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Die Erfindung betrifft einen mechanischen Stellantrieb für ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeuges, wobei der Stellantrieb mit einer internen Getriebeübersetzung zwischen Eingangs- und Ausgangswelle versehen ist und einen internen Sensor zur Drehmomentmessung umfasst.
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In einem Hochauftriebssystem eines Flugzeuges werden zum Antreiben der einzelnen Klappen oder Gruppen von Klappen mechanische Stellantriebe, Insbesondere Geared Rotary Aktuatoren (GRA) verwendet. Diese werden über ein Antriebswellensystem durch eine zentrale Antriebseinheit (PCU) angetrieben. Im Falle einer mechanischen Blockade in der Verbindung zwischen Klappe und Aktuator oder auch innerhalb des Aktuators selbst muss dieser die gesamte Antriebsenergie der zentralen Antriebseinheit aufnehmen. Dies würde eine massive Dimensionierung des Aktuators notwendig machen, sofern dieser den auftretenden hohen Kräften standhalten soll.
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Aus diesem Grund werden im Hochauftriebssystem geeignete Schutzvorrichtungen vorgesehen, um im Klemmfall für eine Abschaltung oder Unterbrechung des Antriebsstrangs zu sorgen. Bislang sind aus dem Stand der Technik drei Varianten zur Drehmomentbegrenzung am Aktuator bekannt. Als erste Möglichkeit wird ein mechanischer Drehmomentbegrenzer am Aktuatoreingang vorgeschlagen. Die Platzierung am Aktuatoreingang hat den Vorteil, dass das dort abzubremsende Moment im Vergleich zum Aktuatorausgang wegen der Getriebeübersetzung kleiner ist. Allerdings ist bei der Auslegung des Drehmomentbegrenzers dann der Getriebewirkungsgrad und dessen Schwankung über die Lebenszeit zu berücksichtigen. Zu beachten ist ebenfalls das Schleppmoment des Getriebes. Als Konsequenz muss die Auslösebandbreite des Drehmomentbegrenzers verhältnismäßig hoch sein.
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Eine Platzierung des mechanischen Drehmomentbegrenzers am Aktuatorausgang vermeidet die obige Problematik, allerdings muss der Drehmomentbegrenzer dann größer ausgelegt werden, um das deutlich höhere Moment am Ausgang abbremsen können. In der Regel ist ein solcher Drehmomentbegrenzer deutlich größer und schwerer.
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Alternative zur mechanischen Drehmomentbegrenzung ist man in jüngster Vergangenheit auf Drehmomentsensoren umgestiegen. Das Sensorsignal wird von einer Recheneinheit auf Überbelastung geprüft und im Klemmfall eine Abschaltung des Hochauftriebssystems ausgelöst. Üblich ist die Anordnung eines Drehmomentsensors am Aktuatorausgang, was jedoch den Nachteil hat, dass mittels des Drehmomentsensors kein Klemmen im Getriebe selbst erkannt werden kann. Die Detektion eines Getriebeklemmfalls erfolgt dann über einen Drehmomentsensor der zentralen Antriebseinheit (PCU), was jedoch mit gewissen Ungenauigkeiten verbunden ist. Die Erweiterung um einen zusätzlichen Sensor am Aktuatoreingang ist zwar denkbar, führt jedoch zu einer Verdoppelung der Sensoranzahl, was sich negativ auf die Verfügbarkeit des Hochauftriebssystems und die Gestehungskosten auswirkt.
