DE102022109015A1 - Messsystem, Linearbewegungselement und Luftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils, vorzugsweise eines Kolbens und/oder einer Kolbenstange, eines Linearbewegungselements, vorzugsweise eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders, elektromechanischen Aktuators oder eines Stoßdämpfers, insbesondere eines Fahrwerks oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs, mit einer Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensoren und mit einem oder mehreren Positionsgebern, wobei der Sensor oder die Sensoren der Sensoranordnung den oder die Positionsgeber erfassen können, wobei die Sensoranordnung an einem unbeweglichen Teil des Linearbewegungselements, vorzugsweise an einem Zylinder oder Gehäuse, angeordnet ist und wobei der oder die Positionsgeber an dem beweglichen Teil angeordnet ist oder sind oder wobei der bewegliche Teil oder ein Teil des beweglichen Teils den oder die Positionsgeber bilden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Linearbewegungselement und ein Luftfahrzeug.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils, vorzugsweise eines Kolbens und/oder einer Kolbenstange und/oder einer Schubstange, eines Linearbewegungselements, vorzugsweise eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders, elektromechanischen Aktuators oder eines Stoßdämpfers, insbesondere eines Fahrwerks oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs, mit einer Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensoren und mit einem oder mehreren Positionsgebern.
  • Die Position bzw. Hublage von beweglichen Teilen, wie etwa Kolben in Linearbewegungselementen, wie hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch betätigte Aktuatoren oder Stoßdämpfern werden nach dem Stand der Technik durch verschiedene Messsysteme erfasst.
  • Bekannt ist die direkte Hubmessung mittels externen oder internen Wegaufnehmern, wie Differentialtransformatoren (LVDT), magnetostriktiven Sensoren, Seilzugpotentiometern etc. Die DE 10 2018 111 340 A1 und die DE 10 2013 010 671 A1 offenbaren solche Wegmesssysteme.
  • Bekannt ist auch die indirekte Hubmessung mittels Winkelmessung an Umlenkkinematikpunkten. Die EP 3 633 322 A1 , die EP 3 569 499 A1 und die US 2015/0344150 A1 offenbaren solche Winkelmesssysteme.
  • Ebenfalls bekannt ist die Hubmessung mittels kontaktlosen Messverfahren, wie z. B. Ultraschall, optischer Wegmessung, Laufzeitmessung bzw. Hochfrequenz (HF)-Technologie oder magnetoresistive Erfassung. Die EP 1 620 702 B1 , die EP 3 715 811 A1 , die EP 3 207 332 A1 , die US 2015/0166195 A1 , die EP 2 856 101 A2 und die US 8,042,765 B1 offenbaren solche kontaktlosen Messverfahren.
  • Die Messsysteme aus dem Stand der Technik weisen Nachteile auf. Anbauteile sind empfindlich gegen Verschmutzung, Vibration, Stoß, Verbiegung. Bei einem LVDT ist bei großem Hub eine lange Schubstange erforderlich, die sich verbiegen kann. Magnetostriktive Messverfahren und Technologien mit HF-Laufzeitmessungen erfordern komplexe Auswerteelektroniken. Platz für Integration der Messsysteme ist oft nicht verfügbar. Einige Messverfahren, wie Seilzug, optisch, kapazitiv etc. sind empfindlich gegen Verschmutzung. Es besteht ein hoher Aufwand zum Sensorwechsel im Servicefall für Sensorkonzepte, die im Inneren des Zylinders integriert sind. So muss bei Stoßdämpfern der Druck abgelassen werden oder Hydraulikzylinder müssen entlüftet werden. Die indirekte Hubmessung über eine Winkelmessung an Knick- oder Umlenkpunkten erfordert einen beweglichen Kabelbaum.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Position von beweglichen Teilen in Linearbewegungselementen in einfacher Weise zu erfassen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor oder die Sensoren der Sensoranordnung den oder die Positionsgeber erfassen können, wobei die Sensoranordnung an einem unbeweglichen Teil des Linearbewegungselements, vorzugsweise an einem Zylinder oder Gehäuse, angeordnet ist und wobei der oder die Positionsgeber an dem beweglichen Teil angeordnet ist oder sind oder wobei der bewegliche Teil oder ein Teil des beweglichen Teils den oder die Positionsgeber bilden.
  • Ein Linearbewegungselement weist üblicherweise einen beweglichen Teil auf, der vorzugsweise in und/oder gegenüber einem unbeweglichen Teil bewegt werden kann.
  • Beweglich und unbeweglich bezieht sich dabei vorzugsweise auf die umgebende Struktur des Linearbewegungselement.
  • Beispiele für solche Linearbewegungselemente sind Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, elektromechanische Aktuatoren oder Stoßdämpfer.
