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Vorrichtung zur elastischen Rückführung eines manuellen Steuerorgans
bei Luftfahrzeugen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der ein für die
Auslenkung der Ruderflächen eines Luftfahrzeuges dienendes manuelles Steuerorgan
über einen sich selbsttätig regelnden hydraulischen Stellmotor elastisch in die
zentrale Ruderlage rückgeführt wird. Mit einer derart ausgebildeten Vorrichtung
kann sowohl die Verbindung der manuellen Steuerung mit einer Flugregelanlage herbeigeführt
als auch die Ausschaltung von störenden Drehbewegungen durch Einführung einer selbsttätigen
Korrektur der handbetätigten Steuerung bewirkt werden, außerdem kann die Vorrichtung
auch nach dem Einfluß von anderen Parametern (Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit,
Fluggeschwindigkeit usw.) unterworfen werden.
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Für die elastische Rückführung sind bisher elektrische bzw. elektronische
Einrichtungen verwendet worden. Außerdem ist eine Flugregelanlage bekannt, bei der
ein hydraulischer Stellmotor vorgesehen ist, dessen Beaufschlagung durch das Druckmittel
von wenigstens zwei Steuergrößen beeinflußt wird. Zu diesem Zweck ist ein durch
zwei Federn in der zentralen Lage gehaltener Steuerschieber vorgesehen, der die
Druckmittelströmung zum Stellmotor steuert und dessen beide Stirnflächen durch das
Druckmittel beaufschlagt sind. Den beiden zu den Stirnseiten des Steuerschiebers
führenden Druckmittelleitungen sind jeweils paarweise Rücklaufleitungen zugeordnet,
deren Auslässe jeweils durch eine von einer Steuergröße verstellbare Ventilblende
gegenläufig verändert werden kann. Eine dieser Ventilblenden wird in Abhängigkeit
von der Stellung des Arbeitskolbens des hydraulischen Stellmotors gesteuert, so
daß auf diese Weise die durch die Steuerwirkung des Steuerschiebers bewirkte Verstellung
des Arbeitskolbens als Steuergröße wieder in den Steuerkreis des Steuerschiebers
eingeführt wird. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Druckdifferenz auf den beiden
Stirnseiten des Steuerschiebers der Verschiebung der Ventilblenden durch die Steuergrößen,
also einer Strecke, proportional. Diese Druckdifferenz wirkt auf die relativ großen
Kolbenflächen des Steuerschiebers ein. Für eine merkliche Verschiebung des Steuerschiebers
sind bei dieser bekannten Vorrichtung relativ große Stellbewegungen an den Ventilblenden
und damit relativ große Fördermengen an Druckmittel erforderlich, so daß die Empfindlichkeit
dieser Vorrichtung begrenzt ist.
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Weiterhin sind selbsttätig arbeitende Steuervorrichtungen für Flugzeuge
bekannt, bei denen die Rückführung der Verstellung in den Regelkreis elastisch,
beispielsweise über Rutschkupplungen oder Federn, erfolgt. Auch ist es bei hydraulischen
Steuereinrichtungen bekannt, die in dem hydraulischen Steuerkreis auftretenden Reibungskräfte
beispielsweise durch zusätzliche Relativbewegungen zwischen Schieber und Schiebergehäuse
herabzusetzen.
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Außerdem ist bei einer Regeleinrichtung für Flugzeugsteueranlagen
vorgeschlagen worden, neben einem ersten Betätigungskanal, bei dem die Steuerung
des Servomotors für das Flugzeugruder durch elektrische Signale erfolgt, einen zweiten
Steuerkanal vorzusehen, bei dem der hydraulische Servomotor für das Ruder über ein
hydraulisches Ventil betätigt wird, das durch ein mechanisches Gestänge einerseits
mit dem Handsteuer und andererseits mit dem Ruder in Verbindung steht, um bei einer
relativen Verschiebung zwischen Handsteuer und Ruder dem Servomotor Druckflüssigkeit
zuzuleiten. Die Umsteuerung von einem Kanal auf den anderen führt eine besondere
Umschaltvorrichtung aus. Nach diesem älteren Vorschlag erfolgt die Betätigung des
hydraulischen Servomotors in Abhängigkeit von gewissen Meßgrößen durch elektrische
Steuerimpulse. Bei einer Direktsteuerung des Ruders durch das Handsteuer erfolgt
die Zufuhr von Druckflüssigkeit durch mechanische Verstellung eines Steuerventils
in Abhängigkeit von Relativverschiebungen zwischen Handsteuer und Ruder.
Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die auch bei sehr kleiner
Stör- oder Regelkraft außerordentlich schnell und empfindlich anspricht und eine
relativ große Verstellkraft für den hydraulischen Stellmotor liefert.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine von zwei
Differentialkolben gebildete Fühlvorrichtung, die als einander gegenüberliegende,
auf der gleichen Stange angebrachte und im gleichen Zylinder gleitende Steuerschieber
wirken, wobei die Steuerschieber durch eine mittlere, in Verbindung mit einer Druckquelle
stehende Speisungskammer getrennt sind und gleiche, sehr kleine aktive Flächen haben
sowie Öffnungen steuern, die bei geringen Verschiebungen der Steuerkolben die aktiven
Flächen entweder mit der mittleren Kammer oder mit dem Rücklauf verbinden, wobei
die aktiven Oberflächen jedes Differentialkolbens über je eine Leitung mit den Kammern
eines Empfängers verbunden sind, der von zwei einander gegenüberliegenden, auf der
gleichen Stange angeordneten Differentialkolben gleicher aktiver Flächen gebildet
wird, die unter Federwirkung eine mittlere Gleichgewichtsstellung einnehmen.
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Bei der neuen Vorrichtung erfolgt die Steuerung des Stellmotors in
Abhängigkeit von einer kleinen Steuerkraft, die beispielsweise von einem Meßinstrument
erzeugt oder abgeleitet wird. Diese Kraft wirkt auf einen hydraulischen Fühler ein,
der seinerseits in einem hydraulischen Empfänger einen Differenzdruck erzeugt. Da
der hydraulische Fühler als Steuerschieber mit Differentialkolben ausgebildet ist,
erzeugt der Fühler bereits bei außerordentlich kleiner Stellkraft und bei einem
Verstellweg von nur wenigen hundertstel Millimetern eine merkliche auf den Empfänger
einwirkende Druckdifferenz, die mit Hilfe von Differentialkolben erheblich verstärkt
wird. Die Vorrichtung spricht außerordentlich empfindlich auch auf sehr kleine Stehgrößen
an. Da die bei einem Regelvorgang fließenden Ölmengen im Fühler nur sehr klein sind,
ist die Ansprechzeit der Vorrichtung sehr , klein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist schematisch in der Zeichnung
dargestellt; darin zeigt Fig. 1 den Aufbau der Rückführvorrichtung, Fig. 2 und 3
die Rückführvorrichtung nach Fig. 1 im Zusammenwirken mit zwei Steuerungsarten;
Fig. 4 zeigt eine verbesserte Ausführungsvariante der Vorrichtung von Fig. 1.
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Die Rückführungsvorrichtung (Fig.1) setzt sich zusammen aus einer
hydraulischen Druckquelle 1, einem Verteilerschieber 4 und einem Empfängerschieber
16.
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Die hydraulische Druckquelle 1 liefert Flüssigkeit unter einem bestimmten
Druck in ein in die Umgehungsleitung 3 eingebautes Ventil 2.
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Der Verteilerschieber 4 (Detektor) besteht aus einem Zylinder, in
dem sich ein Schieber 5 bewegt. Der Schieber 5 weist Scheidewände oder Kolben auf,
die drei Kammern bilden, von denen die beiden Kammern 6 und 7 seitlich angeordnet
sind, wobei der Unterschied der Kolbenflächen 8 und 9 und 10 und 11 gleich groß
ist. Die dritte Kammer 12 ist zentral angeordnet und wird durch zwei Kolben 9 und
10 von gleicher Oberfläche begrenzt. Die Kammer 12 wird in 13 dauernd mit Flüssigkeit
unter Speisedruck gespeist; die Kammern 6 und 7 stehen in dauernder Verbindung mit
den zum Empfängerschieber 16 führenden Leitungen 14 und 15; außerdem stehen die
Kammern 6 und 7 in Verbindung mit dem Speicherbehälter 17 oder einer praktisch drucklosen
Zone durch die Leitungen 18,19 und die Öffnungen 20, 21, die durch die Kolben 9
und 10 teilweise verdeckt werden; die Kammer 12 steht gleichfalls in Verbindung
mit den Leitungen 14 und 15 durch die Öffnungen 22 und 23, die von den Kolben 9
und 10 teilweise verdeckt werden.
