DE1033038B - Hydraulischer Klappenantrieb mit Kraftuebertragung durch Kugelreihen, insbesondere fuer Flugzeuge - Google Patents

Hydraulischer Klappenantrieb mit Kraftuebertragung durch Kugelreihen, insbesondere fuer Flugzeuge

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DE1033038B
DE1033038B DEH28743A DEH0028743A DE1033038B DE 1033038 B DE1033038 B DE 1033038B DE H28743 A DEH28743 A DE H28743A DE H0028743 A DEH0028743 A DE H0028743A DE 1033038 B DE1033038 B DE 1033038B
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DE
Germany
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balls
piston
flap drive
cylinders
hydraulic
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DEH28743A
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English (en)
Inventor
Karl Schwaerzler
Alfred Thies
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Ernst Heinkel Fahrzeugbau G M
Original Assignee
Ernst Heinkel Fahrzeugbau G M
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C13/00Control systems or transmitting systems for actuating flying-control surfaces, lift-increasing flaps, air brakes, or spoilers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Description

  • Hydraulischer Klappenantrieb mit Kraftübertragung durch Kugelreihen, insbesondere für Flugzeuge Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Klappenantrieb, insbesondere für Flugzeuge, nach Patentanmeldung H 28125 XI/62b.
  • Die Vorrichtung gemäß der Hauptpatentanmeldung besteht in einer scharnierartigen Anordnung, zusammengesetzt aus drei nach ihrer gemeinsamen Längsachse ausgerichteten und druckdicht aneinander anliegenden Zylindern mit ebenfalls druckdicht abgedichteten freien Enden und aus einem in diesen Zylindern mittels hydraulischer Kraft verschiebbaren Kolben, der mit wendelförmigen Längskeilen in entsprechende Führungsnuten der beiden äußeren Zylinder und mit geraden Steuerkeilen in entsprechende Steuernuten des mittleren Zylinders eingreift, wobei eine längsachsige Bewegung des Kolbens eine Drehung desselben und damit eine Drehung des mittleren Zylinders im Verhältnis zu den beiden äußeren Zylindern zur Folge hat.
  • Das Ziel dieser Erfindung war, eine hydraulische Servoeinrichtung unmittelbar um die Klappenachse derart unterzubringen, daß alle Teile innerhalb der aerodynamisch bedingten Umrißformen untergebracht werden, indem die gesamte Servoeinrichtung als Scharnier für die Klappe ausgebildet wird. Ferner sollte die Einrichtung bei mäßigem Raumanspruch eine Übertragung sehr großer Kräfte ermöglichen.
  • Die Größe und die Geschwindigkeit der Flugzeuge hat in jüngster Zeit eine ungeheure Steigerung erfahren. Insbesondere bei Überschallflug sind die Kräfte, die auf Ruderklappen und andere Klappen während der Betätigung einwirken, derart groß, daß die Bedienung dieser Klappen zu einem Problem geworden ist. Während die Anforderungen an die Kraftübertragung mithin außerordentlich gestiegen sind, verblieb der Raum, innerhalb dessen die der Kraftübertragung dienenden Vorrichtungen untergebracht werden mußten, etwa derselbe wie früher. Dazu kam, daß die Anforderungen an eine aerodynamisch vollkommene Ausbildung der Flügel- und Rumpfformen bei Überschallgeschwindigkeiten keine Kompromisse in bezug auf besondere Ausbauten zuläßt.
  • Die Erfindung nach der Hauptpatentanmeldung kam den modernen Anforderungen weitgehend entgegen. Die vorliegende Weiterentwicklung dieser Erfindung hat zum Ziel, einerseits bei gegebenem Raum die Übertragung noch größerer Kräfte zu ermöglichen und zum anderen für die Übertragung von gegebenen Kräften die Verwendung eines kleineren Raumes zuzulassen. Die Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß die Umsetzung einer Schiebebewegung in eine relative Schwenkbewegung mittels der Führung von wendelförmigen Längskeilen in entsprechenden Nuten dadurch leichter gemacht wird, daß die Längskeile durch Kugelreihen ersetzt werden, die in Nutenpaaren rollen.
