DE10205071A1 - Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Bereitschafts-Sperrmechanismus, der bei einer Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung verwendet wird. Die Betätigungsvorrichtung hat eine drehbare Gewindespindel und eine primäre Mutter, die auf einem beweglichen Element angeordnet sind und im Gewindeeingriff mit der Gewindespindel sind. Der Bereitschafts-Sperrmechanismus ist auch auf dem Element montiert und ist funktionell so angeordnet, dass er eine weitere Axial- oder Drehbewegung der Gewindespindel im Falle einer Störung der primären Mutter verhindert. Der Bereitschafts-Sperrmechanismus schließt einen Tastmechanismus zum Abtasten einer Störung der primären Mutter ein und schließt einen Sperrmechanismus ein, der auf den Tastmechanismus für ein ausgewähltes Sperren der Gewindespindel mit dem Element bei einer abgetasteten Störung der primären Mutter anspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Kugelumlaufspindel-Betäti­ gungsvorrichtungen und insbesondere auf einen verbesserten Sperrmechanismus, der funktionell mit einer Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung verbunden ist, um die Gewindespindel gegenüber einer weiteren Drehung oder Axialbewegung im Falle einer Störung der primären Mutter oder deren Befestigungsstruktur ausgewählt zu sperren.

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Kugelumlaufspindel-Betätigungsvor­ richtungen für flugkritische Flugzeugsteuerflächen, die über einen primären strukturellen Belastungsweg arbeiten. Die Erfindung bezieht sich auf eine Sperrvorrichtung, die einen sekundären strukturellen Notfall-Belastungsweg schafft, der automatisch die Last im Falle von bestimmten Störungen bei dem primären Belastungsweg trägt.

Der Sperrmechanismus schafft eine zwangsläufige Verbindung zwischen der Gewinde­ spindel und der damit verbundenen Steuerfläche im Falle einer Störung der primären Mutter oder deren Befestigungsstruktur. Der Sperrmechanismus ist im Normalbetrieb unbelastet, sperrt aber die Spindel gegenüber dem Stützelement in ihrer Position bei der Störung.

Bei früheren Versuchen zur Lösung dieses Problems wurden typischerweise sekundäre Muttern mit einem freien Spiel auf der Spindel verwendet, welche vorsätzlich so konfigu­ riert sind, dass sie klemmen, wenn sie belastet werden. Jedoch können einige von die­ sen unzuverlässig sein. Die vorliegende Erfindung bietet eine Verbesserung, welche komplexer aber andererseits besonders zuverlässig ist.

Unter Bezugnahme auf entsprechende Teile, Bereiche oder Flächen der offenbarten Ausführungsform, die nur zum Zwecke der Darstellung und nicht zur Beschränkung vor­ handen sind, schafft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung in einer Vorrichtung, die eine drehbare Gewindespindel aufweist und eine primäre Mutter aufweist, die auf ei­ nem beweglichen Element montiert ist und im Gewindeeingriff mit der Gewindespindel ist.

Die Verbesserung umfasst allgemein einen Bereitschaftssperrmechanismus, der auf dem Element montiert ist und funktionell so angeordnet ist, dass er ausgewählt die Ge­ windespindel mit dem Element im Falle einer Störung der primären Mutter sperrt. Der Bereitschafts-Sperrmechanismus schließt einen Tastmechanismus zum Abtasten einer Störung der primären Mutter und zumindest einen Sperrmechanismus ein, der auf den Tastmechanismus zum ausgewählten Sperren der Gewindespindel mit dem Element bei einer abgetasteten Störung der primären Mutter anspricht. Der Bereitschafts-Sperr­ mechanismus kann einen Körper einschließen, der auf dem beweglichen Element mon­ tiert ist. Er kann außerdem ein Element einschließen, das funktionell in die Gewinde­ spindel eingrifft und beweglich auf dem Körper montiert ist, um eine Axialbewegung des Gewindespindel-Gewindes relativ zum Körper aus einer Anfangsposition abzutasten, die durch den normalen Eingriff der Gewindespindel mit der primären Mutter bestimmt wird. Normalerweise kontaktiert die Spindel dieses Element nicht körperlich, wenn der Tast­ mechanismus in seiner Anfangsposition ist. Die Verbesserung kann außerdem einen Haltemechanismus zum lösbaren Halten des Elements in seiner Anfangsposition ein­ schließen. Dieser Haltemechanismus kann einen Scherstift einschließen. In einer alter­ nativen Anordnung kann er jedoch eine Rastfeder umfassen, die zwischen dem Körper und dem Element wirkt.