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Der Empfängerschieber 16 weist einen Schieber 25 auf, dessen Kolben
26 zwei Kammern 27 und 28 begrenzt, in denen der Druck auf gleiche Kolbenoberflächen
wirkt, wobei der Schieber 25 in den beiden einander entgegengesetzten Richtungen
durch die auf die Scheidewand 24 wirkenden Federn 29, 30 gegengehalten wird.
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Wirkt eine sehr kleine Kraft J F in Richtung des Pfeiles F auf die
Stange 31 des Detektors 4 ein, so erfährt der Schieber 5 eine unendlich kleine Verschiebung
nach rechts, verdeckt dabei die Öffnungen 21 und 22 und gibt die Öffnungen 20 und
23 frei. Durch diese Maßnahme sinkt der Druck p1 in der Leitung 14, während der
Druck p2 in der Leitung 15 steigt, so daß folgende Beziehung erfüllt wird: 4F
= (P.2-pl) - k,
i wobei k den ringförmigen Querschnitt bedeutet, der
dem Unterschied zwischen den Durchmessern, der Kolben 9 und 10 sowie 8 und 11 entspricht.
Die Differenz (p.-p,) ist somit umgekehrt proportional 3 dem Wert k, und der Detektor
bildet daher eine Vorrichtung, die gestattet, eine sehr kleine Kraftveränderung
J F in einen nicht zu vernachlässigenden Druckunterschied zu verwandeln, der nur
von den konstruktiven, die Abmessungen des Apparates betreffenden Merkmalen abhängt.
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Da die Drücke p2 und p1 in den Kammern 27 und 28 auf die entgegengesetzten
Flächen des Schiebers 25 des durch die Federn 29 und 30 gegengehaltenen Empfängerschiebers
16 ausgeübt werden, verschiebt sich der Schieber 25 um eine Länge- d x, die proportional
der Differenz (p.,-p,) ist, und zwar mit einem Koeffizienten, der nur von den Merkmalen
der Federn 29,30 und den Kolbenoberflächen abhängt.
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Die Vorrichtung gestattet demnach die Umwandlung einer sehr kleinen
Kraftveränderung d F mit einer Empfindlichkeit, die nur von den dimensionalen Konstruktionsmerkmalen
abhängt, in eine nicht zu vernachlässigende Verschiebung J x.
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Zur Ausschaltung der Reibungskräfte ist im Flüssigkeitskreislauf zwischen
den Leitungen 14 und 15 ein Pulsator 32 vorgesehen.
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Die Reibung kann auch durch andere Mittel ausgeschaltet werden, beispielsweise
durch rotierende oder schwingende Kolben.
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Die Außenflächen des Schiebers 25 stehen durch 33 und 34 mit dem Speicherbehälter
17 in Verbindung, wobei die Stange des Schiebers 25 zur Betätigung dient.
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Das Handsteuerorgan 37 (Fig. 2) betätigt das Ruder 38 durch die Servoanlage
39, die über das Gestänge 40 gelenkig mit dem Hebelarm 41 verbunden ist, dessen
Gelenk 42 durch das Gestänge 43 mit dem Handrad 37 verbunden ist und dessen Gelenk
44 die Rückführvorrichtung (1, 2, 4,16,17, 32, 36) betätigt.
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Wenn keine Wirkung auf den Detektor 4 ausgeübt wird, bildet das Gelenk
44 einen festen Punkt, und der Pilot kann durch das Gestänge 43 und 40 sowie
den
Hebelarm 41 auf die zu steuernde Ruderfläche über das Gestänge 40 und die Servoanlage
39 einwirken.
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Erfährt der Detektor 4 einen Betätigungsimpuls von einem der flugüberwachenden
Systeme, so wird die manuelle Steuerung festgelegt, wobei sich das Gelenk 44 verschiebt
und vermittels des Hebels 41 und des Gestänges 40 das betreffende Steuerruder ausgelenkt
wird.
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Bei beweglicher manueller Steuerung (Fig. 3) ist der Steuerknüppel
des Piloten 37 über ein Gestänge 43 und eine Hebelanordnung 45, 47 mit dem Gestänge
40 verbunden, wobei eine künstliche Steuerfühlanlage 46 vorgesehen ist, die mit
dem Gelenk 44 in Verbindung steht.
