils mit einem zugehörigen Aktuator zusammenwirken, und jedes der in Reihe angeordneten Steuerventile dazu ausgelegt ist, bei einem Verbinden der Druckleitung mit dem zugehörigen Aktuator einen vom Steuerventil stromabwärtigen Abschnitt der Druckleitung abzukoppeln, um stromabwärtig angeordnete Aktuatoren unabhängig von einer Ventilposition des zugehörigen Steuerventils zu deaktivieren.
Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung dient das Betätigungssystem zum Steuern von Aktuatoren eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs, wobei die Aktuatoren aus der nachfolgenden Gruppe stammen, welche umfasst: Aktuator zum Betätigen einer Frachttüre, Aktuator zum Betätigen eines Lenkungssystems, Aktuator zum Betätigen einer Fahrwerkstür, Aktuator zum Betätigen eines Fahrwerksaktuators und/oder Aktuator zum Betätigen von Landeklappen. Dabei entspricht es einer vorteilhaften Kombination, wenn die Aktuatoren in Bezug auf ihre Priorisierung vom stromaufwärtigsten Aktuator bis zum stromabwärtigsten Aktuator (beziehungsweise dem damit verbundenen Steuerventil) wie folgt angeordnet sind: Aktuator zum Betätigen einer Frachttüre, Aktuator zum Betätigen eines Lenkungssystems, Aktuator zum Betätigen einer Fahrwerkstür, Aktuator zum Betätigen eines Fahrwerksaktuators und Aktuator zum Betätigen von Landeklappen. Demzufolge ist der Aktuator zum Betätigen von Landeklappen an der stromabwärtigsten Position angeordnet und kann nur betätigt werden wenn einer oder mehrere der vorstehend aufgeführten Aktuatoren in einem inaktiven Zustand sind.
Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Förderrichtung der Pumpenanordnung variabel ist und eine jeweilige Änderung der Betätigungsrichtung des Aktuators bewirkt.
Auch kann vorgesehen sein, dass jedes Steuerventil in einem Zustand eines Nichtverbindens des Aktuators mit der Druckleitung beide Fluidanschlüsse des zugehörigen Aktuators mit einem Fluidsystemrücklauf kurzschließt.
Gemäß einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung umfasst die Pumpenanordnung mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Pumpen, deren druckseitige Auslässe vor einem Erreichen des stromaufwärtigsten Steuerventils in der Druckleitung zusammengeführt sind.
Hier kann weiter vorgesehen sein, dass die parallel zueinander geschalteten Pumpen unabhängig voneinander betätigbar sind, um den tatsächlichen Bedarf an Pumpleistung mit einer möglichst geringen Anzahl an aktiven Pumpen zu erfüllen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fluggerät, insbesondere ein Flugzeug mit einem Betätigungssystem nach einer der vorstehend aufgeführten Varianten, wobei die Reihenschaltung der Steuerventile eine Priorisierung der jeweiligen an den Steuerventilen angeschlossenen Aktuatoren bewirkt.
Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:

1: eine schematische Struktur des erfindungsgemäßen Betätigungssystems,
2: eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Betätigungssystems in einer schematischen Struktur,
3: ein erfindungsgemäßes Betätigungssystem in einer weiteren Umsetzung, und
4: mehrere übereinander angeordnete Darstellungen einer aus mehreren Einzelpumpen bestehenden Pumpenanordnung in unterschiedlichen Betriebszuständen.

1 zeigt dabei eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Betätigungssystems 1. Man erkennt, dass die Pumpenanordnung 2 vorliegend zwei parallel zueinander geschaltete Elektromotorpumpen 21, 22 umfasst, wobei der jeweilige Antriebsmotor in der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Wie man anhand der Doppelpfeile über der jeweiligen Antriebswelle der Pumpe 21, 22 erkennt, können die Pumpen in unterschiedlichen Drehrichtungen betrieben werden. Im Ergebnis bedeutet dies, dass die Saug- und die Druckseite der Elektropumpen 21, 22 beziehungsweise der Pumpenanordnung 2 in Abhängigkeit der Drehrichtung geändert werden kann. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass unabhängig von dem in der Figur dargestellten Pumpentyp die vorliegende Erfindung ihre Vorteile ausspielen kann.
