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Die Erfindung betrifft eine Richtanlage für einen Raketenwerfer, insbesondere eine
Richtanlage zum Ausrichten der Raketen beim Abschuss auf ein vorgegebenes Ziel.
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Die Funktionselemente einer herkömmlichen Richtanlage sind in Fig. 1 dargestellt. Die
Ausgangswelle 10 eines Motors 9 treibt die Eingangswelle 8 einer unter Last selbst
schließenden Sicherheitsbremseinrichtung an. In den im militärischen Einsatz
befindlichen Raketenwerfern ist der Motor ein Hydraulik-Motor. Der Raketenwerfer der
auf einem Fahrzeug installiert ist, wird im folgenden als Last bezeichnet. Die
Ausgangswelle 10 der Sicherheits-Bremseinrichtung ist mit der Last verbunden. Die
Last selbst ist in dieser Beschreibung nicht dargestellt.
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Die Funktion der Sicherheits-Bremseinrichtung ist es, die stark unwuchtige d. h. nach
unten treibende Last auch bei Ausfall oder falscher Steuerung der Haltebremse am
Motor (die Haltebremse am Motor ist in Fig. 1 nicht dargestellt) oder Ausfall oder
Fehlfunktion des Antriebsmotors sicher zu halten und vor dem unkontrollierten
Herunterstürzen zu sichern. Weiterhin setzt die Bremse beim Herablassen der
unwuchtigen Last die potentielle Energie in Wärme um, die sonst das Öl aufwärmen
würde.
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Für die gleiche Anwendung ist auch eine verbesserte hydraulische Antriebsart bekannt,
wobei das Öl beim Herablassen der Last in einen Druckbehälter befördert wird, um die
potentielle Energie zu speichern. Dabei wird der Gegendruck dieses Speichers auch
genutzt um bei Ausfall der Motorsteuerung oder bei Fehlfunktion des Motors die
herabstürzende Last zu bremsen. Diese Antriebe kommen ohne Sicherheitsbremse
aus, sie behalten aber den Nachteil der Hydraulik. Hydrauliköl muss entsorgt werden,
die Antriebswirkungsgrade sind niedrig, die Geräuschentwicklung ist hoch und Öl ist
brennbar.
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Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von geregelten bürstenlosen Elektromotoren für
den Antrieb eines Raketenwerfers. Dabei muss eine Bremse jedoch extern angesteuert
werden, um die Bremswirkung im Stillstand, bei Fehlfunktion oder bei Ausfall des
Motors zu erreichen. Diese Ausführung ist in bezug auf die Funktionssicherheit noch
nicht erprobt und noch nicht bei der Truppe eingeführt.
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Die Funktion dieser Sicherheitsbremseinrichtung wird für die einzelnen
Betriebszustände anhand von Fig. 1 im folgenden im Detail beschrieben. Die Erfindung lässt
sich jedoch ebenfalls mit anderen Sicherheitsbremseinrichtungen verwenden.
- 1. Funktionsbeschreibung für den Ruhezustand, d. h. der Raketenwerfer (die Last) soll
in einer beliebigen Position gehalten werden:
Die Ausgangswelle 1 der Bremseinrichtung ist mit einem inneren Lamellenträger 2
einer Lamellenbremse verzahnt. Die Ausgangswelle 1 und der innere Lamellenträger 2
können axial gegeneinander verschoben werden, in radialer Richtung sind die beiden
Wellen 1 und 2 jedoch miteinander verbunden.
Die Lamellenbremse 3 ist durch die Vorspannung einer Drehfeder 4, welche die beiden
Wellen 2 und 8 verdreht, durch die Wirkung der Schrägflächen 5 und 5' geschlossen.
Der äußere Lamellenträger 6, stützt sich auf einer Rücklaufsperre 7 ab, die in Richtung
- Last nach unten - keine Drehung zulässt. Damit ist die Bremse wirksam und der
Raketenwerfer wird in seiner Position gehalten.