  • Ein hydraulischer Klappenantrieb gemäß der Hauptpatentanmeldung besteht aus drei nach ihrer gemeinsauren Längsachse ausgerichteten und druckdicht aneinander anliegenden Zylindern mit ebenfalls druckdicht abgedichteten Enden und aus einem in diesen Zylindern mittels hydraulischer Kraft verschiebbaren Kolben, welche miteinander eine scharnierähnliche Anordnung bilden. Die erweiterte Erfindung sieht vor; daß der Kolben und die beiden äußeren Zylinder mit je zwei Wendelförmig verlaufenden und diametral angeordneten Steuernuten versehen sind, die sämtlich mit aneinandergereihten Kugeln bestückt sind, wobei die Kugeln der Übertragung von Kraftimpulsen dienen, indem eine längsachsige Bewegung des Kolbens eine Drehung desselben und damit eine Drehung des mittleren Zylinders im Verhältnis zu den beiden äußeren Zylindern zur Folge hat.
  • Der Kolben weist vorzugsweise vier längsachsig verlaufende Bohrungen auf, die durch Umlenkkanäle mit den Führungs- und Steuernuten verbunden sind. In der Mitte dieser Bohrungen können Spiralfedern angeordnet werden, gegen die sich die Kugeln beiderseitig anlegen. Die Spiralfedern und die Bohrungen können bis zum Anfang der Umlenkkanäle einen größeren Durchmesser als die Kugeln aufweisen, derart, daß sich die Spiralfedern bis zum Anschlag an die Öffnungen der Umlenkkanäle verschieben lassen.
  • Die Übertragung einer Schwenkbewegung in eine andere Schwenkbewegung mittels Kugelreihen, die in spiralförmigen Nuten bewegt werden, ist bereits bekannt und wird insbesondere bei Lenkvorrichtungen von Kraftfahrzeugen verwendet. Hier wird die Kugelreihe in einem spiralförmigen Nutengang geführt, der in einem um eine Schnecke gelagerten Block ausgespart worden ist. Der Block weist auf der Außenseite eine Zahnstange auf, deren Zähne in ein Zahnrad eingreifen. Die Schnecke bildet eine Verlängerung der Lenksäule. Wenn das Lenkrad gedreht wird, übertragen die Kugeln den Kraftimpuls auf den Block und die Zahnstange, wodurch das Zahnrad ausschwenkt und ebenfalls die Vorderräder des zu lenkenden Fahrzeuges zum Ausschwenken veranlaßt.
  • Bei dieser Konstruktion wird die übertragende Kraft als Drehmoment von außen eingeführt. Grundsätzlich stellt die Konstruktion eine Schraube mit Mutter dar, zwischen welchen eine Kugelreihe kugellagerähnlich angeordnet ist, zwecks Verminderung der Reibung. Die Konstruktion weist den Vorteil der Leichtgängigkeit und der Unempfindlichkeit auf.
  • Im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung wird bei der erweiterten Erfindung der zu übertragende Kraftimpuls längsachsig mittels Hydraulik eingeführt. Die längsachsige Bewegung wird sodann in eine relative Schwenkbewegung umgewandelt, wodurch die Ausnutzung eines besonders günstigen Drehmomentes ermöglicht wird. Hierbei wirken die Kugeln unmittelbar als Elemente der Kraftübertragung, mit dem besonderen Effekt, daB die bei der nach der Hauptpatentanmeldung vorgesehenen Keilnutenausführung entstehende Gleitreibung in eine erheblich günstigere Rollenreibung umgewandelt wird. Die Kugelreihen, die das Drehmoment übertragen und die Mitnahme bewerkstelligen, sind parallel zur Längsachse angeordnet. Eine besonders interessante Einzelheit stellen die in der Mitte der Rücklaufbohrungen vorgesehenen Spiralfedern dar, die in jedem Falle ein Aneinanderliegen der Kugeln in den Kugelreihen gewährleisten und die lediglich durch die achsparallele Anordnung der Rücklaufbohrungen ermöglicht worden sind.
  • Die erweiterte Erfindung weist eine überraschende Verbesserung des Wirkungsgrades auf. Der Wirkungsgrad der erweiterten Erfindung im Verhältnis zum Hauptpatent liegt um 60 bis 90 % höher. Man könnte also den Durchmesser der Klappenantriebsanordnung um das 1,26fache (1,6) verringern. Auf der anderen Seite ist es bei gegebenem Durchmesser der Anordnung möglich, das erzeugte Drehmoment um 26 % zu erhöhen bzw. den hydraulischen Druck um 26 % niedriger zu halten als bei der Ausführung gemäß des Hauptpatentes.