Der Sperrmechanismus kann zumindest ein federbelastetes Element einschließen, das funktionell so angeordnet ist, dass es sich ausgewählt zwischen dem Körper und der Gewindespindel verkeilt, um eine weitere relative einseitig gerichtete Bewegung zwi­ schen ihnen zu verhindern. Der Sperrmechanismus kann am Verkeilen zwischen dem Körper und der Gewindespindel durch einen Auslösemechanismus gehindert werden, der zwischen dem Tastmechanismus und dem Sperrmechanismus wirkt.

Entsprechender Weise ist es die allgemeine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung zu schaffen.

Eine andere Aufgabe ist es, einen Hilfs-Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel zu schaffen, welche nicht den Normalbetrieb der Kugelumlaufspindel-Betätigungs­ vorrichtung stört oder reibschlüssig bremst.

Eine andere Aufgabe ist es, einen Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel- Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die eine Einrichtung zum Abtasten einer Störung der primären Mutter aufweist und zum Sperren der Kugelumlaufspindel gegenüber einer Drehung in jeder Richtung im Falle einer abgetasteten Störung der primären Mutter auf­ weist.

Eine weitere Aufgabe ist es, einen Sperrmechanismus zu schaffen, der einen anderen strukturellen Belastungsweg schafft, um eine zwangsläufige Verbindung zwischen der Gewindespindel und der zugehörigen Steuerfläche im Falle einer Störung der primären Mutter oder deren Befestigungsstruktur zu schaffen.

Diese und andere Ziele und Vorteils werden aus der vorangehenden und nachstehen­ den Beschreibung, den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Längsschnittteilansicht eines Bereiches einer verbesserten Ku­ gelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung, wobei diese Ansicht die drehbare Gewindespindel, die primäre Mutter und den Bereitschafts-Sperrmechanismus zeigt,

Fig. 2 eine Querschnittteilansichl: derselben, die allgemein entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 verläuft und das nach links federbelastete rollenförmige Sperrelement zeigt, und

Fig. 3 eine Querschnittteilansichl: derselben, die allgemein entlang der Linie 3-3 von Fig. 1 verläuft und das nach rechts gerichtete federbelastete rollenförmige Sperrelement zeigt.

Am Beginn sollte klar verständlich gemacht werden, dass beabsichtigt ist, dass gleiche Bezugszahlen um die gleichen strukturellen Elemente, Bereiche oder Flächen zu identi­ fizieren, durchweg in den verschiedenen Zeichnungsfiguren, wie z. B. Elemente, Berei­ che oder Flächen, in den gesamten Unterlagen weiter beschrieben oder erläutert wer­ den, deren detaillierte Beschreibung ein integrierter Teil derselben ist. Außer, wenn es anderweitig angegeben ist, ist es beabsichtigt, dass die Zeichnungen (z. B. Schraffur, Anordnung von Teilen, von Proportionen, vom Grad usw.) zusammen mit der Beschrei­ bung zu lesen sind, und sie sind als ein Teil der gesamten Beschreibung dieser Erfin­ dung zu betrachten. Die Begriffe "horizontal", "vertikal", "links", "rechts", "aufwärts" und "abwärts", wie sie in der folgenden Beschreibung verwendet werden, sowie adjektivische und adverbiale Ableitungen derselben (z. B. "horizontal", "nach rechts", "nach oben" usw.), beziehen sich einfach auf die Ausrichtung der dargestellten Struktur, wenn die besondere Zeichnungsfigur dem Leser zugewandt ist. In gleicher Weise beziehen sich die Begriffe "nach innen" und "nach außen" im Allgemeinen auf die Ausrichtung einer Fläche relativ zu der Längsachse oder der Rotationsachse.

