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Die Erfindung betrifft eine Lastbegrenzungsvorrichtung für ein Steuersystem eines Flugzeugs, insbesondere für ein Schubumkehrantriebssystem.
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In Flugzeugen mit Strahltriebwerken kann eine Schubumkehr zum zur Verkürzung der Landerollstrecke und zur Entlastung der Radbremsen eingesetzt werden. Die Schubumkehr erfolgt durch Umlenken des Triebwerk- und/oder Mantelstromstrahls entgegen der Flugrichtung durch Klappen hinter der Schubdüse und/oder im Mantelstromgehäuse.
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Typische Konstruktionen von Schubumkehrantriebssystemen sind schematisch in 1 und 2 gezeigt. Die Bewegung einer oder mehrerer nicht näher dargestellter Schubumkehrklappen wird anhand von Spindelhubaktuatoren 10 mit Gewindespindeln 11 gesteuert, die über Abtriebsgetriebe 12 an eine gemeinsame Antriebswelle 13 gekoppelt sind, die ihrerseits von einem Antriebsmotor 14 gedreht wird, gekoppelt ist. Die Rotation der Gewindespindeln 11 wird durch Gewindehülsen 15 in eine translatorische Bewegung der Klappen übersetzt. Das in 1 gezeigte System ist beispielhaft für ein Antriebssystem einer Klappe in Form einer Triebwerksverkleidungs-Halbschale, das in 2 gezeigte System ist beispielhaft für ein Antriebssystem einer Klappe in Form einer Luftumlenk-Tür. Natürlich können alternativ zu der in den Figuren gezeigten Varianten die Gewindehülsen im Antriebsstrang auch vor den Gewindespindeln angeordnet sein, sodass die Hülsen rotieren und die Spindel axial verfahren werden. In gängigen Verkehrsflugzeugen liegen typische Verfahrwege der Klappen bei Verfahrzeiten von etwa zwei Sekunden im Bereich von etwa einem Meter.
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Um im Falle des Auftretens einer starken, der Antriebsbewegung entgegengesetzten Gegenkraft an der Klappe, beispielsweise durch temporäre Blockade aufgrund einer Schrägstellung, eine Beschädigung des Aktuators oder der Klappe zu vermeiden, ist es im Stand der Technik bekannt geworden, Vorrichtungen zur Lastbegrenzung im Antriebsstrang derartiger Schubumkehrantriebssysteme zu verbauen. Beispielsweise wird in der
EP 2 311 731 A1 ein gattungsgemäßes System offenbart, dessen Abtriebsgetriebe eine Vorrichtung zur Lastbegrenzung umfasst, das im Falle einer Blockade an der Klappe das vom Antriebsmotor stammende Drehmoment der Antriebswelle durch eine Reibungsbremse zumindest teilweise in das Gehäuse des Abtriebsgetriebes einzuleiten, anstatt es in voller Stärke an den Aktuator und die Klappe weiterzugeben.
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Nachteilig an einer solchen Lastbegrenzungsvorrichtung, die das vom Antriebsmotor stammende Drehmoment der Antriebswelle im Störungsfall zumindest teilweise durch eine Reibungsbremse ableitet ist, dass das volle Drehmoment das Antriebsmotors auf eine Struktur zur Kraftableitung, im Falle der
EP 2 311 731 A1 beispielsweise auf das Gehäuse des Abtriebsgetriebes wirkt und diese Strukturen entsprechend ausgelegt werden müssen. Dadurch sind die Möglichkeiten einer Gewichtsoptimierung des Systems eingeschränkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lastbegrenzungsvorrichtung bereitzustellen, welche diese Nachteile überwindet.
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Lastbegrenzungsvorrichtung zur Anordnung in einem Antriebsstrang eines Flugzeugsteuersystems, die ausgebildet ist, die Weitergabe eines von einem Antriebsmotor des Steuersystems stammenden Drehmoments an eine Steuerstruktur oder einen assoziierten Aktuator bei Auftreten einer einen Schwellenwert übersteigenden Gegenkraft so zu beeinflussen, dass das Drehmoment zumindest nicht in voller Stärke weitergegeben wird, wobei die Lastbegrenzungsvorrichtung ausgebildet ist, bei Auftreten einer den Schwellenwert übersteigenden Gegenkraft den Antriebsstrang zu öffnen.
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Anhand der erfindungsgemäßen Lastbegrenzungsvorrichtung kann also erreicht werden, dass im Überlastfall die Steuerstruktur bzw. der Aktuator nicht geschützt werden, indem das Drehmoment der Antriebseinheit gestaut und in eine Struktur abgeleitet wird, sondern indem der Antriebsstrang geöffnet wird und die Antriebswelle durchdreht. Der Überlastfall kann beispielsweise im Störungsfall auftreten, etwa wenn die Steuerstruktur verklemmt.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle des Antriebsstrangs sowie lasthaltende Kupplung auf, die die Antriebswelle und die Abtriebswelle verbindet. Als Abtriebswelle ist im vorliegenden Zusammenhang auch eine Durchtriebswelle zu verstehen. Die Antriebs- und Abtriebswellen sind vorzugsweise koaxial zueinander angeordnet. Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, in dem die Kupplung angeordnet ist und in dem die Antriebswelle und die Abtriebswelle drehbar gelagert sind.
