DE102020133020A1

DE102020133020A1 - Verfahren zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators

Info

Publication number: DE102020133020A1
Application number: DE102020133020.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Röben
Original assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Current assignee: Liebherr Aerospace Lindenberg GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US11614105B2; US20220186755A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators, wobei der elektrohydrostatische Aktuator eine von einem Elektromotor antreibbare Hydraulikpumpe und einen mittels der Hydraulikpumpe antreibbaren hydraulischen Aktor zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte (i) Erfassung der momentanen Drehzahl des Elektromotors, (ii) Erfassung einer momentanen Position des Aktors, (iii) Erfassung einer Betriebsgröße, welche einen momentanen Betriebspunkt des elektrohydrostatischen Aktuators betrifft, (iv) Ermittlung einer einen Wirkungsgrad des elektrohydrostatischen Aktuators betreffenden Zustandsgröße auf Grundlage zumindest der erfassten Drehzahl und der erfassten Position in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße, und (v) Bestimmung eines Zustands des elektrohydrostatischen Aktuators auf der Grundlage des aktuell ermittelten Werts sowie vorzugsweise mehrerer zuvor ermittelter Werte der Zustandsgröße. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, insbesondere Fluggerät, mit einer Steuereinheit, welche eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators mit einer von einem Elektromotor antreibbaren Hydraulikpumpe und einem mittels der Hydraulikpumpe antreibbaren hydraulischen Aktor zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, sowie ein Fahrzeug, insbesondere Fluggerät, mit einer Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Flugsteuerungssystemen kommen typischerweise hydraulische Servoaktuatoren zum Einsatz. Sie erzeugen eine Fluglageänderung über die Steuerung von hydraulischem Druck in Hydraulikzylindern, welcher letztlich die Betätigung von Steuerflächen ermöglicht. Die Servoaktuatoren werden dabei mit Hilfe eines zentralen Hydrauliksystems angesteuert. Da dieses sämtliche zu bewegenden Flugzeugteile durchgängig mit einem hohen Mindestdruck versorgen muss, wird eine hohe hydraulische Leistung benötigt. Zudem müssen Hydraulikleitungen zu jedem der zu bewegenden Teile verlegt werden.
Im Zuge der Elektrifizierung von Flugzeugsystemen (auch als „More Electric Aircraft“ bezeichnet) werden zu diesem Zweck zunehmend auch elektrohydrostatische Aktuatoren (EHA) eingesetzt, welche lokale Hydrauliksysteme zur Versorgung der einzelnen hydraulischen Aktuatoren bereitstellen und elektronisch gesteuert werden. EHA umfassen in der Regel eine Hydraulikpumpe, meist in Form einer Axialkolbenpumpe, welche durch einen Elektromotor angetrieben wird und welche einen hydraulischen Aktor, z.B. eine Kolben-Zylinder-Einheit, hydraulisch antreibt. Die Steuerung bzw. Regelung des EHA erfolgt elektronisch.
Das „More Electric Aircraft“ stellt immer höhere Anforderungen an die Laufleistung (Lebensdauer) von elektrischen (power-by-wire) Aktuatoren. Aufgrund der Komplexität von elektromechanischen Aktuatoren und von EHA bietet diese Technologie zunächst nur eine begrenzte Verfügbarkeit. Neben der Lagerung der Antriebswelle sind bei einem EHA insbesondere die Tribokontakte innerhalb der Axialkolbenpumpe von Verschleiß betroffen. Aus diesem Grund müssen EHA bzw. deren Komponenten regelmäßigen Inspektions- und Wartungsintervallen unterzogen werden.
Auch für ein an sich robustes Design ergibt sich aufgrund von variierenden Betriebsbedingungen und Fertigungstoleranzen gegebenenfalls eine große Streuung in der tatsächlichen Laufleistung. Aufgrund mangelnder Erfahrung mit dieser Technologie und der hohen Kritikalität ihrer Funktion in der Flugsteuerung, ist der Betrieb von EHA in heutigen Plattformen nur dann vorgesehen, falls die konventionelle, auf der Servohydraulik basierende Flugsteuerung auffällt (Backup-Modus).