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Eine Ausführungsvariante der Rückführvorrichtung (Fig. 4) kombiniert
den Empfängerschieber 16 und die Hubvorrichtung (Fig. 1) zu einem einzigen Organ.
Diese Kombination hat den Vorteil, daß sie innerhalb der Leitungen 14 und 15 für
eine genügende Verschiebung der Hubvorrichtung nur eine äußerst kleine Flüssigkeitsdurchflußmenge
erfordert. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß der Schieber 25 im Inneren des
Hohlkolbens 61 der Hubvorrichtung 36 (Fig. 1) angebracht ist, so daß die Kammern
27 und 28 durch die inneren Scheidewände des beweglichen Kolbens 61 und durch die
am beweglichen Schieber 25 angeordneten und im Kolben 61 gleitenden Kolben 26, 50
und 63 begrenzt werden, während die Feder 29, 30 auf dem festen Gehäuse der Hubvorrichtung
abgestützt ist. Hieraus ergibt sich, daß bei einer Differenz (p2-pl), die eine geringe
relative Verschiebung des Schiebers 25 im Verhältnis zum Kolben 61 hervorgerufen
hat, sich die Einheit Schieber 25-Kolben 61 verschiebt, bis die Wirkung der Feder
29, 30 genügend groß ist, um dieselbe aufzuhalten. Da außerdem die relative Verschiebung
des Schiebers 25 im Verhältnis zum Kolben 61 sehr gering ist, entspricht die durch
die Leitungen 14 und 15 fließende Flüssigkeitsmenge beinahe dem Wert Null. Der Vorteil
dieser Anordnung liegt somit in einer schnelleren Wirkung des Rückführsystems, da
der Durchfluß im Detektor auf fast nichts vermindert werden kann und infolgedessen
eine unendlich kleine Verschiebung des Detektors (einige Hundertstel Millimeter)
sich auf diese Weise durch eine bedeutende Verschiebung des Kolbens 61 ausdrückt.
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Die Vorrichtung nach Fig. 4 enthält neben den bereits beschriebenen
Teilen zwei Steuerkolben 50, 51, welche die Öffnungen 49 und 52 verdecken bzw. freigeben,
wobei der Kolben 50 abhängig ist von der Speisung 54, die durch die Kammer 57 erfolgt,
während der Kolben 51 mit der Rückleitung 55 zum Speicherbehälter in Verbindung
steht. Die Rückleitung 55 dient zur Entleerung der Kammer 56 durch die Bohrung 60,
die Öffnung 52 und die von der Kammer durch die Scheidewand 58 getrennte Kammer
62.
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Wenn die der Wirkung der Kraft ,J F auf den Detektor 4 zuzuschreibende
Druckdifferenz in den Leitungen 14 und 15 eine sehr schwache relative Verschiebung
des Schiebers 25 im Verhältnis zum Kolben 61 hervorgerufen hat, z. B. in der Richtung,
in der die Öffnung 49 freigegeben wird, so wird der Speisedruck in die Kammer 56
eingelassen und der Kolben 61 verschiebt sich und zieht den Schieber 25 mit sich,
so daß die Öffnung 49 frei bleibt. Diese Bewegung setzt sich fort, bis die Feder
29, 30 eine genügende und der Differenz (p2-pl) entgegengesetzte Wirkung hat, um
den Schieber 25 in seine Ausgangslage im Verhältnis zum Kolben 61 zurückzubringen.
Hierbei wird die Öffnung 49 verdeckt, so daß der Kolben 61 seine Bewegung einstellt.
Eine bedeutende Verschiebung des Kolbens 61 entspricht somit einer sehr geringen
Verschiebung des Schiebers 25, während im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 die Verschiebung
des Kolbens 61 gleich der des Schiebers 25 ist.
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Der Schieber 25 der Empfängervorrichtung 16 (Fig. 4) gleitet im inneren
der Stange des Kolbens 61, wobei die Stange mit Bohrungen 64, 65, 66 versehen ist,
die mit den Leitungen 14, 15 durch Kammern 67, 68, 69 in Verbindung stehen, um die
Verschiebung der Einheit 25f61 ohne Unterbrechung der Verbindungen zu gestatten.
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Das Steuergestänge 31 des Detektors 4 kann sehr verschiedenen Parametern
unterworfen werden, um störende Bewegungen eines Flugzeuges auszuschalten, wie beispielsweise
die Wirkung eines Kreisels (in Fig. 2 und 3 bei 70 schematisch dargestellt).