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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen linienförmigen,
hydraulischen Schwenkantrieb gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige linienförmige Antriebe finden z.B, zur
Klappensteuerung aerodynamischer Profile Anwendung. Hierbei ist
es insbesondere von Vorteil, dass auf übliche Gestänge bzw. Steuerstangen, die ausserhalb
des aerodynamischen Profils an der Steuerklappe angelenkt sind und
somit die aerodynamischen Verhältnisse
negativ beeinflussen, verzichtet werden kann.
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Ein bekannter Antrieb zur Steuerung
eines Rotorblatt-Querruders ist beispielsweise in
GB 2 299 562 A beschrieben.
Zur Umsetzung einer hydraulisch hervorgerufenen Axialbewegung einer
Welle in eine Drehbewegung, ist die Welle mit einem Steilgewinde versehen.
Das Steilgewinde greift in mehrere Buchsen ein, die die Welle konzentrisch
umgeben, so dass beim axialen Verschieben der Welle die Buchsen
eine Drehung erfahren. Dabei ist eine Drehmomentabstützung der
Welle erforderlich, um wiederum deren Drehung wirksam zu verhindern.
Dies wird durch einen zusätzlichen
Mechanismus bewirkt, der die Welle festhält. Der Mechanismus umfasst
mehrere Komponenten, unter anderem separate Bohrungen, in die die
Welle eingeführt
sind, sowie Festhaltestifte. Eine derartige Anordnung weist nicht
nur relativ große
Abmessungen auf, sondern führt
auch zu intensiver Montage- und Wartungsarbeit.
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In
DE 196 28117 A1 ist zudem ein gattungsgemäßer Schwenkantrieb
beschrieben, bei dem ein Druckkolben durch Druckbeaufschlagung mit
einem Druckmedium axial bewegt wird, wobei diese Axialbewegung in
eine Drehbewegung einer mit dem Druckkolben über Linear-/Drehbewegungswandlervorrichtungen
(sogenannte Bewegungsschraubverbindungen) verbundenen Abtriebswelle
umgewandelt wird.
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Ferner sind sogenannte Steilgewinde-Schwenkmotoren
bekannt, die eine axiale Verschiebung eines hydraulischen Arbeitskolbens über Steilgewinde
in eine Drehbewegung einer Abtriebswelle umsetzen. Die Drehmomentabstützung des
Arbeitskolben erfolgt z.B. durch zwei gegensinnig verlaufende Gewinde,
die beidseitig in den Kolben eingreifen. Dies führt jedoch zu einer gegensinnigen Drehrichtung
der Abtriebswelle, was für
manche Anwendungen unerwünscht
ist. Die Gewinde können ausser
axial hintereinander auch radial geschachtelt angeordnet sein. Hierbei
ist insbesondere aufgrund der nicht beliebig reduzierbaren Steighöhe der Steilgewinde
eine beliebige Verkleinerung der Anordnung nicht möglich. Kommerzielle
Antriebe sind somit in der Regel relativ groß. Ferner ist es von Nachteil, dass
bei derartigen konventionellen hydraulischen Schwenkantrieben eine
Konzentration auf punktuelle Lastverteilungen erfolgt.
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In jüngster Zeit sind aerodynamische
Strukturen mit kleineren Klappenanordnungen entwickelt worden (sogenannte
Miniklappen), die sich von herkömmlichen
Klappen mit 10– 30
% Cleanflügeltiefe dadurch
unterscheiden, dass sie eine Tiefe von lediglich 1 – 3 % aufweisen
und wie bei einer Spreizklappe aus einem feststehenden und einem
ausgeschlagenen Teil bestehen. Ein aerodynamisches Profil mit einer
derartigen Miniklappe ist beispielsweise in unserer unveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 101 56 733 beschrieben.
Ein Auslenken der Miniklappe mit herkömmlichen Stellhebeln würde nicht
nur ungünstige
Strömungsverhältnisse
mit sich bringen, sondern auch ein hohes Gewicht, da mehrere Stellhebel
erforderlich wären.
Ebenso wäre
ein hoher Montage- sowie Wartungsaufwand erforderlich.
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Folglich sind neue Aktuatorsysteme
notwendig, die insbesondere den Anforderungen einer hohen Miniaturisierung
gerecht werden. Aufgrund der strukturellen Anforderungen steht lediglich
sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung.
Die Klappen-Aktuatorik sollte auf eine stärkere Integration der funktionellen
Aufgaben von Antrieb und tragender Struktur ausgerichtet sein. Daneben
ist eine linienförmige bzw.
flächige
Kraft- bzw. Leistungsverteilung wünschenswert, um den klappenspezifischen
Erfordernissen gerecht zu werden.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zu Grunde, einen linienförmigen, hydraulischen Schwenkantrieb
mit identischem Drehsinn über
die gesamte Länge
der Antriebswelle zu schaffen, wobei der Schwenkantrieb eine geringe
Baugröße sowie
einen einfachen Aufbau aufweist, so dass er in bestehende Strukturen
integriert werden kann und geringen Wartungsaufwand erfordert.
