DE10326366A1

DE10326366A1 - Zellulare Aktuatoreinrichtung

Info

Publication number: DE10326366A1
Application number: DE10326366A
Authority: DE
Inventors: Kay Dipl.-Ing. Dittrich
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: DE10326366B4; US20050029406A1; US7055782B2

Abstract

Beschrieben wird eine zellulare Aktuatoreinrichtung mit einer Anzahl von zu einer gemeinsamen Anordnung (100; 200; 300) kombinierten, durch druckdichte Kammern (11, 12, 13; 21, 22; 31, 32, 34, 35; 41) gebildeten Elementarzellen (10; 20; 30; 40), die mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind und die bei Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Längenänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung verformbar sind, wobei die Elementarzellen (10; 20; 30; 40) zur Kombination ihrer Längenänderungen in der mindestens einen Arbeitsrichtung zu einer Gesamtbewegung der Elementarzellenanordnung (100; 200; 300) gekoppelt sind. Die Aktuatoreinrichtung ist insbesondere geeignet zur Betätigung einer Steuerfläche eines Luft- oder Raumfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft eine zellulare Aktuatoreinrichtung, insbesondere zur Betätigung einer Steuerfläche eines Luft- oder Raumfahrzeugs.

Zur Betätigung von Steuerflächen von Luft- oder Raumfahrzegugen, so wie von Ruder- oder Trimmflächen, die in einem Flügel oder in einer Flosse eines Luft- oder Raumfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, vorgesehen sind, finden herkömmlich überwiegend Hydraulikantriebe Verwendung. In der Regel bestehen diese aus zylindrischen Hydraulikkolben, die zwischen zwei Ansteuerungspunkten eine Verschiebung in Form einer linearen Bewegung bewirken.

Wendet man dieses weitverbreitete Konzept des Hydraulikzylinders auf Anwendungsfälle an, bei denen die lineare Bewegung auf einer breiteren Fläche ausgeübt werden soll, sind zusätzliche mechanische Hilfskonstruktionen notwendig. Ein klassisches Beispiel hierfür ist der Antrieb einer Steuerfläche eines Flugzeugs. Zur Seitensteuerung eines Flugzeugs beispielsweise ist, wie in 1 dargestellt, in der Regel eine feststehende Seitenflosse 2 und ein dagegen bewegliches Seitenruder 3 vorgesehen. Das Seitenruder 3 ist an der Seitenflosse 2 mittels eines aus mehreren Gelenken bestehenden Scharniers 4 drehbeweglich gelagert und mittels eines Hydraulikzylinders 5 antreibbar. Die Gelenke des Scharniers 4 halten Seitenflosse 2 und Seitenrunder 3 aneinander und bewirken, dass das Ruder 3 gegenüber der Flosse 2 nur Bewegungen um die Gelenkachse durchführen kann. Der Hydraulikzylinder 5 verbindet die Flosse 2 und das Ruder 3 über einen in der Figur nur angedeuteten Hebelarm 5a und kann damit einerseits das auf Grund der Ruderbelastung auftretende Torsionsmoment um die Gelenkachse aufnehmen und andererseits eine Verstel lung des Ruders 3 gegenüber der Flosse 2 bewirken. Aus Gründen der Ausfallsicherheit sind oftmals redundante Hydrauliksystem notwendig, was durch eine Kombination mehrerer Hydraulikzylinder an einem Ruder erreicht wird. In diesem Fall sind zusätzliche komplexe Vorkehrungen notwendig, um die Funktionsfähigkeit auch beim Blockieren eines der Hydraulikzylinder sicherzustellen.