Unter Bezugnahme nunmehr auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 schafft die vorliegende Erfindung allgemein einen verbesserten Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung (ball screw actuator locking mechanism), der allgemein mit der Bezugszahl 20 angegeben ist.

Der gezeigte Mechanismus 20 ist funktionell mit einer Gewindespindel verbunden, die allgemein mit der Bezugszahl 21 angegeben ist, welche für eine Drehung um die Hori­ zontalachse x-x montiert ist, aber an einer axialen Bewegung durch eine Lagereinrich­ tung (nicht gezeigt) gehemmt wird und funktionell mit einer primären Mutter (primary nut), die allgemein mit der Bezugszahl 22 angegeben ist, funktionell verbunden ist. Die Mutter 22 ist auf einem beweglichen Element 23 montiert und ist im Eingriff mit der Spindel 21. Die Gewindespindel ist in der geeigneten Winkelrichtung durch eine geeig­ nete Einrichtung (nicht gezeigt) drehbar. Die Gewindespindel hat eine Außengewinde- Außenfläche 24. Eine Vielzahl von Kugeln, von denen mehrere mit der Bezugszahl 25 angegeben sind, sind funktionell zwischen dem nach innen weisenden Gewindebereich der Mutter 22 und den Gewindespindel-Gewindegängen 24 eingefangen. Wenn somit die Gewindespindel gedreht wird, werden die Mutter 22 und das Element 23 in einer Axialrichtung verschoben, entweder nach links oder nach rechts, was von der Richtung der Drehung der Gewindespindel abhängt.

Der gezeigte verbesserte Sperrmechanismus weist einen Körper 26 auf, der auf einem Element 23 zur Bewegung mit diesem montiert ist. Somit werden der Mechanismus 20 und die primäre Mutter 22 zwangsläufig in der gleichen Richtung im Ansprechen auf ei­ ne Drehung der Gewindespindel bewegt.

Der Sperrmechanismus 20 schließt allgemein einen Tastmechanismus (sensing mecha­ nism) ein, der allgemein mit der Bezugszahl 28 angegeben ist und der innerhalb des Körpers für eine ausgewählte Axialbewegung relativ dazu montiert ist, und schließt ei­ nen jeweiligen linken und rechten Sperrmechanismus 29L, 29R ein, die zwischen dem Körper und der Gewindespindel angeordnet sind.

Der gezeigte Körper weist eine im Allgemeinen rechteckige Kontur oder ein im Allge­ meinen rechteckiges Profil auf, hat aber einen Innenhohlraum, in welchem der Tastme­ chanismus funktionell montiert ist. Der Tastmechanismus schließt ein mittiges platten­ förmiges Element 30 ein, welches innerhalb des Körpers für eine mögliche Axialbewe­ gung zwischen jeweiligen linken und rechten Körpersperren 31L, 31R montiert ist. Das Element 30 hat ein übereinstimmend aufgebautes Innengewinde, das dazu angepasst ist, das Gewindespindel-Gewinde 24 zu umschließen aber normalerweise nicht zu be­ rühren. Das Element 30 wird normalerweise in einer Mittelstellung zwischen den Körper­ sperrflächen 31L, 31R mittels eines Scherstifts (shear pin) 32 erhalten, der zwischen dem Körper 26 und dem Element 30 wirkt. In dieser Mittelstellung weisen die nach innen weisenden Gewindegänge auf dem Element ein Spiel auf, das zu den Spindel-Gewinde­ gängen 24 angepasst ist. Daher besteht normalerweise kein körperlicher Kontakt zwi­ schen dem Element und dem Spindelgewinde, und der Bereitschafts-Sperrmechanis­ mus trägt nicht zu irgendeiner Reibbeanspruchung bei der Arbeitsweise der Kugelum­ laufspindel-Betätigungsvorrichtung bei.