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Die Aufgabe wird durch einen linienförmigen, hydraulischen
Schwenkantrieb gelöst,
der ein Gehäuse
mit Anschlüssen
zum Einführen
eines hydraulischen Mediums umfasst, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten
Kolben, der durch Einwirken des hydraulischen Mediums axial verschiebbar
ist, sowie eine mit Steilgewinden versehene Abtriebswelle, die mit
dem Kolben zusammenwirkt, um die axiale Bewegung des Kolbens in
eine Rotationsbewegung zu übertragen,
und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet,
dass die Abtriebswelle in den Kolben eingebracht ist, wobei die
Steilgewinde gleichsinnig ausgebildet sind und in den Kolben eingreifen,
und dass der Kolbenquerschnitt ein Polygon-Profil aufweist, um eine
Drehbewegung des Kolbens wirksam zu verhindern.
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Durch das Ausbilden des Kolbenquerschnittes
in Form eines Polygon-Profils wird die Drehmomentabstützung zum
Verhindern einer Drehung des Kolbens durch diesen selbst gewährleistet.
Zweckmäßigerweise
ist das Polygon-Profil im Eingriffsbereich von Abtriebswelle und
Kolben vorgesehen, d.h. in dem Querschnittsbereich des Kolbens,
wo Abtriebswelle und Kolben ineinander eingreifen. Alternativ kann
das Polygonprofil entlang des gesamten Kolbens ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Polygonprofil ein P4C-Profil nach DIN Norm
32712. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass die axiale Verschiebbarkeit
unter Momentenkraft gewährleistet
ist. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Mechanismen und Komponenten
erforderlich, um eine Drehung des Kolbens zu unterbinden. Ein einfacher
Aufbau ist gewährleistet.
Ferner ist es vorteilhaft, dass durch eine derartige Ausgestaltung
der Schwenkantrieb wesentlich kleiner als bekannte Anordnungen ist.
Besonders zweckmäßig ist
es hierbei, dass die Abtriebswelle beidseitig in den Kolben eingebracht ist.
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Dabei ist es insbesondere von Vorteil,
dass die Abtriebswelle zwei separate Abschnitte aufweist, an deren
jeweils in den Kolben eingreifenden Enden die gleichsinnigen Steilgewinde
angeordnet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Drehrichtung
der Abtriebswellenabschnitte identisch ist.
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Vorzugsweise sind die Abtriebswellenabschnitte über einen
Distanzstift rotationssymmetrisch miteinander verbunden, wobei der
Distanzstift in jeweilige in den Abtriebswellenabschnitten vorgesehene
Bohrungen eingeführt
ist. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Montage sowie Wartung
vorteilhaft.
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Zweckmäßigerweise ist der Kolben beidseitig
mit Gewindebuchsen versehen, in die die Steilgewinde der Abtriebswellenabschnitte
eingreifen. Auf diese Weise wird, wie bereits erwähnt, eine
einheitliche Drehrichtung der Abtriebswellenabschnitte bewirkt.
Zudem gewährleistet
dies eine möglichst
große Kraftübertragung.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der
Kolben eine zentrale Bohrung aufweist, durch den der Distanzstift durchgeführt ist.
Dadurch wird der Distanzstift auf einfache Weise gelagert. Zu diesem
Zweck kann ein Lager in der zentralen Bohrung angeordnet sein.
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Zweckmäßigerweise sind Axial-Radial-Lager,
vorzugsweise Wälzlager,
zum Lagern der Abtriebswelle vorgesehen. Alternative können die
axialen und radialen Komponenten auch separat ausgebildet sein.
Diese Lager ermöglichen
eine gut Aufnahme sowohl von axialen als auch radialen Kräften.
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Besonders vorteilhaft ist es, die
Axial-Radial-Lager in Gehäusedeckel
zu integrieren, die wiederum das Gehäuse dicht abschließen. Dies
bringt vorteilhafterweise eine kompakte Bauweise mit sich.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass
das hydraulische Medium bidirektional in das Gehäuse einführbar ist, was ein Schwenken
einer an dem Gehäuse angelenkten
Klappe in unterschiedliche Richtungen ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Schwenkantrieb findet insbesondere
zur Klappenauslenkung an Rotorblättern
oder Flugzeugtragflächen
Verwendung. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, den Antrieb in
eine Gelenkverbindung einer an ein aerodynamisches Profil angelenkten
Klappe zu integrieren, wobei eine Mehrzahl derartiger Antriebe linienförmig in
die Gelenkverbindung integriert ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung an
Hand der beigefügten
Abbildungen in näheren
Einzelheiten erläutert.