Ein wesentlicher Nachteil ist, dass die Belastungen flächig auf Ruder und Flosse verteilt sind, aber nur lokal über die Gelenke und den oder die Hydraulikzylinder zwischen beiden Komponenten übertragen werden können. Daher muss die Struktur von Flosse und Ruder so verstärkt werden, dass die sich aus der aerodynamischen Belastung und den Massenlasten auf der Fläche aufbauenden Lasten zu den lokalen Krafteinleitungen, nämlich den Glenken und den Befestigungspunkten des oder der Hydraulikzylinder geleitet werden können. Das vorstehend am Beispiel eines Seitenruders eines Flugzeugs erläuterte gilt sinngemäß für die meisten Steuerflächen eines Luft- oder Raumfahrzeugs.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Aktuatoreinrichtung zu schaffen, welche in der Lage ist flächig verteilte Lasten aufzunehmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebene zellulare Aktuatoreinrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen zellularen Aktuatoreinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird eine zellulare Aktuatoreinrichtung mit einer Anzahl von zu einer gemeinsamen Anordnung kombinierten, durch druckdichte Kammern gebildeten Elementarzellen, die mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind und die bei Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Längenänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung verformbar sind, geschaffen, wobei die Ele mentarzellen zur Kombination ihrer Längenänderungen in der mindestens einen Arbeitsrichtung zu einer Gesamtbewegung der Elementarzellenanordnung gekoppelt sind.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen zellularen Aktuatoreinrichtung ist es, dass sie in einer flächigen, in einem großen Maße beliebig gekrümmten oder auch zylindrischen oder sphärischen Anordnung vorgesehen werden kann. Dabei übernehmen die Elementarzellen jeweils einen Teil der Funktion der gesamten Aktuatoreinrichtung. Als Druckmedium kann vorteilhafterweise Hydraulikflüssigkeit oder ein Gas z.B. Luft verwendet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der zellularen Aktuatoreinrichtung können die Elementarzellen jeweils eine einzige druckdichte Kammer enthalten.

Gemäß einer Ausführungsform können die Elementarzellen bei Beaufschlagung der druckdichten Kammern mit dem Druckmedium unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontahierend verformbar sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Elementarzellen bei Beaufschlagung der druckdichten Kammern mit dem Druckmedium unter Längenrichtung in Arbeitsrichtung expandierend verformbar sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Elementarzellen jeweils mindestens eine erste druckdichte Kammer und mindestens eine zweite druckdichte Kammer enthalten.

Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Elementarzellen bei Beaufschlagung der (hier so definierten) ersten druckdichten Kammern unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontrahierend verformbar sind.

Dementsprechend kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Elementarzellen bei Beaufschlagung der (hier so definierten) zweiten druckdichten Kammern unter Längenänderung in Arbeitsrichtung expandierend verformbar sind.

Vorteilhafterweise haben die (ersten) druckdichten Kammern in Richtung parallel zur Arbeitsrichtung eine im wesentlichen konvexe Querschnittsform, wobei eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Verstärkung der Konvexität der druckdichten Kammern eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Kontraktion in Arbeitsrichtung bewirkt.

Vorteilhafterweise haben andererseits die (zweiten) druckdichten Kammern in Richtung parallel zur Arbeitsrichtung eine im wesentlichen konkave Querschnittsform, wobei eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Abschwächung der Konkavität der druckdichten Kammern eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Expansion in Arbeitsrichtung bewirkt.

Vorzugsweise sind die druckdichten Kammern durch in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegende Enden und sich zwischen den Enden erstreckende Seitenwände und die Kammern an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite abdichtende obere und untere Deckwände begrenzt.

Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Seitenwände der druckdichten Kammern in der Hälfte ihrer Ausdehnung zwischen den Enden geteilt und die Teile der Seitenwände dort gelenkig, insbesondere durch ein Festkörpergelenk, miteinander verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsform können die oberen und/oder unteren Deckwände durch nach außen konvexe Dome gebildet sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können die oberen und/oder unteren Deckwände durch nach innen konvexe Dome gebildet sein.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform können die oberen und/oder unteren Deckwände durch starre Deckplatten gebildet und durch zwischen den Seitenwänden und den starren Deckplatten wirksame Dichtungselemente abgedichtet sein.

Gemäß einer Ausführungsform können die druckdichten Kammern an ihren in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegenden Enden im wesentlichen spitz zulaufen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können die druckdichten Kammern an ihren in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegenden Enden mehr oder weniger ausgedehnte Endflächen aufweisen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Elementarzellen unter Längenänderung in einer Arbeitsrichtung verformbar sein.

Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Elementarzellen unter Längenänderung in mindestens zwei Arbeitsrichtungen verformbar sein.

Vorzugsweise ist die Elementarzellenanordnung zweidimensional.

Die Elementarzellen können in einer matrixähnlichen Anordnung parallel nebeneinander und übereinander in Zeilen und Spalten angeordnet sein.

Alternativ können die Elementarzellen in einer wabenähnlichen Anordnung versetzt nebeneinander und übereinander angeordnet sein.

Vorzugsweise sind zwischen jeweiligen gemeinsam mit dem Druckmedium beaufschlagbaren Kammern Durchlasskanäle vorgesehen.

Die Aktuatoreinrichtung kann zur Betätigung einer Steuerfläche eines Luft- oder Raumfahrzeugs vorgesehen sein.

Insbesondere kann die Aktuatoreinrichtung als flächiger Antrieb zur Betätigung einer Ruder- oder Trimmfläche eines formvariablen Flügels oder einer formvariablen Flosse eines Luft- oder Raumfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, vorgesehen sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung des Hecks eines nur teilweise dargestellten Flugzeugs zur Erläuterung einer herkömmlichen Art zur Betätigung einer Steuerflosse desselben;
2 eine Draufsicht auf eine Seitenflosse eines Flugzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (2a) und eine etwas vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-B (2b);
3a) bis 3c) schematisierte Ansichten von Elementarzellen einer zellularen Aktuatoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4a) bis 4g) schematisierte Ansichten von Beispielen typischer Elementarzellen, wie sie bei der erfindungsgemäßen zellularen Aktuatoreinrichtung Verwendung finden können;
5a) bis 5c) Draufsichten auf Teile von Elementarzellenanordnungen für eine zellulare Aktuatoreinrichtung nach drei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
6 eine schematisierte Darstellung einer Elementarzellenanordnung ähnlich der in 5b) gezeigten, zur Erläuterung verschiedener Aspekte von deren Funktionsweise;
7a) und 7b) eine Ansicht einer Elementarzellenanordnung sowie eines vergrößerten Ausschnitts daraus zur Erläuterung weiterer Aspekte von deren Funktionsweise; und
8a) bis 8d) eine Draufsicht bzw. vergrößerte Seitenansichten des Schnitts A-B zur Erläuterung von drei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zur Abdeckung von Elementarzellen einer zellularen Aktuatoreinrichtung gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die bereits eingangs angesprochene 1 zeigt einen Heckbereich eines Flugzeugs 1 mit einem Seitenruder 3, welches Bestandteil einer Seitenflosse 2 desselben ist. Das Seitenruder 3 ist an der Seitenflosse 2 um ein lediglich durch eine teilweise strichpunktierte Linie angedeutetes Scharnier 5 drehbar gelagert. Herkömmlicherweise ist das Seitenruder 3 über einen oder mehrere Hydraulikzylinder 5 betätigbar, welche über einen Hebelarm 5a einerseits mit dem Seitenruder 3 und andererseits an einem Teil der feststehenden Struktur des Flugzeugs 1 angelenkt sind.