Solange die Robustheit von EHA nicht in einem repräsentativen Umfeld und im Dauerbetrieb (also in Langzeitanwendungen) demonstriert ist, wird die Flugsteuerung von zivilen Flugzeugen auch weiterhin im Wesentlichen auf Servoaktuatoren beschränkt sein. Damit werden auch künftig zentrale Hydrauliksysteme mit einer ungünstigen Energiebilanz und aufwändiger Architektur maßgeblich zur Energieversorgung erforderlich sein. Gleichzeitig lässt sich das volle Potential der EHA-Technologie nicht ausschöpfen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Zuverlässigkeit derartiger elektrohydrostatischer Aktuatoren zu verbessern. Insbesondere sollen dabei sicherheitstechnische und finanzielle Risiken eines unplanmäßigen Ausfalls minimiert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Demnach wird ein Verfahren zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators vorgeschlagen, wobei letzterer eine von einem Elektromotor antreibbare Hydraulikpumpe und einen mittels der Hydraulikpumpe antreibbaren hydraulischen Aktor zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Erfassung der momentanen Drehzahl des Elektromotors,
- Erfassung einer momentanen Position des Aktors,
- Erfassung einer Betriebsgröße, welche einen momentanen Betriebspunkt des elektrohydrostatischen Aktuators betrifft,
- Ermittlung einer einen Wirkungsgrad des elektrohydrostatischen Aktuators betreffenden Zustandsgröße auf Grundlage zumindest der erfassten Drehzahl und der erfassten Position in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße, und
- Bestimmung eines Zustands des elektrohydrostatischen Aktuators auf der Grundlage des aktuell ermittelten Werts sowie vorzugsweise mehrerer zuvor ermittelter Werte der Zustandsgröße.

Die vorstehenden Schritte müssen weder in einer festgelegten Reihenfolge noch zwingend hintereinander durchgeführt werden. So kann beispielsweise die Erfassung der Drehzahl, der Position und/oder der Betriebsgröße gleichzeitig oder in einer beliebigen anderen Reihenfolge erfolgen.
Genau genommen wird nicht die Zustandsgröße selbst, sondern deren Wert ermittelt. Der Einfachheit halber ist hierin aber schlicht von der Ermittlung der Zustandsgröße die Rede. Dasselbe gilt für die Erfassung der Betriebsgröße und anderer Größen, auf die hierin Bezug genommen wird.
Dass vorliegend der Begriff „hydraulischer Aktor“ und nicht „hydraulischer Aktuator“ verwendet wird, hat rein sprachliche Gründe und soll die Lesbarkeit verbessern. Die Unterscheidung zwischen „Aktuator“ und „Aktor“ hat keine technische Bedeutung.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes zur wirkungsgradbasierten Zustandsbestimmung ist die Möglichkeit, EHA über längere Einsatzdauern in der sicherheitskritischen primären Flugsteuerung einsetzen zu können und gleichzeitig das Risiko eines unplanmäßigen und damit teuren Ausfalls zu vermeiden.
Bei einem Einsatz mehrerer erfindungsgemäß überwachter EHA in einem Fahrzeug ist es ferner möglich, sowohl die fertigungsbedingte Streuung der Hydraulikpumpenkennwerte über die einzelnen produzierten EHA zu identifizieren, als auch Robustheitsdaten über die jeweilige Anwendung (beispielsweise als Höhen-, Seiten- oder Querruder in einem Flugzeug sowie in Bezug auf den Flugzeugtyp) zu ermitteln.
Durch die kontinuierliche Erfassung von Betriebsdaten lässt sich die EHA-Technologie gegebenenfalls soweit entwickeln, dass sie eine rein elektrisch betriebene Flugsteuerung ermöglicht und somit die verlustbehaftete zentrale Hydraulikversorgung obsolet macht.
