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Die Erfindung betrifft Rücklaufsperren für Aktuatoren in Steuersystemen von Flugzeugen, welche eine Einleitung von auf Steuerklappen wirkenden rücktreibenden Kräften in eine Antriebswelle des Steuersystems verhindern können.
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In Flugzeugen werden Steuerklappen wie etwa Landeklappen oder Schubumkehrklappen anhand eines Steuersystems betätigt, das eine anhand einer Antriebseinheit angetriebene Welle umfasst. Das Drehmoment der Welle wird durch geeignete Aktuatoren in die Steuerklappen eingeleitet.
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Während des Fluges können auf eine Steuerklappe wie etwa eine Landeklappe erhebliche Kräfte wirken, die sich in einen rücktreibenden Drehmomenteintrag in die Welle übersetzen. Um eine Einleitung derartiger rücktreibender Lasten in die Welle zu verhindern sind im Stand der Technik verschiedene Rücklaufsperren (engl. No-Back Brakes, NBB) bekannt geworden, welche rücktreibende Drehmomente anhand einer Reibungsbremse in ein stationäres Strukturelement des Flugzeugs ableiten.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2015 013 611 A1 einen Stellantrieb für ein Hochauftriebssystem eines Luftfahrzeuges mit einer integrierten Kegelbremse als Rücklaufsperre. Diese Rücklaufsperre setzt sich aus einem drehfest auf einer Welle, insbesondere der Ausgangswelle des Stellantriebs montierten Bremskörper sowie aus wenigstens einer Bremsbacke zusammen, wobei der Bremskörper als auch die wenigstens eine Bremsbacke kegelförmige Reibflächen umfassen. Die Bremse profitiert damit von den Vorzügen einer Konusbremse. Ferner beschreibt die
AT 508 579 A1 eine elektromagnetische Brems- bzw. Kupplungsvorrichtung zur lüftbaren Übertragung eines Dreh- bzw. Bremsmoments, umfassend ein Spulengehäuse mit einer relativ dazu axial beweglichen Ankerscheibe, wobei die Ankerscheibe durch zumindest eine Feder axial in einer ersten Richtung und durch eine von zumindest einem Elektromagneten mit einer Erregerspule hervorgerufene magnetische Kraft in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung verstellbar ist.
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Ein wesentlicher Bestandteil von Rücklaufsperren aus dem Stand der Technik ist die sogenannte Konstantbremse (engl. Drag Brake), welche als Auslösebremse wirkt und die Hauptbremse beim Auftreten von rücktreibenden Lasten zum Ansprechen bringt. Bisher wird dieser Bremsenanteil durch Reibscheiben oder eine winkelig angestellte Rollenlagerung realisiert, wie dies beispielsweise in der
US 5 944 148 A gezeigt ist.
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Da die Konstantbremse der bekannten Lösungen immer im Eingriff ist und auch dann permanent mechanische Reibung generiert wird, wenn keine rücktreibenden Lasten anliegen, sind derartige Konstruktionen starkem Verschleiß und folglich veränderten Reibverhältnissen unterworfen. Diese Veränderungen über die Lebensdauer des Geräts müssen bei der Auslegung bereits berücksichtigt werden. Eine spätere Anpassung ist aufwändig und muss durch konstruktive Maßnahmen erfolgen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rücklaufsperre bereitzustellen, in welcher diese Nachteile überwunden werden.
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Rücklaufsperre für einen Aktuator in einem Steuersystem eines Flugzeugs, die Rücklaufsperre eine Welle umfassend einen Antrieb, einen damit zur Drehmomentübertragung gekoppelten Abtrieb und ein Gehäuse aufweist, wobei die Rücklaufsperre eine Hauptbremse umfasst, die im aktivierten Zustand einen Drehmomenteintrag am Abtrieb in das Gehäuse ableitet, wobei die Welle einen Auslösemechanismus aufweist, um die Hauptbremse im Lastfall eines Drehmomenteintrags am Abtrieb zu aktivieren, und wobei die Auslösemechanik eine Auslösebremse aufweist, die einen Drehmomenteintrag am Abtrieb konstant in das Gehäuse ableitet und eine geringere Bremskraft als die aktivierte Hauptbremse aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei der Auslösebremse um eine magnetische Bremse mit wenigstens zwei durch einen Spalt getrennten Kupplungspartnern handelt, wobei wenigstens einer der beiden Kupplungspartner magnetisiert oder magnetisierbar ist und wobei einer der beiden Kupplungspartner drehfest mit dem Gehäuse in Verbindung steht und der andere der beiden Kupplungspartner drehfest mit dem Abtrieb in Verbindung steht.