- 2. Funktionsbeschreibung für die Funktion - Motor treibt die Last nach oben (Heben):
Die Antriebswelle 8 wird vom Motor gegen die Lastwirkung angetrieben. Die
Lamellenbremse wird von den Schrägflächen 5 und 5' weiter zusammengedrückt und
bleibt geschlossen, solange die Last nach unten gerichtet ist. Die äußeren Lamellen der
Lamellenbremse sind in einem Lamellenträger 6 gegen Verdrehung abgestützt. Dieser
Lamellenträger 6 ist seinerseits mit einem Freilauf 7 verbunden. Dieser Freilauf 7 ist in
Richtung - Last nach oben - frei drehbar. Die Bremseinrichtung kann somit ungehindert
mit dem Motor drehen und die Last anheben.
- 3. Funktionsbeschreibung für die Funktion - Motor treibt die Last nach unten (Senken):
Die Antriebswelle 8 dreht gegen die Vorspannung der Drehfeder 4 die geschlossene
Bremse soweit auf, bis die Schrägflächen 5 und 5' den Druck auf die Lamellen der
Bremse freigibt und das Drehmoment der Bremse kleiner ist als das Drehmoment der
nach unten treibenden Last.
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Die Abtriebswelle 1 kann dabei nur so schnell drehen, wie die Welle 8 angetrieben
wird. Sobald die Last versucht, die Welle 8 zu überholen, wird die Bremse über die
Schrägflächen 5 und 5' zugedreht und die Bremse wird geschlossen.
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Die mit dieser Einrichtung erreichte sichere Abstützung der Last könnte auch mit einem
in dem Antriebsstrang eingebauten selbst hemmenden Getriebe oder einer selbst
hemmenden Spindel oder Schnecke erreicht werden. Der Vorteil der oben
beschriebenen Sicherheitsbremse nach dem Stand der Technik, gegenüber einem
solchen selbst hemmenden Getriebe, ist es jedoch, dass die beschriebene Einrichtung
über einen wesentlich besseren Wirkungsgrad beim Heben der Last verfügt, als dies
z. B. bei einer selbst hemmenden Schnecke der Fall wäre.
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Eine wesentlicher Nachteil der oben beschriebenen Ausführung mit der
Sicherheitsbremse, wie auch bei jedem selbst hemmenden Getriebe, ist jedoch, dass
beim Herablassen der Last, die potentielle Energie, die in der Last steckt, vollständig in
Reibenergie umgesetzt wird. Dabei wird die Bremse abgenutzt und die Bremse wird
erwärmt. Der Verschleiß begrenzt die Anzahl der Arbeitsvorgänge der Richtanlage und
damit die Lebensdauer der Bremse. Die Erwärmung der Anlage begrenzt auch die
Anzahl der aufeinanderfolgenden Richtvorgänge nach unten. Außerdem ist die
Bremsarbeit pro Zeiteinheit jeder Reibungsbremse begrenzt, wodurch die
Geschwindigkeit beim Herablassen der Last einschränkt ist.
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Außerdem ist es insbesondere bei Richtanlagen für Waffen von großer Bedeutung,
dass die Richtvorgänge mit möglichst geringer Geräuschentwicklung durchgeführt
werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Richtanlage für einen Raketenwerfer anzugeben, die
die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß verwendet der Antrieb zum Richten einer Waffenanlage eine unter
Last selbst schließende Sicherheitsbremsvorrichtung und einen auf der Ausgangswelle
der Sicherheitsbremsvorrichtung angeordneten Elektromotor, wobei der Elektromotor so
angesteuert wird, dass er beim Heben der Last den bisherigen Antrieb unterstützt und
beim Senken der Last eine Rückgewinnung der Energie ermöglicht.
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Bei der vorzugsweise auf einem Fahrzeug befestigten Richtanlage wird die Energie für
den Richtvorgang aus der Fahrzeugbatterie entnommen. Die Batterie wird beim
Hochfahren der Last entladen. Beim Herunterfahren der Last wird zwar eine geringere
Energie aus der Batterie benötigt als beim Hochfahren, aber herkömmlicherweise
konnte auch keine Energie in die Batterie zurückgeführt werden. Daher musste die
Batterie nach kurzer Zeit von der Verbrennungsmaschine des Fahrzeuges geladen
werden, was zu unerwünschter Geräuschentwicklung führte. Erfindungsgemäß kann
eine schnelle Entladung der Batterie und eine unerwünschte Geräuschentwicklung
vermieden werden.