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Es ist daher Ziel und Aufgabe der vorliegenden Anmeldung eine verbesserte Lösung aufzuzeigen, mit der eine zuverlässige Erkennung eines Klemmfalls in der Klappmechanik als auch im Getriebe des Aktuators selbst erkannt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen mechanischen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stellantriebes sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ausgangspunkt ist ein mechanischer Stellantrieb für ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeuges. Ein solcher Stellantrieb dient üblicherweise dazu, die von einer zentralen Antriebseinheit bereitgestellte Antriebsenergie auf die zugeordnete Klappe zu übertragen, um hierdurch eine Stellbewegung der Klappe zu erreichen. Solche Stellantriebe werden üblicherweise als Geared Rotary Actuators (GRA) ausgeführt und weisen eine Eingangs- und Ausgangswelle auf, die über eine Getriebeübersetzung miteinander gekoppelt sind. Der Hauptgetriebesatz wird üblicherweise durch ein Planetengetriebe gebildet.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Drehmomentsensor zumindest teilweise in den Stellantrieb integriert. Der Sensor ist mit wenigstens zwei Messfühlem ausgestattet, die an unterschiedlichen Messstellen innerhalb des Stellantriebes angeordnet sind. Die Messfühler dienen dazu an der zugeordneten Messstelle ein entsprechendes Messsignal abzugreifen, das Indikativ für ein dort vorliegendes Drehmoment ist. Mittels des einen Messfühlers lässt sich das Drehmoment am Eingang des Stellantriebes und mittels des weiteren Messfühlers das Drehmoment am Ausgang des Stellantriebes erfassen. Für die wenigstens zwei Messfühler umfasst der Sensor zudem eine gemeinsame Auswerteeinheit, die zumindest teilweise in den Stellantrieb integriert ist.
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Ein solche Auswerteeinheit empfängt und bearbeitet das Signal der Messfühler. Über wenigstens einen, vorzugsweise zwei Ausgänge der Auswerteeinheit kann das Sensorsignal bezüglich des erfassten Drehmomentes an eine übergeordnete Steuerung des Hochauftriebssystem bzw. die Flugsteuerung eines Luftfahrzeuges weitergeleitet werden.
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Durch den neuartigen Stellantrieb mit integriertem Sensor ist es nun erstmalig möglich, sowohl das Eingangs- als auch das Ausgangsmoment am Stellantrieb zu erfassen. Dies kann durch einen einzigen Sensor erreicht werden, der lediglich um eine weitere Messstelle bzw. Messfühler ergänzt wurde. Im Gegensatz zur Verwendung von zwei separaten Sensoren lassen sich die anfallenden Herstellungskosten auf ein Minimum reduzieren.
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Vorteilhaft Ist es, wenn die Messstelle für das am Eingang des Stellantriebes anliegende Drehmoment im Bereich der Eingangswelle des Stellantriebes liegt. Alternativ dazu kann die Messstelle auch im Bereich des Sonnenrades der Hauptgetriebestufe des Stellantriebes implementiert sein. Die Messstelle für das am Ausgang des Stellantrieb vorliegende Drehmoment wird vorteilhafterweise im Bereich der Ausgangswelle des Stellantriebes integriert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der wenigstens eine Messfühler nach einem magnetostriktiven Prinzip. Der Messfühler besteht aus wenigstens einer Empfangsspule, insbesondere einem Spulenpaar zur Detektion einer Magnetfeldänderung im Detektionsbereich. Die Magnetfeldänderung wird durch eine geeignete Magnetisierung des mit dem zu erfassenden Drehmoment rotierenden Bauteils bewirkt.
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Bspw. kann für die Messstelle des Eingangsdrehmomentes eine Magnetisierung in die Eingangswelle des Stellantriebes, insbesondere in den Innendurchmesser der Eingangswelle des Stellantriebs eingebracht sein. Möglich ist auch die Magnetisierung des Sonnenrades der Hauptgetriebestufe des Stellantriebes, bevorzugt ist die Magnetisierung auch hier in den Innendurchmesser des Sonnenrades eingebracht. Die zugeordnete wenigstens eine Spule bzw. das Spulenpaar des Messfühlers wird dann Im Bereich der Magnetisierung montiert, vorzugsweise mittels einer feststehenden Halterung im Bereich der Welle bzw. des Sonnenrades.
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Für die Messstelle des Ausgangsdrehmomentes kann eine geeignete Magnetisierung in die Ausgangswelle, bevorzugt den Innendurchmesser der Ausgangswelle des Stellantriebes eingebracht sein. Die zugeordnete wenigstens eine Spule bzw. das Spulenpaar wird im Bereich der Ausgangswelle mittels Halterung angebracht.