Zum Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Pumpenanordnung 2 so betrieben wird, dass die Druckseite der Pumpen 21, 22 oben angeordnet ist, also von dem jeweiligen Pumpenauslass hin zum jeweiligen Rückschlagventil 23a, 23b verläuft. Die Saugseite der Pumpen 21, 22 befindet sich somit in der Figur gesehen unten, beispielsweise vom Pumpeneinlass hin zum Rückschlagventil 24a beziehungsweise 24b. Durch Umdrehen der Drehrichtung des Antriebsmotors der Pumpe 21 beziehungsweise 22 wird die Saugseite zur Druckseite und umgekehrt.
Unter der vorliegend gewählten Prämisse, dass für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung die Druckseite der Pumpen 21, 22 in der Figur gesehen oben angeordnet ist, werden die Rückschlagventile 23a, 23b von unter Druck stehendem Fluid, typischerweise Öl, durchströmt und stellen kein Hindernis dar. Das Rückschlagventil 25a, das ausschließlich mit dem Pumpenauslass der Pumpe 21 verbunden ist blockiert einen Strömungsfluss, sperrt also den Auslass von Fluid über sein Ventil. Selbiges gilt auch für das Rückschlagventil 25b, das mit dem Pumpenauslass der Pumpe 22 verbunden ist. Auch hier blockiert das Rückschlagventil 25b einen Fluiddurchtritt in Strömungsrichtung von dem Pumpenauslass über das Rückschlagventil 25b hinweg. Stromabwärts der beiden Rückschlagventile 23a, 23b vereinigen sich die Fluidleitungen zu einer gemeinsamen Druckleitung 8, in der ein Filter 30a zum Reinigen des durch die Druckleitung 8 strömenden Fluids vorgesehen ist. Stromabwärts des Filters 30a zweigt sich die Druckleitung 8 auf und führt mit einer Abzweigung hin zu einem Rücklaufwechselventil. Unter Druck stehendes Fluid schließt dabei das Rücklaufwechselventil, sodass von der Abzweigung der Druckleitung 8 kein Fluid über das Rücklaufwechselventil 31 abläuft. Die andere nicht zum Rücklaufwechselventil 31 laufende Verzweigung der Druckleitung 8 wird stromabwärts von fünf in Reihe geschalteten Steuerventilen 9-13 unterbrochen, wobei jedes dieser Schaltventile 9-13 zwei verschiedene Schaltpositionen einnehmen kann. Weiter ist an jedem der Schaltventile 9-13 ein zugehöriger Aktuator 3-7 angebunden, der je nach Schaltstellung des zugehörigen Schaltventils 9-13 mit unter Druck stehendem Fluid von der Druckleitung 8 verbunden werden kann.