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Die erfindungsgemäße Richtanlage nutzt eine herkömmliche Sicherheitsbremse für
eine größtmögliche Sicherheit und außerdem die Vorteile der elektrischen
Antriebstechnik.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung des
Antriebsmotors so ausgebildet, dass dieser nur zur Öffnung der Sicherheitsbremse
beim Heben verwendet wird, während der zusätzliche Elektromotor so ansteuerbar ist,
dass dieser das Drehmoment zum Heben der Last bewirkt.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist die Ansteuerung des
zusätzlichen Elektromotors so ausgebildet, dass dieser nur dann ein zusätzliches
Drehmoment bewirkt, wenn zum Heben der Last besonders hohe Drehmomente
erforderlich sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ansteuerung
des Antriebsmotors so ausgebildet, dass dieser beim Heben und Senken der Last mit
demselben Regelungsgesetz angesteuert wird, während die Ansteuerung des
zusätzlichen Elektromotors so ausgebildet ist, dass dieser mit einem nicht linearen
Regelungsgesetz angesteuert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die
Zeichnungen im einzelnen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Antriebs einer herkömmlichen
Sicherheitsbremse für eine Richtanlage,
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Fig. 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß verbesserten Antriebs einer
Richtanlage und
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Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Ansteuerung einer erfindungsgemäßen Richtanlage mit
Elektromotoren.
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Fig. 2 zeigt eine Sicherheitsbremse gemäß Fig. 1 mit einem weiteren Motor 11, der auf
die Ausgangswelle 1 der Bremse wirkt. Der im Stand der Technik ausgeführte
Ruhezustand - Halten der Last gegen das Gewicht - wird dabei von den gleichen
Elementen ausgeführt wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Das Anheben der
Waffe wird durch beide Motoren 9 und 11 übernommen. Die Motordrehmomente
werden mechanisch summiert.
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Das Absenken der Last wird bei der in Abb. 2 dargestellten Ausführung
vorteilhafterweise wie folgt übernommen:
Der Motor 9 muss, wie bei Fig. 1, durch eine Drehung die Sicherheitsbremse öffnen.
Die Abwärtsbewegung der Last kann dabei nicht schneller erfolgen als es durch die
Drehung der Bremse durch diesen Motor 9 vorgegeben wird. Die erforderliche Energie
am Motor 9 ist dabei immer positiv, das heißt der Motor benötigt Energie aus der
Stromversorgung, um die Bremse zu öffnen, und kann, aufgrund der bereits
beschriebenen Funktion der Sicherheitsbremse, nicht im Generatorbetrieb arbeiten. Die
zurücktreibende potentielle Energie der Last wird in der Bremse in Wärme umgesetzt.
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Gemäß dieser Erfindung wird der Motor 11 so angesteuert, dass er beim
Herunterfahren der Last im Generatorbetrieb arbeitet und mindestens einen Anteil der
potentiellen Energie der Last in die Stromquelle d. h. die Batterie der Richtanlage,
vorzugsweise die Fahrzeugbatterie, zurück speist. Diese Anordnung und Ansteuerung
entlastet die Bremse und die Fahrzeugbatterie kann länger ohne Aufladung die Anlage
versorgen. Die Sicherheitsfunktion der Bremse wird dabei nicht beeinträchtigt.
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Eine Möglichkeit, die gemäß Fig. 2 verbundenen beiden Antriebsmotoren zusammen zu
schalten und zu betreiben, ist im folgenden beschrieben. Zur Erläuterung wird das in
Fig. 3 dargestellte Blockdiagramm herangezogen. Darin werden die wesentlichen
mechanischen und elektrischen Funktionselemente des Antriebssystems als
Übertragungsblöcke sowie das Zusammenwirken der Blöcke als Verbindungslinien
beschrieben.
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Ein Sollsignal 12 für die Position der Raketen beim Abschuss, welches z. B. von einem
Feuerleitrechner berechnet wird, gibt die Position der Last vor. Die aktuelle Position 13
der Last wird mit einem Positionsgeber (nicht gezeigt) ermittelt und mit dem Sollsignal
12 verglichen, um ein Lagefehlersignal 14 zu berechnen.