In denen zeigt:
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1 eine
schematische dreidimensionale Darstellung des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs;
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2 eine
Schnittansicht des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs;
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3 eine
Querschnittsansicht des in dem erfindungsgemäßen Schwenkantriebs verwendeten Kolben;
und
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4 mehrere,
linienförmig
angeordnete Schwenkantriebe, die in eine Gelenkverbindung einer
an einem aerodynamischen Profil angelenkten Klappe integriert sind.
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1 zeigt
in dreidimensionaler Ansicht einen erfindungsgemäßen linienförmigen, hydraulischen Schwenkantrieb
1 zum Umsetzen einer Axialbewegung in eine Drehbewegung. Der Antrieb
umfasst ein Gehäuse 2,
das zwei Anschlüsse 3, 4 für ein hydraulisches
Medium (z.B. ein Fluid) aufweist. Im Inneren des Gehäuses 2 ist
ein Kolben 5 sowie eine mit dem Kolben 5 in Verbindung
stehende Abtriebswelle 6 angeordnet. Zur besseren Darstellung
ist das Gehäuse 2 sowie
der Kolben 5 in 1.
teilweise in geschnittener Ansicht gezeigt. In den symmetrisch ausgebildeten
Kolben 5 ist die Abtriebswelle 6 beidseitig eingebracht.
Um das Einführen
sowie die Wartung des Schwenkantriebes zu erleichtern, besteht die
Abtriebswelle 6 vorzugsweise zumindest aus zwei separaten
Abschnitten 6a, 6b. Die jeweils in den Kolben 5 eingreifenden
Enden der Abtriebswellenabschnitte 6a, 6b sind
mit gleichsinnig verlaufenden Steilgewinden 8a, 8b versehen.
Durch die gleichsinnig ausgebildeten Steilgewinde 8a, 8b ist
sichergestellt, dass die Drehrichtung der beiden Abtriebswellenabschnitte 6a, 6b identisch
ist, was nachstehend noch genauer beschrieben wird.
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Wie 2 besser
zu entnehmen ist, ist der Kolben 5 entsprechend beidseitig
mit Gewinden 5a, 5b versehen, um den Eingriff
der Antriebswellenabschnitte 6a, 6b in den Kolben 5 zu
gewährleisten.
Geeigneterweise sind die Gewinde 5a, Sb in Form von Gewindebuchsen
ausgestaltet. Innerhalb des Kolbens 5 sind die beiden Abtriebswellenabschnitte 6a, 6b über einen
Distanzstift 7 rotationssymmetrisch miteinander verbunden
(2). Hierzu ist der
Kolben 5 mit einer zentralen Bohrung 10 versehen,
in dem der Distanzstift 7, vorzugsweise unter Verwendung eines
Dichtringes 11, lagert. Gleichzeitig ist der Distanzstift 7 in
entsprechende, in den Abtriebswellenabschnitten 6a, 6b eingebrachte
Bohrungen 9a, 9b eingeführt. Eine Vorspannung des Distanzstiftes 7 kann
durch geeignete elastische Elemente 16 (z.B. Gummis oder
dergleichen) erzielt werden, die ebenso in die Bohrungen 9a, 9b eingeführt sind.
Auf diese Weise entsteht ein rotationssymmetrisches Achspaket, das
im wesentlichen aus Abtriebswellenabschnitten 6a, 6b und
Distanzstift 7 besteht.
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Die Lagerung des Achspaketes innerhalb des
Gehäuses 2 muss
einen Teil der axial durch den Kolben 5 erzeugten Kraft
auffangen. Zusätzlich
muss die Abtriebswelle 6 in radialer Richtung geführt werden.
Dies erfolgt durch Axial-Radial-Lager, die in Figs. 1 und 2 mit
Bezugsziffern 12 und 13 bezeichnet sind. Alternativ
können
die axialen bzw. radialen Komponenten der Lager getrennt ausgebildet
sein. Vorzugsweise werden jedoch Wälzlager verwendet. Die Lager 12, 13 sind
typischerweise in die Gehäusedeckel 14, 15 integriert,
die das Gehäuse 2 jeweils beidseitig
dicht abschließen.
Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Bauteile so aufeinander
abgestimmt, dass das Achspaket durch die Gehäusedeckel 14, 15 in
Verbindung mit dem elastischen Element 16 axial vorgespannt
ist.