Jedes Schaltventil leitet in seiner typischerweise mittels Feder vorgespannten Normalposition das unter Druck stehende Fluid durch, sodass ein stromabwärtiger Abschnitt der Druckleitung 8 mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. In einer aus der Normalposition ausgelenkten Schaltposition des Schaltventils 9-13 wird jedoch der zugehörige Aktuator 3-7 mit unter Druck stehendem Fluid von der Druckleitung 8 verbunden. Ein stromabwärtiger Abschnitt der Druckleitung ausgehend vom Steuerventil 9-13 wird bei dieser Schaltstellung nicht mehr mit unter Druck stehendem Fluid versorgt. Diese Schaltstellung hat zur Folge, dass der mit unter Druck stehendem Fluid versorgte Aktuator 3-7 betätigt wird. Dies hat zur Folge, dass durch das Einleiten des unter Druck stehenden Fluids eine Kolbenbewegung hervorgerufen wird, die zum Ausdrücken von im Aktuator befindlichen Fluid führt. Anhand des Aktuators 3 wird bei einem Schaltventil 9, das sich im Betätigungszustand befindet, die Leitung 3b mit unter Druck stehendem Fluid versorgt, sodass die Leitung 3a mit durch die Betätigung aus dem Aktuator 3 gedrückten Fluid beschickt wird. Das Schaltventil 9 verbindet dabei die Leitung 3a mit einer Saugleitung 18 der Pumpenanordnung 2. Die Saugleitung 18 ist dabei mit dem Eingang B des Rücklaufwechselventils 31 verbunden und auch mit den Rückschlagventilen 24a, 24b die direkt an der Saugseite der Pumpen 21, 22 angeordnet sind. Da die Rückschlagventile 24a, 24b jedoch einen Durchfluss hin zur Saugseite der Pumpen 21, 22 sperren, strömt das vom Aktuator ausgedrückte beziehungsweise angesaugte Fluid über den Eingang B des Rückschlagwechselventils 31 hin zum Auslass D. Da am Eingang A des Rückschlagwechselventils 31 Hochdruck herrscht, wird der Eingang B geöffnet und eine Strömung vom Eingang B hin zum Ausgang D ermöglicht. Über einen Filter 30c ist der Ausgang D des Rückschlagwechselventils 31 mit der Saugseite der Pumpenanordnung 2 verbunden. Die jeweilige Saugseite der Pumpe 21, 22 ist dann mit einem in Durchlassrichtung angeordneten Rückschlagventil 26a, 26b gesichert, um bei einer Drehrichtungsumkehr der Pumpen einen ungewollten Strömungsfluss zu unterbinden.
Vorliegend wurde die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen elektro-hydrostatischen Betätigungssystems anhand einer Schaltung des Steuerventils 9 dargestellt. Stromabwärts dazu angeordnete Steuerventile 10-13 werden nicht mit unter Druck stehendem Fluid versorgt, sofern das stromaufwärts angeordnete Steuerventil 9 den zugehörigen Aktuator mit unter Druck stehendem Fluid versorgt. So kann das Steuerventil 10 nur eine Betätigung des zugehörigen Aktuators 4 hervorrufen wenn das stromaufwärts angeordnete Steuerventil 9 in seiner Normalposition ist. Selbiges gilt für die weiter stromabwärts angeordneten Ventile 11-13, sodass das am stromabwärtigsten Punkt der Druckleitung 8 angeordnete Steuerventil 13 eine Betätigung des ihm zugehörigen Aktuators 7 nur dann ausführen kann, wenn sämtliche stromaufwärts angeordnete Steuerventile 9-12 in ihrer Normalposition sind und keine Betätigung des ihnen zugeordneten Aktuators 3-6 bewirken. Durch die Anordnung der Steuerventile in Reihe mit der beschriebenen Funktionalität erreicht man eine Priorisierung der unterschiedlichen Aktuatoren. So kann der Aktuator 3 unabhängig von einem Schaltzustand der stromabwärts angeordneten Schaltventile 10-13 angesteuert werden. Umgekehrt wird sichergestellt, dass der Aktuator 7 nur dann betrieben werden kann, wenn keiner der anderen zu ihm stromaufwärts angeordneten Aktuatoren 3-6 betätigt wird. Durch diese Anordnungen können die Aktuatoren entsprechend priorisiert werden. Von Vorteil ist, wie hier dargestellt, dass jedes der in Reihe zueinander in der Druckleitung 8 angeordneten Schaltventile 9-13 baugleich ist. Dies führt insgesamt zu einer Reduzierung von Entwicklungskosten und zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit.
In einem geschalteten Zustand eines Steuerventils 9-13 werden die stromabwärtigen Leitungen mit dem Eingang C des Rücklaufwechselventils 31 verbunden. Der Eingang C ist unabhängig von den an den Eingängen A und B herrschenden Druckverhältnissen mit dem Auslass D verbunden, sodass das Schalten eines Steuerventils 9-13 die an den jeweiligen Steuerventil stromabwärtigen Leitungen (Druckleitung 8 und Rücklaufleitung 18) mit der Saugseite der Pumpenanordnung 2 verknüpfen.