Linke und rechte Auslösescheiben 33L, 33R sind mit dem Tastelement 30 mittels jewei­ liger linker und rechter Wellen 34L, 34R verbunden. Diese Wellen sind einfache sich ho­ rizontal erstreckende zylindrische Stäbe, und die Auslösescheiben sind in Form platten­ förmiger zylindrischer Scheiben ausgebildet, die auf den vorderen Enden dieser Stäbe montiert sind.

Die gezeigten linken und rechten Sperrmechanismen 29L, 29R schließen jeweils rollen­ förmige Vorrichtungen 35L, 35R ein. Jede dieser Vorrichtungen ähneln etwas einer drei­ lappigen Rolle mit drei axial beabstandeten zylindrischen Scheiben, die durch zylindri­ sche Zwischenstäbe verbunden sind. Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind, sind diese zwei rollenförmigen Elemente 35L, 35R so vorbelastet, dass sie jeweils nach rechts und links mittels Federn 36L, 36R jeweils sich bewegen. Wenn das Test­ element in seiner Mittelstellung ist, wie es normalerweise durch den Scherstift einge­ richtet ist, drücken die linken und rechten Scheibenelemente 33L, 33R gegen die Au­ ßenumfangsflächen der mittleren Lappen der jeweiligen Sperrelemente 35L, 35R, um die Sperrelemente in den Positionen a zu halten und somit zu verhindern, dass die Sperrelemente die Oberfläche der Spindel 31 berühren.

Im Falle einer Störung der primären Mutter jedoch, wie z. B. durch Trennen der Kugeln 25 von der Laufbahn solcher Art, dass die Gewindespindel sich axial relativ zur Mutter 22 bewegt, bewirkt eine solche Axialbewegung der Gewindespindel 21 relativ zu der primären Mutter und dem Körper des Bereitschafts-Sperrmechanismus, dass sich das Tastelement 30 axial entweder nach links oder rechts vom Scherstift 32 bewegt. Wenn sich das Tastelement 30 entweder nach links oder rechts um einen ausreichenden Wert bewegt, richten sich die scheibenförmigen Auslöseelemente 33L, 33R zu den Räumen zwischen den lappenförmigen Scheiben der Rollenelemente 35L, 35R jeweils aus. Die­ ses ermöglicht, dass sich die Federn ausdehnen, um ihre jeweiligen rollenförmigen Ele­ mente zu belasten, damit sich diese in die anderen Positionen b, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind, bewegen, um sich jeweils zwischen den Körperkurvenflächen 38L, 38R und der Gewindespindel zu verkeilen. Diese Kurvenflächen haben obere Bereiche mit einem Radius R1, der um einen Punkt 1 erzeugt wird, und haben untere Bereiche des Radius R2, der um den Punkt 2 erzeugt wird. Der Zwischenbereich ist ein im allgemei­ nen gleichförmiger kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden Radien. Der Verkei­ lungsvorgang sperrt daher die Spindel mit dem Körper 26 und verhindert eine weitere Drehung der Gewindespindel. Dieser Verkeilungsvorgang hindert die Gewindespindel an einer weiteren Drehbewegung oder Axialbewegung relativ zum Körper 20 und dem Element 23.

Wie vergleichend in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, sind die Sperrmechanismen als Spiegelbilder solcher Art zueinander angeordnet, dass einer der Sperrmechanismen die Gewindespindel an einer weiterer Drehung in einer Winkelrichtung verhindert, während der andere Sperrmechanismus die Gewindespindel an einer weiteren Drehung in der entgegengesetzten Winkelrichtung verhindert.

Modifikationen

Die vorliegende Erfindung erwägt ausdrücklich, dass andere Arten von Mechanismen zum Ausführen der zuvor beschriebenen Funktionen eingesetzt werden können. Zum Beispiel könnten die Gewindespindelelemente alternativ Sperrklinken sein, die auf Zap­ fen benachbart zu der Spindel getragen werden. Das Störungs-Tastelement könnte in Form von Teilmuttersegmenten oder sogar einem drehbar gelagerten Finger ausgebildet sein, der bzw. die in das Spindelgewinde eingreift. Der Störungstastelement-Halteme­ chanismus könnte eine federbelastete Raste statt eines Scherstifts sein. Die Spindel kann eine Kugelumlaufspindel, eine Trapezgewindespindel, eine Rollenspindel, eine Pressenspindel oder irgendein anderer Typ eines Gewindeeingriffs mit der Mutter sein.