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Eine der Wellen, vorzugsweise die Abtriebswelle, kann an Ihrem der anderen Welle zugewandten Ende hülsenförmig ausgebildet und mit dem Hohlraum der Hülsenstruktur über das Ende der anderen Welle, vorzugsweise der Antriebswelle gesteckt sein.
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Vorzugsweise ist die Kupplung in dem Spalt zwischen der Hülseninnenoberfläche und dem Außenmantel des Wellenendes angeordnet. Der Innendurchmesser der Hülsenstruktur ist also vorzugsweise etwas größer als der Außendurchmesser des Wellenendes, um dazwischen einen Spalt für die Anordnung der Kupplung auszubilden.
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Bei der lasthaltenden Kupplung handelt es sich vorzugsweise um eine Reibschlusskupplung.
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Bevorzugt ist, dass die lasthaltende Kupplung eine Mehrzahl an Reibungselementen aufweist, die gegen Gegenlaufflächen an der Antriebswelle einerseits und an der Abtriebswelle andererseits vorgespannt sind. Die Reibungselemente sind vorzugsweise im Spalt zwischen Hülseninnenoberfläche und Wellenendmantelfläche angeordnet und umgeben das Wellenende ringförmig.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorspannung anhand einer Feder, vorzugsweise anhand einer Tellerfeder erfolgt. Die Feder kann axial der Reibungselemente angeordnet sein und eine Axialkraft ausüben, um die Reibungselemente und Gegenlaufflächen gegen eine gegenüber der Feder angeordnete Druckplatte zu drücken und so zu verspannen.
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Bei den Reibungselementen kann es sich um Schrägrollen handeln, insbesondere um Rollen, die in einem bestimmten Schrägungswinkel zur Achse in einem Käfig angeordnet sind. Alternativ können beispielsweise auch Reibscheiben verwendet werden.
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Hinsichtlich der Gegenlaufflächen kann vorgesehen sein, dass diese an der Welle selbst oder an mit dieser drehfest verbundenen Übertragungselementen ausgebildet sind. Dies gilt individuell für sowohl die Gegenlaufflächen an der Antriebswelle als auch die Gegenlaufflächen an der Abtriebswelle. Bei den Übertragungselementen kann es sich um ringförmig um die jeweilige Welle bzw. innerhalb der jeweiligen Welle angeordnete Reibelemente handeln.
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Die Erfindung betrifft auch ein Flugzeugsteuersystem mit einem Antriebsmotor, einem Antriebsstrang und einer Steuerstruktur mit einem assoziierten Aktuator, wobei der Antriebsstrang das Drehmoment des Antriebsmotors an den Aktuator der Steuerstruktur überträgt, wobei im Antriebsstrang des Flugzeugsteuersystems wenigstens eine erfindungsgemäße Lastbegrenzungsvorrichtung angeordnet ist, um die Weitergabe eines vom Antriebsmotor stammenden Drehmoments an den Aktuator bei Auftreten einer einen Schwellenwert übersteigenden Gegenkraft so zu beeinflussen, dass das Drehmoment zumindest nicht in voller Stärke weitergegeben wird.
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Bei dem System kann es sich um ein Schubumkehrantriebssystem und bei der Steuerstruktur um eine Schubumkehrklappe handeln. Die Lastbegrenzungsvorrichtung ist zur Anwendung an Antriebssystemen für Klappen wie etwa Luftumlenk-Türen, die hinter der Schubdüse zum Umlenken des Triebwerkstrahls verbaut sind, ebenso geeignet wie zur Anwendung an Antriebssystemen für Klappen wie etwa Triebwerksverkleidungs-Halbschalen, die im Mantelstromgehäuse zum Umlenken des Mantelstromstrahls verbaut sind.
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Bei dem Aktuator kann es sich, insbesondere im dem Fall, dass die Steuerstruktur eine Schubumkehrklappe ist, um einen Spindelhubaktuator mit Gewindespindel und Gewindehülse handeln.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Flugzeugsteuersystem .
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines Schubumkehrantriebssystems für Triebwerksverkleidungs-Halbschalen;
- 2: eine schematische Darstellung eines typischen Aufbaus eines Schubumkehrantriebssystems für Luftumlenk-Türen;
- 3: eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Lastbegrenzungsvorrichtung.
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Die in 3 dargestellte Lastbegrenzungsvorrichtung 100 umfasst eine lasthaltende Reibschluss-Kupplung, die ein begrenztes Drehmoment von einem antreibenden Element 1 auf ein angetriebenes Element 5 überträgt. Die Reibschluss-Kupplung umfasst Übertragungselemente 2 und 4 sowie Reibungselemente 3, wobei die Übertragungselemente 2 und/oder 4 gegebenenfalls auch fehlen können. Die Pfeile zeigen den Drehmoment-Pfad durch die Vorrichtung.