2 zeigt eine leicht modifizierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betätigungssystems 1. Dabei wurden diejenigen Elemente, die bereits aus der 1 bekannt sind, mit identischen Bezugszeichen versehen. Eine Beschreibung der bereits bekannten Elemente wird nicht erneut vorgenommen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen durch eine andere Ausgestaltung des Rückschlagwechselventils, hier versehen mit dem Bezugszeichen 32, eine direkte Anbindung der Rücklaufleitung 19 stromaufwärts an das Filter 30c und zwei weitere Wechselventile 33a, 33b, um eine aktive Pumpe 21, 22 mit dem Schaltkanal des Wechselventils 32 zu verbinden. Dies ermöglicht gleichzeitig, dass das Rücklaufwechselventil 32 schaltet und der Druck der Pumpen 21, 22 im Betrieb nicht rückwärts in die andere Pumpe fließt. Es erfolgt somit eine Korrektur des Wechselventils. Ferner sollen anhand dieser Figur die einzelnen Eingänge des Schaltventils 9 dargestellt werden.
Man erkennt, dass das Ventil 9 insgesamt sieben Anschlüsse A, B, C, W, X, Y, Z aufweist. In einem Normalzustand des Schaltventils, wenn also das unter Druck stehende Fluid auf der Druckleitung 8 stromabwärts auf die Druckleitung 8 weitergereicht wird, und die Rücklaufleitung 18 ebenfalls miteinander verknüpft ist, werden also die Anschlüsse B und Y miteinander kurzgeschlossen und die Anschlüsse C und Z miteinander kurzgeschlossen. Der Anschluss W, der zum Aktuator 3 beziehungsweise mit der Aktuatorleitung 3b verknüpft ist und der Anschluss X, der mit der Aktuatorleitung 3a verknüpft ist, werden in diesem Zustand vereint und gemeinsam auf den Anschluss A geleitet. A steht dabei mit der Leitung 19, also dem Systemrücklauf in Verbindung. In der Schaltposition des Ventils hingegen wird der Anschluss A, der mit dem Systemrücklauf in Verbindung steht, mit den Anschlüssen Y und Z, der stromabwärtigen Druckleitung beziehungsweise der stromabwärtigen Saugleitung 18 verbunden. Der Anschluss B wird mit dem Anschluss W verknüpft und der Anschluss C wird mit dem Anschluss X verknüpft. Dadurch ergibt sich also bei einem Schalten des Schaltventils 9 die bereits oben beschriebene Funktionalität, wonach das unter Druck stehende Fluid am Anschluss B über das Ventil am Anschluss W ausgegeben wird und über die Leitung 3b den Aktuator betätigt. Infolgedessen wird über die Leitung 3a Fluid ausgegeben und dem Anschluss X des Schaltventils 9 zugeführt. Da der Anschluss X mit dem Anschluss C verknüpft ist, wird das vom Aktuator ausgegebene Fluid der Saugleitung 18 zugeführt. Diese wird über das Schaltventil 32 mit der Saugseite der Pumpenanordnung 2 verknüpft.
3 zeigt eine weitere leicht modifizierte Umsetzung des elektro-hydrostatischen Betätigungssystems. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die bereits vorstehend diskutierten Elemente des Betätigungssystems nicht mehr vollständig mit Bezugszeichen versehen. Es wird jedoch noch einmal das umgekehrte Wechselventil 32 thematisiert, das immer den Durchfluss der Druckseite zum Rücklauf blockiert und gleichzeitig den Durchfluss des eines Speichers 35 zu den Aktuatoren ermöglicht. Ein solches Ventil ist notwendig, wenn die Einfahrkammer und die Ausfahrkammer der Aktuatoren (hier beispielsweise die Aktuatoren 3, 5 und 6) ein unterschiedliches Volumen besitzen und dieser Volumenunterschied vom Speicher auszugleichen ist. Bei Aktuatoren mit gleichem Volumen in beiden Kammern (vgl. Aktuator 4) oder im Fall von hydraulischen Motoren wie hier der Aktuator 7a ist ein solches umgekehrtes Wechselventil 32 nicht erforderlich.
