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Hydraulischer Klappenantrieb mit Kraftübertragung durch Kugelreihen,
insbesondere für Flugzeuge Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Klappenantrieb,
insbesondere für Flugzeuge, nach Patentanmeldung H 28125 XI/62b.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.