Die in 2 dargestellte Seitenansicht von Seitenflosse 2 und Seitenruder 3 zeigt in vereinfachter und schematisierter Weise ein Ausführungsbeispiel einer zellularen Aktuatoreinrichtung gemäß der Erfindung. Diese zellulare Aktuato reinrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist, besteht in einem flächigen Antrieb, welcher beiderseits einer gedachten Scharnierachse 4 angeordnet ist, um welche das Seitenruder 3 gegenüber der Seitenflosse 2 drehbar ist. Die beiden den flächigen Antrieb des Seitenruders 3 bildenden Komponenten sind Bestandteile einer zellularen Aktuatoreinrichtung, durch welche die Seitenflosse 2 zusammen mit dem Seitenruder 3 einen formvariablen Flügel bzw. hier eine formvariable Seitenflosse mit einem sanften Übergang von der bezüglich dem Flugzeug feststehenden Seitenflosse 2 auf das bewegliche Seitenruder 3 bildet.
Nunmehr bezugnehmend auf die 3, 4 und 5 sollen zunächst einige allgemeine Eigenschaften der zellularen Aktuatoreinrichtung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben werden. So besteht die zellulare Aktuatoreinrichtung aus einer Anzahl von Elementarzellen 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80, die zu einer gemeinsamen Elementarzellenanordnung 100; 200; 300 kombiniert sind und durch jeweils eine oder mehrere druckdichte Kammern 11, 12, 13; 21, 22; 31, 32, 33, 34, 35; 41; 52; 61; 71, 72, 73; 81 gebildet sind.
Die Elementarzellen 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80 sind mit einem Druckmedium beaufschlagbar und bei Beaufschlagung mit diesem unter Längenänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung verformbar. Das Druckmedium kann ein flüssiges Hydraulikfluid sein oder es kann gasförmig sein, beispielsweise Luft.
Die Elementarzellen 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80 sind zur Kombination ihrer Längenänderungen in der mindestens einen Arbeitsrichtung zu einer Gesamtbewegung der Elementarzellenanordnung 100; 200; 300 miteinander gekoppelt. Im Falle des in 2 dargestellten Seitenruders wäre die gebildete zellulare Aktuatoreinrichtung in einer Arbeitsrichtung unter Längenänderung verformbar, nämlich in einer Richtung quer zur Scharnierachse 4, also im wesentlichen in Richtung der in 2a) gezeigten Schnittlinie A-B. Für eine Auslenkung des Seitenruders 3 beispielsweise nach oben in 2b) würde die obere zellulare Aktuatoreinrichtung 6 kontrahiert und die untere zellulare Aktuatoreinrichtung 6 dagegen expandiert werden, bzw. Umgekehrt.
Nun soll anhand eines Ausführungsbeispiels, welches in den 3a) bis 3c) dargestellt ist, die grundlegende Funktionsweise einer bidirektionalen Elementarzelle 10 erläutert werden. Die Elementarzelle 10 ist von einem Typ, welche mindestens eine erste druckdichte Kammer und mindestens eine zweite druckdichte Kammer enthält, so dass eine bidirektionale Funktionsweise möglich ist.
Bei dem in 3a) bis 3c) dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Elementarzelle 10 zwei erste druckdichte Kammern 11, 13 und eine zweite druckdichte Kammer 12. Diese Kammern 11, 12, 13 sind durch vertikal zur Zeichenebene verlaufende Wände 19, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine einzige bezeichnet ist, sowie in der Figur nicht dargestellte obere und untere Abdeckungen gebildet und begrenzt. Die einzelnen Wände sind durch biegeweiche Gelenke, beispielsweise in Form von Streifen reduzierter Wandstärke, miteinander verbunden, von denen in 3 zwei Gelenke 14a, 14b dargestellt sind.