Die Ermittlung der Zustandsgröße erfolgt dabei in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße. Dadurch ist es möglich, die Überwachung nur in bestimmten Situationen bzw. bei einem Vorliegen bestimmter Betriebspunkte oder -bereiche im Kennfeld des EHA (bzw. der Hydraulikpumpe) durchzuführen und dadurch eine Aufzeichnung fehlerhafter oder nur bedingt aussagekräftiger Daten zu vermeiden. Dadurch wird die Zuverlässigkeit der Zustandsüberwachung erheblich gesteigert. Auf Grundlage dieser Zustandsüberwachung lassen sich Wartungseinsätze besser planen bzw. unnötige Einsätze vermeiden.
Die momentane Drehzahl des Elektromotors wird vorzugsweise über einen Winkelgeber gemessen. Bei dem hydraulischen Aktor handelt es sich vorzugsweise um eine Kolben-Zylinder-Einheit, wobei sich die momentane Position auf die Ausfahrposition des Kolbens bezieht. Diese wird insbesondere über einen Weggeber gemessen. Die Erfassung der Betriebsgröße kann ebenfalls mittels Sensoren oder über einen Abgriff von der Steuerung bereits zur Verfügung stehenden Signalen erfolgen.
Die Verarbeitung der erfassten Daten, die Ermittlung des Wirkungsgrads sowie die Bestimmung des Zustands erfolgt vorzugweise über eine Steuerung, welche eine oder mehrere Steuereinheiten umfassen kann.
In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass aus der erfassten momentanen Position des Aktors eine momentane Geschwindigkeit bzw. Stellgeschwindigkeit des Aktors berechnet und der Ermittlung der Zustandsgröße zugrunde gelegt wird. Die momentane Geschwindigkeit kann über die Differenzierung bzw. Ableitung eines die momentane Position repräsentierenden Weggebersignals ermittelt werden. Zur Verbesserung der Messung wird das zugrundeliegende Positionssignal vorzugsweise gefiltert. Selbstverständlich kann die Stellgeschwindigkeit auch direkt mittels eines geeigneten Geschwindigkeitssensors gemessen werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf Grundlage zumindest der erfassten Drehzahl und der erfassten Position in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße ermittelte Zustandsgröße ein Wirkungsgrad des elektrohydrostatischen Aktuators ist. Insbesondere handelt es sich dabei um den volumetrischen Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe, welcher im Wesentlichen von der Drehzahl und dem Fördervolumen der Hydraulikpumpe sowie dem mittels des Aktors pro Zeiteinheit bewegten Hydraulikölvolumens abhängt (bei einer Kolben-Zylinder-Einheit ergibt sich der bewegte Volumenstrom aus dem Kolbenquerschnitt und der Stellgeschwindigkeit).
Auf der Grundlage des ermittelten Wirkungsgrads (sowie vorzugsweise vorangegangener Wirkungsgradbestimmungen) kann auf einen Zustand des elektrohydrostatischen Aktuators geschlossen werden. So deutet beispielsweise eine Degeneration des volumetrischen Wirkungsgrads der Hydraulikpumpe auf deren fortschreitenden Verschleiß hin, welcher sich unter anderem aus sich abriebbedingt vergrößernden Spaltmaßen ergeben kann. Auf die Zustandserkennung kann die Ausgabe eines Fehlersignals erfolgen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Betriebsgröße eine momentane, im elektrohydrostatischen Aktuator umgesetzte Leistung ist oder betrifft. Vorzugsweise handelt es sich um die in der Hydraulikpumpe umgesetzte Leistung, welche anhand einer erfassten Druckdifferenz, insbesondere einer Druckdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsseite der Hydraulikpumpe, ermittelt wird. Zusammen mit dem durch die Hydraulikpumpe geförderten Volumenstrom lässt die sich am momentanen Betriebspunkt umgesetzte Leistung errechnen. Diese Leistung entspricht im Wesentlichen der durch den Aktor umgesetzten Leistung.