Das Wechselventil 32 wird durch die Druckdifferenz an der aktiven Pumpe 21, 22 gesteuert. Um die Ansteuerung mehrerer Pumpen 21, 22 zu gewährleisten, werden zwei weitere Wechselventile 33a, 33b eingesetzt, um die Ansteuerung des Wechselventils 32 mit der aktiven Pumpe zu verbinden.
Dadurch ist es möglich, dass die Pumpenanordnung mehrere verschiedene Aktuatoren betätigt, solange diese sequentiell betrieben werden.
In 3 sind fünf hydraulische Verbraucher 3, 4a, 5, 6 und 7a vorgeschlagen, wobei andere Aktuatoren ebenso wie eine geänderte Anzahl an Aktuatoren selbstverständlich eine im Wissen des Fachmanns befindliche Variante desselben Konzepts darstellt, sofern die Verbraucher sequentiell betätigt werden.
Der Aktuator 3 repräsentiert dabei einen Frachttüren-Aktuator und wird als Aktuator dargestellt, der unterschiedliche Volumina in seinen Kammern aufweist. Selbstverständlich sind auch andere Arten sowie eine geänderte Anzahl von Aktuatoren und Konfigurationen möglich. In der vorliegenden Darstellung verfügen die Aktuatoren über Endlagenschalter, welche die ausgefahrene beziehungsweise eingefahrene Position des Aktuators 3 erkennen. Die Position über das Erreichen einer solchen Endlage beziehungsweise das Schalten eines zugehörigen Endlageschalters wird dabei an eine Informationsleitung (dargestellt in gestrichelter Umsetzung) an einemspäter noch ausführlich beschriebenen Controller 1 gegeben.
Der Aktuator 4a repräsentiert das Lenkungssystem und wird vereinfacht als ein Aktuator dargestellt, der identische Volumina in den Kammern aufweist. In der Darstellung verfügt das Lenksystem 4a über einen Lenkwinkelsensor zur kontinuierlichen Messung der Lenkposition.
Der Aktuator 5 repräsentiert Fahrwerkstüren, die erneut als Aktuator mit unterschiedlichen Volumina in den Kammern dargestellt sind. Der Aktuator weist eine hydraulische Einrichtung zur Entriegelung von Fahrwerkstüren in eingefahrener beziehungsweise ausgefahrener Position auf. Der Verriegelungsschalter zeigt die eingefahrene beziehungsweise ausgefahrene Position der Fahrwerkstür an und teilt diese (erneut über die gestrichelte Linie) einem übergeordneten Steuergerät mit.
Der Aktuator 6 stellt einen Fahrwerksaktuator dar, der eine hydraulische Einrichtung zur Entriegelung des Fahrwerks in einer eingefahrenen beziehungsweise ausgefahrenen Position umfasst. Vorliegend kann natürlich lediglich eines sowie auch alle Fahrwerke betätigt werden. Dargestellt ist das vorliegende System mit einem Verriegelungsschalter, welcher den eingefahrenen beziehungsweise ausgefahrenen Zustand des Fahrwerks erkennt. Diese Information wird erneut über die gestrichelt dargestellte Linie an ein übergeordnetes Steuergerät weitergegeben. Zu guter Letzt ist ein Aktuator 7a angeordnet, der ein Landeklappensystem (auch: flap-system) repräsentiert. Dieses System wird vereinfacht dargestellt und durch einen hydraulischen Motor, der an einer Welle angebunden ist, skizziert. Dabei verfügt das dargestellte Landeklappensystem über Positionsschalter, welche die verschiedenen Positionen der flaps erkennen, beispielsweise Take-off-Position, Steigflugposition, Landeanflugposition et cetera.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, werden die unterschiedlichen Aktuatoren durch Steuerventile 9-13 (auch: Freigabeventile) freigegeben, welche zueinander in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung stellt dabei sicher, dass die einzelnen Aktuatoren nur sequentiell betrieben werden können. Wie bereits oben erläutert, sind die Steuerventile 9-13 dabei so umgesetzt, dass ein aktiviertes Steuerventil alle dahinterliegenden Funktionen deaktiviert, unabhängig von Position, Kommando oder etwaigen Fehlern am Ventil, was eine zusätzliche Sicherheitsmaßnahme darstellt und zusätzliche Ventile erspart.
