DE1576098A1 - Steuergeraet mit einem Nur-Flud-Verstaerker - Google Patents

Description

Frankfurt/M., Ammeibjrrjstraße 34

HONEYWELL INC. 27^7, Fourth Avenue South.,

Minneapolis, Minnesota/USA

.·! Steuergerät mit einem Nur-Flud-Verstärker"

Die Erfindung "betrifft ein Steuergerät .mit einem Nur-Flud-Verstärker. Hiermit wird ein Verstärker bezeichnet, in dem sich keine anderen beweglichen Teile befinden als Flude. Insbesondere be.trifft die Erfindung Steuergeräte für Fahrzeuge,die in einem Strömungsmedium getragen werden, z.B. Autopiloten für Luftfahrzeuge.

Hit der Erfindung wird ein Nur-Flud-Gerät geschaffen, das in seinen Steuereinrichtungen oder Fühlern ebenso wie in den von

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diesen betätigten Geräten -beispielsweise Servomotoren die Gesetze der Dynamik von Fluden verwendet, und das deshalb weniger bewegliche Teile besitzt und weniger mechanischen Verschleiß unterworfen ist und infolgedessen zuverlässiger ist als bekannte Systeme, die sich elektrischer Fühler und elektrohydraulischer Hilfskraftgeräte bedienen.

Nach der Erfindung hat ein Steuergerät für Fahrzeuge mit lageverändernden Mitteln eine Übertragungseinrichtung von einer mechanischen Bewegung auf ein Flud, Verstärkungsmittel für das Flud, die von der Leistung der Übertragungseinrichtung gesteuert., werden und Mittel, die auf die Leistung des Fludverstärkers ansprechen, um die lage ver ändernden Mittel zu betätigen. Im Falle eines Luftfahrzeuges ist das Flud, das in dem System arbeitet, vorzugsweise Luft. Das lageverändernde Mittel kann eine Steuerfläche des Luftfahrzeuges sein·

Die Merkmale der Erfindung werden anhand der n-un folgenden Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispieles beschrieben.

Es sind:

Fig. 1 ein Schaudiagramm des gesamten Systems;

Fig· 2 das Diagramm eines Nur-Flud-Kontrollgerätes (allfluid condition control apparatus) ;

Fig· 3 das Ausführungsbeispiel als kompaktes Gaät ausgebildet j

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Fig. 4 einen Schnitt durch einen Fludverstärker;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen anderen Fludverstärker.

Das Nur-Flud-Prinzip für Fahrzeug-Steuerungssysteme wird zwecks Schilderung der Erfindung anhand eines Nur-Flud-Gerätes zum Dämpfen der Bewegung eines Luftfahrzeuges um seine Anstellachse angewandt. Zu dem Dämpfungssystem für die Lagenänderung eines Flgzeuges gehört ein Fühler für die Lagenänderung, Proportionalverstärker mit Mitteln zum Addieren, wenn notwendig auch Formungsnetze (shaping net works) und ein Kraftverstärker für den Motor oder die Motoren, mit denen die Steuerfläche oder Steuerflächen für die Schräglage oder andere Momentenerzeuger an einem Flugzeug betätigt werden. Es ist eine Hilfskraftbetätigung ( pilot command input) vorgesehen. Der Geschwindigkeitsfühler (rate sensor) ist ein Wirbelkammer-Geschwindigkeitsfühler, bei dem die Strömungsgesetze zum Messen der Drehgeschwindigkeit bei den Bewegungen des Fahrzeuges benutzt ^werden. Die Proportionalverstärker und die Kraftverstärker sind Fludverstärker ohne irgendwelche beweglichen Teile. Der Fühler, der Verstärker und die Stellmittel für die Flugzeugfläche verwenden das gleiche Medium bzw. das gleiche Flud. Dasselbe Flud mag . auch das Flugzeug oder das Fahrzeug tragen, wenn es in Bewegung ist, es kann beispielsweise die Luft sein.

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Fig. I₁ in der ein Diagramm eines Fludsteuersystems gezeigt · wird, lehrt, dass die Änderung der Lage oder der Bewegung eines Luftfahrzeuges um einen Winkel, beispielsweise für Schwankungen um die Längsachse des Flugzeuges von einem Übertragungsmittel 9 auf ein Drehfühlgerät IO exäwigf; werden, das ein Leistungssignal an ein Dreistufenverstärkergerät weitergibt. Die Leistung des Dreistufenverstärkergerätes