Für eine aussagekräftige Bestimmung des volumetrischen Wirkungsgrads der Hydraulikpumpe muss eine gewisse endliche Leistung umgesetzt werden. Eine Einbeziehung der Pumpenleistung sorgt daher dafür, dass nur repräsentative Werte des Wirkungsgrads erfasst und der Bestimmung des Zustands zugrunde gelegt werden. Die Druckdifferenz wird idealerweise mittels mehrerer Drucksensoren an den Hydraulikleitungen der Saug- und Druckseiten gemessen. Die gemessene Druckdifferenz kann zusammen mit dem gemessenen Volumenstrom (also insbesondere der gemessenen Pumpendrehzahl in Kombination mit dem der Steuerung bekannten Wert des nominellen Verdrängungsvolumens) in eine Aktivierungslogik einfließen, welche prüft, ob eine ausreichende Leistung in der Hydraulikpumpe bzw. im Aktor umgesetzt wird und daher der entsprechende momentan erfasste Wert des Wirkungsgrads für die weitere Analyse / Zustandserkennung verwendet werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ermittlung der Zustandsgröße nur dann erfolgt, wenn die Betriebsgröße einen Aktivierungsgrenzwert über- oder unterschreitet. Insbesondere kann es sich bei der Aktivierungsgrenze um eine Mindestleistung handeln, die in der Hydraulikpumpe bzw. im Aktor umgesetzt wird.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktivierungsgrenzwert eine minimale im elektrohydrostatischen Aktuator umgesetzte Leistung ist oder betrifft und/oder dass die Ermittlung der Zustandsgröße an einem stationären Betriebspunkt des elektrohydrostatischen Aktuators, insbesondere der Hydraulikpumpe, erfolgt.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ermittlung der Zustandsgröße mehrfach während der Betriebsdauer des elektrohydrostatischen Aktuators, insbesondere in regelmäßigen Zeitintervallen und/oder bei Auftreten eines bestimmten Ereignisses wie z.B. einem Starten der Maschine, in die der elektrohydrostatische Aktuator eingebaut ist, erfolgt. Dadurch können die über die Betriebsdauer des elektrohydrostatischen Aktuators erfassten Werte der Zustandsgröße für eine Trendanalyse verwendet und daraus Schlüsse hinsichtlich des Zustands des elektrohydrostatischen Aktuators für die Zukunft gezogen werden. Bei Verwendung mehrerer elektrohydrostatischer Aktuatoren können die Werte bzw. Trends der einzelnen Aktuatoren miteinander verglichen werden.
So lässt sich beispielsweise die fertigungsbedingte Streuung der Hydraulikpumpenkennwerte identifizieren oder Robustheitsdaten über die jeweilige Anwendung ermitteln (also die Zustandsdaten in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendungen oder Umgebungsbedingungen der einzelnen elektrohydrostatischen Aktuatoren auswerten - z. B. bei der Verwendung des elektrohydrostatischen Aktuators als Höhen-, Seiten-, oder Querruder in einem Flugzeug). Dies hilft wiederum bei der Identifizierung etwaiger Schwachstellen sowie der Verbesserung der EHA-Technologie.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Werte der ermittelten Zustandsgröße abgespeichert werden, wobei vorzugsweise anhand einer Analyse der abgespeicherten Werte ein Trend ermittelt und daraus eine Prognose betreffend die Zustandsgröße und/oder den Zustand des elektrohydrostatischen Aktuators erstellt wird. Dabei kann es sich um einen Verschleiß des elektrohydrostatischen Aktuators bzw. der Hydraulikpumpe oder der Aktors (ggf. auch des Elektromotors) handeln.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Zeitpunkt für einen Austausch, eine Reparatur und/oder eine Wartung des elektrohydrostatischen Aktuators oder eines seiner Bestandteile, insbesondere der Hydraulikpumpe und/oder des Aktors, ermittelt wird. So lässt sich beispielsweise aus der Abnahme des volumetrischen Wirkungsgrads der Hydraulikpumpe eine Aussage darüber treffen, wann diese ausgetauscht bzw. repariert werden muss. So lassen sich frühzeitig die Wartungszeitpunkte planen und unplanmäßige Ausfälle verhindern.