  • Ein Rechenbeispiel zeigt die Richtigkeit dieser Zahlen und führt mithin den Beweis für den überraschenden technischen Fortschritt der erweiterten Erfindung: a) Wenn bei gleitender Reibung u = 0,08 und bei rollender Reibung f = 0,004 cm angenommen wird und der Kugelradius 0,4 cm ist, ergeben sich folgende Verhältnisse Die rollende Reibung ist also um den Faktor 8 besser als die gleitende, wobei gute Schmierung der Gleitflächen vorausgesetzt wird und bei den Kugeln eine mittlere Güte der Rollbahn gegeben sei.
  • b) Bei hoher Güte der Rollflächen, f = 0,002 cm, und im anderen Falle bei trockener Reibung, u = 0,12, der Gleitflächen erhöht sich der Faktor auf Bei Berücksichtigung der Steigung des Längskeiles bzw. der Längsnut wirkt sich dieser Unterschied folgendermaßen aus: Angenommen wird eine Steigung von a = 13° (tg a = Q,023). Dann wird die Verschiebekraft am Kolben In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel dargestellt und erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Ruderklappe mit hydraulischem Klappenantrieb in perspektivischer Darstellung, Fig.2 den hydraulischen Klappenantrieb gemäß der erweiterten Erfindung, im Schnitt, in einer Draufsicht, Fig.3 den hydraulischen Klappenantrieb in einem Querschnitt durch Zylinder und Kolben, Fig.4 den hydraulischen Klappenantrieb in einem Querschnitt durch Zylinder und Antriebshebel, Fig.5 den hydraulischen Klappenantrieb in einem Querschnitt, der das Ruder in ausgeschwenktem Zustand zeigt, und Fig. 6 den Kolben mit wendelförmigen Führungsnuten, Umlenkkanälen und Rücklaufbohrungen, in einem Längsschnitt und in drei Querschnitten.
  • Die Ruderklappe 1 (Fig. 1) ist an einem Antriebshebel 2 befestigt, dessen Lagerauge der mittlere Zylinder 3 darstellt. Dieser Zylinder 3 ist zwischen den beiden äußeren Zylindern 4 und 5 drehbar angeordnet. Die Zylinder 4 und 5 sind mittels einer Brücke 6 miteinander fest verbunden und mit Anschlußlappen 7 am Flügel 8 (Fig. 4 bis 6) angeschlossen. Die Ruderklappe 1 kann durch weitere Lager 9 mit dem Flügel verbunden sein; ferner können für eine Klappe mehrere Scharniere 3, 4, 5 werden.
  • Die Zylinder 4, 5 (Fig. 2) sind an den freien Enden mittels Verschraubungen 10 druckdicht abgeschlossen: Hydraulische Druckleitungen (nicht gezeichnet) führen zu den Anschlußstutzen 11. Die Innenwände der Zylinder 4, 5 weisen zu beiden Seiten des Antriebshebels 2 je zwei einander gegenüberliegende Führungskragen 12 auf, die je eine halbe Lageraugenbreite aufweisen und je zwei Führungsnuten 13 mit halbkreisförmigem Querschnitt besitzen, die in Längsrichtung wendelförmig verlaufen.
  • In den drei Zylindern 3, 4, 5 gleitet ein Kolben 14, der an beiden Enden gegen Endscheiben 15 gedrückte 16 aufweist. In dem Kolben 14 sind wendelförmig verlaufende und diametral angeord ete Führungsnuten 17 ausgespart, die einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Die Führungsnuten 17 mit einer Kugelreihe bestückt, die zur Hälfte in die Führu gsnuten 13 der Zylinder hineinragt. Ferner weist der Kolben 14 zwei parallel zur Längsachse verlaufende Steuernuten 18 auf, die ebenfalls den gleichen halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. In Richtung der Längsachse gesehen, befinden sich die Steuernuten 18 in einem Winkel von 90° zu den Führungsnuten 17 (Fig. 3 bis 5). Auch in den Nuten 18 befinden sich Kugelreihen, die teils in die Führungsnuten 17 und teils in entsprechende, parallel zur Längsachse verlaufende Steuernuten 19 des mittleren Zylinders 3 hineinragen.