  • Diese weisen vorzugsweise als unbewegliches Teil ein Gehäuse auf, in dem sich ein Kolben und/oder eine Kolbenstange als bewegliches Teil bewegt. Die Kolbenstange kann auch insbesondere im Falle eines Stoßdämpfers als Dämpferstange oder Schubrohr oder Schubstange bezeichnet werden.
  • Der Kolben und/oder die Kolbenstange sind üblicherweise rund und das Gehäuse ist zylindrisch. Es sind aber auch eckige oder sonstige Formen des Kolbens und/oder der Kolbenstange oder des Gehäuses denkbar.
  • Die Erfindung dient vorzugsweise der Erfassung der Kolbenstangenposition von hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch betätigten Aktuatoren oder von Stoßdämpfern.
  • Dabei ist die Sensorik bzw. die Sensoranordnung vorzugweise außen am Gehäuse im dem sich der Kolben und/oder die Kolbenstange bewegt angebaut und detektiert die Kolbenstangenposition durch die Gehäusewand hindurch.
  • Dadurch wird die Struktur oder Festigkeit des Gehäuses in vorteilhafter Weise nicht beeinflusst.
  • Als Positionsgeber kann entweder der sowieso vorhandene Kolben und/oder die Kolbenstange verwendet werden, oder ein separater Positionsgeber, z.B. ein Positionsmagnet, der am Kolben und/oder an der Kolbenstange angebracht wird.
  • Es sind vorzugsweise keine zusätzlichen bewegten Teile zur Positionsmessung notwendig.
  • Es soll vorzugsweise die Kolben- und/oder Kolbenstangenposition eines hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch betätigten Aktuators oder Stoßdämpfers an einem Fahrwerk oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs mit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden. Dabei spielt die mechanische Integrierbarkeit vorzugsweise eine wichtige Rolle.
  • Die Hubmessung an einem Stoßdämpfer oder an einem Hydraulikzylinder eines Fahrwerks eines Luftfahrzeugs wird vorzugsweise mit dem Messsystem berührungslos und verschleißfrei durchgeführt.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der oder die Sensoren der Sensoranordnung Hall-Sensoren oder induktive oder kapazitive Sensoren oder Sensoren mit diskreter Sensortechnologie sind.
  • Vorzugsweise ist die Verwendung von in und für die Luftfahrt erprobten Sensortechnologien, z.B. diskrete Hall-Sensorik oder induktive oder kapazitive Sensorik vorgesehen.
  • Es ist vorzugsweise keine komplexe Elektronikschaltung zur Auswertung der Sensoren bzw. der Position nötig.
  • Die verwendete Sensorik soll vorzugsweise robust gegen Verschmutzung, Temperatur, Vibration und weitere Umwelteinflüsse, wie Salznebel, Wasser, Sand oder Staub usw. und vorzugsweise wartungsfrei über die Lebensdauer sein.
  • Denkbar ist, dass der oder die Positionsgeber Magneten sind.
  • Es ist damit vorzugsweise die Verwendung des Kolbens und/oder der Kolbenstange oder ein am Kolben befestigter Magnet als Positionsgeber vorgesehen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Linearbewegungselement, insbesondere der unbewegliche Teil, vorzugsweise das Gehäuse, zur Befestigung des Messsystems nicht durchbohrt ist.
  • Die Zylinderwand bzw. das Zylindergehäuse des Aktuators sollen also vorzugsweise möglichst nicht durchbohrt werden. Damit ist vorzugsweise eine Messung durch die Zylinderwand bzw. durch das Zylindergehäuse möglich, ohne diese zu durchbohren.
  • Denkbar ist, dass das Messsystem an das Linearbewegungselement angeschraubt und/oder angeklemmt und/oder angenietet und/oder angeklebt ist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Messsystem keinen beweglichen Kabelbaum aufweist.
  • Dies bedeutet, dass vorzugsweise eine statische Verkabelung zu dem Sensor oder den Sensoren oder zu der Sensoranordnung vorgesehen ist.
  • Es ist vorzugsweise keine komplexe Elektronik zur Auswertung des oder der Sensoren bzw. im Messsystem erforderlich.
  • Denkbar ist, dass die Auflösung des Messsystems über die Anzahl der Sensoren in der Sensoranordnung einstellbar ist.
  • Damit wird vorzugsweise durch Aneinanderreihung von einem oder mehreren, vorzugsweise diskreten, Sensoren der Messbereich und die Messauflösung des Messsystems einstellbar. Die Anzahl der diskreten Messpunkte und damit die Auflösungsgenauigkeit und der Messbereich des Messsystems kann je nach Anforderung variieren.
  • Durch das Messsystem ist vorzugsweise eine einfache und präzise Messung durch diskrete Positionserfassung möglich.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sensoren in einer geraden Linie angeordnet sind. Es sind aber auch andere Anordnungen denkbar.