Die zweite Kammer 12 wird in ihrem Inneren von einem Druck P2 beaufschlagt, während die ersten Kammern 11, 13 beide mit dem gleichen Druck P1 beaufschlagt sind. Bei gleichem Druck P1 = P2 in den drei Kammern 11, 12, 13 befindet sich die Elementarzelle 10 in ihrer Neutrallage, welche in 3b) dargestellt ist. Bei Erhöhung des Drucks P1 in den beiden ersten Kammern 11, 13 gegenüber dem Druck P2 in der zweiten Kammer 12 erhöht sich das Volumen in den beiden ersten Kammern 11, 13 gegenüber dem Volumen in der zweiten Kammer 12, was zu einer Kontraktion der Elementarzelle 10 in der durch die beiden Pfeile dargestellten Arbeitsrichtung führt, vergleiche 3a). Wird andererseits der Druck P2 in der zweiten Kammer 12 gegenüber dem Druck P1 in den ersten Kammern 11, 13 erhöht, so führt dies zu einer Expansion des Volumens in der zweiten Kammer 12 gegenüber den Volumina in den ersten Kammern 11, 13 und die Elementarzelle 10 expandiert in der dargestellten Arbeitsrichtung, vergleiche 3c). 3 ist lediglich schematisch zu verstehen, die Querschnittsform der ersten Kammern 11, 13 kann in der Neutrallage, 3b ), eher der in 3c) gezeigten ähnlich sein, so dass sich bei Erhöhung des Drucks P1 nicht nur eine relative Volumenvergrößerung gegenüber dem Volumen der zweiten Kammer 12 ergibt, sondern auch eine absolute Vergrößerung des Volumens der ersten Kammern 11, 13.
Die Längenänderung der Elementarzelle 10 wird in der zellularen Aktuatoreinrichtung zu einer Gesamtbewegung gekoppelt, welche dann als Steuerbewegung nutzbar ist.
4 zeigt einige Beispiele von möglichen typischen Formen von Elementarzellen stellvertretend für eine ganze Anzahl von verschiedenen Formen von solchen.
4a) zeigt eine kontraktierende Elementarzelle 60 mit einer einzigen Kammer 61.
4b) zeigt eine expandierende Elementarzelle 50 mit einer einzigen Kammer 52.
4c) zeigt eine bidirektionale Elementarzelle 10 mit zwei ersten Kammern 11, 13 und einer zweiten Kammer 12, wie sie vorher unter Bezugnahme auf 3 erläutert wurde.
4d) zeigt eine gestreckte bidirektionale Elementarzelle 70 mit zwei ersten Kammern 71, 73 und einer zweiten Kammer 72, welche von ihrer Funktionsweise her der in 4c) gezeigten bidirektionalen Elementarzelle 10 ähnlich ist.
4e) zeigt eine elliptische kontraktierende Elementarzelle 80 mit einer einzigen Kammer 81.
4f) zeigt eine Elementarzelle 40, welche durch eine einzige Kammer 41 gebildet ist und die in zwei zueinander senkrechten Richtungen in zweidimensionaler Weise zu expandieren in der Lage ist, wie durch die Pfeile gezeigt.
4g) schließlich zeigt ebenfalls eine zweidimensional funktionale Elementarzelle 30, welche durch eine erste Kammer 31 und vier zweite Kammern 32, 33, 34, 35 gebildet ist.
Die Arbeitsrichtung, der mögliche Hub und die möglichen Kräfte der dargestellten Elementarzellen 10...80 sind durch die Konfiguration der Zellen festgelegt. Je nach Konfiguration ergeben sich zellulare Kräfte, die nur Zug, d.h. Kontraktion, nur Druck, d.h. Expansion, oder auch eine Kombination von Zug und Druck aufbauen können. Somit sind zellulare Aktuatoreinrichtungen denkbar, die nur in einer Raumrichtung wirken und in den Raumrichtungen normal dazu keine Querdehnung aufweisen, andererseits sind Konfigurationen möglich, die eine definierte Kopplung zwischen den Ausdehnungen in verschiedenen Raumrichtungen zeigen.