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn eine bestimmte Anzahl von, insbesondere hintereinander, ermittelten Werten der Zustandsgröße einen Schwellenwert unter- oder überschreitet. Wenn beispielsweise der Wert des ermittelten volumetrischen Wirkungsgrads der Hydraulikpumpe dauerhaft (also für eine bestimmte Zeit bzw. Anzahl von Messungen) unter einen gewissen Schwellenwert fällt, kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Dies kann wiederum als Anlass für die Planung eines Wartungseingriffs herangezogen werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der bestimmte Zustand des elektrohydrostatischen Aktuators einen Verschleißzustand des elektrohydrostatischen Aktuators, insbesondere einen Verschleißzustand der Hydraulikpumpe, betrifft. Ebenfalls kann es sich um einen Verschleißzustand des Aktors und/oder des Elektromotors handeln.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hydraulikpumpe eine Axialkolbenmaschine mit vorzugsweise konstantem Verdrängervolumen ist. Allerdings ist auch eine verstellbare Axialkolbenmaschine als Pumpe einsetzbar, bei der das aktuell geförderte Hydraulikvolumen direkt gemessen wird, beispielsweise durch Erfassung des aktuellen Schwenkwinkels und der momentanen Drehzahl der die Pumpe antreibenden Welle bzw. des Elektromotors. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der hydraulische Aktor eine Kolben-Zylinder-Einheit ist. Dieser kann ein Flugzeugteil wie beispielsweise ein Höhen-, Seiten-, oder Querruder bewegen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein Fluggerät, mit mindestens einem elektrohydrostatischen Aktuator, mittels welchem ein Fahrzeugbauteil, insbesondere Fluggerätebauteil, bewegbar ist und welcher mittels einer Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dabei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fahrzeugbauteil ein Flugzeugbauteil der primären oder sekundären Flugsteuerung ist, wobei vorzugsweise zur Bewegung des Flugzeugbauteils neben dem elektrohydrostatischen Aktuator ein weiterer redundanter oder diversitärer Aktuator vorgesehen ist. Beispielsweise ist es denkbar, den elektrohydrostatischen Aktuator als sekundären Antrieb (d.h. im Backup-Modus) neben einem über ein zentrales hydraulisches System ansteuerbaren Servoaktuator einzusetzen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Zustandsüberwachung und der daraus resultierenden Ausfallsicherheit und Planbarkeit, könnte der elektrohydrostatische Aktuator allerdings auch als primärer Antrieb eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators, welcher eine von einem Elektromotor antreibbare Hydraulikpumpe und einen mittels der Hydraulikpumpe antreibbaren hydraulischen Aktor zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, umfasst, wobei das Computerprogrammprodukt ausgelegt ist, bei einer Ausführung durch einen Computer, insbesondere durch eine Steuereinheit eines Fahrzeugs wie z.B. eine Flugzeugsteuerung, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Auch hierbei ergeben sich offensichtlich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2: eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Stellgeschwindigkeit und Last des Aktors in Bezug auf die umgesetzte Leistung; und
3: eine schematische Darstellung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Gegenüber Aktuatoren mit analoger Schnittstelle zum Flugsteuerungscomputer, bieten elektrohydraulische Aktuatoren (EHA) funktionsbedingt eine Vielzahl an Sensoren und dessen Steuerungselektronik die Möglichkeit, neben der Positionsregelung auch Funktionen zur Zustandsüberwachung zu übernehmen. So werden bereits heute sicherheitskritische Fehlerfälle vom Aktuator selbst erkannt und abgefangen.
Die 1 zeigt schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen EHA 10. Dieser umfasst eine Hydraulikpumpe 14, welche als Axialkolbenmaschine mit unveränderlichem Verdrängungsvolumen V₀ ausgeführt ist und über eine Antriebswelle von einem Elektromotor 12 mit einer Drehzahl n angetrieben wird. Der Elektromotor 12 wird durch eine Steuereinheit 18 elektrisch angesteuert (Steuersignal U). Durch Einstellung eines bestimmten Werts für die Drehzahl n lässt sich der durch die Pumpe 14 theoretisch geförderte Volumenstrom Q_theoretisch = n · V₀ einstellen, wobei V₀ das nominelle Verdrängungsvolumen der Axialkolbenmaschine 14 ist.