wird über ein Transportmittel 13 als Eingangsleistung in ein Addiergerät 15 hineingegeben. Das Addiergerät 15 empfängt ausserdem die Kraft eines Piloten von einem pilot- · betätigten Umwandler. Die Leistung des Addiergerätes 15 wird auf einen Vierstufenverstärker 17 gegeben. Die Leistung dieses Vierstufenverstärkergerätes 17 wird auf ein Betätigungmittel für die Lagenveränderungseinrichtung des Flugzeuges gegeben. Die Leistung des Betätigungsmittels wird bezüglich seines Antriebs verzögert, was durch das Verzägerungsgerät 19 dargestellt wird. Die Leistung des Betätigungsmittels stellt die Lagenveränderungseinrichtung, in gegebenem Beispiel ein Höhenruder des Flugzeuges 20. In Fig. 2, einer schematischen Darstellung des Flud-Flug-Steuersystems nach den Regelin de rl Dynamik L wird die Grosse der Drehung des Flugzeuges um seine Drehachse von dem Drehgeschwindigkeitszähler 10 aufgenommen, der in diesem Nur-Fludsystem die Form eines Wirbel-Drehgeschwindigkeits-Fühlers hat. Ein solcher Drehgeschwindigkeitsfühler hat zwei Druckleitungen 21, 22. Je nach der Richtung und der Grosse der Winkelbewegung kann der Druck in der einen Leistung 21 mehr oder weniger den in der Leitung 22 übersctireTiten. Der Fludwirbelkammerfühler 10 nimmt das Arbeitsmedium, z.B. Luft, von einer Druckförderleitung 25 auf. Diese Druckförderleitung steht z.B. in Verbindung mit einer von der Maschine des Flugzeuges angetriebenen Pumpe, die einen Druck von rund 0,7 stü (lOpsi) erzeugt. Der Fluddrehzahlfühler 10/Lst mit

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einer Entlüfterleitung 27 versehen, in der ein einstellbares Regelventil 28 angeordnet ist.

tfenn das Flugzeug eine Drehbewegung um seine Drehachse macht, entsteht in den Leitungen 21, 22 eine niedrige Druckdifferenz, die auf die Steuerdüse eines ersten Fludverstärkers 29 in dem Dreistufenverstärkergerät 12 zur Einwirkung kommt. Die Fludverstärker 31, 32 sind dem Verstärker in Kaskadenanordnung zugeordnet. Die Verstärker 29, 31, 32 gehören dem Proportionaltyp an, der eine Druckdifferenzleistung hervorbringt, die dem Druckdifferenzantrieb proportional ist, der als Strömung mit geringer Energie anzusehen ist. Zu dem Verstärker 29 gehört eine Kraftdüse, die Flud aus einer Fludförderleitung erhält, die an die Leitung 30 angeschlossen ist, die von der Hauptförderleitung 25 hoher Energie ausgeht. Auslasskanäle 35, 36 des Verstärkers 29 liefern die AntriebsSteuerdrücke zu dem Kaskadenverstärker 31, der eine Hauptdüse hat, die durch eine Nebenleitung 33 mit der Hauptförderleitung 25 verbunden ist. Da der Wechsel eines eingegebenen Steuerdifferentials kleiner ist, als die Änderung des ausgehenden Steuerdifferentials, das sich aus Strahl'abbiegungen ergibt, ist ein Energiegewinn (gain) vorhanden.

Auf ähnliche Weise fördern die Auslasskanäle des Verstärkers 31 Eingangskontrolldrücke in den Verstärker 32 der dritten Stufe, dessen Hauptdüse durch die Nebenleitung 34 mit Flud aus der Hauptversorgungsleitung 25 beliefert wird. Proportional-Flud-Verstärker, die eine Leistung erzeugen, die bezüglich ihrer Grosse entsprechend einem Steuerdruck-Differential sich ändern, sind an sich bekannt. In : der vorliegenden Einrichtung ist das Seitenverhältnis, nämlich das Verhältnis der Höhe des Strömungskanals zu seiner

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Breite für die Verstärker 29» 31 gleich 0,5· Dieses Seitenverhältnis wurde ausgewählt, um mit dem Flud-Geschwindigkeits-Fühler 10 die geeignete Übereinstimmung mit der Impedanz (for proper impedance) zu erreichen.

Die Auslasskanäle des Flud-Verstärkers 32 sind mit den Leitungen 37_f 38 verbunden. An die Leitung 38 schliesst sich eine Nebenleitung 41 an, die zu ätinem Nadelventil 4-3 des Piloteingangs-Umwandlers 14 führt. Ähnlich geht von der Leitung 37 eine Nebenleitung 40 aus, die zu einem Nadelventil 42 des Piloteinlass-Umwandlers 14 führt. Die Nadelventile 42, 43 haben in geeigneter V/eise zusammenwirkende Sitze und werden differentiell (differentially) mittels handbetätigter Bedienungsgriffe 44 betätigt, so, dass ein Ventil von seinem Sitz wegbewegt wird, wenn das andere sich seinem Sitz nähert. Der Piloteinlass-Umwandler 14 ist ein einfacher Justierer für veränderlichen Strömungsdruck.