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In Summe wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors mit einer einzigen Auswerteeinheit, jedoch zwei Messstellen und entsprechenden Messfühlern nur eine vergleichsweise geringe Reduktion der Verfügbarkeit des Gesamtsystems in Kauf genommen, da lediglich die Magnetisierung, das Spulenpaar sowie gegebenenfalls gewisse Bestandteile der Beschaltung verdoppelt werden müssen. Ein Großteil der Sensorbautelle kann jedoch simplex ausgeführt werden. Dies betrifft vor allem die Ausführung der Auswerteeinheit. Dadurch wird auch eine maßgebliche Kostenersparnis im Vergleich zu einer Lösung mit zwei separaten Sensoren möglich.
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Die wenigstens zwei Messfühler sind vorzugsweise über Kabelverbindungen mit der gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden. Hierbei erweist es sich als Vorteil, wenn diese vom jeweiligen Messfühler innerhalb des Innendurchmessers der Eingangswelle bzw. des Sonnenrades und/oder der Ausgangswelle zur Auswerteeinheit verlegt sind.
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Bietet die Ausgangswelle ausreichend Platz, so lässt sich auch die Auswerteeinheit dort im Innendurchmesser integrieren.
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Gemäß einer konkreten Ausführungsform sieht die Auswerteeinheit wenigstens zwei Eingangsinterfaces für die Anbindung der wenigstens zwei Messfühler vor. Zudem können optional auch zwei separate Verstärkerstufen, d.h. pro Eingangsinterface eine dedizierte Verstärkerstufe vorgesehen sein, um die Eingangssignale der Messfühler individuell auf das benötigte Signalniveau zu verstärken. Aufgrund der Getriebeuntersetzung und der dadurch bedingten deutlichen Drehmomentdifferenz können die Messbereiche der beiden Messsignale weit auseinanderliegen. Durch getrennte Verstärkerstufen kann diese Differenz bei Bedarf durch unterschiedliche Signalverstärkung kompensiert werden.
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Im Gegensatz zur dualen Ausführung der Eingangsinterfaces und/oder der Verstärkerstufen sind die restlichen Komponenten der Auswerteeinheit vorzugsweise simplex ausgeführt. Insbesondere umfasst die Auswerteeinheit lediglich eine einzige Energieversorgung und/oder ein einziges Gehäuse und/oder eine einzige Aufnahme für die Montage innerhalb des Stellantriebes und/oder eine einzigen Trägerplatine für die notwendige Elektronik und/oder gemeinsame Schutzelemente für alle Messfühler.
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Abhängig von der konkreten Strategie zur Einbindung der Auswerteeinheit in eine übergeordnete Steuerumgebung kann die Auswerteeinheit individuell ausgeführt sein. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, die Drehmomentmesswerte der einzelnen Messfühler über getrennte Ausgänge der Auswerteeinheit an eine übergeordnete Steuerung bereitzustellen. Die Auswerteeinheit stellt das verstärkte und gegebenenfalls weiterverarbeitete Signal des Messfühlers für das Eingangsdrehmoment über einen ersten Ausgang bereit, während das verstärkte und gegebenenfalls weiterverarbeitete Signal des Messfühlers für das Ausgangsdrehmoment durch den zweiten Ausgang der Auswerteeinheit bereitgestellt wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Auswerteeinheit mit nur einem einzigen Signalausgang zu versehen. In einem solchen Fall umfasst die Auswerteeinheit eine geeignete interne Logik, die konfiguriert ist, die Eingangssignale der wenigstens zwei Messfühler zu überlagern. Das überlagerte Signal, insbesondere ein Differenzsignal der beiden Messsignale, kann dann am einzigen Signalausgang der Auswerteeinheit von einer übergeordneten Steuerung abgegriffen werden. Bei einer Überlagerung und entsprechenden Differenzbildung ist es zwingend notwendig, das schwächeren Drehmomentsignal des Stellantriebeingangs durch eine betragsmäßig größer Verstärkung an das Messsignal des Stellantriebausgangs anzugleichen.