Auch die zur Bilanzierung des Volumenstroms Q relevanten Größen (A, V₀) sind in der 1 angegeben. In Abhängigkeit vom Verschleißzustand der Pumpe 14 stellt sich ein Leckage-Volumenstrom Q_L ein (hier als Verbindung zu einem Hydraulikölreservoir Res dargestellt). In der Ansteuerungselektronik bzw. Steuereinheit 18 werden alle zur Bestimmung des Wirkungsgrads η_vol erforderlichen Größen, also insbesondere die Drehzahl n (erfasst über einen Winkelgeber 22) und die Stellgeschwindigkeit ẋ (erfasst über einen Weggeber 20 und anschließende Differenzierung), ausgewertet und weiterverarbeitet.
Die Hydraulikpumpe 14 treibt hydraulisch einen als Kolben-Zylinder-Einheit ausgeführten Aktor 16 an, welcher ein Bauteil, beispielsweise ein Höhen-, Seiten-, oder Querruder eines Flugzeugs, bewegt. Der Kolben des Aktors 16 weist einen Durchmesser A auf, sodass sich der Hub des Kolbens mit der Stellgeschwindigkeit ẋ = dx/dt zu A · ẋ ergibt. Dies entspricht näherungsweise dem effektiv von der Hydraulikpumpe 14 geförderten Volumenstrom Q_effektiv.
Die Steuerungselektronik des EHA 10 bietet die Möglichkeit, den Verschleißzustand der Axialkolbenpumpe 14 zu überwachen. Als wesentliches Merkmal dient hier der volumetrische Wirkungsgrad η_vol, welcher bei fortschreitendem Verschleiß (insbesondere aufgrund der sich durch Abrieb vergrößernden Spaltmaße) mit zunehmender Laufzeit abnimmt. Der volumetrische Wirkungsgrad η_vol lässt sich näherungsweise wie folgt berechnen: $η_{vol} = \frac{Q_{effektiv}}{Q_{theoretisch}} = \frac{A \dot{x}}{V_{0} n} .$
Hierbei ist allerdings zu beachten, dass ein EHA in der primären Flugsteuerung typischerweise fernab von seinen Auslegungswerten sowie in oszillierenden Zyklen betrieben wird. Der volumetrische Wirkungsgrad η_vol sollte jedoch idealerweise in einem stationären Betriebspunkt bestimmt werden, in dem eine endliche Leistung umgesetzt wird, da ansonsten eine Singularität vorliegt: $\underset{}{lim_{n \to 0} η_{v o l} (n) \to \infty .}$
Neben dem Drehzahlbereich ist bei der Wirkungsgradbestimmung auch die anliegende externe Last entscheidend, da die Leckage der Pumpe 14 maßgeblich durch das Druckpotential über die Spalte definiert ist.
Es wird deutlich, dass zur Bestimmung eines aussagekräftigen Werts eine gewisse Leistung am Aktor 16 umgesetzt werden muss. Die Wirkungsgradberechnung ist daher abhängig vom Betriebszustand. Darüber hinaus sind dynamische Effekte (Kompression, Pulsation) in diesem Ansatz vernachlässigt.
Dieser Zusammenhang ist in der 2 dargestellt, wobei die Stellgeschwindigkeit ẋ des Aktors 16 (y-Achse) gegen die anliegende Last (x-Achse) aufgetragen ist. In den hier nicht weiter interessierenden zweiten und vierten Quadranten 30 liegt ein Generatorbetrieb des Aktors 16 vor, bei dem eine externe Kraft den Elektromotor 12 antreibt und dadurch Strom erzeugt. Die für die Funktionsweise des EHA 10 als Antrieb relevanten ersten und dritten Quadranten sind unterteilt in Bereiche niedrigerer Leistung 40 (nahe des Ursprungs) und Bereiche höherer Leistung 50. Mit anderen Worten entsprechen diejenigen Betriebspunkte des EHA 10, die im Bereich 50 liegen, einem Betrieb, in dem die Axialkolbenmaschine 14 eine für die Auswertung des volumetrischen Wirkungsgrads η_vol ausreichende Leistung umsetzt.