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Der Vier-Stufen-Kaskaden-Fludverstärker 17 enthält die Verstärker 51, 52, 53 und 54. Diese sind durch ihre eintsprechenden Nebenleitungen 56, 57, 58 und 59 mit der Hauptförderleitung 25 verbunden. Die Verstärker 51, 52 und 53 sind solche mit NuIJ.-Justierern. Ein Beispiel der Null-Justierer wird zusammen mit dem Verstärker 51 beschrieben und gleiche Null-Justierer wiederholen sich bei den Verstärkern 52 und 53. Der Null-Justierer für den Verstärker 51 besteht aus einer Nebenleitung 60, die von der Hauptdüse des Pludverstärkers 51 zu der Hauptförderleitung 25 führt, die durch das von Hand zu betätigende Ventil 61 gesteuert wird. Ähnlich erstreckt sich eine Nebenleitung 62 von der entgegengesetzten Seite der Hauptdüse des Verstärkers 51 zu der.^auptförderleitung 25 und ist durch ein Ventil 63 zu kontrollieren.

Die Null-Justierer 51 * 52 und 53 haben eine bestimmte Wirkung auf die Verstärkung (gain) im Bereich der Null-Stellung der gesamten Kaskade 17. Wenn der einzelne Verstärker nicht auf Null justiert ist, mag die maximale Verstärkung jedes Verstärkers außerhalb des gesamten Kask.aden-Nullbereichs fallen und mag deshalb eine verringerte Stärkung in dieser Stellung verursachen!. Ein Verstärker hat einen linearen Leistungsbereich beiderseits seiner Null-Stellung. Wenn ein Verstärker in einem Feld außerhalb dieses Bereiches tätig ist, wird die Verstärkung sich verringern. Deshalb sollte jeder Verstärker des Systems für den Bereich größter Verstärkung auf Null justiert werden,um zu der maximalen Verstärkung des Systems zu gelangen.

Auch gehören die Verstärker in der Kaskadenanordnung 17 zu dem Proportional-Typus, mit dem eine Differenzdruckleistung produziert wird, die dem Eingangsdruckdifferenzsignal entspricht das in herkömmlicher Weise rechtwinklig auf die

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Strömung der ^auptdüse jedes Verstärkers einwirkt. Während ' die Verstärker 51, 52 und' 53 zu dem Verstärkertyp ohne Mittelablauf (non-centre exhaust ) gehören ist der Verstärker 54 ein solcher mit Mittelablauf (centre exhaust type). Die Einheit ohne Mittelablauf entläßt das gesamte Strömungsmittel durch die -^efetungskanäle, während die Einheit mit Mittelablauf die Flüssigkeit, die nicht für die Folgestufe oder den Motor ( actuator )benötigt wird, ablauf en läßt.

Die Auslaßkanäle des Verstärkers 54 sind durch Leitungen 70,71 mit den Zylindern zweier Hilfskraftmotoren 73,74 der ^ilfskraftmotorbaugruppe 19 verbunden. Die Drücke in den Zylindern 73, 74 wirken auf die Kolben 76, 77, die, entsprechend der Differenz der Drücke in den Leitungen 70. 71, unterschiedlich bewegt werden. Die Kolben 76, 77 stehen mit der Seiltrommel 80 in Verbindung, deren Seile 81 zu dem Höhensteuer 85 des Flugzeuges führen.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die fludbetätigten Drehfühler und Flud-Verstärker-rKaskaden 12, 17 so ausgebildet, daß sie dicht beieinander angeordnet werden und in der Nähe des ators (für Luft) oder Servomotors 19 liegen, dem die Zylinder 73, 74 gehören, so daß die Leitungslängen minimal sind und der Kapazitiveffekt reduziert wird.

Abb. 4 zeigt Einzelheiten eines Proportional-Flud-Verstärkers der sich als Verstärker 29 nach Fig. 2 eignet und der zu dem Verstärkertyp ohne Mittelablauf gehört. Die Düse des Verstärkers 29 ist mit der Hauptdruckleitung durch die Nebenleitung 30 verbunden und erhält im rechten Winkel zu der Strömung durch die Hauptdüse Druckdifferenzsignale über die Leitungen 21, 22. Die Leistungskanäle 35, 36 stehen in Verbindung mit den Steuerleitungen der nachfolgenden Stuf e J^Z. ^₁A Der Verstärker 29 enthält ein kreisförmiges kreuzstück 23 ( circular cross-over) für die Ebene der KanSLe 35, 36, das

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die Leistungskanäle durch einen Weg geringer Dämpfung verbindet, welcher Grenzschichteinflüsse -vermittelt (breaks down boundary layer effects), so, daß man zu der gewünschten Proportionalwirkung kommt, damit der Differenzdruck oder relative Wechseides Momentein den Leistungskanälen 35* 36 zu den eingeführten Differenzdrucksignalen in den Leitungen 21, 22 in das Verhältnis kommt.

