DE10205071B4

DE10205071B4 - Sperrmechanismus für eine Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10205071B4
Application number: DE10205071A
Authority: DE
Inventors: David J. Sandy Manzanares; Scott A. Erda Lee
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US20020104394A1; US6467363B2; GB2372307B; GB0201391D0; DE10205071A1; GB2372307A; JP2002250425A; JP3933950B2

Abstract

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, sowie mit einem Bereitschafts-Sperrmechanismus (20),
dadurch gekennzeichnet
dass der Bereitschafts-Sperrmechanismus (20) auf dem Element (23) montiert ist und funktionell so angeordnet ist, dass er die Drehnug der Gewindespindel (21) mit dem Element (23) im Falle einer Störung der primären Mutter (22) blockiert, wobei der Bereitschafts-Sperrmechanismus (20) einschließt:
– einen Tastmechanismus (28) zum Abtasten einer Störung der primären Mutter (22),
– einen Sperrmechanismus (29L; 29R), der auf den Tastmechanismus (28) zum Blockieren der Gewindespindel (21) mit dem Element (23) bei einer abgetasteten Störung der primären Mutter (22) anspricht, und
– einen Körper (26), der auf dem beweglichen Element (23) montiert ist, wobei der Tastmechanismus (28) ein Element (30) einschließt, das mit der Gewindespindel (21) funktionell in Eingriff ist und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtungen 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-Betätigungsvorrichtungen 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 Gewindespindel 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 konfiguriert sind, dass sie klemmen, wenn sie belastet werden. Jedoch können einige von diesen unzuverlässig sein.
Eine Vorrichtung mit einem Bereitschafts-Sperrmechanismus auf einer drehbaren Gewindespindel ist aus der US 2,447,439 bekannt. Wenn auf die Gewindespindel dieser Vorrichtung eine erhöhte Kraft ausgeübt wird, so wird über eine Reibungsmutter eine erhöhte Reibung ausgeübt, die die Relativbewegung zwischen einem äußeren Gehäuse und der Spindel verringert. Unbeeinflusst davon bewegt sich eine primäre Mutter, die mit einem Kugellager ausgerüstet ist, mit unverminderter Reibung so lange fort, bis Sie gegen das Gehäuse anstößt. Erst in diesem Moment ist die Vorrichtung gesperrt. Daher ist der Sperrmechanismus der US 2,447,439 aus mehreren Gründen für den hier beabsichtigten Zweck ungeeignet: Erstens führt dort nicht die Störung der primären Mutter, sondern eine zu hohe Kraft auf der Gewindespindel zu einer Sperrung. Eine Störung der primären Mutter wird somit nicht detektiert. Zweitens tritt bei der Vorrichtung der US 2,447,439 keine sofortige Sperrung ein, sondern der Mechanismus sperrt erst dann, wenn sich die primäre Mutter noch um eine gewisse Strecke weiterbewegt hat. Und drittens tritt bei der US 2,447,439 höchstens eine temporäre Sperrung auf, die sofort in dem Moment endet, zu dem die Last auf der Gewindespindel nachlässt. Aus diesen Gründen ist die Vorrichtung der US 2,447,439 für den Einsatz in flugkritischen Flugzeugsteuerflächen ungeeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den bekannten Sperrmechanismus hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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 vorhanden sind, schafft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung in einer Vorrichtung, die eine drehbare Gewindespindel aufweist und eine primäre Mutter aufweist, die auf einem 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 Gewindespindel 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-Sperrmechanismus kann einen Körper einschließen, der auf dem beweglichen Element montiert ist. Er kann außerdem ein Element einschließen, das funktionell in die Gewindespindel 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 Tastmechanismus in seiner Anfangsposition ist. Die Verbesserung kann außerdem einen Haltemechanismus zum lösbaren Halten des Elements in seiner Anfangsposition einschließen. Dieser Haltemechanismus kann einen Scherstift einschließen. In einer alternativen 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 zwischen 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 zu schaffen.
Eine andere Aufgabe ist es, einen Hilfs-Sperrmechanismus zu schaffen, welche nicht den Normalbetrieb der Betätigungsvorrichtung stört oder reibschlüssig bremst.
Eine andere Aufgabe ist es, einen Sperrmechanismus für eine gattungsgemäße Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die eine Einrichtung zum Abtasten einer Störung der primären Mutter aufweist und zum Sperren der Gewindespindel gegenüber einer Drehung in jeder Richtung im Falle einer abgetasteten Störung der primären Mutter aufweist.
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 Vorteile werden aus der vorangehenden und nachstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine vertikale Längsschnittteilansicht eines Bereiches einer verbesserten Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung, wobei diese Ansicht die drehbare Gewindespindel, die primäre Mutter und den Bereitschafts-Sperrmechanismus zeigt,
2 eine Querschnittteilansicht derselben, die allgemein entlang der Linie 2-2 von 1 verläuft und das nach links federbelastete rollenförmige Sperrelement zeigt, und
3 eine Querschnittteilansicht derselben, die allgemein entlang der Linie 3-3 von 1 verläuft und das nach rechts gerichtete federbelastete rollenförmige Sperrelement zeigt.
Unter Bezugnahme nunmehr auf die Zeichnungen und insbesondere auf 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 Horizontalachse x-x montiert ist, aber an einer axialen Bewegung durch eine Lagereinrichtung (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 geeignete 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 dem 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 eine Drehung der Gewindespindel bewegt.
Der Sperrmechanismus 20 schließt allgemein einen Tastmechanismus (sensing mechanism) ein, der allgemein mit der Bezugszahl 28 angegeben ist und der innerhalb des Körpers für eine ausgewählte Axialbewegung relativ dazu montiert ist, und schließt einen 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 Allgemeinen rechteckiges Profil auf, hat aber einen Innenhohlraum, in welchem der Tastmechanismus funktionell montiert ist. Der Tastmechanismus schließt ein mittiges plattenförmiges Element 30 ein, welches innerhalb des Körpers für eine mögliche Axialbewegung 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 berühren. Das Element 30 wird normalerweise in einer Mittelstellung zwischen den Körpersperrflächen 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-Gewindegängen 24 angepasst ist. Daher besteht normalerweise kein körperlicher Kontakt zwischen dem Element und dem Spindelgewinde, und der Bereitschafts-Sperrmechanismus trägt nicht zu irgendeiner Reibbeanspruchung bei der Arbeitsweise der Kugelumlaufspindel-Betätigungsvorrichtung bei.
Linke und rechte Auslösescheiben 33L, 33R sind mit dem Tastelement 30 mittels jeweiliger linker und rechter Wellen 34L, 34R verbunden. Diese Wellen sind einfache sich horizontal erstreckende zylindrische Stäbe, und die Auslösescheiben sind in Form plattenförmiger zylindrischer Scheiben ausgebildet, die auf den vorderen Enden dieser Stäbe montiert sind.
Die gezeigten linken und rechten Sperrmechanismen 29L, 29R schließen jeweils rollenförmige Vorrichtungen 35L, 35R ein. Jede dieser Vorrichtungen ähnelt etwas einer dreilappigen Rolle mit drei axial beabstandeten zylindrischen Scheiben, die durch zylindri sche Zwischenstäbe verbunden sind. Wie am besten in den 2 und 3 gezeigt ist sind diese zwei rollenförmigen Elemente 35L, 35R so vorbelastet, dass sie jeweils nach rechts und links mittels Federn 36L, 36R sich bewegen. Wenn das Tastelement in seiner Mittelstellung ist, wie es normalerweise durch den Scherstift eingerichtet ist, drücken die linken und rechten Scheibenelemente 33L, 33R gegen die Außenumfangsflächen 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. Dieses ermöglicht, dass sich die Federn ausdehnen, um ihre jeweiligen rollenförmigen Elemente zu belasten, damit sich diese in die anderen Positionen b, die in 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 allgemeinen gleichförmiger kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden Radien. Der Verkeilungsvorgang 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 2 und 3 dargestellt ist, sind die Sperrmechanismen als Spiegelbilder solcher Art zueinander angeordnet, dass einer der Sperrmechanismen die Gewindespindel an einer weiteren Drehung in einer Winkelrichtung hindert, während der andere Sperrmechanismus die Gewindespindel an einer weiteren Drehung in der entgegengesetzten Winkelrichtung hindert.
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 Zapfen 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-Haltemechanismus 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.