Wesentliches Merkmal der zellularen Aktuatoreinrichtung ist die Kombination einzelner Elementarzellen zu einer Elementarzellenanordnung, bei der die Längenänderungen in einer oder mehreren Arbeitsrichtungen additiv zusammengefasst sind.
Die in den 4a), 4b), 4e) und 4f) dargestellten Elementarzellen 40; 50; 60; 80 sind durch eine einzige druckdichte Kammer 41; 52; 61; 81 gebildet. Bei Beaufschlagung mit dem Druckmedium sind sie unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontrahierend verformbar, vergleiche 4a) und 4e) bzw. expandierend verformbar, vergleiche 4b) und 4f).
Die in den 4c), 4d) und 4g) gezeigten Elementarzellen 10; 30; 50; 70 enthalten jeweils mindestens eine erste druckdichte Kammer 11, 13; 21; 31; 71, 73 und mindestens eine zweite druckdichte Kammer 12; 22; 32, 33, 34, 35; 72. Sie sind bei Beaufschlagung der ersteren unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontrahierend verformbar, bei Beaufschlagung der zweiten unter Längenänderung in Arbeitsrichtung expandierend verformbar. Wenn die (ersten) druckdichten Kammern 11, 13; 21; 61; 71, 73; 81 in einer parallel zur Arbeitsrichtung verlaufenden Richtung eine im wesentlichen konvexe Querschnittsform haben, bewirkt eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Verstärkung der Konvexität derselben eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Kontraktion in Arbeitsrichtung, d.h. die Kammern werden bauchiger und kürzer. Wenn die (zweiten) druckdichten Kammern 12; 52; 72 in Richtung parallel zur Arbeitsrichtung eine im wesentlichen konkave Querschnittsform haben, bewirkt eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Abschwächung der Konkavität derselben eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Expansion in Arbeitsrichtung, d.h. die Kammern werden weniger hohl und länger.
5a) bis 5c) zeigt drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Elementarzellenanordnungen 100; 200; 300 in zweidimensionaler Form.
Bei dem in 5b) dargestellten Ausführungsbeispiel 200 sind die Elementarzellen 20 parallel nebeneinander und übereinander in Zeilen und Spalten in einer matrixähnlichen Anordnung vorgesehen. Die Elementarzellen 20 entspre chen im wesentlichen den in 3a) bis 3c) und in 4c) dargestellten bidirektionalen Elementarzellen 10, wobei jedoch jede Elementarzelle 20 effektiv lediglich eine erste Kammer 21 und eine zweite Kammer 22 aufweist, oder mit anderen Worten, zwei benachbarte Elementarzellen 20 teilen sich jeweils eine erste Kammer 21, im übrigen ist die Funktion die gleiche wie bei den in 3a) bis 3c) und 4c) dargestellten Elementarzellen 10.
Bei den in 5a) und 5c) dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Elementarzellen 10; 30; 40 in einer wabenähnlichen Anordnung 100 bzw. 300 nebeneinander und übereinander versetzt angeordnet.
Während die in 5b) dargestellte Elementarzellenanordnung 2 lediglich in einer durch die Pfeile dargestellten Arbeitsrichtung bidirektional verformbar ist, sind die in den 5a) und 5c) dargestellten Elementarzellenanordnungen 100 und 300 in zwei zueinander senkrechten Arbeitsrichtungen verformbar, wie durch die Pfeile gezeigt.
Wesentlich ist die Kombination der einzelnen Elementarzellen zu der gemeinsamen Elementarzellenanordnung der zellularen Aktuatoreinrichtung.