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Im folgenden wird die Funktionsweise
des erfindungsgemäßen Schwenkantriebs
an Hand von Figs. 1 und 2 beschrieben. Über den Anschluss 3 wird
das hydraulische Medium in Pfeilrichtung in das Gehäuse 2 eingeführt. Aufgrund
des dadurch auf den Kolben 5 einwirkenden Druckes wird
dieser axial nach links (s. Pfeilrichtung) verschoben. Um die axiale
Bewegung des Kolbens 5 in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 6 zu übertragen,
die, wie geschildert, mit dem Kolben 5 über die Steilgewinde 8a, 8b zusammenwirkt,
ist eine Drehmomentabstützung
erforderlich. Mit anderen Worten, die Drehbewegung des Kolbens 5 muss
wirksam verhindert werden, ansonsten ist eine Umsetztung der Axialbewegung
in eine Drehbewegung nicht möglich.
Die Drehmomentabstützung
wird erfindungsgemäß durch
die Querschnittsform des Kolbens 5 selbst gewährleistet.
Der Querschnitt des Kolbens 5 weist hierzu ein Polygon-Profil
auf, das vorzugsweise ein P4C-Profil
nach DIN-Norm 32712 ist. Das Polygon-Profil erstreckt sich dabei
im wesentlichen über
den Querschnittsbereich, der mit den Gewinden 5a, 5b versehen
ist; d.h. das Polygon-Profil
ist im wesentlichen dort angeordnet, wo die Steilgewinde 8a, 8b der
Abtriebswelle 6 in den Kolben 5 eingreifen. Im
Folgenden wird hierfür auch
der Begriff "Eingriffsbereich" verwendet. Selbstverständlich kann
sich das Polygonprofil auch über die
gesamte Länge
des Kolbens 5 erstrecken. Eine Schnittansicht des Kolbens 5 entlang
der in 2 gezeigten Linie
D, D' ist in 3 dargestellt. Ein derartiges
Polygon-Profil ermöglicht,
dass einerseits genügend
Kraft auf die Abtriebswelle übertragen
wird. Andererseits ist dadurch ein sogenanntes "Durchrutschen" der Abtriebswelle 6 gewährleistet,
was wiederum ein Drehen des Kolbens 5 verhindert.
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Zum Umkehren der Drehrichtung der
Abtriebswelle 6 bzw. der Schwenkrichtung des Antriebs 1 wird
lediglich die Einlassrichtung des hydraulischen Mediums geändert. Der
Anschluss 4 wird zum Einlass und der Anschluss 3 wird
zum Auslass für
das hydraulische Medium. Das Einführen des Mediums erfolgt also
je nach gewünschter
Schwenkrichtung bidirektional. Ferner sei angemerkt, dass Kolbenhub, der
in 2 mit Bezugsziffer 17 bezeichnet
ist, und Gewindesteigung aufeinander abgestimmt sind, um einen vordefininierten
Auslenkwinkel zu erhalten. Ausserdem muss die Steigung des Gewindes
so groß sein,
dass keine Selbsthemmung des Antriebs auftritt. Dabei ist der Antrieb
um so effizienter, je steiler das Gewinde ausfällt. Mit der Steilheit des
Gewindes steigt auch die axiale notwendige Bewegung des Kolbens
(Hub 17), um einen bestimmten Schwenkwinkel zu erreichen.
Gleichzeitig wird damit das hydraulische Arbeitsvolumen und somit
eine Feinpositionierung bzw. Regelbarkeit des Schwenkwinkels einfacher.
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4 zeigt
eine Anwendung des erfindungsgemäßen Schwenkantriebes
zur Auslenkung einer sogenannten Miniklappe. In 4 ist das hintere Ende eines aerodynamischen
Profils 20 schematisch dargestellt. An der Unterseite 21 des
Profils 20 ist eine Klappe 22 über eine gelenkförmige Verbindung 23 angelenkt.
Die Schwenkachse 24 der Gelenkverbindung 23 verläuft parallel
zur Hinterkante 25 des Profils. Um eine gleichmäßige Kraftübertragung
entlang der Schwenkachse 24 zu erzielen, sind mehrere erfindungsgemäße Schwenkantriebe 1 linien-
bzw. stabförmig
angeordnet. Die Anschlüsse 3, 4 der
einzelnen Schwenkantriebe 1 sind vorzugsweise parallel
versorgt. Der Einlass des hydraulischen Mediums erfolgt wiederum
bidirektional, je nach gewünschter Schwenkrichtung.
Durch eine derartige Anordnung werden die Betätigungskräfte flächig eingebracht und nicht
wie bisher punktuell. Aufgrund der geringen Baugröße des Schwenkantriebs 1 kann
die in 4 gezeigte "Besenstielanordnung" in die Gelenkverbindung 23 integriert
werden. Derartige integrierte, rotationssymmetrische Aktuatorsysteme
sind bereits mit Durchmessern kleiner 28 mm hergestellt worden. Vorzugsweise
beträgt
der Durchmesser des Schwenkantriebes nicht mehr als 20 mm.