Fig. 5 zeigt Einzelheiten des Flud-Verstärkers 54, der zu dem Verstärkertyp mit Mittelablauf gehört und ebenfalls nrifc einem kreisförmigen Querhaupt versehen ist. Seine Leistungskanäle sind mit den Leitungen 70, 71 zur Betätigung des Aktuators 19 verbunden». Da die leitungen 70, 71 blind in die Zylinder 73, 74 des Aktuators münden, erlaubt ein Mittelablauf 90 den Ablauf von Strömungsmitteln, wenn der Aktuator in Tätigkeit ist. Das heißt, wenn der Kolben 76 (Fig. 2) sich nach rechts bewegt, wodurch er den kolben 77 nach links verschiebt, kann durch den Ablauf 90 Flud aus dem Zylinder 74 abströmen.

Die Verstärkung ,beispielsweise die Druckverstärkung von Syste-': men hängt ab von der Größe des Faktors des Fühlermaßstabes mit Bezug auf die allgemeine Verstärkungsgröße des Systems. Beispielsweise wenn die Druckdiffernez, die auf die Aktuatorzylinder 73, 74 ausgeübt wird, 0,07 atu je Grad pro Sek Winkeldrehung ist (one psi/degree/second angular rate) und wenn der Winkeldrehungsfludfühler 10 einen Faktorenmaßstab hat, der 0,00028 atü je Grad pro Sek. Winkeldrehung beträgt (.004 psi/degree/second) ist eine Systemdruckverstärkung von 250 erforderlich.

In ähnliches Weise wird die Größe des Endverstärkers 54 der Kaskade 17 durch die Strömung bestimmt, die die Zeitkonstante des Aktuators 19 erfordert. Eine überschlägige Zahl ist

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0,12 Sek. Zeitkonstante für 1,215 m pro Min. (4,5 cubic feet per minute) Aktuatorverbrauch, was- der Strom ist, den der kraftverstärker braucht um den Aktuator binnen 0,12 Sek. durch 60 i° seines Hubes zu bewegen.

Patentansprüche ι

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Claims (9)

1. Patent a β ι ρ .τ ü c Ii * t

   y GerSt Sim Bet&tigen eines AatrieVseechaaisaraa »it

   in X«e&8dezieekaltu&g_t

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2. 2) Gerät sacb Anspruch 1₄ d a d u r β b gelcinnitiebB«t « daß die Steistrstrableingänee dee erst«& ?er@tirle©s» (29) «& di« Auasäage (21 § 22) eis·« L&s*»fffiil^*r£t«» (20) eaceeealoesea aind § Tea «θ ela yiwi-Siffexeatial-signal aaageht«

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3. 3) Gerät nach Anspruch 1, 4 «durch g β -k t nn it 1 β bsi · t t daß das Lagefiihlge» rät (10) «la Wirl>«lk*am«r~Tiixk*le«schid.adiekeit»- Brehfühler let·
4. 4) Gerät nach den Ansprüchen 1 - J, g · k β η η -selehaet durch «in Hendventil (14) ZUX DIf ferentlal*£inregelung, da· alt den LeI-etungestrahlen, öle «β dem Proportion«!verstärker oder «ae den letzten Proportloaalverstärkcr (32) einer K&ekadenreihe (12) können und in den ersten Kraftreretärker einer Seihe (17) von Sr&ft« Verstärkern eintreten« karsgeeolLLoseen 1st·
5. 5) Gerät nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet « da8 die Leißtuneaatrehlen (70« 71) des Kraftrerstärkers oder des letsten EraftYerstgrkers einer Xaekadenrelhe (17) jeder einen einfach «irkenden Betätigangssylin* der (72, 76; 7*. 77) beattfechlagen·
6. 6) Gerfit nach Ansprach 5» dadurch g e k e nn~ i e lohnet , daß die Arbeitszylinder (72, 76; 74, 77) alt den Lenkaechanissraa oder dergl· eines Fahneugea *u seiner Betfit igung verbunden alnd·

   80 985 l/WS?:. :';-0.:
7. 7) Gerät nach Anspruch 6« A. & d u r c h gekiaait lehm t , daß da» Flud dos
8. Find ist, duxck da« «ich das ?abx»eug
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   L e e r s e i t e