  • Denkbar ist, dass die Sensoren in einem Sensorgehäuse oder einzeln angeordnet sind.
  • Der oder die Positionsgeber bewegt oder bewegen sich im Betrieb des Linearbewegungselements vorzugsweise an dem Sensor oder den Sensoren vorbei und der oder ein Sensor reagiert durch die Ausgabe eines Signals auf die Anwesenheit des oder der Positionsgeber im Messbereich des jeweiligen Sensors. Damit kann die Position des Positionsgebers in Relation zu den Sensoren festgestellt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Linearbewegungselement, vorzugsweise Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, elektromechanischer Aktuator oder Stoßdämpfer, insbesondere eines Fahrwerks oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Messsystem.
  • Möglich ist, dass das Messsystem eine Line-Replaceable-Unit (LRU) ist.
  • Die Sensorik soll im Service Fall vorzugsweise einfach zugänglich und auswechselbar sein. Die Sensor-Einheit ist einfach austauschbar im Service Fall, da sie beispielsweise außen am Gehäuse bzw. am Zylindergehäuse angebaut ist.
  • Ebenso betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Linearbewegungselement.
  • Es ergeben sich durch die Erfindung unter anderem folgende Vorteile:
    • - Berührungslose Messung, kein Verschleiß oder Reibungsverluste.
    • - Keine zusätzlichen bewegte Teile.
    • - Statische Verkabelung zum Sensor, kein beweglicher Kabelbaum.
    • - Robust gegen Verschmutzung.
    • - Der Positionsgeber kann sowohl Teil des Aktuators/Stoßdämpfers sein, als auch zusätzlich hinzugefügt werden.
    • - Kein Durchbohren der tragenden Struktur des Zylinders nötig, Messung durch Zylinderwand hindurch.
    • - keine Reduzierung der Festigkeit der tragenden Struktur.
    • - Kein Öl- und/oder Gasaustritt aus dem Zylinder / Stoßdämpfer beim Austausch der Sensoranordnung. Füllprozedur und/oder Entlüften nicht notwendig.
    • - Als Line-Replaceable-Unit (LRU) auswechselbar.
    • - Keine Kalibrierung nötig, da diskrete Erfassung.
    • - Messbereich und Auflösung durch Aneinanderreihen mehrerer, diskreter Sensoren variabel.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
    • 1: zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Messsystems an einem Stoßdämpfer.
    • 2: zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Messsystems an einem Arbeitszylinder.
  • Die Stoßdämpfer 10 in 1 umfassen jeweils ein Zylindergehäuse 1 und eine Schubstange 2 bzw. ein Schubrohr, welche bzw. welches translatorisch bewegt werden kann.
  • Der Positionsgeber kann nun separat oder integriert ausgeführt werden. Bei der integrierten Lösung werden, wie in der linken Ansicht von 1 zu sehen, bestehende Bauteile, wie z.B. die Schubstange 2, Lagerträger 3, Dämpfungsring oder das obere Stoßdämpferlager als integrierter Positionsgeber 6 direkt verwendet. Hierfür sollte vorzugsweise sichergestellt werden, dass mindestens eines der genannten Bauteile von den Sensoren 4 als Positionsgeber detektiert werden kann. Vorteilhafterweise wird ein Teil des Lagerträgers 3 mit Stoßdämpferlager und Dämpfungsring als integrierter Positionsgeber 6 gebraucht.
  • Falls die bestehenden Bauteile nicht geeignet sind die geforderte Funktion als Positionsgeber zu erfüllen, kann ein separates Element als separater Positionsgeber 7, wie in der rechten Ansicht von 1 zu sehen, eingebracht werden. Dieser separate Positionsgeber 7 wird vorzugsweise an den bestehenden Bauteilen, die die translatorische Bewegung ausführen, ortsfest befestigt. Vorteilhafterweise wird der separate Positionsgeber 7 am Lagerträger 3 mit Stoßdämpferlager und Dämpfungsring befestigt.
  • Die Sensoren 4 die den Positionsgeber erkennen werden entweder direkt am Zylindergehäuse 1 befestigt oder in einem separaten Sensorgehäuse 5 zusammengefasst.
  • Dadurch kann das Sensorgehäuse 5 als Line-Replaceable-Unit (LRU) getauscht werden, ohne den Stoßdämpfer 10 zu demontieren.
  • Das dargestellte Konzept hat den Vorteil, dass keine Bohrungen in der Wand des Zylindergehäuses 1 notwendig sind und somit die strukturelle Integrität nicht beeinflusst wird. Dadurch kann die Konstruktion gewichtsoptimiert ausgeführt werden. Die Vermeidung von Bohrungen im Gehäuse reduzieren den Integrationsaufwand erheblich und erhöhen die Zuverlässigkeit, da keine zusätzlichen Dichtungen benötigt werden.