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Gemäß der Erfindung wird also die Hauptbremse der Rücklaufsperre nicht durch eine Auslöse- bzw. Permanentbremse ausgelöst, die als Reibungsbremse ausgestaltet ist, sondern durch eine berührungslose magnetische Auslösebremse, deren Wirkung beispielsweise auf dem Prinzip der Hysterese- oder Wirbelstrombremse beruht. Die magnetische Bremse ist reibungsfrei und somit keinem Verschleiß unterworfen. Einer der Kupplungspartner ist drehfest am Gehäuse angeordnet und stellt den stationären Kupplungspartner dar. Der andere Kupplungspartner ist drehfest mit dem Abtrieb verbunden und stellt den mobilen Kupplungspartner dar.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Auslösebremse um eine Hysteresebremse. Eine Hysteresebremse ist eine Bremse, die auf der Wirkung eines Magneten oder Elektromagneten auf ein sich bewegendes, ferromagnetisches Material basiert. Der Energieverlust entsteht durch die wiederholte Ummagnetisierung des Materials. Im Gegensatz zur Wirbelstrombremse ist die erzeugte Kraft/das erzeugte Moment bei der Hysteresebremse nicht geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig, d. h. die Hysteresebremse funktioniert gleichmäßig vom Stillstand bis zur konstruktiv möglichen Maximalgeschwindigkeit bzw. -drehzahl. Im Falle der Hysteresebremse handelt es sich bei dem Kupplungspartner, der mit dem magnetisierbaren oder magnetischen Kupplungspartner wechselwirkt, um ein Bauteil aus einem ferromagnetischen Material. Die Hysteresebremsen eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften insbesondere für den statischen Fall.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Auslösebremse um eine Wirbelstrombremse. Eine Wirbelstrombremse ist eine verschleißfreie Bremse, die von Magnetfeldern verursachten Wirbelströme in bewegten Metallteilen zur Bremsung nutzt. Bewegt sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld quer zu den Feldlinien, so werden in dem Leiter Spannungen und in der Folge Wirbelströme induziert, die ihrerseits eigene, dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzte Induktionsspannungen und damit wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen, das die Bewegung des Leiters abbremst. Im Falle der Hysteresebremse handelt es sich bei dem Kupplungspartner, der mit dem magnetisierbaren oder magnetischen Kupplungspartner wechselwirkt, um ein Bauteil aus einem nicht notwendigerweise magnetisierbaren metallischen Leiter. Die Wirbelstrombremsen eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften insbesondere für den statischen Fall.
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Im Falle der Hysteresebremse wird das Hysteresematerial ständig ummagnetisiert. Die inhärenten leichten Schwankungen der Bremskraft können durch geeignete Wahl und Anordnung des Magnetfelds und des Hysteresematerials im Durchrutschbetrieb auf ein Minimum beschränkt werden.
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Die Auslösebremse kann auch eine Hysteresebremse und eine Wirbelstrombremse umfassen. So können die vorteilhaften Eigenschaften der Bremsen für den statischen bzw. dynamischen Fall kombiniert werden. Die beiden Bremsen können sich dabei in einer Variante den magnetischen oder magnetisierbaren Kupplungspartner teilen.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem magnetischen oder magnetisierbaren Kupplungspartner um einen Elektromagneten. Die Ausbildung des magnetischen oder magnetisierbaren Kupplungspartners als Elektromagnet hat den Vorteil einer einfachen Einstellbarkeit der Stärke des magnetischen Feldes und folglich der Bremskraft.
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In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem magnetischen Kupplungspartner um einen Permanentmagneten. In diesem Fall kann der magnetische Kupplungspartner auch auf baulich einfache Weise den mobilen Kupplungspartner darstellen, der drehfest mit dem Abtrieb in Verbindung steht.