Während die vorliegende, bevorzugte Ausführungsform des verbesserten Sperrmecha­ nismus für eine Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung zeigt und beschrieben wur­ den und verschiedene Modifikationen derselben erläutert wurden, werden Fachleute leicht erkennen, dass zusätzliche Änderungen und Modifikationen gemacht werden könnten, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die folgenden Patentansprüche definiert und unterschieden wurden.

Claims (11)

1. Vorrichtung mit einer drehbaren Gewindespindel (21) und einer primären Mutter (22), die auf einem beweglichen Element (23) montiert ist und im Gewindeeingriff mit der Gewindespindel (21) ist, gekennzeichnet durch:
einen Bereitschafts-Sperrmechanismus (20), der auf dem Element (23) montiert ist und funktionell so angeordnet ist, dass er ausgewählt die Gewindespindel (21) mit dem Element (23) im Falle einer Störung der primären Mutter (22) sperrt, wobei der Bereitschafts-Sperrmechanismus (20) einschließt:
einen Tastmechanismus (30) zum Abtasten einer Störung der primären Mutter (22) und
einen Sperrmechanismus (29L; 29R), der auf den Tastmechanismus (30) zum ausgewählten Sperren der Gewindespindel (21) mit dem Element (23) bei einer abgetasteten Störung der primären Mutter (22) anspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereitschafts- Sperrmechanismus (20) einen den Körper (26) einschließt, der auf dem bewegli­ chen Element (23) montiert ist, und dass der Tastmechanismus (30) ein Element einschließt, das mit der Gewindespindel (21) funktionell in Eingriff ist und beweg­ lich auf den Körper (26) montiert ist, um eine relative Axialbewegung des Gewin­ des auf der Gewindespindel (21) relativ zu dem Körper (26) aus einer Anfangspo­ sition abzutasten, die durch den normalen Eingriff der Gewindespindel (21) mit der primären Mutter (22) ermittelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (23) nicht körperlich die Spindel (21) berührt, wenn der Tastmechanismus (30) in seiner Anfangsposition ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Haltemechanismus zum lösbaren Halten des Elements (23) in seiner Anfangsposition.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemecha­ nismus einen Scherstift (32) einschließt, der zwischen dem Körper (26) und dem Element (33) wirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmecha­ nismus (29L, 29R) funktionell so angeordnet ist, dass er ausgewählt das Spindel­ gewinde (24) gegenüber einer relativen axialen oder Drehbewegung relativ zu dem beweglichen Element (23) sperrt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmecha­ nismus (29L, 29R) zumindest ein federbelastetes Element einschließt, das zum ausgewählten Verkeilen zwischen dem Körper (26) und der Gewindespindel (21) funktionell angeordnet ist, um eine relative einseitig gerichtete Bewegung zwischen diesen zu verhindern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmecha­ nismus (29L, 29R) am Verkeilen zwischen dem Körper (26) und der Gewindespin­ del (21) durch einen Auslösemechanismus (33L, 33R) gehindert wird, der zwi­ schen dem Tastmechanismus (30) und dem Sperrmechanismus (29L, 29R) wirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmecha­ nismus (29L, 29R) ein erstes besagtes Element (35L) einschließt, das dazu ange­ passt ist, sich ausgewählt zwischen dem Körper (26) und der Gewindespindel (21) zu verkeilen, um eine relative Drehung zwischen ihnen in einer Winkelrichtung zu verhindern.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmecha­ nismus (29L, 29R) ein zweites besagtes Element (35R) einschließt, das dazu an­ gepasst ist, sich ausgewählt zwischen dem Körper (26) und dem Gewindespindel (21) zu verkeilen, um eine relative Drehung zwischen ihnen in der entgegengesetz­ ten Winkelrichtung zu verhindern.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespin­ del (21) und die Mutter (22) innerhalb einer Kugelgewindespindel enthalten sind.