Wie 6 zeigt, welche eine Elementarzellen 200 ähnlich der in 5b) gezeigten darstellt, sind die ersten Kammern 21 der Elementarzellen 20 zu einem ersten Kammernsystem 210 zusammengefasst, die zweiten Kammern 22 der Elementarzellen 20 sind zu einem zweiten Kammernsystem 220 zusammengefasst. Zwischen den gemeinsam mit dem Druckmedium beaufschlagbaren ersten Kammern 21 des ersten Kammernsystems 210 sind Durchlasskanäle 240 vorgesehen und zwischen den gemeinsam mit dem Druckmedium beaufschlagbaren zweiten Kammern 22 des zweiten Kammernsystems 20 sind Durchlasskanäle 245 vorgesehen.
Bei 7, welche nochmals eine Elementarzellenanordnung 200 ähnlich der in 5b) gezeigten darstellt, sind die Durchlasskanäle 240 in einer Verbindungsfläche zwischen zwei benachbarten Kammern verschiedener Elementarzellen vorgesehen und die Wände 29 der Elementarzellen sind über Gelenke oder gelenkige Verbindungsstellen 24 miteinander verbunden.
8 zeigt exemplarisch anhand einer Elementarzelle 10 ähnlich der in den 3a) bis 3c) und 4c) dargestellten deren seitlichen Aufbau. So sind die druckdichten Kammern der Elementarzellen durch in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegende Enden und sich zwischen den Enden erstreckende Seitenwände 19 und durch die Kammern an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite abdichtende obere und untere Deckwände begrenzt.
Diese oberen und/oder unteren Deckwände können durch nach außen konvexe Dome 171, 172, 173 gebildet sein, wie in 8b) gezeigt.
Alternativ können sie durch nach innen konvexe Dome 181, 182, 183 gebildet sein, wie in 8c) gezeigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die oberen und/oder unteren Deckwände durch starre Deckplatten 190 gebildet sein, die durch zwischen den Seitenwänden 19 und den starren Deckplatten 190 wirksame Dichtungselemente 195 abgedichtet sind.
Wiederum allgemein bezugnehmend auf die 3, 4 und 5 können die druckdichten Kammern 11, 13; 21; 31; 41; 61; 71, 73 so ausgebildet sein, dass sie an ihren in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegenden Enden im wesentlichen spitz zulaufen, d.h. ohne besonders ausgedehnte Endflächen, oder sie können an ihren in Arbeitsrichtung gegenüberliegenden Enden mehr oder weniger ausgedehnte Endflächen 17 haben, so wie die Kammern 12; 22; 32, 33, 34, 35; 52; 72, vergl. insbesondere 4b), 4c), 4d) und 4g), und wie besonders für die Kammern 12 mit den Endflächen 17, 18 gezeigt, vergl. insbesondere 3b).
Die einzelnen Elementarzellen können so kombiniert werden, dass sich verschiedene Formen der zellularen Aktuatoreinrichtung ergeben. Im einfacheren Fall sind die Elementarzellen in einer Ebene angeordnet, so dass sich ein plattenförmiger zellularer Aktuator ergibt. Durch andere räumliche Anordnungen der Elementarzellen sind auch einfach oder sphärisch oder allgemein dreidimensional gekrümmte Aktuatoren denkbar, auch räumlich geschlossene Konfigurationen wie etwa rohrartige Aktuatorstrukturen sind denkbar.
Die Realisierung der Elementarzellen kann, je nach Anwendungsbereich, aus unterschiedlichen Materialien erfolgen. Für hohe Drücke und Temperaturen wären Elementarzellen aus Metall besonders sinnvoll, während für geringere Drücke auch Kunststoffe oder faserverstärkte Kunststoffe in Frage kommen.