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Eine Einstellung der Bremskraft kann alternativ zu einer Einstellung der magnetischen Feldstärke auch durch eine Veränderung der relativen Lage der Kupplungspartner und insbesondere durch eine Veränderung der Spaltbreite erreicht werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abtrieb einen radial abstehenden Kragen und die Auslösemechanik eine anhand einer Feder axial gegen den Kragen vorgespannte Reaktionsplatte aufweist, die drehfest mit der Auslösebremse gekoppelt ist, und wobei zwischen dem Kragen und der Reaktionsplatte eine Spreizmechanik angeordnet ist, um die Reaktionsplatte im Lastfall axial vom Kragen abzuspreizen und so die Hauptbremse zu aktivieren. Die Spreizmechanik kann in den Kragen und/oder die Auslöseplatte eingearbeitete Kugelbahn mit axial zulaufenden Taschen sowie darin angeordnete Kugeln umfassen.
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Bei der Hauptbremse handelt es sich vorzugsweise um eine Reibungsbremse, die durch ein Zusammenführen wenigstens zweier Reibungspartner aktiviert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Reibungspartner durch Relativbewegung in Axialrichtung zusammengeführt werden. Ein Zusammenführen der Reibungspartner der Hauptbremse kann also durch eine Bewegung der Reaktionsplatte in Axialrichtung erfolgen.
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Um die Bremskraft der Auslösebremse im Lastfall möglichst konstant zu halten, können die Kupplungspartner der Auslösebremse mit einem geringen Spalt eingestellt werden.
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Der mobile Kupplungspartner kann in einer Ausführungsform durch eine drehfest mit dem Abtrieb gekoppelte Scheibe aus einem leitenden und ggf. ferromagnetischen Material gebildet werden. Diese Scheibe kann in einem Spalt zwischen zwei drehfest mit dem Gehäuse gekoppelten Permanent- oder Elektromagneten als stationäre Kupplungspartner angeordnet sein.
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Der mobile Kupplungspartner kann in einer anderen Ausführungsform, insbesondere im Falle einer Hysteresebremse, aber auch durch einen oder mehrere drehfest am Abtrieb angeordnete Permanentmagnete gebildet werden. Diese können radial oder axial gegenüber drehfest mit dem Gehäuse angeordneten leitenden und ggf. ferromagnetischen Bauteilen als stationäre Kupplungspartner angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform sind die Kupplungspartner der magnetischen Auslösebremse derart angeordnet, dass bei einer Aktivierung der Hauptbremse keine Relativbewegung zwischen den Kupplungspartnern stattfindet. So kann sichergestellt werden, dass im Lastfall keine Veränderung der Bremskraft der Auslösebremse auftritt. In den oben vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen kann dies realisiert sein, indem bei Aktivierung der Hauptbremse die Kupplungspartner entweder gemeinsam oder beide gar nicht axialverschoben werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann eine Änderung der Bremskraft bei Aktivierung erwünscht und deshalb eine Relativbewegung der Kupplungshälften bei Aktivierung erlaubt sein.
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In einer Ausführungsform kann die Rücklaufsperre einen Sensor zur Ermittlung der magnetischen Feldstärke im Spalt aufweisen. Geeignete Sensoren umfassen beispielsweise Hall-Sensoren. Anhand derartiger Sensoren kann überprüft werden, ob die Auslösebremse über genügend Bremsmoment verfügt, um eine Axialverschiebung der Reaktionsplatte und damit ein Schließen der Hauptbremse zu ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Flugzeug mit wenigstens einer Steuerklappe und einem Steuersystem zur Betätigung der Steuerklappe, wobei das Steuersystem wenigstens eine erfindungsgemäße Rücklaufsperre aufweist.
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Das Steuersystem kann eine vorzugsweise im Bereich des Flugzeugrumpfs angeordnete Antriebseinheit aufweisen, die eine in die Flügel führende Welle antreibt, wobei die Welle durch wenigstens einen Aktuator in Form einer Drehmomentübertragungsvorrichtung mit der Steuerklappe in Wirkverbindung steht. Bei der Steuerklappe kann es sich beispielsweise um ein Ruder des Flugzeugs wie etwa ein Querruder, eine Landeklappe oder eine Schubumkehrklappe handeln.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figur diskutierten Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:
- 1: eine schematische Übersichtsdarstellung eines Steuersystems für Steuerklappen eines Flugzeugs;
- 2: eine Schnittansicht durch eine Rücklaufsperre aus dem Stand der Technik;
- 3: eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rücklaufsperre mit einer Wirbelstrom-Auslösebremse;
- 4: eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rücklaufsperre mit einer Hysterese-Auslösebremse;
- 5: eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Rücklaufsperre mit einer Hysterese-Auslösebremse in einer weiteren Ausführungsform; und
- 6: eine Schnittansicht durch eine Variante der in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Rücklaufsperre.