Neben der Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt variiert der volumetrische Wirkungsgrad η_vol auch aufgrund von Fertigungstoleranzen. Darüber hinaus steigt der Wirkungsgrad η_vol typischerweise kurzfristig im Betrieb bzw. während des Einlaufvorgangs initial an und erreicht daraufhin ein Optimum. Ausgehend von dieser Bezugsgröße, welche aktuatorspezifisch ist, kann dann nach dem Einlaufvorgang im weiteren Betrieb ein voranschreitender Verschleiß erkannt werden.
Die 3 beschreibt schematisch den Ablauf bei der Bestimmung eines Fehlerzustands basierend auf einer Degradation des volumetrischen Wirkungsgrads η_vol: Wie oben beschrieben, erfordert die Berechnung des Wirkungsgrads η_vol neben der Drehrate des Elektromotors 12 auch eine Differenzierung und Filterung des die momentane Kolbenposition x repräsentierenden Weggebersignals, um die lineare Stellgeschwindigkeit ẋ des Aktors 16 zu erhalten. Parallel dazu fließen die Motordrehzahl n und der an der Pumpe 14 vorliegende Differenzdruck Δp in eine Aktivierungslogik ein, welche entsprechend der 2 prüft, ob eine ausreihende Leistung im Aktor 16 umgesetzt wird, welche für eine eindeutige Bestimmung des Wirkungsgrads η_vol erforderlich ist (also ob der momentane Betriebspunkt im Bereich 50 liegt).
Ist dies gegeben, so wird der berechnete Wirkungsgradwert zur weiteren Trendanalyse verwendet. Hier sorgt wiederum ein Filter dafür, dass Ausreißer vernachlässigt werden und stattdessen ein langfristiger Trend erkannt wird. Hierdurch wird die Robustheit des Monitors bzw. der Auswertung / Überwachung gewährleistet. Fällt der errechnete Wirkungsgrad η_vol dauerhaft unter einen definierten Schwellwert, wird die verbaute Hydraulikpumpe 14 als defekt angesehen und ein Fehlerzustand ausgegeben. Dieser kann wiederum als Anlass für die Planung eines Wartungseingriffs genommen werden, wodurch ein unangekündigter Ausfall des EHA 10 zu einem späteren Zeitpunkt vermieden wird.
Die oben beschriebenen Schritte werden von der Steuereinheit 18 durchgeführt, welche die zur Berechnung des Wirkungsgrads η_vol notwendigen Signale erhält. Bei der Steuereinheit 18 kann es sich um eine zentrale Steuerung (z.B. eine Flugzeugsteuerung) oder um eine lokal dem jeweiligen EHA 10 zugewiesene Steuerung handeln.