Claims

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, sowie mit einem Bereitschafts-Sperrmechanismus (20), dadurch gekennzeichnet dass der Bereitschafts-Sperrmechanismus (20) auf dem Element (23) montiert ist und funktionell so angeordnet ist, dass er die Drehnug der Gewindespindel (21) mit dem Element (23) im Falle einer Störung der primären Mutter (22) blockiert, wobei der Bereitschafts-Sperrmechanismus (20) einschließt: – einen Tastmechanismus (28) zum Abtasten einer Störung der primären Mutter (22), – einen Sperrmechanismus (29L; 29R), der auf den Tastmechanismus (28) zum Blockieren der Gewindespindel (21) mit dem Element (23) bei einer abgetasteten Störung der primären Mutter (22) anspricht, und – einen Körper (26), der auf dem beweglichen Element (23) montiert ist, wobei der Tastmechanismus (28) ein Element (30) einschließt, das mit der Gewindespindel (21) funktionell in Eingriff ist und beweglich auf dem Körper (26) montiert ist, um eine relative Axialbewegung des Gewindes auf der Gewindespindel (21) relativ zu dem Körper (26) aus einer Anfangsposition abzutasten, die durch den normalen Eingriff der Gewindespindel (21) mit der primären Mutter (22) ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (30) nicht körperlich die Spindel (21) berührt, wenn der Tastmechanismus (28) in seiner Anfangsposition ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Haltemechanismus zum lösbaren Halten des Elements (30) in seiner Anfangsposition.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemechanismus einen Scherstift (32) einschließt, der zwischen dem Körper (26) und dem Element (30) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmechanismus (29L, 29R) funktionell so angeordnet ist, dass er ausgewählt das Spindelgewinde (24) gegenüber einer relativen axialen oder Drehbewegung relativ zu dem beweglichen Element (23) sperrt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmechanismus (29L, 29R) zumindest ein federbelastetes Element (35L, 35R) 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.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmechanismus (29L, 29R) am Verkeilen zwischen dem Körper (26) und der Gewindespindel (21) durch einen Auslösemechanismus (33L, 33R) gehindert wird, der zwischen dem Tastmechanismus (28) und dem Sperrmechanismus (29L, 29R) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmechanismus (29L, 29R) ein erstes besagtes Element (35L) einschließt, das dazu angepasst ist, sich ausgewählt zwischen dem Körper (26) und der Gewindespindel (21) zu verkeilen, um eine relative Drehung zwischen ihnen in einer Winkelrichtung zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrmechanismus (29L, 29R) ein zweites besagtes Element (35R) einschließt, das dazu angepasst ist, sich ausgewählt zwischen dem Körper (26) und dem Gewindespindel (21) zu verkeilen, um eine relative Drehung zwischen ihnen in der entgegengesetzten Winkelrichtung zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (21) und die Mutter (22) eine Kugelgewindespindel umfassen.