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In 1 ist ein Steuersystem 110 für Steuerklappen eines Flugzeugs schematisch dargestellt. Die Längsachse A des Flugzeugs verläuft durch den Flugzeugrumpf 111. Das Steuersystem 110 erstreckt sich über die Flügel 112 des Flugzeugs und umfasst eine Antriebseinheit 116, die eine sich in die Flügel 112 erstreckende Welle 130 antreibt. Das Drehmoment aus der Welle 130 wird durch geeignete Aktuatoren 120 und weiteren Kinematics 122 in die Steuerklappen 118 eingeleitet. Um im Falle einer Krafteinwirkung an der Steuerklappe 118 die Einleitung eines rücktreibenden Drehmomenteintrags in die Welle 130 zu verhindern, werden im Bereich der Aktuatoren 120 sogenannte Rücklaufsperren verbaut.
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Die Konstruktion einer aus dem Stand der Technik bekannten Rücklaufsperre ist in 2 gezeigt. Die Hauptbremse 360 dieser Rücklaufsperre wird aktiviert, wenn externe Lasten an der Steuerklappe eine Verdrehung der Abtriebswelle 300 auslösen, während die Antriebswelle 310 feststeht. In diesem Fall wird über Kugeln 320, die beidseitig in winkelig zulaufenden Taschen gelagert sind, eine Axialbewegung in der Reaktionsplatte 330 erzeugt. Diese Kupplung kommt nur deshalb zustande, da die Reaktionsplatte 330 mit einem konstanten Bremsmoment beaufschlagt ist, das der Bewegung der Abtriebswelle 300 entgegenwirkt. Dieses Bremsmoment wird mit Hilfe von am Umfang der Bremse verteilten Druckfedern 340 erzeugt, die das Bremspaket 350 vorspannen. Dieser Teil der Rücklaufsperre wird als Konstantbremse bezeichnet. Eine rückwirkende Last am Abtrieb 300 wird durch die Konstantbremse entlang des Lastpfads K in das Gehäuse abgeleitet. Bei weiterer Erhöhung des Drehmoments am Abtrieb 300 wird die Hauptbremse aktiviert, indem die gesamte Konstantbremse umfassend die Reaktionsplatte 330, die Druckfedern 340 und das Bremspaket 350 axial verschoben wird und eine axiale Ausformung der Reaktionsplatte 330, die zwischen Abtrieb 300 und Konstantbremse platziert ist, das Bremspaket 360 der Hauptbremse zusammendrückt. Sobald das Bremspaket 360 der Hauptbremse auf Block zusammengedrückt ist und die Hauptbremse greift, ist der Lastpfad H von der Abtriebswelle 300 zum Gehäuse über die Hauptbremse geschlossen. Die Abtriebslast wird nun über diesen Weg in das Gehäuse eingeleitet.
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In der erfindungsgemäßen Lösung gemäß 3 ist das Bremspaket 350 der Konstantbremse durch eine Wirbelstrombremse 400 ersetzt, die einen drehfest mit dem Gehäuse verbundenen stationäre Kupplungspartner in Form einer radial von außen nach innen stehenden Scheibe 401 aus einem elektrisch leitenden Metall wie beispielsweise Gusseisen aufweist. An der drehfest mit dem Abtrieb 300 gekoppelten Reaktionsplatte 330 ist ein Spalt 403 ausgebildet, in den die Scheibe 401 von außen eingreift. An den beiden Spaltseiten sind in der Reaktionsplatte 330 ringförmige Permanentmagnete 402 eingearbeitet. Die Kupplungspartner 401 und 402 bilden gemeinsam eine berührungslose Wirbelstrombremse 400, die ein konstantes Gegendrehmoment gegen eine rücktreibende Last am Abtrieb 300 bewirkt und so eine Auslösung der Hauptbremse anhand des im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Mechanismus ermöglicht.