Die sequentielle Umsetzung der Schaltventile 9-13 definiert auch eine Priorität zwischen den Aktuatoren 3, 4a, 5, 6, 7a, in dem die Ventile 9-13, welche zu Beginn der Reihenschaltung eingebaut sind, Priorität über die nachfolgend stromabwärts eingebauten Ventile besitzen. So führt das Aktivieren des Lenkungssteuerventils 4a beispielsweise dazu, dass unabhängig von der Position des Fahrwerks und Fahrwerkstürensteuerventils 5, die Funktion der direktionalen Kontrolle (Lenkung) am Boden sichergestellt ist.
Da gleichzeitig alle Leitungen der Fahrwerksaktuatoren mit dem Rücklauf verbunden sind wird das Ausfahren der Fahrwerke durch ein unabhängiges, hier nicht dargestelltes System, ermöglicht.
Obwohl sämtliche Steuerventile in der dargestellten Umsetzung baugleich sind, ist dies für die wesentlichen Vorteile des dargestellten Systems nicht notwendig.
Weiter stellt das Aktivieren des Frachttürensteuerventils 9 sicher, dass Fahrwerke, Fahrwerkstüren, Lenkung und Flaps nicht betätigt werden können. Dies ist unabhängig von einem unbeabsichtigten Kommando oder einem Fehler des Systems, womit Unfälle mit Mechanikern oder Servicepersonal vermieden werden können.
Für einen Take-off ist das Frachttürensteuerventil 9 mechanisch gesperrt, um nicht mit den in Betrieb befindlichen kritischen Verbrauchern in Konflikt zu geraten.
Das Aktivieren des Lenkungssteuerventils 10 stellt zum Beispiel sicher, dass Fahrwerke nicht während der Taxi-Phase eingefahren werden können und dies wird unabhängig von einem Kommando oder einem Fehler anderer Ventile durchgeführt, sodass Unfälle am Boden vermieden werden können.
Der Niederdruckspeicher 35 ist direkt mit dem Rücklauf verbunden, sodass dadurch der Rücklaufdruck geregelt und mögliche Fluidvolumenveränderungen für das gesamte System kompensiert werden können. Dargestellt ist der Niederdruckspeicher 35 als gasvorgespannter Speicher, beispielsweise Kolbenspeicher oder Ähnliches, wobei selbstverständlich andere Speichervarianten herangezogen werden können.
Ebenfalls erkennt man in der 3 zwei Steuergeräte (bezeichnet mit Controller 1 beziehungsweise Controller 2) die untereinander kommunizieren und auch mit der Sensorik im System und mit der Sensorik im Fluggerät verknüpft sind. So sind die beiden Steuergeräte mit dem Element 50 verknüpft, das die Zustände der unterschiedlichen Aktuatoren abfrägt. Auch sind die beiden Steuergeräte mit jeweils einer Motorpumpe 21, 22 verbunden, sodass in einem Fehlerfall die verbleibende Steuereinheit die Funktionalität der Aktuatoren gewährleistet.
Abhängig vom aktuellen Aktuator und einem Systemzustand, können die Steuereinheiten die Elektromotorpumpen 21, 22 so regeln, dass eine voreingestellte Drehzahl erreicht wird. Außerdem ist es möglich, eine last- und/oder verbraucherpositionsabhängige Drehzahl zu erreichen. Für die Lenkfunktion beispielsweise ist die Drehzahl der Elektromotorpumpen 21, 22 sowohl vom Eingabebefehl selbst wie auch von der Rate des Inputs abhängig. Für die Fahrwerkseinfahrfunktion beziehungsweise Ausfahrfunktion wird beispielsweise die Drehzahl der Elektromotorpumpen 21, 22 in der Nähe der Endposition reduziert, um Lasten zu vermindern.