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Der Lageregler 15 gibt eine von der Größe der Lageabweichung 14 abhängiges Signal
16 als Geschwindigkeitssollwert 16 weiter. Dieser Geschwindigkeitssollwert 16 wird mit
der am Motor 9' gemessenen Motorgeschwindigkeit 17 verglichen. Die Differenz der
beiden Signale 16 und 17 wird als Geschwindigkeitsfehlersignal 18 an den
Geschwindigkeitsregler 19 weitergegeben. Der Motor 9' ist dabei mit dem in der Fig. 1
und Fig. 2 dargestellten Motor 9 identisch. Der Geschwindigkeitsregler 19 gibt eine vom
Fehlersignal 18 abhängiges Signal 20 an den Stromregler 21 des Motors 9' weiter. Der
Motor 9' erzeugt aus dem vom Stromregler vorgegebenen Strom das Motordrehmoment
23, welches die Ausgangswelle 24 je nach angreifendem Gegendrehmoment in eine
Drehung mit der Drehzahl 17 versetzt.
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Die Regelung des Motors 9' ist somit gemäß dem in der Fachwelt bekannten Prinzip der
Kaskadenregelung ausgeführt. Es gibt andere Regelungsverfahren für Motoren, die
ebenfalls angewendet werden können, um die Drehzahl und die Position der Last zu
regeln. Diese sind hier nicht beschrieben, können aber ebenfalls angewendet werden.
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Der Ausgang des Stromreglers 22 gibt den für die Bewegung des Motors
9' erforderlichen Strom vor. Es ist dabei unerheblich, ob der Motor ein Drehstrom oder
ein Gleichstrommotor ist. Das abgegebene Drehmoment 23 des Motors wird in jedem
Falle durch einen dem Motor zugeordneten elektrischen Strom bestimmt. Das
Drehmoment 23, das der Motor abgibt, wird in der Antriebswelle des Motors 10 und den
mit dieser verbundenen mechanischen Teilen 24 in eine Drehung umgesetzt, die als
Drehzahl 17 gemessen und wie beschrieben mit dem Drehzahlsollwert 16 des Motors
verglichen wird.
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Das Stromsollwertsignal 20 wird in der Anlage gemäß dieser Erfindung außerdem über
einen nicht linearen Signalübertragungsblock 25 an den Regelkreis des zweiten Motors
11' weitergeleitet. Je nach Größe und Vorzeichen des Stromsollwertes 20' wird ein
Signal 26 gebildet. Für positive Signale von 20' wird ein zum Signal 20' proportionales
Signal 26 mit gleichem Vorzeichen wie der Stromsollwert 20' gebildet. Für negative
Vorzeichen des Stromsollwertes 20' wird, bis zu einem bestimmten Betrag, kein Signal
weitergeleitet, anschließend ein proportionales negatives Signal.
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Für positive Werte des Stromsollwertes 20' gemäß dieser Definition im Motor ein in
Richtung Last nach oben treibendes Drehmoment erzeugt. In diesem Falle, das heißt
positivem Signal 20', wird dem Stromregler 28 des zweiten Motors 11 ein dem Signal 20
proportionaler Sollwert 26 angeboten. Dieser positive Stromsollwert 26 bewirkt nach
Definition durch den Motor 11' an der Last ein Drehmoment, das in die gleiche Richtung
nach oben wirkt, wie das Drehmoment des Motors 9'.
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Die Übertragungsblöcke des Regelkreises für den Motor 11', nämlich der Stromregler
28, der Motor 11' und die mit dem Motor 11' verbundenen mechanischen Teile 29,
bewirken, wie bereits der für den Motor 10' beschriebene Regelkreis, die Drehung des
Motors. Die Drehzahl des Motors 11' wird ebenfalls gemessen und das Drehzahlsignal
32 dem Drehzahlregler 30 mit negativem Vorzeichen angeboten.