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Neben dem erfindungsgemäßen Stellantrieb umfasst die Erfindung ebenfalls ein Hochauftriebssystem für ein Luftfahrzeug, das mit wenigstens einem Stellantrieb gemäß der Erfindung zur Betätigung wenigstens einer Klappe versehen ist. Demzufolge ergeben sich für das Hochauftriebssystem dieselben Vorteile und Eigenschaften wie sie bereits anhand des Stellantriebes vorstehend aufgezeigt wurden.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn eine übergeordnete Steuerung des Hochauftriebssystems vorgesehen ist, die derart programmiert ist, die an den beiden Ausgängen der Auswerteeinheit bereitgestellten Einzelsignale separat abzugreifen und gegen individuelle Grenzwerte zu vergleichen. Dadurch kann ein Klemmfall zuverlässig detektiert werden. Zudem ist es möglich, den Klemmfall zu lokalisieren, d.h. zu unterscheiden ob dieser im Aktuator selbst oder In der nachfolgenden Verbindung zwischen Aktuator und Klappenkinematik auftritt.
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Alternativ kann für den Fall, dass der Stellantrieb eine Auswerteeinheit mit lediglich einem Signalausgang aufweist, vorgesehen sein, dass die übergeordnete Steuerung das dort abgegriffene überlagerte Signal, insbesondere das Differenzsignal zwischen den gelieferten Signalen der wenigstens zwei Messfühler gegen einen zugeordneten Grenzwert vergleicht.
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Von der Erfindung umfasst Ist ebenso ein Luftfahrzeug mit einem Hochauftriebssystem gemäß der Erfindung, sodass sich für ein solches Luftfahrzeug dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das Hochauftriebssystem bzw. den erfindungsgemäßen Stellantrieb ergeben. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels des Stellantriebs aufgezeigt werden.
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Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Geared Rotary Actuator (GRA) 1. Dieser GRA 1 weist einen internen Drehmomentsensor auf, der sich zumindest teilweise im Innendurchmesser der Ausgangswelle 11 befindet. Wesentlicher Bestandteil des Drehmomentsensors ist die Auswerteelektronik 40, die vollständig innerhalb des Innendurchmessers der Ausgangswelle 11 des Aktuators 1 aufgenommen ist.
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Erfindungsgemäß ist dieser Sensor 40 nun mit zwei Messfühlern, d.h. separaten Spulenpaaren ausgestattet, die an unterschiedlichen Messstellen 20, 30 innerhalb des Aktuators 1 positioniert sind. Über die Messstelle 30 soll das an der Eingangswelle 10 anliegende Eingangsmoment des Aktuators 1 erfasst werden, während mittels der integralen Messstelle 20 das an der Ausgangswelle 11 des Aktuators 1 anliegende Ausgangsmoment gemessen werden soll.
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Die Messfühler sind hier in Form eines Spulenpaars ausgestaltet, das der Figur nicht zu entnehmen ist. Jedes Spulenpaar ist in unmittelbarer Nähe zur zugehörigen Messstelle 20, 30 mittels eines Halters stationär innerhalb des Aktuators 1 montiert. Über die Messfühler soll auf Grundlage eines magnetostriktiven Messprinzips eine durch die Rotation der Eingangs- bzw. Ausgangswelle 10, 11 ausgelöste Änderung eines Magnetfeldes erfasst werden. Erzeugt wird ein solches Magnetfeld im Bereich der Messstelle 30 durch eine Magnetisierung im Bereich des Innendurchmessers der Eingangswelle 30. Die Rotation der Welle 30 führt zur Änderung des dort vorherrschenden Magnetfeldes. Alternativ zur Eingangswelle 10 könnte die Magnetisierung auch im Innendurchmesser des Sonnenrades der Hauptgetriebestufe eingebracht sein. Ähnlich ist die Implementierung für die Messstelle 20. Hier ist die notwendige Magnetisierung in den Innendurchmesser der Ausgangswelle 11 eingebracht.