4 zeigt eine Umsetzung einer Pumpenanordnung 2, die eine Fortbildung der vorstehend diskutierten Umsetzungen der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Hierbei erkennt man mehrere parallel zueinander geschaltete Motorpumpen 1, 2, 3, .. n, die nur in Betrieb genommen werden sollen, falls es für die Aktuatorbetätigung erforderlich ist.
Der tatsächliche Bedarf kann entweder direkt vom Betätigungssystem gemessen werden oder wird zustandsabhängig im Vorfeld programmiert. Ein besonderes Merkmal hierbei ist, dass eine der Pumpen beispielsweise primär betrieben wird und, dass die anderen Pumpen diese sequentiell, je nach Bedarf, unterstützen.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass alle Motorpumpen 1, 2, 3 ..., n entsprechend klein und energieeffizient ausgelegt werden können, da jene Motorpumpen, die nicht benutzt werden, ausgeschaltet sind und keinen Verbrauch hervorrufen. Der Umstand, dass einige Pumpen nur dann in Betrieb sind, wenn diese benötigt werden, hat einen positiven Einfluss auf die Gesamtlebensdauer derselben.
In der Figur erkennt man nun inaktive Pumpen durch eine gestrichelte Ausführung. Die oberste Darstellung zeigt nun eine relativ langsame Betätigung des Aktuators, da lediglich eine der mehreren Pumpen aktiv ist.
Die mittlere Darstellung zeigt eine Betätigung des Aktuators bei mittlerer Geschwindigkeit, da nun eine weitere Pumpe, insgesamt also zwei Pumpen aktiv sind.
Der untere Abschnitt zeigt eine Motoransteuerung der mehreren Pumpen, bei der sämtliche zur Verfügung stehenden Pumpen aktiv sind. Dies bewirkt eine hohe Verstellgeschwindigkeit des Aktuators, da entsprechend mehr Fluid gefördert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0151501 A1 [0003]

Claims

Elektro-hydrostatisches Betätigungssystem (1), umfassend: eine Pumpenanordnung (2) zum Ausgeben eines unter Druck stehenden Fluids, einen ersten Aktuator (3), der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, einen zweiten Aktuator (4), der mit dem unter Druck stehenden Fluid betreibbar ist, eine Druckleitung (8) zum Leiten des unter Druck stehenden Fluids von der Pumpenanordnung (2) an den ersten Aktuator (3) und den zweiten Aktuator (4), ein in der Druckleitung (8) angeordnetes erstes Steuerventil (9) zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung (8) mit dem ersten Aktuator (3), und ein in der Druckleitung (8) angeordnetes zweites Steuerventil (10) zum wahlweisen Verbinden der Druckleitung (8) mit dem zweiten Aktuator (4), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (9) und das zweite Steuerventil (10) in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Steuerventil (9) stromaufwärts des zweiten Steuerventils (10) angeordnet ist, und das erste Steuerventil (9) dazu ausgelegt ist, bei einem Verbinden der Druckleitung (8) mit dem zugehörigen ersten Aktuator (3) das in Reihe stromabwärts geschaltete zweite Steuerventil (10) von der Druckleitung (8) abzukoppeln.
Betätigungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Steuerventil (9) ferner dazu ausgelegt ist, bei einem Nichtverbinden der Druckleitung (8) mit dem zugehörigen ersten Aktuator (3) das in Reihe stromabwärts geschaltete zweite Steuerventil (10) mit der Druckleitung (8) zu koppeln.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuerventil (9) und das zweite Steuerventil (10) baugleich sind, vorzugsweise sämtliche in der Druckleitung (8) in Reihe geschaltete Steuerventile (9-13) zum Verbinden eines zugehörigen Aktuators (3-7) mit der Druckleitung (8) baugleich sind.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche im Betätigungssystem (1) vorhandene Aktuatoren (3-7) über ein jeweiliges Steuerventil (9-13) betreibbar sind, wobei diese Steuerventile (9-13) in der Druckleitung (8) in Reihe zueinander angeordnet sind.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuerventil (9) und das zweite Steuerventil (10) in einer direkten Verbindung zu einer Saugleitung stehen, die dazu ausgelegt ist, Fluid einer Saugseite der Pumpenanordnung (2) zuzuführen.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuerventil (9) und das zweite Steuerventil (10) jeweils zwei Schaltzustände einnehmen kann, nämlich: einen ersten Schaltzustand zum Durchleiten des auf der Druckleitung (8) befindlichen Fluids, und einen zweiten Schaltzustand zum Leiten des auf der Druckleitung (8) befindlichen Fluids zum zugehörigen Aktuator (3-7) und gleichzeitigen Unterbrechen eines stromabwärtigen Durchleitens.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betätigungssystem (1) dazu ausgelegt ist, Aktuatoren (3-7) eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs zu steuern.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch ein Abkoppeln des in Reihe stromabwärts geschalteten zweiten Steuerventils (10) von der Druckleitung (8) durch Verbinden der Druckleitung (8) mit dem zugehörigen ersten Aktuator (3) im ersten Steuerventil (9), der zweite Aktuator (4) unabhängig von einer Ventilposition des zweiten Steuerventils (10) deaktiviert ist.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als die genannten Aktuatoren (3-7) und jeweils zugehörigen Steuerventile (9-13) vorhanden sind, die mehreren Steuerventile (9-13) in der Druckleitung (8) in Reihe angeordnet sind und jeweils mit einem zugehörigen Aktuator (3-7) zusammenwirken, und jedes der in Reihe angeordneten Steuerventile (9-13) dazu ausgelegt ist, bei einem Verbinden der Druckleitung (8) mit dem zugehörigen Aktuator (3-7) einen vom Steuerventil (9-13) stromabwärtigen Abschnitt der Druckleitung (8) abzukoppeln, um stromabwärtig angeordnete Aktuatoren (3-7) unabhängig von einer Ventilposition des zugehörigen Steuerventils (9-13) zu deaktivieren.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern von Aktuatoren (3-7) eines Fluggeräts, insbesondere eines Flugzeugs, wobei die Aktuatoren (3-7) aus der nachfolgenden Gruppe stammen, welche umfasst: Aktuator (3) zum Betätigen einer Frachttüre, Aktuator (4) zum Betätigen eines Lenkungssystems, Aktuator (5) zum Betätigen einer Fahrwerkstür, Aktuator (6) zum Betätigen eines Fahrwerksaktuators und/oder Aktuator (7) zum Betätigen von Landeklappen.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Förderrichtung der Pumpenanordnung (2) variabel ist und eine jeweilige Änderung der Betätigungsrichtung eines Aktuators (3-7) bewirkt.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Steuerventil (9-13) in einem Zustand eines Nichtverbindens des Aktuators (3-7) mit der Druckleitung (8) beide Fluidanschlüsse des zugehörigen Aktuators (3-7) mit einem Fluid-Systemrücklauf kurzschließt.
Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpenanordnung (2) mindestens zwei zueinander parallel geschaltete Pumpen (21, 22) umfasst, deren druckseitige Auslässe vor einem Erreichen des stromaufwärtigsten Steuerventils (9) in der Druckleitung (8) zusammengeführt sind.
Betätigungssystem (1) nach Anspruch 13, wobei die parallel zueinander geschalteten Pumpen unabhängig voneinander betätigbar sind, um den tatsächlichen Bedarf an Pumpleistung mit einer möglichst geringen Anzahl an aktiven Pumpen zu erfüllen.
Fluggerät, insbesondere Flugzeug mit einem Betätigungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenschaltung der Steuerventile (9-13) eine Priorisierung der jeweiligen an den Steuerventilen (9-13) angeschlossenen Aktuatoren (3-7) bewirkt.