Bezugszeichenliste

10: Elektrohydrostatischer Aktuator (EHA)
12: Elektromotor
14: Hydraulikpumpe (Axialkolbenmaschine)
16: Hydraulischer Aktor (Kolben-Zylinder-Einheit)
18: Steuereinheit
20: Weggeber
22: Winkelgeber
30: Bereich Generatorbetrieb
40: Bereich niedrigerer Leistung
50: Bereich höherer / ausreichender Leistung
Δp: Druckdifferenz
A: Kolbenfläche
n: Drehzahl
Res: Reservoir
U: Steuersignal
x: Position
ẋ: Geschwindigkeit

Claims

Verfahren zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators (10), welcher eine von einem Elektromotor (12) antreibbare Hydraulikpumpe (14) und einen mittels der Hydraulikpumpe (14) antreibbaren hydraulischen Aktor (16) zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, umfasst, mit den Schritten: - Erfassung der momentanen Drehzahl (n) des Elektromotors (12), - Erfassung einer momentanen Position (x) des Aktors (16), - Erfassung einer Betriebsgröße, welche einen momentanen Betriebspunkt des elektrohydrostatischen Aktuators (10) betrifft, - Ermittlung einer einen Wirkungsgrad des elektrohydrostatischen Aktuators (10) betreffenden Zustandsgröße auf Grundlage zumindest der erfassten Drehzahl (n) und der erfassten Position (x) in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße, und - Bestimmung eines Zustands des elektrohydrostatischen Aktuators (10) auf der Grundlage des aktuell ermittelten Werts sowie vorzugsweise mehrerer zuvor ermittelter Werte der Zustandsgröße.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der erfassten momentanen Position (x) eine momentane Geschwindigkeit (x) des Aktors (16) berechnet und der Ermittlung der Zustandsgröße zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße ein Wirkungsgrad des elektrohydrostatischen Aktuators (10), insbesondere der volumetrische Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe (14), ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße eine momentane, im elektrohydrostatischen Aktuator (10) umgesetzte Leistung ist oder betrifft, wobei die Leistung vorzugsweise anhand einer erfassten Druckdifferenz (Δp), insbesondere einer Druckdifferenz (Δp) zwischen Eingangs- und Ausgangsseite der Hydraulikpumpe (14), ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Zustandsgröße nur dann erfolgt, wenn die Betriebsgröße einen Aktivierungsgrenzwert über- oder unterschreitet.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierungsgrenzwert eine minimale im elektrohydrostatischen Aktuator (10) umgesetzte Leistung ist oder betrifft und/oder dass die Ermittlung der Zustandsgröße an einem stationären Betriebspunkt des elektrohydrostatischen Aktuators (10), insbesondere der Hydraulikpumpe (14), erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Zustandsgröße mehrfach während der Betriebsdauer des elektrohydrostatischen Aktuators (10), insbesondere in regelmäßigen Zeitintervallen und/oder bei Auftreten eines bestimmten Ereignisses, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der ermittelten Zustandsgröße abgespeichert werden, wobei vorzugsweise anhand einer Analyse der abgespeicherten Werte ein Trend ermittelt und daraus eine Prognose betreffend die Zustandsgröße und/oder den Zustand des elektrohydrostatischen Aktuators (10) erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt für einen Austausch, eine Reparatur und/oder eine Wartung des elektrohydrostatischen Aktuators (10) oder eines seiner Bestandteile, insbesondere der Hydraulikpumpe (14) und/oder des Aktors (16), ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn eine bestimmte Anzahl von, insbesondere hintereinander, ermittelten Werten der Zustandsgröße einen Schwellenwert unter- oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Zustand des elektrohydrostatischen Aktuators (10) einen Verschleißzustand des elektrohydrostatischen Aktuators (10), insbesondere einen Verschleißzustand der Hydraulikpumpe (14), betrifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (14) eine Axialkolbenmaschine mit vorzugsweise konstantem Verdrängervolumen (Vo) ist und/oder dass der hydraulische Aktor (16) eine Kolben-Zylinder-Einheit ist.
Fahrzeug, insbesondere Fluggerät, mit mindestens einem elektrohydrostatischen Aktuator (10), mittels welchem ein Fahrzeugbauteil bewegbar ist und welcher mittels einer Steuereinheit (18) ansteuerbar ist, wobei die Steuereinheit (18) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeugbauteil ein Flugzeugbauteil der primären oder sekundären Flugsteuerung ist, wobei vorzugsweise zur Bewegung des Flugzeugbauteils neben dem elektrohydrostatischen Aktuator (10) ein weiterer redundanter oder diversitärer Aktuator vorgesehen ist.
Computerprogrammprodukt zur Überwachung eines elektrohydrostatischen Aktuators (10), welcher eine von einem Elektromotor (12) antreibbare Hydraulikpumpe (14) und einen mittels der Hydraulikpumpe (14) antreibbaren hydraulischen Aktor (16) zur Bewegung eines Bauteils, insbesondere eines Flugzeugteils, umfasst, wobei das Computerprogrammprodukt ausgelegt ist, bei einer Ausführung durch einen Computer, insbesondere durch eine Steuereinheit (18) eines Fahrzeugs, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.