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Über ein Kabel 50 wird die jeweilige Messstelle, insbesondere das dort montierte Spulenpaar mit der Auswerteeinheit 40 verbunden. Der Kabelverlauf erfolgt ebenfalls innerhalb des Innendurchmessers der jeweiligen Welle.
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Eine Klemmfallerkennung (Jam-Erkennung) erfolgt ähnlich wie in der
DE 10 2017 00 2053 A1 beschrieben, auf diese an dieser Stelle vollumfänglich Bezug genommen wird. Der Messwert wird durch eine übergeordnete Steuerung an der Auswerteeinheit abgegriffen und gegen einen hinterlegten Grenzwert verglichen. Bei einer Grenzwertüberschreitung kommt es bspw. zur Abschaltung des Hochauftriebssystems bzw. Verbringung in einen sicheren Zustand.
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Die Auswertung der beiden Messstellen 20, 30 kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.
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Gemäß Möglichkeit A werden die beiden Signale der Messstellen 20, 30 bzw. der dort angeordneten Spulenpaare innerhalb der Auswerteelektronik 40 überlagert und an einem einzigen Ausgang der Auswerteelektronik 40 einer übergeordneten Steuerung zur Verfügung gestellt. Diese vergleicht das einzige Signal nun gegen einen zugeordneten Grenzwert. Da die beiden Messbereiche der beiden Messstellen 20, 30 üblicherweise sehr weit auseinanderliegen (aufgrund der Getriebeübersetzung), muss das Messsignal der Messstelle 30 durch den internen Verstärker der Auswerteelektronik 40 mehr verstärkt werden, als das Signal der Messstelle 20, um hier eine entsprechende Jam-Anzeige zu generieren.
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Als Alternative zu einer Überlagerung der Messstellen kann die Auswerteelektronik 40 auch mit zwei Ausgängen sowie zwei separaten Verstärkerstufen versehen sein, wodurch die Signale der Messstellen 20, 30 über zwei getrennte Ausgänge der Auswerteelektronik 40 an die übergeordnete Steuerung bereitgestellt werden. Diese kann nun die getrennten Messwerte gegen separate Grenzwerte vergleichen.
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Die Auswerteelektronik 40 zum Verarbeiten der beiden Messstellen 20, 30 benötigt aufgrund der beiden Messstellen 20, 30 nur ein doppelt ausgeführtes Eingangs-Interface für den Anschluss der Messfühler als auch eine doppelt ausgeführte Verstärkerstufe. Die Energieversorgung, die Mechanisierung der Auswerteelektronik 40 wie deren Gehäuse und Montageaufnahme, eine interne Trägerplatine für die beiden Messstellen als auch etwaige Schutzelemente können hingegen simplex ausgeführt sein. In Abhängigkeit der gewünschten Auswertung der Messsignale wird die Auswerteelektronik 40 mit einem oder zwei Ausgängen versehen.
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Der erfindungsgemäße Stellantrieb mit dem Integrierten Sensor 40 erlaubt nun die Erkennung aller Klemmfälle vom Bereich des Eingangs des Stellantriebs bis hin zur Klappenkinematik. Es wird lediglich ein einziger Sensor für die Messung des Eingangs- als auch Ausgangsdrehmomentes am Stellantrieb 1 benötigt. Auf eine mechanische Drehmomentbegrenzung wie in konventionellen Hochauftriebssystemen kann hier vollständig verzichtet werden. Da lediglich eine Magnetisierung als auch das Spulenpaar in doppelter Ausführung vorgehalten werden muss, ist eine geringe Reduzierung der Verfügbarkeit des Gesamtsystems in Kauf zu nehmen. Dies führt ebenso zu einer Kostenersparnis, da viele Bauteile des Sensors 40 simplex ausgeführt sind. Zudem wird eine Vollintegration des Sensors in den Stellantrieb 1 erreicht, da beide Messstellen sowie die dazugehörige Auswerteelektronik 40 vollumfänglich Im Aktuator 1 platziert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017002053 A1 [0031]