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Mit dem Antriebselement 1 wird jedenfalls mindestens ein Reibungselement 3 der lasthaltenden Kupplung direkt oder über weitere Übertragungselemente 2 verbunden, sodass das Antriebselement 1 direkt oder über die Übertragungselemente 2 Kontakt zu den Reibungselementen 3 hat. Das Reibungselement 3 kann wie dargestellt durch schräg gestellte Rollen gebildet werden, die in einem definierten Schrägungswinkel in einem Käfig angeordnet sind. Es können aber auch Reibscheiben oder andere Bauarten von Kupplungen verwendet werden. Die zweite Gegenlauffläche der Reibungselemente 3 kann entweder direkt durch das Abtriebselement 5 oder, wie in der Figur dargestellt, durch weitere Übertragungselemente 4 gebildet werden, die mit dem Abtriebselement 5 verbunden sind.
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Das maximale Übertragungsmoment der Kupplung wird mit Hilfe von Tellerfedern 6 eingestellt. Die Übertragungs- und Reibungselemente 2, 3 und 4 sind relativ zum Antriebselement 1 und Abtriebselement 5 axial beweglich und werden durch die Tellerfedern 6 über eine Druckplatte 7 gegen eine Sicherungsmutter 8, welche mit dem Abtriebselement 5 verbunden ist, axial vorgespannt.
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Das maximal übertragene Drehmoment T
max, entsprechend dem Schwellenwert, ergibt sich aus
wobei F
ax die von den Tellerfedern
6 ausgeübte Axialkraft, R
stat eine Haftreibungskonstante einzelner Reibungselemente
3 der Kupplung und n die Anzahl der Reibungselemente
3 der Kupplung ist. Es kann also über die Tellerfedern
6 eingestellt werden. Wird das Drehmoment Tmax überschritten, entsprechend einem Überlastfall, wird nur noch ein reduziertes Drehmoment T
rutsch übertragen, das sich aus
wobei R
dyn eine Gleitreibungskonstante einzelner Reibungselemente
3 der Kupplung ist, mit R
dyn < R
stat. Die Kupplung rutscht.
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Über die Haftreibung der vorgespannten Übertragungs- und Reibelemente 2, 3 und 4 erfolgt die Drehmomentübertragung von Antriebselement 1 zu Abtriebselement 5 ohne auftretende Relativdrehung der beiden Elemente zueinander.
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Wird jedoch das eingestellte Grenzdrehmoment Tmax, entsprechend dem Schwellenwert, beispielsweise durch ein auftretendes Klemmen oder eine Blockade einer nach der Kupplung eingebauten Komponente oder durch auftretende Überlast überschritten, wird die Haftreibung zwischen den Übertragungs- und Reibelementen 2, 3 und 4 überwunden, wodurch eine Relativdrehung zwischen den Übertragungs- und Reibelementen 2, 3 und 4 und somit zwischen dem Antriebselement 1 und dem Abtriebselement 5 entsteht. Das überschüssige Drehmoment wird nun in Reibungswärme umgesetzt und das übertragene Drehmoment zum Abtriebselement 5 ist über den Gleitreibungszustand definiert.
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Wird die Blockade gelöst bzw. fällt das Drehmoment bis auf den Ansprechwert Trutsch ab, schließt die Kupplung wieder und überträgt das Antriebsmoment wieder ohne auftretende Relativbewegung von Antriebselement 1 zu Abtriebselement 5.
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Die Lastlimitierung dieser Anordnung ist ähnlich effizient wie im Stand der Technik. Die kinetische Energie des Antriebs wird jedoch nicht in potentielle Energie (Federsteifigkeit) umgesetzt, sondern durch Öffnen des Antriebsstrangs gar nicht mehr übertragen. Es muss somit nicht mehr auf Lastspitzen ausgelegt werden, wodurch Elemente kleiner dimensioniert werden können. Durch die lasthaltende Ausführung der Lastbegrenzung bleibt der Lastpfad zudem auch nach dem Ansprechen erhalten und verhindert somit ein Rücktreiben des Systems. Außerdem wird dadurch der Systembetrieb bei abgesenkter Last unter den Grenzwert sichergestellt, was beispielsweise ein automatisches Weiterfahren im Falle einer sich lösenden Blockade oder einer abgesenkten Ausgangslast ermöglicht.
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Die in 3 gezeigte Lastbegrenzungsvorrichtung kann in wie in 1 und 2 gezeigten Systemen beispielsweise vor einem Abtriebsgetriebe 12 an der gemeinsamen Antriebswelle 13 angeordnet sein, um Durchtrieb und Abtrieb zu schützen. Das Antriebselement 1 der 3 entspricht dann dem, ausgehend von dem Abtriebsgetriebe 12 gesehen, motorzugewandten Teil der Antriebswelle 13, während das Abtriebselement 2 der 3 dem Durchtrieb und/oder dem Abtrieb entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2311731 A1 [0004, 0005]