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Als Besonderheit, dieser hier beschriebenen Regelung für den Motor 11', wird dem
Drehzahlregler 30 kein Drehzahlsollwert angeboten, d. h. der Sollwert ist immer Null.
Außerdem gibt der Drehzahlregler 30 bei positiven Drehzahlen, d. h. einer Drehung des
Motors in Richtung Last nach oben, keinen Ausgangswert 29 an den Stromregler 28
weiter. Damit wird erreicht, dass in dieser Drehrichtung der Stromregler 28 den Sollwert
nur von dem Sollwert 26 vorgegeben wird, der vom Stromsollwert des Stromreglers 19
abgeleitet ist.
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Die Drehung des Motors 11' wird über die mechanische Teile 33 in ein Drehmoment 34
umgesetzt. Die Drehung des Motors 9' wird ebenfalls über mechanische Teile 35 in
eine Drehmoment 36 umgesetzt. Beide Drehmomente bilden ein gemeinsames, die Last
antreibendes Drehmoment 37. Die summierten Drehmomente 37 der beiden Motoren
beschleunigen die Last nach oben, wenn die Summe dieser Drehmomente größer ist
als die zurücktreibenden Drehmomente 38 der Last.
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Die Höhe der zurücktreibenden Drehmomente der Last 38 hängt von der Stellung der
Last und von der Anzahl der auf dem Raketenwerfer befindlichen Raketen ab, wie im
Übertragungsblock 39 angedeutet.
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Der Aufbau der Regelung gemäß diesem Funktionsmuster trägt allen Lastzuständen
Rechnung. Das Verhalten der Regelung wird für die einzelnen Betriebszustände im
folgenden beschrieben.
- 1. Betriebszustand - die Last soll nach oben bewegt werden:
Für beide Motoren 9' und 11' wird ein Strom vorgegeben, der so lange ansteigt, bis sich
die Last nach oben bewegt. Der Drehzahlregler 30 des Motors 11' greift dabei nicht in
die Regelung ein, da der Ausgang 29 für diesen Betriebszustand Null ist. Beide
Motoren gehorchen der Sollwertvorgabe, die durch die Regler 15 und 19 des Motors 9
infolge der Regelabweichungen 14 und 16 erzeugt wird.
- 2. Betriebszustand - die Last soll nach unten bewegt werden:
Dem Motor 9' wird ein Strom vorgegeben, der ausreicht, um die Sicherheitsbremse zu
öffnen und in die Richtung Last nach unten zu drehen. Die Last folgt der Drehzahl des
Motor 9' und kann diesen nicht überholen. Der Motor 11' wird über das Signal 26 nicht
angesteuert, solange die Last der Motordrehzahl folgt. Der Ausgangswert des
Übertragungsblockes 25 bleibt Null.
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Der Motor 11' wird jedoch über die mechanischen Verbindung mit der Last in Richtung
Last nach unten angetrieben. Die Drehzahl des Motors 11' wird gemessen und über
das Signal 32 dem Drehzahlregler 30 zugeführt. Der Drehzahlregler 30 versucht die
Drehzahl auf Null zu regeln, da kein Sollwert für die Drehzahl vorliegt. Dadurch wird in
Abhängigkeit von der Drehzahl im Motor 11' ein Gegendrehmoment zu der
zurücktreibenden Last aufgebaut. Der Motor 11' arbeitet dabei im Generatorbetrieb, d. h. es
wird elektrische Energie in die Batterie zurück gespeist und außerdem die Bewegung
der Last nach unten abgebremst.
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Das Verfahren der Rückspeisung von Energie bei Elektromotoren ist allgemein bekannt
und wird deshalb nicht im einzelnen beschrieben.
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Für den Fall, dass die Bremswirkung des Motors 11' so groß wird, dass die Last der
Vorgabe des Motors 9' nicht folgen kann, wird das Drehzahlfehlersignal 18 und damit
der Sollstrom 20' größer. Dieser Anstieg des Signals 20 wird vom Übertragungsblock
25 erkannt und proportional zur Größe des Sollstromes dem Stromregler 28 angeboten.
Damit wird die Bremswirkung des Motors 11' verkleinert, bis die Last der Drehung des
Motors 9' wieder folgen kann.