  • Um die erstrebte Schwenkbewegung des Antriebshebels 2 und damit des mittleren Zylinders 3 zu ermöglichen, ist für die Kugeln, die in der Führungsnute 17 durch den Zylinder 3 laufen, eine entsprechende breite Aussparung 20 vorgesehen. Bei einer Längsbewegung des Kolbens 14 werden die Kugeln rollend durch die Nuten geführt. Hierbei ist es erforderlich, daß die Kugeln in endloser Reihe rollen können; hierfür muß ein System von Umlenk- und Rücklaufkanälen vorhanden sein. An den Enden der Führungsnuten 13, 17 sind zu diesem Zweck Umleitstücke 23, 24 am Kolben angeordnet, die halbkreisförmige Umlenkröhren 25 aufweisen. Die Umlenkröhren 25 sind ferner mit Rücklaufkanälen 26 paarweise verbunden, die achsparallel durch den Kolben 14 geführt sind. In einer Abänderung des Ausführungsbeispiels sind die Umlaufkanäle 26 mit einem größeren Durchmesser als die Umlenkkanäle und mithin mit einem erheblich größeren Durchmesser als die Kugeln vorgesehen. Der Übergang von den Rücklaufkanälen in die Umlenkkanäle ist dann als ein nicht zu steiler Konus geformt. In den Rücklaufkanälen 26 befinden sich Spiralfedern 27, die in bezug auf ihren Durchmesser die Rücklaufkanäle ausfüllen, jedoch derart, daß die Federn ohne Widerstand in den Rücklaufkanälen verschoben werden können. Der Länge nach sollen die Federn vorzugsweise etwa die Hälfte der Rücklaufkanäle ausfüllen.
  • Die gesamte Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise: ` Mittels Hydraulik wird der Kolben 14 innerhalb des Zylindersystems 3, 4, 5 längsachsig verschoben. Durch diese Verschiebung wirken die zwischen Kolben und Zylindern befindlichen Kugeln als wendelförmige Längskeile nach dem Hauptpatent. Sie zwingen den mittleren Zylinder 3, eine Schwenkbewegung relativ zu den äußeren Zylindern 4, 5 auszuführen, und verursachen mithin die Ausschwenkung des mit dem Zylinder 3 verbundenen Antriebshebels 2.
  • Während bei einem wendelförmigen Längskeil nach dem Hauptpatent die Übertragung eine erhebliche Gleitreibung zur Folge hat, rollen bei der vorliegenden Erfindung die Kugeln in die Verschiebungsrichtung des Kolbens, wobei erheblich weniger Kraft für die Rollenreibung aufzubringen ist. Die Federn 27 in den Rücklaufkanälen 26 werden mit einer gewissen Vorspannung eingelegt und dienen dazu, den Kugeln in jeder Situation eine zuverlässige beiderseitige Anlage zu verschaffen.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Hydraulischer Klappenantrieb, insbesondere für Flugzeuge, nach Patentanmeldung H 28125 XI/62b, bestehend aus drei nach ihrer gemeinsamen Längsachse ausgerichteten und druckdicht aneinander anliegenden Zylindern mit ebenfalls druckdicht abgedichteten Enden, ferner aus einem in diesen Zylindern mittels hydraulischer Kraft verschiebbaren Kolben, wobei die Verschiebung dieses Kolbens eine Drehung des mittleren Zylinders relativ zu den äußeren bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) und die beiden äußeren Zylinder (4, 5) mit je zwei wendelförmig verlaufenden und diametral angeordneten Führungsnuten (13, 17) versehen sind, während der Kolben (14) und der mittlere Zylinder (3) je zwei nach Zylindermantellinien geradlinig verlaufende und ebenfalls diametral angeordnete Steuernuten (18, 19) aufweisen, die sämtlich mit aneinandergereihten Kugeln gefüllt sind, wobei die Kugeln der Übertragung von Kraftimpulsen dienen, indem eine längsachsige Bewegung des Kolbens (14) eine Drehung desselben und damit eine Drehung des mittleren Zylinders (3) im Verhältnis zu den beiden äußeren Zylindern (4, 5) zur Folge hat.
  2. 2. Hydraulischer Klappenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (14) vier längsachsig verlaufende Bohrungen (26) aufweist, die durch Umlenkkanäle (25) mit den Führungs- und Steuernuten (13, 17, 18, 19) verbunden sind.
  3. 3. Hydraulischer Klappenantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Bohrungen (26) Spiralfedern (27) angeordnet sind, gegen die sich die Kugeln beiderseitig anlegen.
  4. 4. Hydraulischer Klappenantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralfedern (27) und die Bohrungen (26) bis zum Anfang der Umlenkkanäle (25) einen größeren Durchmesser als die Kugeln aufweisen, derart, daß sich die Spiralfedern (27) bis zum Anschlag an die Öffnungen der Umlenkkanäle (25) verschieben lassen.
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