  • Des Weiteren ist beim Austausch der Sensoreinheit keine neue Befüllung des Stoßdämpfers 10 mit Öl und/oder Stickstoff notwendig, da es keine Verbindung zwischen Druckraum und Sensoranordnung gibt.
  • Durch die Zusammenfassung der einzelnen Sensoren 4 in einem Sensorgehäuse 5 kann vorzugsweise die Austauschbarkeit mit geringem Aufwand realisiert werden. Das Sensorgehäuse 5 wird am statisch fixierten Zylindergehäuse 1 befestigt und somit die Komplexität der Kabelführung reduziert sowie die Zuverlässigkeit der Sensoreinheit erhöht.
  • Des Weiteren kann über die Anzahl der Sensoren 4 die Auflösung des diskreten Messsystems variiert werden und damit an die spezifischen Anforderungen angepasst werden. Aufgrund der berührungslosen Messung arbeitet das System verschleißfrei und es sind keine bewegten Teile, wie z.B. bei einer Messung mittels LVDT notwendig.
  • Wie in 2 dargestellt, kann die erfindungsgemäße Technologie alternativ auch für Arbeitszylinder, wie z.B. Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder verwendet werden.
  • In 2 sind zwei Arbeitszylinder 20, mit jeweils einem Zylindergehäuse 11, einer Kolbenstange 12 und einem Kolben 13 dargestellt.
  • Auch hier ist jeweils eine Sensoranordnung mit Sensoren 4 in einem Sensorgehäuse 5 an dem Zylindergehäuse 11 angebracht.
  • Wie in der linken Ansicht von 2 zu sehen, können z.B. der Kolben 13, das Führungsband oder die Kolbenstange 12 oder ein Teil dieser Bauteile als integrierter Positionsgeber 6 verwenden werden.
  • Falls die Materialeigenschaften des Kolbens 13, des Führungsbands oder der Kolbenstange 12 oder des Teils dieser Bauteile hierfür nicht geeignet sind kann auch hier ein separater Positionsgeber 7 eingebracht werden, wie dies in der rechten Ansicht von 2 zu sehen ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018111340 A1 [0003]
    • DE 102013010671 A1 [0003]
    • EP 3633322 A1 [0004]
    • EP 3569499 A1 [0004]
    • US 2015/0344150 A1 [0004]
    • EP 1620702 B1 [0005]
    • EP 3715811 A1 [0005]
    • EP 3207332 A1 [0005]
    • US 2015/0166195 A1 [0005]
    • EP 2856101 A2 [0005]
    • US 8042765 B1 [0005]

Claims (12)

  1. Messsystem zur Bestimmung der Position eines beweglichen Teils, vorzugsweise eines Kolbens und/oder einer Kolbenstange und/oder einer Schubstange, eines Linearbewegungselements, vorzugsweise eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders, elektromechanischen Aktuators oder eines Stoßdämpfers, insbesondere eines Fahrwerks oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs, mit einer Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensoren und mit einem oder mehreren Positionsgebern, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder die Sensoren der Sensoranordnung den oder die Positionsgeber erfassen können, wobei die Sensoranordnung an einem unbeweglichen Teil des Linearbewegungselements, vorzugsweise an einem Zylinder oder Gehäuse, angeordnet ist und wobei der oder die Positionsgeber an dem beweglichen Teil angeordnet ist oder sind oder wobei der bewegliche Teil oder ein Teil des beweglichen Teils den oder die Positionsgeber bilden.
  2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Sensoren der Sensoranordnung Hall-Sensoren oder induktive oder kapazitive Sensoren oder Sensoren mit diskreter Sensortechnologie sind.
  3. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Positionsgeber Magneten sind.
  4. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Linearbewegungselement, insbesondere der unbewegliche Teil, zur Befestigung des Messsystems nicht durchbohrt ist.
  5. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem keinen beweglichen Kabelbaum aufweist.
  6. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung des Messsystems über die Anzahl der Sensoren in der Sensoranordnung einstellbar ist.
  7. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einer geraden Linie angeordnet sind.
  8. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einem Sensorgehäuse oder einzeln angeordnet sind.
  9. Linearbewegungselement, vorzugsweise Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, elektromechanischer Aktuator oder Stoßdämpfer, insbesondere eines Fahrwerks oder Betätigungssystems eines Luftfahrzeugs mit einem Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Linearbewegungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem an das Linearbewegungselement angeschraubt und/oder angeklemmt und/oder angenietet und/oder angeklebt ist.
  11. Linearbewegungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem eine Line-Replaceable-Unit (LRU) ist.
  12. Luftfahrzeug mit einem Linearbewegungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
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