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In der weiteren erfindungsgemäßen Lösung gemäß 4 ist das Bremspaket 350 der Konstantbremse durch eine Hysteresebremse 500 ersetzt, die einen drehfest mit dem Gehäuse verbundenen axial verschiebbaren ringförmigen Schlitten 504 aufweist, an dessen einer Seite ein Fortsatz 505 vorhanden ist, der am Bremspaket 360 der Hauptbremse anliegt, und an dessen anderer Seite ein ringförmiger Permanentmagnet 501 eingearbeitet ist. Zwischen dieser anderen Seite und der in diesem Fall ohne axialen Fortsatz ausgebildeten Reaktionsplatte 330 ist ein Spalt 503 ausgebildet, wobei an der dem Spalt zugewandten und dem Permanentmagneten 501 gegenüberliegenden Seite in ringförmiges Bauteil 502 aus einem ferromagnetischen Material als mobiler Kupplungspartner eingearbeitet ist. Die Kupplungspartner 501 und 502 bilden gemeinsam eine berührungslose Hysteresebremse 500, die ein konstantes Gegendrehmoment gegen eine rücktreibende Last am Abtrieb 300 bewirkt und so eine Auslösung der Hauptbremse anhand des im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Mechanismus ermöglicht.
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In der weiteren erfindungsgemäßen Lösung gemäß 5 liegen die Kupplungspartner 501 und 502 der Hysteresebremse 500 einander nicht axial, sondern radial gegenüber. In dieser Variante ist sichergestellt, dass bei einer Axialverschiebung während des Ansprechens der Bremse keine Relativbewegung zwischen den Kupplungspartnern 501 und 502 stattfindet und die Bremskraft somit konstant bleibt. Da es bei der axialen Verschiebung der Reaktionsplatte 330 in dieser Ausführungsvariante zu keiner Veränderung der Spaltbreite kommt, können die beiden Kupplungshälften 501 und 502 mit geringerem Spalt 503 eingestellt werden.
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In 6 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß 5 dargestellt, in welcher ein Sensor 600 zur Überwachung der magnetischen Feldstärke im Bereich des Spalts 503 verbaut ist. So wird die Überwachung der magnetischen Feldstärke im Spalt während des Betriebs oder im Rahmen von Prüfintervallen ermöglicht. Geeignete Sensoren umfassen beispielsweise Hall-Sensoren. Durch eine derartige Überwachung kann zum Beispiel überprüft werden, ob die Auslösebremse über genügend Bremskraft verfügt, um die axiale Verschiebung der Reaktionsplatte 330 und damit das Schließen der Hauptbremse zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es mit Hilfe derartiger Sensoren 600 möglich, durch beispielsweise Zählen der Überstreichungen die Bewegungsprofile der Abtriebswelle 300 zu bestimmen. Daraus lassen sich mit geeigneten Auswerteeinheiten Rückschlüsse auf die Position des Abtriebs 300 ziehen. Im Falle der Verwendung in einem Hochauftriebssystem könnten so möglicherweise an anderer Stelle Sensoren eingespart werden.
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Zusammenfassend erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Erzeugung des Auslösemoments an der Konstantbremse durch ein berührungsloses Prinzip, wodurch gegenüber herkömmlichen Konstantbremsen der Verschleiß erheblich verringert werden kann. Es erfolgt keine Veränderung der Reibverhältnisse und die Konstantbremse ist wesentlich zuverlässiger. Unter anderem können eine Erhöhung der Systemzuverlässigkeit durch unveränderliche Haltekräfte, eine Erhöhung der Lebensdauer durch Reduzierung von Verschleiß, eine Reduktion der Anzahl der benötigten Bauteile, eine einfachere Geräteauslegung sowie geringere Leistungsreserven von Klappenantrieben aufgrund konstanter Bremsmomente, eine einfachere Einstellung der gewünschten Bremsmomente, eine kontinuierliche Überwachung der Magnetfeldstärke während des Betriebs sowie eine Ermittlung der Klappenposition über integrierte Sensoren als Vorteile realisiert werden.