1: Flugzeug
2: Seitenflosse
3: Seitenruder
4: Scharnier
5: Hydraulikzylinder
5a: Hebelarm
6: zellulare Aktuatoreinrichtung
10;20;30;40: Elementarzelle
11,13;21;31;41;61;71,73;81: erste Kammer
12;22;32,33,34,35;52;72: zweite Kammer
14;24: Gelenk
15: Ende
16: Ende
17: Endfläche
18: Endfläche
19;29: Kammerwand
100;200;300: Elementarzellenanordnung
210: erstes Kammersystem
220: zweites Kammersystem
240;245: Kanäle für Druckmedium
171;172:173: Deckwände
181;182;183: Deckwände
190: Deckwände
195: Dichtungselemente

Claims

Zellulare Aktuatoreinrichtung mit einer Anzahl von zu einer gemeinsamen Anordnung (100; 200; 300) kombinierten, durch druckdichte Kammern (11, 12, 13; 21, 22; 31, 32, 33, 34, 35; 41; 52; 61; 71, 72, 73; 81) gebildeten Elementarzellen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80), die mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind und die bei Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Längenänderung in mindestens einer Arbeitsrichtung verformbar sind, wobei die Elementarzellen (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80) zur Kombination ihrer Längenänderungen in der mindestens einen Arbeitsrichtung zu einer Gesamtbewegung der Elementarzellenanordnung (100; 200; 300) gekoppelt sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (40; 50; 60; 80) jeweils eine einzige druckdichte Kammer enthalten.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 30; 40; 60; 70; 80) bei Beaufschlagung der druckdichten Kammern (11, 13; 21; 31; 41; 61; 71, 73; 81) mit dem Druckmedium unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontrahierend verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 30; 40; 50; 70) bei Beaufschlagung der druckdichten Kammern (12; 22; 32, 33, 34, 35; 52; 72) mit dem Druckmedium unter Längenrichtung in Arbeitsrichtung expandierend verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 30; 70) jeweils mindestens eine erste druckdichte Kammer (11, 13; 21; 31; 71, 73) und mindestens eine zweite druckdichte Kammer (12; 22; 32, 33, 34, 35; 72) enthalten.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 30; 70) bei Beaufschlagung der ersten druckdichten Kammern (11, 13; 21; 31; 71, 73) unter Längenänderung in Arbeitsrichtung kontrahierend verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 30; 70) bei Beaufschlagung der zweiten druckdichten Kammern (12; 22; 32, 33, 34, 35; 72) unter Längenänderung in Arbeitsrichtung expandierend verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die (ersten) druckdichten Kammern (11, 13; 21; 61; 71, 73; 81) in Richtung parallel zur Arbeitsrichtung eine im wesentlichen konvexe Querschnittsform haben, wobei eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Verstärkung der Konvexität der druckdichten Kammern (11, 13; 21; 61; 71, 73; 81) eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Kontraktion in Arbeitsrichtung bewirkt.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die (zweiten) druckdichten Kammern (12; 22; 52; 72) in Richtung parallel zur Arbeitsrichtung eine im wesentlichen konkave Querschnittsform haben, wobei eine Beaufschlagung mit dem Druckmedium unter Abschwächung der Konkavität der druckdichten Kammern (12; 22; 52; 72) eine Vergrößerung der Ausdehnung quer zur Arbeitsrichtung und eine Expansion in Arbeitsrichtung bewirkt.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die druckdichten Kammern durch in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegende Enden und sich zwischen den Enden erstreckende Seitenwände (19; 29) und die Kammern an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite abdichtende obere und untere Deckwände (171, 172, 173; 181, 182, 183; 190) begrenzt sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (19; 29) in der Hälfte ihrer Ausdehnung zwischen den Enden geteilt und die Teile der Seitenwände (19; 29) dort gelenkig, insbesondere durch ein Festkörpergelenk (14a) miteinander verbunden sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und/oder unteren Deckwände durch nach außen konvexe Dome (171, 172, 173) gebildet sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und/oder unteren Deckwände durch nach innen konvexe Dome (181, 182, 183) gebildet sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und/oder unteren Deckwände durch starre Deckplatten (190) gebildet und durch zwischen den Seitenwänden (19) und den starren Deckplatten (190) wirksame Dichtungselemente (195) abgedichtet sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die druckdichten Kammern (11, 13; 21; 31; 41; 61; 71, 73) an ihren in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegenden Enden im wesentlichen spitz zulaufen.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die druckdichten Kammern (12; 22; 32, 33, 34, 35; 52; 72) an ihren in Arbeitsrichtung einander gegenüberliegenden Enden Endflächen (17, 18) aufweisen.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 20; 50; 60; 70; 80) unter Längenänderung in einer Arbeitsrichtung verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (30; 40) unter Längenänderung in mindestens zwei Arbeitsrichtungen verformbar sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellenanordnung (100; 200; 300) zweidimensional ist.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (20) in einer matrixähnlichen Anordnung (200) parallel nebeneinander und übereinander in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (10; 30; 40) in einer wabenähnlichen Anordnung (100; 300) versetzt nebeneinander und übereinander angeordnet sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen gemeinsam mit dem Druckmedium beaufschlagbaren Kammern (21 bzw. 22) Durchlasskanäle (240 bzw. 245) vorgesehen sind.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung zur Betätigung einer Steuerfläche eines Luft- oder Raumfahrzeugs vorgesehen ist.
Zellulare Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung als flächiger Antrieb zur Betätigung einer Ruder- oder Trimmfläche eines formvariablen Flügels oder einer formvariablen Flosse eines Luft- oder Raumfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, vorgesehen ist.